1. 서론
최근의 건설기술과 기간산업기술의 발달로 콘크리트 재료가 대형 구조물, 장대교량, 댐 공사, 초고층 빌딩 등에 사용되어 짐에 따라 콘크리트의 취성개선은 물론 구조물의 균열발생 및 변형 등 악영향을 방지할 수 있는 고성능⋅고강도의 콘크리트에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
콘크리트를 고강도화하게 되면 부재단면의 감소에 따른 자중의 감소, 장대화, 고층화, 유효공간의 증가 등이 가능해지며, 재료의 사용을 줄일 수 있으므로 경제적인 측면에서도 여러 가지 이익을 얻을 수 있다(Park et al., 2002).
페로실리콘이나 실리콘 메탈의 제조 시 발생되는 실리카퓸은 타 재료에 비해 초미립자의 부산물로 적절한 배합 및 타설과 양생을 통해 시멘트 경화체 사이의 공극을 채우는 미세충진효과와 포졸란 반응(시멘트가 수화할 때 생성되는 수산화칼슘과 화합하는 반응)을 하고, 콘크리트에 치환할 경우 볼베어링 작용을 하여 유동성을 향상시키고 수밀성 및 내구성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 하지만 실리카퓸은 높은 분말도로 인해 실리카퓸을 분산시키기 위해 높은 비율의 유동화제나 고성능 감수제를 사용하는 것이 필요하다. 이것을 대체하기 위해 시멘트 제조사에서 프리브랜딩을 하여 실리카퓸을 시멘트에 분산시킨 제품을 판매하고 있으나, 원가에 비해 단가가 매우 높아 경제성이 떨어져 현장에서 사용하는데 많은 어려움이 존재하고 있다(Han et al., 2014).
이에 본 연구에서는 콘크리트의 고강도화 및 고품질화를 통한 고성능콘크리트의 개발에 대한 연구의 일환으로 실리카퓸 수입업체인 K사의 실리카퓸을 이용하여 시멘트 중량에 대해 각각의 실리카퓸을 일정량 치환하고, 기 배합되어진 콘크리트에 실리카퓸과 선발포식 기포를 사용하여 기포의 계면활성작용에 의한 실리카퓸 분산효과를 비교⋅분석하고, 각 실리카퓸과 기포 혼입량에 따른 강도특성과 역학적특성에 대해 분석하고자 한다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 실험재료
2.1.1 시멘트
시멘트는 KS L 5201에서 규정에 의거, 규격에 만족하는 국내 S사 생산의 1종 포틀랜드 시멘트(분말도 3,289 cm2/g, 밀도 3.15 g/cm3, 강열감량 0.61 %, 안정도 0.08 %)를 사용하였다.
2.1.2 골재
굵은 골재는 굵은 골재 최대치수(Gmax) 10 mm인 세척 쇄석을 사용하였고, 잔골재는 세척 해사를 사용하였다. 굵은 골재와 잔골재의 물리적 특성은 Table 1과 같다.
2.1.3 실리카퓸
실리카퓸은 각종 실리콘 및 페로실리콘 등의 규소합금을 전기아크식 로에서 제조할 때 배출되는 가스에 부유하여 발생하는 미세한 분말이다. 비표면적이 약 20,000 m2/kg로서 보통 포틀랜드 시멘트의 50~60배이다. 입자의 90 %이상이 구형으로 된 초미립자 분말로서, 시멘트 중량의 5 ~ 15 % 정도 치환하면 콘크리트 내부 구조가 치밀하게 되어 고강도를 발현할 수 있으며 재료분리 저항성, 수밀성, 내화학약품성이 향상되고 알칼리 골재반응의 억제효과 또한 기대할 수 있다. Table 2는 본 실험에서 사용된 실리카퓸의 물리⋅화학적 특성을 나타낸 것이다(Lee et al., 2013).
Table 2
Physical Properties and Chemical Composition of Silica Fume
2.1.4 기포제
기포제의 계면활성분자는 친수기와 소수기로 이루어져 있고, 친수기의 경우 물, 소수기의 경우 계면에 배열되어 기포제를 희석한 수용액의 표면장력, 점도 등의 특성을 변화 시킨다. 또한 미세한 연행기포는 볼베어링 효과로 콘크리트의 혼합을 더 용이하게 만든다. 본 논문에서는 해외 C사의 기포제를 이용하여 선발포 기포생성 후 실리카슬러리와 혼입 후 기 배합 콘크리트에 혼입하는 방식을 사용하였다(Jeong et al., 2012).
2.2 배합설계
본 논문에서는 단위결합재량 460 kg/m3, 물-결합재 비(W/B) 40 %, 잔골재율(S/a) 75 %로 기본조건을 설정, 실리카퓸의 혼입률에 따른 배합설계를 실시하였다. 목표 슬럼프 80 ± 20을 확보하기 위해 고성능AE감수제를 사용하였다.
실리카퓸은 물과 0.51: 0.49의 비율로 슬러리를 만들고 선발포된 기포와 믹싱하여 만들어진 실리카기포슬러리를 base콘크리트에 추가 혼입하는 방식을 선택하였다(Park et al., 2016).
본 배합설계는 혼화재료 미혼입을 기준배합으로 단위시멘트량 대비 치환율 변동을 두어 실리카퓸(6, 8, 10 %)을 주요 변수로 하고, 각 변수에 콘크리트 배합 후 최종 목표 공기량 15, 20, 30, 35 %의 공기량 변수를 설정하여 강제식 배합을 통해 공기량에 따른 실리카퓸 분산효과를 측정하였다. 공기량 혼입에 따른 실리카기포슬러리 콘크리트의 기초물성 실험방법으로는 압축강도 실험, 슬럼프 및 공기량 실험을 실시하였고, 역학적 특성 실험 항목으로는 염소이온 침투 저항성 실험, 화상분석 실험을 실시하였고, 배합표는 Table 3과 같다(Jeon et al., 2011).
Table 3
Mix Design Depending on the Variation of Silica Fume
2.3 실험계획
본 연구에서 평가할 굳기 전 콘크리트의 슬럼프 및 공기량 시험과 같은 기초물성 시험과, 굳은 콘크리트의 강도특성 측정, 화상분석 시험, 염소이온 침투 저항성 시험과 같은 내구특성을 분석하며, 시험에 적용한 방법은 Table 4와 같다.
Table 4
Schedule and Evaluation Method of Basic and Durability Properties
2.4 실험장비
2.4.1 콘크리트 스프레이 장비
본 실험에서는 연구실에서 자체 제작한 스프레이 장비를 이용하였으며, 이 장비는 피스톤 없이 재료의 흐름성과 중력을 이용하여 재료를 스프레이한다. 이 장비는 대형화 되어 있는 장비와 달리 실내실험에 적합한 장비로 Fig. 1은 실험에 사용된 콘크리트 스프레이 사진이다.
2.5 시험방법
2.5.1 경화 전 콘크리트의 실험방법
1) 슬럼프 시험
굳지 않은 콘크리트의 반죽질기를 판단하기 위하여 슬럼프 실험은 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프 시험방법)의 규정에 의거하여 수행하였다.
2) 압력법에 의한 공기량 시험
실리카기포슬러리 혼입 전과 스프레이 후의 공기량 시험은 KS F 2421(굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험방법(공기실 압력 방법))의 규정에 의거하여 수행하였다.
3) 질량법에 의한 공기량 시험
실리카기포슬러리 혼입 후의 공기량은 15 ~ 35 %이다. 일반적으로 사용하는 KS F 2421(굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기 함유량 시험방법)은 10 % 공기량까지 측정할 수 있어 실리카기포슬러리 혼입 후의 공기량을 측정할 수 없다. 그래서 본 논문에서는 KS F 2409 굳지 않은 콘크리트의 단위 용적 질량 및 공기량 시험 방법(질량방법)을 이용하여 실리카기포슬러리 혼입 후의 공기량을 측정하였으며 아래 식에 따라 계산한 후 공기량 값을 산출하였다.
여기서
A: 콘크리트 중의 공기량(%)
T: 공기가 전혀 없는 것으로 계산한 콘크리트의 단위 용적 질량(kg/m3)
M: 콘크리트의 단위 용적 질량(kg/m3)
2.5.2 경화 후 콘크리트의 실험방법
1) 압축강도 시험
콘크리트의 압축강도는 콘크리트의 성능평가를 위한 기본적인 자료로서 중요한 의미를 가진다. Ф100 × 200 mm의 원형 공시체를 이용하여 시편을 제작하여 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 준하여 재령 28일과 56일에 측정을 하였다.
2) 염소이온 침투 저항성 시험
염소이온 침투 저항성 시험은 구조물의 염화물 침투성의 정도를 파악하기 위해 수행되는 중요한 내구성 관련 시험이다.
본 연구에서는 염소이온의 침투를 전압차에 의하여 촉진하는 시험법을 채택하였고 염소이온의 침투 저항성을 측정함으로써 각 배합의 투수성을 알아내는데 그 목적이 있다.
염소이온 침투 저항성 시험은 KS F 2711(전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험방법)에 의거하여 수행하였다.
산정된 총 전하량으로 염소이온 침투 저항성에 대하여 비교⋅분석한다. 다음 Table 5는 KS 규정에서 제시한 산정된 전하량으로 염소이온 침투 저항성과 비교하는 자료를 제시한 것이다.
Table 5
Resistance to Chloride Ion Penetration
| Coulombs | Rating |
|---|---|
| 4,000 < | High |
| 2,000 ∼ 4,000 | Moderate |
| 1,000 ∼ 2,000 | Low |
| 100 ∼ 1,000 | Very Low |
| < 100 | Negligible |
3) 화상분석 시험
경화 후 콘크리트의 공극구조 분석을 위해 분석기기인 HF-MA C01을 사용하여 ASTM C 457(Standard Test Method for Microscopical Determination of Air Void Content and Parameters of the Air Void System in Hardened Concrete)에 준거하여 시험을 수행하였다. 화상분석 시험은 리니어트래버스법을 자동화 측정하는 시험으로써 주어진 화상(image)으로부터 정량적인 정보를 추출할 수 있는 분석법이다. 이는 공극의 크기와 분포도, 위치 등을 측정하여 전체 공기량, 간격계수, 비표면적, 공극 크기별 공기량, 공극 크기별 개수 등을 분석할 수 있다. 장비의 구성 및 사용방법이 전문가적 기술을 요구하지 않으며 공극 분석 시 해석 결과를 즉시 확인할 수 있다. 또한 화학약품 처리 등 특수 처리를 할 필요 없이 측정면을 연마하여 간단히 측정⋅분석할 수 있는 장점을 가지고 있다. Fig. 2는 화상분석 기기 HF-MA C01의 모습이다.
3. 실험결과
3.1 실리카 기포슬러리 혼입량에 따른 콘크리트 특성
실리카퓸의 혼입량을 결합재 대비 6, 8, 10 %로 치환하고 각각의 혼입률에 공기량 15, 20, 30, 35 %의 기포를 혼입하는 실험을 시행하였으며, 기배합의 콘크리트는 목표 공기량 4 ± 2 %, 목표 슬럼프 80 ± 20 mm를 확보하기 위하여 고성능 AE감수제를 사용하였다. 기 배합된 콘크리트에 혼입되는 실리카퓸와 물의 비율은 0.51: 0.49으로 혼입하여 슬러리를 제작한 후 기포를 혼입하여 기포슬러리를 제작 후 기배합에 혼입하는 방식으로 실험을 진행하였다.
3.1.1 공기량 및 슬럼프 시험
기포를 혼입하지 않은 변수와 기포를 목표 공기량에 맞게 15, 20, 30 35 %로 혼입한 변수에 따른 공기량 및 슬럼프의 변화를 측정하여 비교 분석하였다. 기포 혼입률이 높아질수록 기포의 공기 연행효과로 인해 슬럼프가 높게 측정되는 경향이 나타났다. 하지만 재료를 스프레이 한 후에 측정한 공기량은 기포 혼입 후의 공기량 및 슬럼프에 관계없이 3 ~ 5 %로 수렴하는 결과를 나타내었다. 이는 스프레이 하는 과정에서 기포가 소산되어져 나타나는 결과로 추정된다. 또한 슬럼프는 스프레이 후 20 ~ 50 mm로 낮아지는 경향이 나타났다. Fig. 3은 슬러리 혼입 후 슬럼프와 스프레이 후 공기량을 나타낸 그림이고, 그림 Fig. 4는 스프레이 전⋅후의 슬럼프 비교이다.
3.1.2 압축강도
기포 혼입량에 따른 압축강도를 알아보기 위하여 재령 28, 56일에서의 압축강도를 측정하였다. 기포 혼입량이 낮아짐에 따라 압축강도는 전체적으로 높아지는 경향을 보이고 있으나, 기포 혼입량 15 %와 20 %의 경우 큰 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. SF8-20변수가 60.42 MPa로 가장 높은 압축강도를 나타냈으며, SF10-30변수가 38.44 MPa로 가장 낮은 압축강도를 나타냈다. 급결제를 혼입하지 않았으므로 압축강도의 저하 현상이 발생하지 않고 높게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 기포를 혼입한 경우의 압축강도는 실리카퓸 혼입량보다 기포 혼입량의 영향을 더 많이 받는 것을 알 수 있다. Fig. 5는 각 변수별 재령 28일 압축강도를 그래프로 나타낸 그림이며, Fig. 6은 재령 56일을 나타낸 그래프이다.
3.1.3 염소이온 침투 저항성 시험
기포 혼입량에 따른 염소이온 침투 저항성을 알아보기 위하여 재령 28일의 시험편을 대상으로 염소이온 침투 저항성 시험을 실시하였다.
실리카퓸을 혼입하지 않은 변수에서는 가장 높은 7,427 coulumbs을 나타내어 “높음”으로 나타났다. 기포를 혼입한 변수에서는 기포 혼입량이 적을수록 침투 저항성이 향상되는 것으로 나타났고, 기포를 혼입한 변수 중 SF10-25 변수에서 가장 낮은 1,192 coulumbs을 나타내어 침투 저항성이 가장 높은 것으로 나타났다. Fig. 7은 실리카퓸 치환율과 기포 혼입량에 따른 염소이온 침투 저항성 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
3.1.4 화상분석
기포 혼입량에 따른 화상분석 결과를 알아보기 위하여 재령 28일의 시험편을 대상으로 화상분석을 실시하였으며 간격계수와 비표면적의 변화를 분석하였다.
기준변수의 경우에는 간격계수가 0.446 mm, 비표면적이 13.24 mm-1로 측정되었다. 기포의 혼입량이 많아 질수록 간격계수가 작아지는 경향을 나타냈으며, 비표면적은 넓어지는 경향을 나타냈다. 기포를 혼입하지 않은 변수들은 공기연행제를 사용하지 않아 기포를 혼입한 변수에 비해 간격계수는 높게 측정되었으며, 비표면적은 좁게 측정되는 경향을 나타내었다. Fig. 8은 기포 혼입량에 따른 화상분석 결과를 나타내는 그림이다.
3.1.5 기포 혼입량에 따른 실리카퓸 분산효과
기포 혼입량에 따른 실리카퓸의 분산효과를 알아보기 위해 재령 28일 강도의 표준편차 및 간격계수를 분석하였다.
실리카퓸을 혼입하지 않은 OPC 기준변수에서는 압축강도의 표준편차가 471.5 Kgf임을 알 수 있다. SF6 변수가 3312.1 Kgf를 나타내어 표준편차가 가장 큰 것으로 나타났고, 그 외의 기포를 혼입하지 않은 변수도 표준편차와 변동계수가 크게 나타났다. 반면 기포 혼입량이 많을수록 표준편차와 변동계수가 작아지는 경향이 나타났다. 실리카퓸과 기포가 가장 많이 혼합된 SF10-35 변수의 표준편차가 242.8 Kgf로 측정되어 가장 작은 표준편차로 나타났다. Fig. 9는 기포 혼입량에 따른 압축하중 표준편차, Fig. 10은 기포 혼입량에 따른 변동계수를 나타낸 그림이다.
4. 결론
본 논문에서는 기포 혼입량에 따른 실리카퓸의 분산효과 및 역학적 특성을 분석하였다. 실리카퓸을 결합재 대비 6, 8, 10 % 혼입하고, 각각의 혼입량에 0, 15, 20, 30, 35 %의 기포를 혼입하여 콘크리트의 기초물성 및 역학적 특성을 연구하였고, 기포 혼입량에 따른 실리카퓸 분산효과를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 압축강도 측정결과 실리카퓸 혼입량 증가에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 보였다. 또한 실리카퓸 혼입 시 염소이온 침투량이 미혼입 변수보다 최대 14 %까지 줄어들어 염소이온 침투 저항성이 크게 향상되어, 강도 및 염소이온 침투 저항성에 매우 우수한 혼화재료라 판단된다.
2) 기포의 혼입량이 증가함에 따라 압축강도는 감소하는 경향을 나타냈고, 염소이온 침투 저항성 또한 감소하는 것으로 나타났다. 화상분석 시험결과 기포 혼입량이 증가함에 따라 간격계수가 줄어들고, 비표면적이 증가하여 동결융해 저항성 및 박리에 우수할 것으로 판단된다. 또한 소량의 기포를 혼입한 변수에선 기포를 혼입하지 않은 변수에 비해 압축강도가 향상되어 일정량의 기포 혼입은 압축강도 개선효과가 있는 것으로 판단된다.
실험결과 기포는 실리카퓸의 분산효과에 효과가 있는 것으로 나타났으며, 이는 기포의 계면활성효과가 높은 분말도로 인해 분산이 되지 않는 실리카퓸의 성질을 완화시켜주는 효과가 있다고 판단된다. 압축강도 증진효과와 간격계수가 작아지고 비표면적이 증가하는 경향을 보여 동결융해 저항성 및 표면박리 저항성에 효과가 있을 것이라 판단된다.
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