콘크리트 수리구조물의 수중마모저항성 평가기술에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Evaluation of Abrasion Resistance of Concrete Irrigation Facilities
김명원*,†
Kim, Meyongwon
Abstract
The purpose of this paper is to propose an experimental method to evaluate the resistance of abrasion about 24 MPa, 27 MPa, and 30 MPa compressive strength. These strength are used in the design and construction of concrete hydraulic structures in Korea. The mixing ratios of the ready mixed concrete strengths were investigated countrywide and set the representative mixture proportion ratios of the nine mixed types of OPC, FA and BFS. After making and curing the test specimens, the underwater abrasion test was performed. ASTM C 1138 International Standard was used to fabricate the test equipment, and the surface abrasion resistance of the specimen was tested using the test equipment. In the case of OPC, the 30% abrasion resistance improvement effect was observed at 72 hours as the water-binder ratio decreased. That was reason the coated cement bond strength of the specimen was strong. In the case of BFS and FA, it was improved by 9.9% and 3.8%, respectively, at 72 hours as the water-binder ratio decreased. It was due to the characteristics of the latent hydraulic and pozzolanic reactions. Generally, the relative abrasion resistance of concrete can be evaluated at 24 hours.
However, in case of low strength (under 24 MPa), the surface mortar layer wears much faster at the first 12 hours, so it can be considered to evaluate the relative abrasion loss rate at this point.
Keywords: Abrasion resistance; compressive strength; deterioration of concrete
Ⅰ. 서 론
최근 국지성 호우에 의해 설계기준을 초과하는 강우로 콘 크리트 구조물의 피해 등이 빈발해지고 있고 이에 따른 농업 용 콘크리트 수리구조물인 저수지, 배수갑문 등의 재해 안전 성 강화를 위한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 한편, 수리 구조물인 저수지 등의 피해 원인이 사상 유례가 없는 집중호 우로 인한 여수토, 방수로의 홍수 배제능력을 초과하는 유량 이 유입되었기 때문이나 구조물의 마모, 침식 등으로 야기되 는 열화 현상도 재해에 직간접적인 영향을 미치게 되므로 재 해에 예방적인 차원에서 이를 평가하는 기술도 요구된다.
콘크리트 수리구조물인 여수토, 방수로, 보, 배수갑문 등은 시설물의 축조와 사용하는 동안에 콘크리트 표면에서 유수와 자갈, 암석, 기타 파편 등의 마찰운동을 받게 되며, 이로 인한 구조물의 마모 손상은 중요한 문제가 된다.
한국산업표준 (KS)에는 굵은골재에 대한 마모저항성 시험
기준이 제시되어 있으나 수리구조물과 같은 수중마모 환경에 놓인 콘크리트에 대한 마모저항성 시험방법은 아직 마련되어 있지 않다. 본 논문은 국내외 주요 콘크리트 구조물의 마모 및 수중마모 시험방법을 살펴보고 국제 수준의 콘크리트 수 중마모 시험방법을 이용하여 콘크리트 수리구조물의 마모 저 항성 실내시험을 수행하였다.
실내시험은 국내 콘크리트 수리구조물의 설계, 시공에 사 용되고 있는 압축강도 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa을 대상으로 하였다. 수리구조물에서 많이 사용하고 있는 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa의 호칭강도를 대상으로 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하여 OPC (24, 27, 30), FA (24, 27, 30), BFS (24, 27, 30)을 혼입한 9종류의 대표 배합비를 설정하 고 표준방법으로 시험체를 성형, 양생하였다. 또한, ASTM C 1138 시험표준을 참조하여 시험 장치를 제작하고 이를 이용 하여 성형된 시험체의 표면 마모저항성을 분석하고 이를 마 모저항성 평가에 활용할 수 있도록 실험적으로 제안하고자 한 것이다.
1. 수리구조물의 표면마모 발생원인
Table 1은 여수토, 방수로, 보, 배수갑문 등 수리구조물의 설계에 적용하고 있는 콘크리트 설계기준압축강도를 나타낸 것인데 그 범위가 24 MPa∼30 MPa 임을 알 수 있다 (Park
* Korea Rural Community Corporation, Human Resources Development Institute
† Corresponding author
Tel.: +82-31-420-0765 Fax: +82-31-502-2668 E-mail: [email protected]
Received: April 4, 2018 Revised: May 9, 2018 Accepted: May 9, 2018
et al., 2003).
이러한 수리구조물은 구조물의 종류별 중요도에 따라 설계 기준강도를 달리 적용하여 축조되고 또한 축조이후 사용하는 동안에 콘크리트 표면에서 유수와 자갈, 암석 등으로 인한 마 찰운동을 받게 되며, 이로 인한 구조물의 마모 손상이 야기 될 수 있다. 마모는 수리구조물에서 물에 의해 동반된 충격을 주는 입자들에 의해 발생하게 된다. 물에 의해 운반된 파편들 은 모래나 암석, 자갈 등이며, 이들은 그 모양이 둥글 때까지 떠돌아다닌다. 마모손상에 영향을 받기 쉬운 수리구조물은 저수지의 경우 여수토 표면과 정수지, 저수지 상류의 벽체, 암거 등이다.
Fig. 1과 같이 저수지의 여수토를 넘어서 방류된 물의 흐름 은 보통 30 m/sec를 넘는 고속이며 작은 교란으로도 예상치 못한 피해를 줄 수 있다. 여수토 (Spillway apron) 및 측수로
등의 콘크리트 구조물은 홍수 시 콘크리트 표면 위에서 물과 동반된 자갈, 암석, 기타 파편의 회전 운동으로 인한 마모손상 을 받을 가능성이 있어 주요한 문제가 된다.
한편 해양구조물에서는 배수갑문의 피어 등의 콘크리트 구 조물에서 집중호우에 따른 수위조절 및 수질개선 등 여건에 따라 개폐되는 배수갑문의 콘크리트 표면 속으로 충돌하는 파편을 동반한 물의 소용돌이 흐름이 다양한 깊이로 콘크리 트에 마모를 야기할 수 있다. 해양 수리구조물은 염분이 많은 지역, 해안지역 등에 사용되는 콘크리트로서 파도에 의한 해 수의 물리적, 화학적 작용 및 기상작용 그리고 파랑이나 마모 및 충격 등 육상의 콘크리트 구조물에 비해 손상을 받기 쉬운 환경에 있다.
2. 콘크리트 구조물의 마모저항성 평가사례
유수에 동반된 모래 등에 의한 콘크리트 마모손상은 아래 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 단계적인 과정으로 묘사할 수 있다 (Lui et al., 2005).
Fig. 2의 (a)에 나타낸 것 같이 초기 콘크리트 표면은 마모 작용에 처음으로 놓이게 되며, Fig. 2의 (b), (c) 와 같이 점차적 으로 마모작용을 받아 결국에는 Fig. 2의 (d) 처럼 콘크리트 상층부가 마모되어 상층부의 골재가 노출된다. 이들 손상이 커지는 것은 충격의 원인이 되는 유수와 동반된 고체입자의 크기에 좌우된다. 한편, 마모작용은 고체입자를 동반한 물의 Specified
compressive strength (MPa)
Maximum size of coarse aggregate
(mm) Types of work required
Reinforced concrete
General
structure 24 over 25
Hydraulic structures (Open channel, Inverted siphon, culvert, etc.), Piers, Abutment pier, Retaining wall, Bridges, Pumping station, Drainage pumping station, Drainage sluice gate etc.
Watertight
structures 27 over 25 Outlet, Spillway, Inclined conduit, Intake tower, Waterway tunnel, Aqueduct bridge, Watertight structures Marine
structure 30 over 25 Large-scale drainage gate
Table 1 Specified compressive strength of concrete applied to the design of hydraulic structures (Park et al., 2003)
Fig. 1 Side channel flow characteristics (Bureau of reclamation, 1987)
(a) Initial concrete (b) Under abrasive action (C) Loss of mortar and coarse aggregate
(d) Further loss of mortar and coarse aggregate Fig. 2 Progression of abrasion damage (Benjamin D. Scott et al., 2015)
유속과 콘크리트 표면경도 및 콘크리트의 구성요소간의 결합 력 즉, 압축강도와 관련이 있으며, 이 압축강도는 콘크리트 마모저항성에 관련된 가장 중요한 요소 중의 하나로 알려져 있다. 압축강도가 높으면 마모저항성도 역시 높게 된다 (Benjamin D et al., 2015). 또한, 많은 연구자들은 마모저항성 과 압축강도 사이에 콘크리트 강도가 증가할 때 마모의 영향 이 줄어드는 일반적인 경향이 있다는 것에 동의한다 (Liu et al., 2005 ; Dhir, R et al., 1991; Atis, C. D., 2002). 일반적으로 60 MPa을 넘는 압축강도에서 마모저항성을 고려한 콘크리트 의 성능은 중요하게 다루어지지 않는다.
많은 연구자들은 다양한 물-결합재비로 콘크리트의 마모 저항성을 조사하였다. 4가지 서로 다른 물-결합재비 (0.26부 터 0.5까지)의 콘크리트를 시험한 경우 물-결합재비가 줄어들 때 마모저항성은 증가하였다. 이것은 낮은 물-결합재 비를 가 진 콘크리트가 낮은 공극을 가지게 되고 더 나은 결합력과 압축강도를 증가시키기 때문이었고 이러한 연구에서 물시멘 트비 0.28, 0.36으로 만들어진 콘크리트 시험체를 양생 후 3시 간동안 마모에 노출시켜 마모저항성을 비교하였으며, 시험결 과 0.36의 물시멘트비를 가진 콘크리트 시험체에서 깊은 페이 스트 마모가 관찰 되었으며, 0.28의 물시멘트비를 가진 콘크 리트 시험체는 밀실하고 강한 시멘트 모체를 형성했고 그래 서 더 낮은 마모손실을 나타냈다고 보고하고 있다 (Liu et al., 2005).
마모 저항성은 유수의 압력과 유수의 흐름 속도, 유수와 동반된 고체입자의 크기 등 외부조건과 콘크리트의 압축강도, 콘크리트의 물-결합재비 등에 대하여 평가되어져야 함을 알 수 있다.
Ⅱ. 실내 수중마모 실험
1. 콘크리트 구조물의 마모저항성 시험방법
해외 여러 나라에서 사용하고 있는 콘크리트 마모시험 방 법들은 다양하게 존재하며, 모든 조건하에서 콘크리트의 마
모 저항성을 적절하게 측정할 수 있는 한 가지 시험방법은 존재하지 않는다. 따라서 다양한 형태의 마모를 받는 콘크리 트에 대하여 마모저항성을 시험하는 여러 시험방법들이 규격 화 되어 있으며, 마모시험에 대한 국제수준의 4가지 표준 ASTM 시험방법이 있다. Table 2은 다양한 마모조건 하에서 어떤 방법이 콘크리트 마모저항성을 결정하는데 유용할 수 있는지를 제시한 것이다 (M Alexander, 1985 ; G. B. Ramesh Kumar et al., 2014).
Table 2에 언급된 시험방법들로 부터 ASTM C 418 시험방 법의 경우 샌드브라스팅에 의해 마모를 발생시키는 원리에 기초를 두고 있으며, 시험 장치에서 마모를 일으키는 압력의 조정 및 마모 형태의 변화 등을 제어 할 수 있다. 이 시험방법 에서 주요 매개변수는 모래의 양, 공기의 압력, 마모 비율, 표 면에서 분사노즐까지 거리 등이다. 반면 ASTM C 1138 시험 방법은 회전 기계장치인 드레싱휠, 교반페달, 회전 강철구슬 장치를 포함하며, 시험 장치에서 고속으로 회전하는 물로 강 철구슬을 회전시켜 콘크리트 시험체의 표면에서 물과 동반된 입자들에 의한 마모작용과 유사하게 마모를 발생시켜 만족할 만한 마모효과를 발생시킨다.
한편, 한국산업표준 (KS)에는 굵은 골재의 마모 저항성 시 험방법으로 로스앤젤레스 시험기가 이용되고 있다. 물론 로 스앤젤레스 마모저항성 시험방법은 콘크리트 배합에 사용된 골재를 목표로 하며 동시에 골재의 특성이 일반적으로 콘크 리트 마모저항성에 좋은 영향을 준다고 언급하고 있다. Table 3은 기존의 마모시험방법인 로스앤젤레스 시험기에 의한 굵 은골재 마모시험방법과 ASTM C 1138인 수중마모 시험방법 에 대한 사용 용기의 크기, 마모용 강구, 대상 시료, 마모장치 의 회전수, 시험방법의 특징 등을 비교하여 제시하였다. 로스 앤젤레스 시험방법은 포장 콘크리트 등에서 배합설계 시 사 용되는 굵은골재에 대하여 공사용 재료로서 마모감량의 한도 를 설정하고 (40 %이하) 그 사용여부를 판단하기 위한 시험방 법이다. 마모용 강구와 시료가 함께 시험용기 안에서 낙하됨 으로써 굵은골재의 충격, 파쇄 등의 형상이 함께 판정되는 이
Abrasion type ASTM C418 ASTM C 779
ASTM C944 ASTM C 1138
A B C
Foot traffic or light to medium
tire-wheeled traffic etc. ● ●
Forklift, heavy tire wheeled traffic, automobile with chains, heavy steel
wheeled traffic or studded tires ● ● ●
Abrasive erosion of waterborne
particles on hydraulic structures ● ●
Table 2 Classification of concrete abrasion test (M Alexander, 1985)
점이 있으나 수리구조물과 같이 물과 동반된 입자들에 의한 콘크리트 구조물의 표면 마모작용을 시험하고 평가하기에는 한계를 가지고 있다.
Table 3에서 콘크리트의 수중 마모저항성 시험 규격인 ASTM C 1138은 3종류의 (지름 2.54 mm, 1.9 mm, 1.26 mm)의 마모용 강구 70개와 시험체 상부의 물을 회전시킬 수 있는 교반 페달의 회전 작용으로 물과 동반된 고체입자 및 소용돌 이 현상을 정성적으로 시뮬레이션 하는 방법이다. 이 시험방 법은 수리구조물에서 콘크리트의 표면 마모저항성에 대하여 콘크리트 그 자체를 시험하는 방법으로 콘크리트의 마모 저 항에 대한 상대적 평가를 얻어낼 수 있으며, 이러한 평가결과 는 물과 동반된 입자에 의한 마모작용을 고려해야하는 수리 구조물의 재료, 배합, 압축강도 선정 등에 유용하게 사용될 수 있다. 그러나 구조물의 예상 사용수명의 정량적 측정을 제 공하기 위한 것이 아니다.
Table 2에서 알 수 있듯이 수리구조물에서 발생하는 콘크
리트 마모저항성 시험방법은 ASTM C 418 및 ASTM C 1138 모두 적용이 가능하나 배수갑문 피어, 댐, 여수로 등과 같이 수리구조물에서 물과 동반된 입자에 의해 발생하는 콘크리트 마모저항성을 시험하는 규격은 ASTM C 1138 (수중마모시험 방법)이 효과적임을 알 수 있다. 왜냐하면 이 시험방법은 콘크 리트의 마모 저항성을 결정하며, 수리구조물에서 물과 동반 된 입자들의 마모작용을 시험할 수 있고 콘크리트의 마모나 포트 홀을 발생시키는 고체입자를 휘저으며 움직이게 하는 물의 와류를 모의실험 할 수 있기 때문이다. 본 논문에서는 콘크리트 배합비와 수중마모저항성 상관성 및 콘크리트의 실 제 수중 마모저항성의 상대적 평가에 대하여 ASTM C 1138 시험방법을 이용하여 분석하였다.
2. 시험장치 및 시험방법
본 논문에서 콘크리트의 수중마모저항성에 대한 실내시험 ASTM C 1138
Standard test method for abrasion resistance of concrete
KS F 2508
Method of test for resistance to abrasion of coarse aggregate by using the Los Angeles
machine
Test container
Size(cm) 30 × 45 (∅, h) 71 × 51 (∅, h)
Axis of
rotation Verticality Horizontality
Abrasive charges
Diameter
(cm) 2.54, 1.90, 1.26 4.75
Weight
(g) 1,530∼1,900 2,500∼5,000
Number 70 In accordance with the gradiation 12, 11, 8, 6
Test specimens
Subject Concrete specimen Coarse aggregate
Gradiation - 7 types
Quantity (g) Cylindrical specimen (30 × 10, (∅, h)) In accordance with the gradiation 5,000 or 10,000
Rotating device
rpm 1,200 30∼33
Number of
turns Composition of six 12-hr periods for a
total of 72 hr 500 for 5,000g
1,000 for 10,000g
Features
-It is possible to test abrasion resistance of concrete under water in accordance with mixture proportion of concrete.
(The direct abrasion test for concrete) -It is not intended to provide a quantitative
measurement of the length of service that may be expected from a specific concrete.
-It is possible to show the correlation between the mixing ratio of concrete and underwater abrasion resistance
-It is possible to evaluate the actual water abrasion resistance of concrete.
-It is possible to test abrasion resistance of coarse aggregate used in the concrete.
(The indirect abrasion test for concrete) Table 3 Comparison test methods between ASTM C 1138 and KS F 2508
은 ASTM C 1138 Standard test method for abrasion resistance of concrete (Underwater method) 시험방법에 따라 수행되었다.
콘크리트 실내 수중마모시험방법에 대한 시험장치, 시험체, 시험과정 등의 이해를 돕기 위해 ASTM C 1138에 명시된 내 용들을 요약하여 기술하였다.
가. 시험장치 (Apparatus)
시험 장치는 회전 장치, 시험용기 및 교반 페달, 마모용 강 철구슬, 기타장치로 구성되어있다.
1) 회전 장치 (Rotating device) : 회전 장치는 Drill press나 물림쇠를 가진 장치로서 1,200 ± 100 rpm 속도로 교반 페달을 회전시키는 역할을 한다.
2) 시험용기 (Test container) 및 교반 페달 : 시험용기는 내 부지름이 305 ± 6 mm, 높이가 450 ± 25 mm으로 방수가 되는 강재 스틸 파이프로 되어있다 (Fig. 3의 (a), (b)).
그리고 교반 페달 (Agitation paddle)은 다음 Fig. 3의 (d) 와 같다.
3) 마모용 강철 구슬 (Abrasive charges) : 마모시험용 강철 구슬은 보통 크기의 등급 1,000의 크롬합금 강철 구슬 70개를 사용한다. 강철 구슬로 만들어진 강철은 로크웰 C 인 65 ± 5 경도를 가진 것을 사용한다. 이 강철 구슬들 은 대략 1,530 g∼1,900 g 사이의 무게를 가져야 하며, 강철 구슬의 질량이 최저한계에 이를 경우에는 Table 4 에 제시된 사이즈에 부합되지 않는 작은 크기나 작은 무게의 구슬을 교체하여 시험에 적용한다. 강철 구슬은 시험장치에서 고속으로 회전하는 물에 의해 회전되어 콘크리트 시험체의 표면에서 물과 동반된 입자들에 의 한 마모작용과 유사하게 마모를 발생시키는 작용을 한다.
4) 기타 장치 : 기타 장치로는 받침대 (Seating block), 저울, 칭량 양동이, 물탱크 등이 있다. 마모시험을 위한 시험체 를 지지할 수 있도록 최소 3개의 강철 받침 (25 mm × 25 mm × 25 mm)이 있는 장치가 시험 장치에 설치되어 있다. 저울은 적어도 45 kg 이상의 용량을 가지고 5.0 g 이내의 감도를 가져야 한다. 저울은 시험체의 수중 중 량, 표건 중량을 측정할 때 사용한다. 칭량 양동이는 와 이어 바겥스나 다른 적절한 지지대로 수중에서 시험체 를 칭량할 수 있도록 해야 한다.
Number
of balls Normal
size Minimum
diameter Remark
10 1.00 in 25.4 mm 35 0.75 in 19.0 mm 25 0.50 in 12.6 mm Table 4 Abrasive charges
나. 시험체 (Test specimens)
1) 시험체는 지름이 약 300 mm, 높이가 100 mm인 원주형 으로 제작하며 굳지 않은 콘크리트로 성형된 시험체를 사 용한다. 또한 시험체는 시험 전 48시간 동안 수침을 시켜 사용한다.
2) 시험체의 상부 표면의 평균지름은 서로 다른 방향에서 측정된 두 개의 지름을 평균하여 산출하며 대략 2 mm 까 지 계산한다. 이 평균지름은 상부 표면적을 계산하는데 이용한다.
3) 마모감량을 계산하기위해 측정하는 표면건조포화상태 시험체의 질량은 약 25 g 범위 까지 측정하여 계산한다.
(a) Test container (Side view) (b) Test container (c) Seating block (d) Agitation paddle Fig. 3 Test Container and agitation paddle
다. 시험순서
1) 시험 장치에 강철 받침대와 시험체를 올려놓는다.
2) 시험체 표면부가 교반페달 축과 수직이 되게 하고, 시험 체의 중앙이 교반페달의 축과 일치되게 시험체를 조정 한다.
3) 교반 페달의 바닥이 시험체 표면 위 38 ± 5 mm가 되도록 조정한다.
4) 강철 구슬의 질량을 10 g 범위 까지 측정하고 시험체 표면에 강철 구슬을 올려놓고 물을 시험체 표면위에서 부터 시험장치 상단부 165 ± 5 mm까지 부어 넣는다.
5) 교반페달을 회전시키고 페달이 물에 잠기고 규정된 속 도에서 회전하고 있는지를 체크한다.
6) 매 12시간 마다 (12, 24, 36, 48, 60, 72 hr) 시험용기에서 시험체를 꺼내고 마모된 재료를 쏟아 내고 표면을 건조 시킨 후 수중과 공기 중에서 시험체의 중량을 측정한다.
7) 표준시험 시간은 총 72시간 동안 진행하며, 12시간 마다 시험체의 질량손실을 체크한다.
8) 다음에 식에 따라 특정 단계의 시험시간에서 시험체의 체적을 계산한다.
여기서 : 특정 시간에서 시험체의 체적 (㎥)
: 특정 시간에서 시험체의 공기중 질량 (㎏)
: 특정 시간에서 시험체의 수중 겉보기 질량 (㎏)
: 물의 단위중량 ㎏/㎥
9) 다음 식으로 특정 시험 단계에서 콘크리트 체적 손실량 을 계산한다.
여기서 : 특정시험 단계에서 마모에 의해 손실된 재료 의 체적 (㎥)
: 시험전 시험체의 체적 (㎥)
: 특정 시험단계에서 시험체의 체적 (㎥)
10) 특정 시험단계에서 평균 마모 깊이는 다음 식에 따라 계산한다.
여기서 : 특정 시험단계에서 평균 마모깊이 (m)
: 시험체 상부의 면적 (㎡)
3. 콘크리트 배합설계
기존 연구에 따르면 콘크리트 표면 코팅의 7가지 다른 유 형에 대한 마모저항성은 코팅의 탄성이 마모용 강철 구슬의 충격을 완화시켜 0.23 %∼0.58 %의 마모 손실률을 나타 내었 으나 코팅의 접착성 및 경계면의 균열 등에 대한 문제를 발생 시킨다 (Tony C. Liu,1981). 본 논문은 콘크리트 표면에 코팅 이나 접착제 등의 재료를 사용하는 것을 고려하지 않았으며, 다만 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 레디믹스트 콘크리트를 대상으로 하였다. 따라서 콘크리트의 표면 마모 저항성에 대한 실험 범위를 콘크리트의 압축강도, 물-결합재 비 등으로 국한하였으며, 전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강 도별 배합비를 조사하여 대표 배합비를 정하였다 (Table 10).
압축강도는 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 강도 범위인 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa로 선정하였고, 배합에 사용 된 잔골재는 군산 하천사, 굵은골재는 부여산 부순 돌, 시멘트 는 D사 1종 보통포틀랜드 시멘트, 혼화재는 고로슬래그 미분 말과 플라이애쉬, 혼화제는 강도에 따라 고성능 AE 감수제와 AE 감수제를 사용하였다. 콘크리트 배합에 사용된 재료의 물 리⋅화학적 특성에 대한 자료를 Table 5∼Table 9 에 나타내 었다.
12 hr 24 hr 36 hr 48 hr 60 hr 72 hr
(a) Before a test
specimen (b) After a test specimen
Fig. 4 Before and after a test specimen
Density (ｇ/㎤)
Absorption (%)
Bulk density (kg/L) 0.08mm
passing rate (%) Fineness modulus
Loose Dense
2.61 0.81 1.41 1.59 1.30 2.30
Table 6 Physical properties of fine aggregate
m ax (mm) Unit weight (ｇ/㎤)
Absorption (%)
Bulk density (kg/L)
Fineness modulus Abrasion loss Loose Dense (%)
25 2.62 0.78 1.30 1.64 6.94 16.6
Table 7 Physical properties of coarse aggregate
Type of admixtures Specific gravity Fineness-blaine (㎠/g)
Ground granulated blast-furnace slag 2.93 4,500
Fly ash 2.17 3,200
Table 8 Physical properties of admixtures
Type Specific gravity pH Solid content (%) Quantity (%) Main component
Air entraining agents 1.04 ± 0.05 - - 0.03∼0.08 VINSOL
Water-reducing agents 1.185 ± 0.05 - - 0.15∼0.5 Lignosulfonate
High water-reducing
/Air-entraining agents 1.17 ± 0.05 8.0 41 0.5∼1.0 Sodium salt of a
sulfonate naphthalene Table 9 Physical properties of chemical admixtures
Type (MPa)
Target slump (cm)
Target air cont.
(%)
W/B (%)
S/a (%)
Unit weight (kg/㎥)
W C BFS/FA S G Ch, admix1)
(C×%) AE2)
OPC
24 15±2.5 5.0±1.5 51.2 45 181.0 353.0 - 770.0 946.0 0.5 0.3
27 15±2.5 5.0±1.5 47.6 44 182.0 381.0 - 743.0 949.0 0.5 0.2
30 15±2.5 5.0±1.5 44.5 43 183.0 411.0 - 714.0 951.0 0.6 1.0
BFS
24 15±2.5 5.0±1.5 51.2 45 181.0 319.0 35.4 735.0 978.0 0.5 0.2
27 15±2.5 5.0±1.5 47.6 44 182.0 344.0 38.2 708.0 981.0 0.5 -
30 15±2.5 5.0±1.5 44.5 43 183.0 358.0 53.4 680.0 982.0 0.5 1.0
FA
24 15±2.5 5.0±1.5 51.2 43 181.0 319.0 35.4 731.0 972.0 0.6 0.3
27 15±2.5 5.0±1.5 47.6 42 182.0 344.0 38.2 703.0 974.0 0.5 -
30 15±2.5 5.0±1.5 44.5 41 183.0 358.0 53.4 673.0 972.0 0.5 1.0
1) 24, 27은 AE감수제, 30은 고성능AE감수제 사용, OPC ; 시멘트대비 비율 (C×%) BFS/FA; 결합재대비 비율 (B×%) 2) AE제는 혼화제 대비 비율 (혼화제×%)
Table 10 Mixture proportion of concrete Type of cement Specific
gravity
Seting time (Gillmore) Fineness-blaine (㎠/g)
Compressive strength (MPa)
Initial (min) Finial (hr) ｆ3 ｆ7 ｆ28
OPC 3.14 228 6.14 3,339 19 22 35
Table 5 Physical composition of cement
4. 실험결과
전국 레디믹스트콘크리트의 호칭강도별 배합비를 조사하 여 설정한 대표 배합비에 따라 물-결합재비를 각각 51.2 %, 47.6 %, 44.5 % 로 하여 기준콘크리트 (Ordinary portland cement, OPC), 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트 (Blast furnace slag, BFS), 플라이애쉬를 혼입한 콘크리트 (Fly ash, FA)로 대표배합을 구별하여 총 9배치에서 시험체를 제작하고 ASTM C 1138 시험방법에 따라 수중마모시험을 수행하였다.
마모시험결과는 Table 11에 나타내었다. 이들 결과는 물-결합 재비와 그에 따른 압축강도, 혼화재의 종류 등의 콘크리트 마 모저항성 평가에 활용되었다.
가. 물-결합재비와 마모저항성
콘크리트의 마모저항에서 물-결합재비의 영향은 콘크리트 의 무게에 대한 퍼센트인 평균 마모손실을 시험시간에 대하 여 그려진 Fig. 5에서 알 수 있다. Fig. 5 (a)에서 OPC의 경우 물-결합재비가 52.1 %에서 44.5 %로 감소시 72시간 시점에서 마모저항성의 개선효과는 약 30 %로 나타났다. 이와 같은 결
과는 물-결합재비가 마모를 받는 피복 시멘트의 품질에 영향 을 주고 있으며, 물 결합재비 44.5 %의 콘크리트 시험체가 피복이 밀실하고 더 좋은 결합력을 가진 피복시멘트 모체를 형성하였기 때문으로 사료된다.
반면 Fig. 5 (b)에서 BFS의 경우 물-결합재비가 52.1 %에서 44.5 %로 감소시 72시간 시점에서 마모저항성의 개선효과는 약 38 %로 나타났으나 물-결합재비 47.6 %에서 44.5 %로 감 소시 72시간 시점에서 마모저항성의 개선효과는 약 9.9 %로 나타났다. 이와 같은 결과는 본 배합이 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트로서 잠재수경성을 가진 특성으로 초기재령 에서의 콘크리트 결합력의 차이가 크게 발생하지 않은 영향 으로 판단된다.
또한 Fig. 5 (c)에서 FA의 경우 물-결합재비가 52.1 %에서 44.5 %로 감소시 72시간 시점에서 마모저항성의 개선효과는 약 3.8 %로 나타났다. 이와 같은 결과는 플라이애쉬를 혼입한 콘크리트로서 포졸란 반응으로 인한 영향으로 판단된다. 포 졸란 반응 및 잠재수경성을 가진 시멘트를 혼입한 경우 초기 재령에서 피복시멘트의 결합력이 떨어지나 장기재령에서 피
(a) OPC (b) BFS (c) FA
Fig. 5 Effect of water-binder ratio on abrasion resistance in accordance with mixture proportion of concrete Type (MPa) W/B Strength 28day
(MPa)
Abrasion loss by mass (%)
12 hr 24 hr 36 hr 48 hr 60 hr 72 hr
OPC
24 51.2 % 26.7 1.54 2.77 3.32 3.67 3.98 4.23
27 47.6 % 31.9 0.91 1.92 2.57 3.02 3.36 3.71
30 44.5 % 35.1 0.54 1.47 1.98 2.36 2.79 2.95
FA
24 51.2 % 29.4 0.63 1.77 2.41 2.82 3.18 3.46
27 47.6 % 30.1 0.53 1.47 2.24 2.70 3.11 3.34
30 44.5 % 32.1 0.85 1.80 2.28 2.66 3.03 3.33
BFS
24 51.2 % 30.2 1.97 3.39 4.10 4.53 4.56 4.97
27 47.6 % 30.8 0.68 1.62 2.19 2.52 2.83 3.13
30 44.5 % 31.5 0.48 1.36 1.94 2.49 2.82 3.10
Table 11 The test result of abrasion resistance of concrete
복 시멘트의 결합력이 증가 될 수 있으므로 장기재령에서 콘 크리트 시험체의 마모저항성 시험 및 평가가 고려되어야 할 것으로 판단된다.
Fig. 6은 혼화재별 대표배합의 콘크리트에 대하여 물-결합 재비와 72시간 시점에서 마모손실률을 나타낸 것이다. 이 그 림에서 OPC, BFS, FA (W/B : 52.1 %, 47.6 %, 44.5 %)의 경우 마모 손실률은 각각 OPC 가 2.95 %∼3.33 %, BFS가 3.10 %∼
4.97 %, FA가 3.33 %∼3.46 % 로 나타났으며, 이는 주어진 배합에 대하여 콘크리트의 마모 손실률이 물-결합재비가 0.72
%에서 0.33 %로 감소함에 따라 2.47 %에서 6.35 % 까지 증가 함을 보고한 것과 일치된다 (Tony C. Liu, 1981).
나. 압축강도와 마모저항성
Fig. 7 (a), (b)에 나타낸 것 같이 ASTM 1138 C 시험방법 제정의 근간이 되었고 콘크리트의 상대적 마모 저항성을 평
가하기 위해 설계된 연구결과에서 압축강도 22 MPa∼47 MPa 범위의 콘크리트 경우 총 마모 손실량의 27 %∼48 %가 최초 12시간 시점에서 발생된다. 또한 마모시험 경과 24시간에서 는 총 마모 손실량의 47 %∼72 % 범위로 상당히 큰 마모를 발생시켰다 (Tony C. Liu, 1981). 이러한 이유로 ASTM 1138 C 시험방법에서는 총 24시간의 시험 동안 콘크리트의 대부분 의 표면에 상당히 큰 마모가 발생함을 언급하고 있다. 또한 Fig. 7 (b)에 제시된 식으로부터 압축강도별 24시간 시점에서 콘크리트의 상대적 마모저항성을 평가할 수 있다 (Tony C.
Liu, 1981).
본 논문에서는 혼화재 및 호칭강도별 24 MPa, 27 MPa, 30 MPa 범위의 콘크리트 마모저항성이 시험되었다. OPC, BFS, FA 배합으로 만들어진 시험체의 12시간 및 24시간 시점에서 마모손실률과 콘크리트 압축강도 상관성을 Fig. 7 (a), (b)에 나타내었다. 이들 데이터들은 콘크리트의 마모저항성이 압축 강도가 증가함에 따라 증가한다는 것을 결론 내린 다른 연구 자의 연구결과와 유사성을 나타내고 있다 (Tony C. Liu, 1981;
Liu et al., 2005; Dhir, R et al., 1991; Atis, C. D., 2002).
Fig. 7 (a)에서 OPC 24 MPa 및 BFS 24 MPa 의 경우 최초 12시간 시점에서 마모 손실률은 각각 36 %, 39 %로 일반적으 로 남은 시험시기 (24, 36, 48, 60, 72시간)보다 컸으며, Fig.
7 (b)에서 24시간 시점에서 마모 손실률은 각각 65 %, 68 %로 콘크리트 표면부에 상당한 마모를 발생시켰다. 왜냐하면 저 강도 콘크리트인 경우 최초 12시간 시점에서 표면 모르타르 층이 훨씬 빠르게 마모가 되어 마모 손실률이 증가하기 때문 이다. 이러한 현상은 압축강도 23 MPa로 만들어진 시험체의 마모손실률 30 %와 유사한 결과를 나타내었다 (Tony C. Liu, 1981).
반면 Fig. 7 (a)에서 OPC (27 MPa, 30 MPa), BFS (27 MPa, Fig. 6 Correlation between water-binder ratio and abrasion loss
(72 hours)
(a) Abrasion loss (12 hr)/Total loss (b) Abrasion loss (24 hr)/Total loss Fig. 7 Correlation between abrasion loss percent and compressive strength
30 MPa), FA (24 MPa, 27 MPa, 30 MPa)의 경우 마모시험 최초 12시간 시점에서 마모 손실율의 범위는 15 %∼25 %로 나타났으며, Fig. 7 (b)에서 마모시험 24시간 시점에서 마모 손실율의 범위는 43 %∼51 %로 상당한 마모손실을 발생시켰 다. 그 이유는 콘크리트 압축강도가 커질수록 표면부 시멘트 모르타르의 결합력이 증가하여 그만큼 마모손실이 줄어들었 기 때문으로 판단된다.
따라서 수리구조물의 압축강도가 24 MPa 인 콘크리트의 경우 마모손상 평가는 총 마모손실량에 대한 최초 12시간 시 점에서 상대적 마모 손실률로 평가하고, 압축강도가 27 MPa
∼30 MPa 인 경우 24시간 시점에서 상대적 마모 손실률로 평가를 고려하는 것이 콘크리트의 유지관리측면에서 유리할 수 있다. 왜냐하면 시험시간 24시간 시점에서 가장 많은 마모 를 낳고 이 시점에서 상대적 마모 손실률이 크지만 저강도 (24 MPa)일 경우 최초 12시간 시점에서 표면 모르타르 층이 훨씬 빠르게 마모가 되어 마모 손실률이 압축강도 27 MPa∼
30 MPa 보다 증가하기 때문이다.
Ⅲ. 결 론
본 논문은 콘크리트 수중마모에 대한 실험중 표면에 코팅 이나 접착제 등의 재료를 사용하는 것을 고려하지 않았으며, 다만 수리구조물에서 일반적으로 사용되고 있는 레디믹스트 콘크리트를 대상으로 하였다. 전국 레미콘 공장에서 생산되 는 호칭강도별 배합의 대표배합을 선정하고 세 개 (51.2 %, 47.6 %, 44.5 %)의 주된 물-결합재비와 혼화재를 혼입하지 않 은 기준콘크리트 (Ordinary portland cement, OPC), 고로슬래 그 미분말을 혼입한 콘크리트 (Blast furnace slag, BFS), 플라 이애쉬를 혼입한 콘크리트 (Fly ash, FA)로 구별하여 시험체 를 만들고 수중 마모시험과 압축강도시험을 수행하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 배수갑문 피어, 댐, 여수로 등과 같이 수리구조물에서 발생하는 콘크리트의 마모 저항성을 결정하며, 수리구 조물에서 물과 동반된 입자들의 마모작용을 시험할 수 있고 콘크리트의 마모나 포트 홀을 발생시키는 고체입 자를 휘저으며 움직이게 하는 물의 와류를 모의실험 할 수 있는 ASTM C 1138 (수중마모시험 방법)이 마모시 험 평가에 효과적임을 알 수 있다.
(2) 주어진 OPC 콘크리트의 마모 저항성은 물-결합재비가 52.1 %에서 44.5 %로 감소함에 따라 72시간 시점에서 마모저항성의 개선효과는 약 30 %로 나타났다. 이는 물-결합재비가 감소함에 따라 콘크리트 시험체의 피복
이 밀실하고 더 좋은 결합력을 가진 피복시멘트 모체를 형성하였기 때문으로 사료된다.
(3) BFS 콘크리트의 마모저항성은 물-결합재비가 47.6 %에 서 44.5 %로 감소시 72시간 시점에서 마모저항성은 약 9.9 %, FA의 경우 물-결합재비가 52.1 %에서 44.5 %로 감소시 72시간 시점에서 마모저항성은 약 3.8 %의 개선 효과를 보였다. 이와 같은 결과는 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬 혼입 콘크리트에서 발생하는 잠재수경 성 및 포졸란 반응으로 인한 특성으로 초기재령에서의 콘크리트 결합력의 차이가 크게 발생하지 않은 영향으 로 판단되며, 장기재령에서 콘크리트 시험체의 마모저 항성 시험 및 평가가 고려되어야 할 것으로 판단된다.
(4) OPC 24 MPa 및 BFS 24 MPa 콘크리트의 최초 12시간 시점에서 마모 손실률이 각각 36 %, 39 %로 일반적으 로 남은 시험시간보다 컸으며, 24시간 시점에서 마모 손실률은 각각 65 %, 68 %로 콘크리트 표면부에 상당 한 마모를 발생시켰다. 왜냐하면 저강도 콘크리트인 경 우 최초 12시간 시점에서 표면 모르타르 층이 훨씬 빠 르게 마모가 되어 마모손실률이 증가되었기 때문으로 판단된다.
(5) OPC, BFS, FA (27 MPa, 30 MPa) 콘크리트의 최초 12시 간 시점에서 마모 손실율의 범위는 15 %∼25 %, 마모 시험 24시간 시점에서 마모 손실율의 범위는 43 %∼51
%로 나타났다. 이러한 이유는 콘크리트 압축강도가 커 질수록 표면부 시멘트 모르타르의 결합력이 증가하여 그만큼 마모손실률이 줄어들기 때문으로 판단된다.
(6) 일반적으로 24시간 시점에서 콘크리트의 상대적 마모 저항성을 평가할 수 있으나 저강도 (24 MPa)일 경우 최초 12시간 시점에서 표면 모르타르 층이 훨씬 빠르게 마모가 되므로 유지관리측면을 고려할 때 이 시점에서 상대적 마모 손실률로 평가하는 것을 고려해 볼 수 있다.
(7) 즉, 수리구조물의 설계기준압축강도가 육상 수리구조 물의 경우 24 MPa∼27 MPa, 배수갑문과 같은 해양 수 리구조물의 경우 30 MPa 이므로 육상 수리 구조물은 12시간 또는 24시간 시점에서 해양 수리구조물은 24시 간 시점에서 콘크리트의 상대적 마모손실률로 마모저 항성을 평가하는 것을 고려해 볼 수 있다.
(8) 종합적으로 국내의 경우 콘크리트와 관련된 마모시험 은 공사용 재료로서 콘크리트용 굵은골재의 사용여부 를 판단하기 위한 마모 시험방법이 이용되고 있으나, 본 연구에서는 ASTM C 1138 시험방법을 이용하여 콘 크리트 배합비와 수중마모저항성의 상관성 및 콘크리 트의 실제 수중 마모저항성의 상대적 평가를 하였다.
또한, 수리구조물에 대해서 육상 수리구조물은 12시간 또는 24시간 시점에서 해양 수리구조물은 24시간 시점 에서 콘크리트의 상대적 마모손실률로 마모저항성 평 가를 고려하는 것이 유지관리측면에서 유리함을 알 수 있다.
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