시험체 크기와 강도

기존 콘크리트 구조물의 내력평가 목적으로 안전진단을 시행할 경우에는 구조체로부터 코아 드릴을 이용하여 코아 시험체를 채취한 다음 강도를 측정하여 평가한다. 당연히 이 경우 코아 공시체의 크기는 지름 150 mm에 길이를 300 mm인 원기둥형태(이하 ø150˟300으로 표현)로 하는 것이 바람직 하겠지만, 이것은 구조체에 너무 큰 피해를 주는 것이므로 가능한 한 작게 하고 싶은 것이 진단전문가의 욕구이다. 따라서, 실무에서는 ø150˟300보다는 ø100˟200을 많이 이용하고, 경우에 따라서는 ø75˟150, ø50˟100, ø25˟50 등으로 줄여서 시행하고 싶은데, 그렇게 되면 강도 보정은 어떻게 해야 할지?

얼마 전 진단전문가가 소구경 코아를 이용하여 내력평가를 진행한 바 있는데, 공시체의 크기효과 때문에 더 큰 강도로 평가되었으니 강도를 낮은 쪽으로 보정 해주는 하나만 알고 둘을 모르는 식의 보고를 본 적이 있다. 따라서 본 고에서는 이와 관련한 시험체의 형상, 크기와 강도와의 관계 및 코아 시험체의 크기효과 등에 대하여 고찰해보고자 한다.

시험체 모양 및 크기의 영향
먼저, 표 1은 콘크리트를 형틀에 성형하여 만든 공시체의 경우로, 교과서적으로 콘크리트의 압축강도에 미치는 공시체 모양의 영향과 크기(체적) 차이에 대한 영향을 나타낸 것이다. 즉, 원주 공시체(원기둥 모양)는 우리나라를 바롯한 미국, 일본 등지에서 이용하는 시험체 모양이고, 입방체(정육면체)는 영국, 독일, 중국 등에서 이용하는 시험체 모양이며, 직육면체는 프랑스 등 동유럽국가에서 주로 이용하는 시험체 모양이다.
 

표 1 시험체 모양 및 크기의 영향

 
표에서 보는 바와 같이 ø150˟300 원주 공시체를 기준으로 할 경우 150 mm 입방체는 25 % 증가되는 1.25, 150 mm 각주체는 5 % 저하되는 0.95를 나타낸다. 이중 입방체의 경우는 높이와 직경의 비(H/D)가 원주체의 2보다 작은 1로서 블리딩 등 재료분리 및 좌굴의 영향을 적게 받아 큰 강도를 발휘할 요인인 및 원주 150 mm보다 사각형 150 mm는 단면적이 커서 강도가 적게 평가될 치수효과의 요인 등 복합 중 H/D의 영향을 크게 받아 25 %의 큰 강도를 나타낸 것이다. 따라서 중국 등 입방체를 사용하는 국가의 공시체로 측정된 강도 값으로, 일례로 40 MPa 강도는 우리나라의 강도 값으로 환산하면 40˟0.8=32로 32 MPa가 되는 것이다.

표 1중에는 동일한 닮은꼴 모양에서 크기가 커지거나 작아지는 경우의 영향에 대하여도 나타낸 것이다. 일례로 H/D가 2인 원주 공시체의 경우 지름이 150mm인 ø150을 1로 하면 ø100은 3 % 큰 1.03, ø250은 5 % 작은 0.95를 나타낸다. 이는 시험기 재하판과 콘크리트 공시체 사이의 마찰(마찰계수 0.4)의 영향으로 콘크리트에서 발생하는 블리딩의 영향(형상이 클수록 높이가 높아 블리딩이 상부 쪽에 많이 발생하여 강도가 저하됨)을 크게 받아 강도가 작아질 수 있는 요인 및 크기가 크면 결함이 발생할 확률이 큰 것 등의 복합요인으로 공시체의 크기가 클수록 강도가 작게 나타나는 것이다. 다른 말로는 시험체가 작을수록 압축강도는 큰 것으로 평가되는데, 이것을 공시체의 크기효과(Size effect)라고도 한다.
 

그림1 코아 크기와 표준양생 공시체에 대한 압축강도비

 
코아 채취에서 시험체 크기의 영향
기존 구조체 콘크리트의 내력을 평가할 경우에는 일반적인 자재품질관리와 같이 몰드에 부어 넣어 제조한 공시체를 이용하는 경우도 있지만, 대부분은 코아 공시체를 이용한다. 그러나, 도입부에서 언급한 것처럼 가능한 한 작은 지름의 코아를 채취하여 압축강도를 시험하면 어떻게 될까?

즉, ø150보다 100 혹은 75, 50, 25인 경우이다. 그러나 최소한의 크기는 굵은 골재의 최대치수와 연관되어, KS F 2422(콘크리트에서 절취한 코어 및 보의 강도 시험방법)에는 최대치수의 3배이상을 규정하고 있으므로 25 mm 굵은골재 최대치수인 경우라면 ø75 이상, 혹은 어떠한 경우에도 2배 이하로 되어서는 안되는 것을 적용하면 ø50 이상은 되어야 한다. 그러나 유감스럽게 ø150보다 직경이 작아지면 위에서 언급한 크기효과로 강도가 크게 평가될 것으로 착각하는 전문가들이 있다.

물론 이 경우에 치수가 작을수록 커지는 크기효과가 없는 것은 아니겠지만, 코아 채취과정에서 회전하는 비트 날이 골재에 가해지는 충격 등으로 일정한 깊이까지 손상을 준다고 하면, 단면이 작은 경우가 전체 단면에 대하여 손상되는 면적비율이 커져서 오히려 강도는 크게 작아져 크기효과와는 오히려 반대가 됨을 유념할 필요가 있다.

결국, 구조체의 피해를 줄여 주기 위해 작은 구경의 코아를 채취하여 구조체의 내력을 평가할 경우, 여기에 크기효과를 감안하여 보정계수를 곱해 강도를 저하시켜 주는 행위는 하나만 알고 둘을 모르는 것으로서, 즉, 강도를 높여주어야 하는 것을 오히려 더 큰 강도의 저하로 평가하여 역효과를 내는 것임에 주의할 필요가 있다. 참고적으로 ø100 코아에 대한 ø50, ø25의 강도저하 비율은 그림 1을 참조하도록 한다.

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