2.1 사용재료

Table 1 및 2는 사용재료의 물리적 성질과 화학조성을 나타낸 것이다. 시멘트는 KS L 5201「포틀랜드 시멘트」의 1종 보통포틀랜드시멘트로서 밀도 3.15g/cm³, 분말도 3,500cm²/g인 것을 사용하였으며, 고로슬래그는 KS F 2563「콘크리트용 고로슬래그 미분말」에 준하여 밀도 2.90g/cm³, 분말도 4,196cm²/g인 것을 사용하였다.

잔골재는 부순골재로서 밀도 2.56g/cm³, 흡수율 1.51%를 사용하였고, 굵은골재는 부순골재로서 밀도 2.67g/cm³, 흡수율 1.39%를 사용하였다. 고성능감수제는 폴리카르본산계를

Fig. 1. Particle size distribution of used materials

Fig. 2. SEM

사용하였으며, 원심성형을 만족하기 위한 최소한의 유동성을 위해 1.2%를 고정으로 사용하였다. Fig. 1는 사용재료의 입도분포곡선을 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말이 보통포틀랜드시멘트에 비해 2.0～8.0µm의 분포가 더 큰 것을 확인하였다. Fig. 2는 사용재료의 미세구조를 나타낸 것이다.

2.2 실험계획

Table 3은 실험계획을 나타낸 것으로 산업부산물을 활용한 고강도 콘크리트 말뚝의 강도 특성을 평가하기 위해 동일한 조건에서 고로슬래그 미분말의 치환율을 각각 10, 20, 30, 40 %로 설정하였다. 평가항목은 압축강도, 휨강도, 응력-변형곡선&탄성계수, pH이며 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을 통해 분석하였다. Table 4에 콘크리트 배합을 나타내었다. 콘크리트 배합은 기존 콘크리트 말뚝에 사용되고 있는 80MPa이며, 물결합재비(W/B)는 25%, 잔골재율(S/a)은 36%로 설정하였다. 시멘트의 사용량이 많아 잔골재율(S/a)은 예비평가를 통해 36%로 고정하였다. 단위수량은 130kg/m³로 설정한 후 감수제의 사용량에 따라 조절하였다.

Fig. 3. Curing conditions

Fig. 4. Centrifugal compaction

2.3 시험체 제작 및 실험방법

콘크리트의 비빔은 2축 강제식 믹서를 사용하였으며, 시험체는 ｢KS F 2454 원심력으로 다져진 콘크리트의 압축강도 시험방법｣에 준하여 제작하였다. 콘크리트는 비빔 직후 15.3kg을 계량한 후 원심몰드에 투입하여 ∅200×300mm의 크기로 원심성형을 통해 제작하였다. 원심성형조건은 Table 5에 나타낸 바와 같이 저속 3분, 중속 2분, 중고속 1분, 고속 5분의 4단계로 구분하였다. 원심성형이 종료된 시험체는 내부 슬러지를 제거한 후 증기양생을 실시하였다. 양생조건은 Table 6 및 Fig. 3에 나타낸 바와 같이전치 1시간, 승온 3시간, 유지 5시간, 강온 2시간의 조건으로 총 10시간으로 설정하였으며, 시험체의 최고온도는 80℃로 설정하였다. Fig. 4는 실험사진을 나타낸 것이다. 증기양생이 종료된 후에는 온도 20±3℃, 상대습도 60±5%의 항온·항습실 내에서 재령 7일간 양생을 실시하였다. 휨강도 시험체는 KS F 2408「콘크리트 휨강도 시험 방법」에 준하여 □100×100×400mm로 제작한 후 재령 7일 강도를 식(1)에 준하여 측정하였다.

Fig. 5. Compressive strength measurement results of concrete

여기서, $f_{b}$는 휨 강도(MPa), $P$는 시험기가 나타내는 최대 하중(N), $l$은 지간(mm), $b$는 파괴 단면의 너비 (mm), $h$는 파괴 단면의 높이 (mm)이다.

정탄성계수는 KS F 2438「콘크리트 원주 시험체의 정탄성계수 및 포아송비 시험방법」에 준하여 압축강도 측정시 LVDT와 데이터로거를 사용하여 응력과 변위를 각각 산출한 후 최대응력의 40% 지첨에서의 세컨트 모듈러스(Secant Modulus)로 산정하였다. pH는 KS F 2103「흙의 pH 값 측정 방법」에 준하여 pH메타 / HI-8314N를 사용하여 3개의 값을 평균으로 하였으며 재령 1일, 3일, 7일에 측정하였다. pH의 변화는 기존 연구결과를 바탕으로 참고하였으며, 고로슬래그 미분말의 피막을 pH의 농도에 의해 수화생성물을 용출하는 것을 참고하여 진행하였다(Mun et al., 2006)⁽¹²⁾. 시험체의 미세구조는 주사전자현미경(Scanning electron microscope)을 활용하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV로 재령 7일에 관찰하였다.

3.1 압축강도

Fig. 5는 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 압축강도 시험결과를 나타낸 것이다. 재령 1일 압축강도의 경우 OPC 시험체는 66.8MPa, HCB10 시험체는 68.9MPa, HCB20 시험체는 70.3MPa, HCB30 시험체는 64.3MPa, HCB40 시험체는 62.2MPa로 측정되었다. 따라서, 고로슬래그 미분말을 20% 치환한 HCB20 시험체의 압축강도가 약 5% 증가하여 가장 높은 압축강도를 나타냈으며, 고로슬래그 미분말을 40% 치환한 HCB40 시험체의 압축강도는

Fig. 6. Flexural strength measurement results of concrete

약 7% 감소하여 가장 낮은 값을 나타내었다. 또한, 재령 7일 압축강도의 경우 OPC 시험체는 76.5MPa, HCB10 시험체는 78.6MPa, HCB20 시험체는 80.6MPa, HCB30 시험체는 74.7MPa, HCB40 시험체는 71.9MPa로 측정되었다. 재령 1일과 거의 유사한 패턴을 보였으며 고로슬래그 미분말을 20% 치환하였을 경우 압축강도가 OPC에 비해 약 5% 증가하여 가장 효과가 큰 것으로 판단된다.

결론적으로, 고로슬래그 미분말을 20%의 범위에서 치환할 경우 압축강도 증가에 유리한 경향을 보였으며, 20%를 초과하는 범위에서는 압축강도가 감소하는 경향을 보여 추가적인 검토가 필요하다고 판단된다. 또한, 산업부산물로 발생하는 다른 혼화재료와 110MPa의 초고강도 콘크리트 말뚝, 다양한 콘크리트 2차 제품으로의 검토도 필요한 것으로 판단된다.

3.2 휨강도

Fig. 6은 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 휨강도 시험결과를 나타낸 것이다. 휨강도 시험결과는 재령 7일을 기준으로 OPC 시험체는 5.7MPa, HCB10 시험체는 7.3MPa, HCB20 시험체는 7.6MPa, HCB30 시험체는 4.8MPa, HCB40 시험체는 4.1MPa로 측정되었다. 전체적으로 고로슬래그 미분말의 치환율 10~20%까지는 휨강도가 증가하는 경향을 보였으나, 30%~40%의 범위에서는 감소하는 경향을 보였다. 특히, 고로슬래그 미분말을 10% 치환한 시험체가 OPC 시험체 비해 28% 증가하였으며, 20% 시험체는 33% 증가하였다. 한편, HCB40 시험체는 OPC에 비해 약 28% 감소하는 경향을 보였다. 따라서, 고로슬래그 미분말의 치환율 10～20% 범위에서는 압축강도의 증가로 인해 휨강도가 증가하는 경향을 보여 가장 효과적인 것으로 판단된다.

Fig. 7. Stress-strain curve of concrete

Fig. 8. Elastic modulus of concrete

3.3 응력변형곡선&정탄성계수

Fig. 7은 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 응력-변형곡선 시험결과를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말을 10% 치환한 시험체가 0.00231의 변형값에서 59.3MPa의 압축강도를 나타냈으며, 20% 치환한 시험체가 0.00236의 변형값에서 63.67MPa의 압축강도를 나타냈어 OPC 시험체보다 높은 값을 나타내었다. 그러나, 30% 치환한 시험체가 0.00268의 변형값에서 54.3MPa, 40% 치환한 시험체가 0.00280의 변형값에서 48.7MPa를 나타내었다. 따라서, 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 변형값이 커지는 것을 확인하였다.

Fig. 8은 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 정탄성계수를 나타낸 것이다. HCB10시험체는

Fig. 9. pH measurement results of concrete

Fig. 10. Compressive strength and pH relationship analysis

32.4GPa, HCB20 시험체는 36.9GPa를 나타내어 OPC 시험체에 비해 각각 2%, 15% 증가하였다. 또한, HCB30 및 HCB40 시험체의 정탄성계수는 37.2GPa, 32.3GPa를 나타내어 OPC시험체에 비해 각각 16%, 1% 증가하였다. 전체적으로 고로슬래그 미분말의 치환으로 인해 정탄성계수가 증가하는 것을 확인하였다.

3.4 pH

Fig. 9는 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 pH 시험결과를 나타낸 것이다. OPC 시험체는 재령 1일 13.15, 재령 3일 12.85, 재령 7일 12.45로 측정되어 총 0.7 감소하였다. HCB10 시험체는 재령 1일 12.84, 재령 3일 12.55, 재령 7일 12.31로 총 0.53 감소하였다. HCB20 시험체는 재령 1일 12.77에서 재령 7일에서는 12.10으로 감소하였다. 한편, HCB40 시험체는 재령 1일 12.42에서 재령 7일 11.67로 0.75로 가장 크게 감소하였다.

Fig. 10은 pH와 압축강도의 관계를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 pH는 감소하는 경향을 보이지만 HCB20 시험체가 가장 높은 압축강도를 나타내고 있으며, 다음으로 HCB10, OPC 시험체 순으로 압축강도를 나타내고 있어 pH와 압축강도는 큰 상관관계가 없는 것으로 판단된다.

기존 연구 결과를 바탕으로 고로슬래그 미분말을 다량으로 치환할 경우 압축강도 증진을 위해 NaOH, Ca(OH)2와 같은 알칼리 성분을 활용하고 있지만 (Chang et al., 2000)⁽⁶⁾ 본 연구와 같이 시멘트에 고로슬래그 미분말을 치환하는 경우에서 pH의 영향이 크지 않고 양생온도에 따른 온도의존성이 더 큰 것으로 예상되며, 양생조건과 고로슬래그 미분말의 관계는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

3.5 주사전자현미경 관찰 (SEM)

Fig. 11은 고로슬래그 미분말의 치환율에 의한 고강도 콘크리트 말뚝의 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 11. SEM of concrete (7days)

OPC 시험체는 대부분 겔 형태의 수화생성물을 나타내고 있지만, 고로슬래그 미분말을 치환한 HCB10 시험체에서는 소량의 ettringite가 관찰되었다. 또한, HCB20 시험체에서도 소량의 ettringite, C-S-H, portlandite와 같은 수화생성물이 관찰되었다. 한편, HCB30 시험체에서도 소량의 ettringite가 관찰되었으나, HCB40 시험체에서는 HCB10, HCB20, HCB30 시험체와는 다른 미세구조를 나타내고 있으며, 대부분 겔 형태를 나타내고 있다. 따라서, 고로슬래그 미분말의 치환으로 인해 ettringite를 기준으로 동시에 생성된 C-S-H 등과 같은 수화생성물로 인해 콘크리트 내부 빈 공간을 채워주고 조직이 치밀해져 압축강도에 영향을 준 것으로 판단된다.