본 연구는 선행연구에서 도출한 다량의 광물질 혼화재를 사용한 고강도 콘크리트(HVMAC)의 내구성을 3성분계 콘크리트(TBC)와 시멘트만 사용한 콘크리트(NC)에 대해서 비교 평가하고자 하였다. 내구성 평가 종류는 염화물 침투 저항성, 동결융해 저항성, 두가지 전처리 조건으로 비교 평가한 탄산화 저항성, 5% 황산($H_2SO_4$), 10% 황산나트륨($Na_2SO_4$) 및 10% 황산마그네슘($MgSO_4$) 용액을 선정하여 황산 및 황산염 저항성 평가를 수행하였다. HVMAC는 모든 재령에서 우수한 염화물 침투 저항성을 나타내었고, 동결융해에 대한 내구성 지수가 100%에 가까운 우수한 결과를 나타내었다. 탄산화 저항성 평가 결과, HVMAC가 TBC보다 저감효과가 있었으며, 양생기간을 증가시켰을 때 콘크리트 내부조직을 치밀하게 만들어 탄산화 저항성을 향상시켰다. 황산 및 황산염 저항성 평가에서 HVMAC가 가장 우수한 것으로 나타났다. 다량의 혼화재 적용에 따른 수산화칼슘 생성량과 $C_3A$가 적어 황산 및 황산염에 의한 열화가 저감된 효과로 강도 감소 및 질량 변화가 작게 나타난 것으로 확인되었다.
본 연구는 선행연구에서 도출한 다량의 광물질 혼화재를 사용한 고강도 콘크리트(HVMAC)의 내구성을 3성분계 콘크리트(TBC)와 시멘트만 사용한 콘크리트(NC)에 대해서 비교 평가하고자 하였다. 내구성 평가 종류는 염화물 침투 저항성, 동결융해 저항성, 두가지 전처리 조건으로 비교 평가한 탄산화 저항성, 5% 황산($H_2SO_4$), 10% 황산나트륨($Na_2SO_4$) 및 10% 황산마그네슘($MgSO_4$) 용액을 선정하여 황산 및 황산염 저항성 평가를 수행하였다. HVMAC는 모든 재령에서 우수한 염화물 침투 저항성을 나타내었고, 동결융해에 대한 내구성 지수가 100%에 가까운 우수한 결과를 나타내었다. 탄산화 저항성 평가 결과, HVMAC가 TBC보다 저감효과가 있었으며, 양생기간을 증가시켰을 때 콘크리트 내부조직을 치밀하게 만들어 탄산화 저항성을 향상시켰다. 황산 및 황산염 저항성 평가에서 HVMAC가 가장 우수한 것으로 나타났다. 다량의 혼화재 적용에 따른 수산화칼슘 생성량과 $C_3A$가 적어 황산 및 황산염에 의한 열화가 저감된 효과로 강도 감소 및 질량 변화가 작게 나타난 것으로 확인되었다.
The purpose of this study was to assess the durability of high-strength concrete with high volume mineral admixture (HVMAC) derived from previous studies within ternary blended concrete (TBC) and normal concrete (NC). Four durability evaluation types such as chloride penetration resistance, freezing...
The purpose of this study was to assess the durability of high-strength concrete with high volume mineral admixture (HVMAC) derived from previous studies within ternary blended concrete (TBC) and normal concrete (NC). Four durability evaluation types such as chloride penetration resistance, freezing and thawing resistance, carbonation resistance in two pre-treatment conditions, and sulfuric acid and sulfate resistance using 5% sulfuric acid ($H_2SO_4$), 10% sodium sulfate ($Na_2SO_4$), and 10% magnesium sulfate ($MgSO_4$) solution were selected and performed in this study. HVMAC showed the excellent chloride penetration resistance in any age and the freezing and thawing durability close to 100%. In addition, HVMAC affected more reduction in carbonation resistance than TBC. When the curing time was increased, to create a concrete internal organization densely improved resistance to carbonation. HVMAC also showed the most superior in sulfuric acid and sulfate resistance. As the reduction of calcium hydroxide and $C_3A$ to apply a large amount of admixture reduced the swelling and cracking of concrete, the strength reduction and mass change of concrete was found to be small indicated.
The purpose of this study was to assess the durability of high-strength concrete with high volume mineral admixture (HVMAC) derived from previous studies within ternary blended concrete (TBC) and normal concrete (NC). Four durability evaluation types such as chloride penetration resistance, freezing and thawing resistance, carbonation resistance in two pre-treatment conditions, and sulfuric acid and sulfate resistance using 5% sulfuric acid ($H_2SO_4$), 10% sodium sulfate ($Na_2SO_4$), and 10% magnesium sulfate ($MgSO_4$) solution were selected and performed in this study. HVMAC showed the excellent chloride penetration resistance in any age and the freezing and thawing durability close to 100%. In addition, HVMAC affected more reduction in carbonation resistance than TBC. When the curing time was increased, to create a concrete internal organization densely improved resistance to carbonation. HVMAC also showed the most superior in sulfuric acid and sulfate resistance. As the reduction of calcium hydroxide and $C_3A$ to apply a large amount of admixture reduced the swelling and cracking of concrete, the strength reduction and mass change of concrete was found to be small indicated.
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문제 정의
본 연구에서는 광물질 혼화재를 다량 사용한 고강도 HVMAC의 역학적 특성에 대한 후속 연구로서 실용화 구축을 위한 일환으로 내구성 평가를 진행하였다. 평가 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 기존 선행연구10)의 결과를 토대로 시멘트 사용량을 전체 결합재의 10% 수준으로 낮추고 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 주요 결합재로 한 다량의 광물질 혼화재를 사용한 콘크리트(High Volume Mineral Admixture Concrete, HVMAC)의 역학적 특성과 염해, 화학저항성, 동해 및 탄산화 등과 같은 다양한 내구성능을 비교 평가하여 탄소저감형 건설재료로서 HVMAC의 기술 개발 확대 및 실용화를 위한 기반을 조성하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
HVMAC의 내구성을 평가하기 위해 비교용 배합으로서는 동일한 배합 조건에 대해서 무기질 자극제를 사용하지 않은 3성분계 콘크리트(Ternary Blended Concrete, TBC)와 OPC를 100% 사용한 일반 콘크리트(Normal Concrete, NC) 배합을 적용하였다.
굳지 않은 콘크리트의 목표 슬럼프 플로는 600 ± 100 mm, 목표 공기량은 3.5 ± 1.5%를 만족하도록 화학혼화제를 조절하여 배합실험을 진행하였다.
다량의 혼화재를 포함한 HVMAC의 내화학성을 평가하기 위해 JSTM C 7401 ｢콘크리트의 용액침지에 의한 내약품성 시험방법｣12)에 준하여 5% 황산(H2SO4) 용액과 10%황산나트륨(Na2SO4) 및 10% 황산마그네슘(MgSO4) 수용액을 사용하였으며, 재령 28일까지 표준수중양생한 시험체를 수용액에 침지시킨 후 침지 재령에 따른 콘크리트의 열화 정도를 평가하였다. 평가 방법은 육안검사에 의한 공시체의 외관 변화를 관찰하였으며, 침지 재령별 공시체의 질량변화와 압축강도 변화를 동일 기간 표준양생한 공시체와 비교하여 내화학성을 평가하였다.
동결융해 저항성 평가는 KS F 2456 ｢급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법｣에 준하여 기중 급속 동결 및 수중 융해 시험방법(B방법)에 따라 30사이클마다 공시체의 질량 변화와 동탄성계수를 측정하여 콘크리트 배합별 내동해성능을 비교하였다.
콘크리트 배합조건에 따른 탄산화 저항성 시험은 KS F 2584 ｢콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법｣에 준하여 실험을 진행하였다. 양생기간 변화에 따른 탄산화 저항성 변화를 평가하기 위해 2가지 전처리 조건(수중양생 기간: 28일, 56일)에 대하여 실시하였다. 이후 촉진 탄산화 시험을 진행하였으며, 촉진 탄산화 재령 7, 14, 28, 56일에 KS F 2596 ｢콘크리트 탄산화 깊이 측정 방법｣에 준하여 탄산화 깊이와 탄산화 속도계수를 측정하였다.
양생기간 변화에 따른 탄산화 저항성 변화를 평가하기 위해 2가지 전처리 조건(수중양생 기간: 28일, 56일)에 대하여 실시하였다. 이후 촉진 탄산화 시험을 진행하였으며, 촉진 탄산화 재령 7, 14, 28, 56일에 KS F 2596 ｢콘크리트 탄산화 깊이 측정 방법｣에 준하여 탄산화 깊이와 탄산화 속도계수를 측정하였다.
) 수용액을 사용하였으며, 재령 28일까지 표준수중양생한 시험체를 수용액에 침지시킨 후 침지 재령에 따른 콘크리트의 열화 정도를 평가하였다. 평가 방법은 육안검사에 의한 공시체의 외관 변화를 관찰하였으며, 침지 재령별 공시체의 질량변화와 압축강도 변화를 동일 기간 표준양생한 공시체와 비교하여 내화학성을 평가하였다.
대상 데이터
본 연구의 실험계획은 Table 1과 같고, 실험에 사용된 콘크리트 배합은 Table 2와 같다. HVMAC는 선행연구를 통해 도출된 콘크리트로서 결합재의 구성은 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC) 10%, 고로슬래그 미분말(Ground Graduated Blast furnace Slag, GGBS) 60%, 플라이애시(Fly Ash, FA) 20%와 혼화재의 반응성을 활성화시키기 위해 무기질 자극제를 10% 사용하였으며, 무기질 자극제로서는 천연무수석고(Anhydrous Gypsum, AG) 5%, 그리고 열병합발전소에서 발생하는 산업부산물인 열병합애시(combined Heat power plant fly Ash, HA) 5%를 사용하였다.
잔골재는 바다모래를 사용하였으며, 굵은골재는 최대치수 25 mm 부순골재를 사용하였으며 물리적 특성은 Table 4와 같다. 화학혼화제는 폴리카르본산계(Polycarboxylate, PC) 고성능 AE감수제를 사용하였다.
이론/모형
HVMC, TC, NC의 염소이온 침투 저항성, 동결융해 저항성, 탄산화 저항성, 황산 및 황산염 침투 저항성 시험에 사용된 콘크리트의 압축강도를 확인하기 위하여 KS F 2405에 따라 압축강도 시험을 수행하였다.
슬럼프 시험은 KS F 2402, 공기량 시험은 KS F 2421에 준하여 시험을 수행하였다.
염해 환경 하에서 콘크리트 배합별 내 성능을 비교 평가하기 위해 전기적 촉진시험법인 NT BUILD 492 ｢chloride migration coefficient from non-steady-state migration experiments｣11)에 준하여 재령 3, 7, 28 및 56일에 염소 이온 확산계수를 산출하였다.
콘크리트 배합조건에 따른 탄산화 저항성 시험은 KS F 2584 ｢콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법｣에 준하여 실험을 진행하였다. 양생기간 변화에 따른 탄산화 저항성 변화를 평가하기 위해 2가지 전처리 조건(수중양생 기간: 28일, 56일)에 대하여 실시하였다.
잔골재는 바다모래를 사용하였으며, 굵은골재는 최대치수 25 mm 부순골재를 사용하였으며 물리적 특성은 Table 4와 같다. 화학혼화제는 폴리카르본산계(Polycarboxylate, PC) 고성능 AE감수제를 사용하였다.
성능/효과
1) 압축강도 측정결과, HVMAC는 NC 대비 모든 재령에서 강도가 감소하였으나, 무기계 자극제의 활성화 작용에 의해 재령 28일 이후 약 60 MPa 이상의 고강도를 확보할 수 있었으며, TBC와 비교하여 모든 재령에서 월등히 높은 안정적인 강도특성을 나타냈다.
10% 황산나트륨 용액에 침지한 경우, 황산에 침지시킨 경우와 달리 재령 180일까지 열화에 의한 박리현상을 확인할 수 없으나, NC의 경우에는 재령 91일부터 팽창에 기인한 것으로 추정되는 미세한 균열의 발생을 확인하였다.13-14)
10% 황산마그네슘 용액에 침지시킨 공시체의 경우 재령 91일부터 표면부의 열화 현상을 확인할 수 있는데, 황산에 의한 열화와 달리 NC에 비해 TBC와 HVMAC의 열화가 상대적으로 빠르게 진행되는 것을 확인할 수 있다.
2) 염화물 침투 저항성 평가결과, HVMAC가 초기 재령부터 콘크리트 조직 치밀화 및 혼화재의 염소이온 고정화 작용으로 모든 배합 중 가장 낮은 염소 이온 확산계수를 나타내며 우수한 내염해 특성을 발휘하고 있다.
3) 동결융해저항성 평가에서는 HVMAC 동결융해에 대한 내구성 지수가 100%에 가까운 우수한 결과를 나타내었다.
3) 황산마그네슘은 콘크리트 내의 시멘트 수화물인 수산화칼슘과 반응할 경우, 식(7)과 같이 석고와 불투수성의 브루사이트(brucite, Mg(OH)2)를 생성한다. 생성된 브루사이트의 불용성으로 인해 pH가 낮아져 C-S-H와 에트린자이트를 불안정하게 만들게 된다.
4) 광물질 혼화재를 사용한 콘크리트의 탄산화 저항성 평가 결과, 무기질 자극제 사용에 의한 혼화재의 반응 활성화를 유도한 HVMAC가 TBC보다 탄산화 저감효과가 있었으며, 표준양생기간을 증가시켰을 때 콘크리트 내부조직이 치밀화 되어 탄산화 저항성이 향상되었다.
5) HVMAC와 TBC가 황산 및 황산염에 의한 화학적 침식에 비교적 우수한 성능을 발휘하고 있다. NC의 경우 황산의 화학적 침식에 의해 석고 및 2차 에트린자이트가 다량 생성되어 체적 팽창에 의한 열화가 빠르게 발생하였으며, 이는 압축강도 저하 및 질량 손실로 이어졌다.
5배 증가하면서 상대적으로 유동성이 크게 저하하는 결과를 보이고 있다. TBC의 경우 혼화재 다량 사용에 따른 유동성 증진 효과가 잘 나타나고 있고, HVMAC의 경우 HA의 입자가 각형이어서 TBC에 비해 고성능 감수제의 사용량이 소폭 증가하였으나 우수한 유동성을 확보할 수 있었다.
실험결과 결합재 설계 조건과 관계없이 모든 콘크리트에서 상대동탄성계수가 90% 이상으로 내구성 지수가 높게 나타났으며, 동결융해의 반복에 따른 콘크리트 표면의 박리현상으로 인한 질량 변화 역시 발생하지 않는 것으로 나타났다.
이상의 결합재 설계 조건에 따른 염화물 침투 저항성을 비교 평가한 결과, GGBS 및 FA 적용시 혼화재의 염소이온 고정화에 따른 염소이온 침투 저항성이 크게 증진되었으며, 특히 무기질 자극제을 사용하였을 경우 수화반응 촉진에 의해 초기 재령에서도 콘크리트의 조직이 치밀해져 내염해성 증진에 효과가 매우 큰 것으로 나타났다.
혼화재를 다량 사용한 HVMAC의 경우 동결융해시험 개시 시점에서의 콘크리트 강도 발현 수준이 약 50 MPa 내외로서, 고강도 특성을 갖고 있기 때문에 동해에 대한 내구성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 특히 무기질 자극제를 사용하지 않은 TBC의 경우에 있어서도, 동결융해 개시 시점의 강도 발현 수준이 약 30 MPa 내외로서 높은 강도 수준을 확보하고 있었기 때문에 일정 강도 수준만 확보한다면 결합재의 설계 조건과 관계없이 동해에 대한 내구성능을 충분히 확보 가능할 것으로 판단된다.
5% 황산용액에 침지시킨 경우, 재령이 증가할수록 화학적 침식에 의한 공시체의 열화가 눈에 띄게 발생하였다. 특히 시멘트만 사용한 NC는 침지 재령 28일부터 공시체 표면의 열화에 의한 골재 노출이 확인되었으며, 침지재령이 증가할수록 열화가 심화되어 표면부 박리에 의한 단면 손실이 크게 발생하고 있다. 혼화재를 다량 사용한 TBC 및 HVMAC의 경우, NC에 비해 열화 진행이 지연되고 있어서, 재령 91일에서 모서리 부위로 열화 현상이 일부 확인되었고, 재령 180일에서 표면부의 골재의 노출을 확인할 수 있었다.
그러나, TBC와 비교할 경우 초기 재령부터 큰 폭의 강도 증진 결과를 나타내고 재령 28일에는 60 MPa 이상의 압축강도를 발현하고 있다. 특히, TBC와 동일 수준의 시멘트 배합비를 고려할 경우, 장기재령까지 우수한 강도발현성을 확인하였는데, 이는 무기질 자극제 중 AG에 함유된 SO3이온 공급으로 GGBS의 잠재수경성을 촉진시켜 초기 강도 발현성능이 향상되고, HA에 함유된 CaO가 지속적으로 Ca이온을 공급하여 FA의 포졸란 반응을 활성화시켜 장기재령에서의 강도 증진효과도 기대할 수 있는 것으로 나타났다.
특히 시멘트만 사용한 NC는 침지 재령 28일부터 공시체 표면의 열화에 의한 골재 노출이 확인되었으며, 침지재령이 증가할수록 열화가 심화되어 표면부 박리에 의한 단면 손실이 크게 발생하고 있다. 혼화재를 다량 사용한 TBC 및 HVMAC의 경우, NC에 비해 열화 진행이 지연되고 있어서, 재령 91일에서 모서리 부위로 열화 현상이 일부 확인되었고, 재령 180일에서 표면부의 골재의 노출을 확인할 수 있었다.
후속연구
시키기 때문에 혼화재를 첨가할 경우 수산화칼슘의 생성량이 감소하여 열화가 상대적으로 빠르게 진행되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 연구에서는 침지 재령 180일까지 결합재 설계 조건에 따른 변화가 크게 발생하지 않고 있는데, 이는 혼화재를 다량 사용한 콘크리트의 압축강도 발현 성상이 일반적인 콘크리트와 큰 차이가 있고, 황산마그네슘에 의한 화학적 침식으로 생성되는 반응물의 생성메커니즘이 상이하기 때문인 것으로 추정되며 추후 이에 대한 세부적 연구를 진행하여 정확한 원인 규명이 필요할 것으로 사료된다.
NC의 경우 황산의 화학적 침식에 의해 석고 및 2차 에트린자이트가 다량 생성되어 체적 팽창에 의한 열화가 빠르게 발생하였으며, 이는 압축강도 저하 및 질량 손실로 이어졌다. 그러나, 혼화재를 다량 사용한 경우 황산염에 대한 저항성이 NC와 유사 수준을 발휘하고 있는데 이는 압축강도 발현 성상과 반응물 생성메커니즘이 상이하기 때문인 것으로 판단되며, 이에 대한 추가 연구를 통해 정확한 규명이 필요할 것을 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다량의 광물질 혼화재를 사용한 고강도 콘크리트의 탄산화 저항성 경가 결과는 어떠한가?
HVMAC는 모든 재령에서 우수한 염화물 침투 저항성을 나타내었고, 동결융해에 대한 내구성 지수가 100%에 가까운 우수한 결과를 나타내었다. 탄산화 저항성 평가 결과, HVMAC가 TBC보다 저감효과가 있었으며, 양생기간을 증가시켰을 때 콘크리트 내부조직을 치밀하게 만들어 탄산화 저항성을 향상시켰다. 황산 및 황산염 저항성 평가에서 HVMAC가 가장 우수한 것으로 나타났다.
2008년 건설산업 중 시멘트의 제조 과정에서 발생하는 CO₂ 배출량은 얼마인가?
최근 국내외적으로 지구환경보전 방안으로 온실가스를 저감시키고자 다양한 정책 및 기술개발이 이루어지고 있다. 국내의 경우 저탄소 녹색성장 기본법 시행에 따라 2020년까지 CO₂ 배출량을 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 30%감축 목표를 설정하였으며, 건설산업 중 시멘트의 제조 과정에서 발생하는 CO₂ 배출량은 2008년도에 46.8백만톤으로 국가 전체 배출량의 10%를 차지하기 때문에 시멘트 분야에서 CO₂ 저감기술 개발이 요구되고 있다.1)
혼화재를 사용한 콘크리트의 장단점은 무엇인가?
혼화재를 사용한 콘크리트의 경우 일반적으로 유동성 증진, 장기강도 우수 및 수화열 저감 등의 많은 장점을 가지고 있는 반면, 다량의 혼화재 적용시 시멘트 사용량 감소에 따른 초기 강도 발현이 저하되기 때문에 일반적으로 혼화재의 사용량을 크게 증가시키는 데는 한계가 있는 실정이다.6-9) 이에 따라 다량의 혼화재를 사용한 콘크리트에 대한 역학적 특성은 물론 내구성에 대한 구체적 검토를 통해 탄소저감형 콘크리트의 실용화 가능성 타진 및 기술적 토대를 구축할 필요가 있다고 판단된다.
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