플라이애쉬(fly ash)는 석탄 연소의 부산물로, 물 시멘트 콘크리트에서 시멘트 성질과 포졸란 성질을 가진 투입요소로 넓게 사용됨. 석탄 플라이애쉬(coal fly ash, CFA)를 콘크리트에 사용하는 것은 증가하고 있는데, 왜냐하면 이는 콘크리트의 일부 성질을 개선하고 종종 더 낮은 콘크리트 비용으로 이어지기 때문임. 그러나, CFA의 화학적, 물리적 구조는 시공성, 성능 및 내구성에 영향을 미치고, 콘크리트 포장, 교량 상판과 다른 고속도로 구조물에서 균열과 알칼리-실리카 반응(alkali-silica reactivity, ASR)과 같은 문제에 기여할 수도 있음.

규제적 요구사항도 CFA의 성질 변화에 기여해왔는데, 이는 콘크리트의 성능에 부정적으로 영향을 미칠 수 있음. 게다가 현재의 시방서와 시험 방법은 적절하게 CFA의 성질을 파악하고 있지 않으며, 경화 전후의 콘크리트 성질에 대해 CFA가 미치는 영향을 적절하게 다루고 있지도 않고, 시멘트의 알칼리 함유를 고려하고 있지도 않음. 예를 들어, CFA의 탄소 함유량은 보통 직접적으로 결정되지 않고 대략 연소에 대한 손실(loss on ignition, LOI)과 비슷할 것으로 가정됨. 이와 같이 부적절한 특성 파악은 안정적이 물질의 사용에 대해 보증되지 않은 제약으로 이어질 수 있음.

CFA의 특성이 콘크리트의 성질에 미치는 영향에 대해 상당한 연구가 수행되어 왔지만, 이러한 연구는 플라이애쉬에 대한 현재의 시방서의 적용가능성을 다루지 않았음. 게다가, 콘크리트에서 사용되는 CFA의 표본을 추출하고 시험하는 기존의 방법은 CFA의 특성과 고속도로 콘크리트의 성능 측면을 적절하게 다루지 않음. CFA 시방서와 시험 프로토콜을 개선하고, 고속도로 유관기관들이 CFA를 더 잘 평가하고 사용하도록 돕기 위한 제안사항을 개발할 차후 연구가 필요함.
 

이 연구의 목적은 고속도로 콘크리트에서 사용하기 위한 CFA의 수용가능성을 결정하기 위해 시방서와 시험 프로토콜에 대한 잠재적 개선사항을 제안하는 것이었음. 이 목적을 달성하기 위해서, 이 연구는 다음의 내용을 포함하였음:

ㅇ 특정 수준의 성능에 대해 CFA의 선택에 대한 더 나은 기준을 제공할 변화를 제안하기 위해 CFA에 대한 기존의 시방서와 분류 방법에 대한 연구
ㅇ CFA의 강도 활동에 대한 특성 파악을 위한 새로운 시험 방법에 대한 연구
ㅇ CFA에 남아있는 탄소의 성질 파악을 위한 새로운 시험 방법의 파악과, CFA에 대한 공기연행제(air-entraining admixture or agent, AEA) 사용량을 추정하기 위한 접근방법에 대한 연구
ㅇ 콘크리트에서 알칼리-실리카 반응을 완화하기 위한 CFA 사용에 대한 평가와, 특정 수준의 현장 성능에 대한 CFA의 타입과 사용량의 선택에 대한 지침의 제공
 

신규 및 기존의 시험 절차를 평가하기 위한 연구는 개별 연구로 수행된 다음의 다섯 가지 임무를 포함하였음:

ㅇ 기존의 시방서와 시험 환경에 대한 검토
ㅇ 석탄 플라이애쉬의 특성 파악
ㅇ 강도 활동의 특성을 파악하기 위한 접근방법의 평가
ㅇ 탄소가 공기 연행에 미치는 영향의 특성을 파악하기 위한 시험 방법의 평가
ㅇ ASR 완화를 평가하기 위한 접근방법의 평가

i) 기존의 시방서와 시험 환경: 이 임무는 CFA 시험 및 시방서와 관련된 문헌을 검토함으로써 달성되었음. 또한, 새로운 시험과 시방서에 대한 니즈와 현재의 사례를 결정하기 위해 주 고속도로 기관들(state highway agencies, SHAs)에 대한 설문조사가 수행되었음.

ii) 석탄 플라이애쉬의 특성 파악: 미국에서 교통 인프라 공사에서 사용하기 위해 가용한 여러 종류의 CFA 중에서 30개의 대표적인 CFA가 설문조사와 산업계와의 접촉을 통해 파악되었음. AASHTO M 295-07 “콘크리트에서 사용하기 위한 석탄 플라이애쉬와 천연 포졸란에 대한 표준 시방서(Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete)”에서 명시된 성질과, 새로운 시방서를 개발하는데 있어 고려되어야 하는 다른 성질들을 결정하기 위해 다양한 실험실 시험을 사용하여 이러한 애쉬에 대한 완벽한 특성 파악이 수행되었음. 이 특성 파악 연구의 결과는 생산자로부터 얻어진 인증 정보와 비교되었음. 이 임무는 또한 현재의 시험에서 개선해야할 부분을 파악하는데도 도움이 되었음.

iii) 강도 활동의 특성 파악: CFA가 시멘트 배합의 강도에 미치는 영향을 측정하기 위한 새로운 두 가지 접근방법이 연구되었음. 한가지 방법은 현재의 강도 활동 지수(strength activity index, SAI)에 대한 수정을 포함하였고, 다른 하나는 케일 수리학적 지수(Keil hydraulic index, KHI)에 근거한 새로운 접근방법을 다루었음.

iv) 탄소가 공기 연행에 미치는 영향의 특성 파악: 이 임무는 폼 배수 시험(foam drainage test)과 폼 지수 시험(foam index test)에 대한 평가를 포함하였음. 추가적으로, 두 가지의 새로운 시험 ？ CFA 요오드 수(iodine number, 이는 기존의 ASTM D4607에 근거하고 있음)와 직접 흡수 등온 시험(direct adsorption isotherm test, 이는 ASTM D3860에 근거하고 있음) ？ 이 개발되어 30개의 출처에서 선택된 CFA에 적용되었음. 이 네가지의 시험은 LOI 시험의 관점에서 특성이 파악된 CFA에 대해 수행되었고, 다양한 LOI 값을 제공하기 위해 선택되었음. 직접 흡수 아이오섬 시험은 또한 목표 공기량을 달성하기 위해 필요한 AEA의 사용량을 예측하기 위해 다양한 모르타르와 콘크리트 배합에 대해 수행되었음. 경화 공기-공극 분석(hardened air-void analyses)은 CFA가 배합에 포함되었을 때 필요한 추가적인 AEA의 결과 발생하는 공기-공극 시스템에서의 차이를 파악하기 위해 수행되었음.

v) ASR 완화에 대한 평가: 이 임무는 ASR을 완화하는데 있어 CFA의 효과성을 결정하기 위한 기존의 접근방법들을 검토하였고 CFA의 이러한 성질을 평가하기 위한 새로운 절차를 평가하였음. 특히, 이 임무는 ASTM C1567 신속한 모르타르 바 테스트(rapid mortar bar test)가 ASTM C441보다 더 나은 지침을 주는지, 그리고 그 결과 AASHTO M 295에 포함되어야 하는지를 연구하였음. 이 목적을 위해, ASTM C1293 콘크리트 프리즘 테스트(concrete prism tests)가 참조점을 제공하기 위해 수행되었음. 이 임무는 또한 ASTM C441이나 ASTM C1567 테스트에 대한 대안적인 접근방법으로써 알칼리 침출시험(alkali leaching test)도 평가하였음.
 

문헌 검토와 SHAs에 대한 설문조사의 결과가 제안하는 바에 의하면, 콘크리트 성능에 영향을 미치는 CFA의 성질을 더 잘 파악하기 위해 고속도로 콘크리트에서 사용되는 CFA에 대한 시험과 시방서를 개선할 필요가 있음.

플라이애쉬 특성파악에 대한 임무를 위해, AASHTO M 295-07에서 명시된 시험 방법과 시방서 한계를 사용하여 30개의 플라이애쉬 출처가 평가되었음. 이 연구의 결과가 제안하는 바에 의하면, 성능에 영향을 미치는 것으로 알려진 성질을 포함하기 위해 기존의 분류 방법을 정교화할 필요가 있으나, 완전히 새로운 접근방법은 보장되지 않음.

F등급과 C등급의 석탄 플라이애쉬의 주요 차이점은 이산화실리콘(silicon dioxide), 산화알루미늄(aluminum oxide), 그리고 산화철(iron oxide)의 총량에 근거한 벌크 구성(bulk composition) ？ 즉, % SiO2 + % Al2O3 + % Fe2O3 ？ 임. 그러나, 이 분류는 칼슘의 보고를 빠뜨리고 있음. 이 연구에 의하면, 산화물의 총량과 칼슘 함량 사이에 명확하고 선형의 상관관계가 있음. 그러나, 칼슘 함량이 일부 ASR 완화 사례 ？ 예를 들어, AASHTO PP 65 신규 콘크리트 건설에서 유해한 팽창을 예방하기 위해 콘크리트 골재의 반응성을 결정하고 적절한 조치를 선택하기 위한 표준 사례(Standard Practice for Determining the Reactivity of Concrete Aggregates and Selecting Appropriate Measures for Preventing Deleterious Expansion in New Concrete Construction) ？에요구되기 때문에, AASHTO M 295가 산화칼슘(CaO)의 함량을 보고하도록 요구하는 것이 제안됨. 이는 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화나트륨(sodium oxide), 산화황(potassium oxide), 해당 알칼리(Na2Oe) 등에 대해서도 마찬가지임. 산화칼슘와 알칼리 값은 AASHTO PP 65에 따라 ASR 완화를 위한 전략을 결정할 때 요구됨.

CFA가 공기 연행에 미치는 영향을 다루기 위해, 주어진 CFA의 AEA 요구량을 예측하기 위한 새로운 시험 방법을 개발하기 위해 시험이 수행되었음. 이 시험은 폼 배수와 폼 지수 시험과 새롭게 제안된 두 방법 ？요오드 수와 직접 흡수 등온 시험 ？ 을 포함하였음.

다양한 폼 지수 시험을 수행하고 검토한 후, Harris et al. (2008)에 의한 수정된 시험 방법이 표준 시험으로 제안되었음. 이러한 수정에는 다양한 표준 용액 농도를 사용하는 것이 포함되었고, 일관성있는 시간(즉, 15±3 분)에서 안정적인 폼을 달성하는 용액이 플라이애수에 대해 선정되었음. 또다른 수정에는 운영자가 유발한 변동성을 최소화하기 위해 기계적 교반기(mechanical agitator)를 사용한 것이 포함됨.

전반적으로, 폼 지수 시험은 CFA와 AEA의 상호작용을 평가하기 위해 적합하다고 밝혀졌지만, CFA가 공기 연행에 미치는 영향을 측정하기에는 적합하지 않음. 개선을 제안하긴 하였지만, 시험에는 여전히 높은 수준의 주관성(subjectivity)과 변동성(variability)이 있음. 콘크리트 산업계에서의 인기에도 불구하고, 폼 지수 시험은 표준화되지 않았음. 이 시험을 수행하는 것에 대한 표준화된 접근방법이 필요함.

CFA 요오드 수와 직접 흡수 등온 시험은 특정 CFA 출처의 흡수 가능성을 평가하기 위해 보조적 선택적 화학적 요구사항(Supplementary Optional Chemical Requirement)으로써 AASHTO M 295에 포함될 것을 제안함. 분류의 관점에서, 최대 CFA 요오드 수를 정하기 보다는 최대 탄소 함량을 제한하기 위한 수단으로써 LOI 측정을 유지하는 것이 제안됨. CFA의 요오드 수와 직접 흡수 등온 시험은 공기 연행에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 CFA 출처를 파악하는 수단으로써 사용될 수 있음. CFA 요오드 수 시험은 선별 시험으로써 사용할 것을 제안함. 시험 결과가 0.1 mg 요오드/g CFA 이상이면 직접 흡수 등온이 제안됨.

다른 고려사항에는 발전소에서 오염물질 제어를 위해 사용하는 분말활성탄(powder activated carbon, PAC)이 있는데, 이는 종종 LOI를 상당히 증가시키지 않고 CFA의 흡수 능력을 증가시킴. CFA 요오드 수와 직접 흡수 등온 시험 모두 PAC의 포함에 매우 민감함.