2.1 실험 계획

본 연구에서는 잔골재를 석탄 폐석으로 부분 치환한 콘크리트의 작업성 및 역학적 특성을 평가하기 위해 슬럼프, 공기량, 압축강도, 탄성계수, 염화물 침투 저항성 및 전기 비저항 시험을 수행하였다. 모든 콘크리트의 물-시멘트비(W/C)는 45%로 설정하였다. 석탄 폐석은 잔골재 질량 대비 0–100% 범위에서 단계적으로 치환하였다. 본 연구에 사용된 배합 설계는 Table 1에, 실험 변수 및 시험 조건은 Table 2에 나타내었다.

또한, 석탄 폐석의 특성이 유동성 및 역학적 특성에 미치는 영향을 보다 명확히 분석하기 위하여 동일 치환 조건의 모르타르 시험을 병행하여 수행하였다. 사용된 모르타르 배합표는 Table 3에 나타내었다.

2.2 사용 재료

본 연구에서는 보통 포틀랜드 시멘트(KS L 5201)를 사용하였으며, 시멘트의 물리적 및 화학적 특성은 Table 4에 나타내었다. 굵은 골재는 최대 치수 20 mm의 쇄석을 사용하였고, 잔골재는 최대 치수 5 mm의 모래를 사용하였다. 또한, 본 연구에 사용된 석탄 폐석은 굴진 과정에서 발생한 경석으로, 체가름을 통해 5 mm 이하의 입자를 선별하여 사용하였다. 사용된 잔골재 및 석탄 폐석의 형상을 Photo 1에 나타내었으며, 물리적 특성은 Table 5에 나타내었다.

Photo 1. Fine aggregate used

본 연구에 사용된 석탄 폐석의 입도 분포를 Fig. 1에 나타내었다. 분석 결과, 석탄 폐석은 최대 입경 5 mm 이하로 구성되어 일반적인 잔골재의 입도 범위에 포함되는 것으로 확인되었다. 다만, 0.15 mm체를 통과하는 미립분 함량이 약 10.4%로 비교적 높은 수준을 나타냈다. 이러한 특성으로 인해 표면수 상태를 일정하게 제어하기 어려운 점이 있으며, 석탄 폐석의 흡수율은 약 0.6%로 낮은 수준을 나타냈다. 이를 종합적으로 고려하여 본 연구에서는 석탄 폐석을 건조 상태로 사용하였다.

Fig. 1. Particle size distribution of coal gangue

2.3 실험 방법

2.3.2 압축강도 및 탄성계수

본 연구에서는 콘크리트의 압축강도를 KS F 2405에 따라 $\emptyset$100$\times$200 mm 원주형 공시체를 이용하여 측정하였다. 공시체는 탈형 후 각 재령(7, 28, 91일)까지 수중 양생을 실시한 후, 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 압축강도를 측정하였다.

탄성계수는 공시체에 선형변위계(LVDT)를 설치하여 하중 재하에 따른 응력–변형률 관계를 측정한 후, KS F 2438에 따라 산정하였다. 압축강도와 탄성계수는 각 조건별 3개의 공시체 평균값으로 산정하였으며, 실험 전경은 Photo 2(a)에 나타내었다.

Photo 2. Test setup

2.3.4 전기 비저항 특성

콘크리트의 염화물 침투 저항성을 간접적으로 평가하기 위하여 포화 상태의 콘크리트 공시체에 대한 전기 비저항을 측정하였다. 전기 비저항은 콘크리트의 공극 구조 및 이온 이동 특성과 관련이 있어 내구성 평가 지표로 활용된다.

전기 비저항 측정은 AASHTO T 358(AASHTO, 2015)에 따라 Wenner의 4전극법을 적용하였다. 본 방법은 외부 전극을 통해 전류를 인가하고, 내부 전극 사이의 전위차를 측정하여 콘크리트의 전기 비저항을 산정하는 방식이다(Photo 3). 시험에는 탈형 후 각 재령(28, 91, 180일)까지 수중 양생한 $\emptyset$100$\times$200 mm 원주형 공시체 3개를 사용하였으며, 측정값은 각 공시체당 4회 측정한 평균값으로 산정하였다.

Photo 3. Test of electrical resistivity

3.1 슬럼프 및 공기량

석탄 폐석의 잔골재 대체율에 따른 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 및 공기량 측정 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 슬럼프 시험 결과, 기준 배합(Ref.)은 123 mm를 나타내었으며, 대체율 25%에서는 147 mm로 일시적인 증가가 나타났다. 그러나 50% 이상에서는 각각 80 mm, 60 mm, 50 mm로 감소하여, 전반적으로는 대체율 증가에 따라 작업성이 저하되는 경향이 확인되었다.

Fig. 2. Slump and air content test results

이러한 슬럼프 감소는 석탄 폐석의 입도 및 입형 특성에 의한 것으로 판단된다. 사용된 석탄 폐석은 모래에 비해 미세입자(0.15 mm 미만) 함량이 높고 비표면적이 크다. 이에 따라 동일한 배합 조건에서 표면수 요구량이 증가하며, 유동성에 기여하는 자유수량이 감소하게 된다. 또한 미세입자의 응집 특성과 각지고 거친 입형은 입자 간 상호작용 및 내부 마찰을 증가시켜 유동성을 저하시킨 것으로 판단된다.

한편, 석탄 폐석의 흡수율(0.6%)을 고려할 경우, 대체율 증가에 따라 일부 배합수가 골재 내부로 흡수되어 유효 물-시멘트비가 감소하는 것으로 판단된다(Table 6). 배합표 기준으로 대체율 25∼100%에서 유효 물-시멘트비는 각각 약 44.69∼43.77%로 감소하는 것으로 계산되었으며, 이는 최대 약 1.23% 수준의 감소에 해당한다. 이러한 유효 배합수 감소는 유동성 저하에 일정 부분 기여할 수 있으나 감소폭이 크지 않았으며, 슬럼프 저하의 주요 원인은 미세입자 증가에 따른 비표면적 증가 및 입자 간 상호작용 변화로 판단된다. 다만, 낮은 대체율(25%)에서는 입도 분포 개선 효과로 인해 골재 간 충전성이 향상되면서 슬럼프가 일시적으로 증가한 것으로 판단된다.

공기량의 경우, 기준 배합은 4.5%를 나타내었으며, 대체율 증가에 따라 전반적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 대체율 25%에서는 5.0%로 다소 증가하였으나, 이후 50%, 75%, 100%에서 각각 4.4%, 3.4%, 3.2%로 감소하였다. 이는 미세입자가 기포 표면에 부착되어 기포의 형성 및 안정성을 저하시킬 뿐만 아니라, 혼합물의 점성 증가로 인해 기포의 이동 및 분산이 제한되기 때문으로 판단된다.

한편, 동일한 치환 조건에서 수행한 모르타르 플로 시험 결과는 콘크리트 슬럼프와 상이한 경향을 나타내었다. 모르타르의 경우 기준 배합은 132 mm를 나타내었으며, 석탄 폐석을 치환한 모든 배합에서 플로 값이 증가하여 약 140∼146 mm 범위를 나타내었고, 기준 배합 대비 약 6∼11% 증가하는 경향을 나타냈다(Table 7). 이러한 차이는 굵은 골재의 존재 여부에 따른 입자 상호작용 차이에 의한 것으로 판단된다. 모르타르에서는 석탄 폐석의 미세입자가 페이스트 내에서 충전재로 작용하여 공극을 감소시키고 입자 배열을 개선함으로써 유동성이 증가한 것으로 판단된다. 반면, 콘크리트에서는 굵은 골재에 의해 형성된 골격 구조 내에서 미세입자의 응집 및 입형 특성이 함께 작용하여 입자 간 상호작용과 내부 마찰이 증가함에 따라 전체적인 작업성이 저하된 것으로 판단된다.

3.2 압축강도 및 탄성계수

석탄 폐석의 잔골재 대체율에 따른 압축강도 및 탄성계수 측정 결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 압축강도 시험 결과, 기준 배합(Ref.)은 재령 7일, 28일, 91일에서 각각 23.4 MPa, 29.7 MPa, 34.0 MPa를 나타냈다. 석탄 폐석을 적용한 경우, 대체율 증가에 따라 전반적으로 압축강도가 증가하는 경향을 보였으며, 특히 91일 재령 기준으로 대체율 50% 및 75%에서 각각 35.9 MPa, 36.6 MPa를 나타내어 기준 배합 대비 약 5.6% 및 7.6% 증가하였다. 대체율 100%에서는 37.8 MPa로 약 11.2% 증가하여 가장 높은 값을 나타냈다.

Fig. 3. Compressive strength test results

Fig. 4. Modulus of elasticity test results

이러한 압축강도 증가는 석탄 폐석의 입도 특성 및 미세입자(0.15 mm 미만)에 의한 충전 효과와 공극 감소, 그리고 유효 물-시멘트비 감소가 복합적으로 작용한 결과로 판단된다. 석탄 폐석에 포함된 미세입자는 시멘트 페이스트 내에서 공극을 충전하고 충전 밀도를 향상시켜 미세구조를 치밀하게 형성하는 데 기여하며, 이러한 변화가 강도 증가로 이어질 수 있다.

또한, 석탄 폐석의 흡수율(0.6%)에 의해 일부 배합수가 골재 내부로 흡수되면서 유효 물-시멘트비가 감소하였다. 계산 결과(Table 6), 유효 물-시멘트비는 기준 배합의 45.00%에서 대체율 100% 적용 시 약 43.77%까지 감소하여 최대 약 1.23% 감소하였다. 일반적으로 물-시멘트비 감소는 압축강도 증가를 유도하는 주요 인자 중 하나로 알려져 있으며, 본 연구에서도 이러한 경향이 일부 반영된 것으로 판단된다.

이와 관련하여 재령 91일 압축강도와 유효 물-시멘트비 간의 상관관계를 평가하기 위해 Abrams 법칙을 적용하였다. Abrams 법칙은 동일한 재료 및 양생 조건에서 콘크리트의 압축강도가 물-시멘트비에 의해 지배된다는 경험적 관계에 기반하며, 재령에 따른 영향을 배제하기 위해 동일 재령(91일) 조건에서 회귀분석을 수행하였다. 본 연구에서는 Abrams 식 $f_c = A(w/c)^{-B}$를 적용하였으며, 각 배합의 유효 물-시멘트비와 재령 91일 압축강도 실험값에 대해 로그 변환 후 선형 회귀분석을 실시하였다. 그 결과 회귀계수 A=0.7808, B=4.6936이 도출되었다. 도출된 식을 이용하여 예측한 압축강도는 실험값과 전반적으로 유사한 경향을 나타냈으며(Table 8), 특히 대체율 50% 이상에서는 오차가 약 1.5% 이내로 나타나 유효 물-시멘트비 감소가 강도 증가에 일정 부분 기여함을 확인할 수 있었다.

한편, 동일한 치환 조건에서 수행한 모르타르 압축강도 결과에서도 유사하거나 더 큰 증가가 나타났다. 예를 들어 91일 재령 기준으로 CGFA50 및 CGFA75 배합은 기준 배합 대비 각각 약 13.4% 및 11.3% 증가한 강도를 나타냈다(Table 9). 모르타르에서도 석탄 폐석의 흡수 특성에 의해 유효 물-시멘트비 감소가 일부 발생할 수 있으며, 이러한 영향과 함께 미세입자에 의한 충전 효과 및 공극 감소가 복합적으로 작용한 것으로 판단된다.

이에 비해, 탄성계수의 경우, 기준 배합은 재령 7일, 28일, 91일에서 각각 약 28 GPa, 32 GPa, 34 GPa를 나타냈다. 석탄 폐석을 적용한 경우, 전반적으로 기준 배합과 유사하거나 다소 증가하는 경향을 보였으며, 특히 91일 재령 기준으로 대체율 75%에서 약 36 GPa를 나타내어 약 5.0% 증가하였다. 반면, 다른 배합에서는 증가율이 크지 않아 탄성계수는 압축강도에 비해 대체율의 영향이 상대적으로 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 콘크리트의 탄성 특성이 주로 굵은 골재의 강성 및 체적비에 의해 지배되기 때문이며, 잔골재 치환에 따른 영향은 상대적으로 작게 나타난 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에 사용된 석탄 폐석은 일반 잔골재와 유사한 수준의 물리적 특성을 나타내어, 석탄 폐석 자체의 강성 또한 큰 차이를 보이지 않았을 가능성이 있는 것으로 판단된다.

3.3 염화물 침투 저항성

석탄 폐석의 잔골재 대체율에 따른 염화물 침투 저항성을 평가하기 위하여 수행한 급속 염화물 이동 시험 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 기준 배합(Ref.)의 염화물 확산계수는 재령 28일, 91일, 180일에서 각각 17.7$\times$10$^{-12}$ m$^2$/s, 12.2$\times$10$^{-12}$ m$^2$/s, 9.4$\times$10$^{-12}$ m$^2$/s로 나타났다. 석탄 폐석을 적용한 경우 전반적으로 기준 배합과 유사한 수준을 보였으며, 일부 배합에서는 소폭의 증가 또는 감소가 나타났다. 예를 들어 28일 재령 기준으로 대체율 25%에서는 18.1$\times$10$^{-12}$ m$^2$/s로 다소 증가하였으나, 50% 및 75%에서는 각각 17.1$\times$10$^{-12}$ m$^2$/s로 나타나 기준 배합과 유사하거나 다소 감소하는 경향을 보였다. 대체율 100%에서도 17.5$\times$10$^{-12}$ m$^2$/s로 큰 차이를 보이지 않았다.

Fig. 5. Chloride migration test results

모든 배합에서 재령 증가에 따라 염화물 확산계수는 감소하는 경향을 나타내었으며, 이는 수화 반응의 진행에 따라 콘크리트 내부 공극 구조가 치밀해지고 공극 연결성이 감소함에 따라 염화물 이온의 이동이 억제된 결과로 판단된다.

석탄 폐석 대체에 따른 영향은 재령 초기(28일)에서는 일부 증가 경향이 나타났으나, 장기 재령(91일, 180일)에서는 기준 배합과 유사한 수준으로 나타나는 경향을 보였다. 이는 석탄 폐석의 입도 및 미세입자 특성에 의해 초기 공극 구조에 변화가 발생할 수 있으나, 장기적으로는 수화 생성물에 의해 공극 구조가 치밀해지고 공극 연결성이 감소하면서, 염화물 이동 특성에 대한 대체율의 영향은 제한적인 것으로 판단된다.

한편, 동일한 치환 조건에서 수행한 모르타르 확산계수 결과에서는 석탄 폐석 치환에 따라 소폭 감소하는 경향이 확인되었다. 예를 들어 28일 재령 기준으로 CGFA100 배합은 기준 배합 대비 약 5.6% 감소한 값을 나타내었다(Table 10). 이는 석탄 폐석의 미세입자에 의한 충전 효과 및 공극 감소가 모르타르 수준에서는 직접적으로 반영되어 염화물 이동 저항성 향상에 기여했을 가능성을 나타낸다.

이러한 결과는 석탄 폐석 치환에 따른 미세입자 효과가 존재하더라도, 콘크리트에서는 굵은 골재와 ITZ의 영향이 함께 작용하여 염화물 이동 특성에 대한 대체율의 영향이 제한적으로 나타난 것으로 판단된다.

3.4 전기 비저항 특성

석탄 폐석의 잔골재 대체율에 따른 콘크리트의 전기 비저항 측정 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 기준 배합(Ref.)은 재령 28일, 91일, 180일에서 각각 13.0 k$\Omega \cdot$ cm, 20.4 k$\Omega \cdot$ cm, 29.3 k$\Omega \cdot$ cm를 나타내었으며, 재령 증가에 따라 전기 비저항이 증가하는 경향을 보였다. 석탄 폐석을 적용한 경우에도 모든 배합에서 기준 배합과 유사하거나 다소 높은 값을 나타내었으며, 대체율에 따른 뚜렷한 변화는 확인되지 않았다.

Fig. 6. Electrical resistivity test results

전기 비저항은 콘크리트 내부 공극 구조와 이온 이동 저항성을 반영하는 지표로, 공극 구조가 치밀하고 공극 연결성이 낮을수록 높은 값을 나타낸다. 본 연구에서도 재령 증가에 따라 전기 비저항이 증가하였으며, 이는 수화 반응의 진행에 따라 공극 구조가 치밀해지고 이온 이동 경로의 복잡도(tortuosity)가 증가한 데 따른 것으로 판단된다.

석탄 폐석의 대체율에 따른 영향은 전반적으로 크지 않은 것으로 나타났으며, 이는 석탄 폐석의 물리적 특성이 기존 잔골재와 유사하여 공극 구조 및 공극 연결성에 미치는 영향이 제한적이기 때문으로 판단된다. 이러한 경향은 염화물 확산계수 결과와도 일관되며, 두 내구성 지표가 유사한 거동을 나타냄을 확인하였다.

또한, 동일한 치환 조건에서 수행한 모르타르 전기 비저항 결과에서도 기준 배합과 유사한 수준의 값이 확인되었다. 예를 들어 91일 재령 기준으로 모든 치환 배합은 약 9.8∼10.0 k$\Omega \cdot$ cm 범위를 나타내어 큰 차이를 보이지 않았다(Table 11). 이는 모르타르의 경우 페이스트가 지배적인 구조를 형성하여 미세입자에 의한 충전 효과가 일부 존재하더라도 전체적인 공극 구조 변화에 미치는 영향이 제한적으로 나타났을 가능성을 나타낸다. 이러한 결과는 콘크리트에서도 전기 비저항이 대체율에 따라 큰 변화를 보이지 않은 경향과 일관된다.