2.1 사용재료

이 연구에서는 굵은 골재의 종류가 콘크리트의 수축에 미치는 영향을 검토하기 위하여 사용한 굵은 골재는 총 4종류로서 천연 골재 2종 및 인공 골재 2종(Fig. 1)이다. 먼저 천연 골재로는 현재 국내에서 많이 이용되고 있는 대표적인 골재로서 석영 성분이 다수 포함되어 있어 콘크리트의 건조수축이 커질 가능성이 있는 사암(Graywacke, GR) 계통의 골재를 선택하였다. 또한, 이와 비교하기 위하여 생성과정에서 높은 압력을 받아 탄소분이 많이 남은 석회암(Limestone, LI)을 선택하였는데 이는 그간의 많은 연구 결과에서 콘크리트 건조수축의 제어가 가능하다고 판단되었기 때문이다(Ono and Shimomura 2005; Tanaka and Hashita 2009; Yamada and Katahira 2012). 다음으로 인공 골재로는 현재 천연 골재의 고갈로 인하여 대체 골재로 많이 사용되는 골재를 선정하고자 인공경량 골재 및 고로슬래그 골재를 이용하였다. 인공경량 골재(Artificial light weight aggregate, LA)는 제조과정에서 다수의 공극을 포함하여 높은 흡수성능을 나타내며 고로슬래그 골재(Blast furnace slag aggregate, BA)는 동일한 제조과정으로 공극을 가지고 있지만, 흡수성능이 천연 골재에 더 근접하는 특성이 있다(Ono and Shimomura 2005; Yamada and Katahira 2012).

Fig. 1. Appearance of used coarse aggregate

본 연구에서 사용된 굵은 골재의 주요한 물성치를 Table 1에 나타냈다. 먼저 4종류의 굵은 골재의 공극구조를 검토하였으며 이후 이를 사용한 콘크리트를 제작한 후 자기수축 및 건조수축변형을 측정하였다.

한편, 콘크리트의 배합은 Table 2에 그리고 굵은 골재 이외의 주요 사용 재료의 물성은 Table 3에 나타내었다. 표준 조립률이 잔골재의 경우 2.3~3.1, 굵은 골재의 경우 6~8이므로 본 연구에서 사용된 골재는 표준 조립률의 범위에 있어 입도는 양호한 것으로 판단된다.

2.2 시험방법

본 연구에서는 먼저 굵은 골재의 공극구조를 파악하기 위하여 수은반복압입법을 사용했다. 즉, 굵은 골재 중의 공극을 연속공극과 불연속 공극으로 구분하며 시험 데이터로부터 얻어진 직경 40 nm 이하의 공극을 정량화하여 골재의 공극구조에 관해 고찰하였다(Wittmann 1982; Pallere et al. 1989).

수은반복압입법은 기존의 수은압입법을 응용하여 측정시료에 수은의 압입과 배출 시, 압입압력을 단계적으로 증가시켜 반복 실시한 결과로부터 일정의 궤도를 그리는 곡선부를 연속공극으로 하고 단계적인 주입압력의 증가에 의해 분기하는 곡선부를 불연속 공극으로 분리유출이 가능한 측정방법이다(JSCE 1998; JIS 2011). 여기서, 불연속 공극이란 시료 중의 공기 기포나 수화진행에 의하여 멈춰진 모세관공극과 같은 물질의 저류 공간으로 되는 공극을 말한다.

그리고 콘크리트를 제작한 후 자기수축 및 건조수축 시험(Fig. 2, Fig. 3)을 하여 굵은 골재의 공극구조와 건습에 따른 체적변화를 통해 굵은 골재가 콘크리트의 수축에 미치는 영향에 관한 내용을 검토하였다(Tanaka and Hashita 2009; Yamada and Katahira 2012). 수은반복압입법(Fig. 4)은 기존의 수은압입법을 응용하여 측정시료에 수은의 압입과 배출 시, 압입압력을 단계적으로 증가시켜 반복한 결과로부터 일정의 궤도를 그리는 곡선부를 연속공극과 단계적인 주입압력의 증가로 분기하는 곡선부를 불연속인 공극으로 분리하여 측정하였다(Tanaka and Hashita 2009).

Fig. 2. Autogenous shrinkage test setup

Fig. 3. Drying shrinkage test setup

Fig. 4. Mercury repeat indentation test setup

본 연구에서는 유사한 배합조건에서 골재의 종류에 따른 검토를 하고자 실험의 계획을 세웠다. 따라서 굵은 골재의 입경분포의 차이가 측정치에 주는 영향을 최소화하기 위하여 굵은 골재의 조립률을 통일하여 콘크리트를 제작하였으며 또한 슬럼프 및 공기량의 조정은 고성능 AE 감수제에 의하여 이루어졌다.

굳기 전 상태의 콘크리트 시험 종료 후, 즉시 100×100×400 mm의 콘크리트 각주 시험체를 제작하였고 동시에 ø100 × 200 mm의 압축강도 시험체를 제작하였으며 목표 배합강도는 30 MPa로 하였다(Yoo et al. 2004; Ko et al. 2006).

자기수축변형의 측정은 콘크리트의 자기수축시험방법(KS F 2586(KATS 2010))에 의하여 시행하였으며 콘크리트 각주 시험체의 길이 측정은 모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험(KS F 2424(KATS 2015))에 의하여 시행하였다.

3.1 콘크리트의 물성시험 결과

제작한 콘크리트의 물성시험 결과를 Table 4에 나타내었다. 측정 결과, 천연 골재를 사용한 콘크리트의 경우는 목표 슬럼프에 거의 근접한 결과를 나타냈다. 인공경량 골재의 경우, 높은 흡수율로 인하여 슬럼프의 저하가 우려되므로 프리웨팅한 후 콘크리트 배합에 사용하였는데 이 방법을 실시하였음에도 천연 골재보다 유동성의 저하가 나타났다. 한편, 공기량의 경우는 골재별로 큰 차이가 없었다.

압축강도는 천연 골재 콘크리트의 경우, 목표강도를 만족하였으나 인공 골재 콘크리트의 경우 골재가 가지고 있는 물성의 한계 상 낮은 강도를 나타내었다.

3.2 수은반복압입법에 의한 공극 측정 결과

수은반복압입법에 의한 공극 측정 결과를 Table 5 및 Fig. 5에 나타내었다.

이들로부터 인공 골재인 LA 및 BA에 불연속 공극의 존재가 확인되었다. 특히 LA는 다른 굵은 골재에 비하여 불연속 공극량이 매우 크고 높은 함수성능이 있었다.

한편, 천연 골재인 GR 및 LI는 불연속 공극의 존재는 확인되지 않았다. 이러한 내용으로부터 불연속 공극의 유･무로 천연 골재와 인공 골재를 구분해도 됨을 알 수 있었다. 천연 골재는 장기적인 세월 동안 형성되었기 때문에 내부공극이 밀실하여 불연속 공극이 발생하기 어려울 것으로 판단된다.

이에 비해 인공 골재는 제조 과정상 소성 및 급냉 공정이 필요하며 이 과정은 천연 골재의 형성과정보다 훨씬 짧으므로 밀실한 공극의 형성이 어려우며, 따라서 불연속 공극이 발생하기 쉬운 구조로 되기 때문으로 판단된다.

일반적으로 연속공극은 공극의 크기가 단계적으로 되어있기 때문에 공극 내부의 물질이동이 부드럽게 진행되며 불연속 공극은 기포나 수화진행에 의하여 멈춰진 모세관공극과 같은 물질의 저류 공간으로 되는 공간을 의미하여 허용량을 초과하는 물질의 이동이 억제되는 특성이 있다(Ono and Shimomura 2005; Tanaka and Hashita 2009). 본 연구에서는 시험의 정도 향상을 위하여 압입압력을 적정하게 증가시켰는데 일반적으로 메소적 영역과 매크로적 영역의 경계 부근으로 정의된 직경 40 nm 이상의 공극이 측정 대상이 되도록 설정하였다(Obata et al. 2010).

한편, 연속 공극량도 천연 골재와 인공 골재에 따라 다른결과를 나타내었다. 인공 골재인 BA와 LA는 0.03 mg/l를 밑도는 정도의 연속 공극량이 확인되었으나 천연 골재인 GR와 LI는 모두 0.004 mg/l 정도의 연속 공극량을 나타내어 인공 골재보다 10배 정도 작게 나타났다.

인공 골재는 불연속 공극량은 물론 연속 공극량도 천연 골재에 비해서 크기 때문에 본질적으로 공극량이 많고 내부는 거친 구조로 되어있는 것이 관찰되었다. 천연 골재인 GR와 LI는 불연속 공극의 존재가 확인되지 않았으며 연속 공극량도 거의 유사한 경향을 나타내므로 세공 직경 40 nm 이상의 공극에서는 공극 구조에 두드러진 차이가 확인되지 않았다.

기존 연구(Ayano and Wittmann 2002; Johannesson and Janz 2002; Lee and Park 2008)에서 콘크리트의 건조수축에 미치는 영향은 상대적으로 사암이 크고 석회암은 작게 나타난 것을 고려한다면 세공 직경 40 nm 이상의 공극은 콘크리트의 건조수축에 미치는 영향이 적다고 판단된다.

3.3 자기수축 시험 결과

재령의 경과에 따른 콘크리트의 자기수축변형에 대한 시험 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 경량골재 콘크리트인 LAC는 재령 56일에 대한 자기수축변형이 100 마이크로 이하이며 이는 기존의 연구 결과(Bentur et al. 2001)와 유사한 경향을 나타냈다.

BAC 역시 LAC와 같은 정도의 자기수축량을 나타냈다. 인공 골재에는 불연속적인 공극이 존재하기 때문에 굵은 골재 내부의 수분 이동이 제약을 받게 되어 시멘트 페이스트로의 수분 공급이 비교적 장기에 걸쳐 계속되는 것이 예상된다. 그리고 경량골재는 천연 골재보다 흡수율이 매우 높으므로 골재 내부에 많은 수분이 존재하며 이 수분이 시멘트 페이스트에 공급되므로 콘크리트 내부의 건조 상태가 완화되기 때문에 자기수축변형이 저감되었다고 판단된다(Mehta and Monteiro 2006).

한편, 고로슬래그의 흡수율은 천연 골재에 비해 크지만, 그 정도가 경량골재보다 1/9 정도로 작아 수분을 다수 포함하고 있다고는 할 수 없다(Obata et al. 2010). 그러나 결과적으로 BAC와 LAC의 자기수축변형이 유사한 수준으로 되었기 때문에 굵은 골재의 수분량과 콘크리트의 자기수축 변형량과의 상관관계는 본 연구의 범위에서는 명확하게 확인되지 않았다.

Fig. 6. Results of autogenous shrinkage test

또한, BAC의 자기수축변형이 재령에 따라 커진다는 기존(Yamada and Katahira 2012)의 연구 결과와 본 연구 실험의 결과는 서로 다른 경향을 나타내고 있는데 이는 고로슬래그가 콘크리트의 자기수축에 미치는 영향에서 자체의 수분보다는 분말도의 차이에 따른 가능성이 크기 때문으로 판단된다(Yoo et al. 2004).

천연 골재인 GR와 LI를 사용한 콘크리트인 GRC와 LIC의 자기수축변형은 인공 골재를 사용한 경우보다 컸다. 이것은 천연 골재 내부의 공극은 연속 공극으로 구성되어 있어 흡수량이 인공 골재에 비해 작기 때문으로 판단된다. 천연 골재 콘크리트 간에는 재령의 증가에 따라 다소의 차이가 발생하였지만 대략 비슷한 정도를 나타내었다. 즉, 천연 골재의 종류에 따른 콘크리트의 자기수축변형의 차이가 본 연구에서는 확인되지 않았다.

상기의 측정 결과로부터 자기수축변형은 천연 골재와 인공 골재에서 서로 다른 결과를 나타냈으며 이는 수은반복주입법에 의한 불연속 공극의 유･무로 설명할 수 있다. 즉, 불연속 공극을 가진 인공 골재는 자기수축변형이 작고 불연속 공극을 갖지 않는 천연 골재는 자기수축변형이 커지게 되는 결과가 확인되었다. 이로부터 기존의 연구에 의해 지적된 인공경량 골재가 콘크리트에 미치는 자기수축 저감 효과는 굵은 골재 중의 불연속 공극의 존재와 매우 밀접한 관계에 있다고 결론 내릴 수 있다(Loukili et al. 2000).

불연속 공극을 포함한 굵은 골재를 표건 상태로 사용한 경우, 콘크리트의 혼합 개시와 동시에 콘크리트 중의 수분은 시멘트의 수화반응에 소비된다. 이 경우, 콘크리트 내부 굵은 골재에 포함된 수분은 혼합수의 소비에 따라 시멘트 페이스트에 공급되는 것으로 사료된다. 이후 시멘트 수화반응의 경과에 따라 콘크리트의 경화가 진행되지만, 일반적으로 시멘트 등의 결합재량이 큰 고강도 콘크리트 경우에는 혼합수가 적은 것과 함께 시멘트의 수화반응에 소비된 수분도 다량으로 되는 것으로부터 콘크리트의 내부는 겉보기 건조 상태가 되어 자기수축 변형이 발생한다고 판단된다(Mindess 2000).

그러나 인공 골재가 가지는 불연속 공극은 불연속적인 공극이기 때문에 굵은 골재 내부의 수분 이동이 제약을 받게 되어 시멘트 페이스트로의 수분 공급이 비교적 장기에 걸쳐 계속되는 것이 예상되며, 따라서 콘크리트 내부가 건조 상태로 되기 어려워 콘크리트의 자기수축이 저감하는 것으로 생각된다.

천연 골재는 모두 불연속 공극을 갖지 않고 있으나 세공 직경 40 nm 이하의 공극량에서는 많은 차이를 나타냈다. 이러한 내용으로부터 굵은 골재 중의 40 nm 이하의 공극량은 콘크리트의 자기수축변형에 큰 영향을 주지 않는다고 할 수 있는데, 천연 골재의 경우, 인공 골재보다 흡수율이 낮아 내부 수분의 공급이 부족하므로 자기수축이 증가하는 경향이 있으며 특히 공극 직경 40 µm 근방은 메소 공극 영역으로서 데이터 취득의 불안정성이 존재하기 때문으로 추후 연구에서 이에 관한 결과의 보완이 필요할 것으로 판단된다.

3.4 건조수축 시험 결과

Fig. 7에는 콘크리트 각주 시험체를 이용하여 건조수축변형을 얻은 시험 결과를 나타내었다.

Fig. 7. Results of drying shrinkage test

건조기간 49일(재령 56일)에 대한 최종적인 건조수축변형은 골재 자체의 흡수율과 직접적인 관계를 나타내어 인공경량 골재를 사용한 LAC가 가장 컸으며 GRC, BAC 및 LIC의 순으로 나타났다.

건조수축변형이 가장 높은 LAC는 다른 골재를 사용한 콘크리트보다 2배 정도의 큰 변형을 나타내었는데 이 경우를 건조수축 변형에 대한 조치없이 실구조물에 활용할 경우 문제를 유발할 가능성이 클 것으로 판단된다.

천연 골재인 GR와 LI는 모두 불연속 공극을 갖지 않아 세공 직경 40 nm 이상의 연속 공극량도 같은 정도이지만 세공 직경 40 nm 이하의 공극량은 GR의 경우가 컸다(Table 5). 이것으로부터 GR와 LI를 사용한 콘크리트의 건조수축변형의 차이에는 직경 40 nm 이하의 공극량이 영향을 준 것으로 판단된다(Lee 1996). 또한, 공극 직경 40 nm 이하의 공극량이 많은 GR은 LI보다 비표면적 및 건조에 따른 골재의 건조수축이 크기 때문에 콘크리트의 건조수축변형도 커진 것으로 생각된다.

한편, 천연 골재인 사암을 사용한 GRC는 재령 초기부터 다소 빠른 변형이 진행되나 건조기간 14일 정도부터는 변형의 진행이 감소하나 42일부터는 증가하여 곡선의 구배가 급격하게 되었다.

LIC와 BAC는 대체로 같은 모양의 변형곡선을 나타냈으나 건조기간 42일 이후 LIC 변형의 진행은 거의 정지된 것에 비하여 BAC는 건조기간 42일 이후도 변형은 진행되어 곡선의 구배는 GRC와 유사했다.

BAC는 불연속 공극을 가지고 있기 때문에 재령 초기부터 굵은 골재 내부의 수분이 시멘트 페이스트에 공급되는 것으로 예상된다. 이 때문에 콘크리트의 건조수축에 가장 큰 영향을 미치는 시멘트 페이스트의 건조수축이 완화되어 콘크리트의 건조수축이 LIC 정도로 작게 나타난 것으로 판단된다.

그러나 건조기간 49일 정도에서 불연속 공극에 포함된 수분의 공급이 종료되면 이후는 연속공극에 포함된 수분의 공급이 개시되기 때문에 건조기간 후반부에서는 세공 직경보다 작은 공극에 포함된 수분이 시멘트 페이스트에 공급된 것으로 사료된다(Ribeiro et al. 2006).

즉, BAC와 GRC의 세공 직경 40 nm 이하의 공극량은 대체로 같은 정도이기 때문에 시멘트 페이스트에의 수분 공급량은 대략 같은 정도로 예상되어져 건조기간 49일 이후의 BAC와 GRC의 변형곡선의 구배는 같은 정도로 나타난 것으로 판단된다.