강수태
(Su-Tae Kang)
1*
서준영
(Jun-Young Seo)
2
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. All rights reserved
키워드
골재미분말, 작업성, 공기량, 강도, 건조수축, 고성능감수제
Key words
Stone powder, Workability, Air content, Strength, Drying shrinkage, High-range water reducing admixture
1. 서 론
70년대 이후로 이어져온 우리 사회의 급속한 발전에는 수 많은 건설공사들이 함께 하였다. 급격히 증가한 건설수요에 맞춰 콘크리트 시장도 크게 팽창하였으며,
콘크리트 제조에 필요한 시멘트, 골재 등의 건설재료의 수요도 크게 증가하였 다. 골재의 경우 초기에는 풍부한 양질의 하천골재를 손쉽게 채취하여 사용하였으나,
늘어나는 수요로 인해 점차 고갈되 어 바다모래까지 사용하게 되었으며, 최근에는 이마저도 부 족하여 부순골재의 사용 비중이 크게 늘어났다. 앞으로도
골 재의 부족현상은 더욱 심해질 것으로 보이며, 이에 대한 대책 으로 순환골재, 고로슬래그 골재 등과 같은 다양한 형태의 골 재의 활용을 모색하고
있다.
말이 발생한다. 일반적으로 골재 미분말은 반죽질기의 저하 를 일으키고, 따라서 동일한 슬럼프를 얻기 위한 단위수량을 더 필요로 하게 된다. 또한 미분말
증가와 함께 건조수축이 증 가하는 현상 등을 보인다(Malhotra and Carette, 1985; Celik and Marar, 1996; Ahmed and El-Kourd, 1996; Abou-Zied and Frkhry, 2003; Katz and Baum, 2006). 이와 같은 문제점들로 인해 부순골재에 대한 현행 KS 표준(KS F 2527)에서는 부순 골재 미분말(0.08 mm체 통과량)에 대한 상한값을
규정하고 있다. 부순 굵은골재는 1% 이하, 부순 잔골재는 7%(마모작용 을 받는 경우는 5%) 이하로 하고 있다(KSA, 2007). 하지만 국 외 여러 나라에서는 골재 미분말 허용치에 대해 훨씬 유연하 게 적용하고 있다. 부순 잔골재에 대해 영국에서는 골재 미분 말 함유량을
15% 이내로 규정하고 있으며(BSI, 2013), 호주에 서는 20% 이내로 규정하여 국내보다 훨씬 많이 허용하고 있 다(Standards Australia, 2009). 이는 부순 잔골재 내 골재 미분 말에 대한 허용치를 좀 더 확대할 여지가 있음을 시사하는 것 이다. 또한 최근 각종 콘크리트 화학혼화제 기술의
발달로 인 해 작업성 개선이나 수축 감소 등의 제어가 용이해진 점도 고 려해 봐야할 사항이다. 골재의 부족현상에 일부나마 도움이 되고, 부순골재 생산과정에서
미분말의 제거하기 위한 공정 에 따른 시간 및 비용을 줄여서 부순골재 생산성을 향상시키 기 위해서는 현행 골재 미분말의 함유량 제한을 재고해 볼 필
요가 있다.
이를 위해서는 골재 미분말이 콘크리트의 성질이 미치는 영향을 명확히 규명하기 위한 많은 연구들이 선행되어야 한 다. 지금까지 수행된 관련 연구들을
간략히 살펴보면, Koehler and Fowler(2008)는 자기충전 콘크리트(Self-Consolidating Concrete, SCC)에서 다양한 종류의 골재 미분말을 결합재 또 는 잔골재의 치환재로
사용했을 때 콘크리트의 성질에 미치 는 영향을 살펴보았다. 그 연구결과에 따르면, 골재 미분말은 동일한 유동성을 얻기 위하여 더 많은 양의 고성능감수제를
필요로 하고, 골재 미분말 사용량이 증가함에 따라 강도는 약 간 향상되는 반면 탄성계수, 휨강도는 변화가 없었으며, 약간 의 염화물 투과성 감소와
건조수축 및 마모저항성의 증가가 나타났다. Song and Choi(2013)의 연구에서는 물시멘트 40% 와 50%에 대하여 다양한 종류의 골재 미립분을 검토하였으며 강도변화는 거의 나타나지 않으며, 건조수축 변형률도 큰
차 이를 보이지 않는 것으로 나타났다. Kronlof(1994)는 석영질 미분말을 골재의 일부로 사용할 경우 충전효과로 인해 오히 려 작업성을 향상시키고, 동일한 작업성에 대해 물시멘트비 를 낮출 수 있어서 강도증진에
큰 효과가 있다고 밝힌 바 있다. 이와 같은 골재 미분말 사용에 대한 여러 연구들에도 불구하 고 아직까지 명확하게 정리되지 않은 내용도 있으며, 관련
연 구결과가 정책으로 반영되기 위해서는 추가적인 연구들이 더 뒷받침될 필요가 있을 것이다.
따라서 이 연구에서는 부순 잔골재 내 골재 미분말의 함유 량 변화에 따른 콘크리트의 유동성, 강도, 건조수축 등의 특성 변화를 살펴보고자 하였다.
2. 본 론
2.1. 사용재료 및 배합
실험은 부순골재 미분말의 치환율을 0~30% 범위에서 변화 시켰을 때 콘크리트의 성질에 미치는 영향을 파악하고자 계 획하였다. 잔골재의 일부를 부순골재
미분말로 치환하여 사 용하였을 때 수반되는 유동성 저하를 해결하기 위하여 감수 제를 사용함에 따라 나타날 수 있는 콘크리트 성질의 변화도 함께 평가하고자
하였다.
실험에 사용한 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트이며, 잔 골재 및 굵은골재는 모두 부순모래 및 부순자갈로 사용하였 다. 부순골재 미분말은 부순골재가
생산된 동일한 채석장에 서 구하였으며, 따라서 화학적 구성은 동일하다고 볼 수 있다. CIPW Norm 분류법(Philpotts and Ague, 2009)에 의한 분석결 과에 따르면 모암은 화강섬록암에 해당하는 것으로 나타났 다. 시멘트와 부순골재 미분말의 화학적 특성은 Table 1과 같 다. 굵은골재는 Fig. 1과 같은 입도분포를 가지며 조립률은 6.43이다. 굵은골재 최대치수는 19 mm이다. 잔골재는 Fig. 2 와 같은 입도분포곡선과 함께 조립률 2.71을 나타내었다. 부 순 굵은골재 및 잔골재의 물리적 특성은 Table 2와 같다. 부순 골재 미분말의 입도분포는 입자크기분석기(Particle size analyzer, PSA)를 이용하여 구하였다. 분석에 사용한 입자크기분석기
는 Beckman Coulter LS 13 320으로 측정원리는 Laser를 이용 하여 Laser와 입자간의 상호작용(회절, 굴절, 반사, 흡수)
패턴 을 통해 입자크기 분포를 파악하는 방식이다. 분석을 통해 얻 어진 입도분포곡선은 Fig. 3에 나타내었다. 부순골재 미분말 의 평균 입경은 59.5 μm이며, D10, D50, D90은 각각 2.2 μm, 36.2 μm, 161.2 μm인 것으로 나타났다. 여기서 D10은 전체중 량의 10%가 통과하는 직경을 의미하고, D50 및 D90은 각각 전 체중량의 50%와 90% 통과 직경을 나타낸다. 고성능감수제 (High-Range Water Reducing Admixture, HRWRA)로는
폴리 카르본산계 고성능 AE감수제를 사용하였다. Table 3은 골재 미분말 치환율을 실험변수로 한 콘크리트 배합설계를 나타낸 것으로, 물시멘트비 0.5를 적용하였으며, 잔골재에 대한 골재 미분말 치환율 0,
10, 20, 30%에 대하여 고성능감수제를 사용 하지 않은 경우와 사용한 경우를 각각 고려하였다.
Table 1
Chemical composition of cement and stone powder
|
Items
|
Chemical composition(%)
|
|
|
Types
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO
|
MgO
|
K2O
|
|
|
OPC
|
21.9
|
5.3
|
3.5
|
63.4
|
2.1
|
-
|
|
Stone powder
|
62.3
|
13.5
|
18.0
|
4.1
|
0.8
|
1.1
|
Fig. 1.
Grading curve of coarse aggregate
Fig. 2.
Grading curve of fine aggregate
Table 2
Physical properties of aggregates
|
|
Fineness Modulus (F.M.)
|
Specific gravity
|
Absorption capacity (%)
|
|
|
Coarse Agg.
|
6.43
|
2.64
|
1.25
|
|
Fine Agg.
|
2.71
|
2.57
|
1.49
|
Fig. 3.
Grading curve of stone powder
Table 3
Mix proportions of concrete
|
Stone powder replacement ratio
|
Stone Powder (kg/m3)
|
Water (kg/m3)
|
Cement (kg/m3)
|
Fing aggregate (kg/m3)
|
Coarse aggregate (kg/m3)
|
HRWRA (wt.% of cement)
|
|
|
0 %
|
0
|
194
|
388
|
626
|
1156
|
-
|
|
|
|
|
10 %
|
63
|
563
|
-
|
|
|
0.35
|
|
|
|
|
20 %
|
125
|
501
|
-
|
|
0.45
|
|
|
|
|
30 %
|
188
|
438
|
-
|
|
0.70
|
2.2. 실험체 제작 및 실험방법
2.2.1. 실험체 제작
강도 및 건조수축 특성을 평가하기 위하여 실험체를 제작 하였다. 콘크리트의 압축강도 및 인장강도 평가를 위하여 Φ 100×200 mm 원주형 시험체를
제작하였으며, 건조수축을 평가하 기 위해서는 100×100×400 mm 각주형 시험체를 제작하였다. 시험 체는 타설 종료 후 24시간 동안 기건양생
후에 탈형과 함께 20±3°C 의 양생수조에서 시험 재령일까지 수중양생을 적용하였다.
2.2.2. 실험방법
먼저 배합 후 콘크리트의 굳지 않은 성질을 평가하기 위하 여 슬럼프 및 공기량을 KS F 2402 및 2421 표준 시험법에 따 라 측정하였다. 압축강도
및 쪼갬인장강도는 재령 7일과 28일 에 각각 측정하였다. 건조수축 실험은 KS F 2424 표준 시험법 에 따라 재령 7일까지 수중양생 후 외기온도
20±0.5°C, 외기 습도 60±2%의 항온항습 챔버에 넣어서 일정간격으로 길이변화 를 측정하였다. 길이변화는 시험체 제작 시 게이지 길이 60
mm 의 매립형 변형률게이지를 시험체의 중앙에 위치시켜서 타설 한 후 데이터로거를 이용하여 측정하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1. 굳지 않은 상태의 성질
골재 미분말 사용량에 따른 슬럼프의 변화는 Fig. 4로 나타 내었다. 고성능감수제를 사용하지 않은 경우에는 잔골재 대 신 치환하여 사용하는 골재 미분말의 양이 증가함에 따라 슬 럼프가 크게 저하되는
것을 볼 수 있다. 이와 같은 결과는 골재 미분말의 함수상태 및 입자크기와 밀접한 관련이 있다. 우선 부순 굵은골재와 부순 잔골재는 표면건조포화상태인
반면에 골재 미분말은 절대건조상태이다. 따라서 배합 시 골재 미분 말에 흡수되는 수량만큼 실제 배합수량이 감소하게 된다. 또 한 미세한 골재 미분말은
큰 비표면적으로 인해 표면에 흡착 되는 물의 양이 증가하고, 상대적으로 큰 정전기적 응집력으 로 인하여 미분말이 상당량의 수분과 함께 뭉치게 된다.
이러 한 원인으로 인해 슬럼프가 저하된 것으로 판단된다. 일반적 인 콘크리트의 슬럼프가 80~150 mm 범위에 있음을 감안할 때 잔골재의 20%
이상을 골재 미분말로 치환하여 사용하는 것은 적절하기 않은 것으로 판단된다(Bigas and Gallias, 2002). 슬럼프가 120±25 mm 범위 내에 있도록 고성능감수제를 적절 량 사용한 경우의 결과도 Fig. 4에 함께 나타내었다. 골재 미분 말 치환율 10, 20, 30%에 대해 고성능감수제를 각각 0.35%, 0.45%, 0.7%를 첨가함으로써 슬럼프를
각각 100, 95, 105 mm 로 조절할 수 있으므로 골재미분말 사용에 따른 작업성 저하 문제는 고성능감수제 사용을 통해 쉽게 개선이 가능하며,
다 만 강도나 건조수축 등의 다른 특성에 크게 영향을 미치지 않 아야 한다.
Fig. 4.
Slump with the amount of stone powder
Fig. 5는 공기량 측정결과를 나타낸 것이다. 고성능감수제 를 사용하지 않은 경우에는 골재 미분말의 치환율이 증가함 에 따라 크게 감소되는 것을 확인할 수
있었으며, 슬럼프가 골 재 미분말 치환율에 따라 선형관계에 가깝게 감소되는 경향 을 보인 반면, 공기량은 골재 미분말을 사용하지 않은 경우와 10%
치환한 경우 사이에서 급격한 저하가 나타났다. 폴리칼 본산계 고성능 AE 감수제를 사용함에 따라 슬럼프 증가와 함 께, 공기연행 효과로 공기량도 약간
증가하는 것을 확인할 수 있었지만, 골재 미분말을 사용하지 않은 콘크리트에 비해 작 게 나타났으며, 소요의 공기량 확보를 위해서는 AE제를 함께 사용할
필요가 있을 것으로 판단된다.
Fig. 5.
Air content with the amount of stone powders
3.2. 경화 콘크리트의 강도 특성
Fig. 6은 골재 미분말 치환율에 따른 압축강도 및 쪼갬인장 강도를 재령 7일 및 28일에 측정한 결과를 나타낸 것이다. 골 재 미분말을 사용하지 않은 경우에
비해 골재 미분말을 10~30% 치환하여 사용하였을 때, 재령 7일과 28일 모두에서 압축강도 및 쪼갬인장강도가 대체적으로 조금 향상되는 것을 확인할
수 있었다. 이 같은 결과는 우선 골재 미분말의 충전효 과 때문으로 볼 수 있다. 평균입경 수 십 μm의 골재 미분말이 부순 골재 사이의 공극을 메워서
충전밀도를 증가시킨다. 또 한 골재 미분말은 골재 계면에서 큰 결정상의 형성 및 결정상 의 방향성을 억제하고 골재와 시멘트 페이스트 계면에서의 내부
블리딩을 감소시키는 등의 역할을 하여 강도를 향상시 키는 효과를 나타낸다(Monteiro and Mehta, 1986). 골재 미분 말의 함수상태에 의해서도 영향을 약간 받을 수 있다. 앞서 언 급한 바와 같이 골재 미분말은 부순 골재와는 달리 절대건조 상태이다.
골재 미분말의 흡수율을 2% 정도로 가정하면 - 골 재의 입경이 작을수록 흡수율을 증가하는 경향이 있으며, 실 제 이보다 더 클 수도 있겠지만 -
골재 미분말 치환율 10~30% 는 단위수량을 약 0.6~1.8% 정도 감소시키는 효과가 있으며, 이는 실제 물시멘트비 49.3~49.7%에 해당한다.
1%가 되지 않 는 미소한 물시멘트비의 감소가 강도변화에 큰 영향을 주지 는 않았을 것이므로 주된 영향은 골재 미분말이 공극과 계면 에서의 역할 때문인
것으로 판단된다. 다만 이러한 효과에 대 해서 최적의 골재 미분말 치환율이 있을 것으로 보이며, 측정 한 강도결과에 따르면 강도가 가장 크게 나타난
치환율 10% 전후로 추측된다.
Fig. 6.
Strength of concretes mixed without HRWRA
Fig. 7은 네 가지 골재 미분말 치환율에 대해 유사한 유동성 을 얻기 위해 적절량의 고성능감수제를 첨가한 경우의 압축 강도 및 쪼갬인장강도를 비교하여 나타낸
것이다. 그 결과를 살펴보면, 골재 미분말과 고성능감수제를 함께 사용한 경우 에도 골재 미분말을 사용하지 않은 경우에 비해 강도가 대체 로 향상되는
결과를 보였다. 고성능감수제의 사용은 한편으 로는 고성능감수제 용액 내 수량이 추가됨으로써 결과적으로 물시멘트비가 높아지는 효과가 있어 강도저하의
요인이 될 수 있으며, 다른 한편으로는 골재 미분말의 정전기력을 감소 시켜 콘크리트 내 잘 분산되도록 하고 다짐효과를 향상시켜 강도향상의 요인이 될
수 있다. 이러한 복합적인 효과가 함께 반영된 강도 측정결과에서는 고성능감수제 사용으로 인한 강 도저하 또는 향상은 거의 없었으며 유사한 결과를 나타내었다.
Fig. 7.
Strength of concretes mixed with HRWRA
골재 미분말 사용에 따른 압축강도 및 쪼갬인장강도 결과 를 종합적으로 살펴보면, 치환율 10~30% 범위에서 강도가 향 상됨을 확인할 수 있었으며,
적절한 양의 고성능감수제를 사 용하여 소요의 작업성을 확보함과 동시에 강도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
3.3. 건조수축
Fig. 8은 외기에 노출되어 건조가 일어나는 건조기간에 따 른 건조수축변형률의 변화 곡선을 나타낸 것이며, Fig. 9는 골 재 미분말 치환율에 따른 건조수축 변형률을 재령 90일에 대 해 비교하여 나타낸 것이다. 고성능감수제를 사용하지 않은 경우를 비교해 보면,
골재 미분말 치환율이 늘어남에 따라 건 조수축 변형률이 조금 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 골재 미분말을 30% 치환하였을 때의 건조수축변형률은
골재 미분 말을 사용하지 않은 배합에 비해 13.6% 정도 크게 나타났다. 이와 같은 실험결과는 몇몇 연구자들이 골재 미분말을 잔골 재의 일부로 사용할
경우 건조수축이 약간 증가할 수 있다는 연구결과와 유사한 결과이다(Song and Choi, 2013; Koehler and Fowler, 2008). 일반적으로 골재 내 미분말의 함유량이 증 가할수록 건조수축 변형률이 크게 증가하는 것으로 알려져 있지만 이것은 주로 점토나 실트질 미분말에 해당한다.
Song and Choi(2013) 등의 연구에 따르면, 부순골재 생산과정에서 배출되는 미분말은 건조수축을 약간 증가시키지만 점토나 실 트질 미분말에 비해 훨씬 작으며, 물시멘트비가
작을수록 그 영향은 줄어든다고 밝히고 있다.
Fig. 8.
Drying shrinkage with exposed period
Fig. 9.
Drying shrinkage with replacement ratio of stone powder
고성능감수제를 적절량 사용하여 유사한 작업성을 얻도록 한 배합에 대한 건조수축 측정결과에서도 마찬가지로 골재 미분말 사용량이 증가함에 따라 건조수축
변형률이 증가하는 결과를 보 였다. 동일한 골재 미분말 치환율에 대해 고성능감수제 사용 여 부에 따른 결과를 비교해 보면, 고성능감수제를 사용함으로써
건조수축이 약간 증가하는 경향을 보이지만 실험값의 표준편차 를 고려한다면 유의미한 수준은 아닌 것으로 판단된다.
4. 결 론
이 연구에서는 부순골재 생산과정에서 발생하는 다량의 골 재 미분말이 콘크리트의 성질에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 골재 미분말을 잔골재 중량의
0~30% 범위로 치환한 콘크리트에 대해 슬럼프, 공기량, 강도 및 건조수축 변화에 대 한 실험을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
-
1) 골재 미분말의 사용량이 증가함에 따라 슬럼프가 크게 저 하되는 것으로 나타났으며, 이는 부순골재 미분말의 함수 상태, 큰 비표면적과 정전기력에 의한
물의 흡착 때문이다. 공기량은골재 미분말로 인해 감소되는 것으로 나타났다.
-
2) 콘크리트에 골재 미분말을 사용하지 않은 경우에 비해 골 재 미분말을 잔골재의 10~30% 치환하여 사용하였을 때, 재령 7일과 28일 모두에서 압축강도
및 쪼갬인장강도가 대체적으로 약간 증가되는 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과는 미분말의 충전효과 및 골재와의 계면에서의 긍정 적 역할에 의한 것으로
판단된다. 골재 미분말의 치환율 10~30% 범위에서의 강도변화는 거의 없었지만, 10% 사 용했을 때 미소하게나마 가장 큰 강도를 나타내었다.
-
3) 재령 90일 동안의 건조수축 변형률을 측정한 결과에서는 골재 미분말을 사용하였을 때 수축 변형률이 증가하고, 미 분말 사용량이 증가할수록 더 커지는
것으로 나타났다. 골 재 미분말 치환율 30%에서 건조수축변형률이 약 13.6% 정도 증가하였다.
-
4) 동일한 물시멘트비, 단위시멘트량에 대해 골재 미분말을 사용하면서 골재 미분말을 혼합하지 않은 콘크리트와 유 사한 작업성을 얻기 위해 고성능감수제를
적절량 사용한 경우, 사용량에 따라 공기량은 약간 증가하고, 강도 및 건 조수축 변형률은 큰 변화가 나타나지 않았다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화사업의 연 구비지원(16RDRP-B076268-03)에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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