Application Technology of Slag Concrete for the Improvement of Long-term Durability

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기술기사 2 _ Technical Articles

1. 서언

해양환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물은 내구성 설계, 내구수명 예측 평가, 그리고 그에 따른 적 절한 열화를 방지하기 위한 대책을 수립하고 적합한 유지관리를 시행하는 것이 구조물의 목표 내구수 명을 확보하는데 필수적인 요소라 할 수 있다. 이를 위해서는 성능저하 요인을 분석하고 각 요인들에 의한 장기적인 성능저하가 어떻게 진행될 것인가를 사전 예측하는 것이 매우 중요하다^1),2),3).

콘크리트의 내구성 향상을 위해서는 내구성능 평가 및 내구수명 예측 기법의 확립, 내구성 확보 방 안의 수립이 매우 중요하며 이를 위해서는 해양환경 하에 있는 철근 콘크리트 구조물의 성능저하 현상 을 조사·분석하여 얻어지는 지식과 경험을 바탕으로 현장실험 또는 촉진실험 결과와 더불어 실제 해 양환경 하에서의 평가를 통한 검증이 필요하다⁴⁾.

한편, 콘크리트 표준 시방서에서는 일반 콘크리트의 혼화 재료 단위량에 대해서 제빙 화학제에 노출 된 콘크리트의 최대 혼화재 비율을 [표 1]에 나타난 바와 같이 규정하고 있으며, 그 중 고로슬래그 미 분말의 경우 50%까지만 시멘트 대신 치환하여 사용하도록 규정하고 있다. 해양환경에 노출된 콘크리 트는 보통포틀랜드시멘트 대신 슬래그를 치환하여 사용할 경우 내구성이 향상된다고 보고되고 있으며

5),6), 슬래그 함유량을 70~80%까지 활용할 경우 그 효과를 극대화 시킬 수 있다고 보고되고 있음에도

불구하고 실무에서는 제빙 화학제에 노출된 경우와 해양환경에 노출된 경우를 동일시하여 해양 콘크 리트 구조물에서도 슬래그를 50%까지만 시멘트 대신 치환하도록 배합설계가 되는 경우가 많다.

본 연구에서는 보통포틀랜드시멘트 콘크리트와, 슬래그를 40, 70% 치환한 콘크리트를 일반강도 범 위로 제조하고 내구성능을 검토한 후 비말대, 간만대, 침지대의 해양환경 위치조건을 구분하여 장기적

해양 구조물의 장기 내구성 향상을 위한 슬래그 콘크리트의 적용 기술

Application Technology of Slag Concrete for the Improvement of Long-term Durability

김규용 Gyu-Yong, Kim 충남대학교, 건축공학과 교수, 공학박사

E-mail : [email protected]

이보경 Bo-Kyeong, Lee 충남대학교, 건축공학과 박사과정

신경수 Kyoung-Su, Shin (주)유성테크, 연구개발팀 책임연구원

조봉석 Bong-Suk, Cho 포항산업과학연구원, 슬래그활용연구팀 책임연구원, 공학박사 E-mail : [email protected]

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인 관점에서 슬래그 콘크리트의 내구성능을 검토하였으며, 이를 바탕으로 해양 구조물의 장기 내구성 향상을 위한 슬 래그 콘크리크의 적용 기술에 대해 연구를 수행하였다.

2. 슬래그 콘크리트의 적용 기술

2.1 실험개요

[표 2]는 슬래그 콘크리트의 치환율에 따른 내구성 검토 를 위한 실험계획을 나타낸 것이다. 일반적으로 슬래그의 치환율이 증가하면 압축강도가 저하되기 때문에 W/B 조절 을 통해 설계기준강도를 24MPa로 설정하고, 목표슬럼프 는 180±30mm, 목표공기량 4.0±1.0%로 설정하였다.

2.2 굳지 않은 성상 및 경화 성상 검토

<그림 1>은 슬럼프 및 공기량 측정결과를 나타낸 것으 로 일반적으로 슬래그의 치환율이 증가할수록 슬래그의

[표 2] 실험계획

시험체¹⁾ 슬래그치환율(%) W/B(%) fck(MPa) 목표 슬럼프(mm) 목표 공기량(%) 주요 평가 항목

CC100 - 60

24 180±30 4.0±1.0

•슬럼프(mm), 공기량(%)

•압축강도(MPa)

SC40 40 60 •염화물 확산계수(10-12m

²

/sec)

•상대동탄성계수(%)

SC70 70 53 •염화물 침투깊이(mm)

•반전지-전위(mV CSE)

1) CC : cement concrete, SC : slag concrete

실리카 퓸 10

플라이 애쉬 또는 기타 포졸란, 고로

슬래그 미분말 및 실리카 퓸의 합 50

플라이 애쉬 또는 기타 포졸란과

실리카 퓸의 합 35

그림 1. 슬럼프 및 공기량 측정결과

그림 2. 압축강도 측정결과

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SC70 배합이 비교적 낮게 측정되었으며, AE제를 첨가하 여 목표공기량 범위를 만족시켰다.

<그림 2>는 압축강도 측정결과를 나타낸 것으로, 재 령 28일의 압축강도는 CC100, SC40, SC70 시험체 각각 27.29, 25.96, 24.01MPa로 측정되어 설계기준강도 대비 1.00~1.14배의 강도발현을 나타내었다.

3. 슬래그 콘크리트의 내구성능 검토

3.1 동결융해 저항성능 검토

슬래그 콘크리트의 동결융해 저항성능 검토결과 [표 3]

에 동결융해 작용을 받은 시험체를 나타내었다. <그림 3>

은 담수 및 해수에 의해 동결융해 작용을 받은 슬래그 콘 크리트의 상대동탄성계수 측정결과를 나타낸 것이다. 동 결수 담수조건의 경우 SC70 시험체가 가장 높은 상대동탄 성계수를 나타냈으며 다른 시험체들에 비해 동결융해 저 항성능이 우수한 것으로 나타났다.

CC100 시험체는 150사이클에서 상대동탄성계수가 60% 미만으로 감소하였으며, 180사이클 이 후에는 시 험체가 파괴되어 상대동탄성계수를 측정 할 수 없었다.

SC40 시험체는 CC100 시험체보다 상대동탄성계수가 다 소 높게 측정되었고, 180사이클에서 상대동탄성계수가 60% 미만으로 감소되었으며, 이 후에는 시험체의 파괴 로 인하여 측정이 불가능 하였다. 동결수 해수조건의 경우 [표 3] 동결융해 작용을 받은 시험체

시험체 동결융해 사이클 수(담수) 동결융해 사이클 수(해수)

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

CC100 - - - - - - - -

SC40 - - - - - - - -

SC70

(a) 동결수 : 담수

(b) 동결수 : 해수 그림 3. 상대동탄성계수 측정결과

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높은 상대동탄성계수가 나타나 동결융해 저항성능이 더 우수한 것으로 판단되며 두 시험체 모두 180사이클 이 후 에서는 시험체의 파괴로 인하여 더 이상 상대동탄성계수 를 측정 할 수 없었다. 동결수 담수 및 해수조건에서 슬래 그를 70%까지 치환한 경우에는 상대동탄성계수가 CC100 시험체보다 높게 측정되어 동결융해 저항성능을 확보할 수 있었다.

<그림 4>는 동결수 담수 및 해수조건에서 상대동탄성계 수와 질량감소율 사이의 관계를 나타낸 것이다. 상대동탄 성계수가 감소함에 따라 동결수 담수 및 해수조건 모두 질 량감소율이 증가하였으며, 해수의 동결융해 작용에 의한 질량감소율이 더 큰 것을 확인하였다.

<그림 5>는 동결수 담수 및 해수조건에서 상대동탄성계 수와 압축강도 사이의 관계를 나타낸 것이다. 동결융해 작 용을 받은 시험체의 압축강도를 측정한 결과 상대동탄성 계수가 감소함에 따라 압축강도가 저하되는 경향을 나타 내었으며, 동결수 담수 및 해수조건에 관계없이 일반강도 영역에서의 압축강도 저하 폭은 유사한 수준인 것으로 나 타났다.

측정결과를 나타낸 것이다.

슬래그를 혼입함으로써 시멘트 콘크리트에 비해 염화물 확산계수가 현저히 작아졌으며, 슬래그 치환율이 증가함 에 따라 염화물 침투 저항성이 향상되는 것을 확인하였다.

특히 SC70 시험체의 염화물 확산계수는 시멘트 콘크리트

그림 6. 수중양생한 시험체의 염화물 확산계수 측정결과

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CC100에 비해 약 6∼8% 수준으로 염화물이온 확산 억제 효과가 명확히 확인되었다.

<그림 7>은 재령 365일에서 시멘트 콘크리트 대비 슬래 그 콘크리트의 염화물 침투깊이비를 나타낸 것이다. 수중 양생한 시험체를 NT-BUILD 492 방법에 의해 침투된 염 화물 깊이를 측정한 결과에 비해 해양 침지대 조건에 노출 된 시험체의 경우 SC40 시험체가 해양환경의 복합적인 열 화작용에 의해 염화물 침투 저항성능이 저하되었으나, 전 체적으로 슬래그 치환율이 증가할수록 침투 깊이가 감소하 는 경향은 유사하게 나타났다.

4. 해양환경 폭로시험

4.1 해양환경 폭로시험장 개요

<그림 8>은 해양환경 폭로시험장 전경 및 개념도를 나타 낸 것이며, [표 4]는 시험장 개요를 나타낸 것이다. 경기도 안산시 시화방조제 인근에 위치한 해양환경 폭로시험장은 교각, 철구조물 등 해양구조물의 내구성 및 내식성 등을 시 험하는 해양환경 시험 설비이다.

해양환경 구현 범위는 파도에 의한 비래염분의 영향을 받는 구간인 비말대, 조수간만 작용에 의해 해수의 건습작 용이 반복되는 구간인 간만대, 해수에 침지되어 있는 구간

인 침지대의 3가지 형태로 구분되어 있다. 기존에는 해양 구조물의 내구성 시험이 인위적인 환경요인을 반영한 시뮬 레이션 방법에 의존했지만 해양환경 폭로시험을 통해 해양 환경 위치조건에 따른 해양 구조물의 부식 및 노후화 진행 정도를 예측하여 해양 구조물의 안전성 및 신뢰성을 향상 시킬 목적으로 구축되었다.

슬래그 콘크리트의 해양환경 위치조건에 따른 폭로시험 을 진행하기 위해 시험체 제작 및 운반과정을 <그림 9>에, 해양환경 위치조건인 비말대, 간만대, 침지대에 시험체를 설치한 모습을 <그림 10>에 나타내었다.

그림 7. 시멘트 콘크리트 대비 슬래그 콘크리트의 염화물 침투깊이비

그림 8. 해양환경 폭로시험장 전경 및 개념도

[표 4] 해양환경 폭로 시험장 개요

위치

경기도 안산시 대부동 시화방조제 인근

시설 구분

비말대(파도에 의한 비래염분의 영향을 받는 구간) 간만대

(조수간만 작용에 의해 해수의 건습작용이 반복되는 구간) 침지대(해수에 침지되어 있는 구간)

면적

약 2,684m

²

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4.2 반전지-전위 시험방법에 의한 철근 부식 저항성

<그림 11>은 해양환경 위치조건에 시험체 내부 철근의 부식 여부를 판단하기 위해 비파괴 시험방법인 반전지-전 위 값 측정결과를 나타낸 것이다. 전체적으로 시험체 내부 철근에서 부식이 발생하지 않은 것으로 나타났으며, 슬래 그 100% 콘크리트 시험체에서 반전지-전위에 의한 철근 부식 여부가 명확하지 않은 것으로 나타났다.

반전지-전위 측정결과로부터 시험체 내부 철근의 부식 여부를 직접 확인하기 위해 해양 침지대 조건에서 365일 노출된 시험체를 직접 파괴하여 부식 여부를 확인하였으

(e) 시험체 운반 (f) 폭로 시험 준비 (g) 시험체 거치 (h) 폭로시험 진행

그림 9. 시험체 제작 및 운반 과정

(a) 비말대 (b) 간만대 (c)침지대

그림 10. 해양환경 위치조건에 따른 시험체 설치

그림 11. 반전지-전위 측정결과

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며, 그 결과 <그림 12>에 나타난 바와 같이 모든 시험체 내부의 철근이 부식되지 않은 것을 확인하였다.

5. 결언

보통포틀랜드시멘트 콘크리트와, 슬래그를 40, 70 치환 한 콘크리트를 일반강도 수준으로 제조하여 동결융해 및 염화물이온 침투 저항성을 검토한 결과 보통포틀랜드시멘 트 콘크리트에 비해 동결융해 및 염화물 이온 침투 저항성 능이 향상된 것을 확인하였다. 다만 동결융해 저항성능은 SC40 시험체, 염화물이온 침투 저항성능은 SC70 시험체 가 가장 우수한 성능을 나타내었으며, 이러한 원인으로는 동결융해 저항성능의 경우 경화체 내부에서 동결 팽창압에 의한 물리적인 작용이 지배적이며, 염화물이온 침투 저항 성의 경우 슬래그 콘크리트의 화학적인 작용에 의한 것으 로 구분되기 때문인 것으로 판단된다. 특히 해양환경에서 는 이러한 열화인자가 복합적으로 작용하기 때문에 다양한 관점에서 내구성능을 검토할 필요성이 있다.

실제 해양환경에서 폭로시험을 진행한 결과, 슬래그 치 환율이 증가함에 따라 일반 내구성능 시험 결과와 유사하 게 염화물이온 침투 속도가 현저히 저감되는 것을 확인하 였다. 향후에는 실재 부재 크기의 시험체를 활용하여 비말 대, 간만대, 침지대의 해양환경 위치조건에 따른 내구성능 을 검토할 예정이며, 장기적인 데이터 확보를 통해 보다 신 뢰성 있는 실험결과를 도출할 수 있을 것으로 기대되며, 향 후 슬래그 콘크리트가 <그림 13>에 나타낸 용도 이외에도 고내구성 콘크리트로서 해양구조물에 적극 활용되기를 기 대해본다.

참고문헌

1. O.S.B. Al-Amoudi and M. Maslehuddin, The Effect of Chloride and Sulfate ions on Reinforcement Corrosion, Cement and Concrete Research 23 (1993) 139-146.

2. O.S.B. Al-Amoudi, Rasheeduzzafar, M. Maslehuddin, and A.I.

Al-Mana, Prediction of Long-Term Corrosion Resistance of Plain and Blended Cement Concretes, ACI Materials Journal 90(6) (1993) 564-570.

3. O.S.B. Al-Amoudi, Rasheeduzzafar, M. Maslehuddin, Abduljauwad S.N., Influence of Chloride Ions on Sulphate Deterioration in Plain and Blended Cement, Magazine of Concrete Research, 1 (1994) 113-123.

4. Clifton J.R., Predicting Remaining Service Life of Concrete, National Institute of Standards and Technology, (1991) 90-99.

5. Southwell C.R., Forgeson B.W. and Alexander A.L., Corrosion of metals in tropical environments, Corrosion 14(9) (1958) 53–59.

6. Page C.L. and Havdahl J., Electrochemical Monitoring of Corrosion of Steel in Microsilica Cement Pastes, Material and Structure RILEM 18(103) (1985) 41-48.

(a) 케이슨 기초 구조물

(b) 테트라포트

그림 13. 해양환경에 노출된 대표적인 구조물 그림 12. 해양 침지대 조건에 365일 노출된 시험체의 철근 부식 평가

(a)CC100 (b)SC40 (c)SC70