일반 콘크리트뿐만 아니라 고성능콘크리트 제조 시 고로슬래그(BFS)의 사용은 워커빌리티, 장기 강도 및 내구성 측면에서 장점을 갖는다. 그러나 슬래그 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 수축이 크며 특히 자기수축이 크게 발생하기 때문에 적절한 방법으로 제어하지 않으면 심각한 균열을 야기할 수 있다. 따라서 수축에 의한 균열 발생을 최소화하고 콘크리트 구조물의 사용 수명을 확보하기 위해서는 BFS를 함유한 콘크리트의 자기수축 거동에 대한 이해가 요구된다. 본 연구에서는 물-결합재(시멘트+BFS) 비(W/B)가 0.27${\~}$0.42이고 BFS 대체율이 각각 $0\%$, $30\%$, $50\%$인 각주형 콘크리트 시편을 제작하여 자기수축을 측정한 후, 실험결과를 바탕으로 자기수축 예측 모델의 재료 상수 값들을 결정하였다. 또한, 응력 발현에 기여하는 자기수축을 유효자기수축으로 정의하고, 다양한 W/B를 고려한 재령 28일에서의 유효자기수축 변형률 추정식을 제안하였다. 실험결과, W/B가 동일할 때 콘크리트의 자기수축은 BFS의 사용량에 따라 증가하였다. 또한 동일한 양의 BFS를 사용한 경우, W/B가 낮아짐에 따라 자기수축 증가율이 감소하는 경향을 보였다. 따라서 고로슬래그 콘크리트의 자기수축을 줄이기 위해서는 자기수축을 줄이는 수축저감제 등의 혼화 재료를 사용하거나 시공 현장에서의 충분한 습윤양생이 필요하다고 판단된다.
일반 콘크리트뿐만 아니라 고성능콘크리트 제조 시 고로슬래그(BFS)의 사용은 워커빌리티, 장기 강도 및 내구성 측면에서 장점을 갖는다. 그러나 슬래그 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 수축이 크며 특히 자기수축이 크게 발생하기 때문에 적절한 방법으로 제어하지 않으면 심각한 균열을 야기할 수 있다. 따라서 수축에 의한 균열 발생을 최소화하고 콘크리트 구조물의 사용 수명을 확보하기 위해서는 BFS를 함유한 콘크리트의 자기수축 거동에 대한 이해가 요구된다. 본 연구에서는 물-결합재(시멘트+BFS) 비(W/B)가 0.27${\~}$0.42이고 BFS 대체율이 각각 $0\%$, $30\%$, $50\%$인 각주형 콘크리트 시편을 제작하여 자기수축을 측정한 후, 실험결과를 바탕으로 자기수축 예측 모델의 재료 상수 값들을 결정하였다. 또한, 응력 발현에 기여하는 자기수축을 유효자기수축으로 정의하고, 다양한 W/B를 고려한 재령 28일에서의 유효자기수축 변형률 추정식을 제안하였다. 실험결과, W/B가 동일할 때 콘크리트의 자기수축은 BFS의 사용량에 따라 증가하였다. 또한 동일한 양의 BFS를 사용한 경우, W/B가 낮아짐에 따라 자기수축 증가율이 감소하는 경향을 보였다. 따라서 고로슬래그 콘크리트의 자기수축을 줄이기 위해서는 자기수축을 줄이는 수축저감제 등의 혼화 재료를 사용하거나 시공 현장에서의 충분한 습윤양생이 필요하다고 판단된다.
The use of blast-furnace slag (BFS) in making not only normal concrete but also high-performance concrete has several advantages with respect to workability, long-term strength and durability. However, slag concrete tends to show more shrinkage than normal concrete, especially autogenous shrinkage. ...
The use of blast-furnace slag (BFS) in making not only normal concrete but also high-performance concrete has several advantages with respect to workability, long-term strength and durability. However, slag concrete tends to show more shrinkage than normal concrete, especially autogenous shrinkage. High autogenous shrinkage would result in severe cracking if they are not controlled properly. Therefore, in order to minimize the shrinkage stress and to ensure the service life of concrete structures, the autogenous shrinkage behavior of concrete containing BFS should be understood. In this study, small prisms made of concrete with water-binder (cement+BFS) ratio (W/B) ranging from 0.27 to 0.42 and BFS replacement level of $0\%$, $30\%$, and $50\%$, were prepared to measure the autogenous shrinkage. Based on the test results, thereafter, material constants in autogenous shrinkage prediction model were determined. In particular, an effective autogenous shrinkage defined as the shrinkage that contributes to the stress development was introduced. Moreover, an estimation formula of the 28-day effective autogenous shrinkage was proposed by considering various W/B's. Test results showed that autogenous shrinkage increased with replacement level of BFS at the same W/B. Interestingly, the increase of autogenous shrinkage is dependent on the W/B at the same content of BFS; the lower W/B, the smaller increasing rate. In concluding, it is necessary to use the combination of other mineral admixtures such as shrinkage reducing admixture or to perform sufficient moisture curing on the construction site in order to reduce the autogenous shrinkage of BFS concrete.
The use of blast-furnace slag (BFS) in making not only normal concrete but also high-performance concrete has several advantages with respect to workability, long-term strength and durability. However, slag concrete tends to show more shrinkage than normal concrete, especially autogenous shrinkage. High autogenous shrinkage would result in severe cracking if they are not controlled properly. Therefore, in order to minimize the shrinkage stress and to ensure the service life of concrete structures, the autogenous shrinkage behavior of concrete containing BFS should be understood. In this study, small prisms made of concrete with water-binder (cement+BFS) ratio (W/B) ranging from 0.27 to 0.42 and BFS replacement level of $0\%$, $30\%$, and $50\%$, were prepared to measure the autogenous shrinkage. Based on the test results, thereafter, material constants in autogenous shrinkage prediction model were determined. In particular, an effective autogenous shrinkage defined as the shrinkage that contributes to the stress development was introduced. Moreover, an estimation formula of the 28-day effective autogenous shrinkage was proposed by considering various W/B's. Test results showed that autogenous shrinkage increased with replacement level of BFS at the same W/B. Interestingly, the increase of autogenous shrinkage is dependent on the W/B at the same content of BFS; the lower W/B, the smaller increasing rate. In concluding, it is necessary to use the combination of other mineral admixtures such as shrinkage reducing admixture or to perform sufficient moisture curing on the construction site in order to reduce the autogenous shrinkage of BFS concrete.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 W/B와 슬래그 사용량이 콘크리트의 자기수축에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였으며, 기 연구에서 제안한 자기수축예측모델6,7)을 적용하여 W/B와 슬래그 사용량에 따른 재료 상수들의 변화 특성을 조사하였다.
가설 설정
간주하였다. 이는 UPV(종파속도)와 재료 성질과의 관계를 고려할 때, 속도는 탄성계수(강성)의 제곱근에 비례하기 때문에, 만약 재령 28일에서의 콘크리트 UPV를 4,500m/s로 가정한다면 UPV가 1,500m/s일 때는 재령 28일 UPV의 1/3이며 이때의 탄성계수는 재령 28일 탄성계수의 1/9로 아주 작아 콘크리트의 수축으로 인해 발생한 응력의 크기는 매우 작다고 간주할 수 있다.
제안 방법
본 연구에서는 네 가지 수준의 WB와 세 가지 수준의 고로슬래그 대체율을 사용하여 콘크리트를 각각 제조한 후 이들의 자기수축을 측정하였다. 아울러, 초음파속도(UPV) 모니터링 결과로부터 유효자기수축을 정하였으며, 이를 예측모델의 재료 상수 값들을 결정하는 데 이용하였다.
자기수축을 측정하였다. 아울러, 초음파속도(UPV) 모니터링 결과로부터 유효자기수축을 정하였으며, 이를 예측모델의 재료 상수 값들을 결정하는 데 이용하였다.
본 연구에서 사용한 콘크리트 배합비는 Table 2와 같으며, 네 종류의 W/B(0.42, 0.37, 0.32, 0.27)에 대해 결합재로 시멘트만 사용한 배합(OPC)과 시멘트량의 30%와 50%를 고로슬래그로 대체한 배합(BFS30, BFS50)으로 총 12 종류의 콘크리트 배합비를 정하였다. Table 2에서 보듯이, WB를 낮추고 배합 수량에 의한 자기수축의 영향을 배제하기 위해서 모든 배합의 단위수량은 168kg으로 일정하게 한 반면에, 이에 대응하는 단위시멘트량은 400kg에서 622kg까지 증가시켰다.
Table 2에서 보듯이, WB를 낮추고 배합 수량에 의한 자기수축의 영향을 배제하기 위해서 모든 배합의 단위수량은 168kg으로 일정하게 한 반면에, 이에 대응하는 단위시멘트량은 400kg에서 622kg까지 증가시켰다. 소요의 슬럼프와 공기량을 조절하기 위해서 공기연행제(AE)와 나프탈렌 계열의 고성능감수제(HRWR)을 사용하였으며, 각 배합별로 사용량을 조절하였다.
일본콘크리트공학협회(JCI)의 자기수축위원회에서 제안한 방법8)과 매입 게이지를 함께 이용하여 콘크리트의 자기수축을 측정하였다. 100×100×400mm의 각주형 시편을 이용하여 온도가 20 ℃이고 상대습도가 50%인 조건에서 몰드 제거 전인 처음 24시간 동안은 LVDT와 매입 게이지를, 몰드 제거 이후부터는 매입 게이지만을 이용하여 측정하였다.
측정하였다. 100×100×400mm의 각주형 시편을 이용하여 온도가 20 ℃이고 상대습도가 50%인 조건에서 몰드 제거 전인 처음 24시간 동안은 LVDT와 매입 게이지를, 몰드 제거 이후부터는 매입 게이지만을 이용하여 측정하였다. 최초 측정은 콘크리트 배합 후 3시간부터 이루어졌으며, 기타 사항은 기존 연구7)에서와 동일하다.
콘크리트의 강성 발현을 조사하기 위해 UPV 모니터링시스템9)을 이용하여 배합 직후부터 24시간 동안 UPV를 측정하였다.
. 따라서 본 연구에서 나타낸 모든 자기수축결과는 각 콘크리트의 UPV가 1,500 m/s에 도달하는 시간을 0으로 하여 나타내었다.
2) 초음파속도 발현 특성으로부터 콘크리트의 초음파속도가 1,500 m/s에 도달하는 시점 이후의 자기수축을 유효자기수축으로 간주하였다. 또한, 재령 28일에서의 유효자기수축량을 물-결합재 비의 함수로 나타냄으로써 다양한 물-결합재 비에 따른 유효자기수축의 추정이 가능할 것으로 판단된다
그러나 콘크리트 배합마다 UPV의 증가 시점을 명확히 구분하기가 어렵고 보다 실용적이고 현장에서 편리하게 사용할 수 있도록 본 연구에서는 초음파속도가 1,500 m/s에 도달하는 시간 이후부터의 자기수축을 유효자기수축으로 간주하였다. 이는 UPV(종파속도)와 재료 성질과의 관계를 고려할 때, 속도는 탄성계수(강성)의 제곱근에 비례하기 때문에, 만약 재령 28일에서의 콘크리트 UPV를 4,500m/s로 가정한다면 UPV가 1,500m/s일 때는 재령 28일 UPV의 1/3이며 이때의 탄성계수는 재령 28일 탄성계수의 1/9로 아주 작아 콘크리트의 수축으로 인해 발생한 응력의 크기는 매우 작다고 간주할 수 있다.
대상 데이터
콘크리트를 제조하기 위해 1종 시멘트와 고로슬래그(BFS)를 결합재로 사용하였으며, 이들의 물리적 성질과 화학적 조성은 Table 1과 같다. 잔골재는 비중이 2.
조성은 Table 1과 같다. 잔골재는 비중이 2.58, 흡수율이 1.03%인 강모래를, 굵은 골재로는 최대 치수가 25 mm인 화강암 쇄석을 사용하였다.
성능/효과
실험결과와 예측결과를 나타내는 Fig. 1을 보면, 본 모델이 실험결과를 비교적 잘 추정하고 있음을 알 수 있다. 또한 OPC 콘크리트의 경우에 재령 28일을 전후로 해서 실험결과와 예측결과가 다소 상이하게 나타나는 부분이 있는데 이는 식 (2)에 의해 추정된 재령 28일에서의 자기수축 변형률과 실제 실험 결과가 차이를 보였기 때문이다.
1) 물-결합재 비가 동일한 경우 고로슬래그의 사용은 콘크리트의 자기수축을 증가시키며, 고로슬래그 사용량이 증가할수록 자기수축은 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 동일한 양의 고로슬래그를 사용한 경우 물-결합재 비가 낮아짐에 따라 자기수축의 증가율이 다소 감소하는 경향을 보였다.
3) 물-결합재 비가 낮은 고강도 또는 고성능콘크리트 제조 시 고로슬래그의 사용은 자기수축을 증가시켜 초기균열 발생 가능성을 높일 수 있다. 따라서 자기수축에 의한 내부 인장응력 및 초기균열 발생을 줄이고 고품질의 콘크리트를 확보하기 위해서는 고로슬래그만을 사용하기 보다는 자기수축을 줄이는 효과가 있는 수축저감제와 같은 혼화재료를 병행 사용하는 것이 바람직하다 아울러, 현장에서의 적절한 습윤양생을 실시함으로써 콘크리트의 수축으로 인한 초기균열 발생 가능성을 줄일 수 있으며, 추후 이에 대한 실험 연구가 요구된다.
후속연구
이상과 같이 고로슬래그는 콘크리트의 자기수축을 증가시켜 이로 인한 균열 발생 가능성이 높기 때문에 이에 대한 적절한 대책이 요구된다.
4는 본 실험결과를 바탕으로 결정된 를 나타낸 것으로 W/B가 감소함에 따라, γ도 점차 감소함을 보였다. 이는 Fig. 2에서의 결과와 유사한 경향으로, 동일한 양의 고로슬래그를 사용하더라도 M/B에 따라서, γ가 변하기 때문에 보다 정확한 예측을 위해서는, γ도 W/B의 함수식으로 표현해야 할 것으로 사료된다.
간주하였다. 또한, 재령 28일에서의 유효자기수축량을 물-결합재 비의 함수로 나타냄으로써 다양한 물-결합재 비에 따른 유효자기수축의 추정이 가능할 것으로 판단된다
발생 가능성을 높일 수 있다. 따라서 자기수축에 의한 내부 인장응력 및 초기균열 발생을 줄이고 고품질의 콘크리트를 확보하기 위해서는 고로슬래그만을 사용하기 보다는 자기수축을 줄이는 효과가 있는 수축저감제와 같은 혼화재료를 병행 사용하는 것이 바람직하다 아울러, 현장에서의 적절한 습윤양생을 실시함으로써 콘크리트의 수축으로 인한 초기균열 발생 가능성을 줄일 수 있으며, 추후 이에 대한 실험 연구가 요구된다.
참고문헌 (10)
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Lee, H. K., Lee. K. M., and Kim, B. G., 'Autogeous Shrinkage of High-performance Concrete Containing Fly Ash,' Magazine cf Concrete Research, Vol.55, No.6, 2003, pp.507-515
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