2.1 사용재료

2.1.1 결합재

결합재는 시멘트와 고로슬래그 미분말, 플라이 애시를 사용하였으며, 대표적인 특성은 Table 1과 같다.

2.1.2 골재

잔골재는 천연 모래인 바다모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 경량 골재(Lightweight Aggregate, LWA)로서 화력발전소의 석탄재를 주원료로 생산한 경량 골재를 사용하였다. Fig. 1은 경량 골재의 생산 공정을 나타낸 것이다.

경량 골재와 천연모래의 품질은 Table 2와 같이 모두 한국산업표준(Korean Industrial Standards, KS)을 만족하며, Fig. 2는 경량 골재의 형상과 이를 사용한 콘크리트의 단면을 나타낸 것이다.

2.1.3 화학 혼화제

실험에 사용한 혼화제는 KS F 2560(콘크리트용 화학 혼화제)에 적합한 PC계 고성능 감수제를 사용하였다.

2.2 실험배합

건설기준 코드의 경량 골재 콘크리트(KCS 14 20 20) (MOLIT 2016⁽⁶⁾)에서는 ‘물시멘트비(w/c)를 0.60 이하, 단위 시멘트량을 300 kg/m³ 이상으로 한다.’라고 기술하고 있어, 본 실험에서도 0.60 이하로 하였고, 고로슬래그 미분말이나 플라이 애시 같은 광물질 혼화재를 사용하는 추세에 맞추어 시멘트량을 결합재량으로 바꾸어 w/c를 w/b로 설정하였다. 다만, w/b 0.60 배합은 결합재가 275 kg/m³으로 (MOLIT 2016⁽⁶⁾)의 기준보다 낮게 설정한 것은 빈배합에서 경량 골재 콘크리트의 특성을 분석하고자 결합재를 넓은 범위로 구성하였다.

따라서 w/b와 경량 골재 대체율에 따른 콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 단위수량을 165 kg/m³, w/b는 0.40에서 0.60의 범위에서 5단계로 설정하였다. 결합재는 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이 애시를 각각 3 : 2 : 1의 비율로 사용하였다. 그리고 콘크리트의 단위 용적 질량은 1,600 kg/m³에서 2,000 kg/m³을 만족하도록 경량 골재를 전체 골재량의 45, 60, 75 %로 사용하였다. 이와 같은 콘크리트 실험의 인자 및 수준은 Table 3과 같다.

2.3 실험방법

경량 골재 콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프와 공기량을 배합 직후와 60분 후에 측정하였고, 굳은 콘크리트에서는 재령 7, 28, 91일에 압축 강도와 탄성계수, 그리고 내부에 공극이 많은 경량 골재를 사용함에 따라 단열성능 평가를 위한 열 전도율을 측정하였다. 또한 경량 골재 콘크리트의 가장 중요한 특성인 단위 용적 질량은 제조 직후와 60분 후의 굳지 않은 콘크리트와 재령 28일의 굳은 콘크리트에서 측정하여 콘크리트 상태별로 서로 비교, 분석하였다.

3.1 굳지 않은 콘크리트 특성

3.1.1 혼화제 사용 비율

배합에 따라 결합재 사용량과 잔골재, 굵은 골재 사용량이 서로 다르므로, 목표 유동성 확보를 위하여 혼화제인 고성능 감수제의 사용비율을 달리 적용하였으며, 그 결과는 Table 4와 같다. 경량 골재 45 % 계열은 잔골재가 경량 골재보다 많고, 단위수량 흡착량도 많아 목표 유동성 확보가 매우 어려웠다. 경량 골재는 입자가 둥글어 슬럼프가 대부분의 배합에서 슬럼프 플로로 형성되어 목표 슬럼프를(210 ± 25) mm로 설정하였고, 이를 만족하기 위한 혼화제가 1.6 %에서 3.0 %로 다소 많은 양을 사용하였으나, 결합재가 적은 w/b 0.50, 0.55, 0.60 배합은 재료분리 현상이 발생하였다.

Fig. 3에서 경량 골재 60 % 계열은 45 % 계열보다 경량 골재가 많아지고, 잔골재가 감소하였으므로 혼화제 사용 비율도 45 % 계열보다 크게 감소하여 0.7 %에서 0.8 %의 범위로 사용하여 목표 슬럼프 확보가 가능하였다.

경량 골재 75 % 계열은 잔골재가 더욱 감소하고, 경량 골재 사용량이 증가하여 혼화제를 경량 골재 60 % 계열보다 감소시켰다. 그 결과, 목표 슬럼프 확보를 위하여 혼화제 사용 비율 0.20 %에서 0.35 %로 목표 유동성을 얻을 수 있었다. 따라서 경량 골재를 사용한 콘크리트는 경량 골재의 비표면적이 잔골재보다 크게 감소하였기 때문에 경량 골재 대체율에 따라 유동성이 달라져 혼화제 사용 비율은 큰 차이를 나타냈으며, 충분한 예비실험을 통하여 사용 비율을 설정하여야 할 것으로 판단된다.

3.1.2 슬럼프

경량 골재 45 % 계열의 슬럼프는 Fig. 4와 같이 115 mm에서 225 mm로 측정되었으며, w/b가 증가함에 따라 결합재는 감소하고, 잔골재와 경량 골재는 증가함으로써, 단위수량 흡착량이 많아져 슬럼프가 감소하였다.

w/b가 0.40에서 0.60으로 높아지면서 혼화제 사용 비율도 증가하여 w/b 0.60은 3.0 %가 사용되었는데도 목표 슬럼프 확보가 어려웠고, 결합재가 적어 재료분리가 발생하였다. 60분 후에는 슬럼프가 65 mm에서 210 mm로 측정되어 배합 직후에 비해 최대 50 mm가 손실되었다. 혼화제의 유동성 유지력이 높고, 일반적인 사용량보다 많이 투여되어 전체적으로 슬럼프 손실도 적었던 것으로 판단된다.

경량 골재 60 % 계열은 슬럼프가 225 mm에서 235 mm로 측정되었으며, w/b에 관계없이 뚜렷한 변화는 없었다. 경량 골재 45 % 계열에 비하여 혼화제를 결합재의 0.7 %에서 0.8 %로 감소시켜 목표 슬럼프는 만족하였으나, 60분 경과 후에는 125 mm에서 180 mm로 측정되어 배합 직후에 비하여 슬럼프 손실이 크게 나타났다.

경량 골재 75 % 계열은 경량 골재가 많아 혼화제를 더욱 감소시켜 목표로 설정한 유동성을 확보할 수 있었다. 슬럼프는 배합 직후에 200 mm에서 230 mm로 측정되었고, w/b 증가에 따라 소폭 증가하였다. 60분 후에는 110 mm에서 195 mm로 측정되어 w/b 0.40이 가장 적었고, w/b 0.60은 195 mm로 가장 큰 값으로 측정되었다.

이와 같이, 경량 골재의 사용 비율에 따라 혼화제 사용량이 다르고, 잔골재와 경량 골재의 단위수량 흡착량이 배합별로 모두 다르기 때문에 슬럼프가 크게 변화하여 충분한 검토가 필요할 것으로 분석된다.

3.1.3 공기량

Fig. 5와 같이, 경량 골재 45 % 계열의 공기량은 4.0 %에서 4.6 %를 보였으며, w/b에 따라 증가하는 경향이었다. 60분 후에는 2.9 %에서 3.5 %로 배합 직후에 비하여 최대 1.1 %가 손실되었다. 유동성 확보를 목적으로 일반적인 사용량보다 많은 양의 혼화제가 투입되어 재료분리가 발생하면서 공기량 발현도 적었던 것으로 분석된다.

경량 골재 60 % 계열은 공기량이 배합 직후에 4.4 %에서 4.8 %로 측정되어 45 % 계열과 유사하였다. 경량 골재 45 % 계열에 비하여 혼화제를 줄여서 혼화제 분산에 의한 공기량도 감소할 것으로 예상되었으나, 경량 골재가 증가함에 따라 골재에 포함된 공극도 함께 증가하여 공기량이 많아진 것으로 분석된다. 60분 후에는 4.1 %에서 4.8 %로 측정되어 공기량 손실이 적었다. 75 % 계열은 배합 직후에 5.3 %에서 6.4 %로 측정되었고, w/b 증가에 따라 지속적으로 증가하였다. 60분 후에는 5.5 %에서 5.9 %로 측정되어 배합 직후와 비교하면 뚜렷한 경향은 없었다.

이와 같이 경량 골재 콘크리트의 공기량은 골재에 포함된 공극의 영향으로 경량 골재 45 %를 기준으로 15 %씩 증가함에 따라 각각 0.3, 1.3 %가 증가하므로, 이를 고려한 배합설계가 필요하다. 또한, AE제를 별도로 사용하지 않았으나, 공기량은 화학 혼화제의 분산력과 경량 골재에 포함된 공극에 영향을 받는 것으로 분석된다.

3.1.4 단위 용적 질량

Fig. 6은 공기량 측정 시에 함께 측정한 콘크리트의 단위 용적 질량을 나타낸 것이다.

경량 골재 45 % 계열은 배합 직후에 1,908 kg/m³에서 1,979 kg/m³로 측정되었으며, w/b 0.40이 가장 높았고, w/b 증가에 따라 결합재는 감소하고, 경량 골재가 증가하므로, 단위 용적 질량은 w/b 0.60이 가장 낮은 1,908 kg/m³으로 측정되었다. 60분 경과 후에는 1,915 kg/m³에서 1,975 kg/m³로 측정되어 배합 직후에 비하여 공기량 감소로 단위 용적 질량도 증가하였으나, 그 폭은 크지 않았다.

경량 골재 60 % 계열의 단위 용적 질량은 배합 직후에 1,840 kg/m³에서 1,892 kg/m³이며, 60분 후에는 1,843 kg/m³에서 1,885 kg/m³로 측정되었다. 경량 골재 75 % 계열은 배합 직후에 1,702 kg/m³에서 1,782 kg/m³로 측정되어 가장 적은 값이었고, 경량 골재 45 %를 기준으로 경량 골재가 15 %씩 증가함에 따라 단위 용적 질량은 평균 100 kg/m³ 정도 감소하였다. 60분 후에는 1,736 kg/m³에서 1,776 kg/m³로 측정됨에 따라, 공기량 변화가 굳지 않은 콘크리트의 단위 용적 질량에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

3.2 굳은 콘크리트 특성

3.2.1 압축 강도

실험계획에 따라 재령별로 측정한 경량 골재 콘크리트의 압축 강도는 Fig. 7과 같다.

재령 7일에는 경량 골재 45 % 계열에서 w/b 0.40이 24.5 MPa로 측정되었으며, w/b가 0.05씩 증가함에 따라 결합재 감소로 압축 강도도 각각 19.2, 11.7, 9.30, 8.59 MPa로 감소하였다. 굳지 않은 특성의 결과와 같이, 잔골재가 많아 이를 분산하기 위해 혼화제가 과다 투입되어 재료분리 현상으로 압축 강도 발현도 크지 않은 것으로 판단된다.

경량 골재 60 % 계열은 압축 강도가 13.0 MPa에서 26.9 MPa로 측정되었으며, w/b 0.40이 26.9 MPa로 가장 높았고, w/b 0.60은 13.0 MPa로 측정되어 w/b 0.40에 비하여 약 50 % 수준이었다. 경량 골재 75 % 계열은 10.1 MPa에서 24.2 MPa로 측정되었고, 전체적으로 경량 골재가 많아 60 % 계열보다는 압축 강도가 감소하는 경향이었다.

재령 28일에는 초기재령에 비하여 압축 강도가 보다 넓게 분포되었으며, 경량 골재 45 % 계열은 12.7 MPa에서 36.0 MPa로 w/b 변화에 따라 뚜렷하게 감소하였다. w/b가 가장 높은 0.60은 12.7 MPa로 w/b 0.40의 35 % 수준으로 매우 낮았다. 경량 골재 60 % 계열은 27.7 MPa에서 39.9 MPa의 범위로 측정되어 w/b와 압축 강도는 반비례하므로, w/b 0.40에서 39.9 MPa의 값을 보였고, w/b 0.60이 가장 낮은 27.7 MPa로 나타났다. 경량 골재 75 % 계열의 압축 강도는 21.3 MPa에서 36.2 MPa로 측정되어 60 % 계열에 비하여 크게 감소하지 않았으며, 일부 재료분리가 발생한 경량 골재 45 % 계열보다도 큰 값으로 측정되었다.

재령 91일에는 경량 골재 45 % 계열에서 18.0 MPa에서 43.3 MPa, 경량 골재 60 % 계열은 36.3 MPa에서 47.4 MPa, 경량 골재 75 % 계열은 25.5 MPa에서 40.7 MPa로 측정되었다. 앞선 내용과 동일하게 유동성이 상대적으로 저하하였던 45 % 계열은 재령이 경과하여도 압축 강도 증진은 크지 않았으며, 경량 골재 사용량 60 %와 75 % 계열은 재령 91일까지도 지속적으로 증진함으로써, 굳지 않은 콘크리트에서 적절한 유동성을 확보하는 것이 압축 강도 발현에 매우 중요한 항목인 것으로 확인되었다.

3.2.2 탄성계수

탄성계수는 LVDT(The linear variable differential transformer)가 부착된 컴프레소미터를 이용하였으며, 압축 강도와 동시에 측정하여 KS에 따라 0.2 MPa/초에서 0.3 MPa/초의 속도로 하중을 가하였다. Fig. 8은 재령별 탄성계수 결과를 나타낸 것이다.

먼저, 재령 7일에는 경량 골재 45 % 계열의 탄성계수가 9.46 GPa에서 16.0 GPa로 측정되었으며, 압축 강도와 동일하게 w/b가 증가함에 따라 탄성계수도 감소하였다. w/b 0.40이 가장 큰 값인 16.0 GPa로 측정되었으며, w/b가 0.05씩 증가함에 따라 탄성계수도 점진적으로 감소하면서 w/b 0.60은 9.59 GPa로 측정되었다.

경량 골재 60 % 계열은 탄성계수가 11.0 GPa에서 13.9 GPa로 측정되었으며, 경량 골재 45 % 계열과 비교하면 경량 골재 사용량이 증가하여 소폭 감소하였고, 탄성계수는 압축 강도 감소폭에 비하여 크게 저하하지는 않았다.

경량 골재 75 % 계열은 9.54 GPa에서 12.5 GPa로 측정되었다. 다른 계열의 결과와 동일하게 w/b 변화에 따라 뚜렷한 특성이었으며, w/b 0.40이 12.5 GPa로 측정되었고, w/b 0.60은 9.54 GPa로 가장 적었다. 탄성계수는 압축 강도 결과와는 다르게 경량 골재 75 % 계열이 가장 적은 값으로 측정됨에 따라 w/b와는 관계없이 경량 골재가 많을수록 탄성계수는 감소하였다.

재령 28일에서의 탄성계수는 압축 강도에 비하여 크지 않았다. 경량 골재 45 % 계열은 12.8 GPa에서 19.1 GPa로 측정되었으며, 압축 강도와 동일하게 w/b 0.40이 가장 큰 값이었고, w/b 0.60은 12.8 GPa로 나타났다. 특히, 압축 강도는 w/b 0.40이 가장 컸고, w/b 0.60은 w/b 0.40의 35 % 수준이었으나, 탄성계수는 w/b 0.40의 67 % 수준으로 압축 강도에 비하여 크게 감소하지 않았다.

경량 골재 60 % 계열의 탄성계수는 w/b 0.40이 17.6 GPa로 측정되었고, w/b 0.60은 15.7 GPa로 측정되었다. 전체적으로 w/b가 0.40에서 0.05씩 증가함에 따라 w/b 0.40에 비하여 평균 2.62 %씩 감소하였다. 경량 골재 60 % 계열에서는 압축 강도가 안정적으로 발현한 것과 동일하게 탄성계수도 큰 차이가 없이 일정한 분포로 나타났다.

경량 골재 75 % 계열은 60 % 계열보다 더욱 적은 값이었다. w/b 0.40에서 15.0 GPa로 측정되었고, 이후 w/b가 0.05씩 증가함에 따라 탄성계수가 평균 0.38 GPa씩 감소하였고, w/b 0.60은 13.5 GPa로 측정되었다.

재령 91일의 탄성계수는 14.1 GPa에서 21.6 GPa로 측정되었고, 압축 강도와 동일하게 재령 7일과 28일에 비해서 모든 배합에서 증진한 값이었으며, 그 경향은 경량 골재 대체율과 w/b 변화에 따라 이전 재령과 동일하였다. 다만, 경량 골재 45 % 계열에서는 단위수량 흡착량이 많은 잔골재가 경량 골재보다 많았기 때문에 유동성 부족으로 압축 강도가 낮게 측정된 배합은 재령이 경과하여도 탄성계수는 큰 증진이 없었다. 따라서 굳지 않은 콘크리트에서 적절한 유동성을 확보하는 것이 압축 강도와 탄성계수 발현에도 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

이와 같이 경량 골재 콘크리트의 탄성계수는 압축 강도와 비례하고, w/b와는 반비례하는 경향을 나타냈으며, 전체적으로 천연골재를 사용한 보통콘크리트보다는 적은 값으로 측정되었다. 이러한 원인은 경량 골재 자체의 탄성계수가 매우 적기 때문에 이를 사용한 콘크리트의 탄성계수도 적은 값으로 나타난 것으로 분석된다.

Fig. 9는 압축 강도와 탄성계수의 관계를 나타낸 것으로, 압축 강도를 x축으로 하고, 탄성계수를 y축으로 하는 1차직선의 추세선 그래프에서 압축 강도에 비하여 탄성계수가 적은 값으로 측정됨에 따라 보통콘크리트와는 탄성계수 특성이 다소 다르게 나타났다. 탄성계수는 재령경과에 따라 압축 강도 증진에 비하여 크지 않았기 때문에 추세선의 기울기가 재령에 따라 낮아지는 경향이었다. 경량 골재 사용량별로 분류한 압축 강도와 탄성계수와의 상관관계에 의한 결정계수(R2)는 재령이 7, 28, 91일로 경과함에 따라 각각 0.7353, 0.6233, 0.5016의 값으로 산정되어 상관관계는 높지 않았으나, 압축 강도와 탄성계수는 서로 비례하였다.

3.2.3 단위 용적 질량

Fig. 10은 재령 28일에 측정한 콘크리트의 w/b 변화에 따른 단위 용적 질량을 나타낸 것이다.

경량 골재 45 % 계열의 단위 용적 질량은 1,875 kg/m³에서 1,950 kg/m³로 측정되었다. 결합재 사용량이 많고 경량 골재가 적은 w/b 0.40이 큰 값이었으며, 이후 w/b가 0.05씩 증가함에 따라 결합재가 감소하고, 경량 골재도 증가하여 단위 용적 질량은 점진적으로 감소하였다.

경량 골재 60 % 계열의 단위 용적 질량은 1,832 kg/m³에서 1,875 kg/m³의 범위를 보였다. 45 % 계열보다 경량 골재가 많기 때문에 소폭 감소하였으며, w/b에 따른 변화도 크지 않았다. 경량 골재 45 % 계열은 w/b가 증가함에 따라 단위 용적 질량 변화가 뚜렷하였으나, 경량 골재 60 % 계열에서는 w/b 변화에 따른 특성은 없었다. 단위 용적 질량은 w/b 0.45에서 가장 컸고, w/b 0.55에서 가장 적어 w/b 변화에 따른 뚜렷한 특성은 나타나지 않았다. 이러한 결과가 나타난 것은 경량 골재의 함수량이 다르고, 시험체의 함수상태가 서로 달랐기 때문에 단위 용적 질량도 특별한 경향이 없는 것으로 분석된다.

경량 골재 75 % 계열은 경량 골재 사용량이 가장 많아 단위 용적 질량도 가장 적은 1,731 kg/m³에서 1,757 kg/m³로 측정되었으며, 경량 골재 60 % 계열과 유사하게 최댓값과 최솟값의 범위가 크지 않았다. w/b 0.45가 1,757 kg/m³으로 측정되었으며, 이후 w/b 증가에 따라 단위 용적 질량도 소폭 감소하여 w/b 0.60이 1,731 kg/m³으로 나타났다.

이와 같이, 단위 용적 질량은 경량 골재 사용량이 증가할수록 감소하였고, w/b가 증가함에 따라 결합재가 감소하면서 단위 용적 질량도 소폭 감소하였다. 그리고 경량 골재가 증가할수록 단위 용적 질량도 감소하였으나, 경량 골재 사용량이 천연 잔골재보다 많은 60 %와 75 % 계열에서는 w/b 변화에 따라 뚜렷하지는 않았다.

Fig. 11은 콘크리트의 상태에 따른 단위 용적 질량의 상관관계를 나타낸 것으로, 실험 배합에서 산정한 단위재료량의 합계를 기준으로 분석하였다. 그리고 굳지 않은 콘크리트에서 제조직후와 60분 후의 단위 용적 질량과 재령 28일의 단위 용적 질량을 비교하여 나타낸 것이다.

콘크리트의 단위 용적 질량은 배합설계와 비교하여 약 100 kg/m³ 이상 높은 값으로 측정되었다. 콘크리트 제조직후보다 60분 후에 공기량 감소로 단위 용적 질량이 증가하였고, 재령 28일에는 수분 증발로 소폭 감소하였으나, 굳기 전후의 값은 큰 차이가 없었다. 이와 같이 배합설계와 콘크리트 제조 후의 단위 용적 질량의 차이가 발생한 것은 경량 골재의 공극에 원인이 있는 것으로 분석된다. 콘크리트 제조 후에는 수량이 골재의 공극에 흡수됨으로써, 전체적으로 부피가 감소함에 따라 단위 용적 질량이 증가한 원인인 것으로 판단된다.

3.2.4 열 전도율

Fig. 12는 경량 골재 콘크리트의 열 전도율을 나타낸 것으로, 재령 7일의 열 전도율은 0.72 W/mK에서 1.03 W/mK로 측정되었다. 경량 골재 사용량이 적은 45 % 계열의 열 전도율이 가장 큰 값이었으며, 내부에 공극이 많은 경량 골재가 증가함에 따라 콘크리트에서 경량 골재가 차지하는 부피가 많아지면서 열 전도율도 감소하였다.

재령 28일에는 0.87 W/mK에서 1.18 W/mK로 측정되어 재령 7일의 결과보다는 전체적으로 열 전도율이 큰 값이었으며, 재령이 28일로 경과하면서 수화 반응에 따라 콘크리트가 밀실한 구조를 나타냄에 따라 압축 강도가 증가하고, 열 전도율도 높아진 것으로 분석된다.

재령 91일에는 열 전도율이 0.89 W/mK에서 1.13 W/mK로 측정되어 재령이 경과함에 따라 열 전도율도 증가하였다. 그리고 w/b가 증가하면서 결합재는 감소하고, 경량 골재가 많아짐으로써 열 전도율은 감소하였다. 따라서 열 전도율은 배합에 따라 뚜렷하지는 않았으나, 압축 강도와는 유사하였으며, 경량 골재 사용량과는 반비례하였다. 따라서 열 전도율은 경량 골재 45 % 계열을 기준으로 경량 골재가 15 %씩 증가함에 따라 평균 10 %씩 증가함으로써, 단열성능을 위해서는 유동성과 역학적 특성을 고려하여 경량 골재 사용량을 선정하여야 할 것으로 판단된다.