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문제 정의
- 본 연구에서는 셰일골재의 콘크리트용 굵은골재로의 활용을 위하여 발수제 및 폴리머를 이용하여 표면코팅에 의한 셰일골재의 성능개선을 검토하였다. 또한 셰일골재의 성능개선 효과를 검토하기 위하여 표면코팅에 따른 밀도, 흡수율, 마모율, 안정성 등 물리적 특성을 평가하였으며, 셰일 골재의 치환율을 0%, 100%로 변화시켜 제조한 콘크리트의 굳지 않은 콘크리트 특성과 재령별 압축 강도, 휨강도 및 동결융해 저항성 등을 평가한 것으로 연구의 결론은 다음과 같다.
- 이에 본 연구에서는 대경권 골재수급 안정화 및 콘크리트용 대체골재 자원 개발의 일환으로 대경권에 널리 분포하고 있는 셰일의 콘크리트용 골재 활용을 위하여 셰일골재의 성능개선을 검토하였다. 선행연구결과를 바탕으로 셰일 골재의 성능개선은 건습반복이 셰일 골재 내구성 저하의 주요 영향인자로 판단하였으며, 성능개선을 위하여 표면코팅을 검토하였다[8,9].
제안 방법
- 셰일골재를 사용한 콘크리트의 동결융해 저항성은 선행 연구결과에서 셰일 골재 치환율이 증가할수록 상대동탄성계수가 급격히 감소하는 것으로 나타났다[8]. 따라서 성능개선 된 셰일 골재를 사용한 콘크리트가 동결융해 저항성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 성능개선 셰일 골재를 100% 사용하여 제조한 콘크리트를 대상으로 상대동탄성계수를 측정하여 Fig. 10에 나타내었다.
- 본 연구에서는 셰일골재의 콘크리트용 굵은골재로의 활용을 위하여 발수제 및 폴리머를 이용하여 표면코팅에 의한 셰일골재의 성능개선을 검토하였다. 또한 셰일골재의 성능개선 효과를 검토하기 위하여 표면코팅에 따른 밀도, 흡수율, 마모율, 안정성 등 물리적 특성을 평가하였으며, 셰일 골재의 치환율을 0%, 100%로 변화시켜 제조한 콘크리트의 굳지 않은 콘크리트 특성과 재령별 압축 강도, 휨강도 및 동결융해 저항성 등을 평가한 것으로 연구의 결론은 다음과 같다.
- 셰일 골재의 코팅은 발수제와 폴리머를 사용하였으며, 코팅방법에 따른 밀도, 흡수율, 마모율, 안정성 등 물리적 특성을 평가하였다. 또한, 성능개선 효과를 검토하기 위하여 셰일 골재의 치환율을 0%, 100%로 변화시켜 제조한 콘크리트의 굳지 않은 콘크리트 특성과 재령별 압축강도, 휨강도 및 동결 융해 저항성을 평가하였다.
- 실험에 사용한 코팅 골재는 적색 셰일과 흑색 셰일을 대상으로 골재의 성능개선을 위하여 발수제에 24시간 침지 후, 24시간 동안 기건상태에서 건조시켜 코팅하였다. 또한, 아크릴계 폴리머의 코팅은 주제와 경화제를 7:1의 비율로 혼합한 후 셰일 골재를 폴리머에 5분간 함침 시킨 후 기건 상태에서 24시간 동안 건조하여 제조하였다. 코팅된 셰일 골재 전경을 Fig.
- 셰일 골재의 성능개선은 골재의 열화에 가장 큰 영향인자인 수분공급의 차단을 고려하였다. 발수제와 폴리머를 이용한 셰일 골재의 표면 코팅을 통하여 수분 접촉을 방지하고자 하였으며, 코팅방법에 따른 셰일 골재의 밀도, 흡수율, 안정성 등을 평가하였다.
- 성능개선 효과를 검토하기 위하여 셰일 골재의 치환율을 0%, 100%로 변화시켜 콘크리트를 제조하였으며, 치환율 변화에 따른 굳지 않은 콘크리트의 특성과 재령별 압축강도, 휨강도 및 동결융해 저항성을 평가하였다.
- 선행연구결과를 바탕으로 셰일 골재의 성능개선은 건습반복이 셰일 골재 내구성 저하의 주요 영향인자로 판단하였으며, 성능개선을 위하여 표면코팅을 검토하였다[8,9]. 셰일 골재의 코팅은 발수제와 폴리머를 사용하였으며, 코팅방법에 따른 밀도, 흡수율, 마모율, 안정성 등 물리적 특성을 평가하였다. 또한, 성능개선 효과를 검토하기 위하여 셰일 골재의 치환율을 0%, 100%로 변화시켜 제조한 콘크리트의 굳지 않은 콘크리트 특성과 재령별 압축강도, 휨강도 및 동결 융해 저항성을 평가하였다.
- 콘크리트 배합은 60l 강제식 믹서를 사용하였으며 혼합수와 시멘트를 먼저 투입하여 페이스트를 제조한 후 굵은 골재, 잔골재 순으로 투입하여 콘크리트를 제조하였다. 각 배치의 혼합수 투입에서부터 배출까지 소요된 시간은 총 4분으로 일정하게 유지하여 콘크리트를 제조하였으며, 배합표를 Table 3에 나타내었다.
- 표면 코팅에 의해 성능개선 된 셰일 골재의 물리적 특성을 검토하기 위하여 발수제 및 폴리머 코팅에 따른 셰일 골재의 밀도 및 흡수율 변화를 측정하였다. 셰일 골재의 코팅방법에 따른 절대건조밀도를 측정하여 Fig.
대상 데이터
- 굵은 골재는 경북 경산시 소재 D산업에서 생산되는 안산암(이하 Plain이라 칭함.)을 기본골재로 사용하였으며, 셰일은 대구시 인근 터파기 공사현장에서 반출되는 흑색 셰일(이하 BS라 칭함.)과 적색 셰일(이하 RS라 칭함.)을 선정하였다. 콘크리트 제조를 위하여 사용한 굵은 골재는 체가름을 통해 표준 입도분포곡선 범위를 맞추어 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 표면코팅제 중 발수제는 국내에서 시판되는 N사의 발수제를 사용하였으며, 폴리머는 아크릴계 폴리머와 아미드(Amide) 경화제를 7:1의 비율로 혼합하여 사용하였다. 실험에 사용된 발수제와 폴리머의 물리적 성질을 Table 1에 나타내었다.
- 실험에 사용한 시멘트는 S사의 분말도 3,426cm2/g의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 밀도 2.61g/cm3, 조립률 2.67인 경북 왜관산 강모래를 사용하였다.
- 실험에 사용한 코팅 골재는 적색 셰일과 흑색 셰일을 대상으로 골재의 성능개선을 위하여 발수제에 24시간 침지 후, 24시간 동안 기건상태에서 건조시켜 코팅하였다. 또한, 아크릴계 폴리머의 코팅은 주제와 경화제를 7:1의 비율로 혼합한 후 셰일 골재를 폴리머에 5분간 함침 시킨 후 기건 상태에서 24시간 동안 건조하여 제조하였다.
- )을 선정하였다. 콘크리트 제조를 위하여 사용한 굵은 골재는 체가름을 통해 표준 입도분포곡선 범위를 맞추어 사용하였다.
성능/효과
- 1. 골재의 절대건조밀도는 모든 골재에서 콘크리트용 굵은 골재의 밀도 사용기준인 2.50g/cm3이상을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 코팅에 의한 셰일골재의 성능개선은 흡수율 저감에 효과적인 것으로 나타났으며, 발수제 코팅에 의한 셰일 골재는 성능개선 전 셰일 골재와 비교하여 약 50%의 흡수율을 감소시키는 것으로 나타났다.
- 2. 마모율은 폴리머 코팅에 의한 경우 RS(F) 12.3%, BS(F) 17.2%의 마모율을 나타내어 성능개선 전 RS 25.0%, BS 30.23%와 비교하여 12.7%와 13.0%의 마모율 감소를 나타내었다. 반면 발수제 코팅의 경우 성능개선 전 골재와 비슷한 마모율을 나타내어 마모율 저감 효과는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 3. 발수제 및 폴리머 표면코팅에 의한 셰일골재의 성능개선은 골재와 시멘트 페이스트 경계면의 분리와 마찰력을 감소시켜, 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량을 각각 20~30mm, 0.6%~0.9%정도 증가시키는 것으로 나타났다.
- 4. 폴리머 코팅 셰일 골재를 사용한 콘크리트의 압축강도는 폴리머 강성에 의한 셰일 골재의 강도 증진의 영향으로 성능개선 전 셰일 골재를 사용하여 제조한 콘크리트와 비교하여 약 22%의 강도증진 효과를 나타내었으며, 발수제 코팅 셰일 골재를 사용한 콘크리트는 발수제의 수분과 반발작용에 의한 골재와 모르타르면의 부착력 감소의 원인으로 성능개선 전 골재를 사용한 콘크리트 보다 약 10%의 강도감소를 나타내었다.
- 5. 발수제 및 폴리머 표면코팅에 의한 셰일골재의 성능개선 후 동결융해 저항성은 발수제의 경우 RS(WR)와 BS(WR)는 180 Cycle에서 55%와 53%의 상대동탄성계수를 나타내어 성능개선 전 셰일 골재를 사용한 콘크리트보다 동결융해 저항성이 낮은 것으로 나타났다. 반면, 폴리머 코팅 셰일 골재를 사용한 콘크리트의 300 cycle 상대동탄성계수는 RS(F)와 BS(F)에서 91%와 88%로 나타나 동결융해 반복에 따른 내구성능 증진에도 효과가 있는 것으로 나타났다.
- Fig. 2에서 골재의 절대건조밀도는 모든 골재에서 콘크리트용 굵은 골재의 밀도 사용기준인 2.50g/cm3이상을 만족하는 것으로 나타났으며, 성능개선 전 셰일 골재인 RS와 BS의 2.60g/cm3과 2.58g/cm3과 비교하여 폴리머 코팅인 RS(F)의 경우 2.55g/cm3 발수제 코팅인 RS(WR)는 2.54g/cm3로 나타났으며, BS(F) 2.54g/cm3, BS(WR) 2.53g/cm3로 나타나 발수제 및 폴리머 코팅 시 약 0.01g/cm3의 밀도감소가 있었으나 모두 밀도기준을 만족하였다.
- 반면 발수제 코팅의 경우 성능개선 전 골재와 비슷한 마모율을 나타내어 마모율 저감 효과는 거의 없는 것으로 나타났다. 또한 안정성은 모든 골재에서 콘크리트용 굵은 골재 사용기준인 12% 이하를 만족하였다.
- 50g/cm3이상을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 코팅에 의한 셰일골재의 성능개선은 흡수율 저감에 효과적인 것으로 나타났으며, 발수제 코팅에 의한 셰일 골재는 성능개선 전 셰일 골재와 비교하여 약 50%의 흡수율을 감소시키는 것으로 나타났다.
- 0%의 마모율 감소를 나타내었다. 반면 발수제 코팅의 경우 성능개선 전 골재와 비슷한 마모율을 나타내어 마모율 저감 효과는 거의 없는 것으로 나타났다. 또한 안정성은 모든 골재에서 콘크리트용 굵은 골재 사용기준인 12% 이하를 만족하였다.
- 7MPa를 나타내어 성능개선 전 골재를 사용한 콘크리트 보다 약 22%의 강도 증진 효과를 나타내었다. 반면 발수제를 코팅한 셰일 골재를 사용한 콘크리트는 RS(WR) 26.5MPa, BS(WR) 24.6MPa를 나타내어 성능개선 전 골재를 사용한 콘크리트 보다 약 10%의 강도감소를 나타내었다. 폴리머로 성능개선 시킨 골재의 사용에 따른 압축강도 증가는 강성이 우수한 폴리머 코팅에 의한 골재 강도의 증가 요인으로 판단되며, 발수제에 의한 성능개선 골재의 사용에 따른 압축강도 감소는 발수제가 수분과의 반발작용에 의한 골재와 모르타르면의 부착력 감소에 의한 원인으로 판단된다.
- 이는 우수한 강성과 부착력을 갖는 폴리머의 골재코팅에 따른 골재의 마모저항성의 증대효과로 판단된다. 반면 발수제에 의한 성능개선 골재의 경우 성능개선 전 골재와 비슷한 마모율을 나타내어 마모율 저감효과는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 반면 폴리머로 코팅된 셰일 골재를 사용한 콘크리트의 300 cycle 상대동탄성계수는 RS(F)와 BS(F)에서 91%와 88%로 나타나 동결융해 반복에 따른 내구성의 저하에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 반면 발수제에 의한 셰일 골재의 코팅은 RS(WR)와 BS(WR)는 180 Cycle에서 55%와 53%의 상대동탄성계수를 나타내어 성능개선 전 셰일 골재를 사용한 콘크리트보다 동결융해 저항성이 낮은 것으로 나타났다.
- 성능개선 전 셰일 골재로 제조한 콘크리트의 동결융해 반복에 따른 상대동탄성계수는 RS와 BS의 경우 반복횟수 120 Cycle부터 상대동탄성계수가 급격히 저하되는 경향을 나타내다가 반복횟수 210 Cycle과 240 Cycle에서 55%와 53%로 나타나 시험을 종료하였다. 반면 폴리머로 코팅된 셰일 골재를 사용한 콘크리트의 300 cycle 상대동탄성계수는 RS(F)와 BS(F)에서 91%와 88%로 나타나 동결융해 반복에 따른 내구성의 저하에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 반면 발수제에 의한 셰일 골재의 코팅은 RS(WR)와 BS(WR)는 180 Cycle에서 55%와 53%의 상대동탄성계수를 나타내어 성능개선 전 셰일 골재를 사용한 콘크리트보다 동결융해 저항성이 낮은 것으로 나타났다.
- 발수제 및 폴리머 표면코팅에 의한 셰일골재의 성능개선 후 동결융해 저항성은 발수제의 경우 RS(WR)와 BS(WR)는 180 Cycle에서 55%와 53%의 상대동탄성계수를 나타내어 성능개선 전 셰일 골재를 사용한 콘크리트보다 동결융해 저항성이 낮은 것으로 나타났다. 반면, 폴리머 코팅 셰일 골재를 사용한 콘크리트의 300 cycle 상대동탄성계수는 RS(F)와 BS(F)에서 91%와 88%로 나타나 동결융해 반복에 따른 내구성능 증진에도 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 발수제 및 폴리머 코팅에 따른 흡수율은 성능개선 전 셰일 골재의 RS와 BS의 흡수율 1.53%와 2.17% 보다 낮은 RS(F) 0.95%, RS(WR) 0.82%, BS(F) 1.13%, BS(WR) 0.98%로 나타났다. 코팅에 의한 셰일 골재의 성능개선은 흡수율 저감에 효과적인 것으로 나타났으며, 특히 발수제는 성능개선 전 셰일 골재와 비교하여 흡수율을 약 50%감소시키는 것으로 나타났다.
- 발수제 및 폴리머 표면코팅에 따른 안정성은 모든 골재에서 콘크리트용 굵은 골재 사용기준인 12% 이하를 만족하였으며, 성능개선 전 셰일 골재의 RS와 BS의 7%와 8% 비교하여 적색셰일인 경우 RS(F)는 4%, RS(WR)는 5%로 나타났으며, 흑색셰일인 BS(F)는 5%, BS(WR)는 6%의 안정성을 나타내었다.
- 발수제에 의한 성능개선 셰일 골재의 슬럼프는 성능개선 전의 셰일 골재보다 약 20∼30mm 높게 나타났다.
- 성능개선 셰일 골재의 동결융해 저항성 평가결과 폴리머로 코팅한 골재의 경우 동결융해 반복에 따른 셰일 골재 층리의 박리성에 저항하는 폴리머의 보강효과로 판단되며, 발수제로 코팅한 골재는 골재 자체의 흡수율 감소에는 효과가 우수하였으나 콘크리트 제조 시 수분과의 반발작용에 의한 골재와 모르타르와의 부착력 감소에 기인하여 동결융해 저항성 또한 감소하는 것으로 판단된다.
- 성능개선 전 골재의 재령 28일 압축강도는 RS 29.6MPa, BS 27.4MPa를 나타내었으며, 폴리머로 코팅된 셰일 골재를 사용한 콘크리트는 RS(F) 35.9MPa, BS(F) 33.7MPa를 나타내어 성능개선 전 골재를 사용한 콘크리트 보다 약 22%의 강도 증진 효과를 나타내었다. 반면 발수제를 코팅한 셰일 골재를 사용한 콘크리트는 RS(WR) 26.
- 성능개선 전 셰일 골재로 제조한 콘크리트의 동결융해 반복에 따른 상대동탄성계수는 RS와 BS의 경우 반복횟수 120 Cycle부터 상대동탄성계수가 급격히 저하되는 경향을 나타내다가 반복횟수 210 Cycle과 240 Cycle에서 55%와 53%로 나타나 시험을 종료하였다. 반면 폴리머로 코팅된 셰일 골재를 사용한 콘크리트의 300 cycle 상대동탄성계수는 RS(F)와 BS(F)에서 91%와 88%로 나타나 동결융해 반복에 따른 내구성의 저하에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 셰일 골재의 발수제 및 폴리머 코팅에 따른 공기량은 발수제를 코팅한 BS(WR)와 RS(WR)의 경우 6.0%와 5.4%으로 가장 높은 공기량을 나타내어 발수제를 코팅하지 않은 셰일 골재(RS, BS)보다 각각 0.6%와 0.9%의 공기량 증가를 나타내었다.
- 셰일 골재의 성능개선 방법에 따른 슬럼프 특성은 BS에서 130mm로 가장 낮게 나타났으며, RS(WR)에서 175mm로 가장 높게 나타났다. 발수제에 의한 성능개선 셰일 골재의 슬럼프는 성능개선 전의 셰일 골재보다 약 20∼30mm 높게 나타났다.
- 0MPa로 가장 낮게 나타났다. 셰일 골재의 성능개선에 따른 휨 강도 특성을 살펴보면 폴리머로 성능개선 된 골재를 사용한 콘크리트의 경우 RS(F)에서 4.9MPa, BS(F)에서 4.6MPa로 나타나 성능개선 전 골재를 사용한 콘크리트의 RS 4.5MPa, BS 4.2MPa보다 각각 0.4MPa의 휨강도 증가를 나타내었다.
- 재령 28일 휨강도 특성은 Plain에서 5.0MPa로 가장 높게 나타났으며, 흑색셰일을 발수제로 코팅하여 제조한 BS(WR)에서 3.0MPa로 가장 낮게 나타났다. 셰일 골재의 성능개선에 따른 휨 강도 특성을 살펴보면 폴리머로 성능개선 된 골재를 사용한 콘크리트의 경우 RS(F)에서 4.
- 98%로 나타났다. 코팅에 의한 셰일 골재의 성능개선은 흡수율 저감에 효과적인 것으로 나타났으며, 특히 발수제는 성능개선 전 셰일 골재와 비교하여 흡수율을 약 50%감소시키는 것으로 나타났다.
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