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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 콘크리트용 재료로써 석회석미분말의 효능성을 실험적으로 검토하기 위한 일환으로 수행되었다. 특히, 해양환경하에서 석회석미분말 사용 콘크리트의 내구성을 평가하기 위하여 석회석미분말의 대체율을 4단계(0, 10, 20 및 30%)로 달리한 모르타르 및 콘크리트의 해수침식 저항성 및 염소이온 침투저항성을 실험적으로 고찰하였다.
- 본 연구는 석회석미분말을 사용한 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 해수에 대한 화학적 침식 저항성, 염소이온 침투 저항성 등 내해수성을 평가한 것이다. 실험을 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 1) 압축 및 휨강도 : 콘크리트의 강도발현 특성을 고찰하기 위하여 수중에서 양생한 ∅10×20cm 원주형 공시체 및 10×10×40cm 각주형 공시체를 대상으로 콘크리트의 압축 및 휨강도를 각각 측정하였다.
- 1) 압축강도 : 50mm 정방형 모르타르 공시체를 제조하여 1주일 동안 표준양생한 후, 담수 및 인공해수에 각각 침지하여 재령별 압축강도를 ASTM C109에 의하여 측정하였으며, 인공해수의 화학적 침식에 의한 모르타르의 압축강도 손실율(Sloss : compressive strength loss)은 다음 식 (1)과 같이 계산하였다.
- 2) 팽창 : 2.5×2.5×28.5cm의 모르타르 공시체를 제조하여 1주일 동안 표준양생한 후, 인공해수 중에 침지시켰으며, 모르타르의 재령별 팽창량을 측정하였다.
- 3) XRD(x-ray diffraction) 분석 : XRD 분석시 골재에 의한 영향을 배제하기 위하여 모르타르와 유사한 배합의 페이스트를 제조하였으며, 인공해수에 540일 동안 침지한 후 생성된 반응물질을 분석하였다. XRD 측정 조건은 CuKα(Ni filter) : 30kV, 20mA,scanning speed : 2˚/min, 2θ : 5~30˚로 정하였다.
- 결합재(OPC+LS)와 잔골재의 질량비를 1:2, 물-결합재비(w/b)가 45%인 모르타르를 제조하여 담수에서 1주일동안 표준양생을 실시한 후, 일부 공시체는 인공해수 중에 소정의 기간동안 침지시켰다. 또, XRD 분석을 위한 페이스트 시편도 모르타르 및 콘크리트와 동일한 대체율 및 w/b가 되도록 제조하였다.
- 결합재(OPC+LS)와 잔골재의 질량비를 1:2, 물-결합재비(w/b)가 45%인 모르타르를 제조하여 담수에서 1주일동안 표준양생을 실시한 후, 일부 공시체는 인공해수 중에 소정의 기간동안 침지시켰다. 또, XRD 분석을 위한 페이스트 시편도 모르타르 및 콘크리트와 동일한 대체율 및 w/b가 되도록 제조하였다.
- 85%, 최대치수 25mm인 부순 굵은골재를 사용하였다. 또, 콘크리트의 적절한 유동성 및 공기량 확보를 위하여 PC계열 고성능감수제(SP제) 및 AE제를 사용하였다.
- 이 때 시멘트 경화체의 해수침식을 촉진하기 위하여 2배농도의 인공해수를 제조하였다. 또한, 재령이 증가함에 따라 농도가 묽어지는 점을 고려하여 첫 1년간은 매달, 그 이후는 3개월마다 새로운 용액으로 교체하여 사용하였다. 본 실험에 사용된 인공해수는 실험기간동안 20±3℃로 유지시켰다.
- 또, 사용된 석회석미분말(LS)의 화학성분 및 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다. 본 실험에서는 LS의 대체율은 시멘트 중량에 대하여 각각 0, 10, 20 및 30%의 4단계로 나누어 모르타르 및 콘크리트를 제조하였으며, 각각 OPC, LSC-10, LSC-20 및 LSC-30 모르타르(또는 콘크리트)로 명명하였다.
- 따라서, 본 연구는 콘크리트용 재료로써 석회석미분말의 효능성을 실험적으로 검토하기 위한 일환으로 수행되었다. 특히, 해양환경하에서 석회석미분말 사용 콘크리트의 내구성을 평가하기 위하여 석회석미분말의 대체율을 4단계(0, 10, 20 및 30%)로 달리한 모르타르 및 콘크리트의 해수침식 저항성 및 염소이온 침투저항성을 실험적으로 고찰하였다. 본 연구에서 도출되는 결과는 향 후 석회석미분말 사용 콘크리트의 실용화를 위한 기초자료로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 한편, 콘크리트의 강도특성 및 염소이온 침투저항성을 평가하기 위하여 w/b 35%, S/a 42%, LS 대체율 0, 10, 20 및 30%인 콘크리트를 제조하였으며, 콘크리트 배합표를 Table 2에 나타내었다.
- 3M의 NaOH 수용액을 사용하였다. 확산셀을 구성한 후 power supplier를 이용하여 30V의 전압을 공급하였으며, 저항에 걸리는 전류와 확산셀 내부의 온도를 일정시간동안 측정하였다. 비정상상태의 염소이온 확산계수는 다음 식 (3)으로 계산하였다.
대상 데이터
- 2) 통과 전하량 : 콘크리트의 통과전하량은 ASTM C1202에 준하여 두께 50mm의 시험체를 대상으로 하여 측정하였다. 시험체 양단에 60V의 직류전압을 6시간 동안 통전시키면서 시험체에 흐르는 전류를 데이터 로거를 이용하여 30분 간격으로 측정하였으며, 측정된 전류로부터 시간에 대한 전류의 적분 값을 취하여 식 (2)로써 총 통과전하량을 산정하였다.
- 본 실험에 사용된 인공해수는 실험기간동안 20±3℃로 유지시켰다.
- 실험에 사용된 시멘트는 ASTM C 150의 Type I 시멘트에 준하는 보통포틀랜드시멘트(OPC)이며, 시멘트의 화학성분, 클링커 조성광물 및 물리적 성질은 각각 Table 1과 같다. 또, 사용된 석회석미분말(LS)의 화학성분 및 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 잔골재는 밀도 2.60g/cm3, 흡수율 0.98% 및 조립률 2.80인 강모래를 사용하였으며, 굵은골재는 비중 2.67g/cm3, 흡수율 0.85%, 최대치수 25mm인 부순 굵은골재를 사용하였다. 또, 콘크리트의 적절한 유동성 및 공기량 확보를 위하여 PC계열 고성능감수제(SP제) 및 AE제를 사용하였다.
- 3) 염소이온 확산계수 : 콘크리트의 염소이온 확산계수는 전기화학적 촉진실험법 중 Nordtest 방법인 NT BUILD 492법(1999)에 의하여 측정하였다. 콘크리트 시편의 두께는 50mm로 하였으며, 음극셀은 10%의 NaCl 수용액을, 양극셀은 0.3M의 NaOH 수용액을 사용하였다. 확산셀을 구성한 후 power supplier를 이용하여 30V의 전압을 공급하였으며, 저항에 걸리는 전류와 확산셀 내부의 온도를 일정시간동안 측정하였다.
이론/모형
- 3) 염소이온 확산계수 : 콘크리트의 염소이온 확산계수는 전기화학적 촉진실험법 중 Nordtest 방법인 NT BUILD 492법(1999)에 의하여 측정하였다. 콘크리트 시편의 두께는 50mm로 하였으며, 음극셀은 10%의 NaCl 수용액을, 양극셀은 0.
- ASTM D 1141에 준하여 특급 시약을 담수에 용해시켜 인공해수를 제조하였다. 이 때 시멘트 경화체의 해수침식을 촉진하기 위하여 2배농도의 인공해수를 제조하였다.
성능/효과
- 1) 인공해수 중에 침지한 모르타르의 균열, 단면감소 등 표면 성능저하 현상은 석회석미분말의 대체율에 따라 다르게 나타났다. 또, 모르타르의 압축강도 감소 및 팽창을 측정한 결과, 석회석미분말을 10% 대체한 모르타르는 OPC 모르타르와 유사한 성능을 나타낸 반면 30% 대체한 모르타르는 화학적 침식에 의한 성능저하가 매우 크게 나타남을 확인하였다.
- 2) XRD 분석결과에 따르면, 해수침식에 대한 시멘트 경화체의 표면 균열, 강도감소, 팽창 등의 성능저하현상은 ettringite, thaumasite 및 gypsum 등 유해물질의 생성과 밀접한 관련이 있으며, 유해 반응생성물의 피크강도는 석회석미분말의 대체율이 증가할수록 크게 나타났다.
- 3) 석회석미분말을 사용한 콘크리트의 압축 및 휨강도 측정 결과, 석회석미분말을 10% 대체한 콘크리트는 OPC와 유사한 강도특성을 나타낸 반면, 30% 대체한 콘크리트는 석회석미분말과 페이스트의 ITZ가 다량으로 생성된 탓으로 인하여 오히려 강도발현이 좋지 않은 결과를 나타내었다.
- 4) 콘크리트의 염소이온 침투저항성에 대한 석회석미분말의 효과는 초기재령에서 부(-)효과를 나타내었으며, 재령의 증가와 더불어 염소이온 침투저항성이 점차적으로 개선되는 현상을 나타내었다. 또, 콘크리트의 염소이온 확산계수는 콘크리트의 강도와 지수함수의 관계를 나타내었으며, 휨강도보다는 압축강도와의 연관성이 좋은 경향을 보였다.
- 5) 종합적으로, 석회석미분말을 사용한 시멘트 경화체의 내해수성은 석회석미분말의 대체율에 의존적임을 알 수 있으며, 본 실험으로부터 약 10%정도의 대체율은 OPC와 비교하여 유사한 강도 및 내해수성을 나타내는 것으로 조사되었다.
- 3이다. LS 대체율이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도 손실량은 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, LS를 시멘트에 대하여 30% 대체한 LSC-30 모르타르의 압축강도 손실량은 360일 및 720일에서 47.
- XRD 분석결과에 따르면, LS의 대체율이 증가함에 따라 9.1o 2θ부근에서 ettringite 및 thaumasite의 중첩 피크의 강도(intensity)도 증가함을 확인할 수 있었다.
- 3배의 높은 확산특성을 나타내었다. 그러나, 재령의 증가와 더불어 LS를 대체한 콘크리트의 염소이온 확산계수는 감소하기 시작하였으며, LS를 10% 대체한 콘크리트와 OPC 콘크리트와의 확산계수 차이가 그다지 크게 나타나지 않았다. 예를 들어 비교하면, 재령 91일에서 LSC-30 콘크리트의 염소이온 확산계수는 9.
- 2%에 비하여 현저하게 높은 값을 나타냄을 알 수 있다. 다시 말해서, LS를 다량으로 사용한 시멘트 모르타르는 해수침식에 대한 화학저항성이 매우 떨어지는 것을 의미하며, 이와 같은 경향은 Fig. 1에서 제시된 모르타르의 표면 성능저하 결과와 대체적으로 잘 일치하였다.
- 그러나, 석회석 미분말을 10% 대체한 LSC-10 모르타르의 팽창은 오히려 OPC 모르타르 비하여 작은 좋은경향을 나타내었다. 다시 말해서, 해수침식에 의한 성능 저하 측면에서 볼 때, 시멘트 대체재료로써 석회석미분말을 적절하게 사용하므로써 OPC와 유사한 내구성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
- 따라서, 해수의 화학적 침식에 의한 시멘트 경화체의 표면 균열, 강도감소, 팽창 등의 성능저하 현상은 해수 중 유해이온과 시멘트 수화물의 화학반응에 의한 ettringite, thaumasite 및 gypsum의 생성과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단되며, LS의 대체율이 클수록 반응생성물의 피크 강도가 크게 검출되는 것으로 나타났다.
- 1) 인공해수 중에 침지한 모르타르의 균열, 단면감소 등 표면 성능저하 현상은 석회석미분말의 대체율에 따라 다르게 나타났다. 또, 모르타르의 압축강도 감소 및 팽창을 측정한 결과, 석회석미분말을 10% 대체한 모르타르는 OPC 모르타르와 유사한 성능을 나타낸 반면 30% 대체한 모르타르는 화학적 침식에 의한 성능저하가 매우 크게 나타남을 확인하였다.
- 4) 콘크리트의 염소이온 침투저항성에 대한 석회석미분말의 효과는 초기재령에서 부(-)효과를 나타내었으며, 재령의 증가와 더불어 염소이온 침투저항성이 점차적으로 개선되는 현상을 나타내었다. 또, 콘크리트의 염소이온 확산계수는 콘크리트의 강도와 지수함수의 관계를 나타내었으며, 휨강도보다는 압축강도와의 연관성이 좋은 경향을 보였다.
- 또한, 15.8˚ 2θ에서 ettringite 단독피크 강도가 LS의 대체율에 의존적인 것으로 나타났으며, gypsum의 피크강도도 LS를 30% 대체한 페이스트 샘플에서 가장 두드러지게 나타나는 것으로 관찰되었다.
- 뿐 만 아니라, LS를 다량으로 포함한 페이스트 샘플은 CaCO3의 영향으로 인하여 calcite의 피크 강도(23.0˚ 및 29.3˚ 2θ)도 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 9이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 재령 7일에서 OPC 콘크리트의 염소이온 확산계수가 16.4☓10-12m2/s로 나타난 반면, LS의 대체율이 10%에서 30%로 증가함에 따라 콘크리트의 염소이온 확산계수는 OPC대비 약 2.2배~3.3배의 높은 확산특성을 나타내었다. 그러나, 재령의 증가와 더불어 LS를 대체한 콘크리트의 염소이온 확산계수는 감소하기 시작하였으며, LS를 10% 대체한 콘크리트와 OPC 콘크리트와의 확산계수 차이가 그다지 크게 나타나지 않았다.
- 7이다. 콘크리트의 휨강도 측정결과는 압축강도 결과와 매우 유사한 경향으로 나타났으며, 특히, 재령 28일에서 LS를 다량으로 사용한 콘크리트(LSC-30)의 휨강도가 OPC에 비하여 다소 작게 나타남을 알 수 있다.
- 이러한 경향은 석회석미분말의 대체율이 높은 모르타르에서 더욱 뚜렷이 나타났다. 특히, LSC-30 모르타르의 경우, 인공해수의 화학적 침식으로 인하여 비교적 큰 단면감소 현상이 나타났으며, 모르타르의 면 부분에서도 극심한 성능저하 현상이 관찰되었다.
- LS 대체율이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도 손실량은 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, LS를 시멘트에 대하여 30% 대체한 LSC-30 모르타르의 압축강도 손실량은 360일 및 720일에서 47.6% 및 70.3%를 나타내므로써, OPC 모르타르의 18.7% 및 42.2%에 비하여 현저하게 높은 값을 나타냄을 알 수 있다. 다시 말해서, LS를 다량으로 사용한 시멘트 모르타르는 해수침식에 대한 화학저항성이 매우 떨어지는 것을 의미하며, 이와 같은 경향은 Fig.
- 8은 ASTM C 1202 실험법에 준하여 측정한 콘크리트의 총통과전하량을 나타낸 것으로써, 재령 및 콘크리트 배합에 따라 다소 상이한 결과가 나타났다. 특히, LS의 대체율이 높은 콘크리트는 초기재령에서 OPC에 비하여 상대적으로 높은 총통과전하량 값을 나타내었다. 예를 들어, LSC-30 콘크리트의 경우, 재령 7일에서 총통과전하량이 약 4498 coulomb으로써 OPC의 약 143%인 반면 재령 28일 및 91일에서는 각각 약 2011 및 1172 coulomb으로써 동일재령 OPC 콘크리트의 약 112% 및 97% 정도로써 나타났다.
- 이 그림에서 알 수 있듯이 침지재령 240일까지 4종류 모르타르의 팽창은 거의 유사하게 나타났으나, 침지재령 360일 이후에서는 LSC-30 모르타르가 나머지 모르타르에 비하여 다소 큰 팽창 값을 나타내기 시작하였다. 특히, 침지재령 720일에서 OPC 모르타르가 약 0.274%의 팽창 값을 나타낸 반면, LSC-30 모르타르는 약 0.725% 정도 팽창하므로써 다량의 석회석 미분말을 사용한 모르타르의 해수침식 대한 저항성은 OPC 모르타르에 비하여 현저하게 떨어지는 것을 확인하였다. 그러나, 석회석 미분말을 10% 대체한 LSC-10 모르타르의 팽창은 오히려 OPC 모르타르 비하여 작은 좋은경향을 나타내었다.
- 본 연구범위에서 강도특성과 확산계수와의 상관관계는 다음 식 (4) 및 (5)와 같이 지수함수의 관계를 나타나는 것으로 조사되었다. 특히, 콘크리트의 염소이온 확산계수는 콘크리트의 휨강도보다 압축강도와 다소 연관성이 높은 것으로 나타났다.
- 휨강도는 LS의 대체율에 따라 다르게 나타남을 확인하였다. 적절한 대체율의 LS를 사용하므로써 콘크리트 중 시멘트-LS 시스템에서 C3A, C3S 등의 수화반응을 촉진시키며, LS의 반응도 촉진되어 강도증진에 유발하는 결과를 가져오게 한다.
후속연구
- 그러나, 실험결과로부터 LS 대체율에 관계없이 4종류 모르타르는 해수침식 저항성이 그다지 우수하지 않음을 알 수 있으며, Tsivilis et al., (2003)의 연구결과와 마찬가지로 석회석미분말을 사용한 시멘트 경화체의 화학적 침식 저항성 향상을 위해서는 포졸란 재료 등 적절한 혼화재료를 사용하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 특히, 해양환경하에서 석회석미분말 사용 콘크리트의 내구성을 평가하기 위하여 석회석미분말의 대체율을 4단계(0, 10, 20 및 30%)로 달리한 모르타르 및 콘크리트의 해수침식 저항성 및 염소이온 침투저항성을 실험적으로 고찰하였다. 본 연구에서 도출되는 결과는 향 후 석회석미분말 사용 콘크리트의 실용화를 위한 기초자료로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 근래에 들어, 산업구조의 고도화에 따른 건설산업의 혁신적인 진보와 더불어 시멘트의 생산량은 크게 증가하고 있으며, 그 이용기술도 획기적으로 발전해 왔다. 뿐 만 아니라, 향 후 사회기반시설 확충에 따른 초고층빌딩, 대단면 지하심도 구조물, 장대교량, 수중도시 등의 건설 프로젝트가 증가하는 등 시멘트의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 이와 같이 시멘트는 그동안 건설산업에 중요한 역할을 수행하였음에도 불구하고 자연 및 지구환경에 대하여 부정적인 재료로써 인식되는 경향이 높아지고 있다.
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