본 연구의 목적은 콘크리트 기건단위질량이 압축강도, 직접인장강도 및 파괴에너지의 크기효과에 미치는 영향을 평가하고 이를 예측할 수 있는 설계모델을 확립하는 것이다. 이를 위해 크기효과에 대한 기존 연구자들의 실험결과를 조사하고 정리하여 데이터베이스를 구축하였으며, 예측모델에서의 파괴영역과 실험상수를 결정하기 위하여 레미콘 배치플랜트를 이용하여 17 배합의 콘크리트 배합실험을 진행하였다. 배합실험의 주요변수는 콘크리트의 기건단위질량과 굵은골재 최대치수이다. 압축강도의 크기효과를 분석하기 위한 실험체의 단면형태, 형상비 및 단면크기를 변화하였다. 실험체의 단면형태는 각 국의 표준 실험체를 고려하여 원형과 각형으로 결정하였으며, 실험체의 형상비는 1.0과 2.0로 고정하였다. 가장 중요한 실험체의 단면크기는 실험기의 용량과 기존 연구자들의 연구범위를 고려하여 50～400 mm로 변화하였다. 직접인장강도의 크기효과를 평가하기 위하여 기존 연구자들의 실험방법을 분석하여 가장 안정적인 볼트매입법을 통해 직접인장강도를 측정하였다. 직접인장강도의 실험체는 직육면체이며, 폭은 100 mm로 고정하였다. 실험체의 깊이는 100～500 mm로 변화하였다. 직접인장강도를 산정하기 위해 파괴예상구간에 폭 3 mm의 노치를 두었으며, 노치의 길이는 0.167 로 설계하였다. 파괴에너지의 크기효과는 RILEM 기준에 따라 실험체의 지간거리는 실험체 깊이의 4 배이며, 실험체의 폭은 100 mm로 고정하였다. 실험체의 깊이는 150～600 mm까지 변화하였으며, 실험체 중앙하부에 노치를 두어 파괴를 유도하였다. 노치의 길이는 실험체 깊이의 40%이며, 폭은 3 mm로 고정하였다. 실험결과는 구축된 데이터베이스와 함께 기존 연구자들의 예측모델과 비교하였다.
콘크리트의 기건단위질량을 고려한 압축강도, 직접인장강도 및 파괴에너지의 크기효과를 예측하기 위해 파괴역학의 균열띠 이론에 기반하여 예측모델을 제시하였다. 예측모델은 콘크리트의 파괴에 소요되는 총에너지 해방량은 균열길이의 함수이며, 균열진행영역의 면적에 비례한다는 가정으로 출발하였으며, 콘크리트의 균열진행영역의 면적은 굵은골재 최대치수와 콘크리트의 기건단위질량에 비례한다고 가정하였다. 에너지 평형조건에 의해 균열진전을 위한 콘크리트의 변형에너지는 균열대에서 균열발생을 위해 필요한 에너지와 같으므로 이를 전개하고 간단히 정리하여 파괴에너지의 함수인 응력 예측모델를 도출하였다. 도출된 응력 예측모델에 Ba?ant and Oh의 균열띠 이론에 의해 정의된 파괴에너지를 대입하여 간단히 정리하여 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 일반화된 크기효과 예측모델을 얻었다.
실험결과, 보통중량 콘크리트와 달리 경량골재 콘크리트에서의 균열은 골재입자를 관통하여 발생하였으며, 균열은 다수의 미세균열영역의 형성보다는 소수의 큰 균열 폭으로 진전되었다. 이로 인해 경량골재 콘크리트에서의 골재맞물림작용은 보통중량 콘크리트보다 현저히 감소하였으며, 굵은골재 최대치수가 균열분포 및 진행영역에 미치는 영향은 미미하였다. 보통중량 콘크리트보다 더욱 현저하였다. 이러한 경향은 형상비 1.0보다 2.0에서 뚜렷하였지만, 동일한 형상비에서 단면형상이 압축강도 크기효과에 미치는 영향은 미미하였다. 직접인장강도 크기효과 및 파괴에너지의 크기효과 역시 콘크리트의 기건단위질량이 감소할수록 더욱 뚜렷하게 나타났다. 이 역시 경량골재 콘크리트의 균열이 골재를 관통하여 발생하기 때문이다. 이로 인해 보통중량 콘크리트에 기반한 기존 예측모델들은 경량골재 콘크리트의 크기효과를 잘 예측하지 못하였다.
굵은골재 최대치수와 실험체의 기하학적인 형상을 변수로 제시된 압축강도 크기효과에 대한 기존 연구자들의 예측모델은 경량골재 콘크리트에서 실험결과를 과대평가하고 있었다. 그러나 본 연구에서 제시된 수정된 예측모델은 전경량 콘크리트에서 평균 1.00, 표준편차 0.116 및 보통중량 콘크리트에서 평균 1.01, 표준편차 0.117로 콘크리트의 종류에 관계없이 실험결과의 경향을 잘 예측하였다. 직접인장강도 크기효과에 대한 Ba?ant 예측모델의 유효성은 굵은골재 최대치수에 의해 크게 영향을 받은 반면, 본 연구의 예측모델은 실험결과 대비 평균 1.01, 표준편차 0.179로서 그 경향을 잘 예측하였다. 또한 콘크리트의 압축강도 및 기건단위질량의 함수로 제시된 직접인장강도 예측모델은 실험결과 대비 평균 0.92, 표준편차 0.208로서 합리적이었다. 마지막으로 크기효과를 고려하여 제시한 파괴에너지 예측모델은 경량골재 콘크리트와 보통중량 콘크리트에서 각각 실험결과 대비 평균 0.97과 1.20, 표준편차 0.074과 0.411로서 기존 예측모델에 비해 실험결과의 경향을 잘 예측하였다.
결과적으로 본 연구를 통해 제시된 실험결과는 경량골재 콘크리트의 실용화에 중요한 자료로써 제시될 수 있으며, 콘크리트의 기건단위질량을 고려함으로써 경량골재 콘크리트의 취성적인 특징을 반영하고 있는 예측모델은 콘크리트의 크기효과를 예측을 통한 구조설계 시에 중요하게 이용될 수 있다.