본 연구에서는 원전 구조물용 콘크리트의 잔골재로 부순모래를 사용하기 위한 연구의 일환으로 기존의 부순모래 생산공정에서 임팩트크러셔(Impact crusher)의 성능(회전수)을 높여 입형을 개선하고 ASTM C 33에 적합하도록 입도를 조정한 부순모래의 입형 및 입도 특성을 검토하였으며, 강모래에 대한 치환률에 따라 콘크리트를 제조하여 콘크리트 배합 특성, 굳지 않은 콘크리트 특성 및 경화한 콘크리트 특성을 검토하였다. 실험결과, 대부분의 콘크리트 특성이 강모래만을 사용한 콘크리트와 동등한 수준으로 나타났지만, 강모래에 대한 치환률 50% 이상일 경우, 치환률 증가에 따라 허용 범위 내에서 공기량, 압축강도 및 인장강도는 다소 감소되는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 원전 구조물용 콘크리트의 잔골재로 부순모래를 사용하기 위한 연구의 일환으로 기존의 부순모래 생산공정에서 임팩트크러셔(Impact crusher)의 성능(회전수)을 높여 입형을 개선하고 ASTM C 33에 적합하도록 입도를 조정한 부순모래의 입형 및 입도 특성을 검토하였으며, 강모래에 대한 치환률에 따라 콘크리트를 제조하여 콘크리트 배합 특성, 굳지 않은 콘크리트 특성 및 경화한 콘크리트 특성을 검토하였다. 실험결과, 대부분의 콘크리트 특성이 강모래만을 사용한 콘크리트와 동등한 수준으로 나타났지만, 강모래에 대한 치환률 50% 이상일 경우, 치환률 증가에 따라 허용 범위 내에서 공기량, 압축강도 및 인장강도는 다소 감소되는 것으로 나타났다.
This study, as a research for using crushed sand as a fine aggregate of concrete for nuclear structures, we improved the performance of impact crusher in the existing crushed sand production process and adjusted grain size to conform to ASTM C 33 The shape and grain size characteristics of a crushed...
This study, as a research for using crushed sand as a fine aggregate of concrete for nuclear structures, we improved the performance of impact crusher in the existing crushed sand production process and adjusted grain size to conform to ASTM C 33 The shape and grain size characteristics of a crushed sand were examined and concrete was prepared according to the substitution ratio of the sand to investigate the properties of fresh concrete and hardened concrete. The experimental results show that most of the concrete characteristics are equivalent to those of concrete using only heavy sand. However, when the substitution rate of steel sand exceeds 50%, the amount of air, compressive strength and tensile strength are somewhat reduced.
This study, as a research for using crushed sand as a fine aggregate of concrete for nuclear structures, we improved the performance of impact crusher in the existing crushed sand production process and adjusted grain size to conform to ASTM C 33 The shape and grain size characteristics of a crushed sand were examined and concrete was prepared according to the substitution ratio of the sand to investigate the properties of fresh concrete and hardened concrete. The experimental results show that most of the concrete characteristics are equivalent to those of concrete using only heavy sand. However, when the substitution rate of steel sand exceeds 50%, the amount of air, compressive strength and tensile strength are somewhat reduced.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 원전 구조물용 콘크리트의 잔골재로 부순모래를 사용하기 위하여 기존의 부순모래 생산공정에서 임팩트 크러셔(Impact crusher)의 성능(회전수)을 높여 입형을 개선하고 ASTM C 33에 적합하도록 입도를 조정한 부순모래의 입형 및 입도 특성을 검토하였으며, 강모래에 대한 치환률에 따라 콘크리트를 제조하여 콘크리트 배합 특성, 굳지 않은 콘크리트 특성 및 경화한 콘크리트 특성을 검토하였다. 이를 통하여 향후 원전 구조물용 콘크리트에 부순모래를 사용할 경우 기초자료로써 활용하고자 한다.
제안 방법
M-CS의 치환률에 따른 배합 특성을 분석하기 위하여 배합표상의 잔골재율, 단위수량, 감수제 사용량 및 공기연행제 사용량 변동에 대하여 비교 분석하였다.
배합설계는 ACI 211.1-91 방법으로 D-3 Type 규격에 만족하는 배합을 실시하였으며, RS를 100% 사용한 배합과 RS에 대하여 M-CS를 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 및 100%로 치환한 배합을 실시하였다. 또한, 일반슬럼프 콘크리트(이하 DO로 약함) 제조에는 WRA를 사용하였으며, 고슬럼프 콘크리트(이하 DH로 약함) 제조에는 HWRA를 사용하였다.
본 연구에서는 RS, 기존의 부순모래(이하 O-CS로 약함) 및 M-CS의 입형을 비교 분석하기 위하여 최대 2,400배율까지 확대 관찰이 가능한 국내 S사의 영상 현미경(Video Microscope) EGVM 35B를 이용하였으며, 각각의 잔골재를 입자 크기별로 분류하여 50∼300배율로 확대하여 평가하였다. Fig.
본 연구에서는 원전 구조물용 콘크리트의 잔골재로 부순모래를 사용하기 위하여 기존의 부순모래에서 입도 및 입형을 개선한 부순모래의 입형 및 입도 특성을 검토하였으며, 강모래에 대한 치환률에 따라 콘크리트를 제조하여 콘크리트 배합 특성, 굳지 않은 콘크리트 특성 및 경화한 콘크리트 특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
골재는 잔골재로 낙동강산 강모래(이하 RS로 약함) 및 기존의 부순모래 생산공정에서 임팩트크러셔의 회전력을 높여 모서리의 요철 부위를 제거하여 입형을 개선하고, 진동스크린 및 세척스크린 설비를 추가함과 동시에 입도변동에 따라 ASTM C 33에 적합하도록 쉽게 체를 교체할 수 있는 추가 설비를 통하여 입도를 조정한 국내 Y사의 부순모래(이하 M-CS로 약함)를 사용하였다. 또한 굵은골재로 G-max 25mm의 화강암질 부순골재(이하 G로 약함)를 사용하였다.
본 연구에서는 결합재로 국내 T사의 보통 포틀랜드 시멘트(이하 OPC로 약함)를 사용하였으며, 하동화력발전소에서 생산된 플라이애시(이하 FA로 약함)를 사용하였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 결합재의 화학성분 및 물리적 특성을 나타낸 것이다.
원전 구조물용 콘크리트의 잔골재로 M-CS 사용에 따른 기초적 특성을 평가하기 위하여 먼저, 원전 구조물용 콘크리트는 원자력 콘크리트 시공기술규격서(CP-C2)의 D-3 Type으로 선정하였으며, 그 규격은 다음과 같다.
화학 혼화제는 감수제로 국내 H사의 감수제(이하 WRA로 약함) 및 고성능감수제(이하 HWRA로 약함)를 사용하였으며, 공기연행제로 국내 H사의 양질의 공기연행제(이하 AE로 약함)를 사용하였다.
이론/모형
경화한 콘크리트 특성으로 압축강도는 ASTM C 31 시험방법에 준하여 시험체를 제작 및 양생한 다음 ASTM C 39 시험방법에 준하여 재령 7일, 28일 및 91일 압축강도를 평가하였으며, 인장강도는 ASTM C 496 시험방법에 준하여 재령 91일 쪼갬인장강도를 평가하였다.
국내에서 사용되는 표준 단위계는 SI단위계 이지만, 국내의 경우 원자력 콘크리트에 관한 설계기준, 품질규격 및 시공매뉴얼이 미흡하기 때문에 본 연구에서는 미국 기준 및 규격(ACI code 및 ASTM)을 적용하였으며, 단위계는 야드파운드법을 적용하였다.
굳지 않은 콘크리트 특성으로 슬럼프는 ASTM C 143 시험방법에 준하여 평가하였으며, 공기량은 ASTM C 231 시험방법에 준하여 평가하였다. 또한 D-3 Type의 규격에 따라 DH 배합의 경우, 30분 간격으로 90분까지 슬럼프 및 공기량의 경시변화를 평가하 였다.
또한 RS, O-CS 및 M-CS의 입도를 비교 분석하기 위하여 ASTM C 136에 준하여 체가름 한 다음 ASTM C 33에서 규정하는 입도 범위를 참고하여 평가하였다.
성능/효과
1. M-CS의 입형은 RS와 유사한 수준으로 구형에 가깝지만 삼각형 또는 사각형의 모가진 형태들도 포함 되어 있는 것으로 나타났으며, 입도는 ASTM C 33의 규정하는 입도 범위를 만족하는 것으로 나타났다.
Fig. 2의 결과, RS의 경우 입형이 구형이며 각 체에 남아있는 시료는 동등한 수준의 입경을 갖는 것으로 나타났으며, O-CS의 경우 입형이 모가진 넓은 삼각형 모양의 편형한 형태이며 각 체에 남아있는 시료간의 입경은 편차가 있는 것으로 나타났다.
Fig. 3의 결과, RS의 경우 ASTM C 33에서 규정하는 입도 범위를 만족하는 것으로 나타났으며, O-CS의 경우 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
4. 압축강도 및 인장강도는 M-CS 치환에 따라 치환률에 관계없이 기준 범위를 만족하고 있지만, M-CS 치환률 60%부터 증가에 따라 다소 감소되는 것으로 나타났다.
Fig. 4의 결과, DO 및 DH 배합 모두 M-CS 치환에 따라 잔골재율이 다소 증가되는 것으로 나타났으며, M-CS 100% 치환시 DO 배합은 약 0.3%, DH 배합은 약 0.5% 잔골재율이 증가되는 것으로 나타났다.
Fig. 7의 결과, 목표 공기량을 만족하기 위하여 DO 및 DH 배합 모두 M-CS 치환률 증가에 따라 AE제 사용량은 증가되는 것으로 나타났으며, DO-100의 경우 DO-00 보다 약 42%, DH-100의 경우 DH-00 보다 약 103% 증가되는 것으로 나타났다.
DO 및 DH 배합 모두 M-CS 치환률 50%까지는 모든 재령에서 압축강도는 RS만을 사용한 배합과 비교하여 오차범위 이내의 동등한 수준으로 강도가 발현되는 것으로 나타났으며, M-CS 치환률 60%부터 증가에 따라 모든 재령에서 압축강도는 다소 감소되는 것으로 나타났다. 또한 DH 배합이 DO 배합보다 더 크게 감소되는 것으로 나타났다.
이러한 결과를 통하여 M-CS 치환률 증가에 따라 공기연행성은 RS만을 사용하는 배합과 비교하여 다소 감소하고, 이에 따라 AE제 사용량은 다소 증가될 것으로 판단된다.
이상의 결과를 통하여 M-CS를 원전 구조물용 콘크리트의 잔골재로 활용하고자 할 경우에는 대부분의 기초적 특성이 기준 범위를 만족하고 RS와 동등한 수준으로 나타남에 따라 단독 사용도 가능할 것으로 판단되지만, 공기량 및 역학특성을 고려할 때 RS와 혼합하여 치환률 50% 이하로 사용하는 것이 콘크리트 품질 확보에 보다 효과적일 것으로 판단된다.
후속연구
이러한 결과를 통하여 M-CS를 사용할 경우, 콘크리트 유동성에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 판단되지만, 콘크리트 공기량에 변화에 주의하여야 할 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 원전 구조물용 콘크리트의 잔골재로 부순모래를 사용하기 위하여 기존의 부순모래 생산공정에서 임팩트 크러셔(Impact crusher)의 성능(회전수)을 높여 입형을 개선하고 ASTM C 33에 적합하도록 입도를 조정한 부순모래의 입형 및 입도 특성을 검토하였으며, 강모래에 대한 치환률에 따라 콘크리트를 제조하여 콘크리트 배합 특성, 굳지 않은 콘크리트 특성 및 경화한 콘크리트 특성을 검토하였다. 이를 통하여 향후 원전 구조물용 콘크리트에 부순모래를 사용할 경우 기초자료로써 활용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 장점은 무엇인가?
콘크리트는 경제성 및 내구성이 우수하여 건설재료로써 강재와 더불어 사회기반시설 건설에 있어서 널리 사용되고 있다. 이러한 콘크리트는 시멘트, 골재, 물 및 기타 첨가재로 이루어진 복합재료로써 그 구성재료 중 골재가 차지하는 비율은 70~80% 정도로 골재의 품질이 콘크리트의 특성에 미치는 영향은 매우 중요하다.
원자력 발전소의 시공 전 안전성 확보에 대한 검증 및 검토가 충분히 이루어져야하는 이유는 무엇인가?
이러한 상황에서 부득이 원자력 발전소를 건설하여야 한다면 보다 적극적으로 안전성을 확보하고 유지관리 및 점검을 철저히 하여야 할 것이다. 특히 콘크리트의 경우 시공 후 보수 및 보강이 어렵기 때문에 시공 전 안전성 확보에 대한 검증 및 검토가 충분히 이루어져야 한다.
잔골재에 사용되는 강모래 부족현상으로 인해 개발된 대체 잔골재의 종류는 무엇이 있으며, 어떤 특징을 가지고 있는가?
원전 구조물용 콘크리트에 사용할 수 있는 기존의 대표적인 대체 잔골재 중 하나인 바닷모래는 다량의 염분과 조개껍질을 함유하고 있어 세척을 적절히 실시하지 않고 사용할 경우, 철근부식을 유발하거나 콘크리트의 품질이 저하되는 등의 문제가 있어 원전 구조물용 콘크리트에 사용은 적합하지 않은 것으로 보고되고 있다(Lee et al. 1996). 또한 다른 하나인 부순모래는 부순돌 생산 시 발생되는 8mm 이하의 석분인 산업부산물을 효율적으로 활용한 인공모래로써 불순물이 없고 매장량이 풍부하며 대량생산이 가능하여 골재수급이 원활한 장점이 있지만, 입형 및 입도가 좋지 않은 단점이 있어 그 품질을 일정하게만 할 수 있다면 원전 구조물용 콘크리트의 대체 잔골재로써 부순모래의 활용이 가장 현실적이고 장기적이며 우선적인 대책으로 보고되고 있다(Lee et al. 2003).
참고문헌 (7)
ACI 211.1-91. (2002). Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete, ACI Committee 211.
ASTM C 33. (2016). Standard Specification for Concrete Aggregate, ASTM International.
Hong, S.G., Choi, Y.W., Jang, H.S., Lee, Y.J. (2011). Following Policy Implication and The Major Issues for Nuclear Energy After Fukushima Accident, Science and Technology Policy Institute, 1-223 [in Korean].
KICT(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology), KCI(Korea Concrete Institute) (2005). Development of Technology to Improve the Quality of Concrete Using Substitute Aggregates, Construction & Transportation R&D Report, KAIA (Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement), MOLIT(Ministry of Land, Infrastructure and Transport), 1-492 [in Korean].
Lee, D.H., Lee, S.B., Choi, J.M., Kim, B.H., Park, C.S., Jun, Y.S., Kim, J.B. (1996). Utilization of the Crush Sand as Fine Aggregate for Concrete, Korea Land & Housing Corporation, [in Korean].
Lee, S.B., Lee, D.H., Ji, N.Y. (2003). Investigation on properties of concrete with crushed sand on site, Journal of the Korea Institute of Building Construction, 3(3), 107-112 [in Korean].
MOTIE(Ministry of Trade, Industry and Energy) (2014). 2nd Korea Energy Master Plan, 1-146 [in Korean].
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