[논문]혼화재를 조합 사용한 초지연 콘크리트의 응결시간 추정

한민철

doi:10.5345/jkic.2008.8.3.111

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 혼화재의 조합사용에 따른 초지연제 콘크리트의 양생온도별 응결시간 변화를 실험하고, 이의 결과를 토대로 적산온도 방법에 의한 응결시간 예측식을 제안하므로써 혼화재 조합사용에 따른 초지연 콘크리트의 품질관리에 기여하고자 한다.
본 연구에서는 적산온도방법에 의해 혼화재를 조합하여 사용한 초지연 콘크리트의 응결시간을 추정하는 방법을 검토하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

1) 초결 ti에 소요되는 시간은 芻에 도달하는 시간과 같다.
2) 종결 tf에 소요되는 시간은 处에 도달하는 시간과 같다.
가정이 필요하다. 우선, 초결과 종결시점까지의 겉보기 활성화 에너지를 구해야 하는데, 겉보기 활성화 에너지는 초결과 종결의 시점에서도 시멘트 수화 반응에 의한 미세구조가 어느 정도 생성된다고 가정하여 구하게 된다.6)

제안 방법

먼저, 플레인 콘크리트는 W/B 50% 1수준에 대하여 목표슬럼프 150±25 mm, 목표공기량 4.5土L5%를 만족하도록 하였고, 혼화재 치환 및 초지연제 혼입률을 조합한 총 44배치에 대하여 AE감수제 사용량을 변화시켜 배합설계 하였다. 실험사항으로 응결시간 측정은 양생온도 5, 20 및 35℃ 의 3수준에 대하여 측정하도록 실험계획 하였다.
본 연구의 실험 방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 팬 타입 믹서를 사용하여 혼합하였다. 굳지 않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프 플로우는 KS F 2594에 의거 실시하였다.
상기의 조건과 가정하에서 Arrhenius 함수에 의한 초결과 종결시점에서의 겉보기 활성화 에너지를 구할 수 있는데, ASTM C 1074에서 제안하고 있는 방법을 이용하여, ln(kT) 대신 In(l/ti)로 대체하고, 이를 절대온도(T)의 역수와의 함수관계식을 구하고 이를 회귀 분석하여 초결과 종결에서의 겉보기 활성화 에너지를 구하게 된다.
5土L5%를 만족하도록 하였고, 혼화재 치환 및 초지연제 혼입률을 조합한 총 44배치에 대하여 AE감수제 사용량을 변화시켜 배합설계 하였다. 실험사항으로 응결시간 측정은 양생온도 5, 20 및 35℃ 의 3수준에 대하여 측정하도록 실험계획 하였다.
또한, 혼화재로 플라이애시는 분급 정제된 보령 화력산, 고로슬래그 미분말은 국내산을 사용하였다. 혼화제로 AE 감수제는 나프탈렌계를 사용하였으며 , 초지 연제는 본 연구팀에서 개발한 당류계를 사용하였다. 각각의 물리적 성질은 표 2~6과 같다.

대상 데이터

골재를 사용하였다. 또한, 혼화재로 플라이애시는 분급 정제된 보령 화력산, 고로슬래그 미분말은 국내산을 사용하였다. 혼화제로 AE 감수제는 나프탈렌계를 사용하였으며 , 초지 연제는 본 연구팀에서 개발한 당류계를 사용하였다.
본 실험에 사용한 시멘트는 국내산 A사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 잔골재는 충북 청원군 옥산산 강모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 충북 청원군 옥산산 25mm 부순 굵은 골재를 사용하였다. 또한, 혼화재로 플라이애시는 분급 정제된 보령 화력산, 고로슬래그 미분말은 국내산을 사용하였다.

이론/모형

굳지 않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프 플로우는 KS F 2594에 의거 실시하였다. 공기량 및 단위 용적 질량은 KS F 2421 및 2409의 규정에 따라 실시하였고, 응결시간은 KS F 2436의 프록터 관입저항 시험방법에 의거 측정하였다.
사용하여 혼합하였다. 굳지 않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프 플로우는 KS F 2594에 의거 실시하였다. 공기량 및 단위 용적 질량은 KS F 2421 및 2409의 규정에 따라 실시하였고, 응결시간은 KS F 2436의 프록터 관입저항 시험방법에 의거 측정하였다.
본 연구에 적용하고자 하는 적산온도식은 Freisleben-Han sen에 의한 Arrhenius 화학반응속도 식을 이용한 등가재령식 (1) 이다.

성능/효과

1) 혼화재 치환 및 초지연제 혼입률 변화에 따른 양생온도별 응결시간은 초지연제 혼입률이 증가할수록 양생온도가 낮을수록 지연되는 것으로 나타났다.
2) Arrhenius의 함수에 의한 겉보기 활성화 에너지는 배합별로 약간의 차이는 존재하지만 24~35 KJ/mol의 범위로 나타났는데, 이는 일반적인 조건에서의 겉보기 활성화 에너지 값의 범위인 30-50 KJ/mol의 범위보다 작은값으로 나타났다.
3) 혼화재 치환률 및 초지연제 혼입률별 겉보기 활성화 에너지를 등가재령 식에 대입한 결과 양생온도별로 거의 유사한 값으로 나타나 응결시간 예측에 적산온도 개념의 적용이 적합한 방법인 것으로 판단된다.
포틀랜드 시멘트는 비빔 후 수시간 경과 뒤, 응결과정 및 장기재령 등 각기 시간에 따라 수화반응의 패턴이 다르기 때문에 각 시간 단계별로 겉보기 활성화 에너지는 다르고 또한 겉보기 활성화 에너지는 시멘트와 혼화 재료의 특성에 따라 다르게 나타난다고 알려져 있다.3)몇몇 연구자들은 초기재령에서의 겉보기 활성화 에너지는 33.5~47KJ/mol 로 보고하고 있고, 장기재령에서는 10~20 KJ/mol로 보고하고 있으나, 员 ASTM C 1074에서는 혼화재료를 사용하지 않은 1종 시멘트의 경우 40~45KJ/mol로 보고하고 있다. 한편, ASTM C 1074에서는 먼저 3수준의 온도조건에서 양생한 모르터의 응결 및 압축강도를 각 재령별로 측정한 후(종결 시간의 2, 4, 8, 16, 32, 64배 되는 시점)재령의 역수와 강도의 역수를 회귀 분석하여 1차회귀식을 구한 다음, 회귀선의 절편을 기울기로 나누어 반응속도 상수 灯를 구한다.
따라서 적산온도방법이 혼화재 치환 콘크리트의 응결시간 예측에 매우 유효하게 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 실무현장에서 초지 연제와 혼화재를 혼합 사용한 초지연 콘크리트의 응결시간 관리에 그림 3과 식 (5)를 이용할 경우보다 정확한 응결시간 추정이 가능할 것으로 판단된다.
별 응결시간 예측 식을 구한 것이다. 먼저, 플레인 배합에서 응결시간의 경우 혼입률이 작은 범위에서는 작게 나타나지만, 초지연제 혼입률이 증가할수록 여타의 예측식보다 응결 시간 값이 크게 증가하는 것으로 나타났고, FA+BS 10+20 의 경우 초지연제 혼입률이 낮을 경우는 종결시간 값이 크지만 초지연제 혼입률이 증가할수록 응결시간 증가 경향은 가장 적은 것으로 나타났다.
응결시간을 추정한 결과를 나타낸 것이다. 이는 등가 재령 식으로부터 겉보기 활성화 에너지와 양생 온도를 이용하여 계산한 것으로서, 전반적으로 예측된 응결 시간은 초지연제 혼입률이 증가할수록 양생온도가 낮을수록 증가하는 것으로 나타났다.
전반적으로 초지연제 혼입률이 증가할수록 양생온도가 낮을수록 응결시간이 지연되는 것으로 나타났고, 초지연제 무혼입의 경우 혼화재 치환 콘크리트는 치환률이 많아질수록 응결시간은 지연되는 것으로 나타났는데, 플레인 배합의 경우 양생온도 5笆의 경우 종시간은 18시간이 소요되었고, 20笆의 경우 8시간, 35C의 경우 6시간 전후에서 종결이 측정되었다. 이후 초지연제 혼입률이 증가함에 따라 종결시간은 비례적으로 지연되었는데, 5℃ 의 경우 초지연제 혼입률 0.3%에서는 76시간 전후에서 종결이 측정되어 대략 60시간 정도 지연됨을 알 수 있었고, 20℃ 및 35 ℃의 경우 역시 저온 조건보다는 덜하지만 대략 플레인배합의 3~5배정도 종결시간이 지연됨을 확인할 수 있었다.
것이다. 전반적으로 등가재령은 초지연제 혼입률 별로 양생온도에 관계없이 유사한 값을 갖는 것으로 나타났는데, 이는 적산온도의 개념에 부합하는 것으로 응결시간 예측에 적산온도의 적용이 가능한 것으로 판단된다.
양생온도별 종결시간을 나타낸 것이다. 전반적으로 초지연제 혼입률이 증가할수록 양생온도가 낮을수록 응결시간이 지연되는 것으로 나타났고, 초지연제 무혼입의 경우 혼화재 치환 콘크리트는 치환률이 많아질수록 응결시간은 지연되는 것으로 나타났는데, 플레인 배합의 경우 양생온도 5笆의 경우 종시간은 18시간이 소요되었고, 20笆의 경우 8시간, 35C의 경우 6시간 전후에서 종결이 측정되었다. 이후 초지연제 혼입률이 증가함에 따라 종결시간은 비례적으로 지연되었는데, 5℃ 의 경우 초지연제 혼입률 0.
초지연제와 혼화재의 조합사용에 따른 슬럼프 및 공기량은 배합설계를 실시하였음에 따라 모두 목표 슬럼프 150±25mm 및 목표 공기량 4.5土L5%를 만족하는 것으로 나타났다.
한편 초지연제 동일 첨가량에서 FA치환을 제외한 모든 혼화재 치환 콘크리트의 응결시간은 초지연제 혼입률이 소량일때는 플레인 보다 지연되었지만, 초지연제 혼입률이 높아질수록 혼화재를 사용하지 않은 동일조건의 초지연제 혼입 콘크리트에 비하여 1~3시간 정도 단축되는 것으로 나타났다. 이는 초지연제가 혼화재에 흡착되어 응결촉진을 일으켰거나, 혹은 잠재수경성 반응에 초지연제가 소비되어 응결촉진 작용을 일으키는 등 단독 혹은 복합작용일 것으로 사료된다.

후속연구

제안한 바 있다. %, 心 그러나, 그 연구에서는 OPC와 FA의 단독 사용에 의한 결과를 제시하고 있는데, OPC, FA 및 BS 등 3성분계 결합재 사용시 등가재령의 산정에 있어 겉보기 활성화 에너지의 차이가 있어 보다 정확한 예측을 위하여는 이러한 재료의 복합사용에 따른 영향을 고려할 필요가 있다.
4) 본 연구에서는 등가재령을 이용하여 FA 및 BS 그리고 초지연제 혼입률 변화를 복합적으로 고려할 수 있는 콘크리트의 응결시간 예측 모델을 제시하였는데, 예측치는실측치와 매우 양호한 상관성을 갖는 것으로 나타나 실무현장에서 응결시간과 관련하여 보다 합리적인 품질관리가 가능할 것으로 판단된다.

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