국문초록 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 공학적 특성에 관한 연구 公州大學校 大學院 建築工學科 建築材料施工 專攻 金東錫 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 공학적 특성에 관한 실험결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 굳지않은 콘크리트의 유동특성 1) 목표슬럼프를 만족하는 고성능감수제의 사용량으로 유동성을 평가한 결과, 혼입율 및 물결합재비가 증가할수록 목표슬럼프를 만족시키기 위한 고성능감수제의 첨가율도 증가되었고, 혼입율이 동일한 경우에는 메타카올린을 혼입한 콘크리트가 ...
국문초록 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 공학적 특성에 관한 연구 公州大學校 大學院 建築工學科 建築材料施工 專攻 金東錫 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 공학적 특성에 관한 실험결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 굳지않은 콘크리트의 유동특성 1) 목표슬럼프를 만족하는 고성능감수제의 사용량으로 유동성을 평가한 결과, 혼입율 및 물결합재비가 증가할수록 목표슬럼프를 만족시키기 위한 고성능감수제의 첨가율도 증가되었고, 혼입율이 동일한 경우에는 메타카올린을 혼입한 콘크리트가 실리카 흄을 혼입한 콘크리트에 비해서 8～28% 적게 소요되었다. 2) 물결합재비 40%인 경우를 제외하고, 혼화재 혼입율 15% 이상에서 고성능감수제의 사용량이 급격히 증가하였으며, 실리카 흄을 사용한 콘크리트는 혼입율이 증가하여도 양호한 작업성을 보이는 반면, 메타카올린을 사용한 콘크리트는 점성이 증가되어 작업성 측면에서 상대적으로 불리하였다. 3) 따라서, 메타카올린의 혼입율이 증가하는 경우에는 유동성을 향상시키기 위한 방법의 하나로써 플라이애시나 고로슬래그 등의 혼화재와 병용하는 삼성분계 배합을 검토해 볼 필요도 있을 것으로 사료된다. (2) 경화 콘크리트의 조직구조 및 역학적 특성 1) SEM 사진의 관찰결과, 재령 7일에서는 혼화재 종류에 상관없이 혼입율이 증가할수록 기준 콘크리트 보다 침상형이 발달하였고, 재령의 증가와 함께 발전하여 재령28에서는 거의 침상형이 사라지고 조직이 더 치밀해지는 것으로 나타났다. 2) 전세공용적은 재령증가에 따라 감소하여 양생기간에 크게 의존함을 보여주고 있으나, 혼입율에 따라서는 일정한 경향을 보이지 않았으며, 세공용적분포는 양생기간이 증가할수록 큰 공극들은 감소하고 50nm 이하의 작은 공극들은 증가하였고, 혼입율에 따라 강도 및 이온침투성에 영향을 크게 미치는 50～100nm의 세공이 크게 감소하였는데, 그 감소경향은 SF10>MK20>MK10>OPC의 순이었다. 3) 압축강도는 혼화재 종류에 상관없이 기준 콘크리트에 비해 높은 강도발현을 나타내었고, 재령 28일 이후에는 실리카 흄이 우수하였으나, 재령 7일에서는 실리카 흄과 메타카올린이 유사한 발현성상을 보이고 있어 메타카올린은 초기강도발현이 우수한 것으로 나타났으며, 혼입율 15%인 경우가 가장 우수한 강도발현을 보이고 있어, 본 연구의 범위에서 강도측면만을 고려한 국내산 메타카올린의 혼입율은 15%가 최적으로 나타났다. 4) 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 탄성계수는 3.0～3.7×105㎏f/㎠의 범위로 나타났으며, 혼화재 종류에 상관없이 한국콘크리트학회(KCI)의 제안식에 비하여 동일 압축강도에서 약간 높은 것으로 나타났으나, 혼입율에 따른 경향은 일정하지 않았다. 5) 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 인장강도는 20.0～38.3㎏f/㎠의 범위였고, 동일 압축강도에서 ACI 363의 식에 비해 약간 낮은 것으로 나타났으며, 압축강도에 대한 인장강도의 비율은 1/13～1/20 범위로 인장강도 개선에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. (3) 염화물에 대한 내구특성 1) 염소이온 확산계수는 혼화재 혼입율 및 재령이 증가함에 따라 감소하였는데, 특히 초기재령에서 급격히 감소하고, 유사한 염소이온 확산계수를 갖기 위한 혼화재 혼입율은 실리카 흄에 비해 메타카올린의 혼입율이 약 5% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 2) 물결합재비의 감소 및 압축강도가 증가할수록 염소이온 확산계수는 크게 감소하였으나, 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 경우에 압축강도와 확산계수 사이의 결정계수는 0.78, 실리카 흄 콘크리트는 0.88로, 기준 콘크리트 0.91에 비해 낮은 상관성을 보였다. 3) 50nm 이하의 세공용적과 염소이온 확산계수 사이의 결정계수는 0.24로 매우 낮은 반면, 50nm 이상의 결정계수는 0.86으로 염소이온 확산계수와 상관관계가 있는 공극크기는 50nm 이상의 공극이고, 특히 50～100nm 범위의 결정계수는 0.90로서 이 범위의 공극과 밀접한 관계가 있었으나, 전세공용적과 염소이온 확산계수 사이에는 전혀 상관성이 없었다. (4) 향후 연구방향 1) 이상의 연구결과에 의하면, 국내에서 생산되는 메타카올린은 장기강도를 저하시키지 않으면서도 초기강도를 증진에 효과적이며, 공극구조를 치밀하게 하여 염소이온의 확산에 대한 저항성을 상당히 개선시키고, 특히 상대적으로 부배합인 물결합재비 40%에서 메타카올린 혼입율이 15%인 경우의 재령 28일 압축강도가 실리카 흄 혼입율 10%인 경우와 유사한 값을 보이고 있으므로, 향후 실리카 흄 대체재로서 메타카올린의 폭넓은 활용성 검토를 위해서는 물결합재비 40% 미만의 부배합에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 2) 메타카올린은 시멘트보다 낮은 온도에서 처리되고 전체적인 생산비도 상당히 낮지만, 아직까지는 실리카흄과 마찬가지로 시멘트보다 비싸다. 그러나, 모르타르와 콘크리트에 메타카올린을 사용함으로써 얻게 되는 잇점, 특히 고강도 콘트리트를 제조하고자 하는 경우나 고내구성의 치밀한 콘크리트를 제조하고자 하는 경우 등에 대한 잇점에 대해 더 널리 알려지고 수요가 증대하면, 단가도 저렴해질 것이므로 메타카올린을 혼입한 콘크리트에 대한 계속적인 연구가 요망된다.
국문초록 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 공학적 특성에 관한 연구 公州大學校 大學院 建築工學科 建築材料施工 專攻 金東錫 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 공학적 특성에 관한 실험결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 굳지않은 콘크리트의 유동특성 1) 목표슬럼프를 만족하는 고성능감수제의 사용량으로 유동성을 평가한 결과, 혼입율 및 물결합재비가 증가할수록 목표슬럼프를 만족시키기 위한 고성능감수제의 첨가율도 증가되었고, 혼입율이 동일한 경우에는 메타카올린을 혼입한 콘크리트가 실리카 흄을 혼입한 콘크리트에 비해서 8～28% 적게 소요되었다. 2) 물결합재비 40%인 경우를 제외하고, 혼화재 혼입율 15% 이상에서 고성능감수제의 사용량이 급격히 증가하였으며, 실리카 흄을 사용한 콘크리트는 혼입율이 증가하여도 양호한 작업성을 보이는 반면, 메타카올린을 사용한 콘크리트는 점성이 증가되어 작업성 측면에서 상대적으로 불리하였다. 3) 따라서, 메타카올린의 혼입율이 증가하는 경우에는 유동성을 향상시키기 위한 방법의 하나로써 플라이애시나 고로슬래그 등의 혼화재와 병용하는 삼성분계 배합을 검토해 볼 필요도 있을 것으로 사료된다. (2) 경화 콘크리트의 조직구조 및 역학적 특성 1) SEM 사진의 관찰결과, 재령 7일에서는 혼화재 종류에 상관없이 혼입율이 증가할수록 기준 콘크리트 보다 침상형이 발달하였고, 재령의 증가와 함께 발전하여 재령28에서는 거의 침상형이 사라지고 조직이 더 치밀해지는 것으로 나타났다. 2) 전세공용적은 재령증가에 따라 감소하여 양생기간에 크게 의존함을 보여주고 있으나, 혼입율에 따라서는 일정한 경향을 보이지 않았으며, 세공용적분포는 양생기간이 증가할수록 큰 공극들은 감소하고 50nm 이하의 작은 공극들은 증가하였고, 혼입율에 따라 강도 및 이온침투성에 영향을 크게 미치는 50～100nm의 세공이 크게 감소하였는데, 그 감소경향은 SF10>MK20>MK10>OPC의 순이었다. 3) 압축강도는 혼화재 종류에 상관없이 기준 콘크리트에 비해 높은 강도발현을 나타내었고, 재령 28일 이후에는 실리카 흄이 우수하였으나, 재령 7일에서는 실리카 흄과 메타카올린이 유사한 발현성상을 보이고 있어 메타카올린은 초기강도발현이 우수한 것으로 나타났으며, 혼입율 15%인 경우가 가장 우수한 강도발현을 보이고 있어, 본 연구의 범위에서 강도측면만을 고려한 국내산 메타카올린의 혼입율은 15%가 최적으로 나타났다. 4) 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 탄성계수는 3.0～3.7×105㎏f/㎠의 범위로 나타났으며, 혼화재 종류에 상관없이 한국콘크리트학회(KCI)의 제안식에 비하여 동일 압축강도에서 약간 높은 것으로 나타났으나, 혼입율에 따른 경향은 일정하지 않았다. 5) 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 인장강도는 20.0～38.3㎏f/㎠의 범위였고, 동일 압축강도에서 ACI 363의 식에 비해 약간 낮은 것으로 나타났으며, 압축강도에 대한 인장강도의 비율은 1/13～1/20 범위로 인장강도 개선에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. (3) 염화물에 대한 내구특성 1) 염소이온 확산계수는 혼화재 혼입율 및 재령이 증가함에 따라 감소하였는데, 특히 초기재령에서 급격히 감소하고, 유사한 염소이온 확산계수를 갖기 위한 혼화재 혼입율은 실리카 흄에 비해 메타카올린의 혼입율이 약 5% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 2) 물결합재비의 감소 및 압축강도가 증가할수록 염소이온 확산계수는 크게 감소하였으나, 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 경우에 압축강도와 확산계수 사이의 결정계수는 0.78, 실리카 흄 콘크리트는 0.88로, 기준 콘크리트 0.91에 비해 낮은 상관성을 보였다. 3) 50nm 이하의 세공용적과 염소이온 확산계수 사이의 결정계수는 0.24로 매우 낮은 반면, 50nm 이상의 결정계수는 0.86으로 염소이온 확산계수와 상관관계가 있는 공극크기는 50nm 이상의 공극이고, 특히 50～100nm 범위의 결정계수는 0.90로서 이 범위의 공극과 밀접한 관계가 있었으나, 전세공용적과 염소이온 확산계수 사이에는 전혀 상관성이 없었다. (4) 향후 연구방향 1) 이상의 연구결과에 의하면, 국내에서 생산되는 메타카올린은 장기강도를 저하시키지 않으면서도 초기강도를 증진에 효과적이며, 공극구조를 치밀하게 하여 염소이온의 확산에 대한 저항성을 상당히 개선시키고, 특히 상대적으로 부배합인 물결합재비 40%에서 메타카올린 혼입율이 15%인 경우의 재령 28일 압축강도가 실리카 흄 혼입율 10%인 경우와 유사한 값을 보이고 있으므로, 향후 실리카 흄 대체재로서 메타카올린의 폭넓은 활용성 검토를 위해서는 물결합재비 40% 미만의 부배합에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 2) 메타카올린은 시멘트보다 낮은 온도에서 처리되고 전체적인 생산비도 상당히 낮지만, 아직까지는 실리카흄과 마찬가지로 시멘트보다 비싸다. 그러나, 모르타르와 콘크리트에 메타카올린을 사용함으로써 얻게 되는 잇점, 특히 고강도 콘트리트를 제조하고자 하는 경우나 고내구성의 치밀한 콘크리트를 제조하고자 하는 경우 등에 대한 잇점에 대해 더 널리 알려지고 수요가 증대하면, 단가도 저렴해질 것이므로 메타카올린을 혼입한 콘크리트에 대한 계속적인 연구가 요망된다.
ABSTRACT A Study on the Engineering Properties of Concrete Mixed with Meta-Kaolin Dong Seok Kim Department of Architectural Engineering Graduate School, KongJu National University KongJu, Korea (Supervised by Professor Jin Man Kim) As structures become higher and muti-functional, the improvement of ...
ABSTRACT A Study on the Engineering Properties of Concrete Mixed with Meta-Kaolin Dong Seok Kim Department of Architectural Engineering Graduate School, KongJu National University KongJu, Korea (Supervised by Professor Jin Man Kim) As structures become higher and muti-functional, the improvement of durability and reliability on concrete which occupies much portion of structural materials, has been increasingly demanded. Of many methods to improve the performance of concrete, the use of mineral admixture is a very common method. Fly ash(FA), ground granulated blast furnace slag(GGFS), and silica fume(SF) are representing examples of mineral admixtures developed. Although these admixtures have been applied to appropriate element according to their properties, meta-kaolin(MK) is discovered as a new admixture based on the demands on inexpensive and more effective admixture. MK is a manufactured pozzolan produced by thermal processing of purified kaolinitic clay, and it enhances the compressive strength and durability properties when it is used in concrete. Focused on these properties, many studies were performed to produce high performance concrete with MK substituting for SF and it already became a commercial product in several foreign countries. But, MK has not been well known in Korea. Only a few experimental studies were performed by some researchers from industry. Therefore, this study investigates the flow behavior of fresh concrete, micro-structure observation, mechanical properties, and durability properties on the chloride penetration resistance of hardened concrete containing MK(MK concrete) in the range from common strength to high strength to facilitate the use. The results are compared with properties of concrete containing SF(SF concrete). This study consists of four chapters. Chapter 1 is an introduction of this study. Chapter 2 is the theoretical reviews about properties of MK concrete and MK itself. Chapter 3 is an experimental study on the flow behavior of fresh concrete, micro-structure, mechanical properties, and durability properties on the chloride penetration resistance of hardened MK concrete. Chapter 4 is the conclusions of this study. The results of this study are summarized as follows. 1) Superplasticizer required in MK concrete was decreased by 8～28% compared to SF concrete with the same slump. While the workability of SF concrete appeared good in spite that the partial cement replacement ratio of SF was increased, MK concrete became more sticky. Therefore, in the case of the replacement ratio of MK increased, it is required that the study of the mixture containing two kinds of admixture like GGFS and FA should be performed to improve the workability. 2) The results of micro-structure observation showed that MK concrete become more dense than control concrete. While total pore volume decreased as curing age increased, it did not exhibit any trends as the replacement ratio of admixture increased. But, pores larger than 50nm in diameter decreased and pores smaller than 50nm in diameter increased as curing age increased. 3) The increase in compressive strength of the MK concrete was greater than that of control concrete at all ages. And, we could know that strength increase at early age was accelerated by added meta-kaolin, as the strength was appeared nearly same as that of SF concrete at 7days. But, the increase in compressive strength of SF concrete was higher than that of MK concrete after 28days. It was also found that considering only strength, the optimal partial cement replacement ratio of MK was 15% in this study. 4) The static modulus of elasticity of MK concrete was slightly higher than KCI code, and the splitting tensile strength of MK concrete was slightly lower than ACI code. It mean that MK is more effective on improving the static modulus of elasticity, but less effective on improving the splitting tensile strength. 5) It was found that chloride diffusion coefficient significantly decreased with decreasing water-binder ratio(W/B) and increasing compressive strength, but the partial cement replacement ratio of MK was increased about 5% more than that of SF to have nearly the same diffusion coefficient. Besides, it was found that the correlation between pores ranging from 50 to 100nm in diameter and chloride diffusion coefficient was good, but there was no correlation between total pore volume and chloride diffusion coefficient. It is very economical to produce the meta-kaolin using locally as kaolinitic clay reserves are abundant in Korea. But, it is required to develop the MK itself to have better quality, because it was found that the partial cement replacement ratio of MK increased compared to that of SF to yield nearly the same performance concrete in this study. And, it is also required to study other fields like high performance concrete etc. to broaden the use of MK.
ABSTRACT A Study on the Engineering Properties of Concrete Mixed with Meta-Kaolin Dong Seok Kim Department of Architectural Engineering Graduate School, KongJu National University KongJu, Korea (Supervised by Professor Jin Man Kim) As structures become higher and muti-functional, the improvement of durability and reliability on concrete which occupies much portion of structural materials, has been increasingly demanded. Of many methods to improve the performance of concrete, the use of mineral admixture is a very common method. Fly ash(FA), ground granulated blast furnace slag(GGFS), and silica fume(SF) are representing examples of mineral admixtures developed. Although these admixtures have been applied to appropriate element according to their properties, meta-kaolin(MK) is discovered as a new admixture based on the demands on inexpensive and more effective admixture. MK is a manufactured pozzolan produced by thermal processing of purified kaolinitic clay, and it enhances the compressive strength and durability properties when it is used in concrete. Focused on these properties, many studies were performed to produce high performance concrete with MK substituting for SF and it already became a commercial product in several foreign countries. But, MK has not been well known in Korea. Only a few experimental studies were performed by some researchers from industry. Therefore, this study investigates the flow behavior of fresh concrete, micro-structure observation, mechanical properties, and durability properties on the chloride penetration resistance of hardened concrete containing MK(MK concrete) in the range from common strength to high strength to facilitate the use. The results are compared with properties of concrete containing SF(SF concrete). This study consists of four chapters. Chapter 1 is an introduction of this study. Chapter 2 is the theoretical reviews about properties of MK concrete and MK itself. Chapter 3 is an experimental study on the flow behavior of fresh concrete, micro-structure, mechanical properties, and durability properties on the chloride penetration resistance of hardened MK concrete. Chapter 4 is the conclusions of this study. The results of this study are summarized as follows. 1) Superplasticizer required in MK concrete was decreased by 8～28% compared to SF concrete with the same slump. While the workability of SF concrete appeared good in spite that the partial cement replacement ratio of SF was increased, MK concrete became more sticky. Therefore, in the case of the replacement ratio of MK increased, it is required that the study of the mixture containing two kinds of admixture like GGFS and FA should be performed to improve the workability. 2) The results of micro-structure observation showed that MK concrete become more dense than control concrete. While total pore volume decreased as curing age increased, it did not exhibit any trends as the replacement ratio of admixture increased. But, pores larger than 50nm in diameter decreased and pores smaller than 50nm in diameter increased as curing age increased. 3) The increase in compressive strength of the MK concrete was greater than that of control concrete at all ages. And, we could know that strength increase at early age was accelerated by added meta-kaolin, as the strength was appeared nearly same as that of SF concrete at 7days. But, the increase in compressive strength of SF concrete was higher than that of MK concrete after 28days. It was also found that considering only strength, the optimal partial cement replacement ratio of MK was 15% in this study. 4) The static modulus of elasticity of MK concrete was slightly higher than KCI code, and the splitting tensile strength of MK concrete was slightly lower than ACI code. It mean that MK is more effective on improving the static modulus of elasticity, but less effective on improving the splitting tensile strength. 5) It was found that chloride diffusion coefficient significantly decreased with decreasing water-binder ratio(W/B) and increasing compressive strength, but the partial cement replacement ratio of MK was increased about 5% more than that of SF to have nearly the same diffusion coefficient. Besides, it was found that the correlation between pores ranging from 50 to 100nm in diameter and chloride diffusion coefficient was good, but there was no correlation between total pore volume and chloride diffusion coefficient. It is very economical to produce the meta-kaolin using locally as kaolinitic clay reserves are abundant in Korea. But, it is required to develop the MK itself to have better quality, because it was found that the partial cement replacement ratio of MK increased compared to that of SF to yield nearly the same performance concrete in this study. And, it is also required to study other fields like high performance concrete etc. to broaden the use of MK.
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