2.1 사용재료

Table 1, 2는 사용재료의 물리⋅화학적 성질을 나타낸 것 이다. 시멘트는 KS F 5201 ｢포틀랜드 시멘트｣의 규정을 만 족시키는 1종 보통포틀랜드시멘트(C)를 사용하였으며, 밀도 는 3.15 g/cm³, 분말도는 3,500 cm²/g이다. 고로슬래그 미분 말은 KS F 2563 ｢콘크리트용 고로슬래그 미분말｣ 3종의 규 정을 만족시키는 고로슬래그 미분말(GGBS)을 사용하였으 며, 밀도는 2.90 g/cm³, 분말도는 4,196 cm²/g이다. 용선예비 처리슬래그(PS)는 철강공정 중 유해성분인 황(S) 등을 쇳물 에서 제거하기 위하여 별도의 예비처리 공정을 통해 발생하 는 산업부산물로써 밀도는 2.83 g/cm³, 분말도는 4,196 cm²/g 이다. 잔골재와 굵은 골재의 밀도는 각각 2.56, 2.67 g/cm³이 고, 최대치수는 각각 5, 25 mm이며, 흡수율은 1.01, 1.39 % 이다.

2.2 실험계획

Table 3은 실험계획 및 콘크리트 배합을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 슬래그를 다량 치환한 콘크리트의 동결융해 저항성능에 미치는 미세공극의 영향을 검토하기 위해 보통 포틀랜드시멘트 콘크리트, 고로슬래그 미분말과 용선예비처 리슬래그를 포함한 슬래그를 40, 70 % 치환한 콘크리트를 제조하였다. 또한, 동결융해 저항성능은 압축강도와 밀접한 관련이 있기 때문에 설계기준강도를 24MPa의 일반강도로 동일하게 설정하였다. 고로슬래그 미분말을 치환할 경우 압 축강도가 낮아지므로 고로슬래그 미분말의 수화반응을 촉진 시키고자 자극제와 유사한 성분으로 구성된 용선예비처리슬 래그를 사용하여 초기강도를 개선하였다. C100, GGBS40, GGBS70의 슬럼프는 각각 190, 200, 210 mm로 목표슬럼프 를 만족하였다. 또한 C100, GGBS40의 공기량은 4.0, 4.3 %, 그리고 GGBS70의 경우 공기량이 낮게 측정되어 AE제를 사용하여 3.7 %로 목표공기량을 만족하였다.

Figure 2는 동결융해를 받지 않고 수중양생 한 압축강도 측정결과를 나타낸 것이다. C100, GGBS40, GGBS70의 재 령 14일 압축강도는 각각 22.1, 22.6, 19.9MPa로 측정되었 으며, 낮은 강도 범위에서 동결융해 반복 작용에 의한내력 저하를 유도하였다.

Fig. 2.

Compressive Strength

일반적으로 동결융해 저항성능은 공기량과 압축강도에 따 른 영향이 크지만 본 연구에서는 유사한 공기량 및 압축강도 로 실험을 계획하여 슬래그를 다량 치환한 콘크리트의 미세 공극이 동결융해 저항성능에 미치는 영향을 검토하였다.

2.3 실험방법

압축강도 시험은 ∅100×200 mm의 원주형 시험체를 제작 하여 수중양생 한 이후 재령 3, 7, 14, 28, 56일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였다.

동결융해 저항시험은 ASTM C 666/C 666M에 준하여 실 시하였으며 모든 시험체의 공극 내에 물이 포함될 수 있도록 수중양생 한 시험체를 매 30 사이클마다 300사이클까지 상 대동탄성계수와 질량감소율을 측정하였고 시험체가 파괴되 었을 때는 측정하지 않았다. 상대동탄성계수는 다음과 같은 식(1)로 계산하였다. 또한, 동결융해 작용 매 100 사이클마다 압축강도를 측정하여 동결융해 반복 작용이 압축강도에 미 치는 영향을 검토하였다.

여기서, P_c는 동결융해 c사이클 후의 상대동탄성계수(%), n은 초기의 1차 공명 진동수(Hz), n₁ 은 동결융해 c사이클 후의 1차 공명 진동수(Hz)이다.

콘크리트의 공극구조분석은 ASTM D 4284 수은압입시험 방법(Mercury Intrusion Porosimetry)에 의해 실시하였으며, 이는 젖지 않는 유체(수은)가 압력에 의해 공극에 침투하여 수은의 부피를 측정하는 시험방법이다(^{Winslow et al., 1970}). 수은압입법은 다음의 식(2)로 표현되는 Washburn 식 에 의해 공극의 모양을 실린더형 모세관으로 정의하여 수은 이 침투하는 공극의 크기는 적용된 압력에 반비례하는 것을 나타내었다(^{Ritter et al., 1949}).

여기서, d는 공극직경, γ는 수은의 표면장력, θ 은 고체와 수은의 접촉각, P 는 수은압입압력이다.

3.1 상대동탄성계수 및 질량감소율 측정결과

슬래그 콘크리트의 동결융해 저항성능 검토결과 Table 4 에 동결융해 작용을 받은 시험체를 나타냈으며, Figure 3에 동결융해 작용을 받은 슬래그 콘크리트의 상대동탄성계수 측정결과를 나타냈다. 동결수 담수조건에서 GGBS70 시험체 가 가장 높은 상대동탄성계수를 나타냈으며 다른 시험체들 에 비해 동결융해 저항성능이 우수한 것으로 나타났다. C100 시험체는 150사이클에서 상대동탄성계수가 60 %미만으로 나타났으며 180사이클 이후에는 시험체가 파괴되어 상대동 탄성계수를 측정할 수 없었다. GGBS40 시험체는 C100 시 험체보다 다소 높은 상대동탄성계수가 측정되었으며 180사 이클에서 60 %미만으로 상대동탄성계수가 저하되었으며 180 사이클 이후에는 시험체의 파괴로 인하여 더 이상 측정 할 수 없었다.

Fig. 3.

Relative Dynamic Modulus of Elasticity

Table 4.

Specimens Exposed to Freezing-Thawing

Specimens	Number of freezing-thawing cycles(Tap water)											Specimens	Number of freezing-thawing cycles(Sea water)
	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300		0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300
C100								-	-	-	-	C100								-	-	-	-
GGBS40							-	-	-	-		GGBS40								-	-	-	-
GGBS70												GGBS70

동결수 해수조건에서는 C100, GGBS40 시험체가 담수조 건에 비해 상대동탄성계수가 더 낮게 측정되었으며 두 시험 체 모두 180사이클 이후에서 시험체의 파괴로 인하여 더 이 상 상대동탄성계수를 측정할 수 없었다. 동결수 조건에 관계 없이 GGBS70 시험체는 상대동탄성계수가 C100 시험체보 다 높게 측정되어 동결융해 저항성능을 확보할 수 있을 것으 로 판단된다.

Figure 4는 동결융해 작용을 받은 고로슬래그 미분말을 치 환한 콘크리트의 질량감소율 측정결과를 나타낸 것이다. 동 결수 담수조건에서 C100, GGBS40, GGBS70 시험체는 150 사이클까지 질량감소율이 각각 4.4, 3.4, 2.5 %로 비슷한 수 준을 나타냈으나 180사이클에서 질량감소율이 각각 12.8, 9.0, 2.5 %로 나타나 GGBS70 시험체를 제외한 나머지 시험 체는 질량감소율이 급격하게 감소하였다. C100, GGBS40 시험체는 180사이클 이후 시험체가 파괴되어 질량을 측정할 수 없었다. 상대동탄성계수가 가장 높게 측정된 GGBS70 시 험체는 동결융해 작용에 따른 열화가 가장 적어 질량감소율 이 크지 않았다.

Fig. 4.

Weight Loss

동결수 해수조건에서는 모든 시험체가 담수조건에 비해 질량감소율이 크게 나타났지만 GGBS70 시험체의 경우 다 른 시험체에 비해 질량감소율이 가장 적게 나타났다. GGBS70 시험체는 동결수 담수조건에서 뿐만 아니라 해수조건에서도 동결융해 작용에 따른 저항성능이 우수한 것으로 나타났다. 한편, 동결수 해수조건에서 C100, GGBS40 시험체의 표면 열화가 담수조건에 비해 심하게 나타나 질량감소율이 급격 하게 커지는 것을 확인하였다.

Figure 5는 동결융해 작용을 받은 콘크리트의 압축강도 비 를 나타낸 것이다. 압축강도 계산 시에는 표면박리에 의한 시험체의 단면적 감소를 고려하여 산정하였다. 동결융해 작 용으로 인한 표면박리와 내부 매트릭스의 변화가 나타나 동 결융해 작용에 따른 압축강도의 감소를 확인할 수 있다. 동 결수 담수, 해수조건에서 C100, GGBS40 시험체는 GGBS70 시험체에 비해 압축강도가 크게 감소하고 있으며 전체적으 로 GGBS70 시험체가 가장 작은 압축강도 감소를 나타냈다. 동결수 해수조건에서는 담수조건에 비해 동결융해 작용에 따른 표면박리가 증가하여 압축강도가 더욱 감소하였다. 그 러나 동결융해 저항성능이 우수한 GGBS70 시험체는 동결 수 담수, 해수조건에서 동결융해 작용이 진행되어도 300사이 클까지 표면박리가 적어 압축강도 변화가 다른 시험체에 비 해 크지 않은 것을 확인하였다.

Fig. 5.

Ratio of Compressive Strength of Concrete Exposed to Freezing-Thawing

해수조건에서 상대동탄성계수, 질량감소율 그리고 압축강 도가 담수조건에 비해 더 감소하는 것은 해수의 용존이온에 의해 생생된 반응생성물로 인하여 콘크리트 내부조직이 침 식을 받아 동결융해 반복작용에 따른 열화가 더욱 가속화된 것으로 판단된다(^{Lee et al., 2010}).

3.2 공극률 측정결과

Figure 6은 동결융해를 받지 않은 콘크리트의 공극률 측정 결과를 나타낸 것으로 동결융해 작용을 받지 않고 수중양생 한 시험체의 공극분포는 상이한 결과를 나타냈다. 누적공극 량은 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가함에 따라 감소하 였으며 동결융해 저항성능이 가장 우수한 GGBS70 시험체 는 다른 시험체에 비해 공극량이 적게 나타났다. 이는 고로 슬래그 미분말이 경화체 내부의 공극을 채워주는 효과로 인 하여 공극량이 줄어든 것으로 판단된다.

Fig. 6.

Cumulative Pore Volume of Specimen

GGBS70, GGBS40, C100 시험체 순으로 모세관공극의 양이 많기 때문에 모세관공극 내 동결할 수 있는 물의 양은 GGBS70 시험체가 가장 적게 되어 동결융해 저항성능이 가 장 우수한 것으로 판단된다.

Figure 7은 동결융해 작용을 받지 않은 콘크리트의 주사전 자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다. GGBS40 시험체에서 는 에트린자이트가 부분적으로 형성된 것을 확인할 수 있었 으며 GGBS70 시험체에서는 이를 확인할 수 없었다. 이러한 에트린자이트의 형성으로 동결융해 작용에 의한 동결팽창을 완화하는 공간이 제한되어 동결융해 저항성능이 취약하게 된다(^{Stark et al., 1999}).

Fig. 7.

SEM Images of Concrete at Age 14 Days (Water Curing)

Figure 8은 동결수 담수조건에서 동결융해 작용에 따른 모 세관공극의 공극분포 변화를 나타낸 것이다. 목표공기량을 (4.0±1.0) % 범위로 설정하였음에도 불구하고 동결융해 반복 작용에 따라 모세관공극의 변화가 다른 경향을 보였다.

Fig. 8.

Variation of Porosity for Concrete Exposed to Freezing- Thawing (Tap Water)

C100, GGBS40 시험체는 0~200사이클까지 동결융해 작 용을 받았을 경우, 10~100 nm 크기의 모세관공극이 다른 크 기의 영역보다 가장 크게 감소하는 경향을 보였다. C100, GGBS40 시험체는 GGBS70에 비해 0사이클에서 모세관공 극량이 많아 동결융해 작용에 따라 모세관공극 내 동결할 수 있는 물이 많게 된다. 비교적 많은 모세관 공극 내 물은 동 결하는 과정에서 높은 동결팽창압으로 인해 모세관공극의 파괴로 이어져 10~100 nm 크기의 모세관공극이 점차적으로 감소한 것으로 판단된다.

GGBS70 시험체는 0~200사이클까지 동결융해 작용을 받 을 경우, C100, GGBS40 시험체와는 다르게 10~100 nm 크 기의 공극이 증가했다가 100~200사이클까지는 다시 감소하 는 경향을 나타냈다. GGBS70 시험체는 0사이클에서 다른 시험체에 비해 모세관공극이 적고 동결할 수 있는 모세관공 극 내 물이 적어 동결팽창압이 가장 낮은 것으로 판단된다. 따라서 다른 시험체에 비해 낮은 동결팽창압으로 인해 모세 관공극의 팽창이 서서히 진행되어 증가하였다. 또한 동결융 해가 진행될수록 동결팽창압은 더욱 증가하여 200사이클에 서 인장력이 약한 모세관공극부터 급격히 파괴된 것으로 판 단된다.

동결수 해수조건에서는 담수조건과 유사한 공극크기별 공 극분포를 나타냈으며, 동결수 조건이 슬래그 경화체 내부의 공극구조의 변화에 미치는 영향이 크지 않음을 확인하였으 며, 해수에 의한 동결융해 작용은 표면박리에 더 크게 영향 을 미치는 것을 확인하였다.

Figure 9는 동결수 담수조건에서 동결융해 작용에 따른 10~100 nm 크기의 모세관공극의 변화를 나타낸 것이다. 0사 이클에서 10~100 nm 크기의 모세관공극은 C100, GGBS40, GGBS70 순으로 많았다. C100, GGBS40 시험체는 동결융 해 반복작용에 따라 10~100 nm 크기영역의 모세관공극이 점차 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 반면에 GGBS70 시험 체는 100사이클까지 모세관공극이 증가하였다가 다시 감소 하는 경향을 나타냈다. 이는 GGBS70 시험체가 다른 시험체 에 비해 0사이클에서 모세관공극이 적은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

Variation of Capillary Pore of 10~100nm Size for Concrete Exposed to Freezing-Thawing