2.1. 실험 개요

본 실험에서는 포러스 콘크리트의 특성을 파악하기 위해 Table 1과 같이 물 결합재비, 목표 공극율, 팽창재 치환율, 다짐 하중을 실험인자로 설정하고 각각의 수준을 결정하였 다. 특히 포러스 콘크리트는 반죽질기가 클 경우 공극이 막 혀 본래의 기능을 상실할 우려가 있으므로 슬럼프가 거의 없 는 상태로 제조되며, 이에 따라 시공과정에서 일반적인 콘크 리트와는 달리 어느 정도 하중을 가하면서 다짐하게 된다. 따라서 다짐이 포러스 콘크리트의 물성에 미치는 영향을 파 악하기 위하여 실험 인자로 선정하였다. 또한 팽창재와 실리 카 흄은 포러스 콘크리트의 압축강도 개선을 위해 실험 인자 로 선정하였다.

측정항목은 밀도, 공극율, 투수계수 그리고 압축강도, 인장 강도 및 휨강도이다.

2.2. 사용재료 및 배합

실험에 사용한 시멘트는 밀도 3.15g/cm³, 비표면적 3,250cm²/g 인 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적 성질 및 화학적 조성은 Table 2와 같다. 골재는 부순 자갈 생산과정에 서 발생되는 부산물로서 Table 3에서와 같이 최대크기 13mm, 밀도 2.68, 실적율 59.7%이며 이는 아스팔트 콘크리트용 부 순 자갈과는 생산과정이 다르다.

팽창재는 에트링 자이트 (3CaO⋅3CaSO₄⋅32H₂O)계로 서 물리적 성질 및 화학적 조성은 Table 4와 같다. 실리카 흄은 밀도 2.1, 비표면적 20.5m²/g이다.

콘크리트 배합은 물-결합재비 (이하 W/B라 함)를 0.22 ~0.36 그리고 목표 공극율을 10%~25%로 설정한 상태에서 페이스트와 굵은골재의 용적비인 페이스트 굵은골재비 (이하 p/g라 함) 그리고 골재의 실적율 등의 물성을 이용하여 결정 하였다. 팽창재 (이하 EA라 함)는 단위 시멘트량에 대하여 5~15%, 실리카 흄 (이하 SF라 함)은 10%를 각각 치환하였 다. 또한 굳지 않은 포러스 콘크리트의 품질을 일정하게 유 지하기 위해 페이스트의 연도가 플로우 값으로 230±10mm 가 되도록 하였다. 이에 대한 콘크리트 배합 표는 Table 5와 같다.

2.3. 시험제 제작 및 양생

공극율 및 투수계수, 압축강도 및 인장강도 측정용 시험체는 크 기 Ψ100×200mm 그리고 휨강도 시험체는 크기 100×100×400mm 로 관련 규격에 맞춰 각각 제작하고 양생하였다. 다짐하중에 따른 포러스 콘크리트이 물성변화를 파악하기 위한 시험체 는 콘크리트 타설 후 두께 7mm 가압 판을 콘크리트 윗면에 올려놓고 만능시험기로 일정한 속도로 하중을 가하였으며 설정된 하중에 도달되면 약 30초 동안 재하상태를 유지한 다 음 하중을 제거하였다.

2.4. 측정 방법

공극율은 일본 콘크리트 공학협회 (^{Japan Concrete Institute, 1995})에서 제시한 방법 중 용적법으로 식 (1)로 측정하였다.

여기서, V는 공극율 (%), W₁은 시험체의 수중 중량 (g), W₂는 24시간 방치 후의 일정 중량 (g), B는 시험체의 체적 (cm³)이다.

투수계수 또한 동일 협회에서 제안한 정수위 시험법에 준 하여 식 (2)로 산출하였다. 이 때 수두 차는 투수계수의 측정 값에 영향을 미치지만 (^{Choi and Yu, 2009}), 수두 차의 영향 이 적은 10cm로 하였다.

여기서, K는 투수계수 (cm/s), H는 시험체의 높이 (cm), Q 는 시각 t₁, t₂ 사이의 배수량 (cm³), h는 수두 차 (cm), t₁과 t₂는 측정 시간 (s), A는 시험체의 단면적 (cm²)이다.

또한 각 다짐 하중별 침하량을 측정하였으며, 다짐한 시험 체의 공극율 및 투수계수도 식 (1), (2)로 각각 산출하였다. 기타 포러스 콘크리트의 압축강도, 인장강도 및 휨강도는 관 련 규정을 적용하여 각각 측정하였다.

3.1. 공극율 및 투수계수

포러스 콘크리트의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요인 중 하나는 공극율로서 각종 강도 및 투수성능에 큰 영향을 미친 다. 배합설계에서 설정한 목표 공극율은 10~25%의 범위에 서 5% 단위로 하였으며, 골재의 물성이 고정된 상태에서 p/g 로 목표 공극율을 결정하였다. 이 때 p/g는 0.46에서 0.21로 약 0.8씩 낮아진다. 즉, 공극율이 클수록 굵은골재의 체적은 증가하고 페이스트의 체적은 감소한다. 측정된 공극율은 최 소 6.3%에서 최대 28.1%로 분포되어 있으며, 그 관계는 Fig. 1과 같이 상관계수가 0.96으로서 매우 높아 배합설계 및 시험이 적합한 것으로 판단된다 (^{Kim et al., 2000}).

포러스 콘크리트의 밀도와 공극율과의 관계는 Fig. 2와 같 으며, 밀도가 작아질수록 공극율도 직선적으로 증가하며, 상 관성 또한 매우 높게 나타나고 있다. 즉, 포러스 콘크리트의 밀도에 의해 포러스 콘크리트의 공극율을 추정하는 것이 가 능할 것으로 판단된다 (^{Kim et al., 2001}). 포러스 콘크리트의 밀도는 공극율의 영향을 크게 받으며, 그 값은 1.8~2.2g/cm³ 로서 보통 콘크리트보다 약 13% 작다.

Fig. 1.

Relation between measured void ratio and target void ratio

Fig. 2.

Relation between void ratio and unit weight

포러스 콘크리트의 공극율과 투수계수와의 관계는 Fig. 3 과 같으며, 공극율이 커질수록 투수계수도 커지는 관계에 있 다. 공극율 6.3%~28.1%의 범위에서의 투수계수는 0.04cm/s 에서 0.94cm/s로 분포되어 있다. 즉, 포러스 콘크리트의 용 도에 따라 배합설계에서 목표 공극율을 설정하면 투수성 또 는 흡음성능 등을 만족할 수 있는 투수계수와 공극율을 얻을 수 있다. 기존 연구결과에 의하면 투수성을 위한 투수계수는 0.1cm/s 이상 (^{Moon et al., 1998}), 흡음성능발현을 위한 공 극율은 25% 이상 (^{Park et al., 2004})으로 보고되고 있다.

Fig. 3.

Relation between coefficient permeability and void ratio

3.2. 역학적 성상

포러스 콘크리트의 밀도와 압축강도와의 관계는 Fig. 4와 같이 밀도가 커질수록 압축강도는 직선적으로 증가되는 경 향이 있다. 밀도와 압축강도의 상관계수는 0.92로서 상관성 이 비교적 높다고 할 수 있으며, 경량콘크리트와 같이 향후 포러스 콘크리트의 압축강도를 추정할 때 밀도는 유효한 수 단이 될 수 있다.

Fig. 4.

Relation between compressive strength and unit weight

공극율과 압축강도와의 관계는 Fig. 5와 같이 공극율이 커 질수록 압축강도는 작아지며, 공극율이 25%를 넘을 경우 압 축강도는 10MPa 이하로 급격히 저하되므로 주의해야 한다. 또한, 향후 공극율을 크게 하면서 압축강도 또한 증가시키는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 목표 공극율 20%, p/g 0.3 으로 할 때 w/b와 재령 별 압축강도와의 관계는 Fig. 6과 같 다. W/B가 0.32에서 0.28, 0.24로 낮아짐에 따라 압축강도는 각각 6%, 10%씩 증가하고 있다. 그러나 공극율 감소에 따른 압축강도 증가 비율을 추정해 보면 공극율이 4%씩 감소됨에 따라 압축강도는 최소 24%에서 최대 40%씩 증가되고 있다. 또한, 목표 공극율 10%, 15%, 20%, 25%는 본 배합설계에 서 p/g로 나타내면 0.46, 0.38, 0.30, 0.21에 각각 해당된다. p/g와 압축강도 발현과의 관계는 W/B 0.36, EA 치환율 10% 일 때 Fig. 7과 같다. Fig. 7에서와 같이 공극율 차이에 따른 또는 같은 의미인 p/g에 따라 강도차이가 큰 것을 알 수 있 다. 따라서 포러스 콘크리트의 압축강도는 결합재인 페이스 트의 강도에 따라 좌우될 수 있지만 공극율의 영향이 더 크 다는 것을 알 수 있다.

Fig. 5.

Relation between compressive strength and void ratio

Fig. 6.

Relation between compressive strength and age with different w/b ratios

Fig. 7.

Relation between compressive strength and age with different p/g ratios

Fig. 8은 EA 치환율에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것 으로 재령 28일의 압축강도는 EA를 치환하지 않은 것에 비 해 치환율 5%일 때 15% 높게 나타났으며, 치환율 10%, 15% 일 때 각각 28%, 38% 낮게 나타났다. 이는 팽창재를 사용함 으로서 에트링 자이트 생성작용으로 압축강도가 상승된 것 으로 판단된다 (^{Lee and Yun, 2010}). 따라서 포러스 콘크리 트에 EA를 사용할 경우 적정 치환율은 단위 시멘트량의 5% 정도이며 그 이상을 치환할 경우 압축강도가 저하되므로 주 의해야 한다.

Fig. 8.

Relation between compressive strength and age with different EA contents

Fig. 9는 SF와 EA를 각각 10%씩 치환한 포러스 콘크리트 의 재령별 압축강도를 혼화재료를 치환하지 않은 것과 비교 하여 나타낸 것으로 각 재령에서의 압축강도는 SF, 치환하지 않은 포러스 콘크리트 그리고 EA 순으로 높게 나타났다. Fig. 8에서 나타난 결과와 비슷하게 EA를 10% 치환한 것은 혼화 재료를 사용하지 않은 보통의 포러스 콘크리트보다 압축강 도가 낮게 나타났다. 그러나 SF를 10% 치환한 경우 재령 28 일에서의 압축강도는 치환하지 않은 포러스 콘크리트보다 32% 높았다. 결합재로서 SF의 사용은 포러스 콘크리트의 고강도화를 이루는 유효한 방법이 될 수 있으며, 향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다 (^{Kim et al., 2000}; ^{Yoon et al., 2003}).

Fig. 9.

Relation between compressive strength and age with various types of admixture

7일 압축강도와 28일 압축강도와의 관계는 Fig. 10과 같 다. 7일 강도는 28일 강도의 평균 84%로 나타났으며, 혼화 재료를 사용하지 않은 포러스 콘크리트의 경우 평균 91% 그 리고 EA를 사용한 경우 평균 80%로 나타나 재령에 따른 강 도 발현이 혼화재료를 치환하지 않은 포러스 콘크리트에 비 해 낮음을 알 수 있다.

Fig. 10.

Relation between 28-day strength and 7-day strength

포러스 콘크리트의 압축강도와 인장강도는 Fig. 11 그리고 휨강도와의 관계는 Fig. 12와 같다. 포러스 콘크리트의 인장 강도는 압축강도의 약 1/9~1/16로 분포되어 있으며, 평균 1/13이다. 이와 같은 인장강도 분포는 일반적인 보통 콘크리 트와 비슷한 경향을 보이고 있다. 또한 휨강도는 압축강도의 약 1/2~1/5로서 평균 1/3을 나타내고 있다.

Fig. 11.

Relation between tensile strength and compressive strength

Fig. 12.

Relation between flexural strength and compressive strength

3.3. 다짐하중과 포러스 콘크리트의 물성

다짐 하중에 따른 시험체는 Fig. 13에 나타낸 바와 같이 0.8kN에서 침하되지 않았으나 15kN에서 0.2cm 그리고 35kN, 54kN에서 각각 0.3cm, 0.8cm 침하되었다.

Fig. 13.

Relation between settlement and compaction load

이와 같은 다짐 하중에 따른 압축강도의 변화는 Fig. 14와 같다. 다짐 하중 15kN까지의 압축강도는 12MPa에서 13MPa 로 완만히 증가하였으나, 다짐 하중 35kN에서는 15MPa로, 54kN에서는 16MPa로 각각 25%, 33%씩 크게 증가하였다.

Fig. 14.

Relation between compressive strength and compaction load

다짐 하중 15kN를 변곡점으로 포러스 콘크리트가 치밀하 게 다져지면서 압축강도가 증가된 것으로 판단된다. 또한 다 짐 하중에 따른 공극율은 Fig. 15와 같이 0.8kN에서는 거의 변하지 않았으나 그 이후부터는 일정한 비율로 높게 감소하 고 있다. 즉, 목표 공극율 20%로 제조한 포러스 콘크리트는 다짐 하중 0.8kN에서 공극율이 19.4%로 거의 변화가 없다 가 다짐 하중 15kN에서 54kN로 커짐에 따라 공극율이 17.5%, 15.1%, 11.2%로 각각 감소하였다.

Fig. 15.

Relation between void ratio and compaction load

결국 다짐 하중에 따라 공극율이 거의 절반 수준까지 줄어 드는 결과를 보이고 있다. 따라서 음향성능을 이용할 목적으 로 포러스 콘크리트를 활용할 경우 시공시 다짐과 공극율과 의 관계를 제조 단계부터 고려해야 포러스 콘크리트 본래의 기능을 유지할 것으로 판단된다.

다짐 하중에 따른 포러스 콘크리트의 투수계수는 Fig. 16 과 같이 다짐 하중이 커짐에 따라 0.6cm/s에서 0.2cm/s까지 일정한 비율로 감소하고 있다. 단, 포장재 등에 활용할 경우 투수계수가 0.1cm/s 이상 되므로 포러스 콘크리트의 투수성 능은 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 16.

Coefficient of permeability by compaction load

포러스 콘크리트를 다짐할 경우 압축강도는 다짐하중 15kN 부터, 공극율은 0.8kN부터, 투수계수는 35kN부터 각각 변곡 점이 되어 특성치가 크게 변하게 된다.