초고성능 콘크리트(UHPC)는 낮은 물결합재비(water to binder ratio)W/B를 토대로 미세한 분말형 결합재 및 강섬유를 다량으로 사용하여 제조하는데, 이 경우 압축강도는 180MPa 이상 휨인성의 대폭적인 향상을 기대할 수 있는 첨단의 콘크리트로 알려져있다. 그러나 고가의 재료를 다량으로 사용함에 따라 제조비용이 일반 콘크리트에 비하여 훨씬 높고 굳지않은 상태에서의 점성이 크다. 따라서 UHPC는 고유동, 고강도, 고내구성의 탁월한 성능을 가짐에도 불구하고 실무에 적용하기 어려운 단점이 있다.
한편 ...
초고성능 콘크리트(UHPC)는 낮은 물결합재비(water to binder ratio)W/B를 토대로 미세한 분말형 결합재 및 강섬유를 다량으로 사용하여 제조하는데, 이 경우 압축강도는 180MPa 이상 휨인성의 대폭적인 향상을 기대할 수 있는 첨단의 콘크리트로 알려져있다. 그러나 고가의 재료를 다량으로 사용함에 따라 제조비용이 일반 콘크리트에 비하여 훨씬 높고 굳지않은 상태에서의 점성이 크다. 따라서 UHPC는 고유동, 고강도, 고내구성의 탁월한 성능을 가짐에도 불구하고 실무에 적용하기 어려운 단점이 있다.
한편 지르코늄 가공 산업에서 부수적으로 발생하는 Zirconium silica fume(ZrSF)을 콘크리트에 활용하면 유동성이 증진된다고 보고된 바 있다. 그러나 기존 연구에서는 ZrSF를 사용한 UHPC의 제반 재료들에 대한 정략적인 검토 및 배합설계는 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 기존 UHPC에 비하여 보다 경제적이고 실용화 가능성이 있는 UHPC를 개발하고자 반응성 분체로서 ZrSF을 사용한 UHPC의 공학적 특성을 분석하고, 이를 토대로 실무 적용을 위한 최적의 배합을 도출한 다음 현장 적용성을 검토하였다.
본 논문의 제 1장에서는 본연구의 배경 및 필요성에 대하여 기술하였으며, 국내외 연구동향도 함께 고찰하였다. 제2장에서는 UHPC의 특성 및 활용에 대한 이론적인 근거와 기존 연구결과들을 요약 정리하였다. 제 3장에서는 지르코늄 실리카퓸을 사용한 UHPC의 제반 공학적 특성을 분석하였는데, UHPC의 물성에 미치는 제반 배합, 재료요인변수를 고려하여 굳지않은 콘크리트 및 경화콘크리트의 물성을 고찰하였다. 제 4장에서는 지르코늄 실리카흄을 사용한 콘크리트의 실무적용을 위한 최적배합을 도출하였으며, 제5장에서는 4장의 결과를 토대로 지르코늄 실리카흄을 사용한 UHPC의 실무적용성을 고찰하였다. 또한 6장에서는 본 연구에서 제조된 ZrSF을 사용한 UHPC를 이용하여 해외 교량건설공사에 실제 적용실험을 실시하고 그 결과를 보고하였다. 마지막으로 제 7장에서는 본 연구의 결과를 종합하여 본 연구자가 제시하고자하는 바를 종합 정리하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) UHPC에 대한 ZrSF의 치환방법 및 사용량에 대하여 레올로지 특성 및 역학적 특성 분석을 통하여 검토한 결과 ZrSF을 UHPC의 구성재료로 사용하는 경우 레올로지 측면에서 SF의 대체재로 사용하는 경우가 UHPC의 점성 저하에 효과적인 것으로 나타났고 압축강도는 180 MPa이상 발현되었다.
2) ZrSF을 사용한 UHPC에 대한 구성재료에 따른 굳지않은 특성으로 ZrSF UHPC 배합은 기존 SF UHPC 배합에 비하여 고성능감수제 사용량을 절반 이상 저감할 수 있는 것으로 나타났고, 일반 고성능 감수제인 SP-L을 사용해도 우수한 유동성을 발현하였다. 또한 충전재 크기 4 ㎛에서, W/B 변화에 대한 영향으로 W/B 20%에서 유동성 및 점성이 우수하게 나타났다. 한편 ZrSF을 사용한 UHPC의 역학적 특성으로 압축강도, 휨강도 및 직접인장강도는 각각 180 MPa 이상, 35 MPa이상, 10MPa 이상으로 양호하게 나타났다.
3) ZrSF을 사용한 UHPC의 배합사항으로 W/B 20%, ZrSF 100% 사용, 일반 고성능 감수제 사용량 2~3%, 강섬유 혼입율 1.5 vol.%인 ZrSF UHPC 배합을 도출하였다. 이 배합의 제조비용은 기존 SF UHPC 대비 33%의 비용 절감이 가능한 것으로 분석되었다.
4) ZrSF을 사용한 UHPC 배합의 실무 적용성 검토를 위한 영향요인 분석으로 믹서 종류는 트윈 샤프트 믹서가 효과적인 것으로 나타났고 레미콘 B/P에서 ZrSF을 사용한 UHPC의 원활한 생산이 이루어짐과 동시에 우수한 유동성을 확보하여 펌핑 타설이 가능하였다. ZrSF을 사용한 UHPC의 압축강도 발현을 위해서는 48시간 이상 90 ℃의 고온양생이 요구된다.
5) 미얀마 교량 확폭 공사에 ZrSF UHPC의 현장적용을 위하여 미얀마 시멘트 및 잔골재를 사용한 ZrSF UHPC의 현지화 배합을 도출하였고 이는 레미콘 에지테이터 드럼에 직접 믹싱이 가능하였다. 슬럼프 플로 750 mm 이상, 압축강도 150 MPa 이상 확보하는 거더를 제조하여 미얀마 교량 확폭 공사에 시공하였다.
이상을 종합하면 기존 UHPC의 높은 점성을 개선하고 실무형 배합을 도출하기 위하여 SF의 대체재로 ZrSF을 사용한 UHPC의 공학적 특성 및 실무적용성을 분석한 결과 ZrSF을 사용함에 따라 우수한 유동성 및 역학적 성능을 확보하였고, 이에 따라 일반 고성능 감수제 사용이 가능해지면서 사용량 또한 절반 이상 저감시킬 수 있었으며 기존 UHPC 대비 경제적 이익을 달성할 수 있었다.
초고성능 콘크리트(UHPC)는 낮은 물결합재비(water to binder ratio)W/B를 토대로 미세한 분말형 결합재 및 강섬유를 다량으로 사용하여 제조하는데, 이 경우 압축강도는 180MPa 이상 휨인성의 대폭적인 향상을 기대할 수 있는 첨단의 콘크리트로 알려져있다. 그러나 고가의 재료를 다량으로 사용함에 따라 제조비용이 일반 콘크리트에 비하여 훨씬 높고 굳지않은 상태에서의 점성이 크다. 따라서 UHPC는 고유동, 고강도, 고내구성의 탁월한 성능을 가짐에도 불구하고 실무에 적용하기 어려운 단점이 있다.
한편 지르코늄 가공 산업에서 부수적으로 발생하는 Zirconium silica fume(ZrSF)을 콘크리트에 활용하면 유동성이 증진된다고 보고된 바 있다. 그러나 기존 연구에서는 ZrSF를 사용한 UHPC의 제반 재료들에 대한 정략적인 검토 및 배합설계는 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 기존 UHPC에 비하여 보다 경제적이고 실용화 가능성이 있는 UHPC를 개발하고자 반응성 분체로서 ZrSF을 사용한 UHPC의 공학적 특성을 분석하고, 이를 토대로 실무 적용을 위한 최적의 배합을 도출한 다음 현장 적용성을 검토하였다.
본 논문의 제 1장에서는 본연구의 배경 및 필요성에 대하여 기술하였으며, 국내외 연구동향도 함께 고찰하였다. 제2장에서는 UHPC의 특성 및 활용에 대한 이론적인 근거와 기존 연구결과들을 요약 정리하였다. 제 3장에서는 지르코늄 실리카퓸을 사용한 UHPC의 제반 공학적 특성을 분석하였는데, UHPC의 물성에 미치는 제반 배합, 재료요인변수를 고려하여 굳지않은 콘크리트 및 경화콘크리트의 물성을 고찰하였다. 제 4장에서는 지르코늄 실리카흄을 사용한 콘크리트의 실무적용을 위한 최적배합을 도출하였으며, 제5장에서는 4장의 결과를 토대로 지르코늄 실리카흄을 사용한 UHPC의 실무적용성을 고찰하였다. 또한 6장에서는 본 연구에서 제조된 ZrSF을 사용한 UHPC를 이용하여 해외 교량건설공사에 실제 적용실험을 실시하고 그 결과를 보고하였다. 마지막으로 제 7장에서는 본 연구의 결과를 종합하여 본 연구자가 제시하고자하는 바를 종합 정리하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) UHPC에 대한 ZrSF의 치환방법 및 사용량에 대하여 레올로지 특성 및 역학적 특성 분석을 통하여 검토한 결과 ZrSF을 UHPC의 구성재료로 사용하는 경우 레올로지 측면에서 SF의 대체재로 사용하는 경우가 UHPC의 점성 저하에 효과적인 것으로 나타났고 압축강도는 180 MPa이상 발현되었다.
2) ZrSF을 사용한 UHPC에 대한 구성재료에 따른 굳지않은 특성으로 ZrSF UHPC 배합은 기존 SF UHPC 배합에 비하여 고성능감수제 사용량을 절반 이상 저감할 수 있는 것으로 나타났고, 일반 고성능 감수제인 SP-L을 사용해도 우수한 유동성을 발현하였다. 또한 충전재 크기 4 ㎛에서, W/B 변화에 대한 영향으로 W/B 20%에서 유동성 및 점성이 우수하게 나타났다. 한편 ZrSF을 사용한 UHPC의 역학적 특성으로 압축강도, 휨강도 및 직접인장강도는 각각 180 MPa 이상, 35 MPa이상, 10MPa 이상으로 양호하게 나타났다.
3) ZrSF을 사용한 UHPC의 배합사항으로 W/B 20%, ZrSF 100% 사용, 일반 고성능 감수제 사용량 2~3%, 강섬유 혼입율 1.5 vol.%인 ZrSF UHPC 배합을 도출하였다. 이 배합의 제조비용은 기존 SF UHPC 대비 33%의 비용 절감이 가능한 것으로 분석되었다.
4) ZrSF을 사용한 UHPC 배합의 실무 적용성 검토를 위한 영향요인 분석으로 믹서 종류는 트윈 샤프트 믹서가 효과적인 것으로 나타났고 레미콘 B/P에서 ZrSF을 사용한 UHPC의 원활한 생산이 이루어짐과 동시에 우수한 유동성을 확보하여 펌핑 타설이 가능하였다. ZrSF을 사용한 UHPC의 압축강도 발현을 위해서는 48시간 이상 90 ℃의 고온양생이 요구된다.
5) 미얀마 교량 확폭 공사에 ZrSF UHPC의 현장적용을 위하여 미얀마 시멘트 및 잔골재를 사용한 ZrSF UHPC의 현지화 배합을 도출하였고 이는 레미콘 에지테이터 드럼에 직접 믹싱이 가능하였다. 슬럼프 플로 750 mm 이상, 압축강도 150 MPa 이상 확보하는 거더를 제조하여 미얀마 교량 확폭 공사에 시공하였다.
이상을 종합하면 기존 UHPC의 높은 점성을 개선하고 실무형 배합을 도출하기 위하여 SF의 대체재로 ZrSF을 사용한 UHPC의 공학적 특성 및 실무적용성을 분석한 결과 ZrSF을 사용함에 따라 우수한 유동성 및 역학적 성능을 확보하였고, 이에 따라 일반 고성능 감수제 사용이 가능해지면서 사용량 또한 절반 이상 저감시킬 수 있었으며 기존 UHPC 대비 경제적 이익을 달성할 수 있었다.
Ultra High Performance Concrete (UHPC) is fabricated using fine powdered binder and large quantities of steel fibers based on the low latio of water-to-binder(W/B). This composition achieves the latest advanced concrete enabling to realize compressive strength higher than 180 MPa and to improve the ...
Ultra High Performance Concrete (UHPC) is fabricated using fine powdered binder and large quantities of steel fibers based on the low latio of water-to-binder(W/B). This composition achieves the latest advanced concrete enabling to realize compressive strength higher than 180 MPa and to improve the flexural strength remarkably. However, the high-priced materials involved in the composition increase significantly the fabrication cost compared to the conventional concrete and the fresh UHPC exhibits high viscosity. The drawbacks make it difficult to apply UHPC at actual sites, although it overcomes typical concrete in flowability, strength and durability.
Previous literatures acknowledged improvement of the fluidity of concrete when zirconium silica fume (ZrSF), a by-product generated by the processing of zirconium, is exploited in the composition of concrete. However, previous studies failed in providing mix design and quantitative analysis of the materials involved in UHPC using ZrSF.
Therefore, the objective of this study is to develop a novel UHPC providing better economy and practicability than the conventional UHPC. To that achive goal, the engineering properties of UHPC using ZrSF as reactive powder are analyzed. Based on the analysis, the optimal mix composition practicable on site is derived and its site-applicability is examined.
Chapter 1 introduces the backgrounds and necessity of this study with a review of dedicated researches in Korea and overseas. Chapter 2 summarizes of the theoretical bases and results of previous studies related to the properties and exploitation of UHPC. Chapter 3 investigates the engineering characteristics of UHPC using ZrSF (ZrSF-UHPC) through the observation of the physical properties of fresh and hardened concrete considering the mix composition and materials as parameters. Chapter 4 derives the optimal mix composition of ZrSF-UHPC applicable on the actual site. Chapter 5 examines the site-applicability of the UHPC mix composition derived through Chapter 4. Chapter 6 reports the results of the erection of a foreign bridge applying ZrSF-UHPC mix of this study. Finally, Chapter 7 summarizes the results of this study to arrange the proposals of the author. These results are outlined hereafter. The results of this study could be drawn as follows.
1) The analysis of the rheological and mechanical properties of ZrSF-UHPC with regard to the substitution method and quantity of ZrSF revealed that, when replacing SF, ZrSF lowers effectively the viscosity of UHPC and enables UHPC to develop compressive strength higher than 180 MPa.
2) In view of the characteristics of fresh ZrSF-UHPC with respect to its components, the mix composition of ZrSF-UHPC made it possible to reduce the amount of superplasticizer by more than half compared to the previous SF-UHPC mix. Remarkable fluidity could also be achieved even when using ordinary superplasticizer like SP-L. Moreover, excellent fluidity and viscosity were obtained with W/B of 20% when using filler with grain size of 4 ㎛. Besides, ZrSF-UHPC developed satisfactory mechanical performance with compressive strength, flexural strength and direct tensile strength higher than 180 MPa, 35 MPa and 10 MPa, respectively.
3) The mix proportions of ZrSF-UHPC derived in this study are W/B of 20%, 100% of ZrSF, 2~3% of ordinary superplasticizer and 1.5 vol.% of steel fiber, which lead to a fabrication cost lower by 33% than that of the SF-UHPC mix.
4) As a factor influencing the field-applicability of ZrSF-UHPC, the twin-shaft mixer was effective for the fabrication of the mix. Good productivity as well as remarkable fluidity of ZrSF-UHPC could be realized by ready-mixed concrete batch plant, which enabled pumping placing. Note that high temperature curing during 48 hours and at temperature higher than 90 ℃ is required to develop the compressive strength of ZrSF-UHPC.
5) The composition of ZrSF-UHPC adapted to local Myanmar cement and fine aggregate was derived for the widening of a Myanmar bridge. This composition could be directly mixed in a ready-mixed concrete agitator drum. The so-mixed composition secured slump flow larger than 750 mm and compressive strength higher than 150 MPa, and was applied to fabricate the girder for the widening of the Myanmar bridge.
In summary, the engineering properties and field-applicability of ZrSF-UHPC using ZrSF in replacement to SF were analyzed to improve the high viscosity of conventional UHPC and derive a composition applicable on field. The results showed that remarkable fluidity and mechanical performance could be secured by using ZrSF. This enabled to employ common superplasticizer, which could reduce the required quantities by more than half and realize economically efficient UHPC compared to the conventional composition.
Ultra High Performance Concrete (UHPC) is fabricated using fine powdered binder and large quantities of steel fibers based on the low latio of water-to-binder(W/B). This composition achieves the latest advanced concrete enabling to realize compressive strength higher than 180 MPa and to improve the flexural strength remarkably. However, the high-priced materials involved in the composition increase significantly the fabrication cost compared to the conventional concrete and the fresh UHPC exhibits high viscosity. The drawbacks make it difficult to apply UHPC at actual sites, although it overcomes typical concrete in flowability, strength and durability.
Previous literatures acknowledged improvement of the fluidity of concrete when zirconium silica fume (ZrSF), a by-product generated by the processing of zirconium, is exploited in the composition of concrete. However, previous studies failed in providing mix design and quantitative analysis of the materials involved in UHPC using ZrSF.
Therefore, the objective of this study is to develop a novel UHPC providing better economy and practicability than the conventional UHPC. To that achive goal, the engineering properties of UHPC using ZrSF as reactive powder are analyzed. Based on the analysis, the optimal mix composition practicable on site is derived and its site-applicability is examined.
Chapter 1 introduces the backgrounds and necessity of this study with a review of dedicated researches in Korea and overseas. Chapter 2 summarizes of the theoretical bases and results of previous studies related to the properties and exploitation of UHPC. Chapter 3 investigates the engineering characteristics of UHPC using ZrSF (ZrSF-UHPC) through the observation of the physical properties of fresh and hardened concrete considering the mix composition and materials as parameters. Chapter 4 derives the optimal mix composition of ZrSF-UHPC applicable on the actual site. Chapter 5 examines the site-applicability of the UHPC mix composition derived through Chapter 4. Chapter 6 reports the results of the erection of a foreign bridge applying ZrSF-UHPC mix of this study. Finally, Chapter 7 summarizes the results of this study to arrange the proposals of the author. These results are outlined hereafter. The results of this study could be drawn as follows.
1) The analysis of the rheological and mechanical properties of ZrSF-UHPC with regard to the substitution method and quantity of ZrSF revealed that, when replacing SF, ZrSF lowers effectively the viscosity of UHPC and enables UHPC to develop compressive strength higher than 180 MPa.
2) In view of the characteristics of fresh ZrSF-UHPC with respect to its components, the mix composition of ZrSF-UHPC made it possible to reduce the amount of superplasticizer by more than half compared to the previous SF-UHPC mix. Remarkable fluidity could also be achieved even when using ordinary superplasticizer like SP-L. Moreover, excellent fluidity and viscosity were obtained with W/B of 20% when using filler with grain size of 4 ㎛. Besides, ZrSF-UHPC developed satisfactory mechanical performance with compressive strength, flexural strength and direct tensile strength higher than 180 MPa, 35 MPa and 10 MPa, respectively.
3) The mix proportions of ZrSF-UHPC derived in this study are W/B of 20%, 100% of ZrSF, 2~3% of ordinary superplasticizer and 1.5 vol.% of steel fiber, which lead to a fabrication cost lower by 33% than that of the SF-UHPC mix.
4) As a factor influencing the field-applicability of ZrSF-UHPC, the twin-shaft mixer was effective for the fabrication of the mix. Good productivity as well as remarkable fluidity of ZrSF-UHPC could be realized by ready-mixed concrete batch plant, which enabled pumping placing. Note that high temperature curing during 48 hours and at temperature higher than 90 ℃ is required to develop the compressive strength of ZrSF-UHPC.
5) The composition of ZrSF-UHPC adapted to local Myanmar cement and fine aggregate was derived for the widening of a Myanmar bridge. This composition could be directly mixed in a ready-mixed concrete agitator drum. The so-mixed composition secured slump flow larger than 750 mm and compressive strength higher than 150 MPa, and was applied to fabricate the girder for the widening of the Myanmar bridge.
In summary, the engineering properties and field-applicability of ZrSF-UHPC using ZrSF in replacement to SF were analyzed to improve the high viscosity of conventional UHPC and derive a composition applicable on field. The results showed that remarkable fluidity and mechanical performance could be secured by using ZrSF. This enabled to employ common superplasticizer, which could reduce the required quantities by more than half and realize economically efficient UHPC compared to the conventional composition.
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