[논문]콘크리트의 역학적 특성에 대한 바텀애시 골재 양의 영향

안태호; 양근혁; 하정수

doi:10.14190/jrcr.2020.8.4.379

콘크리트의 역학적 특성에 대한 바텀애시 골재 양의 영향
Effect of Bottom Ash Aggregate Contents on Mechanical Properties of Concrete 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.4, 2020년, pp.379 - 386

안태호 (경기대학교 일반대학원 건축공학과) , 양근혁 (경기대학교 건축공학과) , 하정수 (단국대학교 건축학부)

초록
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본 연구에서는 바텀애시 골재 양이 콘크리트의 압축강도 발현 및 역학적 특성(탄성계수, 쪼갬 인장강도, 파괴계수)에 미치는 영향을 평가하였다. 실험변수는 천연모래에 대한 바텀애시 잔골재 치환율과 물-시멘트 비이다. 실험결과 바텀애시 골재 콘크리트의 재령 28일 압축강도와 재령 28일 압축강도 루트승으로 무차원한 바텀애시 골재 콘크리트의 역학적 특성들의 값들은 바텀애시 잔골재 양의 증가와 함께 감소하는 경향을 보였다. fib 2010의 모델식과 비교하면, 바텀애시 골재 콘크리트의 압축강도에 대한 초기 발현율은 낮은 반면 장기 발현율은 높았으며, 탄성계수와 파괴계수는 안전측에서 평가될 수 있지만, 쪼갬 인장강도는 불안전측이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study examined the effect of bottom ash aggregate contents on the compressive strength gain and mechanical properties(modulus of elasticity and rupture and splitting tensile strength) of concrete. Main test parameters were water-to-cement ratio and bottom ash aggregate contents for replacement of natural sand. Test results showed that the 28-days compressive strength of concrete and mechanical properties normalized by the compressive strength tended to decrease with the increase in bottom ash fine aggregate content. When compared with fib 2010 model equations, bottom ash aggregate concrete exhibited the following performances: lower rates of compressive strength gain at early ages but greater rates at long-term ages; slightly higher measurements for modulus of elasticity and rupture; and lower measurements for splitting tensile strength.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Production type of bottom ash aggregate
표 Table 1. Mixture proportions of the concrete specimens
표 Table 2. Physical properties of aggregates used
그림 Fig. 2. Particle distribution curves of bottom ash granules with different sizes
그림 Fig. 3. Initial slump of fresh concrete
표 Table 3. Summary of test results
표 Table 4. Comparisons of measured mechanical properties and predictions by code provisions and empirical equations
그림 Fig. 4. Compressive strength development against age
그림 Fig. 5. Effect of ρ_c on the modulus of elasticity
그림 Fig. 6. Effect of ρ_c on the splitting tensile strength
그림 Fig. 7. Fracture of BAAC particles at the crack planes
$Fig. 8. Effect of ρ<sub>c</sub> on the modulus of fracture$ 그림 Fig. 8. Effect of ρ_c on the modulus of fracture

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 바텀애시 골재를 활용한 콘크리트의 압축강 도 발현 및 탄성계수, 쪼갬 인장강도 및 파괴계수 등의 역학적 특성을 평가하는 것이다. 콘크리트 배합변수로서 천연모래에 대한 바 텀애시 잔골재 치환율과 물-시멘트(Water to cement ratio, W/C) 이다.

제안 방법

특히 다공성의 바텀애시 골재의 경우 실험 전 함수조건 제어를 위해 3일 동안 사전침수(Pre-wetting)를 하였으며, 수건으로 남아있는 표면에 물기를 제거하여 표면건조포 화상태에 함수량을 측정하였다. 그 함수율을 기준으로 하여, 24시간 건조시 표면건조 함수율과 유사한 수준의 함수율 분포를 보였 으므로 이를 통해 단위수량을 보정하였다. 콘크리트의 배합은 0.
375로 하였다. 그룹 Ⅰ, Ⅱ에서 단위 시멘트 양은 각각 411kg/m3 및 467kg/m3 로 고정하였으며, 각 그룹에서의 천연모래 치환율은 0∼100%까지 25%간격으로 변 화하였다. 모든 배합에서 전체 골재 용적에 대한 잔골재 용적비 (S/a)는 0.
바텀애시 골재 콘크리트(Bottom ash aggregate concrete, BAAC)의 역학적 특성을 평가하기 위한 배합 실험에서의 주요 변 수는 W/C와 천연모래에 대한 바텀애시 잔골재 치환율()이다 (Table 1). 본 실험에서는 총 10개의 배합실험을 수행하였으며, W/C 변화에 따라 두 개의 그룹으로 분류하였다.
바텀애시 골재 콘크리트(Bottom ash aggregate concrete, BAAC)의 역학적 특성을 평가하기 위한 배합 실험에서의 주요 변 수는 W/C와 천연모래에 대한 바텀애시 잔골재 치환율()이다 (Table 1). 본 실험에서는 총 10개의 배합실험을 수행하였으며, W/C 변화에 따라 두 개의 그룹으로 분류하였다. Yang(2019)을 분 석한 결과 W/C가 0.
일반적으로 콘크리트 탄성계수, 인장강도 및 휨강도와 같은 역학적 특성들은 압축강도의 지수승에 비례한다(Neville 2011). 이를 고려하여 측정된 실험결과들은 재령 28일에서 측정된 압축강 도의 루트승으로 무차원하여 분석하였다. 또한 설계기준에서 제시 하는 안전성을 평가하기 위해 ACI 318-14(2014) 및  2010(2013) 의 설계식들을 LWAC에 준하여 적용하여 실험결과와 비교하였다 (Table 4).
굳은 콘크리 트의 절건 단위질량은 재령 28일에서 시험체를 100±5℃의 온도 에서 질량변화가 없을 때까지 건조시킨 후 질량과 부피 측정을 통해 산정하였다. 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405(2017)에 따라 100×200mm 공시체를 이용하여 재령 3, 7, 28, 56 및 91일에 측정하였다. 콘크리트의 탄성계수()는 측정된 응력-변형률 곡 선에서 원점과 최대 응력의 40%점을 연결하는 할선의 기울기로 산정하였다.
콘크리트 배합에서 사용된 모든 골재는 표면건조 내부포화 상 태의 재료를 사용하였다. 특히 다공성의 바텀애시 골재의 경우 실험 전 함수조건 제어를 위해 3일 동안 사전침수(Pre-wetting)를 하였으며, 수건으로 남아있는 표면에 물기를 제거하여 표면건조포 화상태에 함수량을 측정하였다. 그 함수율을 기준으로 하여, 24시간 건조시 표면건조 함수율과 유사한 수준의 함수율 분포를 보였 으므로 이를 통해 단위수량을 보정하였다.

대상 데이터

모든 배합에서 사용된 결합재는 KS L 5201(2016)의 규격을 만 족하는 1종 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement, OPC)이다. 사용된 OPC의 분말도 및 밀도는 각각 3,360cm2 /g, 3.
그룹 Ⅰ, Ⅱ에서 단위 시멘트 양은 각각 411kg/m3 및 467kg/m3 로 고정하였으며, 각 그룹에서의 천연모래 치환율은 0∼100%까지 25%간격으로 변 화하였다. 모든 배합에서 전체 골재 용적에 대한 잔골재 용적비 (S/a)는 0.45로 고정하였으며, 굵은 골재는 바텀애시 굵은 골재를 100% 사용하였다. 목표 공기량은 5.
15g/cm3 이다. 바텀애시 골재는 수도권 인근에 위치한 남동발전 영흥발전본부에서 건식처리 방식에 의해 발생된 저회를 파쇄한 것으로서, 잔골재는 2mm 이하, 2∼5mm의 재료, 굵은 골재는 5∼ 10mm 및 10∼20mm의 크기의 재료를 선별하여 사용하였다. 바텀 애시 골재의 입형은 Fig.
본 연구에서 사용된 바텀애시 골재는 KCS 14 20 20(2018)에서 제시하고 있는 구조용 콘크리트 골재로서 사용에 적합한 표준입도 로 혼합하여 사용하였는데, 잔골재의 경우 2mm 이하 및 2∼5mm 범위 골재의 혼합질량비 및 조립률은 각각 60:40 및 2.93으로 하 였다(Fig. 2(a)).
모든 배합에서 사용된 결합재는 KS L 5201(2016)의 규격을 만 족하는 1종 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement, OPC)이다. 사용된 OPC의 분말도 및 밀도는 각각 3,360cm2 /g, 3.15g/cm3 이다. 바텀애시 골재는 수도권 인근에 위치한 남동발전 영흥발전본부에서 건식처리 방식에 의해 발생된 저회를 파쇄한 것으로서, 잔골재는 2mm 이하, 2∼5mm의 재료, 굵은 골재는 5∼ 10mm 및 10∼20mm의 크기의 재료를 선별하여 사용하였다.
2(c)). 사용된 골재들의 절건밀도와 단위 용적질량은 바텀애시 잔골재의 경우 각각 2.03g/cm3 와 1,190 kg/m3 이며, 바텀애시 굵은골재의 경우 각각 1.73g/cm3 와 840 kg/m3 이며, 천연모래는 각각 2.55g/cm3 와 1,580kg/m3 이다(Table 2). 이에 따라 바텀애시 잔골재, 바텀애시 굵은골재 및 천연모래의 실적률은 각각 58.
콘크리트 배합에서 사용된 모든 골재는 표면건조 내부포화 상 태의 재료를 사용하였다. 특히 다공성의 바텀애시 골재의 경우 실험 전 함수조건 제어를 위해 3일 동안 사전침수(Pre-wetting)를 하였으며, 수건으로 남아있는 표면에 물기를 제거하여 표면건조포 화상태에 함수량을 측정하였다.
그 함수율을 기준으로 하여, 24시간 건조시 표면건조 함수율과 유사한 수준의 함수율 분포를 보였 으므로 이를 통해 단위수량을 보정하였다. 콘크리트의 배합은 0.3m3 용량의 강제식 믹서기를 사용하였다.

데이터처리

이를 고려하여 측정된 실험결과들은 재령 28일에서 측정된 압축강 도의 루트승으로 무차원하여 분석하였다. 또한 설계기준에서 제시 하는 안전성을 평가하기 위해 ACI 318-14(2014) 및  2010(2013) 의 설계식들을 LWAC에 준하여 적용하여 실험결과와 비교하였다 (Table 4).
콘크리트 배합변수로서 천연모래에 대한 바 텀애시 잔골재 치환율과 물-시멘트(Water to cement ratio, W/C) 이다. 측정된 역학적 특성들은 경량골재 콘크리트(Lightweight aggregate concrete, LWAC)의 특성 및 설계기준식(ACI 318-14 2014,  2010 2013)들과 비교하였다.

이론/모형

굳지 않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량은 각각 KS F 2402(2017) 및 KS F 2421(2016)에 따라 측정하였다. 굳은 콘크리 트의 절건 단위질량은 재령 28일에서 시험체를 100±5℃의 온도 에서 질량변화가 없을 때까지 건조시킨 후 질량과 부피 측정을 통해 산정하였다.
5와 같다. 비교를 위해 ACI 318-14(2014) 및  2010(2013)의 예측값 및 LWAC의 예측모델(Lee et al. 2018) 값을 함께 나타내었다.    값은 의 증가와 함께 증가하는 경향이 나타났으며,  2010(2013)의 예측값과 유사한 수준으로나타났다.
콘크리트의 탄성계수()는 측정된 응력-변형률 곡 선에서 원점과 최대 응력의 40%점을 연결하는 할선의 기울기로 산정하였다. 콘크리트의 쪼갬인장강도( ) 및 파괴계수( )는 각각 KS F 2423(2016)과 KS F 2408(2016)에 따라 측정하였다. 위의 역학적 특성 평가를 위한 실험들은 재령 28일에 수행하였다.

성능/효과

1. 바텀애시 골재 콘크리트의 압축강도 값은 바텀애시 잔골재 치환율이 감소함에 따라 증가하는 결과를 보였으며, 압축강 도 발현율은 W/C가 더 낮은 그룹에서 더 낮았는데, 재령이 경과함에 따라 그 발현 수준은 큰 차이를 보이지 않았다.
2.  2010의 모델식과 비교하면, 바텀애시 골재 콘크리트의 압축강도에 대한 초기 발현율은 낮은 반면 장기 발현율은 내부양생 효과로 높았다.
3. 바텀애시 골재 콘크리트의 탄성계수와 파괴계수는 ACI 318-14 및  2010의 모델식에 비해 안전측에서 평가될 수 있지만, 쪼갬 인장강도는 불안전측이었다.
BAAC의 강도발현은 가 100%에서 0%로 감소함에 따라 증가하는 결과를 보였다. 일반적으로 바텀애시 골재는 천연 골재에 비해 강도와 강성이 낮다.
BAAC 의   값은 동일 에서  2010(2013)의 예측값 및 LWAC에 비해 낮게 나타났다. LWAC의 쪼갬 인장강도 예측식 Table 4와 비교한 결과 그룹 Ⅰ, Ⅱ 의 경우 가 50% 시험체가 각각 2.04MPa, 1.96MPa로  2010(2013) 예측은 각각 2.39MPa, 2.51MPa 로 유사한 수준으로 나타났으며, 무차원하여 비교한 결과 BAAC의 탄성계수 측정결과는  2010(2013) 예측과 유사한 0.86로 가장 낮았다. 반면 LWAC의 예측모델의 경우에는 0.
9MPa로 그룹 Ⅰ 시험체중 가장 높은 결과를 보였다. W/C가 0.375인 그룹 Ⅱ 의 경우 가 100% 시험체가 27.4 MPa로 가장 낮았으며, 가 25%씩 감소함에 따라 각각 3%, 5%, 11% 및 19% 증가하는 결과를 보였다. 그룹 Ⅰ의 측정결과와 마찬 가지로 가 0%인 시험체의 재령 28일 압축강도는 32.
가 50% 및 100%인 경우에는 슬럼프가 각각 160mm 및 130mm였으며, 이들은 가 0%인 실험체에 비해 각각 27% 및 41% 낮은 유동성을 보였다. 결과적으로 본 실험에서 BAAC는 W/C 변화에 관계없이 가 높을수록 유동성이 감소됨을 보였는데, 바텀애시 골재의 경우 천 연모래에 비해 다공성의 표면을 가짐에 따라 배합수 일부를 흡수 한 영향 및 더 거칠고 불규칙적인 입형 그리고 미연탄소분의 증가 로 인해 콘크리트 유동성이 감소된 것으로 판단된다(Park 2017).
   값은 의 증가와 함께 증가하는 경향이 나타났으며,  2010(2013)의 예측값과 유사한 수준으로나타났다. 경량콘크리트 의 탄성계수 예측식 Table 4와 비교한 결과 그룹 Ⅰ, Ⅱ 의 경우 가 50% 시험체가 각각 19,269MPa, 21,827MPa로  model (2013) 예측은 각각 19,445MPa, 20,477MPa로 유사한 수준으로 나타났으며, 무차원 하여 비교한 결과 BAAC의 탄성계수 측정결과는  2010(2013)예측과 유사한 1.02로 가장 낮았다. 반면 ACI 318-14(2014) 및 LWAC의 예측모델의 경우에는 각각 1.
바 텀애시 잔골재 치환율 변화에 따른 BAAC의 슬럼프 값은 W/C에 관계없이 바텀애시 잔골재 치환율이 감소할수록 유동성이 개선되는 경향을 나타내었다. 그룹 Ⅰ의 경우에는 바텀애시 잔골재의 치 환율이 0%인 경우의 슬럼프 값은 210mm로 가장 우수한 유동성을 보였다. 치환율 50% 및 100%인 경우에는 슬럼프가 각각 155mm 및 120mm였으며, 가 0%인 실험체에 비해 각각 26% 및 43% 낮은 유동성을 보였다.
4 MPa로 가장 낮았으며, 가 25%씩 감소함에 따라 각각 3%, 5%, 11% 및 19% 증가하는 결과를 보였다. 그룹 Ⅰ의 측정결과와 마찬 가지로 가 0%인 시험체의 재령 28일 압축강도는 32.6MPa로 그룹 Ⅱ 시험체중 가장 높은 결과를 보였다. 더불어 BAAC의 압축 강도 발현은 W/C가 더 낮은 그룹 Ⅱ 가 그룹 Ⅰ에 비해 더 낮았는 데, 재령이 경과함에 따라 그 발현 수준은 큰 차이를 보이지 않아 W/C에 대한 영향이 작아지는 것으로 나타났다.
6MPa로 그룹 Ⅱ 시험체중 가장 높은 결과를 보였다. 더불어 BAAC의 압축 강도 발현은 W/C가 더 낮은 그룹 Ⅱ 가 그룹 Ⅰ에 비해 더 낮았는 데, 재령이 경과함에 따라 그 발현 수준은 큰 차이를 보이지 않아 W/C에 대한 영향이 작아지는 것으로 나타났다. 재령에 따라 압축 강도는 W/C가 0.
바텀애시 골재는 충분한 프리웨팅을 시켰으며, W/C 비율이 낮고 충분한 점성을 확보하여 재료분리가 일어나지 않았다. 바 텀애시 잔골재 치환율 변화에 따른 BAAC의 슬럼프 값은 W/C에 관계없이 바텀애시 잔골재 치환율이 감소할수록 유동성이 개선되는 경향을 나타내었다. 그룹 Ⅰ의 경우에는 바텀애시 잔골재의 치 환율이 0%인 경우의 슬럼프 값은 210mm로 가장 우수한 유동성을 보였다.
25를 적용하도록 제시하고 있으나, 이 또한 바텀애시골재 사용에 대한 고려를 하고 있지 않다. 이 연구에서는 압축강도 발현속도에 대한 상수  의 값은 0.5를 적용하여 BAAC의 압축강도 발현 예측을 위한  의 값을 회귀분석한 결과 그 범위는 0.09부터 0.19까지 였는데, 이 값은 가 감소 할수록 증가하는 경향을 보였다.
55g/cm3 와 1,580kg/m3 이다(Table 2). 이에 따라 바텀애시 잔골재, 바텀애시 굵은골재 및 천연모래의 실적률은 각각 58.8%, 48.7% 및 61.8%로 평가되었다.
이에 따라 바텀애시 골재 콘크리트에서 균열면은 주로 골재를 관통하면서 진전되며, 이는 콘크리트 강도 감소의 주요 원인이 된다(Ji 2019). 재령 28일에서의 강도발현은 W/C가 0.45인 그룹 Ⅰ 의 경우 가 100% 시험체가 23.3MPa로 가장 낮았으며, 가 25%씩 감소함에 따라 각각 2%, 16%, 19% 및 33% 증가하는 결과를 보였다. 가 0%인 시험체의 재령 28일 압축강도는 30.
그룹 Ⅰ의 경우에는 바텀애시 잔골재의 치 환율이 0%인 경우의 슬럼프 값은 210mm로 가장 우수한 유동성을 보였다. 치환율 50% 및 100%인 경우에는 슬럼프가 각각 155mm 및 120mm였으며, 가 0%인 실험체에 비해 각각 26% 및 43% 낮은 유동성을 보였다. 그룹 Ⅱ의 경우에도 가 0%인 경우의 슬 럼프가 220mm로 가장 우수한 유동성을 보였다.
3MPa로 가장 낮았으며, 가 25%씩 감소함에 따라 각각 2%, 16%, 19% 및 33% 증가하는 결과를 보였다. 가 0%인 시험체의 재령 28일 압축강도는 30.9MPa로 그룹 Ⅰ 시험체중 가장 높은 결과를 보였다. W/C가 0.

참고문헌 (16)

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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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