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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 파쇄된 순환굵은골재의 치환율과 혼화재의 종류를 달리하여 압축강도, 염화물 이동계수 실험을 하고, SEM촬영을 통한 미세구조를 관찰함으로써 순환골재 콘크리트의 염화물 확산성에 대한 기초적인 자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 각 배합에 대한 콘크리트의 미세구조를 관찰하기 위해 지름 5mm, 길이 10mm의 시편을 채취하고 HITACHI S-4200을 이용해 배율을 3,000배로 확대하여 콘크리트의 미세구조를 관찰하였다.
- 경화 콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험방법 규정”에 따라 실시하였다. 각 재령에 따라 시편을 그라인딩식 캐핑머신으로 2mm 내외의 표면연마를 통한 상부캐핑 작업을 행한 후, 최대 용량 200t의 만능 재료 시험기(Universial Testing Machine :UTM)를 이용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 각 혼화재의 종류 및 순환굵은골재의 혼입율에 따른 순환골재 콘크리트의 염화물 확산성을 염화물 이동계수를 사용하여 정량적으로 규명하였다. 또한 굳지않은 콘크리트의 슬럼프, 공기량 및 고성능 감수제의 첨가량과 경화콘크리트의 압축강도 측정을 통해 그 적용성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 실험에 사용된 고성능 감수제는 폴리카본산계로서 그 물리적 성질은 표 5와 같으며, 목표슬럼프 150±25mm를 확보하기 위하여 결합재의 단위질량에 대해 0.4~0.9%를 첨가하였다.
- 본 연구에서는 각 혼화재의 종류 및 순환굵은골재의 혼입율에 따른 순환골재 콘크리트의 염화물 확산성을 염화물 이동계수를 사용하여 정량적으로 규명하였다. 또한 굳지않은 콘크리트의 슬럼프, 공기량 및 고성능 감수제의 첨가량과 경화콘크리트의 압축강도 측정을 통해 그 적용성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 순환굵은골재를 사용한 콘크리트의 염화물 확산성을 검토하기 위하여 순환골재의 치환율과 혼화재의 종류를 주요 실험인자로 선정하였으며, 염화물의 이동에 대한 콘크리트의 저항성을 설명하는 매개변수인 염화물 이동계수를 측정함으로써 염화물 확산성을 정량적으로 나타내었다.
- 염화물 이동계수 측정을 위한 시험체는 그림 1과 같이 ∅100mm×200mm 원주형 시험체의 일정부위를 50mm 두께로 절단하여 제작하였다. 실험방법은 그림 2와 같이 0.3N의 수산화나트륨(NaOH) 수용액(물 1ℓ에 NaOH 12g)을 양극액으로 하고, 10%의 염화나트륨(NaCl) 수용액(NaCl 1.3kg+증류수 11.7kg)을 음극액으로 하여 30V의 전압을 가하였을 때의 전류 값에 기초하여 적용전압 수준 및 지속시간을 선정하여 실험을 진행하였다. 염소이온의 침투깊이는 시험이 종료한 후 시험체를 할렬하여 0.
- 이에 따라 순환골재 콘크리트와 플레인 콘크리트를 비교하기 위하여 물-결합재 비를 45%로 고정하고, 순환골재의치환율을 10%, 30%, 50%로 달리하였다. 여기서, 순환골재의 치환율이 30%, 50%인 경우에는 시멘트 단위질량에 대해 메타카올린, 고로슬래그, 플라이 애쉬를 20% 치환하여 시험체를 제작하였다.
- 7kg)을 음극액으로 하여 30V의 전압을 가하였을 때의 전류 값에 기초하여 적용전압 수준 및 지속시간을 선정하여 실험을 진행하였다. 염소이온의 침투깊이는 시험이 종료한 후 시험체를 할렬하여 0.1N의 질산은(AgNO3) 용액을 분무하였을 때 변색되는 부위를 버니어캘리퍼스를 사용하여 측정하였고, 염화물이 침투한 부분을 10mm마다 7군데 측정하여 그 평균값을 염소이온의 침투깊이로 하였다.
- 이에 따라 순환골재 콘크리트와 플레인 콘크리트를 비교하기 위하여 물-결합재 비를 45%로 고정하고, 순환골재의치환율을 10%, 30%, 50%로 달리하였다. 여기서, 순환골재의 치환율이 30%, 50%인 경우에는 시멘트 단위질량에 대해 메타카올린, 고로슬래그, 플라이 애쉬를 20% 치환하여 시험체를 제작하였다.
- 이와 같이 순환골재 콘크리트의 강도저하를 보완할 목적으로 혼화재를 시멘트 단위질량에 대해 20% 혼입한 순환골재 콘크리트와 플레인 콘크리트의 압축강도를 비교하였으며, 이를 그림 6과 그림 7에 나타내었다. 순환골재 치환율이 30%인 경우, 메타카올린을 혼입하면 모든 재령에서 플레인 콘크리트의 압축강도보다 높은 결과가 나타났으며, 고로슬래그와 플라이 애쉬의 경우에는 재령 56일 압축강도가 각각 41.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 배합설계안의 설계기준강도는 27MPa이며, 목표 슬럼프는 150±25mm, 목표 공기량은 4.5±1.5 %로서 평가항목 및 배합상세는 각각 표 1과 2에 나타내었다.
- 골재는 표준 입도 범위 안에 들도록 조정하였다. 본 실험에 사용된 순환굵은골재는 KS F 2573의 규정에 적합하였으며, 잔골재는 강사를 사용하였다. 각각의 골재에 대한 물리적 특성은 표 4와 같다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 밀도 3.15g/㎠, 분말도 3,268㎠/g의 KS L 5102 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며, 메타카올린, 고로슬래그, 플라이 애쉬를 포함한 각 결합재의 화학적 성분과 물리적 특성은 표 3과 같다.
- 염화물 이동계수 측정을 위한 시험체는 그림 1과 같이 ∅100mm×200mm 원주형 시험체의 일정부위를 50mm 두께로 절단하여 제작하였다.
이론/모형
- 경화 콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험방법 규정”에 따라 실시하였다.
- 굳지않은 콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 슬럼프 시험은 KS F 2402의 규정을 따르고, 공기량 시험은 KS F 2421에 따라 실시하였으며, 목표 슬럼프 및 공기량을 확보하기 위한 고성능 감수제의 첨가량을 측정하였다.
- 염화물 이동계수는 유럽의 NT BUILD 4927)규준에 준하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) 순환골재의 치환율이 증가할수록 굳지않은 콘크리트의 유동성이 개선되어 고성능 감수제의 첨가량이 감소하였다.
- 2) 순환골재의 치환율이 증가할수록 플레인 콘크리트에 비해 압축강도가 저하되었으나, 메타카올린, 고로슬래그와 같은 혼화재를 혼입한 경우에는 순환골재 콘크리트의 강도가 우수해짐을 알 수 있었다.
- 3) 순환골재를 사용하면 염화물 이동계수가 플레인 콘크리트에 비해 높아지는 경향이 나타났다.
- 순환골재를 30% 치환하고,이러한 순환골재의 단점을 보완하기 위하여 혼화재를 20% 혼입한 경우 메타카올린을 사용하면 가장 낮은 염화물 이동계수를 보여 염화물 침투작용의 억제효과가 매우 우수하였다. 고로슬래그의 경우는 플레인 콘크리트와 유사하게 나타나, 적절한 혼화재를 사용하면 순환골재의 치환율을 증가시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 염화물 이동계수에 대한 실험결과를 분석해보면, 플라이 애쉬는 순환골재 콘크리트의 염화물 저항성 향상에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러나 고로슬래그와 메타카올린을 사용하면 플레인 콘크리트와 유사하거나 더 낮은 염화물 이동계수를 보여, 적절한 혼화재를 혼입한 경우에는 순환골재의 치환율을 증가시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 그림에서 보듯이, 압축강도와 염화물 이동계수 사이에는 반비례적인 관계를 나타내었으며, 순환골재 콘크리트의 성능을 향상시키기 위해 혼입한 혼화재의 종류에 따라서는 플라이 애쉬>고로슬래그>메타카올린의 순서로 낮은 염화물 이동계수를 보였다.
- 반면 순환골재 콘크리트에 메타카올린, 고로슬래그와 같은 혼화재를 혼입하면 고성능 감수제 첨가량이 증가하였으며, 분말도가 높은 메타카올린의 경우 0.8∼0.9%로 가장 높게 측정되었다.
- 순환골재 치환율이 30%, 50%일 때, 플라이 애쉬를 혼입한 경우에는 모든 재령에서 다른 혼화재를 혼입한 순환골재 콘크리트와 플레인 콘크리트보다 염화물 이동계수가 높게 나타나는 경향을 보였다.
- 이와 같이 순환골재 콘크리트의 강도저하를 보완할 목적으로 혼화재를 시멘트 단위질량에 대해 20% 혼입한 순환골재 콘크리트와 플레인 콘크리트의 압축강도를 비교하였으며, 이를 그림 6과 그림 7에 나타내었다. 순환골재 치환율이 30%인 경우, 메타카올린을 혼입하면 모든 재령에서 플레인 콘크리트의 압축강도보다 높은 결과가 나타났으며, 고로슬래그와 플라이 애쉬의 경우에는 재령 56일 압축강도가 각각 41.3MPa, 38.3MPa로 플레인 콘크리트보다 낮게 측정되었다.
- 순환골재가 콘크리트의 내구성을 저하시키는 단점을 보완하기 위해 메타카올린을 혼입한 경우에는 플레인 콘크리트의 재령 56일 염화물 이동계수 값인 4.358× 10-12m2/sec에 대하여 순환골재 치환율이 30%일 때는 플레인 콘크리트의 82%, 순환골재 치환율이 50%인 경우에는 106%의 수준을 보여, 110~147%의 범위로 나타나는 다른 혼화재에 비해 순환골재 콘크리트의 염화물 이온 침투작용을 억제하는 효과가 가장 우수하였다.
- 순환골재를 30% 치환하고,이러한 순환골재의 단점을 보완하기 위하여 혼화재를 20% 혼입한 경우 메타카올린을 사용하면 가장 낮은 염화물 이동계수를 보여 염화물 침투작용의 억제효과가 매우 우수하였다.
- 순환골재를 50% 치환한 경우, 재령 14일까지는 메타카올린을 혼입한 순환골재 콘크리트의 강도가 플레인 콘크리트를 상회하였으나, 그 이후에는 낮은 결과를 보였으며, 고로슬래그 및 플라이 애쉬를 사용한 경우에는 모든 재령에서 플레인 콘크리트보다 낮게 나타났다.
- 콘크리트의 재령별 압축강도를 그림 5에 나타내었다. 순환골재의 치환율이 10%, 30%, 50%로 증가할수록, 재령 56일 압축강도는 플레인 콘크리트에 비해 각각 92.7%, 87.2%, 76.8%의 수준으로 저하되었다. 이는 기존의 연구결과9)와 유사하게 폐콘크리트 파쇄시 충격으로 인해 골재에 미세한 균열이 발생하고, 흡수율이 높은 모르터가 골재표면에 다량으로 포함되어 골재와 모르터의 부착강도 또는 골재 계면과의 결합력이 낮아졌기 때문으로 판단된다.
- 2) 순환골재의 치환율이 증가할수록 플레인 콘크리트에 비해 압축강도가 저하되었으나, 메타카올린, 고로슬래그와 같은 혼화재를 혼입한 경우에는 순환골재 콘크리트의 강도가 우수해짐을 알 수 있었다. 순환골재의 치환율이 30%일 때, 메타카올린을 20% 사용하면 플레인 콘크리트의 강도보다 높은 결과를 보여 다른 혼화재에 비해 순환골재 콘크리트의 강도향상에 효과적이었다.
- 순환골재의 치환율이 높을수록 공기량이 약간 증가하였으며, 모든 배합설계안에 대하여 목표 공기량 4.5 ±1.5%를 잘 만족시키고 있다.
- 시험체 종류에 따른 염화물 이동계수의 측정 결과 및 염화물 침투깊이 결과를 그림 8과 9에 나타내었다. 순환골재의 치환율이 동일할 때, 메타카올린, 고로슬래그와 같은 혼화재를 혼입한 콘크리트의 염화물 이동계수가 혼화재를 혼입하지 않은 경우보다 낮게 나타났다. 이는 포졸란 반응으로 생성된 칼슘실리케이트 수화물이 내부구조를 개선하여 염화물의 이동을 억제함으로써 침투성이 감소되었기 때문이다.
- 여기서 압축강도와 염화물 이동계수는 각각 20.6~44.6MPa, 10.057~3.965×10-12m2/sec의 수준을 나타내고 있으며, 결정계수 R2= 0.8731로 일련의 관련성이 있음을 확인하였다.
- 염화물 이동계수에 대한 실험결과를 분석해보면, 플라이 애쉬는 순환골재 콘크리트의 염화물 저항성 향상에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러나 고로슬래그와 메타카올린을 사용하면 플레인 콘크리트와 유사하거나 더 낮은 염화물 이동계수를 보여, 적절한 혼화재를 혼입한 경우에는 순환골재의 치환율을 증가시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 이는 수화생성물 중 수산화칼슘과 결합하는 포졸란 반응으로 인해 칼슘실리케이트 수화물이 생성되어, 순환골재 콘크리트의 내부구조가 밀실해진 결과로 판단된다. 특히 메타카올린은 모든 재령에 대하여 다른 혼화재에 비해 강도발현율이 높은 경향을 보였는데, 순환골재 치환율이 30%인 경우 재령 56일 압축강도를 살펴보면 메타카올린이 44.6MPa로 고로슬래그, 플라이 애쉬에 비해 각각 7%, 15% 높게 발현되었다.
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