[논문]수계환경 적용을 위한 설계공극률 및 부석 혼입률에 따른 포러스콘크리트의 물리적 특성 평가

김우석; 박재로; 김봉균; 서대석; 박준석

doi:10.4334/jkci.2016.28.6.703

수계환경 적용을 위한 설계공극률 및 부석 혼입률에 따른 포러스콘크리트의 물리적 특성 평가
Physical Properties Evaluation of Porous Concrete according to Target Porosity and Pumice Contents Ratio for Application of the Aquatic Environment 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.6, 2016년, pp.703 - 711

김우석 (금오공과대학교 건축학부) , 박재로 (한국건설기술연구원 환경플랜트연구소) , 김봉균 (동산콘크리트산업(주) 동산BIO콘크리트연구소) , 서대석 (동산콘크리트산업(주) 동산BIO콘크리트연구소) , 박준석 (경북대학교 건설환경에너지공학부)

초록
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본 연구는 포러스콘크리트 제조시 사용되는 부순돌 대신 부석을 치환하여 수계환경에 적용이 가능한 적정 공극의 확보와 구조체로서의 소요강도를 만족시키기 위한 것이 주목적 이다. 이에 수계환경에 적용이 가능한 최적배합조건을 도출하기 위하여 설계공극률 및 부석의 배합요인에 따른 포러스콘크리트의 공극률 및 투수계수, 압축강도를 평가하고자 하였다. 공극률 및 투수계수의 시험결과, 부석을 혼입하지 않은 경우 골재입도와 관계없이 설계공극률에 비하여 실측공극률 및 투수계수가 비슷한 감소율을 나타내었다. 또한 골재입도 5~3 mm, 설계공극률 5%에서는 0.05 cm/sec이하의 낮은 투수계수를 나타내어 연속공극이 제대로 형성되지 않는 것으로 판단된다. 압축강도의 시험결과, 하천설계기준 및 하천설계실무요령, 한국콘크리트공업협동조합연합회의 수계환경에 적용이 가능한 콘크리트 기준으로 본 연구에서 적용이 가능한 배합은 PC I-5-0, PC I-5-5, PC I-5-10, PC I-5-15, PC I-10-0, PC I-10-5, PC I-10-10로 나타내었다. 이와 같이 설계공극률 및 부석의 배합요인에 따른 포러스콘크리트의 공극률 및 투수계수, 압축강도의 물리적 특성에 대한 검토를 통하여 수계환경에 적용시 적정 공극의 확보와 구조체로서의 소요강도를 동시에 만족시키는 최적 배합은 PC I-10-0, PC I-10-5, PC I-10-10로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study is mainly aimed at securing adequate pores which are applicable to the aquatic environment and satisfying the required strength of porous concrete as a structure by substituting pumice for crushed stone which is usually used for the fabrication of porous concrete. Accordingly, in order to deduce the optimum mixing conditions applicable to the aquatic environment, we sought to evaluate the porosity, coefficient of permeability and compressive strength of porous concrete based on the target porosity and the mixing factors for pumice. By examining the porosity and coefficient of permeability of porous concrete and the physical properties of its compressive strength based on the target porosity and the mixing factors for pumice, it is judged that the optimum mixtures for porous concrete applicable to the aquatic environment which satisfy both the necessity of securing adequate pores and the required strength for porous concrete as a structure are PC I I-10-0, PC I I-10-5 and PC I I-10-10.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

후)부석 표면에">부석표면에 음전하를 띠게 하여 중금속 등을 쉽게 흡수하기 때문에 환경 분야에서 다양한 용도로 연구되었다.¹⁶⁾ 이에 본 연구에서는 포러스콘크리트 제조시 사용되는 쇄석 대신 부석을 치환하여 수계환경에 적용이 가능한 적정 공극의 확보와 구조체로서의 소요 강도를 만족시키기 위한 것이 주목적이다. 이에 수계환경에 적용이 가능한 본 연구에서는 부석을 이용한 포러스콘크리트의 설계공극률 및 부석의 배합요인에 따른 공극률 및 투수계수, 압축 강도의 물리적 특성을 분석하여 수계환경에 적용 가능한 배합을 도출하고자 하였으며, 그 결과는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
후)압축 강도만">압축강도만 제시하고 있으며, 투수계수나 공극률에 관한 기준은 제시하지 않고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내기준에 제시된 압축강도를 기준으로 수계환경에 적용할 수 있는 콘크리트를 평가하였다. 또한 향후 생물학적 방법을 콘크리트에 적용하기 위해 추가적으로 후)수계 환경에">수계환경에 적용이 가능한 적정 공극의 확보와 구조체로서의 소요 강도를 만족시키기 위한 것이 주목적이다. 이에 수계환경에 적용이 가능한 최적배합조건을 도출하기 위하여 설계공극률 및 부석의 배합요인에 따른 포러스콘크리트의 공극률 및 투수계수, 압축강도를 평가하고자 하였다.

제안 방법

(사)일본콘크리트공학협회 『포러스콘크리트의 설계 ·시공법의 확립에 관한 연구위원회』의 보고서의 『포러스콘크리트 공시체의 제작방법(안)』19)을 참조하여 혼합을 끝낸 후 Φ 10×20 cm 압축강도용 몰드에 1/2씩 채운 후 각층마다 표면진동형 다짐기를 이용하여 15초 동안 다짐을 실시하여 공시체를 제작하였다.
Fig. 1과 같이 부석의 기공 형태는 FE-SEM (S-4300 and EDX-350; Hitachi, Tokyo, Japan)을 이용하여 관찰하였으며 구형, 타원형 또는 작은 구형 기공을 포함한 관형 등으로 다양하게 나타났다. 기공의 크기는 매우 다양하게 나타났으며, 작은 기공들이 큰 기공에 융합되는 모습, 인접한 작은 기공이 서로 융합되는 모습도 확인하였다.
설계공극률을 5%, 10%, 15%, 20%로 변화시키면서 각 배합에 대하여 부석의 혼입률을 0, 5, 10, 15, 20%로 설정하여 배합을 실시하였으며, 사용된 배합표는 Table 5와 같다. 또한 포러스콘크리트의 배합은 가변식 콘크리트 팬 믹서를 이용하여 분할혼합방식으로 혼합을 실시하였다. (사)일본콘크리트공학협회 후)수계 환경에">수계환경에 적용할 수 있는 콘크리트를 평가하였다. 또한 향후 생물학적 방법을 콘크리트에 적용하기 위해 추가적으로 투수 계수와 공극률의 평가를 실시하였다. 이와 같이 설계공극률 및 부석의 부석을 이용한 포러스콘크리트의 물리적 특성 분석을 위한 배합요인은 W/C는 25%로 계획하였다. 설계공극률을 5%, 10%, 15%, 20%로 변화시키면서 각 배합에 대하여 부석의 혼입률을 0, 5, 10, 15, 20%로 설정하여 배합을 실시하였으며, 사용된 배합표는 Table 5와 같다.
후)배합 요인은">배합요인은 W/C는 25%로 계획하였다. 설계공극률을 5%, 10%, 15%, 20%로 변화시키면서 각 배합에 대하여 부석의 혼입률을 0, 5, 10, 15, 20%로 설정하여 배합을 실시하였으며, 사용된 배합표는 Table 5와 같다. 또한 포러스콘크리트가 타설된 공시체는 24시간 후에 탈형하여 소요의 재령까지 20±2°C의 수중에서 표준양생을 실시하였다.

대상 데이터

골재는 5 ~ 13 mm 및 13 ~ 20 mm 입도의 화강암질 부순돌과 5 ~ 8 mm 입도의 백두산에서 생성된 부석¹⁷⁾을 사용했다. 각 골재의 물리적 특성은 Table 2와 같고, 부석의 실험에서 사용한 시멘트는 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트이며, 물리적 성질은 Table 1과 같다.

이론/모형

또한, 투수계수시험은 『포러스콘크리트의 설계 · 시공법의 확립에 관한 연구위원회』 보고서의 『포러스콘크리트의 투수시험방법(안』 19)에 준하여 Fig. 2와 같은 시험장치로 투수계수를 측정하였으며, Darcy 법칙에 근거하여 식 (2)에 의해 투수계수를 산출하였다.
부석을 이용한 포러스콘크리트의 물리적 특성을 분석하기 위하여 전공극률 및 압축강도시험, 투수계수시험을 실시하였으며, 포러스콘크리트의 전공극률 시험은 (사)일본콘크리트공학협회 『포러스콘크리트의 설계 · 시공법의 확립에 관한 연구위원회』보고서의 『포러스콘크리트의 공극률 시험방법(안)』중 용적법19)에 준하여 측정하였으며, 다음 식(1)에 의하여 계산하였다.
후)포러스 콘크리트의">포러스콘크리트의 압축강도시험은 재령 28일에서 KS F 2405²⁰⁾에 준하여 국내 H사 제품의 용량 100 t의 유압식 만능시험기를 사용하여 압축강도를 측정하였다.

성능/효과

1) 공극률 시험결과, 부석의 혼입률이 증가할수록 부석을 혼입하지 않은 경우의 설계공극률에 비하여 공극률이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 다짐 및 2) 투수계수의 시험결과, 공극률의 시험결과와 동일하게 부석의 혼입률이 증가할수록 투수계수는 낮게 나타났다. 또한 3) 압축강도 시험결과, 설계공극률 및 부석의 혼입률이 증가할수록 압축강도가 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 공극률이 증가할수록 4) 포러스콘크리트의 공극률이 증가할수록 모든 시험체에서 압축강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 5) 설계 공극률이 일정할 경우 포러스콘크리트의 투수계 수가 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 그 중 변화폭이 가장 크게 나타난 부석이 함유되지 않은 시험체들은 후)골재 입도">골재입도 13~20 mm는 설계공극률 5%에 비해 설계공극률 10, 15, 20% 증가할수록 투수계수가 33.3, 66.7, 75.5% 증가하는 경향을 나타내었다.
후)골재 입도">골재입도 13~20 mm에서 설계공극률 5%일 때 4.8, 4.6, 4.4, 4.1%, 설계공극률 10%일 경우 9.7, 9.4, 9.1, 8.7%, 설계공극률 15%일 경우 15.1, 14.6, 14.1, 13.6%, 설계공극률 20%일 경우 19.4, 18.8, 18.3, 17.4%로 나타났다.
후)골재 입도">골재입도 13~20 mm인 경우에는 공극률이 대략 5%인 경우를 기준으로 하여 10%로 증가시 압축강도는 19%감소, 15%로 증가시 32%감소, 20%로 증가시 45.5%감소되는 경향을 나타내었다. 이러한 결과로 후)골재 입도">골재입도 5~13 mm에서는 설계공극률 5, 10, 15, 20%에 따라 부석을 혼입하지 않은 경우와 부석의 혼입률 20% 차이가 80, 20, 11.8, 8.5%를 나타내었으며, 골재입도 13~20 mm에서는 33.3, 22.2, 13.9, 10.2%를 나타내었다. 이는 부석을 혼입할 경우 다짐 및 후)골재 입도">골재입도 및 부석 혼입률과 관계없이 설계공극률이 증가할수록 투수계수가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 후)압축 강도가">압축강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 그 중 변화폭이 가장 크게 나타난 부석이 함유되지 않은 시험체들은 Fig. 9와 같은 양상을 나타내었는데, 우선 골재입도 5~13 mm인 경우 공극률이 대략 5%인 경우를 기준으로 10%로 공극률이 증가할 때 압축강도는 24%감소, 15%로 증가시 43%감소, 20%로 증가시 52%감소되는 것으로 나타났다. 후)압축 강도가">압축강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 그 중 변화폭이 가장 크게 나타난 부석이 함유되지 않은 시험체들은 골재입도에 따라 설계 공극률이 5%인 경우를 기준으로 설계공극률이 10%로 증가할 때 투수계수는 150~300% 증가, 압축강도는 19~24% 감소하였다. 또한, 후)그 중">그중 변화폭이 가장 크게 나타난 부석이 함유되지 않은 시험체들은 골재 입도에 따라 공극률이 대략 5%인 경우를 기준으로 10%로 공극률이 증가할 때 압축강도는 19~24%감소, 15%로 증가 시 32~43%감소, 20%로 증가시 45.5~52%감소되는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 포러스 콘크리트의 공극률이 후)실측 공극률이">실측공극률이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 각설계공극률 별로 부석의 혼입률 20%에서 가장 큰 감소율을 나타내었으며, 골재입도 13~20 mm 보다 5~13 mm의 경우 부석혼입률 15, 20%에서 더 큰 감소율을 나타내었다. 이는 부석을 혼입할 경우 다짐 및 후)압축 강도가">압축강도가 감소하는 경향을 보였다. 또한 골재입도 13~20 mm에서도 유사하게 설계공극률 5%의 경우 압축강도가 평균 15.7 MPa을 보였으나, 설계공극률이 10, 15, 20%로 증가할수록 15.3 MPa, 13.6 MPa, 9.6 MPa을 나타내어 공극률이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향을 보였다. 부석의 혼입률에 따른 결과는 입도 5~13 mm 에서 부석을 또한 부석이 혼입될 경우 부석의 혼입률이 증가할수록 골재입도 5~13, 13~20 mm 모두 일정한 비율로 강도가 감소하는 결과를 나타내었다.
2% 감소하는 결과를 나타내었다. 또한 설계공극률에 비해 실측공극률의 증가 및 감소율이 골재입도 5~13 mm에서는 평균 3.3%로 나타났으며, 골재입도 13 ~ 20 mm에서는 평균 1.9%로 나타났다.
후)포러스 콘크리트가">포러스콘크리트가 생물막을 형성하여 여러 종의 미생물이 성장할 수 있으며, 미생물 담체로 활용이 가능한 것으로 연구되어졌다. 또한 자연정화방법인 역간접 접촉산화법의 가장 큰 장점으로 돌과 돌 사이에 생물막을 형성시킴으로서 오염수를 통과시켜 유기물의 분해 촉진을 도모하는 것이 포러스콘크리트에 활용 가능한 것을 확인하였다.^6-7) 또한 후)압축 강도는">압축강도는 19~24% 감소하였다. 또한, 설계공극률이 15%로 증가할 때 투수 계수는 300~680% 증가, 압축강도는 32~43% 감소하였으며, 설계공극률이 20%로 증가 시 투수계수는 408~940% 증가, 압축강도는 45.5~52% 감소되는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 부석을 5, 10, 15, 20% 혼입한 경우 골재입도 5~13 mm에서 설계공극률 5%일 때 5.1, 5.0, 4.8, 4.7%, 설계공극률 10%일 경우 9.9, 9.6, 9.4, 9.2%, 설계공극률 15%일 경우 14.5, 14.1, 13.6, 13.2%, 설계공극률 20%일 경우 18, 17.6, 17.4, 17%로 나타났다. 부석을 혼입하지 않은 경우 골재입도 5~13 mm는 설계공극률 5%에 비해 설계공극률 10, 15, 20% 증가할수록 투수계수가 66.7, 85.3, 89.3% 증가하는 경향을 나타내었다. 3, 4와 같다. 부석을 혼입하지 않은 경우 골재입도 5~13 mm에서 설계공극률 5, 10%는 0.2% 증가하였으며, 15, 20%는 각각 0.3, 0.2% 감소한 것으로 나타났다. 부석을 혼입하지 않은 경우 설계공극률과 실측공극률의 증가 및 감소율이 골재입도 5~13 mm에서 평균 3.3%, 골재 입도 13~20 mm에서 평균 1.9%로 나타났기 때문에 본 연구에서 선정한 설계, 혼합 및 다짐방법이 적절한 것으로 판단된다.
부석을 혼입한 경우 골재입도 및 설계공극률에 관계없이 부석의 혼입률이 증가할수록 투수계수는 낮아지는 결과를 나타내어 본 연구에서는 부석의 혼입률 20%에서 가장 낮은 투수계수를 나타내었다. 부석을 혼입한 경우 골재입도와 관계없이 설계공극률에 비하여 실측공극률이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 후)압축 강도가">압축강도가 감소하는 경향을 보였다. 부석의 혼입률에 따른 결과는 입도 5~13 mm 에서 부석을 포러스콘크리트에 혼입한 경우 혼입하지 않은 것에 비하여 설계공극률 5, 10, 15, 20%의 경우 각각 41.4, 37.4, 24.7, 52.7%의 강도 감소경향을 나타냈다. 입도 13~20 mm에서는 부석을 압축강도 시험결과를 고찰하여 보면, 골재입도와 관계없이 설계공극률이 증가할수록 압축강도가 낮게 나타났다. 이는 설계공극률이 증가할수록 5%감소되는 경향을 나타내었다. 이러한 결과로 포러스콘크리트의 공극률이 압축강도에 큰 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다.
5%감소되는 경향을 나타내었다. 이러한 결과로 포러스콘크리트의 공극률이 압축강도에 큰 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다.
7, 8과 같다. 이를 고찰하여 보면 골재입도 5~13 mm는 설계공극률 5%의 경우 압축강도가 평균 20.7 MPa로 나타났으나, 설계공극률이 10, 15, 20%로 증가할수록 18.3 MPa, 14.4 MPa, 10.3 MPa을 나타내 공극률이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향을 보였다. 또한 56 MPa로 나타났다. 이를 기준으로 설계 공극률이 10% 로 증가할 때 투수계수는 300% 증가, 압축강도는 24%감소하였고, 설계공극률이 15%로 증가할 때 투수계수는 680%증가, 압축강도는 43%감소하였으며, 설계공극률이 20%로 증가시 투수계수는 940%증가, 압축강도는 52%감소되는 것으로 나타났다. 다음으로 87 MPa로 나타났다. 이를 기준으로 설계공극률이 10%로 증가할 때 투수계수는 150%증가, 압축강도는 19%감소하였고, 설계공극률이 15%로 증가할 때 투수계수는 300%증가, 압축강도는 32%감소하였으며, 설계공극률이 20%로 증가시 투수계수는 408%, 압축강도는 45.5%감소되는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 후)소요 강도를">소요강도를 동시에 만족하여야 한다. 콘크리트용 골재로 사용 가능한 부석은 미생물 담체로서 활용하여 다양한 폐수에서 혐기성 및 호기성 조건에서 우수한 처리효율을 나타내었으며,^8-12) 생물반응조에서 생물막 및 미생물의 효율적인 증가와 부착을 보여주었다.¹³⁾ 또한 바실러스 미생물의 내생포자 형성에 필요한 미네랄인 SiO₂가 주로 이루어져 있기 때문에 미생물을 이용한 수처리 기능을 후)포러스 콘크리트의">포러스콘크리트의 공극률과 압축강도와의 상관관계를 살펴보면 모든 시험체에서 공극률이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 그 중 변화폭이 가장 크게 나타난 부석이 함유되지 않은 시험체들은 Fig.
후)포러스 콘크리트의">포러스콘크리트의 투수계수와 압축강도와의 상관 관계를 살펴보면 모든 시험체에서 투수계수가 증가할수록 압축 강도가 감소하는 경향을 나타내었는데, 그 중 변화폭이 가장 크게 나타난 부석이 함유되지 않은 시험체들은 Fig. 10과 같은 양상을 나타내었다.

후속연구

후)최종 배합">최종배합 도출이 필요할 것으로 판단된다. 그리고 하천에 많이 쓰이는 콘크리트의 문제점을 해결하기 위한 대책으로 포러스콘크리트를 이용한다면 비점오염원 등으로 인한 오염된 하천의 수질을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
향후 본 연구에서 도출한 최적배합을 활용하여 수질정화실험으로 오염물질 처리성능에 대한 연구가 추가적으로 진행할 필요가 있으며, 이에 대해 수계환경에 적용시 적정공극의 확보 및 구조체로서의 소요강도, 수질정화 성능을 동시에 만족할 수 있는 포러스콘크리트의 최종배합 도출이 필요할 것으로 판단된다. 그리고 하천에 많이 쓰이는 콘크리트의 문제점을 해결하기 위한 대책으로

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포러스콘크리트는 어떤점에서 수질 정화 측면에 유효한가?	다양한 환경적 기능을 가진 포러스콘크리트는 다공성 및 큰 표면적이 큰 특징이기 때문에 표면에 부착할 식물 플랑크톤, 미생물 등이 보다 많이 부착할 수 있어 수질정화의 측면에서도 유효하다.1-5) 포러스콘크리트가 생물막을 형성하여 여러 종의 미생물이 성장할 수 있으며, 미생물 담체로 활용이 가능한 것으로 연구되어졌다.
	자연정화방법인 역간접 접촉산화법의 장점은 무엇인가?	1-5) 포러스콘크리트가 생물막을 형성하여 여러 종의 미생물이 성장할 수 있으며, 미생물 담체로 활용이 가능한 것으로 연구되어졌다. 또한 자연정화방법인 역간접 접촉산화법의 가장 큰 장점으로 돌과 돌 사이에 생물막을 형성시킴으로서 오염수를 통과시켜 유기물의 분해 촉진을 도모하는 것이 포러스콘크리트에 활용 가능한 것을 확인하였다.6-7) 또한 포러스콘크리트가 하천 및 호소 등 다양한 수계환경에 적용 될 수 있다는 점을 고려해보면 동절기 하천의 동결로 인하여 콘크리트가 파손될 우려가 있고 나뭇가지와 같은 각종 부유물로 인하여 충격을 받을 수 있으므로 적절한 강도를 확보하는 것 역시 중요하다고 할 수 있다.
	포러스콘크리트는 무엇을 동시에 만족하여야 하는가?	6-7) 또한 포러스콘크리트가 하천 및 호소 등 다양한 수계환경에 적용 될 수 있다는 점을 고려해보면 동절기 하천의 동결로 인하여 콘크리트가 파손될 우려가 있고 나뭇가지와 같은 각종 부유물로 인하여 충격을 받을 수 있으므로 적절한 강도를 확보하는 것 역시 중요하다고 할 수 있다. 따라서 효과적인 수질정화성능을 가지면서 콘크리트 구조체로서의 소요강도를 동시에 만족하여야 한다. 콘크리트용 골재로 사용 가능한 부석은 미생물 담체로서 활용하여 다양한 폐수에서 혐기성 및 호기성 조건에서 우수한 처리효율을 나타내었으며,8-12) 생물반응조에서 생물막 및 미생물의 효율적인 증가와 부착을 보여주었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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