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문제 정의
- 본 연구에서는 친환경 콘크리트의 개발에 대한 특성 및 한계를 파악하기 위하여 인공 경량골재를 사용한 고로슬래그 기반 알칼리 활성 콘크리트 6배합을 실험하였다. 굵은골재로서 최대직경 13 mm인 인공 경량골재를 사용하였고, 잔골재로서 최대직경 5 mm인 천연모래 및 인공경량골재를 혼용하였다.
제안 방법
- 경량 잔골재 치환율을 주요 변수로 알칼리 활성 고로슬래그 기반 콘크리트 6배합이 Table 3에 나타낸 바와 같이 준비되었다. 경량 잔골재의 치환은 용적비로 산정하였다. Yang 등5)은 알칼리 활성 모르타르의 초기 유동성과 압축강도는 원재료의 화학적 조성과 활성화제의 농도를 조합하는 알칼리 품질 계수에 비례함을 보였다.
- 굵은골재로서 최대직경 13 mm인 인공 경량골재를 사용하였고, 잔골재로서 최대직경 5 mm인 천연모래 및 인공경량골재를 혼용하였다. 배합된 콘크리트들의 경과 시간에 따른 슬럼프 변화, 압축강도 발현, 할렬인장강도, 파괴계수, 탄성계수, 응력-변형률관계, 부착강도 및 건조수축 등이 측정되었다. 이들 측정된 역학적 특성들은 경량 OPC 콘크리트를 위해 제시된 ACI 318-0513) 및 EC 214) 설계기준, 또는 Slate 등11)의 제안 모델들과 비교되었다.
- 배합된 콘크리트의 슬럼프는 배합 직후, 30분, 60분 및 90분에서 측정되었다. 슬럼프 측정 후 각 콘크리트는 계획된 역학적 특성 평가를 위한 강재 몰드에 타설되었다.
- 0274이면 28일 강도가 50 MPa 이상의 고강도 모르타르를 얻을 수 있음을 보였다. 이에 따라 본 콘크리트 배합에서는 알칼리 품질계수가 0.0278로 있을 수 있도록 규산나트륨 첨가 양을 조절하였다. 모든 배합에서 단위수량은 170 kg/m3,물-결합재비는 0.
- 친환경 콘크리트 개발을 위한 중요성과 한계를 파악하기 위해 경량골재를 사용한 알칼리 활성 콘크리트의 역학적 성질이 실험되었고 보통포틀랜드시멘트 경량콘크리트에 대한 기준 및 제안 모델들과 비교되었다. 이들 실험과 비교 평가로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 콘크리트의 압축강도는 재령 1, 3, 7, 28, 56 및 91일에서 Φ100 × 200 mm 실린더를 이용하여 측정되었으며, 할렬인장강도, 탄성계수, 파괴계수 및 부착성능은 재령 28일에서만 측정되었다.
- 이 값은 Slate 등의 제시한 값과 비슷한 수준이다. 한편 EC 2는 RLF가 30% 이상일 때 알칼리 활성 경량콘크리트의 fsp를 과대평가 하였다.
대상 데이터
- 인공경량골재의 내부는 공극구조이며 표면은 매끄럽다. 굵은골재로서 최대 직경 13 mm의 인공 경량골재가, 그리고 잔골재로서 최대직경 5 mm인 인공 경량골재와 천연 모래가 이용되었다. Table 2와 Fig.
- 본 연구에서는 친환경 콘크리트의 개발에 대한 특성 및 한계를 파악하기 위하여 인공 경량골재를 사용한 고로슬래그 기반 알칼리 활성 콘크리트 6배합을 실험하였다. 굵은골재로서 최대직경 13 mm인 인공 경량골재를 사용하였고, 잔골재로서 최대직경 5 mm인 천연모래 및 인공경량골재를 혼용하였다. 배합된 콘크리트들의 경과 시간에 따른 슬럼프 변화, 압축강도 발현, 할렬인장강도, 파괴계수, 탄성계수, 응력-변형률관계, 부착강도 및 건조수축 등이 측정되었다.
- 무시멘트 결합재 생산을 위해 모재와 알칼리 활성화제로서 각각 고로슬래그와 분말형의 규산나트륨을 이용하였다. X선 회절분석에 의해 측정된 이들 재료들의 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 실험된 알칼리 활성 경량콘크리트는 비교적 낮은 압축강도를 나타내었다. 이의 한 원인으로서 사용된 경량골재가 비교적 강도가 낮고 입도분포가 불연속이기 때문이다.
- X선 회절분석에 의해 측정된 이들 재료들의 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다. 사용된 고로슬래그의 주요 성분은 칼슘산, 실리콘산 및 알루미늄산으로서 실리콘산과 알루미늄산의 질량비는 2.29이다. 규산나트륨은 50.
데이터처리
- 이들 측정된 역학적 특성들은 경량 OPC 콘크리트를 위해 제시된 ACI 318-0513) 및 EC 214) 설계기준, 또는 Slate 등11)의 제안 모델들과 비교되었다. 또한 측정된 응력-변형률 관계는 경량 OPC 콘크리트의 실험 결과에 근거하여 제시된 Tasnimi12)의 모델과 비교되었다.
- EC 2에 의해 얻은 Ec는 실험 결과 및 다른 예측값들에 비해 현저히 높았다. 반면 ACI 318-05 및 Slate 등의 제안 모델에 의한 예측값들은 RLF가 15% 이하일 때 실험값과 비슷하였지만 RLF의 증가와 함께 실험값을 과대평가하였다. ACI 318-05 및 Slate 등의 제안 모델은 밀도가 1,440 kg/m3 이상인 경량 OPC 콘크리트의 실험 결과에 근거하였기 때문에 이보다 낮은 밀도를 갖는 경량콘크리트의 탄성계수에 대해서는 그 정확도가 낮아졌다.
- 배합된 콘크리트들의 경과 시간에 따른 슬럼프 변화, 압축강도 발현, 할렬인장강도, 파괴계수, 탄성계수, 응력-변형률관계, 부착강도 및 건조수축 등이 측정되었다. 이들 측정된 역학적 특성들은 경량 OPC 콘크리트를 위해 제시된 ACI 318-0513) 및 EC 214) 설계기준, 또는 Slate 등11)의 제안 모델들과 비교되었다. 또한 측정된 응력-변형률 관계는 경량 OPC 콘크리트의 실험 결과에 근거하여 제시된 Tasnimi12)의 모델과 비교되었다.
이론/모형
- 5에는 측정된 알칼리 활성 경량콘크리트의 응력-변형률 관계를 나타내었다. 동일 그림에 경량 굵은골재와 천연모래를 사용한 OPC 콘크리트의 실험 결과에 기반하여 제안된 Tasnimi12)의 모델이 함께 주어졌다. 알칼리 활성 경량콘크리트의 응력-변형률 곡선의 형상은 RLF에 의해 영향을 받았다.
- 2 (b)에 나타낸 매립된 철근의 직접인발실험16)으로부터 부착응력-미끄러짐이 측정되었다. 모든 실험의 가력은 자동제어가 가능한 500 kN 용량의 UTM을 이용하였으며, 실험상세는 보통포틀랜드 시멘트 콘크리트를 위해 KS 기준에서 제시된 상세들을 따랐다. 건조수축 변형률은 100 × 75 × 420 mm의 몰드 중앙에 매립된 전기저항 게이지 (WFLM 60-11)로부터 측정되었다.
성능/효과
- 1) 알칼리 활성 경량콘크리트의 초기 슬럼프는 경량 잔골재 치환율의 증가와 함께 약간 증가하였지만 시간경과에 따른 슬럼프 손실은 경량 잔골재 치환율의 증가와 함께 급격하였다.
- 2) 알칼리 활성 경량콘크리트의 28일 압축강도는 경량 잔골재 치환율이 30%를 넘을 때 급격히 감소하였다. 반면 경량 잔골재 치환율 증가에 따른 강도발현율은 초기재령에서는 증가하였지만 장기재령에서는 약간 감소하였다.
- 3) 알칼리 활성 경량콘크리트의 할렬인장강도, 탄성계수 및 파괴계수는 보통포틀랜드시멘트 경량콘크리트에 대한 ACI 318-05 및 EC 2 기준 식 그리고 Slate 등의 제안 모델들과 다소 차이를 보였다.
- 4) 알칼리 활성 경량콘크리트의 최대응력 시 변형률은 경량 잔골재 치환율이 30% 이하일 때에는 압축강도의 증가와 함께 증가하였지만 경량 잔골재 치환율이 50% 이상에서는 압축강도의 감소에도 불구하고 증가하였다. 측정된 응력-변형률 곡선은 보통포틀랜드시멘트 경량콘크리트를 위해 제시된 Tasnimi의 모델과 큰 차이를 보였다.
- 5) 경량 잔골재 치환율 증가에 따라 알칼리 활성 경량콘크리트의 부착강도는 감소하였지만, 최대 부착응력 이후 부착강도 하강기울기는 경량 잔골재 치환율의 영향을 거의 받지 않았다.
- 5)하지만 알칼리 활성 경량콘크리트의 건조수축 변형률은 재령 30일까지 약 100 µm 수준에서 거의 변화가 없으며, 그 이후 재령의 증가와 함께 급격히 증가하였다.
- 6) 알칼리 활성 경량콘크리트의 건조수축 변형률은 재령 30일까지 거의 변화가 없지만 그 이후 재령의 증가와 함께 급격히 증가하였다. 장기재령에서 알칼리 활성 콘크리트의 건조수축 변형률은 경량 잔골재 치환율의 증가와 함께 증가하였다.
- 3에 나타낸 바와 같이 경량골재 입자들 사이의 공극이 RLF의 증가와 함께 증가하였기 때문이다. EC 2에 의해 얻은 Ec는 실험 결과 및 다른 예측값들에 비해 현저히 높았다. 반면 ACI 318-05 및 Slate 등의 제안 모델에 의한 예측값들은 RLF가 15% 이하일 때 실험값과 비슷하였지만 RLF의 증가와 함께 실험값을 과대평가하였다.
- 경량 잔골재 치환율이 30% 이하인 알칼리 활성 콘크리트의 ε0은 Tasnimi의 모델에 비해 작았지만, RLF가 50% 이상에서는 측정된 ε0이 제안 모델보다 컸다. 게다가 Tasnimi의 모델에서 최대 응력 이후의 기울기는 실험 결과에 비해 매우 취성 특성을 보였다. 경량골재의 불연속 입도분포로 인한 골재입자들 사이의 내부공극은 하중 증가에 따른 횡변형률을 급격히 증가시키고, 골재와 페이스트 사이의 부착균열들을 연결하는 연속균열들의 수를 증가시킨다.
- 5배 낮았지만 흡수율은 매우 높았다. 게다가 최대 직경 5 mm인 경량골재의 입도분포는 매우 불연속으로서 KS 기준에서 제시하는 표준 입도에 비해 매우 높은 조립률을 보였다. 사용된 경량골재에서 2.
- 경량 잔골재 치환율이 30% 이하인 알칼리 활성 콘크리트의 ε0은 Tasnimi의 모델에 비해 작았지만, RLF가 50% 이상에서는 측정된 ε0이 제안 모델보다 컸다.
- Neville6)이 지적한바와 같이 콘크리트 배합에 사용된 절건 상태의 경량골재는 20% 이상의 배합수를 흡수할 수 있다. 따라서 경량골재의 높은 흡수력은 초기재령에서 수화반응에 필요한 자유수를 감소시켜 결과적으로 높은 강도발현을 유도하였다.
- 알칼리 활성 경량콘크리트의 최대응력 시 변형률 (ε0)은 RLF가 30% 이하일 때에는 압축 강도의 증가와 함께 증가하였지만 RLF가 50% 이상에서는 압축강도의 감소에도 불구하고 증가하였다. 또한 RLF가 50% 이상인 알칼리 활성 콘크리트들에서 최대응력 이후의 하강 기울기는 완만한 연성파괴 거동을 보였다.
- Yang 등5)은 알칼리 활성 모르타르의 초기 유동성과 압축강도는 원재료의 화학적 조성과 활성화제의 농도를 조합하는 알칼리 품질 계수에 비례함을 보였다. 또한 물-결합재비가 0.5일 때 알칼리 품질계수가 0.0274이면 28일 강도가 50 MPa 이상의 고강도 모르타르를 얻을 수 있음을 보였다. 이에 따라 본 콘크리트 배합에서는 알칼리 품질계수가 0.
- 1에 주어졌다. 사용된 경량골재의 비중은 천연모래에 비해 약 2.5배 낮았지만 흡수율은 매우 높았다. 게다가 최대 직경 5 mm인 경량골재의 입도분포는 매우 불연속으로서 KS 기준에서 제시하는 표준 입도에 비해 매우 높은 조립률을 보였다.
- Table 6에는 알칼리 활성 경량콘크리트의 fr에 대한 실험 결과와 예측값의 비교를 나타내었다. 압축강도의 제곱근으로 무차원된 알칼리 활성 경량콘크리트의 파괴계수 #는 RLF가 75%까지는 RLF의 증가와 함께 감소하였으며, 이때의 평균값은 0.42로서 Slate 등의 제안값에 비해 20% 높았다. 반면 측정된 알칼리 활성 경량콘크리트의 fr은 RLF에 관계없이 ACI 318-05에 의한 값보다 낮았다.
- 4) 알칼리 활성 경량콘크리트의 최대응력 시 변형률은 경량 잔골재 치환율이 30% 이하일 때에는 압축강도의 증가와 함께 증가하였지만 경량 잔골재 치환율이 50% 이상에서는 압축강도의 감소에도 불구하고 증가하였다. 측정된 응력-변형률 곡선은 보통포틀랜드시멘트 경량콘크리트를 위해 제시된 Tasnimi의 모델과 큰 차이를 보였다.
- 타설 후 각 몰드는 양생온도 21 ± 2oC, 상대습도 75 ± 5%의 양생실에서 계획된 실험일까지 양생되었으며, 모든 강재 몰드들을 재령 1일에서 제거하였다.
후속연구
- 비록 알칼리 활성 경량콘크리트의 압축강도 발현과 역학적 특성은 결합재의 특성과 함께 경량골재의 물리적 특성, 입도분포 및 치환율 등에 의해 중요한 영향을 받지만, 이에 대한 연구는 매우 부족하다. 따라서 알칼리 활성 경량콘크리트의 다양한 배합조건에 따른 역학적 특성들의 평가에 대해 지속적으로 연구할 필요가 있다.
- 인공 경량골재는 흡수율이 매우 높기 때문에 천연골재보다 결합재 종류, 물-결합재비, 단위수량 및 잔골재율과 같은 배합조건에 의해 더 큰 영향을 받는다. 따라서 알칼리 활성 경량콘크리트의 소요강도에 대한 배합설계 및 현장적용 확대를 위해서는 이에 대한 충분한 실험 데이터들을 축적할 필요가 있다.
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