2.1 자성물질

고주파 유도자기장에 노출되었을 때 가열되는 재료는 자성을 지닌 물질이다. 콘크리트의 배합에 사용할 수 있는 자성 물질은 강섬유, 잔골재 대체제인 급냉 제강 슬래그, 자성나노입자(magnetic nanoparticle) 등이 있다. 본 연구에서는 콘크리트를 가열하기 위하여 콘크리트의 주요 성분 중 잔골재를 급냉 제강 슬래그(rapid-cooled steel slag, RCSS)로 치환하는 방식을 사용하였다. 급냉 제강 슬래그는 용융된 제강슬래그를 고속의 공기를 이용하여 급속 냉각시켜 제조되는 안정화된 분자구조를 가진 구형에 가까운 입형을 갖는 물질로서(Fig. 1) 잔골재를 대체하는 용도로 사용할 수 있으며 재료 물성치 및 화학 조성 범위는 Table 1과 Table 2에 나타냈다. 급냉 제강 슬래그의 화학성분 중 상당 부분이 Al2O3, Fe2O3, TiO2 등 자성을 띠는 물질로 구성되어 있으며 Fig. 2에서 확인할 수 있듯이 유도자기장 노출 시 가열되는 특성을 확인하였다. 또한 실험에 사용된 제강 슬래그의 조립률이 2.67로서 일반잔골재를 대체하기 적절한 입도분포를 갖는다.

Fig. 1 Rapid-cooled steel slag used in this study

Fig. 2 Temperature increase of RCSS by induction heating

2.2 배합 설계

실험을 위한 콘크리트 배합은 ^{ACI 211.1-91(2009)}의 방법에 기반하여 설계하였다. 설계 콘크리트의 강도는 30 MPa로 하였고 최대 골재 치수는 9.5 mm를 사용하였다. 작업성을 고려하여 슬럼프 150 mm로 하였으며 화학 혼화제에 의한 영향을 배제하기 위하여 공기연행제와 감수제는 첨가하지 않고 배합을 수행하였다. Table 3의 PS00은 대조군으로서 30 MPa의 설계강도를 갖는 배합이고 PS40은 실험군으로서 PS00의 배합비에서 총 잔골재 부피의 40 %를 급냉 제강 슬래그로 치환한 배합이다. 예비 실험을 통해 잔골재 치환율 10, 20, 30, 40 %에 따른 유도가열 효과를 검토하고 뚜렷한 온도 차이 및 역학적 특성 차이를 보이는 40 %를 본 실험의 치환율로 선정하였다. 콘크리트 배합에서 잔골재는 콘크리트 전체 부피의 34.1 %를 차지하고 있으므로 콘크리트 배합에 사용된 자성 물질의 부피는 콘크리트 부피의 13.7 %에 해당한다.

2.3 유도가열 장치 및 온도측정

원형 콘크리트 공시체의 유도가열 장치는 최대 1.8 kW의 용량을 갖고 있으며, 실제로 실험에 가해진 전압과 전류는 각각 51.0 V, 6.10~6.50 A로서 유도가열장치에 사용된 전력은 331.5 W였다. 콘크리트 공시체는 지름이 50 mm이고 높이가 100 mm인 원주형 공시체로 선정하였으며, 콘크리트 공시체에 고주파 유도자기장을 가하는 나선형코일은 외경 4.76 mm 구리관으로 만들어졌고 코일의 내부 지름은 대략 60 mm였다(Fig. 3).

일반적인 온도측정에 사용하는 열전대는 유도가열에 의해 발열할 수 있어 정확한 온도를 측정하는 것이 불가능하다. 따라서 본 실험에서는 유도가열 실험 중 콘크리트의 온도 변화를 측정하기 위하여 열화상 카메라(Flir One Pro)를 이용하여 시편의 상단 표면부를 일정 시간 간격으로 측정하여 실험 결과로 기록하였다. 보조적으로 비접촉식 적외선 온도계(DT8380 Thermometer Gun)를 이용하여 열화상 카메라로 온도를 측정할 수 없는 공시체 상단의 중앙지점에서의 온도를 측정하였고 열화상 카메라로 측정한 상부의 온도와 비교하면서 공시체가 균질하게 가열되는지를 살펴보았다(Fig. 4). 유도가열은 30분을 수행하였으며 온도측정은 초반 1분간은 10초, 그 이후 2분간 30초 간격으로 측정하였고 나머지 27분간은 1분 간격으로 열화상카메라 및 적외선 온도계를 이용하여 측정하였다.

Fig. 3 Induction heating system

Fig. 4 Temperature measuring devices: (a) Infrared camera and (b) Infrared thermometer gun

2.4 시험 시편 및 역학적 특성(압축강도, 탄성계수)

콘크리트 공시체는 KS F 2403^{(KATS 2019)}에 따라 제작하였다. 제작한 공시체는 타설 후 1일 뒤 탈형하여 23±2 °C에서 수중양생을 수행하였고 공시체에서 수산화칼슘용출을 막기 위하여 수산화칼슘(Ca(OH)$_{2}$, calcium hydroxide)으로 포화된 양생수를 사용하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 유도가열에 사용하는 나선형 코일 지름의 크기를 고려하여 실험에 사용한 콘크리트 공시체는 지름 50 mm, 높이 100 mm인 원형 공시체를 사용하였고 각 변수에 대하여 21개씩 제작하였다. 콘크리트 시편의 크기에 의한 효과(size effect)를 검토하기 위하여 지름 100 mm, 높이 200 mm인 원형 공시체를 추가로 각 변수에 대하여 12개씩 제작하여 압축강도와 탄성계수를 측정하였다.

Fig. 5 Concrete specimens: (a) 50×100 mm cylinder and (b) 100×200 mm cylinder

유도가열에 의한 콘크리트의 물성 변화를 측정하기 위하여 압축강도와 탄성계수를 KS F 2405^{(KATS 2017a)}와 KS F 2438^{(KATS 2017b)}에 따라 측정하였다. 각 공시체의 압축강도 변동성이 탄성계수에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 한 가지 공시체에 대하여 압축강도와 탄성계수를 동시에 계측하였다(Fig. 5). 이를 위하여 각 규정에서 제시되어있는 하중 재하 속도의 범위를 고려하여 하중 재하속도를 0.25 MPa/s가 되도록 하였다. 또한 세로 변형률을 측정하기 위하여 콘크리트용 변형률 게이지(PL-60, 측정 길이 60 mm)를 원통형 공시체의 중앙부에 좌우 대칭으로 부착하였고 그 평균값을 세로 변형률로 사용하였다. 모든 변수에 대해 최소 3개의 공시체를 이용하여 압축강도를 측정하고 탄성계수를 계산하였다.

3.1 온도 상승 경향

유도가열에 의한 급냉 제강 슬래그를 혼입한 콘크리트의 온도 상승 경향을 확인하기 위하여 열화상 카메라로 공시체의 상부 표면의 온도 세 지점(중앙 1개소, 중앙에서 대략 20 mm 떨어진 위치 2개소)을 측정하여 평균하였고 그 중 PS00과 PS40의 대표적인 표면온도 측정 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 여기서 공시체의 재령은 7일이었고 14일과 28일에 유도가열을 수행한 공시체의 온도측정 결과는 7일 결과와 동일한 양상을 보이기 때문에 별도로 제시하지 않았다. 예상했던 대로 PS40 공시체는 내부의 급냉 제강 슬래그가 유도자기장에 의해 가열됨에 따라 유도가열 시작 직전 22.0 °C에서 30분 유도가열 이후 65.3 °C로 43.3 °C 상승하였다. PS00의 경우 급냉 제강 슬래그가 함유되지 않았기 때문에 유도가열에 의한 온도상승은 이루어지지 않는다. 하지만 유도가열장치의 특성상 유도 자기장이 발생되는 코일이 시간이 지남에 따라 온도가 상승하였고 그에 따른 복사열에 의해 PS00 공시체의 온도가 상승하였다. 유도가열이 시작되기 직전 16.8 °C에서 유도가열 이후 42.1 °C로 25.4 °C 정도 온도가 상승하였다. 하지만 Fig. 7에 나타난 공시체 상부 표면의 온도분포를 볼 때 PS00의 온도 상승의 원인이 콘크리트 내부의 급냉 제강 슬래그의 가열 때문이 아닌 외부의 요인에 기인한 것으로 판단할 수 있기 때문에 콘크리트의 역학적 특성에는 영향이 없을 것으로 판단하였다. 이는 3.4장과 3.5장의 유도가열에 의한 압축강도 및 탄성계수 경향에서 확인할 수 있다.

Fig. 6 Temperature increase of PS00 and PS40 by induction heating

Fig. 7 Temperature distribution across top surfaces of PS00 and PS40 at the peak temperature

3.2 급냉 제강 슬래그 치환에 따른 역학적 특성 변화

유도가열에 의한 역학적 특성을 합리적으로 평가하기 위하여 우선 유도가열이 가해지지 않은 공시체에서 급냉 제강 슬래그의 치환에 따른 역학적 특성 변화를 평가하였다. 아래 Fig. 8과 Fig. 9는 유도가열을 가하지 않은 50×100 mm 크기로 제작한 PS00과 PS40 공시체의 재령에 따른 압축강도와 탄성계수를 비교한 것이다. Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 모든 재령에서 잔골재의 40 %를 급냉 제강 슬래그로 치환한 콘크리트(PS40)의 압축강도가 급냉 제강 슬래그를 사용하지 않은 콘크리트(PS00)의 압축강도보다 평균 46.4 % 높게 측정되었다. 이는 기존 연구결과에서 나타난 결과와 유사한 특성을 보이는 것으로 확인되었다^{(Cho et al. 2005; Kim et al. 2007; Kim and Bae 2009)}.

탄성계수도 압축강도와 마찬가지로 PS40의 경우가 PS00에 비해서 모든 재령에서 높게 측정되었다(Fig. 9). 특히 7일 탄성계수의 경우 PS00이 PS40의 대략 20 % 수준으로 나타났으나 재령이 증가함에 따라 탄성계수의 차이가 줄어드는 경향을 보인다. 다만, PS00 공시체의 경우 양생 초기 탄성계수 측정 실험에서 공시체의 표면에서 일부 시편에서 변형률 게이지가 쉽게 탈락되는 경향을 보이기 때문에 7일 탄성계수의 결과를 일반적인 경향이라 보기 어렵다.

Fig. 8 Compressive strength comparison of 50×100 mm specimens: PS00 and PS40 without induction heating

Fig. 9 Elastic modulus comparison of 50×100 mm specimens: PS00 and PS40 without induction heating

Fig. 10과 Fig. 11은 100×200 mm 크기로 제작한 PS00과 PS40 공시체의 압축강도와 탄성계수 경향을 나타낸 것이다. 공시체의 크기가 증가했지만 작은 크기의 공시체(50×100 mm)에서 나타난 것과 같은 경향이 뚜렷이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 비교하면 PS40의 경우 PS00에 비해서 압축강도는 평균 56.7 % 높고 탄성계수는 평균 40.0 % 높은 것을 확인할 수 있다. 여기서 50×100 mm 공시체에서 나타났던 초기강도에서 탄성계수의 차이가 크게 나타난 결과가 초기 재령 공시체 표면의 상태가 좋았던 100×200 mm 공시체에서는 나타나지 않았던 점을 통해 앞서 언급하였던 50 mm 공시체의 초기재령 낮은 탄성계수가 측정 오류에 의한 것임을 재확인할 수 있다.

Fig. 10 Compressive strength comparison of 100×200 mm specimens: PS00 and PS40 without induction heating

Fig. 11 Elastic modulus comparison of 100×200 mm specimens: PS00 and PS40 without induction heating

3.3 크기효과(size effect)

ASTM C192에 의하면 원주형 압축강도 공시체의 지름은 굵은 골재 최대 치수의 3배 이상 및 100 mm 이상으로 하여야 하지만 유도가열 장치의 코일의 크기의 제약 때문에 50 mm 지름의 원주형 공시체를 사용하였다. 콘크리트 시편의 작은 크기 때문에 발생할 수 있는 크기효과에 의한 실험 결과의 편견(bias)이 발생하는지를 확인하기 위하여 50 mm 및 100 mm 지름을 갖는 PS00, PS40 원형 공시체의 압축강도와 탄성계수를 비교하였다.

Fig. 12 Compressive strength of PS00: 50×100 mm cylinders and 100×200 mm cylinders

Fig. 13 Elastic modulus of PS00: 50×100 mm cylinders and 100×200 mm cylinders

Fig. 12와 Fig. 13은 PS00 배합을 사용한 공시체의 크기에 따른 압축강도와 탄성계수 경향을 나타낸 것이다. 압축강도에서는 공시체의 크기에 따른 효과가 거의 없는 것으로 나타났다. 하지만 탄성계수의 경우 3.2장에서 언급했듯이 초기 재령에서 50×100 mm 공시체의 표면이 쉽게 부서지는 경향을 보이면서 탄성계수가 100×200 mm 공시체에 비해 낮게 측정된 것을 확인할 수 있다. 하지만 재령 28일에서는 공시체가 충분히 양생되어 이러한 경향이 사라지는 것으로 판단된다.

Fig. 14와 Fig. 15는 PS40의 배합을 사용한 크기가 다른 공시체의 압축강도와 탄성계수의 경향을 나타낸 것이다. PS00의 경우와 다르게 PS40의 경우 100×200 mm 공시체에서 압축강도가 전반적으로 평균 20.2 % 높게 나타났다. 3.2장에서 확인한 바와 같이 급냉 제강 슬래그를 사용하는 경우 일반 배합에 비해 강도가 증가하는 경향을 보이는데 공시체의 크기가 큰 경우 그 효과가 더 큰 경향을 보인다. 여기서 특이한 점은 탄성계수의 경우 재령 7일과 14일에서는 공시체 크기에 상관없이 비슷한 경향을 나타내었고 재령 28일에서는 100×200 mm 공시체의 탄성계수가 14.2 % 높게 측정되었다.

일반적으로 공시체의 크기가 감소하면 강도가 증가하는 경향이 있다고 알려져 있다^{(Neville 1995)}. 하지만 본 실험에서는 공시체의 크기 증가시 공시체의 강도가 증가하는 경향이 나타났난 점이 특이하다. 하지만 제한된 실험 결과를 바탕으로 크기효과를 평가하는 것은 성급한 일반화의 오류를 범할 수 있고 또한 모든 시편에 사용된 재료, 제작과정, 양생과정 등이 동일했던 점을 감안하여 유도가열에 의한 효과를 평가하였다.

Fig. 14 Compressive strength of PS40: 50×100 mm cylinders and 100×200 mm cylinders

Fig. 15 Elastic modulus of PS40: 50×100 mm cylinders and 100×200 mm cylinders

3.4 유도가열에 의한 압축강도 경향

모든 공시체의 유도가열은 압축강도 및 탄성계수를 측정하기 직전(7일, 14일, 28일)에 수행되었고 모든 시편의 온도측정 결과는 Fig. 6과 유사한 경향을 보였다. 급냉 제강 슬래그가 들어있지 않은 PS00는 유도가열 코일에서 발생하는 복사열에 의해 공시체 표면의 온도가 상승하였다. 하지만 콘크리트 내부의 급냉 제강 슬래그가 가열되는 것에 의한 온도상승이 아니기 때문에 콘크리트 표면만이 가열되었고 그에 따라 콘크리트 자체의 압축강도에는 영향이 없을 것으로 예상하였다. PS00 공시체에 대한 압축 강도 실험 결과는 Fig. 16에 나타내었는데 예상대로 표면 가열이 된 공시체와 가열되지 않은 공시체의 압축강도는 차이가 없는 것으로 측정되었다.

Fig. 16 Compressive strength of PS00 specimens with and without induction heating

Fig. 17 Compressive strength of PS40 specimens with and without induction heating

PS40의 공시체의 압축강도는 초기재령(7일, 14일)에서 PS00과 마찬가지로 유도가열의 유무에 따라 유의미한 강도의 변화가 측정되지 않았다(Fig. 17). 하지만 재령 28일 공시체의 압축강도는 유도가열을 수행한 이후에 평균 15.3 % 감소되었다. 초기 재령의 콘크리트는 유도가열에 의한 강도 저감 효과가 크지 않지만 콘크리트의 수화 과정이 충분히 진행된 재령 28일의 콘크리트는 유도가열에 의한 급냉 제강 슬래그의 국소적인 가열이 압축강도의 저감을 유발하는 것으로 보인다. 하지만 가열 여부에 따른 표준편차를 고려한 강도의 범위를 고려할 때 추가적인 재현 실험을 통한 추가 검증이 필요하다. 향후 28일 이후의 수화과정이 충분히 진행된 콘크리트에 대하여 역학적 특성을 측정하고 급냉 제강 슬래그 치환율을 40 % 이상으로 하는 시편에 대한 역학적 특성에 대한 실험적 연구을 추가로 수행한다면 급냉 제강 슬래그의 국소적 가열에 대한 보다 정량적인 평가를 할 수 있을 것이다.

3.5 유도가열에 의한 탄성계수 경향

Fig. 18과 Fig. 19는 PS00과 PS40의 탄성계수를 측정한 값이다. PS00는 재령 7일의 콘크리트의 탄성계수는 유도가열을 수행한 경우(6,397 MPa) 유도가열을 수행하지 않은 경우(1,770 MPa)에 비하여 3.6배 높은 경향을 보이는데 3.2장에서 언급했듯이 공시체 제작의 오차에서 기인한 것으로 판단된다. 재령 14일과 28일에서는 탄성계수에 차이가 거의 없는 것으로 측정되어 유도가열장치 복사열에 의한 공시체 가열은 탄성계수에 영향을 주지 않는다고 할 수 있다.

PS40의 경우 모든 재령에서 유도가열을 수행한 공시체의 탄성계수가 11.9~21.0 % 정도 낮게 측정되었다. 급냉 제강 슬래그의 국소적인 가열에 의한 압축강도의 감소는 재령 28일에서만 나타났지만, 탄성계수의 감소효과는 모든 재령에서 나타났다.

Fig. 18 Elastic modulus of PS00 specimens with and without induction heating

Fig. 19 Elastic modulus of PS40 specimens with and without induction heating

3.6 고찰 및 향후 연구

본 연구에서는 제한된 배합과 재령에 대한 실험을 통해 급냉 제강 슬래그를 함유한 콘크리트의 유도가열에 따른 역학적 특성을 평가하였기 때문에 도출된 결론을 일반화하기에는 다소 무리가 있다. 단, 본 실험에서는 급냉 제강 슬래그를 함유하고 있는 콘크리트의 압축강도와 탄성계수는 유도가열을 수행함에 따라 감소하는 경향을 보인다. 하지만 급냉 제강 슬래그를 함유함에 따른 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수의 증가 효과가 유도가열에 의한 감소 효과에 비해 크기 때문에 결과적으로 급냉 제강 슬래그를 함유하는 콘크리트의 역학적 특성은 유도가열을 수행하더라도 일반 콘크리트에 비해 우수한 성질을 유지하는 것으로 본 연구에서 나타났다. 본 연구에서는 유도가열장치 코일의 크기 제약으로 지름 50 mm인 원주형 공시체를 실험에 사용하였다. 공시체의 크기가 역학적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 지름 100 mm인 원주형 공시체의 압축강도 및 탄성계수 실험 결과와 비교하였을 때 PS00의 경우 차이가 없었으며, PS40의 경우 크기가 증가할수록 압축강도 및 탄성계수의 증가 현상이 관찰되었는데 이는 투입된 급냉 제강 슬래그의 절대량이 증가했기 때문으로 사료된다.

앞에서 언급했듯 본 연구에서는 제한된 실험결과를 바탕으로 결론을 도출했기 때문에 결론을 일반화하기는 어렵다. 향후 급냉 제강 슬래그 함유량, 콘크리트 강도, 재령, 유도가열 적용방식의 다양화, 그리고 반복 가열 시 콘크리트의 역학적 특성 등 추가 실험을 통해 급냉 제강 슬래그를 함유한 콘크리트의 유도가열에 따른 역학적 특성에 대한 깊이 있는 이해를 도모하여, 현장적용을 위한 기반을 마련해 나갈 필요가 있다.