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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 도로용 투수 포장재로서 포 러스콘크리트의 현장적용을 위한 기초적 자료 제시 및 성능향상방안 도출을 위하여 고강도용 혼화재인 실리카퓸과 고인성 섬유소재인 양단후크형 강섬유를 사용한 포장용 포러스콘크리트의 물리 . 역학적 특성, 내구성 및 소음저감 특성을 조사 .
- 본 연구에서는 표 1의 품질기준 및 제안값들을 만족시키고 실리카퓸 및 강섬유를 활용한 포러스콘크리트의 성능향상 방안과 투수 포장재로서의 적용성을 평가하기 위하여 표 2와 같이 실험조건 및 배합변 수를 설정하여 연구를 수행하였다. 이때 혼화제 혼입량은 시멘트 페이스트의 일정한 유동성을 확보하기 위하여 사전에 흐름 시험을 통하여 결정하였다.
제안 방법
- 각각의 시험용 공시체는 JCI 보고서의 공시체제 작방법을 참조하여 믹싱을 끝낸 포러스콘크리트를 각 소요의 몰드에 1/2씩 채운 후 각 층마다 표면진동 형 다짐기를 이용하여 진동가압을 실시하여 제작하였다. 포러스콘크리트가 타설된 공시체는 24시간 후에 탈형하고 소요의 재령까지 23±2 ℃의 수중에서 표준양생을 실시하였다.
- 투수 및 배수를 목적으로 하는 포장용 포러스콘크 리트에 대한 동결융해저항성을 측정하는 시험방법 및 기준은 아직까지 규정되어 있지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 콘크리트의 동결융해저항성 평가에 이용되는 시험방법으로 포장용 포러스콘크리 트의 내동해성을 평가하였으며 시 험결과는 그림 10과 같다. 이를 고찰하여 보면 실리카퓸 및 강섬유를 혼입하지 않은 Plain의 경우 50사이클 에서 상대동탄성계수가 60% 이하로 저하되는 것으로 나타나 일반콘크리트에 비해 상대적으로 낮은 내 동해 저항성을 나타났다(吉森 外, 1995).
- 역학적 특성, 내구성 및 흡음특성을 분석하기 위하여 물-결합재비 25%, 설계공극률을 15%로 설정하고 강도, 내구성 및 인성증대를 위하여 실리카 퓸 및 강섬유 혼입에 따른 배합을 실시하였으며 , 배합표는 표 6과 같다. 또한 믹싱은 강섬유의 분산성을 향상시키기 위해 옴니 믹서를 사용하여 먼저 시멘트, 골재, 실리카퓸 및 강섬유를 투입하여 1분간 건비빔을 실시한 후 혼합수(물+혼화제)를 투입하고 270초 동안 다시 혼합하는 분할투입 방식을 사용하였다.
- 시멘트의 분산작용과 미세 공기의 연행으로 단위수량 감소, Workability 및 내동해성을 개선시키기 위하여 폴리 카본산계 고성 능 AE감수제를 사용하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 도로용 투수 포장재로서 포 러스콘크리트의 현장적용을 위한 기초적 자료 제시 및 성능향상방안 도출을 위하여 고강도용 혼화재인 실리카퓸과 고인성 섬유소재인 양단후크형 강섬유를 사용한 포장용 포러스콘크리트의 물리 . 역학적 특성, 내구성 및 소음저감 특성을 조사 . 분석하고자 한다.
- 포장용 포러스콘크리트의 배합요인에 따른 물리 . 역학적 특성, 내구성 및 흡음특성을 분석하기 위하여 물-결합재비 25%, 설계공극률을 15%로 설정하고 강도, 내구성 및 인성증대를 위하여 실리카 퓸 및 강섬유 혼입에 따른 배합을 실시하였으며 , 배합표는 표 6과 같다. 또한 믹싱은 강섬유의 분산성을 향상시키기 위해 옴니 믹서를 사용하여 먼저 시멘트, 골재, 실리카퓸 및 강섬유를 투입하여 1분간 건비빔을 실시한 후 혼합수(물+혼화제)를 투입하고 270초 동안 다시 혼합하는 분할투입 방식을 사용하였다.
- 즉, 75 x75 x355mm의 각주 공시체를 제작하여 23 x2℃의 수중에서 28일간 양생한 다음, -18~+4℃ 에서 1일 6사이클로 상대동탄성계수가 60% 이하가 될 때까지 소정의 사이클별로 1차 공명주파수를 측정함과 아울러 외관상태를 관찰하여 내동해성을 평가하였다. 이때 포러 스콘크리 트는 동결융해 반복에 의해 콘크리트 상하부 표면의 시멘트 페이스트 및 골 재가 탈락하여 동탄성계수의 측정이 곤란할 수 있으므로 공시체의 상하부를 시멘트 페이스트로 2mm 정도 캡핑 (Capping)하였다.
- 포장용 포러 스콘크리트에 대한 동결융해저항성을 측정하는 시험방법 및 기준은 아직까지 규정되어 있지 않으므로, 본 연구에서는 보통콘크리트의 내동해성 평가에 적용되는 KS F 2456『급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법』중 A법(수중 급속 동결융해시험)을 준용하여 내동해성을 평가하였다. 즉, 75 x75 x355mm의 각주 공시체를 제작하여 23 x2℃의 수중에서 28일간 양생한 다음, -18~+4℃ 에서 1일 6사이클로 상대동탄성계수가 60% 이하가 될 때까지 소정의 사이클별로 1차 공명주파수를 측정함과 아울러 외관상태를 관찰하여 내동해성을 평가하였다. 이때 포러 스콘크리 트는 동결융해 반복에 의해 콘크리트 상하부 표면의 시멘트 페이스트 및 골 재가 탈락하여 동탄성계수의 측정이 곤란할 수 있으므로 공시체의 상하부를 시멘트 페이스트로 2mm 정도 캡핑 (Capping)하였다.
- 투수 및 배수성 포장재로서의 적용성 검증과 역학적 성능향상 방안을 도출하기 위하여 실리카퓸 및 강 섬유를 사용한 포러스콘크리트의 품질특성을 분석하 였으며 , 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 포러스콘크리트 제조시 소요 워 커빌리티의 확보와 성형시 재료분리 방지 및 경화 후 연속공극을 형성시 키기 위하여 KS L 5111『시멘트 시험용 플로테이블』에 규정된 흐름시험판 위에 몰드를 놓고 페이스트를 2층으로 투입하여 20회씩 다진 다음, 몰드를 들어 올리고 흐름 시험판을 15초 동안 25회의 속도로 1.27cm의 높이에서 낙하시켜 페이스트의 흘러 퍼진 지름을 측정하여 흐름값을 산출하였다.
- 포장용 포러스콘크리트의 압축강도, 휨강도 및 휨인성 시험은 0100x200mm 및 100x 100x400mm의 공시체를 제작하여 23±2℃의 수중에서 28일간 양생을 실시한 후 KS에 규정되어 있는 각각의 시험 방법에 준하여 측정하였다.
- 포장용 포러스콘크리트의 특징 중 하나인 소음저감 특성을 평가하기 위하여 098 x100mm의 공시체 를 제작하여 KS F 2814-1『임피던스 관에 의한 흡음계수와 임피던스의 결정방법 , 제1부 : 정재파비법』에 준하여 그림 2와 같은 임피던스관을 이용하여 각각의 주파수에 대한 흡음계수를 측정하였으며,250Hz, 500Hz, 1,000Hz, 2,000Hz에서의 홉음계수를 산술평균하여 소음저감계수 NRC (NoiseReduction Coefficient)를 산출하였다.
- 표층재로서 포장용 포러스콘크리트의 타당성을 검증하기 위하여 골재비산저항성 시험을 실시하였으며 , 시험방법은 일본도로협회 및 도로공단에서 제안한 배수성 포장기술 지침(안)의『칸타브로(Cantabro)시험 방법』((社)日 本道路協會, 1998; 日 本道路公團, 2000)에 준하여 로스앤젤리스 마모감량 시험기에 0100X 63.5mm의 공시체를 투입하여 300회 회전 시킨 후 공시체의 손실 질량비를 측정하여 골재비산 저항성을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시멘트는 밀도 3.14g/cm3, 분말 도 3, 200cm2/g?l 국내 S사 제품의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 그 특성은 표 4와 같다.
- 본 연구에 사용된 골재는 입도가 58mm인 부순돌을 사용하였으며, 골재의 물리적 성질은 표 3과 같다.
- 본 연구에 사용된 시멘트는 밀도 3.14g/cm3, 분말 도 3, 200cm2/g?l 국내 S사 제품의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 그 특성은 표 4와 같다.
- 포장용 포러스콘크리트의 강도 및 내구성 등의 성능향상을 위하여 고강도용 혼화재인 실리카퓸을 사용하였으며, 그 특성은 표 4와 같다.
- 포장용 포러스콘크리트의 취성적 성질을 개선시키 기 위하여 일본 A사 제품인 스테인레스 재질의 양단 후크형 강섬유를 사용하였으며, 물리적 특성은 표 5와 같다.
이론/모형
- 6vol.%를 혼입한 포장용 포러스콘크리트에 대하여 임피던스관법에 의해 흡음계수를 측정하였으며 시험결과는 그림 11과 같다. 포장용 포러스콘크리트의 소음저감 특성을 고찰 해 보면 315Hz에서 흡음계수가 0.
- 공극률시험은 JCI 보고서『포러스콘크리트의 공 극률시험방법(안)』에 준하여 공극률을 측정하였으며, 식(1)에 의해 산출하였다.
- 투수계수시험은 JCI 보고서『포러 스콘크리트의 투수계수 시험방법 (안)』에 준하여 그림 1과 같은 시 험장치를 이용하여 투수계수를 측정하였으며, Darcy 법칙에 근거하여 식 (2)에 의해 투수계수를 산출하였다.
- 포장용 포러 스콘크리트에 대한 동결융해저항성을 측정하는 시험방법 및 기준은 아직까지 규정되어 있지 않으므로, 본 연구에서는 보통콘크리트의 내동해성 평가에 적용되는 KS F 2456『급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법』중 A법(수중 급속 동결융해시험)을 준용하여 내동해성을 평가하였다. 즉, 75 x75 x355mm의 각주 공시체를 제작하여 23 x2℃의 수중에서 28일간 양생한 다음, -18~+4℃ 에서 1일 6사이클로 상대동탄성계수가 60% 이하가 될 때까지 소정의 사이클별로 1차 공명주파수를 측정함과 아울러 외관상태를 관찰하여 내동해성을 평가하였다.
성능/효과
- 6vol.% 이상에 서는 현재 JCI 보고서에서 제안하고 있는 휨강도 기 준치인 4.5MPa이상을 충족시키는 것으로 나타났다. 또한 강섬유 혼입률 0.
- 6vol.% 이상에서 일본콘크리트 공학협회에서 제안하고 있는 4.5MPa을 만족시 키는 것으로 나타났다. 특히 실리카퓸 및 강섬유를 각각 혼입한 것보다 동시에 사용한 경우가 더욱 우수한 압축강도 및 휨강도를 나타내어, 실리카퓸 10wt.
- 6vol.%까지는 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 압축강도는 다소 증가하는 것으로 나타났으나 실리카 퓸을 혼입한 경우에 비해서는 그 영향이 미미한 것으로 나타났으며, 강섬유 혼입률 0.9voL%에서는 압축 강도가 0.6voL%에 비하여 저하되는 것으로 나타났다. 이는 일정한 혼입률까지는 섬유가 콘크리트 내부에 균등분산되어 결합재의 부착력 향상으로 압축강도가 증가되나, 과도한 섬유혼입률인 0.
- 6vol.%까지는 상대동탄성계수가 60%로 저하되는 사이클수가 증가되어 내동해성이 향상되는 것으로 나타났으나 혼입률 0.9voL%에서는 동결융해 저항성이 오히려 저하되는 것으로 나타났다. 이는 과도한 섬유의 혼입으로 Fiber-ball이 생성되어 시멘트 페이스트의 부착력이 감소되고 동결시 발생하는 팽창압 에 대한 저항성이 저하되었기 때문으로 판단된다.
- 9vol.%로 증가함에 따라 강섬유를 혼입하지 않은 경우에 비하여 등가휨강도는 각각 4.4배, 7.5배,6.6배 증진되는 것으로 나타났다. 이는 강섬유를 혼입함에 따라 하중재하시 발생하는 균열에 대한 구속 능력이 증진되어 에너지 흡수능력이 현저히 향상됐기 때문으로 판단된다.
- 이를 고찰하여 보면 실리카퓸 혼입률이 0~20wt.%로 증가함에 따라 골재비산저항성 시험에 의한 질량 손실률은 각각 13.7%, 13.4%,11.9%, 11.4%로 나타나 실리카퓸의 혼입률이 증가함에 따라 골재비산저항성이 향상되는 것으로 나타났으며 실리카퓸 혼입률 20wt.%에서는 질량 손실률 감소경향을 다소 둔화되는 것으로 나타났다.
- 6vol.%를 사용한 경우 Plain의 경우에 비해 골재 비산저항성이 27%정도 향상되는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 실리카퓸 및 강섬유의 동시 혼입으로 결합재의 인성 및 부착력이 증진되어 충격에너지에 대한 흡수능력이 향상되었기 때문으로 판단된다.
- 저항성은 실리카퓸과 강섬유를 동시에 혼입한 경우가 가장 우수한 내구성능을 나타내었으며, 실리카퓸 10wt.%와 강섬유 0.6voL%를 함께 사용한경우 일반 포러스콘크리트에 비해 상대동탄성계 수가 60%이하로 저하되는 싸이클수가 30회 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 골재비산저항성은 27%정도의 성능향상을 나타내었다.
- 1. 포장용 포러스콘크리트의 공극률과 투수계수는 실리카퓸의 혼입률이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났으며 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라서는 증가하는 경향을 나타냈으나, 모든 배합조건에서 현재 주택공사 도로기준의 기준치 및 일본 콘크리 트공학협 회 의 제 안값을 만족시 키 는 것으로 나타났다.
- 2. 포장용 포러스콘크리트의 압축강도는 모든 배합 조건에서 주택공사에서 제안한 강도기준치를 충족시키는 것으로 나타났으나, 휨강도의 경우에는강섬유 혼입률 0.6vol.% 이상에서 일본콘크리트 공학협회에서 제안하고 있는 4.
- 4. 포장용 포러스콘크리트의 소음저감 특성은 측정 주파수 중 상대적으로 저주파수인 315Hz에서 가장 높은 흡음계수를 나타냈으며, NRC는 0.48로 나타나 본 연구에 의한 포장용 포러스콘크리트가 50%에 가까운 흡음성능이 있음을 확인할 수 있었다.
- 0318 . e0 149x의 함수로 증가하는 것으로 나타났으며, 결정계수가 0.94로 높은 상관성을 나타냈다.
- 이는 초미립의 실리카퓸 을 혼입함에 따라 시멘트와의 밀도차이에 따른 싱대 적인 결합재량의 증가로 인해 포러스콘크리트의 내부 공극이 감소했기 때문으로 판단된다. 강섬유 혼입률에 따른 공극률 특성은 섬유 혼입률이 증가함에 따라 공극률은 증가하는 경향을 나타냈으며, 특히 강섬유 혼입률 0.9vol.%에서 뚜렷한 공극률 증가경향을 나타내 Plain에 비하여 약 12~17% 정도 증가하였다.
- 또한 포장용 포러스콘크리트의 등가휨강도는. 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 강섬유를 사용하지 않은 경우에 비해 최대 7.5배 증가되어 에너지 흡수 - 능력이 현저히 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
- 그러나 실리카퓸 혼입률이 증가함에 따라 내동해 성은 향상되는 것으로 나타나 상대동탄성계수가 60%이하로 저하되는 싸이클수가 Plian에 비해 약 5~15회 정도 증가하는 것으로 나타났다. 강섬유 혼입률에 따른 동결융해저항성은 섬유혼입률0.
- 그리고 실리카퓸 및 강섬유를 사용한 포러스콘크리트의 압축강도는 20.2~24.5MPa를 나타내어 대한주택공사에서 제시한 포러 스콘크리트의 압축강도 기준인 18MPa보다 높은 강도를 나타내었다.
- 이를 고찰하여 보면, 포러스콘크리트 의 투수계수는 실리카퓸의 혼입률이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났고, 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 또한 실리카퓸 및 강섬유를 이용한 포러스콘크리트의 투수계수는 0.18~0.35cm/sec로 나타나 현재 포장용 포러스 콘크리트의 투수계수에 관한 국내 품질기준 및 일본콘크리트공학협회의 제안값인 0.01cm/sec를 모두 만족시키는 것으로 나타났다.
- 또한 현재 포장용 포러스콘크리트의 공극률에 관한 국내기준은 8% 이상으로 규정하고 있고, 일본의 경우에는 일본 콘크리트 공학 협회에서 10% 이상으로 제안하고 있어 본 연구에 의한 결과들이 상기의 두 가지 기준을 동시에 만족시키는 것으로 나타났다.
- 이상의 실험결과로부터 실리카퓸 및 강섬유를 포장용 포러스콘크리트에 혼입하면 물리 . 역학적 특성 및 내구성능 개선에 대단히 효과적임을 확인하였으며, 포러스콘크리트에 대한 국내외 기준과 제안값을 만족시키고 물리 . 역학적 특성 및 내구성을 증진시키기 위한 실리카퓸 및 강섬유의 적정혼입률은 각각 10wt.
- %에 대하여 강섬유의 혼입률을 변화시켜 제작한 포장용 포러스콘크 리트의 하중-변위 곡선을 나타낸 것이다. 이를 고찰 하여 보면 강섬유를 혼입하지 않은 경우에는 취성파괴가 일어나는 것으로 나타났으나 강섬유를 혼입한 경우에는 처짐변형 성능이 현저히 개선되는 것으로 나타났으며, 강섬유 혼입률이 0.3vol.%, 0.
- 포장용 포러스콘크리트의 실리카퓸 및 강섬유 혼입률에 따른 공극률 측정결과는 그림 3과 같다. 이를 고찰하여 보면 동일 섬유혼입률에서 실리카퓸의 혼입률이 증가함에 따라 공극률은 감소하는 경향을 나 타냈으며, 실리 카퓸을 시멘트 대체 비(질 량비 )로20% 혼입한 경우에는 Plain의 경우에 비해 약 10%정도 공극률이 감소하였다. 이는 초미립의 실리카퓸 을 혼입함에 따라 시멘트와의 밀도차이에 따른 싱대 적인 결합재량의 증가로 인해 포러스콘크리트의 내부 공극이 감소했기 때문으로 판단된다.
- 포장용 포러스콘크리트의 휨 강도 측정결과는 그림 7과 같다. 이를 고찰하여 보면 실리카퓸 혼입률이 증가함에 따라 휨강도는 증가하는 경향을 나타냈으며, 강섬유를 혼입한 경우에는 섬유의 혼입률이 0.3 ~0.9voL%로 증가함에 따라 섬유를 혼입하지 않은 경우에 비하여 각각 6.12%, 18.90%, 16.84%의강도증진을 나타내, 강섬유 혼입률 0.6vol.% 이상에 서는 현재 JCI 보고서에서 제안하고 있는 휨강도 기 준치인 4.
- 따라서 본 연구에서는 각각의 배합 요인에 따른 투수계수 시험을 실시하였으며 결과는 그림 4와 같다. 이를 고찰하여 보면, 포러스콘크리트 의 투수계수는 실리카퓸의 혼입률이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났고, 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 또한 실리카퓸 및 강섬유를 이용한 포러스콘크리트의 투수계수는 0.
- 실리카퓸 및 강섬유를 혼입한 포장용 포러스콘크 리트의 압축강도 실험결과를 그림 6에 나타내었다. 이를 고찰하여 보면, 포러스콘크리트의 압축강도는 실리카퓸의 혼입률이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내어 실리카퓸을 혼입하지 않은 경우에 비해 실리카퓸 혼입률이 5, 10, 20 wt.%로 증가됨에 따라 6.
- %를 혼입한 포장용 포러스콘크리트에 대하여 임피던스관법에 의해 흡음계수를 측정하였으며 시험결과는 그림 11과 같다. 포장용 포러스콘크리트의 소음저감 특성을 고찰 해 보면 315Hz에서 흡음계수가 0.83으로 나타나 가장 높은 값을 나타냈으며 750Hz에서 0.169의 흡음계수를 나타내 가장 낮은 흡음 특성을 나타냈다. 또한 현재 흡음소재의 성능지표로 사용되고 있고, 음향 재료나 구조물에 입사된 음향 에너지 중에서 흡음된 에너지의 비율을 의미(한국표준과학연구원, 1995)하는 소음저감계수인 NRC는 0.
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