2.1 사용재료

모든 배합에서 사용된 시멘트는 밀도 3,150 kg/m³이며, 비표면적은 3,360 cm²/g의 KS L 5201(KATS 2016a)⁽⁸⁾의 규격을 만족하는 1종 보통포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)이다. Table 1에는 배합실험에 사용된 골재의 주요 물리적 특성을 나타내었다. BAA는 영흥화력발전소에서 건식공정을 통해 생산된다. BAA의 절건밀도는 잔골재 및 굵은 골재 각각 2.03 g/cm³와 1.73 g/cm³으로 NWA의 절건밀도 대비 각각 약 79 %와 67 % 수준이다. BAA의 혼합질량비 및 조립률은 KS F 2527(KATS 2018)⁽¹²⁾의 표준입도에 적합하도록 혼합비를 미리 검토하여 적용하였다. 적정 입도로 혼합된 잔골재의 조립률과 밀도는 각각 2.93 및 0.84 g/cm³이며 흡수율은 4.9 %이다. 굵은 골재의 조립률, 밀도 및 흡수율은 각각 6.58, 1.19 g/cm³ 및 6.1 %이다.

2.2 배합변수 및 양생조건

주요 실험 변수는 Table 2에 나타낸 바와 같이 BAA 잔골재 대비 천연 잔골재의 치환율($R_{S}$), BAA 굵은 골재 대비 천연 굵은골재의 치환율($R_{G}$) 및 양생온도이다. 이때, $R_{S}$는 0 %, 50 % 및 100 %로 변화하였으며, $R_{G}$는 0 % 및 100 %로 적용되었다. 양생온도 조건은 각각 20 °C, 40 °C 및 60 °C이다. 표준양생온도 20 °C 배합은 전 재령에서 20 °C로 양생되었으며, 이 조건의 시험체들은 각 배합에서의 기준 시험체로 간주된다. 양생온도 40 °C 및 60 °C 배합은 기존 PC의 양생조건을 고려하여 각각 480 °C･hr와 720 °C･hr 범위에서 고온 양생을 실시한 후 20 °C로 변화하였다. 모든 시험체는 믹싱 직후 3시간의 전치시간을 두었으며, 상대습도는 60±5 %를 유지하였다(Fig. 1). Table 2에 나타난 시험체 명에서 첫 번째 및 두 번째 숫자는 $R_{S}$와 $R_{G}$를 각각 의미한다. 예를 들어 시험체 0-0는 바텀애시 잔골재 100 %, 바텀애시 굵은골재 100 %인 콘크리트 배합이며, 시험체 100-0는 천연모래 100 %, 바텀애시 굵은골재 100 %인 콘크리트 배합이다.

2.3 배합 및 측정방법

배합 전 BAA는 높은 흡수율의 영향을 최소화하기 위해서 72시간의 프리웨팅(prewetting)을 실시하였으며, 48시간동안 그늘에서 건조 후 콘크리트 배합 직전 함수율 측정을 통하여 표면수를 보정하였다. BAA 콘크리트 배합은 골재의 건비빔 후 시멘트를 넣어 3분 동안 건비빔을 진행한 이후 습비빔을 하였다.

Fig. 1. Typical curing temperature profile up to 1 day

굳지 않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량은 각각 KS F 2402 (KATS 2017a)⁽¹⁰⁾ 및 KS F 2421(KATS 2016b)⁽⁹⁾에 따라 측정하였다. 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405(KATS 2017b)⁽¹¹⁾에 따라 $\phi$100 mm×200 mm 공시체를 이용하여 재령 1, 3, 7, 28, 56 및 91일에 측정하였다. 콘크리트의 단위용적중량($\rho_{c}$)은 재령 28일 시험체를 100±5 °C의 온도에서 질량변화가 없을 때까지 건조시킨 후 질량과 부피 측정을 통하여 산정하였다.

3.1 28일 압축강도

Table 3에는 각 재령에서 측정한 BAA 콘크리트의 압축강도를 나타냈으며, Fig. 2에는 양생온도와 배합에 따른 BAA 콘크리트의 재령 28일 압축강도 발현율$[f_{ck}/f_{ck(20^{\circ} {C})}]$을 나타냈다. 여기서 $f_{ck}$는 각 배합의 재령 28일 압축강도이며, $f_{ck(20℃)}$는 표준양생온도가 적용된 기준 시험체의 28일 압축강도이다. 초기 12시간 동안 40 °C에서 양생된 시험체의 $[f_{ck}/f_{ck(20^{\circ} {C})}]$은 $R_{G}$=0 %인 배합에서 $R_{S}$가 0 %, 50 % 및 100 %로 증가함에 따라 각각 1.01, 1.02 및 1.02이었으며, $R_{G}$=100 %인 배합은 $R_{S}$가 0 % 및 100 %일 때 각각 1.02 및 1.03이었다. 초기 8시간 동안 60 °C에서 양생된 시험체의 $[f_{ck}/f_{ck(20^{\circ} {C})}]$은 $R_{G}$=0 %일 때 $R_{S}$가 0 %, 50 % 및 100 %로 증가할수록 각각 1.02, 1.04 및 1.08이었으며, $R_{G}$=100 %인 경우 $R_{S}$가 0 % 및 100 %로 변화함에 따라 각각 1.05 및 1.06이었다. 초기 12시간 동안 60 °C에서 양생된 시험체의 $[f_{ck}/f_{ck(20^{\circ} {C})}]$은 $R_{G}$=0 %일 때 $R_{S}$가 0 %, 50 % 및 100 %로 변화함에 따라 각각 1.06, 1.08 및 1.09이었으며, $R_{G}$=100 %에서 $R_{S}$가 0 % 및 100 %로 일 때 각각 1.10 및 1.13이었다. 따라서 $[f_{ck}/f_{ck(20^{\circ} {C})}]$은 초기 12시간동안 60 °C에서 양생된 시험체가 가장 높았으나, PC BAA 콘크리트에서의 생산성과 경제성을 고려할 시 초기 8시간 60 °C의 양생방법이 추천될 수 있다. 한편 BAA 콘크리트의 28일 및 91일 압축강도에 대한 재령 1일까지의 양생온도 영향은 $\rho_{c}$가 2,000 kg/m³ 이하에서 미미하였으나, 그 이상에서는 재령 1일까지의 성숙도$[t_{T(1)}]$ 값이 클수록 현저하였다.

Fig. 2. 28-day compressive strength of concrete

3.2 압축강도 발현

일반적으로 BAA를 비롯해 경량골재(lightweight aggregate, LWA)를 적용한 콘크리트는 구조물의 고정하중 감소를 통한 수직･수평 부재의 단면 저감을 통해 건축물 내부 활용공간의 증가와 구조물의 밑면전단력 감소에 효과적인 반면, 높은 다공성과 낮은 밀도 등은 BAA 콘크리트의 단점으로 지적될 수 있다. 이 연구는 BAA의 단점을 보완하기 위해서는 양생온도의 영향이 중요하다.

Fig. 3에는 재령에 따른 BAA 콘크리트의 압축강도 발현율$[f_{c}(t)/f_{ck}]$을 나타내었는데, 여기서 $f_{c}(t)$는 재령$(t)$에서 측정된 압축강도를 나타내며 이를 $f_{ck}$로 무차원 하여 각각의 재령에 따라 강도발현율을 비교하였다. 동일 그림에는 비교를 위해 $fib$ 모델에서 제시하는 경량골재 콘크리트의 강도발현 예측 모델을 나타내었다.

전 재령에서 20 °C로 양생된 기준 시험체의 평균$[f_{c}(t)/f_{ck}]$은 1일, 3일 및 7일에서 각각 0.32, 0.65 및 0.72로 나타났다. 배합에 따른 초기 1일에서의 $[f_{c}(t)/f_{ck}]$은 $R_{G}$=0 %인 콘크리트에서 $R_{S}$가 0 %, 50 % 및 100 %일 때 각각 0.32, 0.33 및 0.33이였으며, $R_{G}$=100 %에서 $R_{S}$0 % 및 100 %일 때 각각 12 %와 2 % 높았다.

초기 12시간 동안 40 °C에서 양생된 시험체의 평균$[f_{c}(t)/$$f_{ck}]$은 1일, 3일 및 7일에서 각각 0.42, 0.66 및 0.75로 나타났다. 배합에 따른 초기 1일에서의 $[f_{c}(t)/f_{ck}]$은 $R_{G}$=0 %인 콘크리트에서 $R_{S}$가 0 %, 50 % 및 100 %일 때 각각 0.42, 0.42 및 0.40이었으며, $R_{G}$=100 %에서 $R_{S}$가 0 % 및 100 %일 때 최대 3 % 높았다. 초0 %인 콘크리트에서 $R_{S}$가 0 %, 50 % 및 100 %일 때 각각 0.5, 0.6 및 0.61이었으며, $R_{G}$=100 %에서 $R_{S}$가 0 % 및 100 %일 때 최대 22 % 낮았다. 결과적으로 7일 이하 초기재령의 강도발현을 고려할 시 $R_{S}$나 $R_{G}$에 상관없이 대부분의 배합에서 초기 8시간 동안 60 °C에서 양생된 시험체가 유리한 것으로 판단된다.

Fig. 3. Typical compressive strength development of concrete cured under different temperature histories

$fib$ 모델($fib$ 2010, 2018)⁽⁵⁾에서는 LWA를 사용한 콘크리트의 압축강도 발현율에 대한 예측모델을 제시하고 있다. 이 모델을 적용한 경우 LWA 콘크리트의 재령별 $[f_{c}(t)/f_{ck}]$은 1일, 3일 및 7일에 각각 0.81, 0.9 및 0.95로 평가된다. 이는 실험값과 비교했을 시 상대적으로 매우 높은 값이며, $fib$ 모델이 양생온도 조건을 고려하지 않는다는 점에서 LWA 콘크리트의 초기 강도를 지나치게 과대평가하는 것으로 사료된다. 따라서 단순히 경량골재의 압축강도만 고려하여 콘크리트 압축강도 발현을 제시하는 $fib$ 모델식에서 초기 재령에서 양생온도의 영향을 고려하여 수정될 필요가 있다.

4.1 양생온도가 고려된 기본 모델식

재령과 온도의 함수로 나타내는 콘크리트의 성숙도$[t_{T(1)}]$산정 기법으로는 Nurse(1949)⁽¹⁷⁾의 함수로 알려진 적산온도방식과 Arrhenius식에 의한 등가재령방식 등이 대표적이다. 이 중 등가재령방식을 적용하고 있는 fib 모델은 콘크리트의 초기 양생온도 이력을 고려하여 다음 식(1)에 의해 평가하고 있다.

여기서, $\Delta t_{i}$와 $T(\Delta t_{i})$는 각각 임의의 양생온도 지속시간과 이때의 평균 양생온도를 나타낸다.

4.2 28 압축강도 평가모델

BAA 콘크리트의 $f_{ck}$는 재령에 따른 압축강도 발현을 평가하기 위한 기준이 된다. Lee et al.(2021)⁽¹⁴⁾은 다양한 주요변수에서 표준 양생된 BAA 콘크리트의 압축강도 모델식을 다음과 같이 제시하였다.

여기서, $f_{0}$와 $\rho_{0}$는 콘크리트의 압축강도와 단위용적중량의 참고 값으로서 각각 10 MPa 및 2,300 kg/m³이다. 초기 고온에서 양생된 BAA 콘크리트의 28일 압축강도에 대한 모델식은 식(2)를 참고로 초기 재령 1일까지의 양생온도 이력을 고려하였다. 초기 재령 1일까지의 성숙도 $[t_{T(1)}]$을 고려하여 실험결과를 회귀분석(Fig. 4)하면 PC BAA 콘크리트의 $f_{ck}$는 식(2)를 수정하여 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $f_{ck(pre)}$는 식(2)에 의한 값이며, $t_{0}$는 표준 양생온도(=20 °C)일 때의 성숙도 값이다. 식(3)에서 $\rho_{c}$가 고려된 것은 바텀애시 골재가 다공성으로서 열전달 효과가 천연골재에 비해 늦게 있음을 반영하기 위한 것이다.

4.3 양생온도가 고려된 압축강도 발현속도 상수의 모델링

$fib$ 모델에서는 콘크리트의 재령별 압축강도 발현율$[f_{c}(t)]$을 다음 식에 의해 평가하고 있다.

여기서, $S$와 $\alpha$는 각각 압축강도의 발현속도를 결정하는 상수이다. fib 모델에서는 재령에 따른 콘크리트의 압축강도 발현을 예측하기 위해 압축강도 발현속도 상수($S$)를 중요한 매개변수로 제시하며, $\alpha$ 값은 0.5로 고정하고 있다. 일반적으로 $S$는 시멘트의 종류 및 설계기준강도의 범위에 따라 0.2~0.38 범위가 제시되고 있으나, 강도발현 속도에 중요한 요인이 되는 양생온도의 영향인 $t_{T(1)}$의 개념을 적용하여 보완하였다. 실험결과로부터 각 변수를 분석한 결과 $\alpha$는 0.15~0.17의 범위로 평가될 수 있었다. 이들 값의 변화범위는 매우 작기 때문에 식(5)에서 $\alpha$는 0.15로 고정하고 각 배합에서 $S$값을 다시 산정하였다. 그 결과 $S$값은 0.85~1.60 범위에 있었다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 초기 고온양생의 BAA 콘크리트의 압축강도 발현은 콘크리트 배합 시 BAA 양 및 양생 온도에 의해 큰 영향을 받는다. 이들 영향변수를 고려하여 회귀분석하면 식(5)의 $S$는 다음과 같이 나타낼 수 있었다(Fig. 5).

Fig. 4. Regression analysis for $f_{ck}$ of BAA concrete cured under different temperatures at early age

Fig. 5. Regression analysis for $S$ in Eq. (5)

4.4 실험결과와의 비교

Fig. 6에는 초기 8시간 동안 60 °C에서 양생된 BAA 콘크리트의 압축강도 발현에 대한 실험결과와 예측값의 비교를 나타내었다. 이때 예측값은 식(2)~(6)을 이용하여 산정하였다. $fib$ 모델을 이용한 예측값에서 $f_{ck}$는 실험값을 이용하였다. 제안모델에 의한 예측된 28일 이전 및 이후의 압축강도 발현율은 실험결과와 매우 유사한 경향을 보였다. 반면, $fib$ 모델을 적용한 예측결과는 재령 28일 이전의 경우 실험 값 대비 평균 28 % 가량 높게 평가하고 있으며, 재령 28일 이후에는 평균 10 % 낮게 평가하였다.

Fig. 6. Typical comparisons of predicted compressive strength development and experiments for BAA concrete cured at 60 °C for early 8 h.

Table 4에는 재령별 압축강도에 대한 예측값과 실험결과의 비들의 평균($\gamma_{m}$), 표준편차($\gamma_{s}$) 및 변동계수($\gamma_{v}$)를 각각 나타내었다. $fib$ 모델에서는 BAA 콘크리트 압축강도 발현의 평가에 있어서 $\gamma_{m}$, $\gamma_{s}$와 $\gamma_{v}$는 재령 1일에서 각각 1.86, 0.14 및 0.07이었으며, 재령 3일에서는 각각 1.42, 0.25 및 0.17이었다. 재령 7일에서의 $\gamma_{m}$, $\gamma_{s}$와 $\gamma_{v}$는 각각 1.00, 0.08 및 0.08이며, 재령 91일에서는 각각 0.90, 0.02 및 0.02이었다. 즉, $fib$ 모델은 재령 1일까지 고온 양생된 BAA 콘크리트의 압축강도를 평가함에 있어서 초기 재령(1일, 3일 및 7일)에서는 과대평가 하였으며 장기재령(91일)에서는 과소평가하였다. 반면, 이 연구에서 수정한 모델을 적용하여 얻은 $\gamma_{m}$, $\gamma_{s}$와 $\gamma_{v}$는 재령 1일에서 각각 1.05, 0.06 및 0.05, 재령 3일에서는 각각 0.96, 0.11 및 0.12, 재령 7일에서는 각각 1.00, 0.08 및 0.08이며, 재령 91일에서는 각각 1.03, 0.03 및 0.03이었다. 즉, 제안 모델은 재령 1일까지 고온 양생된 BAA 콘크리트의 압축강도를 비교적 정확하게 예측하였다.