인공경량골재의 입도에 따른 고강도 경량콘크리트의 강도변화에 대한 실험적 연구 An Experimental Study for the Strength Variations of High-strength Lightweight Concrete According to Grain-size of Artificial Lightweight Aggregate원문보기
최근 구조물들이 대형화됨으로써 보통 콘크리트를 사용할 경우 강도 및 내구성에 비하여 중량이 크다는 결점으로 인해 콘크리트 구조물의 설계 및 시공의 안정에 제약을 주게 된다. 이러한 결점을 개선하기 위해서는 자중이 작고 강도가 큰 경량콘크리트가 요구되나, 국내에서는 실용화를 위한 연구가 아직 미비한 실정에 있다. 일반적으로 고온에서 소성시켜 제조된 인공골재는 골재가 팽창되어 내부에 무수한 기포를 가지게 된다. 따라서 골재의 크기에 따라 이들의 기포가 경량콘크리트 비중과 강도에 미치는 영향 연구가 필요하다. 본 연구에서는 국내에서 개발된 화력발전소 폐기물과 점토를 고온에서 소성, 팽창시켜 만든 인공경량골재의 입도별 배합설계를 실시하고 실험을 통하여 경량콘크리트의 비중 및 강도변화를 비교 고찰했다. 또한 경량콘크리트의 고강도 발현을 위한 인공경량골재의 최적 입도비를 제안하였다.
최근 구조물들이 대형화됨으로써 보통 콘크리트를 사용할 경우 강도 및 내구성에 비하여 중량이 크다는 결점으로 인해 콘크리트 구조물의 설계 및 시공의 안정에 제약을 주게 된다. 이러한 결점을 개선하기 위해서는 자중이 작고 강도가 큰 경량콘크리트가 요구되나, 국내에서는 실용화를 위한 연구가 아직 미비한 실정에 있다. 일반적으로 고온에서 소성시켜 제조된 인공골재는 골재가 팽창되어 내부에 무수한 기포를 가지게 된다. 따라서 골재의 크기에 따라 이들의 기포가 경량콘크리트 비중과 강도에 미치는 영향 연구가 필요하다. 본 연구에서는 국내에서 개발된 화력발전소 폐기물과 점토를 고온에서 소성, 팽창시켜 만든 인공경량골재의 입도별 배합설계를 실시하고 실험을 통하여 경량콘크리트의 비중 및 강도변화를 비교 고찰했다. 또한 경량콘크리트의 고강도 발현을 위한 인공경량골재의 최적 입도비를 제안하였다.
In recent days, while taller and more massive structures such as huge bridges and super skyscrapers have been welcomed, the structural stabilization in design and construction have been gradually limited due to the major weakness of current concrete which is relatively heavier when compared with its...
In recent days, while taller and more massive structures such as huge bridges and super skyscrapers have been welcomed, the structural stabilization in design and construction have been gradually limited due to the major weakness of current concrete which is relatively heavier when compared with its strength. To improve the weakness of the current concrete, The lightweight concrete with light weight and high strength should be used; however, not many researchers in Korea have studied on the lightweight concrete. Generally, artificial lightweight aggregate produced through high-temperature-plasticization has a possibility of its body-expansion with many bubbles. Therefore, depending on the size of aggregate, the effects of bubbles on the specific weight and strength of the lightweight concrete should be studied. In this study, considering grain-size, the mix design of the artificial lightweight aggregate produced through the high-temperature-plasticization and the body-expansion of waste and clay from the fire power plant in Korea was conducted. The experiment to analyze the variation in specific weight and strength of the lightweight concrete was followed. From these experiments, the optimized grain-size ratio of the artificial lightweight aggregate for the enhancement of high-strength from the lightweight concrete was revealed.
In recent days, while taller and more massive structures such as huge bridges and super skyscrapers have been welcomed, the structural stabilization in design and construction have been gradually limited due to the major weakness of current concrete which is relatively heavier when compared with its strength. To improve the weakness of the current concrete, The lightweight concrete with light weight and high strength should be used; however, not many researchers in Korea have studied on the lightweight concrete. Generally, artificial lightweight aggregate produced through high-temperature-plasticization has a possibility of its body-expansion with many bubbles. Therefore, depending on the size of aggregate, the effects of bubbles on the specific weight and strength of the lightweight concrete should be studied. In this study, considering grain-size, the mix design of the artificial lightweight aggregate produced through the high-temperature-plasticization and the body-expansion of waste and clay from the fire power plant in Korea was conducted. The experiment to analyze the variation in specific weight and strength of the lightweight concrete was followed. From these experiments, the optimized grain-size ratio of the artificial lightweight aggregate for the enhancement of high-strength from the lightweight concrete was revealed.
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문제 정의
본 연구는 인공경량골재의 치수별 또는 치수별 혼합비에 따라 콘크리트의 단위중량 및 압축강도 변화에 대한 실험적 연구로 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 국내에서 생산되는 인공경량골재를 사용하여 골재의 입도별 경량콘크리트의 배합설계를 제시하고 실험을 통하여 골재의 입도에 따른 경량콘크리트의 단위중량 및 강도 변화를 비교 분석하여 고강도 발현을 위한 인공골재의 최적 입도비를 제안하고자 한다.
제안 방법
(2) 콘크리트 압축강도 시험은 KS F 2405에 준하여 Ø10 × 20 cm의 원주형 공시체를 사용, 강도 측정은 7일(1조),28일(3조),91일(1조)씩 제작하고, 재령기간별 만능 재료 시험기(UTM)를 이용하여 압축파괴시험을 실시하였다.
본 연구의 목적달성을 위하여 국내외의 경량골재의 치수별(Case-1), 또한 치수 혼합비(Case-2,3)에 따른 경량콘크리트의 압축강도 시험을 실시하여 골재의 입도별 콘크리트 강도를 비교 분석하고, 또한 고강도 발현을 위한 최적 입도비를 도출한다. 그리고 사용재료의 기본적인 물성실험과 인공경량골재의 특성에 맞는 용적법을 이용하여 배합설계를 실시하였다.
이리하여 통상의 경우에는 인공경량골재의 배합관리에서 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 사전 침수(Pre-Wetting) 방법을 이용한다. 본 실험에서도 굵은 골재로 사용한 경량골재에 대해서는 수중에 3일간 침수시킨 후 1일간 건조하여 표면건조 상태에서 사용하였다.
본 연구의 목적달성을 위하여 국내외의 경량골재의 치수별(Case-1), 또한 치수 혼합비(Case-2,3)에 따른 경량콘크리트의 압축강도 시험을 실시하여 골재의 입도별 콘크리트 강도를 비교 분석하고, 또한 고강도 발현을 위한 최적 입도비를 도출한다. 그리고 사용재료의 기본적인 물성실험과 인공경량골재의 특성에 맞는 용적법을 이용하여 배합설계를 실시하였다.
대상 데이터
(1) 슬럼프와 단위질량 시험은 KS F 2402와 KS F 2462에 의해 실시하였고, 생콘크리트 비빔은 강제믹서기를 이용하였다.
본 실험에 사용한 국내산 인공경량골재는 Photo 1의 (a)와 같고, 화력발전의 폐기물(저회)과 준설토를 이용하여 고온에서 소성, 팽창 시켜 만든 것으로 골재 내부에 무수한 기포를 가지고 있는 다공질성 골재이다. 국외산은 Photo 1의 (b)같이 화산암의 쇄골재인 미국산 Stalite 골재를 사용하였다. 그 특성은 다음과 같다.
따라서 본 실험에서도 혼화재로 실리카흄을 사용하였으며, 그 물리적 조성은 Table 3과 같다.
본 실험에서는 낮은 물-결합재비에서의 감수효과와 유동성 있는 콘크리트를 제작하기위해 G사의 ADVA 128을 사용했다. 고성능 감수제 및 유동화제 역할을 동시에 해주는 저 점착성 용액이다.
여기서 사용한 잔골재(S)의 비중은 Case-1의 경우 세척한 강모래(조립율:2.7,비중:2.62), Case-2 :표준사(비중:2.36), Case-3 :5mm이하 경량골재(비중:1.87)를 사용하였고, 굵은 골재(G)는 Table 2와 같은 경량골재를 사용하였다. 그리고, 보통 포틀랜트 시멘트(비중:3.
이론/모형
각 Case별 배합설계는 기존 쇄골재의 배합설계표(기준강도120MPa)를 ACI 211-91, 213R-87에서 제시한 자료를 참고로 용적법을 이용하여 Table 5와 6과 같이 결정하였다.8),9),11)
이는 배합물의 일부를 흡수율이 높은 인공경량골재가 흡수하여 콘크리트 타설에 필요한 소요 워커빌리티를 만족하지 못하게 된다. 이리하여 통상의 경우에는 인공경량골재의 배합관리에서 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 사전 침수(Pre-Wetting) 방법을 이용한다. 본 실험에서도 굵은 골재로 사용한 경량골재에 대해서는 수중에 3일간 침수시킨 후 1일간 건조하여 표면건조 상태에서 사용하였다.
콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2405에 의하여 재령기간별 강도시험을 실시하였으며, 그 결과는 다음의 Table 9, 10과 같다.
성능/효과
(1) 실리카흄과 고성능 감수제를 병용해 사용한 결과, 콘크리트의 유동성이 좋아 W/C비를 줄일 수 있고, 단위중량은 시멘트의 약 1/2-1/4정도로 치환량에 따라 콘크리트 단위중량을 감소시킬 수 있었다. 또한 평균입경은 0.
(2) 인공경량골재의 3가지(9.5, 12.5, 18mm)치수 중에 치수가 작은 순서로 콘크리트의 단위중량과 압축강도는 커지며, 이들의 혼합비에 대해서는 작은 치수의 비가 클수록 강도는 좋아지고 큰 골재치수의 비는 높을수록 강도가 현저하게 떨어지는 것으로 나타났다.
Fig. 4에서 보는 바와 같이 잔골재로 표준사를 사용 시모르타르의 28일 강도는 83.73MPa이고, 5mm이하의 경량잔골재를 사용한 경우 모르타르의 28일 강도는 63.31MPa로, 표준사를 사용한 모르타르의 압축강도 보다 24.38% 감소하였고, 91일 강도는 22.15% 로 28일 강도보다 저감하는 경향을 보여 장기강도 발현에는 이점이 있을 것으로 생각된다.
Zang과 Gjrov는 경량콘크리트의 강도에 영향을 주는 가장 큰 인자는 경량골재의 강도라는 결론을 내리고, 유럽산 경량골재에 대해 연구한 결과, 골재 내부의 공극률은 44~59%로 다양했으며, 골재가 클수록 독립기포보다 연속기포로 형성되어 있어 공극률도 크게 된다고 하였다.16),22)
실리카흄을 15% 치환한 경우 국내산 인공경량골재로 제작한 콘크리트 압축강도가 국외산보다 강도 증진율이 더 크게 분석되었다. 그리고 골재치수가 작은 골재 보다 큰 골재일수록 강도 증진 효과가 더 있는 것으로 나타났다.
단위중량 시험은 경화 전 KS F 2409에 맞춰 실시하였고, 경화 후 시험은 KS F 2462에 의해 Photo 2(b)와 같이 실시한 결과 KS 규준(1700∼2000 kg/m3)내에 있음을 확인 할 수 있었다.
실리카흄의 치환율 15%가 10%인 경우보다 단위중량이 더 적은 이유는 실리카흄의 비중이 시멘트 비중보다 더 작기 때문인 것으로 생각된다. 따라서 본 시험에서는 보통 콘크리트에 비해 단위중량이 15~25%가 감소되었다.
(1) 실리카흄과 고성능 감수제를 병용해 사용한 결과, 콘크리트의 유동성이 좋아 W/C비를 줄일 수 있고, 단위중량은 시멘트의 약 1/2-1/4정도로 치환량에 따라 콘크리트 단위중량을 감소시킬 수 있었다. 또한 평균입경은 0.1㎛정도로 SiO2의 함량이 많아 콘크리트 내에서 활성도가 매우 높아 경량골재에 포집되어 공극을 메워 어느 정도의 경량콘크리트 강도를 증진시키는 효과가 있는 것으로 확인 되었다.
본 실험의 결과, 경화 전 단위중량과 경화 후 단위중량의 값이 보통콘크리트보다 작은 차이를 보이는 가장 큰 원인은 W/B비를 17%와 20%로 낮은 W/B비를 적용하였기 때문이다. 그리고 Table 7, 8에서 보는 바와 같이 노건조 단위중량 시험과정에서 일부 측정오차가 있었으나 전반적인 경향분석에는 영향이 없는 것으로 생각된다.
6과 같다. 실리카흄을 15% 치환한 경우 국내산 인공경량골재로 제작한 콘크리트 압축강도가 국외산보다 강도 증진율이 더 크게 분석되었다. 그리고 골재치수가 작은 골재 보다 큰 골재일수록 강도 증진 효과가 더 있는 것으로 나타났다.
특히, 입도별 경량콘크리트의 강도특성을 보면, 경량골재의 치수가 작을수록 강도가 커지고, 치수별 혼합에 대한 강도변화도 적은 치수의 골재비가 클수록 강도는 증가함을 나타내고 있다.
후속연구
따라서 경량콘크리트의 고강도 발현을 위해서는 인공경량골재의 최대치수 크기를 제한하는 것이 필요할 것으로 사료되며, 제시된 골재의 입도비 중에 최적 입도비는 최소치수: 중간치수: 최대치수의 3:2:1로 제안하고, 차후보다 많은 변수에 대하여도 연구 검토 되어야 할 것이다.
이러한 골재를 이용하여 설계자가 요구하는 콘크리트의 배합강도를 얻기 위해서는 사전에 많은 실험을 통하여 콘크리트 강도에 미치는 변수들의 영향이 규명되어 고강도 경량콘크리트용 인공경량골재 개발에 보다 정확한 자료를 제공하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산업 폐기물에는 어떤 것이 있는가?
최근 환경문제가 대두됨에 따라 산업 폐기물(석탄회, 유/무기성 슬러지, 폐분진 등)을 재활용한 인공골재 개발에 많은 관심과 연구가 진행되어 오고 있다.1)∼4),10),14),15),17)
에코인공경량골재의 단점은 무엇인가?
국내에서 화력발전소의 폐기물을 소성화하여 개발한 에코인공경량골재는 자연산 골재 보다 강도가 낮다는 것이 단점이나 이를 사용한 콘크리트의 강도를 증진시킬 수만 있다면 부족한 골재의 수요에 어느 정도 대체해 갈수 있을 것으로 기대된다.
인공경량골재의 치수별 또는 치수별 혼합비에 따라 콘크리트의 단위중량 및 압축강도 변화에 대한 실험의 결과는?
(1) 실리카 흄과 고성능 감수제를 병용해 사용한 결과, 콘크리트의 유동성이 좋아 W/C비를 줄일 수 있고, 단위중량은 시멘트의 약 1/2-1/4정도로 치환량에 따라 콘크리트 단위중량을 감소시킬 수 있었다. 또한 평균입경은 0.1㎛정도로 SiO2의 함량이 많아 콘크리트 내에서 활성도가 매우 높아 경량골재에 포집되어 공극을 메워 어느 정도의 경량콘크리트 강도를 증진시키는 효과가 있는 것으로 확인 되었다.
(2) 인공경량골재의 3가지(9.5, 12.5, 18mm)치수 중에 치수가 작은 순서로 콘크리트의 단위중량과 압축강도는 커지며, 이들의 혼합비에 대해서는 작은 치수의 비가 클수록 강도는 좋아지고 큰 골재치수의 비는 높을수록 강도가 현저하게 떨어지는 것으로 나타났다.
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