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문제 정의
- 이 연구에서는 국내에서 생산되는 쇄석골재의 반응성과 알칼리-실리카 반응으로 인해 구조물 내에 어떠한 변화가 있는지 미세구조 분석을 통해 알아보고자 한다. 따라서, 알칼리-실리카 반응성을 평가하는데 적용되는 ASTM C 227과 ASTM C 1260 모르타르 봉 시험법으로 반응성을 평가하고, 제작된 모르타르를 3년간 일반 환경에 노출시킨 뒤, 알칼리-실리카 반응으로 인해 생성될 수 있는 반응생성물의 확인과 화학분석을 위해 scanning electron microscopy(이하 SEM)와 electron probe microanalysis(이하 EPMA)를 이용하여 모르타르 내의 미세구조 분석을 실시하였다.
제안 방법
- 받기 쉽다고 언급하고 있다.11) 이 연구에서는 장기간에 걸친 알칼리-실리카 반응 가능성을 평가하기 위하여 시험 시편은 ASTM C 227 시험법에서 요구하는 38oC 의 온도와 95% 이상의 상대습도를 유지시켜 모르타르를 관찰하였다. 그 결과, Fig.
- 24시간 후에 시편의 길이를 측정 (zero reading)하고, 시편을 1N KOH 용액이 담긴 용기에 넣어 80oC로 유지하였다. ASTM C 1260 시험법에서는 반응성 촉진을 위해 NaOH 알칼리 용액이 요구되지만, 이 연구에서는 K+ 알칼리 이온에 따른 알칼리 -실리카 반응성을 검토하였다. 모르타르 길이변화는 zero reading 후 28일까지 측정하였다.
- 위해 EPMA를 실시하였다. EPMA 분석은 카메라 SX-51 electron microprobe 을 이용하여 측정하였다. 시험 시편 단면의 backscattered electron image(이하 BSEI)를 이용하였으며, 시험을 위한 시편은 diamond lab
- 반응성 골재가 사용된 콘크리트구조물은 보통 5~15년 후에 알칼리-실리카 반응 현상이 나타나는 것으로 보고되고 있지만, 5) 이 연구에서 제작된 모르타르 봉 시편의 크기 (25 x 25 x 300 mm) 를 고려하여 일반 환경에 3년간 노출시킨 뒤, SEM 분석을 실시하였다. SEM 분석에 사용한 모르타르 봉들은 ASTM C 227 시험법으로 2년간 그리고 촉진시험법인 ASTM C 1260 시험법으로 28일간 길이 변화율을 측정한 후, 일반 환경에 보관하였다. 따라서, 각각의 모르타르 봉들은 시편 배합 후, 5년 그리고 3년이 경과한 시험체이다.
- 2)을 이용하여 EPMA 샘플 홀더(holder)에 맞도록 제작하였다. 다이아몬드 연마제(diamond polishing compound) 와 polisher를 이용하여 시편 표면을 polishing 한 후, 시험 시편 (polished cross section)은 BSEI 관찰을 위하여 carbon coating 하였다(Fig. 3). 샘플의 미세구조관찰은 15kV, 20nA에서 실시하였다.
- 따라서, 알칼리-실리카 반응성을 평가하는데 적용되는 ASTM C 227과 ASTM C 1260 모르타르 봉 시험법으로 반응성을 평가하고, 제작된 모르타르를 3년간 일반 환경에 노출시킨 뒤, 알칼리-실리카 반응으로 인해 생성될 수 있는 반응생성물의 확인과 화학분석을 위해 scanning electron microscopy(이하 SEM)와 electron probe microanalysis(이하 EPMA)를 이용하여 모르타르 내의 미세구조 분석을 실시하였다.
- 모르타르 봉 내에 형성된 반응생성물의 화학분석을 위해 EPMA를 실시하였다. SEM 분석에서 사용한 동일한 조건의 모르타르 봉을 사용하였다.
- 모르타르 봉 시험 실행 후, 모르타르 내 생성 물질 의화학분석을 위해 EPMA를 실시하였다. EPMA 분석은 카메라 SX-51 electron microprobe 을 이용하여 측정하였다.
- 모르타르 봉 시험을 시행한 후, 제작한 모르타르 봉 내에 생성된 반응생성물 확인을 위해 SEM 분석을 실시하였다. SEM은 Leo 430을 사용하였다.
- 하지만 ASTM C 1260에 의해 사용된 골재가 유해 가능성이 있는 것으로 판정됨에 따라 ASTM C 227 시험법에 따라 제작된 모르타르에서도 일정한 시간 경과 후 알칼리-실리카 반응이 확인될 가능성이 있는 것으로 판단되어 모르타르 내의 미세구조 분석을 실시하였다. 반응성 골재가 사용된 콘크리트구조물은 보통 5~15년 후에 알칼리-실리카 반응 현상이 나타나는 것으로 보고되고 있지만, 5) 이 연구에서 제작된 모르타르 봉 시편의 크기 (25 x 25 x 300 mm) 를 고려하여 일반 환경에 3년간 노출시킨 뒤, SEM 분석을 실시하였다. SEM 분석에 사용한 모르타르 봉들은 ASTM C 227 시험법으로 2년간 그리고 촉진시험법인 ASTM C 1260 시험법으로 28일간 길이 변화율을 측정한 후, 일반 환경에 보관하였다.
- 3). 샘플의 미세구조관찰은 15kV, 20nA에서 실시하였다.
- SEM은 Leo 430을 사용하였다. 시편 단면의 secondary electron image(이하 SEI) 를 이용하였으며, 편평하고 부드러운 단면을 얻기 위해 low-speed rock saw을 이용하여 모르타르 봉을 자른 뒤, 시험 시편의 단면을 진공 상태에서 gold coating 하였다(Fig. 1).
- 사용된 시편의 치수는 25x25x300 mm이며, 제작한 모르타르 봉은 24시간 뒤 초기길이 (initial reading)를 측정한 후, 38oC와 95% 이상의 상대습도가 유지되는 곳에서 물이 접촉되지 않도록 보관하였다. 시험 시편의 길이변화는 시험법에 따라 6개월에 걸쳐서 측정한 후, 장기적으로 시편의 길이 변화를 살펴보기 위해 2년 동안 측정하였다.
- 알칼리-실리카 반응성 판정을 위해 모르타르 봉 시험법인 ASTM C 227과 C 1260으로 쇄석골재(퇴적암 골재 )의 반응성을 살펴보았다. 사용한 쇄석골재의 ASTM C 227에 의한 시험 결과의 일부는 필자에 의해 이미 보고된 바 있으며, 7) 이 연구와의 필요에 의해 일부 다시 언급하고자 한다.
- 시멘트 비(W/C)는 첨가하는 혼합수에 따라 결정된다. 이 연구에서는 플로우치가 117을 만족하도록 혼합수를 첨가하였으며, 이에 따른 물.시멘트 비 (W/C) 는 0.
- 하지만 ASTM C 1260에 의해 사용된 골재가 유해 가능성이 있는 것으로 판정됨에 따라 ASTM C 227 시험법에 따라 제작된 모르타르에서도 일정한 시간 경과 후 알칼리-실리카 반응이 확인될 가능성이 있는 것으로 판단되어 모르타르 내의 미세구조 분석을 실시하였다. 반응성 골재가 사용된 콘크리트구조물은 보통 5~15년 후에 알칼리-실리카 반응 현상이 나타나는 것으로 보고되고 있지만, 5) 이 연구에서 제작된 모르타르 봉 시편의 크기 (25 x 25 x 300 mm) 를 고려하여 일반 환경에 3년간 노출시킨 뒤, SEM 분석을 실시하였다.
- 현재 국내에서 생산되고 있는 쇄석골재(퇴적암 골재) 를 이용하여 ASTM C 227과 ASTM C 1260 모르타르 봉 시험법으로 반응성을 평가한 후, SEM 과 EPMA 를 이용하여 모르타르 내의 미세구조 분석을 실시한 결과 다음의 결론을 얻었다.
대상 데이터
- SEM은 Leo 430을 사용하였다. 시편 단면의 secondary electron image(이하 SEI) 를 이용하였으며, 편평하고 부드러운 단면을 얻기 위해 low-speed rock saw을 이용하여 모르타르 봉을 자른 뒤, 시험 시편의 단면을 진공 상태에서 gold coating 하였다(Fig.
- 사용된 시멘트는 국내 보통포틀랜드시멘트로서, 등가알칼리량(Na 2O eq=0.658K2O+Na2O)이 0.75%로 고 알칼리시멘트에 해당하며, 화학성분은 Table 1과 같다. 골재는 울산 울주 지역에서 생산되는 쇄석골재를 사용하였으며, 암석 유형 확인을 통해 다량의 적색 셰일과 소량의 흑색 셰일이 혼합된 쇄석골재로 퇴적암류에 해당되는 암석임을 알 수 있었다.
- 57 로 나타났다. 사용된 시편의 치수는 25x25x300 mm이며, 제작한 모르타르 봉은 24시간 뒤 초기길이 (initial reading)를 측정한 후, 38oC와 95% 이상의 상대습도가 유지되는 곳에서 물이 접촉되지 않도록 보관하였다. 시험 시편의 길이변화는 시험법에 따라 6개월에 걸쳐서 측정한 후, 장기적으로 시편의 길이 변화를 살펴보기 위해 2년 동안 측정하였다.
성능/효과
- 1) ASTM C 227에 의해서는 0.01% 미만의 팽창률을 나타낸 쇄석골재는 ASTM C 1260 반응 촉진 시험에 의해서는 0.3% 정도의 유해한 길이변화율을 나타내었다. 이는 ASTM C 1260 시험법(1 N KOH, 80oC) 보다 실제 환경 노출 조건에 가까운 시험 조건인 ASTM C 227(3 8oC, 100% RH) 모르타르 봉시험에서 2년간 뚜렷한 팽창을 나타내지 않았다 하더라도 시간이 지남에 따라 알칼리-실리카 반응을 나타낼 수 있는 가능성을 보여주는 것으로 판단된다.
- 알칼리-실리카 반응에 관한 일부 문헌에서도 이러한 현상이 관찰되고 있으며, 15, 16") Thaulow는 gel의 Ca 함량은 gel과 페이스트(paste) 사이의 반응에 의한 것이라고 설명하고 있다.18) 화학분석 결과, ASR gel에 의해 열화된 모르타르 봉 내에서, 골재 입자 주위에서 멀어짐에 따라 gel 내의 Si 함량은 감소하면서 Ca 함량은 증가하는 것을 알 수 있었다. EPMA 결과, 모르타르 봉 pore 내에는 Ca-rich gel로 채워져 있는 것으로 나타났는데, Turanli 등은 Ca-rich 결정체 생성물은 보통 장미형 (rosette morphology)의 형태로 관찰될 수 있다고 보고하고 있다.
- 이는 ASTM C 1260 시험법(1 N KOH, 80oC) 보다 실제 환경 노출 조건에 가까운 시험 조건인 ASTM C 227(3 8oC, 100% RH) 모르타르 봉시험에서 2년간 뚜렷한 팽창을 나타내지 않았다 하더라도 시간이 지남에 따라 알칼리-실리카 반응을 나타낼 수 있는 가능성을 보여주는 것으로 판단된다. 2) K+ 알칼리 이온을 이용하여 ASTM C 1260 모르타르 봉 시험을 실시한 결과, KOH 알칼리 용액을 사용하여도 반응성이 촉진됨을 알 수 있었다.
- 3) 모르타르 봉 시험 후, 일반 환경에 3년간 노출 시킨 모르타르 봉의 SEM SEI 분석결과, ASTM C 227 에 의해 제작된 모르타르 봉에서는 골재 입자와 시멘트 페이스트 사이에 알칼리-실리카 반응에 의한 흔적이나 pore 내에서 반응생성물이 확인되지 않았다. 하지만 ASTM C 1260에 의한 모르타르 봉 내에서는 알칼리-실리카 반응의 전형적인 반응생성물로 알려진 장미형 (rosette morphology)의 알칼리-실리카 gel 이 확인되었다.
- 4) EPMA 분석 결과, ASTM C 227에 의해 무해한 길이 변화율을 나타내었던 모르타르 봉에서도 Al-ASR gel 이 골재 입자 표면에서 부분적으로 미세하게 확인됨에 따라 현재 알칼리-실리카 반응이 일어나고 있음을 보여주는 것으로 판단된다. 그리고 반응성 촉진 시험 후의 모르타르 봉에서는 골재 입자에 발생된 균열 내부뿐만 아니라 pore 내부에 알칼리-실리카 gel이 축적되어 있는 것으로 확인되었다.
- 국내는 1990년에 들면서 양질의 골재 부족현상이 일어나면서 쇄석골재의 사용이 증가하였다. 4) 하지만 쇄석골재 사용으로 발생할 수 있는 알칼리-실리카 반응에 대한 검토 없이 사용되었을 경우, 반응성 골재가 사용된 콘크리트구조물이 보통 5~15년 후에 알칼리-실리카 반응 현상5)을 보이는 것을 감안하면, 최근이나 향후 알칼리-실리카 반응으로 인한 문제점들이 나타날 수 있을 것으로 우려된다. 이미 최근에 알칼리-실리카 반응으로 인한 구조물 손상이 보고된 바 있으며, 6) 유해 가능성 있는 쇄석골재 또한 계속해서 보고되고 있다.
- 5) 국내에서 현재 생산되는 쇄석골재 사용에 따른 구조물 내부에 발생한 변화를 미세구조를 통해 확인한 실험 결과, 알칼리-실리카 반응으로 인한 골재 입자의 균열과 반응생성물을 확인할 수 있었다. 따라서 국내 쇄석골재 사용량 증가에 따라 새로운 건설에 있어서 알칼리-실리카 반응 방지를 위한 고려가 있어야 할 것으로 판단된다.
- 9(b)에서는 pore에 가득 생성된 ASR gel이 시멘트페이스트로 진행된 균열을 통해 흘러나온 흔적 (P4)을 보여주고 있으며, 이는 EPMA 분석 결과 확인되었다. ASR gel 성분은 SiO2-CaO-Na2O-K2O 로, 15-17) 골재 입자 내에 생성된 균열 내에서도 ASR gel 이 존재하는 것이 확인되었다. 하지만 EPMA 분석 결과, 대체적으로 pore 내에서 확인된 gel이 골재 입자 내의 균열에서 확인된 gel에 비해 Ca 함량이 더 풍부한 것으로
- 6, 7). ASTM C 227에 의해 제작된 모르타르 봉에서는 골재 입자와 시멘트페이스트 사이에 알칼리-실리카 반응에 의한 흔적이나 반응생성물이 확인되지 않았지만, ASTM C 1260에 의해 유해한 팽창률을 나타내었던 모르타르 봉 내에서는 알칼리-실리카 반응에 의한 반응생성물(ASR gel)을 확인할 수 있었다(Fig. 7).
- 8, P1)이 골재 입자 내의 균열을 따라 확인되었다. BSEI 상에서 하얀색의 점처럼 보이는 생성물 (P2) 들이 골재 표면에서 관찰되었으며, 이 반응생성물의 EPMA 분석 결과 Al-ASR gel인 것으로 확인되었다. 이 반응생성물의 화학성분은 Table 3과 같다.
- 8은 ASTM C 227에 의해 제작된 모르타르 봉의 BSEI를 나타낸다. BSEI(Fig. 8)에서 보는 바와 같이, 골재 입자 내에 균열이 발생된 것을 확인할 수 있으며, 또한 전체적으로 BSEI를 분석한 결과 시멘트페이스트 내에도 미세한 균열이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 그리고 secondary calcite(Fig.
- EPMA 화학분석 결과, 반응성 촉진 시험 후의 모르타르 봉에서는 골재 입자의 균열과 pore 내에 알칼리-실리카 gel로 채워져 있는 것으로 확인되었으며, ASTM C 227에 의해 무해한 길이변화율을 나타내었던 모르타르 봉에서는 pore 내에서는 gel이 확인되지 않았지만 골재 입자 표면에서는 부분적으로 미세하게 반응성을 보이고 있는 것으로 나타났다. 이처럼 현재 국내에서 사용되고 있는 쇄석골재가 알칼리-실리카 반응을 발생시키고 있음을 미세구조를 통한 실험적 결과로 나타남으로서, 향후 사용된 쇄석골재의 알칼리-실리카 반응으로 인한 문제점들이 나타날 수 있을 것으로 우려된다.
- 발생한 것을 확인할 수 있었다. SEM SEI 분석 결과, 같은 쇄석골재(퇴적암 골재)를 사용하여 각각 다른 시험법(ASTM C 227, ASTM C 1260)으로 제작한 모르타르 내에서 균열은 동일하게 발생하였지만, 모르타르 내에 생성된 반응생성물은 확연히 다른 것을 확인할 수 있었다(Figs. 6, 7). ASTM C 227에 의해 제작된 모르타르 봉에서는 골재 입자와 시멘트페이스트 사이에 알칼리-실리카 반응에 의한 흔적이나 반응생성물이 확인되지 않았지만, ASTM C 1260에 의해 유해한 팽창률을 나타내었던 모르타르 봉 내에서는 알칼리-실리카 반응에 의한 반응생성물(ASR gel)을 확인할 수 있었다(Fig.
- 75%로 고 알칼리시멘트에 해당하며, 화학성분은 Table 1과 같다. 골재는 울산 울주 지역에서 생산되는 쇄석골재를 사용하였으며, 암석 유형 확인을 통해 다량의 적색 셰일과 소량의 흑색 셰일이 혼합된 쇄석골재로 퇴적암류에 해당되는 암석임을 알 수 있었다. 쇄석골재의 물리적 성질은 Table 2 와 같다.
- 보여주는 것으로 판단된다. 그리고 반응성 촉진 시험 후의 모르타르 봉에서는 골재 입자에 발생된 균열 내부뿐만 아니라 pore 내부에 알칼리-실리카 gel이 축적되어 있는 것으로 확인되었다.
- 쇄석골재(퇴적암 골재)를 이용하여 ASTM C 227과 ASTM C 1260 모르타르 봉 시험법으로 반응성을 평가한 결과, ASTM C 1260에 의해서는 유해한 팽창을 나타냈으나, ASTM C 227에서는 뚜렷한 팽창을 나타내지 않았다. 하지만 ASTM C 1260에 의해 사용된 골재가 유해 가능성이 있는 것으로 판정됨에 따라 ASTM C 227 시험법에 따라 제작된 모르타르에서도 일정한 시간 경과 후 알칼리-실리카 반응이 확인될 가능성이 있는 것으로 판단되어 모르타르 내의 미세구조 분석을 실시하였다.
- 시험 결과 반응성 판정을 위해 요구되는 재령 6개월경과 후, 0.1% 이상의 팽창을 나타내지 않았으며, 재령 1년 후에는 모르타르 봉의 팽창률에 거의 변화가 없는 것을 알 수 있었다(Fig. 4). Alexander와 Mindess는 건조
- 실제로는 1N 정도의 KOH 알칼리 용액이 외부 환경에 존재하지 않을지 모르나, KOH 용액으로 반응성 촉진 시험을 실행한 결과 (ASTM C 1260), 여기서 사용한 골재가 유해한 골재일 가능성이 높은 것으로 나타났다. 이는 ASTM C 1260 보다 실제 환경 조건에 가까운 시험조건인 ASTM C 227 모르타르 봉 시험에서 2년간 뚜렷한 팽창을 나타내지 않았더라도 시간이 지남에 따라 알칼리-실리카 반응을 나타낼 수 있는 가능성을 보여주는 것으로 판단된다. 즉, 두 방법의 실험 결과는 여기서 사용한 쇄석골재가 반응이 천천히 일어나는 골재일 가능성을 보여주는 것으로 판단된다.
- 3% 정도의 유해한 길이변화율을 나타내었다. 이는 ASTM C 1260 시험법(1 N KOH, 80oC) 보다 실제 환경 노출 조건에 가까운 시험 조건인 ASTM C 227(3 8oC, 100% RH) 모르타르 봉시험에서 2년간 뚜렷한 팽창을 나타내지 않았다 하더라도 시간이 지남에 따라 알칼리-실리카 반응을 나타낼 수 있는 가능성을 보여주는 것으로 판단된다. 2) K+ 알칼리 이온을 이용하여 ASTM C 1260 모르타르 봉 시험을 실시한 결과, KOH 알칼리 용액을 사용하여도 반응성이 촉진됨을 알 수 있었다.
- 판단된다. 이는 본 연구에서 사용한 쇄석골재가 ASTM C 227 시험법에서는 무해한 골재로, 촉진 시험법 (ASTM C 1260)에서는 유해한 골재로 판정되어 쇄석 골재가 반응이 천천히 일어나는 골재일 가능성이 있는 것으로 고려한 결과를 뒷받침하는 것으로 판단된다.
- 이는 ASTM C 1260 보다 실제 환경 조건에 가까운 시험조건인 ASTM C 227 모르타르 봉 시험에서 2년간 뚜렷한 팽창을 나타내지 않았더라도 시간이 지남에 따라 알칼리-실리카 반응을 나타낼 수 있는 가능성을 보여주는 것으로 판단된다. 즉, 두 방법의 실험 결과는 여기서 사용한 쇄석골재가 반응이 천천히 일어나는 골재일 가능성을 보여주는 것으로 판단된다. 실제 콘크리트구조물이 설치될 경우, 환경조건에 따라 주변 환경으로부터 알칼리가 콘크리트에 유입될 수 있다.
- 01%를 초과하지 않았다. 하지만, 알칼리가 유입될 수 있는 환경을 고려하여 ASTM C 1260 시험법(1N KOH, 80oC)으로 알칼리-실리카 반응성을 검토한 결과, 본 연구에서 사용된 쇄석 골재는 시험 시작 3일 후 급격한 팽창을 보이기 시작하여 이미 재령 9일에 팽창률 0.1%의 시험 규준을 초과하는 것을 알 수 있었다(Fig. 5). 재령 14일 이후 재령 28일의 모르타르 봉 팽창률은 0.
후속연구
- 88%로 고알칼리에 해당된다.8) 환경적 문제로 인한 시멘트 제조 공정의 변화로 시멘트의 알칼리 함량이 증가됨에 따라 알칼리-실리카 반응으로 인한 문제가 더욱심화될 수 있을 것으로 예상된다.9, 10)
- 따라서 국내 쇄석골재 사용량 증가에 따라 새로운 건설에 있어서 알칼리-실리카 반응 방지를 위한 고려가 있어야 할 것으로 판단된다.
- 것으로 나타났다. 이처럼 현재 국내에서 사용되고 있는 쇄석골재가 알칼리-실리카 반응을 발생시키고 있음을 미세구조를 통한 실험적 결과로 나타남으로서, 향후 사용된 쇄석골재의 알칼리-실리카 반응으로 인한 문제점들이 나타날 수 있을 것으로 우려된다.
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