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문제 정의
- 6 mm이하의 미립분만을 사용하였다. 골재의 세립화를 통해 콘크리트의 균질성을 확보하고, 강도를 향상시키고자 하였다. 일반적으로 골재와 모르타르 사이의 계면이 고강도 영역에서 파괴가 발생하여 고강도 콘크리트를 제조하는데 한계가 있을 것으로 사료되어, 골재자체의 강도를 보강하기 위하여 Fe가 함유된 페로실리콘을 사용하였다.
- 6 mm 이하의 규사, 백운석(dolomite), 보크사이트(bauxite), 페로실리콘(ferro silicon)을 선정한 후 공극감소 효과를 위한 충전제를 첨가, 초고강도 분체콘크리트에 대한 각각의 배합비, 양생 조건을 달리하여 압축강도를 비교분석 하였다. 또한 초고강도 분체콘크리트의 최적 배합을 도출하기 위하여 콘크리트 구성인자들의 압축강도에 대한 영향을 실험을 통하여 알아보았으며 개발된 초고강도 분체콘크리트의 SEM 촬영과 XRD분석을 통한 수화생성물 분석 및 내부구조 분석을 통해 압축강도 증가 원인에 대해 구명하고자 하였다.
- 초고강도 콘크리트는 콘크리트공학 분야에 새로운 기술의 전환점이 될 뿐만 아니라 고품질화, 고기능화, 고성능화를 위한 건설용 재료로서 중요한 역할을 할 것으로 사료되며, 이 연구에서는 페로실리콘을 혼합한 초고강도 분체콘크리트의 압축강도 평가, SEM촬영, XRD분석을 통해 특성을 구명하고자 하였다. 또한 양생기간 및 방법에 따른 압축강도를 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 280˚C-50 MPa 고온고압양생을 통하여 미립분과 충전재에 따른 수화생성물의 구성 성분을 알아보기 위해 재령 7일된 시험체에 대해 XRD 분석을 실시하였다. Fig.
- 따라서 그 대전층의 전위에 상응하는 입자사이의 정전기적 상호반발이 생겨 응집한 입자가 분산되면, 그 반발작용에 의해 시멘트페이스트의 유동성이 증대된다.9) 이 연구에서는 폴리카본산계 다기능성의 고성능 감수제로 시멘트 분산성이 대단히 우수하여 기존 감수제보다 단위 수량을 크게 감소시키고 슬럼프 손실이 적어 콘크리트의 물성을 크게 향상시킬 수 있는 고성능 감수제를 사용하였다.
- 초고강도 콘크리트를 제조하기 위해서는 포졸란 반응과 수화작용에 의한 화학적 효과와 미세구조의 개선과 같은 물리적 효과의 복합적인 작용이 필요하다. 따라서 더욱 높은 강도의 콘크리트를 얻기 위해 다짐 시 기계적 가압다짐을 실시하였고, 양생조건은 20˚C 수중양생, 90˚C 열수양생, 280˚C-50 MPa 고온고압양생으로 변수를 주었으며, 높은 온도에서는 포졸란 반응과 수화 반응을 촉진시키시 위해 오토클레이브를 사용하였다.1) Fig.
- 미립분으로 규사, 백운석, 보크사이트와 페로실리콘을 사용한 후 비교 · 분석하였다.
- 미립분의 종류와 배합량 및 양생 온도 변화에 따른 압축강도를 평가하기 위하여 배합비에 따라 실험체를 만들고 각각의 실험체에 대하여 일반 20˚C 수중양생, 90˚C 열수양생, 280˚C~50 MPa 고온고압양생을 실시한 후 7일, 28일 압축강도를 측정하였다. 실험체 3개에 대한 평균값을 취한 결과를 Table 14에 나타내었다.
- 이 연구에서 백운석, 보크사이트, 페로실리콘의 혼입량이 콘크리트의 강도에 미치는 영향을 알아보기 위해 QS(규사), DOL(백운석), BX(보크사이트), FS(페로실리콘)로 구분하여 실험을 실시하였다. 배합설계는 시멘트 중량 기준하여 미립분의 혼입량을 50%, 70%, 90%, 110%, 130%로 20%씩 변화하였고, 미세석영 35%, 실리카퓸 20%, 강섬유 30%, 혼화제 4.3%, 물 15%로 고정하여 설계 하였다. 배합비는 Table 12와 같다.
- 이 연구에서 백운석, 보크사이트, 페로실리콘의 혼입량이 콘크리트의 강도에 미치는 영향을 알아보기 위해 QS(규사), DOL(백운석), BX(보크사이트), FS(페로실리콘)로 구분하여 실험을 실시하였다. 배합설계는 시멘트 중량 기준하여 미립분의 혼입량을 50%, 70%, 90%, 110%, 130%로 20%씩 변화하였고, 미세석영 35%, 실리카퓸 20%, 강섬유 30%, 혼화제 4.
- 이 연구에서는 굵은골재를 사용하지 않고 계면영역의 부착강도를 향상시킬 수 있는 크기 0.6 mm 이하의 규사, 백운석(dolomite), 보크사이트(bauxite), 페로실리콘(ferro silicon)을 선정한 후 공극감소 효과를 위한 충전제를 첨가, 초고강도 분체콘크리트에 대한 각각의 배합비, 양생 조건을 달리하여 압축강도를 비교분석 하였다. 또한 초고강도 분체콘크리트의 최적 배합을 도출하기 위하여 콘크리트 구성인자들의 압축강도에 대한 영향을 실험을 통하여 알아보았으며 개발된 초고강도 분체콘크리트의 SEM 촬영과 XRD분석을 통한 수화생성물 분석 및 내부구조 분석을 통해 압축강도 증가 원인에 대해 구명하고자 하였다.
- 이 연구에서는 초고강도 분체콘크리트를 개발하기 위해 굵은골재를 사용하지 않고, 0.6 mm이하의 미립분만을 사용하였다. 골재의 세립화를 통해 콘크리트의 균질성을 확보하고, 강도를 향상시키고자 하였다.
- 이 연구에서의 배합설계에 따라 미립분, 시멘트, 혼화재, 충전재를 순차적으로 8리터 용량의 강제식 믹서기에 넣고 2분씩 건비빔을 한 다음, 배합수에 고성능 감수제를 혼합하여 8분간 비빔을 실시하였다. 미분의 잔골재가 적용되어 일반콘크리트에 비하여 유동성은 낮은 상태이다.
- 초고강도 분체콘크리트를 개발하기 위해 굵은골재를 사용하지 않고, 0.6 mm 이하의 미립분를 사용함으로써 콘크리트의 균질성을 확보하고, 강도를 향상시키고자 하였다. 미립분으로 규사, 백운석, 보크사이트와 페로실리콘을 사용한 후 비교 · 분석하였다.
- 페로실리콘이 강도에 미치는 영향에 대한 메커니즘을 설명하기 위해 재령 7일에 QS07과 FS11의 내부 구조를 전자현미경으로 촬영하여 수화생성물과 미세구조를 분석하였다. 포틀랜드시멘트가 완전히 수화했을 경우 수산화칼슘은 전체 고체량의 20~30%를 차지한다.
대상 데이터
- 각 실험변수의 영향에 따른 압축강도의 변화를 알아보기 위하여 50 × 50 × 50 mm의 큐브 몰드의 시험체를 제작하였다.
- 계면파괴를 방지하고, 강도향상을 목적으로 계면영역에 부족한 SiO2 성분을 보충하고 미세공극을 충전하기 위한 필러(filler)재로서 미세석영을 사용하였다. 이 연구에서 사용한 미세석영은 SiO2 함량 99.
- 3이다. 국내 S사의 평균 180 nm 입자 크기를 갖는 실리카퓸을 사용하였으며 화학적 성질과 물리적 성질을 Tables 8과 9에 나타내었다.
- 이 연구에 사용한 시멘트는 비표면적이 3,200 cm2/g인 보통 포틀랜드 시멘트이며, 시멘트의 광물조성은 Table 1, 화학적 성질과 물리적 성질은 Table 2와 같다.
- 이 연구에서 사용한 국내 U사의 페로실리콘 합금은 전기 강판으로써 다양한 기계 동력장치의 모터나 변압기의 철심 등에 사용될 뿐 아니라 고효율 및 철심 손실이 많은 전기 재료 분야 특히, 고속 모터, 저소음 변압기 및 고주파 유도자(inductor) 등에 널리 응용되는 재료이다. 페로실리콘은 인장능력이 뛰어나며 시멘트 결합재에 관한 연구는 전무한 상태이고, 페로실리콘(75%)의 화학적 성질을 Table 7에 나타내었다.
- 성분을 보충하고 미세공극을 충전하기 위한 필러(filler)재로서 미세석영을 사용하였다. 이 연구에서 사용한 미세석영은 SiO2 함량 99.7% 이상의 국내의 K사의 고순도 제품을 사용하였고, 미세석영의 물리적 성질과 화학적 성질을 Tables 10와 11에 나타내었다.
- 이 연구에서 사용한 백운석은 국내 S사의 제품으로서 화학성분은 CaMg(CO3)2이며 탄산석회와 탄산마그네슘이 1:1로 복탄산염을 이루고 있고, 백운석의 화학적 성질과 물리적 성질을 Tables 4와 5에 나타내었다.
- 이 연구에서 사용한 보크사이트는 국내 C사의 제품이며, 보크사이트는 포틀랜드 시멘트의 알루미나 공급원으로 사용되며 또한 고알루미나 시멘트의 주구성원으로 사용되며, 보크사이트의 물리적 성질과 화학적 성질을 Table 6에 나타내었다.
- 이 연구에서는 무수규산인 이산화규소(SiO2) 성분이 포함되어 있는 석영 알갱이로 된 규사를 사용하였다. 이 연구에서는 체가름을 통하여 평균입경 0.
- 이 연구의 강섬유는 현재 국내에서 상업적으로 생산되고 있는 ASTM C 820 Type 의 강섬유를 사용하였다.
이론/모형
- 각 실험변수의 영향에 따른 압축강도의 변화를 알아보기 위하여 50 × 50 × 50 mm의 큐브 몰드의 시험체를 제작하였다. 모든 배합에 대하여 3개 시험체의 압축강도를 평균한 값을 사용하였으며, KS L 5105(수경성 모르타르의 압축강도 시험방법)에 준하여 압축강도를 측정하였다(Fig. 3).
성능/효과
- 1) 초고강도 분체콘크리트를 개발하기 위해 굵은골재를 사용하지 않고, 0.6 mm 이하의 페로실리콘, 보크사이트, 백운석, 규소 미립분을 사용하였고, 페로실리콘>보크사이트>백운석>규소 순으로 미립분의 강도가 압축강도에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 1) 콘크리트 압축 강도 개선의 주요 영향인자로는 시멘트페이스트의 구성과 강도, 골재의 강도, 전이영역의 형성 · 구조 강도, 양생방법에 따른 강도를 들 수 있다.
- 2) 골재의 영향에서는 콘크리트 균열의 길이를 줄이기 위하여 미립분만을 사용하였으며 미립분의 첨가량이 많을수록 강도가 증가하였지만 일정량 이상을 첨가할 경우 강도는 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 시멘트의 양이 줄어들어 포졸란 반응을 일으킬 수산화칼슘의 양이 적어 포졸란 반응보다는 골재로서의 역할을 함으로써 강도 증진의 효과가 다소 떨어지는 것으로 보이며, 적정한 투입비가 있는 것으로 판단된다.
- 3) SEM촬영을 통해 미세구조를 분석한 결과 QS07의 경우 C-S-H(calcium silicate hydrate paste)보다 크고 결합력이 약한 Ca(OH)2나 에트린자이트(ettringite)등을 많이 포함하고 있으며, FS11에서는 많은 양의 C-S-H(calcium silicate hydrate paste)가 복잡하게 형성되어 있었으며 QS07에 비해 밀실한 구조를 보였다. 이는 페로실리콘이 수화에 관여한 결과로 판단된며 Fe-Si는 고온고압양생을 통하여 FeSi2로 변화하였다.
- 4) 공극의 감소를 위해 가압다짐을 하고 고온고압양생을 실시한 결과 공시체를 밀실히 하고, 200˚C 이상에서 생기는 수화물, 토버모라이트의 생성으로 더욱 높은 압축강도를 보였다.
- 한편 단위수량의 증가, 건조수축의 증대 등의 결정이 있어 물-결합재 비가 30% 이하로 유지되어야함이 많은 연구보고 결과 알려져 있고 또한 물-결합재비를 낮추기 위해 고성능 감수제의 사용은 필수적이라 할 수 있으며, 고성능감수제는 시멘트와 실리카퓸의 적절한 분산 및 수화반응을 촉진시킴으로서 보다 균질한 콘크리트의 형성에 도움이 된다.6) SiO2가 91.2%인 실리카퓸의 분말도는 20.4 m2/g, 비중은 2.3이다. 국내 S사의 평균 180 nm 입자 크기를 갖는 실리카퓸을 사용하였으며 화학적 성질과 물리적 성질을 Tables 8과 9에 나타내었다.
- 콘크리트 타설 후 20 ± 3˚C로 습윤양생할 경우 7일 동안에 28일 강도의 70% 정도를 나타내며, 14일후에는 85~90%의 강도가 발현되는 것이 일반적이다. Fig. 6에서 각 양생법의 재령에 따른 압축강도 변화를 살펴보면, 20˚C 수중양생의 경우 72% 정도이며 90˚C 열수양생과 280˚C-50 MPa 고온고압양생의 경우 90% 정도로 나타났다. 이것은 90˚C이상의 고온 양생환경에서 초기수화반응이 활발하게 일어나고 7일 이후에는 완만한 반응을 보이는 것으로 판단된다.
- 두 결과를 비교하면 QS에서의 intensity가 더 높은 수치로 나왔으나, 이는 QS의 많은 Si성질로 인한 것이다. 또한 intensity 수치는 강도에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.
- 미립분의 종류별 압축강도를 살펴보면 미립분의 종류에 따라 적정 투입량이 다르며, 미립분-시멘트 비율이 규사 70%, 백운석 90%, 보크사이트와 페로실리콘 110%에서 가장 높은 압축강도를 나타냈다. 또한 미립분의 양이 적정투입 비율까지 증가할수록 대체로 압축강도는 증가하지만 그이상의 투입비가 되면 강도가 저하되는 현상을 볼 수 있었다. Fig.
- 미립분의 종류별 압축강도를 살펴보면 미립분의 종류에 따라 적정 투입량이 다르며, 미립분-시멘트 비율이 규사 70%, 백운석 90%, 보크사이트와 페로실리콘 110%에서 가장 높은 압축강도를 나타냈다. 또한 미립분의 양이 적정투입 비율까지 증가할수록 대체로 압축강도는 증가하지만 그이상의 투입비가 되면 강도가 저하되는 현상을 볼 수 있었다.
- 실험 결과를 통하여 양생 온도 및 압력은 분체콘크리트의 압축강도에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었으며 280˚C-50 MPa의 고온고압 양생 시 가장 높은 압축강도를 나타내었다. 이를 통하여 고온고압 양생이 시멘트 수화물의 전이영역 형성과 생성된 수화물과 미립분과의 결합력을 높여주는 것을 확인 할 수 있었다.
- 이 실험을 통하여 굵은골재를 대체하여 미립분을 사용하면 전이영역에 존재하는 수산화칼슘과의 반응을 통하여 탄산칼슘 수화물 등을 생성하고 공극을 충전하여 일반콘크리트에 비하여 전이영역의 강도를 매우 향상시켜 높은 강도가 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 콘크리트의 강도를 지배하는 요인 중 하나인 골재 강도를 향상시키기 위한 페로실리콘의 경우 규사에 비하여 분체콘크리트의 압축강도가 약 1.
- 실험 결과를 통하여 양생 온도 및 압력은 분체콘크리트의 압축강도에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었으며 280˚C-50 MPa의 고온고압 양생 시 가장 높은 압축강도를 나타내었다. 이를 통하여 고온고압 양생이 시멘트 수화물의 전이영역 형성과 생성된 수화물과 미립분과의 결합력을 높여주는 것을 확인 할 수 있었다.10)
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