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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 이러한 낮은 순도의 석회암 폐석을 고갈 골재자원으로 활용하는 방안을 검토하기 위하여 석회암 순환잔골재(이하 석회암 잔골재라 칭함)를 사용한 고강도 콘크리트의 기초적 품질평가 및 내구 특성을 분석함으로써, 향후 ‘친환경자원재활용재료’ 로써 콘크리트의 고품질화에 기여하고자 한다.
- 본 연구는 석회암 성분의 순환잔골재를 사용한 고강도 콘크리트의 공학적 특성을 검토하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 한편, Fig. 9 역시 석회암 골재를 사용한 콘크리트의 치환율 증가에 따른 압축강도 변화를 나타낸 것인데, 석회암 잔골재 0% 치환한 시험체의 강도를 100으로 가정하고 이에 대한 치환율 변화에 따른 상대적인 강도 값을 비율로써 나타낸 것이다.
제안 방법
- 실험사항으로 굳지않은 콘크리트의 경우는 슬럼프, 슬럼프플로우, 공기량, 단위용적질량, 블리딩량 및 응결시간을 측정하는 것으로 계획하였고, 경화 콘크리트의 역학적 특성실험에서는 압축강도 및 동탄성계수를 측정하는 것으로 계획하였다. 내구성능 평가 실험에서는 건조수축 길이변화율, 동결융해, 알칼리 골재반응 및 촉진 중성화 시험을 실시하는 것으로 하여 전반적인 석회암 사용 고강도콘크리트의 공학적 특성을 분석하는 것으로 실험계획 하였다. 이때 콘크리트의 배합사항은 Table 2와 같다.
- 본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 팬타입 믹서를 이용하여 혼합하였다. 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프플로우는 KS F2594, 공기량은 KS F 2421, 단위용적질량은 KS F 2409에 의거 실시하였고, 응결시간은 KS F 2436의 프록터 관입 저항 시험방법에 의해 측정하였으며, 블리딩 시험은 KS F 2414 규정에 따라 블리딩수를 측정한 후 블리딩량으로 평가하였다.
- 실험사항으로 굳지않은 콘크리트의 경우는 슬럼프, 슬럼프플로우, 공기량, 단위용적질량, 블리딩량 및 응결시간을 측정하는 것으로 계획하였고, 경화 콘크리트의 역학적 특성실험에서는 압축강도 및 동탄성계수를 측정하는 것으로 계획하였다. 내구성능 평가 실험에서는 건조수축 길이변화율, 동결융해, 알칼리 골재반응 및 촉진 중성화 시험을 실시하는 것으로 하여 전반적인 석회암 사용 고강도콘크리트의 공학적 특성을 분석하는 것으로 실험계획 하였다.
- 이때, 석회암 잔골재를 100% 사용한 시험체를 플레인 배합으로 정하고, 목표 슬럼프플로우 600±100mm, 목표 공기량 3.0±1.0%를 만족하도록 배합설계 하였다.
- 본 연구의 실험계획은 Table 1과 같다. 즉, 물결합재비(이하 W/B) 25%에 플라이애시 20%와 실리카퓸 10% 치환 및 W/B 35%에 플라이애시만을 10% 치환한 고강도배합 2수준에 대하여 석회암 부순잔골재의 치환율을 각각 0, 25, 50, 75, 100%로 변화시켜 총 10배치를 실험계획하였다. 이때, 석회암 잔골재를 100% 사용한 시험체를 플레인 배합으로 정하고, 목표 슬럼프플로우 600±100mm, 목표 공기량 3.
대상 데이터
- 본 연구의 사용재료로서 먼저, 시멘트는 국내산 A사의 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였다. 골재는 잔골재의 경우 석회암 부순잔골재와 천연 잔골재를 사용하였는데, 각각 충북 제천산 및 충남 조치원산을 사용하였으며, 굵은 골재의 경우는 충북 청원산 25mm 화강암 부순 골재를 사용하였다. 또한, 혼화제로써 고성능 감수제는 국내산 D사의 폴리칼본산계, AE제는 국내산 D사의 표준형을 사용하였고, 혼화재의 경우 플라이애시는 국내산 S사, 실리카퓸은 체코산 제품을 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3～6과 같고, 잔골재 및 굵은골재의 입도분포는 Fig.
- 골재는 잔골재의 경우 석회암 부순잔골재와 천연 잔골재를 사용하였는데, 각각 충북 제천산 및 충남 조치원산을 사용하였으며, 굵은 골재의 경우는 충북 청원산 25mm 화강암 부순 골재를 사용하였다. 또한, 혼화제로써 고성능 감수제는 국내산 D사의 폴리칼본산계, AE제는 국내산 D사의 표준형을 사용하였고, 혼화재의 경우 플라이애시는 국내산 S사, 실리카퓸은 체코산 제품을 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3～6과 같고, 잔골재 및 굵은골재의 입도분포는 Fig. 1과 같다.
- 본 연구의 사용재료로서 먼저, 시멘트는 국내산 A사의 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였다. 골재는 잔골재의 경우 석회암 부순잔골재와 천연 잔골재를 사용하였는데, 각각 충북 제천산 및 충남 조치원산을 사용하였으며, 굵은 골재의 경우는 충북 청원산 25mm 화강암 부순 골재를 사용하였다.
이론/모형
- 경화 콘크리트의 실험으로 먼저, 역학적 특성을 검토하기 위해 압축강도 실험은 KS F 2403의 규정에 따라 공시체 Ø100×200mm 사이즈를 제작하여 계획된 소정의 재령에서 KS F 2405에 의거하여 측정하였고, 동탄성 계수 시험은 KS F 2437 규정에 준하여 재령 28일까지 측정하였다.
- 본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 팬타입 믹서를 이용하여 혼합하였다. 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프플로우는 KS F2594, 공기량은 KS F 2421, 단위용적질량은 KS F 2409에 의거 실시하였고, 응결시간은 KS F 2436의 프록터 관입 저항 시험방법에 의해 측정하였으며, 블리딩 시험은 KS F 2414 규정에 따라 블리딩수를 측정한 후 블리딩량으로 평가하였다.
- 또한, 내구 특성을 검토하기 위한 실험으로는 건조수축 길이변화 시험의 경우 KS F 2424의 다이얼 게이지법으로 측정하였고, 동결융해 시험은 KS F 2456 중 B법인 기중동결, 수중융해의 방법으로 측정하였으며, 알칼리 골재반응 시험은 KS F 2545의 화학법에 준하여 실시하였고, 촉진중성화 실험은 일본 건축학회 규정에 의거하여 온도 20±2℃, 상대습도 60±5% 및 탄산가스 농도 5±0.2% 조건에서 재령 26주까지 측정하였다.
성능/효과
- 1) 굳지않은 콘크리트의 유동성은 석회암 잔골재의 재료적 특성에 기인하여 치환율이 증가할수록 향상되는 것으로 나타났고, 공기량은 감소하는 경향을 보였다. 또한, 블리딩은 고강도 배합이므로 모든 배합에서 거의 발생하지 않았고, 콘크리트의 응결시간은 석회암 잔골재의 치환율이 증가할수록 빠른 초결과 종결을 기록했다.
- 2) 역학적 특성으로 압축강도는 석회암 잔골재의 치환율이 증가할수록 향상되는 것으로 나타났는데, 이는 골재가 갖는 고유한 재료적 특성과 플레인 배합의 낮은 공기량에 의해 최밀 충전된 콘크리트 내부공극의 밀실성에 기인한 것으로 분석된다. 또한, 석회암 성분의 부순잔골재 사용 콘크리트의 동탄성 계수는 천연잔골재를 사용한 경우보다 1~1.
- 3) 내구 특성으로 먼저 건조수축 길이변화율은 플레인 배합의 경우 석회암 잔골재를 치환하지 않은 시험체와 비교하여 약 17~24%의 작은 수축량을 나타냈고, 동결융해 시험에 의한 상대동탄성계수 및 질량변화율 시험 결과에서는 일정한 범위에서 모든 부재의 열화 정도가 유사하게 나타났다. 또한, 촉진중성화 실험결과에서도 석회암 골재치환율 변화에 관계없이 모든 시험체에서 거의 중성화가 발생되지 않았다.
- W/B 및 석회암 골재의 치환율 변화에 관계없이 고강도배합에 따른 밀실한 내부조직에 기인하여 탄산가스의 침투가 전혀 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
- 석회암 잔골재를 100% 치환한 플레인 콘크리트의 경우는 모두 목표 슬럼프플로우인 600±100mm를 만족하는 것으로 나타났고, 슬럼프는 W/B 변화에 관계없이 약 250mm 전후를 나타내었다. 그러나 석회암 잔골재의 치환율이 감소할수록 유동성은 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있었는데, 석회암 잔골재의 치환율이 0%의 경우 굳지않은 콘크리트의 슬럼프플로우는 W/B 25%의 경우 350mm, 35%는 505mm를 각각 기록하였고, 슬럼프는 모두 200mm로 나타났다. 이러한 석회암 잔골재 사용에 따른 콘크리트의 특성은 석회암 골재가 갖는 물리적 성질로써 높은 입형판정실적율 및 조립율에 기인한 것으로 사료되며, Fig.
- 이러한 실험결과는 단순히 골재 자체의 순수한 물성의 영향보다는 시험체가 함유하고 있는 공기량, 함수상태 및 재료의 열응력 편차에 의한 영향이 더욱 크게 작용한 것으로 분석된다. 단, W/B 25% 시험체의 경우는 콘크리트 내부 모세관 공극속의 잉여수 존재량이 W/B 35%보다 작음으로써 반복적인 동결융해 작용에 의한 팽창압이 작게 작용하여 다소 양호한 성능을 발휘하였으나 큰 차이는 아닌 것으로 나타났다.
- 또한, Fig. 8의 석회암 잔골재의 치환율 변화에 따라서는 석회암 잔골재의 치환율이 증가할수록 높은 강도 특성을 확인할 수 있는데, 석회암 잔골재를 100% 치환한 플레인 콘크리트의 경우는 석회암 잔골재를 0% 치환한 시험체와 비교하여 W/B에 따라 약간 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- 특히, W/B 25%의 경우는 석회암 잔골재의 치환율 증가에 따라 각 재령에서 압축강도의 증가 경향이 뚜렷하게 커지는 것을 확인할 수 있었는데, 재령 7일에서 플레인 배합의 경우 약 20%의 강도 증진효과를 나타냈고, 기타 재령에서도 약 10%의 우수한 강도 증진을 나타냈다. 또한, W/B 35%의 경우도 일부 제령을 제외하고 석회암 골재의 치환율이 증가할수록 우수한 강도 증진 효과를 나타내었다.
- 1) 굳지않은 콘크리트의 유동성은 석회암 잔골재의 재료적 특성에 기인하여 치환율이 증가할수록 향상되는 것으로 나타났고, 공기량은 감소하는 경향을 보였다. 또한, 블리딩은 고강도 배합이므로 모든 배합에서 거의 발생하지 않았고, 콘크리트의 응결시간은 석회암 잔골재의 치환율이 증가할수록 빠른 초결과 종결을 기록했다.
- 2) 역학적 특성으로 압축강도는 석회암 잔골재의 치환율이 증가할수록 향상되는 것으로 나타났는데, 이는 골재가 갖는 고유한 재료적 특성과 플레인 배합의 낮은 공기량에 의해 최밀 충전된 콘크리트 내부공극의 밀실성에 기인한 것으로 분석된다. 또한, 석회암 성분의 부순잔골재 사용 콘크리트의 동탄성 계수는 천연잔골재를 사용한 경우보다 1~1.5kN/㎟의 작은 범위에서 약간씩 증가하는 것으로 나타났다.
- 3) 내구 특성으로 먼저 건조수축 길이변화율은 플레인 배합의 경우 석회암 잔골재를 치환하지 않은 시험체와 비교하여 약 17~24%의 작은 수축량을 나타냈고, 동결융해 시험에 의한 상대동탄성계수 및 질량변화율 시험 결과에서는 일정한 범위에서 모든 부재의 열화 정도가 유사하게 나타났다. 또한, 촉진중성화 실험결과에서도 석회암 골재치환율 변화에 관계없이 모든 시험체에서 거의 중성화가 발생되지 않았다.
- 석회암 잔골재의 치환율 변화에 따라 상대동탄성계수 및 질량변화율은 각각 작은 범위에서 증감의 차이를 나타냈다. 먼저, Fig. 12에서 동결융해 300 사이클 시험 종료 후 상대 동탄성계수는 W/B 25%의 경우 골재 치환율 0%와 50% 시험체가 다소 우수하게 나타났고, W/C 35%에서는 치환율 100% 시험체가 가장 높은 값을 나타냈으며, 다음으로 25%, 75% 및 50% 시험체 순으로 다소 불규칙하게 나타났다. 이러한 실험결과는 단순히 골재 자체의 순수한 물성의 영향보다는 시험체가 함유하고 있는 공기량, 함수상태 및 재료의 열응력 편차에 의한 영향이 더욱 크게 작용한 것으로 분석된다.
- 먼저, Fig. 7은 재령경과에 따른 특성으로 당연한 결과이겠지만 재령이 경과할수록 콘크리트의 강도는 증가하는 것으로 나타났고, W/B가 작을수록 역시 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 먼저, 석회암 부순 잔골재를 100% 치환한 플레인 콘크리트의 경우 공기량은 모두 목표한 3.0±1.0%를 만족하는 것으로 나타났다.
- 모든 시험체는 W/B에 관계없이 공시체 탈형 후 수중양생 7일 기간 동안 에트린가이트 생성 등에 기인하여 팽창하는 것으로 나타났고, 기중양생기간 동안에는 초기에 급격한 건조수축이 발생하였으나, 재령이 경과함에 따라 완만한 수축 경향을 나타내었다. 재령 250일 W/B 변화에 따른 시험체의 길이변화율은 먼저 25%의 경우 석회암 골재의 치환율 변화에 따라 615~803×10-6을 나타냈고, 35%에서는 715~830×10-6 범위를 기록하였다.
- 석회암 잔골재는 화학법 시험결과 용해 실리카량(Sc)은 24.42mmol/l, 알칼리농도의 감소량(Rc)은 100.5mmol/l로써 무해한 골재로 판명되었다. 이는 다른 암석의 경우 주요 화학조성이 SiO2로 구성되어 알칼리 골재반응 발생 위험률이 다소 높을 수 있으나, 석회암 골재는 CaCO3를 주성분으로 하고 있기 때문에 이러한 알칼리 골재반응성에서는 안정된 결과를 나타낸 것으로 분석된다.
- 석회암 잔골재를 100% 치환한 플레인 콘크리트의 경우는 모두 목표 슬럼프플로우인 600±100mm를 만족하는 것으로 나타났고, 슬럼프는 W/B 변화에 관계없이 약 250mm 전후를 나타내었다.
- 석회암 잔골재의 치환율 변화에 따라 상대동탄성계수 및 질량변화율은 각각 작은 범위에서 증감의 차이를 나타냈다. 먼저, Fig.
- 0%를 만족하는 것으로 나타났다. 석회암 잔골재의 치환율 변화에 따른 영향으로는 치환율이 감소할수록 공기량이 증가하였는데, 이러한 경향은 모든 W/B에서 동일하게 나타났다. 석회암 골재 사용에 따른 공기량 감소는 석회암 잔골재의 연속입도 분포에 의한 공극충전 효과와 높은 입형판정실적율 등에 기인한 것으로 분석되며, 석회암 잔골재의 높은 유동특성과도 관련이 있을 것으로 사료된다.
- 전체적으로 석회암 잔골재의 치환율이 증가할수록 초결 및 종결 시간이 다소 빠르게 진행되는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 석회암 잔골재의 C3AㆍCaCO3와 물(H2O)의 반응으로 생성된 모노칼보알루미네이트(C3AㆍCaCO3 ㆍ11H2O) 및 C3AH6의 생성에 기인한 것으로 분석된다6). 이때, 플레인 배합의 경우 석회암 골재를 0% 치환한 콘크리트와 비교하여 W/B 25%에서는 약 30분, W/B 35%에서는 약 1시간 정도 촉진되는 것을 확인할 수 있었다.
- 특히, W/B 25%의 경우는 석회암 잔골재의 치환율 증가에 따라 각 재령에서 압축강도의 증가 경향이 뚜렷하게 커지는 것을 확인할 수 있었는데, 재령 7일에서 플레인 배합의 경우 약 20%의 강도 증진효과를 나타냈고, 기타 재령에서도 약 10%의 우수한 강도 증진을 나타냈다. 또한, W/B 35%의 경우도 일부 제령을 제외하고 석회암 골재의 치환율이 증가할수록 우수한 강도 증진 효과를 나타내었다.
- 석회암 골재의 치환율이 증가할수록 증감의 차이는 있으나 약간씩 증가하는 경향을 나타냈다. 특히, 재령 28일에서 플레인 배합의 동탄성계수는 약 66 kN/㎟로 석회암 잔골재를 치환하지 않은 시험체보다 약 1~1.5kN/㎟의 미소한 증가를 나타내었다.
- 한편, 단위용적질량은 석회암 잔골재의 치환율이 감소함에 따라 공기량 특성과는 반대의 경향으로 모든 W/B에서 감소하는 것으로 나타났다.
- 한편, 석회암 잔골재의 치환율 변화에 따른 건조수축율은 석회암 잔골재의 치환율이 증가할수록 모든 W/B에서 건조수축율이 다소 작게 나타났는데, 석회암 잔골재를 100% 치환한 플레인 콘크리트는 0% 치환한 시험체와 비교하여 약 17~24% 수축률이 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 석회암 골재 자체의 탄성계수가 다소 높고, 건조수축량이 천연 골재보다 작기 때문에 시멘트 페이스트의 수축을 구속한데 기인한 것으로 분석되며, 또한 연속입도와 높은 입형판정실적율 등에 의한 석회암 잔골재의 최밀 충전효과가 콘크리트의 공기량을 감소시키고, 압축강도를 증가시켜 나타난 결과로 분석된다.
후속연구
- 이상과 같이 석회암 폐석을 순환잔골재로 사용한 고강도 콘크리트를 대상으로 기초적 품질특성과 내구특성을 분석한 결과, 굳지않은 콘크리트 및 경화 콘크리트 모두에서 양호한 품질 성능을 발휘하는 것으로 나타났고, 내구성능 평가 실험에서도 일부 평가항목에서 미세한 차이를 제외하고는 오히려 천연모래를 100% 사용한 시험체보다 더 우수한 것으로 나타나 향후 천연골재의 고갈에 따른 대체 골재로의 활용 및 산업 폐기물의 재활용 측면에서 ‘친환결 자원재활용재료’로써 콘크리트의 고품질화에 크게 기여할 수 있을 것으로 분석된다.
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