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문제 정의
- 본 연구에서는 GGBS 대량 활용한 콘크리트의 현장 적용을 위하여 무수석고를 활성화제로 사용하고, 무수석고 함량에 따라 역학적 특성 및 내구성에 대한 실험을 진행하였다. 그에 대한 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 동결융해 저항성 실험은 KS F 2456 급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법에 따라 실시하였다. 14일간 수중양생한 시험편의 초기 동탄성계수를 측정하고, 실험 개시 후 해당 Cycle(50, 100, 150, 200, 250, 300cycle)에 동탄성 계수를 측정하여 상대동 탄성계수를 산정하였다.
- KS F 2403에 제시하고 있는 콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법에 따라 Φ100×200mm 크기의 원주형 압축강도 시험용 공시체를 제작하고, 해당 재령까지 수중양생(20℃)을 실시하였다.
- TA Instruments사 TAM Air 8-channel Calorimeter 장비를 사용하여 GGBS 대량 활용 바인더의 미소수화열을 측정하였다. 미소 수화열 측정은 온도 23℃ 조건에서 페이스트 약 4.
- 각주형 공시체(75×75×300mm)에 콘크리트용 매립 스트레인 게이지를 이용하여 30분 간격으로 측정하였으며, 배합 1일 후에 탈형하여 항온항습 조건에서 양생을 실시하였다.
- 6g을 사용하여 ASTMC 1702에 따라 약 72시간 동안 연속적으로 측정하였다. 굳지 않은 콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 응결시간, 슬럼프 플로, 공기량을 측정하였다.
- GGBS의 사용량은 기본적으로 전체 바인더의 중량비로 80%로 고정하였으며, 나머지를 시멘트와 무수석고로 구성하였다. 무수석고의 함량에 따른 영향을 살펴보기 위해 무수석고 치환율을 0, 4, 6, 8, 10%로 5수준으로 하였다. 전체 콘크리트 배합에 대해 물-바인더 비를 35%, 잔골재 비율은 42%로 고정하였다.
- TA Instruments사 TAM Air 8-channel Calorimeter 장비를 사용하여 GGBS 대량 활용 바인더의 미소수화열을 측정하였다. 미소 수화열 측정은 온도 23℃ 조건에서 페이스트 약 4.6g을 사용하여 ASTMC 1702에 따라 약 72시간 동안 연속적으로 측정하였다. 굳지 않은 콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 응결시간, 슬럼프 플로, 공기량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 고로슬래그 미분말을 대량 활용한 콘크리트의 현장 적용을 위하여 Calcium Sulfate(무수석고)를 활성화제로 사용하고, 무수석고 함량에 따라 고로슬래그 미분말을 대량 활용한 콘크리트의 강도발현 특성, 크리프, 동결융해, 탄산화, 건조수축 특성 등을 분석하였다.
- 각주형 공시체(75×75×300mm)에 콘크리트용 매립 스트레인 게이지를 이용하여 30분 간격으로 측정하였으며, 배합 1일 후에 탈형하여 항온항습 조건에서 양생을 실시하였다. 수화과정에서 발생하는 양생조건에 따른 영향을 알아 보기 위해 HVSC2 배합에 대해 수중에서의 길이변화 측정을 병행 실시하였다.
- 수화정도에 따른 탄산화 정도를 알아보기 위해 양생 재령을 달리하여 탄산화 실험을 진행하였다. 그 결과는 Fig.
- 콘크리트의 탄산화 특성 평가는 2가지 전처리 조건(수중양생 기간: 14일, 56일)에서 실시하였다. 시험편을 14일, 56일간 수중양생한 후 온도 20℃, 상대습도 60% 조건에서 14일간 양생하였다. 이와 같이 전처리가 완료된 시험편들을 온도 20℃, 상대습도 60%, CO2 농도 5%의 탄산화 챔버 56일 동안에 투입하였다.
- KS F 2403에 제시하고 있는 콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법에 따라 Φ100×200mm 크기의 원주형 압축강도 시험용 공시체를 제작하고, 해당 재령까지 수중양생(20℃)을 실시하였다. 압축강도는 KS F 2405 콘크리트 압축 강도 시험방법에 따라 재령 3일, 7일, 28일, 91일에 측정하였다.
- 시험편을 14일, 56일간 수중양생한 후 온도 20℃, 상대습도 60% 조건에서 14일간 양생하였다. 이와 같이 전처리가 완료된 시험편들을 온도 20℃, 상대습도 60%, CO2 농도 5%의 탄산화 챔버 56일 동안에 투입하였다. 탄산화 깊이 측정은 KS F 2596에 따라 탄산화 시험 개시 후 해당 재령에 맞춰 시험편을 할렬한 후 페놀프탈레인 용액을 분무하여 시험편의 탄산화 깊이를 측정하였다.
- 무수석고의 함량에 따른 영향을 살펴보기 위해 무수석고 치환율을 0, 4, 6, 8, 10%로 5수준으로 하였다. 전체 콘크리트 배합에 대해 물-바인더 비를 35%, 잔골재 비율은 42%로 고정하였다.
- 크리프 변형 측정은 KS F 2453 콘크리트 압축 크리프 시험방법에 준해 실시하였으며, 재령 28일에 시험체를 강도 수준의 40%를 재하하여 발생되는 변형을 항온항습 조건에서 측정을 실시하였다. 콘크리트의 탄산화 특성 평가는 2가지 전처리 조건(수중양생 기간: 14일, 56일)에서 실시하였다. 시험편을 14일, 56일간 수중양생한 후 온도 20℃, 상대습도 60% 조건에서 14일간 양생하였다.
- 이와 같이 전처리가 완료된 시험편들을 온도 20℃, 상대습도 60%, CO2 농도 5%의 탄산화 챔버 56일 동안에 투입하였다. 탄산화 깊이 측정은 KS F 2596에 따라 탄산화 시험 개시 후 해당 재령에 맞춰 시험편을 할렬한 후 페놀프탈레인 용액을 분무하여 시험편의 탄산화 깊이를 측정하였다.
대상 데이터
- ) 함유량에 따른 특성을 살펴보기 위한 콘크리트 배합표를 Table 3에 나타내었다. GGBS의 사용량은 기본적으로 전체 바인더의 중량비로 80%로 고정하였으며, 나머지를 시멘트와 무수석고로 구성하였다. 무수석고의 함량에 따른 영향을 살펴보기 위해 무수석고 치환율을 0, 4, 6, 8, 10%로 5수준으로 하였다.
- 2는 시멘트와 GGBS에 대해 KS L 1614방법에 의한 입자크기 분석을 한 결과를 나타내고 있다. 입도 분석에 사용된 기기는 Partica LA-950V2(일본 HORIBA)를 사용하였으며, 분산용매는 물(water)을 사용하였다. Fig.
- Table 2는 콘크리트 배합에 사용된 골재의 기본적인 특성을 나타내고 있다. 잔골재는 밀도 2.55 g/cm3, 흡수율 0.7%의 해사를 사용하였으며, 굵은골재로는 밀도 2.7, 최대골재크기는 25mm, 흡수율 0.84%의 부순골재를 사용하였다.
- 콘크리트 배합에 사용된 시멘트는 KS L 5201을 만족하는 국내 A사의 1종 시멘트와 KS L 2563을 만족하는 국내 H사의 고로슬래 그 미분말(GGBS)을 결합재로 사용하였다.
이론/모형
- 길이변화 측정은 KS F 2424 모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험 방법에 준해 실시하였다. 각주형 공시체(75×75×300mm)에 콘크리트용 매립 스트레인 게이지를 이용하여 30분 간격으로 측정하였으며, 배합 1일 후에 탈형하여 항온항습 조건에서 양생을 실시하였다.
- 동결융해 저항성 실험은 KS F 2456 급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법에 따라 실시하였다. 14일간 수중양생한 시험편의 초기 동탄성계수를 측정하고, 실험 개시 후 해당 Cycle(50, 100, 150, 200, 250, 300cycle)에 동탄성 계수를 측정하여 상대동 탄성계수를 산정하였다.
- 응결시간은 KS F 2436에서 제시하고 있는 관입저항에 의한 콘크리트의 응결시험방법에 준하여 실시하였다. 슬럼프 플로는 KS F 2594 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 플로 시험방법에 따라 3회 측정하였으며, 공기량은 KS F 2421 압력법에 의한 굳지 않은 콘크 리트의 공기량 시험방법에 따라 측정하였다. KS F 2403에 제시하고 있는 콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법에 따라 Φ100×200mm 크기의 원주형 압축강도 시험용 공시체를 제작하고, 해당 재령까지 수중양생(20℃)을 실시하였다.
- 응결시간은 KS F 2436에서 제시하고 있는 관입저항에 의한 콘크리트의 응결시험방법에 준하여 실시하였다. 슬럼프 플로는 KS F 2594 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 플로 시험방법에 따라 3회 측정하였으며, 공기량은 KS F 2421 압력법에 의한 굳지 않은 콘크 리트의 공기량 시험방법에 따라 측정하였다.
- 크리프 변형 측정은 KS F 2453 콘크리트 압축 크리프 시험방법에 준해 실시하였으며, 재령 28일에 시험체를 강도 수준의 40%를 재하하여 발생되는 변형을 항온항습 조건에서 측정을 실시하였다. 콘크리트의 탄산화 특성 평가는 2가지 전처리 조건(수중양생 기간: 14일, 56일)에서 실시하였다.
성능/효과
- 1. 미소수화열 측정 결과, 무수석고 혼입에 따라 세 번째 피크의 크기가 감소하였으며 발생시기도 48시간 정도로 12시간 정도 지연된 결과를 나냈다. 이와 같은 결과는 무수석고를 혼입할 경우 혼입하지 않은 경우에 비하여 상대적으로 C3S량 감소에 의한 것으로 사료된다.
- 2. GGBS 콘크리트는 일반적으로 OPC 콘크리트에 비해 초기 강도가 낮고 장기강도에서는 OPC 콘크리트 수준의 강도를 보인다. 본 연구에서 이러한 현상을 확인할 수 있었으며, 무수석고를 혼입율이 증가할수록 미세조직이 치밀해짐에 따라 28일 강도 대비 강도 발현율은 증가하는 것으로 나타났다.
- 3. GGBS 콘크리트는 초기재령에서 탄산화에 취약한 것으로 나타났으나, 이는 경화속도에 따른 영향으로 판단되며, 장기재령에서는 OPC 콘크리트와 동등 이상으로 확인되었다. 동결융해 저항성은 GGBS 콘크리트가 강도가 낮더라도 GGBS와 무수석고가 콘크리트 내부 조직을 치밀하게 만들어 향상되었다.
- OPC의 경우 약 12시간 후 두 번째 피크가 발생하는데, 무수석고 없이 GGBS 80%와 OPC 20%로 구성된 바인더의 경우 약 24시간 정도에 나타나 OPC에 비해 2배 정도 지연된 결과가 나타났다.
- 콘크리트 배합에 따른 응결시간 및 슬럼프-플로우 실험결과는 Table 4와 같다. 관입저항에 따른 응결시간은 OPC보다 GGBS을 혼입한 배합이 초결은 27~61분, 종결은 93~161분 지연되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 GGBS는 일반 포틀랜드 시멘트에 비해 수화정도가 느림에 따른 결과로 사료되며, 무수석고 혼입이 증가할수록 초결은 지연되나, 종결은 단축되는 것으로 확인되었다.
- GGBS 콘크리트는 초기재령에서 탄산화에 취약한 것으로 나타났으나, 이는 경화속도에 따른 영향으로 판단되며, 장기재령에서는 OPC 콘크리트와 동등 이상으로 확인되었다. 동결융해 저항성은 GGBS 콘크리트가 강도가 낮더라도 GGBS와 무수석고가 콘크리트 내부 조직을 치밀하게 만들어 향상되었다.
- 또한, 36시간 정도에서 세 번째 피크가 가장 크게 발생하였으며, 이는 시멘트가 수화되면서 강알칼리 상태로 변화하면서 GGBS 의 잠재수경성을 촉진하여 수화되면서 나타난 결과이다. 무수석고를 4%, 6% 혼입한 경우, 혼입하지 않은 경우 보다 유도기 시간이 조금 더 증가된 양상을 보였다.
- 본 연구에서 이러한 현상을 확인할 수 있었으며, 무수석고를 혼입율이 증가할수록 미세조직이 치밀해짐에 따라 28일 강도 대비 강도 발현율은 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 건조 수축은 GGBS 콘크리트가 공극 충전 효과 및 모세관 공극량의 감소로 OPC 콘크리트보다 건조수축량은 적은 것으로 나타났다. 수중에서의 수축량은 일반 기건상태에서의 수축과 차이가 있었으며, 이는 수화과정에서 생긴 Ettringite 영향으로 판단된다.
- OPC 콘크리트가 상대적으로 GGBS를 혼입한 콘크리트 보다 다소 많은 수축량을 보이고 있다. 또한, 무수석고를 혼입에 따라 다소 수축량을 줄어드는 경향을 나타내고 있으며, 수축량의 수준은 거의 비슷한 것으로 나타났다. 이는 공극충전 효과에 의해 모세관 공극량이 감소하여 수분 손실이 적음에 따른 결과로 판단된다.
- 무수석고 함유량에 따라 전반적으로 크리프 변형률은 감소하는 경향을 나타내지만, 4%를 혼입한 경우 가장 크게 나타났다. 무수석고 4, 6% 치환한 경우 무수석고를 치환하지 않는 경우(HVSC1) 보다 120일 기준으로 크리프 변형률이 각각 89%, 82%로 나타났다.
- 10에 나타냈으며, GGBS가 다량함유한 경우 탄성계수가 OPC 콘크리트에 비해 70~80% 정도 수준으로 크리프 변형률도 상대적으로 OPC에 비해 크게 나타난 것으로 판단된다. 무수석고 함유량에 따라 전반적으로 크리프 변형률은 감소하는 경향을 나타내지만, 4%를 혼입한 경우 가장 크게 나타났다. 무수석고 4, 6% 치환한 경우 무수석고를 치환하지 않는 경우(HVSC1) 보다 120일 기준으로 크리프 변형률이 각각 89%, 82%로 나타났다.
- 무수석고를 4%, 6% 혼입한 경우, 혼입하지 않은 경우 보다 유도기 시간이 조금 더 증가된 양상을 보였다. 무수석고 혼입에 따라 세 번째 피크의 크기가 감소하였으며, 발생시기도 48시간 정도로 12시간 정도 지연된 결과를 나냈다. 이와 같은 결과는 무수석고를 혼입할 경우 혼입하지 않은 경우에 비하여 상대적으로 C3S량이 감소에 의한 것으로 사료된다.
- 무수석고의 경우도 입자 크기 영향 및 Ettringite 형성에 따라 미세공극을 채워주어 무수석고를 함유한 경우 전반적으로 동결융해 저항성이 향상된 것을 확인하였다.
- 배합설계시 슬럼프-플로우 기준을 600±50mm로 결정하였으며, 모든 배합이 기준값을 만족하는 것으로 나타났다.
- 위 연구결과를 바탕으로 현장 적용성에 있어 GGBS 대량 혼입 콘크리트의 기초자료로 활용되어야 할 것으로 판단되며, 추후 이러한 영향에 대한 자세한 수화 모델 및 메카니즘 분석이 이루어져야 할 것으로 사료된다. 본 연구에서 사용한 고로슬래그 미분말 대량 활용 콘크리트의 바인더는 OPC 보다 상대적으로 가격이 낮은 분말도 4,000cm2 /g급 고로슬래그 미분말 80%, 나머지 20%는 무수석고와 OPC로 구성되기 때문에 현장 적용시 OPC 100% 바인더(7만5천원/톤)에 보다 경제적 효과가 있을 것으로 예상된다.
- GGBS 콘크리트는 일반적으로 OPC 콘크리트에 비해 초기 강도가 낮고 장기강도에서는 OPC 콘크리트 수준의 강도를 보인다. 본 연구에서 이러한 현상을 확인할 수 있었으며, 무수석고를 혼입율이 증가할수록 미세조직이 치밀해짐에 따라 28일 강도 대비 강도 발현율은 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 건조 수축은 GGBS 콘크리트가 공극 충전 효과 및 모세관 공극량의 감소로 OPC 콘크리트보다 건조수축량은 적은 것으로 나타났다.
- 일반적으로 GGBS를 사용한 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 초기강도 발현율이 낮고 장기강도 발현율이 우수하다고 보고되고 있다 (AIJ, 1996). 본 연구에서도 마찬가지로 결과에서 보는 바와 같이 GGBS을 혼입하면 OPC에 비해 초기 강도가 저하되고 장기강도에서는 OPC 콘크리트 수준의 강도를 보이는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 시멘트의 화학분석은 XRF 기기분석을 통하여 산정된 결과이며, 사용된 기기는 RIGAKU ZSX Primus이다. 사용 된 시멘트의 주요 4대 광물 조성은 Bogue식을 이용하여 계산한 결과 C3A 51.6%, C3S 22.0%, C2S 7.4%, C4AF 8.9%으로 나타났다. GGBS의 화학조성 중 CaO 37.
- 사용된 시멘트와 GGBS의 화학성분 및 물리적 성질은 다음 Table 1에 타내었다. 시멘트의 화학분석은 XRF 기기분석을 통하여 산정된 결과이며, 사용된 기기는 RIGAKU ZSX Primus이다. 사용 된 시멘트의 주요 4대 광물 조성은 Bogue식을 이용하여 계산한 결과 C3A 51.
- 그림에서 보는 바와 같이 무수석고를 혼입한 배합에서 초기강도가 높게 나타나고 있으며, 혼입율이 4% HVSC2 배합에서 가장 높게 나타났다. 이는 GGBS 콘크리트의 초기 강도를 보완하기 위한 자극제 개념의 무수석고 혼입 적정량이 있음을 확인할 수 있었다. 초기강도 보완을 위해 고분말도 슬래그(6,000cm2 /g~ 8,000cm2 /g)를 적용한 기존 연구결과와 비교하면, 고분말도 슬래그를 적용할 경우 재령 3일의 강도 증진 효과가 약 30%~80% 수준인 것에 비하여 본 연구의 경우 무수석고 치환률(4%~10%)에 따라 76%~190%로 나타났다(Kim et al.
- 관입저항에 따른 응결시간은 OPC보다 GGBS을 혼입한 배합이 초결은 27~61분, 종결은 93~161분 지연되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 GGBS는 일반 포틀랜드 시멘트에 비해 수화정도가 느림에 따른 결과로 사료되며, 무수석고 혼입이 증가할수록 초결은 지연되나, 종결은 단축되는 것으로 확인되었다.
- 수중에서의 수축량은 일반 기건상태에서의 수축과 차이가 있었으며, 이는 수화과정에서 생긴 Ettringite 영향으로 판단된다. 크리프 변형율은 GGBS 콘크리트가 탄성계수의 영향으로 인해 OPC 콘크리트보다 다소 크게 나타났으며, 무수석고 치 환율이 증가할수록 증가하는 현상을 보였다.
후속연구
- 상대적으로 GGBS을 혼입한 콘크리트에서 OPC보다 슬럼프-플로우 값이 크게 나타났으며, 이는 GGBS 자체 특성상 표면이 매끄럽고 촘촘하기 때문에 워커빌러티 상승에 따른 결과로 사료된다. 또한, 무수석고를 함유량이 증가하여도 화학혼화제 첨가로 슬럼프-플로우 값을 조절 가능하였으며, 추후 작업성에도 문제가 없을 것으로 판단된다.
- 위 연구결과를 바탕으로 현장 적용성에 있어 GGBS 대량 혼입 콘크리트의 기초자료로 활용되어야 할 것으로 판단되며, 추후 이러한 영향에 대한 자세한 수화 모델 및 메카니즘 분석이 이루어져야 할 것으로 사료된다. 본 연구에서 사용한 고로슬래그 미분말 대량 활용 콘크리트의 바인더는 OPC 보다 상대적으로 가격이 낮은 분말도 4,000cm2 /g급 고로슬래그 미분말 80%, 나머지 20%는 무수석고와 OPC로 구성되기 때문에 현장 적용시 OPC 100% 바인더(7만5천원/톤)에 보다 경제적 효과가 있을 것으로 예상된다.
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