참고자료 [27기 2조] 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 특성

[27기 백현균]

 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 특성.docx

플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 특성 

플라이애쉬의 입자는 대부분이 구형으로 콘크리트 믹싱시 골재와의 접촉면에서 볼 베어링(Ball-Bearing과 같은 작용을 하여 시멘트풀과 골재와의 사이에 마찰저항을 줄여주므로서 콘크리트의 워커빌리티를 개선, 증대시키며 단위 수량과 물 시멘트비도 아울러 감소시키는 효과를 가지고 있다. 플라이애쉬를 콘크리트용 재료로 사용하므로서 보통 포틀랜드 시멘트만으로 만족시킬 수 없는 콘크리트의 제성질을 개선 내지는 향상시킬 수 있는 장점을 유효 적절하게 잘 이용, 산업폐기물의 재활용이나 원료 절감의 경제성 면에서도 유리한 이점을 기대할 수 있다. 

I. 머리말 

플라이애쉬란 화력발전소 등에서 미분탄을 연소했을 때 생기는 폐가TM 속에 포함되어 있는 탄의 미립자를 집진기에 의하여 포집한 것으로서 포틀랜드시멘트 크링커와 함께 분쇄하여 혼합한 것을 플라이애쉬시멘트라하며, 한쳔 플라이애쉬를 시멘트와 조치하여 혼화제로도 사용한다.

플라이애쉬는 인공포졸란에 속하며 그 자체는 수경성이 없으나 실리카물질이 석회와 물에 의하여 상온에서 서서히 반응을 일으켜 안정된 불용성화합물을 생성하여 정화하는 성질을 가지고 있다. 양질의 플라이애쉬를 콘크리트용 재료로 사용하므로써 굳지 않은 콘크리트의 워커빌리티를 개선하며, 수화열을 완화시켜 주고, 경화한 콘크리트의 경우에는 장기재령에서 강도의 증진, 수밀서으 내구성의 향상 및 건조수축을 감소시켜주는 좋은 특성을 가지고 있으며 이외에도 시멘트량을 절감시켜 주며 산업폐기물의 유효이용이라는 측면에서 애쉬를 최초로 사용할 당시만 하더라도 댐과 같은 매시브한 콘크리트나 그의 수리구조물등에 시멘트의 혼화제로 사용하는 정도에 불과하였으나 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 재성질에 관한 연구성과와 사용실적이 많아지면서 점차로 그 사용범위와 용도가 확대되었다.

그러나 일시적으로 석탄을 주연료로 사용하던 화력발전소가 연료를 기름으로 바꾸면서 플라이애쉬의 생산량이 급격히 감소되었으며 질이 좋은 플라이애쉬의 품귀현상으로 콘크리트용 플라이애쉬의 사용실적이 정체기를 맞은적이 있었으나 1973년 오일쇼크 이후 석유계 연료를 석탄으로 환원하면서 플라이애쉬의 생산량이 세계적으로 증가하는 추세에 있으며 각국에서는 콘크리트용 재료로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 최근 대기오염에 대한 규제강화로 질산이나 아황산가스의 배출을 저감시키기 위한 조치를 취라므로써 연소가 불충분하여 플라이애쉬의 성분 중 CaO 및 미연소탄소량이 증가하여 이런 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 블리딩, 이상응결현상, 슬럼프의 손실, 미연소탄소의 흡착으로 인한 감수제, AE제, 지연제의 사용량의 증가, 경화불량현상, 수축증대현상 및 내구성의 저하 등이 문제점으로 대두되면서 플라이애쉬의 품질변화에 따른 콘크리트의 품질변동에 대한 콘크리트 기술자들의 관심이 높아지고 있다.

본 원고에서는 플라이애쉬 콘크리트에 관한 연구방향을 제시하는데 도움을 주기 위하여 플라이애쉬를 사용한 콘크리트에 관하여 지금까지 발표한 연구성과와 문헌들을 검토하여 정리하였다. 

II. 플라이애쉬 콘크리트의 연혁

플라이애쉬를 콘크리트에 사용하기 위한 착상은 1914년 ENGINEERING NEWS RECORD에 "AN INVESTIGATION OF THE POZZOLANTIC NATURE IN COAL ASH"란 제목으로 발표된 바 있으며, 플라이애쉬란 용어는 1937년 DAVIS등의 연구문헌에 최초로 사용되었다고 하며 이미 이 시간에 플라이애쉬에 관한 연구가 활발히 진행되었다고 한다. 그리고 플라이애쉬를 콘크리트용 혼화제롤 사용한 대표적인 예로서는 1948년에서 1953년 사이 미국개척국에서 건설한 댐 높이 159m, eoacpwjr 232만㎥의 중력식 댐인 HUNGRY HORSE DAM을 들 수 있다.

이러한 플라이애쉬의 사용실적으로 인하여 1940년대에는 미국의 댐이나 수리구조물 등에 플라이애쉬의 공급이 크게 늘어났으며 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 실용성도 높이 평가되어 세계각국에 급속히 보급되었다. 이에 따라 플라이애쉬의 사용 및 실용화에 관한 RBRURR을 제정하기에 이르렀으며 미국의 경우 1948년 1953년에 플라이애쉬에 관한 규정을 제안하여 개정을 거쳐 1954년에 ASTM C 350~40T로 제정되었다. 이 ASTM C 350의 규정은 몇차례의 개정을 거쳐 1960년에는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 포졸란 및 굳지않은 콘크리트의 워커빌리티와 성형성을 개선하는 광물질 혼화제로서 규정의 범위를 넓히게 되었으며 1968년 ASTM C 402의 포졸란에 대한 규정과 ASRM C 350 규정을 합하여 ASTM C 618 규정을 만들었다 그 이후 1977년 ASTM C 618 규정에 CLASS C FLY ASH를 포함시키도록 개정하여 현재에 이르고 있다. 일본의 경우에는 1958년, 소련과 영국은 각각 1963년과 1965년, 우리나라 공업규격에는 1964년 KSL5405와 1979년 KSF 4049로 플라이애쉬에 관한 규격이 제정되었다.

그러면 몇몇 플라이애쉬 생산국별 플라이애귀 생산량과 유효사용량을 정리하면 <표1>과 같다. 이 표에서와 같이 솔연의 경우 1978년 연간생산량이 8천만톤이나 되며 미국의 경우에는 유효사용량이 24.1%나 됨을 알 수 있다. 1979년 미국내에서 생산된 레디믹스트 콘크리트의 37% 정도에 플라이애쉬를 사용했다고 하며, 콘크리트에 사용한 플라이애쉬의 양은 190만톤 정도로서 포틀랜드 시멘트 소비량의 약 10% 정도에 해당된다고 한다. 플라이애쉬를 콘크리트에 사용한 대표적인 연구 성과를 몇몇 간추려보면 다음과 같다.

미국의 RE. DAVIS등은 버클리의 캘리포니아 대학과 공동연구의 경과로서 플라이애쉬의 사용, 규종 및 시험방법에 대한 큰 공헌을 세웠다.

일본의 경우에는 國益과 제5회 국제시멘트 화학 심포지움에서 자신의 연구결과와 많은 문헌을 이용하여 플라이애쉬 시멘트와 콘크리트의 전반에 관한 것을 집약 시킨 주논문을 발표하는등 몇차례 우수한 연구성과를 보고한 바 있으며 山崎는 플라이애쉬가 굳지않는 콘크리트에 대한 메커니즘과 경화한 콘크리트에 있어서 미분말 효과등에 대한 연구내용을 발표하고 있다. 최근에는 BERRY, MAHOTRA가 플라이애쉬 사용방법에 관한 연구보고서에서 다음 3가지 사용법을 제안하고 있다. (1) 잔골재의 일부로 사용하는 방법 (2) 시멘트 결함재의 일부분으로 사용하는 방법 (3) 시멘트와 잔골재의 일부를 대체하여 사용하는 방법 이외에도 플라이애쉬를 사용한 콘크리트에 관한 연구성과들리 세계각국에서 많이 발표되었다. 

<표1> 세계각국의 플라이애쉬 생산량과 유효사용량

나 라 명	연간 생산량 (x100만톤)		한사람당 생산량(톤/년)	유효 사용량(%)
소 련 미 국 체 코 서 독 동 독 폴 란 드 영 국 루 마 니 아 프 랑 스 헝 가 리 불 가 리 아	80.0 68.2 16.3 15.0 15.0 15.0 11.9 7.0 5.2 5.1 5.0	1978 1978 1977 1977 1977 1977 1977 1977 1978 1980 1977	0.31 0.31 1.10 0.25 0.89 0.44 0.21 0.33 0.10 0.48 0.57	5.0 24.1 6.8 56.8 18.0 36.7 38.8  41.5 7.0 2.0

III. 플라이애쉬의 품질에 관한 고찰

1. 플라이애쉬의 화학성분 및 조성 

플라이애쉬의 화학성분은 원탄의 성분에 크게 좌우될 뿐만 아니라 또한 각 나라별, 지역별, 제조공장 및 시기에 따라 다소 다르므로 균일하고도 양질인 플라이애쉬를 얻기는 쉽지 않은 것 같다. 참고로 몇 개국에서 생산되는 플라이애쉬의 화학성분을 소개해 보면 <표2>와 같다. 

<표2> 플라이애쉬의 화학성분(%)

나 라 명	loss onignition	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O
불가리아 동 독 헝 가 리 폴 란 드 루마니아 소 련	0.5-19.7 0-12 1.0-5.0 1.0-10 0.2-4.5 0.5-22.5	40-60 28-52 41-60 35-50 39-53 36-63	12-32 11-33 16-34 6-36 18-29 11-40	5-16 10-15 5-17 5-12 7-16 4-17	4-12 2-32 1-11 2-35 3-13 1-32	1 -5 1 -3 1 -7 1 -4 1 -4 0 -5	0.8-9.6 0.4-2.7 0.5-7.0 0.1-8.0 0.5-5.9	0-2.2 0.1-2.7 0.3-2.2	0.2-2.5 0.1-2.0 0.1-1.8
서 독 미 국 프 랑 스 영 국	1.5-20 1-18 0.3-15.2 0.6-11.7	31-50 32-52 29-51 41-51	21-29 14-28 10-33 23-21	8-21 8-31 5-15 6-14	2-12 11-12 1-39 1-8	1 -5 0 -2 1 -5 1.4-3	0.1-2.1 0-3.0 0.1-7.0 0.6-6.8	0.7-6.0 1.8-4.2	0.1-0.9 0.2-1.9

이 표에서 알 수 있듯이 플라이애쉬의 각 화학성분 비율의 범위가 상당히 큰 것이 특징이라 할 수 있겠으며 또한 국가별로 화학성분이 매우 상이함을 알 수 있다.

화학설분 비율을 살펴보면 SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃순이며 이중에서 포졸란활성에 기여하는 성분은 주로 SiO₂와 AL₂0₃로 알려져 있으며 SiO₂의 함유비율에 따라 포졸란 활성이 크게 달라진다고 한다.

山崎는 포졸란과 수화생성물 사이의 관계에 포졸란속에 반응성이 있는 Al₂0₃성분이 적을 경우 주로 C-S-H가 수화생성물이 되며 Al₂O₃성분이 많을 경우 C-S-H와 함께 ETTRINGITE (3CaO ·Al₂O₃ ·3CaSO₄ ·32H₂O), MONO-SULFATE가 생성된다고 한다.

플라이애쉬의 포졸란반응을 평가하는데는 플라이애쉬의 화학성분과 함께 상조성(PHASE COMPOSITION)의 정량을 들 수 있으며 플라이애쉬의 상조성은 석영, MULLITE(3Al₂O₃·2SiO₂)와 유리질로 이루어져 있다. 그래서 특히 포졸란활성에 기여도가 큰 SiO₂양을 각국에서는 규정하고 있으며 ATSM에서는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃를 합한 양으로서 CLASS N과 CLASS F 플라이애쉬는 70%이상, CLASS C 플라이애쉬는 50% 이상으로 규정하고 있으며 우리나라 공업규격 KSL 5405의 플라이애쉬 규정은 플라이애쉬의 종류를 구분하지 않고 이들의 총량을 70% 이상으로 정하고 있다. 플라이애쉬의 화학성분 중에서 탄소함유량은 강열감량에 영향을 미치며 콘크리트 믹싱시 유기혼화데를 흡착하여 그 기능을 방해하는 작용을 한다고 한다. 특히 강열감량이 큰 플라이애쉬는 AE콘크리트에 사용할 경우 공기량의 관리가 어려우므로 플라이애쉬를 사용한 콘크리트에 AE콘크리트를 사용할 경우 소요의 공기량을 유지하기 위한 조치와 관리가 요망된다고 한다. 

2. 플라이애쉬의 물리적 성질

플라이애쉬의 물리적 성질을 비중, 생긴모양 및 분만도로서 평가해보면 다음과 같다. 플라이애쉬의 비중은 화학성분 중의 Fe₂0₃량에 의하여 좌우되며 일반적으로 1.95~2.40 정도의 범위에 있으며 비중이 다소 작은 편이어서 통풍이 잘되는 곳에서는 비산하기 쉬우므로 취급시 유의할 필요가 있다.

플라이애쉬의 모양은 거의 대부분이 구형이지만 구가 연결된 형태로 존재하는 경우도 있으며 비교적 큰입자가운데는 중앙부분이 비어있는 것도 있으며, 내부에 미세한 구상입자가 생선의 알과 같은 모양으로 채워져 있는 경우도 있다고 하며, 조개껍질모양, 또는 불규칙한 형상의 입자도 있으나 대부분의 플라이애쉬 입자는 구모양으로 되어 있으며 이러한 점이 다른 포졸란에서는 발견할 수 없는 특징에 해당되며 플라이애쉬가 워커빌리티를 개선하는 가장 큰 요인이 된다고 한다.

한편 플라이애쉬의 분말도는 SiO₂의 함유량과 함께 포졸란 활성을 지배하는 중요한 성질로서 굳지않은 콘크리트의 워커빌리티를 향상시키는 요인 중의 하나이다. 플라이애쉬의 포졸란활성과 관련되는 분말도 시험 방법에 Blain's의 공기투과 방법은 동일공장내의 플라이애쉬 분말도를 평가하는데는 신뢰성이 인정되지만 다른 공장의 플라이애쉬와 비교평가 할 경우 비중, 입도분포, 생긴 모양 및 탄소함유량 등에 따라 시험값이 다를 경우가 있으므로 그 신뢰성에 의문을 제시한 보고가 있다. 이와 관련하여 44μ체 잔류량에 의한 분말도 평가방법이 제안되고 있다. Brink와 Halstead는 플라이애쉬의 포졸란활성이 44μ체 통과량과 관련이 있다고 보고 하고 있으며 ASTM 규정에서는 Class F, Class C 플라이애쉬의 45μ체(No325)에 남는 최대 잔류량을 각각 34%로 규정하고 있다. 그리고 이 규정에서는 분말도 이외의 물리적 성질로서 포졸란반응지수, 안정성 및 균일성에 대해서도 언급하고 있다. 

Ⅳ플라이애쉬를 사용한 굳지 않은 콘크리트의 성질에 대한 고찰

1, 워커빌리티에 미치는 영향

앞에서도 언급한 바와 같이 플라이애쉬의 입자는 대부분이 구형으로 콘크리트믹싱시 골재와의 접촉면에서 볼베어링(ball-bearing)과 같은 작용을 하여 시멘트풀과 골재와의 사이에 마찰저항을 줄여 주므로서 콘크리트의 워커빌리티를 개선, 증대 시키며 단위수량과 물 시멘트 비도 아울러 감소시키는 효과를 가진다. <그림1>은 모르터 단위수량과 시멘트풀-공극용적비와의 관계를 나타낸것으로서 플라이애쉬의 종류와 대체율에 따른 콘크리트의단위 수량을 구한 것이다. 이 그림에서는 플라이애쉬를 사용한 모르터의 경우 플라이애쉬의 종류와 분말도에 관계 없이 보통 모르터 보다 단위수량이 적게 요구되는 것을 알 수 있으며 그 정도는 제조 공장에 따라 약간의 상이함을 알 수 있다.

이와 유사한 경향으로 國分은 플라이애쉬 20종류, 대체율 25%인 콘크리트의 연구실험 결과에서 단위 수량의 감소율이 4-11% 범위에 있음을 보고하고 있다. 한편 山崎는 블리딩속도 시험에서 구한 보수게수를 플라이애쉬 입자의형상 표면 상태와 관련 시키므로 플라이애쉬의 구형 입자가 콘크리트의 워커빌리티를 개선시키는 원인이 됨을 증명하였다. 블리딩 속도는 다음식을 사용하여 구하였다. 

Q =	Kog(dc-df)	·	(ε-ωf)³
	η(dcσ)²		1-ε

여기서

Q :블리딩속도

g :중력가속도

d_c :분체의 비중

d_f :액체의 비중

η :액의점성계수

σ :분체의 비표면적

ε :paste단위용적중의 액의용적 (porosity)

이 외에도 플라이애쉬의 사용은 콘크리트속의 잔골재의 미립분에 의한 상승수의 길을 차단하여 블리딩량을 감소시켜주며 굳지않은 콘크리트의 점성과 성형성을 증대시켜주므로써 재료분리에 대한 저항성을 향상시켜 주는 기대도 기대할수 있다. <그림2>는 보통 콘크리트와 플라이애쉬 사용 콘크리트의 블리딩을 비교한 것으로 플라이애쉬를 사용한 콘크리트가 블리딩량의 감소에 큰 효과가 있음을 알수 있다.

2. 유기혼합제의 흡착에 따른 영향 

플라이애쉬에 유기혼화제가 흡착하는 현상은 플라이애쉬의 성질과 유기혼화제의 분자구조와 관계 되며, 흡착력은 음이온계 계면활성제에 비하여 비이온계의 경우가 약간 낮다고 한다. 그 이유는 비이온계 계면활성 분자가 고체 표면에 수편으로 흡착하기 때문에 흡착 단면적에 음이온계나 양이온계 계면활성제에 비해 크기 때문이라고 한다.

플라애쉬에 유기혼화제의 흡착은 플라이애쉬중의 미연소 탄소로 인한 것으로 흡착량은 미연소 탄소량에 비례하며 이연소 탄소량의 2% 전후에서 거의 포화에 달하였다는 보고가 있다.

그런데 미분말 재료를 사용한 콘크리트의 공기량은 미립자의 영향으로 인해 약간 감소되는 경향이 있다고 한다. 일반적으로 워커블한 콘크리트를 잘 다지는 경우 대체로 1% 정도의 공기량이 존재하게 되나 플라이애쉬를 사용할 경우 0.5%정도로 줄어 든다고 한다. 플라이애쉬를 콘크리트에 사용할 경우 미립자의 사용에 의한 공기포의 감소와 함께 특히 AE제를 사용할 경우 미연탄소에 AE제가 흡착 하므로써 AE제의 농도가 감소되기 때문에 시멘트의 일부를 플라이 애쉬로 대체한 콘크리트의 경우 소요의 공기량을 얻기 위해선 AE제의 사용량을 증가 시켜 주어야 한다. 吉越은 시멘트의 20%를 플라이애쉬로 대체했을 경우 AE제의 양이 3~5배 정도 더 요구되었다는 실험결과를 발표한바 있다. <그림3>은 Tennessee Valley Authority가 행한 실험에 의한 결과로서 시멘트량을 모르터 용적의 12%, 8%, 4%로 하고 플라이애쉬를 시멘트량의 20%에서, 100%까지 혼화하였을 때 모르터의 공기량을 10%로 유지하기 위해 필요한 AE제 소요량을 나타낸 것이다. 이 그림에서 플라리애쉬의 혼화량이 많을수록 AE제 소요량이 현저하게 증가하는 것을 알수 있다.

한편 Lane은 플라이애쉬 중의 미연탄소는 플라이애쉬의 강열감을 증가 시키며 강렬감과 AE제 소요량과의 사이에는 직선관계가 있다고 보고 있다. 이러한 연구와는 달리 최근에 와서 플라이애쉬 성분중에 비교적 알카리를 많이 함유하고 있는 Class C 플라이애쉬에 대한 관심이 높아 지면서 플라이애쉬중의 알카리가 AE 공기에 미치는 영향이 검토되고 있다. Pistille는 콘크리트 혼합수 중 알카리의 중량이 1.0% 보다 크고 1.5~2.0%보다 작을EO Vinsol resin type의 공기연행제에 대한 AE공기의 간격계수 (Spacing factor)가 커진다고 보고 하고 있다. 

3. 응결과 슬럼프손실에 미치는 영향. 

플라이애쉬를 사용한 굳지 않은 콘크리트의 응결 시간은 보통 콘크리트 보다 약간 늦어지는 것이 일반적이며, 응결리 늦어지는 이유는 플라이애쉬의 분말도 화학조성 및 콘크리트의 배합의 영향 때문이라고 한다. 특히 화학조성 중에는 미연소 탄소량이 많을 수록응결시간을 지연시키는데 크게 영향을 미친다고 한다. 탄소함유량이 굳지않은 콘크리트의 응결시간에 미치는 영향에 관한 실험 결과를 나타낸 것이 <표3>이다.

<표3> 플라이애쉬중의 탄소함유량이 응결시간에 미치는 영향

Fly ashsource	Cement(g)	Fly ash(g)	Waster(㎖)	LOI(%)	응결시간(h:min)
					초 결	종 결
Control Gallation Kingston Colbert Watts bar	650 406 406 406 406	0 244 244 244 424	165 169 169 186 243	- 2.35 3.16 10:45 15:68	2:10 3:25 4:00 4:20 6:25	3:55 4:40 5:05 6:35 7:10

이 표에서 시멘트의 60%를 플라이애쉬로 대체했을 때 탄소함유량이 많은 경우 즉 강열감이 큰 플라이애쉬를 사용한 경우의 종결시간이 2배정도까지 지연되는 결과를 나타냄을 알수 있다.응결이 지연되는 주된 원인은 시멘트의 수화에 의하여 생성된 Ca(OH)₂가 플라이애쉬 입자에 흡착하여 수화초기에 있어서 Ca(OH)₂의 농도를 낮추어 주므로써 C₃S의 수화를 억제하기 때문이라고 설명하고 있다. 한편 플라이애쉬의 사용은 콘크리트의 시간경과에 따른 슬럼프 손실을 감소시키는데 유효하다고 한다. <그림4>의 애쉬의 대체율을 달리하여 혼화한 콘크리트의 슬럼프 손실을 나타낸 Ravina의 연구결과로서 플라이애쉬의 대체율이 클수록 또한 강열감량이 클수록 시간경과에 따른 슬럼프 손실을 억제하는데 효과가 있음을 알 수 있다.

그럼데 內川에 의하면 유기혼화제르 첨가한 경우에 비이온계의 혼화제를 사용한 콘크리트에 비하여 시간 경과에 따른 슬럼프 손실이 크게 나타났다고 한다.

Ⅴ. 플라이애쉬를 사용한 경화한 콘크리트의 성질에 대한 고찰

1. 재령과 강도와의 관계 

플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 포졸란반응에 관한 연구보고는 많으나 재령에 따라 매우 다양하므로 초기 재령에서 콘크리트에 사용된 플라이애쉬의 특성을 파악하기는 쉽지 않다고 한다. 산포는 단위시멘트량 270㎏의 콘크리트에 플라이애쉬를 25% 첨가한 콘크리트와 플라이애쉬를 사용하지 않은 콘크리트의 슬럼프값을 동일하게 취하여 상온에서 양생한 후 강도시험을 실시한 결과 포졸란반응을 기대하기 어려운 초기 재령에서 플라이애쉬를 첨가한 콘크리트의 강도가 얼마간 크게 나타났다고 한다. 그 원인으로서는 플라이애쉬 속의 광물질 미분말이 시멘트입자 주변의 수화물 석출공간을 확장시켜 시멘트 수화량을 증가시키는데 있다고 추정하여 이를 미분말효과라 하였다. 川田은 플라이애쉬를 혼합한 시멘트풀의 초기수화열에 관한 실험에서 플라이애쉬의 미분말효과의 타당성을 입증하였다.

fc'=3250	(	C+P	-0.5)	-0.6F2
		W

한편 Popovics는 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 재령 28일 강도를 추정하는 식으로 다음식을 추천하고 있다.

여기서,

F : 100P/(C+P), P : 포졸란(플라이애쉬)의 양, W : 단위수량, C : 단위시멘트량

稼山은 플라이애쉬 콘크리트와 표준양생한 재령 28일 강도가 같도록 프라이애쉬양을 정한 콘크리트 포장판의 코아공시체의 압축강도를 실험한 결과 재령 3개월에서는 보통 콘크리트 강도와 거의 같았으나 재령 10년에서는 120%로 증진된 결과를 나타냈다고 한다. 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 장기재령의 강도증진에 관해서는 國分의 연구실험 결과도 유사한 경향을 나타내고 있다. 한편 Legg는 재령5년에서 보통 콘크리트의 강도가 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 강도보다 크게 나타났다고 한다. 그러나 플라이애쉬를 콘크리트에 사용하므로써 유해하였다는 연구결과는 발견되지 않고 있으며 오히려 보통 콘크리트의 약점에 해당되는 흼강도를 개선하는데 효과가 있었다는 보고가 있다.

2. 콘크리트의 수화열 및 양생온도와 강도의 관계

단면이 크고 매시브한 콘크리트 구조물을 여름철에 시공할 경우 시멘트량이 크거나 조강시멘트 등을 사용하게 되면 시멘트의 수화반응으로 발생하는 수화열은 무시할 수 없을 만큼 크다.

Davis는 콘크리트의 수화열은 줄여주기 위하여 시멘트의 일부를 플라이애쉬로 대체하므로서 수화열발생속도를 완화시켰다고 하며 재령 28일에서 수화열 감소율은 정비례 하지는 않지만, 플라이애쉬 대체율의 절반정도의 비율로 감소된다고 한다.

고야는 보통 포틀랜드 시멘트의 일부를 플라이애쉬로 대체한 콘크리트를 10℃, 20℃ 및 30℃ 온도로 양생한 다음 압축강도시험을 실시하였으며 양생온도가 상승하는데 따른 콘크리트의 장기강도 신장율의 저하를 줄였다고 한다.

또한 Kokubu 등은 100℃이상의 고온지반을 통과하는 취수용 압력터널의 라이닝용 콘크리트에 시멘트의 25%를 플라이애쉬로 대체한 콘크리트를 사용하므로써 좋은 성과를 얻었다고 한다. 그래서 콘크리트의 양생 온도에 따른 플라이애쉬의 포졸란반응 특성을 이용하여 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 낮은 초기강도를 보완하는 방법으로 상온중기양생과 오토클레이브 양생 방법등이 응용되고 있다. Hope는 오토클레이브 양생한 콘크리트 강도, 탄상계수 및 공극율에 관해 고찰한 보고에서 CaO/SiO₂비에 따른 콘크리트의 강도변화로부터 최적 CaO/SiO₂비를 구하고 이 값보다 낮은 CaO/SiO₂ 비에서는 콘크리트의 강도가 낮게 나타나기 때문에 시멘트와 플라이애쉬 성분중의 CaO/SiO₂비를 높여야 하며 최적 CaO/SiO₂비에서의 강도는 물시멘트비에 의한 것보다는 W/CaO비의 관계로 고려하는 것이 타당한 것으로 보았다. 

3. 체적변화에 미치는 영향 

포틀랜드 시멘트를 플라이애쉬로 대체한 콘크리트의 수화열이 보통 콘크리타보다 얼마간 낮은 점은 <그림7> 알 수 있으며 수화열의 발생량이 작은 점이 콘크리트의 건조수축을 줄이는데 효과가 있을 것으로 생각된다.

그래서 國分의 연구실험 내용을 살펴보면 양질의 플라이애쉬를 사용한 콘크리트를 1개월 정도 건조시켰을 때 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 건조수축량이 약 5%정도 감소되었을며 6개월이상 건조시켰을 때 15∼20% 정도 감소되었다고 보고하고 있다.

이번에는 Brink의 10×10×75㎝공시체를 90일간 습윤양생한 후 온도 21℃, 습도 50%의 실내에서 건조시킨 다음 길이 변화를 측정한 결과를 정리한 것이 <그림8>이다.

이 그림에서 포틀랜드 시멘트 만을 사용한 보통 콘크리트에 비해 플라이애쉬를 대체하는 비율에 따르 콘크리트의 체적이 크게 변화하여 재령에 따라 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 건조수축의 정도가 크게 감소하는 효과를 나타냄을 알 수 있따. 그런데 탄소함유량이 많고 분말도가 작은 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 건조수축량은 보통 콘크리트보다 오히려 얼마간 크다는 연구보고가 있다. 한편 플라이애쉬를 사용한 실제 공사현장의 경우에는 실내실험과는 달리 건조수축현상을 나타내는 경우가 있다고 한다. 그 이유는 실내 실험의 경우 공시체의 중심선에 연하여 단축으로 콘크리 표면의 수축만을 측정하여 판단하는 실험방법이 실제 외기상태에 노출된 콘크리트 부재의 건습상태와 다르기 때문으로 평가된다. 이러한 실내실험의 약점을 개선, 보완하기 위한 방법으로 長龍은 보로써 제조한 공시체의 5면을 피복하고 한면만이 건조되도록하여 표면부의 수축을 측정하였으며 그 결과 플라이애쉬를 사용하지 않은 콘크리트에 비해 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 표면과 내부의 온도차가 완화되어 건조에 따른 인장응력이 감소됨을 입증하였다. 

4. 수밀성과 내구성에 미치는 영향

플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 경우 플라이애쉬의 포졸란반응으로 인하여 장기재령에서 수밀성이 향상된다고 한다.

이외에도 吉珹은 콘크리트 공시체 내부의 동심의 작은 구멍을 만들어 내부가 빈공시체의 외부에서 수압을 가하는 간단한 투수시험방법을 통하여 플라이애쉬의 사용이 콘크리트의 수밀성에 미치는 영향에 대하여 검토하여 프라이애쉬를 사용한 콘크리트가 사용하지 ?은 콘크리트에 비해 우수한 결과를 나타냄을 보여주었

다.

콘크리트의 수밀성향상은 침식성 물의 침투를 억제하여 콘크리트 구조물의 물리, 화학적 침식에 대한 저항성을 높임으로써 내구성을 개선한다.

또한 플라이애쉬를 사용한 콘크리트에 양질의 혼화제를 사용하여 알맞은 공기량을 연행시킬 경우 동결융해에 대한 저항성을 향상시켜 준다고 하며 플라이애쉬 속의 미립자에 의해 공기포가 감소될 경우에는 보통 콘크리트에 비해 내구성이 오히려 저하한다고 Timms는 그 원인에 대하여 설명하고 있다.

한편 Larson은 콘크리트 절단면에서 공기포의 크기와 분포를 측정한 후 동경융해시험을 실시하였으며 이 때 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 동결융해시험에 의한 내구성은 보통 콘크리트와 비교해서 거의 유사한 결과를 얻었다고 보도하고 있다. 

Ⅵ. 맺는 말

플라이애쉬를 시멘트의 원료로 또는 콘크리트용 혼화재로 사용한 것은 앞에서도 언급한 바와 같이 이미 1900년대의 초반부터이며, 이후 세계각국에서 플라이애쉬를 사용한 콘크리트의 성질이 크게 우수함을 인정받아 플라이애쉬 콘크리트에 관한 연구성과와 사용실적이 많이 늘어나게 되었다.

우리나라의 경우 한국공업규격이 늦게나마 제정되었으며 또한 시멘트의원료 및 댐콘크리트용 혼화제로서 사용된 실적이 있으나 그 사용실적이 미미할뿐만 아니라 플라이애쉬를 사용한 콘크리트에 관한 좋은 연구성과는 거의 찾아보기 어려운 것 같다. 플라이애쉬를 콘크리트용 재료로 사용하므로서 보통 포틀랜드 시멘트만으로 만족시킬 수 없는 콘크리트의 제성질을 개선 내지는 향상시킬 수 있는 장점을 유효적절하게 잘 이용하므로써 플라이애쉬라는 산업폐기물의 재활용 뿐만 아니라 값비싼 시멘트 원료를 절감하므로써 경제성면에서 유리한 이점을 기대할 수 있다.