1. 서 론

최근 이상기후로 인해 전세계적으로 하천 제방 유실, 해안침식으로 인한 해안 사구의 유실, 도로사면 및 절개지 붕괴, 산사태 등이 잇따라 발생하고 있으며, 국가의 경제가 휘청거릴 만큼 그 피해가 막대해지고 그 발생빈도가 계속적으로 증가하여 이로 인한 인명과 재산의 피해가 심각한 문제로 부각되고 있다(Oh et al. 2013). 재난역학연구센터(CRED : Centre for Research on the Epidemiology of Disasters 2010)에서 전 세계적으로 발생한 자연재해의 유형을 구분하여 조사한 결과 홍수, 태풍, 가뭄, 산사태 등과 같은 수문기상학적 자연재해(Hydro-meteorological Disasters)의 발생건수가 가장 많은 것으로 나타났다. 수문기상재해는 지질학적 재해에 비해 발생건수가 빠른 속도로 증가하고 있고, 그로인한 인명피해도 증가추세에 있는 것으로 나타나고 있다. 이러한 수문기상재해 발생빈도의 증가는 기후변화와 밀접한 관련이 있을 것으로 파악되며, 도시로의 인구집중, 각종 개발사업, 해당국가의 재해대응능력 등 구조적, 비구조적 대책의 수립여부와 사전예방적인 예산 투입 여부와도 직접적인 관련이 있을 것으로 추정된다고 한다. 재해경감을 위한 국제 전략기구(ISDR: International Strategy for Disaster Reduction 2007)의 통계자료를 참조하여 수문기상재해의 발생 건수를 살펴보면 홍수와 폭풍우 발생 건수가 급증하고 세계적으로 전개되고 있는 각종 개발 사업으로 인해 위험에 대한 노출과 취약성이 증가하면서 향후 수문기상재해로 인한 인적 피해 및 경제적 피해가 증가할 것으로 예상된다(National Emergency Management Agency 2010).

국내에서는 일반적으로 가장 쉽게 볼 수 있는 다양한 재난 중에 대표적인 것이 토사 붕괴로서 이를 방지하기 위한 다양한 방법이 적용되지만 대표적인 것이 옹벽(retaining wall, 擁壁)이다. 옹벽은 건축학적 용어개념으로 토사가 무너지는 것을 방지하기 위해 설치하는 구조물로, 재료적으로 보면 무근 콘크리트, 철근 콘크리트, 돌, 벽돌 등으로 나뉜다. 구조상으로는 중력식 옹벽･반 중력식 옹벽･L형 옹벽･반T형 옹벽･버트레스식 옹벽이 있다. 반T형 옹벽은 높이 6 m 정도까지 쓰인다. 기존 옹벽은 전면 옹벽부의 축조형 블록식 옹벽구조가 일반적이며, 좌-우블록 간 구성된 홈을 이용하거나 상-하블록 간에 단순한 돌출부 또는 핀을 이용하여 상하/좌우의 연결성을 확보하고, 단순한 좌우결합을 통해 하중을 지지하고 있다. 따라서 배면 토압이나 약간의 충격에 따른 연결부 국부적 응력집중 발생, 균열 또는 좌굴, 이탈현상이 쉽게 생겨서 옹벽 안정성에 있어 유해요인으로 분석되고 있다(Park et al. 2021).

본 연구는 입체결합이 가능한 자립식 옹벽블록의 단면설계와 성능을 평가하여 자연재해로부터 안전하게 인류의 생명과 재산을 지킬 수 있는 새로운 개념의 공법을 정립해 나아가는데 목적이 있다. 리사이클 친환경재료를 사용하여 기존 옹벽블록대비 10 %이상 증가된 강도확보와 pH(수소이온농도지수) 수치를 중성내지 약알칼리성 범위인 7~8 수준으로 저감 조절함으로써 동식물 생육에 적합한 재료배합을 도출하였으며 안전성을 확보할 수 있는 자립식 옹벽블록의 단면설계 및 성능평가를 실험적으로 평가하여 ABAQUS CDP 모델의 해석과 비교 분석하였다.

2. 입체결합 자립식 옹벽블록의 구조적 형태

기존 옹벽블록의 결합형태는 블록내부에 핀을 고정하여 블록과 블록을 연결하는 방식이 대부분이며, 이 결합방식은 핀의 부식과 이탈로 인해 제방의 붕괴로 이어지며 토압이나 하중을 견디기 어려운 구조로 되어있다(Kim et al. 2013). 따라서 본 연구의 입체자립식 옹벽블록의 구조적 형태는 블록과 블록의 결합을 일체화시키기 위해 체인방식의 구조를 착안하여 여러형태의 모양을 디자인하여 공장에서의 생산가능한 크기와 두께, 높이를 설계하여 가장 구조적으로 안전하고 양산에 최적화 시킬수 있는 구조인 S형 형태의 결합형태를 개발할 수 있었다. S형 결합을 통하여 전, 후, 좌, 우로 결합되며, 반장짜리 블록을 사용하여 상하간의 결합도 가능하므로 전체적으로 하나의 구조물로 연결되게 함으로써 구조적인 안전성을 확보할 뿐만 아니라 지반의 부등 침하에 대하여도 블록이 상하로 완충작용을 할 수 있게 함으로써 더욱 안전성을 확보할 수 있었다. 또한, 블록간의 S결합을 통하여 하나의 구조물을 형성하지만 각각의 블록이 몰탈이나 결합재를 통하여 붙여진 것이 아니므로 진동이나 충격이 가해졌을때 충격을 흡수하고 원상회복하는 능력 역시 뛰어나다. 또한 상하로의 개별적 이동이 가능하므로 기초를 시공하기 어려운 지역에도 적용이 가능하며, 불균등한 침하가 일어나더라도 사면이 붕괴하거나 전도 되는 일의 발생을 최소화 시킬 수 있다. 이러한 관점하에 본 연구에서의 입체결합 자립식 옹벽블록의 형태는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Images of Self-Supporting Retaining Wall Blocks

옹벽블록은 기본형과 마감형으로 구성되며 각각의 블록이 S형 결합을 통하여 연결될 수 있어 상하좌우로 끼워 넣는 방식으로 결합이 가능하다. 블록의 내부에 관통공이 형성되고 외주면을 따라 S자형 연결부가 형성된다. 오목홈부에 부합하는 형태로 돌출 형성된 융기단과 이 융기단과 연결되면서 돌출단에 대응하여 결합되도록 오목한 형태의 오목홈부로 구성되고 옹벽의 경관 마감블록으로 벽체를 형성할 수 있다. 블록간 옆으로는 절대 빠지지 않는 구조이므로 수백 수천 개를 연결하여도 하나의 구조물로 연결된다.

또한 다변적 형태 및 규모에 대한 대응성이 있다. 기둥블록을 조립체로 연결하여 같은 형태로 형성된 단위 조립벽체를 횡 방향으로 반복 연결하여 일정 크기의 옹벽을 형성하고, 기둥블록 조립체는 복수의 기둥블록에 의해 적층 형성되며 이 기둥블록은 내부에 관통공이 형성되고 외주면을 따라 S자형 연결부가 형성된다. 인터록킹부는 오목홈부에 대응하여 삽입되도록 오목홈부에 부합하는 형태로 돌출 형성된 융기단과 이 융기단과 연결되면서 돌출단에 대응하여 삽입되도록 오목한 형태의 오목홈부로 구성되고 옹벽의 앞쪽으로 기둥블록만을 다단으로 적층하여 구조체를 형성한다. 직선부 뿐만 아니라 다양한 곡선부의 시공이 가능하고 생물 서식공간의 조성, 다양한 각도의 구성 등 무한대의 다양한 단면이 형성될 수 있다.지진 및 진동, 침하에 대한 안전성이 있다. 블록간의 S결합을 통하여 하나의 구조물을 형성하지만 각각의 블록이 몰탈이나 결합재를 통하여 붙여진 것이 아니므로 진동이나 충격이 가해졌을때 충격을 흡수하고 원상회복하는 능력 역시 뛰어나다. 또한 상하로의 개별적 이동이 가능하므로 기초를 시공하기 어려운 지역에도 적용이 가능하며 불균등한 침하가 일어나더라도 사면이 붕괴하거나 전도 되는 일의 발생을 최소화 시킬 수 있다(Kyung 2024).

3. 시험 프로그램

3.1 재료 및 배합비 선정

입체결합 자립식 옹벽블록의 최적 배합도출을 위해서 재료는 OPC의 대체재료로 고로슬래그, 실리카퓸, 플라이애쉬, 소성황토를 선정하였으며, 골재는 재료의 조밀도와 마감성을 위해 모래와 부순잔골재(석분)를 사용하였다. 추가실험으로 골재크기별 8 mm와 13 mm를 비교 실험하여 골재의 크기가 강도에 미치는 영향을 파악하고자 하였으며, 제품의 휨강도의 증진 목표로 합성섬유인 P.P섬유(Polypropylene) 과 PVA섬유(Polyvinyl alcohol) 를 혼입하여 휨강도에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 재료의 배합비는 Table 1에 나타낸 바와 같이 골재와 첨가제, 물의 비율은 일정하게 하고, OPC를 대체해 고로슬래그 20~80 %, 플라이애쉬 5~20 %, 실리카퓸 5~20 %, 소성황토 5~20 %의 비율로 각각 4개의 배합으로 재료의 배합비를 선정하여 진행하였다.

콘크리트의 믹스는 60리터 용량의 Horbart type 믹서기를 이용하였다. 믹스의 순서는 OPC와 대체재료(고로슬래그, 실리카퓸, 플라이애쉬, 소성황토) 모래를 넣고 120초 동안 건비빔을 한다. 계량된 물의 절반을 넣고 90초 동안 믹스 후 나머지 물을 넣고 90초 동안 계속 믹스를 한다. 그리고 이때 추가적으로 감수제를 넣고 90초 동안 믹스를 한다. 모르타르가 충분히 유동성을 보이게 되면 골재와 섬유를 넣고 90초 동안 믹스를 한다. 그 다음 몰드에 타설을 하고 바이브레이터를 이용해 재료가 골고루 퍼질수 있게 한다. 타설이 끝난 뒤 시험체는 비닐로 덮어서 상온에서 보관되고 24시간 뒤 완전히 굳어진 상태에서 탈형하게 된다. 탈형 후 시험체는 (25 ± 2)°C의 상온 수조에서 재령 7일까지 양생하였으며, 모든 시험은 재령 7일에 수행하였다. 이는 개발된 자립식 옹벽블록의 ​초기 강도 발현 특성과 초기 구조적 안정성을 평가하고, 동일한 재령 조건에서 시험체 간 상대적인 성능을 비교하기 위함이다.

Table 1의 배합비는 모두 질량비(mass ratio)를 기준으로 산정하였다. 바인더는 OPC를 기준으로 고로슬래그, 플라이애쉬, 실리카퓸 및 소성황토를 각각 질량 치환하여 총 바인더 함량을 100 %로 설정하였다. 골재는 모래, 석분 및 8 mm 골재의 질량비 합이 100 %가 되도록 구성하였으며, 바인더와 골재의 배합비(B/A)는 질량비 기준으로 1:4로 고정하였다. 또한 배합수와 고성능 감수제는 각각 바인더 질량 대비 일정 비율로 적용하였다.

3.2 시험방법

입체결합 자립식 옹벽블록의 배합비를 도출하기 위해 Table 2와 같이 압축강도를 주요 평가항목으로 선정하였으며, 배합 특성에 대한 추가 비교･평가를 위해 pH 및 휨강도를 평가항목에 포함하였다. 압축강도는 단체표준인증(SPS-KCIC0001-0703:2020)에서 규정한 2종 블록의 설계기준 압축강도인 24 MPa를 적용하였다. pH는 식생 친화성을 확보하기 위한 평가항목으로 선정하였으며 식생콘크리트의 적정 pH 범위는 일반적으로 6~8로 보고된 바 있어(Lee et al. 2016), 이를 고려하여 본 연구에서는 목표 pH를 8 이하로 설정하였다. 일반적인 옹벽블록은 사용 목적 및 하중 특성상 휨강도 시험을 실시하지 않으나, 본 연구의 대상인 입체결합 자립식 옹벽블록은 형상 특성상 블록 날개부에 휨응력이 집중될 가능성이 있다. 따라서 섬유 혼입에 따른 날개부의 강도 보강 효과를 평가하기 위해 휨강도 시험을 수행하였다. 휨강도의 성능 평가는 옹벽블록에 대한 별도의 기준이 없는 점을 고려하여, KS F 4419(보차도용 콘크리트 인터로킹 블록)에서 규정하는 보통블록의 최소 휨강도인 5 MPa를 준용하였다. 압축강도 시험은 φ100 mm × 200 mm 원주형 공시체, 휨강도 시험은 100 mm × 300 mm 공시체, pH 측정은 50 mm × 50 mm 공시체를 사용하였다. 압축강도 시험은 실내 양생이 끝난 후 7일 이상 보존한 시료를 시험체로 하고 시험체는 가압 양면을 세로축에 직각이 되도록 평탄하게 마무리 하였고, 그 후 시험체를 24시간 이상 물속에 담가 흡수시켜 시험하였다. 압축방향은 실제로 하중을 받는 방향으로 하고 전체면에 고르게 가압하였다(Federation of Korea Concrete Industry Cooperatives 2020). 휨강도 시험은 실내 양생이 끝난 후 7일 이상 보존한 제품을 시험체로 하고 중앙점을 재하하기 위한 장치는 중앙점 하중을 연직으로 또한 중심이 치우치지 않도록 가할 수 있는 2개의 지지 롤러와 1개의 재하 롤러로 이루어지며, 공시체를 설치 시 안정될 수 있도록 한다(Korean Standards Association 2025). pH측정은 큐빅몰드에 타설한 시험체를 pH가 7.2인 지하수 1리터에 10일간 침적하여 pH값이 안정화되면 pH측정기를 이용하여 측정하였다(Korean Standards Association 2023).

4. 시험결과

4.1 배합 시험결과

OPC 대체 재료로 고로슬래그, 플라이애쉬, 실리카퓸, 소성황토를 후보로 선정해 배합실험한 결과는 Table 3과 같다. 고로슬래그의 경우, OPC : 고로슬래그가 60:40 인 경우 압축강도가 30MPa으로 가장 높은 강도를 보였으며, pH는 OPC가 감소할수록 소량 감소하는 경향을 보였다. 플라이애쉬의 경우, 플라이애쉬가 10 % 이상 증가하면서 압축강도가 감소하는 경향을 보였으며, pH는 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다. 실리카퓸의 경우, 실리카퓸이 0~20 % 증가하면서 비슷한 강도의 경향을 보였으며, OPC : 실리카퓸 비율이 90 : 10 의 경우 압축강도가 30.5MPa로 가장 높은 강도를 보였고 pH 경우 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다. 소성황토의 경우, 소성황토가 10 % 이상 증가하면서 압축강도가 감소하는 경향을 보였으며 pH는 소성황토가 증가할수록 pH가 현저히 감소되는 경향을 나타냈다. 따라서, 본 배합에서는 강도의 측면을 보강하기 위해 고로슬래그를 선정하였고, pH 저감을 위해 소성황토를 선정하여 추가실험을 진행하고자 하였다.

4.1.1 골재크기가 강도에 미치는 영향

상기 최종 선별된 재료로 배합을 선정하였으며, 추가실험으로 골재 8 mm와 13 mm를 비교하여 골재의 크기가 강도에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.

Table 4에는 압축강도에 대한 재생골재 크기의 영향 조사 결과를 나타내었다. 골재 8 mm의 경우가 13 mm의 경우에 비해 더 높은 압축강도를 나타내었으며, 이는 8 mm의 경우가 다른 입경이 비슷한 원재료들과 배합 시 조밀도가 더 높아 더 높은 강도의 경향을 나타내었다(Hong et al. 2004).

4.2.2 섬유 종류별 강도에 미치는 영향

상기 시험을 통해 도출된 최적 배합을 대상으로 제품의 휨강도 향상을 검토하기 위해 합성섬유인 P.P 섬유(Polypropylene fiber)와 PVA 섬유(Polyvinyl alcohol fiber)를 혼입하여 휨강도에 미치는 영향을 평가하였다. 섬유는 최적 배합 대비 체적비 기준으로 0.5 %, 1.0 %, 1.5 %를 각각 첨가하여 배합 실험을 수행하였다.

Table 5는 섬유 종류 및 혼입률에 따른 휨강도 시험 결과를 나타낸 것이다. 실험 결과, 섬유를 혼입하지 않은 배합에 비해 섬유를 혼입한 모든 배합에서 휨강도가 향상되는 경향을 나타냈다. 또한 동일한 혼입률에서는 P.P 섬유보다 PVA 섬유를 혼입한 경우가 더 높은 휨강도를 나타내어 PVA 섬유의 보강 효과가 더욱 우수한 것으로 확인되었다. 섬유 혼입률별로는 1.0 %(체적비)에서 가장 높은 휨강도를 나타냈으며, 1.5 %까지 혼입량을 증가시킨 경우에는 오히려 휨강도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 과도한 섬유 혼입으로 인해 섬유의 분산성이 저하되고 재료 분리가 발생하여 내부 조직이 불균질해짐에 따라 인장 및 휨 저항성이 감소한 것으로 나타났다(Won et al. 2005).

4.3.3 최종 배합비 선정

상기 실험들을 토대로 Table 6과 같이 최종 배합비를 선정하였다. 최종 배합비의 실험결과는 압축강도 30.4 MPa, 휨강도 8.0 MPa, pH 7.8로 기준목표의 수치보다 월등한 성능이 확보되었다.

5. 옹벽블록 형태의 구조해석

5.1 압축강도 해석모델

본 연구에서는 유한요소해석 프로그램으로 상용 3D 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. ABAQUS에는 Concrete smeared cracking model, Cracking model for concrete, Concrete damaged plasticity model 총 세 가지의 콘크리트 재료 모델이 존재한다. 세 재료 모델 중 Concrete damaged plasticity(CDP) 모델이 다른 두 재료 모델과 달리 Abaqus /Standard, Abaqus/Explicit 모두 가능하기 때문에 채택하였다.

해석모델의 옹벽블록 콘크리트 재료밀도는 2,300 kg/m³로 설정하였으며, Elasticity: Young’s Modulus 27,600 MPa로 식 (1)과 같다.

여기서, fcu: 평균압축강도, fck : 기준압축강도, ∆f : 평균압축강도와 기준압축강도의 차이, 4 MPa (fck≤40MPa), 6 MPa (fck≤60MPa)이다.

5.1.1 Concrete damaged plasticity(CDP) 모델

균열의 전파로 인한 연화거동과 같은 콘크리트의 비선형적인 변형을 반영하기 위하여 본 연구는 콘크리트 손상 소성 모델(Concrete damaged plasticity model, 이하 CDP모델)을 채택하였다. CDP모델은 콘크리트의 압축 소성 변형에 의한 손상과 균열을 모사할 수 있으며, 균열 이후 콘크리트의 기계적인 거동을 구현할 수 있다. CDP모델은 본래 Lubliner et al.(1989)에 의하여 제안되었으며, Lee and Fenves(1998)에 의해 개선된 콘크리트 재료 모델이며, 상용 3D 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS에서 구현되었다. 타 재료 모델들에 비하여 비교적 간단한 입력값을 바탕으로 해석할 수 있는 모델이기 때문에 합리적인 성능을 이유로 CDP모델을 이용하여 여러 콘크리트 구조물에 대한 유한요소해석이 수행되었다. 해당 모델은 탄성 응력-변형률 관계, 항복 함수(yield function), 소성 포텐셜 함수(plastic potential function)를 포함한다. 따라서 본 연구의 해석에서는 Plasticity 편심률(eccentricity)을 0.1 기본값으로 하였고, 팽창각(dilation angle) 40°, 일축압축강도에 대한 이축압축강도의 비(fb0/fc0) 1.16, CM에서 TM에 대한 제2 편향응력 불변량의 비율(Kc) 2/3, Viscosity parameter 0을 기본값으로 하였다.

5.1.2 Materials-Concrete Damaged Plasticity 설정

CDP 모델의 재료 입력값은 Abaqus Tutorials(2021)에서 제시한 Concrete Cube 예제를 기반으로 설정하였으며, 해석 절차는 기존 연구를 참고하여 수행하였다(Lee, 2023). Compressive Behavior의 Yield stress는 압축강도 실험에서 얻은 평균 압축강도인 30.4 MPa를 적용하였다. 또한, 본 연구에서는 직접 인장강도 시험을 수행하지 않았으므로 Tensile Behavior의 Yield stress는 실험에서 측정한 휨강도(8.0 MPa)를 참고하여 직접 인장강도를 고려한 해석 입력값으로 4.8 MPa를 적용하였다. 이는 CDP 모델의 인장거동(Tensile behavior) 입력값으로 사용하였다. ABAQUS의 접촉모델중 Surface-to-surface, Node-to-surface 접촉 모델을 일반적으로 사용한다. Surface-to-surface 접촉 모델은 접촉부에 존재하는 접점의 평균값으로 움직이는 거동을 보인다. Node-to-surface 접촉 모델은 접촉부에 위치한 접점을 통해 직접적으로 접촉을 모사한다. 접촉 모델은 기본적으로 접촉쌍(contact pair)으로 구성되고, Main surface가 Secondary surface의접촉을 제어한다. Surface-to-surface 접촉 모델은 접촉 모델의 적용 부위에 존재하는 접점을 통제하여 해당 접점이 접촉 면내에 침투하는 스내깅(snagging)현상이 발생하는 것을 억제하는 이점이 있는 모델이다. Surface to surface contact 접촉 모델을 사용하여 가압판에 자립식 옹벽블록의 상･하단면의 마찰계수와 Hard Contact 조건을 적용하였다.

5.1.3 Boundary condition

경계조건으로, 하단 플레이트의 참조점(Reference point)에 대해서는 x,y,z축으로의 변위 및 회전을 0으로 제한하고, 상단 플레이트의 참조점에 대해서는 x,y축으로의 이동 및 회전을 0으로 제한하고 z축으로 변위(displacement)를 -1 mm만큼 적용하여 해석을 수행하였다. 평면-평면 접촉 테스트를 수행한 이후에 평면과 곡면의 접촉 거동을 확인하기 위하여 평면-곡면 접촉 테스트를 수행하였다. 재료 모델은 평면-평면 접촉테스트와 마찬가지로 탄성 모델을 사용하였다. 요소의 크기는 10 mm로 설정하였으며, Nodes의 개수는 96,579개, Elements의 개수는 85,680개를 설정하였다. 사용된 연속체 요소(continuum element)는 3차원 연속체 요소인 C3D8R를 사용하였으며, Curvature control은 곡면에서 메쉬를 얼마나 미세하게 적용할 것인지를 결정하는 Parameter로 작을수록 곡면에서 더 미세한 mesh를 생성하였다.

- Mesh-The number of nodes and elements

Total number of nodes : 96579

Total number of elements : 85680

85680 linear hexahedral elements of type C3D8R

5.2 압축강도 해석 결과

Fig. 2에 옹벽블록에 대한 압축 시험 시뮬레이션을 통해 도출한 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 응력과 변형률 데이터는 시뮬레이션을 통하여 도출된 z축 중앙부 단면 nodes의 strain과 stress 데이터들을 평균내어 도출하였다. 압축응력은 변형률이 0에서 0.1 %로 증가함에 따라 0에서 24.78 MPa로 선형적으로 증가하였다. 또한, 변형률이 0.1 %에서 항복 변형률인 0.159 %으로 증가함에 따라 옹벽블록의 압축응력은 24.78에서 32.12 MPa로 증가하였다. 이후 변형률이 0.159 %에서 0.169 %로 증가함에 따라 압축응력은 32.12에서 31.68 MPa로 점차 감소하였다. 옹벽블록의 압축강도는 해석 결과(32.12 MPa)와 실험 결과(30.4 MPa)가 유사하게 나타났으나, 해석에서 약간 더 높은 압축강도를 가지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 압축강도 실험 시 지점조건 및 가력 위치 등에 의해 발생되는 편심에 의한 기하학적인 실험 오차와 시험체를 구성하고 있는 재료적인 차이 등에서 발생하는 것으로 판단된다. 또한, 콘크리트를 타설할 때의 습도 및 기온과 골재 분포의 불균일성, 동일하지 않은 배합기에서의 배합 상태 등의 기타 다양한 원인들이 콘크리트의 강도에 영향을 주기 때문에 실험값에 오차가 존재할 수 있기 때문이다. 이와 다르게, 해석에서는 콘크리트 재료 내에 공극, 미세균열, 그리고 콘크리트 재료의 특성 중 하나인 불균질성이 반영되지 않고, 등방성 재료로 가정됨에 따라 실험을 통한 압축강도 조사 결과보다 해석을 통해 도출된 압축강도가 더 높게 나타날 수 있다.

Fig. 2

Stress–strain curve obtained from compression analysis

Fig. 3에 옹벽블록의 상단면과 z축, x축 중앙부 단면의 응력 분포도를 나타내었다. 그래프에서 보는 바와 같이, 중앙단면의 중앙부분과 연결부분에 압축 응력이 고루 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 옹벽블록의 상단면에서는 가압판을 통해 직접적으로 하중이 가해짐에 따라 제품의 날개 끝단과 같이 경계면에서 응력이 집중되는 경향을 보였다. 하지만, 이는 단순히 가압판과의 직접적인 접촉에 의한 현상으로, x축 중앙부 단면에서 보는 바와 같이 상ㆍ하단면으로부터 약 10 mm를 벗어나면 경계면에 발생된 응력 집중 현상이 관찰되지 않았다. z축 중앙부 단면의 응력분포는 옹벽블록의 가운데에 위치판 중공을 중심으로 단면에 전체에 고루 분포되어 있는 것을 확인하였다. 상단면에서의 응력 분포도와는 반대로, 중앙부에서는 옹벽블록의 중심에 응력이 집중되며, 날개 끝단에서는 파단 위험이 적은 것으로 확인되었다. 또한, x축 중앙부 단면의 응력분포는 제품의 대칭되는 사선방향으로 압축강도 파괴 메커니즘과 같이 응력이 집중되어 있는 것을 확인하였다. 압축강도 구조해석 결과 옹벽블록의 응력분포는 날개 사이 연결부와 같이 두께가 얇은 부분에 집중되지 않고, 한 방향으로 치우쳐지지 않으며, 중앙의 연결부 단면으로 고루 분포되었다. 이러한 응력 분포는 일반적인 콘크리트의 압축 파괴 거동과 유사하며, 제안된 옹벽블록이 구조적으로 안정된 형상임을 뒷받침한다.

Fig. 3

Stress distribution by cross-section

6. 결 론

본 연구개발의 목표는 입체결합이 가능한 자립식 옹벽블록의 실험적 성능을 평가하여 자연재해로부터 안전하게 인류의 생명과 재산을 지킬 수 있는 새로운 개념의 공법을 정립해 나아가기 위해 입체 자립식 옹벽블록의 성능평가를 실시하였다. 따라서 본 연구의 입체결합을 통한 자립식 옹벽블록 개발을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) OPC 대체 재료로 고로슬래그, 플라이애쉬, 실리카퓸, 소성황토를 선정해 배합실험한 결과, 고로슬래그의 경우 OPC : 고로슬래그가 60:40일 때 압축강도 30MPa으로 가장 높은 강도를 보였으며, pH는 OPC가 감소할수록 소량 감소하는 경향을 보였다. 플라이애쉬의 경우, 플라이애쉬가 10 %이상 증가하면서 압축강도가 감소하는 경향을 보였으며, pH는 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다. 실리카퓸의 경우, 실리카퓸이 0~20 % 증가하면서 비슷한 강도의 경향을 보였으며, OPC : 실리카퓸 비율이 90 : 10일 때 압축강도 30.5MPa로 가장 높은 강도를 보였고, pH 경우 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다. 소성황토의 경우, 소성황토가 10 % 이상 증가하면서 압축강도가 감소하는 경향을 보였으며 pH는 소성황토가 증가할수록 pH가 현저히 감소되는 경향을 나타냈다.

2) 최종 재료배합에서 재생골재 8 mm와 13 mm 비교하여 골재의 크기가 강도에 미치는 영향을 파악하고자 실험한 결과 재생골재 8 mm의 경우가 13 mm의 경우에 비해 더 높은 압축강도를 나타내었으며, 이는 8 mm의 경우가 다른 입경이 비슷한 원재료들과 배합시 조밀도가 더 높아 더 높은 강도를 확보하였다.

3) 휨강도 증진을 위해 합성섬유인 P.P섬유(Polypropylene)과 PVA섬유(Polyvinyl alcohol) 를 혼입하여 휨강도에 미치는 영향을 파악하고자 한 실험결과에서는 섬유를 넣지 않았을 때 보다는 섬유를 혼입시 더욱 큰 강도차이의 변화를 나타냈으며, P.P섬유 보다 PVA 섬유가 더욱 높은 휨강도 경향을 나타냈다. 섬유 비율별(0.5 %, 1.0 %, 1.5 %)의 경우에는 섬유가 1.0 %의 경우 가장 큰 강도를 나타냈으며, 섬유부피비가 1.5 %인 경우 오히려 강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 더 많은 섬유의 혼입시 재료의 분리로 인해 강도감소에 영향을 주었기 때문이다.

4) 압축강도 시뮬레이션 해석결과 압축강도는 32.12 MPa때의 변형률은 0.159 %으로 확인되었다. 이는 실제 압축강도 시험값인 30.4 MPa비슷한 결과로 본 연구를 통한 옹벽블록의 압축강도가 기준강도의 10 %이상 확보와 압축응력의 분포가 제품 단면의 한방향으로 치우치지 않고 중앙의 연결부 단면으로 고루 분포되어 있다. 이러한 응력 분포는 일반적인 콘크리트의 압축 파괴 거동과 유사하며, 제안된 옹벽블록이 구조적으로 안정된 형상임을 판단할 수 있는 결과라 해석할 수 있다.