현장 타설 콘크리트 포장의 열팽창계수 측정 방법에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The thermal expansion coefficient is one of the major factors causing concrete pavement damage such as curling, slab corner deformation, joint faulting, and pavement flatness, and requires accurate measurement and understanding to secure pavement performance. Non-stress cylinder is one of the equipment to measure the environmental load of site-placed concrete, which can take initial measurement of environmental load right after placement, easily store and collect long-term data, and be applied simply. Due to the lack of sensor holder, however, the intra-device sensor location accuracy is low, the verification of size effect for thermal expansion coefficient measurement is inadequate, and the free end movement does not hold due to the occurrence of binding force due to the internal material, raising questions about whether the measured thermal expansion coefficient accurately reflect the in-site characteristics. Also, the changes in thermal expansion coefficient according to the temperature environment or age are not considered but a specific thermal expansion coefficient is applied uniformly such that there are omissions in thermal stress analysis of concrete pavement, which diminishes the significance of actual movement measurement through in-site measurement.
Accordingly, this study has executed a pilot study on the factors that influence the thermal expansion coefficient for accurate measurement and understanding of the thermal expansion coefficient of site-placed concrete pavement, based on which various indoor/in-site experiments were executed regarding size effect, internal material effect, exposed temperature environment, shape of specimen and such of non-stress cylinder for which it has been deemed that verification would be significant when measuring. For the experiment, a sensor holder was produced and the accuracy was improved 2~3 times for the experiment execution, and for result analysis, constant CTE and time-dependent CTE were both extracted and compared. As the result, the difference of CTE with LVDT is about to 2.5με/℃ so that the ordinary method that used CTE without calibration is not valid. there is a size effect in thermal expansion coefficient measurement. But, according to ASSHTO T336-11, height has no significant influence on CTE because the difference with heating CTE and cooling CTE is less than 0.3με/℃. Diameter of Non-stress equipment is influence on Heating CTE and Cooling CTE as a –0.057με/℃/mm and 0.073με/℃/mm each of that. it means when we consider the size of Non-stress equipment we should do the test for size effect and choose one basis to the results. Also, when non-stress internal material of felt, plastic sheet, and aerowarm was attached, it appeared closest to CTE of indoor-measured specimen compared to the existing material. But the site application result not confirmed the improvement effect. In case of non-stress type installed on the outside of the pavement, the strain range is larger than non-stress type installed on the inside of the pavement 3 times, so the temperature environment does influence the measurement of the thermal expansion coefficient of non-stress cylinder. Hence, comtemplating to method of installing Non-stress equipment is helpful to improve to measure CTE of concrete pavement. Also, in case of cylindrical non-stress cylinder, CTE was higher than that of beam mold-type non-stress cylinder as 0.45με/℃. As a result of T-test and F-test to analysis to effect of shape of specimen, Showing that specimen shape influences on average and variance of the thermal expansion coefficient. The test result indicates calibration factor when we use different shape of Non-stress equipment compared cylinder shape. Also, as a result of indoor test, heating CTE and cooling CTE were different and changed as time passed. It is similar aspect with study of Yang, S. C. et al(2003) so that we need to consider whether recommending the CTE which is less than 0.3με/℃ that is the difference with heating and cooling CTE written by ASSHTO is apposite or not.

국문 초록 (Abstract)

열팽창계수는 Curling, 슬래브 코너부 변형, 줄눈부 단차, 포장면 평탄성 등 콘크리트 포장 파손의 원인이 되는 주요 요인 중 하나로 포장 공용성 확보를 위해 정확한 측정과 이해가 필요하다. 무-응력계는 현장타설 콘크리트의 환경하중을 측정하는 장비 중 하나로 타설 직후 환경하중의 초기 계측이 가능하고, 장기간 데이터의 저장 및 수집이 용이하며, 장치의 적용이 간편하다. 그러나 센서 거치대 미비로 장치 내 센서 위치 정확도가 낮고, 열팽창계수 측정에 대한 시편 크기 효과 검증이 미흡하며, 내부재질로 인한 구속력 발생으로 자유단 거동이 성립하지 않는 등 측정된 열팽창계수가 재료 특성을 정확하게 반영하는가 의문이 제기되었다. 또한 온도 환경 혹은 재령에 따른 열팽창계수의 변화를 고려하지 않고 일괄적으로 특정 열팽창계수를 적용함으로써 콘크리트 포장의 열응력 분석 시 실질적인 거동 계측의 의미가 희석되는 바이다.
이에 본 논문에서는 현장 타설 콘크리트 포장 열팽창계수의 정확한 측정 및 이해를 위해 열팽창계수에 영향을 미치는 요인에 대해 선행조사를 실시하였으며, 이를 토대로 측정 시 검증이 유의미하다고 판단되는 무-응력계의 시편 크기 효과, 내부 재질 효과, 노출 온도환경, 시편의 모양 등에 대해 다양한 실내 및 현장 실험을 진행하였다. 실험은 센서 거치대를 제작하여 설치 정확도가 3~4배 향상됨을 바탕으로 실시하였으며, 결과 분석을 위해 시간-비의존적 열팽창계수와 시간의존적 열팽창계수 모두 추출하여 비교하였다.
LVDT와 VWSG 센서로 측정한 열팽창계수의 차는 2.5με/℃로, 무응력계로 측정한 열팽창계수를 보정없이 사용하던 기존 방법은 적절하지 않은 것으로 판단된다.
통계분석에 의하면 시편의 직경, 길이는 열팽창계수에 영향을 미치는 것으로 나타났으나 길이변화에 의한 열팽창계수의 차는 0.3με/℃ 미만으로 나타나 ASSHTO 기준상 차이가 없는 것으로 판단된다.
무-응력계 직경은 열팽창계수에 대해 가열과정의 열팽창계수에 –0.057με/℃/mm, 냉각과정의 열팽창계수에 –0.073με/℃/mm의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 무응력계의 크기 효과가 존재함을 근거하므로 무응력계 규격 선정시 실험을 통해 고려하여야 한다.
다중재질을 무-응력계의 내부재질로 부착한 경우 실내실험 결과에 의하면 참고시편의 열팽창계수와 가장 근접하게 나타나고 선형 추세가 양의 관계를 가져 가장 적합할 것으로 보였다. 현장에 적용한 결과, 무-응력계의 내부재질에 따라 가열구간의 열팽창계수의 경우 재질간 열팽창계수의 차가 1.183με/℃, 냉각과정의 열팽창계수의 경우 0.929με/℃ 발생하나 쌍체비교와 일원분산분석 결과 열팽창계수의 분산 차이는 없는 것으로 판단된다.
무-응력계의 설치환경 및 온도변화로 인한 포장 내부 및 외부에 설치한 무-응력계의 측정 변형률은 3배가량 차이가 발생하며, 냉각과정 열팽창계수 평균값 및 분산에 영향을 미쳐 정확한 열팽창계수의 측정을 위해 무응력계의 설치 온도환경을 고려하는 것이 중요하다.
원통형태의 무-응력계는 빔몰드형 무-응력계보다 열팽창계수가 0.45με/℃ 정도 높게 측정되었으며, 시편 모양에 따른 변화를 확인하기 위해 T검정과 일원분산분석을 실시한 결과 가열 및 냉각과정의 열팽창계수의 평균과 분산에 영향을 미치는 것으로 분석되어 시편모양에 따른 보정값을 고려해야할 것이다. 그러나 골재 및 모르타르의 혼입량에 의한 영향을 확인해보아야 할 것이다.
실내 실험 결과에 따르면, 가열 및 냉각과정의 열팽창계수가 다르며, 온도 주기에 따라서도 변화함을 알 수 있다. 이는 양성철 외 1인(2003)의 연구 결과와 유사한 양상으로 기존에 ASSHTO가 온도주기를 반복하여 가열 및 냉각에 의한 열팽창계수 변화 차를 0.3με/℃ 미만으로 권장하는 것이 적절한 것인지 고려해보아야 한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서 론 1
• 1.1. 연구배경 및 목적 1
• 1.2. 연구 범위 및 방법 2
• 제 2 장. 문헌조사 3
• 2.1. 온도에 의한 응력 3
• 2.1.1. 슬래브 온도 분포의 구성성분 3
• 2.1.2. 구속에 의한 콘크리트 응력 5
• 2.2. 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion) 7
• 2.2.1. 열팽창계수의 정의 7
• 2.2.2. 열팽창계수에 영향을 미치는 요인 7
• 2.2.3. 열팽창계수 측정 방법 15
• 2.3. 소결 25
• 제 3 장. 실내 실험 26
• 3.1. 개요 26
• 3.2. 실험 진행시 고려사항 27
• 3.3. 실험재료 및 장비 27
• 3.3.1. 콘크리트 시편 재료 27
• 3.3.2. 열팽창계수 측정용 LVDT 및 항온수조 27
• 3.3.3. 진동현식 변형률계(Vibration Wire Strain Gauge) 28
• 3.3.4. 데이터로거 시스템의 구성 30
• 3.3.5. 센서 거치대 31
• 3.3.6. 현장 매립 무-응력계 32
• 3.4. 실험 방법 32
• 3.4.1. LVDT를 이용한 참고 시편의 열팽창계수 측정 32
• 3.4.2. 센서 거치대 적용성 실험 34
• 3.4.3. 시편 크기 효과 검토 36
• 3.4.4. 무-응력계 내부 구속력 최소화 실험 38
• 3.4.5. 열팽창계수 분석 방법론 39
• 3.4.6. LVDT와 진동현식 변형률계의 측정 비교 44
• 3.5. 실험 결과 48
• 3.5.1. 참고 시편의 열팽창계수 48
• 3.5.2. 센서 거치대 적용성 실험 49
• 3.5.3. 시편 크기 효과 검토 53
• 3.5.4. 무-응력계 내부 구속력 최소화 실험 62
• 3.6. 소결 64
• 제 4 장. 현장 실험 66
• 4.1. 개요 66
• 4.2. 실험재료 및 장비 66
• 4.2.1. 콘크리트 시편 재료 66
• 4.2.2. 무-응력계 67
• 4.3. 실험방법 69
• 4.3.1. 온도 환경의 영향 검토 69
• 4.3.2. 시편 모양의 영향 검토 70
• 4.3.3. 내부 재질 개선 효과 확인 71
• 4.4. 실험결과 72
• 4.4.1. 터널 72
• 4.4.2. 공항 78
• 4.5. 소결 79
• 제 5 장. 결론 및 향후 연구 80
• 5.1. 결론 80
• 5.2. 향후 연구 사항 81
• 참고문헌 83
• 부록 88
• 국문초록 95
• ABSTRACT 98