이 연구에서는 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다. 이에 콘크리트의 골재를 부순골재(CG), 폐석분을 활용한 단일 입도의 비조립형 경량골재(SLG), 연속 입도의 비조립형 경량 골재(CLG), 물결합재비 0.4, 0.5, 0.6, 결합재 FA, BFS로 실험을 실시하였다. 염화물 확산 계수는 NT BUILD 492준하여 시험 후 산출하였으며 SLG와 CLG콘크리트의 확산계수는 CG콘크리트보다 다소 크게 나타났으나 큰 차이는 없었다. 또한 염화물 확산계수는 물결합재비에 의한 영향이 크며 물결합재비가 낮을수록 감소하는 것으로 나타났고 혼화재 치환은 FA15%의 경우 물결합재비 0.4에서만 감소를 나타내는데 비해 FA10 + BFS20% 모든 수준에서 감소하는 것으로 나타나 더 적합한 것으로 사료된다. 경량골재 콘크리트의 염화물 확산을 분석한 결과, 폐석분 활용 경량골재 콘크리트가 CG콘크리트에 비하여 염화물 확산 계수가 크지만 큰 차이는 없으며 물결합재비 및 혼화재 치환으로 저항성을 향상 시킬 수 있다. 또한 경량골재에 대해 강도에 따른 염화물 확산 계수를 추정 할 수 있다.
이 연구에서는 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다. 이에 콘크리트의 골재를 부순골재(CG), 폐석분을 활용한 단일 입도의 비조립형 경량골재(SLG), 연속 입도의 비조립형 경량 골재(CLG), 물결합재비 0.4, 0.5, 0.6, 결합재 FA, BFS로 실험을 실시하였다. 염화물 확산 계수는 NT BUILD 492준하여 시험 후 산출하였으며 SLG와 CLG콘크리트의 확산계수는 CG콘크리트보다 다소 크게 나타났으나 큰 차이는 없었다. 또한 염화물 확산계수는 물결합재비에 의한 영향이 크며 물결합재비가 낮을수록 감소하는 것으로 나타났고 혼화재 치환은 FA15%의 경우 물결합재비 0.4에서만 감소를 나타내는데 비해 FA10 + BFS20% 모든 수준에서 감소하는 것으로 나타나 더 적합한 것으로 사료된다. 경량골재 콘크리트의 염화물 확산을 분석한 결과, 폐석분 활용 경량골재 콘크리트가 CG콘크리트에 비하여 염화물 확산 계수가 크지만 큰 차이는 없으며 물결합재비 및 혼화재 치환으로 저항성을 향상 시킬 수 있다. 또한 경량골재에 대해 강도에 따른 염화물 확산 계수를 추정 할 수 있다.
The purpose of this study is to provide preliminary data on chloride diffusion of lightweight aggregate concrete containing crushed stone-powder. Accordingly, the study performed experiments using concrete aggregates of Crushed Aggregate (CG), Single-sized Lightweight Aggregate (SLG), Continuous Gra...
The purpose of this study is to provide preliminary data on chloride diffusion of lightweight aggregate concrete containing crushed stone-powder. Accordingly, the study performed experiments using concrete aggregates of Crushed Aggregate (CG), Single-sized Lightweight Aggregate (SLG), Continuous Graded Lightweight Aggregate (CLG), and using water-binder ratio of 0.4, 0.5, 0.6, and using binder of FA and BFS. The chloride diffusion coefficient is calculated according to the NT BUILD 492. Diffusion coefficient of SLG and CLG were higher than that of CG concrete, but the difference was not significant. Also, chloride diffusion coefficient data indicated that it was highly affected by water-binder ratio, and it decreased with the decrease in waterbinder ratio. The admixture substitution of FA15% was effective in decreasing the diffusion coefficient only with water-binder ratio of 0.4 while admixture substitution of FA10+BFS20% was effective with all levels of water-binder ratio. The result of study shows lightweight aggregate concrete containing crushed stone-powder has slightly higher chloride diffusion coefficient than CG concrete, but the difference is not significant such that it can be overcome by adjusting water-binder ratio and admixture substitution. In addition, the data indicate the chloride diffusion coefficient of lightweight aggregate concrete can be estimated from the strength of lightweight aggregate.
The purpose of this study is to provide preliminary data on chloride diffusion of lightweight aggregate concrete containing crushed stone-powder. Accordingly, the study performed experiments using concrete aggregates of Crushed Aggregate (CG), Single-sized Lightweight Aggregate (SLG), Continuous Graded Lightweight Aggregate (CLG), and using water-binder ratio of 0.4, 0.5, 0.6, and using binder of FA and BFS. The chloride diffusion coefficient is calculated according to the NT BUILD 492. Diffusion coefficient of SLG and CLG were higher than that of CG concrete, but the difference was not significant. Also, chloride diffusion coefficient data indicated that it was highly affected by water-binder ratio, and it decreased with the decrease in waterbinder ratio. The admixture substitution of FA15% was effective in decreasing the diffusion coefficient only with water-binder ratio of 0.4 while admixture substitution of FA10+BFS20% was effective with all levels of water-binder ratio. The result of study shows lightweight aggregate concrete containing crushed stone-powder has slightly higher chloride diffusion coefficient than CG concrete, but the difference is not significant such that it can be overcome by adjusting water-binder ratio and admixture substitution. In addition, the data indicate the chloride diffusion coefficient of lightweight aggregate concrete can be estimated from the strength of lightweight aggregate.
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문제 정의
그러나 경량골재를 사용한 콘크리트는 높은 흡수율에 의해 부순골재를 사용한 콘크리트에 비하여 염화물 침투 저항성이 낮아 이로 인한 문제가 심화될 수 있으므로 이 연구에서는 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 실용화를 위한 단계로, 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물이온 확산계수를 도출하여 철근콘크리트의 성능저하 인자인 염화물 확산에 대한 기초자료를 제시하고자 하였다.
이 연구는 부순골재와 현재 중국에서 범용적으로 사용되는 구조용 경량골재를 비교기준으로 국내에서 개발된 폐석분을 활용한 경량골재 콘크리트의 염화물 확산에 대한 물결합재비, 골재 및 혼화재 치환율의 영향을 비교 검토하기 위하여 단위수량을 175 kg/m3로 고정하고 Table 2와 같은 조건으로 실험을 진행하였다.
제안 방법
굳지 않은 콘크리트의 요구 성능확보를 위하여 국내산 폴리카본산계 고성능감수제, AE제를 사용하였다.
기건단위질량 시험체는 위와 같이 제작 후 KS F 2462「구조용 경량 콘크리트의 단위질량시험방법」에 따라 16~27℃ 온도하에서 수분의 증발이나 흡수 없이 6일간 양생하고 24시간 수중양생한 후 온도 23 ± 1.0℃, 상대습도 50 ± 5%에서 21일간 양생하였다.
2와 같이 설치 한 후 초기 전압 30 V를 가하여 최초 인가시의 전류값을 측정한 후 그에 따른 인가전압을 설정하고 전류값에 따른 시험시간을 설정하였다. 시험 종료 후 시험체를 지름 방향으로 쪼개고 0.1 N의 질산은을 분무하여 침투깊이를 측정하였다. 침투깊이는 Fig.
압축강도 및 흡수율과 염화물 이온 확산 시험체는 강제식 펜믹서로 믹싱한 후 Ø100 mm × 200 mm 공시체를 KS F 2403콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법에 따라 제작하여 24시간 경과했을 때 몰드를 탈형하고, 20 ± 2℃ 수중에서 27일간 수중양생 하였다.
1 N의 질산은을 분무하여 침투깊이를 측정하였다. 침투깊이는 Fig. 3과 같이 버니어캘리퍼스로 가장자리 10 mm 제외하고 10 mm 간격으로 7개소를 0.1 mm까지 측정 평균으로 하였다.
콘크리트는 용적배합을 하였으며 Table 5와 같다. 콘크리트 배합은 굵은 골재에 따른 영향만을 평가하기 위하여 배합수 및 잔골재율을 고정하고, 폴리카본산계 고성능감수제를 결합재 중량의 0.3%, 폴리카본산계 AE제를 결합재 중량의 0.003% 첨가하였다.
폐석분을 활용한 경량골재 콘크리트의 염소 이온 확산 실험을 실시하여 부순골재 사용 콘크리트와 폐석분을 활용한 경량골재 콘크리트의 비교 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
결합재로 사용된 OPC, FA, BFS의 화학조성은 Table 3과 같다. OPC는 비중 3.15, 분말도 3,400 cm2/g인 국내 H사의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, FA는 비중 2.21, 분말도 3,362 cm2/g, BFS는 비중 2.90, 분말도 4,463 cm2/g인 국내산을 사용하였다.
염화물 이온 이동 저항성은 NT BUILD 492에 준하여 재령 28일의 Ø100 mm × 200 mm 공시체를 Fig. 1과 같이 50 ± 2 mm의 두께로 양측을 절단한 것을 시험편으로 하였다.
음극용액은 10% NaCl수용액, 양극용액은 0.3 M의 NaOH수용액을 사용하였고 Fig. 2와 같이 설치 한 후 초기 전압 30 V를 가하여 최초 인가시의 전류값을 측정한 후 그에 따른 인가전압을 설정하고 전류값에 따른 시험시간을 설정하였다. 시험 종료 후 시험체를 지름 방향으로 쪼개고 0.
잔골재는 인천산 세척사, 굵은 골재는 경기 양주산 부순골재(CG)와 페석분을 활용한 국내산 단일 입도의 조립형 경량골재(SLG) 및 일반 중국산 연속 입도의 비조립형 경량골재(CLG)를 사용하였으며 물리적 성질은 Table 4와 같다.
데이터처리
콘크리트의 염화물 확산 저항성은 골재물성, 물결합재비, 혼화재치환율에 영향이 있는 것으로 나타났으나 이는 압축강도에 영향을 끼치는 요인으로써 압축강도와 염화물 확산계수는 큰 상관성이 있음을 알 수 있다.8) 이에 골재별 콘크리트의 압축강도를 독립변수로 골재별 염화물 확산계수를 종속변수로 하여 회귀분석을 실시하였다. 골재별 콘크리트 모두 압축강도 증가에 따라 확산계수는 감소하였으며, 압축강도에 염화물 확산계수 추정식을 식 (7)과 같이 도출하였다.
염화물 이온 확산계수는 NT BUILD 492에 의거 식(3)~(5)에 의해 유도된 식 (6)의 약산식을 사용하여 실험체 3개의 평균값으로 하였다.
이론/모형
기건단위질량은 KS F 2462「구조용 경량 콘크리트의 단위질량시험방법」에 따라 식 (2)와 같이 3개의 공시체 시험값의 평균으로 기건단위질량을 측정하였다.
압축강도는 KS F 2405 「콘크리트의 압축 강도시험 방법」에 따라 재령 7일과 28일에 측정하여 각 배합별 3개 시험체의 평균값으로 하였다.
성능/효과
이는 조직의 치밀성과 관련되는 압축강도 발현이 다른 결합재 수준보다 FA15가 낮기 때문으로 사료된다. 0.6대비 0.4에서 모든 수준의 결합재가 약 40% 이상 감소하여 물결합재비가 낮을수록 염화물 확산계수가 크게 감소하였다.
1) 물결합재비, 혼화재치환율 및 골재별 비교한 결과 압축강도는 그다지 크지 않았다. 혼화재 치환은 높은 물결합재비보다 낮은 물결합재비에서 강도의 증가가 큰 것으로 나타나 물결합재비의 영향을 가장 고려해야 할 것으로 사료된다.
2) 기건단위질량은 폐석분 활용 경량골재 SLG콘크리트가 1,917~1,992 kg/m3로 건축공사 표준시방서(2006)와 콘크리트 표준시방서(2003)의 경량골재콘크리트 1종의 기건단위질량 범위 1,700~2,000 kg/m3에 만족하였고 CG콘크리트 대비 10~15%의 단위 질량이 감소하는 것으로 나타났다.
3) 염화물 확산계수는 SLG콘크리트 및 CLG콘크리트가 CG콘크리트보다 크게 나타났다. 염화물 확산계수에 영향을 미치는 것은 물결합재비 > 혼화재치환율 > 골재 순으로 나타났다.
4) 회귀분석을 실시 압축강도에 따른 염화물 확산계수 추정식을 도출하여 재령 28일 강도에 따른 염화물 확산계수를 추정할 수 있다.
이는 FA를 15% 치환한 콘크리트의 재령 28일 이전의 수화반응은 포틀랜드시멘트만을 사용한 높은 물결합재비의 콘크리트에 비해 늦기 때문이다.5) FA10+BFS20의 경우 3수준의 물결합재비에서 재령 28일 압축강도가 모두 높게 나타났다.
5) 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산을 분석한 결과, 동일한 콘크리트 메트릭스에서 부순 골재 콘크리트에 비하여 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산계수는 큰 차이가 없으며, 물결합재비 및 치환으로 저항성을 향상 할 수 있기에 실용화 할 수 있을 것으로 판단되었다.
5에서 OPC 콘크리트보다 감소가 작았다. FA10+ BFS20 콘크리트의 염화물 확산계수는 Fig. 8과 같이 물결합재비가 감소할수록 감소하였고 감소율이 크게 나타났다.
골재에 따른 재령 28일의 압축강도는 CG콘크리트에 비해 SLG콘크리트 및 CLG콘크리트의 강도가 낮게 나타났다. 이는 CG에 비해 밀도가 SLG 1.
5와 같고 물결합재비 감소와 혼화재 치환에 따라 감소하였다. 골재에 따른 흡수율은 CG콘크리트에 비하여 SLG콘크리트는 0.5~1.5%, CLG콘크리트는 0.9~1.5% 크게 나타났다. 콘크리트 메트릭스가 동일한 조건에서의 차이이므로 이는 골재의 영향으로 볼 수 있으며 경량골재의 큰 흡수율이 경량골재 콘크리트 흡수율로 나타나지 않는 것은 시멘트 페이스트의 모세관 공극률에 더 큰 영향을 받기 때문이다.
폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 기건단위질량은 1,917~1,992 kg/m3로 건축공사 표준시방서(2006)와 콘크리트 표준시방서(2003)의 경량 골재콘크리트 1종의 기건단위질량 범위 1,700~2,000 kg/m3에 만족하였고 부순골재 사용 콘크리트 대비 10~15% 감소하였다. 기건단위질량은 물시멘트비가 낮을수록 결합재 증가로 다소 높았으며 골재에 따라서는 SLG, CLG의 단위용적질량이 적고 밀도가 낮아 감소했다. 또한 혼화재 치환에 따라 FA및 BFS의 비중이 낮아 감소하였다.
이는 골재의 영향이 콘크리트의 메트릭스에 영향보다 적기 때문으로 사료된다. 또한 물결합재비 및 혼화재 치환율은 콘크리트 압축강도에 주요인자 이며 압축강도는 콘크리트의 메트릭스의 치밀성과 관련되기에 강도와 상관성이 있음을 알 수 있다. 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산에 대해 혼화재 치환 보다 물결합재비에 대한 고려가 더욱 효과적이며, 혼화재 치환의경우 FA15는 물결합재비 0.
9와 같다. 모든 종류의 골재에서 배합조건에 관계없이 압축강도가 증가함에 따라 염화물 확산계수는 감소하는 경향을 보이고 있다. 콘크리트의 염화물 확산 저항성은 골재물성, 물결합재비, 혼화재치환율에 영향이 있는 것으로 나타났으나 이는 압축강도에 영향을 끼치는 요인으로써 압축강도와 염화물 확산계수는 큰 상관성이 있음을 알 수 있다.
물결합재비에 따라 0.6대비 0.5에서 OPC 및 FA10+ BFS20은 감소율이 약 25%로 나타났으나 FA15는 약 10%로 감소율이 낮았다. 이는 조직의 치밀성과 관련되는 압축강도 발현이 다른 결합재 수준보다 FA15가 낮기 때문으로 사료된다.
물결합재비 및 혼화재 치환에 따른 골재별 압축강도 및 흡수율은 Table 6과 같다. 물결합재비에 따른 재령 28일의 압축강도는 Fig. 4와 같이 CG콘크리트, SLG콘크리트, CLG콘크리트 모두 물결합재비가 감소할수록 높아졌다.
모든 종류의 골재에서 배합조건에 관계없이 압축강도가 증가함에 따라 염화물 확산계수는 감소하는 경향을 보이고 있다. 콘크리트의 염화물 확산 저항성은 골재물성, 물결합재비, 혼화재치환율에 영향이 있는 것으로 나타났으나 이는 압축강도에 영향을 끼치는 요인으로써 압축강도와 염화물 확산계수는 큰 상관성이 있음을 알 수 있다.8) 이에 골재별 콘크리트의 압축강도를 독립변수로 골재별 염화물 확산계수를 종속변수로 하여 회귀분석을 실시하였다.
또한 물결합재비 및 혼화재 치환율은 콘크리트 압축강도에 주요인자 이며 압축강도는 콘크리트의 메트릭스의 치밀성과 관련되기에 강도와 상관성이 있음을 알 수 있다. 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산에 대해 혼화재 치환 보다 물결합재비에 대한 고려가 더욱 효과적이며, 혼화재 치환의경우 FA15는 물결합재비 0.4에서만 낮은 결과를 나타내 모든 수준에서 낮은 결과를 가져온 FA10+ BFS20이 혼화재 치환에 있어 더욱 적합한 것으로 나타났다.
후속연구
5배로 팽창하며 부피팽창으로 인한 내부응력 문제와 계속적인 성능저하의 우려가 있다.3) 경량골재를 사용한 콘크리트는 높은 흡수율에 의해 부순골재를 사용한 콘크리트에 비하여 염화물 침투 저항성이 낮아 이로 인한 문제가 심화될 수 있으므로 이에 염화물 확산에 대한 고찰이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폐석분의 발생량은 어떠한가?
수요가 급증하고 있는 부순골재는 생산시 생산량의 20~30% 정도 발생되는 폐석분으로 인한 심각한 환경문제를 발생시키고 있어 이에 대한 처리비용 및 방법에 대한 어려움이 가중되고 있다. 폐석분의 발생량은 부순골재 생산량의 약 20%, 부순모래 생산량의 약 30%가 발생된다. 그러나 폐석분의 적절한 재활용 방안을 찾지 못하여 단순히 매립 및 방치하고 있는 실정이며 이는 자원 낭비뿐만 아니라 환경오염의 주요 원인이 되고 있다.
철근콘크리트에서 염소 이온은 어떤 문제를 가지고 있는가?
철근콘크리트에서 염소 이온은 높은 알칼리 상태에서도 철근의 부동태 피막을 파괴하여 철근이 부식하기 쉬운 상태를 만드는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제는 수용성 철-염소 복합물의 생성으로 발생되며, 이는 다공성 녹의 침전을 유발하고 염소 이온을 다시 활성화 시켜 성능저하를 유발한다.
본 연구에서 폐석분을 활용한 경량골재 콘크리트의 염소 이온 확산 실험을 통해 부순골재 사용 콘크리트와 폐석분을 활용한 경량골재 콘크리트의 비교 분석하여 얻은 결론은 무엇인가?
1) 물결합재비, 혼화재치환율 및 골재별 비교한 결과 압축강도는 그다지 크지 않았다. 혼화재 치환은 높은 물결합재비보다 낮은 물결합재비에서 강도의 증가가 큰 것으로 나타나 물결합재비의 영향을 가장 고려해야 할 것으로 사료된다. 경량골재 콘크리트의 흡수율은 CLG > SLG 순으로 CLG의 높은 흡수율에 영향으로 사료된다.
2) 기건단위질량은 폐석분 활용 경량골재 SLG콘크리트가 1,917~1,992 kg/m3로 건축공사 표준시방서(2006)와 콘크리트 표준시방서(2003)의 경량골재콘크리트 1종의 기건단위질량 범위 1,700~2,000 kg/m3에 만족하였고 CG콘크리트 대비 10~15%의 단위 질량이 감소하는 것으로 나타났다.
3) 염화물 확산계수는 SLG콘크리트 및 CLG콘크리트가 CG콘크리트보다 크게 나타났다. 염화물 확산계수에 영향을 미치는 것은 물결합재비 > 혼화재치환율 > 골재 순으로 나타났다. 염화물 확산계수가 작은 순으로 혼화재치환율에서는 FA10 + BFS20 > OPC > FA15이며, 경량골재는 CLG > SLG 순으로 나타났다.
4) 회귀분석을 실시 압축강도에 따른 염화물 확산계수 추정식을 도출하여 재령 28일 강도에 따른 염화물 확산계수를 추정할 수 있다.
5) 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산을 분석한 결과, 동일한 콘크리트 메트릭스에서 부순 골재 콘크리트에 비하여 폐석분 활용 경량골재 콘크리트의 염화물 확산계수는 큰 차이가 없으며, 물결합재비 및 치환으로 저항성을 향상 할 수 있기에 실용화 할 수 있을 것으로 판단되었다.
참고문헌 (8)
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