[논문]공극 내 상대습도, 모세관압력, 표면에너지 변화에 따른 콘크리트 자기수축

이창수; 박종혁

doi:10.4334/jkci.2008.20.2.131

공극 내 상대습도, 모세관압력, 표면에너지 변화에 따른 콘크리트 자기수축
Relation between Autogenous Shrinkage of Concrete and Relative Humidity, Capillary Pressure, Surface Energy in Pore 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.20 no.2, 2008년, pp.131 - 138

이창수 (서울시립대학교 토목공학과) , 박종혁 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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물-결합재비가 낮은 고성능콘크리트의 자기건조에 의한 습도감소와 수축과의 연관성을 파악하기 위하여 물-결합재비 0.3, 0.4의 배합에 대하여 습도와 변형률을 측정하였다. 그 결과 물-결합재비 0.3의 콘크리트 내부 습도 감소는 약 10%, 수축변형률은 약 $320\times10^{-6}$을 나타내었고, 물-결합재비 0.4의 콘크리트의 경우 4%의 습도 감소와 $120\times10^{-6}$ 수축변형률을 나타내었으며 배합에 상관없이 습도와 변형률은 모두 강한 선형성을 보였다. 콘크리트 내부 습도 변화와 수축변형률의 관계를 보다 구체화하기 위하여 콘크리트 내부 공극을 단일 네트워크로 가정하고 확장 메니스커스 생성가정 하에 공극수에서 발생하는 모세관 압력과 수화조직체에서 발생하는 표면에너지 변화를 습도의 함수로 모델링하여 수축의 구동력으로 작용시킨 결과 실험값과 비교적 일치하는 값을 나타내었다. 이를 근거로 물-결합재비가 낮은 고성능 콘크리트에서 자기건조에 의한 습도감소는 20 nm 이하의 소형공극에서 발생함을 파악할 수 있었으며 따라서 자기수축에 대한 제어 방안은 이러한 소형공극에서의 공극수 표면장력과 포화도에 초점을 맞추어야 함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Humidity and strain were estimated for understanding the relation between humidity change by self-desiccation and shrinkage in high-performance concrete with low water binder ratio. Internal humidity change and shrinkage strain were about 10%, 4% and $320\times10^{-6}$, $120\times10^{-6}$ respectively on concrete with water binder ratio 0.3, 0.4 and from the results, humidity change and shrinkage represented the strong linear relation regardless of mixture. For specifying the relation on internal humidity change and autogenous shrinkage strain, shrinkage model was established which is driven by capillary pressure in pore water and surface energy in hydrates on the assumption of a single network and extended meniscus in pore system of concrete. This model and experimental results had a similar tendency so it would be concluded that the internal humidity change by self-desiccation in HPC originated in small pores less than 20 nm, therefore controlling plan on autogenous shrinkage might be focused on surface tension of water and degree of saturation in small pore.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉 공극 내 수분과 수화조직체, 기체가 이루는 3상 구조에서 상호간 에너지 평형을 이루기 위한 상대습도로서 수축을 연관하고 있다. 따라서 본 연구에서는 계면 역학을 이용한 콘크리트 공극 내부의 수분 분포 형상을 설정하여 자기건조에 의한 콘크리트 내부의 상대습도 감소와 변형률의 관계를 파악하고 자기수축 제어 방안에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 외부와의 수분 이동을 차단하고 자기건조에 의한 내부수분 소모와 상대습도 변화에 따른 수축 변형률의 관계를 파악하고자하며 다음과 같이 연구 범위와 내용을 한정하였다. 먼저 자기수축에 따른 습도 감소는 기존 연구에서 약 5~20% 정도로 나타나고 있으므로 이와 같은 습도 상태 하에서의 수분 분포 형상은 모세관 응축에 의한 메니스커스 영역과 고체 표면에 물리적인 흡착수가 결합되어 있는 흡착 영역으로 구성된 확장 메니스커스 영역으로 설정하여 이에 따른 각각의 표면에 너지 변화와 모세관 압력을 수축의 구동력으로 적용하였다^15-18).

가설 설정

2와 같이 공극은 한 개의 단일 네트워크를 구성하고 있으며 콘크리트 공극 분포 형상과 상대 습도에 따라 확장 메니스커스를 이루는 것으로 가정하였다. 따라서 이와 같은 메니스커스 존재 하에서는 공극이 완전 불포화되어 흡착 영역만이 존재하는 경우는 고려되지 않으므로 흡착 방해 영역에서의 분리압력 감소 효과는 연구 범위에서 제외하였으며, 기존 연구에서의 분리 압력 감소 효과는 습도 80% 이하에서 발현되는 것으로 보고되고 있으므로 본 연구에서 설정된 가정 사항은 타당성을 지닐 것으로 판단된다^19,20).
1과 같이 고체-액체-기체의 3상구조로 이루어져 있으며 고체는 골재, 수화조직체를 형성하고, 액체, 기체는 공극을 구성하는 것으로 가정한다. 이와 같이 가정하여 시멘트 수화와 자기건조가 이루어져 공극 내 메니스커스가 형성될 경우 발생하는 수축구동력은 기체-액체 경계면 압력의 차이로 인한 모세관압력과 흡착 영역 표면에너지 변화로 인한 표면장력으로 구성된다. 먼저 모세관압력은 식 (1)과 같이 액체-기체 간 평형 에너지를 이루기 위한 조건으로서 Kelvin's 식으로 표현된다.
먼저 자기수축에 따른 습도 감소는 기존 연구에서 약 5~20% 정도로 나타나고 있으므로 이와 같은 습도 상태 하에서의 수분 분포 형상은 모세관 응축에 의한 메니스커스 영역과 고체 표면에 물리적인 흡착수가 결합되어 있는 흡착 영역으로 구성된 확장 메니스커스 영역으로 설정하여 이에 따른 각각의 표면에 너지 변화와 모세관 압력을 수축의 구동력으로 적용하였다^15-18). 즉, Fig. 2와 같이 공극은 한 개의 단일 네트워크를 구성하고 있으며 콘크리트 공극 분포 형상과 상대 습도에 따라 확장 메니스커스를 이루는 것으로 가정하였다. 따라서 이와 같은 메니스커스 존재 하에서는 공극이 완전 불포화되어 흡착 영역만이 존재하는 경우는 고려되지 않으므로 흡착 방해 영역에서의 분리압력 감소 효과는 연구 범위에서 제외하였으며, 기존 연구에서의 분리 압력 감소 효과는 습도 80% 이하에서 발현되는 것으로 보고되고 있으므로 본 연구에서 설정된 가정 사항은 타당성을 지닐 것으로 판단된다^19,20).
콘크리트의 자기건조에 의한 수축을 모델링하기 위하여 콘크리트 내부는 Fig. 1과 같이 고체-액체-기체의 3상구조로 이루어져 있으며 고체는 골재, 수화조직체를 형성하고, 액체, 기체는 공극을 구성하는 것으로 가정한다. 이와 같이 가정하여 시멘트 수화와 자기건조가 이루어져 공극 내 메니스커스가 형성될 경우 발생하는 수축구동력은 기체-액체 경계면 압력의 차이로 인한 모세관압력과 흡착 영역 표면에너지 변화로 인한 표면장력으로 구성된다.

제안 방법

구체적인 실험 방법으로서 공극 특성은 배합별로 φ100 × 200 mm 공시체를 제작하고 각 1, 3, 5, 7, 14, 28일 재령별로 만능시험기를 이용하여 탄성계수 및 압축강도 측정 후아세톤 1일 침지 후 수화 정지된 시편을 수은압입법에 의한 공극률 측정 장치를 이용하여 공극률을 측정하였다.
또한 가정된 단일 공극 네트워크의 포화도를 산정하기 위하여 측정된 상대습도에서 모세관 응축을 발생하기 위한 Kelvin's radius 이하의 공극과 이상의 공극을 구분하여 식 (10)과 같이 포화도를 정의하고 모세관압력과 표면에너지 변화에 의한 수축구동력 적용을 위한 확장 메니스커스 형성 조건으로 적용하였다.
본 연구에서는 외부와의 수분 이동을 차단하고 자기건조에 의한 내부수분 소모와 상대습도 변화에 따른 수축 변형률의 관계를 파악하고자하며 다음과 같이 연구 범위와 내용을 한정하였다. 먼저 자기수축에 따른 습도 감소는 기존 연구에서 약 5~20% 정도로 나타나고 있으므로 이와 같은 습도 상태 하에서의 수분 분포 형상은 모세관 응축에 의한 메니스커스 영역과 고체 표면에 물리적인 흡착수가 결합되어 있는 흡착 영역으로 구성된 확장 메니스커스 영역으로 설정하여 이에 따른 각각의 표면에 너지 변화와 모세관 압력을 수축의 구동력으로 적용하였다^15-18). 즉, Fig.
이와 같이 확장 메니스커스 영역에서의 표면에너지 변화와 모세관압력으로 구성된 콘크리트 내부의 상대습도와 변형률의 관계를 파악하기 위하여 Fig. 3과 같은 수축모델 설정, 탄성계수, 공극분포, 상대습도, 변형률 측정 등의 실험 내용을 수행하였다.
자기건조에 따른 습도와 변형률은 Fig. 4와 같이 100 × 100 × 400 mm 공시체에 습도 측정 센서와 변형률게이지를 매입한 후 테프론 시트와 파라핀으로 밀봉하여 시간에 따른 습도와 변형률을 측정하였다.
자기건조에 의한 콘크리트 내부의 상대습도와 변형률의 관계를 파악하기 위하여 콘크리트의 탄성계수, 공극 분포, 상대습도, 변형률 등을 측정하고, 확장 메니스커스 영역으로 설정한 공극 내 수분 분포 형상에 작용하는 모세관압력과 표면에너지 변화에 의한 수축변형률 모델 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
42 정도로 알려져 있다. 즉, 최소 물-결합 재비 0.42 이하에서는 완전 수화에 필요한 잉여수가 부족하여 미수화 시멘트 입자가 존재하게 되며 실용적인 배합 측면에서 현재 고성능콘크리트에 적용되는 물-결합 재비는 0.30~0.40의 범위를 지니고 있으므로 본 연구에서는 Table 5와 같이 물-결합재비 0.30, 0.40을 설정하였다 25) . 사용된 시멘트는 Table 3과 같은 특성을 지니는 보통포틀랜드시멘트를 적용하였으며, 골재는 Table 4와 같이 최대치수 19 mm 부순돌과 강모래를 사용하였다.
콘크리트 자기건조에 의한 내부의 습도변화와 변형률의 관계를 파악하기 위하여 식 (8)의 구성에 필요한 습도, 탄성계수, 공극률과 변형률 측정 실험을 수행하였다. 기존 수화도 연구에 의하면 외부와의 수분 이동이 차단된 상태에서 시멘트의 완전 수화를 이루기 위한 최소의 물 -결합재비는 0.
한편 CEB-FIP에서는 기본 크리프에 대한 사항이 언급되어있지 않으므로 공칭두께는 건조수축 조건을 가정하여 단면 100 × 100 mm로 설정하고 h = 50 mm로 적용하였으며, 상대습도 조건은 측정된 습도를 적용하여 크리프계수를 산출한 결과, OPC30은 15~17 GPa, OPC40은 16~20 GPa의 범위를 지니는 유효탄성계수 값을 산출하였다.

대상 데이터

40을 설정하였다 25) . 사용된 시멘트는 Table 3과 같은 특성을 지니는 보통포틀랜드시멘트를 적용하였으며, 골재는 Table 4와 같이 최대치수 19 mm 부순돌과 강모래를 사용하였다.

성능/효과

1) 콘크리트 습도와 변형률 측정 결과 재령 28일까지 OPC30의 습도는 약 10% 정도 감소하였고 이에 따른 수축 변형률은 320 × 10 -6 까지 진행되었으며, OPC40 의 경우 4%의 습도감소와 120 × 10 -6 의 수축 변형률을 나타내었다.
2) 내부 습도와 변형률의 관계를 분석한 결과 높은 선형성을 나타내었으며 자기수축의 경우 내부 습도와 변형률만을 고려할 때 W/B비에 상관없이 습도 감소량에 따라 수축이 선형적으로 진행되는 것으로 나타났다.
3) 자기건조에 의한 수축은 물-결합재비가 높고 초기재령일수록 수축 저감제에 의한 공극수 표면장력 감소가 수축 제어에 효과적이며, 물-결합재비가 낮고 장기재령일수록 지속적인 수화잉여수 공급이 수화조직체의 표면에너지 변화를 최소화하여 수축발생을 감소할 수 있을 것으로 생각된다.
4) 물-결합재비가 낮은 콘크리트에서 자기건조에 의한 수축을 제어하기 위해서는 20 nm 이하의 소형공극에서의 공극수 표면장력 감소와 수화잉여수의 공급이 이루어져야 할 것으로 사료된다.
따라서 본 연구의 실험 내용으로서 Kelvin's radius 이상의 공극 내에서의 수분 분포와 포화 정도는 정확히 파악할 수 없으나 각각의 습도 변화에 대응하는 Kelvin's radius 공극은 매우 낮은 포화도와 확장 메니스커스를 이루며 표면에너지 변화와 모세관압력에 의한 수축구동력이 작용하는 것으로 유추할 수 있다.
첫째, 10% 이내의 상대 습도 변화까지는 공극수의 모세관압력에 의한 수축이 표면에너지 변화에 의한 수축보다 크게 작용하지만 이후의변형률은 공극률 크기 감소와 함께 표면에너지 변화에 의한 수축이 보다 우세해지는 것으로 판단된다. 따라서물-결합재비가 높을수록, 초기재령일수록 수축저감제에 의한 공극수 표면장력 감소가 수축 제어에 효과적이며, 물-결합재비가 낮을수록, 장기재령일수록 지속적인 수화 잉여수 공급이 수화조직체의 표면에너지 변화를 최소화 하여 수축발생을 감소할 수 있을 것으로 생각된다. 두번째 해석으로서는 Fig.
15, 16에 나타낸 결과 식 (8)에 의한 모델값과 측정값이 유사한 경향을 나타내었으며 이는 콘크리트 공극 내 상대습도 변화에 따른 두 가지 정보를 나타내는 것으로 해석될 수 있다. 첫째, 10% 이내의 상대 습도 변화까지는 공극수의 모세관압력에 의한 수축이 표면에너지 변화에 의한 수축보다 크게 작용하지만 이후의변형률은 공극률 크기 감소와 함께 표면에너지 변화에 의한 수축이 보다 우세해지는 것으로 판단된다. 따라서물-결합재비가 높을수록, 초기재령일수록 수축저감제에 의한 공극수 표면장력 감소가 수축 제어에 효과적이며, 물-결합재비가 낮을수록, 장기재령일수록 지속적인 수화 잉여수 공급이 수화조직체의 표면에너지 변화를 최소화 하여 수축발생을 감소할 수 있을 것으로 생각된다.

후속연구

42보다 높은 일반콘크리트에서는 동일한 습도 감소가 있더라도 상대적으로 변형률의 크기가 작은 것은 모세관 공극에 존재하는 수화잉여수가 겔공극 내에 지속적인 수분 공급 가능성 측면과 외부로의 수분이동은 비교적 크기가 큰 모세공극 내의 수분이 이동하여 불포화 메니스 커스를 형성하므로 상대적으로 큰 수축 구동력이 발현되지 못하여 수축이 작게 나타나는 것으로 생각될 수 있다. 따라서 W/B가 낮은 콘크리트의 자기수축을 제어하기 위한 방안으로서 제시되고 있는 수축저감제와 내부양생의 방법적 측면에서 수축저감제의 콘크리트 내부 중소형 공극수 특히 겔공극수 표면장력 감소 효과와 지속 여부, 내부양생에 의한 수화수 공급이 겔공극 내부의 수분 분포에 미치는 영향 등이 추후 후행되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물-결합재비가 낮은 고성능콘크리트에서의 자기수축에 대한 제어 방안으로는 무엇이 있는가?	물-결합재비가 낮은 고성능콘크리트에서의 자기수축 연구가 활발히 진행되면서 이에 대한 제어 방안으로 글리콜-에테르 계열의 수축저감제를 이용하여 배합수의 표면 장력을 낮추는 방법과 경량골재, 고흡수성 수지 등의 흡수율이 큰 재료를 사용하여 지속적인 수화잉여수를 공급 하는 내부 양생 방법 등이 제시되고 있다 1-4) . 그러나 이러한 제어 방법들의 효과를 극대화하기 위해서는 먼저 자기수축의 발생 원인과 특성을 파악하는 것이 선행되어 야한다.
	콘크리트내 수분관련 수축 원인은 무엇에 기인하는가?	그러나 이러한 제어 방법들의 효과를 극대화하기 위해서는 먼저 자기수축의 발생 원인과 특성을 파악하는 것이 선행되어 야한다. 이를 위해 기존 연구 결과를 살펴보면 콘크리트내 수분관련 수축 원인은 Table 1과 같이 모세관압력, 표면에너지 변화, 수화조직체 내의 층간수 이동 등에 기인 하고 있는 것으로 알려져 있으며 모두 공극 내 상대습 도에 따른 작용으로 묘사하고 있다. 즉 공극 내 수분과 수화조직체, 기체가 이루는 3상 구조에서 상호간 에너지 평형을 이루기 위한 상대습도로서 수축을 연관하고 있다.
	자기건조에 의한 콘크리트 내부의 상대습도와 변형률의 관계를 파악하기 위하여 콘크리트의 탄성계수, 공극 분포, 상대습도, 변형률 등을 측정하고, 확장 메니스커스 영역으로 설정한 공극 내 수분 분포 형상에 작용하는 모세관압력과 표면에너지 변화에 의한 수축변형률 모델 연구를 수행한 결론은 어떠한가?	1) 콘크리트 습도와 변형률 측정 결과 재령 28일까지 OPC30의 습도는 약 10% 정도 감소하였고 이에 따른 수축 변형률은 320 × 10 -6 까지 진행되었으며, OPC40 의 경우 4%의 습도감소와 120 × 10 -6 의 수축 변형률을 나타내었다. 2) 내부 습도와 변형률의 관계를 분석한 결과 높은 선형성을 나타내었으며 자기수축의 경우 내부 습도와 변형률만을 고려할 때 W/B비에 상관없이 습도 감소량에 따라 수축이 선형적으로 진행되는 것으로 나타났다. 3) 자기건조에 의한 수축은 물-결합재비가 높고 초기재령일수록 수축 저감제에 의한 공극수 표면장력 감소가 수축 제어에 효과적이며, 물-결합재비가 낮고 장기재령일수록 지속적인 수화잉여수 공급이 수화조직체의 표면에너지 변화를 최소화하여 수축발 생을 감소할 수 있을 것으로 생각된다. 4) 물-결합재비가 낮은 콘크리트에서 자기건조에 의한 수축을 제어하기 위해서는 20 nm 이하의 소형공극 에서의 공극수 표면장력 감소와 수화잉여수의 공급이 이루어져야 할 것으로 사료된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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