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선일기술정보지 - 제 36호 -


● 콘크리트의 미래를 위한 제언 (Thoughts on the Future of Our Concrete)

Industrial Trend

1. 머리말

최근 신소재의 발달, 설계 기술의 진전 등으로 콘크리트 강도, 내구성 등이 현저하게 향상되어 세계 각국은

장경간화, 경량화, 고층화된 다양한 사회기반시설물을 건설하고 있다. 이들은 Sustainable Development, 즉

차세대에 물려줄 수 있는 지속 가능한 구조물로 건설해야 하는 우리 세대가 해결해야 할 지대한 목표일 것이

다. 이러한 배경으로 ACI는 올해 10월 21~25일 캐나다 토론토에서 주요 Keyword를 ‘Forming Our Future’

로 선포하는 ‘ACI Fall 2012 Convention’을 개최하여 사회기반시설의 강도 증진, 수명 연장 그리고 환경 재

앙에 의한 충격을 감소시켜 지구의 미래를 위하여 끊임없이 개발하고 있는 새로운 콘크리트 관련 기술을 소

개한 바 있다.

콘크리트 산업은 보통 포틀랜드 시멘트를 개발한 20세기 초부터 급속하게 발전하여 현재는 각종 사회기반

시설의 건설에 가장 기본이 되는 건설 재료로 성장해 왔다. 또한 향후의 도래산업 및 사회 구조에 대비한 각

종 사회간접자본(SOC)의 건설은 지속적으로 증가할 것이며, 이에 따라 콘크리트 산업도 계속적으로 성장해

더욱 더 지구상에 다량의 이산화탄소를 배출하여 지구온난화를 가속시킬 것이다. 지난 100년간 통계에 의하

면 지구의 평균 기온은 약 0.74℃ 상승하여 홍수, 가뭄 등과 같은 기상 이변이 지구상 곳곳에 자주 일어나고

있다. 이러한 지구 온난화에 대응하기 위하여 체결된 국제기후협약을 통해 선진국을 중심으로 2008년부터

온실가스 감축 운동이 시작되었으며, 이에 최소한의 화석에너지 사용량과 신재생에너지 시스템의 생산량을

상호 상쇄시키는 ‘넷 제로 에너지(Net Zero Energy)’ 개념이 부각되고 있다. 더욱이 2003년 경제자유구역으

로 지정된 뒤, 세계경제가 침체에서 벗어나지 못하고 있음에도 국제도시로서의 명성을 쌓아가고 있는 인천

송도국제도시는 2012년 10월 20일 제2차 GCF(Green Climate Fund)이사회에서 개도국들과 주용 선진국의

지지를 바탕으로 환경 분야의 세계은행 격인 녹색기후기금(Green Climate Fund ; 이하 GCF)본부를 유치했

다. 이는 우리나라가 온실가스 감축에 대한 수동적 대응에서 저탄소 녹색성장(low carbon green growth)이

라는 적극적 대응으로 국가 정책 방향을 선회하였고 , 2010년 저탄소 녹색성장 기본법의 발효로 관련 정책을

본격적으로 추진한 덕분의 하나라고도 할 수 있다. 그러나 최근 시계는 정치적으로 그리고 경제적으로 주변

상황이 머나면 미래는 물론 가까운 앞날도 예측할 수 없을 정도로 급변하고 있다. 2006년 미국의 서브 프라

임 모기지론으로 시작되어 유럽 전역으로 확대된 경제위기로 인한 세계적인 금융위기, G2로 부상한 중국의

경기 저하로 인한 세계 경제의 위축, 또한 선진국의 신보호주의로 인한 특허분쟁 소송 등은 자연자원이 매우

열악하고 수출만이 경제의 버팀목인 우리에게 크나큰 우려를 자아내고 있다.


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2. 이산화탄소 배출량

지구 온난화에 따른 환경적 재앙, 일본 후쿠시마 원전 사고로 인한 재앙 등을 벗어나 우리 모두가 번영된 지

구의 미래를 위해서 세계 각국이 이기심을 억제하고 일류 공존을 위한 적극적인 공조가 절실한 작금의 현실

이다. 1992년 브라질 리오에서 지구 온난화 방지는 인류 공동과제로 인식하여 기후변화 협약을 채택하였고,

1997년 기후변화협약에 관한 교토 의정서 채택과 2005년 교통의정서 발효로 세계 38개국의 선진국은 제1차

공약기간(2008년~2012년)에 1990년도 배출량 대비 평균 5.2%의 온실가스를 감축해야 한다. 한편 2008년

7월 일본 도야코의 G8 정상회담에서 2050년까지 배출가스를 현재의 50%로 감축하는 방안과 2009년 12월

코펜하겐 기후변화 회의에서 더욱 강도 높은 이산화탄소 감축방안을 추진하였다.

최근 유럽위원회 공동연구센터와 네덜란드 환경영향평가청이 공동으로 발간한 보고서에 의하면, 2011년

우리나라가 배출한 이산화탄소 배출총량은 6억1천만 톤으로 2010년에 이어 세계 7위를 기록하였다. 2008년

세계 9위(5억 4천만 톤), 2009년 세계 8위(5억 4천만 톤), 2010년 세계 7위(5억 9천만 톤) 였던 우리나라는

2011년 배출량이 전년도에 비해 2천만 톤(3%) 가량 늘었다. 이는 1990년도의 2억5천만 톤의 배출량에 비해

144%가 증가하여 증가속도가 중국, 인도에 이어 세계에서 여섯 번째로 빠른 것으로 배출 정도가 심각한 실

정이다.

현재 우리나라는 신국가 발전 패러다임으로 저탄소 녹색성장을 제시하였고 2009년 11월 2020년 이산화탄

소 배출량(8억 1,300만 톤)의 30%인 2억 4,400만 톤을 자율적으로 감축할 계획(녹색성장위원회)이며, 12월

에는 저탄소 녹색성장 기본법을 통과시켰다. 특히, 2011년 European Commission’s Joint Research Centre

& Netherlands Environmental Assessment Agency의 보고에 의하면 우리나라 2010년 1인당 이산화탄소

배출량은 12.3톤으로 미국, 캐나다에 이어 세계 3위권에 있으며. 현재의 증가 추세가 그대로 지속된다면 빠

르면 2017년 늦어도 2020년 경에 미국의 1인당 배출량을 추월할 것으로 예상되고 있다.

3. 시멘트 산업의 온실 가스 감축 방안

보통 포틀랜드 시멘트는 20세기 초부터 대량 생산을 시작하여 현재 약 15억 톤 정도를 생산하고 있으며, 각

종 사회간접자본의 건설에 있어 가장 기본이 되는 재료이다. 또한 향후 산업구조의 고도화 및 사회구조의 다

양화에 의한 정보화 시대, 창조지향 시대를 위한 SOC 확충은 시멘트의 생산과 소비를 지속적으로 증가시킬

것이다. ‘The Global Cement Report’에 의하면 시멘트의 생산과 소비의 전년도 대비 증감률은 2010년에는

10.3%와 9.6%, 2011년에는 9.2%와 9.0% 그리고 2012년에는 유로존 위기 등 세계 경제전망의 불투명으로


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소폭 감소한 7.9%와 7.5%씩 증가할 것으로 전망하고 있다. 그러나 시멘트는 SOC 건설에 매우 중요한 역할

에도 불구하고 자연 및 지구 환경 보호측면에서 부정적인 재료로 인식되는 경향이 높아지고 있다. 즉, 시멘트

는 석회석 등을 사용할 뿐만 아니라 클링커를 약 1,500℃의 고온에서 제조함으로써 시멘트 1톤을 생산하는

데 0.7~1.0톤의 이산화탄소를 배출하여 전 세계 온실가스 배출량의 7~8%를 차지할 정도로 심각한 실정이

다. 2011년 우리나라 시멘트 생산량은 4,825만 톤이었으며, 생산과정에서 약 4,343만 톤의 CO2가 배출된

것으로 추정하고 있다. 이것은 2007년 총 CO2 배출량인 6억2000만 톤의 약 7%에 해당되는 CO2가 시멘트

산업에서 발생된 것이다. 콘크리트 공사 과정을 포함하면 약10%에 해당되는 약6,000만 톤의 CO2가 배출되

는 것으로 예측하고 있다.

그 결과 시멘트의 클링커 소성 공정에서 발생되는 CO2 비율이 약 83%로 가장 높게 나타나고 있으며, 이는

철강 산업에 이어 두번째로 많은 량을 배출하고 있는 실정이다. 이러한 상황으로 해외 시멘트 산업은 이산화

탄소 배출량을 저감시키기 위하여 많은 대책을 추진하고 있다. 즉, 세계 각국은 에너지 사용량 감소를 위한

플랜트 업그레이드, 에너지/천연자원 사용량 저감을 위한 최적 제품 설계, 에너지 효율와 내구성이 개선된

시멘트 및 콘크리트 개발, 가연성 폐기물 연료의 재활용, 혼합시멘트 확대 도모, 폐타이어, 폐플라스틱 등의

대체연료의 재활용 및 원료로의 폐기물 재활용 등을 실천하여 에너지 절감 및 CO2 감축을 시행하고 있다.

4. 우리 시멘트 및 한국콘크리트학회에 대한 제언

근대 세계를 변화시킨 가장 큰 힘 중 하나는 분명 과학 기술이며 시멘트의 발명도 이에 포함될 것이다. 이들

기술은 우리 인간의 삶을 윤택하게 하였지만 동시에 자연환경과 공동체를 파괴하기도 했다. 우리의 시멘트

관련 건설기술이 사회와 자연을 착취하고 약탈하는 대신 환경을 보호하는 바람직한 사업에 봉사하게 할 수는

없을까요? 미래지향적 시멘트 기술은 우리 공동체의 문화적/정치적/환경적인 면들을 고려하여 어떠한 기술

로 만들어야 할까요? 이는 무엇보다 적은 자원을 사용하며, 유지하기 쉽고, 환경에 적은 영향을 미치는 단순

한 수준의 기술이어야 할 것이다. 즉 우리 콘크리트 산업 및 학회도 넷 제로 에너지 개념을 적극적으로 도입

하여 각종 생산 분야에 제로 에너지 시스템을 적용하여야 할 것이다. 이를 위해서는 능동적 전략(Active

Strategy)과 수동적 전략(Passive Strategy)으로 구분하여 추진하는 것이 바람직 할 것이다. 즉, 능동적 전략

으로는 시멘트 생산과정에서의 화석에너지 사용량을 최소화하여 신재생 에너지(태양열에너지, 바이오 에너

지 등) 사용, 또한 고효율의 수소에너지 혹은 핵에너지 사용 방안, 혹은 프리캐스트 제품 생산과정에서 증기

양생 과정 등을 생략할 수 있는 화학 혼화제 개발, 시멘트의 급속한 수화반응을 촉진하여 조기 압축강도를 발

현하는 고효율의 시멘트 경화 촉진제 개발 등을 일컬을 수 있다.


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수동적 전략으로는 에너지 소비를 최소화하는 생산 설비의 설계 및 개발을 의미하며, 최근 국내에서 검토되

고 있는 고효율의 냉각기 사용, 혼화재 함량 및 종류를 다양화한 혼합시멘트의 규격 제정, 보통 포틀랜드 시

멘트와 동등한 물성을 발현하는 혼화재 함량 최대화, 산업부산물에 효율적인 분쇄기법적용 등이 이에 해당될

것이다. 특히 온실 가스 감축을 위하여 최근 우리의 시멘트 산업도 설비효율을 높이고 생산과정에서 유연탄

대신 대체연료의 사용을 늘리거나 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 석탄회, 각종 산업 부산물 등의 혼합시멘

트를 사용하여 이산화탄소를 저감하는 방안을 강구해야 할 것이다. 마지막으로 학회 및 콘크리트 산업도 각

종 생산 분야에 온실 가스 감축방안의 하나로 제로 에너지 시스템을 위한 능동적/수동적 전략을 적극적으로

도입 적용하기 위하여 시멘트/콘크리트 산업계와의 협조하에 학회가 주도적으로 수행할 것을 제안한다. 또

한, 유럽 전역의 경제위기를 비롯한 세계적인 경기침체와 동북아 국제 정세에 대처하기 위해서는 우리의 콘

크리트 분야도 세계적인 콘크리트 석학의 자문기구 설치, 콘크리트 기술 향상을 위한 자체 콘크리트실험실

구축, KCI award의 국제화, 탈아시아를 목표로 중동, 중남미 등을 포함한 세계 각국에 시멘트 수출 및 우리

의 콘크리트 기술 전파에 많은 노력을 하여야 할 것이다. 우리 콘크리트 산업의 미래는 우리 모두 꿈을 가지

고 열정적으로 도전해야만 실현될 것이다.

<출처 : 한국콘크리트 학회지 제24권 6호, 정영수 교수/류금성 박사>


● 플라이애시 치환율에 따른 고강도 콘크리트의 압축강도 추정

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1. 서 론

고강도 콘크리트는 건축구조물이 초고층화, 대형화되어감에 따라 구조부재의 단면축소에 의한 공간의 효율

적 이용, 구조물 자중경감, 내구성 증진 등의 장점으로 선진외국에서는 지난 20여 년 간에 걸쳐 급속히 발전

하여 왔으며, 국내에서도 콘크리트구조물에 고강도 콘크리트에 대한 수요가 점차 증가되고 있는 추세이다.

이러한 수요에 의해 레디믹스트 콘크리트 제조사는 물-결합재비, 혼화재료, 골재 등의 사용재료와 이러한

재료들의 다양한 배합을 통해 현장에 적용할 수 있는 고강도레미콘의 개발에 많은 연구를 하고 있으며, 최근

에는 100MPa이상의 고강도레미콘 제품을 생산하고 있다.

그러나 국내 고강도 콘크리트에 관한 연구는 강도발현을 위한 배합 및 역학적 특성 등에만 집중되어 있으며,

콘크리트 품질관리에서 중요시되는 고강도 콘크리트의 강도추정에 관한 연구는 부족한 실정이다. 또한 고강

도 콘크리트의 강도추정에 있어서 체계화된 연구결과가 없는 상황에서 콘크리트에 사용되는 배합재료, 배합,

시공 및 환경조건이 다른 외국에서 제안된 보통강도영역의 강도추정식을 사용하고 있어 고강도 콘크리트의

강도추정 결과에 대한 신뢰성이 부족하다.

따라서 본 연구에서는 고강도 콘크리트 배합표와 품질 시험결과를 바탕으로 배합표상의 배합변수를 통계적

방법에 의한 분석으로 고강도 콘크리트의 압축강도를 예측할 수 있는 추정식을 도출하여 고강도 콘크리트 품

질관리를 위해 활용하고자 한다.

2. 이론적 고찰

2.1 고강도 콘크리트

2.1.1 고강도 콘크리트의 개요

현대사회는 도시 집중화에 따른 인구 과밀화와 시설의 집중 및 특수기능성을 요구하고 있으며, 건설 분야에

뚜렷이 나타나는 현상은 구조물의 초고층화 대형화와 특수화 되어감에 따라 보다 내구적이며 경제적인 구조

시스템의 개발이 요구되고 있다. 이에 부응한 새로운 구조시스템은 보다 효용이 높은 건설재료를 필요로 하


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고 있으며 이를 위한 방안으로 현재까지 지구상에서 가장 보편적 건설재료인 콘크리트의 고기능화와 고품질

화가 적극적으로 검토되고 있어 이를 위한 고강도화 및 고성능화와 내구성과 시공성을 향상시키기 위한 연구

가 일부 선진국에서 활발하게 진행되어 왔으며, 미국에서는 시애틀의 Two Union Square에 130MPa의 고강

도 콘크리트를 시공한 실적이 있으며, 국내에도 목동 트라펠리스에 150MPa의 초고강도 콘크리트를 개발 적

용한 사례가 있다.

2.1.2 고강도 콘크리트의 재료

(1) 시멘트

높은 강도를 얻기 위하여 양질의 시멘트의 선택은 매우 중요하다. 이것은 같은 종류의 시멘트라도 제조회사

나 국가에 따라 그 구성비가 다르기 때문이며, 반드시 시험배합을 거쳐 다른 재료와의 양립성이 사전 조사되

어야 한다. 대부분 고강도용 시멘트 종류로는 KS L 5201에 적합한 포틀랜드시멘트를 시용하는데 단위시멘

트량 증가에 의한 내부온도 상승 때문에 중용열포틀랜드시멘트나 저열포틀랜드시멘트를 사용하여 수화발열

을 적게 하기도 한다. 따라서 고강도 콘크리트에 적합한 품질의 시멘트는 강도 특성 외에 단위수량이 적게 소

비되는 시멘트, 즉 동일 수량에서 유동성이 우수한 시멘트가 유리하며, 필수적으로 사용되는 고성능 혼화제

와의 적합성이 중요하다.

(2) 혼화제

고성능 감수제는 고도의 감수효과를 얻을 수 있으므로 고강도 콘크리트의 품질 및 시공성 개선을 위하여 매

우 효과적인 혼화제이다. 고성능 감수제는 고성능 감수제, 유동화제, 고유동화제, 고강도화제, 고성능AE감수

제 등 여러 가지로 불려지고 있으며 각각 특징적인 성질을 가지는 경우가 많지만 일반적으로 고성능 감수제,

유동화제, 슬럼프 손실 저감형의 고성능 감수제로 발전되고 있다. 그러나 고성능 감수제는 종류, 제조회사에

따라 동일배합 콘크리트에서 압축강도에 차이가 발생하며, 고강도 콘크리트일수록 현저한 차이가 발생한다.

따라서 혼화제를 사용함에 있어서 시험비빔을 통해 충분한 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

이러한 혼화제 중 고성능AE감수제의 메커니즘을 간단히 살펴보면 다음과 같다. 즉 고성능AE감수제는 “공

기연행성이 있고 AE감수제보다 높은 감수성능과 양호한 슬럼프 유지성능을 갖는 혼화제”로 정의된다. 이는


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종래의 혼화제와 비교하여 시멘트입자를 고도로 분산시키는 것에 의해 얻어지며 분산작용은 정전기적 반발

력을 이용한 것과 입체 장애 작용을 이용한 것으로 나눌 수 있다. 정전기적 반발력에 의한 분산은 마이너스

전하를 띠는 고성능AE감수제가 시멘트에 입착해 (-) 전하가 서로 반발하는 반발력에 의해 작용하는 것이며,

입체 장애작용에 의한 분산은 시멘트 표면에 흡착한 고성능AE감수제의 두꺼운 막이 시멘트 입자간의 응집을

저해하는 것으로 설명된다.

또한 슬럼프 손실의 주된 원인은 시멘트의 수화반응 생성물에 고성능AE감수제가 흡수되어 그 분산능력이

저하되는 점, 한번 분산된 시멘트 입자가 다시 재응집하는 것으로 설명된다. 이에 따라 슬럼프를 유지하기 위

한 여러 가지 방법이 제안되고 있지만 대표적인 것으로는 분산성분 외에 슬럼프 유지해 시멘트 입자간의 접

촉을 저해시켜 분산성을 장시간 유지시키는 것이 있다.

고강도 콘크리트에 적용하기 위한 고성능 감수제의 종류를 보면 Melamine계 축합물(PMS), Naphthalene

계 축합물(PNS), Lignin계(LS), Acrylic계(PA) 혹은 Carbonate계(PC)의 4종류로 구분할 수 있다. 이 밖에 어

떤 특별한 조건하에서 성능을 향상시키기 위해 이러한 기본적인 분자에 다른 분자들을 혼합한 형태의 고성능

감수제도 있다. 예를 들면 PNS계에 일부의 Lignin이 포함되면 Lignin의 가격이 순수한 PNS의 가격에 비해

싸기 때문에 경제적인 관점에서 매력이 있으며 LS의 지연작용에 의해 슬럼프 손실 문제를 해결하는데 도움

을 준다.

또한 PNS가 포함된 LS는 소요의 workability를 얻는데 필요한 전체 고성능감수제의 양을 줄여준다. 고강도

콘크리트에 사용되는 혼화제의 종류와 특성에 대하여 다음 표 1에 나타내었다.

종 류 주 성 분 규 격 특 성 사 용 효 과

AE제 합성계면활성제 KS F 2560

JIS A 6204

ASTM C 494

미세기포발생

단위수량저감

workability 개선

내동결융해저항성 향상

AE

감수제

표준형

지연형

촉진형

리그닌설폰산염

글루콘산염

합성계면활성제

공기연행성

시멘트분산성

단위수량저감(10∼13%)

강도특성 향상

내동결융해성 향상

고성능

감수제

현장

첨가형

나프탈렌슬폰산염

멜라민슬폰산염

폴리칼본산염 토목학회규준

시멘트분산성大

슬럼프손실大 단위수량 대폭저감

고강도 콘크리트 슬럼프손실

저감형

상향 및 슬럼프

손실저감제

시멘트분산성大

슬럼프손실小

표1. 고강도 콘크리트에 사용되는 혼화제의 종류와 특성


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성분을 조합시키는 방법, 주성분 자체에 시멘트 분산작용과 슬럼프 유지 작용을 병용시키는 것에 의한 방법

이 있으며 전자로는 슬럼프 유지 성분이 알칼리의 작용에 의해 서서히 분산제로 변화하는 반응성 고분자나

가교폴리머가 있고, 후자의 예로는 분자구조에 그라프트쇄의 배치를 조정하는 것에 의해 시멘트 입자간의 접

촉을 저해시켜 분산성을 장시간 유지시키는 것이 있다.

(3) 혼합재료

고강도 콘크리트 제조시 사용목적에 따라 슬래그, 플라이애시, 실리카흄 등을 배합에 사용하는 경우가 있다.

예를 들어, 굳지 않은 콘크리트의 경우에 플라이애시를 사용함으로써 플라이애시의 입자가 구형이므로 윤활

효과에 영향을 주어 workability가 개선될 수 있으나 국내에서 생산되는 플라이애시의 경우에는 분말도에 따

라 workability가 저하되는 경우도 있으므로 사용할 때에는 반드시 시험배합을 거쳐야 한다. 또한 초기강도는

저하되고 후기강도 증진에 유리하므로 장기강도 발현을 위한 목적으로 사용되며, 단위시멘트량이 큰 고강도

콘크리트의 높은 수화열 발생을 억제할 목적으로 사용되고 있으며, 또한 실리카 흄도 강도 및 내구성 향상을

목적으로 외국에서 시용이 증가하고 있다. 혼화재료를 배합설계시 사용할 경우에는 물-결합재비 대신 물-결

합재비가 사용되므로 주의해야 한다.

(4) 골재

고강도를 만들기 위하여 견고하고 입자가 비교적 둥근 굵은 골재의 선택이 중요하며, 강자갈보다는 표면이

거칠고, 면적이 넓어서 시멘트 페이스트와의 부착성능이 좋은 쇄석이 권해지고 있으나 workability의 저하가

고려되어야 한다. 최근 규산질의 광물질이 시멘트 페이스트와의 부착성능이 우수할 것으로 예견됨에 따라 이

분야에 대한 연구가 유망할 것으로 전망된다. 잔골재는 둥글고 표면이 매끈한 입자가 배합수의 사용량을 적

게 하여 고강도 콘크리트에 유리하며, 조립률은 대부분 3.0정도가 작업성과 강도확보에 적당한 것으로 나타

나 있다. 굵은 골재의 최대 크기는 대부분 10mm 또는 13mm 이상이 추천되고 있으나 50MPa정도의 강도발

현을 위해서는 19∼25mm 정도도 가능한 것으로 보고되고 있다.


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(5) 물

혼합수에 대하여 ACI 363 위원회에서는 음료수에 적합한 품질을 갖도록 규정하고 있고, 음료수에 적합치

않은 물을 사용해야만 할 때는 재령 7일 및 28일 압축강도가 깨끗한 물을 사용해서 만든 모르타르 압축강도

의 90% 이상이면 그 물을 사용해도 좋다고 기술하고 있다. 고강도 콘크리트는 특수한 콘크리트이고 또한 높

은 품질과 안정된 품질이 요구되므로 원칙적으로 상수도 물을 사용하는 것이 바람직하다.

(6) 공기량

보통강도의 콘크리트에 비해 공기량이 고강도·초고강도 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향은 크게 나타난

다. 다음 그림 1에서 보는 바와 같이 굳지 않은 콘크리트의 공기량이 1% 증가함에 따라 압축강도의 저하량은

고강도 콘크리트의 경우 약 2.8%이고, 고강도 경량콘크리트의 경우 3∼5%이다. 또한 시멘트 공극비에 관한

실험적 검토에 의해 물공극이 공기공극보다도 압축강도에 미치는 영향이 크다고 보고되고 있다.

2.1.3 고강도 콘크리트의 배합

고강도 콘크리트의 배합비는 배합강도, 강도 측정시기, 재료특성 등에 따라 달라진다. 이외에도 경제성, 구

조적 성능, 제조방법, 양생조건과 기후에 따라서 달라질 수도 있다. 적절한 배합비의 선택은 수많은 시험배합

을 통하여 결정되며, 고강도 콘크리트에 있어서 배합설계비의 중요한 인자는 물-결합재비의 감소에 있다.

그림1. 공기량과 압축강도의 관계


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(1) 물-결합재비

고강도를 얻게 하기 위해서는 물-결합재비를 낮게 하는데 이때 물-결합재비가 적으면 시공성이 저하되므

로 고성능 감수제를 사용하여 슬럼프 값을 증가시킬 수 있으며,따라서 workability를 개선시킬 수 있다. 국내

에서 40∼50MPa의 고강도 발현을 위해서는 33∼38% 사이의 물-결합재비가 권장될 수 있으나 반드시 사전

시험배합이 이루어져야 한다. 특히 현장타설 직전에는 골재의 함수량과 표면수량의 측정 후 최종 배합이 조

정되어야 하며, 이때 오전과 오후의 온도 및 습도의 차이가 있으므로 적어도 오전 2회, 그리고 오후 2회의 함

수량 측정 및 수정배합을 계속적으로 수행해야 한다. 70MPa 이상의 고강도 콘크리트 경우에는 30% 이하의

물-결합재비가 권장된다.

(2) 단위시멘트량

고강도 콘크리트는 보통강도 콘크리트에 비해 비교적 많은 양의 시멘트량을 필요로 하게 된다. 작업에 적절

한 workability와 요구강도를 얻는데 필요한 단위시멘트량은 시멘트의 품질, 감수제의 투여량, 잔골재율, 굵

은 골재의 최대치수와 형상 그리고 입도에 의해서도 달라지기 때문에 시험배합에 의해 단위시멘트량을 정하

는 것이 좋다. 일반적으로 고강도 콘크리트 제조에 사용되는 단위시멘트량은 대부분 392∼557kg/m3의 범위

이며, 외국에서는 그 이상인 경우는 강도발현에 저해된다는 보고가 있다. 국내의 경우에서 시멘트의 품질이

각 회사나 산지별로 차이가 있으므로 필요로 하는 강도를 얻기 위해서는 반드시 시험배합에 의해 결정되어야

한다.

(3) 잔골재율

잔골재율은 물-결합재비, 굵은 골재의 입형, 단위시멘트량 등이 고려되어야 하며, 고성능 감수제를 이용한

경우의 잔골재율은 감수제의 단위량에 의해서도 달라지기 때문에 시험비빔 에 의해서 결정하는 것이 좋다.

기존 시공경험에 의하면 골재의 최대치수가 19∼25mm의 경우에 50MPa의 고강도 발현이나 원활한

workability를 위하여 잔골재율은 30∼40%의 범위가 좋은 결과를 보여주고 있다. 이때 사용되는 잔골재율의

조립률이 2.5이하인 경우는 다 지기가 어려우므로 3.0정도가 가장 적당하다.


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2.1.4 고강도 콘크리트의 제조방법

콘크리트는 결합재와 골재로 구성되는 복합재료이며 시멘트페이스트, 골재, 시멘트페이스트와 골재와의 부

착강도의 요인에 의하여 강도가 좌우되며 그 중에서도 시멘트페이스트의 강도를 개선하는 것이 매우 중요하

다. 이외에도 프리캐스트 부재를 제조하기 위한 방법과 같이 증기양생한 후에 고온고압 양생시키는 방법 등

이 사용되고 있으며 콘크리트 내의 공극을 충전시키기 위한 Impregnated Method도 자주 이용된다.

그리고 최근의 고층화와 경량화 추세에 따른 고강도 콘크리트의 사용 빈도가 증가하고, 그에 대한 요구가

지속되면서 기존의 50MPa까지로 정의된 KS F 4009(레디믹스트 콘크리트)의 강도범위가 55,6MPa의 강도

를 포함시키는 것으로 개정되었다. 또한 2007년 07월 01일부터 전국 레미콘 공장에서 고강도 콘크리트의

KS인증을 새롭게 신설하는 등의 활동이 진행되고 있다.

또한 최근의 동향을 확인하면 고강도화를 위하여 폴리머나 기타의 유기계 분말을 혼입하던 방식이 시멘트

대체로 사용이 가능한 플라이애시, 실리카흄, 고로슬래그 미분말 등을 첨가시켜 제조하는 방식으로 변경하여

경제성을 고려한 배합설계가 실시되고 있다.특히 개정된 KS규정에는 레미콘에 순환골재의 사용이 가능하도

록 확대 적용하고 실리카흄의 KS규격을 레미콘의 혼화재료로써 사용할 수 있도록 추가하여 레미콘의 고강도

화가 빠르게 진전될 전망이다. 이러한 측면에서 국내뿐만 아니라 미국 및 일본 등에서 각종 결합재 및 혼화제

를 사용한 연구를 바탕으로 국내에서도 고강도 콘크리트의 제조와 관련된 지침서 개발을 위한 활발한 연구가

제시되고 있다.

2.1.5 고강도 콘크리트의 이점과 용도

고강도 콘크리트는 보통 중량 콘크리트로서 단위면적당 재료적인 효과가 높을 뿐만 아니라 부재 단면의 축

소화를 통해 넓은 공간을 얻을 수 있으며,자중을 감소시킬 수 있는 부차적인 효과를 얻을 수 있다. 또한 고강

도 콘크리트는 고유동화제를 사용함으로써 시공성(유동성)을 향상시킬 수 있으며, 이러한 이점을 구체적으

로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

① 단면 감소 : 유효 사용 면적 증대

② 지중 감소 : 단면 축소에 따른 지중 감소로 내진 등 설계시에 유리

③ 층고 단축 : 고강도화로 보의 춤 등이 작아져 층고가 단축될 수 있음


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④ 시공능률 향상 : 유동성 증진으로 콘크리트 타설이나 펌프성능향상

⑤ 진동의 감소 : 진동기의 사용 없이도 작업이 용이

⑥ 공기 단축 : 조기강도의 발현으로 거푸집 제거 시기가 단축되며, 단면이 일정하므로 거푸집 회전기간이 단

축됨

⑦ 노무량 감소 : 시공의 용이성 때문에 작업 노무량이 감소될 수 있음

이러한 고강도 콘크리트는 결국 경제적인 평가로 나타나는데 다음 3가지로 정리될 수 있다.

① 높은 강도/단위경비 : 제조 가격 상승에 비하여 강도 증가율이 큼

② 높은 강도/단위무게 : 강도의 증가에 비하여 충량의 증가가 미미함

③ 높은 강성/단위경비 : 제조 가격 상승에 비하여 탄성계수의 증가로 강성의 증대율이 큼

이외에도 초기강도 증가로 건조수축과 크리프에 의한 프리스트레스콘크리트 부재에서 프리스트레스의 손

실을 방지할 수 있으며 크리프량의 감소로 고층 건물의 수직부 등 변위를 줄일 수 있어 효과적인 구조재료로

서 활용될 수 있다.

2.2 플라이애시

2.2.1 플라이애시의 발생

석탄은 풍부한 매장량, 저렴한 가격, 공급원의 안정성 등을 이유로 중요한 연료원으로 널리 사용되고 있으

며, 석탄 소비에 따른 부산물인 석탄회에 대한 인식은 폐기물에서 제3의 자원으로 전환되어 그 활용성에 대

한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.

석탄 화력발전소에서 미분말 형태의 석탄 연료가 연소된 후 발생하는 석탄회는 집진 장소에 따라 플라이애

시(Fly ash), 바텀애시(Bottom ash), 신더애시(Cinder ash)로 구분된다. 석탄 연소에 따른 석탄회 발생공정

을 그림 2에 나타내었다. 먼저, 석탄 연소 배기가스 중 보일러 바닥에 낙하하여 수냉된 바텀애시가 발생하고,

절탄기와 공기예열기의 열회수 부분에 낙하하여 신더애시가 발생하며, 마지막으로 전기 집진기에 의해 포집

되는 플라이 애시가 발생한다. 이 중 플라이애시와 신더애시는 집진 과정 중에 혼합된 형태로 취급되고, 일반


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적으로 플라이애시로 분류되며 전체 석탄회 발생량 중 약 75∼80%를 차지한다.

발전소의 집진설비에 의해 사일로에 저장된 플라이애시는 밀폐식 차량에 의해 저장사일로에서 정제공장으

로 운송된다. 플라이애시는 발전소의 연소 탄종에 따른 품질 변화가 크기 때문에 정제공장에서 우선 탄소함

량과 입경에 따라 분류된다. 탄소분이 다량 함유된 플라이애시는 반송용 사일로에 저장되고 분별기로 선별된

플라이애시는 사이클론에 의한 분류 공정을 통해 2차 분류된 후 정제 사일로에 저장된다.

KS규격에서는 플라이애시를 “미분탄 연소 보일러의 연소가스로부터 집진기로 채취하는 재”로 정의하고 있

으며, ACI 116R에서는 “보일러 화실에서 연소가스에 의해 이동하는 궤상 또는 분말상태 석탄의 연소에서 발

생한 미분말 잔류물”로 정의하고 있다.

2.2.2 플라이애시의 특성

(1) 플라이애시의 화학조성

플라이애시를 비롯한 석탄회는 연소되는 석탄의 종류 및 품질에 따라 화학조성이 다르고 미연탄소분에 의

한 강열감량 및 입자의 크기와 형상은 보일러와 연소상태 등 연소환경에 의해 결정된다. 국내에서 발생한 플

라이애시의 화학성분을 표 2에 나타내었다. 플라이애시의 화학조성을 살펴보면 SiO2, Al2O3, Fe2O3세 성분

이 대부분을 차지하며 포졸란 활성에 기여하는 성분은 SiO2, Al2O3로 알려져 있다. 때문에 KS 규격에서는

그림2. 석탄회 발생 공정


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SiO2의 함유량을 45% 이상으로 규정하고 있으며, ASTM의 경우, 세성분의 합에 따라 50% 이상일 경우에

Class C, 70% 이상일 경우에 Class F로 분류하고 있다.

(2) 플라이애시의 물리적 특성

1) 입형과 크기

플라이애시 입자의 모양과 크기는 연소 환경, 분쇄 정도, 집진 장치의 형태 등에 따라 변하며 결정질 물질과

함께 탄소를 미량 함유하는 유리질의 구형 형태이다. 플라이 애시 입자는 여러 겹의 구면으로 구성되어 속이

채워져 있는 입자(plerospheres)와 내부에 CO2와 N2가스로 채워져 있는 다공성 입자(cenospheres)로 구분

된다. 다공성 입자(cenospheres)의 경우, 내부가 가스로 채워져 있기 때문에 수면에 부유하며 plerospheres

보다 입자크기가 크다. 그리고 플라이애시 전 중량의 약 , 2% 정도이며, 우수한 경량성, 절연성, 보온성, 내

화학성으로 최근에는 단열재에 활용되고 있다. 플라이애시의 입자 형상 SEM 촬영사진을 그림 3에 나타내었

다.

표2. 국내에서 발생한 플라이애시의 화학성분

성 분 무연탄(%) 유연탄(%)

SiO2 52.46∼56.47 46.71∼60.37

Al2O3 29.76∼33.77 18.79∼24.72

Fe2O3 3.81∼4.37 4.81∼13.52

CaO 0.70∼1.12 3.17∼9.35

MgO 0.71∼1.02 0.90∼2.15

Na2O 0.14∼0.63 0.39∼0.65

K2O 3.36∼4.36 0.98∼1.31

SO3 0.06∼0.48 1.90∼5.99

TiO2 1.22∼1.97 1.13∼1.33

기 타 0.00∼2.57 0.52∼1.66 그림3. 플라이애시 SEM 촬영 모습


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2) 분말도

플라이애시의 분말도는 모르타르의 유동성, 압축강도, 공기량 등 모르타르의 물리적 성질에 가장 큰 영향을

미친다. 플라이애시의 분말도가 증가할수록 미립자의 공극 충전효과에 의해 모르타르의 압축강도는 증가하

고 공기량은 감소한다. 또한 플라이애시의 분말도가 증가함에 따라 볼베어링 효과에 의해 페이스트의 유동성

이 증가하게 되지만 분말도가 너무 커지면 소요수량이 높아질 수 있다. 분말도의 측정방법으로는 Blain 투과

법에 의한 비표면적법 측정방법과 No.200(88㎛), No.325(45㎛) 의한 방법이 있다. KS L 5405는 플라이애시

의 분말도를 Blain 투과법에 의한 비표면적 측정방법으로 측정된 값 2,400cm3/g 이상으로 규정하고 있다.

2.2.3 국내외 플라이애시 품질규준

세계 각국은 플라이애시를 단일 규격 및 차등 규격으로 나누어 규정하고 있다. 각국에서는 플라이애시의 활

용에 대한 관심이 높아지면서 단일 규격에 비해 더 많은 양의 플라이애시를 적재적소에 재활용 할 수 있도록

점차 차등규격으로 바뀌고 있다.

우리나라와 유사한 규격을 가지고 있던 일본 규격은 단일 규격에서 1999년에 플라이애시를 4종류로 나누

어 등급화 하였으며, 우리나라는 단일 규격을 사용하였으나 2009년 KS L 5405 개정을 통해 미연탄소분 함

유량 및 분말도에 따라 1종과 2종으로 구분하고 있다.

미연탄소는 발전 과정에서 석탄의 연소되지 못한 탄소 성분이다. 이는 플라이애시의 혼화재로서의 성능을

저하시키며 탄소성분이 AE제를 흡착하기 때문에 다량 함유될 경우 공기량, 유동성 등에 영향을 미친다. 때문

에 각국에서는 미연탄소분을 5∼6%로 규제하고 있으며 국내에서도 플라이애시 1종 3%, 2종 5% 이하로 규

정하고 있다. 그리고 캐나다와 미국은 플라이애시를 잠재적 수경성을 가진 SiO2+Al2O3+Fe2O3 성분의 함유량

합에 따라 분류하고 있다. 이에 따르면 Class N(천연 포졸란 물질), Class F(SiO2+Al2O3+Fe2O3의 함유량이

70% 이상), Class C(SiO2+Al2O3+Fe2O3의 함유량이 50% 이상)으로 규정하고 있다. 그리고 호주에서는 플라

이애시의 미연탄소량과 입자 크기에 따라 Fine, Medium, Coarse 3가지로 분류하고 있다. 반면에 영국과 중

국은 아직 단일 규격을 사용하고 있으며 미연탄소 함유량을 규제하고 있다.


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2.2.4 플라이애시가 콘크리트에 미치는 영향

(1) 플라이애시의 포졸란 반응

시멘트의 성분들은 물과 혼합되면 화학 반응을 일으키게 된다. 시멘트와 물의 화학 반응은 아직까지 명확히

규명되지 않았으며 일반적으로 식 1∼4와 같이 설명되고 수화반응이라 이른다. 그리고 이 화학 반응을 통해

생성되는 물질을 수화물이라고 한다. 시멘트의 C3S, C2S, C3A 등의 성분들은 물과 반응하여 C-S-H, C-A-

H와 같은 수화물을 생성하여 페이스트를 충진하고 강도를 발현하며 경화하게 된다.

C3S+(2.5+n)H→C1.5+mSH1+m+n+(1.5-m)Ca(OH)2···(식 1)

C2S+(1.5+n)H→C1.5+mSH1+m+n+(0.5-m)Ca(OH)2···(식 2)

2C3A+27H→C4AH19+C2AH8···(식 3)

C3A+26H+3(CS2H)→C3A(Cs)3H32···(식 4)

플라이애시는 그 자체에는 수경성이 없지만 SiO2, Al2O3과 같은 잠재적 수경성 성분이 시멘트 수화 반응 후

생성된 Ca(OH)2와 장기간에 걸쳐 반응하여 C-S-H와 C-A-H를 생성하게 된다. 이 반응을 일반적으로 포졸

란 반응이라고 부르며 반응식은 식 5∼8과 같다.

C3S의 수화반응 : 2C3S+6H→C3S2H3+3CH···(식 5)

C2S의 수화반응 : 2C2S+4H→C3S2H3+CH ···(식 6)

포졸란 반응 : CH+S+H→C-S-H···(식 7)

CH+A+H→C-A-H···(식 8)

플라이애시의 포졸란 반응을 3단계로 나누어 그림 4에 나타내었다. 제1단계로 액상으로부터 플라이애시의

Ca2+값이 이동하고, 제2단계로 플라이애시의 입자표면에 Ca(OH)2가 석출되며, 제3단계로 플

라이애시 입자표면의 Ca(OH)2와 유리질상이 반응해서 C-S-H와 C2ASH8H가 생성된다. 포졸란 반응으로 생

성된 C-S-H와 C-A-H는 플라이애시 입자의 주변에 충진되어 시멘트-페이스트 경화체를 견고하게 결합하


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며 경화체의 강도, 특히 인장강도와 휨강도를 증진하고 수밀성 및 내구성을 향상시킨다.

(2) 플라이애시가 굳지 않은 콘크리트에 미치는 영향

1) workability

플라이애시의 비중은 시멘트보다 낮기 때문에 중량비로 플라이애시를 혼합하게 되면 페이스트의 체적이 증

가하게 되며, 대체율에 비례하여 페이스트의 용적이 증가하기 때문에 재료분리 저항성 및 점성이 개선된다.

일반적으로 플라이애시는 입자 모양이 구형이기 때문에 ball bearing 효과에 의해 페이스트와 골재 사이의

마찰을 감소시켜 반죽질기 유지에 필요한 소요수량을 감소시키는 효과가 있다. 그러나 최근에는 탄소량이 많

은 거친 입자의 함유율이 높은 플라이애시가 공급되는 경향도 있는데 이는 오히려 단위수량을 증가시키는 요

인이 되기도 한다.

2) 수화열

시멘트는 물과 혼합이 되면 시멘트의 여러 가지 성분들이 화학반응을 일으키며 새로운 물질이 생성되면서

응결됨과 동시에 경화한다. 이 때, 시멘트와 물이 만나 화학 반응을 일으키는 것을 수화반응 혹은 수화라고

말하고, 이 때 발생하는 열을 수화열이라 이른다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트에서 1∼3일 사이에 총열량의

1/2을 발산하고 7일 후에는 약 3/4을 발산하며 6개월 정도 후에는 83%∼92%가 발산한다. 콘크리트 구조물

그림4. 3단계의 포졸란 반응


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의 단면이 커질수록 콘크리트 단면 내부의 수화열에 의한 온도와 냉각되는 외부 온도간의 차이는 급격해지며,

이는 심각한 균열 발생의 원인이 된다.

플라이애시는 플라이애시의 SiO2, Al2O3과 같은 잠재적 수경성분이 시멘트 수화반응의 부산물인 Ca(OH)2

와 서서히 반응하여 초기 수화가 늦고 장기 강도가 증진된다. 이러한 플라이애시의 특징은 수화열을 획기적

으로 저감하여 온도응력에 의한 균열을 방지한다. 시멘트의 수화열 측정 방법에는 KS에 장기간의 수화열 측

정에 적합한 용해열법과 초기 수화열 측정에 적합한 온도의 상승 및 전열온도를 측정하는 직접법이 있다.

3) 공기량

플라이애시에 함유된 미연탄소는 AE제와 흡착하여 기포형성을 방해하고 플라이애시의 미분말 성분이 골재

사이의 공극을 채워 공기량을 감소시킨다. 플라이애시의 AE제 흡착작용은 플라이애시 내 미연탄소량에 비례

하며 미연탄소량이 약 2%인 경우에서 포화에 달한다. 배합 시 플라이애시의 AE제 흡착 작용을 고려하지 않

고 다량의 플라이애시를 혼합할 경우 플라이애시 혼합량이 커질수록 기포조직이 불안정하게 되어, 모르타르

가 동결피해를 입을 우려는 늘어나게 된다.

4) 블리딩

블리딩은 타설 후 잉여수에 의해 발생하는 재료분리의 일종으로 내부의 잉여수가 콘크리트 표면으로 부상

하는 현상이다. 이는 콘크리트 상부를 다공질로 만들어 품질을 저하시키고 내구성을 저하시키는 원인으로 작

용한다. 플라이애시는 모르타르 내부의 공극을 미립분으로 채워주어 잉여수의 상승 통로를 차단하고 단위수

량을 줄임으로써 블리딩을 감소시킨다.

5) 응결시간

혼화재로서 플라이애시를 시멘트의 일부분 치환하여 혼합하면 시멘트량 감소에 의해 응결시간이 지연된다.

이는 플라이애시의 잠재적 수경성 성분인 SiO2, Al2O3이 시멘트 수화반응 결과물인 Ca(OH)2와 반응하여 포

졸란 반응을 하기 때문이다. 또한 플라이애시에 의한 응결시간 지연은 플라이애시의 종류나 혼합량에 따라 다

르나 응결시간을 지연시키는 중요한 요인은 플라이애시의 미연탄소 함유량과, 석탄과 중유를 혼합 연소하여


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발생된 바나듐(V205) 함유량이다. 미연탄소와 바나듐 함유량이 증가할수록 응결시간이 지연된다.

(3) 플라이애시가 굳은 콘크리트에 미치는 영향

1) 강도 특성

플라이애시는 잠재적 수경성을 지니고 있기 때문에 초기 강도 발현 성능이 낮지만 장기재령에서 강도는 향

상되는 특성을 지니고 있다. 이는 시멘트의 수화물인 Ca(OH)2와 플라이애시가 반응하는 과정에서 Ca(OH)2

이 플라이애시 입자 주변에 채워지기 전까지는 강도발현에 크게 기여하지 못하지만, 장기재령에서는 플라이

애시와 시멘트 페이스트가 포졸란 생성물로 견고하게 결합하여 강도가 증진되고 수밀성 및 내구성이 향상되

기 때문이다.

2) 크리프

콘크리트의 크리프 현상은 주변 환경과 지속되는 크리프 응력에 따라 다르다. 재령 28일에 재하된 플라이

애시 혼합 콘크리트는 동일한 체적의 시멘트만 사용한 콘크리트에 비해 높은 크리프 변형을 나타내는데, 이

는 재하할 때의 플라이애시 혼합 콘크리트의 강도가 상대적으로 낮기 때문이다. 하지만 플라이애시 혼합 콘

크리트의 강도가 플라이애시를 사용하지 않은 콘크리트의 강도와 같을 경우, 크리프 변형은 감소하게 된다.

3) 건조수축

시멘트 페이스트의 체적, 단위수량, 시멘트의 종류, 골재 종류 등이 건조수축에 영향을 미친다. 플라이애시

는 페이스트의 체적을 증가시키기 때문에 건조수축을 증가시킬 수 있지만 단위수량을 감소시킴으로써 플라

이애시를 사용하지 않았을 경우보다 건조수축을 감소시킨다. 또한 플라이애시의 분말도가 증가할수록 건조

수축 길이변화는 다소 감소하게 된다.

4) 알칼리골재 반응

알칼리골재 반응은 시멘트의 알칼리 성분과 반응하는 골재중의 광물의 종류에 따라 반응 과정이 다르며, 알

칼리-실리카 반응, 알칼리-탄산염 반응 및 알칼리-실리케이트 반응으로 구분된다. 이 중에서 알칼리-실리


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반응에 의한 피해가 대부분을 차지하고 있으며, 알칼리-골재 반응이란 용어를 사용할 때는 단지 알칼리-실

리카 반응만을 칭할 때가 많다. 알칼리-실리카 반응은 시멘트의 알칼리 성분과 골재의 실리카성분이 수분과

결합하여 장기적으로 골재 주변에 실리카 겔을 형성, 수분에 의해 팽창하여 균열 및 박리를 일으키는 현상이

다. 플라이애시는 포졸란 반응과정에서 Ca(OH)2를 소비하여 알칼리성을 낮추고, 결과적으로 알칼리골재 반

응을 감소시킨다.

5) 황산염 저항성

시멘트 경화체가 해양환경 등에 노출되면 황산염 이온의 침투에 의해 생성되는 이수석고(CaSO4‧2H2O)의

생성으로 연화작용을 일으킨 후 Etrringite를 생성하여 팽창 및 파괴에 이르게 된다. 황산염에 노출된 모르타

르의 성능저하 메커니즘을 식 9, 10에 나타내었다.

Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O → CaSO4‧ 2H2O + 2NaOH) ·············· (식 9)

3CaO‧Al2O3 + 3(CaSO4‧ 2H2O) + 26H2O → 3CaO ‧ Al2O3 ‧ 3CaSO4 ‧ 32H2O·············· (식 10)

이러한 황산염 침투에 의한 손상을 방지하기 위해 시멘트에서 C3A 함량을 최소화 시키는 방법, 수밀성을

향상시켜 황산염 침투를 방지하는 방법 등의 대책이 있다. 또한 플라이애시를 사용함으로써 황산염 저항성을

크게 개선할 수 있다. 플라이애시를 사용한 콘크리트의 경우 시멘트량을 감소시킴으로써 C3A량이 감소되며,

포졸란 반응을 통해 황산염 침투에 의해 생성되는 Etrringite량이 감소된다. 그리고 플라이애시 미립자가 공

극을 채움으로써 치밀한 내부구조를 형성하기 때문에 황산염 침투를 저감시킨다.

6) 탄산화 반응

콘크리트의 시멘트 수화반응을 통한 수화물인 Ca(OH)2에 의해 pH 12∼13의 알칼리성을 지니지만 대기중

의 CO2 혹은 SO2와 반응함으로써 알칼리성을 잃게 된다. 이러한 반응은 표면에서 내부로 진행되며, 철근이

보강되었을 때, 철근의 부동태 피막을 파괴시켜 부식되게 한다. 일반적으로 플라이애시를 사용한 모르타르의

경우, 플라이애시의 포졸란 반응시 시멘트의 수화물인 수산화칼슘을 소비함으로써 모르타르의 알칼리성을 감

소시켜 탄산화를 촉진한다고 알려져 있다. 그러나 충분한 전 양생기간이 주어질 경우 시멘트량의 일부를 플라


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이 애시로 치환하여 혼합한 경우에 오히려 탄산화에 저항성을 확보할 수 있으며 재령이 지남에 따라 탄산화에

대한 저항성은 증가된다.

3. 고강도 콘크리트의 압축강도 추정

3.1 압축강도 조기 추정

콘크리트 품질관리에서 강도는 일반적으로 재령 28일의 압축강도를 기준으로 하고 있으므로 콘크리트의

품질이 소요강도에 적합한 것인지를 확인하기 위해서는 재령 28일의 압축강도를 측정하는 것이 적합하다.

그러나 이 경우 공시체 제작 후 28일이 지나지 않고서는 시험값을 얻을 수 없으므로 시험결과를 신속하게 공

사에 반영하는 것이 중요한 품질관리에 있어서는 큰 결점이 된다.

규 격 번 호 규 격 명

ASTM C 684-03 Standard Test Method for Making, Accelerated Curing, and Testing of Concrete Compression T

est Specimens

ASTM C 1074-04 Standard Practice for Estimating Concrete Strength by the Maturity Method

ASTM C 1078-R92 Standard Test Method for Determining the Cement Content of Freshly Mixed Concrete

ASTM C 1079-R92 Standard Test Method for Determining the Water Content of Freshly Mixed Concrete

JIS A 1112-03 フレッシュコンクリートの先い分析試驗方法

JIS A 1805-01 コンクリート生産工程管理用試驗方法-溫水養生法によるコンクリート强度の早期判定試驗方法

KS F 2411-05 굳지 않은 콘크리트의 씻기 분석 시험방법

KS F 2827-06 콘크리트 생산공정 관리용 시험방법 - 콘크리트 압축강도의 조기판정 시험방법(온수양생법)

표3. 콘크리트 강도의 조기추정에 관한 규격

구 분 내 용 시 험 방 법

간접강도추정방법 굳지 않은 콘크리트의 분석시험 결과에 기초한 추정방법

단위시멘트량 시험방법

단위수량 시험방법

물시멘트 시험방법

직접강도추정방법 촉진 경화시킨 콘크리트의 조기강도 시험결과에 기초한 추정방법

온수법(55℃, 70℃)

급속경화법

동일양생조건의 공시체 조기강도 시험결과에 기초한 추정방법 7일 강도에 의한 방법

표4. 콘크리트 강도의 조기추정 방법


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압축강도의 조기 추정은 일반적으로 7일 강도에서 행해지고 있으나, 신뢰도가 높은 추정값을 얻을 수 있다

면 이보다 빠른 추정시기일수록 품질관리에서 유리하다. 이를 위해서 오래 전부터 여러 가지 방법이 시행되

고 있으며, 콘크리트 강도의 조기 추정에 관한 규격 및 방법은 표 3과 표 4에 나타내었다.

반면에 직접강도추정방법 중 콘크리트의 초기강도시험 결과에 기초한 추정방법은 현장에 도착한 콘크리트의

공시체를 제작하여 직접 강도시험을 실시하여 추정하는 방법으로 간접강도추정방법보다 결과에 대한 신뢰성

이 높으나 이 방법은 성형 후의 공시체 온도, 양생온도 등의 변동으로 인하여 시험값이 큰 영향을 받으므로

공시체의 제작 및 취급에 주의할 필요가 있다. 초기재령의 압축강도를 이용하여 관리를 할 경우에는 미리 초

기재령의 압축강도와 재령 28일의 압축강도와의 관계를 구해 놓거나 필요에 따라 재령 28일의 압축강도 시

험을 실시하여 콘크리트의 품질이 소정의 조건을 만족하는지를 확인하는 것이 중요하다. 그리고 콘크리트의

품질관리와 검사의 범위 안에서 조기추정시험의 적용방법 및 결과의 평가방법에 대하여 미리 정해두어야 한

다.

3.2 강도 추정 이론

3.2.1 물시멘트 이론

1919년 D.A. Abrams에 의해 “깨끗하고 단단한 골재를 사용하여 플라스틱하고 워커블한 콘크리트를 적절

하게 시공할 경우, 콘크리트의 강도, 수밀성 및 기타의 성질은 시멘트페이스트의 물-시멘트비에 의해 지배된

다.”라고 제창된 이론으로서 압축강도와 물-시멘트비 사이의 상관관계를 식 11과 같이 제안하고 있다.

······································ (식 11)

여기서,

f'c : 콘크리트의 압축강도

A, B : 시멘트의 품질에 대한 상수

w/c : 물-시멘트비

1932년 I. Lyse는 압축강도와 시멘트물비 사이에 다음과 같은 직선관계가 성립한다고 제안하였으며, 현재 식

12와 같이 콘크리트의 배합결정을 위한 압축강도 추정식으로 널리 사용되고 있다.


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······························ (식 12)

여기서,


A, B : 실험으로부터 결정되는 상수

c/w : 시멘트물비

3.2.2 공극 이론

1921년 A.N.Talbot가 “콘크리트의 강도는 시멘트의 공극비에 의해 지배된다.”라고 제창한 것으로서, 제안

된 상관관계식은 식 13과 같다.

····························· (식 13)

여기서,


A, B : 상수

c : 시멘트의 용적

v : 단위수량의 용적과 콘크리트 1㎥ 중의 공기체적의 합

3.2.3 물-시멘트비 이론의 보완

콘크리트의 강도와 물-시멘트비와의 관계식의 발전을 위해 컴퓨터가 널리 활용됨에 따라 Abrams의 강도

이론에 강도영향 요인들을 추가하여 콘크리트의 압축강도를 추정하는 식이 제시되었으며 다음과 같은 경우

에 적용될 수 있다.

① 물-시멘트비에 추가 강도 영향요인들의 도움으로 고강도 콘크리트에 적용할 수 있다.

② 압축강도, 휨강도, 그 외의 강도 계산에도 적용할 수 있다.

③ 콘크리트의 모든 재령에 적용할 수 있다.

④ 결합재로 포틀랜드시멘트 뿐 아니라 다른 수경성 시멘트를 사용한 경우에도 적용할 수 있다.


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⑤ 고성능감수제 외에 다른 화학 혼화제를 사용한 콘크리트에도 적용

⑥ 물-시멘트비 외에 공기량의 변화나 양생조건이 콘크리트의 강도에 미치는 영향도 고려할 수 있다.

(1) 단위수량 혹은 단위시멘트량의 영향

Abrams의 이론이 갖는 의미는 콘크리트의 메트릭스 특성, 즉 공극을 포함하는 경화된 시멘트 페이스트가

콘크리트의 강도를 조절한다는 것이다. 이 이론에서 단위시멘트량, 시멘트 페이스트량, 골재량은 콘크리트

강도 관점에서는 중요하지 않다는 것을 의미한다. 즉 물-시멘트비에 의한 콘크리트 강도 변화에 있어 물-시

멘트비가 단위시멘트량이나 단위수량, 혹은 이 둘 다에 의해 변하는 것을 반영하지는 못한다. 따라서 식 12

의 물-시멘트비 이론은 콘크리트 기술에 있어 기초적 도구의 하나이지만, 압축강도의 완전한 이해를 위해서

는 불충분하다.

Popovics, S.는 물-시멘트비의 개념에 단위시멘트량 혹은 단위수량의 요인을 추가할 경우, 콘크리트 강도

의 변화정도는 물-시멘트비의 변화뿐만 아니라 물-시멘트비가 어떻게 변하는가에 의해서도 달라진다는 내

용의 새로운 강도이론을 제시하였으며, 구체 적인 사항은 다음과 같다.

① 단위수량이 일정하고 단위시멘트량이 변하는 경우가 반대의 경우보다 강도변화가 크다.

② 물의 양과 시멘트의 양이 동시에 변하면, 식 14와 같은 새로운 식으로 설명할 수 있다.

································· (식 14)

여기서,


w/c : 물-시멘트비 혹은 물-결합재비

s : 단위시멘트량 혹은 단위수량

A, B, D : 콘크리트의 강도유형, 사용재료, 재령, 공기량, 양생조건 등에 따른 실험 상수


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또한 단위수량이 일정하게 유지될 때, 콘크리트의 강도증진에 있어 시멘트의 첨가효율은 시멘트량의 증가

로 물-시멘트비가 감소함에도 불구하고 점차 감소한다고 하였으며, 시멘트 1lb당 강도증가율은 중량비로 물

-시멘트비가 0.5일 때 최대라고 하였다.

(2) 혼화재의 영향

혼화재의 사용에 따른 콘크리트의 압축강도를 Abrams의 식을 통해 표현하면 식 15와 같다.

···································· (식 15)

여기서,


A, B : 물-시멘트비 외에 강도에 영향을 미치는 요소로서 실험에 의한 값

Ceq : f(X1, X2, …)(C+C1+C2+ …)

X1, X2,… 는 총 결합재량에 대한 혼화재의 비율로서 혼화재의 치환에 의해 강도가 상승하면 X1, X2,… 에

대응되는 f(X1, X2,…)의 함수값은 1보다 크고, 그 반대이면 1보다 작다. 시멘트가 혼화재에 의해 치환되지 않

았다면 그 값은 1이다. 이 식은 350kgf/cm2 이상의 압축강도를 가지는 콘크리트에도 적용 가능 하며, 저강도

에서도 활용할 수 있다.

(3) 공기량의 영향 고려

········(식 16) 혹은, ·········(식 17) ·········(식 18)

여기서 A, B : 공기가 없는 콘크리트에 있어 아브람의 식의 변수

w/c : 물-시멘트비, a : 공기량, α : 실제 범위 내에서 콘크리트의 강도, 재령과는 무관하지만 강도 타입과는

관련 있는 실험변수(구조체 콘크리트의 표준 압축강도에 있어서, 공기함유량이 %로 표현될 때 α= 0.0384)

β : log B, γ : α/β


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3.3 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트의 압축강도 추정

고강도 콘크리트의 압축강도 추정을 위한 데이터는 당사의 콘크리트 배합보고서와 경화 콘크리트에 대한

품질시험 결과로 최대골재치수 25mm, 건축공사 표준시방서에서 규정한 고강도 콘크리트의 기준은 설계기

준강도 40MPa 이상인 배합을 대상으로 수집하였다.

고강도 콘크리트의 압축강도 추정은 표 5의 데이터를 대상으로 콘크리트 배합자료와 압축강도의 관계를 회

귀분석하여 강도추정식을 도출하였으며, 통계분석을 위한 프로그램으로는 MINITAB 14.0을 사용하였으며,

설명변수 선택 방법은 단계적 선택 방법으로 신뢰구간 95%, 유의수준(α) 0.05에서 유의한 독립변수의 회귀

계수들을 대상으로 추정하였다.

3.3.1 배합자료를 통한 압축강도 추정

현재 콘크리트의 배합결정을 위한 압축강도 추정식으로 널리 사용되고 있는 I. Lyse의 시멘트물비와 압축

강도의 관계식 식 12는 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트에서 결합재-물비로 나타낼 수 있으며, 결합재

는 다시 플라이애시+시멘트로 나타내어 다음 식 19와 같이 표현 할 수 있다.

······························· (식 19)

여기서,

fFA : 플라이애시를 사용한 고강도

콘크리트 압축강도(MPa)

b/w : 결합재-물비

FA : 단위 FA량(㎏/㎥)

c : 단위 시멘트량(㎏/㎥)

w : 단위 수량(㎏/㎥)

A, B : 실험 정수

수집된 데이터의 상관분석을 통해 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트의 결합재-물비와 결합재를 독립변

수로 선택하여 단순선형회귀 분석을 실시한 결과는 그림 5와 같다.


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3.3.2 결합재와 압축강도의 관계

플라이애시를 혼입한 콘크리트에서 압축강도는 결합재-물비 뿐만 아니라 결합재를 제외한 다른 배합조건

이 동일할 경우 플라이애시의 포졸란 반응에 의한 초기 수화열 감소로 그림 6과 같이 보통 콘크리트의 압축

강도에 비해 일반적으로 낮은 초기강도를 보이고, 재령 28일을 전후로 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리

트의 압축강도가 보통 콘크리트의 압축강도를 초과한다. 또한 결합재-물비가 높을 경우 초기 발열량의 증가

로 보통 콘크리트와의 초기강도 차이를 줄일 수 있다. 그러나 배합자료를 활용한 28일 압축강도 추정식에서

는 이러한 플라이애시가 강도에 미치는 영향과 플라이애시와 시멘트의 관계를 확인하기 어렵다. 따라서 식

19의 결합재 플라이애시+시멘트에서 각 결합재가 강도에 미치는 영향을 고려한 수정결합재-물비를 구하여

28일 압축강도를 추정할 경우 혼화재의 영향을 고려한 압축강도 추정식을 도출할 수 있다.

콘크리트의 품질관리에서 사용되는 재령 28일 압축강도에 미치는 플라이애시의 영향을 α, 시멘트의 영향을 β

라 할 때, 보통 콘크리트의 강도는 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트와 결합재를 제외한 동일 조건의 배합

에서 시멘트의 단독 영향으로 β는 1이라 할 수 있으며, 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트의 강도는 시멘트

와 플라이애시가 각 결합재에서 차지하는 비율을 고려하여 식 20과 같은 비례식으로 표현할 수 있다.

그림5. 결합재 물비와 28일 압축강도와의 관계 그림6. F/A 혼입한 콘크리트의 재령에 따른 압축강도


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표5. 고강도 콘크리트 배합 및 압축강도 데이터

치환율

(%)

w/b

(%)

s/a

(%)

단위질량(kg/m3) 28일압축강도

(MPa) W B F/A S G SP

9.4 34.9 43.9 175 501 47 748 953 6.01 47.4

9.4 35.0 43.9 175 502 47 749 952 6.02 48.8

9.4 35.5 43.9 178 501 47 745 950 6.01 48.5

10.0 33.0 43.2 165 500 50 730 959 6.00 53.2

10.0 33.1 43.2 166 505 51 731 960 6.06 52.8

10.0 33.3 43.2 167 503 50 733 962 6.04 53.1

14.9 36.8 45.7 166 451 67 792 944 5.41 45.6

14.9 36.9 45.7 166 453 67 794 942 5.44 54.1

14.9 37.1 45.7 167 454 67 795 941 5.45 49.3

14.9 30.1 43.7 166 548 82 720 931 6.58 66.5

14.9 30.4 43.7 167 551 82 721 928 6.61 74.0

14.9 30.5 43.7 168 556 83 724 927 6.67 70.3

14.9 31.2 39.8 178 567 85 624 943 6.80 58.0

14.9 34.0 44.7 180 529 79 715 884 6.35 52.5

14.9 34.2 44.7 181 530 79 716 885 6.36 53.3

14.9 34.4 44.7 182 529 79 719 885 6.35 53.1

14.9 33.1 45.2 164 495 74 768 930 5.94 59.7

14.9 33.5 45.2 166 497 74 771 929 5.96 57.5

14.9 33.6 45.2 166 495 74 773 932 5.94 65.2

15.0 26.8 43.2 161 599 90 694 913 7.19 73.0

15.0 27.0 43.2 162 601 90 695 912 7.21 71.9

15.0 27.1 43.2 163 609 91 696 915 7.31 66.2

15.0 35.0 42.8 166 474 71 716 956 5.69 49.0

15.0 37.7 46.7 181 481 72 769 877 5.77 49.8

15.0 37.7 46.7 181 482 72 770 876 5.78 49.7

15.0 37.9 46.7 182 485 73 773 875 5.82 45.8

15.0 37.1 49.7 165 445 67 870 880 5.34 52.0

15.0 37.2 49.7 166 445 67 871 879 5.34 53.0

15.0 37.3 49.7 166 446 67 871 877 5.35 53.9

15.0 37.5 49.7 167 447 67 873 880 5.36 50.3

15.1 35.3 48.7 166 470 71 842 886 5.64 55.1

15.1 35.3 48.7 166 471 71 843 885 5.65 53.9

15.1 35.4 48.7 167 472 71 846 883 5.66 52.4

17.0 40.6 47.3 184 454 77 840 939 5.45 45.1

19.9 34.9 44.9 158 452 90 766 910 5.42 43.7

19.9 36.1 44.8 163 452 90 759 935 5.42 55.0

19.9 36.8 44.7 166 452 90 760 939 5.42 48.3

20.0 33.7 45.7 157 466 93 766 910 5.59 52.1

20.0 35.3 44.7 164 466 93 754 932 5.59 51.2

20.0 35.3 44.7 164 469 94 755 932 5.63 56.9

20.0 34.7 45.7 163 471 94 766 910 5.65 46.1

20.0 34.3 44.7 159 465 93 760 939 5.58 49.3

20.0 37.2 45.7 166 445 89 775 921 5.34 45.6

20.0 35.2 44.7 160 454 91 763 944 5.45 43.9

20.1 35.9 45.4 164 457 92 766 921 5.48 48.4

20.1 36.0 45.4 165 458 92 766 919 5.50 45.1


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··(식 20)

여기서,

: 강도에 대한 FA의 영향, : 강도에 대한 시멘트의 영향, : 단위 시멘트량(㎏/㎥), : 단위 FA량(㎏/㎥)

: FA 결합재비, : 시멘트 결합재비, : 보통 콘크리트의 압축강도(MPa)

: 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트의 압축강도(MPa)

식 21에서 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트 강도에 미치는 영향인 α와 시멘트의 영향인 β의 관계는

다음과 같다.

···················· (식 21)

그림 7에서 α의 평균값은 플라이애시 결합재비가 0.15일 때 가장 크게 나타났으며, 0.2에서 감소하였다.

이는 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트의 재령 28일에서, 플라이애시 결합재비 0.15일 때, 강도에 대한

플라이애시의 영향이 가장 크며, 그 이상에서 영향이 감소함을 확인할 수 있다.

그림7. 플라이애시-결합재비에 따른 α


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3.3.3 수정결합재-물비 추정

플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트의 압축강도를 추정하기 위해서는 식 20에서 혼화재가 압축강도에

미치는 영향인 α, β인 결합재를 이용하여 다음 식 22와 같은 수정결합재-물비를 구할 수 있다. 또한 수정결

합재-물비와 압축강도의 관계를 분석할 경우 강도에 대한 플라이애시와 시멘트의 영향을 확인할 수 있다.

···················· (식 22)

여기서, : 플라이애시의 영향을 고려한 수정결합재-물비

일반적으로 고강도 콘크리트 제조시 결합재로 시멘트를 단독 사용하지 않고 있다. 따라서 보통 콘크리트의

압축강도( )는 보통 콘크리트 배합자료를 사용하고, 플라이애시를 사용한/ 콘크리트에서 28일 압축강도와 가

장 큰 상관계수를 가지며 회귀분석이 가능한 결합재-물비를 독립변수로 사용하여 압축강도를 추정한 식 23

을 사용하였다.

················· (식 23)

여기서, : 보통 콘크리트 압축강도(MPa)

: 결합재-물비

그림 8은 수정결합재-물비와 배합자료의 결합재-물비를 비교한 그래프로 결합재-물비에 비해 수정결합재-

물비가 전반적으로 큰 값을 나타내며, 결합재-물비의 값이 증가할수록 수정결합재-물비 값과 차이가 커짐을

확인할 수 있다. 이는 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트에서 결합재-물비와 강도의 관계에서 결합재-물

비가 증가할 때, 강도에 대한 시멘트의 영향인 β는 1로 고정되어 있으므로, 강도에 대한 플라이애시의 영향인

α 값이 증가함을 확인할 수 있다.

식 22에서 도출된 수정결합재-물비( )는 실제 측정된 콘크리트의 28일 압축강도를 통해 추정강도를 도출하였

기 때문에 실제 레미콘 품질관리에서 초기 배합자료를 통한 압축강도 추정은 불가능하다.

그림8. 결합재-물비와 수정 결합재-물비 비교


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따라서 수정결합재-물비( )를 추정하기 위해 플라이애시를 사용한 콘크리트의 배합자료에서 결합재-물비

(b/w), 단위 결합재량(c, FA), 결합재(b), 페이스트(p), 단위수량(w), FA결합재비(FA/b), 시멘트결합재비

(c/b), FA시멘트비(FA/c)의 항목을 독립변수로 하여 다중선형회귀 분석을 실시하였으며 결정계수 0.677, 추

정표준오차 0.30인 식 24의 수정결합재-물비 추정식을 도출하였다.

·············· (식 24)

여기서, FA : 단위 FA량(㎏/㎥)

W : 단위 수량(㎏/㎥)

c / b : 플라이애시-시멘트 비

식 24의 수정결합재-물비는 플라이애시 콘크리트의 플라이애시와 시멘트의 강도에 대한 영향인 α, β를 통한

수정결합재-물비 값을 추정한 것으로 단위 플라이애시량, 단위 수량, 플라이애시 시멘트비의 설명변수를 통하

여 결합재의 영향을 확인할 수 있는 추정식을 도출할 수 있었다.

압축강도를 추정하기 위해 식 24를 통하여 구하여진 수정결합재-물비((b/c)FA)와 배합변수(w, c, FA, b, p, S,

G), 배합변수 간의 관계(FA/b, c/b, FA/c, S/a, S+G, b/(S+G))를 독립변수로 하여 종속변수인 28일 압축강도와

의 관계를 다중선형회귀 분석하여 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트 압축강도 추정식을 도출하였다. 또한

압축강도식을 수정결합재-물비를 설명변수로 선택하고 배합표의 다른 배합인자들을 독립변수로 하여 추정하

였으며, 결과는 표 6과 같다.

또한 28일 압축강도 추정결과에 식 24의 수정결합재-물비를 대입하여 정리하여 주면 다음과 같은 28일 압축

강도 추정식을 도출할 수 있다.

독립변수 압축강도 추정식 상관계수

(R)

결정계수

(R2)

조정결정계수

( )

추정표준오차

(MPa)

0.858 0.736 0.730 4.07

: 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트 추정 압축강도(MPa)

: 플라이애시의 영향을 고려한 수정결합재-물비

: 단위 FA량(㎏/㎥), : 단위 수량(㎏/㎥), : 시멘트 결합재비

표6. 수정결합재비-물비( ) 를 사용한 플라이애시를 사용한 콘크리트 압축강도 추정식


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········ (식 25)

그림 9는 28일 압축강도와 추정 압축강도를 비교한 그래프로 수정결합재-물비를 사용한 플라이애시를 사

용한 고강도 콘크리트 압축강도 추정식은 결정계수가 0.736이고, 추정압축강도와 28일 압축강도의 추정표준

오차는 그래프의 실선 범위인 4.07MPa로 나타났다.

4. 결 론

수집한 고강도 콘크리트 배합 중 플라이애시를 사용한 고강도 콘크리트의 배합자료를 대상으로 배합인자와

28일 압축강도의 관계를 통계분석하여 플라이애시의 영향을 고려한 고강도 콘크리트의 압축강도 추정식을

도출하기 위해 연구하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 수집된 배합자료의 물-결합재비는 평균 0.34, 표준편차는 0.029로 나타났으며, 28일 압축강도는 평균

53.9MPa, 표준편차는 7.84MPa이다. 또한 동일 물-결합재비에서 플라이애시의 치환율이 15%일 때 강도 증

진효과가 가장 크며, 15% 이상일 경우 강도가 감소하는 특징을 보였다.

(2) 플라이애시를 사용한 콘크리트에서 결합재-물비를 독립변수로 사용한 추정식의 경우 결정계수가 0.721,

추정의 표준오차가 4.14MPa로 나타났으나, 설명변수가 결합재-물비와 단위굵은골재량으로, 보통 콘크리트

와 비교해 플라이애시 혼입과 치환율 영향을 확인할 수 없기 때문에 단순히 결합재-물비를 사용하여 강도를

추정하기에는 한계가 있음을 보여준다.

그림9. 플라이애시를 사용한 콘크리트 28일 압축강도와 추정압축강도 비교


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(3) 플라이애시를 사용한 콘크리트에서 결합재-물비를 사용하여 강도를 추정할 경우 신뢰도가 낮을 뿐만 아

니라 혼화재의 영향을 확인할 수 없는 한계를 가지기 때문에 플라이애시와 시멘트가 강도에 미치는 영향인 α,

β를 사용하여 플라이애시를 사용한 콘크리트의 수정결합재-물비( )를 구할 수 있었다.또한 수정결합재-물비

는 실제 측정된 콘크리트 28일 압축강도를 통해 도출되어, 배합자료를 바탕으로 수정결합재-물비를 추정하

여, 다음과 같은 추정식을 도출하였다.

(4) 수정결합재-물비를 사용하여 압축강도 추정식을 도출하였으며, 추정식에 대한 결정계수는 0.736이고 추

정의 표준오차는 4.07MPa이다. 또한 수정결합재-물비를 추정한 값으로 정리하여 다음과 같은 플라이애시를

사용한 콘크리트 28일 압축강도 추정식을 도출하였다.

(5) 플라이애시를 사용한 콘크리트는 보통 콘크리트와 비교해 28일 전후로 강도의 증진을 보이기 때문에 수

정결합재-물비를 사용한 재령 28일의 압축강도 추정식에서 강도에 미치는 플라이애시의 영향은 크게 나타

나지 않았으나 수정결합재-물비를 통해 압축강도에 대한 결합재의 영향을 고려한 강도추정식으로 보다 신뢰

성이 높은 추정강도를 도출할 수 있다.

현재 국내 건설현장에서 고강도 콘크리트의 사용이 활발하지 못하고 출하되고 있는 고강도 레미콘은 특정

몇 가지 배합을 대상으로 하고 있어 다양한 배합의 고강도 콘크리트 자료가 부족한 실정이다. 향후 고강도 콘

크리트가 활성화되어 다양한 배합조건의 자료가 수집된다면 보다 효율적이고 신뢰성 있는 강도추정이 가능

할 것으로 사료된다.

<공태웅(책임연구원) / 선일공업㈜ 기술연구소>


● 슬래그를 활용한 콘크리트 최신 기술

1. 머리말

우리나라의 경우 2000년 중반 이후 철강슬래그의 재활용률은 100%달하고 있다. 철강슬래그의 종류에 따

른 재활용률은 고로슬래그의 경우 약 70%가 시멘트 원료 및 콘크리트 혼화재료, 나머지는 도로용, 성토용

및 비료용으로 재활용 되고 있으며 제강슬래그의 경우 약 80%가 도로용, 성토용 및 잡석용 등의 저부가가치

의 용도로 거의 이용되고 있는 실정이다. 하지만 2000년대 후반부터 철강슬래그의 재활용을 고도화하기 위

한 연구 개발들이 적극적으로 행해지고 있으며, 관련 특허와 신기술들이 보고되고 있다.

2. 슬래그의 재활용 콘크리트 최신기술

2.1. 시멘트 치환 기술

고로슬래그의 고부가가치 활용기술 중 하나가 시멘트 대체용으로, 2000년대 이후 지속가능 기술에 대한 사

회적 요구와 함께 고로슬래그의 시멘트 대체 기술이 더욱 주목받고 있다. 국내 고로슬래그 시멘트는 고로슬

래그의 함유량에 따라 1종, 2종 및 3종으로 구분하고 있다. 가장 일반적인 고로슬래그 시멘트는 그 함유량이

30~60%인 2종이지만, 내해수성, 내약품성이 요구되는 특수용 콘크리트에서는 그 함유량이 60~70%인 3종

이 주로 이용되고 있다. 하이볼륨 슬래그 콘크리트는 결합재에서 슬래그 함유량이 60%이상인 콘크리트를 의

미하는데, 최근 저발열, 높은 장기강도 및 고내구성을 목적으로 점차 그 사용성이 증가하고 있다. 뿐만 아니

라 고유동성, 초저발열 및 높은 초기강도 발현을 목적으로 고로슬래그 시멘트 2종을 기반으로 한 플라이애시

또는 실리카퓸이 첨가된 3성분계의 결합재 기술도 개발되고 있다. 하이볼륨 고로슬래그 시멘트 콘크리트에

서는 일반적으로 낮은 단위수량을 적용하므로 고성능 감수제가 이용되고 시멘트 및 고로슬래그미분말의 특

성, 슬럼프 유지성능 등 종합적인 판단의 적절한 감수제 선택이 요구된다. 또한 70%이상의 고로슬래그가 치

환된 콘크리트에서는 낮은 초기강도 문제를 해결하기 위하여 적절한 알칼리 활성화제를 첨가하기도 한다.

한편, 시멘트를 100%대체한 알칼리 활성 슬래그 결합재는 1940년대에 개발되었지만 시멘트 산업에서의

천연자원 보존 및 CO2배출저감이라는 전 세계적 명제 앞에 1980년 후반부터 관련 연구개발이 ㄱㅂ격히 증

가하기 시작하였다. 국내에서는 2000년도 후반부터 알칼리 활성 슬래그 결합재에 대한 특허와 연구가 급증

하였다. 알칼리 활성 슬래그 결합재는 사용 알칼리금속 이온에 따라 급결이 발생할 수 있으며, 건조수축 변형

률도 시멘트 콘크리트에 비해 현저히 증가할 수 있으므로 현장 적용성을 고려한 적절한 알칼리 금속이온의


선택이 중요하다. 현재 알칼리 활성 슬래그 콘크리트의 경제성 및 실용적인 수준을 고려하면 압축강도

30~40MPa까지가 적절하다. 일반적으로 알칼리 활성 슬래그 콘크리트의 장점으로 높은 초기 압축강도 발현,

내구성, 내화학성, 저발열 및 높은 내화성능 등이 제시되고 있지만 실험적으로 증명된 사실들은 매우 부족하

므로 구조체 적용을 위한 다양하고 깊이 있는 연구들이 지속적으로 필요하다.

제강슬래그를 성토용 골재가 아닌 고부가가치의 시멘트 혼화재료로 활용하기 위한 기술개발은 2000년도

후반부터 시도되고 있다. 전기로 산화슬래그를 이용한 비정질 잠재수경성 시멘트 제조기술은 강을 제조하는

공정 중 전기 아크로에서 고철을 용융시킬 때 발생되는 1,400℃이상의 온도를 갖는 용융 산화슬래그의 현열

을 이용한다. 필요하면 열을 가아혀 이들 슬래그에 함유된 산화철에 환원제를 사용하여 금속철로 변화시키고

나머지 슬래그는 잠재수경성을 발현하는 물질로 용융상태에서 개질한 후 급냉으로 비정질 물질로 만들어 미

분쇄를 통해 금속철과 슬래그를 분리한 후 슬래그는 잠재수경성 시멘트 혼화재로 사용하는 기술이다. 이 전

기로 산화슬래그 혼화재는 고로슬래그와 비슷한 화학적 조성을 갖게 되며, 시멘트 양의 30%까지 치환될 수

있음이 보고되고 있다. 한편 환원 슬래그 분말을 이용한 초속경성 수경질 결합재 제조 기술도 제시되고 있는

데, 전기로 환원 슬래그를 고압가스로 비산시켜 상온으로 급냉처리하여 분쇄한 환원 슬래그 분말을 석고와

혼합하여 제조한 초속경성 결합재 제조 기술이다.

2.2. 특수 혼화재 기술

일반적으로 콘크리트용 혼화재는 분말도가 증가함에 따라 시멘트 수화과정 중 발생하는 수산화칼슘 및 배

합수와의 접촉 면적이 증가하여 혼화재의 반응성은 증가한다. 이러한 특성을 고려하여 혼화재로서 고로슬래

그의 분말도를 높이는 연구들이 수행되고 있다. 시멘트, 석회, 석고 등과의 조기 반응성을 높이고 고강도, 고

내구성을 가진 경화체를 형성하도록 하기 위하여 분말도가 8,000㎠/g 이상인 고로슬래그를 혼화재로 활용하

는 기술은 1990년대 후반부터 실용화되고 있다. 이들 고분말도의 고로슬래그는 특수시멘트 혼화재, 고강도,

고내구성 콘크리트르, 고가아도 그라우트 혼화재, 약액 주입용 혼화재 등으로 활용되고 있다. 한편, 최근에는

실리카 퓸을 대체하고 초고강도 콘크리트의 혼화재로 적용하기 위하여 분말도 3.6~4.49㎡/g인 나노슬래그

가 개발되고 있다.<그림1> 나노슬래그를 치환한 콘크리트의 유동성은 일반적으로 감소하나<그림2>에 나타

난 바와 같이 활성도가 실리카 퓸에 비해 높아 기존 고로슬래그의 단점인 초기강도 저하의 문제점을 해결할

수 있으며, 특히 고온하에서 폭렬저감에도 효과적임이 보고되고 있다.

일본에서는 고로슬래그를 일반 혼화재가 아닌 고강도형 셀프 레벨링제로 개발, 실용화에 성공하기도 하였


다. 이 혼화재는 고강도 타입으로 내구성이 우수하며, 옥내의 모든 바닥에 사용될 수 있는 장점이 있다. 이에

따라 학교, 병원, 공장, 주택 등의 신축바닥마감 및 콘크리트 바닥의 보수 등에 이용되고 있다.

2.3. 골재활용기술

콘크리트용 철강슬래그 골재관련 규격으로는 KS F 2544(콘크리트용 고로슬래그 골재), KS F 4571(콘크리

트용 전기로 산화슬래그 잔골재), KS F 2543(콘크리트용 동슬래그 골재), KS F 2583(콘크리트용 연슬래그

골재)등이 있다. 고로슬래그 골재의 경우 용광로에서 선철과 동시에 생성되는 용융슬래그를 서냉한 고로서냉

슬래그를 파쇄하여 고로슬래그 굵은골재를 제조하고, 물, 공기 등에 의해 급냉한 후 입도 조정하여 고로슬래

그 잔골재를 제조한다. 이때 가능하면 둥근형으로 파쇄하여 굵은골재로 사용하고, 콘크리트 표면에 발생하는

녹에 의한 오염을 막기위해 철입자 제거장치를 설치한다. 고로슬래그 잔골재는 단독으로 콘크리트용 골재로

사용할 수도 있지만 실제 사용에서는 입도 조정이나 바다모래 사용시 염분함유량 저감 등의 목적으로 천연모

래와 혼합하여 사용하며, 또한 고로슬래그 잔골재 특유의 성질로 일평균 20℃이상의 고온에서 저장할 때 골

재 적치장에서 골재끼리 뭉치는 현상(잠재수경성)이 있기 때문에 시험 성적표에 저장의 안정성을 고려하여

고결되기 쉬운것과 고결되지 않는 것을 구분해 놓거나 천연골재와 혼합하여 저장해야 한다. 고로슬래그 골재

사용이 활발한 일본의 경우 고로슬래그 굵은 골재는 1927년에, 고로슬래그 잔골재는 1974년에 처음 사용이

되었고, 2009년 기준으로 고로슬래그 굵은골재 및 잔골재 각각 약 25만톤 및 180만톤이 사용되었다.

철강슬래그 중 제강슬래그는 Free CaO에 의한 팽창붕괴성 때문에 건설재료로 재활용하는데 많은 제약을

받으며, Free CaO를 적게는 0.1%에서 많게는 20%까지 다양하게 함유하고 있다. Free CaO의 함량이 1%이

상이 되면 Free CaO는 슬래그 내부로 침투되는 물과 반응하여 Ca(OH)2의 생성과 더불어 체적팽창을 일으

<그림1> 나노슬래그의 EDS분석 및 SEM이미지 <그림2> 나노슬래그의 EDS분석 및 SEM이미지


켜 제강 슬래그의 붕괴를 초래한다. 이러한 문제 때문에 제강슬래그 처리는 일반적으로 용융된 슬래그를 서

냉시키고, Free CaO에 의한 팽창 붕괴성을 방지하기 위하여 약 6개월에서 1년간 야적에 의해 에이징한 후

도로용 노반재 등으로 사용하고 있다. 하지만 제강슬래그의 고부가가치 재활용에 대한 기술들이 개발되면서

최근 용융된 제강슬래그를 급냉하여 제강슬래그 중의 Free CaO를 화합물 상태로 존재시켜 Free CaO의 생

성량을 감소시키는 방법 및 이를 사용한 모르타르 및 콘크리트에 대한 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고

있으며, 제강슬래그, 바텀애시, 석분슬러지를 소성하여 인공경량골재를 제조하는 시도도 이루어지고 있다.

최근 국내에서도 슬래그의 고품질 골재활용을 위하여 다양한 기술들이 개발되고 있다. 고압가스 분사 및 급

속 공기냉각에 의한 용융 상태의 제강슬래그 재활용 기술은 기존의 서냉 공기냉각법에 의한 제강 슬래그 처

리공정에 비해 Free CaO방출이 적고 에이징 공정이 필요 없어 전력사용량이 적은 특징을 갖고 있다. 이와

같은 기술로 제조된 골재는 일명 PS Ball로 명명되며, 비교적 높은 내구성과 중량이 요구되는 철도 침목등에

실용화되기도 한다. 한편, 현대제철에서는 전기로 산화슬래그의 비중을 줄이기 위하여 20~30% 정도의 높은

철 성분을 제거하여 천연골재 수준의 비중을 갖는 제품개발이 성공단계에 있음을 발표하기도 하였다. 또한

고로슬래그에 포함된 산화마그네슘의 팽창을 막고 상태를 안정화 시킨 고로슬래그에 나노기술을 접목하여

천연모래를 대체할 수 있는 슬래그 모래도 개발되었다.

2.4. 기타

이외에도 콘크리트 제품은 아니나 제철용 용광로에서 나오는 슬래그를 원료로 하여 솜처럼 만든 무기섬유

를 제조하기도 하는데, 이를 슬래그 화이버 또는 슬래그울이라고도 한다. 고로슬래그에 고압의 증기를 분사

하여 섬유상으로 만든 것으로써, 경우에 따라 고로슬래그와 자연광석을 고온에서 용융시켜 섬유상으로 만든

미네랄울을 주원료로 하여 가볍고 보온 능력이 뛰어난 단열재, 불연재 및 흡음재 등을 제조하기도 하며, 사용

온도는 500~650℃ 정도이다. 또한 건식 나노 분쇄기술을 이용해 슬래그를 나노 크기로 분쇄한 뒤 이를 고성

능 접착재 원료와 고급 페인트 혼화재, 특수 고무 혼화재, 특수 플라스틱 혼화재 등의 고기능성 신소재를 만

드는 기술들도 연구 중에 있다.

3. 맺음말

철강산업의 부산물인 슬래그는 재활용하기에 성능면에서나 경제 및 환경보호 측면에서 부족함이 없는 자원

이다. 특히, 전 세계의 지속가능 발전이라는 명제하에 슬래그의 고부가가치 재활용에 대한 기술들이 급격히


증가하고 있는데, 고로슬래그는 단순히 시멘트 혼화재에서 저발열, 고강도, 고내구성의 하이볼륨 슬래그 시

멘트 및 시멘트 100% 대체의 알칼리 활성 슬래그 결합재료 발전되고 있다. 뿐만 아니라 성토용 및 잡석용으

로 단순 재활용되던 제강슬래그도 고부가가치 활용으로 전환되면서 시멘트 치환 혼화재로 이용되기 위한 기

술 및 나노기술과 접목한 고품질의 모래와 급속 공기냉각방식을 적용한 PS Ball 등의 천연골재 치환기술로

발전하고 있다. 2015년 이후 슬래그 생산량이 현재의 약1.5배 이상이 예상되고, 저탄소/재활요에 대한 요구

는 더욱 증가할 것으로 전망됨에 따라 슬래그의 고부가가치 콘크리트 재활용 기술은 더욱 다양하게 발전할

것으로 사료된다.

<출처 : 한국콘크리트 학회지 제24권 6호, 최세진 박사 / 양근혁 교수>


Cement & Concrete Terms

■ 콘크리트 구성재료 규격(국내외)

포틀랜드 시멘트

종 류

항 목

KS L 5201 ASTM C 150 JIS R 5210

보통 (1종)

중용열 (2종)

조강 (3종)

저열 (4종)

내황산염 (5종)

보통 (1종)

중용열 (2종)

조강 (3종)

저열 (4종)

내황산염 (5종)

보통 (1종)

중용열 (2종)

조강 (3종)

저열 (4종)

내황산염 (5종)

혼합재 함유량 5.0이하 5.0이하 5.0이하 5.0이하 5.0이하 - - - - - 5.0이하 - - - -

화

학

성

분

(%)

산화마그네슘(MgO) 5.0이하 5.0이하 5.0이하 5.0이하 5.0이하 6.0이하 6.0이하 6.0이하 6.0이하 6.0이하 5.0이하 5.0이하 5.0이하 5.0이하 5.0이하

실리카(SiO2) - 20이상 - - - - 20이상 - - - - - - - -

산화알루미늄(Al2O3) - 6.0이하 - - - - 6.0이하 - - - - - - - -

산화제이철(Fe2O3) - 6.0이하 - - - - 6.0이하 - - - - - - - -

삼산화황

(SO3)

C3A 8%이하 3.0이하 3.0이하 3.5이하 2.3이하 2.3이하 3.0이하 3.0이하 3.5이하 2.3이하 2.3이하 3.0이하 3.0이하 3.5이하 3.5이하 3.0이하

C3A 8%초과 3.5이하 - 4.5이하 - - 3.5이하 - 4.5이하 - - - - - - -

강열감량 3.0이하 3.0이하 3.0이하 2.5이하 3.0이하 3.0이하 3.0이하 3.0이하 2.5이하 3.0이하 3.0이하 3.0이하 3.0이하 2.5이하 3.0이하

불용해 잔분 - - - - - 0.75이하 0.75이하 0.75이하 0.75이하 0.75이하 - - - - -

C3S - - - 35이하 - - - - 35이하 - - 50이하 - - -

C2S - - - 40이상 - - - - 40이상 - - - - 40이상 -

C3A - 8.0이하 15이하 7.0이하 5.0이하 - 8.0이하 15이하 7.0이하 5.0이하 - 8.0이하 - 6.0이하 4.0이하

C3S+C3A -

C4AF+2(C3A), 혹은

(C4AF+C2F)고용체

- - - -

25이하

- - - -

25이하

- - - - -

- - - - - - - - - - - - -

물

리

성

능

분말도(㎠/g) 2800이상 2800이상 2800이상 2800이상 2800이상 2800이상 2800이상 - 2800이상 2800이상 2500이상 2500이상 2500이상 2500이상 2500이상

안정도(%) 0.8이하 0.8이하 0.8이하 0.8이하 0.8이하 0.8이하 0.8이하 0.8이하 0.8이하 0.8이하 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하

응결

시간

길모아

초결(분) 60이상 60이상 60이상 60이상 60이상 60이상 60이상 60이상 60이상 60이상 - - - - -

종결(시

간) 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하 - - - - -

비카

초결(분) 45이상 45이상 45이상 45이상 45이상 45이상 45이상 45이상 45이상 45이상 60이상 45이상 45이상 60이상 60이상

종결(시

간) 6.25이하 6.25이하 6.25이하 6.25이하 6.25이하 6.25이하 6.25이하 6.25이하 6.25이하 6.25이하 10이하 10이하 10이하 10이하 10이하

수화열

(cal/g)

7일 - 70이하 - 60이하 - - 70이하 - 60이하 - - 290이하 - 250이하 -

28일 - 80이하 - 70이하 - - - - 70이하 - - 340이하 - 290이하 -

압축강도

(㎏f/㎠)

1일 - - 130이상 - - - - 126이상 - - - - 102이상 - -

3일 130이상 110이상 250이상 - 90이상 126이상 105이상 246이상 - 85이상 128이상 77이상 204이상 - 102이상

7일 200이상 180이상 280이상 75이상 160이상 197이상 175이상 - 70이상 155이상 230이상 153이상 332이상 77이상 204이상

28일 290이상 285이상 310이상 180이상 210이상 - - - 175이상 211이상 434이상 332이상 485이상 230이상 408이상

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