Review of Ultrasonic Pulse Methods for Evaluation of Mechanical Properties of Concrete with Different Percentages of Non-sintered Hwangto at High Temperature

태형 김; 원창 김; 기신 정; 규용 김; 태규 이

doi:10.7731/KIFSE.498c4224

요 약

본 연구에서는 비소성 황토가 콘크리트의 고온 잔존 역학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 시험체는 보통 콘크리트와 비소성 황토를 15%, 30% 혼입한 황토 콘크리트로 분류하였으며 W/B는 0.33으로 설정하였다. 분석 항목은 100, 200, 300, 500, 700 °C로 가열된 시험체의 단위 중량, 압축강도, 초음파 속도이며 추가로 초음파 속도와 잔존 압축강도의 상관관계를 분석하였다. 분석 결과, 비소성 황토의 혼입율이 높을수록 보통 콘크리트에 비해 고온에서의 질량 손실률이 낮고, 잔존 압축강도가 높은 결과를 확인했으며 초음파 속도의 경우 300 °C 이상의 고온 영역에서 NC 시험체와 유사하거나 소폭 높은 잔존 초음파 속도를 나타내는 것을 확인하였다. 상관관계 분석 결과 보통 콘크리트 대비 비소성 황토 혼입 콘크리트 시험체는 약 10.0%의 차이를 나타냈다.

ABSTRACT

In this study, the effect of non-sintered hwangto on the high-temperature residual mechanical properties of concrete is analyzed. The specimens are classified as NC and HT, which are mixed with 15% and 30% non-sintered hwangto, respectively, and the W/B is set 0.33. The unit weight, compressive strength, and ultrasonic pulse velocity of the specimens heated at room temperature and at 100 °C, 200 °C, 300 °C, 500 °C, and 700 °C are analyzed, and the correlation between ultrasonic pulse velocity and residual compressive strength is analyzed. The analysis result shows that the higher the mixing ratio of non-sintered hwangto, the lower is the mass loss rate at high temperature and the higher is the residual compressive strength of HT compared with those of NC. Meanwhile, the ultrasonic pulse velocity of HT is similar to or slightly higher than those of NC in areas with high temperatures of 300 °C or beyond. Results of correlation analysis shows a difference of approximately 10.0% between the NC and the HT specimens.

KeyWords: Non-sintered Hwangto, Concrete, Compressive strength, Ultrasonic pulse velocity, High temperature

1. 서 론

콘크리트는 높은 내화성능과 내구성 및 저렴한 비용 등 다양한 장점으로 건설산업 전반에 널리 사용되며 불에 타지 않는 불연재로 알려져 있다. 하지만 화재가 발생한 콘크리트 구조물은 장시간 고온에 노출되며 강도가 많이 감소(1-4)할 뿐 아니라 급격하게 온도가 상승하는 경우 콘크리트 내부의 자유수가 높은 압력을 받아 폭발하는 폭렬 현상까지 발생하여 추후에 적절한 보수가 이루어지지 않으면 붕괴할 위험이 있다(5-8). 그러므로 화재가 발생한 구조물에 적절하게 보수하기 위해 잔존 역학적 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다. 초음파 속도는 콘크리트의 역학적 특성을 측정하는 비파괴 공법 중 하나로 다수의 연구가 진행되고 있으나, 강도와 초음파 속도의 관계가 선형적이지 않아 여러 요인에 따라 그 값이 달라지기 때문에 다른 재료를 사용하면 새로운 보정이 필요하다(9,10).

한편 시멘트 대체물질 중 하나인 황토는 친환경 재료로 국내 매장량이 풍부할 뿐 아니라 전국에 분포되어 수급이 원활하다. 황토의 포졸란 반응은 소성 과정을 통해 활성화되는 것으로 보고 되었으며 기존에 수행된 연구에 따르면 활성 황토를 혼입한 콘크리트는 초기 재령에서 강도 확보가 가능하며(11), 구조물에 요구되는 압축강도(12)를 충족하는 것으로 보고되고 있다. 활성 황토의 경우 소성 과정에서 에너지 소비 등에 의한 CO₂가 발생하기 때문에 비소성 황토에 관한 연구도 일부 진행되고 있다. 비소성 황토의 경우 기존에 수행된 연구(11)에서 강도 발현이 미비하여 소성을 통한 활성이 필요하다 하였지만, 해당 연구는 W/B 0.55의 저강도에서 수행되었으며 혼입율 또한 20%로 고정되어 고강도 영역에서의 물성 연구가 필요하다고 판단된다.

따라서 본 연구에서는 구조물로 사용하기에 앞서 비소성 황토의 고온 역학적 특성을 파악하기 위해 압축강도 측정과 초음파 속도 측정을 통해 고온 역학적 특성을 평가하였으며, 추가적으로 비파괴 공법으로서 초음파 속도의 신뢰성을 확인하고자 잔존 압축강도와 초음파 속도의 상관관계를 분석하였다.

2. 실험 계획 및 방법

2.1 실험 계획

Table 1에 본 연구의 실험 계획을 나타냈다. 바인더의 비율에 따른 고온 역학적 특성의 차이를 분석하기 위해 바인더를 ordinary portland cement (OPC)와 비소성 황토 두 가지로 분류하였으며, 실험의 변수는 Binder II의 비율로, 0%, 15%, 30%이다. 또한 고강도 영역의 비소성 황토 콘크리트의 고온 역학적 특성을 분석하기 위해 W/B는 0.33으로 설정하였으며 바인더를 제외한 굵은 골재와 잔골재, 단위 수량을 동일하게 설정하였다. 평가 항목은 콘크리트의 단위 중량, 압축강도 및 초음파 속도이며 목표 가열온도는 20, 100, 200, 300, 500, 700 °C로 설정하였다.

Table 1

Experimental Program

Classification	Estimation Equation
Specimen Dimension	ø 100 × 200 mm
Type of Binder I	Ordinary Portland Cement (100%, 85%, 70%)
Type of Binder II	Non-sintered Hwangto (0%, 15%, 30%)
W/B	0.33
Curing Conditions	Water, Room Temperature: 20 ± 2 ℃, Humidity: 60 ± 5%
Temperature	20, 100, 200, 300, 500, 700 ℃
Heated Rate	1 °C/min
Temperature Maintain	60 min
Test Items	Compressive Strength (MPa), Ultrasonic Pulse Velocity (km/s)

2.2 사용재료

Table 2에 본 연구에서 사용된 재료와 그 재료의 물리적 특성, Table 3에 시멘트의 화학조성을 나타냈다. 시멘트는 밀도 3.15 g/cm³, 분말도 320 m²/kg의 1종 포틀랜드 시멘트를 혼합하였다. 황토는 국내 C사에서 생산된 밀도 2.50 g/cm³, 분말도 330 m²/kg의 비소성 황토를 혼합하였다. 굵은 골재는 밀도 2.68 g/cm³, 조립도 7.03, 흡수율 0.68%의 화강암 쇄석 골재로, 최대 골재 크기는 20 mm이다. 잔골재는 밀도 2.54 g/cm³, 조립도 2.54, 흡수율 1.6%의 강모래를 혼합하였다. 시험에 사용된 감수제는 폴리카르본산계 고성능 감수제이다.

Table 2

Physical Properties of the Materials

Materials	Properties
Binder	Type Ⅰ Ordinary Portland Cement Density: 3.15 g/cm³, Fineness: 320 m²/kg
Binder	Non-sintered Hwangto Density: 2.50 g/cm³, Fineness: 330 m²/kg
Coarse Aggregate	Crushed Granite Aggregate Density: 2.68 g/cm³, Fineness Modulus: 7.03 Absorption: 0.68%, Maximum Size: 20 mm
Fine Aggregate	River Sand Density: 2.54 g/cm³, Fineness Modulus: 2.54 Absorption: 1.6%
Super plasticizer	Polycarboxylic-based Acid

Table 3

Chemical Properties of Cement

Materials	Chemical Composition (%)								L.O.I
Materials	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	SO₃	K₂O	Others	L.O.I
OPC	60.34	19.82	4.85	3.30	3.83	2.88	1.08	0.86	3.02
NHT	0.93	40.00	32.90	7.79	1.54	-	0.76	16.62	13.70

NHT: Non-sintered Hwangto, L.O.I: Loss of Ignition

2.3 콘크리트 배합

Table 4에 본 연구의 배합을 나타냈다. 비소성 황토가 콘크리트의 압축강도와 초음파 속도에 미치는 영향을 분석하기 위해 시험체를 보통 콘크리트(normal concrete, NC)와 황토 콘크리트(Hwangto concrete, HT)로 분류하였으며, 콘크리트의 W/B는 0.33으로 설정하였다. 또한 골 재량 및 단위 수량을 동일하게 설정하였다.

Table 4

Mix Proportions of the NC and HT

MIX ID	W/B¹⁾	S/a²⁾ (%)	Unit Weight (kg/m³)
MIX ID	W/B¹⁾	S/a²⁾ (%)	W³⁾	C⁴⁾	NHT⁵⁾	S⁶⁾	G⁷⁾
NC33	0.33	43.0	165	500	-	711	762
HT33-15				425	75
HT33-30				350	150

1) Water/Binder Ratio 2) Sand/Aggregate Ratio 3) Water 4) Cement 5) Non-sintere Hwangto 6) Sand 7) Gravel (Coarse Aggregate)

2.4 시험체 제작 및 양생 방법

시험체는 콘크리트의 역학적 특성을 측정하기 위해 KS F 2403에 따라 ø 100 × 200 mm 크기로 제작하였으며, 시험체의 양생은 탈형 후 28일까지 수중양생을 실시하고, 이후 재령 91일까지 항온⋅항습실에서 양생을 실시하였다.

2.5 측정 방법

측정 방법을 Table 5에 나타냈다. Figure 1에 가열곡선을 나타내었다. 고온 시험체는 1 °C/min로 저속으로 가열하였으며, 내⋅외부 온도를 균일하게 유지하기 위해 목표 온도에 도달 후 1 h의 온도 유지구간을 설정하였다. 이후 상온에서 24 h 동안 냉각하였다.

Table 5

Testing of Mechanical Properties

Test Items	Test Method	Heating Temperature
Compressive Strength (MPa)	KS F 2405	100, 200, 300, 500, 700 °C
Ultrasonic Pulse Velocity (km/s)	KS F 2731	100, 200, 300, 500, 700 °C

Figure 1

Heat rate and furnace of the test.

시험체의 압축강도와 초음파 속도는 재령 91일 시험체 3개의 측정값의 평균값을 사용하였으며, 각각의 측정은 KS F 2405와 KS F 2731에 따라 수행되었다.

3. 실험 결과

3.1 가열온도에 따른 시험체의 단위 중량

Figure 2에 가열된 시험체의 평균 단위 중량을 그래프로 나타냈다. 황토의 밀도가 시멘트보다 낮으므로 단위 중량은 NC33 > HT33-15 > HT33-30 순이며 각각의 시험체는 700 °C에서 2,095, 2,098, 2,075 kg/m³의 값을 나타냈다. NC33 시험체는 상온 대비 700 °C에서 약 10.4%의 손실률을 보였으며, HT33-15는 약 8.7%, HT33-30는 약 8.1%의 손실률을 보여 비소성 황토의 혼입율이 높을수록 질량 손실률이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

Figure 2

Unit weight after exposure to high temperature.

3.2 가열온도에 따른 시험체의 압축강도

Figure 3과 Table 6에 시험체의 재령에 따른 압축강도 발현의 추세선과 3개 시험체의 평균 압축강도를 나타냈다. NC 시험체가 전반적으로 HT 시험체에 비해 높은 강도 발현을 보였지만 재령 56일 대비 재령 91일에서 압축강도 증가 비율이 HT 시험체가 더 높게 나타났으며, HT33-15 시험체의 경우, 재령 91일에서 NC33 시험체보다 약 13.4% 큰 압축강도 증가율을 보였다. 비소성 황토의 포졸란은 비활성 포졸란이지만, 분쇄공정에서발생한 열로 인해 포졸란이 일부 활성화되어 장기 강도 발현에 영향을 미친 것으로 보인다(13).

Table 6

Compressive Strength of Specimen

ID	Compressive Strength (MPa)
ID	1D	3D	7D	28D	56D	91D
NC33	16.7	29.6	36.7	43.8	49.3	61.0
HT33-15	14.7	29.2	37.2	42.9	45.9	69.2
HT33-30	10.9	21.9	27.0	33.7	35.3	54.9

Figure 3

Compressive strength by curing days.

Figures 4와 5에 각각 가열된 시험체의 압축강도와 잔존 압축강도를 나타냈다. 20 °C에서 각 시험체의 압축강도는 Table 6의 91일 압축강도와 같다. 고온에 노출된 콘크리트는 내부 자유수의 증발이나 골재와 시멘트 페이스트 계면에서 균열의 확장 등으로 인해 압축강도가 감소하지만 약 300 °C에서 강도가 일시적으로 증가하는 경향이 나타난다(14-16). 200 °C와 300 °C에서 각 시험체의 잔존 압축강도는 NC33 시험체는 77.4%와 79.3%, HT33-15 시험체는 71.7%와 81.1%, HT33-30 시험체는 72.5%와 78.6%로 비소성 황토를 혼입한 시험체의 압축강도가 더 높은 상승률을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이후 500 °C에서 NC33 시험체가 약 59.9%, HT33-15 시험체가 47.1%, HT33-30 시험체가 49.6%의 잔존 압축강도로 NC33 시험체가 HT33 시험체에 비해 약 23.8% 큰 값을 보였다.

Figure 4

Compressive strength after exposure high temperature.

Figure 5

Residual compressive strength after exposure high temperature.

300 °C를 제외한 전 구간에서 HT33-30 시험체가 HT33-15 시험체보다 높은 잔존 압축강도를 보여 황토 혼입율이 증가할수록 압축강도는 낮지만, 고온에서 잔존 압축강도는 더 높은 경향을 확인할 수 있다. 이는 비소성 황토의 카올린 성분이 고온 노출의 영향으로 일부 활성화되어 강도 증진에 영향을 미친 것으로 예상된다(17).

3.3 가열온도에 따른 시험체의 초음파 속도

Figures 6과 7에 가열된 시험체의 초음파 속도와 잔존 초음파 속도를 나타냈다. 초음파 속도는 매질의 종류에 따라 속도가 상이하며 가열된 콘크리트 시험체에서는 내부의 자유수와 자유수의 증발로 인해 생성된 공극으로 인해 가열온도가 높을수록 콘크리트 내부의 공극의 수가 증가해 초음파 속도가 감소하는 경향을 그래프를 통해 확인할 수 있다.

Figure 6

Ultrasonic pulse velocity after exposure high temperature.

Figure 7

Residual ultrasonic pulse velocity after exposure high temperature.

HT33 계열 시험체는 300 °C 미만 온도에서 NC33 시험체보다 낮은 잔존 초음파 속도를 보이지만, NC33, HT33-15, HT33-30 순서로 500 °C에서 50.9%, 48.5%, 54.5% 그리고 700 °C에서 29.8%, 26.2%, 28.9%로 300 °C 이상 온도에서는 NC33 시험체와 유사하거나 약간 높은 잔존 초음파 속도를 나타냈다.

3.4 고온에 노출된 시험체의 초음파 속도와 잔존 압축강도의 상관관계

초음파 속도 측정을 통한 콘크리트 강도 산정의 정확성을 판단하기 위해 가열된 시험체의 온도에 따른 초음파 속도와 잔존 압축강도의 상관관계를 Table 7과 Figure 8에 나타냈다. 상관관계 분석 결과 200 °C와 700 °C에서 차이가 가장 크게 나타났으며 각 온도에서 NC33 대비 HT33-15 시험체는 12.2%와 38.1%, HT33-30 시험체는 13.5%와 15.7%의 차이를 보였다. 하지만 NC33을 기준으로 HT33-15와 HT33-30 시험체의 상관관계 식의 차이를 확인한 결과, HT33-15 시험체는 10.3%의 차이를, HT33-30 시험체는 11.1%의 차이를 보여 전체적으로 비소성 황토 혼입율이 높을수록 차이가 큰 것을 확인하였다. 따라서 비소성 황토 혼입 콘크리트를 기존의 초음파 속도를 활용한 콘크리트 강도 산정 식에 대입할 때 약 10.0%의 보정이 필요하며, 혼입율에 따라 추가적인 보정이 필요한 것으로 보인다.

Table 7

Correlation Between Residual Compressive Strength and Ultrasonic Pulse Velocity

ID	Equation	Difference from NC
NC33	Fc_,re¹⁾= 0.2057Vp²⁾+ 0.076	-
HT33-15	Fc_,re = 0.2269Vp - 0.0342	10.3%
HT33-30	Fc_,re = 0.229Vp - 0.0017	11.1%

1) F_c,re:　Residual Compressive Strength (%)

2) V_p: Ultrasonic Pulse Velocity (km/s)

Figure 8

Correlation between ultrasonic pulse velocity and residual compressive strength.

4. 결 론

본 연구는 W/B가 0.33인 고강도 비소성 황토 콘크리트의 고온 역학적 특성을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 시험체의 비소성 황토의 비율이 높을수록 단위 질량이 낮으며 고온에서 질량 손실률 또한 낮은 경향을 확인할 수 있다.
(2) HT33 계열 시험체는 재령 56일에서 91일 사이에서 NC33 시험체보다 높은 강도 상승률을 보여 비소성 황토가 장기 재령에서 강도 발현에 영향을 미친 것으로 판단되며 비소성 황토 혼입율이 높을수록 압축강도는 낮지만, 고온에서 잔존 압축강도는 더 높은 경향을 확인할 수 있다.
(3) HT33 계열 시험체는 300 °C 미만 온도에서는 NC33 시험체보다 낮은 잔존 초음파 속도를 보였지만, 이후 온도 범위에서는 NC33 시험체와 유사하거나 소폭 높은 잔존 초음파 속도를 보이는 것을 확인할 수 있다.
(4) 초음파 속도와 잔존 압축강도의 상관관계 분석 결과, 평균적으로 HT33-15 시험체는 약 10.3%, HT33-30 시험체는 약 11.1%의 차이로 나타났으며, 비소성 황토 콘크리트의 압축강도를 산정할 때 기존의 산정 식에서 약 10.0%의 보정이 필요한 것으로 판단된다.