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문제 정의
- 본 연구에서는 철근부식에 대한 동제련 슬래그 혼입콘크리트의 저항성을 평가하기 위하여 철근촉진양생을거친 후, 철근부식 면적률, 철근중량 감소률, 자연전위등을 측정하여 철근부식 저항성을 평가하였다. 또한 염화물 이온 침투 촉진법에 의한 확산계수의 측정을 통해염화물의 확산성을 평가하여 철근부식과의 상관관계를분석하였고, 동제련 슬래그 치환율과 재령에 따른 철근부식을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 동제련 슬래그 콘크리트의 시멘트 대체재로서의 사용성 확인을 위해 철근부식 저항성을 연구하여 기존 포졸란재 혼입 콘크리트, 보통 콘크리트와 비교를 통하여 동제련 슬래그 혼입 콘크리트의 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 하여 시편을 제작하였다. 28일간 양생 후, 오토클레이브 양생을 고온고압(온도 180℃, 압력 10기압)으로 8사이클을 행하였다. 부식면적율은 2.
- 동제련 슬래그 혼입 콘크리트의 철근부식 저항성을규명하기 위해 실험인자를 물결합재비(W/B), 동제련슬래그 치환율로 설정하였으며 실험에 사용된 평가항목은 Table 3와 같고, 배합상세는 Table 4와 같다.
- 측정하여 철근부식 저항성을 평가하였다. 또한 염화물 이온 침투 촉진법에 의한 확산계수의 측정을 통해염화물의 확산성을 평가하여 철근부식과의 상관관계를분석하였고, 동제련 슬래그 치환율과 재령에 따른 철근부식을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 28일간 양생 후, 오토클레이브 양생을 고온고압(온도 180℃, 압력 10기압)으로 8사이클을 행하였다. 부식면적율은 2.5mm간격으로 직교하는 눈금이 있는 투명 셀로판지를 계측용지로하여 철근의 밑면이 셀로판지 중심에 위치하도록 부식지도를 도시하고, 부식부분에 포함된 결점수 n을 구하였다. 철근전개도에 포함된 전체결점수를 N으로 하여부식면적율은 식(1)에 의해 계산하였다.
- 부식에 의해 감소된 중량은 부식 전 측정된 철근 중량에 서 부식 녹이 제거된 철근 중량을 감하여 측정하였고 감소된 철근 중량을 부식 전 철근 중량으로 나눈값을 중량감소율로 계산하였다.
- 염화물 확산계수는 28일, 56일 양생 한 후 Fig. 2 와 같이 염화물 침투깊이를 측정하여 기존의 연구(3)(4)를 토대로 하여 확산계수를 구하였다. DC 30V를 24 시간 동안 공급하여 할열파괴한 콘크리트 시험체를 형광발색법을 이용하여 침투깊이를 측정한 다음, 식 (2) 에 의해 염화물 확산계수를 구하였다.
- 철근중량감소율은 각각의 부식 철근에 시편종류와피복두께를 인식할 수 있는 라벨을 부착하여 10% 구연산이암모늄 수용액에 넣고 24시간 방치한 후 철근을꺼내어 아세톤으로 녹을 닦아내고 중량을 측정하였다.
대상 데이터
- ASTM F급을 만족하고 있다. 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에 규정된 것을 사용하고, 동제련 슬래그는 경남 L사의 연속로 공법에 의해 생산된 것을사용하였다. 이들 결합재의 화학적 성분과 물리적 성질은 각각 Table 1과 같다.
- 본 실험에 사용한 시멘트는 보통 포틀랜트 시멘트이며, 플라이애쉬는 경남 S 화력발전소에서 채취한 것으로서 ASTM F급을 만족하고 있다. 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에 규정된 것을 사용하고, 동제련 슬래그는 경남 L사의 연속로 공법에 의해 생산된 것을사용하였다.
- 본 실험에서 사용한 골재는 표준 입도 범위 안에 들도록 입도를 조정하였으며 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
- 원주형 몰드(Φ10x20cm)를 사용하여 이형철근 D13 을 20cm 길이로 절단하여, 피복두께 2cm, 3cm가 되게 하여 시편을 제작하였다. 28일간 양생 후, 오토클레이브 양생을 고온고압(온도 180℃, 압력 10기압)으로 8사이클을 행하였다.
이론/모형
- 2 와 같이 염화물 침투깊이를 측정하여 기존의 연구(3)(4)를 토대로 하여 확산계수를 구하였다. DC 30V를 24 시간 동안 공급하여 할열파괴한 콘크리트 시험체를 형광발색법을 이용하여 침투깊이를 측정한 다음, 식 (2) 에 의해 염화물 확산계수를 구하였다.
- 경화 콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2405에따라 소정의 양생기간을 거친 공시체를 최대 용량 200tf의 만능 재료 시험기를 이용하여 측정하였다.
- 자연전위는 포화황정동 전극을 사용하여 ASTM C 876에 준하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) 동일 배합조건에서 동제련 슬래그 10% 혼입 콘크리트는 28일, 56일 재령시 보통콘크리트보다 높은압축강도를 보였으며 20% 혼입시 유사하게 나타났다. 초기재령에서는 보통 콘크리트에 비해 낮게 나타났으나 고로슬래그에 비해 높은 조기강도를 보였다.
- 2) 28일 재령에서 동제련 슬래그 혼입 콘크리트의 철근부식면적율은 보통콘크리트의 76%로 낮게 나타났으며 염화물 혼입시에도 자연전위 값이 비교적낮게 나와 철근부식에 대한 내구성이 상대적으로우수함을 확인할 수 있었다.
- 28, 56일 재령에서 각각 31.8, 38.7MPa로 10% 가량 높은 강도를 보여, 장기재령으로 갈수록 뚜렷한강도증진 나타내고 있음을 알 수 있었다.
- 3) 동일 배합조건에서 동제련 슬래그 혼입 콘크리트는 28 일 재령시 보통 콘크리트보다 낮은 염화물 확산계수를나타내었고, 56일 재령에서는 6.0x10-12m2/sec로보통 콘크리트 8.9x10-12m2/sec에 비해 35%가량작은 값을 보여 재령이 경과함에 따라 높은 염화물이온 침투 저항성을 보이는 것으로 나타났다.
- 4) 피복두께를 2cm에서 3cm로 증가시킴에 따라 철근부식 면적률은 보통 콘크리트의 경우 13%의 감소를 보였으나, 동제련 슬래그 혼입 콘크리트의 경우 29%의 감소를 보여 보통 콘크리트에 비해 피복두께 증가에 따른 철근부식의 감소율이 높음을알 수 있었다.
- Fig. 9에서 물 경합재비 45%인 경우 보통 콘크리의 부식면적률은 4.02%였으며 BS20, CS10, FA30 에 대한 부식면적률은 각각 2.90, 3.06, 2.92%로보통 콘크리트의 경우보다 72%, 76%, 72%로 CS20을 제외하고는 감소경향을 보였다. 동제련 슬래그 10% 혼입한 경우 플라이애쉬 20% 혼입한 경우와유사하게 나타났으며 보통콘크리트에 비해 우수하게나타났다 .
- 92%로보통 콘크리트의 경우보다 72%, 76%, 72%로 CS20을 제외하고는 감소경향을 보였다. 동제련 슬래그 10% 혼입한 경우 플라이애쉬 20% 혼입한 경우와유사하게 나타났으며 보통콘크리트에 비해 우수하게나타났다 . 전체적으로 철근부식면적율과 철근중량감소율은 유사한 결과를 보여주었다.
- 13은 염화물의 침투깊이를 사용하여 염화물확산계수를 측정한 값으로 56/28일 확산계수비를 살펴보면 고로슬래그를 20% 혼입한 경우가 60%로 가장 낮게 나왔다. 동제련 슬래그를 혼입한 시편은 65% 로 나타나 플라이 애쉬를 혼입한 경우와 유사하고 보통 콘크리트의 84%보다 낮아 재령증가에 따른 확산계수의 감소경향이 뚜렷이 나타남을 알 수 있다. 한편 28일 재령에서 고로슬래그 콘크리트의 염화물확산계수는 6.
- 7는 피복두께에 따른 철근중량감소율을 나타낸 것이다. 동제련 슬래그를 혼입한 콘크리트의 경우피복두께를 2cm 에서 3cm 로 증가시킴에 따라 약 23% 의 철근중량감소율을 보여 13%의 감소경향을 보인보통 콘크리트에 비해 피복두께 증가에 따른 철근중량감소율이 뚜렷하게 나타났다. 이는 동제련 슬래그 콘크리트의 경우 동제련 슬래그의 포졸란 반응으로 인해피복 콘크리트의 공극구조가 개선되어 보통 콘크리트에 비해 산소나 염소이온과 같은 유해물질의 침투에따른 침투깊이가 억제되어 철근의 부식이 감소되었기때문인 것으로 사료된다.
- 8은 염화물 혼입량에 따른 철근부식면적율을나타내었다. 염화물량이 증가할수록 거의 직선적으로철근부식면적율이 증가하는 일반적인 경향을 보였다. 염화물 량이 0에서 0.
- 11은 자연전위와 철근부식 면적률을 나타낸것이다. 자연전위를 원인변수로 두고 회귀분석을 실시한 결과 회귀방정식은 y=94.921 Ln(x)+286.23 이며 상관계수(R2)는 0.82로 비교적 상관관계가 있는것으로 나타나 자연전위에 의한 철근 부식의 비파괴추정은 가능하다고 사료된다. 이와 같이 부식량과 자연전위와의 상관성 검토는 철근부식 평가의 최선의 비교방법이나 간접적 비교일 뿐이고, 따라서 그 평가 또한 대략적일 수 밖에 없는 한계점을 가지고 있다
- 동제련 슬래그 10%를 혼입한 경우 -395~-420mV로 보통 콘크리트의 -412m V~-430mV에 비해 작게 나타났으나 큰 차이를 보이지 않았다. 전반적으로 피복두께가 증가할수록 자연전위는 낮게 나타났고, 염화물을 첨가한 경우는 염화물을 첨가하지 않은 경우에 비해 높은 자연전위를 나타내었다.
- 확산계수와 철근 부식 면적율은선형비례관계로 나타났다. 확산계수를 원인변수로 두고 회귀분석한 결과 회귀 방정식은 y = 0.4706x - 0.6922로 나타났으며 상관계수(R2)는 0.88으로 비교적 높은 상관성이 있는 것으로 나타났다. 따라서 콘크리트 중의 염분침투기구를 확산이론에 의해 해석함에따라 콘크리트 열화의 정도나 철근의 부식 정도를 추정하는 것은 가능하다고 사료된다.
- 14는 염화물 확산계수에 대한 철근부식 면적률을 나타낸 것이다. 확산계수와 철근 부식 면적율은선형비례관계로 나타났다. 확산계수를 원인변수로 두고 회귀분석한 결과 회귀 방정식은 y = 0.
후속연구
- 입상으로 생산되는 동제련 수쇄슬래그는 높은 비중과 상호간의 가벼운 표면고착성이 있기는 하나, 고로 슬래그와는 달리 제조공정 중에 황 성분이제거되어 사용에는 큰 어려움이 없으나 건설 산업에서도로노반재나 샌드 블라스팅재로 30만톤 가량으로 사용되고 있으며 잔골재 대체재로서 연구가 일부 진행중인 상태이다. 이런 동제련 슬래그는 그 성분 중에 SiO2가 다량으로 함유되어 있으며 포졸란 반응성을보여 시멘트 대체재로써 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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