Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.1 pp.40-46
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.1.040

Durability of Modified Sulfur Cement Concrete Prepared Using a Pan Mixer with Variable Speed for Bridge Pavement

Kim Seoyeon1, Oh Jeongho2, Moon Kwanggyun3, Min Won4
1Graduate Student, Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National Univ. of Transportation
2Associate Professor, Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National University of Transportation
3Director, DaeSung P&C Co., Ltd.
4Director, Highcon Engineering Co., Ltd.

본 논문에 대한 토의를 2020년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Oh Jeongho Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National University of Transportation, Uiwang 637-715, Korea. Tel: +82-31-460-0566, Fax: +82-31-462-8205 E-mail: j-oh@ut.ac.kr
November 19, 2019 December 16, 2019 December 23, 2019

Abstract


The structural performance of bridge pavement differs from that of roadway pavement because of the complicated response of bridge superstructures such as decks, girders, and expansion/contraction joints, which is due to the changes in the traffic and environmental loading conditions. This paper presents a new method to prepare modified sulfur cement concrete (MSCC) mixtures by using a pan mixer with variable speed; it consists of two mixing stages (namely, dry and wet), which are alternated by varying the speed of the revolving and rotating motors. Laboratory experimental tests were carried out to evaluate the feasibility of the proposed method. The application of this technique improved the durability of MSCC mixtures and met the design requirements for bridge pavement; in addition, the optimum MSCC content, in terms of durability and cost effectiveness, was 4%. However, further field evaluations are being conducted and the findings will be presented in the near future to confirm the applicability of the proposed method.



가변형 팬믹서를 활용한 교면포장용 개질유황 합성 시멘트 콘크리트 배합재료 내구성 평가

김 서연1, 오 정호2, 문 광균3, 민 원4
1한국교통대학교 철도인프라시스템공학과 석사과정
2한국교통대학교 철도인프라시스템공학과 부교수
3(주)대성 피엔씨 이사
4(주)하이콘 엔지니어링 대표이사

초록


교면 포장은 교통하중 및 온도 변화 등의 환경적 요인에 따라 상판, 거더, 신축/압축 이음 등의 교량 상부 구조물의 복잡한 거동을 나타나기 때문에 도로포장의 구조 성능과는 다르다. 이에 본 논문에서는 가변형 팬믹서를 활용하여 개질유황 합 성 시멘트 콘크리트(MSCC)를 혼합하는 새로운 방법을 제시하고자 한다. 혼합 단계는 건식 및 습식의 두 단계로 이루어지며, 회 전 모터의 속도의 변화를 주어 혼합하는 방식이다. 제안된 방법의 타당성을 평가하기 위해 실내 실험을 실시하였으며, 본 기술 적용 시 MSCC의 내구성이 향상되고 교량 포장 설계 요건을 충족하는 것을 확인하였다. 또한 내구성 및 경제성을 고려하여 최 적 MSCC 개질유황 함량을 4%로 제안하고자 한다. 현재 제안된 기술의 적용 가능성을 확인하기 위한 추가적인 현장 평가가 수 행되고 있으며, 가까운 시일 내에 결과를 제시할 예정이다.



    Korea National University of Transportation

    1. 서 론

    교면포장은 교통하중에 의한 진동 및 충격, 온도 변 화에 따른 교량 부재 신축에 따라 일반적으로 토공 부보다 더 큰 파손 요인들을 가지고 있으며, 보수 주기가 짧은 것이 사실이다. 교면포장은 아스팔트 콘크리트 교면포장과 시멘트 교면포장으로 구분되 며, 시멘트 교면포장 경우 표층과 바닥판을 동일 재 료로 동시에 타설하는 일체식 교면포장과 미리 시공 된 바닥판 상면을 면처리한 후에 별도의 콘크리트 재료로 표층을 포장하는 덧씌우기식 포장 공법으로 나뉜다 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011). 최근 국내에서 빈번히 발생되는 교면포장의 파손은 시공 후 교통개발 초기 여름철에 포장재료의 밀림 발생으로 발생된 균열에 우수 침투에 의한 재 료가 이탈하는 경우이며, 이는 대부분 부적합한 방 수재 적용, 제설재 사용에 의한 시멘트 콘크리트 바 닥판의 열화 등으로 내구성 저하에 의한 것이다 (Choi, et al., 2002). 특히, 교면포장은 바닥판과 포장 이 공기 중에 노출됨으로 인하여 여름철과 겨울철의 포장체 내부 온도는 토공부의 포장체 온도에 비하여 여름철에 더 높고 겨울철에 더 낮은 특성을 나타내 며, 특히 시멘트 콘크리트 바닥판에 비하여 두께도 얇고 열전도도 좋은 강 바닥판(Steel Deck Plate)의 경우에는 기온에 더욱 민감한 영향을 나타낸다. 이 러한 이유로 인하여 교면포장에 사용되는 아스팔트 는 토공부와는 다른 특별한 고려가 필요하며, 교면 포장용 콘크리트 재료 역시 설계 강도뿐만 아니라, 화학적 반응 및 동결융해 등에 의한 내구성 확보가 중요하다. 일반 콘크리트(Portland Cement Concrete, PCC)는 골재, 배합수, 시멘트로 구성되며 시멘트가 바인더 역할을 하는 반면, 유황 콘크리트(Sulfur Concrete, SC)는 필러, 골재, 유황으로 구성된다(Fig. 1 참조). 적은 양의 유황 투입으로 콘크리트의 내구 성, 내화학성, 및 내염성이 증대되는 효과는 크지만 제작 과정에서 고온의 용융시설 및 공사 장비가 요구 되어 공사비 증대가 발생하고 120도 이상의 온도에서 용융되는 문제점 때문에 특수 목적을 제외하고는 사 용되지 못하고 있다. 개질유황 콘크리트(Modified Sulfur Cement Concrete, MSCC)는 보통 포틀랜드시멘 트와 같이 시멘트와 물이 상온에서 반응하여 강도를 발현하고, 120도 이상의 용융점을 60∼80도로 저하 시킨 개질유황을 골재의 코팅 목적으로 시멘트용 혼 화재로 활용하여 제작된 콘크리트이다. 개질유황은 골재를 코팅하여 콘크리트의 동결융해 저항성 및 내 화학성을 개선하는 역할을 한다(Ko, 2013).

    이러한 목적으로, Milica et al.(2011)은 다양한 개 질재를 활용한 유황콘크리트 재료에 대한 내구성 평 가를 수행하였으며, Dehestani et al.(2017)은 유황콘크 리트에 스타이렌(styrene)과 비투민(bitumen)을 각각 배합한 후 압축강도를 평가하였다. Shin et al.(2014) 은 플라이에쉬를 혼합한 유황 콘크리트는 일반적인 포틀랜트 콘크리트에 비해 압축강도 저하가 있음을 확인하였으나, 화학적 내구성 및 온도 변화에 따른 신축량 저하를 확인하였다. Ko(2013) 역시 Shin et al.(2014) 연구결과와 유사한 결론을 도출하였으며, 개질유황의 적정 배합비를 제안하였다. 기존의 연구 를 토대로, 개질유황과 모재료인 골재와 모래와의 혼합 방법 개선이 필요한 것으로 확인하였고, 본 연 구에서는 가변형 팬믹서를 활용하여 교면포장용 개 질유황 콘크리트의 내구성을 평가하고자 하였다.

    2. 본 론

    2.1 실험 개요

    본 연구에서는 교면 포장 지침 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011, FDOT, 2011) 등에 따라 Table 1과 같은 내구성 평가를 수행하였다. 콘 크리트 접착강도는 동결융해 시험과 더불어 콘크리 트의 내구성을 평가하는데 주요 인자로 사용되어 왔 으며(Kwak and Jung, 2019), 염소이온 침투 저항성 역시 평가항목으로 적용되어왔다(Lee et al. 2015).

    박리(scaling) 저항 시험법은 스웨덴 시험방법으로 Bora˚s 방법으로도 불리며, 동결융해 시험 절차와 같 은 온도 변화 주기를 적용하게 된다. 스케일링 저항 성은 28일 후 (동결융해 28 cycle) 시편 질량 m28과 56일 후 (동결융해 56 cycle) 질량 m56을 각각 측정 하며, 우수등급은 평균 m56 < 0.20 kg/m2 또는, 평균 m56 < 0.50 kg/m2 그리고 평균 m56/m28 < 2를 만족시 켜야 하고, 허용 등급 (Acceptable grade)은 m56 < 1.0 kg/m2 그리고 평균 m56/m28 < 2 만족시켜야 한다 (Jozwiak-Niedzwiedzka, 2005). Fig. 2

    2.2 배합설계

    개질유황을 혼합한 콘크리트 교면포장 내구성을 확 보하기 위해서는 무엇보다도 배합설계가 중요하다. 특히, 개질유황과 모재료 (골재, 모래, 시멘트, 물)와 의 혼합 정도가 내구성 향상에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구에서 사용된 개질유황은 DCPD(Dicyclopentadiene) 와 유황을 반응시킨 뒤 개질을 위한 아민계 화합물 과 중합 반응시켜 제조하였으며, Fig. 3과 같이 고형 상태의 개질유황을 용융한 후 모재료와 혼합하게 된 다. 개질유황의 비중은 1.65, 점도는 0.045mPa2/g으로 측정되었다. 또한, 잔골재 및 굵은골재의 밀도, 조립 률, 흡수율, 최대 입경 등이 교면포장 기준에 만족하 는 것을 확인하였다. 동결융해에 대한 높은 저항성 및 공기량 조절을 위해 고성능 AE 감수제(포리카본 산계)를 적용하였으며 시멘트 중량 대비 1% 함량으 로 하였으며, 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 적용하였다.

    또한, 교면 포장 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011)에 따라 물-시멘트 비를 40%로 설정하였으며, Table 2는 배합설계 결과를 보여주고 있다. 개질유황 함량은 내구성 평가를 위해서, 시멘 트 중량 대비 2∼6%로 각각 배합하였다.

    본 연구에서는 Fig. 4와 같이 개질유황의 원활한 혼합을 위해서 가변형 팬믹서를 제작하여 적용하였 다. 상단 자전 모터 2개 및 하단 공전 모터 1개를 회전시켜 재료를 초강제식으로 혼합하는 방식이다.

    재료 혼합 시, 개질유황과 잔/굵은골재가 혼합되 는 건비빔 후, 물과 시멘트가 투입되는 습비빔으로 진행된다. 개질유황의 혼합성 향상을 위해 건비빔 시 믹서 인버터 속도를 습비빔 경우보다 1.3배까지 향상시켜 짧은 시간에 적은 양의 개질유황을 잔/골 재와 균일하게 혼합될 수 있도록 설계하였다.

    상기 설계는 인버터 속도를 1.1, 1.2, 그리고 1.3 배 증가시켜 개질유황 3% 배합 시료에 대한 압축강 도 실험을 통해 결정하였다. 실험 결과, 평균 28일 재령 압축강도는 균일속도 대비 각각 8, 19, 26% 증 가하였다. 본 연구를 위해 제작한 가변형 팬믹서는 현장적용을 위해 보완 설계를 통한 제작과정 중에 있으며, 현장용 인버터 최대속도 허용 증가가 1.3배 까지 가능하여 이를 본 연구에 적용하게 되었다.

    이러한 가변형 팬믹서의 효과를 검증하기 위해서 건비빔 및 습비빔 시 혼합 속도를 균일하게 한 경우 와 비교를 수행하였다. 이때, 두 가지 경우를 비교하 기 위해서 Table 3과 같이 혼합 시간은 일정하게 유 지하였다.

    모든 배합에서 목표 슬럼프인 120±25mm의 범위 를 만족시켰으며, 교면포장용 콘크리트 배합 시 바 닥판의 경우까지 고려하여 동결융해에 대한 저항성 을 확보하기 위하여 5∼8%의 공기량 기준(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011)에 부합하 는 것을 확인하였다.

    Fig. 5는 가변형 및 고정형 팬믹서 배합 방식으 로 각각 제작한 시편에 대한 SEM 분석을 수행한 결 과를 보여주고 있다.

    위 그림에서 볼 수 있듯이, 가변형 팬믹서로 배 합 시(Fig. 5(b)) 경화된 개질유황(그림에서 화살표로 표시된 부분) 영역이 고정형으로 배합한 경우에 비 해 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 가 변형 팬믹서 배합으로 개질유황 첨가분이 보다 고르 게 분산되어 모재료와 잘 혼합된 것으로 판단된다.

    3. 내구성 평가 분석

    3.1 압축강도

    개질유황 첨가량과 혼합 속도를 변수로 설정하여 총 6가지의 배합에 대한 압축강도 실험을 실시하였다. Table 4는 28일 압축강도 결과를 보여주고 있으며, 시험체 명에서 V는 1차 건비빔 시 자전 모터 속도 를 나타내며 S는 개질유황 첨가량을 나타낸다. 실험 결과, 개질유황 4% 혼합 시 가장 높은 압축강도를 보였으며, 5% 이상 혼합한 경우 압축강도가 저하하 였으며 이는 기존 연구(Ko, 2013)에서도 보고한 바와 같이 개질유황 첨가량 증가에 따른 압축강도 저하와 유사한 결과를 보여주고 있다. 가변형 혼합을 했을 경우, 개질유황 2%, 6% 혼합 시 압축강도 값이 크게 향상됨을 확인하였으며, 모든 배합에서 기본 속도 일 경우보다 속도를 1.3배 증가시킨 가변형 팬믹서 적용 시 압축강도 목표치인 27MPa를 만족시켰다.

    3.2 접착강도

    콘크리트 구조물의 보수/보호를 목적으로 사용하는 그라우트, 모르타르, 콘크리트 및 표면 보호재의 접 착강도를 측정하는 시험법이다. 가변형 팬믹서를 적 용한 배합으로 개질유황 배합비 별 총 5개의 시편에 대해 실험을 수행하였으며, 실험절차(KS F 2762-16) 에 따라, 그중 최댓값과 최솟값을 제외한 3개 값에 대한 평균값을 취하였다. 접착강도는 다음과 같이 식으로 산정하게 된다.

    f = 4 F π D 2
    (1)

    여기서, f = 접착강도 (MPa), F = 파괴 하중 (N), 그리고 D = 코어의 평균 지름 (mm)이다. Table 5는 실험 결과를 보여주고 있으며, 배합 방법에 따라 V 는 가변형, F는 고정형 팬믹서로 구분하였다. 모든 배합에서 기준치인 1.4MPa 이상을 확보함을 확인하 였으며, 가변형 팬믹서 적용 및 개질유황 혼합량이 증가할수록, 접착강도 역시 증가하였다.

    3.3 염소이온 침투 저항성

    본 실험 결과 이하는 가변형 팬믹서를 활용한 시편 들만 대상으로 분석을 수행하였다. Table 6에서 볼 수 있듯이, 모든 시편이 교면포장용 기준 1000 Coulomb 이 하를 만족하고 있으며 개질유황 혼합량 증가에 따라 염소이온 침투 저항성이 개선되는 것을 확인하였다.

    3.4 동결융해, 박리 저항성

    콘크리트 공시체의 동결융해 조건의 급속 반복 사이 클에 대한 저항성을 평가하기 위한 것으로, 300 사 이클 시 상대동탄성계수가 초기 상태 대비80% 이상 확보가 되어야 교면포장 시멘트 콘크리트 포장의 내 구성 기준을 만족하게 된다. Fig. 6는 개질 유황 4% 혼합 3개의 시편에 대한 동결융해 실험 결과를 보여 주고 있다. 300 사이클 후 평균 상대동탄성계수 감 소율이 83%로 기준을 만족하는 것으로 확인하였으 며, 모든 시편이 교면포장 재료 기준을 만족하는 것 으로 확인되었다.

    Table 7은 박리 저항성 실험 결과를 보여주고 있 으며, 모든 시편이 박리 저항성 측정치는 허용등급 (Acceptable grade) 기준을 만족시키는 것으로 확인되 었다.

    4. 현장적용 평가

    실내시험을 통한 가변형 팬믹서를 활용한 개질유황 의 내구성 평가결과를 바탕으로, 현장 이동식 뱃치 플랜트를 이용 3% 개질유황을 습비빔 대비 건비빔 속도를 130%로 혼합하여 2019년 5월에 ㅇㅇ교량 보 수공사현장에 아래와 같이 시공하였다.

    6개월이 경과된 후, 현장조사 결과 교면 상태가 균열 및 변색 없이 양호한 상태를 보였으며, 현장코 어에 대한 접착강도 및 압축강도 시험 수행한 결과 (Fig. 8 및 Table 8 참조) 평균 압축강도 27MPa, 평 균 접착강도 1.7MPa 이상 확보되어 교면포장 기준 을 만족시키는 것으로 확인하였다. 향후 동절기가 지난 후 평탄성 조사 등 현장조사를 통해 공용성 평 가를 할 계획이다. Fig. 7

    5. 결론 및 제언

    본 연구에서는 개질유황 첨가량과 가변형 팬믹서의 가동속도를 변수로 하여 배합한 개질유황 콘크리트 의 내구성에 대해 다양한 실내시험을 통해 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • (1) 실내시험 내구성 평가 검토 결과, 가변형 팬 믹서를 적용한 개질유황 시멘트 콘크리트의 최적 배합비는 시멘트 중량대비 2∼4%로 제 안하고자 한다. 이는 압축강도 이외에 지표들 (접착강도, 염소이온 침투 저항성, 동결융해 저항성, 박리 저항성)도 기준을 만족하고 있 고, 5% 이상 배합 시 압축강도의 저하를 확 인하였기 때문이다. 다만, 현장배합 시 인버 터 속도의 효율에 대한 오차를 고려하였을 때, 4%의 개질유황 배합이 교면포장 품질기 준 확보에 유리할 것으로 판단된다. 비록, 개 질유황 함량이 큰 경우 압축강도를 제외한 전체적인 내구성 지표 향상이 있었으나, 현장 적용을 위한 경제성 및 시공성을 판단할 때 적합지 않을 것이라고 판단된다.

    • (2) SEM 분석 결과, 가변형 팬믹서를 활용한 배 합 재료인 경우 개질유황이 모재료와 더욱 효과적으로 혼합됨을 확인하였으며, 내구성 평가 결과 역시 개질유황 함량에 상관없이 가변형으로 혼합한 경우 전반적으로 내구성 향상을 가져왔다.

    • (3) 따라서, 가변형 팬믹서를 활용한 개질유황 배 합은 내구성 향상을 통한 공용 수명 확보를 위해 현장 적용을 위해서 반드시 수행될 필 요가 있을 것으로 판단된다. 현재 현장 이동 식 뱃치플랜트를 활용하여 현장 시공 완료 후 추적조사를 수행중이며, 시공 후 6개월 경 과된 현장코어 시험결과 평균압축 및 접착강 도는 교면포장 성능기준을 만족시키는 것으 로 확인되었다. 향후 추적조사 결과를 토대로 현장 적용성을 지속적으로 평가하고자 한다.

    감사의 글

    본 연구는 한국교통대학교 2018년도 교내학술진흥사 업에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-11-1-40_F1.gif
    Comparison of PCC, SC and MSCC
    KOSACS-11-1-40_F2.gif
    Laboratory test (a) bond strength test (b) compressive strength test
    KOSACS-11-1-40_F3.gif
    A melting process of modified sulfur cement concrete
    KOSACS-11-1-40_F4.gif
    A schematic of variable speed-pan mixer
    KOSACS-11-1-40_F5.gif
    A schematic of variable speed-pan mixer
    KOSACS-11-1-40_F6.gif
    Variation of RDME versus number of freeze-thaw cycles
    KOSACS-11-1-40_F7.gif
    Field construction process (a) Field batch mixer; (b) Distribution of MSCC; (c) Completion of pavement; (d) A snapshot after 6 months
    KOSACS-11-1-40_F8.gif
    Field testing (a) Field coring; (b) Field measuring bond strength

    Table

    Criteria for durability evaluation tests
    MSCC mixture design
    Mixing time for MSCC mixture
    28-day Compressive strength results
    28-day Bond strength results
    Chloride penetration resistance results
    Scaling resistance results
    Results of field core test

    Reference

    1. Choi, J. Y. , Lee, H. J. , and Park, S. W. (2002), “A Study on Cause of Distress of Concrete Bridge Deck,” Journal of Korean Society of Road Engineers, Vol. 4, Issue 1, pp. 227-232 (in Korean).
    2. Dehestani, M. , Teimortashlu, E. , Molaei, M. , Ghomian, M. , Firoozi, S. , and Aghili, S. (2017), “Experimental Data on Compressive Strength and Durability of Sulfur Concrete Modified by Styrene and Bitumen,” Data Brief, Vol. 13, pp. 137-144.
    3. Florida Dep. of Transportation (2011), “Portland Cement Concrete Pavement Specifications: State of the Practice”, Research Report No. FL/DOT/SMO/11-541, FL, USA.
    4. Jozwiak-Niedzwiedzka, D. (2005), “Scaling Resistance of High Performance Concretes Containing a Small Portion of Pre-Wetted Lightweight Fine Aggregate,” Cement and Concrete Composites, Vol. 27, No. 6, pp. 709-715.
    5. Ko, J. (2013), Evaluation of Mechanics Properties and Durability of Modified Sulfur Cement Concrete, Master Thesis, Chungbuk National University, Cheongju, Korea.
    6. KS F 2762,2762, Standard Test Method for the Bond Strength of Concrete Repair and Overlay Materials by Pull-Off Method, Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. (in Korean)
    7. Kwak, Y. , and Jeong W. (2019), “Evluation of Tensile Bonding Strength of the Concrete-BRFP Interface under Freezing-Thaw Cycling,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 10, No. 4, pp. 8-15 (in Korean).
    8. Lee, H. , Bae, S. , Kwon, S. , Lee, K. , and Jeon, J. (2015), “Resistance against Chloride Ion and Sulfate Attach of Cementless Concrete,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 6, No. 2, pp. 63-69 (in Korean).
    9. Vlahovic, M. M. , Martinovic, S. P. , Boljanac, T. Dj. , Jovanic, P. B. , and Volkov-Husovic, T. D. (2011), “Durability of Sulfur Concrete in Various Aggressive Environments,” Construction and Building Materials, Vol. 25, Issue 10, pp. 3926-3934.
    10. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2011), Bridge Pavement Design and Construction Guideline.
    11. Shin, M. , Kim, K. , Gwon, S. , and Cha, S. (2014), “Durability of Sustainable Sulfur Concrete with Fly Ash and Recycled Aggregate against Chemical and Weathering Environments,” Construction and Building Materials, Vol. 69, Issue 30, pp. 167-176.