이 연구의 목적은 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 압축강도 및 열전도율 특성평가이다. 더불어, 본 연구에서는 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 기건 밀도, 압축강도 및 열전도율의 실험결과와 ACI 설계기준을 통계적 기법인 평균 및 표준편차 방법을 이용하여 설계기준의 한계점을 분석하였다. 제안모델은 ACI 설계기준들의 한계점을 보안하기 위하여 콘크리트의 기건 밀도 및 양생온도를 고려한 성숙도의 개념을 이용하여 일반화하였다. 이를 위해 바텀애시 골재의 밀도, 흡수율, 입도분포, 조립률, 공극률 및 화학 조성비를 평가하였다. 유동성, 압축강도 및 단열성을 확보한 바텀애시 골재와 기포를 활용한 콘크리트의 최적 배합설계를 위하여 물-결합재비, 기포 혼입률 및 양생온도를 변수로 선정하였다. 물-결합재비에 따라 그룹을 3개로 나누어 총 15배합을 진행하였다. 1 그룹은 물-결합재비 25%에서 기포 혼입률이 0%, 10%, 25%, 30% 및 40%이며, 2 그룹은 물-결합재비 30%에서 기포 혼입률이 0%, 5%, 10%, 15% 30% 및 40%로 변화하였다. 3 그룹은 기포 혼입률 40%에서 기포 혼입률이 0%, 5%, 10% 및 15%이다. 프리캐스트 공법 적용을 위하여 양생은 온도 20 ℃ 전재령, 40 ℃ 및 60 ℃에서 초기 10시간 양생 후 20 ℃ 지속양생을 진행하였다. 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 압축강도 및 열전도율 특성평가를 위하여 굳지 않은 콘크리트에서는 밀도, 슬럼프, 실기포율 및 침하깊이를 측정하였고, 굳은 콘크리트에서는 기건 밀도, 재령별 압축강도 및 열전도율을 평가하였다.
실험결과, 굳지 않은 콘크리트의 밀도는 0.97∼1.58 g/cm3, 슬럼프는 0∼270 mm, 실기포율은 0∼40%, 침하량은 0∼2 mm, 기건 밀도는 0.95∼1.58 g/cm3, 재령 28일 압축강도는 2.0∼22.7 MPa, 열전도율은 0.244∼0.487 W/mㆍK의 범위에 있었다. 특히, 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 밀도, 압축강도 및 열전도율은 기포 혼입률이 증가할수록 감소하였다. 반면, 양생조건은 기건 밀도와 압축강도에 대한 영향이 기포 혼입률보다 비교적 낮았다. 제안된 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 역학적 특성평가 모델은 실험결과 및 ACI 설계기준과 비교하였다. ACI 213 설계기준은 콘크리트의 밀도를 제안할 때 구성재료의 무게만을 고려하고 있어 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 밀도를 과도하게 안전측으로 평가하고 있다. 이를 보완하기 위해 제안 모델은 콘크리트의 구성재료의 무게 및 기포 혼입량을 고려하여 일반화하였다. 제안모델은 실험결과와의 비교에서 평균 및 표준편차가 각각 0.99 및 0.05로서 ACI 213 설계기준보다 실험결과를 잘 예측하였다. 재령 28일 압축강도에 대한 설계기준은 따로 명시되어 있지 않아 제안모델과 실험결과를 비교하였다. 재령 28일 압축강도에 대한 제안모델과 실험결과의 비의 평균 및 표준편차는 각각 0.98 및 0.04로 나타났다. 재령 28일 압축강도의 제안모델은 비교적 실험결과를 잘 예측하였다. ACI 209R-92 설계기준은 압축강도 발현상수를 제안할 때 기포 혼입률 및 양생온도를 고려하고 있지 않아 기포 혼입률 30% 이상인 배합에서 초기재령의 압축강도 발현상수를 과대평가하고 있다. 이를 보완하기 위하여 실험결과로부터 산정된 발현상수는 콘크리트의 기건 밀도와 성숙도의 함수를 이용하여 일반화하였다. 재령별 압축강도의 제안모델은 기포 혼입률 및 양생온도에 관계없이 ACI 209R-92 설계기준보다 실험결과를 잘 예측하였다. ACI 122R-02는 콘크리트의 열전도율을 설계할 때 기포 혼입을 고려하지 않은 단순한 콘크리트의 밀도만을 고려하고 있어, 기포 혼입률이 30% 이상인 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 열전도율을 과대평가하고 있다. 이를 보안화기 위하여 제안모델은 실험결과와 콘크리트의 기건 밀도를 회귀분석하여 일반화하였다. 열전도율에 대한 제안모델은 실험결과와의 비교에서 평균 및 표준편차가 각각 1.01 및 0.03으로 ACI 122R-02 설계기준보다 비교적 실험결과와 비슷하였다. 목표 유동성(슬럼프 150 mm 이상), 압축강도(10 MPa 이상) 및 열전도율(0.350 W/mㆍK 이하)를 고려할 때, 바텀애시 골재와 기포를 활용한 경량 콘크리트의 배합은 물-결합재비 25%에서 기포 25% 혼입이 추천될 수 있었다.

The purpose of the study is to perform the characteristic evaluation of the compression strength and heat conductivity of light weight concrete containing bottom ash aggregate and bubble. In the study, we also analyzed the limitations of design standard through evaluating the test result of air-dry density, compression strength, heat conductivity of light weight concrete containing bottom ash and bubble and ACI design standard with the application of the statistical method - mean and standard deviation. The suggested model was generalized by applying the concept of maturity with the consideration of air-dry density and curing temperature of concrete to complement the limitations of ACI design standard. For this purpose, we evaluated the density, the absorption rate, the size distribution, the fineness modulus, the porosity and the chemical composition rate of bottom ash aggregate. To design the optimal mix of concrete containing bottom ash aggregate and bubble with proper fluidity, compression strength and heat insulation, we selected the ratio of water: binding material, the bubble intermix rate and the curing temperature as variables. A total of 15 mixes were performed in 3 different groups according to the ratio of water: binding material. In Group 1, when the ratio of water: binding material was 25%, the bubble mix ratios were 0%, 10%, 25%, 30% and 40%, and in Group 2, when the ratio of water-binding material was 30%, the bubble intermix ratio were changed to 0%, 5%, 10%, 15% 30% and 40%. In Group 3, when the ratio of water: binding material was 40%, the bubble intermix ratios were 0%, 5%, 10% and 15%. To apply the precast method, curing was conducted at 20℃during all the material age, at 40℃and 60℃for the early 10 hours, and then curing continued at 20℃. To evaluate the characteristics of the compression strength and the heat conductivity of the light weight concrete containing bottom ash aggregate and bubble, we evaluated the density, the slump, the real bubble fraction and the subsidence depth for unsolid concrete and the air-dry density, the compression strength for each material age and the heat conductivity for solid concrete.
In the test result of the unsolid concrete, the density was 0.97∼1.58 g/cm3, the slump 0∼270 mm, the real bubble fraction, 0∼40%, the subsidence depth, 0∼2 mm, the air-dry density 0.95∼1.58 g/cm3, the material age 28 days, the compression strength 2.0∼22.7 MPa, and the heat conductivity within the range of 0.244∼0.487 W/mㆍK. Particularly, the density, the compression strength and the heat conductivity of the concrete containing bottom ash aggregate and bubble decreased as the bubble intermix rate increased. Meanwhile, the curing condition influenced less to the air-dry density and the compression strength than the bubble intermix rat. The suggested dynamic characteristic evaluation model of the light weight concrete containing bottom ash aggregate and bubble was compared to the test result and ACI design standard. In the suggestion of the density of concrete, ACI 213 design standard considers only the weight of the component materials and thus overestimates the safety of the density of the concrete containing bottom ash aggregate and bubble. To complement this, the suggested model was generalized through the consideration of the weight and the bubble intermix rate of concrete. In the comparison with the test result, the suggested model predicted the test result better than ACI 213 design standard showing 0.99 in mean and 0.05 in standard deviation. As the design standard for the compression strength of material age 28 days was indicated, we compared the suggested model and the test result. In the comparison with the test result of the compression strength of material age 28 days, the mean was 0.98 and the standard deviation was 0.04. The suggested model relatively well predicted the test result of the compression strength of material age 28 days. As design standard ACI 209R-92 does not consider the bubble intermix rate and the curing temperature when suggesting the constant expression, it overestimates the constant expression of the compression strength for the mix with the bubble intermix rate of over 30% in the early material age. To complement this, the estimated constant expression was generalized by applying the function of the air-dry density and the maturity of concrete. The suggested model predicted the test result of the compression strength for each material age better than ACI 209R-92 design standard regardless of the bubble intermix rate and the curing temperature. As ACI 122R-02 considers only the density of concrete excluding the bubble intermix when designing the heat conductivity of concrete, it overestimates the heat conductivity of the light weight concrete containing bottom ash aggregate and bubble with the bubble intermix rate of over 30%. To complement this, the suggested model was generalized by performing the regression analysis on the test result and the air-dry density of concrete. In the comparison of the heat conductivity with the test result, the suggested model showed the mean and the standard deviation of 1.01 and 0.03 respectively, which was relatively more similar with the test result than ACI 122R-02 design standard. When considering the target fluidity(slump over 150 mm), the compression strength(over10 MPa) and the heat conductivity (below 0.350 W/mㆍK), the mix of the light weight concrete containing bottom ash aggregate and bubble can be recommended with the ratio of water: binding material of 25% and the bubble intermix rate of 25%.