1. 서    론

다짐이 필요없는 자기충전 콘크리트는 사용재료에 따라 분체계, 증점제계 및 병용계로 구분된다.¹⁾ 분체계는 보통포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬 및 실리카 퓸과 같은 잠재수경성을 갖는 분체와 잠재수경성을 갖지 않는 석회석 미분말을 많이 사용한다. 그러나 다량의 분체로 소성점도를 부여하기 때문에, 고강도 발현과 과다한 수화열 및 건조수축 등의 문제점을 갖고 있다.²⁾ 또한 증점제계는 분리저감제를 사용하여 소성점도를 부여하므로 저강도 영역의 범위에 적합하다.^3,4)

병용계의 경우에 분체계의 수화열과 건조수축의 문제를 해소하고, 자기충전 콘크리트의 안정적인 소성점도의 유지 및 품질의 균일성을 확보하기 위하여 사용한다.⁵⁾

이러한 병용계 자기충전 콘크리트는 대심도의 지하식 LNG 저장탱크의 지하연속벽, 초고층 건축물의 주요한 부재 및 특수교량 등에 많이 사용되고 있다.

특히, 지하식 LNG 저장탱크의 지하연속벽과 같은 구조물은 굴착심도가 깊고, 초기 자유낙하 및 벤토나이트 안정액과 접하는 콘크리트 시공과정에서 있어서 소정점도의 부여 및 유지성능에 변동성이 크기 때문에, 병용계 자기충전 콘크리트를 사용하더라도 재료의 품질변동, 계량오차 및 현장조건의 차이 등으로 콘크리트의 품질관리에 문제가 발생할 수 있는 가능성이 존재하고 있다.⁶⁾

따라서 이 연구에서는 병용계 자기충전 콘크리트의 현장시공에 있어서 발생할 수 있는 품질변동 요인을 선정하고, 이에 따른 유동성, 재료분리 저항성 및 자기충전성 등의 유동특성을 실험적으로 고찰하여 현장 품질관리의 방안을 제시하고자 한다. 병용계 자기충전 콘크리트는 사용하는 시멘트의 종류에 따라 벨라이트계와 슬래그계로 구분하였으며, 분체는 소성점도, 수화열, 경제성 등을 고려하여 석회석 미분말(Lime stone powder, 이하 LSP)을 대상으로 하였다.⁷⁾

2. 실험개요 및 배합조건

2.1 실험개요 및 요구성능

재료의 품질변동에 따른 병용계 자기충전 콘크리트의 단계별 실험절차는 Fig. 1과 같다.

2.1.1 실험개요

병용계 자기충전 콘크리트에 대한 선행연구에서 도출된 기본배합을 기초로 하여, 슬래그계(슬래그 시멘트+석회석 미분말) 및 벨라이트계(벨라이트 시멘트+석회석 미분말) 최적배합 조건을 각각 선정하였다.⁸⁾

선정한 배합조건에 대상으로 콘크리트의 온도, 잔골재의 조립률 및 표면수율의 변동, 고성능AE감수제의 사용량 변동 그리고 석회석 미분말의 분말도 변동에 따른 병용계 자기충전 콘크리트의 유동특성을 실험하였다.

2.1.2 요구성능 및 평가방법

병용계 자기충전 콘크리트의 요구성능 및 평가방법은Table 1과 같다. 여기서 설계기준강도는 재령 91일 강도기준이며, 콘크리트의 제조·운반·타설 및 양생 등의 과정에서 발생하는 변동계수(V)를 10%로 가정한 할증계수(α)와 수중저감계수를 각각 1.2 및 0.95로 하여 배합강도를 산정하였다.⁶⁾

또한, 유동성 및 재료분리 저항성은 슬럼프 플로우, 500mm 플로우 도달시간, 그리고 V형-깔대기 유하시간을, 자기충전성은 U형-box 충전시험으로 평가하도록 하였다.⁹⁾

2.2 사용재료 및 배합조건

병용계 자기충전 콘크리트의 사용재료, 품질변동의 변수범위, 기본배합조건 및 시험방법은 다음과 같다.

2.2.1 사용재료

콘크리트의 제조에 사용된 재료의 종류 및 품질시험 결과는 Table 2와 같다.

이 연구에서 벨라이트계는 벨라이트 시멘트에 석회석 미분말을 사용하였으며, 슬래그계는 슬래그 미분말의 함량이 평균 46.5%인 슬래그 시멘트에 석회석 미분말을 사용한 2종류의 결합재를 대상으로 하였다. 또한, 잔골재는 강모래, 굵은골재는 20mm 쇄석을 사용하였으며, 석회석 미분말은 시판되는 C-140을 사용하였다.

또한, 고성능AE감수제 및 분리저감제의 적합성을 고려하여¹⁰⁾ 폴리 카르본계 및 폴리 싸카라이드계를 사용하였으며, 각각의 재료실험의 결과, 대부분 표준에서 요구하는 성능을 만족하였다.

2.2.2 품질변동의 변수범위

병용계 자기충전 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 사용재료의 품질변동, 계량오차 및 온도변화 등에 매우 민감하게 작용하기 때문에, 이러한 변동요인에 의한 영향을 사전에 충분히 분석, 평가해야 한다.

이에 따라 현장적용에서 예상되는 재료의 품질변동 요인 및 변수범위는 Table 3과 같이 선정하였다.

품질변동 요인에 따른 변수범위로 1) 콘크리트의 온도변동에 따른 3종류, 2) 잔골재의 표면수율 변동에 따른 5종류, 3) 잔골재의 조립률 변동에 따른 5종류, 4) 고성능AE감수제의 사용량 변동에 따른 5종류, 5) 석회석 미분말의 분말도에 따른 3종류 등을 선정하였다.

여기서 콘크리트의 온도변동은 물의 온도로 조절하였고, 잔골재의 표면수율 및 조립률은 각각 단위수량 및 체가름을 통한 입도조정으로 하였다. 특히, 석회석 미분말의 분말도에 따른 품질변동 시험은 슬래그계에 비해 비교적 품질의 안정성이 우수한 것으로 나타난 벨라이트계 자기충전 콘크리트에 대해서만 추가적으로 실시하였다.

2.2.3 배합조건

품질변동에 영향을 미치는 요인에 대한 실험적 고찰을 위한 병용계 자기충전 콘크리트의 배합조건은 Table 4와 같으며, 이는 선행연구에서 시멘트 종류에 따른 석회석 미분말의 치환율과 구속수비, 물-시멘트비(38∼54%), 잔골재 용적비(S_r, 41∼49%), 굵은골재 용적비(G_v, 51∼53%) 등에 대한 실험을 실시하여 선정된 최적배합이다.⁸⁾

여기서 S는 잔골재, G는 굵은골재, A.D는 고성능AE감수제, V.A는 분리저감제를 나타낸 것이다. 또한, G_v는 굵은골재의 용적비를, LSP는 석회석 미분말을 나타낸 것이다.

2.2.4 배합 및 시험방법

병용계 자기충전 콘크리트의 배합방법은 100L 용량의 강제식 믹서(40rpm)를 사용하여 Fig. 2와 같은 순서로 실시하였다. 이때, 전체 배합시간은 210초이지만 건비빔 단계를 제외하면 실제 배합시간은 120초이다.

병용계 자기충전 콘크리트의 유동성, 충전성, 재료분리 저항성 등의 성능평가는 콘크리트 표준시방서의 고유동 콘크리트 지침에 따라 실시하였다.¹¹⁾

즉, Fig. 3에 나타난 바와 같이 KSCE 2003-01(충전장치를 이용한 간극통과성 시험방법)에 규정된 U형-Box 시험장치로 간극통과성을 측정하였으며, KSCE 2003-03(깔때기를 사용한 유하시험 방법)에 규정된 V형-깔때기 시험장치로 유하시간을 측정하였다. Fig. 4는 U형-Box 시험장치의 상세를 나타낸 것이다. 또한, KSCE 2003-02(슬럼프 플로우 시험)에 따라 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간을 측정하였다.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 콘크리트의 온도변동에 따른 영향 분석

분리저감제의 온도민감성에 따른 병용계 자기충전 콘크리트의 품질변동을 검토하기 위하여 콘크리트의 온도를 10, 20, 30℃로 조정하여 유동성, 충전성 및 재료분리 저항성 등에 대한 민감도 시험을 실시하였다.

3.1.1 콘크리트의 온도변동에 따른 유동성

Fig. 5 및 6은 슬래그계 및 벨라이트계 자기충전 콘크리트의 온도변동에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간의 측정 결과를 각각 나타낸 것이다.

10℃의 경우에는 시멘트 종류에 따라 약간의 차이가 있지만, 대부분 목표 슬럼프 플로우(650±50mm)를 만족하였다. 500mm 플로우 도달시간은 시멘트의 종류에 관계없이 콘크리트의 온도가 높아질수록 감소하는 경향을 보였는데, 이는 콘크리트의 온도가 병용계 자기충전 콘크리트의 점성에 민감하기 때문으로 사료된다.

Fig. 7은 콘크리트의 온도변화에 따른 V형-깔대기 유하시간을 측정한 실험결과이다. V형-깔대기 유하시간도 500mm 플로우 도달시간과 마찬가지로 콘크리트의 온도가 높아질수록 감소하는 것으로 나타났다.

즉, 콘크리트 온도가 높아질수록 병용계 자기충전 콘크리트의 점성이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 고분자 화합물로 구성된 분리저감제가 높은 온도일수록 분자간의 운동이 활발해지기 때문에, 분자간극의 증대로 점성이 감소된 것으로 사료된다.¹²⁾ 벨라이트계가 슬래그계에 비하여 점성유지 성능이 양호한 것으로 나타났다.

3.1.2 콘크리트의 온도변동에 따른 충전성

Fig. 8은 콘크리트의 온도변동에 따른 U형-box 충전성 실험 결과를 나타낸 것이다.

콘크리트의 온도변동에 따른 충전성 높이는 큰 차이가 없었지만, 점성의 차이로 인하여 충전속도는 콘크리트의 온도가 높을수록 빠른 것으로 나타났다. 또한, 벨라이트계는 경시변화에 관계없이 안정적인 경향을 보였다.

따라서 여름철 공사의 경우, 온도관리 및 분리저감제의 사용량을 조절하여 병용계 자기충전 콘크리트의 점성관리가 필요하며, 겨울철 공사에는 콘크리트 온도를 10℃이상으로 유지하는 방안이 필요하다.

3.2 잔골재의 표면수율 변동에 따른 영향 분석

현장에서 잔골재의 표면수율을 균일하게 관리하는 것은 현실적으로 매우 어렵기 때문에, 표면수율 변동에 따른 병용계 자기충전 콘크리트의 품질성능을 확인할 필요가 있다. 이를 위하여 콘크리트의 기본배합(잔골재의 표면수율 일정)에 단위수량을 ±5kg/m³, ±10kg/m³로 변동시켜 표면수율 변동에 따른 민감도 시험을 실시하였다.

3.2.1 잔골재의 표면수율 변동에 따른 유동성

Fig. 9 및 10은 잔골재의 표면수율 변동에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간의 실험 결과이다.

단위수량 -10kg/m³의 경우에는 유동성 부족으로 대부분 슬럼프 플로우의 관리규준(650±50mm)을 만족하지 못하는 것으로 나타났으며, 이러한 경향은 경시변화에 따라 심화되는 것으로 나타났다.

500mm 플로우 도달시간은 경시변화에 따라 차이는 있지만, ±10kg/m³인 범위에서 관리기준(7±3sec)을 만족하지 못하였다. 그러나 -10kg/m³의 경우, 생산 직후에는 벨라이트계 및 슬래그계 모두 안정적인 경향을 나타내었다.

Fig. 11은 잔골재의 표면수율 변동에 따른 V형-깔대기 유하시간의 실험 결과이다. V형-깔대기 유하시간도 500mm 플로우 도달시간과 마찬가지로 단위수량의 변동 ±10kg/m³인 범위에서 관리기준(10～20sec)을 만족하지 못하였다.

특히 +10kg/m³일 때, 슬래그계 자기충전 콘크리트에서 굵은골재의 막힘 및 재료분리 현상 등이 발생하는 경향을 나타내었다.

3.2.2 잔골재의 표면수율 변동에 따른 충전성

Fig. 12는 잔골재의 표면수율 변동에 따른 U형-box 충전성의 실험 결과를 나타낸 것이다.

슬래그계 자기충전 콘크리트에서 단위수량 -10kg/m³를 제외한 대부분의 U형 box 충전성 높이는 관리기준(min. 300mm)을 만족하였으나, 단위수량 +10kg/m³의 경우에는 시멘트의 종류에 관계없이 재료분리 및 블리딩이 발생하는 경향을 나타내었다.

특히, 강도특성 결과를 고려할 때, 표면수율 (+)범위에서는 강도저하 및 (-)범위에서는 강도증진의 경향을 나타내었다. 따라서 병용계 자기충전 콘크리트의 유동성 및 충전성 및 재령 91일 강도을 고려할 때, 단위수량의 변동범위를 ± 5kg/m³ 이내로 관리해야 하며, 잔골재의 표면수율로 환산할 때 ±0.6% 이내에서 현장의 표면수율을 관리하는 방안이 필요하다.

3.3 잔골재의 조립률 변동에 따른 영향 분석

강모래는 바닷모래와 달리 조립률의 변동이 매우 크기 때문에, 조립률 변동에 따른 자기충전 콘크리트의 성상을 실험적으로 고찰할 필요가 있다.

따라서 잔골재의 조립률 2.2～3.0 범위에서 민감도 시험을 실시하였다.

3.3.1 잔골재의 조립률 변동에 따른 유동성

Fig. 13 및 14는 잔골재의 조립률 변동에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간의 실험 결과이다.

슬래그계는 잔골재의 조립률 변동에 따른 슬럼프 플로우의 영향이 거의 없는 것으로 나타났지만, 벨라이트계는 조립률이 낮을수록 슬럼프 플로우가 감소되는 경향을 나타내었다. 이는 석회석 미분말의 사용량이 매우 높기 때문에 콘크리트의 점성 및 시멘트의 구속수비와 변형계수의 영향도 있는 것으로 사료된다.

또한, 시멘트 종류와 관계없이 잔골재의 조립률이 낮을수록 500mm 플로우 도달시간은 증대되는 것으로 나타났다. 이는 잔골재의 조립률이 낮을수록, 콘크리트의 점성이 증대되기 때문으로 사료된다.

Fig. 15는 잔골재의 조립률 변동에 따른 V형-깔대기 유하시간의 실험 결과이다. 초기에는 잔골재의 조립률이 감소할수록 미립 잔골재의 영향으로 증가하였으나, 경시변화 30분부터 조립률이 비교적 큰 범위(F.M=3.0)에서도 유하시간이 증대되는 것으로 나타났다. 이는 골재입자간의 마찰력 증대 및 맞물림 현상에 따른 것으로 사료된다.

또한, 벨라이트계가 슬래그계에 비하여 안정적인 경향을 나타내었는데, 이는 C₂S의 함량에 따른 고성능AE감수제의 흡착 및 분산작용의 안정화와 석회석 미분말의 치환율에 따른 구속수비 및 변형계수의 차이로 사료된다.

3.3.2 잔골재의 조립률 변동에 따른 충전성

Fig. 16은 잔골재의 조립률 변동에 따른 U형-box 충전성의 실험 결과를 나타낸 것이다.

U형-box 충전성 높이는 조립률 2.6을 정점으로 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 조립률 2.6을 기준으로 조립률이 낮아질수록 점성이 증대한다는 것과 조립률이 높아질수록 골재입자간의 마찰력 증대 및 맞물림 현상이 발생하기 때문으로 사료된다.

따라서 잔골재의 조립률에 따른 민감도 시험 결과를 고려할 때, 병용계 자기충전 콘크리트의 잔골재의 조립률 변동에 따른 품질변동은 2.6±0.2범위에서 관리하는 것이 가장 바람직할 것으로 사료된다.

3.4 고성능AE감수제의 사용량에 따른 영향 분석

고성능AE감수제는 비록 사용량이 적을지라도 현장 배치플랜트에서의 계량오차 등으로 인해 사용량에 따른 영향이 매우 클 것으로 예상된다. 따라서 고성능AE감수제의 사용량을 기준량에 ±0.2%, ±0.4% 범위로 하여, 자기충전 콘크리트의 민감도 시험을 실시하였다.

3.4.1 고성능AE감수제의 사용량 변동에 따른 유동성

Fig. 17 및 18은 고성능AE감수제의 사용량 변동에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간의 실험 결과를 나타낸 것이다.

고성능AE감수제의 사용량 변동은 슬럼프 플로우에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 고성능AE감수제의 변동이 ±0.2% 이내인 범위에서는 슬럼프 플로우의 관리기준(650±50mm)을 만족하였지만, ±0.4% 범위에서는 재료분리 또는 유동성 부족 등으로 만족하지 않았다.

또한, 고성능AE감수제의 사용량이 적을수록 500mm 플로우 도달시간이 높게 나타났는데, 이는 점성증대의 영향이 아니라 유동성의 감소에 의한 것으로 사료된다. 그러나 +0.4% 경우에는 골재분리 현상, -0.4% 경우에는 유동성의 부족현상이 현저하게 나타났다.

Fig. 19는 고성능AE감수제의 사용량에 따른 V형-깔대기 유하시간의 실험 결과를 나타낸 것이다.

V형-깔대기 유하시간은 대부분 경시변화 초기에는 관리기준(10～20sec)을 만족하였지만, ±0.4%의 경우에는 90분 이후부터 관리기준을 벗어났다.

고성능AE감수제의 사용량 변동이 (-)범위인 경우에는 유동성 및 분산작용의 부족에 따른 것으로 사료된다. 그러나 (+)범위인 경우에는 유동성은 증대되었지만 골재분리 현상 및 골재입자간의 맞물림 작용에 따른 막힘현상이 발생하는 경향을 나타내었다.

3.4.2 고성능AE감수제의 사용량 변동에 따른 충전성

Fig. 20은 고성능AE감수제의 사용량 변동에 따른 U형- box 충전성의 실험 결과를 나타낸 것이다.

고성능AE감수제의 사용량이 ±범위로 변동될수록 U형-box 충전성 높이는 감소되는 경향을 보였는데, -0.4%인 경우에는 경시변화 90분부터 관리기준(min. 300mm)을 만족하지 않는 것으로 나타났다. 이는 유동성 부족으로 인하여 모르타르 및 골재입자가 간극을 통과하지 못하기 때문으로 사료된다.

슬래그계의 경우에는 +0.4%인 범위에서도 경시변화에 따라 관리기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났는데, 이는 고성능AE감수제의 흡착 및 분산작용의 매커니즘이 시멘트의 종류에 따라 다르기 때문이다.

따라서 민감도 시험 결과를 고려하여 고성능AE감수제의 사용량의 변동폭은 KS F 4009에 제시된 허용값(3%이내)을 고려하여 기준량±0.2%의 범위에서 현장 품질관리를 실시하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.

3.5 석회석 미분말의 분말도에 따른 영향 분석

일반적으로 자기충전 콘크리트에 석회석 미분말을 분체로 사용하면, 콘크리트 온도상승의 억제, 점도증진 및 재료분리 저항성의 개선에도 효과적인 것으로 알려져 있다.⁷⁾ 벨라이트계 시멘트를 대상으로 석회석 미분말의 분말도(5000, 6000 및 8000cm²/g)에 따른 병용계 자기충전 콘크리트의 민감도 시험을 실시하였다.

3.5.1 석회석 미분말의 분말도에 따른 유동성

Fig. 21 및 22는 석회석 미분말의 분말도에 따른 슬럼프 플로우 및 500mm 플로우 도달시간의 측정 결과를 각각 나타낸 것이다.

석회석 미분말의 분말도가 증대할수록 점성이 매우 증대하기 때문에 상대적으로 슬럼프 플로우가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 미세입자의 충전효과 및 표면적 증대에 따른 구속수비의 영향으로 사료된다.

특히, 분말도 8000cm²/g의 경우에는 점성이 매우 강하기 때문에, 경시변화 60분부터 슬럼프 플로우의 관리기준(650±50mm)을 만족하지 못하였다.

Fig. 23은 석회석 미분말의 분말도에 따른 V형-깔대기 유하시간의 측정결과를 나타낸 것이다. 석회석 미분말의 분말도가 증가할수록 500mm 플로우 도달시간 및 V형-깔대기 유하시간은 증대하였으며, 이에 따른 점성의 증진효과가 매우 높은 것으로 나타났다.

특히, 분말도 8000cm²/g에서 유동성이 매우 감소되었고, 경시변화 60분부터 관리기준(10∼20 sec)을 벗어났다.

3.5.2 석회석 미분말의 분말도에 따른 충전성

Fig. 24는 석회석 미분말의 분말도에 따른 U형-box 충전성 높이의 실험 결과이다.

석회석 미분말의 분말도가 증대할수록 U형-box 충전성 높이는 감소되는 것으로 나타났다. 이는 콘크리트의 점성이 증대되어 간극통과성이 저하된 영향도 있지만, 입자표면적의 증대에 따른 유동성 감소의 영향도 있을 것으로 사료된다. 따라서 민감도 실험 결과 및 경제성을 고려하여 분말도 6000cm²/g를 사용하는 것이 바람직하다.

4. 결    론

병용계 자기충전 콘크리트의 현장 품질변동 요인의 영향에 관한 이 연구의 결론을 정리하면, 다음과 같다.

1)콘크리트의 온도변화는 분리저감제의 온도민감성에 따른 영향을 고려하여, 10～20℃범위에서 관리해야 하며, 여름철의 경우에도 30℃를 넘지 않도록 해야 한다.

2)잔골재의 표면수율은 유동성, 점성 및 재료분리 저항성, 강도특성에 영향을 미치기 때문에, ±0.6% 이내의 범위에서 엄격하게 관리해야 한다.

3)잔골재의 조립률은 점성 및 자기충전성에 큰 영향을 미치기 때문에, 2.6±0.2 범위에서 관리해야 한다.

4)고성능AE감수제의 사용량은 골재입자간의 맞물림 작용 등으로 유동성 및 재료분리 저항성에 영향을 미치기 때문에, 기준량의 ±0.2% 이내로 관리해야 한다.

5)석회석 미분말의 분말도는 점성, 재료분리 저항성, 안정성 및 경제성을 고려하여 6000cm²/g을 권장한다.