[논문]산업부산물을 치환한 고강도 콘크리트 말뚝의 강도 특성

신경수; 임병훈; 황선경

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.85

산업부산물을 치환한 고강도 콘크리트 말뚝의 강도 특성
Strength Properties of High-Strength Concrete Piles Using an Industrial by-Product 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.85 - 91

신경수 ((주)자연구조엔지니어링 기업부설연구소) , 임병훈 (우송대학교 건축공학과) , 황선경 ((주)자연구조엔지니어링)

초록
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국내 건축물은 지진이나 기초 부동침하 등으로 인해 건물의 기울어짐, 붕괴 등의 문제가 발생하기 때문에 건축물의 지반강화에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이에 대한보강방법으로 깊은 관입량과 지지력 보강에 유리한 고강도 콘크리트 말뚝의 사용량이 증가하고 있으며 나 강도가 부족할 경우 현장타설 시 두부 파손 등의 문제가 발생할 수 있어 강도에 대한 철저한 유지관리가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 치환한 고강도 콘크리트 말뚝의 강도 특성에 대해 검토하였다. 그 결과, 고로슬래그 미분말을 10~20% 치환할 경우 압축강도가 증가하였으며, 20% 치환시 압축강도는 80.6MPa로 OPC 시험체에 비해 5% 증가하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The necessity for ground reinforcement of structures has been increasing in South Korea because buildings have encountered constructional problems such as inclined structures and collapses caused by earthquakes or differential settlement of the foundations. With regard to a ground reinforcement method, an increasing number of high-strength concrete piles have been used based on their advantages, including a wide range of penetration depth and a high load-bearing capacity. However, problems such as the destruction of a pile head during on-site placement work can occur when the pile has insufficient strength. For this reason, the strength of such piles should be managed more thoroughly. Thus, this study analyzed the strength properties of high-strength concrete piles using blast furnace slag (BFS) powder as a cement replacement, which was generated as an industrial byproduct. The analysis results indicated that the compression strength of the concrete piles increased when 10% to 20% of the cement was replaced with ground granulated blast-furnace slag (GGBS). In addition, the compression strength of the concrete piles was calculated to be 80.6 MPa when 20% of the cement was replaced with GGBS, which was greater by 5% than that of an ordinary Portland cement (OPC) specimen.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Particle size distribution of used materials
그림 Fig. 2 SEM
표 Table 1 Physical properties of used materials
표 Table 2 Chemical compositions of used materials
그림 Fig. 3 Curing conditions
그림 Fig. 4 Centrifugal compaction
표 Table 3 Experimental plan
표 Table 4 Mix proportion of concrete
표 Table 5 Centrifugal casting conditions
표 Table 6 Curing conditions
그림 Fig. 5 Compressive strength measurement results of concrete
그림 Fig. 6 Flexural strength measurement results of concrete
그림 Fig. 7 Stress-strain curve of concrete
그림 Fig. 8 Elastic modulus of concrete
그림 Fig. 9 pH measurement results of concrete
그림 Fig. 10 Compressive strength and pH relationship analysis
그림 Fig. 11 SEM of concrete (7days)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 산업부산물인 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 강도 특성에 대해 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 개선하고자 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 사용하고자 하였다. 고로슬래그 미분말은 그 자체로서는 물과 충분하게 반응하지 않지만 NaOH, Ca(OH)₂ 또는 포틀랜드시멘트와 같은 알칼리 분위기 하에서는 반응하여 수경성 시멘트 재료로 유용하게 사용할 수 있다(Chang et al.
이에 본 연구에서는 증기양생 조건인 고강도 콘크리트 말뚝에 산업부산물인 고로슬래그 미분말의 치환율을 고려하였으며, 압축강도, 휨강도, 응력-변형곡선, 정탄성계수 등의 역학적 특성을 평가하였으며, 압축강도에 대한 분석내용으로 pH와의 관계, 미세구조 등을 검토하고자 하였다.

제안 방법

Table 3은 실험계획을 나타낸 것으로 산업부산물을 활용한고강도 콘크리트 말뚝의 강도 특성을 평가하기 위해 동일한조건에서 고로슬래그 미분말의 치환율을 각각 10, 20, 30, 40 %로 설정하였다. 평가항목은 압축강도, 휨강도, 응력-변형곡선&탄성계수, pH이며 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을통해 분석하였다.
pH는 KS F 2103「흙의 pH 값 측정 방법」에 준하여 pH메타 / HI-8314N를 사용하여 3개의 값을 평균으로 하였으며 재령 1일, 3일, 7일에 측정하였다. pH의 변화는 기존 연구결과를 바탕으로 참고하였으며, 고로슬래그 미분말의 피막을 pH의 농도에 의해 수화생성물을 용출하는 것을 참고하여 진행하였다(Mun et al., 2006). 시험체의 미세구조는 주사전자현미경(Scanning electron microscope)을 활용하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV로 재령 7 일에 관찰하였다.
39%를 사용하였다. 고성능감수제는 폴리카르본산계를사용하였으며, 원심성형을 만족하기 위한 최소한의 유동성을위해 1.2%를 고정으로 사용하였다. Fig.
, 2006). 시험체의 미세구조는 주사전자현미경(Scanning electron microscope)을 활용하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV로 재령 7 일에 관찰하였다.
원심성형이 종료된 시험체는 내부 슬러지를 제거한 후 증기양생을 실시하였다. 양생조건은 Table 6 및 Fig. 3에 나타낸 바와 같이전치 1시간, 승온 3시간, 유지 5시간, 강온 2시간의 조건으로 총 10시간으로 설정하였으며, 시험체의 최고온도는 80℃로 설정하였다. Fig.
원심성형조건은 Table 5에 나타낸 바와 같이 저속 3분, 중속 2분, 중고속 1분, 고속 5분의 4 단계로 구분하였다. 원심성형이 종료된 시험체는 내부 슬러지를 제거한 후 증기양생을 실시하였다. 양생조건은 Table 6 및 Fig.
4는 실험사진을나타낸 것이다. 증기양생이 종료된 후에는 온도 20±3℃, 상대습도 60±5%의 항온·항습실 내에서 재령 7일간 양생을 실시하였다. 휨강도 시험체는 KS F 2408「콘크리트 휨강도 시험 방법」에 준하여 □100×100×400mm로 제작한 후 재령 7일 강도를 식 (1)에 준하여 측정하였다.
설정하였다. 평가항목은 압축강도, 휨강도, 응력-변형곡선&탄성계수, pH이며 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을통해 분석하였다. Table 4에 콘크리트 배합을 나타내었다.

대상 데이터

것이다. 시멘트는 KS L 5201「포틀랜드 시멘트」의 1종보통포틀랜드시멘트로서 밀도 3.15g/cm³, 분말도 3, 500cm2/g 인 것을 사용하였으며, 고로슬래그는 KS F 2563「콘크리트용 고로슬래그 미분말」에 준하여 밀도 2.90g/cm³, 분말도 4, 196cm²/g인 것을 사용하였다.
잔골재는 부순골재로서 밀도 2.56g/cm³, 흡수율 1.51%를사용하였고, 굵은골재는 부순골재로서 밀도 2.67g/cm³, 흡수율 1.39%를 사용하였다. 고성능감수제는 폴리카르본산계를사용하였으며, 원심성형을 만족하기 위한 최소한의 유동성을위해 1.
Table 4에 콘크리트 배합을 나타내었다. 콘크리트 배합은 기존 콘크리트 말뚝에 사용되고 있는 80MPa 이며, 물결합재비(W/B)는 25%, 잔골재율(S/a)은 36%로 설정하였다. 시멘트의 사용량이 많아 잔골재율(S/a)은 예비평가를통해 36%로 고정하였다.
준하여 제작하였다. 콘크리트는 비빔 직후 15.3kg 을 계량한 후 원심몰드에 투입하여 ∅200×300mm의 크기로원심성형을 통해 제작하였다. 원심성형조건은 Table 5에 나타낸 바와 같이 저속 3분, 중속 2분, 중고속 1분, 고속 5분의 4 단계로 구분하였다.
콘크리트의 비빔은 2축 강제식 믹서를 사용하였으며, 시험체는 ｢KS F 2454 원심력으로 다져진 콘크리트의 압축강도 시험방법｣에 준하여 제작하였다. 콘크리트는 비빔 직후 15.

이론/모형

산정하였다. pH는 KS F 2103「흙의 pH 값 측정 방법」에 준하여 pH메타 / HI-8314N를 사용하여 3개의 값을 평균으로 하였으며 재령 1일, 3일, 7일에 측정하였다. pH의 변화는 기존 연구결과를 바탕으로 참고하였으며, 고로슬래그 미분말의 피막을 pH의 농도에 의해 수화생성물을 용출하는 것을 참고하여 진행하였다(Mun et al.
정탄성계수는 KS F 2438「콘크리트 원주 시험체의 정 탄성계수 및 포아송비 시험방법」에 준하여 압축강도 측정시 LVDT와 데이터로거를 사용하여 응력과 변위를 각각 산출한 후 최대응력의 40% 지첨에서의 세컨트 모듈러스(Secant Modulus)로 산정하였다. pH는 KS F 2103「흙의 pH 값 측정 방법」에 준하여 pH메타 / HI-8314N를 사용하여 3개의 값을 평균으로 하였으며 재령 1일, 3일, 7일에 측정하였다.
증기양생이 종료된 후에는 온도 20±3℃, 상대습도 60±5%의 항온·항습실 내에서 재령 7일간 양생을 실시하였다. 휨강도 시험체는 KS F 2408「콘크리트 휨강도 시험 방법」에 준하여 □100×100×400mm로 제작한 후 재령 7일 강도를 식 (1)에 준하여 측정하였다.

성능/효과

1) 고로슬래그 미분말을 20% 치환한 경우 고강도 콘크리트말뚝의 압축강도가 80.6MPa로 가장 높았으며, OPC에 비해 약 5% 증가하는 경향을 보여 가장 효과가 높은 것으로 나타났다.
2) 고로슬래그 미분말의 치환율 20%에서 고강도 콘크리트말뚝의 휨강도가 7.6MPa로 가장 높았으며, 고로슬래그미분말의 치환율 30∼40% 범위에서는 휨강도가 28% 이상 감소하는 경향을 보였다.
3) 고로슬래그 미분말의 치환으로 인해 고강도 콘크리트말뚝의 변형량이 커지는 것을 확인하였으며, 탄성계수의 값도 커지는 것을 확인하였다.
5) 고로슬래그 미분말을 적정 범위까지(20% 이내) 치환할경우 ettringite 생성량과 함께 C-S-H 등과 같은 수화생성물이 증가하여 콘크리트 내부 빈 공간을 채워주고 조직이 치밀해져 압축강도에 영향을 준 것으로 판단된다.
8은 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 정탄성계수를 나타낸 것이다. HCB10시험체는 32.4GPa, HCB20 시험체는 36.9GPa를 나타내어 OPC 시험체에 비해 각각 2%, 15% 증가하였다. 또한, HCB30 및 HCB40 시험체의 정탄성계수는 37.
7은 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 응력-변형곡선 시험결과를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말을 10% 치환한 시험체가 0.00231의 변형값에서 59.3MPa의 압축강도를 나타냈으며, 20% 치환한 시험체가 0.00236의 변형값에서 63.67MPa의 압축강도를 나타냈어 OPC 시험체보다 높은 값을 나타내었다. 그러나, 30% 치환한시험체가 0.
10은 pH와 압축강도의 관계를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 pH는 감소하는 경향을보이지만 HCB20 시험체가 가장 높은 압축강도를 나타내고있으며, 다음으로 HCB10, OPC 시험체 순으로 압축강도를 나타내고 있어 pH와 압축강도는 큰 상관관계가 없는 것으로 판단된다.
1는 사용재료의 입도 분포곡선을 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말이 보통포틀랜드시멘트에 비해 2.0~8.0µm의 분포가 더 큰 것을 확인하였다. Fig.
2MPa로 측정되었다. 따라서, 고로슬래그 미분말을 20% 치환한 HCB20 시험체의 압축강도가 약 5% 증가하여 가장 높은 압축강도를 나타냈으며, 고로슬래그 미분말을 40% 치환한 HCB40 시험체의 압축강도는약 7% 감소하여 가장 낮은 값을 나타내었다. 또한, 재령 7일 압축강도의 경우 OPC 시험체는 76.
한편, HCB40 시험체는 OPC에 비해 약 28% 감소하는 경향을 보였다. 따라서, 고로슬래그 미분말의 치환율 10~20% 범위에서는 압축강도의 증가로 인해 휨강도가 증가하는 경향을 보여 가장 효과적인 것으로 판단된다.
7MPa를 나타내었다. 따라서, 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 변형값이 커지는것을 확인하였다.
9GPa를 나타내어 OPC 시험체에 비해 각각 2%, 15% 증가하였다. 또한, HCB30 및 HCB40 시험체의 정탄성계수는 37.2GPa, 32.3GPa를 나타내어 OPC 시험체에 비해 각각 16%, 1% 증가하였다. 전체적으로 고로슬래그 미분말의 치환으로 인해 정탄성계수가 증가하는 것을 확인하였다.
9MPa로 측정되었다. 재령 1일과 거의 유사한 패턴을 보였으며 고로슬래그 미분말을 20% 치환하였을 경우 압축강도가 OPC에 비해 약 5% 증가하여 가장 효과가 큰 것으로 판단된다.
1MPa로 측정되었다. 전체적으로 고로슬래그 미분말의 치환율 10~20%까지는 휨강도가 증가하는 경향을 보였으나, 30%~40%의 범위에서는 감소하는 경향을 보였다. 특히, 고로슬래그 미분말을 10% 치환한 시험체가 OPC 시험체 비해 28% 증가하였으며, 20% 시험체는 33% 증가하였다.
3GPa를 나타내어 OPC 시험체에 비해 각각 16%, 1% 증가하였다. 전체적으로 고로슬래그 미분말의 치환으로 인해 정탄성계수가 증가하는 것을 확인하였다.
전체적으로 고로슬래그 미분말의 치환율 10~20%까지는 휨강도가 증가하는 경향을 보였으나, 30%~40%의 범위에서는 감소하는 경향을 보였다. 특히, 고로슬래그 미분말을 10% 치환한 시험체가 OPC 시험체 비해 28% 증가하였으며, 20% 시험체는 33% 증가하였다. 한편, HCB40 시험체는 OPC에 비해 약 28% 감소하는 경향을 보였다.
6은 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 휨강도 시험결과를 나타낸 것이다. 휨강도 시험 결과는 재령 7일을 기준으로 OPC 시험체는 5.7MPa, HCB10 시험체는 7.3MPa, HCB20 시험체는 7.6MPa, HCB30 시험체는 4.8MPa, HCB40 시험체는 4.1MPa로 측정되었다. 전체적으로 고로슬래그 미분말의 치환율 10~20%까지는 휨강도가 증가하는 경향을 보였으나, 30%~40%의 범위에서는 감소하는 경향을 보였다.

후속연구

4) 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 pH는 감소하는 경향을 보였으나 압축강도는 20% 치환할 경우 가장 높게 측정되어 pH의 영향은 크지 않은 것으로 나타났으며, pH보다 양생온도에 따른 온도의존성이 더 큰 것으로 판단되어 향후 양생조건 및 고로슬래그 미분말의 치환율에 대한 검토가 필요하다고 판단된다.
결론적으로, 고로슬래그 미분말을 20%의 범위에서 치환할경우 압축강도 증가에 유리한 경향을 보였으며, 20%를 초과하는 범위에서는 압축강도가 감소하는 경향을 보여 추가적인검토가 필요하다고 판단된다. 또한, 산업부산물로 발생하는다른 혼화재료와 110MPa의 초고강도 콘크리트 말뚝, 다양한콘크리트 2차 제품으로의 검토도 필요한 것으로 판단된다.
기존 연구결과를 바탕으로 고로슬래그 미분말을 다량으로 치환할 경우 압축강도 증진을 위해 NaOH, Ca(OH)₂와 같은 알칼리 성분을 활용하고 있지만 (Chang et al., 2000) 본 연구와 같이 시멘트에 고로슬래그 미분말을 치환하는 경우에서 pH의 영향이 크지 않고 양생온도에 따른 온도의존성이 더 큰 것으로 예상되며, 양생조건과 고로슬래그 미분말의 관계는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
필요하다고 판단된다. 또한, 산업부산물로 발생하는다른 혼화재료와 110MPa의 초고강도 콘크리트 말뚝, 다양한콘크리트 2차 제품으로의 검토도 필요한 것으로 판단된다.

참고문헌 (12)

Jeon, S. H. (2013), The Characteristics of PHC Pile using Admixture by Waste TFT-LCD Glas Powder. Ph.D. dissertation, Chonbuk National Universiy, Department of Architectural Enginering.
Yi, S. T., Noh, J. H., and Heo, H. S. (2012), Mixture Study for Early-age Strength Improvement of NAC-typed High-strength Concrete Piles, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 16(2), 58-64.

원문보기 상세보기
Li, Y. H. (2004), An Experimental Study on Manufacture of the Ultra High-Strength Concrete Pile, A Master's Thesis, Kyungpook National Universiy, Department of Architectural Enginering.
Yi, S. T., Noh, J. H., Park, C. J., and Heo, H. S. (2011), A Study for Application of Polycarboxilic Type Admixture to Precast High-Strength Concrete Piles. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 15(1), 263-270.

원문보기 상세보기
Lee, H. G., Gong, M. H., and Jung, Y. S. (2016), Field Application and Manufacturing Technology of Low Carbon Ultra High Strength Green PHC Pile using High Volume Ground Granulated Blast Furnace Slag, Magazine of theKorea Concrete Institute, 28(2), 35-40.
Chang, P. K., and Lim, Y. M. (2000), Effect of Chemical Composition on the Latent Hydraulic Activity of Blast Furnace Slag. Journal of the Korean Ceramic Society, 37(5), 453-458.
Roy, D. M. (1999), Alkali Activated Cements Opportunities and Challenges. Cement and Concrete Research, 29(2), 249-254.

상세보기
Bellman, F., and Stark, J. (2009), Activation of Blast Furnace Slag by a New Method. Cement and Concrete Research, 39(1), 644-650.

상세보기
Kim, G. Y., Koo, K. M., Nam, J. S., Miyauchi, H., Shin, K. S., and Lee, T. G. (2012), Compressive Strength Development of Blast Furnace Slag Binder Mortar. Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, 28(9), 99-106.
Lee, S. H., Lee, G. H., Yoo, D. W., Ha, J. H., and Cho, Y. G. (2015), Hydration and Insulation Characteristics of a Ground Granulated Blast Furnace Slag Based Non-Sintered Cement using Circulating Fluidized Bed Combustion Ash as a Activator, Journal of the Korea Concrete Institute, 27(3), 244-251.
Song, S. H. (2017), A Study on the Evaluation of Practical Application of PHC Pile-Filling Material utilizing High Calcium Fly Ash, A Master's Thesis, Chonbuk National Universiy, Department of Architectural Enginering.
Mun, K. J., Lee, C. W., So, S. Y., and Soh, Y. S. (2006), Hydration Reaction of Non-Sintering Cement using Inorganic Industrial Waste as Activator, Journal of the Korea Concrete Institute, 18(2), 267-274.

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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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