2.1 코어 크기(직경)

기존 연구에서는 가장 보편적으로 사용되고 있는 직경 100 mm 코어를 기준으로 다양한 코어 크기에 따른 코어 압축강도 감소 또는 증가 여부를 검토하였다(Bartlett et al. 1994; Han et al. 2002; Park et al. 2002; Bae et al. 2005; Dolce et al. 2006; ACI committee 214 2008; Khoury et al. 2014; Oh et al. 2015).

Fig. 1은 기존 연구 결과를 정리하여 나타낸 것으로, x 축은 코어 크기이며, y 축은 $\varnothing$100 mm 코어 압축강도를 기준으로 코어 크기별 측정된 압축강도의 비율을 나타낸 것이다. 기존 연구 결과에서 보듯이 코어 직경이 작을수록 코어 압축강도는 감소하는 경향을 보였다.

ACI committee 214(2008)에서는 코어 자체 손상에 대한 보정계수 $F_{D}$를 코어 크기나 콘크리트 압축강도 수준과 관계없이 1.06으로 하나의 값을 제시하고 있다.

Dolce et al.(2006)의 연구에서는 코어 자체 손상에 대해서는 콘크리트 압축강도 수준에 따라 두 가지 보정계수($C_{dam}$)를 제시하였다. 기준이 되는 코어 압축강도는 20 MPa로, 20 MPa 이하인 경우 1.10을 사용하며, 20 MPa 이상인 경우 1.20을 사용하며, 각 보정계수를 통해 코어 압축강도를 표준양생 공시체 압축강도로 환산하도록 제시하고 있다.

2.2 코어 채취에 따른 손상

Khoury et al.(2014)의 연구에서는 코어 형상비, 직경, 그리고 코어 압축강도를 고려하여 코어 손상에 대해 보정하고 있으며, 식(1)과 같은 함수로 보정계수($F_{dmg.}$)를 제시하고 있다.

여기서, $f_{core}$는 코어 압축강도, $d$는 코어 직경, $l/d$는 코어 형상비, $\alpha$는 골재 종류에 따른 계수로 분쇄한 석회석의 경우 0.06을 사용한다. 식(1)은 18~48 MPa의 범위의 콘크리트 압축강도에 적용이 가능하다.

Han et al.(2002), Park et al.(2002), Kwon et al.(2002)의 연구에서는 28일 동안 표준양생된 공시체와 코어의 압축강도를 비교하였다. 코어 압축강도 대비 표준양생 공시체 압축강도는 각각 1.015, 1.25, 1.03 수준으로 크게 측정되었다. Oh et al.(2015)의 연구에서는 다른 연구와 달리 초기 재령이 아닌 재령 300일까지의 연구를 진행하였으며, 표준양생 공시체와 비교하여 코어 압축강도는 약 11.3 % 강도 감소가 발생하였다고 보고하고 있다.

3.1 사용 재료

이 연구에서는 Table 1과 같이 세 가지 종류의 배합비를 사용하여 실험에 필요한 콘크리트 구조체 및 표준 공시체를 제작하였다. 실제 구조물에 많이 사용되고 있는 콘크리트 압축강도와 물-결합재비를 고려하여 배합을 선정하였다. 모든 배합에 대해 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 굵은 골재 최대 치수는 25 mm이다.

3.2 실험 변수 및 방법

이 연구에서는 코어 손상에 영향을 미치는 인자를 파악하기 위해 Table 2와 같은 변수로 실험을 수행하였다. 코어를 채취하기 위한 구조체는 Fig. 2와 같이 각 배합별 세 가지 두께 300, 600, 1,200 mm(T1, T2, T3)의 크기로 총 9개를 제작하였으며, 벽체에서 코어를 채취할 수 있도록 역 T형 모양으로 제작하였다. 실험에 사용된 실험체 종류는 코어(core, Co)와 표준 공시체(standard cylindrical specimen, SCS)이며, 표준 공시체는 구조체와 동일한 배합으로 $\varnothing$100×200 mm(S1)와 $\varnothing$150×300 mm(S2) 두 가지 크기로 제작하고, 재령 2일에 몰드 제거 후, Fig. 3과 같이 두 가지 조건-표준양생(standard curing, SC), 구조체와 동일한 양생조건(In-suite curing, IC)-으로 양생하였다. 표준양생(SC)은 20±3 °C 온도에서 수중양생으로 진행하였으며, 현장양생(IC)은 Fig. 4와 같이 일 평균 기온 21.7 °C(최저 4.1 °C, 최고 38.1 °C), 일 평균 상대습도 71.7 %(최저 15 %)의 환경 조건에서 양생하였다(KMA 2019).

코어는 H사의 코어 드릴링 장비(공회전 속도: 524~667 RPM, 코어 비트 직경: $\varnothing$102, $\varnothing$152 mm)를 사용하여 100, 150 mm 두 가지 직경으로 채취하였다. 코어는 코어 직경의 2배 이상 깊이로 타설 방향과 직각으로 채취한 뒤, 형상비(높이/직경)를 2가 되도록 코어 채취 안쪽 면을 절단하여 조정하였다. 구조체 T1에서 코어 S2를 채취할 때는 구조체를 관통하여 채취하였다. 코어는 각 재령 2일 전에 채취한 뒤, 파괴 실험 전까지 현장양생 공시체와 동일한 조건에서 보관하였다.

실험체 파괴 실험은 한국 국가표준 시험법(KS F 2422 및 KS F 2405)을 준용하여 재령 28, 90, 180일(A28, A90, A180)에 수행되었다(KATS 2017a, b). 파괴 실험은 동일 조건에 대해 각각 6개의 실험체를 대상으로 반복적으로 이루어졌다. 각 실험체 개수는 코어 108개, 현장양생 공시체 108개, 표준양생 공시체 108개로, 총 324개의 실험체에 대한 압축강도를 비교･분석하였다.

4.1 코어 크기의 영향

콘크리트 크기가 커질수록 압축강도가 감소하는 현상은 파괴역학 크기효과로 설명된다(Bažant 1984; Kim 1990).

그러나 코어는 이와 반대로 크기가 커질수록 압축강도가 증가될 수 있다. 코어 크기가 작을수록 부피에 대한 절단된 표면적 비율이 증가하면서 손상이 커지기 때문이다(Khoury et al. 2014). 즉 코어 압축강도는 파괴역학 크기효과와 채취할 때 발생되는 손상 두 가지 영향을 동시에 받는다. 이 연구에서는 파괴역학 크기효과에 의한 영향(size effect in fracture mechanics, 이하 SFM)과 코어 손상에 의한 영향(effect of core damage, 이하 CD)으로 발생된 코어 압축강도 차이를 구분하여 파악하고자 하였다.

Fig. 5는 실험체 종류별 크기에 따른 압축강도 차이를 나타낸 것이다. x축은 실험체 종류로, 코어(Co, IC), 현장양생 공시체(SCS, IC), 표준양생 공시체(SCS, SC)로 구분하여 나타내었다. y축은 실험체 S1의 압축강도를 기준으로 실험체 S2의 압축강도 비율을 나타낸 것이며, 각 비율은 구조체 크기와 상관없이 동일한 콘크리트 배합과 재령에서 측정된 실험체 S1과 S2 압축강도 비의 전체 평균이다.

손상이 없는 현장양생 공시체(SCS, IC)의 경우, S2가 S1보다 3 % 정도 작은 강도를 나타내었다. 이와 같은 강도 차이는 파괴역학 크기효과에 따른 강도 차이로 볼 수 있다.

표준양생 공시체(SCS, SC) 압축강도는 현장양생 공시체 결과와 마찬가지로 크기가 클수록 강도가 감소하는 것으로 나타났다. 표준양생 공시체 S2의 압축강도는 S1의 99 % 수준으로 기존 연구에서 제시된 97 % 와 유사한 수치로 측정되었다(KCI 2017).

코어(Co, IC)의 경우 코어 S2가 코어 S1보다 4 % 크게 나타났다. 즉 코어 단면이 클수록 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 표준 공시체 결과와 상반되는 결과로, 파괴역학 크기효과뿐만 아니라 크기에 따른 코어 손상 영향도 동시에 작용하면서 발생된 것으로 판단된다.

Fig. 6은 코어 압축강도와 양생조건이 다른 표준 공시체 압축강도를 비교한 것이다. x축은 양생조건에 따른 공시체 종류, y축은 코어 압축강도 대비 표준 공시체 압축강도 비로 나타내었다. 각 강도 비는 동일 조건, 즉 동일한 콘크리트 배합과 재령에서 측정된 코어 압축강도 대비 표준 공시체 압축강도 비의 전체 평균값으로 계산하였으며, 이를 통해 전체 실험 결과에 대한 경향성을 파악하고자 하였다.

Fig. 6의 결과에서 보듯이, 현장양생 공시체는 코어보다 실험체 S1의 경우 12 %, 실험체 S2의 경우 4 % 정도 압축강도가 크게 나타났다. 이와 같은 압축강도 차이는 현장양생 공시체와 구조체가 동일한 양생 조건이고, 동일한 크기의 실험체를 비교한 것이기 때문에, 코어 채취에 따른 손상 영향만으로 발생된 것으로 볼 수 있다.

표준양생 공시체 S1과 S2는 코어보다 각각 19 %와 13 % 압축강도가 크게 나타났다. 그러나 이와 같은 표준양생 공시체와 코어의 압축강도 차이는 서로 양생 조건이 엄밀한 의미에서 다르기 때문에, 손상에 의한 영향뿐만 아니라 양생 조건 영향이 동시에 작용하면서 발생된 것이다.

표준양생 공시체는 수중 또는 습윤 상태에서 양생되면서 수화반응을 위한 수분이 외부에서 공급된다. 이로 인해 장기 재령에서의 압축강도가 다른 양생 조건보다 크게 나타난다. 그러나 실제 구조물은 외기 노출로 수분 증발이 되면서 상대적으로 수화반응이 느려지거나 중지되며, 이로 인해 표준양생 공시체보다 강도가 작아질 수 있다. 이와 같은 양생 조건에 따른 압축강도 차이는 이 연구 결과에서도 나타났으며, Fig. 6에서 보듯이 현장양생 공시체가 표준양생 공시체보다 낮은 강도를 보인다.

현장양생 공시체 S1과 S2의 강도 차이는 파괴역학 크기효과에 의해서 발생되기 때문에, 식(2)와 같이 표현할 수 있다.

여기서, $f_{SCS,\:IC,\:S1}$와 $f_{SCS,\:IC,\:S2}$는 각각 현장양생 공시체 S1과 S2의 압축강도이다. $F_{SFM}$는 파괴역학 크기효과에 의한 보정계수이다.

또한, Fig. 6에서 나타난 동일 크기 코어와 현장양생 공시체의 강도 차이는 코어 손상 영향만을 발생되기 때문에, $F_{CD,\:S1}$와 $F_{CD,\:S2}$를 사용하여 식(3), (4)와 같이 표현할 수 있다.

여기서, $f_{Co,\:IC,\:S1}$와 $f_{Co,\:IC,\:S2}$는 각각 코어 S1과 S2의 압축강도이며, $F_{CD,\:S1}$와 $F_{CD,\:S2}$는 각각 코어 S1과 S2를 채취할 때 발생된 손상 영향에 의한 보정계수이다.

Fig. 5의 현장양생 공시체 크기에 따른 강도 차이 결과로부터 $F_{SFM}$는 1.03(=1/0.97)로 산정되었으며, Fig. 6의 코어와 현장양생 공시체 결과로부터 $F_{CD,\:S1}$와 $F_{CD,\:S2}$는 각각 1.12와 1.04로 산정되었다.

식(5)는 Fig. 5의 코어 크기에 따른 강도 차이를 수식으로 표현한 것이다. 이는 코어 S1과 S2의 파괴 실험으로부터 측정된 결과로, 코어 S1의 압축강도는 S2의 0.96 배로 측정되었다. 이와 같은 강도 차이는 파괴역학 크기효과와 코어 손상 영향으로 인해 발생된 것이기 때문에, 식(6)과 같이 표현할 수 있다.

식(5)와 같이 코어로부터 측정된 크기에 따른 강도 차이는 코어와 현장양생 공시체의 관계로부터 산정된 보정계수를 통해 식(6)처럼 계산이 가능하며, 이를 통해 보정계수 적용 가능성을 확인하였다.

따라서 이 연구에서는 Table 4와 같이 파괴역학 크기효과에 대한 보정계수 $F_{SFM}$와 코어 손상에 대한 보정계수 $F_{CD,\:S1}$와 $F_{CD,\:S2}$를 제시하고자 한다.

4.2 콘크리트 압축강도 및 물-결합재비의 영향

실제 구조물에 많이 사용되고 있는 콘크리트 압축강도와 물-결합재비에 따른 코어 손상 영향을 검토하고자 하였다.

Fig. 7은 코어와 현장양생 공시체의 압축강도 관계를 나타낸 것이다. x축과 y축은 각각 코어와 현장양생 공시체의 압축강도이며, 압축강도 범위에 따른 손상 영향만을 고려하기 위해 실험체 S2의 압축강도를 Table 4의 보정계수를 사용하여 실험체 S1의 압축강도로 환산하여 나타내었다. 실선은 코어와 현장양생 공시체의 압축강도 관계에 대한 회귀 곡선이며, 점선은 두 압축강도 값이 동일한 직선이다.

Fig. 7의 결과에서 보듯이 대부분의 실험 결과는 점선 위쪽에 위치하여 코어 손상으로 강도가 감소된 것을 확인하였다. 또한 실험 결과는 강도가 증가함에 따라 회귀 곡선과 같이 점선 위쪽으로 더 치우치는 것으로 나타났다. 이는 콘크리트 압축강도가 클수록 손상으로 인한 강도 감소가 크게 발생한다는 것을 의미한다. 이와 같은 강도 감소는 골재 주변 매트릭스 강도가 커지면서 드릴링에 의한 손상 역시 증가하기 때문에 발생된 것으로 판단된다.

Fig. 8은 물-결합재비에 따른 코어 손상 영향을 나타낸 것이다. x축은 물-결합재비이며, y축은 현장양생 공시체와 비교하여 코어가 어느 정도 손상이 발생하였는지 파악하기 위해, 코어 압축강도 대비 현장양생 공시체의 압축강도 비율로 나타내었다. 각 실험체 압축강도는 Table 4의 보정계수를 사용하여 실험체 S1의 압축강도로 환산하였다. 실선은 각 물-결합재비별 평균값에 대한 회귀 곡선이다.

물-결합재비가 클수록 회귀 곡선과 같이 코어 손상 정도는 비선형으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 Fig. 7의 결과와 마찬가지로 콘크리트 압축강도가 클수록 손상이 크게 발생하는 것을 볼 수 있다.

4.3 콘크리트 재령 영향

일반적으로 코어 압축강도는 초기 재령인 28일 표준양생 공시체 압축강도로 보정하고 있다. 그러나 실제 공용 중인 콘크리트 구조물의 재령은 장기 재령인 경우가 대부분이다. 이 연구에서는 이러한 재령에 따른 코어 손상 영향 여부를 파악하고자 코어와 현장양생 공시체의 재령 28, 90, 180일 압축강도를 비교하였다.

Fig. 9는 콘크리트 배합별 재령에 따른 코어 손상 영향을 나타낸 것이다. x축은 콘크리트의 재령, y축은 Fig. 8과 같이 코어 손상 정도로 나타내었다.

재령에 따른 코어 손상은 이 연구 범위의 재령 내에서 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다. 동일 배합에서 재령에 따른 압축강도 증가폭보다 서로 다른 배합의 압축강도 차이가 더 크게 나타났기 때문에, Fig. 7과 같은 콘크리트 압축강도에 따른 코어 손상 경향성이 나타나지 않은 것으로 판단된다. 그러나 동일 재령에서 코어 손상 영향은 Fig. 7의 결과와 마찬가지로 콘크리트 압축강도가 클수록 손상 역시 증가하는 경향을 보였다.

실제 구조물의 사용기간은 이 연구 범위에서 다룬 재령보다 훨씬 길기 때문에, 실제 구조물의 사용 기간을 고려하기 위한 보다 장기 재령에서의 연구가 필요할 것이다.

4.4 구조체 크기 영향

코어는 현장 여건 및 채취 목적에 따라 다양한 크기의 구조물에서 채취하기 때문에, 이러한 구조물 크기가 코어 손상에 미치는 영향을 확인할 필요가 있다. 이 연구에서는 세 가지 크기의 구조체를 제작하여 구조체 크기별 코어 압축강도 차이를 검토하고자 하였다.

Fig. 10은 구조체 크기에 따른 코어 압축강도 차이를 나타낸 것이다. x축은 구조체 크기, y축은 구조체 T1에서 채취한 코어 압축강도를 기준으로 구조체 T2와 T3의 코어 압축강도 비율로 나타내었다.

코어 압축강도는 구조체 크기에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 즉 코어 손상은 이 연구 범위 내의 구조체 크기에 따라 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.