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문제 정의
- 또한 대량생산 및 빠른 시공이 가능하며 최소한의 품질을 확보할 수 있는 장점을 지닌 프리캐스트 구조체에 적용을 위한 기초 자료로 활용하기 위해 순환골재와 플라이애쉬를 사용하고 증기양생한 콘크리트의 특성을 고찰하였다.
- 본 연구는 순환골재를 사용한 콘크리트의 강도 및 염소이온투과와 중성화 시험에 대한 특성을 실험을 통하여 고찰하였다. 순환골재 콘크리트는 순환굵은골재를 100% 사용하였고 순환잔골재와 플라이애쉬의 양을 변화시키면서 혼입하였다.
- 본 연구에서는 순환굵은골재에 치중되어온 기존의 연구와는 달리 순환굵은골재를 100% 혼입하였을 시 순환잔골재의 혼입에 따른 콘크리트의 압축강도 변화를 고찰하였으며, 장기강도 증가 및 내구성 향상 방안으로 플라이애쉬를시멘트 대체제로 사용한 순환골재 콘크리트의 압축강도 및내구성(염소이온투과 및 중성화)어) 관한 연구를 수행하였다. 또한 대량생산 및 빠른 시공이 가능하며 최소한의 품질을 확보할 수 있는 장점을 지닌 프리캐스트 구조체에 적용을 위한 기초 자료로 활용하기 위해 순환골재와 플라이애쉬를 사용하고 증기양생한 콘크리트의 특성을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 순환잔골재와 플라이애쉬의 혼입정도와그리고 증기양생시의 물성 및 내구성을 파악하기 위하여실험을 실시하였다. 먼저 순환잔골재의 혼입에 따른 기초적인 경향 파악을 위하여 5x5x5cm의 입방시험체를 제작하여 모르타르의 압축강도 시험을 실시하였고, 그 결과에의해 순환잔골재의 혼입률을 설정하여 ©10x20 cm의 순환골재 콘크리트 공시체를 제작한 후 수중양생과 증기+기건양생의 조건(증기양생 8시간+실험시까지 기건양생)으로양생 후 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)에의하여 1차 압축강도 시험을 실시하였다.
가설 설정
- 시험을 실시하였다. 물-시멘트비는 0.485이며 시멘트는 KS 규정에 나와 있는 바와 같이 6개의 강도측정용 표준 모르타르 시험체를 제작하는데 필요한 양인 510g으로고정하였다. 순환잔골재 혼입률(0, 20, 40, 50, 60, 70, 100 %)을 변수로 5x5x5cm의 입방공시체를 제작하여 1일, 3일, 7일, 14일, 21일, 28일에 대한 압축강도 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 먼저 순환잔골재의 혼입에 따른 기초적인 경향 파악을 위하여 5x5x5cm의 입방시험체를 제작하여 모르타르의 압축강도 시험을 실시하였고, 그 결과에의해 순환잔골재의 혼입률을 설정하여 ©10x20 cm의 순환골재 콘크리트 공시체를 제작한 후 수중양생과 증기+기건양생의 조건(증기양생 8시간+실험시까지 기건양생)으로양생 후 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)에의하여 1차 압축강도 시험을 실시하였다. 2차 압축강도 시험은 순환골재 콘크리트의 배합에 플라이애쉬를 시멘트의중량비로 혼입하였으며, 동일한 증기+기건양생 조건을 따라 양생하여 실험을 실시하였다. 내구성 시험 항목으로는염소이온투과 저항성 시험 및 콘크리트의 중성화 시험을실시하였다.
- KS F 2711(전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온투과저항성시험 방법)에 의거하여 四Ox 20 cm원주형 몰드로제작한 순환골재 콘크리트 공시체를 20±l℃의 수중에서 14일 양생한 후 50mm 두께로 절단한 시편에 콘크리트보호용 도장 재료를 도포한 후 Fig. 1과 같이 확산셀을구성하여 실험을 실시하였다. 확산셀에 들어가는 전해질용액은 셀의 (-)전극에 3.
- ©10x20cm 원주형 몰드로 제작한 공시체를 20±l℃의수중에서 7일간 양생 후 14일간 기건양생을 실시한 후 시험편 표면을 그라인더 및 브러쉬를 이용하여 정리한 후표면에 콘크리트 보호용 도장 재료를 코팅하여 중성화 촉진 시험을 실시하였다. 실험 조건은 온도 30℃, 상대습도 60%, C以 10%로 설정하였다.
- 2차 압축강도 시험은 순환골재 콘크리트의 배합에 플라이애쉬를 시멘트의중량비로 혼입하였으며, 동일한 증기+기건양생 조건을 따라 양생하여 실험을 실시하였다. 내구성 시험 항목으로는염소이온투과 저항성 시험 및 콘크리트의 중성화 시험을실시하였다.
- 순환골재 콘크리트는 순환굵은골재를 100% 사용하였고 순환잔골재와 플라이애쉬의 양을 변화시키면서 혼입하였다. 또한 증기양생에 따른 강도변화를 고찰하였다. 연구를 수행함으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실시하였다. 먼저 순환잔골재의 혼입에 따른 기초적인 경향 파악을 위하여 5x5x5cm의 입방시험체를 제작하여 모르타르의 압축강도 시험을 실시하였고, 그 결과에의해 순환잔골재의 혼입률을 설정하여 ©10x20 cm의 순환골재 콘크리트 공시체를 제작한 후 수중양생과 증기+기건양생의 조건(증기양생 8시간+실험시까지 기건양생)으로양생 후 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)에의하여 1차 압축강도 시험을 실시하였다. 2차 압축강도 시험은 순환골재 콘크리트의 배합에 플라이애쉬를 시멘트의중량비로 혼입하였으며, 동일한 증기+기건양생 조건을 따라 양생하여 실험을 실시하였다.
- 순환골재는 원산지의 조건 및 처리 조건에 따라 흡수율 및 마모율 등의 품질의 편차가 큰 골재가 생산될 수 있으므로 본 연구에서 사용되어진 골재의 물성시험을 실시하였다. Table 1은 KS의 규준에 대한 실험에 사용된 순환 골재의 물성을 나타내고 있다.
- 485이며 시멘트는 KS 규정에 나와 있는 바와 같이 6개의 강도측정용 표준 모르타르 시험체를 제작하는데 필요한 양인 510g으로고정하였다. 순환잔골재 혼입률(0, 20, 40, 50, 60, 70, 100 %)을 변수로 5x5x5cm의 입방공시체를 제작하여 1일, 3일, 7일, 14일, 21일, 28일에 대한 압축강도 실험을 실시하였다.
- 염소이온투과 실험 후 시편을 할렬하여 할렬면에 0.1M 의 AgNQ용액을 도포하여 착색에 의한 염화물 침투깊이를 측정하였다.
- 촉진 시험 후 중성화 깊이의 측정은 촉진 개시부터 7일, 14일, 21일, 28일에 측정하였다. 중성화 평가는 콘크리트 할렬인장 후에 할렬면에 1 % 페놀프탈레인 용액을 분무하고 미착색의 콘크리트 중성화 부분을 측정하였다. 측정시 공시체의 20개소에서 중성화 깊이를 측정하여 평균을 취하였다
- 실험 조건은 온도 30℃, 상대습도 60%, C以 10%로 설정하였다. 촉진 시험 후 중성화 깊이의 측정은 촉진 개시부터 7일, 14일, 21일, 28일에 측정하였다. 중성화 평가는 콘크리트 할렬인장 후에 할렬면에 1 % 페놀프탈레인 용액을 분무하고 미착색의 콘크리트 중성화 부분을 측정하였다.
- 콘크리트의 압축강도 시험을 하였다. 콘크리트의 목표설계 강도는 40MPa로 설정하였으며, 슬럼프와 공기량은 8 cm 와 5%가 되도록 배합설계 하였다. 2차 압축강도 시험에 사용된 콘크리트의 배합에서 플라이애쉬는 시멘트 중량비로 혼입되었으므로, 전체 골재의 용적은 약간씩 조절되었다.
대상 데이터
- 순환골재 콘크리트는 순환굵은골재를 100% 사용하였고 순환잔골재와 플라이애쉬의 양을 변화시키면서 혼입하였다. 또한 증기양생에 따른 강도변화를 고찰하였다.
- 플라이애쉬는 국내에 보편적으로 사용되고 있는 일반 레미콘용 플라이애쉬를 사용하였으며, KS L 5405의 플라이애쉬 관련 규격과 본 연구에서 사용된 플라이애쉬 품질은 Table 2와 같다. 시멘트는 국내에서 생산되는 1종 보통 포틀랜트시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 화학성분 및 물리적 성질은 Table 3과 같다.
- 8 %로모두 콘크리트 표면이 마모 작용을 받는 경우의 허용값인 5%를 만족하였다. 플라이애쉬는 국내에 보편적으로 사용되고 있는 일반 레미콘용 플라이애쉬를 사용하였으며, KS L 5405의 플라이애쉬 관련 규격과 본 연구에서 사용된 플라이애쉬 품질은 Table 2와 같다. 시멘트는 국내에서 생산되는 1종 보통 포틀랜트시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 화학성분 및 물리적 성질은 Table 3과 같다.
이론/모형
- 순환골재 콘크리트 압축강도실험을 위한 변수인 순환잔골재의 혼입률 산정을 위하여 KS L 5105(수경성 시멘트모르타르의 압축강도 시험 방법)에 준하여 모르타르 압축강도 시험을 실시하였다. 물-시멘트비는 0.
- 순환골재 콘크리트의 압축강도 특성을 알아보기 위하여 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)에 따라 순환 골재 콘크리트의 압축강도 시험을 하였다. 콘크리트의 목표설계 강도는 40MPa로 설정하였으며, 슬럼프와 공기량은 8 cm 와 5%가 되도록 배합설계 하였다.
- 71 %의 이물질이 포함되어있었으며 이의 대부분은 폐적벽돌, 나무조각 등 이었다. 잔골재의 경우 유기불순물의 함량을 측정하기 위하여, KS F 2510(콘크리트용 모래에 포함되어 있는 유기불순물 시험 방법) 과 KS F 2514(모르타르 압축강도에 의한 유기불순물을 함유한 잔골재 시험 방법)을 활용하였다. 실험 결과, 3% 수산화나트륨용액에 침지시킨 순환잔골재의 색도는 표준용액과 비교하여 거의 색도의 변화가 없었으며, 모르타르의 압축강도는 일반 골재의 경우 수산화나트륨으로 씻기 전후의 강도비가 92%이며 순환잔골재의 경우 강도 비가 90%로 규정에서 제시하는 90% 이상을 만족하는 수준이었다.
성능/효과
- 1) 모르타르 압축강도 시험결과 순환잔골재 혼입률이 증가할수록 강도는 감소하였으며, 이러한 강도의 감소는 혼입률이 60% 이상일 때 증가하는 것으로 나타났다.
- 2) 1차 콘크리트 압축강도 시험 결과 양생 방법에 따른압축강도특성을 분석하면, 증기양생을 실시한 콘크리트는 일반수중양생을 실시한 콘크리트에 비해 높은 초기강도를 확보할 수 있었으며, 재령 28일의 압축강도 측정결과 수중양생한 콘크리트와 거의 유사하게 나타났다. 따라서 적절한 증기양생을 통하여 순환골재의 품질확보와 현장적용이 가능한 프리캐스트 구조체에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 3) 모르타르 압축강도 시험에서와 마찬가지로 순환 잔골재 혼입률이 60% 이상일 경우, 순환골재 콘크리트의 강도감소율이 증가하는 현상이 나타났다. 따라서 순환 굵은 골재를 100% 혼입한 경우 순환잔골재의 혼입률은 60%를 넘지 않을 것을 권장한다.
- 4) 플라이애쉬를 시멘트 대체제로서 사용한 경우 일반적으로 초기강도는 낮았지만 재령 56일까지 강도가 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다 플라이애쉬 혼입률이 증가할수록 강도는 낮게 나타났으며 순환골재100% 사용시 플라이애쉬 혼입률이 30%인 경우 28일 목표강도를 만족하지 못하였다. 따라서 순환골재 콘크리트에플라이애쉬를 사용할 경우, 혼입률을 15% 정도로 하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 5) 재령과 플라이애쉬의 혼입률에 따른 염소이온침투 저항성은 확연히 증가하였으나, 순환잔골재의 혼입률에 따른 변화는 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 염소이온침투 저항성은 일반 콘크리트와 비교하여 양호한 것으로 판단된다.
- 6) 일반 콘크리트에 비해 순환골재 콘크리트의 중성화 깊이 및 중성화속도는 양호한 것으로 나타났으며, 일반 콘크리트의 경우와 같이 플라이애쉬가 증가함에 따라 중성화 깊이가 증가하였다. 하지만, 순환잔골재의 혼입률에 따른 중성화 깊이의 변화는 뚜렷한 양상이 나타나지않았는데, 이는 원골재의 중성화정도와 혼입되는 순환골재에 포함된 알칼리 성분에 기인한 것으로 사료된다.
- 만족하지 못하였다. 따라서 순환골재 콘크리트에플라이애쉬를 사용할 경우, 혼입률을 15% 정도로 하는 것이 유리할 것으로 판단된다. 또한, AE콘크리트에플라이애쉬를 사용할 경우, 미연소탄분에 의한 AE제흡착으로 인하여 순환골재 콘크리트의 동결융해저항성에 관한 우려가 있을 수 있으므로 이에 대한 추가적인연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 순환잔골재 혼입률과 침투깊이의 상관관계는 명확하지 않지만 플라이애쉬의 혼입률에 따라 상대적으로 큰 폭의 변화가 나타남을 알 수 있었다. 따라서 염화물에 의해 부식될우려가 있는 구조물에 순환골재 콘크리트를 사용할 경우플라이애쉬를 혼입하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 이것은 또한 다소 높은 설계 기준강도에 따른 낮은 물-결합재비의 영향도 있을 것으로 사료된다. 또한 순환잔골재에 의한 차이도 고찰되었으나플라이애쉬 혼입률에 의한 영향이 크게 나타나 염소이온투과에 대한 저항성은 플라이애쉬의 혼입률이 지배적인 것으로 판단된다
- 또한, 염소이온침투 저항성은 일반 콘크리트와 비교하여 양호한 것으로 판단된다.
- Table 1은 KS의 규준에 대한 실험에 사용된 순환 골재의 물성을 나타내고 있다. 본 실험에 사용된 순환 굵은 골재는 최대 치수가 25mm이며 KS F 2573(콘크리트용 재생 골재)의 1종 재생굵은골재의 기준을 만족하였고, 순환 잔골재는 흡수율이 다소 높은 2종으로 판명되었다.
- 순환골재에 포함된 이물질함량을 KS F 2576 (재생골재의 이물질 함유량 시험 방법)의 방법을 따라 측정한 결과, 굵은골재의 경우, 0.71 %의 이물질이 포함되어있었으며 이의 대부분은 폐적벽돌, 나무조각 등 이었다. 잔골재의 경우 유기불순물의 함량을 측정하기 위하여, KS F 2510(콘크리트용 모래에 포함되어 있는 유기불순물 시험 방법) 과 KS F 2514(모르타르 압축강도에 의한 유기불순물을 함유한 잔골재 시험 방법)을 활용하였다.
- 3과 4는 순환잔골재의 혼입률에 따른 압축강도 변화를 각각의 양생조건에 대하여 보여주고 있다. 순환골재콘크리트 역시 순환잔골재 모르타르시험과 유사한 양상인혼입률 60%~70% 사이에서 압축강도의 급격한 감소를관찰할 수 있었다. 이는 흡수율이 적은 순환굵은골재보다상대적으로 흡수율이 높은 순환잔골재의 영향이 순환골재콘크리트에 전반적으로 작용하여 순환잔골재 혼입률 60% 이상에서 콘크리트의 치밀성 및 결합력을 저하시킨 것으로 판단된다.
- 재령 21일에서의 침투깊이에 비하여 56일에서의 침투깊이는, 통과전하량의 감소와 같이 아주 확연히 감소함을 알 수 있었다. 순환잔골재 혼입률과 침투깊이의 상관관계는 명확하지 않지만 플라이애쉬의 혼입률에 따라 상대적으로 큰 폭의 변화가 나타남을 알 수 있었다. 따라서 염화물에 의해 부식될우려가 있는 구조물에 순환골재 콘크리트를 사용할 경우플라이애쉬를 혼입하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 잔골재의 경우 유기불순물의 함량을 측정하기 위하여, KS F 2510(콘크리트용 모래에 포함되어 있는 유기불순물 시험 방법) 과 KS F 2514(모르타르 압축강도에 의한 유기불순물을 함유한 잔골재 시험 방법)을 활용하였다. 실험 결과, 3% 수산화나트륨용액에 침지시킨 순환잔골재의 색도는 표준용액과 비교하여 거의 색도의 변화가 없었으며, 모르타르의 압축강도는 일반 골재의 경우 수산화나트륨으로 씻기 전후의 강도비가 92%이며 순환잔골재의 경우 강도 비가 90%로 규정에서 제시하는 90% 이상을 만족하는 수준이었다. 잔골재의 유해 물질 함유량은 KS F 2511(골재에 포함된 잔 입자 (0.
- 이는 원골재의 순환처리시 완전히 제거되지 않은 기부착 모르타르 등의 영향으로 판단되며, 이러 한기 부착 모르타르는 다공성이며 흡수력이 상대적으로 크므로 시멘트의 수화반응에 필요한 유효수량의 감소 및 골재와 시멘트풀 사이의 치밀한 결합을 저하시키는 것으로 판단된다. 이와 같은 현상으로 인한 강도의 감소는 순환 잔골재의 혼입률이 60% 이상일 때 급격히 증가되는 것을 실험 결과로부터 알 수 있었다.
- 실험 결과, 3% 수산화나트륨용액에 침지시킨 순환잔골재의 색도는 표준용액과 비교하여 거의 색도의 변화가 없었으며, 모르타르의 압축강도는 일반 골재의 경우 수산화나트륨으로 씻기 전후의 강도비가 92%이며 순환잔골재의 경우 강도 비가 90%로 규정에서 제시하는 90% 이상을 만족하는 수준이었다. 잔골재의 유해 물질 함유량은 KS F 2511(골재에 포함된 잔 입자 (0.08mm체를 통과하는) 시험 방법) 실험 결과, 일반 잔골재는 41%, 순환잔골재는 4.8 %로모두 콘크리트 표면이 마모 작용을 받는 경우의 허용값인 5%를 만족하였다. 플라이애쉬는 국내에 보편적으로 사용되고 있는 일반 레미콘용 플라이애쉬를 사용하였으며, KS L 5405의 플라이애쉬 관련 규격과 본 연구에서 사용된 플라이애쉬 품질은 Table 2와 같다.
- 플라이애쉬 혼입 순환골재 콘크리트의 염소이온투과저항성시험 결과 총 통과전하량은 21일과 56일을 비교해볼때 매우 큰 통과전하량의 감소가 나타났다. 56일 통과전하량은 21일의 통과전하량의 약 25%정도밖에 되지 않는 것을 알 수 있으며, 이것은 재령에 따라 콘크리트 내부가 밀실해짐에 따라 염소이온투과에 대한 저항성이 커지기 때문인 것으로 판단되어진다.
- 일반적인 구조용 콘크리트의 강도를 약 35MPa이라 가정한다면 순환골재를 100 %사용한경우 및 플라이애쉬를 30%까지 사용한 경우 내구성을 배제한 강도의 기준만은 만족시킬 수 있을 것으로 사료된다. 하지만 1차압축강도 시험 결과에서 언급한 것과 같이 순환굵은골재를 100% 혼입한 경우 순환잔골재의 혼입률은강도감소율이 비교적 적은 60% 이내로 사용하고 플라이애쉬의 혼입률은 15%이정도로 제한하는 것이 바람직할것으로 판단된다. 또한 AE콘크리트에 플라이애쉬를 사용할 경우, 미연소탄분에 의한 AE제 흡착으로 인하여 순환골재 콘크리트의 동결융해저항성에 관한 우려가 있을 수있으므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
후속연구
- 따라서 적절한 증기양생을 통하여 순환골재의 품질확보와 현장적용이 가능한 프리캐스트 구조체에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 복잡한 양상은 순환 골재를 생산하는 원골재의 중성화 정도와 혼입되는 순환 골재에 포함된 알칼리 성분에 기인한 것으로 판단되어진다. 따라서 플라이애쉬의 양이 고정되어 있을 때 순환잔골재의 혼입률에 따른 순환골재 콘크리트의 중성화에 대하여 좀 더심도있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 하지만 1차압축강도 시험 결과에서 언급한 것과 같이 순환굵은골재를 100% 혼입한 경우 순환잔골재의 혼입률은강도감소율이 비교적 적은 60% 이내로 사용하고 플라이애쉬의 혼입률은 15%이정도로 제한하는 것이 바람직할것으로 판단된다. 또한 AE콘크리트에 플라이애쉬를 사용할 경우, 미연소탄분에 의한 AE제 흡착으로 인하여 순환골재 콘크리트의 동결융해저항성에 관한 우려가 있을 수있으므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 따라서 순환골재 콘크리트에플라이애쉬를 사용할 경우, 혼입률을 15% 정도로 하는 것이 유리할 것으로 판단된다. 또한, AE콘크리트에플라이애쉬를 사용할 경우, 미연소탄분에 의한 AE제흡착으로 인하여 순환골재 콘크리트의 동결융해저항성에 관한 우려가 있을 수 있으므로 이에 대한 추가적인연구가 필요할 것으로 사료된다.
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