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문제 정의
- 수리구조물에서 많이 사용하고 있는 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa의 호칭강도를 대상으로 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 OPC (24, 27, 30), FA (24, 27, 30), BFS (24, 27, 30)을 혼입한 9종류의 대표 배합비를 설정하고 표준방법으로 시험체를 성형, 양생하였다. 또한, ASTM C 1138 시험표준을 참조하여 시험 장치를 제작하고 이를 이용하여 성형된 시험체의 표면 마모저항성을 분석하고 이를 마모저항성 평가에 활용할 수 있도록 실험적으로 제안하고자 한 것이다.
- 한국산업표준 (KS)에는 굵은골재에 대한 마모저항성 시험기준이 제시되어 있으나 수리구조물과 같은 수중마모 환경에 놓인 콘크리트에 대한 마모저항성 시험방법은 아직 마련되어 있지 않다. 본 논문은 국내외 주요 콘크리트 구조물의 마모 및 수중마모 시험방법을 살펴보고 국제 수준의 콘크리트 수중마모 시험방법을 이용하여 콘크리트 수리구조물의 마모 저항성 실내시험을 수행하였다.
제안 방법
- 6) 매 12시간 마다 (12, 24, 36, 48, 60, 72 hr) 시험용기에서 시험체를 꺼내고 마모된 재료를 쏟아 내고 표면을 건조시킨 후 수중과 공기 중에서 시험체의 중량을 측정한다.
- 물론 로스앤젤레스 마모저항성 시험방법은 콘크리트 배합에 사용된 골재를 목표로 하며 동시에 골재의 특성이 일반적으로 콘크리트 마모저항성에 좋은 영향을 준다고 언급하고 있다. Table 3은 기존의 마모시험방법인 로스앤젤레스 시험기에 의한 굵은골재 마모시험방법과 ASTM C 1138인 수중마모 시험방법에 대한 사용 용기의 크기, 마모용 강구, 대상 시료, 마모장치의 회전수, 시험방법의 특징 등을 비교하여 제시하였다. 로스앤젤레스 시험방법은 포장 콘크리트 등에서 배합설계 시 사용되는 굵은골재에 대하여 공사용 재료로서 마모감량의 한도를 설정하고 (40 %이하) 그 사용여부를 판단하기 위한 시험방법이다.
- 본 논문은 콘크리트 표면에 코팅이나 접착제 등의 재료를 사용하는 것을 고려하지 않았으며, 다만 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 레디믹스트 콘크리트를 대상으로 하였다. 따라서 콘크리트의 표면 마모 저항성에 대한 실험 범위를 콘크리트의 압축강도, 물-결합재비 등으로 국한하였으며, 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 대표 배합비를 정하였다 (Table 10). 압축강도는 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 강도 범위인 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa로 선정하였고, 배합에 사용된 잔골재는 군산 하천사, 굵은골재는 부여산 부순 돌, 시멘트는 D사 1종 보통포틀랜드 시멘트, 혼화재는 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬, 혼화제는 강도에 따라 고성능 AE 감수제와 AE 감수제를 사용하였다.
- 실내시험은 국내 콘크리트 수리구조물의 설계, 시공에 사용되고 있는 압축강도 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa을 대상으로 하였다. 수리구조물에서 많이 사용하고 있는 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa의 호칭강도를 대상으로 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 OPC (24, 27, 30), FA (24, 27, 30), BFS (24, 27, 30)을 혼입한 9종류의 대표 배합비를 설정하고 표준방법으로 시험체를 성형, 양생하였다. 또한, ASTM C 1138 시험표준을 참조하여 시험 장치를 제작하고 이를 이용하여 성형된 시험체의 표면 마모저항성을 분석하고 이를 마모저항성 평가에 활용할 수 있도록 실험적으로 제안하고자 한 것이다.
- 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 설정한 대표 배합비에 따라 물-결합재비를 각각 51.2 %, 47.6 %, 44.5 % 로 하여 기준콘크리트 (Ordinary portland cement, OPC), 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트 (Blast furnace slag, BFS), 플라이애쉬를 혼입한 콘크리트 (Fly ash, FA)로 대표배합을 구별하여 총 9배치에서 시험체를 제작하고 ASTM C 1138 시험방법에 따라 수중마모시험을 수행하였다. 마모시험결과는 Table 11에 나타내었다.
- 본 논문은 콘크리트 수중마모에 대한 실험중 표면에 코팅이나 접착제 등의 재료를 사용하는 것을 고려하지 않았으며, 다만 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 레디믹스트 콘크리트를 대상으로 하였다. 전국 레미콘 공장에서 생산되는 호칭강도별 배합의 대표배합을 선정하고 세 개 (51.2 %, 47.6 %, 44.5 %)의 주된 물-결합재비와 혼화재를 혼입하지 않은 기준콘크리트 (Ordinary portland cement, OPC), 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트 (Blast furnace slag, BFS), 플라이애쉬를 혼입한 콘크리트 (Fly ash, FA)로 구별하여 시험체를 만들고 수중 마모시험과 압축강도시험을 수행하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다
- 본 논문에서 콘크리트의 수중마모저항성에 대한 실내시험은 ASTM C 1138 Standard test method for abrasion resistance of concrete (Underwater method) 시험방법에 따라 수행되었다. 콘크리트 실내 수중마모시험방법에 대한 시험장치, 시험체, 시험과정 등의 이해를 돕기 위해 ASTM C 1138에 명시된 내용들을 요약하여 기술하였다
대상 데이터
- 1) 시험체는 지름이 약 300 mm, 높이가 100 mm인 원주형으로 제작하며 굳지 않은 콘크리트로 성형된 시험체를 사용한다. 또한 시험체는 시험 전 48시간 동안 수침을 시켜 사용한다.
- 본 논문에서는 혼화재 및 호칭강도별 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa 범위의 콘크리트 마모저항성이 시험되었다. OPC, BFS, FA 배합으로 만들어진 시험체의 12시간 및 24시간 시점에서 마모손실률과 콘크리트 압축강도 상관성을 Fig.
- 본 논문은 콘크리트 수중마모에 대한 실험중 표면에 코팅이나 접착제 등의 재료를 사용하는 것을 고려하지 않았으며, 다만 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 레디믹스트 콘크리트를 대상으로 하였다. 전국 레미콘 공장에서 생산되는 호칭강도별 배합의 대표배합을 선정하고 세 개 (51.
- Liu,1981). 본 논문은 콘크리트 표면에 코팅이나 접착제 등의 재료를 사용하는 것을 고려하지 않았으며, 다만 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 레디믹스트 콘크리트를 대상으로 하였다. 따라서 콘크리트의 표면 마모 저항성에 대한 실험 범위를 콘크리트의 압축강도, 물-결합재비 등으로 국한하였으며, 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 대표 배합비를 정하였다 (Table 10).
- 시험 장치는 회전 장치, 시험용기 및 교반 페달, 마모용 강철구슬, 기타장치로 구성되어있다
- 실내시험은 국내 콘크리트 수리구조물의 설계, 시공에 사용되고 있는 압축강도 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa을 대상으로 하였다. 수리구조물에서 많이 사용하고 있는 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa의 호칭강도를 대상으로 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 OPC (24, 27, 30), FA (24, 27, 30), BFS (24, 27, 30)을 혼입한 9종류의 대표 배합비를 설정하고 표준방법으로 시험체를 성형, 양생하였다.
- 따라서 콘크리트의 표면 마모 저항성에 대한 실험 범위를 콘크리트의 압축강도, 물-결합재비 등으로 국한하였으며, 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 대표 배합비를 정하였다 (Table 10). 압축강도는 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 강도 범위인 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa로 선정하였고, 배합에 사용된 잔골재는 군산 하천사, 굵은골재는 부여산 부순 돌, 시멘트는 D사 1종 보통포틀랜드 시멘트, 혼화재는 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬, 혼화제는 강도에 따라 고성능 AE 감수제와 AE 감수제를 사용하였다. 콘크리트 배합에 사용된 재료의 물리⋅화학적 특성에 대한 자료를 Table 5∼Table 9 에 나타내었다.
이론/모형
- 본 논문에서 콘크리트의 수중마모저항성에 대한 실내시험은 ASTM C 1138 Standard test method for abrasion resistance of concrete (Underwater method) 시험방법에 따라 수행되었다. 콘크리트 실내 수중마모시험방법에 대한 시험장치, 시험체, 시험과정 등의 이해를 돕기 위해 ASTM C 1138에 명시된 내용들을 요약하여 기술하였다
- 왜냐하면 이 시험방법은 콘크리트의 마모 저항성을 결정하며, 수리구조물에서 물과 동반된 입자들의 마모작용을 시험할 수 있고 콘크리트의 마모나 포트 홀을 발생시키는 고체입자를 휘저으며 움직이게 하는 물의 와류를 모의실험 할 수 있기 때문이다. 본 논문에서는 콘크리트 배합비와 수중마모저항성 상관성 및 콘크리트의 실제 수중 마모저항성의 상대적 평가에 대하여 ASTM C 1138 시험방법을 이용하여 분석하였다
- 마모시험결과는 Table 11에 나타내었다. 이들 결과는 물-결합재비와 그에 따른 압축강도, 혼화재의 종류 등의 콘크리트 마모저항성 평가에 활용되었다.
성능/효과
- (1) 배수갑문 피어, 댐, 여수로 등과 같이 수리구조물에서 발생하는 콘크리트의 마모 저항성을 결정하며, 수리구조물에서 물과 동반된 입자들의 마모작용을 시험할 수 있고 콘크리트의 마모나 포트 홀을 발생시키는 고체입자를 휘저으며 움직이게 하는 물의 와류를 모의실험 할 수 있는 ASTM C 1138 (수중마모시험 방법)이 마모시험 평가에 효과적임을 알 수 있다.
- (2) 주어진 OPC 콘크리트의 마모 저항성은 물-결합재비가 52.1 %에서 44.5 %로 감소함에 따라 72시간 시점에서 마모저항성의 개선효과는 약 30 %로 나타났다. 이는 물-결합재비가 감소함에 따라 콘크리트 시험체의 피복이 밀실하고 더 좋은 결합력을 가진 피복시멘트 모체를 형성하였기 때문으로 사료된다.
- (3) BFS 콘크리트의 마모저항성은 물-결합재비가 47.6 %에서 44.5 %로 감소시 72시간 시점에서 마모저항성은 약 9.9 %, FA의 경우 물-결합재비가 52.1 %에서 44.5 %로 감소시 72시간 시점에서 마모저항성은 약 3.8 %의 개선 효과를 보였다. 이와 같은 결과는 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬 혼입 콘크리트에서 발생하는 잠재수경성 및 포졸란 반응으로 인한 특성으로 초기재령에서의 콘크리트 결합력의 차이가 크게 발생하지 않은 영향으로 판단되며, 장기재령에서 콘크리트 시험체의 마모저항성 시험 및 평가가 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- (4) OPC 24 MPa 및 BFS 24 MPa 콘크리트의 최초 12시간 시점에서 마모 손실률이 각각 36 %, 39 %로 일반적으로 남은 시험시간보다 컸으며, 24시간 시점에서 마모손실률은 각각 65 %, 68 %로 콘크리트 표면부에 상당한 마모를 발생시켰다. 왜냐하면 저강도 콘크리트인 경우 최초 12시간 시점에서 표면 모르타르 층이 훨씬 빠르게 마모가 되어 마모손실률이 증가되었기 때문으로 판단된다.
- (5) OPC, BFS, FA (27 MPa, 30 MPa) 콘크리트의 최초 12시간 시점에서 마모 손실율의 범위는 15 %∼25 %, 마모시험 24시간 시점에서 마모 손실율의 범위는 43 %∼51 %로 나타났다.
- (7) 즉, 수리구조물의 설계기준압축강도가 육상 수리구조물의 경우 24 MPa∼27 MPa, 배수갑문과 같은 해양 수리구조물의 경우 30 MPa 이므로 육상 수리 구조물은 12시간 또는 24시간 시점에서 해양 수리구조물은 24시간 시점에서 콘크리트의 상대적 마모손실률로 마모저항성을 평가하는 것을 고려해 볼 수 있다.
- (8) 종합적으로 국내의 경우 콘크리트와 관련된 마모시험은 공사용 재료로서 콘크리트용 굵은골재의 사용여부를 판단하기 위한 마모 시험방법이 이용되고 있으나, 본 연구에서는 ASTM C 1138 시험방법을 이용하여 콘크리트 배합비와 수중마모저항성의 상관성 및 콘크리트의 실제 수중 마모저항성의 상대적 평가를 하였다. 또한, 수리구조물에 대해서 육상 수리구조물은 12시간 또는 24시간 시점에서 해양 수리구조물은 24시간 시점에서 콘크리트의 상대적 마모손실률로 마모저항성 평가를 고려하는 것이 유지관리측면에서 유리함을 알 수 있다.
- (b)에 나타낸 것 같이 ASTM 1138 C 시험방법 제정의 근간이 되었고 콘크리트의 상대적 마모 저항성을 평가하기 위해 설계된 연구결과에서 압축강도 22 MPa∼47 MPa 범위의 콘크리트 경우 총 마모 손실량의 27 %∼48 %가 최초 12시간 시점에서 발생된다.
- 2) 시험체의 상부 표면의 평균지름은 서로 다른 방향에서 측정된 두 개의 지름을 평균하여 산출하며 대략 2 mm 까지 계산한다. 이 평균지름은 상부 표면적을 계산하는데 이용한다.
- 3) 마모감량을 계산하기위해 측정하는 표면건조포화상태 시험체의 질량은 약 25 g 범위 까지 측정하여 계산한다.
- 많은 연구자들은 다양한 물-결합재비로 콘크리트의 마모 저항성을 조사하였다. 4가지 서로 다른 물-결합재비 (0.26부터 0.5까지)의 콘크리트를 시험한 경우 물-결합재비가 줄어들 때 마모저항성은 증가하였다. 이것은 낮은 물-결합재 비를 가진 콘크리트가 낮은 공극을 가지게 되고 더 나은 결합력과 압축강도를 증가시키기 때문이었고 이러한 연구에서 물시멘트비 0.
- 7) 표준시험 시간은 총 72시간 동안 진행하며, 12시간 마다 시험체의 질량손실을 체크한다.
- Table 2에서 알 수 있듯이 수리구조물에서 발생하는 콘크리트 마모저항성 시험방법은 ASTM C 418 및 ASTM C 1138 모두 적용이 가능하나 배수갑문 피어, 댐, 여수로 등과 같이 수리구조물에서 물과 동반된 입자에 의해 발생하는 콘크리트 마모저항성을 시험하는 규격은 ASTM C 1138 (수중마모시험 방법)이 효과적임을 알 수 있다. 왜냐하면 이 시험방법은 콘크리트의 마모 저항성을 결정하며, 수리구조물에서 물과 동반된 입자들의 마모작용을 시험할 수 있고 콘크리트의 마모나 포트 홀을 발생시키는 고체입자를 휘저으며 움직이게 하는 물의 와류를 모의실험 할 수 있기 때문이다.
- (8) 종합적으로 국내의 경우 콘크리트와 관련된 마모시험은 공사용 재료로서 콘크리트용 굵은골재의 사용여부를 판단하기 위한 마모 시험방법이 이용되고 있으나, 본 연구에서는 ASTM C 1138 시험방법을 이용하여 콘크리트 배합비와 수중마모저항성의 상관성 및 콘크리트의 실제 수중 마모저항성의 상대적 평가를 하였다. 또한, 수리구조물에 대해서 육상 수리구조물은 12시간 또는 24시간 시점에서 해양 수리구조물은 24시간 시점에서 콘크리트의 상대적 마모손실률로 마모저항성 평가를 고려하는 것이 유지관리측면에서 유리함을 알 수 있다.
후속연구
- 26 mm)의 마모용 강구 70개와 시험체 상부의 물을 회전시킬 수 있는 교반 페달의 회전 작용으로 물과 동반된 고체입자 및 소용돌이 현상을 정성적으로 시뮬레이션 하는 방법이다. 이 시험방법은 수리구조물에서 콘크리트의 표면 마모저항성에 대하여 콘크리트 그 자체를 시험하는 방법으로 콘크리트의 마모 저항에 대한 상대적 평가를 얻어낼 수 있으며, 이러한 평가결과는 물과 동반된 입자에 의한 마모작용을 고려해야하는 수리 구조물의 재료, 배합, 압축강도 선정 등에 유용하게 사용될 수 있다. 그러나 구조물의 예상 사용수명의 정량적 측정을 제공하기 위한 것이 아니다.
- 8 %의 개선 효과를 보였다. 이와 같은 결과는 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬 혼입 콘크리트에서 발생하는 잠재수경성 및 포졸란 반응으로 인한 특성으로 초기재령에서의 콘크리트 결합력의 차이가 크게 발생하지 않은 영향으로 판단되며, 장기재령에서 콘크리트 시험체의 마모저항성 시험 및 평가가 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과는 플라이애쉬를 혼입한 콘크리트로서 포졸란 반응으로 인한 영향으로 판단된다. 포졸란 반응 및 잠재수경성을 가진 시멘트를 혼입한 경우 초기 재령에서 피복시멘트의 결합력이 떨어지나 장기재령에서 피복 시멘트의 결합력이 증가 될 수 있으므로 장기재령에서 콘크리트 시험체의 마모저항성 시험 및 평가가 고려되어야 할 것으로 판단된다.
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