[논문]최대 밀도 이론을 이용한 고성능콘크리트의 배합 설계

이승한; 정용욱

doi:10.4334/jkci.2007.19.3.377

[국내논문] 최대 밀도 이론을 이용한 고성능콘크리트의 배합 설계
Mix Design of High Performance Concrete Using Maximum Density Theory 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.19 no.3, 2007년, pp.377 - 383

초록
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최근 콘크리트의 품질과 구조물의 신뢰성을 향상시키기 위해서 고성능콘크리트의 현장 적용이 늘고 있다. 이러한 고성능콘크리트의 배합 설계 방법으로는 모르타르-굵은골재 2상계 배합 이론과 페이스트-골재 2상계 배합 이론이 있다. 이 중 모르타르-굵은골재 2상계 배합이론은 모르타르의 레올로지 특성을 부여함에 있어 반복적인 실험을 통해서 그 값을 결정해야 하는 문제점을 가지고 있다. 페이스트-골재 2상계 배합 이론은 최적 잔골재율과 단위결합재량과의 관계 및 콘크리트의 충전성을 확보할 수 있는 한계 골재 용적비 등이 고려되어 있지 않아 고성능콘크리트에의 적용 예가 없는 실정이다. 또한 이들 고성능콘크리트의 배합 설계 이론은 일반콘크리트와는 달리 유동성 및 충전성에 중점을 두고 있어 배합 설계에서 강도 특성을 고려하지 않고 있으며, 사용 재료의 단위량은 일반콘크리트와 같이 시행착오법으로 결정하고 있다. 이에 본 연구에서는 고성능콘크리트의 배합 설계에 최대 밀도 이론을 도입하여 사용 골재의 공극이 최소가 되는 최적 잔골재율 산정으로 배합 설계 시 시행착오를 줄이고, 강도를 고려한 최소 단위 결합재량의 결정으로 강도와 유동성을 동시에 만족할 수 있는 합리적이며 간편한 고성능콘크리트의 배합 설계법을 제안하고자 하였다. 연구 결과 본 연구에서 제안된 배합 설계법은 최소 공극을 갖는 최적 잔골재율 사용과 최소 단위 결합재량 이상의 결합재를 사용함으로써 시행착오를 줄일 수 있어 자기충전성을 갖는 고성능콘크리트를 간편하게 제조할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years the field application of high performance concrete has been increased to improve the quality and reliability of concrete structures. The mix design of the high performance concrete includes the 2 set-off mixture theory of mortar and coarse aggregate and that of paste and aggregate. The 2 set-off mixture theory of mortar and coarse aggregate has a problem of having to determine its value through repeated experiments in applying the rheological characteristics of mortar. The 2 set-off mixture theory of paste and aggregate has never been applied to high performance concrete since it doesn't take into account the relationship between optimum fine aggregate ratio and unit volume of powder nor does it consider the critical aggregate volume ratio. As the mixture theory of these high performance concretes, unlike that of general concrete, focuses on flowability and charge-ability, it does not consider intensity features in mix design also, the unit quantity of the materials used is determined by trial and error method in the same way as general concrete. This study is designed to reduce the frequency of trial and error by accurately calculating the optimum fine aggregate ratio, which makes it possible to minimize the aperture of aggregate in use by introducing the maximum density theory to the mix design of high performance concrete. Also, it is intended to propose a simple and reasonable mix design for high performance concrete meeting the requirements for both intensity and flowability. The mix design proposed in this study may reduce trial and error and conveniently produce high performance concrete which has self-chargeability by using more than the minimum unit volume of powder and optimum fine aggregate with minimum porosity.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고성능콘크리트의 배합 설계에 최대 밀도 이론을 도입하여 사용 골재의 공극이 최소가 되는 잔골재율 산정으로 배합 설계시 시행 착오를 줄이고자 하였으며, 물-결합재 산정에 있어 강도를 고려하고 최소 단위 결합재량의 결정 등으로 강도와 유동성을 동시에 배합 설계에 고려하여 합리적이며 간편한 고성능콘크리트의 배합 설계법을 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 최대 밀도 이론을 이용하여 고성능콘크리트의 배합 설계시 유동성과 강도 특성을 고려하고, 각 제조 방법에 관계없이 고성능콘크리트를 제조할 수 있는 배합 설계법을 제안하고자 하였다. 제안된 배합 설계 흐름도는 Fig.
또한 이들 고성능콘크리트의 배합 설계 이론은 일반콘크리트와는 달리 유동성 및 중전성에 중점을 두고 있어 배합 설계에서 강도 특성을 고려하지 않고 있으며, 사용 재료의 단위량은 일반콘크리트와 같이 시행착오법으로 결정하고 있다. 이에 본 연구에서는 고성능콘크리트의 배합 설계에 최대 밀도 이론을 도입하여 사용 골재의 공극이 최소가 되는 최적 잔골재율 산정으로 배합 설계 시 시행착오를 줄이고, 강도를 고려한 최소 단위 결합재량의 결정으로 강도와 유동성을 동시에 만족할 수 있는 합리적이며 간편한 고성능콘크리트의 배합 설계법을 제안하고자 하였다. 연구 결과 본 연구에서 제안된 배합 설계법은 최소 공극을 갖는 최적 잔골재율 사용과 쳐소 단위 결합재량 이상의 결합재를 사용함으로써 시행착오를 줄일 수 있어 자기충전성을 갖는 고성능콘크리트를 간편하게 제조할 수 있다.

제안 방법

3과 같은 형상의 V로드 시험 장치로 유하 시간을 측정하였다. V 로드 시험 장치는 유출구에 개폐 장치를 설치하였으며, 시험은 연직으로 세운 로드에 콘크리트를 주입하여 평면으로 한 후, 유출구를 개방하여 콘크리트를 유하시키고 밑면이 보이는 시점을 유하 시간의 종점으로 하여 이 때의 시간을 유하 시간 (儿)으로 하였으며, 상대 유하 속도는 식 (1)로 구하였다.
고성능콘크리트의 유동성 평가를 위해 Fig. 1과 같이 슬럼프플로우 실험과 50 cm 도달 속도를 측정하였으며, 재료 분리 저항성 및 충전성 평가는 Fig. 2와 같은 높이 590 mm, 폭 280 mm인 용기의 중앙부에 이형 철근 D13을 50mm간격으로 3개 배치한 U형 충전 시험 장치로 실험을 실시하였다. 또한 상대 유하 속도는 Fig.
또한 고성능콘크리트의 최적 배합비 도출을 위하여 슬럼프플로우와 충전고차와의 관계, 상대 유하 속도와 충전고차와의 상관 관계를 검토하였다. 이를 위해 단위 결합재량의 변화, 고성능감수제와 증점제량의 변화 등을 통해 유동성과 충전성과의 상관 관계를 도출하였다.
2와 같은 높이 590 mm, 폭 280 mm인 용기의 중앙부에 이형 철근 D13을 50mm간격으로 3개 배치한 U형 충전 시험 장치로 실험을 실시하였다. 또한 상대 유하 속도는 Fig. 3과 같은 형상의 V로드 시험 장치로 유하 시간을 측정하였다. V 로드 시험 장치는 유출구에 개폐 장치를 설치하였으며, 시험은 연직으로 세운 로드에 콘크리트를 주입하여 평면으로 한 후, 유출구를 개방하여 콘크리트를 유하시키고 밑면이 보이는 시점을 유하 시간의 종점으로 하여 이 때의 시간을 유하 시간 (儿)으로 하였으며, 상대 유하 속도는 식 (1)로 구하였다.
배합 후 굳지 않은 콘크리트의 공기량을 비롯한, 슬럼프플로우, 충전성 평가 및 V로드 유하 시험을 실시하였다.
본 실험에서는 고성능콘크리트의 충전성을 만족하는 최소 단위 결합재량을 결정하기 위하여 잔골재율 41%에서 슬럼프플로우 650±50 mm로 고정하고, 단위 결합재량을 450, 470, 500, 550, 650kg/m3으로 증가시켜 충전성을 만족하는 최소 단위 결합재량을 산정하였다.
상관 관계를 검토하였다. 이를 위해 단위 결합재량의 변화, 고성능감수제와 증점제량의 변화 등을 통해 유동성과 충전성과의 상관 관계를 도출하였다.
1차수를 투입하고 90초간 믹싱하였다. 이후 2차수와 혼화제 및 굵은골재를 투입하여 150초간 믹싱하였다.
콘크리트의 배합은 50 Z 강제식 믹서를 사용하여 시멘트 및 플라이애쉬를 잔골재와 함께 60초간 건비빔을 한 후 1차수를 투입하고 90초간 믹싱하였다. 이후 2차수와 혼화제 및 굵은골재를 투입하여 150초간 믹싱하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 사용한 혼화제로서 폴리칼본산계 고성능감수제와 셀룰로오스계 증점제 및 로진계 공기연행제를 사용하였다. 이들 혼화제의 주성분 및 특성은 Table 3과 같다.
실험에 사용한 시멘트는 A사의 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였으며, 플라이애쉬 (FA)는 분말도 3, 024 cm²/g인 충남 보령산으로 정제한 것을 사용하였다. 또한 쇄석분 (CS)은 경북 고령산으로 분말도 5, 503 cn?/g인 것을 사용하였다.
잔골재 및 굵은골재는 경북 왜관 낙동강사로 굵은골재최대치수는 20mm로 하였다. 이들 사용 골재의 물리적성질을 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

공극률 시험은 KS F 2505「골재의 단위용적질량 및 실적률 시험 방법」에 준하여 잔골재율 변화에 따른 공극률을 측정'2)하였으며, 결정된 잔골재율 (S/a)에 결합재량을 변화시켜 단위질량이 최대인 최소 결합재량을 결정하였다.

성능/효과

1) 본 연구에서 제안된 배합 설계법은 최적 잔골재율사용과 최소 단위 결합재량 이상의 결합재를 사용함으로써 시행착오를 줄여 자기충전성을 갖는 고성능콘크리트를 합리적이며 간편하게 제조할 수 있다.
2) 최대 밀도 이론을 바탕으로 한 고성능콘크리트의 실증 실험 결과 최적 잔골재율 41%인 골재를 사용한 고성능콘크리트의 최소 단위 결합재량은 470kg/m3 이며, 최대 골재 용적으로는 0.657m'/n?이다
3) 물-결합재비 (W/B)의 산정은 물구속비에 의한 산정보다 강도 및 건조수축 등을 고려하여 산정하는 것이 바람직하다.
4) 고성능콘크리트의 배합에 있어서 충전성을 만족하기 위한 슬럼프플로우는 650±50mm, 50mm 플로우 도달 시 간은 약 3~13 sec, V로드 상대 유하 속도는 0.5~ 1.5의 범위가 적정하다.
7) 제조된 콘크리트는 슬럼프플로우 시험을 통해 유동성을 검토하고 만족할 수 없다면 고성능감수제 사용량을 조절한다. 단, 증점제계 고성능콘크리트에서는 물-결합재비 (W/B)로 조절한다.
Fig. 4와 같이 잔골재와 굵은골재를 혼합하여 잔골재율 변화에 따른 공극률 실험 결과 공극률이 가장 작은잔골재율은 41%로 나타났다. 이와 같이 사용 골재가 선정되면 굵은골재와 잔골재를 혼합하여 잔골재율 변화에 따른 단위 용적 질량 실험을 통해 최소 공극을 갖는 잔골재율을 결정하면 된다.
Fig. 7에서 물구속비에 의한 고성능콘크리트의 물-결합재비 산정은 물-결합재비 약 34%를 기준으로 플라이애쉬 치환율이 10%씩 증가할 때마다 물-결합재비가 약 0.2%씩 감소하는 것으로 나타났으며, 쇄석분 치환율이 10%씩 증가할 때마다 약 0.5%씩 물-결합재비가 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 플라이애쉬 및 쇄석분 치환 시 유동성 향상에 따른 것으로 사료된다.
있다.技) 골재의 입도가 적당하면 공극이 작아지므로 골재 입자를 둘러싼 시멘트페이스트량이 적게 들어 단위시멘트량, 단위수량이 일정한 콘크리트에서는 워커빌리티가 좋아진다. Fig.
9는 50 cm 플로우 면적 도달 속도와 충전 고차의 상관 관계를 나타낸 것으로 50 cm 플로우 면적 도달속도가 130cm²/sec 이하에서는 콘크리트의 유동성 부족으로 인한 폐쇄에 의해 충전 고차가 크게 나타난 반면, 충전 고차 50mm 이내의 범위를 만족하는 50 cm 플로우 면적도달 속도는 130~530 cm%ec의 범위에 분포하고 있다. 따라서 고성능콘크리트의 충전성을 만족하는 50 cm 플로우면적 도달 속도는 130~530cm%ec의 범위가 적정 수준인 것으로 사료된다. 이것을 50 cm 플로우 도달 시간으로 나타내면 3.
5이상에서는 콘크리트의 유동성 부족과 점성 증가로 인해충전성이 나빠지게 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 고성능콘크리트의 충전성을 만족하기 위한 상대 유하 속도는 0.5~ 1.5의 수준이 적당할 것으로 사료된다. 그러나 슬럼프플로우 650±50 mm의 범위에서 U형 충전 고차가 50 이내의 범위를 만족한다면 V로드 시험에 의한 상대 유하속도를 만족시킬 수 있다.
실험 결과, 최적 잔골재율 41%에서 결합재량을 변화시켰을 경우 최대 단위 용적 질량은 16%에서 나타났다. 이 값은 콘크리트 제조에 요구되는 최소의 단위 결합재량으로 콘크리트에 요구되는 강도 및 작업 성능 등을 고려하여 사용 결합재량의 증가가 필요하다.
이에 본 연구에서는 고성능콘크리트의 배합 설계에 최대 밀도 이론을 도입하여 사용 골재의 공극이 최소가 되는 최적 잔골재율 산정으로 배합 설계 시 시행착오를 줄이고, 강도를 고려한 최소 단위 결합재량의 결정으로 강도와 유동성을 동시에 만족할 수 있는 합리적이며 간편한 고성능콘크리트의 배합 설계법을 제안하고자 하였다. 연구 결과 본 연구에서 제안된 배합 설계법은 최소 공극을 갖는 최적 잔골재율 사용과 쳐소 단위 결합재량 이상의 결합재를 사용함으로써 시행착오를 줄일 수 있어 자기충전성을 갖는 고성능콘크리트를 간편하게 제조할 수 있다.

후속연구

9) 고성능감수제, 증점제량 및 단위결합재량 등의 조절로도 유동성 및 충전성을 만족시킬 수 없다면 재료의 선정을 다시 실시한다.
그후 고성능콘크리트의 유동성과 재료 분리 저항성을 평가하게 되며, 사용 재료로서 적정 유동성과 재료 분리 저항성을 만족시킬 수 없다면 사용 재료의 재선정이 필요하다. 고성능콘크리트의 유동성 평가는 일반적으로 슬럼프플로우 시험을 통해 결정하고 있으며 슬럼프플로우 600 mm 이상을 기준으로 하고 있다.
따라서 본 연구에서와 같은 잔골재율 산정 방법을 이용한 배합 설계법은 잔골재와 굵은골재가 결정되면 혼합골재의 최소 공극을 갖는 최적 잔골재율을 결정함으로써 잔골재율 산정을 위한 시행착오를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (16)

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이승한, 김희중, 정용욱, '굵은골재 입형 개선이 고성능 콘크리트의 충전 특성에 미치는 영향', 콘크리트학회 논문집, 12권 4호, 2000, pp.103-111
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Larrard, F. D. and BeUoc, A., 'The Influence of Aggregate on the Compressive Strength of Normal and High-Strength Concrete', ACI Materials Journal, 1997, pp.417-426
박칠림, 권영호, '고성능콘크리트의 개발 및 실용화 연구', 콘크리트학회지, 7권 5호, 1995, pp.42-50

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長擺重義, 長龍重義先生環歷記念最終講義と硏究の步み, 技報堂出版(日本), 1997, pp.5-40
村田二郞, 岩崎訓明, 兒玉和己, コンクリ-トの科學と技術, 山海堂(日本), 1996, pp.73-94
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한국산업규격 (KS), KS F 2505 골재의 단위용적 칠량 및 실적률 시험 방법, 2002, pp.1-5
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田澤榮一, '自已收縮冊究委員會報告', コンクリ-ト工學年次論文報告集, Vol.19, No.1, 1996, pp.1-10
近松龍一, 竹田宣典, 十河茂幸, '超流動コンクリ-トの流動性と分離振抗性にする一考察', コンクリ-ト工學年次論文報告集, Vol.14. No.1, 1992, pp.37-39
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