[논문]저시멘트 소일콘크리트의 유동성 및 압축강도 특성

박종범; 양근혁; 황철성

doi:10.14190/jrcr.2018.6.1.1

저시멘트 소일콘크리트의 유동성 및 압축강도 특성
Flow and Compressive Strength Properties of Low-Cement Soil Concrete 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.6 no.1, 2018년, pp.1 - 7

박종범 (경기대학교 일반대학원 건축공학과) , 양근혁 (경기대학교 플랜트.건축공학과) , 황철성 (가천대학교 공과대학 토목환경공학과)

초록
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본 연구에서는 산업부산물을 다량 활용한 소일콘크리트의 유동성 및 강도발현에 대한 결합재-흙의 비(B/S) 및 물-결합재비(W/B)의 영향을 평가하였다. 보통 포틀랜드 시멘트의 부분 치환재로서 바이패스 더스트 10%, 고로슬래그미분말 40%, 순환유동층 플라이애시 25%가 사용되었다. 저시멘트 결합재와 함께 사질토 또는 점성토를 사용하여 18 소일콘크리트 배합이 실험되었다. 실험결과 소일콘크리트의 유동성은 대상토(점성토 또는 사질토)의 종류에 관계없이 동일한 W/B에서 B/S가 클수록 증가하였다. 압축강도는 점성토 콘크리트보다 동일 배합조건을 갖는 사질토 콘크리트에서 컸다. 산업부산물 다량 활용 소일콘크리트의 배합은 압축강도 및 고유동성을 고려하면 대상토에 관계없이 B/S가 0.35 그리고 W/B는 175%가 추천될 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the effect of binder-to-soil ratio(B/S) and water-to-binder ratio(W/B) on the flow and compressive strength development of soil concrete using high-volume supplementary cementitious materials. As a partial replacement of ordinary portland cement, 10% by-pass dust, 40% ground granulated blast-furnace slag, and 25% circulating fluidized bed combustion fly ash were determined in the preliminary tests. Using the low-cement binder incorporated with clay soil or sandy soil, a total of 18 soil concrete mixtures was prepared. The flow of the soil concrete tended to increase with the increase in W/B and B/S, regardless of the type of soils. The compressive strength was commonly higher in sandy soil concrete than in clay soil concrete with the same mixture condition. Considering the high-workability and compressive strength development, it could be recommended for low-cement soil concrete to be mixed under the following condition: B/S of 0.35 and W/B of 175%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 소일콘크리트의 유동성 및 강도발현에 대한 산업부산물의 다량 활용의 영향을 평가하였다. 산업부산물로서 바이패스 더스트(by-pass dust, BPD), 고로슬래그미분말(ground granulated blast furnace slag, GGBS), 순환유동층 플라이애시(circulating fluidized bed combustion fly ash, CFBC) 등을 보통포틀랜드시멘 트(ordinary portland cement, OPC) 중량 대비 각각 10%, 40%, 25% 치환하였다.

가설 설정

일반적으로 점성토에서는 시멘트의 수화반응 과정에서 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 2차적인 반응 및 포졸란 반응이 동시에 진행되며, 사질토에서는 시멘트의 수화반응 과정에서 생성된 규산칼슘 수화물(C-S-H)에 의해 강도발현이 이루어진다(Son 2014). 소일 콘크리트의 역학적 특성은 사용 결합재, 토양의 종류, 단위 시멘트양 및 단위수량 등의 영향을 받는다. 국토교통부(Ministry of land, infrastructure and transport, MOLIT)에서는 소일콘크리트의 최소 압축강도를 점성토의 경우 1~2MPa, 사질토의 경우 2~8MPa를 제시하고 있다(Standard specification for temporary work.

제안 방법

이 연구에서는 소일콘크리트의 유동성 및 강도발현에 대한 산업부산물의 다량 활용의 영향을 평가하였다. 산업부산물로서 바이패스 더스트(by-pass dust, BPD), 고로슬래그미분말(ground granulated blast furnace slag, GGBS), 순환유동층 플라이애시(circulating fluidized bed combustion fly ash, CFBC) 등을 보통포틀랜드시멘 트(ordinary portland cement, OPC) 중량 대비 각각 10%, 40%, 25% 치환하였다. 흙은 자연에서 채취하여 통일 분류법에 따라 점성토 및 사질토로 분류하여 사용하였다.
모든 시험체는 1일 후 몰드를 제거하고 항온항습(20℃, 상대습도 60%) 환경에서 양생을 실시하였다. 소일콘크리트의 압축강도는 200kN 용량의 UTM(Universal test machine)을 사용하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였으며, 재령 28일에 광학현미경을 사용하여 공극형상을 측정하였다.
이 연구에서는 BPD, GGBS, CFBC 등의 산업부산물을 다량 치환한 소일콘크리트의 유동성 및 압축강도 발현 특성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
주요 배합변수로서 결합재-흙비(B/S)와 물-결합재비(W/B)를 선택하였다. 이들 변수에 따라 소일콘크리트의 유동성, 압축강도 발현 및 공극형상을 평가하였다.

대상 데이터

소일콘크리트는 일반적인 콘크리트와 달리 골재 대신 흙이 사용되며, 본 연구에서 사용된 흙은 경기도 수원지역에서 채취하여 통일 분류법에 따라 #200체(0.075mm) 통과율이 50% 이상인 점성토와 50% 이하인 사질토 두 가지로 구분하여 실험을 진행하였다. 선정된 대상토의 밀도는 KS F 2308(흙 입자 밀도 시험 방법), 입도는 KS F 2302(흙의 입도 시험 방법)에 따라 측정하였으며, Fig.
반면 B-4의 압축강도 발현율은 7일 강도에서 f_ck의 약 92%로 초기에 급격한 기울기를 보인뒤 이후 완만한 기울기를 보였고, f_ck가 가장 높은 것으로 나타났다. 이에 따라 OPC, BPD, GGBS, CFBC가 각각 25, 10, 40% 및 25%의 비율로 구성된 B-4를 소일콘크리트의 주요 결합재로 선정하였다.

이론/모형

075mm) 통과율이 50% 이상인 점성토와 50% 이하인 사질토 두 가지로 구분하여 실험을 진행하였다. 선정된 대상토의 밀도는 KS F 2308(흙 입자 밀도 시험 방법), 입도는 KS F 2302(흙의 입도 시험 방법)에 따라 측정하였으며, Fig. 3 및 Table 3에 결과를 나타내었다.
소일콘크리트의 배합 실험은 KS L 5109(수경성 시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합 방법)에 준하여 실시하였으며, 플로 우는 KS L 5111(시멘트 시험용 플로 테이블)의 시험 방법에 따라 측정하였다. 압축강도 측정을 위한 시험체 제작은 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 따라 50×50×50mm의 입방형으로 제작하였다.
소일콘크리트의 배합 실험은 KS L 5109(수경성 시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합 방법)에 준하여 실시하였으며, 플로 우는 KS L 5111(시멘트 시험용 플로 테이블)의 시험 방법에 따라 측정하였다. 압축강도 측정을 위한 시험체 제작은 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 따라 50×50×50mm의 입방형으로 제작하였다. 모든 시험체는 1일 후 몰드를 제거하고 항온항습(20℃, 상대습도 60%) 환경에서 양생을 실시하였다.

성능/효과

1. 소일콘크리트의 플로우는 대상토의 종류 및 W/B에 관계없이 B/S가 증가함에 따라 증가하였다.
2. 소일콘크리트의 f_ck는 대상토에 관계없이 B/S가 0.35, W/B가 175%일 때 가장 높았는데, 일반 소일콘크리트의 약 1.15배 수준이었다.
4. 소일콘크리트의 f_ck 대비 재령 1일과 3일의 강도 발현율은 각각 5~6%와 11~28% 수준이었으며, 회귀 분석결과 압축강도 예측 모델이 제시될 수 있었다.
5. 점성토를 사용한 콘크리트의 미세구조는 흙의 미립자들로 인해 비교적 밀실한 반면, 사질토를 사용한 콘크리트에서는 굵은 입자들로 인해 약 0.2mm 수준의 공극들이 다수 분포하였다.
6. 산업부산물을 활용한 소일콘크리트의 최적 배합상세는 B/S가 0.35, W/B는 175%가 제시될 수 있었다.
이는 BPD의 염소(Cl^-)성분이 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하고 용해되기 쉬운 물질로 변화되어 강도가 낮아진 것으로 판단된다. BPD 치환율에 관계없이 GGBS 치환율이 증가할수록 소일콘크리트의 압축강도는 증가하였는데, 이는 GGBS의 포졸란 반응에 의해 C-S-H가 생성되고 BPD의 Cl^-성분과 반응하는 수산화칼슘은 상대적으로 적게 생성됨을 의미한다. Fig.
결합재 선정을 위한 예비실험 결과 모든 시험체에서 플로우 값은 160~170mm로큰 차이를 보이지 않았으나, 강도발현에서는 큰 차이를 보였다. OPC 치환율 변화에 관계없이 BPD의 치환율이 10%에서 15% 변화할 때 소일콘크리트의 압축강도는 약 10MPa 감소하였다. 이는 BPD의 염소(Cl^-)성분이 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하고 용해되기 쉬운 물질로 변화되어 강도가 낮아진 것으로 판단된다.
15g/cm³, 비표면적은 3,260cm²/g이며, KS L 5201(포틀랜드 시멘트)의 1종 규격에 준하는 것을 사용하였다. OPC의 미세구조에서는 클링커 중에 가장 많이 존재하는 Alite의 육각판상 구조가 많이 나타났다(Fig. 2 a).
모든 배합에서 B/S 및 W/B는 결합재의 치환비율에 따른 영향을 보다 정확하게 평가하고자 B/S및 W/B를 각각 3 및 50%로 고정하였다. 결합재 선정을 위한 예비실험 결과 모든 시험체에서 플로우 값은 160~170mm로큰 차이를 보이지 않았으나, 강도발현에서는 큰 차이를 보였다. OPC 치환율 변화에 관계없이 BPD의 치환율이 10%에서 15% 변화할 때 소일콘크리트의 압축강도는 약 10MPa 감소하였다.
15, W/B가 225%일 때 가장 낮게 나타났다. 사질토를 사용한 콘크리트의 압축강도는 점성토를 사용한 콘크리트 대비 평균 약 5% 높은 값을 보였으며, B/S가 0.35, W/B가 175%에서 약 14%로 그 차이가 가장 컸다. 이는 점성토의 경우 사질토보다 경화를 위해서는 결합재가 약 10% 이상 더 요구되며(Son 2014), 미세한 점토입자의 존재로 인해 결합재의 수화반응을 억제하기 때문인 것으로 판단된다.
Table 5에는 소일콘크리트의 재령별 압축강도를 나타내었다. 소일콘크리트의 압축강도는 대상토에 관계없이 B/S가 증가함에 따라 증가한 반면, W/B의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 소일콘크리트의 재령 28일 압축강도는 모든 토양에서 B/S가 0.
소일콘크리트의 압축강도는 대상토에 관계없이 B/S가 증가함에 따라 증가한 반면, W/B의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 소일콘크리트의 재령 28일 압축강도는 모든 토양에서 B/S가 0.35, W/B가 175%일 때 가장 높았으며, B/S가 0.15, W/B가 225%일 때 가장 낮게 나타났다. 사질토를 사용한 콘크리트의 압축강도는 점성토를 사용한 콘크리트 대비 평균 약 5% 높은 값을 보였으며, B/S가 0.
4에는 대상토의 종류에 따른 소일콘크리트의 초기 플로우를 나타내었다. 소일콘크리트의 플로우는 대상토의 종류 및 W/B에 관계없이 B/S가 증가함에 따라 증가하였다. 이는 단위 결합재량의 증가에 따라 단위 용적에서 단위수량이 함께 증가하고 단위 흙양은 상대적으로 감소하기 때문이다.
그러나 동일한 재령에서 소일콘크리트의 압축강도 발현율은 점성토보다 사질토 기반에서 높았다. 특히 사질토 콘크리트에서 B/S가 0.15 및 0.35인 경우 재령 3일과 7일의 압축강도는 f_ck 대비 약 28% 및 87% 수준으로 초기에 급격히 증가한 후 재령 7일 이후 완만히 증가하는 경향을 보였다. 이는 동일 조건의 점성토 콘크리트 대비 약 16% 및 39% 높은 수준이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소일 콘크리트의 역학적 특성에 영향을 주는 요소는?	일반적으로 점성토에서는 시멘트의 수화반응 과정에서 생성된 수산화 칼슘(Ca(OH)2)과 2차적인 반응 및 포졸란 반응이 동시에 진행되며, 사질토에서는 시멘트의 수화반응 과정에서 생성된 규산칼슘 수화물(C-S-H)에 의해 강도발현이 이루어진다(Son 2014). 소일 콘크리트의 역학적 특성은 사용 결합재, 토양의 종류, 단위 시멘트양 및 단위수량 등의 영향을 받는다. 국토교통부(Ministry of land, infrastructure and transport, MOLIT)에서는 소일콘크리트의 최소 압축강도를 점성토의 경우 1~2MPa, 사질토의 경우 2~8MPa 를 제시하고 있다(Standard specification for temporary work.
	소일콘크리트의 강도증진을 위해 단위시멘트량 및 고화제량을 증가시켰을 때 문제점은?	(2003)은 단위 시멘트양 및 고화제량이 증가할수록 소일콘크리트의 강도는 증진함을 보였다. 하지만 단위 시멘트양의 증가는 소일콘크리트의 재료원가 상승의 주요 원인이 될 수 있다. 이와 같은 문제로 Park et al.
	소일콘크리트의 역할은 무엇인가?	매입말뚝 삽입 전후에 주입되는 소일콘크리트(Soil concrete) 는 말뚝의 지지력을 증가시키는 한편, 하중 재하 초기 단계에서 파일의 자립을 돕고 파일 주변의 마찰력 향상에 도움이 된다(Choi et al. 2011). 더불어 소일콘크리트는 점성토(Clay soil) 및 사질토에서 점착성능을 향상시킨다(Lee et al. 2011; Kim et al. 2010). 일반적으로 점성토에서는 시멘트의 수화반응 과정에서 생성된 수산화 칼슘(Ca(OH)2)과 2차적인 반응 및 포졸란 반응이 동시에 진행되며, 사질토에서는 시멘트의 수화반응 과정에서 생성된 규산칼슘 수화물(C-S-H)에 의해 강도발현이 이루어진다(Son 2014).

참고문헌 (10)

Choi, H.B., Noh, C.S., Han, B.K., Lee, H.G. (2011). Estimation of field application for the PHC pile backfill recycling In-site soil, Journal of the Korea Institute of Building Construction, 11(1), 63-66 [in Korean].
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MOLIT. (2016). Standard Specification for Temporary Work, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea [in Korean].
Park, S.S., Kim, Y.S., Lee, J.C. (2007). Unconfined compressive strength of fiber-reinforced cemented sands by fiber reinforcement form, Journal of the Korean Geotechnical Society, 23(8), 159-169 [in Korean].
Shim, J.W. (2010). A study on the strength property of recycled fine aggregate(wet type) mortar with blast furnace slag, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 14(5), 153-160 [in Korean].
Son, T.I. (2014). Study on the Strength Change according to the Slenderness Ratio of Soil-Cement, Master's Thesis, Department of Civil Engineering Graduate School of Industry Pusan National University [in Korean].

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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