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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 ASTM C 1260 실험방법을 통해 시멘트의 알칼리 함량 변화에 따른 모르타르 시편의 팽창률 추이를 분석하고, 이를 통해 이 실험방법이 시멘트의 알칼리 함량 기준을 설정하는데 활용될 수 있는지 여부를 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 골재의 ASR 반응성 평가에 가장 많이 사용되고 있는 ASTM C 1260 실험방법이 시멘트의 알칼리 함량 기준을 설정하는데 활용될 수 있는지 여부를 평가하였으며, 그 결과는 아래와 같다.
제안 방법
- 본 연구에서는 시멘트의 알칼리 함량 변화에 따른 ASR 반응성 평가를 위해, 알칼리 함량이 다른 시멘트 2 종류, 골재는 3종류를 사용하였으며, 플라이애시 치환율을 0%, 10%, 20%로 나누어 실험을 진행하였다. ASR 반응성 평가실험은 ASTM C 1260 방법1)을 사용하였으며, Table 1은 본 연구의 실험변수를 나타내고 있다.
- ASR 반응성 평가실험은 ASTM C 1260 방법1)을 사용하였으며, Table 1은 본 연구의 실험변수를 나타내고 있다. 또한 각각의 골재에 대해서는 편광현미경분석, XRD, XRF 분석을 실시하여 광물의 성분분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 각각의 골재에 대하여 편광현미경 (polarization microscope) 분석, XRD(X-ray Diffraction), XRF(X-ray Fluorescene) 분석을 실시하였다. 편광현미경 분석의 경우 박편을 떠야 진행을 할 수 있으므로 잔골재는 분석에서 제외하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 시멘트의 알칼리 함량에 따른 영향을 평가하기 위해 S사에서 제조된 1종 일반시멘트와 1종 저알칼리시멘트를 사용하였다. 플라이애시는 경기도 인근 화력발전소에서 나온 석탄회를 사용하였다.
- 본 연구에서는 시멘트의 알칼리 함량에 따른 영향을 평가하기 위해 S사에서 제조된 1종 일반시멘트와 1종 저알칼리시멘트를 사용하였다. 플라이애시는 경기도 인근 화력발전소에서 나온 석탄회를 사용하였다. Table 2는 본 연구에서 사용된 시멘트와 플라이애시의 화학성분비를 나타내고 있다.
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2. 골재
골재로는 전라도 인근에서 채취한 잔골재(No. 4#, 세척사)와 경기도 및 충청도 인근 석산에서 채취한 굵은골재를 사용하였다
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이론/모형
- 04%를 초과할 경우 저알칼리시멘트를 반드시 사용하도록 규정하고 있다. 과거 시멘트의 알칼리 함량에 따른 팽창률 비교는 ASTM C 227(모르타르 봉 방법)에 의해 이루어졌으며, Fig. 1에서 나타낸 것과 같이 알칼리 함량의 차이가 팽창률에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 그러나 ASTM C 1260 실험방법은 시편을 높은 온도의 알칼리 용액에 수침시켜 길이변화를 측정하는 것으로, 시멘트 알칼리 함량의 변화에 따른 팽창률의 변동성을 측정할 수 있는지 아직 확인된 바 없다.
- 본 연구에서는 시멘트의 알칼리 함량 변화에 따른 ASR 반응성 평가를 위해, 알칼리 함량이 다른 시멘트 2 종류, 골재는 3종류를 사용하였으며, 플라이애시 치환율을 0%, 10%, 20%로 나누어 실험을 진행하였다. ASR 반응성 평가실험은 ASTM C 1260 방법1)을 사용하였으며, Table 1은 본 연구의 실험변수를 나타내고 있다. 또한 각각의 골재에 대해서는 편광현미경분석, XRD, XRF 분석을 실시하여 광물의 성분분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 ASTM C 1260에 준하여 ASR 실험을 진행하였으며, 실험절차는 다음과 같다(Fig. 2 참조).
성능/효과
- 3에 나타내었다. 분석결과, 안산암질암(중성맥암)으로 판정되었으며, 석재암편으로서 화산암편(안산암), 변성암편 (편암, 편마암)으로 대부분 관찰됨을 확인할 수 있었다. 구성광물은 사장석, 석영, 견운모, 녹니석, 방해석, 불투명광물로 나타났으며, 이 중에서 석영은 2차적으로 주로 석기에서 나타나고, 파동 소광(undulatory extinction) 과 함께 세립의 결정으로 관찰되었다.
- 분석결과, 안산암질암(중성맥암)으로 판정되었으며, 석재암편으로서 화산암편(안산암), 변성암편 (편암, 편마암)으로 대부분 관찰됨을 확인할 수 있었다. 구성광물은 사장석, 석영, 견운모, 녹니석, 방해석, 불투명광물로 나타났으며, 이 중에서 석영은 2차적으로 주로 석기에서 나타나고, 파동 소광(undulatory extinction) 과 함께 세립의 결정으로 관찰되었다.
- 굵은골재Ⅱ는 성분분석에서 SiO2 함량이 높게 나왔고, 편광현미경 분석에서 석영이 파동소광형태로 관찰되었으며, ASR 실험결과에서‘유해’ 판정결과를 볼 때, 이 성분들이 비결정형 구조를 띠는 반응성 실리카(reactive silica)인 것으로 추정된다.
- XRF 분석을 통해 각 시료별 구성성분을 Table 3와 같이 나타내었다. 분석결과, 세 개의 시료 모두 SiO2함량이 높지만 그 중에서 잔골재가 가장 높은 것으로 나타났다.
- 이에 반해 굵은골재 Ⅱ는 편광현미경과 XRD 분석 모두에서 석영이 관측되었다. 잔골재는 XRD 분석에서 석영이 관측되었으며, XRF 분석에서 SiO2 함량이 약 80% 정도 나타나 비교 샘플 중 가장 크게 나타났다. 물론 석영의 결정질 형태에 따라 ASR 반응 여부는 달라질 수 있다.
- 또한 굵은골재Ⅰ은 ASTM 기준으로 ‘무해’ 판정이 나왔으며, 이 골재에 저알칼리시멘트를 사용하여도 여기서 제시된 기준값 0.04% 이하를 만족시키지 못한 것으로 보아, 플라이애시를 치환하지 않고 28일에 팽창률 0.04% 이하를 만족 시키는 것이 상당히 어렵다고 판단된다.
- 특히 ASR에 ‘유해’한 것으로 판정된 굵은골재 Ⅱ의 경우 플라이애시 치환에 따른 팽창률 감소폭이 가장 크게 나타났으며, 플라이애시 20% 치환 시 팽창률이 0.05% 이하를 나타내어 ASR을 충분히 억제시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- 또한 굵은골재 Ⅱ의 경우에는 이와 정반대로 저알칼리 시멘트의 팽창률이 전반적으로 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 ASTM C 1260 실험방법으로 ASR 반응성을 평가할 경우 시멘트의 알칼리 함량 변화가 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. ASTM C 1260은 실험과정 중 시료를 충분한 알칼리 용액에 노출시켜 고온에서 촉진시키는 실험방법이기 때문에, 시멘트의 알칼리 함량이 크게 영향을 주지 못한 것으로 판단된다.
- 12는 플라이애시 치환율별 팽창률 추이를 분석한 것이다. 플라이애시 치환율 증가 시 전체적으로 팽창률이 감소하고 있어, 플라이애시가 ASR 반응성을 억제시키는 것으로 나타났다. 특히 ASR에 ‘유해’한 것으로 판정된 굵은골재 Ⅱ의 경우 플라이애시 치환에 따른 팽창률 감소폭이 가장 크게 나타났으며, 플라이애시 20% 치환 시 팽창률이 0.
- 1. 본 연구에서 사용된 골재들은 ASTM 기준으로 굵은 골재 Ⅰ은 ASR에 대하여 ‘무해’, 굵은골재 Ⅱ는 ‘유해’, 잔골재는 ‘무해 또는 유해’로 판정되었으며, UFGS 기준으로 모든 골재가 ‘유해’한 것으로 판정되었다.
- 2. ASTM C 1260 실험을 통해 일반시멘트와 저알칼리 시멘트에 대한 팽창률을 비교한 결과, 시멘트의 알칼리 함량 변화가 팽창률에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. 이는 ASTM C 1260 방법이 실험과정 중 시료를 충분한 알칼리 용액에 노출시켜 고온에서 촉진시키기 때문에, 시멘트의 알칼리 함량이 크게 영향을 주지 못한 것으로 판단된다.
- 3. UFGS 32 13 11 시방서에서는 ASTM C 1260을 통해 28일에 팽창률 0.04% 이하를 만족하지 못하면 저알칼리 시멘트를 사용하도록 되어있는데, 이 실험 방법으로 시멘트 타입을 결정하는 것은 한계가 있을 것으로 판단된다.
- 5. 일반시멘트와 저알칼리시멘트에 상관없이 플라이애시를 20% 치환할 경우 본 연구에서 검토된 골재들이 ASTM, UFGS 기준을 모두 만족하는 것으로 판정되어, ASR을 충분히 억제할 수 있는 것으로 나타났다.
- 그러나 UFGS 32 13 11 시방서에서는 골재의 ASR 반응성 여부에 대한 기준치를 28일에 팽창률 0.08% 미만으로 규정하고 있으며, 이 기준을 적용할 때 위의 골재에 대한 ASR 반응성은 모두 ‘유해’한 것으로 판정될 수 있어, 지나치게 보수적인 측면이 있는 것으로 판단된다.
- 특히 일반시멘트와 저알칼리시멘트를 사용여부에 상관없이 플라이애시 20%를 치환할 경우, 해당 골재들에 대하여 ASTM, UFGS 기준 모두 ‘무해’ 판정을 나타내었다.
- 3에 나타내었다. 본 분석결과 굵은골재Ⅰ은 규장질 편마암으로 판정이 되었으며, 주 구성광물은 석영, 사장석, 흑운모이며, 부 구성광물은 미사장석, 백운모, 견운모, 규선석, 불투명광물로 확인되었다. 이중에서 석영은 중립 내지 조립의 결정으로 또는 재결정된 세립의 결정으로 산출되었다.
후속연구
- 골재의 성분분석을 통해, 해당 골재의 ASR 반응성 여부를 정확히 판단하기는 어렵다. 하지만, 이와 같은 결과는 ASR 모르타르 실험결과에 대한 원인규명을 하는데 기초자료로 활용될 수 있다.
- 서론에서 언급한 UFGS 32 13 11 시방서에서는 이 ASTM C 1260을 통해 28일에 팽창률 0.04% 이하를 만족하지 못하면 저알칼리 시멘트를 사용하도록 되어있는데, 이 실험방법으로 시멘트 타입을 결정하는 것은 한계가 있을 것으로 판단된다. 또한 굵은골재Ⅰ은 ASTM 기준으로 ‘무해’ 판정이 나왔으며, 이 골재에 저알칼리시멘트를 사용하여도 여기서 제시된 기준값 0.
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