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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 매년 발생량이 증가하고 있는 PSA의 대량 재활용을 위하여 콘크리트 제조 시 시멘트 대체 재료로서 사용하고자 하였으며 PSA 혼입시 발생하는 단점인 수축균열을 제어하기 위하여 폴리프로필렌 섬유(이하 PP섬유) 및 셀룰로오스섬유(이하 CL섬유)를 첨가하여 섬유종류에 따른 균열 제어 효과를 고찰하였다J*) 또한 콘크리트의 대표적인 혼화재인 플라이 애쉬(이하 FA)와의 효과를 비교히고자 재령에 따른 강도시험 및 균열 저항성 평가 등을 실시하여 그 결과를 고찰하였다.
- 본 연구는 제지슬러지소각재를 시멘트의 대체재로 사용하고자 하였으며, 이에 따른 단점을 개선하고자 섬유를 혼입한 콘크리트를 제작하여 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 급속히 건조시켜 균열을 유발하였다. 본 연구에서는 PSA 및 섬유 보강을 통한 균열제어 효과를 평가하기 위하여 최대 균열폭, 균열 길이 및 균열면적계산을 이용하였다. 콘크리트 타설 직후 판형 시험체에 온도를 가하면 시험체의 표면에는 시간의 경과에 따라점차적으로 균열이 발생한 후 전파된다.
- 본 연구에서는 PSA 혼입시 콘크리트에서 나타나는 초기 수화열의 증가 및 높은 흡수율로 인한 수축 균열현상을 제어하고자 폴리프로피렌 섬유(이하 PP섬유) 및 셀룰로오스 섬유(이하 CL섬유)를 혼입하였으며, 이 들 각 섬유의 특성은 다음 Table 4와 같다.
제안 방법
- 건조수축 길이변화 시험은 KS F 2424(모르타르 및 콘크리트 길이 변화 시험방법) 규정에 의거 다이얼 게이지(최소눈금 0.01 mm를 이용한 방법으로 재령 1주, 4주 및 8주에서의 길이 변화율을 측정하여 다음의 식 (1) 로부터 길이 변화율(%)을 구하였으며, PSA의 첨가로 인해 증가되는 건조수축을 섬유의 혼입으로 제어하기 위하여 PP섬유 및 CL섬유를 첨가하여 비교 변수로 사용하였다.
- 08%를 혼입하여 소성수축균열제어 특성을 평가하였다. 따라서 이를 위하여 본 연구에서는 기존 문헌을 참고로 크기 500 mmx500 mmx50 mm의 판형 시험체를 제작한 후 건조로에서 24시간 동안 105±5℃의 온도를 가하여 콘크리트 표면을 급속히 건조시켜 균열을유발시킨 후 측정된 균열의 폭, 길이 및 면적으로 소성수죽균열 제어 특성을 평가하여 이를 Table 10 및 Fig. 6~Fig. 8에 나타내었다.
- 30MPs로 하였다. 또한, PSA의 대체율은 일반적으로 적정치로 알려진 시멘트 중량의 10%로 혼입하였으며 또한 기존연구에서 수축균열의 제어효과가 입증된 PP섬유 및 CL섬유의 혼입율을 달리하여 제작된 PSA 대체 콘크리트의 균열제어 특성을 비교 . 분석하기 위해 총 9가지 형태의 시험체를 제작한 후 각각 28일 및 90일 동안 수중양생을 실시하였다
- 본 연구에서는 PSA 대체 시 발생되는 단점인 수축량의 증가를 제어하기 위하여 PSA를 시멘트 사용량의 10%로 대체한 후 섬유 종류 및 혼입량을 달리하여 시험체를 제작한 후 KSF 2424에 의거 재령 1~8주 까지의 측정된 길이변화율을 Table 9 및 Fig. 5에 나타내었다. 결과로부터, PSA를 대체한 콘크리트의 경우 OPC 콘크리트 보다 건조수축길이가 증가되는 경향을 보였는데, 이는 PSA가 흡수율이 큰 원인 때문인 것으로 판단된다.
- 콘크리트 타설 직후 판형 시험체에 온도를 가하면 시험체의 표면에는 시간의 경과에 따라점차적으로 균열이 발생한 후 전파된다. 본 연구에서는 소성수축균열이 종료되는 일반적인 기준인 24시간 동안 시험체의 표면부를 육안 관찰한 후 발생된 균열의 폭 및 길이를 측정하여 이로부터 최대 균열 폭, 길이 및 최대 폭을 이용한 계산결과로부터 균열면적을 도출하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 타설 직후 경화되기 전 소성 상태에 있을 때 급격한 수분의 증발에 의해서 발생하는 소성수축균열에 대해서 PSA를 대체한 콘크리트에 압축강도 시험 및 건조수축 길이변화시험을 통해 나타난 PP섬유의 적정 혼입률인 ().1% 및 CL섬유의 적정 혼입률 0.08%를 혼입하여 소성수축균열제어 특성을 평가하였다. 따라서 이를 위하여 본 연구에서는 기존 문헌을 참고로 크기 500 mmx500 mmx50 mm의 판형 시험체를 제작한 후 건조로에서 24시간 동안 105±5℃의 온도를 가하여 콘크리트 표면을 급속히 건조시켜 균열을유발시킨 후 측정된 균열의 폭, 길이 및 면적으로 소성수죽균열 제어 특성을 평가하여 이를 Table 10 및 Fig.
- 본 연구에서도 Kraai의 시험방법을 참고로 하여 크기 500mmx500mnix50nirn의 판형 시험체를 제작한 후 건 조로에서 24시간 동안 105±5℃의 온도를 가하여 콘크리트 표면을 급속히 건조시켜 균열을 유발하였다. 본 연구에서는 PSA 및 섬유 보강을 통한 균열제어 효과를 평가하기 위하여 최대 균열폭, 균열 길이 및 균열면적계산을 이용하였다.
- 또한, PSA의 대체율은 일반적으로 적정치로 알려진 시멘트 중량의 10%로 혼입하였으며 또한 기존연구에서 수축균열의 제어효과가 입증된 PP섬유 및 CL섬유의 혼입율을 달리하여 제작된 PSA 대체 콘크리트의 균열제어 특성을 비교 . 분석하기 위해 총 9가지 형태의 시험체를 제작한 후 각각 28일 및 90일 동안 수중양생을 실시하였다
- 압축강도시험은 0150 mmx300 mm2; 원주형 몰드를 제작하여 KS F 2405 규정에 따라 실시하였으며, 재령 28일 및 90일의 압축강도를 측정하여 각 시험체 및 재령에 따른 결과를 비교 분석하였다.
- 제작된 시험체는 온도 20±2℃, 습도- 60%가 유지된 상태에서 항상 시험체 받침대의 동일위치에 놓도록 세심한 주의를 기울여 측정하였다. 측정방법은 시험체를 받침대 위에 올려놓고 시험체 윗면의 플러그에 측장틀의 접점과 접촉시켜 놓은 후 수직 조정핸들 및 수평 조정핸들을 조작하여 다이얼게이지의 스핀들 선단이 시험체 축에 일치시켜 움직이도록 하였다.
- 주의를 기울여 측정하였다. 측정방법은 시험체를 받침대 위에 올려놓고 시험체 윗면의 플러그에 측장틀의 접점과 접촉시켜 놓은 후 수직 조정핸들 및 수평 조정핸들을 조작하여 다이얼게이지의 스핀들 선단이 시험체 축에 일치시켜 움직이도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 PSA는 전북소재 제지회사의 소각로에서 발생한 PS A를 사용하였는데 물리적 및 화학적 특성은 Table 1 및 Table 2와 같다?)Table에서 보는 바와 같이 본 연구에서 사용된 PSA의 비중은 2.51 로일반적인 보통 포틀랜드시멘트(OPC)의 비중인 3.
- 본 연구에서의 배합조건은 물시멘트비 42%, 잔골재율 40% 및 목표 슬럼프 80±20mm 이며 설계 기준강도는 30MPs로 하였다. 또한, PSA의 대체율은 일반적으로 적정치로 알려진 시멘트 중량의 10%로 혼입하였으며 또한 기존연구에서 수축균열의 제어효과가 입증된 PP섬유 및 CL섬유의 혼입율을 달리하여 제작된 PSA 대체 콘크리트의 균열제어 특성을 비교 .
- 플라이애쉬는 보령 화력발전소산 유연탄 플라이 애쉬를 사용하였으며 품질 특성은 다음의 Table 3과 같다.
성능/효과
- (1) 압축강도는 플라이 애쉬를 대체한 콘크리트의 경우 일반콘크리트보다 약간 증가하였으며, 제지슬러지소각재 대체 콘크리트 및 제지슬러지소각재 및 섬유 혼입 콘크리트의 경우는 일반콘크리트보다 약간 감소하는 경향을 나타내었으나, 그 감소율은 미소하였다.
- (2) 건조수축 길이변화는 제지슬러지소각재 대체 콘크리트의 경우, 일반 콘크리트보다 증가되었으나 섬유 혼입 시 제지슬러지소각재만을 대체한 경우보다 감소한 것으로 나타나 섬유혼입이 제지슬러지소각재 대체 콘크리트의 건조수축길이 감소에 효과적임을 알 수 있었다.
- (3) 제지슬러지소각재를 대체한 콘크리트의 경우, 일반 콘크리트에 비해 균열 폭, 길이 및 면적 등이 현저히 증가되었으나 섬유를 혼입함으로써 모든 항목에서 일반 콘크리트보다 감소하여 섬유의 혼입이 제지슬러지소각재 대체 콘크리트의 균열제어에 효과적임을 알 수 있었다.
- (4) 제지슬러지소각재를 시멘트 대체재로 활용한 콘크리트에 섬유를 혼입함으로서 제지슬러지소각재 대체 콘크리트의 단점인 수축균열을 감소시켜 개선시킬 수 있었으며 섬유의 종류로는 셀룰로오스섬유가 효과적으로 판단된다.
- 2와 같다. 6)XRD* 결과에서 보는바와 같이 , PSA의 결정구조는 Mullite(3Al2O3 . 2SiO2) 및 Quartz 성분(SiO, 이주성분이며, 기타 CaO성분이 나타나 OPC의 결정구조와 유사함을 알았다.
- 결과로부터 OPC 콘크리트에 발생한 균열의 최대균열 폭은 0.3 mm 이였으며, PSA를 대체한 콘크리트의 경우 0.6 mm의 균열이 발생하였다. 또한 총 발생한 균열의 길이 및 면적 또한 PSA를 대체한 콘크리트가 OPC 콘크리트에 비해 각각 1.
- 5에 나타내었다. 결과로부터, PSA를 대체한 콘크리트의 경우 OPC 콘크리트 보다 건조수축길이가 증가되는 경향을 보였는데, 이는 PSA가 흡수율이 큰 원인 때문인 것으로 판단된다. FA를 대체한 콘크리트의 경우 OPC 콘크리트보다 건조수축길이가 다소 감소하는 경향을 보였는데 이는 FA의 입자의 특성으로 인한 포졸란 반응이 초기 수화반응의 지연에 기인한 것으로 판단되었다.
- 98 정도로 나타났는데 이는 기존의 연구 경향과 유사하였다. 따라서 압축강도시험 결과 PSA 혼입시는 OPC 콘크리트와 동등 수준이었고, PSA 및 섬유를 혼입한 경우 약간의 강도의 저하는 보였으나 전반적으로 큰 차이는 없음을 알 수 있었다.
- 2 mm로 나타나, 섬유의 혼입으로 균열이 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 PP섬유를 혼입한 콘크리트의 경우, OPC 콘크리트의 상대적인 비율 대비 균열 면적은 065, 균열 총길이는 0.69로 나타났으며, CL섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 균열 면적은 0.49, 균열 총길이는 0.51 로 나타나 섬유의 종류로는 CL섬유를 혼입한 경우가 PI섬유를 혼입한 경우보다 균열 제어에 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 CL섬유가 시멘트와 친수성으로 인하여 콘크리트 매트릭스와의 초기 부착능력이 뛰어나고, 단위 면적당 차지하는 섬유의 수가 많으므로 섬유의 유효면적이 커서 상대적으로 PP섬유보다 균열 제어 효과가 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 6 mm의 균열이 발생하였다. 또한 총 발생한 균열의 길이 및 면적 또한 PSA를 대체한 콘크리트가 OPC 콘크리트에 비해 각각 1.40 및 2.76배 정도 증가하는 것으로 고찰되었다. 이는 PSA를 대체한 콘크리트가 OPC 콘크리트에 비해 초기 수화열 및 흡수률 등이 높아 콘크리트가 건조 혹은 냉각될 때 균열이 더욱 유발된 것으로 판단된다.
- 14 정도와 비교할 때 약간 낮았으나 분말도는 거의 비슷한 수준이었다. 또한 폐기물공정시험법에 의해 측정된 pH는 약 12.2-12.7 정도로 OPC와 유사하여 시멘트 대체재로서의 활용 가능성은 충분할 것으로 판단된다.
- 또한, SEM분석 결과, 표면이 매끄러운 구형입자 및 판상 모양의 입자 등을 관찰할 수 있었는데 구형 입자의 형태는 일반적인 플라이 애쉬의 형태와 유사한 것으로 콘크리트 배합 시 볼베어링 효과를 유도해 유동성 증가를 통한 단위수량 감소 효과를 나타낼 수 있다.
- 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 섬유의 혼입율의경우 PP섬유는 0.1%에서, CL섬유는 0.08%에서 가장 효과적 이었는데 이는 섬유가 전체 콘크리트 매트릭스에서 차지하는 유효율 및 섬유의 뭉침현상 등이 관여해서 나타난 것으로 기존 섬유보강콘크리트의 연구 동향과 유사한 결과를 나타내고 있다.
- 51 로 나타나 섬유의 종류로는 CL섬유를 혼입한 경우가 PI섬유를 혼입한 경우보다 균열 제어에 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 CL섬유가 시멘트와 친수성으로 인하여 콘크리트 매트릭스와의 초기 부착능력이 뛰어나고, 단위 면적당 차지하는 섬유의 수가 많으므로 섬유의 유효면적이 커서 상대적으로 PP섬유보다 균열 제어 효과가 크게 나타난 것으로 판단된다. 한편 Fig.
- 재령 90일에서 PSA를 대체한 콘크리트의 압축강도는 OPC 콘크리트 강도 대비 1.01 정도였으며 FA를 첨가한 콘크리트의 경우는 OPC 콘크리트강도 대비 1.03 정도로 나타났는데, FA의 경우 포졸란 반응을 통한 콘크리트 내부의 공극충진 효과로 재령의 증가에 따라 압축강도가 미소하나마 증가된 것으로 판단된다. 위의 결과로 볼 때 PSA의 경우 FA에 비해 강도증진률은 낮았으나 대체에 다른 품질의 저하는 나타나지 않아 제조 시에 품질을 더욱 향상시킨다면 FA와 같은 포졸란계 재료로서 이용이 가능할 것으로 판단된다.
- 콘크리트의 강도특성은 콘크리트의 품질을 평가하는 기본적인 특성으로서 재령 28일의 경우 PSA를 대체한 콘크리트의 강도는 OPC 콘크리트 대비 0.98이였으며, FA를 혼입한 콘크리트는 거의 비슷한 수준의 강도를 보였다. 한편, PSA 및 PP섬유를 첨가한 콘크리트의 강도는 섬유혼입률에 따라 다소 차이는 있으나, OPC 콘크리트 대비 0.
- 한편 PSA를 대체한 콘크리트에 섬유를 혼입한 경우, 섬유의 혼입율 및 종류에 따라 다소의 차이는 있으나, 건조수축균열에 대한 제어효과가 있는 것으로 확인 되였는데 섬유의 종류로는 PP섬유의 혼입보다 CL섬유의혼입이 PSA를 치환한 콘크리트의 건조수축 감소에 좀 더 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 섬유의 혼입율의경우 PP섬유는 0.
- 한편, PSA 및 PP섬유를 혼입한 콘크리트의 강도는 OPC 대비 0.94-0.97로 나타났으며 PSA 및 CL섬유를첨가한 콘크리트의 강도는 OPC 콘크리트 대비 0.92-0.97로 나타나 28일 재령시와 거의 유사한 경향을 보여 섬유의 혼입으로 재령의 증가에 따른 강도 증진 효과는 없는 것으로 판단된다.
후속연구
- FA를 대체한 콘크리트의 경우 OPC 콘크리트보다 건조수축길이가 다소 감소하는 경향을 보였는데 이는 FA의 입자의 특성으로 인한 포졸란 반응이 초기 수화반응의 지연에 기인한 것으로 판단되었다. 따라서, 이러한 경향으로부터 PSA 및 FA를 혼합 사용할 수 있는 연구의 가능성이 고려되어지며, 추후 이 부분에 대한 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 03 정도로 나타났는데, FA의 경우 포졸란 반응을 통한 콘크리트 내부의 공극충진 효과로 재령의 증가에 따라 압축강도가 미소하나마 증가된 것으로 판단된다. 위의 결과로 볼 때 PSA의 경우 FA에 비해 강도증진률은 낮았으나 대체에 다른 품질의 저하는 나타나지 않아 제조 시에 품질을 더욱 향상시킨다면 FA와 같은 포졸란계 재료로서 이용이 가능할 것으로 판단된다.
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