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문제 정의
- 본 연구는 콘크리트의 탄산화와 동결융해에 대한 복합열화 저항성에 영향을 미치는 요인을 실험적으로 평가한 것으로써, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 탄산화 발생시 일어나는 복합열화 중 동결융해에 대한 영향 요인을 평가하기 위하여 콘크리트의 결합재 종류에 따라 역학적 특성 분석과 단독 및 복합열화 특성을 실험적으로 검토하였고, 실험 및 분석을 통하여 도출된 결과를 이용함으로써 결합재 종류에 따른 콘크리트의 복합열화에 대한 저항성 향상을 위한 재료적 요인 파악과 탄산화 중심의 복합열화 환경에서 내구성이 우수한 콘크리트 재료 선정을 위한 기초자료를 제시하는데 본 연구의 목적이 있다.
가설 설정
- 콘크리트는 경화 후부터 바로 이산화탄소에 접하게 되는 점을 고려하여 탄산화에 대한 열화가 가장 먼저 일어나는 것을 가정하고, 다음으로 다른 복합적인 열화 인자가 작용하여 콘크리트의 복합적인 열화가 진행되는 것으로 판단된다.
제안 방법
- φ100×200mm의 원주형 공시체를 제작 1일 후 탈형하여 13일 동안 표준양생을 실시한 후 동결융해실험을 수행하였으며, 매 100 싸이클마다 KS F 2405에 준하여 압축강도를 측정하였다.
- 3이다. Fig. 2로부터 W/B의 영향을 평가한 결과 낮은 W/B의 강도가 초기부터 좋지만 재령이 경과함에 따라 28일에는 35 %와 45%의 강도 차이가 크게 발생하지 않아 다른 콘크리트 제조시 W/B를 45 %로 설정하고자 하였다.
- 본 연구에서 사용한 결합재료는 시멘트는 KS L 5201에 준하는 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC)이고, 광물질혼화재료의 영향을 평가하기 위하여 광물질혼화재료인 플라이애시(이하 FA), 고로슬래그미분말(이하 BS) 및실리카퓸(이하 SF)을 사용하였다. 광물질혼화재료는 OPC에 대하여 FA는 20 %, BS는 40 %, SF는 5 %를 대체하여 사용하였으며, 시멘트 및 광물질혼화재의 화학성분을 Table 1에 나타내었다.
- 또, 콘크리트의 적절한 유동성(슬럼프 150±15mm) 및 공기량(4.5±1.0 %) 확보를 위하여 폴리카르본산 계열 고성능감수제 및 AE제를 각각 사용하였다.
- 본 연구에서는 이러한 순차적으로 발생하는 열화에 의한 콘크리트의 복합열화를 알아보기 위하여 탄산화를 먼저 4주 동안 진행한 후 –18 ℃～+4 ℃의 동결융해 작용 300 싸이클을 진행하는 방식으로 복합열화 시험을 진행하였다.
- 콘크리트의 노출환경에 따른 단독․/복합열화에 따른 평가를 위하여 광물질혼화재료를 사용하지 않은 기준배합(OPC 콘크리트)과 OPC에 FA, BS 및 SF를 FA는 20%, BS는 40 % 및 SF는 5 %로 대체한 혼합시멘트계 콘크리트를 제조하여 실험을 수행하였으며, 각 콘크리트의 배합특성을 나타낸 것이 Table 3이다. 콘크리트의 W/B의 특성 분석을 위하여 W/B를 보통포틀랜드시멘트에 대해서만 35 %, 45 %, 55 %를 분석하였고, 혼합시멘트사용 콘크리트는 W/B 및 S/a를 각각 45 % 및 42 %로고정하였다. 믹싱된 콘크리트는 제조 1일 후 탈형하여,(20±2) o C 조건에서 각각 수중 양생하였다.
- 콘크리트의 노출환경에 따른 단독․/복합열화에 따른 평가를 위하여 광물질혼화재료를 사용하지 않은 기준배합(OPC 콘크리트)과 OPC에 FA, BS 및 SF를 FA는 20%, BS는 40 % 및 SF는 5 %로 대체한 혼합시멘트계 콘크리트를 제조하여 실험을 수행하였으며, 각 콘크리트의 배합특성을 나타낸 것이 Table 3이다. 콘크리트의 W/B의 특성 분석을 위하여 W/B를 보통포틀랜드시멘트에 대해서만 35 %, 45 %, 55 %를 분석하였고, 혼합시멘트사용 콘크리트는 W/B 및 S/a를 각각 45 % 및 42 %로고정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 7종류 콘크리트의 재령별 압축강도 특성을 나타낸 것이 Fig. 2와 Fig. 3이다. Fig.
- 본 연구에서 사용한 결합재료는 시멘트는 KS L 5201에 준하는 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC)이고, 광물질혼화재료의 영향을 평가하기 위하여 광물질혼화재료인 플라이애시(이하 FA), 고로슬래그미분말(이하 BS) 및실리카퓸(이하 SF)을 사용하였다. 광물질혼화재료는 OPC에 대하여 FA는 20 %, BS는 40 %, SF는 5 %를 대체하여 사용하였으며, 시멘트 및 광물질혼화재의 화학성분을 Table 1에 나타내었다.
- 잔골재(S)는 부순 잔골재와 천연 잔골재를 혼합하여 사용하였으며, 굵은 골재(G)는 부순 굵은 골재를 사용하였다. 본 실험에 사용된 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 동결융해 저항성 평가 실험은 ASTM C 666의 B방법에 준하여 실시하였으며, 온도측정용 중심공시체의 온도가 4℃에서 -18℃를 거쳐 다시 4℃에 도달하는 과정을 1싸이클로 하여 총 300싸이클을 진행하였으며, 매 30 싸이클마다 콘크리트 공시체의 동탄성계수를 측정하였다. 동결융해 반복 작용을 받기 전 공시체의 동탄성계수에대한 소정의 싸이클에서의 동탄성계수를 식 (2)와 같이 상대동탄성계수로 나타내었다[8].
성능/효과
- 콘크리트 강도 특성에서 물-결합재비는 낮을수록 재령에 관계없이 강도가 높게 나타났으며, 동일한물성에서의 광물질혼화재료의 혼입에 따른 압축강도는 SF>OPC>SF>BS순으로 나타났으며, 특히,SF의 경우는 OPC대비 약 15 %크게 나타났다.
- 탄산화와 동결융해에 대한 물-결합재비 영향을 평가한 결과 35 %의 낮은 물-결합재비에서의 복합열화 및 단독열화 평가결과 높은 물-결합재비의 콘크리트 보다 저항성이 큰 것으로 나타났다.
- BS40은 높은 혼입률에도 상대동탄성계수의 감소량이 단독열화의 경우 작게 나타나는 것을 확인하였다. BS40을 혼입한 콘크리트는 FA20을 혼입한 콘크리트와 다르게 초기에서부터 상대동탄성계수 측정값이 작아지는 것으로 나타났다.
- BS40은 혼입률이 상대적으로 다른 광물질혼화재료에 비해 높아 초기 양생에 의한 강도가 확보가 되지 않는 경우 내구성능 저하에 큰 영향을 미치게 된다. BS40의 경우 동결융해 작용만 반복된 콘크리트 보다 복합열화를 받은 콘크리트의 압축강도가 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.
- Fig. 11과 Fig. 12로부터 FA20은 동일한 물-결합재비의 OPC 콘크리트 보다 복합열화가 개선되는 것을 확인할 수 있었으며 단독열화보다 복합열화 환경에 성능이 개선된 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 이는 탄산화 기간 동안 FA의 포졸란 반응으로 인한 내부 조직의 치밀화로 인하여 성능의 개선 효과가 나타난 것으로 사료된다.
- Fig. 14로부터 탄산화와 동결융해 복합열화를 받은 콘크리트의 상관관계를 분석한 결과 R2값이 0.68로 나타나 광물질혼화재료를 사용한 콘크리트의 압축강도와 상대동탄성계수의 상관이 크게 없는 것을 확인하였다. 이는 혼화재료의 각각의 복합열화의 저항 특성으로 인하여 나타난 것으로 판단되며, 탄산화와 동결융해를 동시에 받는 콘크리트의 경우 광물질혼화재료의 사용시 재료의 특성을 고려하여 혼입률에 대한 적절한 선택이 필요할 것으로 판단된다.
- Fig. 4로부터 W/B의 값이 클수록 탄산화 깊이가 크게 나타나는 것을 확인하였으며, W/B 55 %의 경우 W/B35 %보다 1.5배 이상 크게 측정되었다. 동일한 W/B의 광물질혼화재료를 사용한 콘크리트의 탄산화 깊이 측정 결과 BS40>FA20>OPC>SF5순으로
- Fig. 5와 Fig. 6으로부터 단독열화와 복합열화에 대한 상대동탄성계수를 분석한 결과 물-결합재비 55 %에서는 단독열화보다 복합열화의 상대동탄성계수의 감소율이 35 % 정도 크게 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
- Fig. 7과 Fig. 8로부터 복합열화를 받은 콘크리트 시험체와 압축강도 비교시 복합열화를 받은 콘크리트의 압축강도 감소 비율이 전체 적으로 30 %이상을 나타내는 것을 확인하였으며, 물-결합재비가 증가 할수록 단독열화와 같이 55 %의 결합재비에서 크게 나타나는 것을 확인하였다
- SF5 콘크리트의 탄산화와 동결융해 복합열화를 평가한 결과 실리카퓸의 혼입은 동결융해 단독열화를 평가한 물-결합재비 45 %의 보통콘크리트와 같은 결과를 나타내는 것을 확인 할 수 있었지만, 복합열화 평가에서는 보통콘크리트 보다 좋은 결과를 나타내었다.
- 고로슬래그미분말을 40 % 혼입한 콘크리트의 동결융해 300 싸이클 평가 후 복합열화의 강도 감소량이 단독 열화보다 각각 7.5 % 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 소요의 강도를 발현하여도 내부의 조직에서 잠재수경성반응의 속도가 늦어지기 때문에 복합열화 작용으로 이러한 결과가 나타난 것으로 사료된다.
- 광물질혼화재료의 종류와 혼입률에 상관없이 탄산화와 300 싸이클의 동결융해 복합열화를 받은 콘크리트의 성능저하는 단독열화를 평가한 결과보다 감소되는 것으로 나타났다.
- 7로부터 단독열화의 경우 동결융해를 받은 콘크리트의 압축강도 감소 비율이 300싸이클 완료 이후 30%미만으로 나타나는 것을 확인하였다. 그러나 물-결합재비가 증가 할수록 감소 비율은 커지는 것을 확인하였다.
- 단독열화와 복합열화에 대한 상대동탄성계수를 비교한 결과 물-결합재비의 값이 클수록 복합열화의 저하 속도가 커지는 것을 확인 할 수 있으며, 물-결합재비에 관계없이 복합열화를 받은 콘크리트의 열화가 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 또한 Fig. 3으로부터 OPC 콘크리트는 초기재령에서 FA20 및 BS40 콘크리트 보다는 압축강도가 크게 나타났고, SF를 사용한 콘크리트 보다는 초기 재령에서부터 압축강도가 작게 나타났다. 그러나 재령 28일에서는 FA20 및 BS40 콘크리트의 압축강도가 유사하게 나타났다.
- 하지만 실리카퓸을 5 %치환한 콘크리트에서는 전체적으로 보통콘크리트보다 개선되었으나, 동결융해의 싸이클 증가에 따라 강도의 감소량이 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 고로슬래그미분말의 혼입은 초기는 플라이애시와 같이 보통콘크리트보다 작게 나타났지만 동결융해 300 싸이클에서는 보통콘크리트보다 좋은 결과를 나타내었다.
- 반면, 물-결합재비 35 %의 보통콘크리트는 단독열화평가에서 상대동탄성계수 90 % 이상을 나타내었지만 복합열화 평가에서는 상대동탄성계수 값이 단독열화 보다 18 % 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 실리카퓸을 사용한 SF5 콘크리트의 탄산화와 동결융해 단독열화와 복합열화를 평가한 결과 상대동탄성계수가 단독열화에서는 90 %이상의 결과를 나타내었지만 복합열화에서는 300 싸이클 이전에 상대동탄성계수가 60%이하로 떨어지는 결과를 나타내었다.
- 탄산화와 동결융해 복합열화에 따른 광물질혼화재료의 성능개선효과를 평가한 결과 플라이애시와 고로슬래그미분말을 사용한 경우 성능개선 효과가 있는 것으로 나타났다. 그러나 실리카퓸의 경우는 필러효과 등으로 강도는 크게 측정되었지만 미분말의 효과 및 포졸란반응으로 동결융해에서는 좋지 않은 결과를 나타내었다.
- 하지만 실리카퓸을 5 %치환한 콘크리트에서는 전체적으로 보통콘크리트보다 개선되었으나, 동결융해의 싸이클 증가에 따라 강도의 감소량이 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 고로슬래그미분말의 혼입은 초기는 플라이애시와 같이 보통콘크리트보다 작게 나타났지만 동결융해 300 싸이클에서는 보통콘크리트보다 좋은 결과를 나타내었다.
후속연구
- 본 연구 범위의 복합열화 저항성 평가에서 물-결합재비에 대한 영향이 있는 것으로 나타났으며, 광물질혼화재료의 영향은 종류에 따라 다른 결과가 나타났으며, 다양한 복합열화 환경에 대한 추가 연구가 지속되어야 복합열화 환경에 적합한 재료를 선정 할 수 있을 것으로 판단된다.
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