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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 국내 골재를 대상으로 알칼리실리카 반응에 의한 길이 팽창 특성을 분석하여, 알칼리-실리카 반응에 대한 억제 방안으로 광물성 혼화재를 이용한 알칼리-실리카 반응 길이 팽창 특성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 초기 길이 변화를 측정한 모르타르 봉은 1 N NaOH 수용액이 담겨 있는 밀폐용기에 수침시켜 80℃가 유지되는 항온수조에서 길이변화를 유도한다. 영점길이 변화 측정 후 모르타르 봉의 길이 변화를 재령 7, 14 및 28일에 측정하며, 모르타르 봉의 변화상태 및 균열 발생여부를 육안으로 관찰한다.
- 이 논문에서는 보령 폐석산에서 샘플링한 5종의 골재를 대상으로 ASTM C 1260 촉진 모르타르 봉 시험방법을 이용하여 광물성 혼화재의 종류(플라이애쉬, 고로슬래그 미분말, 실리카퓸) 및 혼입률에 따른 알칼리-실리카 반응 길이 팽창 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 고로슬래그 미분말은 국내 K사에서 정제되는 제품을 사용하였으며, KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분 말)에 규정되어 있는 3종으로서 CaO 함량이 44.3%이고 등가 알칼리 함량이 0.71%이다. 물리적·화학적인 특성은 각각 Table 5와 같다.
- 골재는 알칼리-실리카 반응에 의한 대규모 파손이 발생한 서해안 고속도로 콘크리트 포장 구간 근처에 위치한 충남 보령의 폐석산에서 5종을 샘플링하여 사용하였다. 사용된 골재의 암석학적인 분석 결과는 Table 3과 같다.
- 광물성 혼화재 혼입에 따른 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창 특성을 평가하기 위하여 광물성 혼화재료는 플라이애쉬(FA), 고로슬래그 미분말(GFBS) 그리고 실리카퓸(SF)을 선정하였으며, 광물성 혼화재 종류에 따른 혼입률은 Table 1과 같다.7,8) 실험방법은 촉진 모르타르 봉 시험방법으로 ASTM C 1260, Standard test method for potential alkali reactivity of aggregates (accelerated mortar-bar test; AMBT)를 활용하였다.
- 시멘트는 국내 S사에서 생산되어 판매되는 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품으로서 등가 알칼리 함량이 0.74%인 고알칼리 시멘트를 사용하였다. Table 2는 시멘트의 물리적·화학적인 특성을 나타낸 것이다.
- 실험에 사용되는 모르타르 봉 배합은 시멘트 440 g, 물 206.8 g 그리고 잔골재 990 g이다. 배합에 사용된 물/시멘트 비는 47%이며, 잔골재의 입도분포는 Table 7과 같다.
이론/모형
- 7,8) 실험방법은 촉진 모르타르 봉 시험방법으로 ASTM C 1260, Standard test method for potential alkali reactivity of aggregates (accelerated mortar-bar test; AMBT)를 활용하였다.
성능/효과
- 1) 혼화재 무첨가 시험편의 길이팽창시험 결과 재령 14일에 실트암과 이암의 경우 0.2% 이상의 길이 팽창을 보여 ‘potentially deleterious expansion’으로 판정되었으며, 규장질유리질응회암과 안산암-1은 0.1~0.2% 범위의 길이 팽창을 보여 ‘innocuous and deleterious’ 로 판정되었다.
- 2) 플라이애쉬 10, 20, 30%를 각각 혼입한 시험편의 길이팽창시험 결과 플라이애쉬 10%를 혼입한 이암을 제외한 모든 시험편에서 재령 14일에 ‘innocuous behavior’로 판정되어 알칼리-실리카 반응 억제 효과를 확인하였다.
- 3) 고로슬래그 미분말 30, 40, 50%를 각각 혼입한 시험편의 길이팽창시험 결과 모든 시험편에서 재령 14일에 ‘innocuous behavior’로 판정되어 알칼리-실리카 반응 억제 효과를 확인하였다.
- 4) 실리카퓸 5, 7.5, 10%를 각각 혼입한 시험편의 길이팽창시험 결과 모든 시험편에서 재령 14일에‘innocuous behavior’로 판정되어 알칼리-실리카 반응 억제 효과를 확인하였다.
- 5) 충남 보령에서 샘플링한 5종의 골재를 대상으로 ASTM C 1260 촉진 모르타르 봉 시험방법을 이용하여 광물성혼화재 종류 및 혼입률에 따른 실험결과 플라이애쉬 20%이상, 고로슬래그 30%이상, 실리카퓸 5%이상 혼입할 경우 알칼리-실리카 반응 억제 효과가 있는 것으로 나타나 현장여건에 따라 선택적으로 이를 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 고로슬래그 미분말 40% 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 최대 0.063%, 최소 0.033%로 측정되어 ‘innocuous behavior’로 판정되었으나, 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 실트암과 안산암-1의 경우 각각 0.116%와 0.121%로 측정되었으며, 다른 골재에서도 0.069% 이상으로 측정되어 재령이 경과함에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 증가하는 것으로 나타났다.
- 고로슬래그 미분말 50% 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 최대 0.039%에서 최소 0.032%로 측정되어 ‘innocuous behavior’로 판정되었으며, 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과에서도 최대 0.081%의 길이 팽창을 보여 재령에 따른 길이 팽창이 다소 감소하는 것을 나타내고 있다.
- 고로슬래그 미분말 혼입에 따른 길이팽창 측정 결과를 Fig. 3과 비교하면 고로슬래그 미분말 혼입에 의하여 재령에 따라 그 길이 팽창이 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 고로슬래그 미분말 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 0.1% 이하‘innocuous behavior’로 측정되어 알칼리-실리카 반응 억제 효과가 있는 것으로 나타났으나, 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 고로슬래그 미분말의 혼입률에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 다소 증가하는 경향을 보여주고 있다.
- 044%로 측정되어 ‘innocuous behavior’로 판정되었다. 그러나 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 0.1~0.2%로 측정되어 재령이 경과함에 따라 알칼리실리카 반응에 의한 길이 팽창이 지속적으로 발생하는 것으로 나타났다.
- 019%로 측정 되어 ‘innocuous behavior’로 판정되었다. 그러나 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 실트암의 경우에는 0.128%로 측정되어 재령이 경과함에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 증가하는 것으로 나타났다.
- 1% 미만으로 측정되어 ‘innocuous behavior’로 판정되었다. 그러나 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 안산암-1의 경우 0.227%로 측정되었으며, 실트암, 이암 그리고 규장질유리질응회암의 경우에는 각각 0.197%, 0.150% 그리고 0.172%로 측정되어 재령이 경과함에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 발생하는 것으로 나타났다.
- 또한, 추가적으로 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 규장질유리질응회암과 안산암-1의 경우에는 재령 14일 길이 팽창 측정 결과 ‘innocuous and deleterious’로 판정되었던 골재가 각각 0.292%와 0.311%로 측정되었으며, 최대 실트암의 경우 0.568%, 최소 안산암-2의 경우 0.084%로 측정되어 재령이 경과함에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 증가하는 것으로 나타나 잠재적으로 알칼리-실리카 반응에 대한 유해요소를 포함하고 있는 것으로 판단되어지므로, 재령 28일까지 또는 그 이후까지 측정하여 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창 특성을 고려해야 할 것으로 사료된다.
- 실리카퓸 10% 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 최대 0.040% 이하의 길이 팽창을 보여 ‘innocuous behavior’로 판정되었으며, 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과에서는 최대 0.091%의 길이 팽창을 보여 재령에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 지속적으로 진행된다는 것을 보여준다.
- 실리카퓸 7.5% 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 최대 0.028%이하의 길이 팽창을 보여 ‘innocuous behavior'로 판정되었으며, 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 최대 0.063%로 측정되어 재령이 경과함에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 지속적으로 발생되어지나 그 팽창이 감소하는 것으로 나타난다.
- 실리카퓸 혼입에 따른 길이팽창 측정 결과를 Fig. 3과 비교하면 실리카퓸 혼입에 의하여 재령에 따라 그 길이 팽창이 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 실리카퓸 혼입에 의하여 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 경우에서 ‘innocuous behavior’로 판정되어 알칼리실리카 반응 억제 효과가 있는 것으로 나타났으나, 실트 암의 경우 재령 28일의 길이 팽창이 0.128%로 측정되어 골재에 따라 길이 팽창이 다소 증가하는 것을 보여주고 있다.
- 재령 14일(시편 제작 후 16일)의 길이 팽창 측정 결과 실트암과 이암(mudstone)의 경우 각각 0.425%와 0.227%로 측정되어 ‘potentially deleterious expansion’으로 판정되었으며, 규장질유리질응회암(felsic vitric tuff)과 안산암 (andesite)-1의 경우에는 각각 0.147%와 0.149%로 측정되어 ‘innocuous and deleterious’로 판정되었으나, 안산암-2의 경우에는 0.045%로 측정되어 ‘innocuous behavior’로 판정되었다.
- 플라이애쉬 20% 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 최대 0.021%이하의 길이 팽창을 보여 ‘innocuous behavior’로 판정되었으나, 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과 최대 0.088%의 측정되어, 재령이 경과함에 따라 알칼리-실리카 반응에 의한 길이 팽창이 계속적으로 발생하는 것으로 나타났다.
- 플라이애쉬 30% 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 최대 0.005% 이하의 길이 팽창을 보여 ‘innocuous behavior’로 판정되었으며, 재령 28일의 길이 팽창 측정 결과에서도 최대 0.051%의 길이 팽창을 보여 재령에 따른 길이 팽창이 다소 감소하는 것으로 나타났다.
- 플라이애쉬 혼입에 따른 길이팽창 측정 결과를 Fig. 3과 비교하면 플라이애쉬 혼입에 의하여 재령에 따라 그 길이 팽창이 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 플라이애쉬 20% 이상 혼입의 경우 재령 14일의 길이 팽창 측정 결과 모든 골재에서 0.1% 미만으로 측정되어 알칼리-실리카 반응 억제 효과가 있는 것으로 나타났으나, 재령이 경과함에 따라 골재별 길이 팽창이 다소 증가했다. 또한, 플라이애쉬 혼입 30%의 경우 재령 28일에서의 길이 팽창도 최대 0.
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