2.1.1 결합재

콘크리트 실험에 사용한 결합재는 포틀랜드시멘트 1종과 화력발전소의 플라이애시 2종을 사용하였다.

2.1.2 골재

잔골재는 바다모래와 부순 모래를 혼합 사용하였으며, 굵은 골재는 경량골재와 천연 골재를 사용하였다. 경량골재는 화력발전소에서 발생하는 석탄재를 원료로 제조한 최대치수가 20 mm이며, 함수상태를 달리하기 위하여 동일한 골재를 수분이 없는 절대건조(絕對乾燥) 상태(oven dried, 이하 절건)와 프리웨팅을 실시하여 수량을 갖고 있는 대기건조(大氣乾燥) 상태(air dried, 이하 기건)로 분류하였다. 실험에 사용한 골재의 품질은 Table 1과 같다.

경량골재는 프리웨팅을 실시하면 높은 함수율을 가지지만, 자연적인 상태에서는 흡수율만큼의 함수량을 갖기 어렵다. 콘크리트 실험을 위하여 절건 상태는 경량골재를 100 °C의 오븐에서 24시간 이상 건조시켜 상온에서 방치한 후에 콘크리트 실험에 사용하였다. 기건 상태는 골재에 물을 뿌리고, 24시간 방치 후에 사용하였으며, 콘크리트 비빔 직전 경량골재의 함수율은 12.3 wt.%로 측정되었으며, 흡수율보다는 낮았다.

2.1.3 화학 혼화제

결합재 분산과 유동성을 확보하기 위한 화학 혼화제는 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다.

3.2.1 상대동탄성계수

천연골재 배합은 300 사이클까지 큰 변화없이 상대동탄성계수가 유지되었으나, 경량골재 콘크리트는 일부 배합을 제외하고는 300 사이클을 유지하는 데에는 매우 취약하였다. 이러한 결과는 경량골재가 많은 공극을 가지고 있어 그 내부에 있는 수분의 동결과 융해에 따라 나타난 결과로 판단된다. KS에서는 상대동탄성계수가 60 % 이하일 경우 시험을 중단하는 것으로 되어 있으나, 본 실험에서는 측정 가능한 사이클까지 시험을 진행하였다.

Fig. 1. Relative dynamic modulus of concrete

Fig. 1과 같이 경량골재 콘크리트의 상대동탄성계수는 초기에 급격하게 감소하여 a50, a60, o65은 60사이클 후에 각각 8.0, 52.0, 20.3 %로 측정되어 시험을 중단하였고, 300 사이클까지 건전한 상태의 시험체로 유지한 배합은 a55와 a65 2 배합뿐이었으며, 이는 제조 직후의 공기량이 높았던 것에 원인이 있는 것으로 판단되지만 뚜렷한 경향은 없었다. 그 외의 배합도 300 사이클 후의 상대동탄성계수는 11.7 %에서 40.9 %로 동결융해에는 매우 취약하였다.

천연골재 배합은 상대동탄성계수가 모두 우수하였으나, n45 시험체는 300 사이클에서 상대동탄성계수가 40.5 %로 다른 배합보다 낮았다. 이는 콘크리트 제조직후의 공기량이 4.3 %로 다른 배합보다 낮아 이러한 결과가 나타난 것으로 분석된다(Park 2008)⁽⁹⁾.

3.2.2 질량변화율

Fig. 2는 동결융해시험에 따른 동탄성계수와 함께 측정한 질량변화율을 나타낸 것이다.

경량골재 배합의 질량변화율은 시험완료 후에 89.8 %에서 99.4 %의 범위로 남았다. 경량골재의 함수상태와는 무관하게 경량골재 콘크리트는 천연골재 콘크리트와 비교하여 질량손실이 많았으며, 상대동탄성계수와 동일하게 기건 경량골재를 사용한 배합의 질량감소가 크게 나타났다. 동결융해시험 완료 후에 측정한 질량변화율은 기건 경량골재 배합이 89.8 %에서 93.4 %, 절건 경량골재 배합은 94.0 %에서 99.4 %로 손실이 큰 값이었다.

천연골재를 사용한 배합의 질량변화율은 300 사이클까지 큰 감소없이 시험완료 후에는 97.1 %에서 98.5 %로 콘크리트의 W/B와 비례하였다. 즉 W/B가 낮은 0.45 배합이 가장 적었으며, 이후 W/B가 증가함에 따라 질량손실도 비례하여 0.65 배합이 가장 큰 97.1 %로 측정되었다.

Fig. 3은 동결융해시험 종료 후에 대표적인 열화형태를 나타낸 것이다. 시험체 표면에 미세한 균열이 발생하였으며, 균열을 따라 시멘트 페이스트나 골재가 떨어지는 현상이 발생하였다. 따라서 상대동탄성계수가 많이 감소한 배합에서는 동결융해에 대한 저항성을 높이는 방안을 마련하여야 할 것으로 나타났다.

Fig. 2. Ratios of mass change

3.3.1 탄산화깊이

Fig. 4는 골재 종류에 따른 콘크리트의 재령별 탄산화깊이를 나타낸 것이다.

탄산화시험 결과, 경량골재 배합보다는 천연골재를 사용한 배합의 탄산화깊이가 더욱 크게 나타났다. 일반적으로 경량골재는 밀도가 낮고, 내부 공극으로 인하여 CO$_{2}$의 침입에 취약할 것으로 판단하였으나, 경량골재를 사용함에 따라 경량골재의 함수율이 흡수율보다는 낮기 때문에 배합수를 흡수함에 따라 W/B가 낮아져 콘크리트 내부가 밀실해진 것에 그 원인이 있는 것으로 판단된다.

Fig. 3. Deterioration by freezing and thawing

Fig. 4. Carbonation depths of concrete

세부적으로는 CO$_{2}$ 노출기간 26주까지 기건 경량골재 배합의 탄산화깊이는 3.96 mm에서 30.7 mm, 절건 경량골재 배합이 2.08 mm에서 20.8 mm, 그리고 천연골재 배합은 6.43 mm에서 36.1 mm로 측정되어 천연골재 배합의 탄산화깊이가 가장 컸으며, 기건 경량골재, 절건 경량골재의 순서로 낮게 측정되었다.

Table 4는 탄산화노출 재령 4주에 측정한 탄산화 형상을 나타낸 것으로, W/B 증가에 따라 뚜렷하게 깊어졌으며, 경량골재 배합보다는 천연골재 배합이 높았다.

3.3.2 탄산화속도계수

Fig. 5는 콘크리트의 탄산화깊이를 바탕으로 산정한 탄산화속도계수를 나타낸 것이다. 앞선 설명과 같이 이산화탄소에 노출시킨 초기재령에서는 탄산화가 급격하게 진행되었으나, 이후 재령이 경과함에 따라 탄산화깊이는 다소 둔화되어 완만하게 증가하였다.

이렇게 산정된 탄산화속도계수는 탄산화깊이와 동일하게 천연골재 배합이 높은 값이었으며, 기건 경량골재, 그리고 절건 경량골재 배합도 적은 값이었다. 초기재령에는 탄산화가 급격하게 진행되어 탄산화속도계수가 큰 값이었으나, 재령경과에 따라 지속해서 감소하였다.

기건 경량골재 배합의 탄산화속도계수는 재령 1주에 1.18 mm/week^0.5에서 10.6 mm/week^0.5였으나, 재령경과에 따라 지속적으로 감소하여 재령 26주에는 0.78 mm/week^0.5에서 6.02 mm/week^0.5로 산정되었다. 절건 경량골재 배합은 탄산화깊이가 기건 경량골재 배합보다 적어 재령 1주에 0.50 mm/week^0.5에서 5.43 mm/week^0.5였으며, 재령 26주에는 0.41 mm/week^0.5에서 4.08 mm/week^0.5로 산정되어 전체적으로 탄산화깊이가 낮게 측정됨에 따라 탄산화속도계수 또한 적은 값으로 산정되었다. 천연골재 배합은 재령 1주에 2.87 mm/week^0.5에서 12.1 mm/week^0.5로 산정되었고, 재령 26주에는 지속해서 감소하여 1.26 mm/week^0.5에서 7.09 mm/week^0.5로 산정되어 기건 경량골재 배합의 탄산화속도계수와 유사한 값으로 산정되었다.

Fig. 5. Coefficients of carbonation

따라서 초기재령에는 탄산화가 급격하게 진행되었으나, 시간경과에 따라 이산화탄소가 내부로 침투하는 데에는 시간이 소요되었으며, 골재의 종류와 함수상태보다는 W/B가 탄산화에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 절건 경량골재 배합은 골재가 콘크리트의 배합수를 가장 많이 흡수함에 따라 W/B가 실제 배합설계의 값보다 감소하여 탄산화저항성이 높아진 것으로 판단된다.