Evaluation of Residual Mechanical Properties of Non-sintered Hwangto Concrete Exposed to High Temperatures Using Ultrasonic Pulse Velocity Method

태형 김; 원창 김; 형길 최; 태규 이

doi:10.7731/KIFSE.ad49e9cd

요 약

본 연구는 고온에 노출된 비소성 황토(non-sintered hwangto) 콘크리트의 잔존 역학적 특성을 평가하기 위해 초음파 속도법(UPV)을 적용하였다. 비소성 황토 치환율(0, 15, 30%)이 콘크리트의 잔존 역학적 특성에 미치는 영향을 평가하였으며, 평가 항목은 압축강도 및 UPV로 설정하였다. 실험결과, 온도 증가에 따른 시험체의 잔존 역학적 특성은 비소성 황토 치환율에 관계없이 유사한 경향을 보였다. 회귀 분석 결과, 변수 사이에는 강한 선형성과 관계성을 확인하였다. 오차 검정 결과, 목표 강도에 대한 영향이 가장 높았으며, 기존 예측 모델과 분석한 결과에서는 비소성 황토 콘크리트의 자체적인 예측 모델이 필요할 것으로 판단된다.

ABSTRACT

In this study, the ultrasonic pulse velocity (UPV) method was used to evaluate the residual mechanical properties of non-sintered Hwangto concrete exposed to high temperatures. The effect of the replacement ratio of non-sintered Hwangto concrete (0 15, and 30%) on the residual mechanical properties was evaluated, with compressive strength and UPV set as the evaluation parameters. The experimental results showed that the residual mechanical properties of the specimens exhibited similar trends with increasing temperature, regardless of the non-sintered Hwangto concrete replacement percentage. Regression analysis revealed a strong linear relation between the variables. An error test indicated that the influence on the target strength was the highest, and analysis with the existing prediction model suggested the need for a prediction model specifically for non-sintered Hwangto concrete.

KeyWords: Concrete, Ultrasonic pulse velocity, Compressive strength, Non-sintered hwangto, Prediction model

1. 서 론

최근 건설 산업에서는 탄소중립 및 녹색건축 등의 친환경적 정책에 의해 시멘트 대체 재료, 산업 부산물 및 건설 폐기물 등의 사용에 관심이 증대되고 있다(1). 이러한 영향으로 시멘트 사용을 감소시키거나 대체 가능한 자원에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 다양한 재료를 활용한 콘크리트의 물성, 역학적 특성 및 내구성에 대한 연구 또한 활발하게 증가하는 추세이다.

황토는 지표면의 약 10%를 차지하는 카올린(kaoline)족(Al₂SiO₂O₅ (OH)) 광물로 중앙아시아를 중심으로 넓게 분포되어 있으며 이전부터 중국과 한국에서 친환경 건축 재료로서 연구 및 활용되었다(2). 그러나, 산업 부산물을 활용한 연구 대비 천연 광물을 활용한 연구는 매우 적으며, 특히 고온 특성에 대한 연구는 매우 미흡하다.

기존 시멘트 대체 재료로서 황토를 활용한 연구에서는 시멘트량의 감소, 황토의 높은 흡수율에 따른 수축의 영향 및 미반응 황토 입자가 수화 생성물 사이에 응집 상태로 존재하여 결합력을 약화시키는 영향 등으로 황토 치환율이 증가함에 따라 낮은 강도 발현 특성을 보였다(3,4). 그러나, 황토는 고온에서의 화학적 분해 및 기타 열에 의한 열화에 강한 내성을 갖는다. Zhang 등(5) 연구진은 약 400 °C 이상의 온도에서 황토의 응집 현상에 의한 입자 간 접촉과, 약 600 °C 이상의 온도에서의 탈탄산 현상을 보고하였다.

Wang 등(6) 연구진의 경우 황토는 약 600 °C의 온도에서 본격적인 kaolinite (Al₄Si₄O₁₀ (OH)₃)의 분해가 나타나며, 약 700 °C까지 공극 크기의 큰 변화는 없다는 결과를 보고하였다.

이처럼 황토는 시멘트 수화물 대비 상대적으로 높은 온도에서 본격적인 화학적 분해가 나타나기 때문에 열에 대한 저항성이 높은 건축 재료로서 활용될 수 있다.

시멘트를 황토로 치환한 콘크리트는 낮은 강도 발현이 나타나며 화재가 발생할 경우, 열에 의해 더욱 심각한 구조적 안전성 문제를 초래할 것으로 판단된다. 따라서, 화재 이후 황토 콘크리트 부재의 품질을 평가하기 위해서 기존의 코어 채취에 따른 직접적인 강도 평가 방법이 아닌 UPV를 통한 비파괴적 방법을 활용하여 경제적이고 안전성이 높은 평가 방법 및 예측 모델을 제안할 필요가 있다. 본 연구에서는 고온 이력을 받은 황토 콘크리트의 잔존 역학적 특성을 간적접으로 평가하기 위해 초음파 속도(ultrasonic pulse velocity, UPV)법을 활용한 연구를 수행하였다.

2. 실험 계획 및 실험 방법

2.1 재료

Table 1에는 실험에서 사용된 재료의 물리적 특성을 나타냈다. 결합재는 분말도 3,200 cm²/g, 밀도 3.15 g/cm²의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 분말도 3,300 cm²/g, 밀도 2.50 g/cm³의 황토를 사용했다. 굵은 골재는 밀도 2.68 g/cm³, 조립률 7.03, 흡수율 0.68%의 화강암을 20 mm 이내의 크기로 사용하였다. 잔골재는 밀도 2.54 g/cm³, 조립률 2.54, 흡수율 1.60%의 강모래를 사용하였다. 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 및 시공연도를 위해 폴리카르복실산 감수제를 사용하였다.

Table 1

Physical Properties of the Materials

Materials	Properties
Binder	Cement	Type I Ordinary Portland Cement Density: 3.15 g/cm³ Fineness: 3,200 cm²/g
Binder	Non-sintered Hwangto	Density: 2.50 g/cm³ Fineness: 3,300 cm²/g
Coarse Aggregate	Crushed Granite	Density: 2.68 g/cm³ Fineness Modulus: 7.03 Absorption: 0.68% Size: Maximum 20 mm
Fine Aggregate	River Sand	Density: 2.54 g/cm³ Fineness Modulus: 2.54 Absorption: 1.60%
Super Plasticizer	Polycarboxylic-based Acid

Table 2에는 본 연구에서 사용된 결합재의 화학적 특성을 나타냈다. 황토는 silica (SiO₂)의 함량이 가장 높았으며, 그다음은 alumina (Al₂O₃) 및 hematite (Fe₂O₃) 순으로 함량이 높았다.

Table 2

Chemical Properties of Cement

Materials	Chemical Composition (%)
Materials	CaO	Al₂O₃	SiO₂	Fe₂O₃	MgO	SO₃	K₂O
OPC	60.34	4.85	19.82	3.30	3.83	2.88	1.08
NHT	0.93	32.90	40.00	7.79	1.54	-	0.76

OPC: Ordinary Portland Cement; NHT: Non-sintered Hwangto

2.2 실험 계획

Table 3에는 본 연구에서의 배합을 나타냈다. Plain의 목표 강도를 30 MPa로 설정하였으며, 목표 강도 발현을 위해 W/B를 0.41으로 설정하였다. 시멘트에 대한 황토 치환율은 15, 30%로 설정하였다.

Table 3

Mix Proportions of the Plain and HC

MIX ID	f_ck (MPa)	W/B¹⁾	S/a²⁾ (%)	Unit Weight (kg/m³)
MIX ID	f_ck (MPa)	W/B¹⁾	S/a²⁾ (%)	W³⁾	C⁴⁾	NHT⁵⁾	S⁶⁾	G⁷⁾
Plain	30	0.41	46.0	165	400	-	799	956
HC15					340	60	794	950
HC30					280	120	788	943

1) Water/Binder Ratio; 2) Sand/aggregate; 3) Water; 4) Cement; 5) Non-sintered Hwangto; 6) Sand; 7) Gravel

압축강도와 초음파 속도를 평가하기 위한 시험체는 KS F 2403에 따라 ø 100 × 200 mm 크기로 제작하였다(7). 시험체는 탈형 후 28일간 수중양생을 실시한 후, 재령 91일까지 20 ± 2 °C, RH 60 ± 5% 항온⋅항습 챔버에서 양생하였다.

Plain은 재령 28일에 모두 목표 강도를 발현하였으나, 황토를 치환한 시험체는 모두 목표 강도를 발현하지 못하였다. 황토를 15% 치환한 시험체는 목표 강도에 근접하게 발현했으나, 황토를 30% 치환한 경우에는 매우 낮은 강도 발현을 보였다.

2.3 가열 및 시험 방법

Figure 1에는 본 연구의 가열 및 냉각 곡선을 나타냈으며, 시험체는 전기 가열로 내에서 1 °C/min의 가열 속도로 목표 온도까지 가열되었다. 목표 온도는 100 - 700 °C의 5단계로 설정하였으며, 목표 온도 도달 후 시험체의 심부의 균등한 온도 전달을 위해 60 min 동안 목표 온도를 유지하였다. 이후 시험체의 온도가 상온(20 °C)이 되도록 기건 상태에서 냉각하였다.

Figure 1

Heating curve.

Figure 2

Ultrasonic pulse velocity test.

시험체의 압축강도는 RILEM TC 129-MHT ｢Part 3-compressive strength for service and accident conditions｣에 따라 측정하였다(8). UPV는 KS F 2731에 따라 측정하였다(9).

시험체의 UPV 측정을 위해 Ultracon-170을 사용하였으며, 시험체의 단면과 송신 및 수신 탐촉자와 빈틈없는 접촉을 위해 vacuum grease를 탐촉자 양단에 도포하였다. UPV는 시험체의 길이와 초음파 통과 시간의 측정을 통해 계산되었다.

3. 실험 결과

3.1 콘크리트의 잔존 역학적 특성

3.1.1 압축강도

Figure 3에 고온에 노출된 Plain과 HC의 목표 온도에 따른 압축 강도를 나타내었다. 모든 시험체에서 200 °C까지 강도가 감소하는 경향이 나타났으며, 비소성 황토를 혼입하지 않은 Plain 대비 HC가 약 3 - 8% 낮은 잔존 압축 강도를 보였다. 300 °C에서는 압축 강도가 약간 증가하는 경향을 나타냈으며 이는 기존 연구에서 콘크리트 내부 고온, 고압의 증기로 인한 오토클레이브 효과로 시멘트 페이스트의 건식 경화 혹은 굵은 골재의 팽창 등이 복합적으로 영향을 미쳐 발생할수 있는 현상이라고 보고된 바 있다(10,11).

Figure 3

Compressive strength after high temperature.

이후 온도 범위에서는 지속적으로 강도가 저하하는 경향을 보인다. Plain은 700 °C를 제외한 온도 범위에서 HC보다 높은 압축 강도를 나타내지만, 700 °C에서는 약 7.6 MPa로 가장 낮은 강도를 보였다. HC15 대비 HC30은 배합에 더 적은 시멘트가 사용되었지만 더 높은 잔존 강도를 나타냈다. 이는 표면이 거친 황토의 표면에 존재하는 물이 증발하며 응집력이 강화되고 황토가 물 증발 후 남은 공극을 충진하는 기능을 하기 때문으로 예상된다(5).

3.1.2 초음파 속도

Figure 4에 고온에 노출된 Plain과 HC의 목표 온도에 따른 초음파 속도를 나타내었다. 초음파 속도는 시험체의 수분이나 공극 등 내부 구조에 크게 영향을 받기 때문에 목표 온도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보였다(12). 비소성 황토 치환율이 증가할수록 초음파 속도가 낮은 경향을 보이며 이는 수화물 사이 황토 입자의 영향으로 많은 공극의 수 및 낮은 탄성력이 영향을 미친 것으로 판단된다(13). 목표 온도가 증가할수록 비소성 황토의 치환율에 따른 초음파 속도의 차이가 감소하여 500 °C와 700 °C에서 초음파 속도는 각각 약 2,023 - 2,165 m/s, 1,103 - 1,273 m/s로 다른 온도 범위보다 적은 차이를 나타냈다.

Figure 4

UPV after high temperature.

3.1.3 압축강도 및 초음파 속도의 회귀 분석

Figure 5에 고온 이력을 받은 비소성 황토 콘크리트의 잔존 압축강도와 UPV의 관계성 평가를 위한 회귀 분석 결과를 나타냈다. 상대적으로 높은 UPV 범위에서는 비소성 황토 치환율이 증가함에 따라서 낮은 강도 예측을 보였으나, UPV 범위가 낮을수록 수렴하는 결과를 보였다. Dolinar 등(14) 연구진이 제안한 고온 이력을 받은 콘크리트 강도 예측 모델 대비 약 59%의 낮은 강도 예측을 보였다.

Figure 5

Results of regresssion analysis and comparison with previous model.

Figure 6에는 실험 측정값과 모델 예측값의 차이를 정리하여 나타냈다. 각각의 측정값을 예측 모델에 대입할 경우 오차율 10% 이내에 포함되는 결과를 확인하였으며, 가장 큰 오차는 HC를 Plain 회귀 모델에 대입했을 경우 최대 약 11.75 MPa 높은 강도를 보여 약 30%의 오차를 나타냈다. Table 4에는 회귀 분석 결과를 정리하여 나타냈다.

Figure 6

Error test.

Table 4

Results of Regression Analysis

ID	Plain	HC15	HC30
Equation	y = a × x + b
a (Slope)	0.013	0.011	0.009
b (y-intercept)	-4.7408	-2.3481	+0.3834
R-square	0.92	0.96	0.97
p-value*	< 0.0001	< 0.0001	< 0.0001
Confidence Limit	27.16 - 32.83	24.21 - 27.68	21.54 - 23.78
Prediction Limit	20.68 - 39.31	20.19 - 31.70	18.98 - 26.34
RMSE	4.17	2.58	1.65

^* p < 0.05

3.2 미세분석

3.2.1 TGA

Figure 7에 비소성 황토 치환율에 따른 무게 변화를 나타내었다. 기존 연구에 따르면 약 0~140 °C 온도 범위에서 물리적인 자유수 및 흡수된 물의 손실로 인한 2개의 peak, 200 °C 이상의 온도에서 수화물의 탈수로 인한 peak, 400~600 °C 온도 범위에서 kaolinite의 탈수로 인한 peak와 600~800 °C 온도 범위에서 calcite와 ilite의 탈탄소로 인한 peak 총 4개의 peak가 나타난다고 보고되었으나, 본 연구의 분석 결과는 700 °C까지 수행되었으며, 약 450 °C에서 kaolinite의 탈수로 인한 peak만 나타났다(13,15,16).

Figure 7

Weight loss.

약 100 °C 이후 온도 범위에서 HC 대비 Plain의 무게 감소량이 증가하기 시작하며 목표 온도가 증가함에 따라 그 차이가 증가한다, 이는 HC가 Plain보다 높은 잔존 역학적 특성을 보인 본 연구의 실험 결과에 부합하는 결과로 비소성 황토가 시멘트보다 우수한 고온 특성을 가질 수 있다는 의미로 사료된다.

3.2.2 SEM

Figure 8에 Plain과 HC의 20 °C와 500 °C에서 SEM 사진을 나타냈다. 20 °C에서 비소성 황토의 치환율이 증가할수록 수화 생성물인 수산화칼슘과 C-S-H의 양이 적으며, 미수화된 침상형의 ettringite가 많아 치밀하지 못한 미세 구조를 보인다. Zhang(5)에 따르면 황토는 400~1000 °C의 온도 범위에서 탈수 현상에 의해 황토 입자간의 밀집도가 증가한다고 보고 되었으며(12), Figures 8(b), 8(d), 8(f)에 나타난 바와 같이 500 °C에서 Plain보다 HC가 더 치밀한 미세구조를 형성하기 때문에 20 °C 대비 500 °C에서 소성 황토를 치환한 콘크리트의 미세구조는 Plain에 비해 개선된 것으로 판단된다.

Figure 8

Results of SEM analysis.

4. 결 론

본 연구에서는 비소성 황토의 치환율에 따른 콘크리트의 잔존 역학적 특성 및 초음파 속도를 평가하였으며 그 결과를 바탕으로 압축강도와 초음파 속도의 예측모델을 제안하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

압축 강도는 비소성 황토의 치환율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며 이는 배합에 사용된 시멘트량이 더 적어 수화 생성물이 더 적고, 비소성 황토의 낮은 밀도 및 많은 공극 생성의 영향으로 판단된다. 하지만, 목표 온도가 증가함에 따라 비소성 황토 치환율이 높은 시험체의 잔존 압축 강도가 더 높은 경향을 확인할 수 있었다.
초음파 속도는 콘크리트의 내부 구조에 크게 영향을 받기 때문에 비소성 황토의 치환율이 증가할수록 낮은 값을 나타내었지만, 500 °C와 700 °C에 이르러서 비소성 황토의 치환율에 따른 초음파 속도의 차이가 감소하였다.
미세 분석 및 회귀 분석 결과 또한 상기 실험과 부합하는 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 비소성 황토는 잔존 역학적 특성에 있어 시멘트보다 유리한 고온 특성을 나타내기 때문에 고온에 노출될 가능성이 있는 경우 시멘트를 대체하여 사용할 수 있을 것으로 사료된다.