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문제 정의
- 굴패각의 대체율에 따른 장기역학적 특성과 내구성을 파악하기 위하여 실시한 본 실험은 두 가지로 나뉘어 실시되었다. 장기역학적 특성을 검토하기 위해서 압축강도, 탄성계수, 건조수축 및 크리프에 대한 시험을 실시하였고, 내구성을 검토하기 위해서 동결융해 탄산화, 화학침식 및 투수 저항성에 대한 실험을 실시하였으며 실험의 변수 및 측정항목을 정리하여 나타내면 Table 2 및 Table 3과 같다.
- 따라서, 본 연구에서는 분쇄한 굴패각의 잔골재로의 대체(Substitution rate, SR)사용이 콘크리트의 장기 역학적특성 및 내구성에 미치는 영향을 정량적으로 검토하여 굴패각의 건설재료로써 실용화 가능성을 제시하고자 하였다.
- 콘크리트의 내구성은 콘크리트 내부의 공극구조와 치밀성에 의해 크게 영향을 받으므로 본 연구에서는 이러한 특성을 비교하기 위해 굴패각 대체율에 따른 투수 저항성을 비교하였다. 그 결과를 정리하면 Table 6과 같다.
제안 방법
- 건조수축 특성실험에는 10×10×40cm 각주 시험체를 사용하였으며, 시험체의 양 측면에 측정을 위한 측정점을 각각25cm 간격으로 설치하고 demec gage(최소눈금=1μm)를사용하여 계획된 재령에서의 길이변화를 측정하였다. 건조수축 시험체는 재령 1일에 탈형하여 습윤양생6일 후에 온도 23±l℃, 습도 50±3% 항온항습실에서 양생하였다.
- 굴패각 대체에 따른 콘크리트의 화학 저항성 실험에서는 황산(Sulfuric acid) 5% 및 염(Hydrcchloric add) 2% 용액에 콘크리트 시험체를 침지시키고 재령 경과에 따른 중량변화를 측정하였다. 소요의 재령이 경과한 후에 공 시체표면의 상태는 침지 재령이 증가할수록 콘크리트의 침식이 점점 증가함을 나타내었다.
- 굴패각 대체율이 콘크리트의 탄산화 특성에 미치는 영향을 검토하기 위해 이산화탄소 10%의 환경에서 탄산화 촉진실험을 실시하고 해당 재령에서 쪼갬인장파괴 시킨 후에 공시체의 파단면에 1% 페놀프탈레인-알콜 용액을 분무하여 변색된 부분의 깊이를 측정하였다. 실험결과는 5주까지의 결과가 수집되었으며 그 결과를 정리하여 나타내면 Fig.
- 굴패각의 대체에 따른 콘크리트 특성의 변화를 조사하기 위하여 실시한 실험의 콘크리트 배합비는 목표 슬럼프를 10±1.5cm로, 공기량은 혼화제를 첨가하여 5.5±1.0%를 만족하도록 하였다. 실험에 사용한 배합을 정리하여 나타내면 Table 1과 같다.
- 28MPa를 목표로 하였다. 굴패각의 대체율은 사용 잔골재의 부피를 기준으로 정하였으며, 굴 패각에 포함되어 있는 염화물 이온량이 콘크리트 관련 규정(0.3kg/m3)을 만족하도록4.7)굴패각의 성분조사 결과를 근거하여 10%를 상한 대체율로 정하였으나 예외 규정으로0.6 kg/m3, 까지 대체가 가능한 경우를 고려하여 20%에 대한 비교 실험도 포함하였다. Table 1에서 NNO, OS10, 및 OS20은 각각 대체율 0,10,및 20%를 의미한다.
- 배합은 일괄투입 방법을 채택하였으며 각 재료를 투입한 후 배합수를 투입하는 순간부터 3분간 비빔을 실시하였다. 배합이 완료되면 즉시 콘크리트를 배출하여 굳지않은 콘크리트 실험법8)에 따라 실시하였으며 남아 있는 콘크리트를 사용하여 실험에 소요되는 수와 형상에 따라 공시체를 제작하였다.
- 배합이 완료되면 즉시 콘크리트를 배출하여 굳지않은 콘크리트 실험법8)에 따라 실시하였으며 남아 있는 콘크리트를 사용하여 실험에 소요되는 수와 형상에 따라 공시체를 제작하였다. 제작한 원주 공시체는 KS F 2405에 따라 재령 1일에 탈형하였으며, 탈형 즉시 양생 조에서 수중 양생을 실시하였다.
- 실험 목적에 따라 실시하는 각 재령 별 장기역학적 특성치는 실험조건을 만족하도록 각 재령에서 시편을 꺼내어 압축강도 실험에서는 재하면을 연마기로 처리한 후 2,000 kN UTM을 사용하여 실험을 실시하였고 탄성계수를 측정할 때는 공시체의 중앙부 양면에 콘크리트용 스트레인 게이지(측점거리=60mm)를 부착하여 각 하중 단계별 변형률을 측정하였고 각 실험의 단계에서 얻어지는 응력- 변형률 곡선의 관계로부터 탄성계수를 계산하였다. 탄성계수를 계산하는 방법으로는 최대응력의 40%에서 구한 할선탄성계수(Secant Modulus)법9)을 채택하였다.
- 요망된다. 이를 위하여 굴패각을 잔골재 대체재로 사용한 콘크리트 크리프 변형률의 측정을 실시하였으며 그 결과를 정리하여 나타내면 Fig. 6 및 Fig. 7과 같다. 재하 하중은 콘크리트 압축강도의 30%에 해당하는 수준인 70kN을 가하였다.
- 장기역학적 특성을 검토하기 위해서 압축강도, 탄성계수, 건조수축 및 크리프에 대한 시험을 실시하였고, 내구성을 검토하기 위해서 동결융해 탄산화, 화학침식 및 투수 저항성에 대한 실험을 실시하였으며 실험의 변수 및 측정항목을 정리하여 나타내면 Table 2 및 Table 3과 같다. 콘크리트 제작에 있어 사용한 콘크리트 믹서는 팬형 강제식(용량=60 liter, 25rpm)을 사용하였으며 실험에 필요한 사용량을 고려하여 1회 배치량을 25리터 이상으로 하였다.
- 배합이 완료되면 즉시 콘크리트를 배출하여 굳지않은 콘크리트 실험법8)에 따라 실시하였으며 남아 있는 콘크리트를 사용하여 실험에 소요되는 수와 형상에 따라 공시체를 제작하였다. 제작한 원주 공시체는 KS F 2405에 따라 재령 1일에 탈형하였으며, 탈형 즉시 양생 조에서 수중 양생을 실시하였다.
- 건조수축 시험체는 재령 1일에 탈형하여 습윤양생6일 후에 온도 23±l℃, 습도 50±3% 항온항습실에서 양생하였다. 크리프 특성실험에는 용량 300 kN의 스프링 재하식 시험기를 사용하였으며 시험체의 건조를 배제한 basic creep 시험을 실시하였다 크리프 실험을 실시한 실내의 온도는 20±3 ℃, 습도는 70±5% 수준이었다. 시험체로는 φ10x20 cm 원주공시체를 연마하고 길이방향으로 3개 연립하여 하중을 재하하였다.
- 57 %, Gmax = 25 mm)을 사용하였다. 한편 콘크리트에 혼합하는 굴 패각은 원활한 분쇄를 위하여 110±10℃ 건조로에서 24시간 건조시킨 후 죠크러셔를 사용하여 5mm체를 통과하도록 분쇄하였고, 추후에 현장적용성을 고려하여 건조된 상태에서 콘크리트에 혼합하는 방법을 채택하였다. 분쇄한 굴 패각은 비중=2.
- 8이었다. 한편, 굴패각의입형이 주로 납작하고 편평한 판상형이므로, 혼합에 따른 시공성 저하가 예상되어 이를 보상하기 위해서 J사의 AE제, 감수제 및 고성능감수제를 용도에 따라 사용하였다.
대상 데이터
- 크리프 특성실험에는 용량 300 kN의 스프링 재하식 시험기를 사용하였으며 시험체의 건조를 배제한 basic creep 시험을 실시하였다 크리프 실험을 실시한 실내의 온도는 20±3 ℃, 습도는 70±5% 수준이었다. 시험체로는 φ10x20 cm 원주공시체를 연마하고 길이방향으로 3개 연립하여 하중을 재하하였다. 재하하중은 시험당시의 압축강도 측정값을 고려하여 이 측정값의 30% 범위에서 선정하였다.
- 이 실험에서는 크리프 발생량을 8개월간에 걸쳐 측정하였으나, 재하 1개월 이후의 계측에 오류가 발생하여 1개월까지의 데이터만이 분석에 사용되었다. Fig.
- 장기역학적 특성을 검토하기 위해서 압축강도, 탄성계수, 건조수축 및 크리프에 대한 시험을 실시하였고, 내구성을 검토하기 위해서 동결융해 탄산화, 화학침식 및 투수 저항성에 대한 실험을 실시하였으며 실험의 변수 및 측정항목을 정리하여 나타내면 Table 2 및 Table 3과 같다. 콘크리트 제작에 있어 사용한 콘크리트 믹서는 팬형 강제식(용량=60 liter, 25rpm)을 사용하였으며 실험에 필요한 사용량을 고려하여 1회 배치량을 25리터 이상으로 하였다.
- 콘크리트의 제조를 위해 시멘트는 L사의 1종 포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 강릉시 송정지역 모래(비중=2.58, 흡수율=1.64%, F.M = 2.98)를, 굵은골재는 강릉시 임곡석산 쇄석(비중=2.75, 흡수율=0.57 %, Gmax = 25 mm)을 사용하였다. 한편 콘크리트에 혼합하는 굴 패각은 원활한 분쇄를 위하여 110±10℃ 건조로에서 24시간 건조시킨 후 죠크러셔를 사용하여 5mm체를 통과하도록 분쇄하였고, 추후에 현장적용성을 고려하여 건조된 상태에서 콘크리트에 혼합하는 방법을 채택하였다.
- 규정에 따라 실시하였다. 탄산화 및 화학약품에 대한 저항성 실험은 φ10x20cm 원주 공시체를 사용하였고 투수에 대한 저항성 실험에 사용된 시험체는 KS L 5105 규정에 따라 제작하였다.
데이터처리
- 4 및 5와 같다. Fig. 4에서는 건조수축을 예측하는데 일반적으로 사용되는 각 CODE(ACI Model, CEB-FIP Model, BP Model)의 예측 결과를 함께 비교하였다. CODE Model에 사용된 배합인자 중 굴패각의 체적분은 잔골재로 취급하였다.
- 재하 하중은 콘크리트 압축강도의 30%에 해당하는 수준인 70kN을 가하였다. Fig. 6에서는 실험결과와의 비교를 위하여 크리프 변형률 예측에 널리 사용되는 각 CODE(ACI Model, CEB-FIP Model, BP Model)의 예측값을 함께 비교하였다. CODE에 사용된 배합인자는 건조수축에서와 동일하게 취급하였다.
이론/모형
- 내구성 특성 실험 중에서 동결융해 저항성 실험은 KS F2456 규정에 따라 실시하였다. 탄산화 및 화학약품에 대한 저항성 실험은 φ10x20cm 원주 공시체를 사용하였고 투수에 대한 저항성 실험에 사용된 시험체는 KS L 5105 규정에 따라 제작하였다.
- 탄성계수를 계산하는 방법으로는 최대응력의 40%에서 구한 할선탄성계수(Secant Modulus)법9)을 채택하였다.
성능/효과
- 1) 굴패각의 대체가 재령 28일의 압축강도에는 영향을 미치지 않지만 일정한도 이상의 굴패각을 대체한 경우, 장기 재령에서의 강도증진이 상대적으로 감소되 었다.
- 2) 굴패각의 대체에 따른 탄성계수 저하는 대체율에 거의 비례적으로 저하하였으며 굴패각의 대체율 20%에서 약 10~15% 저하하였다.
- 3) 굴패각의 대체율이 증가할수록 건조수축 발생량은 증가하였으며 기존의 건조수축과 크리프 모델식은 굴패각의 증가에 따른 영향을 잘 반영하지 못하였고 이에 대한 예측식의 보정이 필요하다고 판단된다.
- 4) 잔골재의 일부를 굴패각으로 대체하여도 콘크리트의 동결융해 저항성, 탄산화 저항성, 및 화학침식 저항성에는 나쁜 영향을 미치지 않으며, 투수 저항성은 오히려 크게 개선되었다.
- 10과 같다. Fig.10에서 알 수 있는 바와 같이 굴패각의 대체율에 따른 변화는 거의 보이지 않아 콘크리트의 화학적 침식 저항성은 굴패각의 영향을 받지 않음을 확인하였다.
- 굴패각 대체율에 따른 동결융해 저항성을 비교하기 위한 실험(A법)을 실시하였으며, 그 결과를 정리하면 Fig. 8과 같다 Fig. 8에 따르면 동결융해 횟수가 증가하여도, 동탄성계수는 굴패각을 대체한 콘크리트가 더 작은 변화율을 보였고, 중량변화는 굴패각을 대체한 콘크리트가 대체하지 않은 콘크리트보다 양호하였다. 즉, 굴패각 대체가 동결융해 저항성에 나쁜 영향을 미치지는 않는 것으로 사료되며 굴 패각을 포함한 콘크리트의 동결융해 저항성에 대한 정량적인 평가를 위해서는 보다 많은 연구가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 즉, 굴패각 대체가 동결융해 저항성에 나쁜 영향을 미치지는 않는 것으로 사료되며 굴 패각을 포함한 콘크리트의 동결융해 저항성에 대한 정량적인 평가를 위해서는 보다 많은 연구가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다. 굴패각 대체율에 따른 콘크리트의 내구성지수(DF)는 각각 82.7, 93.3, 85.4%로 측정되었다.
- 그러나 공시체 표면의 상태를 비교하여 살펴보면 굴패각의 대체율에 따른 차이는 크지 않은 것으로 판단된다. 또한 황산에 의한 침식은 대체율에 관계없이 재령이 증가함에 따라 계속적으로 발생하였고 염산에 의한 침식도 대체율에 따른 차이는 보이지 않았으며, 재령 3주 후에는 더 이상 중량변화가 발생하지 않는 특성을 보였다.
- 측정하였다. 소요의 재령이 경과한 후에 공 시체표면의 상태는 침지 재령이 증가할수록 콘크리트의 침식이 점점 증가함을 나타내었다. 그러나 공시체 표면의 상태를 비교하여 살펴보면 굴패각의 대체율에 따른 차이는 크지 않은 것으로 판단된다.
- 9와 같다. 실험결과에 따르면 탄산화 재령이 증가할수록 탄산화 깊이는 커지는 것을 나타냈으며, 굴패각의 대체율에 관계없이 동일한 정도의 탄산화속도를 보였다 즉, 탄산화 속도에는 굴패각의 대체율이 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 4에 따르면 각 CODE의 예측값은 CEB-FIP, ACI,그리고 BP 순으로 점점 큰 값을 나타내었으며, BP의 경우 초기에 예측값의 증가율이 크게 나타났다. 실험결과와 예측값을 비교하여 보면 건조수축 발생량은 세 가지 모델식 중 CEB-FIP 모델식이 예측값에 가장 근접하는 결과를 보였다. 한편, 각 모델식은 SR이 증가할수록 작은 예측값을 주었는데, SR=20%의 경우, CEB-FTP와 ACI의 모델 식은 실험결과와 거의 유사한 결과를 나타내었다.
- 1의 결과에 따르면, 굴패각의 잔골재로서의 대체가 콘크리트의 재령 28일까지의 압축강도에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었으나, 재령 28일 이후의 압축강도에는 영향이 있는 것으로 나타났다. 즉, 굴 패각의 대체율이 증가할수록 28일 이후의 압축강도 발현율이 적은 것으로 나타났으며 굴패각 대체율 0%, 10%, 20%에 대해 증가율이 각각 40%, 35%, 25%였다. 그러나, 압축강도가 굴패각의 대체비율에 따라 비례적으로 변화하지는 않았다.
- 함수식에 따르면 각각의 대체율에서 시간이 무한히 흘렀을 때의 최종수축율은각각 456, 487, 581×10-6에 수렴하였다. 즉, 회귀분석을 이용한 건조수축률의 증가량을 살펴보면 대체율 10%는 7%, 대체율 20%는 28%의 증가량을 보이는 것을 알 수 있다 이러한 건조수축의 증가는 굴패각의 낮은 강성 및 함유되어 있는 미립분의 영향 등에 기인한다고 판단된다.
- 한편, Fig. 3에 나타낸 바와 같이 굴패각의 대체에 따른 탄성계수의 저하는 대체율이 증가할수록 대체율에 거의 비례하여 저하하였으며, 굴패각 대체율 20%에서 탄성계수는 10-15% 범위에서 저하하였다.
- 실험결과와 예측값을 비교하여 보면 건조수축 발생량은 세 가지 모델식 중 CEB-FIP 모델식이 예측값에 가장 근접하는 결과를 보였다. 한편, 각 모델식은 SR이 증가할수록 작은 예측값을 주었는데, SR=20%의 경우, CEB-FTP와 ACI의 모델 식은 실험결과와 거의 유사한 결과를 나타내었다. 한편, Fig.
후속연구
- 굴패각을 대체한 콘크리트의 크리프 특성은 사용 모델에 따라 예측값이 다르고 그 영향을 적절히 평가하기는 어려우나, 이번 실험값에 따르면 ACI Model이 가장 근접한 값을 나타내었으며, 그 특성을 만족할 정도로 예측하기 위해서는 굴패각을 대체한 콘크리트의 크리프 특성을 고려한 기존 모델식의 수정이 필요할 것으로 사료된다.
- 8에 따르면 동결융해 횟수가 증가하여도, 동탄성계수는 굴패각을 대체한 콘크리트가 더 작은 변화율을 보였고, 중량변화는 굴패각을 대체한 콘크리트가 대체하지 않은 콘크리트보다 양호하였다. 즉, 굴패각 대체가 동결융해 저항성에 나쁜 영향을 미치지는 않는 것으로 사료되며 굴 패각을 포함한 콘크리트의 동결융해 저항성에 대한 정량적인 평가를 위해서는 보다 많은 연구가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다. 굴패각 대체율에 따른 콘크리트의 내구성지수(DF)는 각각 82.
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