스케일링은 겨울철 제설제 살포 및 동결융해의 복합작용으로 인하여 교통시설 구조물에서 발생하는 대표적인 콘크리트의 성능저하 현상이다. 본 논문에서는 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인을 분석하기 위하여 콘크리트의 역학적 성능, 공극구조 특성과 스케일링 저항성과의 관계를 실험적으로 고찰하였다. 실험결과, 콘크리트의 스케일링 저항성은 콘크리트의 압축강도와는 그다지 상관관계가 적었으며, 오히려 콘크리트의 표면투수 특성과 밀접한 관련이 있는 것으로 조사되었다. 또한, 콘크리트의 스케일링 저항성을 평가하기 위한 파라미터로써, 기포 간극계수 및 비표면적은 적합하지 않은 것으로 나타났다. 한편, 결합재의 종류에 따른 스케일링 저항성도 상이하게 나타났으며, 보통포틀랜드시멘트 콘크리트 및 실리카흄 콘크리트에 비하여 고로슬래그미분말을 사용한 콘크리트의 스케일링 저항성이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
스케일링은 겨울철 제설제 살포 및 동결융해의 복합작용으로 인하여 교통시설 구조물에서 발생하는 대표적인 콘크리트의 성능저하 현상이다. 본 논문에서는 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인을 분석하기 위하여 콘크리트의 역학적 성능, 공극구조 특성과 스케일링 저항성과의 관계를 실험적으로 고찰하였다. 실험결과, 콘크리트의 스케일링 저항성은 콘크리트의 압축강도와는 그다지 상관관계가 적었으며, 오히려 콘크리트의 표면투수 특성과 밀접한 관련이 있는 것으로 조사되었다. 또한, 콘크리트의 스케일링 저항성을 평가하기 위한 파라미터로써, 기포 간극계수 및 비표면적은 적합하지 않은 것으로 나타났다. 한편, 결합재의 종류에 따른 스케일링 저항성도 상이하게 나타났으며, 보통포틀랜드시멘트 콘크리트 및 실리카흄 콘크리트에 비하여 고로슬래그미분말을 사용한 콘크리트의 스케일링 저항성이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
The scaling of concrete caused by the combined effects of frost and deicing salt is one of the principle causes of damage to transportation infrastructure in cold-climate regions. In this study, to evaluate the factors affecting scaling resistance of concrete, the relationship between the properties...
The scaling of concrete caused by the combined effects of frost and deicing salt is one of the principle causes of damage to transportation infrastructure in cold-climate regions. In this study, to evaluate the factors affecting scaling resistance of concrete, the relationship between the properties of concrete, such as the mechanical properties and pore structure, and scaling resistance was examined experimentally. The test results showed that the scaling resistance was strongly dependent on the absorption properties of concrete, but not on the compressive strength. Furthermore, it is believed that both the spacing factor and specific surface of the air voids was not a good parameter for evaluating the scaling resistance of concrete. SGC concrete was less durable than OPC and SFC concrete with respect to the scaling resistance in the scope of the present study.
The scaling of concrete caused by the combined effects of frost and deicing salt is one of the principle causes of damage to transportation infrastructure in cold-climate regions. In this study, to evaluate the factors affecting scaling resistance of concrete, the relationship between the properties of concrete, such as the mechanical properties and pore structure, and scaling resistance was examined experimentally. The test results showed that the scaling resistance was strongly dependent on the absorption properties of concrete, but not on the compressive strength. Furthermore, it is believed that both the spacing factor and specific surface of the air voids was not a good parameter for evaluating the scaling resistance of concrete. SGC concrete was less durable than OPC and SFC concrete with respect to the scaling resistance in the scope of the present study.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인을 평가하기 위하여 콘크리트의 강도, 흡수율 및 공극구조와 스케일링 저항성과의 관계를 실험적으로 검토하였다. 실험 및 분석을 통하여 도출된 결과를 이용함으로써 콘크리트의 스케일링 저항성 향상을 위한 재료적 요인을 파악하며, 한랭지역 제설제 살포 환경에서 내구성이 우수한 콘크리트 포장재료 선정을 위한 기초자료를 제시하는데 본 연구의 목적이 있다.
본 연구는 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인을 실험적으로 평가한 것으로써, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
따라서, 본 연구에서는 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인을 평가하기 위하여 콘크리트의 강도, 흡수율 및 공극구조와 스케일링 저항성과의 관계를 실험적으로 검토하였다. 실험 및 분석을 통하여 도출된 결과를 이용함으로써 콘크리트의 스케일링 저항성 향상을 위한 재료적 요인을 파악하며, 한랭지역 제설제 살포 환경에서 내구성이 우수한 콘크리트 포장재료 선정을 위한 기초자료를 제시하는데 본 연구의 목적이 있다.
제안 방법
15g/cm3, 분말도 = 3,480cm2/g)이며, 시멘트의 화학성분은 다음 Table 1과 같다. 또, 혼합시멘트 콘크리트 제조를 위하여 고로 슬래그미분말(이하 SG, 밀도 = 2.92g/cm3, 분말도 =4,450cm2/g) 및 실리카흄(이하 SF, 밀도 = 2.20g/cm3, 분말도 = 204,700cm2/g)을 OPC에 대하여 각각 40% 및 8%로 대체하여 사용하였으며, 광물질혼화재의 화학성분을 Table 1에 나타내었다.
본 실험은 광물질혼화재를 사용하지 않은 기준배합(OPC 콘크리트)과 OPC에 SG 및 SF를 각각 40% 및 8%를 대체한 혼합시멘트계 콘크리트(SGC 및 SFC 콘크리트) 등 3배합의 콘크리트를 제조하여 실험을 수행하였으며, 각 콘크리트의 배합특성을 나타낸 것이 Table 3이다. 콘크리트의 w/b 및 S/a는 각각 46.
사용한 화상촬영기는 QICAM 디지털 카메라(1.4 million, 1,392×1,040)에 현미경렌즈(optical 0.5-5×)를 부착하였으며, 시편이 자동으로 움직이면서 측정할 수 있도록 장치하였다.
수중양생한 ∅100×200mm 원주형 공시체를 대상으로 KS F 2405에 의하여 재령 7 및 28일에서 압축강도를 측정하였다.
촬영된 화상은‘image-pro’ 프로그램을 이용하여 콘크리트의 공극특성을 분석하였다[7].
콘크리트의 공극구조를 분석하기 위하여 재령 28일 시편 표면을 연마한 후, 고분말 백색 파우더를 충진하여 공극구조를 분석하였다. 사용한 화상촬영기는 QICAM 디지털 카메라(1.
콘크리트의 스케일링 저항성을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같이 ∅100×70mm 콘크리트 공시체를 제작하여, 수중 및 기건양생을 각각 14일씩 실시하였으며, ASTM C 672에 준하여 매일 1싸이클씩 총 50싸이클의 동결융해 반복작용을 실시하였으며, 소정의 싸이클에서 콘크리트 표면에서 박리된 스케일링 량을 측정하였다.
대상 데이터
또, 콘크리트의 적절한 유동성(슬럼프 120±15 mm) 및 공기량(5±1.0%) 확보를 위하여 PC계열 고성능감수제(SP) 및 AE제(AEA)를 각각 사용하였다.
본 연구에서 사용한 시멘트는 KS L 5201에 준하는 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC, 밀도 = 3.15g/cm3, 분말도 = 3,480cm2/g)이며, 시멘트의 화학성분은 다음 Table 1과 같다. 또, 혼합시멘트 콘크리트 제조를 위하여 고로 슬래그미분말(이하 SG, 밀도 = 2.
잔골재(S)는 부순모래를 사용하였으며, 굵은골재(G)는 부순돌을 사용하였다. 본 실험에 사용된 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
데이터처리
수중양생한 ∅100×200mm 원주형 공시체를 대상으로 KS F 2405에 의하여 재령 7 및 28일에서 압축강도를 측정하였다. 각 재령별로 3개 콘크리트 공시체의 압축강도를 측정하였으며, 그 평균값을 채택하였다.
이론/모형
본 연구에서는 3종류 콘크리트의 표면투수 특성을 평가하기 위하여 ASTM C 1585에 준하여 흡수율 실험을 실시하였으며, 콘크리트 종류별 재령 28일의 흡수율 실험결과를 Fig. 3과 같이 나타내었다. SGC 콘크리트의 흡수율 값이 상대적으로 크게 나타난 반면, SFC 콘크리트의 흡수율이 가장 작게 나타났다.
흡수율은 재령 28일 콘크리트 시편을 대상으로 실험을 실시하였으며, 콘크리트의 표면투수 특성을 평가하기 위하여 ASTM C 1585에 준하여 초기흡수계수(Si : Initial absorption coefficient)를 산정하였다.
성능/효과
1. 콘크리트의 역학적 특성을 고찰한 결과, 재령 7일에서 SGC 콘크리트의 압축강도는 OPC 콘크리트보다 작게 나타났으나, 28일에서는 강도발현이 유사하게 나타났으며, SFC 콘크리트는 재령에 관계 없이 3종류 콘크리트 중 가장 우수한 강도발현 경향을 보였다. 한편, SGC 콘크리트의 흡수율은 상대적으로 크게 나타남으로써, 표면투수 특성이 가장 떨어지는 것으로 조사되었다.
2. 화상촬영 분석에 의한 경화한 콘크리트의 공극특성을 조사한 결과, 콘크리트 종류에 관계없이 직경 10 ∼ 50μm의 작은 공극이 많이 분포하고 있었으며, 직경 200μm 이상의 공극량은 상대적으로 적었다.
3. 3종류 콘크리트 중 SGC 콘크리트의 스케일링 저항성이 가장 낮은 것으로 조사되었으며, 콘크리트의 스케일링 저항성은 압축강도와는 그다지 큰 상관관계가 없었으며, 오히려 콘크리트 표면투수 특성이 스케일링 저항성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
4. 본 연구의 범위에서 콘크리트의 스케일링 저항성을 평가하기 위한 파라미터로써, 기포 간극계수 및 비표면적은 적합하지 않은 것으로 나타났다. 따라서, 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 재료 및 환경인자에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
3과 같이 나타내었다. SGC 콘크리트의 흡수율 값이 상대적으로 크게 나타난 반면, SFC 콘크리트의 흡수율이 가장 작게 나타났다. 한편, Table 4는 콘크리트의 초기흡수계수(Si)를 비교하여 나타낸 것이다.
그러나, 3종류 굳지않은 콘크리트의 공기량은 목표공기량 (5±1%)을 모두 만족하는 것으로 조사되었다.
또, 3종류 콘크리트의 기포 간격계수(spacing factor) 및 기포 비표면적(specific surface)을 측정한 결과를 표 5에 정리하여 나타내었다. 기포 간격계수 및 기포 비표면적은 반비례 관계를 나타내었으며, OPC 콘크리트의 기포 간격계수가 가장 큰 것으로 조사되었으며, SFC 콘크리트가 SGC 콘크리트보다 작은 간격계수 값을 나타냄을 알 수 있다. 본 연구에서 사용한 3종류 콘크리트의 화상촬영 이미지를 나타낸 것이 Fig.
이 그림에서 콘크리트의 스케일링 저항성은 콘크리트의 초기흡수계수와 매우 좋은 상관관계가 있음을 알 수 있다. 다시 말해서, 콘크리트의 강도특성보다는 콘크리트 표면특성이 스케일링 저항성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
기존의 연구결과[14]에 따르면, 동일한 결합재를 적용한 콘크리트의 경우, 콘크리트의 동해(frost attack)는 기포 간극계수 및 비표면적에 지배적인 영향을 받으나, 스케일이 저항성은 콘크리트의 공극구조보다 오히려 결합재의 종류, 물-결합재비 및 콘크리트의 표면특성에 보다 더 지배적인 영향을 받는다고 보고하고 있다. 따라서, 본 연구결과에 따르면, 결합재가 상이한 콘크리트의 스케일링 저항성을 평가하기 위한 파라미터(parameter)로써, 간극계수 및 비표면적의 적용은 효과적이지 않은 것으로 판단된다.
한편, SFC 콘크리트는 압축강도가 OPC 콘크리트에 비하여 상대적으로 높은 것에 비하여 스케일링 저항성은 OPC 콘크리트와 유사하게 나타나는 것으로 관찰되었다. 따라서, 콘크리트의 스케일링 저항성은 압축강도와는 그다지 큰 상관관계가 없는 것으로 조사되었으며, 사용한 광물질혼화재의 종류에 따라 스케일링 저항성이 달라지는 것으로 나타났다[10].
기존 연구결과에 따르면, SG를 사용한 콘크리트는 경화시 SG의 유리질(glassy) 특성 때문에 콘크리트의 표면이 상대적으로 약해져서 노출초기에 동해-염해 복합작용에 의한 스케일링이 많이 발생한다고 보고되고 있다[10]. 또한, SGC 콘크리트의 스케일링 량은 초기 10싸이클에서 스케일링량이 대체적으로 큰 것으로 관찰되었다. 이는 SG의 수화물이 비정질상(amorphous phase)으로 생성됨으로써, 콘크리트 표면경화가 늦어져 초기 스케일링이 지배적인 것으로 나타났다[11].
굳지않은 콘크리트의 공기량은 ASTM C 231에 준하여 측정된 값으로써 전공기량(연행 공기 + 갇힌공기)을 의미하며, 경화한 콘크리트(재령 28일)의 공기량은 직경이 10 ∼ 1,000μm 범위의 공기량을 화상촬영분석으로 측정한 값이다. 실험결과, OPC 콘크리트의 경화 전 공기량은 5.6%이었으나, 경화 후 공기량 측정 값은 2.4%로 나타난 반면, SGC 콘크리트는 각각 5.1% 및 2.1%로 조사되었다. 한편, SFC 콘크리트의 경화 전 공기량은 3종류 콘크리트 중 가장 적게 나타났으나, 경화 후 공기량은 가장 큰 값을 나타내었다.
6이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 OPC 및 SFC 콘크리트의 스케일링 저항성은 유사하게 관찰되었으나, SGC 콘크리트의 스케일링 량은 50싸이클 이후 약 1.8 kg/m2으로 나타남으로써 스케일링 저항성이 상대적으로 낮은 것으로 조사되었다.
1%로 조사되었다. 한편, SFC 콘크리트의 경화 전 공기량은 3종류 콘크리트 중 가장 적게 나타났으나, 경화 후 공기량은 가장 큰 값을 나타내었다. 그러나, 3종류 굳지않은 콘크리트의 공기량은 목표공기량 (5±1%)을 모두 만족하는 것으로 조사되었다.
콘크리트의 역학적 특성을 고찰한 결과, 재령 7일에서 SGC 콘크리트의 압축강도는 OPC 콘크리트보다 작게 나타났으나, 28일에서는 강도발현이 유사하게 나타났으며, SFC 콘크리트는 재령에 관계 없이 3종류 콘크리트 중 가장 우수한 강도발현 경향을 보였다. 한편, SGC 콘크리트의 흡수율은 상대적으로 크게 나타남으로써, 표면투수 특성이 가장 떨어지는 것으로 조사되었다.
후속연구
본 연구의 범위에서 콘크리트의 스케일링 저항성을 평가하기 위한 파라미터로써, 기포 간극계수 및 비표면적은 적합하지 않은 것으로 나타났다. 따라서, 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 재료 및 환경인자에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 스케링 저항성에 영향을 주는 제설제의 요인은?
특히, 우리나라는 겨울철 제설을 위한 제설제 살포 및 동결융해작용으로 인한 콘크리트 포장의 내구성능저하, 즉, 스케일링(scaling) 현상이 많이 보고되고 있으며, 이는 교통시설 이용자의 편의성 감소 및 유지관리 비용증대를 초래하게 된다. 콘크리트의 스케일링 저항성은 제설제의 종류 및 농도, 시멘트량, 물-결합재비, 블리딩량, 연행공기량 등의 영향을 받는 것으로 알려져 있다[4-6]. 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인에 대한 실험적, 해석적 연구가 여러 연구자들에 의하여 수행 되어 오고 있으나, 일부 연구결과를 제외하면 아직까지 가시적인 연구성과는 다소 부족한 실정이다.
스케일링이란?
스케일링은 겨울철 제설제 살포 및 동결융해의 복합작용으로 인하여 교통시설 구조물에서 발생하는 대표적인 콘크리트의 성능저하 현상이다. 본 논문에서는 콘크리트의 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인을 분석하기 위하여 콘크리트의 역학적 성능, 공극구조 특성과 스케일링 저항성과의 관계를 실험적으로 고찰하였다.
SGC 콘크리트가 OPC 콘크리트에 비해 스케일링 저항성이 매우 낮은 이유는?
이 그림에서 알 수 있듯이 SGC 콘크리트는 OPC 콘크리트와 비교해서 압축강도는 유사하였으나, 스케일링 저항성은 매우 낮은 것으로 나타났다. 그 이유는 선행 연구결과[2]에서 보고되었듯이, SG를 사용한 콘크리트는 블리딩량 증대, 표면 경화속도 저하 등으로 인하여 상대적으로 콘크리트 표면의 치밀도가 낮아졌기 때문으로 판단된다. 또, Stark & Ludwig[13]는 SG를 사용한 콘크리트 표면에는 염용액 (CaCl2 solution)에 쉽게 용해되는 CaCO3 (예, aragonite 및 vaterite)가 다량으로 생성된 것이 스케일링 저항성 저하의 주요 원인인 것으로 보고하고 있다.
참고문헌 (14)
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