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문제 정의
- 본 연구에서는 대표적인 광물질 혼화재료인 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 사용한 교면 덧씌우기용 고성능 콘크리트의 알칼리-실리카 반응에 대한 팽창 저감효과를 평가하기 위해 반응성으로 판정된 골재를 대상으로 배합 조건별로 시편을 제작한 후 ASTM C 1260에 따라 Fig.3과같이 재령 28일까지 모르타르 봉의 길이변화를 측정하였다.
- 본 연구에서도 자원 재활용과 이산화탄소 배출 저감을 고려한 고성능 콘크리트 개발의 일환으로서 분말도가 4,000 ~ 5,000 ㎠/g 범위에 있는 고로슬래그 미분말과 Type 2종 플라이애쉬를 사용한 3성분계 콘크리트에 대해 역학적, 자기수축거동 특성 및 내염, 내알칼리골재반응 특성 등에 대한 성능을 평가하여 교면 덧씌우기용 고성능 콘크리트로의 활용 가능성을 검토하고자 한다.
제안 방법
- 각각 φ100×200 mm 원주형 공시체, 150×150×550 mm 각주형 공시체를 제작하여 재령 7일과 28일에 3개씩 실험을 실시하였다.
- 몰드의 바닥과 양단에 1 mm 두께의 테프론 시트를 깔아서 공시체의 이동이 몰드에 구속을 받지 않도록 하였다. 그 다음 게이지플러그를 몰드 축에 일치하도록 몰드 양쪽 자유단에 설치하고 콘크리트를 타설한 다음 표면에서의 수분 증발 및 흡수를 방지하기 위하여 폴리에스테르 필름으로 덮었다. 콘크리트의 자기수축은 외부로부터 수분 공급이 없을 경우 수화반응이 진행됨에 따라 공극내의 상대습도가 감소하면서 발생하는 체적감소로서, 물-결합재비(W/B)가 낮고 슬래그 사용량이 많은 콘크리트일수록 자기수축이 크게 발생하여 재령 초기에서의 균열 발생 가능성이 커진다.
- 내구성이 우수한 교면 덧씌우기용 고성능 콘크리트로의 활용을 위해 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬 등의 광물질 혼화재를 이용하여 콘크리트의 역학 특성과 자기수축 특성 및 내구특성을 실험을 통하여 평가한 결과는 다음과 같다.
- 콘크리트의 자기수축은 외부로부터 수분 공급이 없을 경우 수화반응이 진행됨에 따라 공극내의 상대습도가 감소하면서 발생하는 체적감소로서, 물-결합재비(W/B)가 낮고 슬래그 사용량이 많은 콘크리트일수록 자기수축이 크게 발생하여 재령 초기에서의 균열 발생 가능성이 커진다. 따라서 본 연구에서는 고로슬래그 미분말을 사용하는 교면 덧씌우기용 콘크리트의 자기수축량을 예측하기 위해 온도가 20℃, 상대습도가 50%가 유지되는 항온항습조건에서 몰드를 방치하고, 분해능이 1/1000 mm인 다이얼게이지를 몰드 양단 게이지플러그에 부착하여 배합 조건별로 재령 56일까지 측정하였다. 콘크리트 자기수축은 시멘트의 수화반응이 시작되면 일어나므로 콘크리트의 초결 시간이 일어나는 시점을 측정하여 이를 기준으로 하였다.
- 알칼리골재 잠재반응에 대한 저항성 평가를 위해 알칼리-실리카 반응성이 있는 것으로 판정된 골재를 대상으로 배합 조건별로 시편을 제작한 후 ASTM C 1260에 따라 알칼리 잠재반응에 의한 모르타르 길이변화를 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다.
- 제설제 및 외부 환경에 의한 염화물 이온에 대한 저항성평가를 위해 배합 조건별로 시편을 제작하여 재령 28일과 56일에서 ASTM C 1202에 의한 염소이온침투저항성과 NT Build 492T에 의한 염소이온확산계수 시험을 진행하였으며, 그 결과를 Fig 6에 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 고로슬래그 미분말을 사용하는 교면 덧씌우기용 콘크리트의 자기수축량을 예측하기 위해 온도가 20℃, 상대습도가 50%가 유지되는 항온항습조건에서 몰드를 방치하고, 분해능이 1/1000 mm인 다이얼게이지를 몰드 양단 게이지플러그에 부착하여 배합 조건별로 재령 56일까지 측정하였다. 콘크리트 자기수축은 시멘트의 수화반응이 시작되면 일어나므로 콘크리트의 초결 시간이 일어나는 시점을 측정하여 이를 기준으로 하였다.
- 콘크리트의 내염성능을 평가하는 방법은 여러 가지가 있지만 본 연구에서는 Fig.2과 같이 가장 널리 사용되고 있는 전기전도도에 의한 염소이온 침투저항성 시험(ASTM C 1202)과 염소이온 침투깊이에 의한 염소이온 확산계수 시험(NT Build 492T) 두가지 방법을 사용하였으며, 배합 조건별로 재령 28일과 56일에 측정하였다.
- 콘크리트의 배합조건은 배출 후 슬럼프 180±25 ㎜, 공기량 6.0±1.0 %, 단위결합재량 426 kg/㎥로서 물-결합재비 40%이하, 28일 압축강도 40 ~ 45 MPa, 휨 강도 6.5 ~ 7.0 MPa를 만족하도록 배합하였다.
대상 데이터
- Fig.1과 같이 양단 중심에 구멍이 뚫린 100×100×400 mm의 철제 각주형 몰드를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 시멘트는 보통포틀랜드시멘트(국내 H사), 수경성 광물질 혼화재료로서 고미분말의 고로슬래그 분말(Type 3종, S사)과 2종 플라이애쉬(S사)를 사용하였으며, 혼화제(국내 D사)는 폴리카르본산계 고성능 감수제와 빈졸계 AE제를 사용하였다. 또한 잔골재는 태안산 세척사(밀도 2.59), 굵은골재는 최대치수 13mm의 경기도 화성 비봉산 부순골재(밀도 2.62)를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 시멘트는 보통포틀랜드시멘트(국내 H사), 수경성 광물질 혼화재료로서 고미분말의 고로슬래그 분말(Type 3종, S사)과 2종 플라이애쉬(S사)를 사용하였으며, 혼화제(국내 D사)는 폴리카르본산계 고성능 감수제와 빈졸계 AE제를 사용하였다. 또한 잔골재는 태안산 세척사(밀도 2.
이론/모형
- 고성능 콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위하여 KS F 2405에 의한 압축강도와 KS F 2408에 의한 휨강도를 측정하였다.
- 콘크리트 자기수축 시험방법은 현재 국내에 특별한 규정이 마련되어 있지 않아 일본콘크리트 공학협회의 자기 수축 위원회에서 제시한 방법에 따라 측정하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 결합재 혼합조건별 압축강도, 휨강도 특성은 OPC 단독조건(P100S0F0)에 비해 슬래그 분말 15%, 플라이애쉬 10~ 15% 조건이 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 2) 자기수축 특성은 OPC 단독조건에 비해 광물질 혼화재를 사용하는 것이 수축량이 감소하며, 고로슬래그 미분말보다는 플라이애쉬가 자기수축저감에 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 3) 내염 특성은 슬래그 치환량이 높을수록 우수하며, 플라이애쉬 치환량은 56일 장기재령 양생 후에 내염성 향상에 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 4) 내알칼리골재반응 특성은 결합재 대비 고로슬래그분말과 플라이애쉬의 치환량이 높을수록 콘크리트의 알칼리성을 저하시키는 효과로 인해 알칼리반응에 대한 저항성이 크게 증대되어 알칼리골재 잠재반응에 의한 팽창량도 OPC 단독조건에 비해 약 1/3 수준으로 저감되는 것으로 나타났다.
- 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬를 치환한 콘크리트는 시멘트 단독 사용조건에 비해 염화물 이온의 침투에 대한 저항 성능이 약 2배 이상 우수한 것으로 나타났다.
- 또한 광물질 혼화재료를 치환 사용 하는 3성분계에서는 초기재령 에서의 자기수축 변형률이 OPC 단독조건보다 모두 낮게 나타나고 있으나 재령 경과에 따라 증가되는 기울기는 커지고 있다. 광물질 혼화재 중에서 도 고로슬래그미분말의 치환량이 높을수록 장기 재령에서의 자기 수축량이 높아지고 플라이애쉬의 치환량이 많을수록 작아지는 경향을 보이고 있어, 자기건축 저감 측면에 서는 고로슬래그 미분말보다는 플라이애쉬가 효과가 있는 것으로 나타났다. 이는 장기재령에서는 고로슬래그분말의 치환율이 높을수록 잠재수경성반응으로 강도증진에 따라 자기수축 변형률이 커지는 것으로 판단된다.
- 동일한 배합조건에서 결합재 혼합비율에 따른 압축강도, 휨강도 특성은 OPC 단독조건과 비교할 때 Slag 15% 조건에서 Fly-ash를 첨가한 배합이 Slag 30% 조건보다 우수한 것으로 나타났다. 또한 Fly-ash의 혼합량이 증가할수록 포졸란 반응에 의한 초기 수화반응 지연으로 초기강도는 저하되나 장기강도에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 동일한 배합조건에서 결합재 혼합비율에 따른 압축강도, 휨강도 특성은 OPC 단독조건과 비교할 때 Slag 15% 조건에서 Fly-ash를 첨가한 배합이 Slag 30% 조건보다 우수한 것으로 나타났다. 또한 Fly-ash의 혼합량이 증가할수록 포졸란 반응에 의한 초기 수화반응 지연으로 초기강도는 저하되나 장기강도에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 시험결과 알칼리 반응성이 큰 골재에 OPC단독 사용조건은 팽창량 0.44%로 매우 높게 나타나는데 반해 3성분계 혼합 사용조건은 1/4이하로 팽창량이 크게 감소하고 있으며, 광물질 혼화재의 사용량이 증가할수록 골재의 알칼리 반응에 대한 저항성 효과는 크게 나타났다.
- 전체 결합재량은 동일한 조건에서의 실험결과이며, 시멘트를 단독 사용하는 OPC 조건에서 자기건조수축 변형률이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 광물질 혼화재료를 치환 사용 하는 3성분계에서는 초기재령 에서의 자기수축 변형률이 OPC 단독조건보다 모두 낮게 나타나고 있으나 재령 경과에 따라 증가되는 기울기는 커지고 있다.
- 콘크리트의 내염특성 시험결과 염소이온침투저항성 및 염소이온 확산계수의 수치가 결합재 대비 슬래그분말의 치환량이 높을수록 감소하고 있으며, 플라이애쉬 치환량은 56일 장기재령 양생후에 내염성이 향상되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 5) 3성분계 결합재를 사용한 교면 덧씌우기용 고성능 콘크리트를 현장에 적용하기 위한 최적 배합 도출을 위해 동결융해 저항성, 스켈링 저항성 등의 추가적인 내구성능에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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