(Sung-Sik Park)
박성식1†
(Jun-Woo Lee)
이준우2
-
경북대학교 공과대학 건설환경에너지공학부 조교수
(Kyungpook National University)
-
쌍용시멘트 사원
(SsangYong Cement)
Key words (Korean)
인장강도, 아령모양 인장시험, 내장형 실린더 인장시험, 쪼갬인장시험
Key words
Tensile strength, Dumbbell type tensile test, Built-in cylinder tensile test, Split tensile test
1. 서 론
흙의 인장강도는 흙의 종류와 포화도에 따라 그 크기가 수십에서 수백 kPa에 이르기 때문에 다양한 지반구조물의 안정성과 성능에 중요한 영향을 미칠
수 있다. 특히, 도로포장이나 흙댐의 경우 재료의 인장강도와 관련된 균열파괴가 자주 발생하며, 지반공학 내에서 발생하는 여러 문제가 흙의 인장강도와
관련 있다. 예를 들면, Spenser (1968) and Suklje (1969)는 사면 상부에서 나타나는 인장 주응력 상태를 갖는 크리프나 한계상태의
점성토 사면의 경우 인장강도는 사면안정해석과 깊은 관련성이 있음을 밝혔다. Suklje (1969)는 피압수로 인한 굴착면 저면의 점성토층에서 인장균열의
위험성과 점성토 저면의 한계동수경사가 전단강도뿐만 아니라 인장강도에 영향을 받을 수 있다고 언급하였다. Fang and Fernandez (1981)도
사면, 도로, 흙댐 및 제방에서의 인장균열 문제의 중요성을 언급하였으며, George (1970)는 안정화된 흙-시멘트 혼합체의 균열 확장 및 균열로
인한 피해에 대해 연구하였다. 또한 Allen (2001)은 대표적인 지반환경구조물인 매립지 차단시스템에서 균열 발생으로 오염원이 유출되면서 그 기능이
상실될 수 있음을 언급하였다.
흙에 대한 직접인장시험법은 아령모양(Dumbbell type)의 공시체를 제작하여 양단에서 직접 인장력을 가하여 실험하는 방법이 있다. 하지만 공시체를
시험기에 장착할 때 양단부를 연결하기 어려울 뿐만 아니라 콘크리트나 암석에 비해 강도가 약해 연결부에서 파괴되는 경우도 자주 발생한다. 이와 같이
기존의 직접인장시험법은 공시체 제작이나 시험이 어려워 원기둥 공시체를 눕혀서 하중을 가하는 간접인장시험법이 주로 사용되고 있으며, 콘크리트 분야에서는
쪼갬인장시험(Split tensile test), 암석에는 압열인장시험(Brazilian test)이라 한다. 하지만 이와 같은 간접인장시험으로부터
구한 인장강도는 공시체 내의 응력 분포를 고려했을 때 순수 인장강도와 상당한 차이가 있으며(Hudson et al., 1972), Hobbs (1963)도
공시체 직경방향으로 압축력을 가하면 공시체 중심부에 작용하는 압축응력의 영향으로 순수 인장응력을 구하는 것이 어렵다고 지적하였다. 시멘트 혼합토는
흙이나 모래에 시멘트를 섞은 것으로 흙 입자간의 고결작용으로 건조 시 흙의 체적변화를 감소시키거나 강도를 증가시켜 기초지반 및 연약지반의 보강, 옹벽
뒤채움재, 도로 및 철도의 성토노반, 기층재료 등으로 사용되고 있다. 몇몇 연구자에 의해 시멘트 혼합토의 인장강도 특성에 관한 연구가 수행되었으며,
Hudson and Thomas (1968)는 시멘트 함량, 양생방법에 따라 간접인장강도는 압축강도의 14-16%의 범위라고 하였으며, 직접인장강도는
간접인장강도보다 15% 크다고 하였다. 이러한 고결된 흙이나 점토의 중요한 공학적 특성 중의 하나인 인장강도를 직접적인 방법으로 정확히 측정할 필요가
있다.
본 연구에서는 시멘트 혼합토의 인장강도를 좀 더 정확하게 평가하기 위해 내장형 실린더를 이용한 새로운 인장시험법을 개발하였다. 기존에 사용되고 있는
아령모양의 공시체를 사용한 직접인장시험과 쪼갬인장시험을 실시하여 제안된 실험방법의 적용성을 검토하였다. 한편 일축압축시험을 실시하여 동일한 공시체에
대한 일축압축강도와 인장강도의 상관관계에 대해서도 연구하였다.
2. 실험재료 및 기존 인장시험 방법
2.1 실험재료
본 연구에서는 시멘트 고결토를 제작하기 위해 주문진 표준사와 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. Table 1은 주문진 표준사의 공학적 특성을 나타내고
있으며, 비중은 2.65이고 통일분류법상 빈입도 모래(SP)로 분류된다. 다양한 고결도를 가진 시멘트 고결토에 대한 적용성을 검토하기 위해 공시체의
모래/시멘트비는 3:1 또는 1:1 그리고 물/시멘트 비는 50%로 배합하였으며, 제작된 공시체는 대기 중에서 7일 또는 28일 동안 양생하였다.
|
Table 1. Material Properties of Jumunjin Sand
|
|
Specific gravity, Gs
|
Maximum unit weight (kN/m3)
|
Minimum unit weight (kN/cm3)
|
Effective grain size, D10 (mm)
|
Uniformity coefficient, Cu
|
Coefficient of gradation, Cc
|
USCS*
|
|
2.65
|
16.28
|
13.05
|
0.40
|
1.68
|
0.89
|
SP
|
|
* Unified Soil Classification System
|
2.2 쪼갬인장시험
쪼갬인장시험은 콘크리트의 인장강도를 간접적으로 측정하는 간접인장시험 방법으로 암석의 인장강도를 측정하는 압열인장시험(Brazilian test)과
동일하다. 간접인장시험은 Hondros (1959)에 의해 콘크리트의 인장강도를 측정하기 위해 사용된 이후 Bieniawski and Hawkes
(1978)는 암석의 인장강도를 결정하기 위한 방법으로 ISRM (1979)에서 규정되는 등 다양한 연구가 이루어져 왔다. 쪼갬인장시험은 원기둥 공시체를
눕힌 다음 상·하에서 압축시켜 공시체 수평방향으로 발생하는 인장응력에 의해 인장파괴가 발생하도록 하는 방법이다. Obert and Duvall (1967)은
원판의 하중 중심선 상의 응력상태는 중심선 상의 각 점에 하중 방향의 수직인 방향으로 균등한 인장응력이 작용하고 이와 더불어 인장응력의 3배인 압축응력이
작용한다고 하였다.
Eq. (1)은 공시체의 직경방향으로 하중을 가하였을 때의 인장강도를 구하는 식이다.
(1)
여기서 T0는 인장강도이고 P는 파괴 시의 하중이며, D는 공시체의 직경 그리고 L은 공시체의 길이이다.
쪼갬인장시험은 공시체 제작이 용이할 뿐 아니라 시험방법이 간단하여 널리 사용되고 있다. 하지만 재료의 특이성 또는 이방성을 가지는 경우 시험편에 작용하는
인장하중을 축방향으로 균등하게 가하는 것이 어렵다. 암석의 경우 소요의 압축하중을 견디며 인장응력으로 인한 탄성파괴가 유도되지만, 압축하중에 약한
지반재료의 경우에는 압축파괴가 선행되면서 탄소성파괴가 발생하므로 지반재료에는 유효하지 않은 방법으로 알려져 있다(Adepegba, 1971). Camiero
and Barcellos (1953)는 모든 강도 영역에서 쪼갬인장강도가 과대평가되고 있다고 하였으며, Slate et al. (1986) and
Zhang and Gjorv (1991)는 일축압축강도 20MPa 이하에서는 실험결과를 예측하기 쉽지만 일축압축강도가 증가함에 따라 인장강도는 예측하기
어렵다고 하였다. 또한 축방향으로 균등한 하중이 가해지지 않는 경우 휨 현상으로 인한 불규칙한 응력 집중이 발생하여 신뢰성있는 인장강도를 얻기 어렵다.
2.3아령모양 공시체를 이용한 직접인장시험(이하 아령모양 인장시험이라 함)
Kim et al. (2009)에 의하면 아령모양 인장시험은 Fig. 1과 같이 제작된 몰드로 성형한 공시체를 상·하로 직접 인장력을 가하여 공시체를
파괴하는 방법이다. 아령모양 인장시험으로부터 계산되는 인장강도 은 공시체 양단면에 균등하게 인장력을 가하여 일정한 하중(P)에서 파괴되었을 때 이것을 공시체 중앙 단면적(A)으로 나눈 값으로 Eq. (2)와 같다.
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|
|
Fig. 1. Dumbbell Type Tensile Test Mold
|
(2)
이러한 아령모양 인장시험은 쪼갬인장시험에 비해 인장강도를 직접 구할 수 있는 장점이 있으나, 변단면인 공시체 제작이 어렵고 시료 제작이나 실험 준비
중 파괴가 발생할 수 있으며, 실험 중 재료의 취약부인 단면 변화부나 절점부에서 파괴가 발생하여 실험에 어려움이 있다. 또한, 시멘트 혼합토는 굴곡면의
시료 성형이 힘들며 공시체를 실험장비의 연결장치와 결합 시 접합부에서 균열이 쉽게 발생할 수 있다.
3. 내장형 실린더 인장시험
본 연구에서는 공시체 내에 내장된 실린더를 이용하여 공시체 내부에서 직접 인장력을 가하여 파괴시키는 인장시험법을 개발하였다. 인장력을 가하는데 사용된
유압 실린더는 Fig. 2와 같이 가로 4cm, 세로 4cm, 높이 5cm로 국내 M사에서 합성강을 소재로 제작되었으며, 최대압력 12.8MPa까지
가할 수 있는 실린더를 사용하였다. 실린더 상·하부에는 Fig. 2와 같이 직경 9cm의 판(plate)을 설치하여 인장시험을 실시할 때 공시체 내부에서
인장력을 발생시키는 역할을 하였다. 작동원리에 대한 자세한 사항은 ‘인장시험기를 구비하는 인장시험장치 및 인장시험방법(Patent No. 10-1327018,
2013)’ 특허를 참조하기 바란다.
공시체를 제작하기 전 먼저 유압 실린더를 유압 잭(jack)과 연결된 황동관과 체결하여 유압의 유동성과 실린더의 작동 유무를 확인한다. 실린더의 이상
유무가 확인되면 유압 실린더를 Fig. 2와 같이 직경 15cm, 높이 30cm인 몰드 내 정확한 위치에 설치하기 위해 아래쪽에 직경 5cm, 높이
10cm의 원통과 함께 설치하였으며, 원통 내부로 유압 연결관이 통과하도록 하였다. 이렇게 준비가 완료되면 몰드를 체결한 다음 상부에서 시멘트 고결토를
넣어 공시체를 제작하였다. 유압 잭과 연결된 실린더는 작동유체의 유압에 의해 실린더의 판이 인장강도 측정 방향으로 이동할 수 있도록 하였다. 내장형
실린더와 연결된 잭을 이용하여 실린더 내부로 전달되는 전달유체의 압력을 높이면 잭에 연결된 계측장치에서 압력 확인이 가능하다. 계측장치는 국내 K사에서
제작되었으며 압력범위 0-70MPa, 감도 0.961mV/V의 계측장치를 사용하였다. 잭으로 계속해서 압력을 증가시킴으로써 공시체를 Fig. 3과
같이 인장파괴시켜 직접 인장강도를 측정할 수 있다. 이와 같이 내장형 실린더를 이용한 인장시험법의 인장강도는 다음 Eq. (3)과 같이 구할 수 있다.
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Fig. 2. Cylinder (left) and Setup of Cylinder within Mold (right)
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(a) Initial Condition
|
(b) After Applying Pressure
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Fig. 3. Built-in Cylinder Tensile Testing Concept
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(3)
여기서 P는 파괴 시 실린더 하중, A는 직경 15cm인 공시체의 단면적이고 A0는 실린더에 연결된 직경 9cm 판의 단면적이다.
4. 시멘트 고결토의 인장시험 결과
본 연구에서 개발한 내장형 실린더를 이용한 직접인장시험과 2.2절과 2.3절에서 언급한 기존의 직접인장시험 및 간접인장시험을 실시하여 시멘트 고결토에
대한 인장강도를 평가하였다. 또한 일축압축시험을 실시하여 시멘트 고결토의 일축압축강도와 인장강도의 상관관계를 분석하였다. 인장시험에는 동일한 공시체를
10개, 압축시험에는 5개를 제작하여 각각의 평균강도와 표준편차를 평가하였다.
4.1 쪼갬인장시험 결과
쪼갬인장시험 공시체는 직경 5cm, 높이 10cm로 제작하였으며, 공시체에 간접적으로 인장하중을 가하여 실험하였다. Table 2는 모래/시멘트비
3:1과 1:1 그리고 7일 및 28일 동안 양생한 공시체에 대한 쪼갬인장시험 결과이다. 예를 들면, Figs. 4 and 5는 각각 모래/시멘트비가
3:1과 1:1인 7일 양생한 공시체에 대한 인장응력-변위 관계를 나타내고 있으며, 인장균열로 인한 파괴가 발생한 시점의 응력인 인장강도를 X로 표시하였다.
모래/시멘트비가 3:1인 경우 양생기간에 따라 각각 평균 348kPa와 616kPa의 인장강도를 나타냈으며, 인장파괴가 발생한 후 추가적인 강도 증가가
일부 발생하였다. 모래/시멘트비가 1:1인 경우 양생기간에 따라 각각 평균 2,132kPa와 3,245kPa의 인장강도를 보였으며, 모래/시멘트비
3:1인 공시체와 유사하게 인장균열이 발생한 후에 강도가 감소하다가 면하중으로 인해 다시 강도가 증가하는 경향을 보였다. 양생기간이 동일한 경우,
모래/시멘트비가 3:1에서 1:1로 증가함에 따라 인장강도는 각각 513% (1,784kPa) 및 427% (2,629kPa) 증가하였다. 모래/시멘트비가
동일한 경우, 양생기간이 증가함에 따라 인장강도는 각각 77% (268kPa) 및 52% (1,113kPa) 증가하였다. 시멘트비 증가에 따른 인장강도의
증가가 양생기간에 따른 증가보다 훨씬 높았다.
Fig. 6(a)는 모래/시멘트비가 3:1인 공시체의 파괴 형상을 나타내고 있으며, 일축압축시험장치의 상·하부에서 가해지는 하중으로 인하여 상·하부에서
균열이 시작됨과 동시에 공시체에 여러 방향으로 균열이 발생하였다. Fig. 6(b)는 모래/시멘트비가 1:1인 공시체의 파괴 형상으로 공시체의 중앙에서부터
균열이 발생하여 하나의 균열이 상·하부로 전파되면서 파괴되는 형상을 보였다.
|
Table 2. Results of Split Tensile Test
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|
Test ID
|
Curing period
(days)
|
Sand/ Cement
Ratio
|
Tensile strength (kPa)
|
Deformation at failure (mm)
|
Dry unit weight
(kN/m3)
|
Water content (%)
|
|
A31-7a
|
7
|
3:1
|
301
|
0.97
|
13.83
|
3.1
|
|
A31-7b
|
546
|
0.61
|
14.22
|
3.5
|
|
A31-7c
|
113
|
1.08
|
14.22
|
3.6
|
|
A31-7d
|
735
|
0.92
|
15.60
|
6.5
|
|
A31-7e
|
249
|
1.41
|
12.65
|
4.7
|
|
A31-7f
|
375
|
1.26
|
14.62
|
3.0
|
|
A31-7g
|
538
|
0.87
|
14.81
|
3.0
|
|
A31-7h
|
232
|
1.15
|
13.64
|
3.5
|
|
A31-7i
|
210
|
0.51
|
13.15
|
3.2
|
|
A31-7j
|
184
|
1.07
|
13.64
|
3.4
|
|
A31-28a
|
28
|
529
|
2.01
|
14.91
|
3.0
|
|
A31-28b
|
687
|
1.84
|
14.42
|
4.4
|
|
A31-28c
|
524
|
1.52
|
13.83
|
3.7
|
|
A31-28d
|
683
|
1.38
|
14.32
|
4.2
|
|
A31-28e
|
512
|
1.68
|
14.81
|
3.9
|
|
A31-28f
|
368
|
1.55
|
14.72
|
4.0
|
|
A31-28g
|
698
|
1.78
|
14.13
|
5.5
|
|
A31-28h
|
763
|
1.20
|
13.83
|
5.1
|
|
A31-28i
|
953
|
1.98
|
14.32
|
4.9
|
|
A31-28j
|
438
|
1.77
|
14.52
|
4.2
|
|
A11-7a
|
7
|
1:1
|
2,168
|
2.33
|
17.56
|
10.4
|
|
A11-7b
|
1,737
|
1.46
|
17.36
|
12.3
|
|
A11-7c
|
2,721
|
2.47
|
17.85
|
10.1
|
|
A11-7d
|
2,756
|
3.13
|
18.15
|
9.2
|
|
A11-7e
|
2,358
|
2.25
|
17.17
|
12.0
|
|
A11-7f
|
1,777
|
2.83
|
16.97
|
13.9
|
|
A11-7g
|
1,678
|
1.97
|
16.68
|
11.9
|
|
A11-7h
|
2,194
|
2.15
|
17.36
|
10.4
|
|
A11-7i
|
2,179
|
1.55
|
16.78
|
10.1
|
|
A11-7j
|
1,750
|
1.65
|
16.68
|
11.2
|
|
A11-28a
|
28
|
2,854
|
1.75
|
17.27
|
7.9
|
|
A11-28b
|
3,035
|
1.80
|
17.56
|
7.2
|
|
A11-28c
|
3,187
|
2.18
|
17.56
|
7.0
|
|
A11-28d
|
2,248
|
3.25
|
17.46
|
7.7
|
|
A11-28e
|
3,568
|
3.02
|
17.07
|
7.6
|
|
A11-28f
|
3,264
|
2.81
|
17.17
|
7.9
|
|
A11-28g
|
3,103
|
1.86
|
16.38
|
6.2
|
|
A11-28h
|
3,897
|
2.38
|
17.17
|
7.1
|
|
A11-28i
|
3,568
|
1.85
|
16.68
|
10.1
|
|
A11-28j
|
3,726
|
2.98
|
16.78
|
8.2
|
|
|
|
|
|
Fig. 4. Results of Split Tensile Tests for 7 Days Cured Specimens with Sand/Cement
Ratio of 3:1
|
|
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|
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Fig. 5. Results of Split Tensile Tests for 7 Days Cured Specimens with Sand/Cement
Ratio of 1:1
|
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(a) Specimen with Sand/Cement Ratio of 3:1
|
(b) Specimen with Sand/Cement Ratio of 1:1
|
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Fig. 6. Specimens after Split Tensile Tests
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4.2 아령모양 인장시험 결과
Fig. 1과 같은 아령모양의 공시체를 제작한 다음 연결장치가 설치되어 있는 일축압축시험기에 공시체를 설치한 후 직접적으로 인장력을 가하여 인장강도를
측정하였으며, 실험결과는 Table 3과 같다. Figs. 7 and 8은 각각 모래/시멘트비가 3:1과 1:1인 7일 양생한 공시체의 변위에 따른
인장응력 변화를 나타내고 있으며, 균열 파괴가 발생하면서 응력이 갑자기 0으로 떨어지는 경향을 보였다. 모래/시멘트비가 3:1인 경우에는 인장강도가
양생기간에 따라 각각 평균 345kPa와 504kPa로 나타났다. 모래/시멘트비가 1:1인 경우에는 각각 평균 784kPa와 1,748kPa로 나타났다.
양생기간이 동일한 경우, 모래/시멘트비가 3:1에서 1:1로 증가함에 따라 인장강도는 각각 127% (439kPa) 및 247% (1,244kPa)
증가하였다. 모래/시멘트비가 동일한 경우, 양생기간이 증가함에 따라 인장강도는 각각 46% (159kPa) 및 123% (964kPa) 증가하였다.
시멘트비 증가에 따른 인장강도의 증가가 양생기간에 따른 증가 보다 다소 높았다.
Fig. 9(a)는 인장시험 후 파괴된 공시체의 모습이다. 실험 전 일축압축시험장치에 공시체를 결합할 때 시험기 상·하부 연결장치와 결합 시 Fig.
9(b)와 같이 절점부에서 균열 및 파괴가 생겨 실패하는 공시체의 개수가 많아 공시체 제작에 상당한 시간과 어려움이 있었다.
4.3 내장형 실린더 인장시험 결과
|
Table 3. Results of Dumbbell Type Tensile Test
|
|
Test ID
|
Curing period
(days)
|
Sand/ Cement
Ratio
|
Tensile strength (kPa)
|
Deformation at failure
(mm)
|
Dry unit weight
(kN/m3)
|
Water content (%)
|
|
B31-7a
|
7
|
3:1
|
278
|
22.5
|
16.48
|
5.2
|
|
B31-7b
|
325
|
26.3
|
15.89
|
6.8
|
|
B31-7c
|
360
|
27.1
|
15.40
|
5.8
|
|
B31-7d
|
250
|
10.8
|
14.91
|
6.2
|
|
B31-7e
|
369
|
24.6
|
15.50
|
5.6
|
|
B31-7f
|
311
|
9.8
|
15.79
|
5.7
|
|
B31-7g
|
388
|
16.5
|
15.99
|
6.1
|
|
B31-7h
|
418
|
16.2
|
15.60
|
5.8
|
|
B31-7i
|
348
|
11.4
|
15.79
|
6.0
|
|
B31-7j
|
403
|
12.6
|
15.40
|
6.2
|
|
B31-28a
|
28
|
478
|
13.8
|
17.27
|
3.6
|
|
B31-28b
|
425
|
15.6
|
17.46
|
3.2
|
|
B31-28c
|
567
|
17.2
|
16.09
|
3.1
|
|
B31-28d
|
620
|
18.3
|
16.78
|
4.1
|
|
B31-28e
|
367
|
11.2
|
16.28
|
3.9
|
|
B31-28f
|
578
|
18.2
|
15.60
|
3.5
|
|
B31-28g
|
470
|
10.6
|
15.79
|
4.9
|
|
B31-28h
|
561
|
9.3
|
15.99
|
2.9
|
|
B31-28i
|
497
|
6.8
|
15.40
|
3.7
|
|
B31-28j
|
480
|
13.5
|
15.70
|
2.8
|
|
B11-7a
|
7
|
1:1
|
862
|
19.2
|
17.46
|
8.7
|
|
B11-7b
|
676
|
15.3
|
15.89
|
8.6
|
|
B11-7c
|
889
|
16.5
|
17.76
|
7.2
|
|
B11-7d
|
671
|
16.9
|
17.36
|
7.9
|
|
B11-7e
|
621
|
11.1
|
17.27
|
8.2
|
|
B11-7f
|
1,028
|
15.31
|
16.87
|
7.6
|
|
B11-7g
|
602
|
21.2
|
16.78
|
7.2
|
|
B11-7h
|
721
|
7.4
|
16.87
|
8.1
|
|
B11-7i
|
924
|
13.1
|
17.36
|
7.9
|
|
B11-7j
|
843
|
19.4
|
17.07
|
7.7
|
|
B11-28a
|
28
|
2,190
|
18.3
|
16.78
|
4.4
|
|
B11-28b
|
1,988
|
12.6
|
16.97
|
4.9
|
|
B11-28c
|
1,650
|
15.8
|
16.28
|
3.2
|
|
B11-28d
|
1,093
|
11.2
|
16.09
|
2.6
|
|
B11-28e
|
1,474
|
18.2
|
16.68
|
1.1
|
|
B11-28f
|
2,626
|
11.3
|
17.46
|
0.7
|
|
B11-28g
|
1,585
|
17.2
|
17.27
|
2.8
|
|
B11-28h
|
2,285
|
13.3
|
17.07
|
3.4
|
|
B11-28i
|
1,210
|
18.2
|
16.09
|
0.9
|
|
B11-28j
|
1,380
|
17.2
|
16.87
|
1.1
|
|
|
|
|
|
Fig. 7. Results of Dumbbell Type Tensile Tests for 7 Days Cured Specimens with Sand/Cement
Ratio of 3:1
|
양생이 완료된 공시체를 Fig. 10(a)와 같이 자립시킨 다음 유압을 증가시켜 인장시험을 실시하였으며, 실험 결과는 Table 4와 같다. 모래/시멘트
비가 3:1인 경우에는 인장강도는 양생기간에 따라 각각 평균 759kPa와 858kPa로 나타났다. 모래/시멘트비가 1:1인 공시체의 경우에는 각각
평균 1,218kPa와 1,811kPa로 나타났다. 양생기간이 동일한 경우, 모래/시멘트비가 3:1에서 1:1로 증가함에 따라 인장강도는 각각 60%
(459kPa) 및 111% (953kPa) 증가하였다. 모래/시멘트비가 동일한 경우, 양생기간이 증가함에 따라 인장강도는 각각 13% (99kPa)
및 49% (593kPa) 증가하였다. 시멘트비 증가에 따른 인장강도의 증가가 양생기간에 따른 증가보다 다소 높았다.
Fig. 10(b)는 내부에서 작용된 인장력으로 공시체가 파괴된 모습으로 공시체 내에 실린더가 중앙에 위치해 있는 것을 확인할 수 있었으며, 파괴면은
공시체 아래에서 약 13.5cm 높이에서 형성되었다.
|
|
|
|
Fig. 8. Results of Dumbbell Tensile Tests for 7 Days Cured Specimens with Sand/Cement
Ratio of 1:1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(a) General Case
|
(b) Failed Case
|
|
(a) Before Testing
|
(b) After Testing
|
|
Fig. 9. Specimens after Dumbbell Type Tensile Tests
|
|
Fig. 10. Specimens before and after Built-in Cylinder Tensile Test
|
4.4 인장시험 방법에 따른 결과 비교
Fig. 11은 모래/시멘트비가 3:1인 공시체에서 세 가지 인장시험 방법에 따른 평균값(AVG)과 표준편차(SD)를 비교하고 있으며, 각각은 양생기간에
따른 차이를 비교하고 있다. 모래/시멘트비가 3:1인 경우, 내장형 실린더 인장시험으로부터 얻은 인장강도의 평균값은 양생기간에 관계없이 759kPa
(7일 양생한 경우)와 858kPa (28일 양생한 경우)로 가장 높았으며, 아령모양 인장시험과 쪼갬인장시험으로 부터 얻은 인장강도의 평균값은 7일
양생한 경우 345kPa와 348kPa 그리고 504kPa와 616kPa로 서로 비슷한 인장강도를 보였다. 쪼갬인장시험 결과는 직접인장시험 결과에
비해 높은 표준편차를 보였으며, 이것은 공시체의 강도가 낮아서 상·하부에서 압축력이 작용할 경우 여러 방향으로 균열이 발생할 뿐 아니라 길이 방향으로
불균등한 휨 응력이 발생하여 원기둥 모양의 공시체에서 불규칙한 파괴형태를 보였기 때문으로 판단된다.
Fig. 12는 모래/시멘트비가 1:1인 공시체에서 세 가지 인장시험 방법에 따른 평균값(AVG)과 표준편차(SD)를 비교하고 있다. 모래/시멘트비가
3:1인 공시체와 달리 쪼갬인장시험으로 부터 얻은 인장강도의 평균값이 양생기간에 관계없이 2,132kPa (7일 양생한 경우)와 3,245kPa (28일
양생한 경우)로 가장 높은 값을 보였다. 이것은 공시체의 강도가 상대적으로 높아 상·하부에서 지속적으로 압축력이 작용하면서 인장파괴가 발생한 것으로
판단된다. 아령모양 인장시험과 내장형 실린더 인장시험으로부터 얻은 인장강도의 평균값은 양생기간에 관계없이 유사한 인장강도를 보였으며, 양생기간에 따른
인장강도 증가 또한 비슷한 경향을 보였다.
|
Table 4. Results of Built-in Cylinder Tensile Test
|
|
Test ID
|
Curing Period
(days)
|
Sand/
Cement
Ratio
|
Tensile strength
(kPa)
|
Dry unit weight
(kN/m3)
|
Water
content
(%)
|
|
C31-7a
|
7
|
3:1
|
853
|
15.60
|
6.3
|
|
C31-7b
|
758
|
15.30
|
6.9
|
|
C31-7c
|
1,120
|
16.09
|
5.5
|
|
C31-7d
|
625
|
15.40
|
6.2
|
|
C31-7e
|
742
|
15.60
|
6.4
|
|
C31-7f
|
612
|
15.50
|
6.7
|
|
C31-7g
|
788
|
15.89
|
6.1
|
|
C31-7h
|
671
|
15.60
|
6.2
|
|
C31-7i
|
769
|
15.50
|
6.0
|
|
C31-7j
|
651
|
15.21
|
6.9
|
|
C31-28a
|
28
|
1,103
|
15.79
|
5.8
|
|
C31-28b
|
976
|
15.99
|
5.6
|
|
C31-28c
|
861
|
15.89
|
5.7
|
|
C31-28d
|
972
|
15.70
|
5.5
|
|
C31-28e
|
851
|
15.79
|
5.8
|
|
C31-28f
|
873
|
16.09
|
6.1
|
|
C31-28g
|
681
|
15.50
|
6.0
|
|
C31-28h
|
725
|
15.89
|
5.9
|
|
C31-28i
|
825
|
15.99
|
5.8
|
|
C31-28j
|
715
|
15.89
|
5.4
|
|
C11-7a
|
7
|
1:1
|
1,136
|
16.97
|
9.7
|
|
C11-7b
|
1,687
|
17.36
|
8.4
|
|
C11-7c
|
1,472
|
16.97
|
9.1
|
|
C11-7d
|
1,270
|
16.87
|
8.9
|
|
C11-7e
|
997
|
16.97
|
9.6
|
|
C11-7f
|
1,027
|
17.07
|
8.9
|
|
C11-7g
|
1,269
|
17.17
|
8.4
|
|
C11-7h
|
1,081
|
17.07
|
8.6
|
|
C11-7i
|
1,130
|
16.97
|
8.8
|
|
C11-7j
|
1,107
|
17.07
|
7.9
|
|
C11-28a
|
28
|
2,218
|
17.17
|
8.0
|
|
C11-28b
|
1,952
|
17.36
|
8.2
|
|
C11-28c
|
1,628
|
17.27
|
7.7
|
|
C11-28d
|
1,683
|
16.97
|
8.6
|
|
C11-28e
|
1,483
|
17.27
|
8.6
|
|
C11-28f
|
1,997
|
17.07
|
8.8
|
|
C11-28g
|
1,678
|
17.36
|
8.1
|
|
C11-28h
|
2,102
|
17.17
|
8.9
|
|
C11-28i
|
1,591
|
17.17
|
7.9
|
|
C11-28j
|
1,782
|
16.97
|
9.2
|
|
|
|
|
|
Fig. 11. Comparison of Tensile Strength for Sand/Cement Ratio of 3:1
|
Park (1997)에 의하면 다양한 방법으로 측정된 인장강도는 본 연구결과와 유사하게 측정방법에 따라 서로 차이가 존재하였다. 한편 쪼갬인장시험은
공시체 제작 방법이 간단하며, 실험방법 또한 비교적 간단한 방법이다. 하지만 Lee and Kim (1995)에 의하면 쪼갬인장시험 과정에서 상·하부
접촉부에서 과다한 응력집중이 발생하여 선행파괴가 발생할 가능성이 크고, 공시체가 연약한 재료일 경우에는 선하중이 아닌 면하중이 작용하여 파괴될 가능성이
크다고 하였다. Frydman (1964)은 면하중이 작용하였을 경우 쪼갬인장시험의 직경에서 면하중이 발생한 면까지의 거리와 면 부분의 너비를 고려한
보정식을 제안하였으나, Eq. (1)은 탄성재료에 적용할 수 있지만 탄소성파괴를 일으키는 시멘트 고결토에는 부적합하다고 언급하였다. 내장형 실린더를
이용한 인장시험방법은 아령모양 직접인장시험에 비해 공시체 제작이 간편할 뿐 아니라 비교적 간편한 시험방법인 쪼갬인장시험으로 부터 얻은 인장강도 보다
표준편차가 낮았다. 또한 공시체 제작 및 실험에서 실패하는 경우가 적으며, 공시체의 편심이나 휨 응력이 발생하지 않아 상대적으로 일관된 결과를 얻을
수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발한 내장형 실린더를 이용한 인장시험법은 현장 적용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서는 시험방법에 따른
공시체의 유효면적이나 재하 단면 형상의 차이 또는 재하속도가 강도에 미치는 영향에 대해서는 충분히 고찰되지 않았으며, 공시체의 균질성에 따른 차이도
실험 결과에 일부 영향을 미친 것으로 판단된다.
|
|
|
|
|
Fig. 12. Comparison of Tensile Strength for Sand/Cement Ratio of 1:1
|
5. 일축압축시험 결과 및 비교
5.1 일축압축강도 결과
Griffith (1924)는 일축압축강도와 인장강도의 비를 취성도라 하였으며, 취성도는 8이라는 사실을 이론적으로 증명하였다. 이와 같이 일축압축강도와
인장강도 사이에는 일정한 상관관계가 존재하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서도 다양한 방법으로 구한 인장강도로부터 일축압축강도와의 상관관계를 분석하였다.
일축압축시험은 콘크리트의 압축강도시험법(KS F 2405)을 기준으로 실시하였으며, 양생기간은 인장시험과 동일하게 7일 또는 28일로 하였다. 또한
시멘트 혼합토 내에 존재하는 기포를 제거하여 공극이 강도에 미치는 영향을 최소화하도록 몰드에 충격을 가하여 공극을 최소화하였다. 몰드는 직경 대 길이
비가 1:2로 성형하였으며, 가압면의 편평도는 0.02mm 이하가 되도록 연마 장치를 이용하여 연마하였다. 양생 후 연마가 완료된 공시체에 대해 일축압축시험을
실시하였으며, 실험결과는 Table 5와 같다. 모래/시멘트비가 3:1인 경우에는 일축압축강도가 양생기간에 따라 각각 평균 3,044kPa와 8,730kPa로
나타났다. 모래/시멘트비가 1:1인 경우에는 각각 평균 22,211kPa와 34,082kPa로 나타났다. 일축압축강도는 모래/시멘트비 1:1일 때의
강도가 3:1 보다 양생기간에 따라 각각 평균 19,167kPa와 25,352kPa 높게 나타났다. 1:1의 경우 공시체의 파괴면이 대각선으로 발생하면서
급격한 취성파괴가 생겼다. Table 6은 7일 또는 28일 동안 양생한 모래/시멘트비 3:1과 1:1인 공시체의 일축압축강도와 인장강도의 비를 비교하고
있다. 일축압축강도와 쪼갬인장강도 비는 모래/시멘트 비가 3:1일 때 양생기간에 따라 약 9-14배 정도였으며, 1:1의 경우 양생기간에 관계없이
약 10배 정도이다. 아령모양 인장강도의 경우에는 모래/시멘트 비가 3:1일 때 양생기간에 따라 약 9-17배이며, 1:1의 경우 양생기간에 따라
약 20-28배 정도이다. 내장형 실린더 인장강도는 모래/시멘트 비가 3:1일 때 양생기간에 따라 약 4-10배이며, 1:1의 경우 양생기간에 관계없이
약 18배이다. 이와 같이 일축압축강도와 인장강도의 비는 인장강도의 종류에 따라 뚜렷한 경향을 나타내지 않았으나, 28일 양생한 공시체의 경우에 비는
10-20배 사이 값을 보였다.
|
Table 5. Results of Unconfined Compressive Tests
|
|
Test ID
|
Curing Period
(days)
|
Sand/
Cement
Ratio
|
Unconfined Compressive Strength (kPa)
|
Dry unit weight
(kN/m3)
|
Water content (%)
|
|
D31-7a
|
7
|
3:1
|
3,268
|
15.60
|
6.3
|
|
D31-7b
|
3,016
|
15.30
|
6.9
|
|
D31-7c
|
2,898
|
16.09
|
5.5
|
|
D31-7d
|
3,168
|
15.50
|
6.9
|
|
D31-7e
|
2,871
|
15.60
|
5.9
|
|
D31-28a
|
28
|
3:1
|
7,683
|
15.79
|
5.2
|
|
D31-28b
|
9,824
|
15.99
|
5.1
|
|
D31-28c
|
7,295
|
15.70
|
6.1
|
|
D31-28d
|
10,275
|
16.38
|
4.8
|
|
D31-28e
|
8,572
|
15.89
|
5.4
|
|
D11-7a
|
7
|
1:1
|
21,852
|
16.97
|
4.2
|
|
D11-7b
|
26,712
|
17.36
|
4.1
|
|
D11-7c
|
20,874
|
16.97
|
4.0
|
|
D11-7d
|
22,862
|
16.87
|
3.6
|
|
D11-7e
|
18,754
|
16.97
|
3.6
|
|
D11-28a
|
28
|
1:1
|
38,945
|
16.97
|
3.6
|
|
D11-28b
|
32,851
|
17.07
|
3.8
|
|
D11-28c
|
36,081
|
16.97
|
4.0
|
|
D11-28d
|
30,944
|
17.07
|
3.9
|
|
D11-28e
|
31,590
|
16.97
|
3.7
|
|
Table 6. Comparison of Ratio of Unconfined Compressive Strength and Tensile Strength
|
|
Tensile test types
|
Sand/Cement = 3:1
|
Sand/Cement = 1:1
|
|
7 days cured
|
28 days cured
|
7 days cured
|
28 days cured
|
|
Split tensile
|
8.7
|
14.2
|
10.4
|
10.5
|
|
Dumbbell type
|
8.8
|
17.3
|
28.3
|
19.5
|
|
Cylinder
|
4.0
|
10.2
|
18.2
|
18.8
|
6. 결 론
본 연구에서는 시멘트 고결토의 인장강도를 평가하기 위해 내장형 실린더를 이용하여 공시체에 직접적으로 인장력을 가하여 파괴시키는 내장형 실린더 인장시험법을
제안하였다. 한편, 제안된 방법의 적용성을 검토하기 위해 기존 쪼갬인장시험과 아령모양 직접인장시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1)쪼갬인장시험의 경우, 모래/시멘트비가 3:1 및 1:1인 공시체는 7일과 28일의 양생기간에 따라 평균 348kPa와 616kPa 및 2,132kPa와
3,245kPa의 인장강도를 보였으며, 다른 인장시험법에 비해 10개의 공시체에 대한 표준편차가 가장 높았다. 쪼갬인장시험은 압축력과 인장력이 동시에
작용하는 상태에서 인장파괴를 일으키는 방법으로 콘크리트나 암석에 비해 강도가 약한 시멘트 고결토에 적용하였을 경우 점진적인 파괴로 인한 재하면적의
증가와 불균등한 휨 응력으로 인하여 정확한 인장강도를 평가하는 것이 어려웠다.
(2)아령모양 인장시험의 경우, 모래/시멘트가 3:1 및 1:1인 공시체는 7일과 28일의 양생기간에 따라 평균 345kPa와 504kPa 및 783kPa와
1,748kPa의 인장강도를 보였다. 아령모양의 공시체를 시험기 상하부 연결장치와 결합 시 절점부에서 균열 및 파괴가 생겨 실패하는 공시체의 개수가
많아 공시체 제작에 상당한 시간과 어려움이 있었다.
(3)내장형 실린더 인장시험의 경우, 모래/시멘트비가 3:1 및 1:1인 공시체는 7일과 28일의 양생기간에 따라 평균 759kPa와 858kPa
및 1,217kPa와 1,811kPa의 인장강도를 보였다. 한편, 직접인장시험인 아령모양 인장시험보다는 약간 높은 인장강도를 발휘하였으며, 표준편차도
약간 높게 나타났다. 하지만 아령모양 인장시험에 비해 공시체 제작이 상대적 간단하며 편심으로 인한 파괴나 시험과정 중 균열의 발생 빈도가 낮아 시멘트
고결토의 인장강도를 측정하는 인장시험법으로 타당하다고 판단되었다.
(4)일축압축강도와 인장강도의 비는 인장강도시험 방법에 따라 뚜렷한 경향이 나타나지 않았으나, 28일 양생한 공시체의 경우에 비는 10-20배 사이
값을 보였다.