1. 개요
오늘날의 세계에서는 친환경적이고 지속가능한 개발이 크게 강조되고 있다. 지금 인간과 환경에 부정적인 영향을 초래하는 폐기물인 대량의 플라이애시(fly ash)가 화력발전소에서 발생되고 있다. 플라이애시는 분해하기가 어려워서 플라이애시를 활용하는 것은 지속가능한 개발을 향해 큰 발걸음을 내딛는 것이다. 또한 시멘트 업계는 이산화탄소를 방출하는 주요 오염요인 중 하나이다. 따라서 시멘트 업계는 플라이애시와 같은 포졸란(콘크리트 혼화재로서 실리카질 물질을 함유하는 미분상태의 재료의 총칭)재료를 가지고 시멘트를 부분 대체함으로서 건설 산업의 수요에 부응하고 동시에 친환경적이고 청정한 환경을 제공하는 목적을 모두 이룰 수 있다. 이렇게 하면 생 콘크리트 및 경화된 콘크리트의 특성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 건설비용의 감소에도 기여할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 다양한 비율의 플라이애시로 시멘트를 대체하는 포장용 콘크리트의 거동을 조사, 연구하고자 한다. 시멘트는 M30급 콘크리트의 중량비로 0%, 10%, 15% 및 20%씩 플라이애시로 대체되었다. 콘크리트 배합을 준비하여 시험을 수행하였으며, 기존 콘크리트의 대체재로서 압축강도, 휨강도 및 쪼갬 인장강도가 비교되었다. 이들 시험은 재령 7일, 14일 및 28일 상태의 기계적 특성을 평가하기 위해 수행되었다. 포장용 콘크리트에서 나오는 최대응력을 연구하기 위하여 ANSYS 소프트웨어를 통해 다양한 두께의 모델들이 생성되고 분석 작업이 수행되었다.
2. 소개
요즈음 인도에서는 스마트 시티에 대한 개념이 아주 빠르게 성장하고 있다. 친환경적이고 지속가능한 개발이 크게 강조되고 있으므로 기반시설분야가 기본적인 수단이며, 스마트 재료는 그 위업(feat)을 적절히 달성하는데 필수적이다. 스마트 재료는 보다 저렴한 비용으로 보다 나은 결과를 제공하는 것이다. 스마트 재료로서 플라이애시를 고려해보면 이 플라이애시는 화력발전소에서 석탄을 연소할 때 얻어지는 일종의 폐기물이다. 혼화재로서 포장용 콘크리트 공사에 이 스마트 재료인 플라이애시를 사용하면 콘크리트의 특성이 개선된다. M30급 콘크리트의 시멘트 중량비로 0%, 10%, 15% 및 20%씩 플라이애시로 시멘트를 대체해 보았다.
2.1 플라이애시와 그 중요성
화학적으로 플라이애시는 포졸란(pozzolan)의 일종이다. 포졸란은 석회(수산화칼슘, calcium hydroxide)와 혼합되면 시멘트성(cementitious)의 화합물이 된다. 플라이애시를 함유하는 콘크리트는 보다 강하고 내구성이 있으며 화학물질에 노출되었을 때 더 큰 내성을 발휘하게 된다.
또한 역학적으로 플라이애시는 콘크리트 제조에 편의성(dividend)을 제공한다. 그 이유는 플라이애시 입자는 아주 작기 때문에 콘크리트의 공극을 효과적으로 채워주는 역할을 하게 되기 때문이다. 플라이애시 입자는 딱딱하고 둥글어서 “볼베어링(ball bearing)" 역할을 수행하여 콘크리트 제조 시 물을 적게 사용하는 것이 가능하다. 콘크리트의 공극을 채워주고 볼베어링의 역할로 물시멘트비를 줄여주는 이 두 가지 특성 모두 콘크리트의 시공성(workability)과 내구성 개선에 기여한다.
끝으로 플라이애시는 우리 환경에 큰 혜택을 가져다준다. 플라이시를 사용하면 천연자원을 보존하고 플라이애시의 매립형태의 폐기물 처리를 방지하게 된다. 콘크리트의 내구성을 증가시키므로 도로 및 건축물의 생애주기비용도 감소된다. 더욱이 플라이애시를 이용하여 콘크리트 재료를 부분적으로 대체 사용함으로서 상당한 량의 에너지를 절약하고 온실가스 방출을 감소시킨다.
2.2 ANSYS 소프트웨어 툴
유한요소법(The finite element method)은 엔지니어링 분야에서 다양한 문제에 대한 근사적 해답(Approximate solution)을 얻는데 사용될 수 있는 수치적 절차(numerical procedure)의 일종이다. 응력계산(stress analysis), 열전달(heat transfer), 유체흐름(fluid flow) 및 전자기(electromagnetism) 문제에 대한 정적(steady), 과도적(transient, 일시적), 선형 또는 비선형문제들은 유한요소법으로 분석될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 ANSYS 소프트웨어를 사용하여 해석 모델을 생성하고 분석을 수행하였다. ANSYS 유한요소법 소프트웨어는 엔지니어들에게 응력수준, 온도분포 또는 전자기장 등과 같은 물리적 반응에 대한 연구를 가능하게 한다.
2.3 연구 목표
1) 0%, 10%, 15%, 20% 등 4개의 다양한 플라이애시 사용량으로 시험을 실시하여 얻은 압축강도, 휨강도 및 인장강도를 기초로 M30급 콘크리트에 대한 최적의 플라이애시 투입비율을 확인하는 것
2) 같은 등급의 기존 콘크리트와 비교하여 플라이애시를 첨가한 콘크리트의 휨거동을 확인하는 것
3) ANSYS 소프트웨어를 사용하여 정적 차량하중 하에서 플라이애시를 함유한 강성포장을 분석하는 것
3. 관련문헌
3.1 Jayeshkumar Pitroda 교수는 M25 및 M40급 콘크리트에 중량비로 10%, 20%, 30% 및 40%의 플라이애시로 시멘트를 대체하는 콘크리트에 대해 연구하였다. 연구결과 시멘트를 플라이애시로 대체하는 경우 압축강도는 감소한다는 결론을 내렸다. 플라이애시의 비율을 증가시키면 압축강도와 쪼갬 인장강도는 감소한다.
3.2 P. R. Wankhede & V. A. Fulari는 콘크리트의 특성에 플라이애시가 미치는 효과를 연구하였다. 연구는 M25급 콘크리트를 가지고 수행하였는데 재령 7일, 14일 및 28일에서 시험을 실시하였다. 시험체(Cube)는 플라이애시를 시멘트 중량비로 0%, 10%, 20% 및 30%씩 대체하여 제작하였다. 이 연구에서도 다양한 비율의 물시멘트비에 따른 슬럼프의 변화를 연구하였는데 연구결과 콘크리트의 물시멘트비를 증가시키면 콘크리트의 슬럼프 손실이 증가한다는 결론을 내렸다. 플라이애시로 시멘트를 10% 및 20% 대체한 콘크리트는 물시멘트비 0.35이고 재령 28일의 경우 압축강도가 우수한 것으로 나타났다. 그러나 플라이애시로 시멘트를 30% 대체한 경우 콘크리트의 압축강도는 감소하였다.
3.3 Tomas U. Ganiron는 플라이애시 시멘트 콘크리트의 물리적, 화학적 및 기계적 특성을 연구하였다. 이 연구는 플라이애시로 시멘트의 30%를 대체한 콘크리트에 대한 것이었다. 재령 7일 및 14일의 콘크리트에 대한 결과를 획득하였으며, 플라이애시는 포장용 콘크리트 재료로서 효과적으로 사용될 수 있다는 결론을 내렸다.
4. 사용재료
4.1 플라이애시 : 플라이애시 입자의 크기는 0.1um~150um이다. 플라이애시는 MIDC Amravati 지역의 Jadhav 산업에서 수집되었다.
4.2 시멘트 : 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 43급(UltraTech cement)이 사용되었으며, 시멘트에 대해 규정된 비중시험이 실시되었다.
4.3 골재 : 콘크리트에서 골재는 중요한 역할을 한다. 골재는 콘크리트의 몸체 역할을 하며 수축을 감소시키고 경제성에 영향을 미친다. 시공성이 좋은 콘크리트를 생산하기 위하여 입도가 좋은 골재가 요구된다.
4.3.1 굵은 골재 : 20mm 규격의 체를 통과하고 4.75mm 규격의 체에 남는 골재를 굵은 골재라 한다. 20mm 및 12mm 규격의 골재를 혼합하여 사용되었다.
4.3.2 잔골재 : 4.75mm 규격의 체를 통과하고 150um 규격의 체에 남는 골재를 잔골재라 한다. Kanhan 모래가 잔골재로 사용되었다.
5. 배합설계
M30급 콘크리트의 배합은 Ambuja 시멘트 방법에 따라 설계된다. 20mm 및 12mm 규격의 굵은 골재가 배합설계에 사용되었으며, 유동화제(Plasticizer)가 콘크리트의 시공성을 개선하기 위해 사용되었다. 표 1은 3개의 육면체 시험체, 3개의 빔시험체 및 3개의 실린더 시험체에 소요되는 콘크리트(0.041m3) 구성 재료의 양을 나타낸다. 모든 준비된 재료는 건식배합으로 충분히 혼합되었으며 이후 습식배합이 이루어졌다. 적절히 배합한 후 몰드에 채워 다짐작업을 하였고 기계식으로 진동다짐작업도 하여 24시간 동안 존치하였다. 육면체, 빔 및 실린더 형태의 시험체들은 탈형한 이후 양생을 위해 물이 가득 찬 수조로 이동시켰다.
<표 1 – 시험체 제작을 위해 투입된 콘크리트 구성 재료의 양>
6. 시험 및 결과
6.1 시험체 및 시험절차
압축강도, 휨강도 및 쪼갬 인장강도 시험을 실시하기 위하여 0.15 x 0.15 x 0.15m의 육면체, 0.1 x 0.1 x 0.5m 규격의 빔 및 직경 0.15m에 높이 0.3m의 실린더 시험체가 각각 준비되었다. 재령 7일, 14일 및 28일 상태에서 압축강도 시험기(CTM - Compressive Testing Machine)와 유니버설 시험기(UTM - Universal Testing Machine)를 가지고 시험을 실시하였다. 시험을 실시하기에 앞서 몰드는 양생 수조에서 꺼내어져 실온에서 건조되도록 하였다.
6.2 실험 결과
아래 표는 플라이애시로 시멘트를 대체한 비율 10%, 15% 및 20%의 경우 재령 7일, 14일 및 28일에서 압축강도, 휨강도 및 쪼갬 인장강도를 나타내었다.
6.2.1 대체율 0%의 경우
6.2.2 대체율 10%의 경우
6.2.3 대체율 15%의 경우
6.2.4 대체율 20%의 경우
6.3 유한 요소 결과
위와 같은 실험결과들을 적용, ANSYS 소프트웨어를 활용하여 분석적 연구가 이루어졌다. 연구는 60KN과 120KN의 하중을 받는 두께 160mm, 180mm, 200mm 및 220mm의 다양한 두께를 갖는 폭 4.5m의 ANSYS 소프트웨어에 의한 2D 모델에 대해 수행되었다. 응력(stress)과 처짐값(deflection)이 얻어졌고 다양한 강성값에 따른 두께별 응력과 두께별 처짐값이 그래프로 만들어졌다.
7. 결론
위와 같은 실험 및 분석 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
7.1 플라이애시로 시멘트 15%를 대체한 콘크리트는 10% 및 20% 대체한 콘크리트에 비하여 재령 28일에서 우수한 압축강도 및 쪼갬 인장강도를 나타내었다.
7.2 그러나 휨강도는 10% 및 20% 대체한 경우와 비교하여 감소한다.
7.3 응력과 처짐은 포장 두께가 감소하면 증가한다.
7.4 재료의 강성이 증가함에 따라 포장 콘크리트의 응력과 처짐은 감소한다.
7.5 하중이 증가함에 따라 응력과 처짐도 증가한다.
