< Previous경량골재 콘크리트 실무매뉴얼 Introduction to Practice Manual for Lightweight Aggregate Concrete 김재홍 Jae Hong Kim 한국과학기술원 건설및환경공학과 부교수 전유빈 Yubin Jun 한국과학기술원 건설및환경공학과 연구교수 특집 2 | FEATURED ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 48 1. 머리말 경량골재 콘크리트(lightweight aggregate concrete)는 골재의 전부 또는 일부를 경량골재를 사용하여 제조한 기건단위질량(air-dry density)이 2,100 kg/m³ 미만인 콘크리트로, 일반 콘크리트에 비해 단위질량이 약 20 % 낮 다. 고층 건물 시공 시 경량골재 콘크리트를 사용하여 슬래브 또는 보를 제작할 경우, 상대적으로 자중이 낮아 기둥 의 단면을 줄이는 등 경제적인 이점을 제공할 수 있다. 최근에는 친환경성을 강조한 바텀애시잔골재에 관한 관심도 증가하고 있다. 이러한 경량골재에 대한 품질 기준은 ‘KS F 2527 콘크리트용 골재’ 규격에 제시되어 있으며, 건설 현 장에서는 ‘KCS 14 20 20 경량골재 콘크리트’ 표준시방서에 따라 경량골재 콘크리트를 생산하고 있다. 한국콘크리 트학회의 경량콘크리트 연구전문위원회에서는 최신 연구 결과를 바탕으로 실무적 관점에서 배합, 시공성 및 역학 적 특성에 대한 모델을 다루는 경량골재 콘크리트 실무매뉴얼을 올해 편찬하였다. 이 실무매뉴얼에서는 KCS 14 20 20:2022 표준시방서에 대한 해설과 함께 근거가 되는 배경 연구 결과, 실험 사례 등을 자세히 다루고 있으며, 본 기 사에서는 이에 대한 소개를 간략히 하고자 한다. 2. 경량골재 콘크리트의 적용 사례 국내에서는 경량골재 생산량의 절대적인 부족, 경량골재 콘크리트의 부정적인 인식 등으로 인해 실구조물에 적용 한 사례는 비교적 드물다고 할 수 있다. 현재까지 아래의 아셈 무역센터, 여의도 아일렉스타워, 동부간선도로 등의 공사에서 시범 적용된 대표 사례를 포함해서, 반포 효성빌딩, 산업은행 본점 신축공사, 영락교회 100주년 기념관, 제 주공항 증축공사 등 구조물의 자중 경감이 요구되는 부재에 적용되었다. 또한, 경량골재 콘크리트를 패널로 생산하 여 오피스 및 주거용 건축물에서 세대 경계벽 및 지하 이중벽체로 적용된 경우도 보고되고 있다.제35권 5호 2023. 09 49 (1) ASEM 무역센터 본 구조물은 필로티 등 일부 특수 구조부재에 1998 년 7월에서 12월까지 공사 기간 중 굵은골재최대치수 25 mm, 공칭강도 18 MPa, 슬럼프 180 mm 규격의 경량골재 콘크리트를 4회에 걸쳐 438 m³가 적용되었 다. 부재의 경량화뿐만 아니라 단열 및 방음 등의 효과 를 통해 건축물 전체의 효용성이 높아졌다. (2) 여의도 아일렉스타워 본 구조물의 증축공사에서는 국내 최초로 2005년 구조용 경량골재 콘크리트를 적용함으로써 국내에서 생산하여 현장에 적용한 경량골재 콘크리트를 11 ∼ 15층 증축공사에 사용하여 펌프 압송한 국내 최초 사 례이다. (3) 동부간선도로 확장공사 2013년 시공한 동부간선도로 확장 건설 현장은 국 내 최초로 KS제품 경량골재 콘크리트가 적용된 사례 이며, PC 박스거더교로 설계기준압축강도 24 MPa의 경량골재 콘크리트가 약 402 m³ 규모로 적용되었다. 2.1 일본의 기술 현황 및 적용 사례 일본에서는 1947년 도쿄대학 하마다 박사가 천연 경량골재(natural lightweight aggregate)를 활용한 경량콘크리트에 관해 연구한 것을 시작으로, 1955년 JIS A 5002에 구조용 경량골재에 관한 규정이 신설되 었다. 1964년에 인공경량골재(artificial lightweight aggregate) 생산 기술이 미국에서 도입되었으며, 1966년에 인공경량골재협회가 설립되었다. 1978년에 는 일본건축학회에서 경량 콘크리트 배합 및 시공 지 침을 제정하여 경량골재 콘크리트에 대한 시공 및 품 질 기준을 확립하였다. 이후 1980년대부터 인공경량 골재의 구조물 적용이 활발해졌으며, 오늘날 고성능 경량골재 개발까지 진행된 상태이다. (1) 도쿄도 제1본청 건설공사 도쿄도 본청은 지상 243 m의 초고층 건축물로 직 경 6.4 m의 기둥과 높이 4m의 보로 이루어진 골조로 설계되었고, 2층부터 데크플레이트 슬래브에 경량콘 크리트가 적용되었다. 최상층까지의 경량골재 콘크리 트 압송을 원활히 수행하기 위해, 당초 설계의 슬럼프 180 mm에서 210 mm로 변경되어 시공되었다. 또한, 펌프 압송 시 콘크리트 배관막힘 현상을 방지하기 위 해 흡수율을 27 ∼ 29 %로 프리웨팅(pre-wetting)한 인공경량골재(Gmax = 15 mm)가 사용되었다. 펌프 압송 후의 평균 슬럼프는 압송 전에 비해 약 20 mm 정도, 공기량은 1 % 정도 감소한 것으로 확인되었다. 압송 전 · 후의 압축강도는 동일하였으나, 단위질량은 압송 후 다소 증가하였다. (2) 도호쿠 신칸센 누마쿠나이 교량 누마쿠나이 교량은 11경간 연속 프리캐스트 박스거 더교이며, 부재의 경량화에 의한 비용 절감을 목적으 로 상부 공사에 설계기준압축강도 40 MPa의 경량골 재 콘크리트가 적용되었다. 경량골재 콘크리트 사용 및 외부 긴장방식을 통해 부재 두께를 축소하여, 프리 캐스트 상부공사의 중량을 약 22% 감소시켰다. 경량 콘크리트 적용에 따라 재료 단가는 증가하였으나, 기 초 공사에 대한 부담 저감 및 시공 장비의 소형화로 약 10 %의 전체 공사비 절감이 가능하였다. 본 교량의 콘 크리트에는 기존의 경량골재와 비교하여 흡수율을 대 폭 줄이기 위해, 내부 기포를 독립적으로 만든 고성능 경량골재가 사용되었다. 또한, 콘크리트의 펌프 압송 성의 확보 및 골재 분리를 억제하기 위해 특수 증점제 가 사용되었다. 콘크리트 타설 전에 강도, 동결융해 저 항성, 박락 저항성 및 펌프 압송성 시험을 통해, 고성 능 경량콘크리트의 물성 및 시공성을 확인하였다. 동 결융해 시험을 통해 300회 종료 후에도 상대동탄성계 수가 80% 이상인 것이 확인하였으며, 외기온도 30도 의 높은 기온의 조건에서도 제조 후 2시간까지 워커빌 리티가 유지되었다. 2.2 미국의 대표적인 적용 사례 (1) Assembly hall 본 구조물은 미국의 University of Illinois에 있으 며, 중앙높이가 38 m인 거대한 실내 경기장으로, 돔형Magazine of the Korea Concrete Institute 50 의 지붕은 24개의 세그먼트로 건설되었다. 단위질량 1,680 kg/m³, 설계기준압축강도 28 MPa, 슬럼프 30 ∼ 80 mm인 경량골재 콘크리트가 사용되었으며, 사 용량은 23,000 m³이었다. 또한, 건설 당시 기존에는 사용된 적이 없는 최첨단 건설 방식으로 프리스트레스 방식이 적용되었다. (2) River Point Tower 시카고에 2016년 완공된 본 구조물은 지상 52층의 건축물이다. 재령 28일 설계기준압축강도는 27 MPa 이었고, 시공된 경량골재 콘크리트는 열전도율이 낮기 때문에 일반 콘크리트의 약 1/3 두께로 내화성이 충 족되었다. 경량골재 콘크리트 압송은 고정식 콘크리트 펌프를 사용하였으며, 지면과 최상층 사이에 약 16∼ 18개의 연결부가 있었고, 각 연결부 당 5개의 수직 파 이프를 추가로 설치하여 경량골재 콘크리트의 압송을 처리하였다. 2.3 유럽의 대표적인 적용 사례 (1) Torre Picasso 본 구조물은 스페인 마드리드의 중심지인 AZCA 지 구에 있으며, 뉴욕의 세계무역센터의 설계자로 알려져 있는 미노루 야마사키가 설계하였다. 높이가 157 m, 지상 46층, 지하 5층의 건물로, 1988년 완공된 이후 부터 2007년까지는 스페인에서 가장 높은 초고층 빌 딩이었다. 두께 110mm 슬래브 시공에 평균 단위질 량 1,890 kg/m³, 압축강도 47 MPa, 슬럼프 200 mm 인 경량골재 콘크리트가 약 10,000 m³를 사용하였다. 고압 몰리를 사용하여 콘크리트 압력은 70 bar정도 에서 40∼ 60 m³/h의 속도로 압송하였으며, 압송 시 3,000 rpm에서 90kW의 전력이 소요되었다. (2) The Heidrun tension leg platform 본 구조물은 노르웨이에서 건설된 오일 생산 플랫 폼으로, 부유식 해상플랫폼 건설을 위해 고강도 경량 콘크리트를 사용했으며, 요구되는 구조물의 내구연한 은 60년이었다. 단위질량 1,943 kg/m³, 평균압축강도 79 MPa와 슬럼프 250 mm의 경량골재 콘크리트가 사용되었으며, 일반골재 50 %를 경량골재로 대체하여 사용하였다. (3) Grenland bridge 본 교량은 총 길이 608m, 폭 12 m, 높이 168 m, 경간길이 305 m 및 기둥 지름 31 m로, 노르웨이에서 1996년 준공된 사장교이다. 305 m의 주경간에는 단 위질량이 1,894 kg/m³인 경량골재 콘크리트를 사용하 였다. 3. 국내의 경량골재 콘크리트 기술 및 적용 사례 3.1 국내의 경량골재 KS F 2527에 따르면, 경량골재는 천연경량골재(잔 골재 및 굵은골재), 인공경량골재(잔골재 및 굵은골재) 및 바텀애시잔골재(bottom-ash lightweight sand, BLS)로 분류된다. 천연경량골재는 경석, 화산암 및 응 회암과 같은 천연재료가 가공된 골재이며, 인공경량골 재는 고로슬래그, 점토, 규조토암, 석탄회 및 점판암과 같은 원료를 팽창, 소성 및 소괴하여 생산되는 골재이 다. 또한 바텀애시잔골재는 화력발전소에서 부산되는 바텀애시를 파쇄하여 선별한 골재이다. 국내에서 수급 가능한 인공경량골재 제품으로는 <그림 1>과 같이 다양한 모양으로 생산되고 있다. 또 한, 국내 화력발전소에서 발생되는 바텀애시잔골재도 <그림 2>와 같이 생산지에 따라 형상이 크게 다르다. KS F 2527에서는 인공경량굵은골재와 천연경량굵은 특집 2 | FEATURED ARTICLES (d) Asanolite (b) Leca (c) Stalite (a) Liapor 그림 1. 제품에 따른 굵은 경량골재의 형상제35권 5호 2023. 09 51 골재에 대해서는 단위용적질량 880 kg/m3 이하, 바텀 애시잔골재의 경우 단위용적질량 1,200 kg/m3 이하로 규정하고 있다. 3.2 경량골재 콘크리트의 배합 경량골재는 다공성 구조로 인해 일반골재에 비해 흡 수율이 높음에 따라(Kim et al., 2020), 이를 사용한 콘크리트 배합은 높은 배합수량을 필요로 하게 된다. 콘크리트 제조 전에 프리웨팅(pre-wetting)을 실시하 더라도 배합 시 추가적인 흡수로 인해, 유동성 손실을 가져올 수 있으므로, 사전에 충분한 예비실험이 필요하고 비비기 전에 는 경량골재의 함수율을 일정하게 관리하는 것이 매우 중요하다. 또한, 배합수의 흡수와 시간 경과에 따른 유동성 손실을 감안하여 적절한 고 성능 감수제를 혼합함으로써, 유동 성의 발현과 시간에 따른 손실도 최 소화할 수가 있다. 사용하고자 하는 경량골재는 함 수율이 일정하지 않으면 함수량의 계량 관리가 어려우므로 사전에 흡 수시킬 경우뿐만 아니라 저장 중에 도 함수율이 일정하게 되도록 해야한다. 또한, 저장시 설은 1일 이상 사용할 수 있는 골재를 충분히 저장할 수 있는 크기여야 한다. 경량골재의 함수율 관리는 콘 크리트 펌프 사용 유무, 펌프압송 조건, 내동해성 등을 고려하여 적정한 함수율을 유지할 수 있도록 골재 사 용 전 미리 물을 흡수시키는 프리웨팅 처리를 해야한 다. 프리웨팅은 24시간 이상 침지 또는 스프링클러 등 으로 살수하는 방법이 있다. 단, 현장여건 상 프리웨팅 이 불가능한 경우에는 기건 또는 함수 상태의 경량골 재를 사용할 수 있으나 이러한 경우에도 소정의 품질 을 확보할 수 있도록 적정 함수율을 유지해야 한다. 한 (e) (b) (f) (c) (d) (a) 그림 2. 생산지에 따른 바텀애시잔골재(BLS)의 형상 표 1. 경량골재의 물성 비교 특성 종류 단위용적질량, kg/m3 입도, mm 조립률 24시간 흡수율, % 생산지 Lytag(700 ~ 800)4/8/20--영국 Liapor(200 ~ 1,000)4/16-22독일 Leca(380 ~ 800)4/10/25-30유럽 Stalite770(770 ~ 960)5/20-5.0미국 Asanolight770(770 ~ 1,200)5/20-11일본 KOENlite7875/10/20-16현재 생산중단 BLS(a)1,0170~21.88-영흥, 건식 BLS(b)6332~54.87-영흥, 건식 BLS(c)1,0530~54.26-서천, 습식 BLS(d)6250~54.16-신당진, 건식 BLS(e)4880~55.22-태안, 건식 BLS(f)5760~54.72-신보령, 건식Magazine of the Korea Concrete Institute 52 특집 2 | FEATURED ARTICLES 편 동결융해를 반복해서 받는 경량골재 콘크리트는 시 공 시 경량골재의 함수율을 작게 하여 사용하는 것이 좋다. 경량골재는 배합 내에서도 함수율이 변한다. 경량골 재의 공극은 모세관압력(capillary pressure)을 발생 시켜 주변의 물을 흡수한다. 그러나 배합 내 물의 이동 은 페이스트의 수분 보존력(water retention)으로 저 항을 받으므로, 경량골재는 배합 내에서 공극을 모두 물로 채우지 못하고 흡수율보다 낮은 함수율을 보이게 된다. 프리웨팅을 통해 경량골재의 초기 함수율이 상 대적으로 높아지면 모세관압력이 줄어들어, 경량골재 콘크리트 배합 내에서 함수율이 감소한다. 반대로 절 건 상태의 경량골재는 모세관압력이 매우 커서 자유수 를 흡수함으로써 주변 페이스트의 유효 물-결합재비 를 감소시킨다. 이러한 경량골재 콘크리트 내 물의 이 동은, <그림 3>과 같이 경량골재의 모세관압력과 주변 페이스트의 수분 보존력으로 평형상태로 설명할 수 있 다(Kim et al., 2022). 콘크리트 배합 내 경량골재의 함수율도 경량골재의 특성으로 볼 수 있다. 인공경량 굵은골재의 절건상태 단위용적질량은 791 kg/m3이고, 실적률을 기반으로 공극률을 산정하면 52 %이다. 인공경량골재는 소성가 공을 통해 생산되므로, 닫힌 공극이 전체 부피의 33% 정도로 상대적으로 많고 열린 공극 19 % 중 1 %만이 배합 내에서 흡수한 물로 채워진다. 그에 반해 바텀애 시 잔골재는, 공극률이 48 %로 상대적으로 낮아 단위 용적질량이 957 kg/m3로 측정된다. 닫힌 공극은 전체 부피의 21 % 정도이고, 배합 내에서 흡수하면 열린 공 극 27 % 중 20 %를 물로 채우게 된다. 잔골재는 비표 면적이 상대적으로 작으므로, 많은 양의 페이스트가 경량골재 입자를 둘러싸면서 경량골재의 모세관압력 에 영향을 받는다. 이로 인해 경량 잔골재는 상대적으 로 배합 내에서 흡수량이 많아 콘크리트의 워커빌리티 가 저하된다. 경량골재 콘크리트 실무매뉴얼에서는 다양한 실험 인자를 고려하여 시험 제조한 경량골재 콘크리트의 특 성을 자세히 다루고 있다(Park et al., 2019, 2021). 제 작한 콘크리트의 워커빌리티 및 강도뿐만 아니라 단위 질량, 역학적 특성, 동결융해 저항성, 탄산화 저항성 및 염해 저항성 특성에 대해 비교 분석 사례를 언급하고 있다. 또한, 최근 친환경 건설재료에 대한 요구로 인해 관심이 증가하고 있는 바텀애시잔골재를 사용한 콘크 리트 생산 사례도 포함하고 있다(Kim et al., 2021). 3.3 경량골재 콘크리트의 펌핑 경량골재 콘크리트는 펌프 압송을 위해 필요한 펌핑 압력이 상대적으로 높다. 경량골재는 펌프 압송 중에 배합수의 일부가 경량골재 내부의 공극으로 흡수되기 그림 3. 경량골재의 모세관압력과 주변 페이스트의 수분 보존력 그림 4. 콘크리트 배합 내 경량골재의 함수율제35권 5호 2023. 09 53 때문에, 콘크리트의 컨시스턴시가 저하되어 배관의 막 힘 현상까지 유발할 수 있다. 따라서, 경량골재 콘크리 트의 펌프 압송을 용이하게 하기 위해서는 충분한 프 리웨팅을 실시하여 경량골재의 골재에 흡수되는 물을 적게 함과 동시에 관내 속도를 제어하여 관내 저항을 낮추는 등의 조치가 필요하다. 실제로는 기건 상태 경 량골재의 함수율이 흡수율이 미치지 못한 상태에서 배 합이 생산되고 펌핑이 진행되는 경우가 많으므로, 이 에 대한 정량적인 분석이 필요하다. 경량골재 콘크리트 실무매뉴얼에서는 우리나라에서 수행한 다음의 경량골재 콘크리트의 펌프 압송 시험 과 정량적인 분석결과를 소개하고 있다. 수평 118 m 펌프 압송 실험을 통해, 측정한 경량골재 콘크리트 의 펌핑 압력이다(Shin et al., 2022). <그림 5>는 실 험에 사용한 125 mm 압송관 도면으로, 5개의 압력 센서(P0, P1, P2, P3 및 P4)를 배치하여 펌핑 압력을 측정하였다. 실험에 사용한 콘크리트 배합은 <표 2> 에 제시한 바와 같이, 인공경량 굵은골재(단위용적질 량 787 kg/m3, 굵은골재 최대치수 20 mm)를 사용하 여 물-결합재비(W/B) 0.53으로 제조된 1종(L) 경량골 재 콘크리트의 기건 밀도는 1,915 kg/m3이다. 슬럼프 는 220 mm이고 공기량은 4.6 %, 재령 28일 강도는 25.3 MPa이다. 또한, 비교군으로 물-결합재비(W/B) 가 0.49인 일반 콘크리트(N)는 슬럼프 155 mm와 공 기량 6.2 %으로 제조하여 사용하였다. 경량골재 콘크리트에 대해 펌프의 스트로크 시간을 6초와 11초로 조절하여 펌핑 압력을 측정하였다. 이때 펌핑속도는 각각 10 m3/h와 4 m3/h로 차이가 있지만, 필요한 펌핑 압력은 약 48kPa/m로 비슷하였다. 이 에 비해 일반 콘크리트는 스트로크 시간 5초(펌핑속도 30 m3/h)에서 약 12 kPa/m의 펌핑 압력이 측정되었 다. 즉, 118 m 수평 압송 시 필요한 펌핑 압력은 일반 그림 5. 경량골재 콘크리트의 펌프 압송 실험 예제 표 2. 펌프 압송 실험에 사용한 콘크리트 배합 샘플 물-결합재비 배합비, kg/m 3 단위질량, kg/m3 슬럼프, mm 공기량, % 압축강도, MPa 물시멘트 플라이 애시 잔골재 굵은골재 혼화제 L0.528190270908545112.521,9182204.625.3 N0.486168294528789542.422,3481556.238.0Magazine of the Korea Concrete Institute 54 특집 2 | FEATURED ARTICLES 콘크리트보다 4배가량 높다. 한편, 펌핑 압력-속도 관계를 분석하면, 일반 콘크리 트는 펌핑 속도에 비례하는 압력이 필요한 데 반해 경 량골재 콘크리트는 압력이 배합 자체에서 소산되어 펌 핑 속도가 늦어져도 약 5 MPa 이상의 압력이 필요하 다. 또한, 압송 길이가 길어질수록 경량골재 콘크리트 배합에서의 소산 압력이 더 높을 것으로 예상된다. 4. 맺음말 산업부산물 재활용을 통한 환경적 이슈와 함께 바텀 애시잔골재에 대한 관심이 증가하고 있으며 또한, 프 리캐스트 콘크리트 산업의 활성화에 발맞추어 운반 및 시공단계에서 유리한 경량골재 콘크리트에 대한 관심 이 최근들어 높아지고 있다. 이에, 한국콘크리트학회 의 경량콘크리트위원회에서 편찬한 ‘경량골재 콘크리 트 실무매뉴얼’은 최신 연구 결과를 바탕으로 실무적 인 경량골재 콘크리트의 적용 사례, 경량골재 콘크리 트의 배합설계 사례, 바텀애시 잔골재의 적용 사례 및 경량골재 콘크리트의 펌핑 사례를 다양하게 소개하고 있음에 따라, 레미콘 제조와 시공 측면에서 활용도가 높을 것으로 기대된다. 담당 편집위원 : 천성철(인천대학교) scchun@inu.ac.kr 3. Kim, Y. -H., Kim, H. -Y., Yang, K. -H., Ha, J. -S., Effect of Concrete Unit Weight on the Mechanical Properties of Bottom Ash Aggregate Concrete, Construction and Building Materials, 273 121998, 2021. 4. Park, C. -B., Kim, Y. -H, Jun, Y., Kim, J. H., Ryu, D. -H., Properties Comparison of Concrete Using Lightweight Aggregate with Different Water Conditions and Natural Aggregate, Journal of Korea Concrete Institute, 31 (5) 459- 466, 2019. 5. Park, C. -B., Kim, Y. -H, Jun, Y., Kim, J. H., Ryu, D. -H., Durabilities of Lightweight Aggregate Concrete and Natural Aggregate Concrete, Journal of Korea Concrete Institute, 33 (3) 227-234, 2021. 6. Shin, T. Y., Kim, Y. -H., Park, C. -B., Kim, J. H., Quantitative Evaluation on the Pumpability of Lightweight Aggregate Concrete by a Full-Scale Pumping Test, Case Studies in Construction Materials 16 e01075, 2022. 1. Kim, J. H., Lee, J. H., Kim, Y. -H., Equilibrium of Capillary and Pore Water Pressure in Lightweight Aggregates Concrete, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 29 (26) 5156-5162, 2022. 2. Kim, Y. -H., Park, C. B., Choi, B. I., Shin, T. Y., Jun, Y., Kim, J. H., Quantitative Measurement of Water Absorption of Coarse Lightweight Aggregates in Freshly-Mixed Concrete, International Journal of Concrete Structures and Materials, 14 34, 2020. 참고문헌 김재홍 교수는 한국과학기술 원(KAIST)에서 2008년 박사학위 를 취득한 후 미국 Northwestern University 박사후연구원, 울산과학기 술원(UNIST) 도시환경공학부 교수를 거쳐, 현재 KAIST 건설및환경공학과 교수로 재직하고 있다. 주요 연구 분야 는 굳지 않은 콘크리트의 레올로지, 시 공성능 평가, 지속가능성 등이다. jae.kim@kaist.ac.kr 전유빈 연구교수는 부산대학 교 토목공학과에서 박사학위를 취득 한 후 U.C. Berkeley와 Texas A&M University에서 박사후연구원 과정 동 안 콘크리트 미세구조 및 콘크리트 열 화에 대한 연구를 수행하였다. 현재 한 국과학기술원(KAIST) 건설및환경공 학과에서 연구교수로 재직하고 있으 며, 주요 연구 분야는 알칼리 활성 결 합재 및 친환경 건설재료 개발 등이다. yubinjun@kaist.ac.kr구조용 경량골재 콘크리트의 역학적 특성에 대한 설계 모델 Reliable Design Models for Mechanical Properties of Structural Lightweight Aggregate Concrete 특집 3 | FEATURED ARTICLES 제35권 5호 2023. 09 55 이경호 Kyung-Ho Lee 세움건설(주) 책임연구원 양근혁 Keun-Hyeok Yang 경기대학교 스마트시티공학부 교수 1. 머리말 콘크리트의 압축강도를 포함한 역학적 특성은 결합재의 화학적 반응특성과 함께 골재의 강도 및 강성에 중요한 영향을 받는다. 특히, 콘크리트 체적의 60 % 이상을 차지하고 있는 골재의 밀도는 콘크리트의 밀도와 역학적 특성 을 결정하는 중요한 요소이다. 국내에서는 기건밀도가 2,100 kg/m3 미만인 콘크리트를 구조용 경량골재 콘크리트 (lightweight aggregate concrete, LWAC)로 정의하고 있다. 구조용 LWAC의 중량은 보통중량 콘크리트(normal- weight concrete, NWC) 대비 약 60 ~ 90 % 수준으로 구조물의 자중을 낮추는데 효과적이다. 구조물의 자중저감은 구조부재의 단면을 줄일 수 있어 실내 공간 확보에 유리하며, 구조물의 밑면 전단력을 감소시켜 내진저항성 향상에 도 긍정적이다. 또한, 건축물의 수직 증축 측면에서도 LWAC의 낮은 밀도는 구조물 기초 및 하부 부재의 보강을 최 소화할 수 있다는 장점이 있다. 프리캐스트 콘크리트 구조물 적용 시에도 부재의 운반 및 양중에 유리하게 적용될 수 있다1). 환경적 측면에서는 천연골재의 부족에 대한 대안으로 중요하게 다루어지고 있다. 이에 따라 구조용 인공 경 량골재를 사용한 콘크리트에 대한 관심은 꾸준히 높 아지고 있다2), 3). 한편, LWAC는 골재의 낮은 강성 및 강도로 인해 탄 성계수 및 균열저항성이 낮고 동일 압축강도를 갖는 NWC에 비해 취성적 파괴모드를 보인다. 특히 LWAC 에서 균열 면은 대부분 경량골재를 관통하면서 진전< 그림 1>하기 때문에 골재의 맞물림 작용을 기대할 수 없어 전단 및 인장 저항성이 NWC에 비해 낮다고 알 려져 있다 4) ~ 7). 하지만 LWAC 부재 설계에 있어서 이 들 저하된 역학적 성능은 단지 수정계수(λ 또는 η) 도 입을 통하여 재료의 휨강도 및 부재의 전단과 정착길 (b) 골재관통 균열 진전(a) 균열발생 메커니즘 그림 1. 경량골재 콘크리트의 균열 진전모드8)Magazine of the Korea Concrete Institute 56 특집 3 | FEATURED ARTICLES 이 평가에서만 고려되고 있다. 더불어 구조용 LWAC의 역학적 특성에 대한 설계기준들의 안전성 평가 및 합 리적인 설계모델에 대해서도 여전히 유용한 자료가 부 족한 상황이다. 이 글에서는 구조용 LWAC 부재의 합리적인 설계를 위하여 재료의 역학적 특성에 대한 설계기준(KDS 14 209), ACI 318-1910), fib 201011))들의 안전성을 평가 하고 많은 실험결과에 기반하여 회귀분석으로부터 유 도된 설계모델을 소개하고자 한다. 2. 경량골재 콘크리트의 역학적 특성 구조용 LWAC의 역학적 특성을 평가하기 위하여 총 1,112 배합의 기존 실험결과에 대해 분석하였다8), 12). LWAC의 역학적 특성으로는 압축강도( ), 압축강도 발현특성(), 탄성계수( ), 응력-변형률 관계, 직 접( ) 및 쪼갬 인장강도( ), 파괴계수( ) 그리고 전단 마찰강도( ) 등을 고려하였다. 이들 역학적 특성은 콘 크리트의 밀도( )와 압축강도 관점에서 분석하였다. 2.1 설계기준에서 경량성 고려 국내 · 외 설계기준들인 KDS 14 20, ACI 318-19 및 fib 2010 등은 구조용 LWAC의 역학적 특성에 대한 설 계모델을 <표 1>과 같이 제시하고 있다. ACI 318-19 는 LWAC의 에 대해 수정계수(λ)를 단순히 도입하고 있다. 이때, λ의 값은 콘크리트의 쪼갬 인장강도 또는 천연모래에 대한 경량 잔골재 치환율을 고려하여 제 표 1. 구조용 LWAC의 역학적 특성 모델에 대한 국내 · 외 설계기준 요약 역학적 특성ACI 318-19fib 2010KDS 14 20 수정계수 측정한 경우 () ACI 318-19와 동일 파괴계수 (휨 강도) ( ) 인장강도( )- ≤50 MPa >50 MPa 와 를 측정한 경우 - 탄성계수( ) 응력-변형률 관계 -- 최대응력 시 변 형률( ) - = 전경량 경량일 경우 1.1 모래경량일 경우 1.3 -제35권 5호 2023. 09 57 시하고 있는데, 통상 전경량 콘크리트에서는 0.75, 모 래경량 콘크리트에서는 0.85를 사용하고 있다. 하지만 이 수정계수 값은 약 50여년 전에 제시된 LWAC의 부터 회귀분석한 결과로서 현재까지 개정 없이 사용되 고 있다. KDS 14 20은 ACI 318-19의 λ의 값을 그대 로 도입하고 있다. fib 2010 모델은 구조용 LWAC의 및 응력-변형률 관계에서 경량골재 사용량보다는 를 고려하고 있다. 이는 경량골재 양이 많을수록 그리고 경량골재 밀도가 낮을수록 콘크리트의 역학적 특성이 저하됨을 잠정적으로 반영하고 있다. 한편 위 설계기 준들은 공통적으로 LWAC의 는 가 낮을수록 감소 하고 있음을 고려하고 있다. <그림 2>에는 기존 구조용 LWAC의 역학적 특성 에 대한 실험결과를 바탕으로 각 설계기준의 안전성 을 평가하였다. 일반적으로 LWAC의 역학적 특성은 및 에 의해 중요한 영향을 받는다. 따라서, 콘크 리트 인장 저항성 및 탄성계수 등에 대한 에 대한 영향성을 최소화하고 밀도에 대한 영향성을 파악하는 데 주안점을 두었다. 콘크리트 인장 저항성 및 탄성계 수 등을 로 무차원시키고 그 결과를 관점에서 평가하였다. 구조용 LWAC의 , , 및 은 가 증가할수록 증가하 는 경향을 나타내었다. 이는 경량골재의 밀도가 낮을 수록 또는 경량골재 사용량이 많을수록 LWAC의 인장 저항성과 탄성계수는 낮게 있음을 의미한다. 따라서 LWAC의 인장저항성에 대한 수정계수를 단순히 전경 량 또는 모래경량으로 구분하여 적용하는 것은 다소 무리이다. KDS 14 20과 ACI 318-19는 LWAC의 에 대해 과대평가하는 경향을 보였는데, 그 정도는 가 1,700 kg/m3 이상에서 증가하였다. 이들 설계기준 은 에 대해서는 가 1,600 kg/m3 이하에서는 과대 평가하는 경향을 보이지만, 그 이상에서는 과소평가하 는 경향으로 바뀌었다. fib 2010에서도 LWAC의 에 대해 과대평가하는 경향을 보였으며, 가 1,500 kg/ m3 이상에서 그 경향은 점점 증가하였다. 구조용 LWAC의 , 및 에 대한 fib 2010의 평가값은 가 1,500 kg/m3 이하에서는 과대평가하고 있었지만, 그 이상에서는 비교적 잘 예측하고 있었다. 의 경우 fib 2010에서는 Lee8)의 실험결과와 비교 시 초 기 재령에서 LWAC의 압축강도를 과대평가 하고 있 는 반면 재령 28일 이후 장기 재령에서는 과소평가하 는 경향을 나타내었다. 참고로, Lee8)가 측정한 구조용 (d) 파괴계수 (b) 직접인장강도 (c) 쪼갬인장강도 (a) 탄성계수 그림 2. L WAC의 역학적 특성에 대한 설계기준들의 안전성 평가8),12)Next >