이 연구 이전에, 캘리포니아주 교통부 (Caltrans)는 적절한 부식 완화 대책을 가지고 콘크리트 구조물을 설계하여 유지관리가 필요없는 (maintenance-free) 서비스 수명을 가지도록 하기 위해서, 부식 완화 설계의 가정에 대한 확인절차를 거치는 연구에 대한 필요성을 공감하였다. 염화물의 확산계수와 염화물 한계값을 결정하기 위해 표준화되고 신뢰성 있으며 신속한 시험 방법을 수립하기 위한 추가적인 연구도 필요하다는 것을 알았다.

이 연구에서는, 다양한 미네랄 ？ 클래스 F와 클래스 N 플라이애쉬 (fly ash: FA), 초미세 플라이애쉬 (ultra-fine fly ash: UFFA), 실리카흄 (silica fume: SF), 및 슬래그 (ground granulated blast-furnace slag: GGBFS) ？ 로 부분적으로 대체한 시멘트를 사용하여 모르타르와 콘크리트 샘플의 성질에 대한 연구를다양한 실험실 테스트를 통하여 수행하였다. 핵심적인 결과는 다음의 내용을 포함한다.

·         모르타르 샘플의 압축 강도 (compressive strength), 영 계수 (Young’s modulus), 및 인성 계수 (modulus of toughness)

·         콘크리트 샘플의 압축강도 및 다공성 (porosity)

·         경화 모르타르와 콘크리트 샘플의 염화물 확산도 및 EIS 측정

·         선택된 콘크리트 샘플에서 염화물의 자연적 확산

·         염화물 제빙제 (deicers)의 사용하에서 모르타르의 동결 및 해빙에 대한 저항성

·         모르타르에서 염화물 결합에 대해 미네랄 첨가물이 미치는 영향

경화 콘크리트 시험편의 염화물 가속 이동 테스트에서 비정상적으로 낮은 염화물 확산도 (미네랄 첨가 10^-13m²/s vs. 일반10^-12m²/s)를 보여주었는데, 이는 아주 높은 압축강도와 대응된다. 연구결과에 의하면, 고강도 콘크리트에서 염화물 확산도는 미네랄 첨가 보다는 굵은 골재의 사용에 의해 크게 결정된다.

실험실 연구에서의 일부 상세한 결과는 다음과 같다.

·         20%의 클래스 F FA와 5%의 SF, 20%의 클래스 F FA와 5%의 MK, 또는 25%의 클래스 F FA에 의한 부분적인 대체는 1일차 모르타르 샘플의 압축강도를 크게 감소시켰다. 하지만 10%의 MK, 10%의 SF, 10%의 UFFA, 50%의 GGBFS, 또는 25%의 클래스 N FA에 의한 부분적인 대체는 1일차 모르타르 샘플의 압축강도를 다양한 수준으로 증가시켰다.

·         클래스 F와 MK의 결합은 7일차 모르타르 샘플의 압축강도를 특히 많은 수준으로 감소시켰다. GGBFS 또는 SF의 사용은 그 다음 수준이었다. 대부분의 다른 미네랄들도 7일차 강도를 다양한 수준으로 감소시켰다.

·         클래스 F와 MK의 결합은 28일차 모르타르 샘플의 압축강도는 증가시켰다. 하지만 대부분의 다른 미네랄 (GGBFS를 제외하고)은 28일차 강도를 다양한 수준으로 감소시켰다.

·         모든 SCMs은 1일차 모르타르 샘플의 영 계수를 상당하게 감소시켰으나, 7일차 및 28일차 영 계수에는 복합적인 영향을 보여주었다. 모든 SCMs은 7일차 및 28일차 인성계수를 감소시켰으나, 1일차 인성계수에는 복합적인 영향을 보여주었다. 콘크리트에서 이러한 계수들의 감소는 콘크리트가 수축 크랙에 덜 영향을 받게 함으로써 급속한 염화물의 침입을 줄이기 때문에 긍정적이다.

·         90일차 모르타르 샘플을 사용하여 ACMT (accelerated chloride migration test)를 한 후 EIS (electrochemical impedance spectroscopy) 측정결과에 따르면, 모든 SCMs (supplementary cementitious materials)은 전해액 내에서 모르타르 샘플의 전기 저항성 (electrical resistivity)을 증가시켰다. 반면에 모든 SCM (GGBFS를 제외하고)는 모르타르의 정전용량 (electrical capacitance)을 다양한 수준으로 감소시켰다.

·         ACMT로부터 얻어진 안정상태의 확산계수에 대한 시멘트와 SCMs의 부분적 대체의 효과는 90일차 모르타르 샘플을 사용하여 평가되었다. 그 결과에 따르면, 20%의 클래스 F FA와 5%의 SF의 시멘트 대체제로써의 사용은 모르타르에서 염화물 확산도를 상당히 증가시킨 반면, 10%의 MK 혹은 50%의 GGBFS의 사용은 확산도를 상당히 감소시켰고 타 SCMs는 다양한 수준으로 확산도를 감소시켰다. 확산계수는 모두 매우 낮은 수준 (10^-13m²/s)이었고, 불투수 콘크리트 샘플사이에서 염화물 확산도의 차이는 콘크리트의 시공성 및 건설 현장사례와 관계 있을 수 있다.

·         SCMs이 90일차 콘크리트의 압축강도 혹은 360일차 콘크리트 샘플의 염화물 확산도에 미치는 영향에 대해서는 뚜렷한 경향이 발견되지 않았다. 그럼에도 불구하고, 염화물 확산도는 모르타르 믹스 (10^-11m²/s)보다는 콘크리트 믹스(10^-13m²/s)에서 훨씬 낮았다. 이는 염화물이 콘크리트에 침입하는 것을 막는데 있어 거친 골재가 큰 역할을 함을 보여준다.

·         모든 모르타르 믹스는 28일차 압축강도가 4,000 psi (27.6 MPa)를 초과한 반면, 무공기연행 (non-air-entrained) 콘크리트 믹스는 90일차에서 평균 두 배의 압축강도를 보였다. 이와 같이 매우 높은 강도 수치는, 경화 콘크리트가 아주 우수한 미세구조를 가지고 있어 매우 낮은 확산계수를 가진다는 것을 말해준다. 공기연행 콘크리트의 압축강도는 무공기연행 콘크리트보다 일관되게 낮았으나, 염화물 확산도에서의 차이는 그렇게 크지 않았다.

·         자연적 확산 결과는 간접적으로 ACMT로부터 얻어진 콘크리트 시험편의 확산계수의 크기 순서를 확인해 주었다.

·         일반적으로 말해서, 압축강도 수치가 높을수록 확산계수가 낮았다. 무공기연행 콘크리트에서의 확산계수가 낮을수록 모르타르에서의 확산계수도 낮았는데, 이는 모르타르 면에서의 염화물 확산이 콘크리트에서의 전반적인 염화물 확산에 기여하였음을 보여준다.

·         변환 모르타르 강도와 콘크리트 강도사이에는 강한 상관관계가 있었는데, 이는 모르타르 면이 이질적인 성질을 가진 콘크리트 매트릭스를 종합하는 부분이고 압축강도에 크게 기여한다는 것을 말해준다.

·         염화물 확산도는 일반적으로 콘크리트에서 투과가능한 공극의 부피에 따라 증가한다.

·         축적되는 전하는 일반적으로 염화물 확산계수에 따라 증가한다.

·         콘크리트의 전기 저항도는 일반적으로 일렉트로마이그레이션 (electro-migration) 테스트 후에 감소한 반면, 정전용량은 일반적으로 증가하였다.

·         배합 설계 (mix design) 9 (20%의 클래스 F FA + 5% MK)와 배합 설계 11 (10% SF)는 가장 낮은 부착 능력을 가진 반면, 배합 설계 1 (100% 시멘트), 7 (10%의 UFFA), 및 9 (50%의 GGBFS)는 다른 배합 설계에 비해 일반적 높은 염화물 부착 능력을 보였다.

·         pH 데이터는, 모든 미네랄 첨가물이 모르타르 샘플에서 그 타입과 양에 상관없이 알칼리도를 낮추었음을 보여준다.

·         모르타르 시험편의 무게 손실은 희석된 NaCl 용액에서 가장 높았고, 그 다음으로는 희석된 MgCl₂ 용액이었다. 반면에 탈이온화된 물 (de-ionized water)에서는 모르타르 열화가 무시할 정도도 작았다. 희석된 NaCl 용액에서 배합 설계 13 (10%의 MK), 15 (10%의 UFFA), 및 특히 17 (50%의 GGBFS)은 통제군에 비교해서 낮은 무게 손실을 보여주었다. 반면에 다른 SCMs는 배합 설계 5 (25%의 클래스 N FA) 및 특히 7 (20%의 클래스 F FA + 5%의 SF)에서 결빙 및 해빙 손실을 악화시켰다. 희석된 CaCl₂와 MgCl₂ 용액에서는, 미네랄 첨가물이 모르타르의 결빙 및 해빙 저항성에 미치는 영향이, 희석된 NaCl 용액에서와 비슷한 경향을 보였다. 요약하면, 시멘트를 50%의 GGBFS로 대체하는 것이 모르타르의 결빙 및 해빙 저항성에 가장 유리하고, 다음으로는 10%의 UFFA 혹은 10%의 MK로 대체하는 거였다. 반면에 일반적인 FA 및 SF의 사용은 다양한 염화물 희석용액에서 모르타르의 결빙 및 해빙 저항성을 약화시키는 것으로 보였다.