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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 콘크리트의 내부식성능을 향상시키는 목적으로 최적의 개질유황 혼입 콘크리트를 개발하는 것을 목적으로 우선 최적의 배합비율의 도출과 기본적인 물성의 파악을 위해 개질 처리된 유황을 결합재로 사용해 보통포틀랜드시멘트로 제조한 보통콘크리트와 개질유황 콘크리트로 공시체를 각각 제작하여 콘크리트의 역학적 특성평가와 화학저항성실험, 촉진탄산화실험, 염소이온투과 성실험 및 급속 동결융해실험 등의 각종 내구성 실험을 행하였다.
- 본 실험에서는 개질유황 첨가량에 따른 콘크리트의 기초 물성평가와 내구성능을 알아보기 위하여 계획하였다. 시험 변수로는 개질유황의 첨가량(Cement×%로 0 %, 5 %, 10 %, 15 %)가 고려되었다.
- 또한, 콘크리트 구조물은 설계수명동안 일정한 성능 이상을 유지해야 하지만, 콘크리트 구조물은 시공되는 순간부터 물리적, 화학적인 외부 환경조건과 콘크리트의 내재적인 조건에 의해 계속적으로 성능저하를 일으키므로 설계수명기간 동안 구조물의 안전성과 기능성을 확보하기 위해서는 콘크리트 구조물의 성능저하 원인·분석을 통한 내구성능 연구도 함께 이루어져야 한다3,4). 본 연구에서는 콘크리트의 내부식성능 향상을 위한 방법으로 산업폐기물인 폐유황을 활용하는 방법에 주목하였다5-7). 유황은 주로 황화광물의 선광, 제련과정 중의 부산물로 생산되거나 석유정제중 생산되며 특히, 우리나라에서는 정유공장에서 원유 정유공정에서 부산물로 발생한다.
- 촉진탄산화 시험은 KS F 2584 "콘크리트의 촉진탄산화 시험" 방법에 준해 시험하였다. 이 실험은 재령 초기에 강알칼리성인 콘크리트 시편을 높은 농도의 이산화탄소 환경에 노출시켜 콘크리트 내부의 pH 감소에 의한 탄산화 정도를 검토하여 내구적 저항을 평가하는 시험이다. 본 실험에서는 10 × 10 × 10 ㎜의 사각형 공시체를 대상으로 상대습도 60±5 %, 온도 20±2 ℃ 및 농도 5 %의 CO₂가스 환경으로 고정된 탄산화 시험기에 30일 동안 촉진 노출시켰다.
제안 방법
- ∅100 × 200 ㎜ 크기의 원주형 공시체를 Case별로 3개씩 제작하였으며, 재령(7일, 14일, 28일, 56일)간 22±2.5 ℃의 수중양생 후 최대용량 100톤의 압축시험기로 강도를 측정하였다.
- 진공상태가 유지된 상태에서 포화 Ca(OH)2수용액을 주입한 후 대기압 상태에서 18±2 시간동안 침지하는 전처리 과정을 거쳤다. 0.3N의 NaOH수용액을 양극으로 10 %의 NaCl 수용액을 음극으로 하여 초기 30V 전압을 가했을 때의 초기 전류 값을 기초로 하여 가압전압 및 시험시간이 결정되며, 본 연구에서는 50V, 24시간으로 실시하였다. 염화물 침투깊이는 시험이 종료된 후 시험편을 할렬하여 절단면에 0.
- 100 × 100 × 400 ㎜ 크기의 사각형 공시체를 Case별로 3개씩 제작하였으며, 재령 14일 간 수중양생 후 시험을 수행하였다.
- 콘크리트 공시체의 중심온도가 동결시 –18±2 ℃, 융해시 ＋4±2 ℃가 되도록 하였으며, 1cycle은 4시간이 소요되도록 하였다. Fig. 4와 같이 매 30cycle 간격으로 중량과 1차 공명진동수(Hz)를 측정하였으며, 일본 M사의 공명진동에 의한 콘크리트 동탄성계수 측정 장비를 이용하였다.
- 공시체를 탈형하여 가로로 눕혀서 베어링 나비의 중앙에 놓고 지간의 3등분점에 상부 재하 장치를 접촉시킨다. 공시체에 일정한 속도로 하중을 가하여 공시체의 휨강도를 측정하였다.
- 내부식성 콘크리트의 개발을 위한 기초연구로서 개질유황 첨가에 따른 콘크리트의 역학적 특성과 내구성능을 알아보기 위해 기초물성평가와 내구성평가를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 실험에서는 공시체의 측면을 에폭시나 파라핀으로 방수처리하고 약 20 ℃ 물에 2 ~ 10 ㎜ 정도의 깊이로 담근다. 물에 담그기 전과 물에 담근 후 일정시간간격으로 공시체의 무게를 측정한다.
- 본 실험에서는 10 × 10 × 10 ㎜의 사각형 공시체를 대상으로 상대습도 60±5 %, 온도 20±2 ℃ 및 농도 5 %의 CO₂가스 환경으로 고정된 탄산화 시험기에 30일 동안 촉진 노출시켰다.
- 본 실험은 ∅100 × 50 ㎜의 원주형 공시체를 재령 28일간 수중양생 하였으며, Fig. 1과 같이 시편을 시험셀에 장착한 후 전원은 60V의 직류를 ±0.1 V 정도로 안정적으로 공급하며, 전류의 측정은 기지의 저항체를 회로에 연결하여 전압을 측정하였다.
- 시험 변수로는 개질유황의 첨가량(Cement×%로 0 %, 5 %, 10 %, 15 %)가 고려되었다.
- 3N의 NaOH수용액을 양극으로 10 %의 NaCl 수용액을 음극으로 하여 초기 30V 전압을 가했을 때의 초기 전류 값을 기초로 하여 가압전압 및 시험시간이 결정되며, 본 연구에서는 50V, 24시간으로 실시하였다. 염화물 침투깊이는 시험이 종료된 후 시험편을 할렬하여 절단면에 0.1M의 질산은(AgNO3) 용액을 분무하였을 때 은회색으로 변색된 부위를 측정하였다.
- 염화물 확산계수 산정을 위한 염화물 침투시험으로 ∅100 × 50 ㎜의 원주형 공시체를 재령 28일간 수중양생 하여, 염분침투를 촉진하기 위해 3시간 진공처리를 실시하였다.
- 본 실험에서는 10 × 10 × 10 ㎜의 사각형 공시체를 대상으로 상대습도 60±5 %, 온도 20±2 ℃ 및 농도 5 %의 CO₂가스 환경으로 고정된 탄산화 시험기에 30일 동안 촉진 노출시켰다. 이 후 축방향으로 할렬(割裂)하여 파단면에 1 % 페놀프탈레인 용액을 분무하였으며, CO₂가스에 노출된 표면에서부터 붉은색으로 변색된 부분을 측정하여 각 3개소에 대한 평균값으로 탄산화 깊이를 측정하였다.
- 재령 28일간 수중양생 후 5%Surfuric Acid(H2SO4)용액에 공시체를 소정기간 침지시킨 후 소정의 재령에서 외관관찰, 질량변화율로 화학저항성을 측정하였다.
- 진공상태가 유지된 상태에서 포화 Ca(OH)2수용액을 주입한 후 대기압 상태에서 18±2 시간동안 침지하는 전처리 과정을 거쳤다.
- 공시체를 시험기 가압판 위에 편심하지 않도록 설치한다. 하중재하는 공시체에 충격을 가하지 않도록 똑같은 속도로 하중을 가하며 공시체가 파괴될 때 공시체가 쪼개진 면에서의 길이를 2개소 이상에서 0.1 ㎜까지 측정하여 그 평균을 공시체 길이로 하고, 쪼갬인장강도를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 H사에서 제조한 보통 포틀랜드시멘트로서 그 물리적 성질은 Table 3과 같다. 잔골재는 충남 공주 강모래, 굵은골재는 최대치수 20 ㎜의 쇄석골재이고 표면건조상태로 사용하였다.
- 본 실험에서 사용한 유황은 H사에서 개질 처리된 개질유황으로서 그 물리적 성질은 Table 6과 같고 화학적 구성성분은 Table 7과 같다.
- 본 실험에서는 ∅100 × 200 ㎜의 원주형 공시체를 대상으로 화학저항성실험을 수행하였다.
- 본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 H사에서 제조한 보통 포틀랜드시멘트로서 그 물리적 성질은 Table 3과 같다. 잔골재는 충남 공주 강모래, 굵은골재는 최대치수 20 ㎜의 쇄석골재이고 표면건조상태로 사용하였다. 이들의 물리적 성질은 Table 4와 5와 같다.
- 휨강도 시험에서 100 × 100 × 400 ㎜ 크기의 사각형 공시체로 제작하였다.
이론/모형
- 개질유황에 따른 콘크리트 물흡수계수는 KS F 2609 "건축 재료의 물 흡수 계수 측정" 방법에 준해 시험하였다.
- 개질유황에 따른 콘크리트 압축강도 시험은 KS F 2405인 "콘크리트의 압축강도 시험" 방법에 준해 시험하였다.
- 개질유황에 따른 콘크리트 쪼갬인장강도 시험은 KS F 2423인 "콘크리트 쪼갬 인장 강도 시험" 방법에 준해 시험하였다.
- 개질유황에 따른 콘크리트 휨강도 시험은 KS F 2408인 "콘크리트의 휨강도 시험" 방법에 준해 시험하였다.
- 급속 동결융해 시험은 KS F 2456 "급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험" 으로 수중 급속 동결융해 시험방법(A법)에 준하여 실시하였다.
- 본 실험에서 사용한 AE감수제는 국내 D사의 고성능AE 감수제를 사용하였으며, 그 특성은 Table 8과 같다.
- 염소이온침투저항성 시험은 KS F 2711 "전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험" 방법에 준해 시험하였다.
- 염소이온침투저항성 시험은 NT Build 492 시험방법에 준해 시험하였다. 염화물 확산계수 산정을 위한 염화물 침투시험으로 ∅100 × 50 ㎜의 원주형 공시체를 재령 28일간 수중양생 하여, 염분침투를 촉진하기 위해 3시간 진공처리를 실시하였다.
- 촉진탄산화 시험은 KS F 2584 "콘크리트의 촉진탄산화 시험" 방법에 준해 시험하였다.
- 콘크리트의 화학저항성 시험방법은 JSTM C 7401 "콘크리트의 용액침지에 의한 내약품성 시험" 방법에 준해 시험하였다.
성능/효과
- 1) 개질유황첨가 콘크리트인 CSN가 개질유황 무첨가인 Plain보다 높은 휨강도와 쪼갬인장강도를 나타내었으며, CSN10이 가장 높은 휨강도 및 쪼갬인장강도를 나타내었다. 반면 압축강도에서는 증진효과가 없이 오히려 첨가비율이 증가할수록 강도가 감소하는 경향을 보였다.
- 2) 물흡수계수결과, 개질유황 첨가에 따라 물의 흡수에 대한 저항성이 높아지며 개질유황이 증가할수록 흡수저항성이 향상되었다. CSN5, CSN10, CSN15는 Plain에 비해 6 %, 12 %, 18 %로 물흡수량이 감소하였다.
- 3) 염소이온침투저항성결과, 개질유황 첨가가 증가할수록 내염해성에 대한 염소이온 침투저항성이 우수하였다. KS F 2711 시험에서는 CSN10과 CSN15는 Plain보다 확연히 낮은 염소이온 침투성을 나타내었으며, NT Build 492 시험에서도 개질유황 첨가가 증가할수록 낮은 염화물 침투깊이로 나타났다.
- 300cycle 후 시험체들은 평균 8 %의 상대 동탄성계수가 하락하였다. 300cycle까지 시험을 한 결과, 개질유황 첨가가 동결융해시험에서 약간의 상대 동탄성계수 차이가 있었다. 상대 동탄성계수가 비슷한 경향을 보였다.
- 4) 촉진탄산화시험결과 개질유황 첨가비율이 증가할수록 탄산화침투에 대한 저항성이 우수하였으며, 화학저항성결과, 촉진탄산화와 비슷한 경향으로 내황산염에 대한 저항성이 우수하였다. 중량변화에 큰 차이를 보였으며, 외관으로 보기에도 확연히 확인할 수 있었다.
- 5) 본 연구의 실험결과를 종합하면, 개질유황 첨가는 개질유황 무첨가보다 역학적 특성 및 내염해성 및 내화학성을 포함한 내구성능에 대해 뛰어난 우수성을 보여주어 내부식성 콘크리트로서의 개발가능성을 확인하였다.
- 2) 물흡수계수결과, 개질유황 첨가에 따라 물의 흡수에 대한 저항성이 높아지며 개질유황이 증가할수록 흡수저항성이 향상되었다. CSN5, CSN10, CSN15는 Plain에 비해 6 %, 12 %, 18 %로 물흡수량이 감소하였다. 수밀성 및 방수성에 유효한 효과가 있음이 확인되었다.
- 8과 같다. 개질 유황 첨가가 증가할수록 시험체의 물흡수량은 감소되는 것으로 확인되었다. 초기에 Plain이 낮은 물흡수량을 나타냈지만, 시간이 흐를수록 Plain은 가장 높은 흡수량을 나타냈다.
- 특히, 개질유황의 첨가가 부식 열화인자인 염화물이온침투 저항성 증가에 매우 효과적이었다. 개질유황 10 % 혼합시 약 66 % 정도 통과전하량을 저하시키며, 침투깊이도 73 % 정도 감소시켜 내부식성 재료로서의 가능성을 확인하였다. 내산성도 우수했으며 개질유황 15 % 혼합시에는 8주 후 중량감소비율을 69 % 감소시키는 것으로 나타났다.
- 9와 같다. 개질유황 첨가가 증가할수록 내염해성이 우수하다는 것으로 확인되었다. Plain과 CSN5는 염소이온 침투성이 매우 높게 나타났다.
- 5과 같다. 개질유황 첨가가 증가할수록 시험체는 황산에 대한 저항성이 우수한 것으로 확인되었다. 황산 5 % 용액에 시험체를 침지시켜 시험체의 중량을 측정한 결과, 1주가 지난 뒤부터 시험체들의 중량차이가 있는 것으로 나타났다.
- 10과 같다. 개질유황 첨가가 증가할수록 염화물이온침투 저항성이 우수하다는 것으로 확인되었다. 염화물 침투깊이를 측정한 결과, Plain은 11㎜, CSN5는 6㎜, CSN10는 3㎜, CSN15는 2㎜로 측정되었다.
- 12와 같다. 개질유황 첨가가 증가할수록 탄산화침투 저항성이 우수하다는 것으로 확인되었다. 탄산화 침투깊이를 측정한 결과, Plain는 10 ㎜, CSN5는 9 ㎜, CSN10는 7 ㎜, CSN15는 6 ㎜로 측정되었다.
- 5와 같다. 개질유황 첨가가 증가함에 따라 압강도의 강도증진이 나타나지 않은 것으로 확인되었다. 재령 3일에서의 압축강도 CSN5는 Plain과 비교하여 5 %, CSN10는 13 %, CSN15는 34%로 감소하는 것으로 나타났다.
- 7과 같다. 개질유황 첨가가 증가함에 따라 장기재령으로 갈수록 인장강도가 증진이 되는 것으로 확인되었다. 개질유황 첨가한 시험체들이 Plain보다 0.
- 6와 같다. 개질유황 첨가가 증가함에 따라 장기재령으로 갈수록 휨강도 증진이 되는 것으로 확인되었다. 재령 7일에서의 휨강도 CSN5는 Plain과 비교하여 2 %, CSN10는 4 %, CSN15는 4 %로 증가하였다.
- 개질유황 첨가비율이 증가할수록 압축강도는 다소 감소하는 반면, 인장강도와 쪼갬인장강도는 5,10 %까지 증가한 후 15 %에서는 10 %와 거의 동일한 것으로 나타났다. 전체적으로 강도증진 효과는 크지 않은 것으로 나타났으며, 특히 압축강도가 저하된다는 측면에서 개질유황이 결합재로서의 화학적 결합을 증진시켜 주는 역할보다는 골재와 시멘트 페이스트간의 천이영역에 존재하는 다수의 미세공극을 충전(充塡)하는 충전재로서의 역할이 더 크다고 판단 된다.
- 개질유황 첨가가 증가함에 따라 장기재령으로 갈수록 인장강도가 증진이 되는 것으로 확인되었다. 개질유황 첨가한 시험체들이 Plain보다 0.5 %씩 증가하는 것으로 나타났다. 장기재령으로 갈수록 쪼갬인장강도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 개질유황의 첨가비율에 따른 강도 및 내구성능 평가 결과를 종합하면, 개질유황의 첨가에 따른 강도증진 효과는 크지 않다. 압축강도는 다소 감소하며, 휨과 쪼갬인장강도는 다소 증가하나 증가폭이 크지 않다.
- 개질유황 10 % 혼합시 약 66 % 정도 통과전하량을 저하시키며, 침투깊이도 73 % 정도 감소시켜 내부식성 재료로서의 가능성을 확인하였다. 내산성도 우수했으며 개질유황 15 % 혼합시에는 8주 후 중량감소비율을 69 % 감소시키는 것으로 나타났다.
- 1) 개질유황첨가 콘크리트인 CSN가 개질유황 무첨가인 Plain보다 높은 휨강도와 쪼갬인장강도를 나타내었으며, CSN10이 가장 높은 휨강도 및 쪼갬인장강도를 나타내었다. 반면 압축강도에서는 증진효과가 없이 오히려 첨가비율이 증가할수록 강도가 감소하는 경향을 보였다. 화학적 결합보다는 물리적 충전효과가 큰 것이 원인으로 판단되며 이 부분은 향후 미시분석을 통해 보다 명확한 규명이 요구된다.
- CSN5, CSN10, CSN15는 Plain에 비해 6 %, 12 %, 18 %로 물흡수량이 감소하였다. 수밀성 및 방수성에 유효한 효과가 있음이 확인되었다.
- 이러한 부분은 SEM, MIP, XRD와 같은 미시적인 분석을 통해 향후 보다 명확하게 규명할 필요가 있다고 판단된다. 수밀성을 평가하는 물흡수계수는 개질유황 첨가비율 증가에 따라 감소되어 개질유황의 콘크리트 미세공극 충전효과를 확인할 수 있었다. 이러한 개질유황의 미세공극 충전에 따른 수밀성 향상효과는 염화물이온 침투저항성의 증가, 탄산화 침투깊이의 감소, 내산성의 증가, 동결융해 저항성 증가 결과를 통해서도 확인할 수 있다.
- 개질유황 첨가가 증가할수록 염화물이온침투 저항성이 우수하다는 것으로 확인되었다. 염화물 침투깊이를 측정한 결과, Plain은 11㎜, CSN5는 6㎜, CSN10는 3㎜, CSN15는 2㎜로 측정되었다.
- 수밀성을 평가하는 물흡수계수는 개질유황 첨가비율 증가에 따라 감소되어 개질유황의 콘크리트 미세공극 충전효과를 확인할 수 있었다. 이러한 개질유황의 미세공극 충전에 따른 수밀성 향상효과는 염화물이온 침투저항성의 증가, 탄산화 침투깊이의 감소, 내산성의 증가, 동결융해 저항성 증가 결과를 통해서도 확인할 수 있다. 특히, 개질유황의 첨가가 부식 열화인자인 염화물이온침투 저항성 증가에 매우 효과적이었다.
- 개질유황 첨가가 증가함에 따라 압강도의 강도증진이 나타나지 않은 것으로 확인되었다. 재령 3일에서의 압축강도 CSN5는 Plain과 비교하여 5 %, CSN10는 13 %, CSN15는 34%로 감소하는 것으로 나타났다. 재령 7일에서의 CSN5는 Plain과 비교하여 5 %, CSN10는 13 %, CSN15는 29 %로 감소하는 것으로 나타났으며, 재령 28일에서의 CSN5는 Plain과 비교하여 8 %, CSN10는 17 %, CSN15는 28 %로 감소하는 것으로 나타났다.
- 황산 5 % 용액에 시험체를 침지시켜 시험체의 중량을 측정한 결과, 1주가 지난 뒤부터 시험체들의 중량차이가 있는 것으로 나타났다. 재령 56일에서 Plain이 100 % 중량감소라고 하였을 때, CSN5의 경우 Plain과 비교하여 84 %, CSN10는 79 %, CSN15는 31 %으로 중량이 감소하는 것으로 나타났다.
- 재령 28일에서의 CSN5는 Plain과 비교하여 5 %, CSN10는 4 %, CSN15는 4 %로 증가하였다. 재령 56일에서의 CSN5는 Plain과 비교하여 7 %, CSN10는 7%, CSN15는 5 %로 증가하는 것으로 나타났다. 장기재령으로 갈수록 CSN10은 Plain에 비해 높은 휨강도를 나타내었다.
- 재령 3일에서의 압축강도 CSN5는 Plain과 비교하여 5 %, CSN10는 13 %, CSN15는 34%로 감소하는 것으로 나타났다. 재령 7일에서의 CSN5는 Plain과 비교하여 5 %, CSN10는 13 %, CSN15는 29 %로 감소하는 것으로 나타났으며, 재령 28일에서의 CSN5는 Plain과 비교하여 8 %, CSN10는 17 %, CSN15는 28 %로 감소하는 것으로 나타났다.
- 개질유황 첨가비율이 증가할수록 압축강도는 다소 감소하는 반면, 인장강도와 쪼갬인장강도는 5,10 %까지 증가한 후 15 %에서는 10 %와 거의 동일한 것으로 나타났다. 전체적으로 강도증진 효과는 크지 않은 것으로 나타났으며, 특히 압축강도가 저하된다는 측면에서 개질유황이 결합재로서의 화학적 결합을 증진시켜 주는 역할보다는 골재와 시멘트 페이스트간의 천이영역에 존재하는 다수의 미세공극을 충전(充塡)하는 충전재로서의 역할이 더 크다고 판단 된다. 이러한 부분은 SEM, MIP, XRD와 같은 미시적인 분석을 통해 향후 보다 명확하게 규명할 필요가 있다고 판단된다.
- 개질유황 첨가가 증가할수록 탄산화침투 저항성이 우수하다는 것으로 확인되었다. 탄산화 침투깊이를 측정한 결과, Plain는 10 ㎜, CSN5는 9 ㎜, CSN10는 7 ㎜, CSN15는 6 ㎜로 측정되었다.
- 이러한 개질유황의 미세공극 충전에 따른 수밀성 향상효과는 염화물이온 침투저항성의 증가, 탄산화 침투깊이의 감소, 내산성의 증가, 동결융해 저항성 증가 결과를 통해서도 확인할 수 있다. 특히, 개질유황의 첨가가 부식 열화인자인 염화물이온침투 저항성 증가에 매우 효과적이었다. 개질유황 10 % 혼합시 약 66 % 정도 통과전하량을 저하시키며, 침투깊이도 73 % 정도 감소시켜 내부식성 재료로서의 가능성을 확인하였다.
- 개질유황 첨가가 증가할수록 시험체는 황산에 대한 저항성이 우수한 것으로 확인되었다. 황산 5 % 용액에 시험체를 침지시켜 시험체의 중량을 측정한 결과, 1주가 지난 뒤부터 시험체들의 중량차이가 있는 것으로 나타났다. 재령 56일에서 Plain이 100 % 중량감소라고 하였을 때, CSN5의 경우 Plain과 비교하여 84 %, CSN10는 79 %, CSN15는 31 %으로 중량이 감소하는 것으로 나타났다.
- 화학적 결합보다는 물리적 충전효과가 큰 것이 원인으로 판단되며 이 부분은 향후 미시분석을 통해 보다 명확한 규명이 요구된다. 휨강도와 쪼갬인장강도에서는 개질유황의 첨가가 초기재령에서 장기재령으로 갈수록 강도증진에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 반면 압축강도에서는 증진효과가 없이 오히려 첨가비율이 증가할수록 강도가 감소하는 경향을 보였다. 화학적 결합보다는 물리적 충전효과가 큰 것이 원인으로 판단되며 이 부분은 향후 미시분석을 통해 보다 명확한 규명이 요구된다. 휨강도와 쪼갬인장강도에서는 개질유황의 첨가가 초기재령에서 장기재령으로 갈수록 강도증진에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
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