1.1 연구의 목적

세계는 지금 기후변화로 인한 환경파괴와 자원고갈 위기 에 직면해 있다. 특히 CO₂로 인한 기후변화 문제는 다양한 재해를 유발하는 것은 물론 생태계의 파괴, 인류생존의 위협 으로 나타나고 있다.

건축자재 중 콘크리트를 구성하는 중심재료인 시멘트는 2010년 전 세계의 시멘트 생산량이 약 28억 톤으로 조사되 고 있으며, 2050년에는 전 세계 시멘트 생산 예상량은 약 56 억 톤으로 추정되고 있다 (^{Park, 2010}). 그리고 건설산업에 서 발생하는 CO₂는 전 세계 CO₂ 발생량의 8%를 차지하고 있으며, 그 중 시멘트의 생산 시 5%가 발생되며, 콘크리트 제조 및 시공 시 3%가 발생된다고 연구되고 있다. 시멘트의 1 톤을 생산할 때 CO₂ 발생량은 총 1.2 톤이며, 이 중 석회 석 광산에서 채석 후 시멘트 공장의 운반까지 약 550 kg, 석 회석의 소성에너지 약 300 kg, 시멘트 운반, 레미콘 제조 및 시공과정 약 350 kg이 발생되고 있다 (^{J. S. Damtoft, 2007}). 이러한 측면에서 현재까지 사용하고 있는 포틀랜드시멘트가 환경에 미치는 영향을 해결하기 위해 새로운 결합재의 개발 이 필요하다 (^{Gweok et al., 2007}; ^{Djwantoro, 2010}; ^{Son, 2009}; ^{Yang et al., 2007}). 최근 국내·외에서 시멘트의 이 산화탄소 발생량을 저감하기 위하여 산업부산물인 고로슬래 그 미분말 및 플라이애시 등을 이용하여 시멘트를 대처하기 위한 연구가 진행되고 있다 (^{Cho et al., 2012}; ^{Lee, 2006}; ^{Lee et al., 2009}; ^{Kim, 2010}). 하지만, 산업부산물을 이용한 재료의 기초적 특성에 대한 연구가 대부분이다 (^{Ha et al., 2013}; ^{Lee et al., 2006}). 이에 본 연구에서는 콘크리트 재료 중 시멘트 사용으로부터 발생되는 이산화탄소를 획기적으로 저감하기 위하여 친환경 알카리활성 슬래그 콘크리트와 강 섬유를 혼입하여 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리 트를 개발하고 이를 철근콘크리트 보에 적용하여 구조성능 의 평가와 그 적용성을 검증하고자 한다.

따라서 본 연구에서는 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보 강 콘크리트의 알칼리 활성화 반응을 유도하기 위한 알칼리 활성화제의 첨가량, 활성화제의 조합에 따른 특성, 혼화재의 종류에 따른 특성을 활용하여 친환경 알카리활성 슬래그 섬 유보강 콘크리트 철근콘크리트 보의 하중-변위, 하중-변형도, 파괴형태, 최대내력, 연성능력 등을 분석함으로써 친환경 알 카리활성 슬래그 콘크리트 보의 휨성능을 평가하여 기존 시 멘트 콘크리트를 대체할 수 있는 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트 개발을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

1.2 연구의 방법 및 절차

본 연구에서 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트 의 주재료인 고로슬래그 미분말과 수산화나트륨의 몰 (mol) 비에 따른 알카리활성 슬래그 콘크리트의 기본적인 강도특 성 실험 및 분석을 하였다. 그리고 친환경 알카리활성 슬래 그 콘크리트의 구조성능 향상을 위하여 강섬유를 혼입하였 으며, 강섬유의 혼입율은 기존연구에서 0.5~1.5%의 강섬유 를 콘크리트에 혼입할 시 내력 및 연성 등의 구조성능이 개 선된다고 보고되고 있다. 따라서, 본 친환경 알카리활성 슬 래그 섬유보강콘크리트 개발에서는 구조성능 및 경제성을 고려하여 체적의 0.75%의 강섬유를 혼입하였다. 그리고 개 발된 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트를 활용한 철근콘크리트 보를 제작하여 최대내력 및 연성능력 등의 구 조성능 평가를 하였다.

2.1 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트의 개념

알루미노 실리케이트계의 무기화합물은 광물이 알카리 이 온과의 축중합반응을 일으켜 생성된 것으로 알칼리 활성화 제로서 소량의 수산화나트륨, 액상 규산나트륨 등이 존재하 면 슬래그에 수산화 이온 (OH-)을 흡착시켜 유리구조를 파 괴하여 이산화규소 (SiO₂), 산화알루미늄 (Al₂O₃), 산화칼슘 (CaO), 산화마그네슘의 용출을 촉진시키기 때문에 액상중의 각 이온농도가 높아져 현저한 수경성을 나타내고 일단 반응 이 시작되면 자신이 용출하는 성분에 의해 용액의 높은 pH 를 발현하여 반응은 지속된다 (^{Lee, 2010}).

하지만, 시멘트의 수화반응과 달리 알칼리 활성화반응을 유도한 알카리활성 슬래그는 구성성분 중 Ca의 양이 적어 산에 대한 저항성이 높아 내산성이 높으며, 사용재료의 종류 및 경화재료에 따라 수화반응의 특성이 달라진다고 보고되 고 있다 (T. ^{Bakharev, 2003}).

2.2 구성재료

알카리활성 슬래그의 구성으로 주재료와 높은 pH의 알칼 리 활성화제가 있다. 주재료는 주로 산업부산물 또는 천연자 원으로 산업부산물로는 고로슬래그 미분말, 플라이애시 등이 주로 사용되고 있으며, 천연자원에는 포졸란 반응이 일어나 는 재료를 사용한다. 그리고 주재료와 알칼리 활성화제의 종 류에 따라 재료적 특성이 달라지게 된다. 또한, 고로슬래그 미 분말의 잠재수경성을 활성화시키기 위해서는 반응을 촉진시킬 수 있는 화학촉진제가 필요하게 되며 Alkali 계통과 Sulfate 계통이 고려되고 있으며, Alkali자극제로는 NaOH, Na₂CO₃ 등이 있고 Sulfate 자극제는 CaSO₄, Na₂SiO₄ 등이 있다.

3.1 실험체의 형태 및 변수

친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트를 활용한 철 근콘크리트 보의 휨성능을 평가하고 부재의 역학적 거동 특 성을 규명하기 위하여 알칼리활성화제의 몰농도 (3M, 4M, 5M, 6M) 및 강섬유 혼입 (체적의 0.75%)을 변수로 실험체 를 제작하였다. 잔골재율 40%는 선행연구에서 고찰된 배합 설계 과정에서 잔골재율이 낮을수록 유동성이 증가하는 것 을 확인하였으나 잔골재율이 40%에서 가장 높은 압축강도 나타났다. 그리고 바인더에 대한 전체 골재비를 A/B로 나타 내었다. 또한 각각의 변수에 따른 구조성능을 평가하기 위하 여 실물크기의 1/4정도인 8개의 축소모델 실험체를 제작하 였다.

또한 실험체의 변수는 사전 실험에 의하여 선정을 하였으 며, 변수 및 내용은 Table 1과 같고, 실험체의 상세는 Fig. 1 에 나타나 있다.

Fig. 1.

Details of test specimen (unit: mm)

3.2 실험체의 제작

본 연구에 실험체는 ACI Building code (318-08) 및 국토 교통부 규준에 따라 철근콘크리트구조 설계에 의하여 설계 하였으며, 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트의 휨 성능 평가를 위하여 제작한 실험체는 Fig. 1에 나타낸 바와 같다. 모든 철근콘크리트 보의 단면치수는 100 mm×200 mm, 유효 높이 (d=180 mm), 압축철근 2-D10, 스터럽은 D10 (@80 mm), 인장철근 2-D13, 길이 1.1 m, 순스팬길이 1 m로 제작 하였으며, 철근조립 시에는 스페이서를 이용하여 피복두께 10 mm가 확보되도록 하였다.

3.3 사용재료

3.4 실험방법 및 장치

본 연구에서의 하중재하는 Fig. 2에서와 같이 유압잭으로 지간 중앙점에서 재하하였다. 재하 하중량을 측정하기 위하 여 유압잭에 하중계를 설치하였다. 하중재하는 극한하중에 도달할 때까지 0.5 mm 간격으로 변위를 제어하며 가력하였 다. 측정기기는 변위계를 사용하여 각 실험체의 지간 중앙의 실험체 하단면에서 각 하중 단계별 하중-처짐량을 측정하였 다. 압축철근 및 인장철근의 변형은 전기적 변형률 게이지 (strain gauge : 5 mm)를 압축철근 주근의 중앙부에 1개를 부착하고, 인장철근의 각 주근의 중앙부에 각각 1개씩 부착 하여, 하중단계에 따라 측정하였다. 콘크리트의 변형은 전기 적 변형률 게이지 (strain gauge : 60 mm)를 사용하여 지간 중앙위치의 콘크리트 상단면으로부터 10 mm, 90 mm, 150 mm, 190 mm에 변형률 게이지를 부착하였다.Fig .3-4

Fig. 2.

Test setup of test specimen

Fig. 3.

Location of steel strain gauges

Fig. 4.

Location of concrete strain gauges

4.1 하중-변위 특성

친환경 알카리활성 슬래그 콘크리트와 강섬유를 보강한 실험체의 하중-변위 관계는 Fig. 5에 나타난 바와 같다.

Fig. 5.

Load-displacement relationship of specimen

친환경 알카리활성 슬래그 철근콘크리트 보의 알칼리 활 성화제 혼입률, 강섬유 혼입에 따른 실험변수들의 효과를 평 가하기 위하여 실험체를 제작 및 타설하여 파괴될 때 까지 가력하여 보의 거동을 관찰하였으며 각 실험체의 성능평가 결과로 친환경 알카리활성 슬래그 콘크리트를 사용한 철근 콘크리트 보는 전반적으로 휨 또는 휨-전단에 의하여 파괴되 었다. 초기균열은 30 kN~57 kN에서 발생하였으며, 최대변 위는 9.51 mm~15.8 mm로 측정되었다.

4.2 하중-변형도 특성

각 실험체의 하중재하에 따른 단계별 철근 및 콘크리트의 변형도를 분석하여 하중재하 단계별 전단성능 평가 및 항복 여부를 검토하였다.

Fig. 6(a))~(h)에서와 같이 하중 증가에 따른 인장 철근의 변형도 변화에서 알 수 있듯이 최대하중 가력시 모든 실험체 에서 보의 중앙부 인장철근에 부착한 철근의 변형도가 항복 변형도를 초과하는 것으로 나타났다. 이는 실험체의 설계개 념인 인장철근의 항복으로 인한 파괴형태를 보여주고 있다.

Fig. 6.

Load-displacement relationship of specimen

4.3 파괴형태

친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트를 사용한 철 근콘크리트 보의 파괴형태를 파악하기 위하여, 각 실험체를 파괴시까지 가력하여 각 하중단계에 따른 균열 진전상황을 분석하였다. 친환경 알카리활성 슬래그 섬유보강콘크리트를 사용한 철근콘크리트 보는 전반적으로 기존 시멘트 콘크리 트와 유사한 파괴양상을 보였으며, 가력시 인장철근의 항복 에 의한 전형적인 휨인장 파괴를 나타내었다. 그리고 하중이 점점 증가하여 극한하중 작용시에는 휨인장 파괴와 함께 사 인장 균열이 발생하였다. 각 실험체의 균열도 및 최종 파괴 형태는 Fig. 7(a)~(h))에서 나타내고 있다.

Fig. 7.

Crack pattern and failure mode of each specimen

4.4 최대내력 특성

강섬유가 혼입되지 않은 실험체 (GA₃, GA₄, GA₅, GA₆)는 알카리 활성화제의 혼입률이 증가할수록 최대내력이 증가하 는 양상을 나타내었다. 그리고 6M을 혼입한 실험체 GA₆은 최대내력이 149.31 kN으로 가장 높게 나타났으며, 3M을 혼 입한 실험체 GA₃보다 22% 향상된 내력을 나타내었다. 4M, 5M을 혼입한 실험체 GA₄, GA₅도 실험체 GA₃보다 각각 6%, 9% 높은 내력을 발휘하였다.

알칼리 활성화제의 혼입률에 강섬유를 0.75% 혼입한 실험 체(GA₃S_0.75 GA₄S_0.75, GA₅S_0.75, GA₆S_0.75)도 알카리 활성화 제의 혼입률이 증가할수록 최대내력이 증가하는 양상을 나 타내었다. 그리고 5M을 혼입한 실험체는 최대내력이 168.35 kN으로 가장 높게 나타났으며, 3M을 혼입한 실험체 GA₃S_0.75 보다 9% 향상된 내력을 나타내었다. 그러나 6M을 혼입한 실험체 GA₆S_0.75는 3M을 혼입한 실험체 GA₃S_0.75보다 23% 감소하는 최대내력을 나타내었다. 이는 알카리 활성화제인 수산화나트륨이 6M 이상의 경우 알카리활성화제의 증가에 의한 급결과 강섬유 사용에 따른 뭉침 현상으로 타설시 콘크 리트의 충진이 정상적으로 이루지지 않아 구조성능이 감소 한 것으로 판단된다.

Table 9는 각 실험체의 최대내력과 표준실험체 (BSS)에 대한 각 실험체의 최대내력의 비 (CASE I/CASE 0)를 분석 한 것이다.

4.5 연성능력

본 연구에서의 연성능력은 항복변위에 대한 변위연성비 (μ = δ_u/δ_y )로 정의하였으며, 부재항복시 (δ_y )의 처짐량을 기준으로 하여 부재 최대하중시의 변위와 최대하중 이후의 최대하중의 80%에서의 변위 (δ_u )를 이용하여 평가하였다. 또한, 부재 항복변위 (δ_y )는 극한강도점을 지나는 수평선과 극한강도의 75%점을 지나는 활선강성선 (secant stiffness line) 과의 교점으로 하는 Fig. 9에 나타난 Park Method로 정하였다.Fig .8

Fig. 8.

Comparison of the load-carrying capacity for each specimen

Fig. 9.

Park Method

각 실험체의 연성능력은 Table 10에 나타냈다. 강섬유가 혼입되지 않은 알칼리 활성화제의 혼입률 (3M, 4M, 5M, 6M)에서 알카리 활성화제의 혼입률이 증가할수록 연성능력 이 증가하는 양상을 나타내었다. 그리고 6M을 혼입한 실험 체 GA₆는 3M을 혼입한 실험체 GA₃보다 1.83배, 4M, 5M을 혼입한 실험체 GA₄, GA5도 실험체 GA₃보다 각각 1.41배, 1.68배 높은 연성능력을 발휘하였다.

알칼리 활성화제의 혼입률에 강섬유를 0.75% 혼입한 실험 체도 알카리 활성화제의 혼입률이 증가할수록 연성능력이 증가하는 양상을 나타내었다. 그리고 5M을 혼입한 실험체 GA₅S_0.75는 3M을 혼입한 실험체 GA₃S_0.75보다 2.29배, 4M, 5M을 혼입한 실험체 GA₄S_0.75, GA₅S_0.75도 실험체 GA₃보다 각각 2.01배, 1.95배 증가한 연성능력을 발휘하였다. 그러나, 6M에 강섬유 (0.75%)를 혼입한 실험체 GA₆S_0.75는 몰의 증 가에 따른 급결과 강섬유의 뭉침현상으로 인하여 취성적인 파괴를 나타내었다.

알칼리 활성화제에 강섬유를 혼입함으로써 연성능력이 증 가하였고, 적정한 알칼리 활성화제의 혼입율은 연성능력이 더 효과적으로 나타나는 것으로 나타났다.