고분말도 슬래그를 사용할 경우 초기재령에서의 강도발현은 우수하나 수화열 및 품질관리에 따른 문제가 발생하기 쉽다. 본 연구에서는 3000급 저분말도의 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트의 강도특성 및 내구특성을 분석하였다. 작업성을 기준으로 3가지 배합을 고려하였으며, 압축강도와 내구특성시험이 수행되었다. 강도특성 결과 3000급 슬래그를 혼입한 콘크리트는 28일 재령에서 OPC(Ordinary Portland Cement) 배합 대비 강도가 떨어지지만 장기재령에서는 잠재수경성의 촉진으로 인하여 큰 차이가 나타나지 않았다. 탄산화 및 동결융해 실험에서는 4200급 슬래그 배합 대비 약간 우수한 저항성능이 나타났는데, 이는 동일 슬럼프를 목표로 배합을 진행하여 3000급 슬래그 배합에 단위수량을 적게 고려하였기 때문이다. 장기재령의 경우, 3000급 슬래그 배합의 염화물확산계수는 OPC 배합 대비20% 수준으로 감소하여 우수한 내염해특성이 평가되었다. 단위수량을 조정하고 3000급 저분말도의 고로슬래그 미분말을 혼입하여 사용할 경우, 기존 분말도의 슬래그가 사용된 콘크리트 및 OPC 콘크리트와 비교시 우수한 작업성능과 내구특성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
고분말도 슬래그를 사용할 경우 초기재령에서의 강도발현은 우수하나 수화열 및 품질관리에 따른 문제가 발생하기 쉽다. 본 연구에서는 3000급 저분말도의 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트의 강도특성 및 내구특성을 분석하였다. 작업성을 기준으로 3가지 배합을 고려하였으며, 압축강도와 내구특성시험이 수행되었다. 강도특성 결과 3000급 슬래그를 혼입한 콘크리트는 28일 재령에서 OPC(Ordinary Portland Cement) 배합 대비 강도가 떨어지지만 장기재령에서는 잠재수경성의 촉진으로 인하여 큰 차이가 나타나지 않았다. 탄산화 및 동결융해 실험에서는 4200급 슬래그 배합 대비 약간 우수한 저항성능이 나타났는데, 이는 동일 슬럼프를 목표로 배합을 진행하여 3000급 슬래그 배합에 단위수량을 적게 고려하였기 때문이다. 장기재령의 경우, 3000급 슬래그 배합의 염화물확산계수는 OPC 배합 대비20% 수준으로 감소하여 우수한 내염해특성이 평가되었다. 단위수량을 조정하고 3000급 저분말도의 고로슬래그 미분말을 혼입하여 사용할 경우, 기존 분말도의 슬래그가 사용된 콘크리트 및 OPC 콘크리트와 비교시 우수한 작업성능과 내구특성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
When GGBFS(Ground Granulated Blast Furnace Slag) with high blaine is incorporated in concrete, compressive strength in the initial period is improved, but several engineering problems arise such as heat of hydration and quality control. In this paper, compressive strength and durability performance ...
When GGBFS(Ground Granulated Blast Furnace Slag) with high blaine is incorporated in concrete, compressive strength in the initial period is improved, but several engineering problems arise such as heat of hydration and quality control. In this paper, compressive strength and durability performance of concrete with 3,000 Grade-low fineness slag are evaluated. Three conditions of concrete mixtures are considered considering workability, and the related durability tests are performed. Although the strength of concrete with 3,000 Grade slag is slightly lower than the OPC(Ordinary Portland Cement) concrete at the age of 28 days, but insignificant difference is observed in long-term compressive strength due to latent hydration activity. The durability performances in concrete with low fineness slag show that the resistances to carbonation and freezing/thawing action are slightly higher than those of concrete with high fineness slag, since reduced unit water content is considered in 3,000 Grade slag mixture. For the long-term age, the chloride diffusion coefficient of the 3000-grade slag mixture is reduced to 20% compared to the OPC mixture, and the excellent chloride resistance are evaluated. Compared with concrete with OPC and high fineness GGBFS, concrete with lower fineness GGBFS can keep reasonable workability and durability performance with reduced water content.
When GGBFS(Ground Granulated Blast Furnace Slag) with high blaine is incorporated in concrete, compressive strength in the initial period is improved, but several engineering problems arise such as heat of hydration and quality control. In this paper, compressive strength and durability performance of concrete with 3,000 Grade-low fineness slag are evaluated. Three conditions of concrete mixtures are considered considering workability, and the related durability tests are performed. Although the strength of concrete with 3,000 Grade slag is slightly lower than the OPC(Ordinary Portland Cement) concrete at the age of 28 days, but insignificant difference is observed in long-term compressive strength due to latent hydration activity. The durability performances in concrete with low fineness slag show that the resistances to carbonation and freezing/thawing action are slightly higher than those of concrete with high fineness slag, since reduced unit water content is considered in 3,000 Grade slag mixture. For the long-term age, the chloride diffusion coefficient of the 3000-grade slag mixture is reduced to 20% compared to the OPC mixture, and the excellent chloride resistance are evaluated. Compared with concrete with OPC and high fineness GGBFS, concrete with lower fineness GGBFS can keep reasonable workability and durability performance with reduced water content.
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문제 정의
본 실험에서는 염화물 침투 저항성을 평가하기 위해 KS F 2711에 의거하여 전기전도도에 의한 콘크리트의 통과 전하량을 측정하였다. ∅ 100 × 50 mm의 디스크 시편을 제작 후 1방향 침투를 위해 침투면을 제외한 바깥쪽 면을 전처리하였다.
본 연구는 3000급 GGBFS를 제조하여 동일 설계강도를 가지는 OPC 배합 및 4000급 GGBFS 배합과의 강도 및 내구특성 비교에 대한 연구이다. 설계강도 24 MPa를 기준으로 하였으며, 4000급 GGBFS의 일반배합과 단위수량을 조절하여 작업성(동일 슬럼프)을 고려한 3000급 GGBFS 배합, 그리고 물-시멘트비 50%인 OPC 배합을 사용하여 역학적, 내구적 성능을 평가하여 분석하였다.
본 연구는 서로 다른 분말도를 가지는 GGBFS (4200 cm2/g, 3000 cm2/g) 콘크리트와 OPC 콘크리트에 대해 역학적 특성 및 내구성능실험을 실시하였다. 측정항목으로는 압축강도, 동결융해시험, 급속 염화물 침투 저항성 시험, 촉진 탄산화 시험, 흡수율 시험을 실시하여 그 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 분말도가 다른 2종류 GGBFS 미분말을 사용한 콘크리트와 OPC 콘크리트를 대상으로 다양한 내구성능실험을 수행하였다. 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
제안 방법
3가지 배합의 시편별 흡수율을 측정하기 위해 ∅ 100 × 50 mm 디스크시편으로 실험을 진행하였다.
시험기에 내부에 시편을 존치 후 노출기간을 4주로 설정하여 시험을 진행하였다. 4주간의 노출기간이 지나게 되면 시편을 꺼내어 할렬한 뒤 1%인 페놀프탈레인-알코올 지시약을 분무하여 탄산화 침투 깊이를 측정하였다. Table 5에서는 촉진탄산화 실험의 실험조건을 나타내었다.
0%의 NaCl-을 투입하여 실험을 진행하였다. KS F 2711에서 제시하는 통과 전하량 산정식에 측정된 전류값을 대입하여 통과 전하량을 산출하였고, 산출한 통과 전하량에 따라 배합별 염소이온 침투성을 확인하였다. Table 4는 범위구간과 비교하여 산출된 전하량에 따른 염소이온 침투성 기준을 나타내었다.
각 배합별 시편의 흡수율은 재령 28일과 91일로 나누어 측정하였다. 산출된 흡수율은 Fig.
본 실험에서는 목표 사이클 0 Cycle, 100 Cycle, 200 Cycle, 300 Cycle로 설정하여 공시체의 온도와 동결융해 시험의 요구조건과 일치시켰다. 각 사이클에 배합별공명진동수, 질량, 외관변화를 측정하고 측정된 데이터를 활용하여 상대동탄성계수비 및 중량 감소율을 계산하였다. Fig.
여기서 Q는 흡수율(질량백분율) (%), A는 절대 건조 상태 시편의 질량(g), B는 표면 건조 포화 상태 시편의 질량(g)이다. 각 함수상태의 측정된 질량을 위에 제시된 산정식에 대입하여 흡수율을 산출하였다.
동결융해저항성시험은 비틀림 진동의 1차 공명진동수를 구하여 상대동탄성계수비를 평가하였다. Table 6에는 산출한 상대동탄성계수비를 나타내었다.
일반적인 동결융해실험 반복 사이클은 공시체의 온도를 2 ~ 4 시간 사이에 4 ℃ ~ - 18 ℃로 교대로 변환시키는 조건을 1 Cycle로 설정하고 있다. 본 실험에서는 목표 사이클 0 Cycle, 100 Cycle, 200 Cycle, 300 Cycle로 설정하여 공시체의 온도와 동결융해 시험의 요구조건과 일치시켰다. 각 사이클에 배합별공명진동수, 질량, 외관변화를 측정하고 측정된 데이터를 활용하여 상대동탄성계수비 및 중량 감소율을 계산하였다.
본 연구를 위해 설계강도 24 MPa, 목표 슬럼프 150 ± 25 mm, 목표 공기량 4.5 ± 0.5%을 가진 콘크리트 배합이 고려되었으며, 2 수준의 GGBFS 미분말의 분말도(4200 cm2/g, 3000 cm2/g)를 고려하여 배합을 진행하였다.
본 연구는 3000급 GGBFS를 제조하여 동일 설계강도를 가지는 OPC 배합 및 4000급 GGBFS 배합과의 강도 및 내구특성 비교에 대한 연구이다. 설계강도 24 MPa를 기준으로 하였으며, 4000급 GGBFS의 일반배합과 단위수량을 조절하여 작업성(동일 슬럼프)을 고려한 3000급 GGBFS 배합, 그리고 물-시멘트비 50%인 OPC 배합을 사용하여 역학적, 내구적 성능을 평가하여 분석하였다. 특히 장기적으로 GGBFS 콘크리트의 대표적인 장점인 내구성 개선이 분말도 감소 시 어떻게 변화할지에 대한 분석을 위하여 다양한 내구특성 실험이 수행되었다.
2)%로 설정한 탄산화 시험기에 투입하여 촉진탄산화 시험을 실시하였다. 시험기에 내부에 시편을 존치 후 노출기간을 4주로 설정하여 시험을 진행하였다. 4주간의 노출기간이 지나게 되면 시편을 꺼내어 할렬한 뒤 1%인 페놀프탈레인-알코올 지시약을 분무하여 탄산화 침투 깊이를 측정하였다.
시편의 함수 상태를 표면 건조 포화 상태로 만들기 위해 (20 ±5)℃의 수중에 24시간 충분히 수분을 포화시켰다. 이 후 시편을 꺼내어 흡수 천위에 굴려 수막을 제거하고 표면 건조 포화 상태의 질량을 측정하였다. 질량 측정을 마친 후 (105±5) ℃의 건조기에 투입하여 질량의 변화가 없을 때까지 건조 시키고, 실온까지 냉각하여 절대 건조 상태의 질량을 측정하였다.
∅ 100 × 50 mm의 디스크 시편을 제작 후 1방향 침투를 위해 침투면을 제외한 바깥쪽 면을 전처리하였다. 이후 촉진 염화물 측정장비를 활용하여 실험장치의 (+)극에는 NaOH 0.3N을 투입, (-)극에는 3.0%의 NaCl-을 투입하여 실험을 진행하였다. KS F 2711에서 제시하는 통과 전하량 산정식에 측정된 전류값을 대입하여 통과 전하량을 산출하였고, 산출한 통과 전하량에 따라 배합별 염소이온 침투성을 확인하였다.
제작된 원주형 공시체를 거푸집에서 탈형 후 목표재령일(28일, 91일)까지 수중양생을 진행하였고, 양생을 마친 공시체는 실험을 진행하기 위해 KS규격에 맞추어 ∅ 100 × 40 mm의 디스크 시편으로 제작하였다.
질량 측정을 마친 후 (105±5) ℃의 건조기에 투입하여 질량의 변화가 없을 때까지 건조 시키고, 실온까지 냉각하여 절대 건조 상태의 질량을 측정하였다.
/g) 콘크리트와 OPC 콘크리트에 대해 역학적 특성 및 내구성능실험을 실시하였다. 측정항목으로는 압축강도, 동결융해시험, 급속 염화물 침투 저항성 시험, 촉진 탄산화 시험, 흡수율 시험을 실시하여 그 결과를 분석하였다.
설계강도 24 MPa를 기준으로 하였으며, 4000급 GGBFS의 일반배합과 단위수량을 조절하여 작업성(동일 슬럼프)을 고려한 3000급 GGBFS 배합, 그리고 물-시멘트비 50%인 OPC 배합을 사용하여 역학적, 내구적 성능을 평가하여 분석하였다. 특히 장기적으로 GGBFS 콘크리트의 대표적인 장점인 내구성 개선이 분말도 감소 시 어떻게 변화할지에 대한 분석을 위하여 다양한 내구특성 실험이 수행되었다.
항온 양생까지 마친 시편은 이산화탄소 농도 (5.0 ± 0.2)%로 설정한 탄산화 시험기에 투입하여 촉진탄산화 시험을 실시하였다.
대상 데이터
제작 후 24시간 기건양생을 마친 몰드를 탈형하여 20℃ 항온 수중양생을 수행하였다. 3000급 GGBFS 미분말은 급냉 고로슬래그와 태국산 무수석고를 실험실용 볼밀에서 각각 분쇄한 후, SO3 3.8 mass%를 기준으로 헨셀믹서에서 혼합하여 제조하였다.
계획된 실험을 진행하기 위해 ∅ 100 × 200 mm 원주형 공시체와 100 × 100 × 400 mm 직사각형 공시체를 제작하였다.
이론/모형
3 가지 배합의 압축강도 평가방법으로는 제작된 ∅ 100 × 200 mm 원주형 공시체를 탈형 후 양생기간(3, 7, 28, 91일)이 끝난 시점에 KS F 2405에 의거하여 측정하였다.
동결융해시험은 KS F 2456에 준하여 수중 급속 동결융해실험을 실시하였다. 일반적인 동결융해실험 반복 사이클은 공시체의 온도를 2 ~ 4 시간 사이에 4 ℃ ~ - 18 ℃로 교대로 변환시키는 조건을 1 Cycle로 설정하고 있다.
또한 통과 전하량을 통해 환산된 촉진 염화물 확산계수를 도출하기 위해 기존의 연구(Yoon and Kwon, 2018)를 이용하여 ASTM C 1202에 제시된 식을 활용하여 촉진 염화물 확산계수를 도출하였다. 식 (3)은 ASTM C 1202에 제시된 통과 전하량과 촉진 염화물 확산계수 상관식을 나타내었다.
탄산화 실험은 KS F 2584에 준하여 촉진탄산화 실험으로 진행하였다. 제작된 원주형 공시체를 거푸집에서 탈형 후 목표재령일(28일, 91일)까지 수중양생을 진행하였고, 양생을 마친 공시체는 실험을 진행하기 위해 KS규격에 맞추어 ∅ 100 × 40 mm의 디스크 시편으로 제작하였다.
성능/효과
1) 콘크리트 압축강도 특성결과 모든배합에서 목표 설계강도 24 MPa 이상의 값을 만족하는 것으로 나타났으나 3000BFS에서는 4000BFS배합 보다 10% 정도 낮게 평가되었다. 이는 고분말화가 될수록 반응에 따른 활성화에너지가 크므로 초기강도 확보를 위한 고려가 필요하다.
2) AE제를 혼입하여 목표 공기량 4.5%를 만족하였으므로, 모든 배합에서 80% 이상의 상대동탄성계수비가 평가되었으며, 0.05% 이하의 중량 감소율이 평가되었다. 분말도 차이에 따른 동결융해 저항성의 변화는 크지 않았다.
3) 염화물저항성능 평가결과 GGBFS 혼입 콘크리트에서 뛰어난 저항성능이 확인되었다. OPC 배합의 경우 모든 재령일에서 ‘High’ 범위인 반면, GGBFS를 혼입한 배합의 경우 재령 28일에서 두 배합 모두 ‘Low’, 91일에선‘Very low’인 것으로 조사되었다.
4) 단위수량을 10 kg/m3 정도 조정하여 3000BFS 배합을 진행할 경우 OPC 배합과 4200BFS 배합 대비 강도특성 및 내구특성에 큰 차이점은 발생하지 않았다. 다만 동일한물-결합재비를 고려한 배합을 통해 분말도 저하에 따른 특성 변화 등은 고찰할 필요가 있다.
이를 염소이온 침투성 범위를 기준으로 분석하여 보면 OPC 배합의 경우 모든 재령일에서 ‘High’ 범위인 반면, GGBFS를 혼입한 배합의 경우 재령 28일에서 두배합 모두 ‘Low’, 91일에선 ‘Very low’인 것으로 조사되었다. ASTM C 1202에 제시된 상관식을 활용하여 염화물 확산계수를 산출한 결과, GGBFS배합에서 다소 낮은 경향을 확인할 수 있었고, 재령이 증가할수록 모든 배합에서 감소하는 경향을 보였다. 재령 91일의 OPC 배합에서 염화물확산계수는 16.
4%의 가장 높은 감소경향을 나타내었다. GGBFS의 분말도에 따른 결과를 비교분석해보면 재령 28일에서 3000BFS 배합이 4200BFS 배합 대비 0.85 mm 깊게 측정되지만 재령 91일에서 3%의 미세한 차이를 보여 재령이 증가할수록 분말도에 따른 GGBFS의 탄산화 저항성능에 큰 차이가 없다고 판단된다
3000BFS 배합에서 가장 높은 염해 저항성능이 확인되었는데, 이는 4000BFS보다 낮은 단위수량을 사용한 것이 주된 원인이다. 또한 탄산화 저항성능면에서 GGBFS를 혼입한 콘크리트는 OPC 배합 대비 상대적으로 낮은 저항성능이 발현되었는데, GGBFS 분말도에 따른 탄산화 속도 차이는 크게 평가되지 않았다.
이를 염소이온 침투성 범위를 기준으로 분석하여 보면 OPC 배합의 경우 모든 재령일에서 ‘High’ 범위인 반면, GGBFS를 혼입한 배합의 경우 재령 28일에서 두배합 모두 ‘Low’, 91일에선 ‘Very low’인 것으로 조사되었다.
모든배합은 재령 28일의 시점에서 24 MPa 이상의 값을 모두 만족하였다. 재령 7일 대비 91일의 강도는 OPC 배합에서는 1.2배, 3000BFS 배합에서는 1.7배, 4200BFS 배합에서는 1.8배로 증가하는 경향이 나타났다. 재령 91일에서의 강도를 비교평가해보면 OPC 배합 대비 GGBFS 배합은 80.
재령 91일의 OPC 배합에서 염화물확산계수는 16.6 × 10-12 m2/s가 나타난 반면, GGBFS 배합의 경우 3.3 × 10-12 m2 /s, 1.6 × 10-12 m2 /s으로 3000BFS 배합에서 가장 낮은 결과값이 산출되었다.
촉진염화물 시험 결과 OPC의 경우 재령 28일에서 전하량은 8186 Coulombs에서 재령 91일에서는 20% 감소된 6561Coulombs으로 측정되었다. 재령 및 GGBFS의 혼입유무에 따라 일반 OPC 콘크리트의 결과에 비하여 우수한 내염해특성을 나타내었다. 3000BFS 배합의 경우 재령 28일과 91일의 측정결과 1722 Coulombs, 413 Coulombs이 측정되었고, 4200BFS 배합의 경우 1963 Coulombs, 991 Coulombs으로 측정되었다.
83 mm로 가장 높게 측정되었다. 재령일이 증가할수록 모든 배합에서 침투깊이가 감소하는 경향이 나타나며, 이는 재령일에 증가에 따라 수화물의 생성과 공극구조가 조밀해진 변화가 탄산화 침투에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 91일 재령을 평가해보면 OPC 배합의 경우 침투깊이 1.
0% 이상의 연행공기량을 포함할 경우, 동결 시 미세공극에서 발생한 팽창압을 근처의 매트릭스에 전달할 수 있으므로 동결융해 저항성이 우수한 것으로 알려져 있다(Mun and Kwon, 2016;Park et al, 2016). 초반 Cycle의 경우 상대동탄성계수비는 3가지 배합 모두 큰 차이가 발생하지 않았으나, 최종적으로 300 Cycle 이후 OPC배합과 4200BFS 배합에서 89.7% ~ 90.1%로 비슷한 경향을 보였고, 3000BFS 배합에서 91.3%로 1.02배 높게 측정되었다. 이는 동일 슬럼프를 기준으로 배합을 진행하였기 때문에 3000BFS 배합에서 47%의 비교적 적은 물-결합재비의 영향으로 사료된다.
촉진염화물 시험 결과 OPC의 경우 재령 28일에서 전하량은 8186 Coulombs에서 재령 91일에서는 20% 감소된 6561Coulombs으로 측정되었다. 재령 및 GGBFS의 혼입유무에 따라 일반 OPC 콘크리트의 결과에 비하여 우수한 내염해특성을 나타내었다.
표면건조 포화상태에 대한 절대 건조중량의 비로 흡수율을 정의하였고, 재령의 증가에 따라 감소되는 경향이 확인되었다. OPC 배합의 경우 28일 대비 91일에서 26% 감소된 5.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분말 GGBFS 배합의 문제점은?
GGBFS 미분말은 공학적, 경제적인 장점을 많이 가지고 있으나, 초기재령 강도 저항성 문제, 양생기간의 확보, 건조수축의 증가 등 대형 구조물 적용시 문제점을 야기하기도 한다. 특히 단위 결합재량이 많은 고분말 GGBFS 배합의 경우, 작업성 문제가 발생하기 쉬우며, 건조수축 및 자기수축의 증가, 상대적으로 긴 수화열의 유지 등 재료거동에 따른 균열이 발생하기 쉽다. 또한 다량의 GGBFS를 사용하여 초기의 수화열이 제어되지 않을 경우 DEF(Delayed Ettringite Formation)로 인한 균열 및 콘크리트 팽창으로 인한 치수안정성(DimensionalStability)에 대한 문제가 보고되고 있다(Rajamurugan et al,2018; Nordine et al, 2016).
콘크리트란 무엇인가?
이러한 고기능성 구조물을 건설하기 위해서 콘크리트의 품질뿐만 아니라 내구적, 역학적 성능도 확보되어져야 하기 때문에 합리적인 배합 및 혼화재료의 선택이 필요하다. 콘크리트는 뛰어난 공학적 장점과 내구성을 가지고 있는 대표적인 건설재료이다. 하지만 해양구조물의 해수에 의한 염해, 산성비와 같은 높은 이산화탄소의 노출로 인한 콘크리트 탄산화, 한랭지역 구조물의 동결융해 등 여러 열화인자에 노출되게 되면 물리적 혹은 화학적 요인으로 내구성이 크게 저하된다고 알려져 있다(Broomfield, 1997; RILEM,1994; Kim, 2001).
GGBFS 미분말의 특징은?
GGBFS 미분말은 공학적 성능이 입증된 혼화재료로써 현재 활발히 이용되고 있다. 일반적인 시멘트보다 분말도가 높으며, 잠재수경성 반응을 통하여 내부조직을 치밀화함으로써내구성 향상에 도움을 준다. 하지만 초기강도 발현의 경우 잠재수경성반응이 충분히 발현되지 않아 일반 배합 대비 낮은 강도를 나타내지만 장기재령의 경우 잠재수경성으로 인해 보다 높은 강도가 발현되며 지속적으로 강도가 증진된다(Lee etal, 2012).
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