[국내논문]초기재령에서 동결을 받은 고로슬래그 콘크리트의 강도발현특성에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on Strength Properties of Concrete Using Blast-Furnace Slag Subjected to Freezing at Early Age원문보기
동절기 콘크리트 시공에 있어서 낮은 외기온에 따른 콘크리트의 강도발현이 저하되며, 동결 및 융해에 따른 콘크리트의 내부조직의 이상으로 인해 내구성이 저하하는 것으로 알려져 있다. 따라서 한중콘크리트 제조시 조기강도를 확보하기 위해 혼화재의 사용을 경시하고 있는 실정이다. 본 연구는 한중콘크리트의 제조시 혼화재의 사용에 따른 초기동해의 영향을 평가하기 위한 실험을 실시한 것으로서, 초기동해를 입히기 위한 실험 조건으로서, 본 연구는 초기 재령에서 콘크리트에 영향을 미치는 동결온도 및 동결지속시간, 초기양생시간에 따른 혼화재를 사용한 콘크리트의 강도발현특성을 검토하였으며, 실험조건으로서 초기양생기간을 비빔 직후, 12, 24, 48시간, 동결시간을 12, 24, 48시간, 동결온도는 -1, -10, $-15^{\circ}C$로 설정하여 실험을 실시하였다. 본 연구의 실험결과 고로슬래그 미분말의 대체율이 증가할수록 초기재령에서의 강도발현은 지연되는 것으로 나타났으나, 응결을 고려할 경우 고로슬래그 미분말 대체율 20%까지는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 동결에 따른 강도발현특성을 살펴보면, 비빔 직후 동결시킨 경우에서는 동결온도와 상관없이 재령 28일에 있어서 동결 받지 않은 경우의 80%를 발현하는 것으로 나타났으나, 12시간 이상 양생을 실시한 후 동결시킨 경우에 있어서는 동결온도 및 동결시간과 상관없이 동결시키지 않은 경우와 거의 유사한 강도를 발현하는 것으로 나타났으며, 모든 실험조건에서 혼화재를 사용한 경우에 있어서는 고로슬래그 미분말에 의한 강도회복효과가 매우 큰 것으로 나타났다. 따라서 동절기 초기재령에서 적절한 양생을 실시한다면, 한중콘크리트 제조시 고로슬래그 및 플라이애시와 같은 혼화재의 사용에 따른 콘크리트의 성능향상 효과가 매우 클 것으로 사료된다.
동절기 콘크리트 시공에 있어서 낮은 외기온에 따른 콘크리트의 강도발현이 저하되며, 동결 및 융해에 따른 콘크리트의 내부조직의 이상으로 인해 내구성이 저하하는 것으로 알려져 있다. 따라서 한중콘크리트 제조시 조기강도를 확보하기 위해 혼화재의 사용을 경시하고 있는 실정이다. 본 연구는 한중콘크리트의 제조시 혼화재의 사용에 따른 초기동해의 영향을 평가하기 위한 실험을 실시한 것으로서, 초기동해를 입히기 위한 실험 조건으로서, 본 연구는 초기 재령에서 콘크리트에 영향을 미치는 동결온도 및 동결지속시간, 초기양생시간에 따른 혼화재를 사용한 콘크리트의 강도발현특성을 검토하였으며, 실험조건으로서 초기양생기간을 비빔 직후, 12, 24, 48시간, 동결시간을 12, 24, 48시간, 동결온도는 -1, -10, $-15^{\circ}C$로 설정하여 실험을 실시하였다. 본 연구의 실험결과 고로슬래그 미분말의 대체율이 증가할수록 초기재령에서의 강도발현은 지연되는 것으로 나타났으나, 응결을 고려할 경우 고로슬래그 미분말 대체율 20%까지는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 동결에 따른 강도발현특성을 살펴보면, 비빔 직후 동결시킨 경우에서는 동결온도와 상관없이 재령 28일에 있어서 동결 받지 않은 경우의 80%를 발현하는 것으로 나타났으나, 12시간 이상 양생을 실시한 후 동결시킨 경우에 있어서는 동결온도 및 동결시간과 상관없이 동결시키지 않은 경우와 거의 유사한 강도를 발현하는 것으로 나타났으며, 모든 실험조건에서 혼화재를 사용한 경우에 있어서는 고로슬래그 미분말에 의한 강도회복효과가 매우 큰 것으로 나타났다. 따라서 동절기 초기재령에서 적절한 양생을 실시한다면, 한중콘크리트 제조시 고로슬래그 및 플라이애시와 같은 혼화재의 사용에 따른 콘크리트의 성능향상 효과가 매우 클 것으로 사료된다.
Recently, to consider financial and constructive aspect usage of Admixture such as Blast-Furnace Slag and Fly-Ash, are increased. Also the use of cold-weather-concrete is increased. Blast-Furnace Slag, a by-product of steel industry, have many advantage to reduce the heat of hydration, increase in u...
Recently, to consider financial and constructive aspect usage of Admixture such as Blast-Furnace Slag and Fly-Ash, are increased. Also the use of cold-weather-concrete is increased. Blast-Furnace Slag, a by-product of steel industry, have many advantage to reduce the heat of hydration, increase in ultimate strength and etc. But it also reduces early-age strength, so it is prevented from using of Blast-Furnace Slag at cold-weather-concrete. In this study, for the purpose of increasing usage of Blast-Furnace Slag at cold-weather-concrete, it is investigated the strength properties of concrete subjected to frost damage for the cause of early age curing. The factors of this experience to give early frost damaged were Freezing temperature(-1, -10, $-15^{\circ}C$), Early curing age(0, 12, 24, 48hour), Freezing times(0, 12, 24, 48hour). According to this study, if early curing is carried out before haying frost damage, the strength of concrete used admixture, subjected to frost damage, is recovered. And that properties are considered, the effect of using admixture like blast-furnace-slag, is very high
Recently, to consider financial and constructive aspect usage of Admixture such as Blast-Furnace Slag and Fly-Ash, are increased. Also the use of cold-weather-concrete is increased. Blast-Furnace Slag, a by-product of steel industry, have many advantage to reduce the heat of hydration, increase in ultimate strength and etc. But it also reduces early-age strength, so it is prevented from using of Blast-Furnace Slag at cold-weather-concrete. In this study, for the purpose of increasing usage of Blast-Furnace Slag at cold-weather-concrete, it is investigated the strength properties of concrete subjected to frost damage for the cause of early age curing. The factors of this experience to give early frost damaged were Freezing temperature(-1, -10, $-15^{\circ}C$), Early curing age(0, 12, 24, 48hour), Freezing times(0, 12, 24, 48hour). According to this study, if early curing is carried out before haying frost damage, the strength of concrete used admixture, subjected to frost damage, is recovered. And that properties are considered, the effect of using admixture like blast-furnace-slag, is very high
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문제 정의
Fig. 1 및 Table 2에 나타낸 바와 같이, 본 연구는 초기재령에서의 양생조건을 변화시켜, 재령의 경과에 따른 강도 발현특성을 검토하기 위한 것으로서, 초기재령에서 동결시키지 않은 경우의 양생조건은 한중콘크리트의 타설온도 5~20℃의 조건8)을 고려하여 20℃ 봉함양생을 실시하였다. 콘크리트의 기초물성을 평가하기 위해 굳지않은 콘크리트에서는 공기량 및 슬럼프를 측정하였으며, 특히 물결합재비 50%의 경우 콘크리트의 응결성상을 측정하여, 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 초기 수화진행의 차이를 검토하였다.
내동해성을 평가한 연구결과가 많다. 그러나, 이러한 동결융해시험의 경우 경화콘크리트를 대상으로 극한적인 조건에 의해 콘크리트의 내동해성을 평가한 것으로서, 본연구에서는 이러한 평가방법과는 달리 실제 콘크리트의 제조 및 시공에 있어서의 초기 양생조건 및 고로슬래그 미분말 치환율의 변화에 따른 초기동해에 대한 내동해성을 평가하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서의 실험조건은 콘크리트 제조 직후 초기 양생조건을 변화시켜 동절기 초기동해를 입은 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 콘크리트의 강도 발현 특성을 검토하고, 한중콘크리트 시공에 있어서 고로슬래그 미분말 및 플라이애시의 적용을 증대시키기 위한 기초자료로 제시하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 연구는 혼화재의 사용, 특히 고로슬래그 미분말의 사용에 따른 콘크리트의 초기동해에 대한 내동해성 및 강도 회복 성능을 평가하기 위한 것으로서, 기존의 콘크리트의 내동해성에 관한 연구의 경우, 실험조건으로서 주로 ASTM C 666에 의거하여 동결융해시험에 의한 콘크리트의 내동해성을 평가한 연구결과가 많다. 그러나, 이러한 동결융해시험의 경우 경화콘크리트를 대상으로 극한적인 조건에 의해 콘크리트의 내동해성을 평가한 것으로서, 본연구에서는 이러한 평가방법과는 달리 실제 콘크리트의 제조 및 시공에 있어서의 초기 양생조건 및 고로슬래그 미분말 치환율의 변화에 따른 초기동해에 대한 내동해성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 동절기 콘크리트 시공시 타설 후 초기 재령에서 콘크리트가 동결할 경우 양생 및 재령의 경과에 따라 콘크리트의 강도회복특성을 검토하기 위한 것으로서 실험에 사용된 콘크리트 배합을 Table 1에, 실험계획을 Table 2에 나타내었다.
일반적으로 동해에 의한 성능저하 메카니즘은 수분의 동결에 의한 체적팽창으로 콘크리트 내부에 인장 응력을 발생 시켜 성능저하를 초래하는 것으로 알려져 있으며6~7), 콘크리트의 성능평가를 위해 압축강도와 더불어 인장강도도 측정하여 콘크리트의 내동해성을 평가하는 경우가 많지만, 본 연구에서는 콘크리트의 성능평가를 위해 일반적으로 사용되는 압축강도에 의해 초기 양생조건에 따른 콘크리트의 강도발현특성을 검토하였다.
초기 양생조건에 따른 강도발현특성을 평가하기 위해, 콘크리트 제조 직후 양생조건에 따라 초기양생을 실시한 후, 각각의 재령에서 압축강도를 측정하여 강도 회복 성능을 평가하고자 하였다.
제안 방법
또한 동결 받지 않은 기준 공시체와 초기 양생 조건에 따른 시험공시체의 압축강도를 재령 3, 7, 28일에서 측정하여 기준공시체에 대한 강도발현율을 비교·검토 하므로서, 배합조건 및 초기양생조건에 따른 콘크리트의 강도발현특성 및 회복성능을 비교·검토하였다.
부순자갈을 사용하였다. 또한 소요의 유동성 및 공기량을 확보하기 위한 혼화제는 AE감수제를 사용하였다
물결합재비는 50%를 기준으로 설정하였고, 비교용으로서 40%와 60%를 실험하였으며, 한중콘크리트의 내구성을 고려하여 목표 공기량을 4.5±0.5%로 설정하였다.
본 실험에 사용된 콘크리트의 배합은, 혼화재를 사용하지 않은 기본 배합과 플라이애시 대체율을 10%로 고정하고, 고로슬래그미분말의 대체율을 0, 10, 20, 30 %로 변화시켜 고로슬래그 미분말 치환율의 변화에 따른 초기동해를 받은 콘크리트의 강도 회복 성능을 검토하였다.
초기동해를 입히기 위한 콘크리트의 동결조건으로서, 동결온도는 -1, -10, -15℃ 3수준, 동결개시는 콘크리트 비빔 직후, 12, 24, 48시간 경과 후 각각 동결시켰으며, 동결 지속시간은 각각의 조건에서 12, 24, 48시간으로 설정하였다.
1 및 Table 2에 나타낸 바와 같이, 본 연구는 초기재령에서의 양생조건을 변화시켜, 재령의 경과에 따른 강도 발현특성을 검토하기 위한 것으로서, 초기재령에서 동결시키지 않은 경우의 양생조건은 한중콘크리트의 타설온도 5~20℃의 조건8)을 고려하여 20℃ 봉함양생을 실시하였다. 콘크리트의 기초물성을 평가하기 위해 굳지않은 콘크리트에서는 공기량 및 슬럼프를 측정하였으며, 특히 물결합재비 50%의 경우 콘크리트의 응결성상을 측정하여, 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 초기 수화진행의 차이를 검토하였다.
시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트를, 혼화재는 보령산 플라이애시와 고로슬래그미분말을 사용하였으며 , 세척사d와 부순자갈을 사용하였다. 또한 소요의 유동성 및 공기량을 확보하기 위한 혼화제는 AE감수제를 사용하였다
성능/효과
1) 초기양생을 실시하지 않은 경우, 동결온도와 상관없이 초기 동해에 따른 강도저하가 매우 큰 것으로 나타났으며, 초기재령에서 소정의 양생을 실시한 경우에는 양생 방법의 개선에 의해 강도회복이 가능한 것으로 나타났다.
폭이 매우 적은 것으로 나타났다. 24시간 이상 경과 후 동결 받은 경우에서는 동결의 유무에 따른 재령별 강도 발현의 뚜렷한 차이는 없는 것으로 나타났다.
3) 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 강도발현특성은 치환율이 증가할수록 초기강도는 저하하지만 재령 28일에서는 거의 차이가 없는 것으로 나타났으며, 초기 동해를 받은 경우 치환율이 증가할수록 강도 증진 효과는 증가하는 것으로 나타났다.
4) 물결합재비에 따른 압축강도발현특성은 물결합재비가 높을수록 초기양생조건에 따른 강도발현특성의 차이가 다소 감소하는 것으로 나타났으나. 물결합재비보다는 초기 재령에서의 양생조건이 강도발현특성에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다.
5) 초기동해에 대한 동결온도의 영향은 동결온도에 따른 차이는 거의 나타나지 않고 있으며, 초기동해에 대한 내동해성은 동결온도의 영향보다는 동결 받기 전 양생의 유무에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.
플라이애시 및 고로슬래그 미분말이 첨가된 배합 BS 0, 10, 20은 초결이 8시간 20분 내외, 종결은 10시간 30분 내외로 유사하게 나타났으며, ST에 비해 초결은 1시간 20분, 종결은 1시간 30분 정도 지연되는 것으로 나타났으나 초결에서 종결까지 소요된 시간은 2시간 10분 정도로서 ST와 비교하여 응결에 소요된 시간이 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 플라이애시가 10%, 고로슬래그 미분말이 30% 치환된 BS30의 경우 초결이 9시간 10분, 종결이 11시간 50분으로 나타나 ST에 비해 초결은 2시간 10분, 종결은 2시간 40분이 지연되는 것으로 나타났으며, 초결에서 종결까지의 시간도 2시간 40분으로 나타나 ST 및 BS 0, 10, 20에 비해 대략 30분 정도 지연되었다.
그러나, 고로슬래그 미분말을 사용하지 않은 BS 0에서 48시간 동결시킨 경우 재령 28일에서 약 40%의 강도를 발현하고 있지만, BS30의 경우 약 70 % 이상을 발현하고 있어서, 고로슬래그 미분말에 의한 강도증진효과가 확인되었다. 따라서 동절기 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트를 시공할 경우, 양생방법에 따른 강도증진효과를 기대할 수 있으며, 강도증진효과를 고려하여 한중콘크리트에 있어서도 혼화재의 사용이 증대될 수 있을 것으로 사료된다.
동결온도 -1℃에서 콘크리트 비빔 직후 동결을 시킨 경우, 초기재령 3일에서의 강도발현특성은 동결을 시키지 않은 경우에 비해 압축강도가 매우 저하하는 것으로 나타났으며 , 양생방법을 개선시켜 표준수중양생을 실시하여도 28일 압축강도는 동결시키지 않은 공시체에 비해 약 100~170kgf/㎠ 정도 저하하는 것으로 나타났다.
따라서, 동절기 외기온을 고려한 한중콘크리트의 시공에 있어서 초기재령에서 소정의 양생을 실시할 경우, 초기 동해에 의한 성능저하를 개선시킬 수 있는 것으로 사료되며, 특히 혼화재를 사용할 경우 양생방법의 개선에 의한 성능향상을 기대할 수 있는 것으로 나타나, 동절기에 있어서도 혼화재의 사용가능성이 매우 높은 것으로 사료된다.
3에 나타난 바와 같이, 한중콘크리트의 시공시 양생 종료를 고려한 소요압축강도 50kgf/㎠는8)모든 배합에서 12시간을 초과하고 있으며, BS30의 경우 초기재령이 20시간 이상 소요되는 것으로 나타나고 있다. 따라서, 본 실험의 범위에서 제조 직후 동결시킨 경우 외에 콘크리트의 응결이 종결되는 시점에서 동결시키는 초기양생 12시간에서도 동결에 따른 강도저하가 나타날 것으로 예상되었으나, 실험 결과 초기양생 12시간에서의 재령 28일 압축강도는 강도저하가 거의 나타나고 있지 않았다.
또한 초기양생시간이 증가할수록 강도발현율은 증가하는 것으로 나타났으며, 소정의 양생을 실시할 경우 재령 28일에서의 강도발현율은 거의 100% 내외를 나타내고 있다. 따라서, 동절기 초기재령에서 소정의 양생을 실시한다면, 혼화재의 사용에 따른 초기동해는 거의 없을 것으로 사료되며, 장기 재령에서의 강도발현을 고려한다면, 오히려 동절기에도 혼화재의 사용을 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.
또한 초기양생시간이 증가할수록 재령3일에서의 강도 발현율의 차이는 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 초기 양생 48시간의 경우 동결의 유무, 혼화재의 치환율 및 재령에 따른 강도발현율의 차이는 거의 나타나지 않고 있다.
물결합재비가 높은 60%에서는, 콘크리트 제조 직후 동결을 받은 경우 재령의 경과에 따라 동결시간이 짧을수록, 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 강도는 증가하는 경향을 나타내고 있지만, 동결시키지 않은 경우에 비해 강도 발현율은 80%를 넘지 못하는 것으로 나타났다. 그러나, 고로슬래그 미분말을 사용하지 않은 BS 0에서 48시간 동결시킨 경우 재령 28일에서 약 40%의 강도를 발현하고 있지만, BS30의 경우 약 70 % 이상을 발현하고 있어서, 고로슬래그 미분말에 의한 강도증진효과가 확인되었다.
물결합재비보다는 초기 재령에서의 양생조건이 강도발현특성에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다.
초기양생기간에 따른 강도발현특성의 차이는, 제조 직후 동결을 받은 경우, 동결시키지 않은 경우에 비해 압축강도는 매우 저하하는 것으로 나타났지만, 고로슬래그 치환율이 증가함에 따라 압축강도는 증가하는 경향을 나타내고 있다. 특히 고로슬래그 치환율 30%의 경우 동결온도와 상관없이 대부분 ST에 비해 높은 강도를 발현하고 있으며, 동결온도-1℃의 경우 이러한 경향이 뚜렷이 나타나고 있다.
초기양생시간에 따른 강도발현율의 변화를 살펴보면, 초기양생 12시간의 경우 재령3일에서의 동결시간에 따른 강도발현율의 차이는 다소 큰 폭으로 나타나고 있지만 재령이 경과함에 따라 강도발현율의 차이는 감소하고 있으며, 재령 28일에서는 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 또한 초기양생시간이 증가할수록 재령3일에서의 강도 발현율의 차이는 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 초기 양생 48시간의 경우 동결의 유무, 혼화재의 치환율 및 재령에 따른 강도발현율의 차이는 거의 나타나지 않고 있다.
어려운 것으로 나타났으나. 초기재령에서 소정의 양생을 실시한 경우에는 양생방법을 개선시킬 경우 재령의 경과에 따라 강도회복이 가능한 것으로 나타났다
콘크리트 제조 후 소정의 양생을 실시한 경우 동결에 따른 강도저하는 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 12시간 경과 후 동결 받은 경우에서는 재령 3일에서 다소 강도가 저하하는 것으로 나타났으나, 재령 28일에서는 강도 저하 폭이 매우 적은 것으로 나타났다. 24시간 이상 경과 후 동결 받은 경우에서는 동결의 유무에 따른 재령별 강도 발현의 뚜렷한 차이는 없는 것으로 나타났다.
소요되었다. 플라이애시 및 고로슬래그 미분말이 첨가된 배합 BS 0, 10, 20은 초결이 8시간 20분 내외, 종결은 10시간 30분 내외로 유사하게 나타났으며, ST에 비해 초결은 1시간 20분, 종결은 1시간 30분 정도 지연되는 것으로 나타났으나 초결에서 종결까지 소요된 시간은 2시간 10분 정도로서 ST와 비교하여 응결에 소요된 시간이 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 플라이애시가 10%, 고로슬래그 미분말이 30% 치환된 BS30의 경우 초결이 9시간 10분, 종결이 11시간 50분으로 나타나 ST에 비해 초결은 2시간 10분, 종결은 2시간 40분이 지연되는 것으로 나타났으며, 초결에서 종결까지의 시간도 2시간 40분으로 나타나 ST 및 BS 0, 10, 20에 비해 대략 30분 정도 지연되었다.
혼화재의 치환에 따른 압축강도는 혼화재를 사용하지 않은 ST가 가장 높게 나타나고 있으며, 혼화재의 치환율이 증가할수록 압축강도는 저하하는 것으로 나타났다. 한중콘크리트 시공시 초기 양생 기간을 고려하여 확보되어야 하는 최소 압축강도 50kgf/㎠는8)본 실험의 범위에서는 BS30의 경우 24시간 내외로 가장 지연되는 것으로 나타났다.
후속연구
2) 본 연구 결과의 범위에서는 초기동해에 대한 내동해 연구성은 소요 압축강도는 물론 응결성상과도 관련이 있는 것으로 나타났으며, 이에 대한 추후 심도 깊은 연구가 진행될 필요가 있을 것으로 사료된다.
그러나, 고로슬래그 미분말을 사용하지 않은 BS 0에서 48시간 동결시킨 경우 재령 28일에서 약 40%의 강도를 발현하고 있지만, BS30의 경우 약 70 % 이상을 발현하고 있어서, 고로슬래그 미분말에 의한 강도증진효과가 확인되었다. 따라서 동절기 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트를 시공할 경우, 양생방법에 따른 강도증진효과를 기대할 수 있으며, 강도증진효과를 고려하여 한중콘크리트에 있어서도 혼화재의 사용이 증대될 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 초기동해를 고려한 초기양생기간을 설정할 경우 소요 압축강도 이외에 콘크리트의 응결성상도 고려할 필요가 있을 것으로 판단되며, 추후 콘크리트의 응결과 내동해성과의 상관성에 관한 보다 심도 깊은 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다
또한 초기양생시간이 증가할수록 강도발현율은 증가하는 것으로 나타났으며, 소정의 양생을 실시할 경우 재령 28일에서의 강도발현율은 거의 100% 내외를 나타내고 있다. 따라서, 동절기 초기재령에서 소정의 양생을 실시한다면, 혼화재의 사용에 따른 초기동해는 거의 없을 것으로 사료되며, 장기 재령에서의 강도발현을 고려한다면, 오히려 동절기에도 혼화재의 사용을 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.
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