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문제 정의
- 본 연구는 서냉 및 급냉슬래그를 결합재로 적용한 콘크리트의 염해-동결융해 복합열화 저항성을 실험적으로 평가한 것으로써, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 본 연구에서는 서냉 및 급냉슬래그를 적용한 혼합시멘트 콘크리트의 동결융해 저항성 및 염해-동결융해 복합열화 저항성을 실험적으로 검토하였다. 실험 및 분석을 통하여 도출된 결과를 이용함으로써 한랭지역 해양환경 및 제설제 살포 환경에서 서냉슬래그의 콘크리트용 혼화재료로서의 적용성을 제시하는데 본 연구 목적이 있다.
- 본 연구에서는 한랭지역 염해환경에 노출된 콘크리트의 내구성을 평가하기 위한 일환으로 염해-동결융해 작용을 동시에 받는 복합열화 저항성을 평가하였으며, 2.2절에 제시한 콘크리트의 동결융해 저항성과 비교·고찰하였다.
- 본 연구에서는 서냉 및 급냉슬래그를 적용한 혼합시멘트 콘크리트의 동결융해 저항성 및 염해-동결융해 복합열화 저항성을 실험적으로 검토하였다. 실험 및 분석을 통하여 도출된 결과를 이용함으로써 한랭지역 해양환경 및 제설제 살포 환경에서 서냉슬래그의 콘크리트용 혼화재료로서의 적용성을 제시하는데 본 연구 목적이 있다.
제안 방법
- 이 때, 염화물 용액은 매 60 사이클마다 교체하여 사용하였다. 동결융해 저항성 실험과 마찬가지로 매 30 사이클마다 동탄성계수 및 질량의 변화를 측정하였으며, 90, 210 및 300 사이클 후 콘크리트의 압축강도를 측정하여 Eqs. (1)~(3)과 같이 콘크리트의 상대동탄성계수, 질량비 및 압축강도 감소율을 산정하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 동결융해 저항성을 평가하기 위하여 ASTM C 666에 준하여 촉진실험을 실시하였으며, 매 30 싸이클마다 상대동 탄성계수 및 질량비를 측정하였다. 또, 소정의 사이클에서 콘크리트의 압축강도를 측정하여 동결융해작용을 받은 콘크리트의 압축강도 변화를 고찰하였다.
- 본 실험은 광물질혼화재를 사용하지 않은 기준배합 콘크리트(OPC 콘크리트), OPC에 WS를 40% 대체한 콘크리트(WS40 콘크리트) 및 AS를 5 및 10% 각각 대체한 콘크리트(WS35AS05 및 WS30AS10 콘크리트)등 총 4배합의 콘크리트를 제조하여 실험을 수행하였으며, 각 콘크리트의 배합특성을 Table 3에 나타내었다. 콘크리트의 w/b 및 S/a는 각각 45% 및 36%로 고정하였다.
- , 2008). 본 연구에서는 콘크리트의 동결융해 저항성을 평가하기 위하여 ASTM C 666에 준하여 촉진실험을 실시하였으며, 매 30 싸이클마다 상대동 탄성계수 및 질량비를 측정하였다. 또, 소정의 사이클에서 콘크리트의 압축강도를 측정하여 동결융해작용을 받은 콘크리트의 압축강도 변화를 고찰하였다.
- 염해-동결융해 복합열화 저항성 시험은 ø100×200mm의 원주형 공시체를 대상으로 제작 28일 동안 수중양생 후 ASTM C 666의 A시험법에 준하여 평가 시 4% CaCl2 수용액을 동결수로 사용하여 300 사이클까지 동결융해 시험을 실시하였다.
- 동결융해 저항성 평가 시험은 ø100×200mm의 원주형 공시체를 제작한 후, 콘크리트의 강도발현을 고려하여 재령 28일 공시체를 대상으로 ASTM C 666 A법의 규정을 참조하여 실험을 실시하였다. 온도측정용 중심공시체의 온도가 4℃에서 -18℃를 거쳐 다시 4℃에 도달하는 과정을 1 사이클로 하여 총 300 사이클을 진행하였으며, 매 30 사이클마다 콘크리트 공시체의 동탄성계수 및 질량을 측정하였으며, 콘크리트의 압축강도는 90, 210 및 300 사이클 후 KS F 2405에 준하여 측정하였다. 콘크리트의 상대동탄성계수, 질량비 및 압축강도 감소율은 다음 Eqs.
- 콘크리트는 제작 1일 후 탈형하여 수중양생을 실시하였으며, 재령 7, 28 및 91일에서 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험방법”에 준하여 압축강도를 측정하였다.
대상 데이터
- 각각의 물리적 성질은 Table 2와 같다. 또한 콘크리트의 적절한 유동성과 공기량 확보를 위해 PC계열 고성능감수제(SP) 및 AE제(AEA)를 각각 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 시멘트는 KS L 5201에 준하는보통포틀랜드시멘트(이하 OPC, ordinary portlandcement)를 사용하였으며, 혼화재료는 급냉슬래그(이하 WS, water-cooled slag) 및 서냉슬래그(이하 AS, air-cooled slag)를 사용하였으며, 그 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 잔골재(S)는 부순모래를 사용하였으며, 굵은골재는 19(G1) 및 25mm(G2) 부순돌을 사용하였다. 각각의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 동결융해 저항성 평가 시험은 ø100×200mm의 원주형 공시체를 제작한 후, 콘크리트의 강도발현을 고려하여 재령 28일 공시체를 대상으로 ASTM C 666 A법의 규정을 참조하여 실험을 실시하였다.
성능/효과
- 1. 콘크리트의 압축강도 발현특성을 조사한 결과, AS 및 WS를 사용한 콘크리트의 압축강도는 초기재령에서 OPC 콘크리트보다 작게 나타났으나, 재령 28일 이후에서는 강도발현이 오히려 우수하게 나타났다. 특히, AS를 적용한 콘크리트는 WS40 콘크리트와 압축강도가 유사하게 발현되는 특성을 나타내었다.
- 2. 동결융해 반복작용을 받은 WS40, WS35AS05 및 WS30AS10 콘크리트의 상대동탄성계수는 300 사이클에서 90% 이상으로 나타남으로써 OPC 콘크리트에 비하여 우수한 동결융해 저항성을 나타내었으며, 이러한 경향은 콘크리트의 질량비, 압축강도 및 외관조사 결과에서도 유사하게 관찰되었다.
- 3. 콘크리트의 염해 및 동결융해 복합열화 저항성을 고찰한 결과, 300 사이클 후 OPC 콘크리트의 상대동 탄성계수는 콘크리트의 성능파괴에 해당하는 60%보다 낮은 약 43%였으며, 골재탈락, 스폴링, 단면감소 등의 심각한 열화현상이 관찰되었다. 반면, 혼합시멘트 콘크리트는 67% 이상의 상대동탄성계수 값을 나타냄으로써 상대적으로 복합열화 저항성이 우수하게 나타났다.
- 4. 본 연구의 범위에서 종합적으로 고찰해 보면, 콘크리트는 동결융해 환경뿐만 아니라, 염해-동결융해 복합열화 환경에서도 WS와 AS를 적용한 콘크리트의 우수한 저항성이 관찰되었으며, 내구성 및 경제성 관점에서 AS를 콘크리트용 혼화재료로 적용하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 그러나, AS를 적용한 콘크리트의 미세구조 및 최적배합에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 6은 복합열화를 받은 콘크리트의 질량비를 나타낸 것으로서, 이 그림으로부터 WS40 콘크리트는 노출 사이클에 관계없이 가장 적은 질량변화를 나타내었으며, WS35AS05 콘크리트의 질량변화도 WS40 콘크리트와 유사한 경향을 나타내었다. 그러나 AS를 10% 대체한 WS30AS10 콘크리트의 질량변화는 WS40 콘크리트에 비하여 상대적으로 다소 크게 나타났으며, 300 사이클에서 질량비가 약 74.2%로서 WS40 콘크리트의 약 88.9%보다 상대적으로 복합열화에 의한 질량손실이 크게 나타난 것으로 관찰되었다. 한편, OPC 콘크리트는 300 사이클에서 질량비가 약 44.
- 4는 동결융해를 받은 콘크리트를 대상으로 90, 210 및 300 사이클의 압축강도를 나타낸 것이다. 동결융해를 받은 콘크리트 압축강도는 90 사이클에서 OPC 콘크리트가 약 31.1MPa의 압축강도를 나타낸 반면, WS 및 AS를 사용한 콘크리트의 압축강도는 약 33.8~35.9MPa로서 OPC 콘크리트에 비하여 다소 큰 값을 나타내었다. 또한, 300 사이클에서는 OPC 콘크리트가 약 23.
- 한편, 복합열화를 받은 WS40 콘크리트는 OPC 콘크리트에 비하여 압축강도가 상대적으로 크게 나타났으며 , WS를 5% 대체한 WS35AS05 콘크리트의 300 사이클 후의 압축강도가 15MPa 이상으로 조사됨으로써 WS40 콘크리트와 큰차이가 없는 것으로 관찰되었다. 따라서, 염해-동결융해 복합열화 환경에서 콘크리트의 내구성 및 경제성을 고려한 WS35AS05 콘크리트의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 또, 모든 콘크리트의 목표공기량을 6±1%로 하여, 콘크리트 내구성에 대한 공기량의 영향을 최소화하였다.
- 1MPa을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한 WS35AS05 및 WS30AS10 콘크리트의 압축강도는 각각 약 29.5 및 28.1MPa로서 OPC 콘크리트의 압축강도보다 비교적 큰 값을 나타내었다.
- 9MPa로서 OPC 콘크리트에 비하여 다소 큰 값을 나타내었다. 또한, 300 사이클에서는 OPC 콘크리트가 약 23.1MPa의 강도 값을 나타낸 반면, WS40 콘크리트의 압축강도는 약 30.1MPa을 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한 WS35AS05 및 WS30AS10 콘크리트의 압축강도는 각각 약 29.
- 이 그림에서 알 수 있듯이, OPC 콘크리트의 상대동 탄성계수는 120 사이클 이후 급격히 감소하는 것으로 나타난 반면, 3종류 혼합시멘트 콘크리트는 상대동탄성계수의 감소가 상대적으로 완만하게 감소하는 것으로 조사되었다. 또한, 실험이 종료된 300 사이클에서 WS40 콘크리트는 약 88%, WS35AS05 콘크리트는 약 74%, WS30AS10 콘크리트는 약 67%의 상대동탄성계수 값을 나타낸 반면, OPC 콘크리트의 상대동탄성계수는 콘크리트의 성능파괴에 해당하는 60%보다 낮은 약 43%를 나타냄으로써 염해-동결융해 복합열화에 대한 저항성이 가장 떨어지는 것으로 관찰되었다.
- 콘크리트의 염해 및 동결융해 복합열화 저항성을 고찰한 결과, 300 사이클 후 OPC 콘크리트의 상대동 탄성계수는 콘크리트의 성능파괴에 해당하는 60%보다 낮은 약 43%였으며, 골재탈락, 스폴링, 단면감소 등의 심각한 열화현상이 관찰되었다. 반면, 혼합시멘트 콘크리트는 67% 이상의 상대동탄성계수 값을 나타냄으로써 상대적으로 복합열화 저항성이 우수하게 나타났다.
- 2는 본 연구에서 적용한 4종류 콘크리트의 상대동탄성계수 측정결과를 나타낸 것이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 OPC 콘크리트는 150 사이클에서 상대동탄성계수가 90% 이하로 감소하는 반면, WS40, WS35AS05 및 WS30AS10 콘크리트의 상대동탄성계수는 90% 이상으로 OPC 콘크리트에 비하여 다소 큰 값을 나타내었다.
- 5는 염해-동결융해 복합열화를 받은 4종류의 콘크리트의 상대동탄성계수를 사이클별로 나타낸 것이다. 이 그림에서 알 수 있듯이, OPC 콘크리트의 상대동 탄성계수는 120 사이클 이후 급격히 감소하는 것으로 나타난 반면, 3종류 혼합시멘트 콘크리트는 상대동탄성계수의 감소가 상대적으로 완만하게 감소하는 것으로 조사되었다. 또한, 실험이 종료된 300 사이클에서 WS40 콘크리트는 약 88%, WS35AS05 콘크리트는 약 74%, WS30AS10 콘크리트는 약 67%의 상대동탄성계수 값을 나타낸 반면, OPC 콘크리트의 상대동탄성계수는 콘크리트의 성능파괴에 해당하는 60%보다 낮은 약 43%를 나타냄으로써 염해-동결융해 복합열화에 대한 저항성이 가장 떨어지는 것으로 관찰되었다.
- 콘크리트의 압축강도 발현특성을 조사한 결과, AS 및 WS를 사용한 콘크리트의 압축강도는 초기재령에서 OPC 콘크리트보다 작게 나타났으나, 재령 28일 이후에서는 강도발현이 오히려 우수하게 나타났다. 특히, AS를 적용한 콘크리트는 WS40 콘크리트와 압축강도가 유사하게 발현되는 특성을 나타내었다.
- Table 4는 300 사이클 동안 동결융해 반복 작용을 받은 4종류 콘크리트의 외관을 나타낸 것으로서 콘크리트 종류에 따라 열화도가 상이하게 나타남을 확인할 수 있다. 특히, OPC 콘크리트는 동결융해 작용에 의한 표면 박리로 인하여 골재노출 및 탈락이 심하게 나타난 것으로 조사되었으며, WS40, WS35AS05 및 WS30AS10 콘크리트는 OPC 콘크리트에 비하여 상대적으로 동결융해 반복 작용에 의한 열화가 작게 나타난 것으로 관찰되었다. 이는 El-Diamony et al.
- 2에 제시된 상대동탄성계수 경향과 유사하게 나타난 것으로 조사되었다. 특히, WS40 및 WS35AS05 콘크리트의 질량비는 매우 유사하게 나타났으며, 300 사이클에서 약 98%의 질량비를 나타냄으로써 매우 우수한 동결융해 저항성을 나타낸 반면, OPC 콘크리트의 질량비는 약 89%로 나타남으로써 동결융해 저항성이 상대적으로 떨어지는 것으로 나타났다.
- 4의 실험결과와 비교해 보았을 때, 동결융해 단일열화요인에 의한 콘크리트보다 복합열화요인에 의한 콘크리트가 노출 사이클 및 콘크리트 종류에 관계없이 압축강도가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 복합열화를 받은 OPC 콘크리트의 90, 210 및 300 사이클에서 압축강도는 각각 약 20.1, 15.3 및 4.2MPa로서 동결융해 단일열화를 받은 OPC 콘크리트의 약 18~64% 정도로 나타남으로써 압축강도 손실이 매우 큰 것으로 조사되었다. 이와 같이 염해 및 동결융해의 복합열화를 받은 콘크리트의 열화정도가 크게 나타나는 이유는 염화물과 시멘트 수화물과의 반응으로 인하여 콘크리트의 조직구조는 다공화되고 동결융해 작용에 의한 팽창압으로 인하여 콘크리트 조직구조 내부의 미세균열이 확장되어 콘크리트의 열화가 더욱 가속화되었기 때문으로 판단된다(Park et al.
- , 2011). 한편, 복합열화를 받은 WS40 콘크리트는 OPC 콘크리트에 비하여 압축강도가 상대적으로 크게 나타났으며 , WS를 5% 대체한 WS35AS05 콘크리트의 300 사이클 후의 압축강도가 15MPa 이상으로 조사됨으로써 WS40 콘크리트와 큰차이가 없는 것으로 관찰되었다. 따라서, 염해-동결융해 복합열화 환경에서 콘크리트의 내구성 및 경제성을 고려한 WS35AS05 콘크리트의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 5MPa로서 OPC 콘크리트에 비해 다소 작은 값을 나타내었다. 한편, 재령 28일에서는 OPC 콘크리트가 약 34.5MPa의 강도 값을 나타내었으며, WS40 콘크리트의 압축강도는 약 37MPa로 나타났다. 또한 WS35AS05 및 WS30AS10 콘크리트의 압축강도는 WS40 콘크리트의 압축강도와 유사한 경향을 나타내었다.
후속연구
- 본 연구의 범위에서 종합적으로 고찰해 보면, 콘크리트는 동결융해 환경뿐만 아니라, 염해-동결융해 복합열화 환경에서도 WS와 AS를 적용한 콘크리트의 우수한 저항성이 관찰되었으며, 내구성 및 경제성 관점에서 AS를 콘크리트용 혼화재료로 적용하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 그러나, AS를 적용한 콘크리트의 미세구조 및 최적배합에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 판단된다.
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