[국내논문]알칼리 활성화 3성분계 혼합시멘트의 염해 저항성에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Chloride Attack Resistibility of Alkali-Activated Ternary Blended Cement Concrete원문보기
포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 활용한 3성분계 혼합시멘트는 해양 콘크리트 구조물의 염해내구성 확보 등의 이유로 사용이 증가하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합한 3성분계 시멘트에 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 1.5~2.0% 사용할 때, NT Build 492에 의한 염화물 확산 시험과 ASTM C 1202( KS F 2271)에 의한 염소이온 침투 저항성 시험을 이용하여 콘크리트의 염해저항성의 변화를 관찰하고자 하였다. 그 결과 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 Plain 대비 슬럼프는 다소 감소하는 경향을 나타냈으나 재령 2일부터 재령 7일까지의 압축강도는 17~42% 향상되었다. 또한 재령 28일에 측정한 염화물 확산 계수는 알칼리 설페이트의 활용에 따라 Plain 대비 36~56% 감소하였으며, 염소이온 침투 저항성 시험에 따른 총통과전하량은 재령 7일은 33~62%, 재령 28일은 31~48% 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 기존의 연구결과와 마찬가지로 알칼리 활성화에 의해 고로슬래그 미분말 및 플라이애시의 반응성이 향상되어 공극이 더욱 치밀해진 효과에 의한 것으로 판단된다. 향후 이와 관련하여 장기재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 활용한 3성분계 혼합시멘트는 해양 콘크리트 구조물의 염해내구성 확보 등의 이유로 사용이 증가하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합한 3성분계 시멘트에 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 1.5~2.0% 사용할 때, NT Build 492에 의한 염화물 확산 시험과 ASTM C 1202( KS F 2271)에 의한 염소이온 침투 저항성 시험을 이용하여 콘크리트의 염해저항성의 변화를 관찰하고자 하였다. 그 결과 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 Plain 대비 슬럼프는 다소 감소하는 경향을 나타냈으나 재령 2일부터 재령 7일까지의 압축강도는 17~42% 향상되었다. 또한 재령 28일에 측정한 염화물 확산 계수는 알칼리 설페이트의 활용에 따라 Plain 대비 36~56% 감소하였으며, 염소이온 침투 저항성 시험에 따른 총통과전하량은 재령 7일은 33~62%, 재령 28일은 31~48% 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 기존의 연구결과와 마찬가지로 알칼리 활성화에 의해 고로슬래그 미분말 및 플라이애시의 반응성이 향상되어 공극이 더욱 치밀해진 효과에 의한 것으로 판단된다. 향후 이와 관련하여 장기재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
The use of ternary blended cement consisting of Portland cement, granulated blast-furnace slag (GGBFS) and fly ash has been on the rise to improve marine concrete structure's resistance to chloride attack. Therefore, this study attempted to investigate changes in chloride attack resistibility of con...
The use of ternary blended cement consisting of Portland cement, granulated blast-furnace slag (GGBFS) and fly ash has been on the rise to improve marine concrete structure's resistance to chloride attack. Therefore, this study attempted to investigate changes in chloride attack resistibility of concrete through NT Build 492-based chloride migration experiments and test of concrete's ability to resist chloride ion penetration under ASTM C 1202(KS F 2271) when 1.5-2.0% of alkali-sulfate activator (modified alkali sulfate type) was added to the ternary blended cement mixtures (40% ordinary Portland cement + 40% GGBFS + 20% fly ash). Then, the results found the followings: Even though the slump for the plain concrete slightly declined depending on the use of the alkali-sulfate activator, compressive strength from day 2 to day 7 improved by 17-42%. In addition, the coefficient from non-steady-state migration experiments for the plain concrete measured at day 28 decreased by 36-56% depending on the use of alkali-sulfate. Furthermore, total charge passed according to the test for electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration decreased by 33-62% at day 7 and by 31-48% at day 28. As confirmed in previous studies, reactivity in the GGBFS and fly ash improved because of alkali activation. As a result, concrete strength increased due to reduced total porosity.
The use of ternary blended cement consisting of Portland cement, granulated blast-furnace slag (GGBFS) and fly ash has been on the rise to improve marine concrete structure's resistance to chloride attack. Therefore, this study attempted to investigate changes in chloride attack resistibility of concrete through NT Build 492-based chloride migration experiments and test of concrete's ability to resist chloride ion penetration under ASTM C 1202(KS F 2271) when 1.5-2.0% of alkali-sulfate activator (modified alkali sulfate type) was added to the ternary blended cement mixtures (40% ordinary Portland cement + 40% GGBFS + 20% fly ash). Then, the results found the followings: Even though the slump for the plain concrete slightly declined depending on the use of the alkali-sulfate activator, compressive strength from day 2 to day 7 improved by 17-42%. In addition, the coefficient from non-steady-state migration experiments for the plain concrete measured at day 28 decreased by 36-56% depending on the use of alkali-sulfate. Furthermore, total charge passed according to the test for electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration decreased by 33-62% at day 7 and by 31-48% at day 28. As confirmed in previous studies, reactivity in the GGBFS and fly ash improved because of alkali activation. As a result, concrete strength increased due to reduced total porosity.
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문제 정의
이에 따라 본 연구에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합한 3성분계 시멘트에 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 1.5~2.0% 사용할 때, NT Build 492에 의한 염화물 확산시험과 ASTM C 1202와 KS F 2271에 의한 염소이온 침투 저항성 시험을 이용하여 콘크리트의 염해저항성의 변화를 관찰하고자 하였다.
제안 방법
보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합한 3성분계 시멘트에 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 1.5~2.0%사용할 때, 콘크리트의 염해저항성의 변화를 관찰한 결과는 다음과 같다.
콘크리트 배합 후 공기량 및 슬럼프를 측정하였으며, 압축강도 시험체 제작 후 재령에 따라 압축강도 및 염화물 확산계수 산정 시험, 염소이온 침투저항성 시험을 실시하고 알칼리 설페이트계 조강제의 사용에 따른 염해 저항성 변화를 비교하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 재료의 특성은 Table 2 및 Table 3에 나타낸 바와 같이 시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트(밀도 3.14g/cm3, 분말도 3,350cm2/g), 고로슬래그는 3종 고로슬래그 미분말(밀도 2.89g/cm3, 분말도 4,100cm2/g), 플라이애시는 2종 플라이애시(밀도 2.24g/cm3, 분말도 3,430cm2/g) 를 사용하였으며, 굵은 골재와 잔골재는 최대치수 25mm인 부순 자갈과 세척사를 사용하였다. 알칼리 활성화제는 Table 4와 같이 알칼리 설페이트계 재료를 사용하였으며, 화학 혼화제로는 고형분함량 16%의 폴리카르본산계 고성능 감수제 (Polycarboxylate-based superplasticizer)를 사용하였다.
실험에 사용한 콘크리트의 결합재 구성은 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합한 결합재에 압축강도 성능과 경제성을 고려하여 알칼리 설페이트계 활성화제를 0, 1.5, 2.0% 사용하였다. 이 때 단위결합재량은 360kg/m3와 400kg/m3 두가지 경우를 대상으로 하였으며 자세한 콘크리트 배합은 Table 1과 같다.
24g/cm3, 분말도 3,430cm2/g) 를 사용하였으며, 굵은 골재와 잔골재는 최대치수 25mm인 부순 자갈과 세척사를 사용하였다. 알칼리 활성화제는 Table 4와 같이 알칼리 설페이트계 재료를 사용하였으며, 화학 혼화제로는 고형분함량 16%의 폴리카르본산계 고성능 감수제 (Polycarboxylate-based superplasticizer)를 사용하였다.
이론/모형
염소이온 침투 저항성 시험은 ASTM C 「Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration」[18] 및 KS F 2711 「전기전도도에 의한 콘크리트 염소이온 침투 저항성 시험방법」[19]에 의거하여 수행하였다. 시험에 사용된 시험체는 ∅100×200mm 공시체를 28일간 양생한 후 ∅100×50±3mm가 되도록 시험체를 절단하였다.
염화물 확산계수 산정을 위한 염화물 확산시험은 NT BUILD 492 「Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments」 [17]의 규정에 의해 시험하였다.
콘크리트의 슬럼프 및 공기량의 측정은 KS F 2402 「콘크리트의 슬럼프 시험방법」 [26]과 KS F 2421 「압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법」 [27]에 의해 시험을 실시하였으며, 압축강도 시험은 KS F 2405 「콘크리트의 압축강도 시험방법」 [28]에 의해 Ø100×200mm 의 원주 공시체를 제작하여 계획된 재령까지 수중양생 (20±1℃)을 실시한 후 재령 2, 3, 7, 28, 56일에 각각 시험체 3개를 측정하여 평균값을 얻었다.
성능/효과
1) 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 Plain 대비 슬럼프는 다소 감소하는 경향을 나타냈으나 재령 2일부터 재령 7일까지의 압축강도는 17~42% 향상되었고 재령 28일에서는 유사한 수준을 나타냈다.
2) 재령 28일에 측정한 염화물 확산 계수는 알칼리 설페이트의 활용에 따라 Plain 대비 36~56% 감소한 결과를 나타냈으며, 알칼리 설페이트의 혼입에 따라 고로 슬래그 및 플라이애시의 반응성이 향상되어 Plain 대비 공극이 더욱 치밀해진 효과에 의해 염화물 확산 계수가 감소한 것으로 판단된다.
3) 염소이온 침투 저항성 시험에 따른 총통과 전하량은 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 Plain 대비 재령 7일은 33~62%, 재령 28일은 31~48% 감소하는 결과를 나타냈고, 기존의 연구 결과와 마찬가지로 알칼리 활성화가 염소 이온 침투 저항성의 향상에 긍정적인 역할을 하는 것으로 판단된다.
4) 염화물 확산 계수와 염소이온의 침투 저항성 시험결과는 일정한 상관관계가 있는 것으로 판단되며, 알칼리 활성화가 염화물 확산 계수와 염소이온 침투성에 모두 일정한 수준의 저감 효과가 있는 것으로 나타났다.
공기량은 5.5~6.0% 범위를 나타내었으며 360-series, 400-series 모두 알칼리 설페이트계 활성화제의 혼입에 따른 의미있는 변화는 관찰되지 않았다. 슬럼프의 경우 360-series가 195~205mm, 400-series가 185~195mm 를 나타내었는데, 알칼리 설페이트계 자극제의 혼입에 따라 5~10mm 수준으로 다소 감소하는 경향을 나타내었다.
본 연구의 결과만으로 염화물 확산 계수와 염소이온의 침투 저항성 간의 일정한 관계를 단정 짓기는 어렵지만 기존의 연구[25]에서도 두 시험결과 간에 일정한 상관관계가 있는 결과를 나타냈으며, Figure 10에서 보는 바와 같이 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 염화물 확산 계수와 염소이온 침투성이 모두 일정한 수준으로 저하하는 결과를 확인할 수 있었다. 하지만 알칼리 설페이트계 활성화제를 1.
알칼리 설페이트계 자극제를 1.5% 사용한 경우 재령 28일까지 Plain보다 우수한 압축강도 특성을 나타내었으나, 2.0%를 사용한 경우에는 재령 56일에 Plain 대비 강도 감소 현상이 좀 더 두드러지게 나타났다.
알칼리 설페이트를 1.5%, 2.0% 활용에 따라 360- series는 Plain 대비 각각 48.5%, 56.2% , 400-series의 경우 plain 대비 각각 53.6%, 36.2% 염화물 확산계수가 감소하는 것으로 나타났다.
360-Plain의 경우 총통과 전하량이 재령 7일 4,124 Coulombs에서 재령 28일 1,529 Coulombs로 감소하였으며, 400-plain은 재령 7일 2,587 Coulombs에서 재령 28일 1,284 Coulombs로 감소하였다. 염소이온 침투 저항성 역시 동일한 결합재의 조건에서 단위분체량이 다소 많고, 압축강도가 우수한 400-Plain이 360-Plain 보다 향상되는 것으로 나타났다.
이상과 같이 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 3성분계 혼합시멘트에서 알칼리 설페이트계 활성화제의 사용으로 조기강도가 개선되며, 재령 28일의 시험체를 대상으로 염해저항성을 확인한 결과 Plain 시험체 대비 염해 저항성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 향후 이와 관련 하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구에서는 재령 28일의 시험체를 대상으로 염해 저항성을 평가하고 분석하였으나 향후 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
이상과 같이 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 3성분계 혼합시멘트에서 알칼리 설페이트계 활성화제의 사용으로 조기강도가 개선되며, 재령 28일의 시험체를 대상으로 염해저항성을 확인한 결과 Plain 시험체 대비 염해 저항성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 향후 이와 관련 하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해안 구조물에 사용되는 콘크리트의 가장 심각한 내구성 저하 요인은?
우리나라는 국토의 지리적 특성상 해안 구조물의 건설이 활발하다. 이러한 해안 구조물에 사용하는 콘크리트는 여러 가지 환경 조건에 의해 성능 저하가 일어나게 되는데, 그 중 가장 심각한 내구성 저하 요인은 염소이온의 침투에 의한 철근의 부식이다[1,2].
본 연구의 3성분계 시멘트에 알칼리 설페이트계 활성화제를 혼합하여 사용할 때 염소이온 침투 저항성을 시험한 결과는 어떠한가?
0% 사용할 때, NT Build 492에 의한 염화물 확산 시험과 ASTM C 1202( KS F 2271)에 의한 염소이온 침투 저항성 시험을 이용하여 콘크리트의 염해저항성의 변화를 관찰하고자 하였다. 그 결과 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 Plain 대비 슬럼프는 다소 감소하는 경향을 나타냈으나 재령 2일부터 재령 7일까지의 압축강도는 17~42% 향상되었다. 또한 재령 28일에 측정한 염화물 확산 계수는 알칼리 설페이트의 활용에 따라 Plain 대비 36~56% 감소하였으며, 염소이온 침투 저항성 시험에 따른 총통과전하량은 재령 7일은 33~62%, 재령 28일은 31~48% 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 기존의 연구결과와 마찬가지로 알칼리 활성화에 의해 고로슬래그 미분말 및 플라이애시의 반응성이 향상되어 공극이 더욱 치밀해진 효과에 의한 것으로 판단된다.
콘크리트에 고로슬래그 미분말이나 플라이애시 등의 환화재를 사용할 경우 장점은?
콘크리트에 고로슬래그 미분말이나 플라이애시 등의 혼화재를 사용할 경우 소요의 슬럼프를 얻기 위한 단위수량을 저감할 수 있으며, 수화발열량 감소, 수밀성 증대, 장기강도 향상, 알칼리골재반응 억제, 염해 저항성 및 내화학성 등이 개선되나, 재령 초기의 강도는 다소 저하하는 것으로 알려져 있다[6,7,8,9]. 특히 이러한 광물질 혼화재는 콘크리트 내부의 공극 용적을 감소시켜 염소 이온 침투 저항성의 개선에 기여한다고 보고되고 있다[4,10,11].
참고문헌 (32)
Mehta PK, Monteiro PJM. Concrete, Microstructure, Properties, and Materials. New York (USA):McGraw Hill; 2006. Chapter 5.16, Corrosion of Embedded Steel in Concrete; p. 176-83.
Neville AM. Properties of Concrete. Essex (England):Prentice Hall; 1995. Chapter 10, Durability of concrete; p. 482-536.
Bae JY, Cho SH, Shin KJ, Kim YY. A Comparative Study on Strength Development, Chloride Diffusivity and Adiabatic Temperature Rise of Marine Concrete Depending on Binder Type. Journal of the Korea Concrete institute. 2013 Aug;25(3):441-18.
Song HW, Lee CH, Lee KC, Kim JH, Ann, KY. Chloride Penetration Resistance of Ternary Blended Concrete and Discussion for Durability. Journal of the Korea Concrete Institute. 2008 Aug;20(4):439-49.
Bae JY, Jang YI, Park SB, Kim YY. An Experimental Study on the Compressive Strength and Chloride Diffusivity of Mortar Produced with Multiple Mixed Cement by the Experiments Design. Journal of Material Cycles and Waste Management. 2011 Feb;28(2):165-74.
Yang WH, Ryu DW, Kim WJ, Park DC, Seo CH. An Experimental Study on Early Strength and Drying Shrinkage of High Strength Concrete Using High Volumes of Ground Granulated Blast-furnace Slag(GGBS). Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2013 Aug;13(4):391-99.
ACI Committee 226. Ground granulated blast-furnace slag as cementations constituent in concrete. ACI Materials Journal. 1987 Jul;84(34):327-42.
Hester D, McNally C, Richardson MG. Study of influence of slag alkali level on the alkali-silica reactivity of slag concrete. Construction and Building Materials. 2005 Feb;19(9):661-5.
Leng F, Feng N, Lu X. An experiment study on the properties of resistance to diffusion of chloride ions of fly ash and blast furnace slag concrete. Cement and Concrete Research. 2000 Jun;30:989-92.
Bae SH, Park JI, Lee KM, Choi S. Influence of Mineral Admixtures on the Diffusion Coefficient for Chloride Ion Concrete. Journal of the Korean Society of Civil Engineers. 2009 Jul;29(4):347-53.
Suryavanshi AK, Swamy RN, Cardew GE. Estimation of Diffusion Coefficients for Chloride Ion Penetration into Structural Concrete. ACI Materials Journal. 2002 Sep;99(5):441-49.
Ryu DW, Kim WJ, Yang WH, You JH, Ko JW. An Experimental Study on the Freezing-Thawing and Chloride Resistance of Concrete Using High Volumes of GGBS. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2012 Jun;12(3):.315-23.
Ryu DW, Kim WJ, Yang WH, Park DC. Experimental Study on the Carbonation and Drying Shrinkage of Concrete Using High Volumes of Ground Granulated Blast-furnace Slag. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2012 Aug;12(4):393-400.
Yang WH, Ryu DW, Park DC, Kim WJ, Seo CH. A study of the effect of light-burnt dolomite on the hydration of alkali-activated Portland blast-furnace slag cement. Construction and Building Materials. 2014 Jun;57:24-9
Nordtest Method. Concrete, Mortar and Cement-Based Repair Materials [NT-BUILD 492]. Nordtest (Finland): Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments; 1999.
Annual Book of ASTM Standard. Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration [C1202]. West Conshohocken. PA(USA) : ASTM International; 2012.
Korean Standards Association. Testing method for electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration [KS F 2711]. Seoul (Korea): Korean Standards Association; 2012.
Ismail I, Bernal SA, Provis JL, Nicolas RS, Brice DG, Kilcullen AR, Hamdan S, van Deventer JSJ. Influence of fly ash on the water and chloride permeability of alkali-acticated slag mortars and concretes. Construction and Bulding Materials. 2013 Nov;13:1187-201.
Elfmarkova V, Spiesz P, Brouwers HJH. Determination of chloride coefficient in blended cement mortars. Cement and concrete Research. 2015 Dec;78:190-99.
Ravikumar D, Neithalath N. Electrically induced chloride ion transport in alkali acticated slag concretes and the influence of microstructure. Cement and Concrete Research. 2013 May;47:.31-42.
Choi DS, Choi JJ. Relationship between Chloride Diffusivity and the Fundamental Properties of Concrete. Korean Society of Hazard Mitigation. 2009 Jan;9(1):15-20.
Korea Concrete Institute. Curing Concrete. Seoul (Korea). Kimoondang; 2010. Chapter 6, standard method; p. 101-2.
Lee CY, Kim HS, Kim JC, Cheong HM, Ahn TS. Comparison of Test Methods for Evaluation of Chloride Diffusion Coefficient in Concrete. 2008 Spring Conference of the Korea Concrete Institute. 2008 Apr;20(1):581-4.
Korean Standards Association. Method of Test For Slump of Concrete [KS F 2402]. Seoul (Korea): Korean Standards Association; 2012.
Korean Standards Association. Standard Test Method for Air Content of Fresh Concrete by the Pressure Method:Air Receiver Method [KS F 2421]. Seoul (Korea): Korean Standards Association; 2011.
Korean Standards Association. Standard Test Method for Compressive Strength or Concrete [KS F 2405]. Seoul (Korea): Korean Standards Association; 2010.
Taylor HFW. Cement chemistry. UK: Thomas Telford Publishing Company Ltd; 1990. Chapter 7.6, Actions of calcium sulphate and of alkalis; p. 236-7.
Roy DM, Jiang W, Silsbee MR. Chloride diffusion in ordinary, blended, and alkali-activated cement pastes and its relation to other properties. Cement and Concrete Research. 2000 Dec;30(12):1879-84.
Saraswathy V, Muralidharan S, Thangavel K, Srinivasan S. Influence of activated fly ash on corrosion-resistance and strength of concrete. Cement and Concrete Composites. 2003 Oct;25(7):673-80.
Miranda JM, Fernandez-Jimenez A, Gonzalez JA, Palomo A. Corrosion resistance in activated fly ash mortars. Cement and Concrete Research. 2005 Jun;35(6):1210-7.
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