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문제 정의
- 본 연구는 분말도가 상이한 3종류 고로슬래그미분말을 사용한 모르타르 및 콘크리트의 강도특성 및 내구성을 실험적으로 고찰한 것으로써, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구는 분말도가 상이한 3종류 고로슬래그미분말을 적용한 시멘트 경화체의 수화생성물, 강도특성 및 내구성을 평가하기 위하여 수행되었으며, 도출된 실험결과를 보통포틀랜드시멘트 경화체와 비교, 고찰하였다. 본 실험에서 얻은 결과는 향후 고성능 콘크리트 구조물 건설에 적용가능할 것으로 판단되며, 합리적인 건설재료 선택을 위한 자료로도 활용될 것으로 기대된다.
제안 방법
- 결합재의 수화특성을 고찰하기 위한 물-결합재비(w/b)가 48.5%인 페이스트를 제조하여 포화 석회수용액(sat. limewater)에 28일간 양생시켰다.
- 또, 매 100 싸이클마다 콘크리트의 압축강도를 측정하였으며, 동결융해작용을 받기 전 콘크리트의 압축강도와 비교하여 압축강도비를 다음 Eq. (2)와 같이 계산하였다.
- 또, 시험용액은 재령이 증가함에 따라 농도가 묽어지는 점을 고려하여, 매 4주마다 새로운 용액으로 교체하였으며, 온도에 의한 영향을 배제하기 위하여 실험기간동안 23±3℃로 일정하게 유지시켜 실험을 수행하였다.
- 5%인 모르타르를 제조하였으며, 화학혼화제는 적용되지 않았다. 사용된 3종류 GBS의 대체율은 50%로 하였으며, 모르타르는 압축강도가 20MPa 이상 발현될 때까지 포화 석회수용액(sat. limewater)에 양생시킨 후, 일부 모르타르 공시체를 꺼내어 황산염용액에 침지시켰다.
- 콘크리트의 통과전하량은 ASTM C 1202에 준하여 두께 50mm의 시험체를 대상으로 하여 측정하였다. 시험체 양단에 60V의 직류전압을 6시간 동안 통전시키면서 시험체에 흐르는 전류를 데이터 로거를 이용하여 30분 간격으로 측정하였으며(Fig. 1), 측정된 전류로부터 시간에 대한 전류의 적분 값을 취하여 Eq. (3)에 의하여 총 통과전하량을 산정하였다.
- 재령 28일의 페이스트를 대상으로 수화생성물을 분석하기 위하여 XRD 분석을 실시하였으며, 측정 조건은 CuKα (Ni filter) : 30kV, 20mA, scanning speed : 2°/min 및 2Θ : 5∼50°로 정하였다.
- 황산염침식 저항성 평가를 위한 실험은 전술한 모르타르 배합으로 제조된 50mm 큐브(강도측정용) 및 25×25×285 mm 각주형(팽창측정용) 공시체를 대상으로 수행되었다. 제조된 모르타르는 7일동안 수중양생 후 초기 압축강도 및 길이를 측정하여 시험용액에 소정의 재령동안 침지시켰다.
- 콘크리트의 강도특성을 고찰하기 위하여 20±3℃에서 수중양생한 ∅100×200mm 원주형 공시체를 대상으로 콘크리트의 압축 및 쪼갬인장강도를 각각 KS F 2405 및 KS F 2423에 준하여 재령 7, 28 및 91일에서 측정하였다.
- 콘크리트의 단위수량 저감과 적절한 연행공기(5±1%)를 발생시키기 위하여 비중 1.09±0.02의 리그닌계 AE감수제를 사용하였다.
- 콘크리트의 동결융해저항성 실험은 14일간의 전양생(pre-curing)기간을 거친 후, ASTM C 666에 준하여 실시하였으며, 온도측정용 중심공시체의 온도가 4℃에서 -18℃를 거쳐 다시 4℃에 도달하는 과정을 1싸이클로 하여 총 300싸이클을 진행하였으며, 매 30싸이클마다 콘크리트 시편의 동탄성계수를 측정하였다. 동결융해 반복작용을 받기 전 공시체의 동탄성계수에 대한 소정의 싸이클에서의 동탄성계수를 Eq.
- 3M의 NaOH 수용액을 사용하였다. 확산셀을 구성한 후 직류전원 공급장치를 이용하여 30V의 전압을 공급하였으며, 저항에 걸리는 전류와 확산셀 내부의 온도를 일정 시간동안 측정하였다. 비정상상태의 염소이온 확산계수는 다음 Eq.
대상 데이터
- ASTM C 150 규준을 만족하는 Type I 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였으며, OPC의 클링커 조성광물은 각각 C3S : 62.5%, C2S : 10.1%, C3A : 9.3% 및 C4AF : 7.2%이다. 사용된 고로슬래그미분말(GBS)은 KS F 2563의 규정에 따라 분말도 등급별로 3종류(GBS4, GBS6 및 GBS8)를 사용하였다.
- 2%이다. 사용된 고로슬래그미분말(GBS)은 KS F 2563의 규정에 따라 분말도 등급별로 3종류(GBS4, GBS6 및 GBS8)를 사용하였다. 본 실험에 사용된 OPC 및 GBS의 화학성분 및 물리적 특성을 나타낸 것이 Table 1이다.
- 시험용액은 Regent급 황산나트륨(Na2SO4) 및 황산마그네슘(MgSO4) 시약을 사용하였으며, ASTM C 1012에 준하여 SO42-이온의 농도를 33,800ppm이 되도록 조절하였다. 또, 시험용액은 재령이 증가함에 따라 농도가 묽어지는 점을 고려하여, 매 4주마다 새로운 용액으로 교체하였으며, 온도에 의한 영향을 배제하기 위하여 실험기간동안 23±3℃로 일정하게 유지시켜 실험을 수행하였다.
- 콘크리트 공시체 제조를 위하여 사용한 잔골재는 밀도 2.60g/cm3,조립률 2.8인 강모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 25mm인 부순돌을 사용하였다. 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
- 콘크리트의 염소이온 확산계수는 전기화학적 촉진실험법 중 NT BUILD 492법에 의하여 측정하였다. 콘크리트 시편의 두께는 50mm로 하였으며, 음극셀은 10%의 NaCl 수용액을, 양극셀은 0.3M의 NaOH 수용액을 사용하였다. 확산셀을 구성한 후 직류전원 공급장치를 이용하여 30V의 전압을 공급하였으며, 저항에 걸리는 전류와 확산셀 내부의 온도를 일정 시간동안 측정하였다.
- 콘크리트의 강도특성 및 내구성을 평가하기 위하여 w/b 45%, S/a 42%, GBS 대체율 50%인 콘크리트를 제조하였으며, 콘크리트 배합표를 Table 3에 나타내었다.
- 콘크리트의 통과전하량은 ASTM C 1202에 준하여 두께 50mm의 시험체를 대상으로 하여 측정하였다. 시험체 양단에 60V의 직류전압을 6시간 동안 통전시키면서 시험체에 흐르는 전류를 데이터 로거를 이용하여 30분 간격으로 측정하였으며(Fig.
- 황산염침식 저항성 평가를 위한 실험은 전술한 모르타르 배합으로 제조된 50mm 큐브(강도측정용) 및 25×25×285 mm 각주형(팽창측정용) 공시체를 대상으로 수행되었다.
이론/모형
- 담수 및 황산염용액에 침지한 모르타르의 재령별 압축강도를 KS L 5105에 의하여 측정하였으며, 압축강도 감소율(RCS: reduction in compressive strength)은 다음 Eq. (5)와 같이 계산하였다.
- 또, 각주형 모르타르 공시체를 제조하여 20MPa의 압축강도가 발현될 때까지 포화 석회수용액에 양생한 후, 황산염용액에 각각 침지시킨 모르타르의 재령별 팽창량을 KS F 2424의 방법에 준하여 측정하였다.
- 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다. 또, 황산염침식 저항성 평가를 위하여 모르타르를 제조하였으며, 잔골재는 ASTM C 109의 규준을 만족하는 표준사를 사용하였다.
- 콘크리트의 염소이온 확산계수는 전기화학적 촉진실험법 중 NT BUILD 492법에 의하여 측정하였다. 콘크리트 시편의 두께는 50mm로 하였으며, 음극셀은 10%의 NaCl 수용액을, 양극셀은 0.
성능/효과
- (1) 콘크리트의 강도특성을 고찰한 결과, GBS8을 사용한 콘크리트의 압축강도 및 쪼갬인장강도는 OPC 콘크리트에 비하여초기재령에서는 다소 작았으나, 잠재수경성의 촉진으로 인하여 장기재령으로 갈수록 강도발현이 우수하게 나타났다.
- (2) 동결융해 반복작용을 받은 콘크리트의 상대동탄성계수 및 압축강도비를 측정한 결과, 고분말도 고로슬래그미분말(GBS6 및 GBS8) 사용 콘크리트가 동해시 팽창압을 크게 받은 탓으로 인하여 GBS4콘크리트에 비하여 동결융해 저항성이 떨어지는 것으로 조사되었다.
- (3) 콘크리트의 염소이온 침투저항성 실험결과에 따르면, 고로슬래그미분말 사용 콘크리트는 OPC 콘크리트에 비하여 상대적으로 우수한 염해저항성을 나타내었으며, 고로슬래그미분말의 분말도는 콘크리트의 염해저항성 향상에 그다지 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- (4) 황산나트륨 침식환경에 노출된 고로슬래그미분말 사용 모르타르는 분말도에 관계없이 C3A 희석효과 및 조직구조의 치밀화로 인하여 OPC 모르타르에 비하여 상대적으로 우수한 내구성능을 나타내었으나, 황산마그네슘 침식을 받은 고분말도 고로슬래그미분말 사용 모르타르의 강도감소는 OPC 모르타르에 비하여 크게 나타났다. 따라서, 고로슬래그미분말 사용 콘크리트가 황산염환경에 노출될 경우, 반응물질의 생성 메커니즘에 대한 이해가 필요할 것으로 판단된다.
- (5)로 계산하여 나타낸 것이 Fig. 11(a)로써, OPC 모르타르의 압축강도 감소율은 침지재령이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며, 침지재령 360일에서 약 29%의 압축강도 감소율을 나타내었다. 한편, GBS를 사용한 모르타르는 분말도에 관계없이 압축강도 감소율이 OPC 모르타르에 비하여 상대적으로 작게 나타났다.
- 4종류 모르타르의 황산나트륨 침식에 의한 침지재령별 팽창을 나타낸 것이 Fig. 11(b)로써, OPC 모르타르와 비교하여 GBS 사용 모르타르는 황산나트륨 침식에 대하여 매우 우수한 저항성을 나타냄을 알 수 있다.
- 7은 ASTM C 666법에 준한 실험결과로써, 동결융해 반복작용을 받은 4종류 콘크리트의 상대동탄성계수 변화를 나타낸 것이다. OPC 및 GBS4 콘크리트의 상대동탄성계수는 300 싸이클까지 서로 유사한 결과를 나타낸 반면, 고미분말 GBS를 사용한 GBS6 및 GBS8 콘크리트의 상대동탄성계수는 300 싸이클 후 약 68% 및 61%로 각각 나타남으로써, 동결융해저항성이 상대적으로 낮게 나타남을 알 수 있다. 그 이유는 고분말도 광물질혼화재를 사용함에 따라 콘크리트 중의 공극크기가 감소하여 동해시 팽창압을 크게 받았기 때문으로 판단되며, 이러한 결과는 고분말도 실리카흄을 사용한 콘크리트의 동결융해 저항성을 평가한 Sabir (1997)의 연구결과와도 어느 정도 유사하게 나타났다.
- 결론적으로, 본 연구의 범위에서 평가해 보면, 콘크리트가 동해환경에 노출될 경우 분말도가 4000급인 GBS를 적용하는 것이 콘크리트의 내동해성 향상에 유효할 것으로 판단된다.
- 이 그림에서 알 수 있듯이 콘크리트의 쪼갬인장강도 경향은 압축강도 발현경향과 대체적으로 유사하게 나타났다. 다시 말해서, OPC 콘크리트의 재령 7일 쪼갬인장강도는 3.6MPa로 가장 크게 나타났으나, 재령 91일에서는 7.1MPa로 4종류 콘크리트 중 가장 작은 값을 나타내었다. 그러나, GBS의 분말도에 따른 인장강도 차이는 그다지 크지 않았으나, 고분말 GBS를 사용한 콘크리트의 쪼갬인장강도가 장기재령에서 다소 크게 나타났다.
- 9° 2Θ에서 ettringite의 피크도 관찰되었다. 또, GBS를 50% 대체한 페이스트는 분말도가 증가함에 따라 portlandite의 피크강도가 점차적으로 감소함을 알 수 있다. 한편, XRD 분석결과에 의하면, 25~35° 2Θ 영역에서 굴곡형(hill-type curve)의 피크 곡선이 관찰되므로써, 비정질상(amor-phous phase)의 C-S-H가 주요 수화물질임을 알 수 있었다.
- 8이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 OPC, GBS6 및 GBS8 콘크리트는 동결융해 싸이클이 증가할수록 강도비가 감소하였으나, GBS4 콘크리트는 100 및 200 싸이클에서 오히려 압축강도비가 증가하는 경향을 나타내었으며, 300 싸이클 후에도 강도비가 97%로 나타나므로써, 동해작용에 의한 강도감소가 크지 않음을 알 수 있다. 그러나, GBS8 콘크리트는 동결융해 싸이클의 증가에 따라 강도비가 59%로써 4종류 콘크리트 중 가장 작게 나타나므로써, 동해작용에 의한 성능저하가 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있다.
- 이상의 결과로부터 고미분말 GBS를 사용한 콘크리트가 초기재령에서는 강도가 다소 낮게 발현되나, 장기강도가 향상되는 특성을 나타내었다. 이러한 실험결과는 고미분말 GBS의 잠재수경성이 우수하였기 때문으로 판단된다(Oner et al.
- 한편, XRD 분석결과에 의하면, 25~35° 2Θ 영역에서 굴곡형(hill-type curve)의 피크 곡선이 관찰되므로써, 비정질상(amor-phous phase)의 C-S-H가 주요 수화물질임을 알 수 있었다.
- 한편, 본 실험에서 사용한 4종류 콘크리트의 압축강도 및 쪼갬인장강도의 상관관계를 나타낸 것이 Fig. 6으로써, 두 강도특성은 상당히 밀접한 상관관계(R2 = 0.96)가 있음을 알 수 있다.
후속연구
- (4) 황산나트륨 침식환경에 노출된 고로슬래그미분말 사용 모르타르는 분말도에 관계없이 C3A 희석효과 및 조직구조의 치밀화로 인하여 OPC 모르타르에 비하여 상대적으로 우수한 내구성능을 나타내었으나, 황산마그네슘 침식을 받은 고분말도 고로슬래그미분말 사용 모르타르의 강도감소는 OPC 모르타르에 비하여 크게 나타났다. 따라서, 고로슬래그미분말 사용 콘크리트가 황산염환경에 노출될 경우, 반응물질의 생성 메커니즘에 대한 이해가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 분말도가 상이한 3종류 고로슬래그미분말을 적용한 시멘트 경화체의 수화생성물, 강도특성 및 내구성을 평가하기 위하여 수행되었으며, 도출된 실험결과를 보통포틀랜드시멘트 경화체와 비교, 고찰하였다. 본 실험에서 얻은 결과는 향후 고성능 콘크리트 구조물 건설에 적용가능할 것으로 판단되며, 합리적인 건설재료 선택을 위한 자료로도 활용될 것으로 기대된다.
- 이상과 같이 GBS를 사용한 콘크리트가 황산염환경에 노출될 경우, 황산염침식을 일으키는 반응물질의 생성 메커니즘에 대한 이해가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 이상과 같이 콘크리트의 역학적/내구적 성능확보를 위하여 오래 전부터 고로슬래그미분말(ground granulated blastfurnace slag)이 콘크리트 제조를 위하여 널리 사용되어 오고 있으며, 앞으로도 그 사용량이 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
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