2.1 실험개요

본 연구는 서로 다른 분말도를 가지는 GGBFS (4200cm²/g, 3000cm²/g) 콘크리트와 OPC 콘크리트에 대해 역학적 특성 및 내구성능실험을 실시하였다. 측정항목으로는 압축강도, 동결융해시험, 급속 염화물 침투 저항성 시험, 촉진 탄산화 시 험, 흡수율 시험을 실시하여 그 결과를 분석하였다.

2.2 배합 및 사용재료

본 연구를 위해 설계강도 24 MPa, 목표 슬럼프 150 ± 25 mm, 목표 공기량 4.5 ± 0.5%을 가진 콘크리트 배합이 고려되 었으며, 2 수준의 GGBFS 미분말의 분말도(4200 cm²/g, 3000 cm²/g)를 고려하여 배합을 진행하였다. 배합에 따른 혼합은 트윈 타입 믹서를 사용하였다. 강제식 팬타입 믹서에 시멘트, 골재를 투입하여 건비빔을 30초 동안 저속(20 rpm)으로 진행 하였고, 건비빔 후 물을 넣고 60초 동안 중속(30 rpm)으로 비 빈 후, 혼화제를 첨가하여 90초 동안 고속(40 rpm)으로 비빔 하여 믹싱을 완료하였다. 계획된 실험을 진행하기 위해 ∅ 100 × 200 mm 원주형 공시체와 100 × 100 × 400 mm 직사각 형 공시체를 제작하였다. 제작 후 24시간 기건양생을 마친 몰 드를 탈형하여 20℃ 항온 수중양생을 수행하였다. 3000급 GGBFS 미분말은 급냉 고로슬래그와 태국산 무수석고를 실 험실용 볼밀에서 각각 분쇄한 후, SO3 3.8 mass%를 기준으로 헨셀믹서에서 혼합하여 제조하였다.

Table 1 및 Table 2는 본 연구에서 사용된 배합사항과 화학 적 특성을 나타내었고, Table 3 골재특성을 나타내었다.

Table 1

Mix proportions for all cases

Table 2

Chemical composition of OPC and GGBFS

Table 3

Properties of aggregate

2.3 측정항목

2.3.2 동결융해시험

동결융해시험은 KS F 2456에 준하여 수중 급속 동결융해 실험을 실시하였다. 일반적인 동결융해실험 반복 사이클은 공시체의 온도를 2 ~ 4 시간 사이에 4 ℃ ~ - 18 ℃로 교대로 변 환시키는 조건을 1 Cycle로 설정하고 있다. 본 실험에서는 목 표 사이클 0 Cycle, 100 Cycle, 200 Cycle, 300 Cycle로 설정하 여 공시체의 온도와 동결융해 시험의 요구조건과 일치시켰 다. 각 사이클에 배합별 공명진동수, 질량, 외관변화를 측정하 고 측정된 데이터를 활용하여 상대동탄성계수비 및 중량 감 소율을 계산하였다. Fig. 1 (a)에서는 동결융해실험 평가 전경 을 나타내었고, (b)와 같이 공명진동수를 측정하였다. 또한 목 표 Cycle의 공명진동수와 동결융해 반복작용을 받기 전 공시 체의 공명진동수를 식 (1)에 대입하여 상대동탄성계수비로 산출하였다.

Fig. 1

Picture of specimen in freezing/thawing apparatus

(1)

E d , c ( % ) = ( n 1 / n ) 2 × 100

여기서, E_d,c 는 c 싸이클에서 상대동탄성계수비 (%), n₁는 c 싸이클에서의 공명진동수 (Hz), n는 초기 공명동수 (Hz)이다.

2.3.3 급속 염화물 침투 저항성 시험

본 실험에서는 염화물 침투 저항성을 평가하기 위해 KS F 2711에 의거하여 전기전도도에 의한 콘크리트의 통과 전하량 을 측정하였다. ∅ 100 × 50 mm의 디스크 시편을 제작 후 1방 향 침투를 위해 침투면을 제외한 바깥쪽 면을 전처리하였다. 이후 촉진 염화물 측정장비를 활용하여 실험장치의 (+)극에 는 NaOH 0.3N을 투입, (-)극에는 3.0%의 NaCl-을 투입하여 실험을 진행하였다. KS F 2711에서 제시하는 통과 전하량 산 정식에 측정된 전류값을 대입하여 통과 전하량을 산출하였 고, 산출한 통과 전하량에 따라 배합별 염소이온 침투성을 확 인하였다. Table 4는 범위구간과 비교하여 산출된 전하량에 따른 염소이온 침투성 기준을 나타내었다.

Table 4

Evaluation standard by KS F 2711

식 (2)에서는 KS F 2711에서 제시하는 통과 전하량 산정식 을 나타내었다.

(2)

Q = 900 ( I 0 + 2 I 30 + 2 I 60 + ⋯ + 2 I 300 + 2 I 330 + I 360 )

여기서, Q 는 통과 전하량(C), I₀는 전압을 가한 직후의 전 류(A), I_t는 전압을 가한 후 t분 경과 후의 전류(A)이다.

또한 통과 전하량을 통해 환산된 촉진 염화물 확산계수를 도출하기 위해 기존의 연구(^{Yoon and Kwon, 2018})를 이용하 여 ASTM C 1202에 제시된 식을 활용하여 촉진 염화물 확산 계수를 도출하였다. 식 (3)은 ASTM C 1202에 제시된 통과 전 하량과 촉진 염화물 확산계수 상관식을 나타내었다.

(3)

D = Q t a t a l 0.84 × 0.0103 × 10 − 12

여기서, D는 촉진 염화물 확산계수 (m²/sec), Q = 통과 전하 량 (C)이다.

2.3.4 촉진탄산화 시험

탄산화 실험은 KS F 2584에 준하여 촉진탄산화 실험으로 진행하였다. 제작된 원주형 공시체를 거푸집에서 탈형 후 목 표재령일(28일, 91일)까지 수중양생을 진행하였고, 양생을 마 친 공시체는 실험을 진행하기 위해 KS규격에 맞추어 ∅ 100 × 40 mm의 디스크 시편으로 제작하였다. 제작된 시편은 1 방향 이산화탄소 침투를 유도하기 위하여 침투면을 제외한 나머지 면을 에폭시로 도포한 뒤 상대 습도 (60 ± 5)%, 온도 (20 ± 2) ℃의 항온 항습실에서 8주동안 정치하였다. 항온 양생까지 마 친 시편은 이산화탄소 농도 (5.0 ± 0.2)%로 설정한 탄산화 시 험기에 투입하여 촉진탄산화 시험을 실시하였다. 시험기에 내부에 시편을 존치 후 노출기간을 4주로 설정하여 시험을 진 행하였다. 4주간의 노출기간이 지나게 되면 시편을 꺼내어 할 렬한 뒤 1%인 페놀프탈레인-알코올 지시약을 분무하여 탄산 화 침투깊이를 측정하였다. Table 5에서는 촉진탄산화 실험 의 실험조건을 나타내었다.

Table 5

Accelerated carbonation test conditions

3.1 배합에 따른 재령별 강도특성

배합별 재령에 따른 압축강도 측정 결과를 Fig. 2에 그래프 로 도시하였다.

Fig. 2

Result of compressive strength

모든 배합은 재령 28일의 시점에서 24 MPa 이상의 값을 모두 만족하였다. 재령 7일 대비 91일의 강도는 OPC 배합에서는 1.2 배, 3000BFS 배합에서는 1.7배, 4200BFS 배합에서는 1.8배로 증가하는 경향이 나타났다. 재령 91일에서의 강도를 비교평가 해보면 OPC 배합 대비 GGBFS 배합은 80.1% ~ 88.2%로 큰 차 이는 나타나지 않는다. 이는 초기재령 3일 때의 비교강도 33.9% ~ 45.4%일 때 보다 상당히 높아진 결과를 측정할 수 있 다. 이는 재령증가에 의한 GGBFS 배합의 잠재수경성 반응으 로 인해 수화물 증가, 공극구조 개선 등의 원인으로 사료된다 (^{Han et al, 2009}). 4200BFS와 3000BFS의 차이는 재령 91일까 지 7.1% ~ 10.3%으로 차이는 크게 확인되지 않았다.

3.2 동결융해저항성

동결융해저항성시험은 비틀림 진동의 1차 공명진동수를 구하여 상대동탄성계수비를 평가하였다. Table 6에는 산출 한 상대동탄성계수비를 나타내었다.

Table 6

Result of relative dynamic modulus of elasticity

모든 배합에서 상대동탄성계수비는 80%를 넘는 높은 동결융 해저항성을 나타내었는데, 이는 콘크리트 배합 시 AE 감수제를 통하여 충분한 연행공기량이 확보되었기 때문이다. 보통 4.0% 이상의 연행공기량을 포함할 경우, 동결 시 미세공극에서 발생 한 팽창압을 근처의 매트릭스에 전달할 수 있으므로 동결융해 저항성이 우수한 것으로 알려져 있다(^{Mun and Kwon, 2016; Park et al, 2016}). 초반 Cycle의 경우 상대동탄성계수비는 3가지 배합 모두 큰 차이가 발생하지 않았으나, 최종적으로 300 Cycle 이후 OPC배합과 4200BFS 배합에서 89.7% ~ 90.1%로 비슷한 경향을 보였고, 3000BFS 배합에서 91.3%로 1.02배 높게 측정되 었다. 이는 동일 슬럼프를 기준으로 배합을 진행하였기 때문에 3000BFS 배합에서 47%의 비교적 적은 물-결합재비의 영향으 로 사료된다. 또한 높은 분말도의 GGBFS를 혼입할 경우 콘크리 트 내부의 공극 크기가 감소하여 동해시 팽창압을 크게 받게 되어 동결융해 저항성능에 영향을 미치게 된다. 중량 감소율 은 모든 배합에서 0.05% 이하 값으로 산출되었다. 300 Cycle 이후 OPC 배합의 경우 0.0429%, 4200BFS 배합은 0.0465%, 3000BFS 배합은 0.0428%으로 큰 차이가 발생하지 않았다.

3.3 염화물 저항성 실험 결과

촉진염화물 시험 결과 OPC의 경우 재령 28일에서 전하량은 8186 Coulombs에서 재령 91일에서는 20% 감소된 6561 Coulombs으로 측정되었다. 재령 및 GGBFS의 혼입유무에 따라 일반 OPC 콘크리트의 결과에 비하여 우수한 내염해특성을 나 타내었다. 3000BFS 배합의 경우 재령 28일과 91일의 측정결과 1722 Coulombs, 413 Coulombs이 측정되었고, 4200BFS 배합의 경우 1963 Coulombs, 991 Coulombs으로 측정되었다. Fig. 3의 (a) 재령 28일, (b) 재령 91일의 배합별 통과 전하량과 염화물확산 계수를 그래프에 도시하였다.

Fig. 3

Total charge passed through concrete and diffusion coefficient of chloride ions

이를 염소이온 침투성 범위를 기준으로 분석하여 보면 OPC 배합의 경우 모든 재령일에서 ‘High’ 범위인 반면, GGBFS를 혼입한 배합의 경우 재령 28일에서 두 배합 모두 ‘Low’, 91일에 선 ‘Very low’인 것으로 조사되었다. ASTM C 1202에 제시된 상관식을 활용하여 염화물 확산계수를 산출한 결과, GGBFS 배합에서 다소 낮은 경향을 확인할 수 있었고, 재령이 증가할수 록 모든 배합에서 감소하는 경향을 보였다. 재령 91일의 OPC 배합에서 염화물확산계수는 16.6 × 10^-12 m²/s가 나타난 반면, GGBFS 배합의 경우 3.3 × 10^-12 m²/s, 1.6 × 10^-12 m²/s으로 3000BFS 배합에서 가장 낮은 결과값이 산출되었다. 이는 GGBFS의 잠재수경성에 따른 콘크리트 조직이 치밀해 짐에 따 라 수밀성 증가와 염화물 흡착량의 증가로 인해 전하량 및 염화 물확산계수가 보다 낮게 측정된 것으로 사료된다(^{Lee, 2003; Park et al, 2018}). 4200BFS 배합의 경우 전하량과 염화물확산 계수가 3000BFS 대비 소폭 증가하는 것으로 나타났지만 큰 차 이를 나타내지 않아 두 배합 모두 염화물 침투에 대한 충분한 저 항성이 있는 것으로 판단된다.

3.4 탄산화 침투깊이

촉진탄산화 실험을 마친 시편별 재령에 따른 탄산화 침투 깊이를 Fig. 4에 도시하였다.

Fig. 4

Result of depth of carbonation

재령 28일의 탄산화 침투깊이를 살펴보면 OPC 배합에서 6.01 mm로 가장 낮게 나타났으며, 3000BFS 배합에서 10.83 mm로 가장 높게 측정되었다. 재령일이 증가할수록 모든 배합 에서 침투깊이가 감소하는 경향이 나타나며, 이는 재령일에 증가에 따라 수화물의 생성과 공극구조가 조밀해진 변화가 탄산화 침투에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 91일 재령을 평가해보면 OPC 배합의 경우 침투깊이 1.50 mm로 25.0%의 감소경향을 보이고, 3000BFS 배합의 경우 6.38 mm의 깊이로 58.9% 감소비율을 보인다. 분말도 4200급 GGBFS 배합의 경 우 6.23 mm로 62.4%의 가장 높은 감소경향을 나타내었다. GGBFS의 분말도에 따른 결과를 비교분석해보면 재령 28일 에서 3000BFS 배합이 4200BFS 배합 대비 0.85 mm 깊게 측정 되지만 재령 91일에서 3%의 미세한 차이를 보여 재령이 증가 할수록 분말도에 따른 GGBFS의 탄산화 저항성능에 큰 차이 가 없다고 판단된다.

3.5 흡수율

각 배합별 시편의 흡수율은 재령 28일과 91일로 나누어 측 정하였다. 산출된 흡수율은 Fig. 5의 그래프에 도시하였다.

Fig. 5

Result of absorptivity

표면건조 포화상태에 대한 절대 건조중량의 비로 흡수율을 정의하였고, 재령의 증가에 따라 감소되는 경향이 확인되었 다. OPC 배합의 경우 28일 대비 91일에서 26% 감소된 5.1% 가 산출되었고, 4200BFS 배합과 3000BFS 배합의 경우 34%, 35%이 감소된 4.4%와 4.5%가 산출되었다. 4200BFS 배합에 서 4.4%의 가장 낮은 흡수율이 나타났지만, 3000BFS 배합을 고려하였을 때 큰 차이는 나타나지 않아 분말도에 따른 흡수 율은 영향이 없다고 판단된다.