선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 온도상승속도가 빠르면 최고온도 도달시간을 단축시켜 온도응력에 의한 균열발생 가능성이 증가하게 되며 온도하강속도가 빠르면 시멘트 매트릭스의 빠른 수축으로 인해 외부가 구속됐을 경우에 구속면에서의 균열발생 가능성이 증대된다.14) 이에 본 연구에서는 시험체 별 온도상승속도 및 하강속도를 검토하였다.
- 본 연구는 콘크리트의 수화열에 영향을 미치는 인자 중 혼화재 사용에 의한 영향을 검토하기 위하여 페이스트 실험 및 콘크리트 실험에 대해 각각 Table 1과 같은 실험 인자 및 수준으로서 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 보통포틀랜드시멘트 (이하 OPC), 고로슬래그미분말 (이하 BFS), 플라이애쉬 미분말 (이하 FA)의 단독사용 및 혼합사용 한 페이스트 및 콘크리트의 간이 단열온도상승 실험을 통해 각 시험체 별 최고온도, 최고온도 도달시간, 온도상승속도 및 하강속도 등의 내부온도 특성에 대해 검토하였다. 이를 바탕으로 매스콘크리트 구조물의 수화열 저감 측면에서 3성분계 시멘트 적용의 활성화를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 보통포틀랜드시멘트 (이하 OPC), 고로슬래그미분말 (이하 BFS), 플라이애쉬 미분말 (이하 FA)의 단독사용 및 혼합사용 한 페이스트 및 콘크리트의 간이 단열온도상승 실험을 통해 각 시험체 별 최고온도, 최고온도 도달시간, 온도상승속도 및 하강속도 등의 내부온도 특성에 대해 검토하였다. 이를 바탕으로 매스콘크리트 구조물의 수화열 저감 측면에서 3성분계 시멘트 적용의 활성화를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 3성분계 시멘트 사용에 의한 수화열 저감 효과를 검토하기 위하여 페이스트 및 콘크리트의 간이 단열온도상승 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 2℃/h가 될 때까지의 단위시간당 온도하강량을 온도하강속도로 하였다. 단, 콘크리트 시험체의 온도하강속도는 최고온도부터 측정종료시점까지의 온도하강률이 거의 일정하였으므로 최고온도로부터 측정 종료시점까지의 단위시간당 온도하강량으로 하였다.
- 2와 같이 페이스트 시험체는 4점, 콘크리트 시험체는 9점으로 하였다. 또한 단열재의 접착부분에서의 열손실 및 단열재 자체의 열손실을 검토하기 위하여 접착부분 및 단열재 외부 표면도 측정하였다.
- 1과 같이 제작하였다. 또한, 단열재가 페이스트 및 콘크리트의 수분을 흡수하는 것을 막기 위해 내부면에 폴리에틸렌 필름을 부착하였으며, 단열재의 접착면 틈새는 실리콘으로 처리하였다.
- 시험체의 온도 측정은 데이터로거 (TDS-102, Tokyo Sokki)를 사용하였으며, 측정기간은 5일로 하였고 측정시간 간격은 30분으로 하였다. 측정기간 중 외기온 변화의 영향을 최소화하기 위하여 시험체를 항온항습실 (25 ± 2℃)에 위치시켰다.
- 온도상승속도는 타설 후 수화반응이 활발해지기 전단계인 수화휴지기를 타설 후 온도상승률이 0.8℃/h가 되는 시점까지로 보고 그 이후부터 최고온도에 도달할 때까지의 단위시간당 온도상승량을 온도상승속도로 하였으며, 온도하강속도는 최고온도로부터 온도하강률이 급격히 감소하는 시점인 0.2℃/h가 될 때까지의 단위시간당 온도하강량을 온도하강속도로 하였다. 단, 콘크리트 시험체의 온도하강속도는 최고온도부터 측정종료시점까지의 온도하강률이 거의 일정하였으므로 최고온도로부터 측정 종료시점까지의 단위시간당 온도하강량으로 하였다.
- 이 때 혼화재 중의 BFS 치환율 10% 이하에서 그래프 기울기가 작게 나타나 BFS의 치환율 10% 이하에서는 그 이상의 치환율에 비해 상대적으로 내부온도에 대한 영향도가 떨어짐을 알 수 있다. 이에 BFS와 FA의 치환율이 각각 10~40%인 3성분계 페이스트 시험체의 혼화재 비율변화와 최고온도와의 상관관계를 검토하였다.
- 또한 BFS와 FA의 단독 사용시 수화진행을 위한 알칼리자극제로 Ca(OH)2를 사용하였다. 자극제의 첨가율에 따른 알칼리 슬래그 모르타르의 강도 특성에 관한 기존의 연구13)에서 Ca(OH)2의 첨가율이 9~12% 이상이면 28일 압축강도 증진율이 낮아지는 것으로 나타나 본 연구에서는 BFS의 자극제 첨가율을 10%로 하였으며, FA도 동일하게 하였다.
- 콘크리트 실험은 OPC량을 50%로 고정하고 BFS와 FA의 치환율을 달리하여 결합재 구성 비율을 5개 수준으로 하였으며 물결합재비는 페이스트실험과 동일한 0.4로 하였다.
- 페이스트 배합은 각 결합재별 비중이 다르므로 동일한 체적에 투여되는 결합재의 질량이 다르게 되어 결합재의 질량비로서 비교하였다. 한편, 콘크리트 배합은 혼합수의 양과 결합재량을 고정하고 비중차이에 의한 체적 변화를 골재량으로 조절하였으며 콘크리트 작업성 증진을 위해 폴리카본산계 고성능 AE감수제를 결합재 중량의 1.
- 페이스트 실험에서의 물결합재비는 ASTM C 186-05 「Standard Test Method for Heat of Hydration of Hydraulic Cement」에서 사용된 0.40로 하였고, 3성분계 시멘트에 대해서는 0.35, 0.45의 물결합재비에 대해 추가적으로 실험을 실시하여 물결합재비가 수화열에 끼치는 영향을 검토하였다. 또한 BFS와 FA의 단독 사용시 수화진행을 위한 알칼리자극제로 Ca(OH)2를 사용하였다.
- 페이스트 배합은 각 결합재별 비중이 다르므로 동일한 체적에 투여되는 결합재의 질량이 다르게 되어 결합재의 질량비로서 비교하였다. 한편, 콘크리트 배합은 혼합수의 양과 결합재량을 고정하고 비중차이에 의한 체적 변화를 골재량으로 조절하였으며 콘크리트 작업성 증진을 위해 폴리카본산계 고성능 AE감수제를 결합재 중량의 1.0% 첨가하였다.
대상 데이터
- 결합재로 사용된 OPC, BFS, FA의 화학조성은 Table 2와 같다. OPC는 비중 3.15, 분말도 3,400 cm2/g인 국내 H사의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, BFS는 비중 2.91, 분말도 4,325 cm2/g인 국내산 슬래그미분말을 사용하였다. 또한 FA는 국내산으로 비중 2.
- 단열상자는 KS M 3808 발포 폴리스틸렌 (PS) 단열재의 비드법 1종 단열판 1호 규격으로서 두께 100 mm인 것을 사용하여 페이스트 시험체 100 mm × 100 mm × 100 mm (1l), 콘크리트 시험체 300 mm × 300 mm × 300 mm (27l)의 크기로 Fig. 1과 같이 제작하였다.
- 45의 물결합재비에 대해 추가적으로 실험을 실시하여 물결합재비가 수화열에 끼치는 영향을 검토하였다. 또한 BFS와 FA의 단독 사용시 수화진행을 위한 알칼리자극제로 Ca(OH)2를 사용하였다. 자극제의 첨가율에 따른 알칼리 슬래그 모르타르의 강도 특성에 관한 기존의 연구13)에서 Ca(OH)2의 첨가율이 9~12% 이상이면 28일 압축강도 증진율이 낮아지는 것으로 나타나 본 연구에서는 BFS의 자극제 첨가율을 10%로 하였으며, FA도 동일하게 하였다.
- 순도 95% 이상인 수산화 칼슘 (일본 Jtk)을 알칼리 자극제로 사용하였으며, 그 성상 및 비중은 Table 3과 같다.
- 시험체의 온도측정은 T형 열전대를 사용하였고, 내부 온도측정은 시험체의 대칭성을 고려하여 Fig. 2와 같이 페이스트 시험체는 4점, 콘크리트 시험체는 9점으로 하였다. 또한 단열재의 접착부분에서의 열손실 및 단열재 자체의 열손실을 검토하기 위하여 접착부분 및 단열재 외부 표면도 측정하였다.
- 잔골재는 인천산 세척사, 굵은 골재는 경기 광주산 부순자갈을 사용하였으며 물리적 성질은 Table 4와 같다.
성능/효과
- 1) 페이스트 시험체별 최고온도는 결합재 단독사용시 OPC100 104.5℃, BFS100 36.7℃, FA100 30.3℃로나타났다. 2성분계 시멘트 시험체의 경우, BFS보다 FA의 온도저감 효과가 우수하였으며 혼입률이 클수록 그 효과도 컸다.
- 2) 최고온도 도달시간은 2성분계 페이스트 시험체의 경우 BFS와 FA의 지연효과가 치환율별로 모두 유사하였으나 OPC70BFS30은 약 3시간 정도 빠르게 나타났다. 3성분계 페이스트 시험체의 경우는 2성분계 시험체보다도 효과가 있었으며 물결합재비에 따라서는 0.
- 3℃로나타났다. 2성분계 시멘트 시험체의 경우, BFS보다 FA의 온도저감 효과가 우수하였으며 혼입률이 클수록 그 효과도 컸다. 3성분계 시멘트 시험체의 경우 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록 온도저감 효과가 컸다.
- 40인 페이스트 시험체의 혼화재 비율 변화와 최고온도와의 관계를 나타낸 것이다. 2성분계 시멘트페이스트 실험에서 확인하였듯이 FA는 BFS에 비해 현저히 큰 온도저감 효과가 있으므로 OPC의 비율이 고정된 상태에서 나머지 혼화재 중의 BFS 비율 증가는 온도상승으로 이어졌다. 이 때 혼화재 중의 BFS 치환율 10% 이하에서 그래프 기울기가 작게 나타나 BFS의 치환율 10% 이하에서는 그 이상의 치환율에 비해 상대적으로 내부온도에 대한 영향도가 떨어짐을 알 수 있다.
- 3) 온도상승속도 및 하강속도는 2성분계 페이스트 시험체의 경우 BFS보다 FA에 의한 저감효과가 컸다. 3성분계 페이스트 시험체의 경우 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록, 물결합재비가 클수록 저감효과가 컸다.
- 6의 식과 같은 최고온도 추정식을 도출하였다. 3가지 물결합재비에서 모두 FA/BFS의 증가에 따라 온도가 감소하였으며, 세 가지 온도추정식의 결정계수 값이 모두 0.9 이상으로 물결합재비 0.35~0.45, 혼화재 치환율 BFS10FA40~BFS40FA10에서의 최고온도 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 2성분계 시멘트 시험체의 경우, BFS보다 FA의 온도저감 효과가 우수하였으며 혼입률이 클수록 그 효과도 컸다. 3성분계 시멘트 시험체의 경우 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록 온도저감 효과가 컸다. 한편, 콘크리트 시험체별 최고온도는 3성분계 시멘트 사용의 경우가 OPC100시험체에 비해 약 8~11℃ 정도 저감되었으며 FA량이 많고 BFS량이 작을수록 낮은 온도를 나타냈다.
- 3) 온도상승속도 및 하강속도는 2성분계 페이스트 시험체의 경우 BFS보다 FA에 의한 저감효과가 컸다. 3성분계 페이스트 시험체의 경우 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록, 물결합재비가 클수록 저감효과가 컸다. 콘크리트 시험체의 경우 OPC100 시험체에 대한 3성분계 시멘트 콘크리트 시험체의 저감효과는 매우 크게 나타났으며 결합재비율별로 모두 유사하였다.
- 2) 최고온도 도달시간은 2성분계 페이스트 시험체의 경우 BFS와 FA의 지연효과가 치환율별로 모두 유사하였으나 OPC70BFS30은 약 3시간 정도 빠르게 나타났다. 3성분계 페이스트 시험체의 경우는 2성분계 시험체보다도 효과가 있었으며 물결합재비에 따라서는 0.40, 0.45가 서로 유사하였고 0.35가 다소 빠르게 나타났다. 한편 3성분계 시멘트 콘크리트 시험체의 경우는 OPC100 시험체에 비해 약 12~15시간 정도 지연되었다.
- 4) 3성분계 시멘트페이스트와 콘크리트의 온도특성 비교 결과 두 가지 시험체 모두 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록 낮은 온도를 나타냈으나 콘크리트 시험체에서는 그 차이가 매우 작았다. 이는 콘크리트 용적의 약 70%를 차지하는 골재의 영향으로 페이스트에 비해 현저히 낮은 온도를 나타내 결합재 중 BFS의 반응성이 작아져 결합재 비율에 따른 효과가 작아졌기 때문으로 사료된다.
- BFS 혼입시 수화휴지기는 혼입률에 관계없이 OPC100 시험체와 유사하게 나타나 수화지연효과가 없었으며, FA는 초기수화시 시멘트 중의 C3S의 수화반응을 지연시키는 효과가 있어서 혼입률에 비례하여 수화지연효과가 크게 나타났다.
- OPC100 시험체에 대한 OPC70BFS30 시험체의 최고온도비는 0.97로 온도저감 효과가 매우 작았으며, OPC50BFS50 시험체의 최고온도비는 0.87로 나타났다. 또한, OPC70FA30 시험체의 최고온도비는 0.
- OPC100 시험체의 온도상승속도는 8.94℃/h로 나타났으며 BFS100, FA100 시험체는 OPC100 시험체의 5~7%수준으로 매우 작은 값을 나타냈다. 온도하강속도 또한 OPC100 시험체가 빠르게 나타났으며 BFS100, FA100 시험체는 OPC100 시험체의 3~10% 수준으로 나타났다.
- 각 시험체의 최고온도 도달시간은 OPC100 시험체 보다 3~6시간 정도의 지연효과를 보였다. 이 때, BFS는 치환율에 비례하여 지연되는 경향이 있었으나 FA는 치환율에 관계없이 모두 유사하게 나타났다.
- 84로 나타났다. 결합재 비율별로는 FA 혼입률이 증가하고 BFS 혼입률이 감소할수록 낮은 값을 보여 3성분계 시멘트페이스트 시험체와 같은 경향을 나타냈으나 그 차이는 작았다.
- 5~3시간 정도 지연효과가 있었으며 FA 혼입률이 증가하고 BFS 혼입률이 감소할수록 수화지연효과가 컸다. 또한 물결합재비 0.40과 0.45는 유사한 값을 보였으나 0.35의 경우는 지연효과가 떨어지는 것으로 나타났다.
- 87로 나타났다. 또한, OPC70FA30 시험체의 최고온도비는 0.74, OPC50FA50 시험체의 최고온도비는 0.58로 BFS에 비해 온도저감 효과가 컸다. 이는 BFS의 온도의존성에 기인한 것으로 BFS를 단독으로 사용할 경우에는 낮은 온도를 나타냈지만 OPC와 함께 혼입되어 OPC의 수화열에 의해 BFS의 반응성이 활발해져 고온을 나타낸 것으로 보인다.
- 수화휴지기는 OPC100 시험체에 비해 0.5~3시간 정도 지연효과가 있었으며 FA 혼입률이 증가하고 BFS 혼입률이 감소할수록 수화지연효과가 컸다. 또한 물결합재비 0.
- 온도상승속도는 BFS혼입 시험체가 OPC100 시험체의 44~64% 수준, FA혼입 시험체가 OPC100 시험체의 30~42%수준으로 혼화재의 혼입량이 많을수록 효과가 컸으며 BFS에 비해 FA가 온도상승속도저감에 유리한 것으로 나타났다.
- 온도상승속도는 OPC100 시험체의 26~44% 수준, 온도하강속도는 OPC100 시험체의 37~59% 수준으로 FA 혼입률이 증가하고 BFS의 혼입률이 감소할수록 온도상승 속도 및 하강속도가 저감되는 것으로 나타났다. 이는 FA량 증가로 인한 온도 저하가 온도상승속도 및 하강속도의 저하로 이어진 것으로 보여진다.
- 94℃/h로 나타났으며 BFS100, FA100 시험체는 OPC100 시험체의 5~7%수준으로 매우 작은 값을 나타냈다. 온도하강속도 또한 OPC100 시험체가 빠르게 나타났으며 BFS100, FA100 시험체는 OPC100 시험체의 3~10% 수준으로 나타났다.
- 최고온도 도달시간은 OPC100 시험체가 14시간으로 나타났으나, BFS100과 FA100 시험체는 OPC100에 비해 약 16시간, 12시간 정도 지연되었다. 이러한 결과는 BFS100시험체의 경우 수화를 위해 첨가한 수산화칼슘이 BFS와 반응하는 속도가 OPC의 반응속도 보다 늦기 때문에 최고온도 도달시간이 늦은 것으로 판단된다.
- 최고온도 도달시간은 물결합재비가 0.40인 3성분계 시멘트페이스트 시험체의 경우 22~25시간으로 결합재 비율별로 모두 유사하게 나타났으며, OPC100 시험체에 비해 약 8~11시간 정도 지연되었고 2성분계 시멘트페이스트 시험체 보다도 지연되는 것으로 나타났다. 물결합재비에 따라서는 0.
- 최고온도 도달시간은 약 60~63시간으로 모두 유사하였으며 OPC100 콘크리트 시험체 보다 약 12~15시간 정도 지연되는 것으로 나타났다.
- 최고온도는 OPC100 시험체가 104.5℃로 가장 높게 나타났으며 OPC100 시험체에 대한 BFS100과 FA100 시험체의 최고온도비는 각각 0.35, 0.29로 매우 낮게 나타났다. BFS100 시험체의 온도 상승량이 낮은 것은 수화열에 가장 큰 기여를 하는 시멘트조성 화합물인 C3S, C3A의 함량이 적기 때문으로 보이며, FA100 시험체의 온도 상승량이 가장 낮게 나타난 것은 상온에서 FA의 포졸란 반응이 긴 시간에 걸쳐 계속해서 일어나며 반응률이 낮기 때문이다.
- 최고온도는 OPC100 콘크리트 시험체가 가장 높았으며 OPC100 콘크리트 시험체에 대한 3성분계 시멘트 콘크리트 시험체의 최고온도비는 0.79~0.84로 나타났다. 결합재 비율별로는 FA 혼입률이 증가하고 BFS 혼입률이 감소할수록 낮은 값을 보여 3성분계 시멘트페이스트 시험체와 같은 경향을 나타냈으나 그 차이는 작았다.
- 4인 3성분계 시멘트를 사용한 페이스트 및 콘크리트 시험체의 온도특성은 Table 15와 같다. 페이스트 시험체의 최고온도는 결합재의 비율에 따라 비례적으로 증감하지만 콘크리트 시험체의 최고온도는 페이스트 시험체와 같은 경향을 나타내나 증감의 폭이 매우 작았다. 이는 콘크리트 용적의 약 70%를 차지하고 있는 골재의 영향에 기인한 것으로 페이스트가 단독으로 수화할 경우 주변의 영향 요인은 단열재로의 열관류 및 접착부 틈새에 의한 열손실뿐이지만 콘크리트 중의 페이스트는 단열재를 통한 열손실 이외에 발열성이 없는 골재가 결합재의 수화열을 흡수하기 때문에 페이스트에 비해 상당히 낮은 온도를 나타내어 BFS의 반응성이 떨어져 네 가지 콘크리트 시험체 모두 유사한 값을 나타낸 것으로 보인다.
후속연구
- 단열온도상승실험은 단열상태를 유지하기 위해 시험체 내부의 온도측정과 동시에 시험체 주변을 둘러싼 매질의 온도를 시험체 내부의 온도와 같게 하여 순환시키는 방식으로 열손실이 거의 없어 특정 배합에서의 최대온도 및 온도상승속도를 산출할 수 있다. 반면 간이 단열온도 상승실험은 시험체의 온도가 상승함에 따라 시험체 내외부의 온도차가 발생하게 되고 시험체 외부를 둘러싼 단열재로의 열관류에 의한 열손실이 발생하여 특정 배합에서의 온도 특성치를 알아내기가 어렵지만, 본 실험과 같이 동일한 조건에서의 여러 가지 배합에 대한 비교를 통해 혼화재 사용에 의한 온도특성 검토는 가능할 것으로 사료된다.
- 본 실험을 통해 3성분계 시멘트 사용에 의한 페이스트 및 콘크리트의 내부온도 특성을 검토한 결과, 내부 온도저감 효과, 온도상승속도 및 하강속도 저감 효과가 우수하여 대형 콘크리트 구조물과 같이 온도균열에 주의해야 하는 구조물에 적용할 경우 온도균열 저감에 효과적일 것이라 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.