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문제 정의
- 이와 같은 관점에서 본 연구에서는 동제련 슬래그를 혼화재료로 활용하여 굳지 않은 특성인 유동성, 점성 및 충전성을 측정하고 굳은 특성으로 압축강도를 측정하여, 동제련 슬래그가 고유동 콘크리트의 특성에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
제안 방법
- “충전장치를 이용한 간극 통과성 시험방법”에 따라 실시하였다. U-Box 시험 기구에 시료를 채운 후 가운데 칸막이를 들어 올려 콘크리트가 강봉 사이를 통과하여 상승된 높이를 측정하였다.
- 고유동 콘크리트의 점성을 알아보고자 V-Funnel 유하시간 시험 기구를 이용하여 유하시간을 측정하였다. V-Funnel 유하시간 측정은 KSCE 2003-03 “깔대기를 사용한 유하 시험방법”에 따라 시험을 실시하였다.
- 고유동 콘크리트의 충전성을 파악하기 위해 U-Box 충전높이 시험을 실시하였으며, 그 결과는 [Figure 9]에 나타내었다.
- 그리고 동제련 슬래그는 시멘트 중량에 대하여 각각 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %로 치환하였다. 기존 혼화재료의 경우 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬를 각각 10 %, 20 %, 30 %로 치환한 시편을 제작하였다.
- 그리고 동제련 슬래그는 시멘트 중량에 대하여 각각 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %로 치환하였다. 기존 혼화재료의 경우 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬를 각각 10 %, 20 %, 30 %로 치환한 시편을 제작하였다.
- 동제련슬래그를 혼입한 콘크리트가 기타 혼화재료를 혼입한 경우와 비교하여 보다 우수한 수준의 유동성을 확보할 것이라는 예측을 바탕으로 유동성, 충전성, 압축 강도를 측정하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 압축강도는 소정의 재령까지 20±3 ℃의 온도에서 수중양생을 실시하였으며, 재령 3, 7, 14일 및 28일에 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험방법”에 따라 실시하였다.
- 평가항목은 굳지않은 콘크리트에서는 슬럼프플로, 슬럼프플로 500 mm 도달시간, V-Funnel 유하시간과 U-Box 충전높이 시험을 실시하였으며, 굳은 콘크리트에서는 재령 3, 7, 14, 28일의 압축강도를 측정하였다. 본 연구의 배합설계는 [Table 1]과 같으며, 실험인자 및 평가항목은 [Table 2]에 나타내었다.
- 혼화재료의 치환율에 따른 유동성을 비교·평가하고자 각 시편별 슬럼프플로를 측정하였으며, 그 결과는[Figure 2] 및 [Figure 3]과 같다.
대상 데이터
- 굵은골재는 20 mm 이하의 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 5 mm 이하의 강모래를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 고성능 감수제의 경우 폴리카본산 계이며 액체형을 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 동제련 슬래그는 국내 L사에서 동제련 연속로 공법을 통하여 발생된 것으로서 볼밀에 2시간동안 사용하여 미분말화 하였으며 이에 대한 형상은 [Figure 1]에 화학조성과 물리적 성질은 [Table 3]과 같다.
- 본 연구에 사용된 혼화재료 중 고로슬래그 미분말은 국내산 H사의 콘크리트용 고로슬래그 미분말(3종)을 사용하였으며, 플라이 애쉬는 경상남도 S 화력발전소에서 발생된 것을 사용하였다. [Table 4], [Table 5]에 혼화재료들의 화학조성과 물리적 성질을 나타내었다.
- 본 연구에서 사용한 시멘트는 S사에서 제조한 국내산 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였다.
이론/모형
- V-Funnel 유하시간 측정은 KSCE 2003-03 “깔대기를 사용한 유하 시험방법”에 따라 시험을 실시하였다.
- 각 배합별 바닥모르타르의 유동성 측정을 위하여 KS L 5111에 따라 슬럼프플로 시험을 실시하였으며, 슬럼프플로 500 mm 도달시간을 측정하여 점성에 대하여 평가하였다.
- 본 연구에서 고유동 콘크리트의 배합설계는 기존연구를 참고하여 설정하였다.[4] 특히, 본 연구에서 단위결합 재량은 500 kg/m3로 보통 콘크리트의 단위결합재량 보다 매우 높은 것이 특징이다.
성능/효과
- 1) 동제련 슬래그의 치환율이 증가할수록 슬럼프플로는 증가하였고 슬럼프플로 500 mm 도달시간은 단축되어 기존 혼화재료와 비교하여 유동성 향상 효과를 확인하였다. 그러나 치환율이 40 %이상일 때는 재료분리가 발생하여 적정 치환율이 존재함을 알수 있었다.
- 2) 동제련 슬래그의 치환율이 30 %까지는 V-Funnel 유하시간이 1.3초∼1.4초 범위로 단축되었으며, U-Box 충전높이는 17∼22 mm로 높아지는 것으로 확인되어 재료 분리 저항성과 충전성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- 3) 동제련 슬래그를 치환한 콘크리트의 압축강도는 Plain과 비교하여 재령 14일까지는 저하하였으나 재령 28일에서는 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 치환율이 30 %일 때, 기타 혼화재료와 비교하여 강도증진효과가 더 큰 것을 확인하였다.
- U-Box 충전높이 측정 결과 모든 시편에서 EFNARC 충전높이 기준인 300 mm을 만족하였으며, Plain의 충전 높이는 348 mm로 나타났다.[6] 동제련 슬래그의 치환율이 30 %까지는 치환율이 증가할수록 충전높이는 각각 357, 360, 362 mm로 측정되어 Plain과 비교하여 9∼14 mm로 높게 나타나 충전성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
- [6] 동제련 슬래그의 치환율이 30 %까지는 치환율이 증가할수록 충전높이는 각각 357, 360, 362 mm로 측정되어 Plain과 비교하여 9∼14 mm로 높게 나타나 충전성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
- 각각의 혼화재료 치환율에 따른 슬럼프플로는 치환율이 증가할수록 슬럼프플로가 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 혼화재료의 치환율이 동일한 경우, 동제련 슬래그를 치환한 시편의 슬럼프플로가 다소 높게 측정되어 유동성 증진효과가 다른 혼화재료와 비교하여 조금 더 우수함을 확인 할 수 있었다.
- 전시편에서 기준시편보다 낮은 공기량이 측정되었으며, 혼화재의 종류에 관계없이 치환율의 증가와 더불어 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 동제련 슬래그를 50 %까지 치환하여도 공기량은 4.5 %로 측정되어 플라이 애쉬 10 % 치환한 경우와 동일한 것으로 확인되었다. 따라서 동제련 슬래그의 다량치환시 공기량은 기타 혼화재료와 비교하여 충분한 동결 융해 저항성능을 확보할 것으로 판단된다.
- 그러나 치환율이 30 %까지는 유하시간이 5.1∼5.2가 측정되어 유사한 점성을 나타내었지만, 치환율이 40%이상이때 유하시간은 4.0초와 3.3초가 측정되어 저점성 영역 중에서도 점성이 가장 낮은 것으로 나타나 고층이나 지하부위에 콘크리트를 타설하기 위한 압송성에 유리할 것으로 판단된다.
- 각각의 혼화재료 치환율에 따른 슬럼프플로는 치환율이 증가할수록 슬럼프플로가 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 혼화재료의 치환율이 동일한 경우, 동제련 슬래그를 치환한 시편의 슬럼프플로가 다소 높게 측정되어 유동성 증진효과가 다른 혼화재료와 비교하여 조금 더 우수함을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과가 나타난 이유는 동제련 슬래그의 입형이 구형이며 흡수율이 낮아 동제련 슬래그의 치환율이 증가할수록 유동성 향상효과가 나타난 것으로 판단된다.
- 그리고 고로슬래그 미분말을 치환한 경우 365, 368, 370 mm로 측정되어 Plain보다 17∼22 mm로 높아지는 것을 알 수 있어 동제련 슬래그 보다는 충전효과가 다소 미미하지만 충전성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- 기준시편의 슬럼프플로 값은 650 mm로 측정되었으며, 동제련 슬래그를 10 %∼50 %까지 치환할 경우 각각 680 mm, 690 mm, 700 mm, 720 mm, 750 mm으로 나타났다.
- 그러나 재령 14일에서는 초기재령의 강도발현 특성과 다른 모습을 보였는데, 동제련 슬래그를 30 %까지 치환한 전 시편이 Plain시편의 강도와 유사한 것으로 확인되 었다. 동제련 슬래그를 10 % 치환한 경우에서 가장 높은 강도인 41.2 MPa가 측정되었으며, 가장 낮은 강도를 보인 것이 20 %를 치환한 경우로 40.6 MPa로 측정되었다.
- 동제련 슬래그의 치환율에 따른 슬럼프플로 500 mm 도달시간은 기준시편의 7.5초와 비교하여 동제련 슬래그의 치환율 10 %∼50 %까지는 0.7초∼3.5초로 단축되어 치환율 증가와 더불어 슬럼프플로 500 mm 도달시간이 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 5 %로 측정되어 플라이 애쉬 10 % 치환한 경우와 동일한 것으로 확인되었다. 따라서 동제련 슬래그의 다량치환시 공기량은 기타 혼화재료와 비교하여 충분한 동결 융해 저항성능을 확보할 것으로 판단된다.
- 그러나 혼화재료의 치환율이 동일한 경우, 동제련 슬래그를 치환한 시편의 슬럼프플로가 다소 높게 측정되어 유동성 증진효과가 다른 혼화재료와 비교하여 조금 더 우수함을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과가 나타난 이유는 동제련 슬래그의 입형이 구형이며 흡수율이 낮아 동제련 슬래그의 치환율이 증가할수록 유동성 향상효과가 나타난 것으로 판단된다.
- 이러한 결과로 볼 때 동제련 슬래그를 치환한 시편의 경우 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 치환한 시편과 충전성의 향상효과가 유사한 것을 확인할 수 있었다.
- 이상의 결과로 고유동 콘크리트 제조시 동제련 슬래그를 사용하는 경우 유동성, 점성 및 강도증진에 효과가 있는 것으로 나타나 고유동 콘크리트 제조용 혼화재료로 충분히 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
- 이상의 압축강도 결과를 분석하였을 때 동제련 슬래그의 경우 혼화재료로 사용 시 압축강도 증진에 효과가 있음을 확인할 수 있었으며, 고로슬래그 미분말이나 플라이 애쉬에 비하여 강도증진효과가 더 큰 것을 알 수있었다.
- 재령 28일에서도 동제련 슬래그를 30 % 치환한 모든 시편이 Plain시편의 강도를 초과하는 것으로 나타났으며, 특히 치환율 30 %일 때는 50.5 MPa가 측정되어 가장 높은 압축강도 발현이 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 일정이상 재령이 경과한 경우 용융슬래그의 치환율이 높을수록 강도증진 효과가 더욱 우수함을 입증하는 결과로 판단된다.
- 그리고 플라이 애쉬는 20 %일 때 재령 28일의 압축강도가 가장 높게 측정되었다. 재령 3일, 7일, 14일의 경우 전 시편에서 기준시편 보다 낮은 압축 강도가 측정되었으나 재령 28일에서는 동제련 슬래그를 30 %치환한 시편의 압축강도가 50.5 MPa로 가장 높게 측정되었으며, 고로슬래그를 30%치환한 시편이 46.1 MPa로 측정되었다. 그리고 플라이 애쉬를 20 %치환한 시편의 경우 42.
- 재령 3일과 7일에서는 동제련 슬래그의 치환율이 증가할수록 강도는 감소하는 것이 확인되었으며, 동제련 슬래그를 치환한 모든 시편에서 Plain시편 보다 낮은 강 도발현 특성을 보이는데, 이는 동제련 슬래그의 치환율 증가와 더불어 시멘트의 양이 감소하였기 때문으로 판단된다.
- 고유동 콘크리트의 공기량 시험을 실시한 결과를[Figure 10]에 나타내었다. 전시편에서 기준시편보다 낮은 공기량이 측정되었으며, 혼화재의 종류에 관계없이 치환율의 증가와 더불어 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 동제련 슬래그를 50 %까지 치환하여도 공기량은 4.
- 3) 동제련 슬래그를 치환한 콘크리트의 압축강도는 Plain과 비교하여 재령 14일까지는 저하하였으나 재령 28일에서는 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 치환율이 30 %일 때, 기타 혼화재료와 비교하여 강도증진효과가 더 큰 것을 확인하였다.
- 플라이애시를 치환할 경우 각각 362, 363, 362 mm 로 측정되어 14∼15 mm의 상승효과로 동제련 슬래그를 혼입한 시편과 유사한 충전성을 나타내는 것으로 확인되었다.
- 혼화재료의 종류 및 치환율에 따른 시험결과에서는 혼화재료의 치환율이 동일한 경우 고로슬래그 미분말을 혼입한 시편이 슬럼프플로 500 mm 도달시간이 가장 크게 단축되었으나 동제련 슬래그를 치환한 시편과 큰 차이는 나타나지 않았다.
후속연구
- 이를 바탕으로 동제련 슬래그를 30 %까지 치환할 경우 재료분리가 없는 상태에서 저점성을 나타내었으며, 유동성이 향상되는 것을 확인하여 고유동 콘크리트 타설시 압송성 및 작업성에 도움이 될 것으로 판단된다.
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