이원준
(Won-Jun Lee)
1
최소영
(So-Yeong Choi)
2
김일순
(Il-Sun Kim)
3
양은익
(Eun-Ik Yang4)
4†
-
정회원, (재)한국건설품질연구원, 진단1팀, 사원
-
정회원, 강릉원주대 방재연구소 연구교수, 공학박사
-
정회원, 강릉원주대학교 토목공학과 박사과정
-
정회원, 강릉원주대학교 토목공학과 교수, 교신저자
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키워드
초기동결, 전기로산화 슬래그, 초기동결 시점, 초기동결 기간, 역학적 특성, 공극구조
Key words
Early frost damage, Electric arc furnace slag, Frost initiation time, Frost duration, Mechanical properties, Pore structure
1. 서 론
전기로 산화 슬래그는 대표적인 철강 산업의 부산물로 골재와 유사한 성질과 기능성 콘크리트의 핵심 기능을 부여할 수 있는 물리적 특성으로 인해 콘크리트
재료로의 적용 가능성을 평가하는 연구가 진행되고 있다 (Ryu et al, 2009; Lim and Lee 2012; Choi et al 2019)(3,13,18). 전기로 산화 슬래그를 콘크리트 골재로 적용할 경우, 생산과정에서 첨가되는 화학물질로 인해 유리 석회(f-CaO), 유리 마그네슘(f-MgO)이
생성되어 팽창 및 균열 발생에 기여하는 단점이 있으나, 숙성(aging)이 진행되면, 충분히 이를 개선할 수 있음이 밝혀져 KS 규격에 정식 골재로
채택되었다. 그러나, 전기로 산화 슬래그의 입형은 일반 골재에 비해 많은 공극을 포함하고 있어 전기로 산화 슬래그를 혼입한 콘크리트가 가혹한 조건에
노출될 경우 일반 콘크리트에 비해 높은 성능 저하가 발생할 가능성이 있으므로 이에 대한 검토가 필요한 실정이다.
한편, 구조물의 건설 기간은 경제성과 직결되기 때문에 공사 기간 감축을 위하여 기상조건에 영향을 받지 않는 기능성 콘크리트의 개발에 관한 연구가 시도되고
있다. 특히 우리나라 기후 중 동절기는 반복건조, 기온 하강 등에 의한 콘크리트 동결 피해를 유발할 수 있으므로 이에 각별하게 주의해야 하며, 콘크리트에
발생하는 동결로 인한 성능 저하와 개선방안에 관한 많은 연구가 진행되고 있다 (Lee and Lee, 2018; Lee et al., 2008; Kim
et al., 2017)(8-10). 일반적으로 동결 피해는 콘크리트 타설 직후에 최소한의 동결 저항성을 확보하기 이전 어떤 시점에서의 콘크리트에 존재하는 수분의 동결(초기동결)로
인한 피해를 뜻하며, 이로 인하여 콘크리트의 성능이 저하하는 현상을 초기동결 피해를 입었다고 정의할 수 있다. 그러나 초기동결이 발생하는 시점 (Initial
time for preventing frost damaged in concrete)에 대한 기준이 미비하여 연구자에 따라 초기동결을 결정하는 시점과
실험 방법이 상이하며(Kim et al.,2007)(15), 초기동결에 의한 피해 정도는 성숙도(Maturity)와 압축강도를 통해 평가한 것이 대부분으로 그 한계가 있다 (Pae et al., 2007;
Yi et al., 2011)(15,19). 동결에 의한 콘크리트의 성능 저하는 외부 환경이나 콘크리트 재료의 특성, 배합조건, 양생과정 등 여러 가지 요인에 영향을 받으며, 콘크리트가 동결로
인해 공극 구조가 변화될 경우, 콘크리트의 강도 및 내구성능에 악영향을 끼칠 가능성이 높다.
따라서 본 연구에서는 전기로 산화 슬래그를 굵은 골재로 적용하여 제작된 콘크리트에 대하여 초기 재령에서 동결 피해를 받았을 때 발생하는 성능 저하에
대한 공극구조와 역학적 특성을 분석하고자 하였다.
2. 초기동결 콘크리트
2.1 초기동결 발생 시점의 정의
서론에 기술한 바와 같이, 초기동결은 콘크리트의 동결저항성이 형성되기 이전에 발생한 동결을 의미하며, 초기재령에서 발생한 콘크리트의 동해에 관한 연구가
진행되고 있음에도 불구하고, 연구자마다 초기동결의 발생 시점을 결정하는 조건이 상이하여 그 기준이 명확하지 않다.
건설기준 코드 표준시방서 (KCS 14 20 40, 2018)(7)는 소요 압축강도가 발현되기까지 요구되는 외기온도 5~10℃ 일때의 최소 양생 일수를 제한하고 있다. 그러나 실제 동결이 발생하는 온도와 규정된 외기온도의
차이로 인하여 실제 동결이 발생하는 조건과 비교하여 과소한 방법이기 때문에 실제 구조물에서의 성능 저하를 예측할 수 없는 단점이 있다.
동해 방지를 위한 콘크리트의 최소 양생 시간 예측에 관한 연구에 따르면, 콘크리트 내 모세관 공극에 존재하는 자유수의 동결로 인해 팽창이 발생하여
콘크리트 성능이 저하하고, 이때, 모세관 공극의 포화도로 자유수를 나타낼 수 있으므로 모세관 공극의 포화도는 물-결합재비와 수화도의 함수로 나타낼
수 있다고 주장하였다. 따라서, 수화도는 재령에 영향을 받는 함수이므로 모세공극의 포화도가 임계포화도에 도달했을 때, 그때의 재령이 바로 초기 동해가
발생하는 시점이라고 주장하였다 (Pae et al., 2007)(15). 이와 유사하게 Powers도 역시 임계포화도의 개념으로 콘크리트의 모세관 공극의 포화도를 계산한 후, 기존 연구결과에서 얻어진 임계포화도를 이용하여
최소 양생이 요구되는 시점에 초기동결이 발생함을 주장하였다 (Power, 1962)(17).
한편, 압축강도 증진에 기반한 초기동해 방지기간 설정에 관한 연구에 따르면, 적산온도에 의해 양생 온도별 강도 증진 특성을 평가한 결과를 토대로 5
MPa 수준의 압축강도를 확보해야 초기동결에 의한 피해를 방지할 수 있으며, 이때 물-결합재비가 50, 60% 일때 최소 양생 시간은 1.5일을 확보해야
함을 주장하였다. 그러나, 동결조건에 노출되는 기간에 대한 연구 결과가 미흡하여 이를 절대적으로 결정할 수 없는 단점이 있다 (Han and Han,
2000)(6).
따라서 초기동결이 발생하는 시점을 정의하기 위해서는 동결이 지속 되는 기간과 시점에 대한 보다 명확한 실험 설정 및 도출 근거가 필요한 것으로 사료된다.
2.2 초기동결이 콘크리트의 미치는 영향
초기동결이 발생한 콘크리트에 대한 성능 저하를 평가한 연구들은 대부분 압축강도를 기반으로 그 영향을 평가한 것이 대부분이다. 따라서 압축강도에 영향을
미치는 요인인 물-결합재비, 시멘트 종류, 동해가 발생하기 전까지의 양생온도 등을 고려한 연구가 진행되었다.
Bernhardt에 따르면, 동해기간 및 온도는 콘크리트 초기동결에 영향을 미치지 않으나, 동해시점이 가장 큰 영향을 끼친다고 주장하였다. 이는 모세관
공극에 존재하는 자유수의 양이 적어 동결되기까지 소요되는 시간이 짧으므로 동결이 발생하여 얼음 결정이 형성되는 것을 근거로 하였다(Bernhardt
1956)(1).
또한, Corr는 AE제 혼입은 콘크리트의 경화가 진행되기 전에 초기동결이 발생할 경우, 공극의 형상 및 기능 발현이 불가능하므로 콘크리트 동해에
의한 성능 저하 방지에는 효과가 없다고 주장하였다 (Corr et al., 2002)(2). 그러나, 초기동결을 받은 콘크리트는 모세관공극에 존재하는 자유수의 동결이 진행되므로 공극 역시 영향을 받음에도 불구하고, 동결에 의한 영향을 받는
공극 특성을 분석한 연구는 부족한 실정이다.
3. 실험 계획
3.1 사용재료
3.1.1 골재
본 연구에서는 잔골재는 하천 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 천연 굵은 골재(이하, Natural) 및 전기로 산화 슬래그 골재(이하, EFG)를
사용하였다. 굵은 골재 최대 치수는 19 mm이며, 배합에 사용된 골재의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.
Table 1. Physical properties of aggregates
|
Type
|
Density (g/cm3)
|
Absorption (%)
|
F.M.
|
|
Sand
|
2.59
|
0.63
|
2.65
|
|
Coarse (Natural)
|
2.68
|
1.35
|
6.86
|
|
EFG
|
3.60
|
2.05
|
6.60
|
3.1.2 결합재
결합재는 보통포틀랜드시멘트(이하, OPC) 및 고로슬래그 미분말(이하, BFS)을 사용하였다. 이때 BFS는 단위 시멘트량의 30%를 대체 혼입하였으며,
EFG를 사용한 배합에 한하여 적용하였다. BFS는 잠재수경성 반응으로 인하여 재령 91일 이상의 양생을 요구하고 있으나, 본 연구에서 사용된 BFS의
경우, 높은 분말도 (6,330g/cm3)로 인하여 재령 28일에도 충분한 수화 반응이 진행된 것으로 기존 연구(Choi et al, 2019)(3)를 통해 확인하였다. 본 연구에서 사용한 결합재의 물리·화학적 특성은 Table 2에 나타내었으며, 배합표와 굳지 않은 콘크리트를 통해 측정한 공기량도 함께 Table 3에 나타내었다.
Table 2. Physical and chemical properties of the binders
|
Type
Properties
|
OPC
|
BFS
|
|
Physical
|
Specific gravity
|
3.15
|
2.95
|
|
Blaine (cm2/g)
|
3,200
|
6,330
|
|
Chemical
(%)
|
SiO2
|
21.36
|
33.54
|
|
Al2O3
|
5.03
|
15.22
|
|
Fe2O3
|
3.31
|
0.51
|
|
CaO
|
63.18
|
43.88
|
|
MgO
|
2.89
|
2.62
|
|
SO3
|
2.30
|
2.54
|
|
LOI
|
1.40
|
0.01
|
Table 3. Concrete mix proportions
|
Specimen ID
|
W/B
(%)
|
S.R*
(%)
|
Unit weight(kg/m3)
|
Air
(%)
|
|
W
|
C
|
S
|
G
|
EFG
|
BFS
|
|
35OPC-Natural
|
35
|
0
|
167
|
477
|
673
|
999
|
-
|
-
|
4.5
|
|
45OPC-Natural
|
45
|
0
|
170
|
378
|
737
|
1008
|
4.0
|
|
55OPC-Natural
|
55
|
0
|
173
|
315
|
792
|
998
|
5.5
|
|
35OPC-EFG
|
35
|
100
|
167
|
477
|
673
|
-
|
1334
|
-
|
4.5
|
|
45OPC-EFG
|
45
|
100
|
170
|
378
|
737
|
1347
|
5.7
|
|
55OPC-EFG
|
55
|
100
|
173
|
315
|
792
|
1333
|
5.5
|
|
35BFS-EFG
|
35
|
100
|
167
|
334
|
699
|
-
|
1326
|
143
|
4.7
|
|
45BFS-EFG
|
45
|
100
|
170
|
265
|
734
|
1341
|
133
|
4.5
|
|
55BFS-EFG
|
55
|
100
|
173
|
221
|
994
|
1329
|
94
|
5.1
|
|
S.R: Substitution ratio of EFG
|
3.2 실험 변수
물-결합재비는 35%, 45%, 55%로 결정하였으며, -20℃까지 온도를 유지할 수 있는 항온항습기를 사용하여 동결 온도는 -10℃를 유지하였으며,
동결 시점 및 기간을 실험 변수로 설정하였다. 또한, 전기로 산화 슬래그 및 고로슬래그 미분말의 혼입 여부도 변수로 설정하였으며, 본 연구에 사용된
실험 변수는 Table 4에 기술하였다.
Table 4. Test variables
|
Item
|
Content
|
|
W/B ratio
|
35%, 45%, 55%
|
|
Mineral admixture
|
BFS (30%, weight of OPC)
|
|
Coarse aggregate type
|
Natural, EFG
|
|
Specimen size (mm)
|
∅100 × 200 mm (Compressive strength, Elastic modulus, Resonance frequency)
∅100 × 50 mm (IAM)
|
3.3 실험 방법
3.3.1 동결 실험
Table 5에는 초기동결 조건에 대하여 나타내었다. 타설 된 시험체는 24시간이 경과한 후 탈형을 실시하고 이를 1일로 결정하였으며, 2일, 3일, 4일, 7일이
경과된 시험체에 대하여 12시간, 24시간, 36시간 동안 동결을 실시하였다. 동결을 입히기 전과 후에는 수중양생을 실시하였으며, 재령 28일에서의
압축강도, 탄성계수 및 공명진동수를 측정하였다.
Table 5. Freezing duration and initiations time
3.3.2 공극구조 분석
본 연구에서 사용된 화상 분석은 ASTM C 457에 의거한 리니어 트레버스법(IAM)을 자동화한 측정법으로, 거시적으로 측정 가능한 비교적 큰 공극
영역을 측정할 수 있다. 본 연구에 사용된 측정기는 최대 125배까지 확대 가능한 현미경으로, 해상도 0.00899 mm/pix를 적용하였다(Choi
et al., 2012)(4). 화상 분석에 이용한 콘크리트 시편은 ∅ 100×200 mm의 시험체의 가운데 부분을 50 mm 크기로 절단한 후의 공시체 표면에 연마를 실시한
후 공극분포를 측정하였으며, 본 연구에 사용된 실험 장비와 공극구조 분석에 사용된 이미지는 각각 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다.
3.3.3 압축강도 및 탄성계수
콘크리트의 압축강도 및 탄성계수 측정은 KS F 2405인 콘크리트의 압축강도 시험방법에 준하여 실시하였다. 시험체 크기는 ∅100 × 200 mm
이며, 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 하중제어 방식으로 실시하였다. 이때, 선형변위 측정기(LVDT)를 이용하여 측정된 변위값으로 콘크리트의 탄성계수를
산정하였다.
3.3.4 공명진동수
콘크리트 내부의 손상을 유발하지 않으면서 같은 시편에 지속적인 시험이 가능한 공명진동수(KS F 2731)를 측정하였다.
동결 과정 직후 콘크리트의 공명진동수를 측정하게 되면 동결된 상태이기 때문에 내부 얼음 결정으로 인하여 콘크리트의 강성이 증가하여 공명수가 크게 측정되어
이를 보완 하기 위하여 콘크리트를 동결 후 수중(20±3℃)에서 24시간의 해동 과정을 거친 후에 공명진동수 측정을 진행하였다.
Fig. 1. Instrument used to measure the pore structure
Fig. 2. Image of concrete pore structure
4. 실험결과 및 분석
4.1 건전한 콘크리트 시험체의 특성 평가
4.1.1 공극구조
Fig. 3에는 물-결합재비에 따른 공극분포 비율을 나타내었으며, Fig. 3의 y축은 IAM을 통해 측정된 전체 공극량에 대하여 각 크기별 공극구간의 비율로 표현하였다. 일반적으로, 동결을 받지 않고 수중 양생이 28일 동안
적절히 진행된 콘크리트의 공극 구조는 공통적으로 50~100 μm 크기의 영역이 가장 큰 비율을 차지하는 것으로 나타났다. 이는 기존 연구자들에 의해
보고된 바와 같이 (Mehta, 2014), 연행 공극의 분포 유형인 것으로 판단되며, 물-결합재비가 증가할수록 50~100 μm 영역의 공극이 감소하고,
100~250 μm 영역의 공극의 비율이 증가한 것으로 나타났다. 또한, 300 μm 영역의 공극은 혼화제를 첨가하여 발생된 연행 공극으로, 배합시
사용된 혼화제에 의해 조성되었다. 한편, OPC-EFG의 경우, 물-결합재비에 관계없이 50~100 μm 영역의 공극이 OPC-Natural에 비해
소폭 증가한 것으로 나타났으며, 이는 동결에 대한 저항성을 갖는 공극 비율의 증가를 의미하므로, 향후 동결 저항성 향상에 기여 가능할 것으로 사료된다.
또한, 고로슬래그 혼입에 따른 공극 분포의 영향은 낮은 물-결합재비에서는 50~100 μm 영역의 공극이 가장 높은 것으로 나타났으나, 물-결합재비가
증가함에 따라 50~100 μm 영역의 공극이 감소하고 150 μm 크기 이상의 공극이 소폭 증가한 것으로 나타났다. 이는 물-결합재비 증가에 따른
고로슬래그 미분말의 사용량 감소가 상대적으로 큰 공극 형성에 기여한 것으로 판단된다.
4.1.2 압축강도와 탄성계수
Fig. 3. Result of Surface Image Analysis
Fig. 4. Result of Compressive Strength Test
Fig. 4에는 천연 굵은 골재와 EFG를 사용하여 제작된 건전한 콘크리트 시험체의 압축강도 측정결과를 나타내었다. 실험결과, 물-결합재비에 관계없이 EFG
혼입에 따라 압축강도가 크게 개선되는 것으로 나타났다. 이러한 특성은 천연 굵은 골재에 비하여 거칠고 모가 난 EFG의 표면형상으로 인하여 시멘트
페이스트와의 부착력을 향상시켜 압축강도가 크게 개선된 것으로 사료되며, 이러한 연구 결과는 기존 연구 결과와 잘 일치 하는 것으로 나타났다 (Ryu.
et. al., 2009)
(18).
한편, BFS를 혼입한 콘크리트의 경우, 재령 1일에서의 압축강도는 물-결합재비에 관계없이 모든 배합에서 가장 낮은 것으로 나타났으나, 재령 7일
이후부터는 OPC와 동등 이상의 강도발현을 확보하였다. 뿐만 아니라, 재령 28일에서는 물-결합재비에 관계없이 가장 높은 압축강도를 확보하는 것으로
나타났다. 이는 BFS의 높은 분말도로 인하여 EFG표면에 형성된 공극과 시멘트 수화물의 공극을 채워주는 필러 효과에 기인한 것으로 사료된다 (Kim
et al., 2019)(3).
Fig. 5에는 압축강도 측정시 LVDT를 통하여 구한 콘크리트의 탄성계수 결과를 나타내었다. 모든 배합에서 압축강도증가에 따라 탄성계수가 개선되는 일반적인
콘크리트의 특성이 나타났으며, 특히, EFG를 혼입한 경우에는 천연 굵은 골재를 사용한 경우와 비교하여 유사한 수준의 압축강도를 갖더라도, 탄성계수가
증가한 것으로 나타났다. 이는 콘크리트의 탄성계수는 굵은 골재의 밀도와 강성에 영향을 받기 때문에 EFG가 천연 굵은 골재에 비해 높은 밀도를 갖는
것에 영향을 받은 것으로 판단된다. 그러나 압축강도의 경우 BFS에 의해 크게 개선된 반면, BFS 대체에 따른 탄성계수 개선 효과는 크지 않은 것으로
나타났다.
Fig. 5. Result of Modulus of Elasticity Test
Fig. 6. Measurement value of frequency
4.1.3 공명진동수
Fig. 6에는 재령 증가에 따른 공명진동수 변화를 나타내었다. 측정결과, 모든 시험체는 재령 7일까지 공명진동수가 크게 증가하였으며, 재령 7일이 경과한 이후
재령 28일까지의 공명진동수는 압축강도 증가 대비 거의 유사한 것으로 나타났다. 이는 재령 7일 이내에 콘크리트의 내부가 크게 밀실해진 것에 영향을
받은 것으로 보인다. 한편, 고로슬래그를 혼입한 경우, 재령 28일에서의 압축강도와 탄성계수가 재령 7일에 비하여 급격하게 증가하더라도 공명진동수는
재령 7일과 재령 28일이 유사한 것으로 나타났다. 이는 BFS 혼입에 따른 성능 개선 효과가 공명진동수를 통해 충분히 반영되지 못함을 의미하므로,
향후 BFS를 사용한 콘크리트의 공명진동수 측정시 이를 유의해야 할 것으로 사료된다.
Fig. 7. Result of Surface Image Analysis (Binder: OPC, Coarse aggregate: Natural )
4.2 초기동결에 노출된 콘크리트의 특성
4.2.1 공극 구조
Fig. 8. Result of Surface Image Analysis (Binder: OPC, Coarse aggregate: EFG )
Fig. 7에는 천연 굵은 골재를 사용한 콘크리트가 초기동결에 노출된 이후의 공극 분포를 나타내었다.
Fig. 7(a)에서 건전한 시험체 (sound)는 50~100 μm 영역의 피크점이 나타났으나, 동결이 발생하면 10~50 μm 영역의 공극이 급격히 감소하고 100~150
μm 영역으로 피크점이 이동하였다. 또한, 재령 1일에는 동결 기간이 증가함에 따라 상대적으로 큰 크기의 공극비율 증가가 나타나지만, 재령 3일과
재령 7일에서는 동결 기간에 따른 공극분포의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
Fig. 9. Result of Surface Image Analysis (Binder: OPC70+BFS30, Coarse aggregate: EFG)
그러나
Fig. 7(b)-(c)의 경우, 재령 1일에서 동결 기간이 24시간 지속되면, 공극 영역의 피크점이 뚜렷하게 존재하지 않으며 600 μm 이상의 공극이 증가하였다. 물-결합재비
55%의 경우 (
Fig. 7(c)), 동결 시점과 기간과 관계없이 모두 고른 공극 분포를 나타내었다. 즉, 물-결합재비가 증가하면, 7일 이상 수중양생을 실시하여도 초기동결 피해로
인해 공극분포가 영향을 받는 것으로 나타났다.
Fig. 8에는 EFG를 혼입한 콘크리트의 초기동결 발생 이후의 공극 분포를 나타내었다. Fig. 7의 결과와 마찬가지로 동결조건에 노출될 경우, 50~100 μm영역에 존재한 공극 피크점이 점차 큰 공극 영역으로 이동하였으며, 물-결합재비가 증가할수록
큰 공극 영역으로 확장되는 폭도 넓게 나타났다. 이는 물-결합재비 증가에 따른 콘크리트 내부의 밀실함이 감소하고, 공극 속에 존재하는 총수분량이 증가한
것에 영향을 받은 것으로 보인다. 또한, 천연 굵은 골재를 사용한 경우와 비교하여, 물-결합재비가 증가하여도 200 μm 미만의 공극이 유지되고 500
μm 이상의 공극이 증가하지 않으므로 EFG는 천연 굵은 골재와 비교하여 동결 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
Fig. 9에는 결합재로는 BFS를 함께 혼입하고, EFG를 사용한 콘크리트의 초기동결로 인한 공극 변화를 나타내었다. Fig. 7과 비교하여 BFS를 혼입한 경우, 모든 배합에서 200~250 μm 영역의 공극이 감소하였으며, Fig. 8에 비해 100~200 μm 영역에서의 더 높은 피크점이 존재하는 것으로 나타났다. 따라서 BFS를 혼입하게 되면 비교적 큰 공극 형성을 저해하는
것으로 나타나 동결 저항성을 개선할 수 있는 것으로 판단된다.
실험결과를 정리하면, 초기동결이 발생한 콘크리트는 동결 시점 및 기간과 관계없이 콘크리트 동결 자체의 영향으로 공극 분포의 피크점이 큰 영역으로 이동하면서
점차 고른 분포를 갖게 되며, 이러한 현상은 물-결합재비, 굵은 골재 대체 유무 및 혼화재 사용과 관계없이 나타나 동결 저항성 감소에 영향을 끼치는
것으로 나타났다.
4.2.2 압축강도 및 탄성계수
Fig. 10에는 초기동결 피해를 받은 콘크리트 시험체를 초기동결 이후 수중양생을 실시하여 총 양생 재령이 28일인 시험체에 대하여 건전한 시험체(Fig. 3)를 기준으로 산정한 상대 압축강도를 나타내었다.
Fig. 10(a)-(c)의 결과를 살펴보면, 동결 시점에 따른 영향은 크지 않으나, 모든 배합에서 동결 기간이 증가할수록, 물-결합재비가 감소할수록 상대 압축강도가 감소하는
것처럼 나타났다. 이는 건전한 시험체의 재령 28일 압축강도가 물-결합재비 감소에 따라 증가한 것에 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서 물-결합재비가
증가할수록 동결 저항성이 우수하다고 판단하기는 다소 어려울 것으로 사료된다.
Fig. 10(a)는 OPC-Natural의 경우이며, 동결 기간이 12시간인 경우에는 모든 배합에서 90% 이상의 강도 수준을 확보하였으나, 동결 기간이 24시간인
경우 79~85%, 36시간의 경우에는 67~76%까지 상대압축강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 동결 기간이 증가함에 따라 50~100 μm의
크기를 갖는 공극의 급감 및 500μm 이상의 큰 공극 증가에 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서 천연 굵은 골재를 사용할 경우, 초기동결이 24시간
이상 지속되지 않도록 유의해야 한다.
Fig. 10. Relative Compressive Strength with onset initiation and duration of frost
damage
Fig. 10(b)는 OPC-EFG의 배합이며, 천연 굵은 골재를 사용한 경우와 달리 동결 시점이 지연될수록, 상대 압축강도가 증가하였다. 또한, 동일한 물-결합재비를
갖는 천연 굵은 골재를 사용한 경우에 비해 상대 압축강도의 감소폭이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 EFG를 혼입한 건전한 시험체의 압축강도가 천연
굵은 골재를 사용한 시험체에 비해 우수하여 초기동결을 받은 시험체의 상대 압축강도가 더욱 감소한 것처럼 보여진 것에 영향을 받은 것으로 사료된다.
Fig. 11. Relative Modulus of Elasticity with onset initiation and duration of frost
damage
한편, 24시간 동결이 지속된 물-결합재비가 45%, 55%의 경우에는 35%에 비하여 상대 압축강도가 급격히 감소하였다. 이는 크게 두가지 요인에
영향을 받은 것으로 사료되며, 첫째, 상대적으로 높은 물-결합재비로 인해 콘크리트에 포함된 수분이 증가하여 EFG 표면에 존재하는 공극을 채운 후
동결 발생 시 EFG 표면 공극 내부에 팽창을 유도, 균열생성에 기여하였다.
Fig. 12. Relative resonance frequency with onset initiation and duration of frost
damage
둘째, EFG에 포함된 철(Fe) 성분으로 인해 천연 굵은 골재보다 높은 열팽창계수를 확보하여 온도변화에 따른 수축 팽창이 활발하여 팽창 한계를 초과,
진전된 균열생성에 기여하여 콘크리트 시험체의 강도 회복을 저해한 것으로 사료된다.
한편, Fig. 10(c)의 경우, 낮은 물-결합재비에서도 85% 수준의상대 압축강도를 확보한 것으로 나타났으며, 고로슬래그에 의해 동결 저항성이 감소한 것이 아닌 고로슬래그를
혼입한 건전한 시험체의 압축강도가 재령 28일에서 급격히 증가하여 기준값 급등에 영향을 받은 것으로 사료된다. 그러나, 물-결합재비 35%를 제외하면,
수중양생 4일 이후 초기동결이 발생할 경우, 상대 압축강도가 개선되는 것으로 나타났다. 또한, 동결 기간이 증가하여도 급격한 상대 압축강도 감소가
나타나지 않으므로, 고로슬래그는 높은 물-결합재비 및 EFG 사용에 의한 상대 압축강도 감소를 완화 시킬 수 있는 것으로 판단된다.
한편, Fig. 11에 상대 탄성계수를 나타낸 결과, 배합조건과 관계없이 대부분 약 80% 수준의 상대 탄성계수를 확보하는 것으로 나타났으며, 압축강도와 달리 동결 피해에
의한 성능 저하는 크게 발생하지 않았다. 또한, 동결 시점과 물-결합재비에 따른 영향이 크지 않은 것으로 나타났으나, 골재 및 결합재 종류와 동결
기간에 따른 영향은 발생하였다. 시멘트와 천연 굵은 골재를 사용한 경우에는 24시간 동결 기간이, 시멘트와 EFG를 사용한 경우에는 36시간 동결
기간이, 고로슬래그와 EFG를 사용한 경우에는 24시간 동결 기간이 지속되면 유의할 수준의 상대 탄성계수 감소가 발생하였다. 그러므로 콘크리트에 발생하는
초기동결 피해를 평가하기 위한 인자로 탄성계수를 사용할 경우, 이를 유의해야 할 것으로 사료된다.
4.2.3 공명진동수
Fig. 12에는 Fig. 10~11과 동일한 조건에서 측정된 상대 공명진동수를 나타내었다. 상대 공명진동수 평가 결과, 초기동결 시점 및 기간과 관계없이 90% 이상의 상대 공명진동수를
확보하였으며, 초기동결 시점에는 큰 영향을 받지 않았지만, 모든 배합에서 동결 기간이 36시간 이상 지속될 경우, 상대 공명진동수는 현저히 감소하는
경향이 나타났다.
한편, 공명진동수는 실제 구조물의 손상을 입히지 않고 구조물의 결함이나 강도를 추정할 수 있는 대표적인 비파괴 실험법이나, 추정값에 대한 우수한 신뢰성을
확보하지 못한 단점이 있다 (Lee et al., 2015)(12). 따라서 Fig. 12에 나타낸 상대 공명진동수는 비파괴 시험 특성으로 인해 콘크리트의 초기동결 피해 수준을 명확하게 반영한 것으로 판단하기는 어려우므로, 초기동결 피해를
평가하기 위해서는 이를 유의하여 보완하는 방안 마련이 필요할 것으로 사료된다.
5. 결 론
전기로 산화 슬래그 골재를 사용한 콘크리트의 초기동결 피해에 따른 공극 구조 및 역학적 특성을 동결 시점 및 기간에 따라 평가한 연구의 결론은 다음과
같다.
1. 골재 종류와 관계없이 초기동결 피해가 발생한 콘크리트 시험체의 공극 구조는 50~100 μm 영역에 존재하는 공극의 피크점이 점차 큰 공극 영역으로
이동하는 것으로 나타났으며 동결 기간이 증가할수록 확장되는 공극 영역의 폭도 증가하였다. 또한, EFG 혹은 BFS를 혼입할 경우, 동결 기간은 24시간을
초과하지 않도록 해야 200 μm 미만의 공극이 유지되고 500 μm 이상의 공극이 급증하지 않는 것으로 나타나 천연 굵은 골재에 비해 우수한 동결
저항성을 확보한 것으로 판단된다.
2. EFG 골재로 사용한 콘크리트의 초기동결 피해가 발생할 경우, 동결 시점이 지연될수록 상대 압축강도가 증가한 반면, 재령이 3일 이상 경과 된
시험체의 공극 구조는 동결 시점에 따른 영향이 크지 않았다.
3. EFG와 BFS를 함께 사용한 콘크리트에 초기동결이 발생할 경우, 상대 압축강도는 천연 굵은 골재를 사용한 콘크리트와 비교하여 우수한 것으로
나타났다.
4. 초기동결 피해를 입은 콘크리트의 수중양생 이후 탄성계수는 건전한 시험체 대비 약 80%, 공명진동수는 90%를 확보하였으나, 탄성계수와 공명진동수
측정 결과를 토대로 동결 피해를 평가하게 되면 동결 시점 및 물-결합재비의 영향은 반영하지 못하는 것으로 나타났다.
5. 콘크리트에 발생하는 동결 피해는 발생하는 시점보다 기간에 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났으며, 초기동결 피해를 보다 정확하게 예측하기 위해서는
공극분포, 압축강도, 탄성계수 및 공명진동수간의 상관관계를 고려해야 할 필요가 있다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20171520101680)
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