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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 해양구조물에 주로 사용되고 있는 플라이 애시, 고로슬래그 미분말 및 석회석 미분말을 함께 사용한 저탄소 그린콘크리트의 내구 특성에 대한 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- ∅ 100×200 mm 실린더 공시체를 제작하고, 재령 7일, 28일, 90일 습윤양생 후 콘크리트 시료절단기로 절단하였다.
- 석회석 미분말 혼입률 8 %와 플라이 애시 혼입률 25 %로 고정하고, 고로슬래그 미분말을 각각 12 %, 22 % 및 32 %로 하였다.
- 동결융해 종료 cycle은 300 cycle로 하였으며. 동결융해저항성을 측정하기 위하여 매 30 cycle 마다 각 시험체를 고유진동수에 의한 측정방법을 이용하여 동탄성계수를 측정하여 내구성지수를 구하였다.
- 또한 실험변수에 따른 변화를 분석하기 위하여 목표 초기 슬럼프 플로우값 500±50 mm, 공기량 4.5±1.5 %을 얻기 위하여 고성능 AE 감수제를 0.78∼1.0 % 사용하였으며, 배합설계는 Table 8와 같다.
- 화학저항성 시험은 ASTM C 267 규정에 따라 φ 100×200 mm의 원형공시체를 제작하여 28일 동안 기건양생(20 ℃, 50 % RH) 시킨 후 황산 5 %와 염산 5 %, 염화나트륨 10 %, 염화칼슘 10 % 용액에 각각 56일 동안 침전 시킨 후, 7일마다 시험액에서 공시체를 꺼내어 침식되고 약화한 부분을 수돗물로 세척하여 제거한 후, 천으로 닦은 후에 중량변화율을 구하였다. 또한, 화학약품 침지에 따른 콘크리트의 압축강도 변화를 알아보기 위해 침지 재령 28일과 62일, 즉 총재령 56일과 90일에 압축강도 시험을 수행하였다.
- 본 연구는 시멘트 사용량을 줄이고 대체재로 가격이 저렴한 석회석 미분말과 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이 애시를 대량 사용한 저탄소 그린콘크리트에 대한 염소이온투과저항성, 화학저항성, 동결융해저항성을 구명하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 재령 14일 동안 수중양생한 100×100×400 mm 공시체 중심에서의 온도를 2시간 동안 4 ℃에서 －18 ℃로, －18 ℃에서 1시간 정체, 1시간 동안에－18 ℃에서 4 ℃로 상승, 4 ℃에서 1시간 정체시키는 것을 1 cycle로 반복 수행하여, 동결융해 1 cycle 소요시간을 5시간으로 하였다.
- 화학저항성 시험은 ASTM C 267 규정에 따라 φ 100×200 mm의 원형공시체를 제작하여 28일 동안 기건양생(20 ℃, 50 % RH) 시킨 후 황산 5 %와 염산 5 %, 염화나트륨 10 %, 염화칼슘 10 % 용액에 각각 56일 동안 침전 시킨 후, 7일마다 시험액에서 공시체를 꺼내어 침식되고 약화한 부분을 수돗물로 세척하여 제거한 후, 천으로 닦은 후에 중량변화율을 구하였다.
대상 데이터
- 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에 따라 D사 제품의 3종을 사용하였고, 그 화학성분과 물리적 성질은 Table 6과 같다.
- 기준 시험체는 보통 포틀랜드 시멘트만을 사용하여 제작하였으며, 다른 배합은 시멘트의 일부를 석회석 미분말, 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 함께 혼입하여 제작하였다. 각 배합의 잔골재는 중량비로 부순잔골재 3 : 강모래 7, 물-결합재비 47 %,.
- 부순굵은골재와 부순잔골재 및 강모래는 KS F 2527에 규정된 상태로 현장조건을 반영하여 사용하였으며, 그 물리적 성질은 Table 3과 같다.
- 시멘트는 KS F 5201에 규정된 국내 H사 제품의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 그 물리적 성질 및 화학성분은 Table 1, 2와 같다.
- 시편의 두께는 50±2 mm로 하였으며, 시편의 테두리에 콘크리트 보호용 도막제를 코팅 후 확산셀을 구성하여 실험을 실시하였다.
- 콘크리트와 강재에 해로운 영향을 주지 않는 석회석 미분말을 사용하였으며, 그 화학성분과 물리적 성질은 Table 5와 같다.
이론/모형
- 동결융해에 대한 저항성시험은 KS F 2456 (급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법)의 기준 B type인 공기중 동결, 수중융해의 방법으로 실시하였다. 재령 14일 동안 수중양생한 100×100×400 mm 공시체 중심에서의 온도를 2시간 동안 4 ℃에서 －18 ℃로, －18 ℃에서 1시간 정체, 1시간 동안에－18 ℃에서 4 ℃로 상승, 4 ℃에서 1시간 정체시키는 것을 1 cycle로 반복 수행하여, 동결융해 1 cycle 소요시간을 5시간으로 하였다.
- 콘크리트의 내구성 향상과 경제성 제고를 목적으로 물-시멘트 비를 감소시켜 조기강도 발현을 향상시키고 작업성을 확보하기 위하여 KS F 2560의 고성능 AE 감수제를 사용하였으며, 그 일반적 성질은 Table 7과 같다.
- 콘크리트의 염소이온 침투에 대한 저항성을 짧은 시간내에 측정하기 위한 목적으로 KS F 2711 (전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험방법)에 준하여 실시하였다. ∅ 100×200 mm 실린더 공시체를 제작하고, 재령 7일, 28일, 90일 습윤양생 후 콘크리트 시료절단기로 절단하였다.
성능/효과
- 1. 염소이온투과저항성은 재령 28일과 90일에서 OPC를 제외한 모든 배합에서 2,000 coulombs 이하로 약 50 % 이상 높은 투과저항성을 보였고, 장기재령일수록 염소이온투과저항성이 급격히 감소하는 것으로 나타났으며, 복합사용 혼화재의 혼입량이 증가할수록 염소이온투과저항성이 크게 나타났다.
- 2. 화학저항성은 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말의 혼입량이 증가함에 따라 황산과 염산에 대한 저항성이 향상되였으며, 염화나트륨과 염화칼슘은 중량변화가 거의 없는 것으로 나타나, 콘크리트 침식에 영향을 주지 못한 것으로 판단된다.
- 3. 동결융해저항성은 플라이 애시 25 %, 고로슬래그 미분말 12～32 %를 혼입한 C55, C45, C35에서 내구성지수가 98 이상 유지되는 것으로 나타나, 우수한 동결융해저항성을 보였으며, 복합사용 혼화재의 혼입량이 증가할수록 동결융해저항성이 우수하게 나타났다.
- C55와 C45 배합의 경우도 모든 시편이 물-결합재비와 관계없이 통과전하량은 2,062∼2,076 coulombs의 보통 (moderate) 값을 나타내었으나, C35 배합에서는 1,995 coulombs의 낮은 (low) 값을 나타내어 C67 배합의 플라이 애시 사용에 비하여 C35배합의 복합사용 혼화재 사용으로 인한 염소이온투과저항성이 뚜렷한 감소를 나타내었다.
- Fig. 6에서 수중양생한 콘크리트(WC)에 대한 재령 56일 압축 강도비를 살펴보면, 황산의 경우 C67이 71.4 %, C55가 70.7 %, C45는 73.2 %, C35는 73.8 %로 나타났고, 염산의 경우 C67이 59.5 %, C55와 C45는 58.5 %, C35는 59.5 %로 나타났으며, 염화나트륨의 경우 C67과 C55가 102 %, C45는 104.8 %, C35는 102.4 %로 나타났으며, 염화칼슘의 경우 C67만 96.7 %로 나타났고, C55, C45 및 C35가 100 %로 동일하게 나타났다. 황산과 염산의 경우 강도가 수중양생시킨 콘크리트에 비해 약 26～43 % 감소하였고, 염화나트륨과 염화칼슘의 경우에는 오히려 강도가 약 2.
- Fig. 7에서 62일 침전된 재령 90일 압축강도는 황산의 경우 C67～C35에서 41～53 %로 C35가 53 %로 가장 크게 나타났고, 염산의 경우 C45가 36.9 %로 가장 크게 나타났으며, 염화나트륨의 경우는 C55가 97.8 %, 염화칼슘의 경우 C45가 97.8 %로 가장 크게 나타났다.
- Fig. 8에서 보는 바와 같이, OPC 및 복합사용 혼합재의 혼입량에 상관없이 내구성지수가 90 이상으로 우수한 결과를 나타내었다. 이는 배합 시 콘크리트의 공기량을 4.
- 그러나 재령 28일과 90일에서는 OPC를 제외한 모든 배합에서 보통 이하의 염소이온 투과저항성을 보였다. OPC에 비해서플라이 애시 25 %를 혼입한 C67의 재령 28일에서는 투과저항성이 47 %와 90일에서는 54 % 감소하였고, 플라이 애시를 25 % 혼입한 C67과 플라이 애시 25 %와 고로슬래그 미분말 32 %를 혼입한 C35를 비교하면 각각 33 % 및 52 %로 나타났고, 장기 재령일수록 투과성이 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같이 복합사용 혼화재의 혼입량이 증가할수록 염소이온투과저항성이 크게 나타난 것으로 판단된다(Bouzoubaa et al.
- 동결융해사이클에 따른 내구성지수를 보면 플라이 애시 25 %에 고로슬래그 미분말 12 %, 22 %, 32 %를 혼입한 C55, C45, C35의 내구성지수가 각각 98.2, 98.3, 98.9로 고로슬래그 미분말의 혼입량이 증가함에 따라 내구성지수는 증가하였다. 이는 콘크리트의 공기량이 약 5 %로 동결융해저항성에 요구되는 소요공기량이 연행되었기 때문이라 판단된다(Song et al.
- C55와 C45 배합의 경우도 모든 시편이 물-결합재비와 관계없이 통과전하량은 2,062∼2,076 coulombs의 보통 (moderate) 값을 나타내었으나, C35 배합에서는 1,995 coulombs의 낮은 (low) 값을 나타내어 C67 배합의 플라이 애시 사용에 비하여 C35배합의 복합사용 혼화재 사용으로 인한 염소이온투과저항성이 뚜렷한 감소를 나타내었다. 이처럼 C35의 배합은 OPC, C67, C55 및 C45 배합에 비해 염소이온투과저항성이 우수한 것으로 나타났다. 이는 시멘트와의 반응메카니즘이 다른 2종류의 광물질 혼화재 치환효과가 초기에 시멘트의 반응촉진재로 사용되는 혼화제 사용효과에 의해 콘크리트의 수화조직이 치밀하게 충진되었기 때문에 초기재령 7일에서도 염소이온투과저항성이 상대적으로 낮은 특징적인 차이점을 보였다고 할 수 있다 (Sung and Kim, 2011; Hassan et al.
- 한편 플라이 애시만 혼입한 C67의 내구성지수가 95.7로 플라이 애시와 고로슬래그 미분말을 함께 혼입한 C35, C45, C55의 콘크리트가 상대적으로 동결융해저항성이 우수한 결과를 보였다.
- 7 %로 나타났고, C55, C45 및 C35가 100 %로 동일하게 나타났다. 황산과 염산의 경우 강도가 수중양생시킨 콘크리트에 비해 약 26～43 % 감소하였고, 염화나트륨과 염화칼슘의 경우에는 오히려 강도가 약 2.3～4.8 % 증가하였다.
후속연구
- 따라서 플라이 애시, 석회석 미분말 및 고로슬래그 미분말은 저탄소 그린콘크리트의 내구성을 위한 재료로 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
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