3.1 굳지 않은 콘크리트 특성
Table 4는 실험계획에 따라 측정한 굳지 않은 콘크리트의 결과를 나타낸 것이다.
Table 4. Results for fresh concrete
|
Item
Mix.
|
ad.*
($kg/m^3$)
|
Slump
(mm)
|
Air content (%)
|
Unit weight ($kg/m^3$)
|
|
Initial
|
60 min.
|
Initial
|
60 min.
|
Initial
|
60 min.
|
|
a45
|
2.40
|
245
|
155
|
3.8
|
3.8
|
1,891
|
1,895
|
|
a50
|
2.16
|
235
|
130
|
3.8
|
2.6
|
1,889
|
1,902
|
|
a55
|
1.80
|
230
|
100
|
4.8
|
3.8
|
1,855
|
1,863
|
|
a60
|
1.50
|
220
|
100
|
4.3
|
3.2
|
1,874
|
1,874
|
|
a65
|
1.52
|
230
|
85
|
4.5
|
3.8
|
1,842
|
1,863
|
|
o45
|
4.00
|
240
|
175
|
4.7
|
2.7
|
1,826
|
1,848
|
|
o50
|
3.24
|
245
|
105
|
3.6
|
2.6
|
1,830
|
1,839
|
|
o55
|
2.95
|
245
|
95
|
3.8
|
2.7
|
1,823
|
1,828
|
|
o60
|
2.70
|
220
|
75
|
4.6
|
3.7
|
1,800
|
1,827
|
|
o65
|
2.77
|
235
|
90
|
4.4
|
3.2
|
1,778
|
1,810
|
|
n45
|
3.20
|
230
|
190
|
4.3
|
2.8
|
2,297
|
2,327
|
|
n50
|
2.70
|
215
|
150
|
5.5
|
3.3
|
2,256
|
2,309
|
|
n55
|
2.62
|
225
|
165
|
5.5
|
3.6
|
2,258
|
2,299
|
|
n60
|
2.40
|
230
|
160
|
6.7
|
4.3
|
2,231
|
2,280
|
|
n65
|
2.22
|
215
|
120
|
6.5
|
4.0
|
2,228
|
2,285
|
*ad.: chemical admixture
3.1.1 혼화제 사용량
Fig. 2는 목표로 설정한 유동성을 만족시키기 위하여 투여한 혼화제 사용량을 나타낸 것이다. 골재 종류별로 혼화제 사용범위가 뚜렷하였으며, 배합수 흡착량이
많은 절건 경량골재 계열은 w/b에 따라 혼화제를 2.70 $kg/m^3$에서 4.00 $kg/m^3$을 사용하였고, 천연골재 계열은 2.22 $kg/m^3$에서
3.20 $kg/m^3$의 범위에서 목표 유동성을 만족할 수 있었으며, 같은 계열에서 w/b 증가에 따른 혼화제 사용량은 뚜렷하게 감소하였다.
기건 경량골재 계열은 골재가 수량을 일부 포함하고 있어 목표 유동성을 위한 혼화제가 다른 계열보다 적게 요구되어 1.50 $kg/m^3$에서 2.40
$kg/m^3$를 사용하여도 만족시킬 수 있었다. 따라서 3종류의 골재 중에서는 기건 경량골재 계열의 혼화제 사용량이 가장 적었다.
Fig. 2. Dosage of chemical admixture
3.1.2 슬럼프
Fig. 3은 슬럼프를 나타낸 것으로, 경량골재 콘크리트는 시간 경과에 따른 손실이 커서 목표 슬럼프를 220±25 mm로 설정하였고, 경량화를 위해 경량골재가
잔골재보다 많기 때문에, 유동성 제어에 어려움이 따랐다.
Fig. 3. Slump of concrete
기건 경량골재 계열의 슬럼프는 배합 직후에 220 mm에서 245 mm로 측정되어 혼화제 사용량이 적었으나, 다른 계열보다 큰 값이었다. 특히 경량골재가
수량을 일부 가지고 있어 배합 수량을 보통 콘크리트 수준으로 사용하여도 유동성 확보에는 큰 문제가 없었다.
60분 후에는 슬럼프가 85 mm에서 155 mm로 나타나, 배합 직후보다 90 mm에서 145 mm가 손실되었다. 경량골재가 흡수율만큼 배합수를
더욱 흡수하여 슬럼프가 손실된 것으로 분석된다. 특히, w/b가 증가할수록 경량골재가 증가하여 슬럼프 손실이 큰 것으로 판단된다.
절건 경량골재 계열은 슬럼프가 220 mm에서 245 mm로 측정되었고, 60분 후에는 75 mm에서 175 mm로 기건 경량골재 계열과 비교하면
손실이 컸다. 그리고 배합 직후보다는 70 mm에서 150 mm가 손실되어 배합별로 차이가 컸으며, w/b 증가에 따라 슬럼프 손실이 크게 발생한
것은 기건 경량골재 계열과 동일하였다.
천연골재 계열은 슬럼프가 215 mm에서 230 mm로 측정되었고, 경량골재 계열보다 슬럼프 제어가 유리하였다. 60분 후에는 120 mm에서 190
mm로 경량골재 계열보다 슬럼프 손실도 적었다. 따라서 경량골재 계열은 함수율과 관계없이 슬럼프 손실이 큰 값이었으나, 천연골재는 상대적으로 흡수율이
적기 때문에 슬럼프 손실도 적은 것으로 분석되며, 실용화를 위해서는 슬럼프 손실을 줄여야 하므로, 지연제 사용이나 배합수량 증가 등의 대책이 필요할
것으로 판단된다.
3.1.3 공기량
Fig. 4는 골재 종류와 w/b 변화에 따른 공기량을 나타낸 것이다. 천연골재에서는 AE제를 사용하였으나, 경량골재 계열은 AE제를 사용하지 않아도 공기량이
발현되었다.
Fig. 4. Air content of concrete
기건 경량골재 계열은 공기량이 3.8 %에서 4.8 %로 측정되어 w/b 변화에 따라 결합재와 경량골재 사용량이 달랐으나, 공기량의 뚜렷한 경향은
없었다. 다만, w/b가 증가함에 따라 경량골재가 많아져 내부공극도 증가하므로, 공기량이 증가하는 경향이었다. 60분 후에는 2.6 %에서 3.8
%로 측정되어 배합 직후보다 최대 1.2 %가 손실되었으나, 배합 직후에 적은 값으로 측정됨에 따라 그 손실량도 많지 않았다.
절건 경량골재 계열의 공기량은 3.6 %에서 4.7 %로 측정되어 기건 경량골재 계열과 유사하였다. w/b 변화에 따른 뚜렷한 변화도 나타나지 않아,
결합재나 경량골재 사용량에 따른 공기량의 특별한 경향은 없었다. 60분 후에는 공기량이 2.6 %에서 3.7 %로 측정되었으며, w/b 0.45 배합이
2.0 %로 손실이 가장 크게 나타났다.
천연골재 계열은 공기량이 4.3 %에서 6.7 %로 측정되어 경량골재 계열보다 높았다. w/b 0.45 배합이 가장 적은 값이었으며, w/b가 증가함에
따라 공기량도 비례하였다. 60분 후에는 약 1.5 %에서 2.5 %가 손실되어 2.8 %에서 4.3 %의 범위로 나타났다. 전체적으로 배합 직후에는
골재 종류별로 측정범위가 달랐으나, 60분 후에는 공기량이 손실됨에 따라 골재 종류와 관계없이 유사하였다.
3.1.4 단위용적질량
Fig. 5는 굳지 않은 콘크리트에서의 단위용적질량을 나타낸 것이다. 천연골재의 밀도가 크기 때문에 단위용적질량이 가장 컸으며, 절건 경량골재의 밀도는 기건
경량골재보다 낮아, 이를 사용한 계열이 가장 적었다.
Fig. 5. Unit weight of fresh concrete
배합 직후에 기건 경량골재 계열은 1,842 $kg/m^3$에서 1,981 $kg/m^3$, 절건 경량골재 계열은 1,778 $kg/m^3$에서 1,830
$kg/m^3$, 그리고 천연골재 계열은 2,228 $kg/m^3$에서 2,297 $kg/m^3$로 측정되었다. 전체적으로 결합재가 많은 w/b 0.45
배합이 높았으며, w/b가 증가할수록 결합재가 감소하고, 밀도가 낮은 경량골재가 증가하므로, 단위용적질량도 감소하는 경향이었다.
60분 경과 후에는 기건 경량골재 계열은 1,863 $kg/m^3$에서 1,902 $kg/m^3$, 절건 경량골재 계열이 1,810 $kg/m^3$에서
1,848 $kg/m^3$, 천연골재 계열은 2,280 $kg/m^3$에서 2,327 $kg/m^3$로 측정되었다. 전체적으로 배합 직후보다 소폭
증가하였는데, 공기량 손실에 따라 부피가 증가하여 상대적으로 단위용적질량도 증가한 결과로 나타났다. 60분 후에도 공기량 손실에 따른 증가 폭은 크지
않았으며, 배합 직후와 동일하게 절건 경량골재, 기건 경량골재, 그리고 천연골재를 사용한 콘크리트 계열 순서로 크게 측정되었다.
3.2 굳은 콘크리트 특성
Table 5는 굳은 콘크리트에서 재령과 시험 항목별 측정결과를 나타낸 것이다.
Table 5. Properties of hardened concrete
|
Mix.
|
Strength (MPa)
|
Elastic modulus
(GPa)
|
Unit weight
($kg/m^3$)
|
|
Compressive
|
Flex.
|
|
3d.
|
7d.
|
28d.
|
91d.
|
91d.
|
3d.
|
7d.
|
28d.
|
91d.
|
|
a45
|
22.7
|
28.5
|
37.5
|
43.3
|
3.21
|
14.4
|
15.2
|
17.7
|
19.7
|
1,904
|
|
a50
|
18.1
|
25.7
|
33.4
|
40.2
|
2.90
|
13.1
|
14.8
|
16.7
|
19.3
|
1,887
|
|
a55
|
14.0
|
20.5
|
28.2
|
37.2
|
2.93
|
12.5
|
13.6
|
15.8
|
17.6
|
1,872
|
|
a60
|
11.5
|
17.4
|
27.1
|
33.9
|
2.84
|
11.5
|
13.4
|
15.4
|
17.8
|
1,887
|
|
a65
|
9.53
|
13.8
|
22.5
|
31.1
|
2.97
|
11.0
|
12.8
|
14.6
|
17.8
|
1,875
|
|
o45
|
27.0
|
32.3
|
39.5
|
47.6
|
5.43
|
15.4
|
17.0
|
18.6
|
20.9
|
1,825
|
|
o50
|
23.3
|
30.7
|
36.4
|
42.2
|
4.97
|
15.1
|
16.7
|
17.4
|
20.9
|
1,811
|
|
o55
|
20.6
|
27.8
|
35.5
|
42.1
|
4.23
|
13.4
|
15.5
|
17.3
|
19.8
|
1,820
|
|
o60
|
17.5
|
25.4
|
31.5
|
38.8
|
4.20
|
13.3
|
15.0
|
16.2
|
18.9
|
1,803
|
|
o65
|
14.7
|
22.1
|
28.1
|
36.9
|
3.65
|
12.5
|
14.8
|
15.9
|
18.3
|
1,790
|
|
n45
|
19.0
|
24.4
|
36.3
|
44.0
|
6.86
|
17.1
|
19.5
|
23.8
|
27.6
|
2,334
|
|
n50
|
15.7
|
20.7
|
31.9
|
40.8
|
5.76
|
16.1
|
19.5
|
23.2
|
26.2
|
2,314
|
|
n55
|
12.6
|
17.1
|
28.3
|
35.9
|
4.62
|
15.5
|
18.1
|
21.2
|
24.5
|
2,301
|
|
n60
|
10.4
|
14.0
|
24.0
|
30.6
|
4.13
|
14.0
|
17.1
|
19.6
|
24.5
|
2,286
|
|
n65
|
8.76
|
12.0
|
21.9
|
28.2
|
3.38
|
13.9
|
16.6
|
20.5
|
23.7
|
2,280
|
3.2.1 단위용적질량
Fig. 6. Unit weight content of hardened concrete
Fig. 6은 재령 28일에서 측정한 단위용적질량을 나타낸 것이다. 굳지 않은 상태에서의 결과와 유사하게 기건 경량골재 계열은 1,872 $kg/m^3$에서
1,904 $kg/m^3$로 측정되었으며, 절건 경량골재 계열은 1,790 $kg/m^3$에서 1,825 $kg/m^3$, 그리고 천연골재 계열은
2,280 $kg/m^3$에서 2,334 $kg/m^3$로 측정되었다.
천연골재 계열은 w/b가 증가함에 따라 결합재가 감소하여 단위용적질량도 감소하는 경향이었으나, 경량골재를 사용한 계열은 뚜렷한 경향없이 w/b 0.45와
0.65 배합의 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. 이러한 원인은 질량 측정 시 시험체의 함수량에 따라 단위용적질량의 차이가 발생한 것으로 판단된다.
3.2.2 압축강도
Fig. 7은 압축강도를 계열별로 도시한 것이다. 실험계획에서 w/b에 따라 배합을 구성하였기 때문에 골재 종류와 관계없이 w/b가 변화하면서 압축강도도 뚜렷하였다.
특히 플라이애시를 결합재의 일부로 사용하면서 재령 91일까지도 압축강도가 지속해서 발현한 것으로 판단된다.
Fig. 7. Compressive strength of concrete
재령 28일에서 기건 경량골재를 사용한 계열의 압축강도는 22.5 MPa에서 37.5 MPa로 측정되었으며, 절건 경량골재 계열은 28.1 MPa에서
39.5 MPa, 그리고 천연골재 계열의 압축강도가 21.9 MPa에서 36.3 MPa로 측정됨에 따라 절건 경량골재 계열의 압축강도가 가장 컸고,
다음으로 기건 경량골재, 그리고 천연골재 계열의 압축강도가 가장 적은 값으로 나타났다.
모든 재령에서 절건 경량골재를 사용한 콘크리트의 압축강도가 가장 큰 값이었고, 다음으로 기건 경량골재, 그리고 천연골재 계열의 압축강도가 가장 적었으며,
천연골재 계열은 경량골재 계열보다 w/b의 변화에 따라 측정범위가 넓게 분포되었다.
이러한 결과가 나타난 것은 앞선 유동성 결과와 유사한 특성으로 골재의 함수상태와 종류에 따라 흡수율이 다른 것이 그 원인이 있는 것으로 판단된다.
콘크리트의 배합수량은 동일하였으나, 흡수율이 높은 경량골재가 가장 많은 배합수를 흡수함에 따라 전체적으로 콘크리트 배합의 w/b가 낮아지는 효과가
나타나, 압축강도도 크게 측정된 것으로 분석된다.
특히 함수율이 다른 경량골재의 흡수율은 동일하지만, 기건 경량골재는 골재의 함수율이 약 12 % 정도로 골재의 흡수율(15.5 %)보다는 낮기 때문에
흡수율만큼의 배합수를 더욱 흡수하였으므로, 절건 경량골재보다는 적지만 w/b 감소 효과가 나타났다. 또한 천연골재 계열은 골재의 흡수율이 경량골재보다
낮으므로, w/b의 감소 효과가 나타나지 않아, 재령별로 측정한 압축강도도 경량골재 계열보다 적은 값으로 발현한 것으로 판단된다.
3.2.3 휨강도
Fig. 8은 골재 종류와 w/b에 따른 재령 91일에서의 휨강도를 나타낸 것이다.
Fig. 8. Flexural strength of concrete
휨강도는 압축강도에 비해 적은 값이기 때문에 장기 재령에서만 측정하였다. 휨강도는 압축강도와는 다른 결과를 나타냈으며, 기건 경량골재 계열은 w/b와
관계없이 일정한 값으로 나타난 반면에 천연골재를 사용한 계열이 가장 큰 값이었다. 다음으로 절건 경량골재 계열이 큰 값으로 측정되었으나, w/b가
증가할수록 휨강도 감소 폭이 둔화하여 w/b 0.60과 0.65 배합은 천연골재 계열보다 큰 값으로 나타났다.
기건 경량골재 계열의 휨강도는 2.84 MPa에서 3.21 MPa로 측정되었으며, w/b 0.45가 3.21 MPa로 가장 큰 값이었으나, 그 외
배합은 w/b와는 뚜렷한 특성이 나타나지 않았다. 절건 경량골재 계열은 3.65 MPa에서 5.43 MPa로, w/b가 증가함에 따라 휨강도가 점진적으로
감소하여 압축강도 특성과 동일하였다. 천연골재 계열의 휨강도는 3.38 MPa에서 6.86 MPa로 측정되어 경량골재 계열보다 큰 값으로 측정되었으며,
w/b가 높은 0.60, 0.65 배합의 휨강도는 절건 경량골재보다 적은 값이었다.
압축강도와 달리 천연골재 계열의 휨강도가 크게 나타난 것은 골재의 형상과 관련이 있는 것으로, 경량골재는 구형인 것에 비하여 천연골재는 암석을 파쇄하였기
때문에 대부분 각진 형태이고, 일부는 길거나 평평한 형태의 다양한 골재가 혼합되어 있어 상대적으로 휨 하중에 대한 저항성이 크므로, 휨강도가 천연골재
계열에서 가장 큰 값으로 측정된 것으로 판단된다.
3.2.4 탄성계수
Fig. 9는 골재 종류와 재령에 따른 콘크리트의 탄성계수를 나타낸 것이다. 압축강도와 동일하게 재령 경과에 따라 비례하였고, 경량골재 계열의 탄성계수 증진
폭은 크지 않았으나, 천연골재 계열은 경량골재 계열과는 달리 재령에 비례하여 지속적으로 증가하였다.
Fig. 9. Elastic modulus of concrete
기건 경량골재 계열의 탄성계수는 재령 28일에 14.6 GPa에서 17.7 GPa, 평균 16.0 GPa로 측정되었으며, 재령 3일과 7일, 그리고
91일에는 각각 재령 28일의 약 77.9 %, 87.1 %, 그리고 115 % 수준으로 발현하였다. 압축강도에 비하여 재령 경과에 따른 탄성계수
증진 폭은 크지 않았다. 절건 경량골재 계열은 재령 28일 평균 17.1 GPa로, 측정범위는 15.9 GPa에서 18.6 GPa로 나타나, 압축강도와
동일하게 기건 경량골재 계열보다는 큰 값이었다. 또한 재령 3, 7, 91일에는 28일을 기준으로 각각 81.6, 92.5, 116 %로 산정되어
기건 경량골재보다 증진 폭은 감소하였다.
천연골재 계열의 탄성계수는 재령 28일에 19.6 GPa에서 23.8 GPa로 측정되었으며, 평균 21.7 GPa로 산정되었다. 천연골재 계열은 경량골재
계열보다 평균 4.6 GPa에서 5.7 GPa가 높았으며, 압축강도에 비하여 큰 값이었다. 재령 3, 7, 91일에서는 28일을 기준으로 각각 70.7,
83.9, 117 %의 발현율을 나타내어 초기재령에는 경량골재 계열보다 발현율이 낮았으나, 재령 91일에는 유사하였다.
이러한 결과가 나타난 것은 골재 종류에 따른 특성으로 분석되며, 천연골재 자체의 탄성계수가 경량골재보다 크므로 이를 사용한 콘크리트의 탄성계수도 천연골재
계열이 가장 큰 것으로 판단된다. 반면에 천연골재 자체의 강도가 경량골재보다는 크지만, 흡수율의 차이로 경량골재 계열의 w/b가 전체적으로 천연골재
계열보다 낮아지면서 압축강도도 천연골재 계열이 가장 적은 값으로 측정된 것으로 분석된다.
Fig. 10. Compressive strength & elastic modulus
Fig. 10은 압축강도와 탄성계수의 관계를 나타낸 것으로 앞선 설명과 동일하게 압축강도와 탄성계수는 서로 비례관계로 나타났다. 경량골재 계열에서는 기건 경량골재와
절건 경량골재의 압축강도와 탄성계수가 유사한 값으로 측정되어 큰 차이는 없었으나, 천연골재를 사용한 계열의 압축강도는 경량골재 계열과 유사한 반면에,
탄성계수가 경량골재 계열보다 큰 값으로 측정되어 경량골재 계열과는 차이가 발생하였다.
이와 같이, 경량골재 함수상태와 천연골재를 사용한 콘크리트의 압축강도와 탄성계수를 도시하여 산정한 추세선의 결정계수(R2)는 기건 경량골재, 절건
경량골재, 그리고 천연골재 계열의 순서로 각각 0.9673, 0.9660, 0.9306의 값으로 산정되었다. 경량골재 계열의 데이터 분포보다 천연골재
계열은 분포 범위가 넓게 나타나, 2가지 인자 사이의 결정계수도 다소 적은 값이었다.