콘크리트의 압축응력-변형률 관계 및 극한변형률

실린더 속의 공시체 시험으로 얻은 콘크리트의 압축응력-변형률 곡선입니다. 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 변형률이 증가함에 따라 압축응력이 증가하다가 최대 응력에 도달한 후 압축응력이 감소하는 형상을 보이게 됩니다.

 

골재를 시멘트 풀로 결합한 비균질성의 콘크리트는 골재의 탄성계수와 시멘트 풀의 탄성계수가 동일하지 않습니다. 다라서 두 재료의 탄성계수 차이와 두 재료의 배합 비율에 따라 콘크리트의 탄성계수가 결정되어, 응력-변형률 곡선 상승구간의 기울기에 영향을 주게 됩니다. 일반적으로 골재의 탄성계수는 시멘트 풀의 탄성계수보다 크며, 콘크리트의 압축강도가 높아질수록 시멘트 풀의 탄성계수가 증가하게 됩니다. 따라서 시멘트 풀의 강도와 탄성계수가 낮은 보통강도 콘크리트에서는 상승곡선의 기울기가 큰 형상을 나타내게 됩니다.

 

 

응력이 낮은 상태인 상승곡선의 초기에는 변형률과 압축응력이 거의 비례하는 선형 탄성 거동을 보입니다. 이것은 비록 콘크리트가 균질하지 않는 재료이기는 하지만 골재와 시멘트 풀이 완전히 부착되어 있어서 탄성체와 같은 변형특성을 나타내기 때문입니다. 압축응력이 증가하면 콘크리트의 응력-변형률 곡선이 비선형 형상을 보이기 시작하는데, 콘크리트의 압축강도가 낮을수록 비선형성이 크게 나타납니다. 이것은 골재와 시멘트 풀 사이의 부착성능에 따른 것으로 미세한 균열이 발생하게 때문입니다.

 

즉 압축응력이 압축강도의 약 40~70% 수준에 도달하게 되면, 골재와 시멘트 풀의 부착성능이 저하되어 골재표면에 미세한 균열이 발생하게 됩니다. 콘크리트 내부에 미세균열이 발생하게 되면, 응력의 증가보다 변형률의 증가가 더 크게 나타타서 압축응력-변형률 관계는 곡선형상을 나타내게 됩니다. 미세균열은 골재와 시멘트 풀 사이의 부착성능이 좋을수록 높은 응력에서 발생하게 되므로, 콘크리트의 강도가 높을수록 비선형 형상이 시작되는 응력과 변형률이 커지게 됩니다. 미세균열이 발생된 후 응력이 더 증가하면 균열이 더욱 진전되어 압축응력-변형률 관계는 비선형성이 크게 나타납니다.

 

 

상승곡선의 정점은 최대 압축응력을 나타내는데, 이때의 압축응력을 압축강도라고 합니다. 압축응력이 최대가 되면 압축응력의 작용방향과 평행한 방향으로 균열이 더욱 발달하면서 파괴상태가 되어, 그 후로는 변형률이 증가하면서 압축응력이 감소하는 하강곡선을 나타내게 됩니다.

 

이와같은 거동은 기본적으로 모든 강도의 콘크리트에서 나타나는 것이지만 압축응력-변형률 관계는 콘크리트의 강도에 따라 형태에 있어서 다소 차이를 나타냅니다. 콘크리트의 압축강도가 낮으면 상승구간에서 기울기가 작고 곡선에 더 가까운 형상을 나타내며, 정점을 지난 하강곡선에서도 완만하게 응력이 감소하는 형상을 나타냅니다. 그러나 콘크리트의 압축강도가 높으면 상승구간에서 기울기가 크고 직선에 더 가까운 형상을 나타내며, 최대 응력에서의 변형률이 더 크게 나타납니다. 즉 콘크리트의 압축강도가 클수록 기울기가 정점에서의 변형률이 증가하게 됩니다.

 

정점을 지난 하강곡선에서도 콘크리트의 압축강도가 클수록 기울기가 커서, 변형률 증가에 따라 응력이 급격히 감소하는 형상을 나타냅니다. 또 콘크리트의 압축강도가 클수록 압축응력-변형률 곡선의 종점, 즉 최종 파괴가 되는 변형률은 감소하는 경향을 보이게 됩니다. 압축강도가 높을수록 나타나는 하강곡선에서의 이러한 특징은 파괴의 특성으로 취성의 성질을 나타내게 됩니다. 고강도 콘크리트는 하강곡선의 기울기가 커서 급격하게 응력이 감소하며, 파괴 때의 변형률이 작고, 정점과 종점 사이의 변형률 차이가 작아서 최대 응력에 도달한 후에 급격하게 파괴에 도달하는 특성을 타나내게 됩니다.