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문제 정의
- 본 연구에서는 메타카올린을 사용한 고강도 콘크리트의 특성을 규명하고 메타카올린의 적정 대체율을 파악하기 위하여 시멘트 사용중량의 5%, 10%, 15% 및 20%를 메타카올린으로 사용한 시멘트 페이스트와 보통포틀랜드시멘트 페이스트의 XRD 및 SEM 분석을 통하여 메타카올린의 포졸란 반응을 고찰하였다. 또한 초기 수화열 저감을 위하여 플라이 애쉬를 추가로 혼입한 콘크리트 시험체를 제작하여(이상호 등, 2005) 재령 7일, 28일 및 56일의 압축강도를 측정하였으며, 수은압입법으로 메타카올린이 콘크리트 매트릭스의 공극구조에 미치는 영향을 분석하여 공극량 및 크기에 따른 압축강도와의 상관관계를 도출하였다.
- 본 연구에서는 메타카올린의 대체율에 따른 콘크리트의 공극구조와 압축강도의 상관성을 규명하기 위하여 XRD, SEM, 수은압입법 분석 및 압축강도 시험을 실시하였으며, 그 결과를 비교분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 까지 측정하였다. SEM(Scannng Electron Microscope) 분석은 JSM-6400을 이용하여 OPCP와 메타카올린을 사용한 시멘트 페이스트의 내부 형상을 확인하였다.
- 0%로 일정하게 유지하였다. 또한 물-결합재비는 30%, 잔골재율을 40%로 설정하였다. 혼화재료의 경우, 메타카올린은 시멘트 사용중량의 5%, 10%, 15% 및 20%를 대체하였으며, 플라이애쉬는 결합재 중량의 20%를 일정하게 혼입하였다.
- 본 연구에서는 메타카올린을 사용한 고강도 콘크리트의 특성을 규명하고 메타카올린의 적정 대체율을 파악하기 위하여 시멘트 사용중량의 5%, 10%, 15% 및 20%를 메타카올린으로 사용한 시멘트 페이스트와 보통포틀랜드시멘트 페이스트의 XRD 및 SEM 분석을 통하여 메타카올린의 포졸란 반응을 고찰하였다. 또한 초기 수화열 저감을 위하여 플라이 애쉬를 추가로 혼입한 콘크리트 시험체를 제작하여(이상호 등, 2005) 재령 7일, 28일 및 56일의 압축강도를 측정하였으며, 수은압입법으로 메타카올린이 콘크리트 매트릭스의 공극구조에 미치는 영향을 분석하여 공극량 및 크기에 따른 압축강도와의 상관관계를 도출하였다.
- 메타카올린의 포졸란 반응을 분석하기 위하여 보통포틀랜 드시멘트 페이스트(OPCP)와 메타카올린을 각각 5%, 10%, 15% 및 20% 사용한 시멘트 페이스트 시험체(MK05P, MK10P, MK15P, MK20P)를 제작하여 XRD 및 SEM 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 수은압입법 시험을 통해 측정되는 데이터내에서 콘크리트의 겔 공극과 모세관 공극의 변화를 살펴보기 위해 Mindess의 분류기준을 적용하여 수은압입법의 한계 값인 3.0 nm부터 10 nm의 범위를 겔 공극, 10 nm~10 µm를 모세관 공극으로 정의 하였으며, 이들의 공극량과 총 공극량, Uchikawa와 Metha가 압축강도에 영향을 미친다고 제시한 5 nm~2 µm의 공극량, 50~100 nm 공극량, 수은압입법 시험 결과에 따른 3 nm~30 nm의 공극량, 30 nm~10 µm의 공극량 및 평균 공극직경과 압축강도와의 상관성을 도출하였다.
- 시험편은 수중 양생한 재령 7일, 28일 및 56일 콘크리트 시험체를 파쇄한 후 ASTM D 4284에 의거 굵은 골재를 제외한 모르타르 부분 약 2.5 g 정도를 채취하여 105℃로 항량조시킨 후 사용하였으며, 수은의 압력과 압입량으로 부터 공극을 원통형으로 가정하고 식 (1)로부터 공극의 직경을 산정하였다.
- 콘크리트의 압축강도는 φ100×200 mm 원주형 시험체를 제작하여 온도 20±2oC의 수조에서 수중양생한 후 재령 7일, 28일 및 56일에 KS F 2405에 따라 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 잔골재는 하천사를, 굵은골재는 최대치수 25 mm의 쇄석을 사용하였으며 이들의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
- 시멘트는 H사의 1종 보통포틀랜드시멘트(OPC)와 혼화재로 메타카올린 및 플라이애쉬를 사용하였으며, 이들의 화학성분 및 특성은 Table 3과 같다.
이론/모형
- XRD(X-ray diffractometer) 분석은 Riguku D/MAX 2200을 이용하였으며 2θ, 10~40o까지 측정하였다. SEM(Scannng Electron Microscope) 분석은 JSM-6400을 이용하여 OPCP와 메타카올린을 사용한 시멘트 페이스트의 내부 형상을 확인하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 공극구조를 분석하기 위하여 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry : M.I.P)을 이용하였으며, 수은은 60 kpsi까지 압입하였으며 공극 직경은 3 nm~1×105 nm까지 측정하였고 수은 접촉각은 130.0o로 하였다.
성능/효과
- 1. XRD 및 SEM 분석결과로부터 메타카올린이 일반보통포 틀랜드시멘트 페이스트의 포졸란 반응을 활성화시켜 압축강도 증진에 효과적임을 알 수 있었다.
- 2. 메타카올린의 대체율이 증가할수록 콘크리트의 압축강도가 증가되었으나, 대체율이 15% 이상일 경우에는 압축강도의 증가량이 미비한 것으로 나타나 압축강도 증진을 위한 적정 대체율은 10~15% 정도로 판단된다.
- 3. 수은압입법 시험결과 메타카올린의 대체율에 따라 콘크리트 매트릭스의 공극구조가 개선됨을 확인할 수 있었으며, 대체율이 15% 이상일 경우에는 그 개선정도가 미비한 것으로 나타나 공극구조 개선을 위한 적정 대체율은 10~15% 정도로 판단된다.
- 4. 각종 공극량 및 공극크기와 압축강도와의 상관성을 분석한 결과, 10 nm~10 µm의 모세관 공극량과 압축강도와의 결정계수가 약 0.93으로 가장 높은 상관성을 나타내었다.
- 5와 같다. XRD 분석결과와 마찬가지로 OPCP에서는 수화생성물인 C-H 결정을 확인할 수 있었고, MK10P에서는 포졸란 반응으로 생성된 수화물을 확인할 수 있었으며, OPCP보다 공극이 많이 충진된 것으로 나타났다.
- 각 표로부터 총 공극량은 메타카올린의 대체율 증가에 따른 큰 변화는 없었고, 콘크리트의 재령이 증가할수록 감소하는 경향을 나타낸다. 이는 위에서 언급한 거대기공의 미세기공화 현상으로 인해 총 공극량의 변화는 없음을 알 수 있었다.
- 다음으로 3~10 nm의 겔 공극량과 3~30 nm 공극량은 메타카올린의 대체율이 증가할수록 증가하였으나, 재령과는 큰 상관성을 보이지 않았다. 이는 겔 공극은 포졸란 반응물의 층간구조로 이루어지기 때문에 대체율이 증가할수록 포졸란 반응량이 많아져 증가하게 되나, 재령 7일 이전에 포졸란 반응이 거의 이루어져 재령과는 상관성이 미비한 것으로 나타났다.
- 이러한 현상은 시멘트 성분 중 CaO의 Ca2+가 H2O와 반응하여 초기재령에서 C-H를 생성하고, 생성된 C-H는 메타카올린의 주성분인 SiO2 및 Al2O3와 반응하여 재령의 경과에 따라 C-S-H 및 C-A-H를 생성한 것으로 판단된다. 따라서 메타카올린의 대체율이 증가할수록 시멘트 페이스트 내부에 SiO2와 Al2O3 성분이 증가하여 포졸란 반응이 활발히 진행될 것으로 판단되나, 본 연구의 경우 메타카올린 대체율이 15% 이상에서는 C-S-H 및 C-A-H 결정피크의 증가율이 대체율 10%인 경우에 비해서 둔화된 것으로 나타났다. 또한 재령 7일과 28일의 XRD 분석 결과가 유사함을 확인할 수 있는데, 이는 메타카올린의 포졸란 반응이 7일 이전에 거의 완료되었기 때문이라고 판단된다.
- 따라서 콘크리트의 고강도화를 위한 메타카올린의 적정 대체율은 시멘트 사용중량의 10~15%로 판단되며, 메타카올린을 사용한 콘크리트에서는 10 nm~10 µm의 모세관 공극량이 압축강도에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 또한 10 nm~10 µm의 모세관 공극량과 5 nm~2 µm의 공극량, 50~100 nm 공극량 및 30 nm~10 µm의 공극량은 메타카올린의 대체율 및 재령의 증가에 따른 감소현상이 비교적 일정함을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 압축강도 결과와 일치하므로 이 범위의 공극크기에서의 공극량이 메타카올린을 사용한 콘크리트의 압축강도에 상당한 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.
- 마지막으로, 평균 공극직경은 메타카올린의 대체율에 따른 감소현상이 뚜렷하게 나타났다. 이러한 현상은 평균 공극직경이 콘크리트 혼화재의 분말도에 의해 좌우되는 것으로 추정된다.
- 메타카올린의 대체율이 증가할수록 수산화칼슘(C-H)의 결정피크는 점점 감소하였으며, 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H) 및 칼슘알루미네이트 수화물(C-A-H)의 결정피크는 증가하였다. 이러한 현상은 시멘트 성분 중 CaO의 Ca2+가 H2O와 반응하여 초기재령에서 C-H를 생성하고, 생성된 C-H는 메타카올린의 주성분인 SiO2 및 Al2O3와 반응하여 재령의 경과에 따라 C-S-H 및 C-A-H를 생성한 것으로 판단된다.
- 모든 콘크리트의 설계기준강도는 60 MPa로 설정하였으며, 슬럼프는 15±2 cm, 공기량은 3.0±1.0%로 일정하게 유지하였다. 또한 물-결합재비는 30%, 잔골재율을 40%로 설정하였다.
- 9에 나타내었다. 이들 결과로부터 메타카올린의 대체율 및 재령이 증가할수록 공극크기가 30 nm 이상에서는 공극량이 감소하였고, 그 이하에서는 공극량이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 메타카올린의 높은 분말도 및 포졸란 반응으로 인해 30 nm 이상의 거대공극이 30 nm 이하의 여러 개의 작은 공극으로 분산되고, 포졸란 반응물로 인해 충진된 것으로 판단된다.
- 87로 나타났다. 이들 결정계수로부터 메타카올린을 사용한 콘크리트의 강도발현 원인이 기존 연구자들이 제시했던 압축강도에 영향을 주는 특정 공극직경의 공극량이 줄어들어 발현되는 원인 보다는 메타카올린의 높은 분말도 및 포졸란 반응물로 인하여 10 nm~10 µm의 모세관 공극량이 전체적으로 감소되어 콘크리트가 고강도화 된 것으로 판단된다.
- 이상과 같은 XRD 및 SEM 분석결과 메타카올린 대체시 메타카올린의 높은 분말도와 포졸란 반응이 콘크리트 매트릭스의 공극을 감소시켜 조직을 치밀하게 함으로써 콘크리트를 고강도화 하는 것으로 판단된다.
- 이상과 같은 결과로 메타카올린을 사용할 경우 콘크리트의 공극구조가 개선되어 압축강도가 증진되는데, 특히 10nm~10 µm의 모세관 공극이 압축강도에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 판단된다.
- 이상의 결과로부터 메타카올린을 사용한 콘크리트의 공극구조가 상당히 개선이 됨을 확인할 수 있었으며, 대체율이 15% 이상일 경우에는 콘크리트의 공극구조 개선정도가 미비하게 나타나 콘크리트의 공극구조 개선에 요구되는 적정 대체율은 10~15% 정도로 추정된다.
- 한편, MK15C와 MK20C의 공극분포가 거의 유사하게 나타나 메타카올린을 15% 이상 대체할 경우 콘크리트 매트릭스의 공극분포에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 이러한 현상은 압축강도에서 나타난 대체율이 15% 이상인 경우 압축강도의 증가량이 현저히 떨어지는 현상과 상관성이 있음을 알 수 있었다.
- 한편, 메타카올린의 대체율이 증가할수록 전반적으로 압축강도가 증가하였으나 그 증가량은 메타카올린 대체율 15% 이상에서는 현저히 둔화됨을 알 수 있었다. 이는 메타카올린의 대체율이 증가할수록 시멘트의 수화생성물인 C-H의 양은 상대적으로 작아지고 메타카올린의 주성분인 SiO2 및 Al2O3 양은 늘어나게 되므로 대체량에 비해 포졸란 반응이 상대적으로 적게 나타난 현상으로 판단된다.
- 10과 같다. 회귀분석 결과 각각의 결정계수를 알아보면 총 공극량-압축강도의 결정계수는 약 0.75, 겔 공극량-압축강도의 결정계수는 약 0.76, 모세관 공극량-압축강도의 결정계수는 약 0.93, 5 nm~2 µm의 공극량압축강도의 결정계수는 약 0.89, 50~100 nm의 공극량-압축강도의 결정계수는 약 0.86, 3~30 nm의 공극량-압축강도의 결정계수는 약 0.68, 30 nm~10 µm의 공극량-압축강도의 결정계수는 약 0.87, 마지막으로 평균 공극직경과 압축강도 사이의 결정계수는 0.87로 나타났다. 이들 결정계수로부터 메타카올린을 사용한 콘크리트의 강도발현 원인이 기존 연구자들이 제시했던 압축강도에 영향을 주는 특정 공극직경의 공극량이 줄어들어 발현되는 원인 보다는 메타카올린의 높은 분말도 및 포졸란 반응물로 인하여 10 nm~10 µm의 모세관 공극량이 전체적으로 감소되어 콘크리트가 고강도화 된 것으로 판단된다.
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