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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 이러한 링플로우(이하 R-F) 및 기타 유동성 측정 장비로 플로우콘(이하 F-C)과 미니슬럼프(이하 M-S) 등을 이용하여 시멘트 페 이스트의 유동성을 평가하고, 시험기 간의 상호관계를 비교한 후, 이를 보다 정략적으로 뒷 받침하기 위하여 회전점도계도 비교함으로서, 간편하며 신뢰할 수 있는 효율적인 시멘트 페이스트의 유동성 평가방법을 제안 하고자 한다.
- 본 연구에서는 시멘트페이스트의 레올로지 특성에 영향을 미치는 다양한 혼합변수의 영향과 유동특성 시험기 간의 상관 관계에 대하여 검토하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 즉, 물결합재비(W/B) 30 및 40%의 2수준에 대해서 시멘트 제조사별로 A, B, C사의 3수준, 총 6수준으로 계획 하고, 광물질 흔화재는 플라이애시(이하 FA), 고로슬래그 미분 말(이하 BS) 및 실리카품(이하 SF)을 이용하며, 각각 시멘트 질량비에 대해 0, 10, 20, 30%를 치환하여 사용한다. 단, SF의 경우는 30%의 경우 측정이 불가능하여 20%까지만 치환하여, 총 18 수준에 대해 검토하도록 한다.
- 시리즈Ⅱ의 경우는 화학 혼화제의 영향을 실험하기 위한 것으로 W/B 30% 1수준에 대하여 폴리칼본산계 고성능감수제의 제조 회사별로 A, B, C, D사의 4수준을 계획하고, 감수제 성분 별로는 폴리칼본산계, 멜라민계, 나프탈렌계 및 리그닌계 등 4 수준으로 총 8수준을 실험 계획한다. 이때 시리즈 I, H 의 목표 플로우는 F-C 시험기를 기준으로 W/B 30%는 고유동 시멘트 페이스트 범위인 300 +20mm, W/C 40%는 150±20mm를 만족 하도록 배합 설계하여 여타의 배합에 동일하게 적용토록 한다.
- 실험방법으로 시멘트페이스트의 혼합은 모르터 믹서기를 이 용하는데, 혼합방법은 잔골재의 혼합을 제외한 ASTM C305에 의 거 실시 한다. 굳지않은 시 멘트 페 이 스트의 유동성 평가 실험 은 R-F의 경우 JASS 15M-103에 의거 실시하고, F-C는 KS L 5111의 규준에 맞는 시험기를 이용하여 낙하를 가하지 않은 상태에서 측정하며, M-S는 KS F 2474에 의거하여 실시한다.
- 먼저, 시리즈 I 에서는 시멘트의 제조사 및 광물 혼화재의 종 류별 치환율 변화로서, 분체변화에 따른 유동특성을 실험하기 위한 것이다. 즉, 물결합재비(W/B) 30 및 40%의 2수준에 대해서 시멘트 제조사별로 A, B, C사의 3수준, 총 6수준으로 계획 하고, 광물질 흔화재는 플라이애시(이하 FA), 고로슬래그 미분 말(이하 BS) 및 실리카품(이하 SF)을 이용하며, 각각 시멘트 질량비에 대해 0, 10, 20, 30%를 치환하여 사용한다. 단, SF의 경우는 30%의 경우 측정이 불가능하여 20%까지만 치환하여, 총 18 수준에 대해 검토하도록 한다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 시멘트는 국내산 A, B, 。사에서 생산되는 보통 포틀랜드시멘트를 사용하고, 혼화재료로 FA는 보령 화력 산, BS는 포항제철소산, SFe 호주산을 사용한다. 또한 혼화제 는 제조회사별로 국내산 A, B, C, D사 의 폴리 칼본산계 제품을 사용하고, 성분별에서는 A사에서 생산되는 제품으로 폴리칼본 산계, 멜라민겨), 나프탈렌겨), 리그닌계를 사용토록 한다. 시멘 트 및 혼화재의 입도분포 및 화학적 성질은 그림 1, 2 및 표 2와 같다.
이론/모형
- 5에 의 거 실시 한다. 굳지않은 시 멘트 페 이 스트의 유동성 평가 실험 은 R-F의 경우 JASS 15M-103에 의거 실시하고, F-C는 KS L 5111의 규준에 맞는 시험기를 이용하여 낙하를 가하지 않은 상태에서 측정하며, M-S는 KS F 2474에 의거하여 실시한다. 또한, 시멘트 페 이스트의 레올로지정수는 회전 점도계 (Brookfield DV-11)를 이용하여 JIS K 6901 규정에 의거 실시하는데, 각 플 로우 및 회전점도계 측정 모습은 그림 3, 4와 같다.
성능/효과
- 시멘트 회사별 각종 플로우 시험기에 의한 유동성 측정 결과 R-F를 이용하여 측정한 경우 그림 5-(a) 일반 범위 및 그림 6-(a) 고유동 범위에서 모두 A사 시멘트의 유동성 이 가장 작은 것으로 나타났고, 다음으로 B, C 순으로 작게 나타났다. 이러한 결과는 F-C 및 M-S를 이용하여 측정한 플로우치와 유사한 경향을 나타내는 것으로 시험기간의 측정오차가 작은 것을 확인할 수 있었다.
- 먼저, 그림 13-(a)의 각종 시험기와 플로우와의 관계는 R-F 를 이용하여 측정한 경우, F-C 및 M-S를 이용하여 측정한 것과 동일한 결과로 나타났는데, D사 제품의 폴리칼본산계 고성능 감수제를 혼입한 시멘트 페이스트의 유동성이 가장 큰 것으로 나타났고, 다음으로 C, B, A순으로 크게 나타났다. 또한, 그림 13-(b)의 콘시스턴시 곡선은 그림 13-(a)의 플로우 측정 결과와 동일한 경향을 나타내었는데, D사 혼화제를 혼입한 시멘트 페 이스트의 항복치가 가장 작게 나타났고, A사의 혼화제를 혼 입한 페 이스트의 항복치가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 이러한 유동특성은 R-F, F-C 및 M-S 등 모든 플로우 시험기에서 동일 하게 나타났다. 이는 FA의 낮은 치환율에서는 분체량의 증가 로 그림 7-(a)의 고성능감수제를 사용하지 않은 일반범위에서 나타난 결과와 유사하게 페이스트의 유동성 저하를 유발하였 으나, 많은 치환율에서는 시멘트 대비 입형이 좋은 FA의 사용 량이 증가하고, 고성능감수제에 의한 페 이스트 입자 사이에서 의 마찰력이 감소하면서 이러한 효과가 차감되어 발생한 것으로 판단된다. 또한, 그림 7-(b)인 일반 범위의 콘시턴시 곡선에서 FA를 20%이상 치환한 경우 초기 값이 그림 5-(b)에서 나타난 결과와 다른 특성을 나타냈는데, 이는 분체량 증가에 따라 점성이 커지면서 초기 항복치가 감소한 것에 기인한 결과로 사 료된다.
- 먼저, 그림 13-(a)의 각종 시험기와 플로우와의 관계는 R-F 를 이용하여 측정한 경우, F-C 및 M-S를 이용하여 측정한 것과 동일한 결과로 나타났는데, D사 제품의 폴리칼본산계 고성능 감수제를 혼입한 시멘트 페이스트의 유동성이 가장 큰 것으로 나타났고, 다음으로 C, B, A순으로 크게 나타났다. 또한, 그림 13-(b)의 콘시스턴시 곡선은 그림 13-(a)의 플로우 측정 결과와 동일한 경향을 나타내었는데, D사 혼화제를 혼입한 시멘트 페 이스트의 항복치가 가장 작게 나타났고, A사의 혼화제를 혼 입한 페 이스트의 항복치가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 그림 14-(a)의 혼화제 성분별 플로우 측정결과는 기대했던 대로 각 시험기에서 모두 폴리칼본산계가 가장 높은 플로우치 를 나타내었고, 다음으로 나프탈렌계, 멜라민 계, 리그닌계 순 으로 나타났다. 한편, 플로우 시험기의 체적이 증가할수록 각 성분별로 플로우 값의 증가폭은 약간씩 커지는 경향을 나타내 었는데, 이는 시험기 체적의 차이에 따른 변형량의 증가에 의한 것으로 사료된다.
- 그림 7-(a)인 일반 범위의 플로우에서는 FA의 치환율이 증 가할수록 시멘트 페 이스트의 유동성이 약간 저하하거나 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났으나, 고유동 범위에서는 FA 를 10% 치환했을 경우 플레 인보다 다소 감소하다가 치환율이 증가할수록 점점 플로우치가 커지는 것으로 나타났다. 이러한 유동특성은 R-F, F-C 및 M-S 등 모든 플로우 시험기에서 동일 하게 나타났다.
- 이러한 결과는 F-C 및 M-S를 이용하여 측정한 플로우치와 유사한 경향을 나타내는 것으로 시험기간의 측정오차가 작은 것을 확인할 수 있었다. 한편, 시멘트 종류에 따른 5-(b) 일반 범위 및 그림 6-(b) 고유동 범위의 콘시스턴시는 각종 플로우 시험기에 의한 측정결과와 유사한 경향으로 나타났는데, 플로우 시험기 에 의한 측정에서 유동성 이 가장 크게 나타났던 C사의 항복치 가 가장 작게 나타났고, A사 시멘트의 항복치가 가장 큰 것으로 나타났다. 또한 고유동과 달리 일반범위 시멘트페이스트의 경우 그림 5-(b)에서 원으로 표시한 바와 같이 초기 측정값이 불안정하게 나타났는데, 이는 고농도 서스팬션의 고유한 특성 으로 점성이 작은 고농도 서스팬션의 경우 전단변형시 간극수 압의 이동으로 전단을 시작하는 범위에서는 순간 전단응력이 크게 증가하여 초기 불안전한 수치를 기록한 것으로 분석되며, 시간이 지나면서 안정해지는 것으로 나타났다"
- 이러한 유동특성은 R-F, F-C, M-S 시험기에서 동일하게 나타났다. 한편, 콘시스턴시 곡선의 특징으로 그림 9-(b)의 일반범위에서 는 초기 전단응력이 다소 불안정한 것으로 나타난 반면, 그림 10-(b)의 고유동 범위에서는 치환율 증가에 따라 항복치가 작 아지는 정상적인 경향으로 나타났는데, 플로우 시험기에 의한 유동성 평가실험결과와 같이 BS 치환율 30%에서 가장 작은 항복치를 기록하였다.
- 또한, 그림 7-(b)인 일반 범위의 콘시턴시 곡선에서 FA를 20%이상 치환한 경우 초기 값이 그림 5-(b)에서 나타난 결과와 다른 특성을 나타냈는데, 이는 분체량 증가에 따라 점성이 커지면서 초기 항복치가 감소한 것에 기인한 결과로 사 료된다. 전체적으로 FA의 치환율이 증가할수록 그림 7-(b) 및 8-(b)의 일반 및 고유동 범위에서 콘시스턴시 곡선의 경향은 플로우 시험기에서 나타난 유동성 경향과 동일한 것으로 나타났다.
- 1) 시멘트 제조사 변화 및 FA, BS, SF 등 광물질 혼화재 치 환율 등 분체 변수에 따른 유동특성에서 R-F, F-C, M-S 시험기 간에는 용량 차에 기인한 변화 외에는 거의 차이가 없었지만, 회전점도계인 경우는 된반죽 조건에서 불안 정한 레올로지 값을 나타내었는데, 특히 SF의 경우 치환율 10%이상일 때 점성증대에 기인하여 그 경향이 크게 발생 하였다.
- 2) 화학 혼화제의 제조사 및 종류변수에 따른 유동특성 변화 에서 R-F, F-C, M-S 시험기 간에는 역시 분체변수와 마찬 가지로 거의 차이가 없었지만, 회전점도계인 경우 화학혼 화제 성분에서 일반적인 경우와 상이한 경향이었는데, 특 흐], 리그닌계의 경우 유동성이 가장 작아 플로우치가 작았 음에도 불구하고, 항복치와 소성점도가 작은 특이한 유동 특성이 발견되었다.
- 3) R-F치와 레올로지 정수와의 관계에서는 먼저, 80mm이하 작은 플로우값의 영역일 때에는 항복치 및 소성점도에 편 차가 크게 발생하므로 이 부분을 제외하면 항복치에는 반 비례관계, 소성점도에는 정비례관계를 형성하는데, 단 고 유동 범위에서는 소성점도의 경우 반비례 경향으로도 나타나고 있어 상관성이 작아지는 가운데 복잡한 양상을 나타내고 있다.
- 4) R-F, F-C, M-S의 플로우치 간에는 상관계수 0.99 이상의 양호한 상관성을 나타내고 있다. 따라서 시멘트 페이스트 의 유동성을 양호하게 평가하고, 아울러 용량이 작아 간편 하게 시험할 수 있는 가장 효율적인 유동성 평가 방법으 로는 R-F(링플로우)인 것으로 분석된다.
- 결국, 시멘트 페이스트의 유동특성을 양호하게 평가하고, 아 울러 용량이 작아 간편하게 시험할 수 있는 가장 효율적인 시 멘트 페이스트의 유동성 평가방법으로는 링플로우(R-F)가 바 람직한 것으로 분석된다.
- 99 이상의 양호한 상관성을 나타내고 있다. 따라서 시멘트 페이스트 의 유동성을 양호하게 평가하고, 아울러 용량이 작아 간편 하게 시험할 수 있는 가장 효율적인 유동성 평가 방법으 로는 R-F(링플로우)인 것으로 분석된다.
- 또한, 그림 15-(b)의 R-F와 소성점도와의 상관관계는 전체 적으로 0.587로 양의 상관관계를 나타내고 있으나, R-F에 의해 측정된 플로우치가 80mm 이하에서는 전술한 바와 같이 레올로 지 정수 측정시 시료의 계면과 스팬들 사이의 미끄러짐에 의한 오차일 확률이 크고, 고유동 범위에서는 음의 상관관계 (R=-0.783)를 나타내어 유동범위에 따라 다소 상이한 결과를 확인할 수 있었다. 이상과 같이 회전점도계를 이용한 시멘트 페 이스트의 레올로지 정수 측정시 플로우 값이 매우 낮은 유동 범위에서는 측정오류가 발생하는 것으로 나타났다.
- 시멘트 회사별 각종 플로우 시험기에 의한 유동성 측정 결과 R-F를 이용하여 측정한 경우 그림 5-(a) 일반 범위 및 그림 6-(a) 고유동 범위에서 모두 A사 시멘트의 유동성 이 가장 작은 것으로 나타났고, 다음으로 B, C 순으로 작게 나타났다. 이러한 결과는 F-C 및 M-S를 이용하여 측정한 플로우치와 유사한 경향을 나타내는 것으로 시험기간의 측정오차가 작은 것을 확인할 수 있었다. 한편, 시멘트 종류에 따른 5-(b) 일반 범위 및 그림 6-(b) 고유동 범위의 콘시스턴시는 각종 플로우 시험기에 의한 측정결과와 유사한 경향으로 나타났는데, 플로우 시험기 에 의한 측정에서 유동성 이 가장 크게 나타났던 C사의 항복치 가 가장 작게 나타났고, A사 시멘트의 항복치가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 783)를 나타내어 유동범위에 따라 다소 상이한 결과를 확인할 수 있었다. 이상과 같이 회전점도계를 이용한 시멘트 페 이스트의 레올로지 정수 측정시 플로우 값이 매우 낮은 유동 범위에서는 측정오류가 발생하는 것으로 나타났다.
- 그림 9-(a) 및 10-(a)의 플로우 시험기에 의한 유동성평가에서 BS를 치 환한 시 멘트페 이스트는 FA를 치 환한 경우와 비슷한 경향으로 나타났다. 일반 시멘트페 이스트의 범위에서 유동성은 치환율이 증가할수록 동일하거나 약간 감소하는 경향을 보였 고, 고유동 범위에서는 점차 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 유동특성은 R-F, F-C, M-S 시험기에서 동일하게 나타났다.
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