fly-ash 혼합콘크리트내구성평가 · ksl 5405 3000 89 91.5 - 89.3 93.5 96 95(105) 96.4 99.5...

Environment & Structure Lab.

환경구조연구소

2008. 42008. 4

한국전력공사 전력연구원

발표자발표자 : : 선임선임 조명석조명석((전력연구원전력연구원 환경구조연구소환경구조연구소))

Fly-ash 혼합콘크리트 내구성 평가

2008년도 원자력안전기술정보회의2008년도 원자력안전기술정보회의



I. 연구개요

II. F/A 기본물성 검증

III. F/A 치환율 결정

VI. F/A 콘크리트 내구성 평가

VI. 내구성 향상을 위한 제언

발표 순서발표 순서



연구 개요

* 연구 추진배경

기존 사용 내황산염 시멘트(V종)의

내해수성에 대한 적정성 입증 필요

� 사용 시멘트 변경을 위한 관련 시방

규정의 변경 및 규제요건 적합성

입증을 위한 내구성 검증 필요

* 연구목표

� 원전 구조물 사용 시멘트 변경

(V종⇒ I종 + fly ash)을 통한 구조물

의 내구성 및 경제성 확보



원 료 주요화학성분 주요화합조성물 기 호 명 칭

석회석

점 토

철광석

석 고

CaO

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaSO4·2H2O

3CaO·SiO2

(규산3칼슘)

2CaO·SiO2

(규산2칼슘)

3CaO·Al2O3

(알루민산3칼슘)

4CaO·Al2O3·Fe2O3

(철알루민산4칼슘)

C3S

C2S

C3A

C4AF

Alite

Belite

Celite

Felite

시멘트클링커

석회질 재료와 실리카, 알루미나, 산화철 등을 함유한 점토질 재료를 원료로 하여고온(약 1,450℃)에서 소성하여 얻어진 클링커에 응결시간 조정을 위하여 3∼5%의석고를 첨가하여 분쇄하여 만든 것

시멘트의 특성 (1)



시멘트 주요 화합물의 성질

구 분 C3S C2S C3A C4AF

단기 대

(수일)

소

(수주)

대

(1일)

대

(1일) 강도

발현 장기

대

(수백

kg/cm2)

대

(수백

kg/cm2)

소

(수십

kg/cm2)

소

(수십

kg.cm2)

수화열 중

(120cal/g)

소

(60cal/g)

대

(200cal/g)

중

(100cal/g)

수화반응속도 보통

(수시간)

늦다

(수일)

빠른다

(순간적)

빠르다

(수분)

비 고

포틀랜드

시멘트의

특징을

갖는 성분

황산염에

의한 침해

를 받기

쉽다

시멘트의

특징인

회색을 부여




시멘트의 종류

종 류 명 칭

(ASTM C150) 특성 및 용도

보 통 I .일반적인 시멘트

중용열 II

.수화열 작음

.건조수축 작음

.댐 등의 메스콘크리트에 사용

조 강 III

.조기강도 발현효과 큼

.저온에서도 강도 발휘

.긴급공사 및 한중공사 등에 사용

저 열 IV

.수화열 매우 작음

.건조수축 매우 작음

.메스콘크리트에 사용

내황산염 V .황산염 저항성 큼




• 발전소 구조물에서의 V종 시멘트 사용배경

– 1978년 : 고리 #2호기 및 후속 원전에 사용

• 배경 : 알칼리-골재 반응에 대비한 저알칼리형 시멘트의 생산 기술 미흡

– 1989년 : 화력발전소에 확대 적용

• 배경 : 내해수성, 수화열 및 알칼리 골재 반응 등 내구성 측면

• V종 시멘트의 특성과 내해수성

– V종 시멘트 : C3A(3CaO·Al2O3) 함량을 극소화 시킨 시멘트

– C3A의 역할

• 내황산염– 시멘트의 C3A + 해수중의 황산염→ Ettringite생성 (팽창성 물질)

– C3A의 함량이 적을수록 유리

발전소 구조물에서의 내황산염시멘트(V종) 사용배경 (1)



• 내해수성– 시멘트의 C3A + 해수중의 염소이온→ 프리델씨염 생성(고체화 물질로서 염소이온의 확산

억제)

– C3A의 함량이 적을수록 불리

– 콘크리트내의 침투성

• 염화물 > 황산염

• 내해수성 관련 국내외 시방규정

구 분 시방규정 내 용

미 국 ACI II종 시멘트 , 혼합시멘트

유 럽 CEB-FIP 해수의 경우 V 종 시멘트 사용 유의

일 본 콘크리트 표준시방서 혼합시멘트(I종+Fly Ash, 고로슬래그)

국 내 콘크리트 표준시방서II종 시멘트 ,혼합시멘트(I종+Fly Ash, 고로슬래그)




• 국외 전력구조물 시멘트 사용실태– 일 본 : 대부분이 I종 시멘트에 Fly Ash 혼입 사용

– 미 국 : II종 시멘트 사용

• 전력구조물의 V종 시멘트 사용 타당성 검토

– 내구성

• 화학저항성– 황산염 침해만을 고려시 침해정도가 높은 염해에 대하여 불리

• 수화열에 의한 균열 저항성– V종 시멘트 보다는 혼합시멘트의 사용이 유리함

• 골재-알칼리 반응성– 골재에 대한 반응성 유무시험 사전 수행

– 관련 시방규정

• 해안 구조물의 경우 해수에 대한 내황산염성과 내염해성 동시 고려




– 시멘트 실사용 및 실증실험 결과 분석

• 일본의 경우 화력 및 원자력발전소에 I종과 Fly Ash를 혼입 사용– 우리나라와 일본 I종 시멘트 성분 유사

• 국내외 실증 해수 폭로시험 결과 혼합시멘트 사용이 해수의 침해 경미, 주요

열화 현상은 황산염 침해 보다는 염화물에 의한 철근 부식임

• 종합 검토결과

– 구조물의 내구성과 경제성 고려시 I종 시멘트에 Fly Ash를 혼화재로

사용한 혼합시멘트계의 사용이 바람직함

– 해안구조물의 경년열화에 대한 실증 데이터 확보 및 혼합시멘트 사용에

대한 내구성 향상 연구 수행 필요




• Fly Ash의 형상

– 일반적인 포졸란 물질과는 다른 구형입자로 구성

• Ball Bearing 작용을 하여 콘크리트의 유동성을 증가시키고, 골재 사이의

공극을 충전시키는 등 콘크리트의 제 성질에 양호한 영향 미침

Fly Ash의 특성 (1)

V종 시멘트 Fly Ash



Fly Ash의 특성 (2)

경화 콘크리트의 특성

– 초기강도 감소, 장기강도 증가

– 동결융해 저항성 증가

– 내화학성 증가

– 내투수성 증가

– 내해수성 증가

– 건조수축 감소

– 알칼리-골재반응 억제

– 중성화 촉진

굳지않은 콘크리트의 특성

– Workability 향상

– Bleeding 감소

– 수화열 감소

– 공기량 감소

– 응결시간 지연



• F/A 기본 물성 검증

• F/A 치환율 결정 (예비내구성 평가 포함)

• F/A 혼합 콘크리트 내구성 평가

(장기내구성예측 포함)

• 현장 배합지침

연구수행 내용



F/A 품질규격 (1)

* 시험결과에 따라 사용자의 승인하에 12.0% 까지 사용 가능

• KS의 경우 2004년에 1,2종 품질로 등급화 , ( ) : 1종 규격

항 목

SiO2+Al2O3+Fe2O3, min %

SO3, max %

ASTM 618

50

5.0

C FKS L 5405

JIS A 6201

70

5.0

I종 IV종III종II종

습 분, max %

강열감량, max %

3.0

6.0

3.0

6.0*

1.0

5.0(3.0) 3.0 5.0 8.0 5.0

1.0 1.0 1.0 1.0

• 국내외 F/A 품질규격(화학적 성분)

SiO2, min % 45 45 45 45 45



F/A 품질규격 (2)

• 국내외 F/A 품질규격(물리적 성질)

항 목

분말도

ASTM 618

34

C FKS L 5405

JIS A 6201

34

I종 IV종III종II종

포졸란활성도min %

75 75

100 90 90 70

0.8

80 60

3000(4500)

85 75

45µm체 잔량, max %

비표면적, min cm2 /g 5000 2500 2500 1500

단위수량비, max %

10 4040 70

105 105 95(105) 105 95

7일

28일

91일

안정도(오토클레이브팽창도)max %

75 75 80(90) 90 80

0.8

비 중, min 1.95 1.95 1.95 1.95 1.95



F/A 기본물성 검증 (1)

�화학적성분 검증시험 결과 (본 연구사용 F/A)

항 목

Min. SiO2+Al2O3+Fe2O3

Max. SO3

ASTM C618

( C Class)

Max. 습분

Max. 강열감량

50

5.0

3.0

6.0 5.0

1.0

87.48 (만족)

시험결과

0.51 (만족)

0.07 (만족)

2.7 (만족)

Min. SiO2

KS L5405

45 65.3 (만족)




항 목

분말도 : 45µm 체 잔량, max

비표면적, min

포졸란 활성도 :

7일, min %

28일, min %

ASTM C618

(C Class)

안정도(오토클레이브팽창도), max %


34

75

75

105

80

5.7 (만족)3442 (만족)

시험결과KSL 5405

3000

89 (만족)

94 (만족)

95(105) 100 (만족)

0.8 0.1 (만족)

�물리적성질 검증시험 결과(본 연구사용 F/A)

비 중, min 1.95 2.27 (만족)




�화학적성분 검증시험 결과 (정제공장별 자료분석 결과)

항 목

Min. SiO2+Al2O3+Fe2O3

Max. SO3

ASTM C618

( C Class)

Max. 습분

Max. 강열감량

50

5.0

3.0

6.0 5.0

1.0

87.32 89.47 90.9

삼천포 보령 태안

0.48 0.62 0.18

0.12 0.12 0.06

2.72 4.09 2.24

Min. SiO2

KS L5405

45 59.08 59.65 56.0




항 목

분말도 : 45µm 체 잔량, max

비표면적, min

포졸란 활성도 :

7일, min %

28일, min %

ASTM C618

(C Class)

안정도(오토클레이브팽창도), max %


34

75

75

105

80

7.45 11.78 -3576 3124 3511

KSL 5405

3000

89 91.5 -

89.3 93.5 96

95(105) 96.4 99.5 90

0.8 0.07 0.07 -

�물리적성질 검증시험 결과(정제공장별 자료분석 결과)

현재 국내 생산 F/A의 경우 정제공장의 가동으로 관련품질규격(ASTM 및KS)의

기준을 만족하며 구매과정에서의 일정 기준 제시 시 활용상 문제 없음

삼천포 보령 태안








연구수행 내용



F/A 치환율 결정 (1)

� F/A 치환율 결정 고려요소

• 수화열

– 현행 원전 사용 시멘트의 수화열 기준 충족 필요

• 압축강도

– 현행 사용시멘트 동등 이상 충족 필요

• 관련 Code 기준

– ACI 318 및 349 : F/A 최대 치환율 25%(결합재 중량 기준)로 규정

– ACI 301 : F/A 최소 치환율 15%(결합재 중량 기준)로 규정

• 경제성– 상기 조건을 모두 만족하는 치환율 중에서 최대 치환율



F/A 치환율 결정 (2)

�시험결과 분석에 따른 적정 Fly Ash 치환율 도출

시험결과 고려 및 관련 Code 상의 기준치, 경제성 및 대규모 현장배합시의

계량오차 등을 고려할때 20% 치환율이 적합

기 준 항 목

수 화 열

관련코드 기준

판 단 기 준

경 제 성

적 정 치 환 율

70cal/g(7일) 만족

강도발현성

만족하는 치환율

10% 이상

V종 시멘트 이상

최소 15%, 최대 25%

상기 조건을 모두 민족하며가능한 대량 사용

10%, 15%, 20%

15%, 20%, 25%

20%

20%



예비 내구성 평가(모르터 내구성 평가)

• 평가결과 요약 및 분석

내해수성(염해 및 황산염침해) 측면에서는 F/A를 사용한 경우가 현행 V종 시멘트를 사용한

경우보다 우수한 내구특성을 가짐.

F/A를 사용한 경우 중성화 측면은 불리하나 낮은 물시멘트비의 고강도 콘크리트를 사용하는

원전의 경우 사용수명 동안의 내구성 확보는 충분함.

평 가 항 목

염화물 침투속도

중성화 속도

평 가 결 과

(I종 + F/A 20%) < I종 < V종

황산염 침투속도

비 고

(I종 + F/A 20%) < V종 < I종

V종 ≤ I종 < (I종 + F/A 20%)








연구수행 내용



F/A 혼합 콘크리트 내구성 평가

• 평가항목

� 압축강도 평가

� 콘크리트 수화열 평가

� 장기거동특성 평가

� 내구성 평가

� F/A 혼합 콘크리트 내구성 향상요인 분석

(수밀성 및 미세 공극구조 검토)



압축강도 평가

� 시험개요 및 결과분석

• 시험 종류

– 시멘트 종류 : I 종, V 종, I 종 + F/A (20%)

– 대상강도 : 3000, 4000, 5000, 5500 psi

– 대상재령 : 7, 28, 91일

• F/A 를 사용한 경우 재령 7일에서의

압축강도는 I종 및 V종 시멘트를 사용한

경우보다 작음

• 재령 28일 이후부터는 모두 설계기준강도를 상회하며 I종 및 V종 시멘트를사용한 경우의 동등 이상의 강도발현나타냄

• F/A를 사용한 경우 초기강도는 저하되나 포졸란반응에 의해 장기강도 측면에서는 유리함

0

2000

4000

6000

I종 V종 I+F/A(20%)

압축

강도

(psi

)

3000 psi

91일

28일

7일

0

2000

4000

6000

8000

10000


압축

강도

(ps

i)

4000 psi

91일

28일

7일

0

2000

4000

6000

8000

10000


압축

강도

(ps

i)

5000 psi

91일

28일

7일

0

2000

4000

6000

8000

10000


압축

강도

(ps

i)

5500 psi

91일

28일

7일



콘크리트 수화열평가

� 시험개요 및 결과분석

• 시험 종류

– 시멘트 종류 : I 종, V 종, I 종 + F/A

(10,15,20%)

– 대상강도 : 5500 psi

– 시험방법 : 콘크리트 단열온도상승시험

• V종 시멘트를 사용한 경우가 I종 시멘트를사용한 경우보다 수화열 측면에서 유리함

• F/A 를 사용한 경우 치환율 증가에 따라

수화열이 저감되고 있으며, 20%인 경우

최대 단열온도 상승값이 가장 낮음

• F/A를 사용한 경우 V종 시멘트를 사용한

경우보다 수화열 측면에서 유리하며 콘크

리트 수화시 내부 온도 상승으로 인한

균열을 저감시킬 수 있음

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250

시간(hour)

단열

온도

상승

값(℃

)

I종

V종

I+F/A(20%)

I+F/A(15%)

I+F/A(10%)

y = -0.3672x + 56.963

R2 = 0.9781

45

48

51

54

57

60

0 5 10 15 20 25

플라이애쉬 치환율(%)

단열

온도

상승

값(℃

)



장기거동특성 평가 (1)

• 시험개요

• 시험항목

– 탄성계수– 푸아송비– Creep

– 건조수축– 열전도율– 열팽창율

• 대상배합 : 5500 psi

(I종, V종, I종+F/A 20%)

• 시험방법

– 현행 원전 격납건물 콘크리트장기거동 특성시험 절차서에 의함




• 시험결과(1)

• 탄성계수

재령 28일까지는 큰 차이가 없으나, 91일 이후

로는 F/A를 사용한 경우가 I종 및 V종 시멘트

를 사용한 경우의 탄성계수를 상회하고 있음

• 푸아송비

시멘트 종류 및 F/A 사용에 관계없이

0.21∼0.23의 범위로 큰 차이가 없음

• 열팽창계수 및 열전도율

시멘트 종류 및 F/A 사용에 관계없이

10.59∼11.19의 범위로 큰 차이가 없음0.E+00

2.E+05

3.E+05

5.E+05

6.E+05

7일 28일 91일 180일

탄성

계수

(ps

i)

I종

V 종

I+F/A(20%)




• 시험결과(2)

• 건조수축

F/A를 사용한 경우가 I종 및 V종 시멘트를

사용한 경우보다 건조수축에 의한 변형률이

적음

• Creep

F/A를 사용한 경우가 I종 및 V종 시멘트를

사용한 경우보다 Creep에 의한 변형률이 적음

• F/A의 사용으로 인한 조직의 치밀화,

자유수의 감소 등으로 탄성계수 및 건조

수축, Creep등의 장기거동특성 측면에서

우수한 결과를 나타내고 있음

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100 120 140

노출기간(days)

변형

율(1

0-6)

I종

V종

I+F/A(20%)재령 91일

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140

재하기간(days)변

형율

(10-

6)

Ⅰ종

Ⅴ종

I+F/A(20%)

재령 91일



내구성평가 (1)

• 시험개요

– 내구성 평가 시험

• 배합– 시멘트 종류 : I종, V종, I종+F/A 20%

– 대상배합 : 3000psi, 4000psi, 5000psi, 5500psi

• 시험 재령 : 28일, 91일

• 시험항목 :

– 염해 : NaCl 3.6% 수용액 침적

– 황산염침해 : Na2SO4 10% 수용액 침적

– 동결융해 : ASTM C 666 (기중동결 수중융해)

– 중성화 : CO2 농도 10%, 온도 30ºC, 습도 55%

• 측정주기

– 중성화, 염해, 황산염침해 : 28, 60, 91일

– 동결융해 : 30사이클마다 300사이클 까지



내구성 평가 (2)

– 시험체 크기 : 10ⅹ10ⅹ 15cm

(5면 에폭시 코팅, 1면 침투)

– 시험조건 : NaCl 3.6% 수용액 침적

– 측정주기 : 28일, 60일, 90일

– 측정방법 : 깊이별 수용성 염화물량

– 평가 : 깊이별 확산계수

• 염해 평가 (1)



내구성평가 (3)

• 염해평가 (2)

• 시험결과

– 염화물 확산 속도 : I종+F/A 20% < I종 < V

– F/A 를 사용한 경우가 내염해성 측면에서 현행 콘크리트보다 우수함

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

3000ps i 4000ps i 5000ps i 5500ps i

설계기준강도

확산

계수

(×1

0-

8㎡

/se

c)

I종

V종

I+F/A(20%)

NaCl 3.6% 90일 침적재령 : 28일

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

3000psi 4000psi 5000psi 5500psi

설계기준강도

확산

계수

(×10

-8㎡

/se

c)

I종

V종

I+F/A(20%)

NaCl 3 .6% 90일 침적재령 : 91일



내구성평가 (4)

• 염해 장기내구성 예측

0

1

2

3

4

0 100 200 300 400 500 600

사용수명(years)

염화

물량

(kg/㎥

)

I+FA(20%)

V종

3000psi설계기준재령 91일

0

1

2

3

4

0 100 200 300 400 500 600

사용수명(years)

염화

물량

(kg/㎥

)

I+FA(20%)

V종


0

1

2

3

4

0 100 200 300 400 500 600

사용수명 ( ye ar s )

염화

물량

(kg/㎥

)

I+FA(20%)

V종


0

1

2

3

4

0 100 200 300 400 500 600

사용수명 ( ye ar s )

염화

물량

(kg/㎥

)I+FA(20%)

V종





• 시험체 크기 : 10ⅹ10ⅹ40cm

• 시험조건 : Na2SO4 10% 수용액 침적

• 측정주기 : 28일, 60일, 90일

• 평가 : 길이변화

• 황산염침해 평가 (1)



내구성평가 (6)

• 황산염침해 평가 (2)

• 시험결과

– 황산염 침해속도 : I종+F/A 20% < V종 < I종

– F/A 를 사용한 경우가 내황산염 측면에서 현행 콘크리트보다 우수함

0

0.01

0.02

0.03

0.04

3000psi 4000psi 5000psi 5500psi

길이

변화

율(%

)

Ⅰ종

Ⅴ종

I+F/A(20%)Na 2SO 4 10% 침적

침적기간 : 90일재령 : 28일

0

0.01

0.02

0.03

0.04

3000psi 4000psi 5000psi 5500psi

길이

변화

율(%

)

Ⅰ종

Ⅴ종

I+F/A(20%)Na 2SO 4 10% 침적

침적기간 : 90일재령 : 91일



내구성평가 (7)

• 황산염 장기내구성 예측

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

사용수명 (years)

황산

염 침

해 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V종

3000ps i

설계기준재령 91일

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500


황산

염 침

해 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V종

4000ps i


0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500


황산

염 침

해 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V종

5000ps i


0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500


황산

염 침

해 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V종

5500ps i





• 시험체 크기 : 10ⅹ10ⅹ40cm

• 시험조건 : ASTM C 666

(기중동결 수중융해)

• 측정주기 : 300사이클까지

(30사이클 주기)

• 평가 : 상대동탄성계수

• 동결융해 평가 (1)



내구성평가 (9)

• 동결융해 평가 (2)

• 시험결과

– 동결융해저항성 : I종+F/A 20% > I종 ≥ V종

– F/A 를 사용한 경우가 AE제를 흡착하는 경향이 있어 동일량를 사용한경우 동결융해저항성이 다소 저하하나 상대동탄성계수가 60% 이하로저하되지는 않으며 동일 공기량 확보시 동결융해저항성이 우수함

0

20

40

60

80

100

0 60 120 180 240 300

동결융해 싸이클수

상대

동탄

성계

수(%

)

Ⅰ종(4.5%)

Ⅴ종(4.8%)

I+F/A20%(2.3%)

I+F/A20%(4.6%)

4000psi재령:28일

괄호안의 숫자는 공기량

0

20

40

60

80

100

0 60 120 180 240 300


상대

동탄

성계

수(%

)

Ⅰ종(4.6%)

Ⅴ종(4.7%)

I+F/A20%(2.2%)

I+F/A20%(4.6%)

5500psi재령:28일

괄호안의 숫자는 공기량



내구성평가 (10)

• 동결융해 장기내구성 예측

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500

사용수명(years)

상대

동탄

성계

수(%

)

I+FA(20%)-4.7%

I+FA(20%)-2.8%

V종-4.7%

3000ps i


60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500

사용수명( ye ar s )

상대

동탄

성계

수(%

)

I+FA(20%)-4.6%

I+FA(20%)-2.3%

V종-4.8%

4000ps i


60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500


상대

동탄

성계

수(%

)

I+FA(20%)-4.5%

I+FA(20%)-2.2%

V종-4.5%

5000ps i


60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500


상대

동탄

성계

수(%

)

I+FA(20%)-4.6%

I+FA(20%)-2.2%

V종-4.7%

5500ps i





– 시험체 크기 : 10ⅹ10ⅹ 15cm

(5면 에폭시 코팅, 1면 침투)

– 시험조건 : CO2 농도 10%

온도 30ºC, 습도 55%

– 측정주기 : 7일, 28일, 60일, 90일

– 측정방법 : 페놀프탈렌인 용액을 분무

하여 발색깊이 측정

– 평가 : 중성화 진행 속도

• 중성화 평가 (1)




• 중성화 평가 (2)

• 시험결과

– 설계기준강도 및 재령에 관계없이 I종

<V종<I종+F/A 20% 순으로 중성화

속도가 빨리 진행되고 있음

– 저강도인 3000 psi의 경우 그 차이가

크나 현재 원전에서 주로 사용되고

있는 5000 psi이상의 경우 그 차이가

크지않음

• 사용수명 예측결과 F/A의 사용 시 피복

두께까지의 중성화 진행은 원전 수명기간

동안 발생하지 않는 것으로 평가됨 0

2

4

6

8

10

12

14

3000psi 4000ps i 5000ps i 5500psi

설계기준강도중

성화

속도

계수

(mm

/da

ys

0.5

) I종

V종

I+F/A(20%)

재령 : 91일

0

2

4

6

8

10

12

14

3000psi 4000psi 5000psi 5500psi

설계기준강도

중성

화속

도계

수(m

m/d

ays

0.5

)

I종

V종

I+F/A(20%)

재령 : 28일




• 중성화 장기내구성 예측

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

중성

화 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V 종

사용수명(years)

3000ps i설계기준재령 91일

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

중성

화 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V종

사용수명(years)


0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

중성

화 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V종

사용수명(years)


0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

중성

화 깊

이(m

m)

I+FA(20%)

V종

사용수명(years)




F/A 혼합 콘크리트 내구성 향상요인 분석(1)

• 투수 및 투기성 평가

• 시험결과

– 투수계수 : I종+F/A 20% < I종 < V종

– 투기계수 : I종+F/A 20% < I종 < V종

– F/A를 사용한 경우가 투수성 및 투기성 측면에서 우수한 성질을 나타내고 있으며 이는 포졸란 반응에 의한 조직의 치밀화에 기인함

– 염해 등의 내구성 측면에서 나타나는 결과와 일치

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

3000psi 4000psi 5000psi 5500psi

설계기준강도

투수

계수

(㎠/s

ec·b

ar）

I종

V종

I종+FA(20%)

재령 : 91일

0

0.1

0.2

0.3

0.4

3000psi 4000psi 5000psi 5500psi

설계기준강도

투기

계수

(×10

-16㎡

）

I종

V종

I종+FA(20%)

재령 : 91일




• 공극률 평가

• 시험결과

– 공극률 : I종+F/A 20% < I종 < V종

– F/A를 사용한 경우가 공극의 양 및 큰 공극이 적어 강도 및 내구성 측면

에서 우수한 것으로 나타남

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Pore diameter(㎛)

pore volume(㎖

/g）

I종V종I+F/A(20%)

5000psi

0.0684

0.0698

0.0532

Total pore volume(㎖/g)

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Pore diameter(㎛)

pore volume(㎖

/g）

I종V종I+F/A(20%)

5500psi

0.0790

0.0875

0.0779

Total pore volume(㎖/g)




• SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석

• 분석결과

– F/A를 사용한 경우가 콘크리트 수화물의 조직구조가 치밀한 것으로

나타남

I종 시멘트 사용 V종 시멘트 사용 I종+F/A 20% 사용



F/A 혼합콘크리트 내구성 특성 평가 요약

콘크리트 조직의 치밀화

-투수성 향상

-투기성 향상

-공극률 감소

F/A의 역할

포졸란 반응에 의한

콘크리트 수화물

미세공극 충진

사용 시멘트량 감소

콘크리트 수화열 저감

-발생균열 감소

역학적 특성 향상

-압축강도 증가

-장기거동 특성 향상

내구성 향상

-내해수성 향상

-동결융해 저항성 향상

원전 구조물 내구성 향상

건설비용 절감








연구수행 내용



F/A 혼합콘크리트 현장 배합지침

• 현행 콘크리트 배합방법 준용

• 기존 시멘트 중량의 20%를 F/A로 대체• 강도별 현장배합시험을 통한 AE제 및 감수제 증가

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1배 1.5배 2배 3배

감수제 양(×현배합)

슬럼

프 (

cm

)

3000psi

4000psi

5000psi

5500psi

0

1

2

3

4

5

6

7

1배 1.5배 2배

AE제 양(×현배합)

공기

량 (

%)

3000psi

4000psi

5000psi

5500psi



주요 연구결과 요약

– Fly Ash 기본 물성 검증

• 관련 품질규격의 화학적 및 물리적 조건 만족

– Fly Ash 치환율 결정• 수화열, 강도발현, 관련 Code 조건 및 경제성을 고려하여 20%로 결정

– Fly Ash 혼합 콘크리트 역학적 및 내구적 특성 평가

• 압축강도 및 수화열, 장기거동특성 측면에서 현행 콘크리트 보다 우수

• 내해수성(염해 및 황산염 침해) 및 동결융해 측면에서 우수

• 중성화 측면에서 다소 불리하나 사용수명 동안의 건전성 확보 가능

• 내부조직의 치밀화 향상으로 투수성 및 투기성 우수

– Fly Ash 혼합 콘크리트 배합지침 제시

• 현장 실무자용 F/A 혼합콘크리트 배합 기준으로 활용



기대성과

1. 기술적 성과– 원전 콘크리트 구조물 내구성 향상

• 장기거동 등의 역학적 특성 향상

• 내해수성 등의 내구성능 향상

• 투수 및 투기성 등의 콘크리트 내부구조 치밀성 향상

– F/A 혼합 콘크리트 사용을 위한 이론적 기반 조성

• 국내 사용재료 및 원전 주요 열화요인을 고려한 종합적 검증시험 수행

2. 경제적 성과– 원전 건설비용 절감 : 시멘트 대체 효과

– 전력산업의 부산물인 F/A의 효율적 활용



표면침투보강제의 적용을 통한 내구성 향상 및 사전예방적 유지관리체계의 확립

콘크리트 구조물 내구성 향상을 위한 제언

COCO22

ClCl--

WaterWater

표면표면보호보호철근철근

부식부식COCO22

ClCl--

WaterWater

COCO22

ClCl--

WaterWater

철근철근부식부식COCO22

ClCl--

WaterWater장기적장기적손상손상

콘콘크크리리트트내내구구성성

시간시간 (t)(t)

보수전보수전 보수후보수후

보수시기보수시기

COCO22

ClCl--

WaterWater

침투침투

수증기수증기

COCO22

ClCl--

WaterWater

철근철근부식부식 --

--------------

++++++++

++++++++++++++++ ++

++구체강화구체강화pH pH 상승상승

철근부식철근부식억제억제

콘콘크크리리트트내내구구성성

시간시간 (t)(t)

보수전보수전 보수후보수후

보수시기보수시기

내구성내구성 향상향상

기존기존 표면보호제표면보호제

차세대차세대 표면침투보강제표면침투보강제



표면침투보강제표면침투보강제 개발개발

AcAc ::충격흡수충격흡수 및및 균열억제균열억제 TEOSTEOS : : 구체강화구체강화 TeaTea : : 반응기활성화반응기활성화 및및 부식억제부식억제

합성합성::용액중축합용액중축합 반응반응

합성물질합성물질 : : AcTeAcTe 합성물질합성물질 : : TeaTeTeaTe

열화억제열화억제성능개선성능개선 물질물질

침투력침투력개선개선 물질물질

표면침투보강제표면침투보강제



표면침투보강제의표면침투보강제의 메커니즘메커니즘 분석분석

구체강화구체강화 메커니즘메커니즘

SiSi--OR+HOR+H22OO

SiSi--OR+ROHOR+ROH

SiSi--OH+HOOH+HO--SiSi

SiSi--OO--Si+HSi+H22OO

hydrolysishydrolysisWaterWater

CondensationCondensation

CondensationCondensation

침투침투 메커니즘메커니즘

기존제품 표면침투보강제

열화물질열화물질 차단차단 메커니즘메커니즘

실리케이트의실리케이트의 졸졸--겔겔 반응반응 =>=> 강도증진강도증진 및및 내구성능내구성능

향상향상

나노크기의나노크기의 입자입자 분포로분포로 침투력침투력 향상향상

구체강화구체강화 및및 표면장력표면장력 증가증가

=> => 열화물질열화물질 침투차단침투차단`̀

열화손상열화손상 회복회복 메커니즘메커니즘

실리케이트의실리케이트의 염분고정화염분고정화 효과에효과에 의한의한 염해염해

손상손상 회복회복

아민계열아민계열 실리케이트의실리케이트의 고알칼리고알칼리(PH=13)(PH=13)에에

의한의한 탄산화탄산화 회복회복 및및 부식부식 억제억제

시간경과시간경과 시간경과시간경과

SolSol GelGel

HH22OO



W/C 변화에 따른 도포량별 침투깊이 평가

강도조건에강도조건에 따른따른 적용성적용성 평가평가

도포량에도포량에 따른따른 침투깊이침투깊이

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7

도포량(ℓ/㎡)

침투

깊이

(mm

)

60%

50%

40%

35%



열화 억제성능 평가

3.53.5배배 증가증가복합열화복합열화 억제성능억제성능

96% 96% 차단차단중성화손상중성화손상 억제성능억제성능

97% 97% 차단차단염해손상염해손상 억제억제 성능성능

DF 84 [300cycle]DF 84 [300cycle]동결융해동결융해 억제성능억제성능

평평 가가 결결 과과평평 가가 항항 목목

96%96%

24.2

1.9

9.5

14.2

0.50.10

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

시험기간(days)

중성

화 깊

이(m

m)

무도포

도포

탄산화억제성능탄산화억제성능

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300


상대

동탄

성계

수(%

)

무도포

도포

동결융해억제성능동결융해억제성능

0.064

0.0017

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

무도포 도포

염화

물 농

도(%

)

염화물차단성능염화물차단성능

97%97%

평평 가가 결결 과과

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 10 20 30 40 50 60

싸이클수

스케

일 손

실량

(㎏

/㎡)

무도포

도포 복합열화 저항성능

* * 열화열화 억제성능억제성능 증가증가



원전원전 품질품질 Code Code 적합성적합성 평가평가

국내 표면침투보강제 관련 품질규격 : KSF4930

: 콘크리트 표면도포용 액상형 흡수방지재

콘크리트 표면의 보호를 목적으로 표층부에 도포하여 함침시킴으로써

흡수방지층을 형성하여, 외부로부터 물 및 염화이온 등의 침투를 억제하는

액상형 흡부방지재에 대한 규정

* 내구성능 평가시험을 상기 규격에 의하여 공인기관인

한국건자재시험연구원으로부터 수행 완료 (모든 항목 평가기준 만족)

원전의 관련 규정 : 원전 안전성관련 콘크리트 구조물 보수절차서

: 보수재료는 “보수자재 사용신청서”에 따라 절차서의 “보수재료별

품질기준”을 만족한 것으로 사전평가된 인증된 제품이어야 하며,

국가규격(KS 또는 ASTM)으로 제정된 경우에는 그 기준을 우선하여 적용함

* KSF4930을 준용한 표면피복재 품질기준이 절차서에 규정되어 있음



특허등록특허등록 현황현황

국내외국내외 특허출원특허출원//등록등록((총총 66건건))

표면침투보강제표면침투보강제 개발개발 관련관련 : 4: 4건건

[[국내국내 : : 등록등록 22건건]]

[[미국미국 : : 출원출원 22건건] ]

표면침투보강제표면침투보강제 적용시스템적용시스템 관련관련 : 2: 2건건

[[국내국내 : : 등록등록 11건건]]

[[미국미국 : : 출원출원 11건건] ]

국내외국내외 논문논문 발표발표 및및 게재게재

논문논문 발표발표(10(10편편) ; 2005) ; 2005년도년도 대한토목학회대한토목학회 학술발표회학술발표회 우수논문상우수논문상 수상수상

SCI 1SCI 1편편((심의심의 중중), ), 콘크리트학회논문집콘크리트학회논문집 11편편(2007. 8(2007. 8월월 게재게재))



감사합니다.감사합니다.

fly-ash 혼합콘크리트내구성평가 · ksl 5405 3000 89 91.5 - 89.3 93.5 96 95(105) 96.4 99.5...

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