[논문]바텀애시 골재와 기포를 이용한 경량 콘크리트의 역학적 특성에 대한 재현성 평가

지구배; 문주현; 양근혁

doi:10.14190/jrcr.2019.7.3.202

바텀애시 골재와 기포를 이용한 경량 콘크리트의 역학적 특성에 대한 재현성 평가
Evaluation of Reproducibility for Mechanical Properties of Lightweight Concrete using Bottom Ash Aggregates and Foam 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.3, 2019년, pp.202 - 209

지구배 (경기대학교 건축공학과 일반대학원) , 문주현 (경기대학교 건축공학과) , 양근혁 (경기대학교 건축공학과)

초록
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이 연구의 목적은 저량의 기포가 혼입된 바텀애시 골재 기반 경량 콘크리트(Lightweight concrete made using bottom ash aggregates and foam, LWC-BF)의 압축강도 발현 및 역학적 특성에 대한 재현성 평가이다. 이를 위해 Ji et al.에 의해 수행되었던 동일한 배합표를 기준으로 총 6 배합을 수행하였다. 배합에서의 주요변수는 기포 혼입율과 물-결합재 비로서 각각 0~25% 및 25~30%로 변화하였다. 굳지 않은 콘크리트에서 초기 슬럼프, 슬러리 밀도와 굳은 콘크리트에서 재령별 압축강도, 쪼갬인장강도 및 파괴계수는 재현성 평가대상 이전 실험결과와 대체적으로 비슷하였다. 따라서, LWC-BF의 압축강도 및 역학적 특성은 기포 혼입에 의한 배합관리가 어려움에도 불구하고 그 재현성이 비교적 우수하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to examine the reproducibility for compressive strength development and mechanical properties of lightweight concrete made using bottom ash aggregates and foam(LWC-BF). Based on the mix proportions conducted by Ji et al., six identical mixes were prepared with different actual foam volume ratios from 0% to 25% and water-to-binder ratios from 25% to 30%. The presently measured properties, including initial slump, slurry density, compressive strength gains at different ages, splitting tensile strength, and modulus of rupture, were very close to those determined in the previous tests by Ji et al. Thus, the developed LWC-BF has a good potential in obtaining a reproducibility for compressive strength development and mechanical properties even though the troubles of mixing control owing to the addition of preformed foam.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Chemical compositions of cementitious materials
표 Table 2. Mixture proportions
표 Table 3. Test results of fresh concrete
그림 Fig. 1. Typical slump measurements(group Ⅰ, Specimen Ⅰ-0)
표 Table 4. Summary of test results for 28-day compressive strength and air-dried densities at different ages
그림 Fig. 2. Typical compressive strength development
표 Table 6. Comparisons of splitting tensile strength and rupture modulus with Ji et al.’s results and code predictions
표 Table 5. The constants α and β determined from each mix for compressive strength development at different ages
표 Table 7. Comparisons of measured thermal conductivity with predictions by ACI 122R

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바텀애시 골재와 기포를 25% 이하로 첨가한 경량 콘크리트(LWC-BF)의 역학적 특성에 대한 재현성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 연구에서는 기포가 25% 이하로 첨가된 LWC-BF의 역학적 특성에 대한 재현성을 평가하였다. 이를 위해 Ji et al.

제안 방법

이를 위해 Ji et al.(2019)의 기존 실험과와 동일한 변수 조건하에서 실험을 수행하였으며, 결과를 비교함으로서 재현성도 확인하였다. 또한 LWC-BF의 역학적 특성들은 ACI 318-14(2014) 및 CEB-FIP(2010) 설계기준과 비교하여 그 안전성도 평가하였다.
기존 Ji et al.(2019)의 배합조건과 동일한 조건에서 반복 실험하여 재현성을 평가하였다. 재현성 평가 대상 컨트롤 실험체의 변수는 Ji et al.
열전도율은 Ji et al.(2019)의 연구에서 수행되지 않은 실험항목이므로 이 절에서는 ACI 122R(2002) 설계기준과의 비교만을 수행하였다. 바텀애시 골재 기반 기포 콘크리트(LWC-BF) 의 열전도율은 Ra 에 현저한 영향을 받았다.
(2001)이 이용한 간이 소포법으로 측정하였다. 굳은 콘크리트에서 기건 밀도 및 압축강도는 φ100×200mm의 공시체를 이용하였으며, 기건 밀도는 재령 3일, 28일 및 91일에서, 압축강도는 재령 3, 7, 28, 56 및 91일에서 측정하였다. 쪼갬 인장강도는 φ100×200mm의 공시 체를 이용하여 재령 28일에서 측정하였다.
굳지 않은 콘크리트에서는 실 기포율, 굳지 않은 콘크리트의 밀도, 초기 슬럼프 및 침하 깊이를 측정하였다. 굳지 않은 콘크리트의 밀도는 KS F 4039에 따라 1,000mL의 용기를 이용하여 타설 후 2시간 후에 측정하였고, 실 기포율은 Lee et al.
(2019)의 기존 실험과와 동일한 변수 조건하에서 실험을 수행하였으며, 결과를 비교함으로서 재현성도 확인하였다. 또한 LWC-BF의 역학적 특성들은 ACI 318-14(2014) 및 CEB-FIP(2010) 설계기준과 비교하여 그 안전성도 평가하였다.
건비빔 후 물을 넣어 습비빔하면서 감수제를 첨가하였다. 이때 재료 분리가 발생하지 않는 범위내에서 감수제 첨가량을 조절하여 슬럼프를 측정하였다. 기포는 2.
굳은 콘크리트에서 기건 밀도 및 압축강도는 φ100×200mm의 공시체를 이용하였으며, 기건 밀도는 재령 3일, 28일 및 91일에서, 압축강도는 재령 3, 7, 28, 56 및 91일에서 측정하였다. 쪼갬 인장강도는 φ100×200mm의 공시 체를 이용하여 재령 28일에서 측정하였다. 파괴계수는 100×l00×400mm 몰드를 이용하여 재령 28일에서 3등분점 휨 시험을 통해 측정하였다.

대상 데이터

기포제는 소포율이 낮은 동물성 기포제를 사용하였다. 감수제는 현장 조건을 고려하여 가장 일반적으로 사용되는 고체함유 및 밀도가 각각 39.8%와 1.49g/cm3 인 폴리카르본산계(polycarboxylic acid)를 사용하였다.
3%로 보통 골재 보다 약 4배 이상 높았다. 기포제는 소포율이 낮은 동물성 기포제를 사용하였다. 감수제는 현장 조건을 고려하여 가장 일반적으로 사용되는 고체함유 및 밀도가 각각 39.
20g/cm³이며, 비표면적은 각각 4, 355g/cm³ 및 4, 770g/cm³이다. 잔골재와 굵은 골재의 최대치수는 각각 4mm와 13mm인 바텀애시 골재를 사용하였다. 바텀애시 잔골재는 KS F 2527에서 제시하고 있는 표준입도 분포 곡선에 만족하도록 입도를 조정하였다.
주요 결합재는 30%의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC), 50%의 GGBS 및 20%의 FA로 구성된 시멘트계재료를 사용하였다. 결합재들의 화학조성비는 Table 1과 같다.
쪼갬 인장강도는 φ100×200mm의 공시 체를 이용하여 재령 28일에서 측정하였다. 파괴계수는 100×l00×400mm 몰드를 이용하여 재령 28일에서 3등분점 휨 시험을 통해 측정하였다. 콘크리트의 양생온도 20℃ 와 습도 60% 조건에서 양생하였다.

데이터처리

Table 7에는 열전도율의 실험값과 ACI 122R(2002)의 예측모델로부터 산정한 예측값을 비교하여 나타냈다. 실험값 대비 예측값의 비(#)는 R 가 증가함에 따라 감소하였으며, 그 평균 및 표준편차는 0.89 및 0.05로 ACI 122R(2002)의 예측값은 실험값을 다소 불안전측으로 예측하였다. 이는 열전도율을 ρc의 함수만으로 평가하고 있어 기포 혼입(R)에 따른 영향을 고려하지 않았기 때문이다.

이론/모형

초기 슬럼프 및 침하 깊이를 측정하였다. 굳지 않은 콘크리트의 밀도는 KS F 4039에 따라 1,000mL의 용기를 이용하여 타설 후 2시간 후에 측정하였고, 실 기포율은 Lee et al. (2001)이 이용한 간이 소포법으로 측정하였다. 굳은 콘크리트에서 기건 밀도 및 압축강도는 φ100×200mm의 공시체를 이용하였으며, 기건 밀도는 재령 3일, 28일 및 91일에서, 압축강도는 재령 3, 7, 28, 56 및 91일에서 측정하였다.
잔골재와 굵은 골재의 최대치수는 각각 4mm와 13mm인 바텀애시 골재를 사용하였다. 바텀애시 잔골재는 KS F 2527에서 제시하고 있는 표준입도 분포 곡선에 만족하도록 입도를 조정하였다. 바텀애시 잔골재와 굵은 골재의 조립률은 각각 2.

성능/효과

1. 바텀애시골재와 기포를 이용한 콘크리트(LWC-BF) 의 재령 28일 압축강도는 재현성 평가 대상인 이전 실험결과와 유사하였는데, 이들 값들의 상호비교에서 평균과 표준편차는 각각 1.05와 0.02이었다.
2. 바텀애시골재와 기포를 이용한 콘크리트(LWC-BF) 의 쪼갬인 장강도 및 파괴계수도 이전 실험결과와 유사하였는데, 이들 값들의 상호비교에서 평균과 표준편차는 쪼갬 인장강도에서 각각 0.96과 0.16이었으며, 파괴계수에서 1.00과 0.06 이었다.
3. 바텀애시골재와 기포를 이용한 콘크리트(LWC-BF) 의 열전도율은 기포 혼입률이 0%에서 25%로 증가함에 따라 평균 30% 감소하였다.
4. LWC-BF의 쪼갬 인장강도는 CEB-FIP의 설계 값에 비해 낮았으며, 파괴계수는 ACI 318-14의 설계 값에 비해 다소 높았다. 5.
LWC-BF의 쪼갬 인장강도는 CEB-FIP의 설계 값에 비해 낮았으며, 파괴계수는 ACI 318-14의 설계 값에 비해 다소 높았다. 5. 바텀애시골재와 기포를 이용한 콘크리트(LWC-BF) 의 압축강도 및 역학적 특성은 기포 혼입에 의한 배합관리가 어려움에도 불구하고 그 재현성이 비교적 우수하였다.
굳지 않은 콘크리트의 밀도는 1,320~1,635kg/m3 수준에 있었으며, Ra가 0%에서 25%로 증가할 때 각 그룹의 실험체에서 평균 18% 감소했으며 그룹 I 과 그룹 U의 실험체에서 비슷한 수준에 있었다. 또한 Ji et al.
모든 그룹의 실험체에서 Ra 가 0% 에서 25%로 증가함에 따라 평균 30% 감소하였으며, 이때 ρc는 약 18% 감소하였다(Table 7). 그룹 Ⅰ 및 Ⅱ 에서 BS-LWFC의 열전도율은 Ra가 10%와 25%에서 각각 0.42~0.45W/m·k와 0.34~0.37W/m·k의 범위에 있었는데, 이는 기건 밀도가 1,500kg/m3 이상인 경량골재 콘크리트의 일반적인 열전도율 0.50W/m·K (Neville 2011) 보다 각각 평균 13% 및 23% 낮은 수치이다.
바텀애시 골재 기반 기포 콘크리트(LWC-BF) 의 열전도율은 Ra 에 현저한 영향을 받았다. 모든 그룹의 실험체에서 Ra 가 0% 에서 25%로 증가함에 따라 평균 30% 감소하였으며, 이때 ρc는 약 18% 감소하였다(Table 7). 그룹 Ⅰ 및 Ⅱ 에서 BS-LWFC의 열전도율은 Ra가 10%와 25%에서 각각 0.
바텀애시 골재 기반 경량 기포 콘크리트(LWC-BF) 의 재령 별기건 밀도(ρc는 1,394~ 1,605kg/m3 수준에 있었으며, Ra가 0%에서 25%로 증가할 때 각 그룹의 실험체에서 평균 11% 감소하였다. 또한 Ji et al.
2019). 실 기포율R)이 0%에서 25%로 증가할 때 fck는 그룹 Ⅰ과 그룹 Ⅱ의 실험체에서 각각 평균 55% 및 63%로 감소하였다. 재령 28일 압축강도 (fck)에 대한 실험결과 대비 재현성 평가 대상인 이전 실험 결과(Ji et al.
압축강도 발현 상수 α와 β에 대한 실험결과를 Table 5에 나타내었다. 실험결과 대비 재현성 평가 대상인 이전 실험결과(Ji et al. 2019) 비의 평균 및 표준편차는 각각 1.23 및 0.17와 0.99 및 0.02으로 발현 상수 α는 실험결과가 재현성평가 대상인 이전 실험결과 보다 높았으나, 발현상수 β는 실험결과와 비교적 잘 일치하였다.
바텀애시 골재는 표면과 외부가 다공성 구조로 되어 있다. 이로 인해 흡수율은 잔골재와 굵은 골재에서 각각 11.1% 및 15.3%로 보통 골재 보다 약 4배 이상 높았다. 기포제는 소포율이 낮은 동물성 기포제를 사용하였다.

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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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