국내 광물성 혼화재의 종류 및 혼입률에 따른 알칼리-실리카 반응 특성 Characteristics of Alkali-Silica Reaction according to Types and Substitution Ratios of Mineral Admixtures in Korea원문보기
국내에서는 알칼리-실리카 반응에 의한 피해사례가 거의 보고된 바 없었고, 골재의 품질도 양호한 것으로 알려져서 알칼리-실리카 반응에 대하여 안전하다고 평가되었다. 그러나 최근 국내 일부 고속도로 콘크리트 포장구간에서 알칼리-실리카 반응에 의한 피해 사례가 보고되어 알칼리-실리카 반응에 대한 대책과 억제방안이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 이 논문에서는 국내 콘크리트용 굵은골재를 대상으로 ASTM C 1260 촉진 모르타르 봉 시험방법을 이용하여 광물성 혼화재인 플라이애쉬, 고로슬래그미분말, 실리카퓸의 종류 및 혼입률에 따른 알칼리-실리카 반응성을 평가하고자 하였다. 혼화재 무첨가의 경우 재령 14일에 실트암과 이암은 'potentially deleterious expansion'으로, 규장질유리질 응회암과 안산암-1은 'innocuous and deleterious'로 판정되었다. 플라이애쉬 10, 20, 30% 혼입의 경우 플라이애쉬 10%를 혼입한 이암을 제외한 모든 시험편에서 재령 14일에 'innocuous behavior'로 판정되었으며, 고로슬래그 미분말 30, 40, 50% 혼입의 경우에는 모든 시험편에서 재령 14일에 'innocuous behavior'으로, 실리카퓸 5, 7.5, 10%를 혼입한 경우에도 모든 시험편에서 재령 14일에 'innocuous behavior'로 판정되어 광물성 혼화재의 알칼리-실리카 반응 억제 효과를 확인하였다. 따라서 현장여건에 따라 선택적으로 적용 가능할 것으로 판단된다.
국내에서는 알칼리-실리카 반응에 의한 피해사례가 거의 보고된 바 없었고, 골재의 품질도 양호한 것으로 알려져서 알칼리-실리카 반응에 대하여 안전하다고 평가되었다. 그러나 최근 국내 일부 고속도로 콘크리트 포장구간에서 알칼리-실리카 반응에 의한 피해 사례가 보고되어 알칼리-실리카 반응에 대한 대책과 억제방안이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 이 논문에서는 국내 콘크리트용 굵은골재를 대상으로 ASTM C 1260 촉진 모르타르 봉 시험방법을 이용하여 광물성 혼화재인 플라이애쉬, 고로슬래그미분말, 실리카퓸의 종류 및 혼입률에 따른 알칼리-실리카 반응성을 평가하고자 하였다. 혼화재 무첨가의 경우 재령 14일에 실트암과 이암은 'potentially deleterious expansion'으로, 규장질유리질 응회암과 안산암-1은 'innocuous and deleterious'로 판정되었다. 플라이애쉬 10, 20, 30% 혼입의 경우 플라이애쉬 10%를 혼입한 이암을 제외한 모든 시험편에서 재령 14일에 'innocuous behavior'로 판정되었으며, 고로슬래그 미분말 30, 40, 50% 혼입의 경우에는 모든 시험편에서 재령 14일에 'innocuous behavior'으로, 실리카퓸 5, 7.5, 10%를 혼입한 경우에도 모든 시험편에서 재령 14일에 'innocuous behavior'로 판정되어 광물성 혼화재의 알칼리-실리카 반응 억제 효과를 확인하였다. 따라서 현장여건에 따라 선택적으로 적용 가능할 것으로 판단된다.
The distresses of alkali-silica reaction (ASR) was recently reported at highway cement concrete pavement in Korea, which showed typical cracking and spalling patterns of ARS. Korea is was no longer safe zone against ASR, needding to find a control methodology against ASR. The purpose of this researc...
The distresses of alkali-silica reaction (ASR) was recently reported at highway cement concrete pavement in Korea, which showed typical cracking and spalling patterns of ARS. Korea is was no longer safe zone against ASR, needding to find a control methodology against ASR. The purpose of this research was to provide a control methodology against ASR using mineral admixtures through a series of laboratory test program. Laboratory works included the accelerated mortar bar test (AMBT) by ASTM C 1260 regulation with five types of aggregate and three types of mineral admixtures (fly ash, ground granulated blast-furnace slag and silica fume). The result of ASTM C 1260 test for five types of aggregates without mineral admixtures showed that Siltstone and Mudstone were found to be "reactive." Tuff and Andesite-1 were found to be "possiblely reactive." In case of concrete mixed with 10, 20, and 30% fly ash, all specimens except Mudstone mixed with 10% FA were found to be "non-reactive". In cases of concrete mixed with 30, 40, and 50% ground granulated blast-furnace slag and 5, 7.5, and 10% silica fume, all specimens were found to be "non-reactive." These results could be selectively applied in constructions in Korea.
The distresses of alkali-silica reaction (ASR) was recently reported at highway cement concrete pavement in Korea, which showed typical cracking and spalling patterns of ARS. Korea is was no longer safe zone against ASR, needding to find a control methodology against ASR. The purpose of this research was to provide a control methodology against ASR using mineral admixtures through a series of laboratory test program. Laboratory works included the accelerated mortar bar test (AMBT) by ASTM C 1260 regulation with five types of aggregate and three types of mineral admixtures (fly ash, ground granulated blast-furnace slag and silica fume). The result of ASTM C 1260 test for five types of aggregates without mineral admixtures showed that Siltstone and Mudstone were found to be "reactive." Tuff and Andesite-1 were found to be "possiblely reactive." In case of concrete mixed with 10, 20, and 30% fly ash, all specimens except Mudstone mixed with 10% FA were found to be "non-reactive". In cases of concrete mixed with 30, 40, and 50% ground granulated blast-furnace slag and 5, 7.5, and 10% silica fume, all specimens were found to be "non-reactive." These results could be selectively applied in constructions in Korea.
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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.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알칼리-실리카 반응의 발견 과정은?
알칼리-실리카 반응(ASR: alkali-silica reaction)은 1940년대 Stanton이 미국 캘리포니아 주에 위치한 콘크리트구조물에서 시공 후 수년이 경과한 후에 불규칙한 균열이 심각하게 발생하여 이 원인을 규명하는 과정에서 발견 되었다.1)그 후 미국 전역에서 지속적인 연구가 활발 하게 이루어져 골재의 알칼리 잠재반응 시험방법들이 ASTM에 1950년대에 제정되었다.
콘크리트 구조물에서 알칼리-실리카 반응을 육안으로 발견 가능한 시기는 언제이며, 그 시기의 의미는 무엇인가?
알칼리-실리카 반응은 일반적으로 건설 후 5년 정도 지나야 육안으로 확인 가능한 징후가 발견되며, 육안으로 이러한 징후를 발견하였다는 것은 이미 심각한 알칼리-실리카 반응이 진행 중이라는 것을 암시한다. 알칼리-실리카 반응에 의한 파손이 발생하면 그 보수방법이 곤란하기 때문에 국외에서는 건설단계에서의 예방대책 즉 철저한 품질관리를 통하여 알칼리-실리카 반응에 대한 억제방안을 마련하고 있다.
참고문헌 (9)
Stanton, T. F., “Expansion of Concrete through Reaction between cement and aggregate,” Proc. Amer. Soc. of Civ. Engrs., Vol. 66, 1940, pp. 1781-95.
농어촌진흥공사 농어촌연구소, 콘크리트용 대체골재 개발에 관한 연구, 1994, pp. 168-174.
대한주택공사 주택연구소, 삼표산업, 콘크리트용 부순 모래의 실용화 연구, 1997, pp. 146-148.
윤경구, 김성권, 홍승호, 한승환, “시험방법에 따른 국내 골재의 알칼리-실리카 반응성 평가,” 콘크리트학회 논문집, 20권, 6호, 2008, pp. 689-696.
홍승호, “국내 콘크리트의 알칼리-실리카 반응에 대한 조사 및 억제 방안,” 강원대학교 일반대학원 박사학위논문, 2006, pp. 125-155.
강원대학교, “알칼리-골재 반응 억제용 혼화재 물리적인 특성 및 반응성 골재 DB 구축 연구,” 한국도로공사 도로교통연구원 연구용역 최종보고서, 2008, pp. 103-136.
국토해양부, “산업부산물 재활용 도로 포장 잠정지침,” 간행물등록번호 11-1611000-000055-01, 2008, pp. 9-32.
ASTM C 1260, “Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Test),” American Society for Testing and Materials, 2002, pp. 1-5.
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