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문제 정의
- 본 연구에서는 고가의 실리카퓸의 대체 재료로서 메타카올린의 적용성을 평가하기 위하여 3가지 타입의 기준 배합을 설정하였으며, 이러한 기준배합에 대하여 실리카 퓸과 메타카올린을 단독 또는 혼합하여 사용한 3성분계 또는 4성분계 고강도콘크리트를 제조하였다. 그리하여 고강도콘크리트용 혼화재로서 실리카퓸과 메타카올린을 혼합 사용한 콘크리트의 특성을 분석하여 향후, 현장 적용에 있어서 다성분계 고강도콘크리트에 대한 실용적인 자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구는 고강도콘크리트용 혼화재로서 실리카퓸의 대체재료로 메타카올린의 적용성을 평가하기 위한 것으로, 실리카퓸과 메타카올린을 혼합 사용하여 콘크리트 특성을 분석한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 고가의 실리카퓸의 대체 재료로서 메타카올린의 적용성을 평가하기 위하여 3가지 타입의 기준 배합을 설정하였으며, 이러한 기준배합에 대하여 실리카 퓸과 메타카올린을 단독 또는 혼합하여 사용한 3성분계 또는 4성분계 고강도콘크리트를 제조하였다. 그리하여 고강도콘크리트용 혼화재로서 실리카퓸과 메타카올린을 혼합 사용한 콘크리트의 특성을 분석하여 향후, 현장 적용에 있어서 다성분계 고강도콘크리트에 대한 실용적인 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 각각의 기준배합에 대하여 실리카퓸과 메타카올린을 혼합하여 20%를 대체하였으며, 혼합비율 20% 내에서 각 재료를 5%씩 증감시켜 총 5수준으로 하였다. 굳지 않은 콘크리트에서 목표 슬럼프플로우를 600 ± 100 mm, 목표 공기량은 2.
- 굳지 않은 콘크리트에서 목표 슬럼프플로우를 600 ± 100 mm, 목표 공기량은 2.0 ± 1.0%로 하였다.
- 예비 실험 결과 실리카퓸과 메타카올린을 사용함에 따라 유동성이 크게 변화하여 고성능감수제 사용량을 배합마다 달리 하였다. 또한 응결지연과 재료분리를 우려하여 그 사용량을 2.
- 콘크리트 배합은 설계기준강도 80 MPa, W/B 0.24, s/a 0.44, 단위수량 160 kg/m3이며, 보통포틀랜드시멘트 100%, 고로슬래그 시멘트 2종, 시멘트 80%에 플라이애쉬 20%를 대체한 배합을 각각 기준배합으로 하였다.
- 콘크리트 제조 후, 굳지 않은 상태에서는 슬럼프와 슬럼프플로우, 500 mm 도달시간, 공기량을 측정하였으며, 굳은 후에는 재령 3, 7, 28일의 압축강도와 재령 28일에 초음파속도와 단위용적질량을 측정하였다. Table 4는 콘크리트 세부 시험 항목이다.
대상 데이터
- 슬럼프플로우는 Fig. 2와 같이 OPC, SC와 FA 기준배합에서 각각 740, 585, 655 mm로 측정되었다. 다성분계 고강도콘크리트에서의 유동 특성은 제어가 어려워 혼화제 사용량을 달리 하였는데, 이러한 이유로 인하여 슬럼프플로우 차이가 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 실험 재료는 결합재와 골재, 화학 혼화제를 사용하였으며, 각 재료의 세부적인 내용은 다음과 같다.
- 콘크리트 제조에 사용한 결합재는 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애쉬, 실리카퓸 및 메타카올린이며, 각 재료에 대한 대표적인 특성은 Table 1과 같다.
이론/모형
- 콘크리트 제조 및 시험은 KS방법에 따라 실시하였으며, 고성능감수제가 충분히 분산력을 발휘하도록 총 5분 동안 혼합하여 콘크리트를 제조하였다.
성능/효과
- 1) 실리카퓸과 메타카올린을 사용한 다성분계 배합은 목표 유동성을 만족하기 위해서 고성능감수제의 사용량이 기준배합에 대하여 최대 2.5배가 증가되었다.
- 2) 실리카퓸만 사용한 배합에서는 높은 분말도로 인하여 슬럼프플로우가 낮게 측정되었으나, 메타카올린이 증가함에 따라 슬럼프플로우가 증가하였다.
- 이러한 원인은 유동성 확보를 위해 고성능감수제 사용량을 증가시킨 것에 그 원인이 있는 것으로 판단된다.2)특히 실리카퓸 20% 배합에서는 콘크리트의 점성이 저하되어 유동성도 함께 감소된 것으로 판단되며, 그에 따라서 공기량이 모두 높았다.
- 3) 콘크리트의 공기량은 슬럼프플로우와는 반대로 메타카올린을 사용하지 않은 경우에는 높았으며, 메타카올린 사용량이 증가하면서 공기량도 감소하였다.
- 4) 실리카퓸과 메타카올린을 혼합 사용한 경우, 압축강도는 초기재령에서는 기준배합보다 낮았으나, 재령 28일에는 설계기준강도를 모두 상회하였다.
- 5) 혼화재 사용량 20% 범위 내에서 실리카퓸과 메타카올린을 각각 10%씩 대체하여 혼합사용하는 것이 유동성과 강도측면에서 적절한 것으로 판단된다.
- 메타카올린 사용량 증가에 따라 초음파속도도 증가하여 OPC 계열과 유사하였다. FA 계열에서도 메타카올린 사용량 증가에비례하였으나, 다른 계열과는 달리 메타카올린 사용량 15%에서 가장 높은 값을 보였다.
- FA계열에서는 사용량이 증가되긴 하였으나, 전체적으로 슬럼프플로우 결과와 대비하여 보면, 메타카올린 사용량이 증가되면서 고성능감수제의 사용량이 소폭 감소 하였다. 이러한 원인은 실리카퓸의 분말도가 높아 혼화제와 단위수량이 다량 흡착된 것으로 판단되며, 상대적으로 메타카올린은 실리카퓸 보다는 분말도가 낮은 것에그 원인이 있는 것으로 판단된다.
- 굳은 콘크리트의 초음파 속도는 앞선 압축강도와 유사한 경향이었으며, 이러한 원인 또한 굳지 않은 콘크리트에서의 공기량에 영향을 받은 것으로 판단된다. Fig. 12와 같이, 콘크리트의 공기량과 초음파속도와의 관계에서 압축강도와의 관계와 유사한 반비례관계로 나타났으며, 28일 압축강도보다는 다소 높은 상관관계를 보였다.
- OPC 계열에서는 4.768~4.941 km/sec의 범위로 측정되 었으며, 기준배합에 비하여 실리카퓸 20% 대체한 배합에서는 감소되었다. 그러나 메타카올린 사용량이 점진적 으로 증가되면서 초음파속도도 비례하여 메타카올린 20%에서는 기준배합보다 높게 측정되었다.
- OPC 계열에서는 재령 3일과 7일에 경향이 뚜렷하지는 않았으나, 메타카올린 사용량 증가에 따라 강도비도 크게 증가하는 추세를 보였다. 재령 28일에는 그 경향이 초기재령보다는 더욱 뚜렷하게 나타나, 강도비가 모두 급격하게 상승하였으며, 실리카퓸보다는 메타카올린이 5%이상 사용된 배합에서는 100% 이상으로 발현되었다.
- SC 기준배합에 대하여 실리카퓸 20%을 사용하였을 경우에는 유동성이 부족하여 고성능감수제를 기준배합보다 2배 정도로 증가시켰으나, 470 mm로 매우 낮게 측정되 었으며, 메타카올린이 실리카퓸보다 많아지면서 슬럼프 플로우는 증가하였다.
- 이러한 기준배합에 대하여 실리카퓸과 메타카올린을 혼합하여 대체한 경우, SC 계열에서는 슬럼프가 증가하였고, OPC와 FA 계열에서는 큰 변화가 없었다. SC기준 배합에서는 240 mm로 가장 낮은 값이었으나, 실리카퓸이 감소하고, 메타카올린이 증가함에 따라 슬럼프도 함께 증가하여 메타카올린을 20% 대체한 배합에서는 대체 적으로 모든 계열에서 높았다.
- 5는 슬럼프플로우와 함께 측정한 500 mm 도달시간을 나타낸 것이다. 각 기준배합에서는 FA 배합에서 가장 빠른 시간이었으며, 다음으로 OPC 배합, 그리고 SC 배합이 가장 느린 11.1초로 측정되었다.
- 각각의 계열을 비교하면 OPC 계열에서는 실리카퓸보다는 메타카올린 사용량이 많은 배합에서 강도발현이 우수하였다. 또한 SC 계열에서는 실리카퓸을 단독으로 사용하기 보다는 메타카올린을 함께 사용하는 4성분계 배합이 강도 발현에 가장 유리하였다.
- 실리카퓸과 메타카올린을 사용한 배합에서는 대체적으로 기준 배합보다는 빠른 시간이었으며, FA 계열에서는 F1505배합을 제외하고 모두 측정시간이 빨랐으나, S2000배합은 슬럼프플로우가 500 mm에 도달하지 못하였다. 그리고 OPC, SC 계열에서는 실리카퓸 10%까지는 도달시간이 증가하였으나, 이후 메타카올린 사용량이 증가하면서 500 mm 도달시간도 함께 단축되었다.
- 설계기준강도 80 MPa을 기준으로 모든 배합에서 기준을 상회하였으나, FA 기준배합에서만 설계기준 강도에 미치지 못하였다. 그리고 각 계열에 상관없이 실리카퓸 20% 배합에서는 전체적으로 기준배합과 유사하거나 소폭 저하되었으나, 메타카올린 사용량이 5%씩 증가되면서 지속적으로 압축강도가 증가하였다. FA 계열은 재령 7일과 유사하게 실리카퓸과 메타카올린을 10%씩 혼합할 경우 가장 높은 강도를 보였다.
- 각각의 기준배합에 대하여 실리카퓸 20%를 대체한 배합에서는 2,369~2,374 kg/m3의 값을 보여 거의 유사하였다. 그리고 메타카올린 사용량이 5%씩 증가되면서 평균 23 kg/m3씩 증가하였으며, 메타카올린 20%를 대체한 배합에서는 실리카퓸 20% 배합에 비하여 약 91 kg/m3증가한 평균 2,463 kg/m3으로 다소 높았다. 이는 실험에 사용한 재료 특성 중에서 메타카올린의 밀도가 실리카퓸보다 높고, 굳지 않은 콘크리트의 공기량 차이에 그 원인이 있는 것으로 판단된다.
- SC 계열에서도 메타카올린의 사용량이 증가하면서 모든 재령에서 강도비도 함께 직선적으로 증가하였다. 기준 배합이 OPC보다 높게 측정되어 SC 계열의 강도비는 OPC 계열의 강도비보다 낮았다
- 6은 유동성을 확보하기 위해 투여한 고성능 감수제의 사용량을 나타낸 것이다. 기준배합에서는 고성능감수제가 0.85~1.65%로 사용되었으나, 실리카퓸 20%배합에서는 사용량이 급격하게 증가하였다.
- 0 MPa의 범위로 나타났다. 기준배합에서는 재령 3일과 달리 SC배합에서 압축강도가 가장 높았으며, OPC와 FA계열의 순으로 나타났다.
- 따라서 강도 특성을 종합하여 볼 때는 실리카퓸과 메타카올린을 혼합 사용한 배합의 강도가 높게 측정되었다. 재령 3일에서는 기준배합보다 혼화재를 사용한 배합이 낮았으며, 재령 7일과 28일에는 메타카올린 사용량 10%이상의 배합에서 압축강도가 높았다.
- 각각의 계열을 비교하면 OPC 계열에서는 실리카퓸보다는 메타카올린 사용량이 많은 배합에서 강도발현이 우수하였다. 또한 SC 계열에서는 실리카퓸을 단독으로 사용하기 보다는 메타카올린을 함께 사용하는 4성분계 배합이 강도 발현에 가장 유리하였다. 또한 FA 계열에서도 실리카퓸과 메타카올린 각각 10%의 4성분계 배합이 강도 발현에 유리한 것으로 판단된다.
- 또한 메타카올린 20% 배합에서는 OPC 계열에서 가장 높은 110 MPa로 측정되었다. 따라서 강도 측면에서는 모든 재령에서 실리카퓸보다는 메타카올린 사용량이 많은 배합에서 강도발현이 유리한 것으로 판단된다.
- 7 MPa의 범위로 측정되었으며, 단위 시멘트량의 차이로 인하여 OPC, FA, 그리고 SC 계열의 순으로 강도가 높게 나타났다. 또한 메타카올린 사용량이 증가하면서 전체적으로 압축강도가 비례적으로 증가하는 경향이었다.
- 실리카퓸과 메타카올린을 사용한 배합에서는 3가지 계열에서 강도가 유사하였으며, 전체적으로 메타카올린 사용량이 증가하면서 압축강도가 증가하는 경향이었다. 메타카올린 15%와 20%에서는 기준배합과 유사하거나 높 았으며, FA 계열에서는 실리카퓸과 메타카올린을 각각 10%씩 혼합사용한 배합에서 가장 높게 측정되었다.
- 실리카퓸과 메타카올린을 사용한 배합에서는 3가지 계열에서 강도가 유사하였으며, 전체적으로 메타카올린 사용량이 증가하면서 압축강도가 증가하는 경향이었다. 메타카올린 15%와 20%에서는 기준배합과 유사하거나 높 았으며, FA 계열에서는 실리카퓸과 메타카올린을 각각 10%씩 혼합사용한 배합에서 가장 높게 측정되었다.
- 이상과 같이 본 연구에서는 콘크리트의 압축강도, 단위용적질량, 초음파속도 모두 콘크리트의 공기량에 영향을 받은 것으로 판단되며, 고강도콘크리트에서는 공기량을 제어하는 것이 콘크리트 전체의 품질 특성을 지배하는 가장 중요한 인자인 것으로 나타났다.
- 이상과 같이, 실리카퓸과 메타카올린을 혼합 사용한 콘크리트에서는 기준배합보다 고성능감수제의 사용량이 증가되었으나, 유동성 증진과 강도 발현에는 매우 효과적이었다. 또한 고강도 발현을 목적으로 할 경우 실리카퓸과 메타카올린을 단독보다는 혼합 사용하는 것이 성능개선에 유리할 것으로 판단되며, 메타카올린은 고가의 실리카퓸을 대체하여 고강도콘크리트의 경제적인 혼화재로서 활용이 가능할 것으로 전망된다.
- 전체적으로 실리카퓸과 메타카올린을 혼합사용한 경우에는 기준배합보다 시간이 빨랐으며, 슬럼프플로우 결과와 유사한 결과를 보여 슬럼프플로우가 증가한 경우에는 500 mm에 도달 시간도 감소되었다.
- 10은 각 재령에서의 기준배합에 대한 압축강도비를 나타낸 것이다. 전체적으로 재령이 경과하면서 강도 비가 증가하였으며, 실리카퓸 사용량보다 메타카올린 사용량이 증가하면서 강도비도 증가하였다.
후속연구
- 이상과 같이, 실리카퓸과 메타카올린을 혼합 사용한 콘크리트에서는 기준배합보다 고성능감수제의 사용량이 증가되었으나, 유동성 증진과 강도 발현에는 매우 효과적이었다. 또한 고강도 발현을 목적으로 할 경우 실리카퓸과 메타카올린을 단독보다는 혼합 사용하는 것이 성능개선에 유리할 것으로 판단되며, 메타카올린은 고가의 실리카퓸을 대체하여 고강도콘크리트의 경제적인 혼화재로서 활용이 가능할 것으로 전망된다.
- 재령 3일에서는 기준배합보다 혼화재를 사용한 배합이 낮았으며, 재령 7일과 28일에는 메타카올린 사용량 10%이상의 배합에서 압축강도가 높았다. 이러한 결과를 바탕으로 하면 사용실적이 거의 없는 메타카올린은 실리카 퓸의 대체 재료로서 강도 확보가 가능할 것으로 전망된다.
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