The demand for lightweight concrete is larger than ever as the interest for mega-structures has increased continuously in recent years. Advantages of lightweight concrete include increased resistance to earthquakes and lower transportation costs as well as reduced dead load of structures. A major challenge in lightweight concrete development is retaining desirable mechanical properties while lowering the density to around 80% of that of normal concrete. Equally important is to understand the lightweight concrete’s damage behavior in the case of fire. Fire is one of the most threatening hazards to lightweight concrete, exposure to which often results in a sudden and explosive failure of its structure.
This study investigated the heat resistance of lightweight concrete fabricated with recycled coal bottom ash and fly ash. Lightweight concretes were made with either bottom ash or expanded shale, and with 0, 5, 15, or 20 wt% of fly ash substitutions. The mix proportions were designed to highlight the effects of bottom ash as aggregate on the heat resistance compared to that of expanded shale, a typical lightweight aggregate, and the effects of fly ash substitution on the heat resistance. The cured and dried specimens were exposed to temperatures up to $900^\circ C$ with the heat increment of $10^\circ C$ /min, then cooled to room temperature before conducting experiments. Compressive strength test, FF-RC test, microscope observations, TG analysis, and XRD analysis were performed to analyze the physicochemical effects of coal ashes on the heat resistance of concrete.
Test results indicated that 1) bottom ash can be used as aggregate to fabricate lightweight concrete with competitive performance, 2) both bottom ash and fly ash were associated with a substantial increase in the residual strength of heat-damaged concretes. Using the coal ashes, lightweight concrete with air dry densities between $1789.1 kg/m^{3}$ and $1830.9 kg/m^{3}$ and compressive strengths between 16.8 MPa and 20.7 MPa were fabricated. After exposure to $800^\circ C$, 19.5% - 51.7% of the original strength was retained. The results provide new insight showing that bottom ash can retain the strength through heat exposure due to the relatively small $SiO_2$ content and its rough surface, which exhibits the interlocking effect. In addition, fly ash can contribute to heat resistance by hindering the dehydration process of paste, increasing the amount of chemically bound water in tobermorite or C-S-H gel, and by consuming $Ca(OH)_2$, which lowered stress from rapid dehydration during heating and recrystallization during cooling. It was concluded that the incorporation of coal ashes allows for lightweight concrete with improved heat resistance.
최근 초대형 구조물에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 경량 콘크리트에 대한 관심이 높아지고 있다. 경량 콘크리트는 자중에 의한 사하중을 줄임으로써 여러 공학적 이점을 제시한다. 또한 경량 콘크리트를 사용하여 내진 구조물을 설계하는 사례도 늘어나고 있으며, 구조물의 경제성을 향상 시킬 수 있다는 점에서도 주목을 받고 있다. 경량 콘크리트를 개발함에 있어서 중요한 점은 필요한 모든 공학적 성능을 확보하는 동시에 밀도를 일반 콘크리트의 약 80% 정도로 줄이는 것이며, 더불어 화재 발생시의 고온 폭로 거동에 대한 정확한 이해가 동반되어야 한다. 화재에 대한 저항성은 경량 콘크리트가 가진 취약한 요소 중 하나로, 고온에 노출된 경량 콘크리트는 주로 폭열과 취성파괴에 의한 손상을 야기하기 때문이다.
본 연구에서는 산업부산물인 석탄 바닥재와 비산재를 사용하여 경량 콘크리트를 배합설계하고 제조한 경량콘크리트의 고온 폭로 거동에 대해 조사하였다. 바닥재와 대조군으로써 팽창 혈암을 경량 골재로 사용하였으며 시멘트 무게 대비 0, 5, 15, 20%의 비산재를 혼입한 시험체를 제조하여 두 종류의 석탄재가 고온 폭로 거동에 미치는 영향을 관찰하였다. 시험체는 충분한 양생과 건조 과정을 거친 후 최고 $900^\circ C$까지 분당 $10^\circ C$씩 온도가 상승하도록 가열하고 다시 완전히 상온까지 식힌 후에 실험에 사용하였다. 압축강도 시험, 양단 자유 공진주 시험, 열중량 분석, XRD분석을 수행하여 석탄재가 경량 콘크리트의 고온 폭로 거동에 미치는 영향을 물리 화학적으로 고찰하였다.
실험결과, 1) 바닥재를 사용한 경량 콘크리트는 상용 팽창 혈암을 사용한 경량 콘크리트와 비교하여 유사한 수준의 강도 및 밀도를 나타내었으며, 2) 바닥재와 비산재 모두 고온에 노출된 경량 콘크리트의 내열성을 향상시킬 수 있다고 결론 지을 수 있었다. 석탄재를 사용한 시험체의 밀도는 $1789.1 kg/m^{3}- 1830.9 kg/m^{3}$ 로 나타났으며 압축 강도는 16.8 MPa - 20.7 MPa 수준으로 측정되었다. $800^\circ C$에 폭로 후 압축 강도는 상온에서의 강도와 비교하여 19.5% - 51.6% 수준을 나타내었으며, 이러한 향상된 내열성은 석탄바닥재 표면의 맞물림 효과와 적은 $SiO_2$ 조성에 기인한 것으로 사료된다. 또 비산재의 효과는 포졸란 반응으로 생성된 규산칼슘 겔과 토버모라이트가 더 높은 온도까지 수분을 보유할 수 있는 점과, 수산화칼슘의 소비로 인하여 급작스런 탈수나 재결정화를 완화 할 수 있다는 점에서 기인한 것으로 생각된다. 결론적으로 석탄재의 혼입은 경량콘크리트의 내열성/내화성 향상에 효과적이었다.
