1. 서 론

최근 전 세계적으로 기후변화의 위험을 줄이기 위해 온실가스를 저감시키고자 하는 다양한 정책 및 각종 산업 분야에서의 기술 개발이 이루어지고 있다. 한편, 건설 산업에서 널리 사용되고 있는 콘크리트는 높은 압축강도와 내구성, 구조물의 다양한 형상 구현이 가능한 장점을 가지고 있다. 그러나 콘크리트를 구성하는 가장 주요한 재료인 시멘트의 최근 10년 간 평균 생산량은 50.4백만 톤^{(KCA 2024)}으로, 시멘트 1톤 당 900 kg의 CO₂가 발생^{(Benhelal et al. 2013)}함을 고려한다면 연간 약 45백만 톤의 CO₂가 발생한 것으로 추정된다.

이에 콘크리트 제조 시 시멘트 사용량을 줄이기 위한 노력의 일환으로 산업부산물인 고로슬래그 미분말(ground granulated blast furnace slag, GGBFS) 또는 플라이 애시(fly ash, FA) 등의 혼화재를 사용한 혼합시멘트의 사용이 증가되고 있다. 특히 고로슬래그 또는 플라이 애시를 활용한 콘크리트의 경우 장기강도가 우수하고, 수밀성 및 내구성이 우수한 것으로 알려져 있다. 한편, 고로슬래그 또는 플라이 애시는 시멘트에 비해 반응속도가 낮기 때문에 콘크리트의 초기강도가 낮아지는 단점을 가지고 있지만, 이처럼 낮은 반응속도로 인해 콘크리트의 초기 수화열을 저감시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 댐, 교각, 지하철 등의 대형 콘크리트 공사에 활용한다면, 수화열에 의한 콘크리트의 온도상승에 따라 수반되는 온도응력으로 인해 발생하는 구조물의 균열^{(Bofang 2013)}을 저감시키는 데에 충분히 활용이 가능하다.

한편, 콘크리트의 수화온도를 저감시키고자 하는 배합설계 시 적정성을 검토하여 콘크리트 내부의 온도 변화를 해석하기 위해서는, 단열온도상승 시험을 통해 최종단열온도상승량 및 온도상승속도를 평가하는 것이 매우 중요하다. 이에 매스 콘크리트에 관한 표준시방서(KCS 14 20 42)^{(KCI 2022)}에서는 콘크리트 타설이 끝난 후 콘크리트 내부의 온도 변화를 해석하기 위한 기본 자료로써, 재령에 따른 콘크리트의 단열온도상승 특성을 계산할 수 있는 식을 제시하고 있다. 또한, 계산이나 기존의 자료에 의해 단열온도상승 특성을 추정할 경우 시멘트의 종류, 단위 시멘트량 및 타설온도에 따른 회귀식 및 표준값을 제시하고 있다. 현재 KS에 따르면, 플라이 애시 시멘트에는 5~30 %의 플라이 애시 함유량(KS L 5211)^{(KATS 2019a)}, 고로슬래그 시멘트에는 5~70 %의 고로슬래그 함유율(KS L 5210)^{(KATS 2017)} 범위가 제시되어 있으며, 건설 현장에 따라 다양한 함유량을 사용할 수 있다. 그러나 현재 매스 콘크리트에 관한 표준시방서에서 제공하고 있는 표준값은 고로슬래그 시멘트는 슬래그 40 %, 플라이 애시 시멘트는 플라이 애시 20 %의 혼입률만이 고려되어 있어, 건설현장에서 활용되는 매스 콘크리트에 사용되는 산업부산물의 종류 별 다양한 혼입률에 따른 단열온도상승 특성 예측에 어려움을 겪고 있다. 현재는 건설 현장 별로 다양한 혼입률의 산업부산물을 활용한 매스 콘크리트의 수화열 해석 및 변수 설정을 위해 상대적으로 고비용의 단열온도상승 시험을 필수적으로 수행하고 있으나, 단열온도상승 시험에 사용되는 산업부산물의 물리화학적 특성 및 시험방법 등이 상이하여 수화열 해석을 위한 변수를 표준화하기 어렵다.

이에 본 연구에서는 고로슬래그 또는 플라이 애시를 활용한 콘크리트의 단열온도상승 특성을 예측하기 위해 필요한 회귀식의 변수를 제안하기 위한 연구의 일환으로, 매스 콘크리트에 관한 표준시방서에서 제시하고 있는 슬래그 40 %, 플라이 애시 시멘트는 플라이 애시 20 %의 혼입률 외에 각 산업부산물에 관한 KS 내의 다양한 혼입률을 변수로 한 단열온도상승 시험을 계획하였다. 또한, 시험 결과 도출된 단열온도상승 곡선에 대한 회귀분석을 수행하여 매스 콘크리트의 수화열 해석에 필요한 변수를 도출함으로써, 향후 고로슬래그 또는 플라이 애시 시멘트를 활용한 콘크리트의 수화열 해석에 대한 변수의 표준화를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 콘크리트의 단열온도상승 시험

2.3 실험 방법

콘크리트의 단열온도상승 특성을 평가하기 위하여 Fig. 1에 나타난 바와 같이 실험을 수행하였다. 콘크리트의 단열온도 측정 시험 시 콘크리트 타설온도는 20 °C로 모든 콘크리트 배합에 대해 동일하게 계획하였으며, 수화열에 의한 온도 상승이 거의 발생하지 않아 온도 곡선이 거의 수평으로 안정화되는 시기인 7일째 측정을 종료하였다. 또한, 시험용기의 용적에 따른 단열온도상승 특성에 관한 연구인 ^{Lee et al. (2014)} 및 ^{Lim et al. (2016)}의 연구결과에 따르면, 시험 결과를 바탕으로 소형 용기 실험의 온도 손실을 보상하기 위해 제안된 상관관계를 단열 시험 용기 부피에 따라 적용하면 6L 및 30L 시편의 결과를 바탕으로 50L 시편의 단열 온도 상승을 예측할 수 있는 것으로 보고하고 있다. 또한, 콘크리트표준시방서 해설^{(KCI 2010)}에서도 50리터 미만의 용적을 갖는 시험체는 용적이 작아질수록 최대 온도 상승량이 낮아지는 점을 제시하였다. 이에 본 연구에서는 용적에 따른 단열 온도 손실이 발생하지 않도록 64리터 용적의 콘크리트 용기를 사용하여 실험하였다. 또한 KS F 2403^{(KCI 2019b)}에 준하여 콘크리트의 강도시험용 공시체를 제작하였으며, 타설 1일 후 20±2 °C의 조건에서 수중 양생하였다. 재령 28일 및 91일에 KS F 2405^{(KATS 2022)}에 준하여 콘크리트의 압축강도를 각각 측정하였다.

Fig. 1 Test setup for adiabatic temperature rise

3. 실험 결과 및 분석

3.1 압축강도 발현 특성

Fig. 2에 고로슬래그 또는 플라이 애시 등 산업부산물의 종류 및 시멘트 치환율, 단위 시멘트량을 주요 변수로 하여 실시한 콘크리트의 28일 및 91일 압축강도를 비교하여 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 28일 압축강도를 보통 콘크리트인 경우와 비교하였을 때, 고로슬래그를 치환한 경우 6~38 %, 플라이 애시를 치환한 경우 15~46 % 낮게 나타났다. 특히 단위 시멘트량이 작은 경우에 보통 콘크리트에 비해 낮은 압축강도 발현 특성을 보였다. 한편, 91일 압축강도를 보통 콘크리트인 경우와 비교하였을 때, 고로슬래그를 치환한 경우 3~14 %, 플라이 애시를 치환한 경우 8~29 % 낮게 나타나 장기강도 발현 효과를 확인할 수 있었다. 그러나 플라이 애시를 35 % 치환한 경우, 단위 시멘트량이 590 kg/m³인 경우를 제외하고 보통 콘크리트 대비 80 % 미만의 91일 압축강도 특성을 보여 장기강도 발현성능이 저하됨에 따라 현행 KS에서의 최대 허용범위인 30 %가 적절한 것으로 판단되었다. 한편, 본 연구에서 사용한 플라이 애시 또는 고로슬래그 미분말을 사용한 경우, 단위시멘트량이 590 kg/m³인 경우에서만 KS에서 요구하는 28일 압축강도 기준인 플라이 애시 2종 37.5 MPa 이상, 고로슬래그 3종 40.0 MPa 이상을 만족하여 현장 적용 시 품질 확보를 위해서 다소 높은 단위시멘트량이 요구되는 것으로 나타났다.

Fig. 2 Time-dependent compressive strength development of concrete

3.2 단열온도상승 특성

Fig. 3에 고로슬래그 또는 플라이 애시 등 산업부산물의 종류 및 시멘트 치환율, 단위 시멘트량을 주요 변수로 하여 실시한 콘크리트의 단열온도상승 시험 결과를 나타내었다. Fig. 3에 나타난 바와 같이 단위 시멘트량에 비례하여 콘크리트의 최종단열온도상승량이 증가하는 것으로 나타났다. 고로슬래그 또는 플라이 애시 등 산업부산물의 종류 및 시멘트 치환율에 대한 최종단열온도상승량을 보통 콘크리트인 경우와 비교하였을 때, 고로슬래그를 치환한 경우[Fig. 3(a), (c), (e)] 21~46 %, 플라이 애시를 치환한 경우[Fig. 3(b), (d), (f)] 7~27 % 낮게 나타났다. 특히 단위 시멘트량이 작아질수록 보통 콘크리트에 비해 낮은 최종단열온도상승량을 보였다.

한편, 고로슬래그를 치환한 콘크리트의 단열온도상승속도는 플라이 애시를 치환한 콘크리트에 비해 다소 낮게 나타났으며, 치환율이 증가할수록 단열온도상승속도가 낮아지는 특성은 고로슬래그와 플라이 애시를 치환한 경우에서 모두 유사한 경향을 나타내었다. 이에 본 연구에서는 고로슬래그 또는 플라이 애시 치환율에 따른 단열온도상승속도를 정량적으로 평가하기 위하여 매스 콘크리트에 관한 표준시방서(KCS 14 20 42)에서 제시하고 있는 식(1)을 근거로 하여 실험결과를 분석하였으며, 이를 정리하여 Table 3에 나타내었다.

(1)

$Q(t)=Q_{\infty}(1-e^{-rt})$

여기서, $Q(t)$는 재령 $t$일에서의 단열온도상승량(℃), $Q_{\infty}$는 최종단열온도상승량(℃)으로서 시험에 의해 정해지는 계수, $r$은 온도상승속도로서 시험에 의해 정해지는 계수이다.

Table 3에서 $a$ 및 $b$는 식(1)의 $Q_{\infty}$, $g$ 및 $h$는 식 (1)의 $r$을 각각 산정하기 위한 변수로써, 단열온도상승 시험 결과에 대해 1차 선형 회귀분석을 수행하여 도출하였다. 고로슬래그 또는 플라이 애시를 치환하지 않은 OPC 배합에서는 매스 콘크리트에 관한 표준시방서^{(KCI 2022)}에서 제시하고 있는 표준값을 활용한 예측 결과를 단열온도상승 시험 결과와 비교하였을 때, 최종단열온도상승량($Q_{\infty}$)의 경우 4~9 %, 단열온도상승속도($r$)의 경우 10~17 %의 차이를 나타내어 수화열 해석을 위한 변수 설정 근거 자료로써 적절한 것으로 판단되었다.

Fig. 3 Time-dependent adiabatic temperature rise of concrete

Table 3 Adiabatic test results and standard values of regression Equation based on KCS 14 20 42

Mix.	Unit cement $C$	$Q(C)_{pred.}=a C+b$			$Q_{\infty}(C)_{test}$	$\dfrac{Q(C)_{test}}{Q(C)_{pred.}}$	$r(C)_{pred.}=g C+h$			$r(C)_{test}$	$\dfrac{r(C)_{test}}{r(C)_{pred.}}$
		$a$	$b$	$Q_{\infty}(C)_{pred.}$			$g$	$h$	$r(C)_{pred.}$
L-OPC	320	0.110	13.0	48.2	52.3	1.09	0.0038	-0.036	1.18	1.35	1.14
L-S50	320	0.056	24.4	42.4	41.0	1.08	0.0030	-0.140	0.83	0.77	1.17
L-S60	320	0.055	18.5	36.2	35.7	0.96	0.0025	-0.070	0.73	0.74	0.90
L-S70	320	0.054	11.3	28.6	28.3	0.97	0.0021	0.025	0.71	0.71	0.93
L-F15	320	0.090	17.1	46.1	45.2	1.04	0.0019	0.324	0.94	0.97	1.08
L-F25	320	0.086	14.6	42.2	41.0	0.99	0.0021	0.124	0.80	0.84	0.98
L-F35	320	0.082	12.1	38.4	37.6	0.99	0.0025	-0.122	0.67	0.69	1.02
M-OPC	402	0.110	13.0	57.2	62.0	1.02	0.0038	-0.036	1.49	1.75	1.04
M-S50	402	0.056	24.4	47.0	49.0	1.00	0.0030	-0.140	1.08	1.16	1.08
M-S60	402	0.055	18.5	40.7	41.4	0.99	0.0025	-0.070	0.93	0.97	1.00
M-S70	402	0.054	11.3	33.1	33.8	1.02	0.0021	0.025	0.89	0.89	1.00
M-F15	402	0.090	17.1	53.5	55.0	1.00	0.0019	0.324	1.10	1.05	1.00
M-F25	402	0.086	14.6	49.3	50.9	0.98	0.0021	0.124	0.98	0.92	1.03
M-F35	402	0.082	12.1	45.1	47.4	1.03	0.0025	-0.122	0.88	0.85	0.96
H-OPC	590	0.110	13.0	77.9	74.8	0.99	0.0038	-0.036	2.21	1.98	1.01
H-S50	590	0.056	24.4	57.6	56.9	0.97	0.0030	-0.140	1.65	1.62	1.05
H-S60	590	0.055	18.5	51.1	51.3	1.03	0.0025	-0.070	1.40	1.52	0.94
H-S70	590	0.054	11.3	43.3	43.1	0.98	0.0021	0.025	1.29	1.29	1.01
H-F15	590	0.090	17.1	70.5	69.8	0.98	0.0019	0.324	1.46	1.47	1.03
H-F25	590	0.086	14.6	65.5	64.5	1.05	0.0021	0.124	1.37	1.39	0.97
H-F35	590	0.082	12.1	60.5	57.4	0.95	0.0025	-0.122	1.34	1.35	1.01

4. 단열온도상승 회귀식의 변수 제안

Fig. 4는 본 연구에서 수행한 단열온도상승 시험의 결과 중 $Q_{\infty}$와 $r$을 산정하기 위한 변수인 $a$, $b$, $g$ 및 $h$에 미치는 고로슬래그 또는 플라이 애시 치환율의 영향을 종류 별로 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 $a$, $b$, $g$ 및 $h$ 등의 변수와 고로슬래그 또는 플라이 애시의 치환율과의 관계는 선형 방정식으로 표현이 가능한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구의 단열온도상승 시험 결과를 활용한 회귀분석을 통해 산출된 $a$, $b$, $g$ 및 $h$ 등에 대해 고로슬래그 또는 플라이 애시의 치환율을 변수로 하여 회귀분석을 수행한 결과, 다음과 같이 식 (2)~(5)를 도출하였다.

Fig. 4 Relationship between replacement ratio and variables of the adiabatic temperature rise regression equation

여기서, $R$은 고로슬래그 또는 플라이 애시 치환율이다.

본 연구 및 매스 콘크리트에 관한 표준시방서^{(KCI 2022)}에서 제시하고 있는 고로슬래그 또는 플라이 애시 치환율에 관한 $a$, $b$, $g$ 및 $h$ 등의 변수값에 대해 식 (2)~(5)를 활용하여 제안하고자 하였으며, 이를 정리하여 Table 4에 나타내었다. Table 4의 변수값 중 매스 콘크리트에 관한 표준시방서에서 제공하고 있는 고로슬래그 40 %, 플라이 애시 20 %의 혼입률에 대한 변수값에 대해서도, 본 연구의 휘귀분석을 통해 새로 제안하였으며, 이를 이용한 예측값을 실험값과 비교하여 Table 5에 나타내었다.

5. 결 론

본 연구에서는 고로슬래그 또는 플라이 애시를 활용한 콘크리트의 단열온도상승 시험을 수행하고 이에 대한 특성을 예측하기 위해 필요한 회귀식의 변수를 제안하고자 하였으며, 이를 통해 도출된 결론을 요약하면 다음과 같다.

1) 28일 압축강도를 보통 콘크리트인 경우와 비교하였을 때, 고로슬래그 또는 플라이 애시를 치환한 경우 낮게 나타났으며, 특히 단위 시멘트량이 작을수록 상대적으로 낮은 압축강도 발현 특성을 보였다.

2) 고로슬래그 또는 플라이 애시를 치환한 콘크리트의 91일 압축강도를 측정한 결과, 장기강도 발현 효과를 확인할 수 있었다. 그러나 현행 KS에서 제시하는 플라이 애시 치환율 30 %를 초과하는 경우에는 보통 콘크리트 대비 80 % 미만의 91일 압축강도가 발현되었다. 또한 단위시멘트량이 590 kg/m³인 경우에서만 KS에서 고로슬래그 미분말 시멘트와 플라이 애시 시멘트에 관해 요구하는 28일 압축강도 기준을 만족하는 것으로 나타나, 현장에서의 품질 확보를 위해 높은 단위시멘트량이 필요한 것으로 나타났다.

3) 고로슬래그 또는 플라이 애시 등 산업부산물의 종류에 따른 영향을 비교한 결과, 고로슬래그를 치환한 경우가 플라이 애시를 치환한 경우보다 최종단열온도상승량 및 단열온도상승속도가 모두 낮게 나타났다.

4) 고로슬래그 또는 플라이 애시 치환율에 따른 단열온도상승속도를 정량적으로 평가하기 위하여 매스 콘크리트에 관한 표준시방서(KCS 14 20 42)에서 제시하고 있는 식 (1)을 근거로 하여 실험결과를 회귀분석하였으며, 이에 관련된 회귀식의 변수를 도출하였다.

5) $Q_{\infty}$와 $r$을 산정하기 위한 변수에 미치는 고로슬래그 또는 플라이 애시 치환율의 영향을 분석한 결과, $a$, $b$, $g$ 및 $h$ 등의 변수와 고로슬래그 또는 플라이 애시의 치환율과의 관계는 선형 방정식으로 표현이 가능한 것으로 나타났다.

6) 산업부산물의 품질은 특히 플라이 애시의 경우, 연료 종류와 연소 조건 등 생산 공정에 따라 달라지므로, 본 연구에서 제시한 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시의 혼입률에 따른 단열온도상승량에 관한 변수는 본 연구의 혼화재 종류 및 물리화학적 특성의 범위 내에서만 적용이 가능하다. 산업부산물은 산지별로 다양한 종류 및 물리화학적 특성을 나타내므로, 이를 변수로 한 혼입률별 수화거동 특성에 관한 연구가 향후 요구된다.