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문제 정의
- 또한 저자들은 고성능콘크리트의 수축을 저감하기 위해 팽창재와 수축저감제의 사용을 검토한 결과, 단독으로 사용하는 방법보다 두 재료를 조합하여 사용하는 방법이 더 효과적인 것으로 분석되었다 6,7). 따라서, 본 연구에서는 고성능콘크리트의 건조 및 자기수축 저감을 위한 방안으로 팽창재와 수축저감제를 다양한 혼합비율로 병용하는 고성능콘크리트에 대하여 그의 기초적 물성 및 수축특성을 검토함으로써, 고성능콘크리트의 고품질화에 한 참고자료로 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 고성능콘크리트의 기초적 물성과 건조 및 자기수축 특성에 미치는 팽창재 및 수축저감제를 병용하여 사용시의 영향에 대하여 분석하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구의 실험계획은 Table 1과 같다. 즉, 배합사항은 플라이애쉬(FA) 20 %와 실리카퓸(SF) 10%를 동시에 치환한 W/B 30%의 1수준에 대하여 팽창재(EA) 혼입률을 0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 %의 5수준 수축저감제(SR) 혼입률을 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 %의 5수준간에 대한 조합으로 총 25배치를 실험계획 하였다. 이때, 각 배치는 목표 슬럼프플로우 60±10cm, 목표 공기량 4.
- 0 %의 5수준간에 대한 조합으로 총 25배치를 실험계획 하였다. 이때, 각 배치는 목표 슬럼프플로우 60±10cm, 목표 공기량 4.5 ±1.5 %를 만족하도록 SP제 및 AE제량을 배합설계 하였다. 굳지않은 콘크리트와 경화 콘크리트의 실험항목은 Table 1과 같고, 배합사항은 Table 2와 같다.
- 본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 팬 타입믹서를 사용하였고, 굳지 않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프플로우는 슬럼프 측정이 끝난 후 최대직경과 이에 직교하는 직경의 평균치로 하였으며, 공기량 및 단위용적중량은 KS F 2421 및 KS F 2409의 규정에 의거 실시하였다.
- 05%이하의 규정치를 모두 만족하는 값을 나타내었다. 단, 49일 이후는 그 규정값을 초과하는 것도 존재하였으므로 본 분석에서는 49일 이후의 자기수축은 생략하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 사용재료로써 시멘트는 국내산 보통포틀랜트시멘트를 사용하였고, 골재로써 잔골재는 강모래, 굵은골재는 25mm 부순 굵은골재를 사용하였다. 혼화재로써, 플라이애쉬는 국내 보령 화력발전소산, 실리카퓸은 노르웨이산, 팽창재는 일본산 CSA계, 수축저감제는 독일산 글리콜계를 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3과 같다.
- 25mm 부순 굵은골재를 사용하였다. 혼화재로써, 플라이애쉬는 국내 보령 화력발전소산, 실리카퓸은 노르웨이산, 팽창재는 일본산 CSA계, 수축저감제는 독일산 글리콜계를 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3과 같다.
이론/모형
- 충전성 및 재료분리 저항성은 U형 충전시험 및 굵은골재 씻기 시험에 의거 실시하였으며, 응결시간은 KS F 2436의 프록터 관입저항 시험방법에 의거 측정하였다. 경화 콘크리트의 압축 및 인장강도는 KS F 2403에 따라 공시체를 제작, 양생한 다음 계획된 재령에서 KS F 2405 및 2423의 규정에 따라 실시하였다.
- 경화 콘크리트의 압축 및 인장강도는 KS F 2403에 따라 공시체를 제작, 양생한 다음 계획된 재령에서 KS F 2405 및 2423의 규정에 따라 실시하였다. 건조수축시험은 KS F 2424에 의거 수중 7일 양생 후 기중양생하는 것으로 하였다.
- 경화 콘크리트의 압축 및 인장강도는 KS F 2403에 따라 공시체를 제작, 양생한 다음 계획된 재령에서 KS F 2405 및 2423의 규정에 따라 실시하였다. 건조수축시험은 KS F 2424에 의거 수중 7일 양생 후 기중양생하는 것으로 하였다. 또한, 자기수축 시험은 일본 콘크리트공학협회의 시험방법2)에 의거 실시하였다.
- 건조수축시험은 KS F 2424에 의거 수중 7일 양생 후 기중양생하는 것으로 하였다. 또한, 자기수축 시험은 일본 콘크리트공학협회의 시험방법2)에 의거 실시하였다.
성능/효과
- 전반적으로, 팽창재 및 수축저감제 병용에 따른 유동성 및 공기량은 모두 배합설계로 결정하였으므로 고유동콘크리트의 범위인 목표 슬럼프플로우 60+10cm 및 목표 공기량 4.5 ±1.5 %를 만족하는 것으로 나타났다.
- U형 충전높이는 비교적 양호한 충전성을 나타내었고, 재료분리 저항률은 모두 85% 이상으로 양호하게 나타났다. 단, 본 항목은 배합설계 하여 얻어진 결과로써, 팽창재 및 수축저감제와 관련하여 분석하기에는 어려움이 있어, Fig 1, 2는 SP제 및 AE제량 배합사항을 분석한 것이다.
- 1은 팽창재와 수축저감제의 혼입률 변화에 따른 SP제량을 나타낸 것이다. 먼저, 팽창재를 무혼입한 경우수축저감제 혼입률 변화에 따른 SP제량은 수축저감제 혼입률이 증가할수록 유동성이 저하하여 동일 유동성으로 배합설계 하기 위해 SP제량이 증가하였다.
- 또한, 수축저감제를 무혼입한 경우는 팽창재 혼입률 변화에 따라 유동성이 유사하게 나타나 SP제량을 동일하게 사용하는 것으로 배합설계 되었으나, 팽창재 및 수축저감제를 병용한 경우는 유동성이 많이 저하하여 SP제 사용량이 크게 증가하였다.
- 팽창재를 무혼입한 경우, AE제량은 수축저감제 혼입률이 증가할수록 공기량 증가로 감소 시켜주는 것으로 배합설계 되었다. 단, 수축저감제를 무혼입한 경우 팽창재 혼입률 변화에 따라 공기량은 큰 영향이 없는 것으로 나타나 AE제량을 동일하게 사용하는 것으로 배합설계 하였으나, 팽창재 및 수축저감제를 병용한 경우는 공기량이 증가하여 AE제의 사용량을 감소시켜주어야 할 필요가 있었다.
- 3은 팽창재와 수축저감제의 혼입률 변화에 따른 초결 및 종결의 응결시간을 나타낸 것이다. 전반적으로, 팽창재 및 수축저감제 혼입률 증가에 따라 응결시간은 플레인과 비교하여 촉진되는 것으로 나타났는데, 단 팽창재혼입률 5.0, 7.5 및 10.0%에서 수축저감제를 2.0% 혼입할 경우는 응결이 오히려 지연되는 역전경향도 나타났다.
- 4는 재령별 팽창재와 수축저감제의 혼입률 변화에 따른 압축강도를 복합적으로 나타낸 것이다. 전반적으로, 팽창재와 수축저감제의 혼입률별에 상관없이 비교적 고강도 나타내었으며, 재령 28일의 경우는 모두 50MPa 이상의 고강도를 발휘하였다. 수축저감제 혼입률 증가에 따른 압축강도는 저하하는 것으로 나타났는데, 이는 수축저감제에 의한 모세관장력의 감소에 기인한 것으로 분석된다.
- 수축저감제 혼입률 증가에 따른 압축강도는 저하하는 것으로 나타났는데, 이는 수축저감제에 의한 모세관장력의 감소에 기인한 것으로 분석된다.5) 또한, 팽창재 혼입률 증가에 따라서는 혼입률 5.0%에서 가장 크게 나타났고, 그 이상인 경우에서는 전반적으로 저하하는 경향이었는데, 이는 팽창재 과다 첨가에 따른 콘크리트 조직의 이완에 기인한 것으로 분석된다.9)
- 6은 재령 28일에서의 압축강도와 쪼갬인장강도의 관계를 나타낸 것이다. 고성능콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도는 비례적으로 증가하였는데, 쪼갬인장강도는 압축강도와 비교하여 대략 1/10~1/12 정도로 나타났다. 이때 회귀식은 Fig.
- 8은 재령별 팽창재와 수축저감제의 혼입률 변화에 따른 건조수축 길이 변화율을 복합적으로 나타낸 것이다. 건조수축 시험체는 초기 수중양생기간에서 팽창하였고, 재령 7일 후 기중양생에서 건조에 의한 수축이 발생하였는데, 초기재령일수록 수축경향이 큰 것으로 나타났고, 재령이 경과함에 따라 보다 완만한 경향을 보였다. 재령 180일에서, 플레인의 건조수축은 6.
- 건조수축 시험체는 초기 수중양생기간에서 팽창하였고, 재령 7일 후 기중양생에서 건조에 의한 수축이 발생하였는데, 초기재령일수록 수축경향이 큰 것으로 나타났고, 재령이 경과함에 따라 보다 완만한 경향을 보였다. 재령 180일에서, 플레인의 건조수축은 6.15×10-4으로 나타났는데, 수축저감제 혼입률 증가에 따라 플레인에 비해 Table 5와 같이 4~22% 정도 저감하는 것으로 나타났다. 이는 수축저감제 혼입에 따른 모세관장력의 감소에 기인한 것으로 분석된다8).
- 또한, 팽창재를 2.5, 5.0, 7.5 및 10.0% 혼입하면서 수축저감제 혼입률을 변화시키는 경우는 두 혼화재료의 중첩 효과로 Table 5와 같이 각각 6-35%, 14-49%, 21-62 % 및 35~84% 정도로 크게 저감되었는데, 계산값과 비교한 순수복합상승효과는 2~27%로 우수하게 나타났다5).
- 10은 재령별 팽창재와 수축저감제의 혼입률 변화에 따른 자기수축 길이 변화율을 복합적으로 나타낸 것이다. 수축저감제 혼입률 증가에 따른 재령 49일의 자기수축은 플레인과 비교하여 12~52% 정도 저감하였고, 팽창재 혼입률 증가에 따라서는 20~74% 정도 저감하였다. 단, 팽창재와 수축저감제를 병용한 경우는 더욱 크게 저감하여, 일예로 팽창재 10.
- 수축저감제 혼입률 증가에 따른 재령 49일의 자기수축은 플레인과 비교하여 12~52% 정도 저감하였고, 팽창재 혼입률 증가에 따라서는 20~74% 정도 저감하였다. 단, 팽창재와 수축저감제를 병용한 경우는 더욱 크게 저감하여, 일예로 팽창재 10.0 %에 수축저감제를 1.0% 혼입한 경우는 오히려 체적이 팽창하는 것으로 나타났다. 따라서, 팽창재와 수축저감제의 혼입률이 증가할수록 당연히 자기수축은 작아지는데, 특히 수축저감 메커니즘이 서로 다른 팽창재와 수축저감제를 병용할 경우 그 효과는 더욱 커서, Table 5와 같이 계산값과 비교한 순수복합상승효과는 5% 전후가 됨을 알 수 있었다.
- 0% 혼입한 경우는 오히려 체적이 팽창하는 것으로 나타났다. 따라서, 팽창재와 수축저감제의 혼입률이 증가할수록 당연히 자기수축은 작아지는데, 특히 수축저감 메커니즘이 서로 다른 팽창재와 수축저감제를 병용할 경우 그 효과는 더욱 커서, Table 5와 같이 계산값과 비교한 순수복합상승효과는 5% 전후가 됨을 알 수 있었다. 또한, 본 실험에서는 자기수축을 건조수축과 구분하기 위하여 자기수축시험에서 시험체의 수분증발에 의한 질량감소율도 동시에 측정하였는데, 재령 49일까지 자기수축 시험체의 질량감소율은 모두 0.
- 따라서, 팽창재와 수축저감제의 혼입률이 증가할수록 당연히 자기수축은 작아지는데, 특히 수축저감 메커니즘이 서로 다른 팽창재와 수축저감제를 병용할 경우 그 효과는 더욱 커서, Table 5와 같이 계산값과 비교한 순수복합상승효과는 5% 전후가 됨을 알 수 있었다. 또한, 본 실험에서는 자기수축을 건조수축과 구분하기 위하여 자기수축시험에서 시험체의 수분증발에 의한 질량감소율도 동시에 측정하였는데, 재령 49일까지 자기수축 시험체의 질량감소율은 모두 0.042-0.048 %의 범위로써 일본 콘크리트공학협회의 자기수축측정방법에서 제안한 범위인 0.05%이하의 규정치를 모두 만족하는 값을 나타내었다. 단, 49일 이후는 그 규정값을 초과하는 것도 존재하였으므로 본 분석에서는 49일 이후의 자기수축은 생략하였다.
- 1) 굳지 않은 콘크리트의 특성으로, 유동성은 수축저감제 혼입률 증가에 따라 저하하여 SP제량이 증가하였고, 팽창재 혼입률 변화에 따라서는 큰 차이가 없는 것으로 나타나 SP제량은 동일하였으나, 단 팽창재와 수축저감제를 병용한 경우는 혼입률 증가에 따라 유동성이 크게 저하하여 SP제량을 다량으로 증가시키는 것으로 나타났다. 공기량은 수축저감제 혼입률 증가에 따라 증가하여 AE제량이 감소되었고, 팽창재 혼입률 변화에 따라서는 큰 차이가 없었으나, 단 팽창재와 수축저감제를 병용한 경우는 혼입률 증가에 따라서 공기량이 크게 증가하여 AE제량이 많이 감소되었다.
- 공기량은 수축저감제 혼입률 증가에 따라 증가하여 AE제량이 감소되었고, 팽창재 혼입률 변화에 따라서는 큰 차이가 없었으나, 단 팽창재와 수축저감제를 병용한 경우는 혼입률 증가에 따라서 공기량이 크게 증가하여 AE제량이 많이 감소되었다.
- 2) 압축 및 인장강도는 수축저감제 혼입률 증가에 따라 저하하는 것으로 나타났고, 팽창재 혼입률 증가에 따라서는 혼입률 5.0 %에서 가장 크게 나타났고, 그 이상인 경우는 전반적으로 저하하였으며, 팽창재 및 수축저감제를 병용한 경우는 서로 평균적인 경향이었다.
- 3) 건조 및 자기수축 길이변화율은 팽창재 및 수축저감제 혼입률 증가에 따라 모두 감소하는 것으로 나타났는데, 단 팽창재 및 수축저감제를 병용할 경우에는 복합된 상승작용으로 더욱 크게 감소하였다.
- 이상을 종합하여 볼 때, 먼저 팽창재는 전재령에서 5.0% 사용량일 때 압축강도가 최대가 되고, 또한 굳지 않은 콘크리트의 물성, 건조 및 자기수축 특성도 우수하여 최적 사용량으로 사료된다. 그리고, 수축저감제의 경우는 사용량이 증가할수록 건조 및 자기수축은 감소하지만 유동성 및 압축강도 등은 저하하여 적정점을 하나의 관점에서 정하기는 곤란하지만 전체적인 흐름에서 1.
- 0% 사용량일 때 압축강도가 최대가 되고, 또한 굳지 않은 콘크리트의 물성, 건조 및 자기수축 특성도 우수하여 최적 사용량으로 사료된다. 그리고, 수축저감제의 경우는 사용량이 증가할수록 건조 및 자기수축은 감소하지만 유동성 및 압축강도 등은 저하하여 적정점을 하나의 관점에서 정하기는 곤란하지만 전체적인 흐름에서 1.0% 정도를 결정하면 콘크리트의 제반물성에서 특별한 결함없이 양호하게 저수축·저균열을 성취할 수 있어 적정 혼입률로 분석된다.
후속연구
- 이상과 같이, 고성능콘크리트의 수축을 저감시키기 위해 사용되는 팽창재와 수축저감제는 압축강도에 미치는 영향은 크므로 이에 대한 주의가 필요할 것으로 사료된다.
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