J. Korea Inst. Build. Constr. Vol. 18, No. 5 : 439-446 / Oct, 2018
https://doi.org/10.5345/JKIBC.2018.18.5.439 www.jkibc.org
2) 신 경 수 임 병 훈
*Shin, Kyoung-Su Lim Byung-Hoon
*고로슬래그 미분말의 치환율 및 양생조건을 고려한 PHC파일의 공학적 특성
Engineering Properties of PHC Pile Considering Replacement Ratio of Ground Granulated Blast-Furnace Slag and Curing Conditions
Professor, Department of Architectural Engineering, Woosong University, Dong-Gu, Daejeon, 34606, Korea
Abstract
The PHC pile has been increasingly used due to its implementation of the top-base method, which is advantageous in high penetration rate and bearing capacity reinforcement. Typically, when a PHC pile is manufactured, high-strength mixed materials are mainly used to enhance the compressive strength. However, recent studies have been conducted to utilize ground granulated blast-furnace slag (GGBS) in terms of economic efficiency. For this reason, this study manufactured PHC pile considering the replacement ratio and curing conditions of GGBS instead of high-strength mixed materials, and further investigated the engineering properties of the PHC pile. According to the experimental results, the compressive strength of GGBS-replaced PHC pile increased by steam curing, and particularly, PHC pile with 20% replacement of GGBS under 80℃ steam curing condition showed a compressive strength of approximately 84MPa. Furthermore, the experimental results confirmed that more hydration products were generated under the 80℃
steam curing condition than that under the 20℃ steam curing condition, which would affect the higher density of the PHC pile as well as the increase in the compressive strength.
Keywords : curing conditions, ground granulated blast-furnace slag, PHC pile, compressive strength
1. 서 론
최근 콘크리트 구조물의 설계가 고층화 및 대형화 위주로 이루어짐에 따라 깊은 관입량과 지지력 보강에 유리한 말뚝 기초공법인 PHC파일의 사용량이 증가하고 있으며, 이 때문 에 국내 PHC파일 시장은 지속적으로 증가하고 있는 추세이 다[1]. 일반적으로 PHC파일은 생산방식에 따라 크게 증기 양생방법과 오토클레이브 양생방법의 2가지로 구분할 수 있 다. 증기양생방법은 최고온도 약 85℃로 양생을 하며, 고강
Received : July 3, 2018
Revision received : July 24, 2018 Accepted : August 27, 2018
* Corresponding author : Lim, Byung-Hoon
[Tel: 82-42-630-9725, E-mail: [email protected]]
ⓒ2018 The Korea Institute of Building Construction, All rights reserved.
도 혼합재를 사용하고, 압축강도는 재령 7일을 기준으로 한 다. 오토클레이브 양생방법은 규사가 주원료인 고강도 혼합 재를 사용하고, 1차 증기양생 후 2차 오토클레이브 양생을 최고온도 약 180℃에서 진행하며, 압축강도는 재령 1일을 기준으로 하게 된다.
한편, 증기양생방법으로 PHC파일을 제조할 시 고강도 혼 합재는 압축강도의 증진을 위해 사용하지만, 최근에는 경제 성을 고려하여 고강도 혼합재 대신 고로슬래그 미분말을 활 용하여 PHC파일을 제조하는 연구가 진행되고 있다[1]. 그 러나 기존 연구에서는 주로 PHC파일의 압축강도에 관한 내 용이 주를 이루고 있으며, 미세구조 및 결정구조에 대한 분 석은 연구가 부족한 실정이다.
일반적으로 고로슬래그 미분말은 선철의 제련 시에 발생 하는 부산물로서, 고온용융상태의 고로슬래그를 살수 및 급
Engineering Properties of PHC Pile Considering Replacement Ratio of Ground Granulated Blast-Furnace Slag and Curing Conditions
Table 1. Physical properties of used materials
Materials (Sign) Physical properties
Ordinary portland cement (OPC) Density : 3.15g/cm
3, Blaine : 3,500 cm
2/g Ground granulated blast-furnace slag (GGBS) Density : 2.90g/cm
3, Blaine : 4,196 cm
2/g α-calcium sulfate hemihydrate (α) Density : 2.72g/cm
3, Blaine : 1,400 cm
2/g
Fine aggregate (S) Density : 2.56g/cm
3, Maximum size : 5mm, Water absorption ratio : 1.01%
Coarse aggregate (G) Density : 2.67g/cm
3, Maximum size : 25mm, Water absorption ratio : 1.39%
Table 2. Chemical compositions of used materials
Materials (Sign) Chemical composition (%)
SiO
2Al
2O
3Fe
2O
3CaO MgO Na
2O K
2O SO
3LOI
Ordinary portland cement (OPC) 20.70 6.20 3.10 62.20 2.80 0.10 0.84 2.10 1.96
Ground granulated blast-furnace slag (GGBS) 32.75 15.61 0.50 43.51 4.41 0.25 0.49 0.04 2.44
α-calcium sulfate hemihydrate (α) 2.57 0.88 0.41 39.99 0.32 - - 55.79 0.04
Table 3. Experimental plan
Experimental variables Experimental level Evaluation contents
Replacement ratio of GGBS § 0 § 10% § 20% § 30%
§ Compressive strength
§ X-ray diffraction analysis
§ Scanning electron microscopy micrograph Curing conditions
§ 20℃ (Room temperature curing)
§ 50℃ (Steam curing)
§ 80℃ (Steam curing)
Table 4. Mix proportion Specimens ID W/B
(%) S/a (%)
Unit weight (kg/m
3)
W C GGBS α S G
OPC
25 36 130
520 - - 646 1157
OPC+GGBS10 452 52 16 644 1154
OPC+GGBS20 400 104 16 643 1152
OPC+GGBS30 348 156 16 642 1150
랭을 통해 유리화시킨 후 건조 및 분쇄 과정을 거쳐 제조하게 된다. 고로슬래그 미분말은 반응성이 높아 고로시멘트용 슬 래그나 시멘트·콘크리트용 혼화재료 등 시멘트 대체재로 서 그 사용량이 증가하고 있다[2,3]. 특히, 고로슬래그 미분 말은 잠재 수경성이 있기 때문에 장기강도의 향상을 기대할 수 있으며, 콘크리트의 수화발열 속도저감, 온도상승 억제, 수밀성 증대에 의한 내구성 향상, 염화물 이온 침투억제에 의한 철근의 발청 억제 등의 다양한 효과를 기대할 수 있다 [4,5].
따라서, 본 연구에서는 고강도 혼합재 대신 고로슬래그 미분말을 사용하여 증기양생방법으로 PHC파일을 제조하였
으며, 고로슬래그 미분말의 치환율 및 양생조건을 고려한 PHC파일의 공학적 특성에 대해 검토하였다. 또한, X-선 회절 분석과 주사전자현미경 관찰을 통해 PHC파일의 미세 구조와 결정구조를 분석하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 사용재료
Table 1에 사용재료의 물리적 성질, Table 2에 사용재료 의 화학조성을 나타내었다. 시멘트는 KS L 5201「포틀랜 드 시멘트」의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 고 로슬래그 미분말은 KS F 2563「콘크리트용 고로슬래그 미 분말」의 규정을 만족시키는 고로슬래그 3종을 사용하였다.
α형 반수석고는 배연탈황석고로부터 가압수용액법으로 제 조된 것을 사용하였으며, PHC파일의 압축강도 증진과 치수 안정성을 확보하기 위해 사용하였다.
잔골재는 밀도 2.56g/cm3, 흡수율 1.01%의 해사를 사용 하였으며, 굵은골재는 밀도 2.65g/cm3, 흡수율 1.39%의 부순골재를 사용하였다. 고성능 감수제는 폴리카르본산계 를 사용하였다.
Table 3에 실험계획을 나타내었다. 고로슬래그 미분말의 치환율 및 양생조건을 고려한 PHC파일의 공학적 특성을 검 토하기 위해 고로슬래그 미분말의 치환율과 양생조건을 실 험변수로 설정하였다. 고로슬래그 미분말의 치환율은 0, 10, 20, 30%로 설정하였으며, 양생조건은 20℃ (Room temperature curing), 50℃ (Steam curing), 80℃
(Steam curing)로 설정하였다. 양생조건의 경우 기존 PHC 파일의 공장생산 방식(80℃, Steam curing)뿐만 아니라 벽 돌 및 블록 등 콘크리트 2차제품의 공장생산 방식(50℃, Steam curing), 일반콘크리트의 생산 방식(20℃, Room temperature curing)에서 PHC파일의 강도발현 특성이 어 떻게 달라지는지를 검토하고자 하였다.
평가항목으로써, 고로슬래그 미분말을 사용한 PHC파일 의 압축강도를 측정하였으며, 결정구조의 분석을 위해 X- 선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 실시하고, 미세 구조의 분석을 위해 주사전자현미경 관찰을 수행하였다.
Table 4에 콘크리트 배합을 나타내었다. 콘크리트 배합은 기존에 사용되고 있는 고강도 PHC 파일 중 80MPa를 대상 으로 하였다. 물결합재비(W/B)는 25%, 잔골재율(S/a)은 36%, 단위수량은 130kg/m3로 설정하였다.
2.3 시험체 제작
콘크리트의 비빔은 2축 강제식 믹서를 사용하였으며, 시 험체는 「KS F 2454 원심력으로 다져진 콘크리트의 압축강 도 시험방법」에 준하여 ∅200×300mm의 크기로 원심성 형을 통해 제작하였다. Figure 1에 원심성형 시험 장치를 나타내었으며, 원심성형조건은 Table 5에 나타낸 바와 같이 저속 3분, 중속 2분, 중고속 1분, 고속 5분의 4단계로 구분 하였다. Figure 2에 양생조건을 나타내었다. 양생은 전치 1시간, 승온 3시간, 유지 5시간, 강온 1시간의 조건으로 설 정하였으며, 각각 시험체의 최고온도는 20, 50, 80℃로 설 정하였다. 증기양생이 종료된 후에는 온도 20±3℃，상대 습도 60±5%의 항온·항습실 내에서 재령 7일간 양생을 실시하였다. Figure 3에 양생조건에 따른 OPC 시험체의 모습을 나타내었다. OPC 시험체는 양생조건에 따라 표면상 으로 큰 차이를 나타내는 것을 확인하였다.
2.4 시험방법
압축강도 시험방법은 KS F 2405 『콘크리트의 압축강도
Figure 1. Centrifugal compaction
Table 5. Centrifugal casting conditions Contents Low
speed
Middle speed
Upper-middle speed
High speed
RPM 130 290 420 690
Time (min.) 3 2 1 5
20 50 80
C u rin g te m pe ra tu re (
Elapsed time
① 20℃ (Room temperature curing)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Heating Maintenance Cooling Post pose
Preset period
② 50℃ (Steam curing)
③ 80℃ (Steam curing)
Figure 2. Curing conditions
(a) 20℃ (b) 80℃
Figure 3. Comparison of specimens according to curing conditions
시험방법』에 준하여 재령별로 각각의 최대하중을 측정한 후 압축강도를 측정하였다. 일반적으로 증기양생의 경우 재
Engineering Properties of PHC Pile Considering Replacement Ratio of Ground Granulated Blast-Furnace Slag and Curing Conditions
령 7일을 표준강도로 하여 압축강도는 재령 1일, 7일을 측정 하였다. 시험체의 결정구조를 분석하기 위한 X-선 회절 분 석은 재령 1일, 7일에 샘플을 채취하여 분말형태로 제조 후 전처리 과정을 거쳐 측정하였다. 회절 패턴은 5∼65° 2θ 구간, 0.01°스텝, 스텝 당 1초의 조건으로 얻었다. X-선 회절 분석을 통해 고로슬래그 미분말의 치환율 및 양생조건 을 고려한 PHC파일의 수화생성물을 정성적으로 분석하고 자 하였다. 시험체의 미세구조는 주사전자현미경을 활용하 여 재령 1일, 7일에 샘플을 백금으로 코팅한 후 관찰하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 압축강도
Figure 4는 양생조건에 따른 PHC파일의 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다. 20℃ (Room temperature curing) 양생조건에서 재령 1일 압축강도의 경우 OPC 시험체는 19.9MPa, OPC+GGBS30 시험체는 13.6MPa로 측정되었 으며, 고로슬래그 미분말의 30% 치환에 의해 압축강도가 약 32% 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 재령 7일 압축강 도의 경우 OPC 시험체는 56.1MPa로 측정되었으며, OPC+GGBS30 시험체는 49.5MPa로 측정되어 재령 1일에 비해 OPC 시험체 대비 압축강도 감소 폭이 줄어드는 것으로 나타났다. 전체적으로, 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가 할수록 압축강도가 감소하는 경향을 보이지만 재령이 경과 함에 따라 압축강도 감소 폭이 줄어들었다.
한편, 50℃ (Steam curing) 양생조건에서 재령 1일 압축 강도의 경우 OPC+GGBS10 시험체가 가장 높은 압축강도 를 나타냈으며, OPC 시험체에 비해 약 2% 정도 압축강도가 증가하였다. 그러나 OPC+GGBS20, OPC+GGBS30 시험 체의 압축강도는 OPC+GGBS10 시험체에 비해 감소하는 경향을 나타냈으나 OPC 시험체에 비해 증가하는 경향을 나 타냈다. 재령 7일 압축강도의 경우도 재령 1일과 유사한 경 향을 나타냈으며, OPC 시험체는 61.3MPa로 측정되었으 며, OPC+GGBS10 시험체가 67.2MPa로 OPC 시험체에 비해 약 9% 증가하였다. 따라서, 재령 초기 증기양생으로 인해 고로슬래그 미분말을 30% 치환한 범위에서 압축강도 증진에 효과가 있는 것으로 확인되었으며, 10% 치환한 범위 에서 가장 효과가 큰 것으로 나타났다.
80℃ (Steam curing) 양생조건에서 재령 1일 압축강도 의 경우 OPC+GGBS20 시험체가 가장 높은 압축강도를 나
0 20 40 60 80 100
OPC OPC+
GGBS10
OPC+
GGBS20
OPC+
GGBS30 Compressive strength (MPa) 1days 7daysW/B=25%, B=520kg
(a) 20℃ (Room temperature curing)
0 20 40 60 80 100
OPC OPC+
GGBS10
OPC+
GGBS20
OPC+
GGBS30 C om pr es si ve s tr en gt h (M P a) 1days 7days W/B=25%, B=520kg
(b) 50℃ (Steam curing)
0 20 40 60 80 100
OPC OPC+
GGBS10
OPC+
GGBS20
OPC+
GGBS30
C om pr es si ve s tr en gt h (M P a)
1days 7days W/B=25%, B=520kg
(c) 80℃ (Steam curing) Figure 4. Compressive strength
타냈으며, OPC 시험체에 비해 약 16% 정도 압축강도가 증 가하였다. OPC+GGBS10 및 OPC+GGBS30 시험체도 OPC 시험체에 비해 약 2% 및 14% 증가하였다. 재령 7일에 서도 거의 유사한 경향을 나타냈으며, OPC+GGBS20 시험
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Angle, 2-Theta°
Intensity, Counts Q
P E
Q Q Q
Q Q Q Q
Q
Q
P
E P
C2S C3S
Q
CSH : Calcium silicate hydrate Q : Quartz
P : Portlandite E : Ettringite CSH
CSH
20℃
80℃
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Angle, 2-Theta°
Intensity, Counts
Q
P
Q Q QQ Q
Q
Q
Q P
E
P C2S
C3S
Q CSH
CSH
CSH : Calcium silicate hydrate Q : Quartz
P : Portlandite E : Ettringite
20℃
80℃
(a) OPC (b) OPC+GGBS10
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Angle, 2-Theta°
Intensity, Counts
Q - W/B=25 %, S/a=36 % - OPC+GGBS20
P E
Q
Q Q
Q Q
E P
P C2S
C3S
Q CSH
CSH
C3S : C3S monoclinic C2S : C2S beta
CSH : Calcium silicate hydrate Q : Quartz
P : Portlandite E : Ettringite
20℃
80℃
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Angle, 2-Theta°
Intensity, Counts
Q
- W/B=25 %, S/a=36 % - OPC+GGBS30
P E
Q
Q Q
Q Q Q
E P
P C2S
C3S
Q CSH
CSH
20℃
80℃
C3S : C3S monoclinic C2S : C2S beta
CSH : Calcium silicate hydrate Q : Quartz
P : Portlandite E : Ettringite
(c) OPC+GGBS20 (d) OPC+GGBS30
Figure 5. X-ray diffraction analysis (Age 7 days)
체가 OPC 시험체에 비해 약 15% 증가하여 고로슬래그 미분 말을 20% 치환한 범위에서 가장 효과가 큰 것으로 나타났다.
결론적으로, 80℃ (Steam curing)의 양생조건이 고로슬 래그 미분말을 치환한 PHC파일의 압축강도 증진에 유리한 것으로 나타났으며, 50℃ (Steam curing)의 양생을 통해서 도 압축강도의 향상은 기대할 수 있는 것으로 판단된다. 이 러한 원인은 고로슬래그 미분말의 경우 온도의존성이 높기 때문에 재령초기 고온의 양생을 통해 수화반응이 촉진된 것 으로 판단된다[6]. 다만, 50, 80℃(Steam curing)의 양생 조건에서 압축강도가 가장 높은 고로슬래그 미분말의 치환 율이 다른 원인에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 향후 고로슬래그 미분말의 치환율을 증가시 킨 배합의 검토가 필요하며, 다양한 산업 부산물에 대한 검 토가 필요하다. 현재, 사용량이 지속적으로 증가하고 있는 110MPa 초고강도 PHC파일에 대한 검토도 필요할 것으로 판단된다.
3.2 X-선 회절 분석
Figure 5는 양생조건에 따른 PHC파일의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다. 양생조건 20℃ (Room temperature curing)의 경우 OPC, OPC+GGBS10, OPC+GGBS20, OPC+GGBS30 시험체 전체적으로 골재의 혼입에 의해 quartz 피크가 주로 관찰되었으며, portlandite, ettringite 피크가 다소 관찰되는 특징을 보였다.
80℃ (Steam curing) 양생조건의 경우 20℃ (Room temperature curing) 양생조건에 비해 OPC, OPC+
GGBS10, OPC+GGBS20, OPC+GGBS30 시험체 전체적으 로 높은 강도(세기)의 quartz 피크가 관찰되고, C-S-H, portlandite, ettringite가 관찰되었다. 따라서, 20℃ (Room temperature curing)의 양생조건보다 80℃ (Steam curing) 양생조건에서 반응성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 양생조건에 관계없이 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 X- 선 회절 패턴은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
Engineering Properties of PHC Pile Considering Replacement Ratio of Ground Granulated Blast-Furnace Slag and Curing Conditions
(a) OPC (b) OPC+GGBS10
(c) OPC+GGBS20 (d) OPC+GGBS30
Figure 6. Scanning electron microscope micrograph at 20℃ (Room temperature curing) (Age 7 days)
(a) OPC (b) OPC+GGBS10
(c) OPC+GGBS20 (d) OPC+GGBS30
Figure 7. Scanning electron microscope micrograph at 80℃ (Steam curing) (Age 7 days)
Figure 6은 20℃ (Room temperature curing) 양생조 건에서 PHC파일의 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것 이다. 원심성형으로 인해 OPC 시험체는 겔 형태의 미세구조 를 나타낸 반면, 고로슬래그 미분말을 치환한 OPC+
GGBS10, OPC+GGBS20, OPC+GGBS30 시험체는 OPC 시험체와 같은 겔 형태의 미세구조는 관찰되지 않았다. 또 한, OPC+GGBS10, OPC+GGBS20 시험체에서는 C-S- H, portlandite, ettringite와 같은 다양한 수화생성물이 관찰되었으나, OPC+GGBS30 시험체에서는 OPC+GGBS 10, OPC+GGBS20 시험체와 전혀 다른 미세구조 양상을 띄는 것으로 나타났다.
Figure 7은 80℃ (Steam curing) 양생조건에서 PHC파일 의 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다. 80℃ (Steam curing) 양생조건에서는 20℃ (Room temperature curing) 양생조건에서 관찰되지 않은 수화생성물이 생성되어 전혀 다 른 미세구조를 나타내는 것을 확인하였다. 모든 시험체에서 침상형의 ettringite가 넓은 영역으로 자리잡고 있으며, 특히 OPC+GGBS10, OPC+GGBS20 시험체에서 ettringite가 광 범위하게 존재하는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 전술한 바와 같이 X-선 회절 분석 결과에서도 확인할 수 있었다. 또 한, 20℃ (Room temperature curing) 양생조건에서 관찰되 지 않은 수화생성물이 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, 이 때문에 매트릭스 내부 조직이 치밀해져, 압축강도 증가에 영향 을 준 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 고로슬래그 미분말의 치환율 및 양생조건 을 고려한 PHC파일의 공학적 특성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 고로슬래그 미분말을 치환한 PHC파일은 증기양생에 의해 압축강도가 증가하며, 특히 80℃ (Steam curing) 양생조건에서 고로슬래그 미분말을 20% 치환 한 PHC파일은 약 84MPa의 압축강도를 나타내었다.
2) PHC파일의 X-선 회절 분석 결과, 80℃ (Steam curing) 양생조건이 20℃ (Room temperature curing)의 양생조건에 비해 회절 강도(세기)도 높은 것으로 나타났으며 이를 통해 반응성 향상에 더 유리 한 것으로 판단된다. 한편, 고로슬래그 미분말의 치환
영향이 더 큰 것으로 판단된다.
3) PHC파일의 주사전자현미경 관찰 결과, 20℃ 양생조 건에서 OPC 시험체는 겔 형태의 미세구조를 나타낸 반면, 80℃ 양생조건에서는 20℃ 양생조건에서 관찰 되지 않은 수화생성물이 생성되는 것으로 나타났으며, 이 때문에 조직이 치밀해지며, 압축강도 증가에 영향 을 준 것으로 판단된다.
요 약
PHC파일은 깊은 관입량과 지지력 보강이 유리한 말뚝기 초공법으로 사용량이 지속적으로 증가하고 있다. 일반적으 로 PHC파일을 제조할 경우 압축강도의 증진을 위해 고강도 혼합재를 주로 사용하지만, 최근에는 경제성을 고려하여 고 로슬래그 미분말을 활용하는 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 고강도 혼합재 대신 고로슬래그 미분말의 치 환율 및 양생조건을 고려한 PHC파일을 제조한 후 공학적 특성에 대해 검토하였다. 실험 결과, 고로슬래그 미분말을 치환한 PHC파일은 50, 80℃ (Steam curing) 양생조건에 의해 압축강도가 증가하며, 특히 80℃ (Steam curing) 양 생조건에서 고로슬래그 미분말을 20% 치환한 PHC파일 은 약 84MPa의 압축강도를 나타내었다. 또한, 20℃ (Room temperature curing)의 양생조건에 비해 80℃ (Steam curing) 양생조건에서 더 많은 수화생성물이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이 때문에 조직이 치밀해지고, 압축강도 증가에 영향을 준 것으로 판단된다.
키워드 : 양생조건, 고로슬래그 미분말, PHC파일, 압축강도
Acknowledgement
This study was supported by the university research fund from Woosong University in 2018.
