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문제 정의
- 최근 들어서 다양한 신경망이론 또는 다중회귀분석과 같은 이론을 이용하여, 배합특성을 고려한 확산계수예측에 대한 연구가 시도되고 있다(권성준 등, 2007a; 2007b). 그러나 본 연구의 목적은 각각의 배합에서 도출된 공극률과 확산계수를 포함한 내구적 특성값과의 비교가 주목적으로 본 실험에서는 배합에 따른 단순한 비교만 수행되었다.
- 본 절에서는 강도 및 내구특성 실험결과에 따라 변화하는 공극률을 분석하여, 내구성 확보를 위한 공극률을 제안하였다. 비교적 최근에 개발된 수분확산계수에 대해서는 명확한 상대비교 자료가 없으므로, 강도, 염화물 확산계수, 투기성의 실험결과를 이용하여, 공극률을 제안하도록 한다.
- 실험결과(Bassat et al., 1990)에서 투기성이 7~16×10−17 m2일 경우, 압축강도가 40~50 MPa로 조사되었으므로, 대략 10×10−17 m2이하의 투 기계수를 갖는 것을 목표로 하였다.
제안 방법
- 1. 5가지의 서로 다른 물-시멘트비를 가진 시멘트 모르타르를 대상으로 강도를 포함한 내구성 실험을 수행하여 배합 특성과의 비교를 수행하였다. 물-시멘트비가 커질수록, 강도의 감소가 명확히 발생하였으며, 염화물확산계수, 수분 발산량, 투기성, 흡수율, 수분확산계수는 모두 크게 증가하였다.
- 현재까지 국내외 투기계수에 관한 시험방법은 표준화되어 있지 않으며, 각 연구자별로 다양한 방법들이 적용되고 있다(소형석과 소양섭, 2003). 그러나 모든 방법은 기본적으로는 Darcy의 흐름 이론에 기초하고 있는데, 본 연구에서는 내부 직경 7 cm의 실린더에 시험체를 고정하고 밀봉한 뒤, 0.2 MPa의 압축공기를 주입하여 메스실린더를 이용한 수중치환법에 의해 투기량을 측정하였다. 식(4)에서는 투기계수의 산정식을 나타내고 있으며, 실험의 개요 및 현황을 Fig.
- 본 장에서는 각 배합에 따라 도출된 공극률과 3장에서 도출된 내구특성 실험결과와의 관계를 분석하였다. 물-시멘트비는 배합시 설계항목으로서 물리적인 특성을 가지고 있지 못하므로, 공극률의 변화에 따라 변화하는 OPC 모르타르의 내구특성을 분석하였다. Fig.
- 염화물의 확산 역시 공극률에 주로 지배적이므로 공극률이 큰 배합일수록 큰 확산계수를 가지게 된다. 물론 혼화재료를 사용한 콘크리트에 있어서는 염화물 이온의 구속효과가 크게 차이가 나므로(Tang and Nillson, 1993), 확산계수의 차이가 발생할 수 있지만 본 연구는 OPC만을 사용한 배합이므로 일정한 구속능을 가지게 되며, 이에따라 확산계수 및 공극률을 분석할 수 있다. Fig.
- 시멘트계 재료의 공극률 평가를 위해서는 화상분석법, 질소흡착법, 수은압입법(MIP)이 있는데, 일반적으로 수은압입법이 많이 사용되고 있다(김태상 등, 2008). 본 실험에서는 시멘트 모르타르 시편을 분석이 가능하게 작은 조각으로 파쇄한 후, 수화정지를 위하여 아세톤에 침지시켰다. 이후 105의 건조로에서 24시간 동안 건조시킨 후 미세공극을 측정하였다.
- 본 연구에서는 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry) 실험을 통하여 공극률을 분석하였으며, 강도 뿐 아니라, 염화물 확산계수, 투기계수, 수분포화도 등의 내구특성 실험결과와 비교를 수행하였다. 각각의 실험결과는 일반배합특성인 물-시멘트비 뿐 아니라, 공극률과 비교되어 각각의 상관관계가 도출되었다.
- 염화물 확산계수의 평가는 염해에 노출된 RC(Reinforcement Concrete) 구조물의 내구수명 평가에 필수적인 평가항목이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 비정상상태 촉진영동 실험(NT BUILD 492)을 통하여 염화물 확산계수를 도출하였다. 시편은 91일 재령 후 각 물-시멘트비에 따라 2개를 채취한 것이며, 그 평균값을 도출하였다.
- 이후 105의 건조로에서 24시간 동안 건조시킨 후 미세공극을 측정하였다. 본 연구에서는 수중양생후 재령 28일 및 91일에 공극률 평가를 수행하였으며, 기초실험으로 압축강도 평가를 KS F 2405를 참고하여, 28일 및 91일 수중양생후 실험을 수행하였다. Table 3에서는 공극률 측정을 위한 측정장비와 초기조건을 나타내고 있다.
- 본 장에서는 각 배합에 따라 도출된 공극률과 3장에서 도출된 내구특성 실험결과와의 관계를 분석하였다. 물-시멘트비는 배합시 설계항목으로서 물리적인 특성을 가지고 있지 못하므로, 공극률의 변화에 따라 변화하는 OPC 모르타르의 내구특성을 분석하였다.
- 본 절에서는 실험결과를 하나의 그림으로 도시하기 위하여, 각각의 측정값을 물-시멘트비 40%인 경우로 나누어 정규화한 결과를 나타내었다. 이러한 평가는 공극률의 증가정도에 따라 내구특성의 변화정도를 파악할 수 있는 지표가 될 수 있다.
- 본 절에서는 강도 및 내구특성 실험결과에 따라 변화하는 공극률을 분석하여, 내구성 확보를 위한 공극률을 제안하였다. 비교적 최근에 개발된 수분확산계수에 대해서는 명확한 상대비교 자료가 없으므로, 강도, 염화물 확산계수, 투기성의 실험결과를 이용하여, 공극률을 제안하도록 한다. 목표성능을 강도에서는 40 MPa로 설정하였고, 28일 확산계수는 13×10−12 m2/sec를 설정하였다.
- 최근 연구에서는(Naithalath, 2006), 콘크리트 시편의 흡수율 시험결과만을 이용해서도 비교적 쉽게 확산계수를 도출할 수 있는 방법이 제안되었다. 이 논문에서는 Fourier series를 기초로 하여, 수분확산 방정식의 엄밀해로 식(6)을 제안하였다.
- 본 실험에서는 시멘트 모르타르 시편을 분석이 가능하게 작은 조각으로 파쇄한 후, 수화정지를 위하여 아세톤에 침지시켰다. 이후 105의 건조로에서 24시간 동안 건조시킨 후 미세공극을 측정하였다. 본 연구에서는 수중양생후 재령 28일 및 91일에 공극률 평가를 수행하였으며, 기초실험으로 압축강도 평가를 KS F 2405를 참고하여, 28일 및 91일 수중양생후 실험을 수행하였다.
- 해당시편의 수분발산량을 평가하기 위해, 수화가 충분히 진행되었다고 가정한 91일된 정육면체 시편(50×50×50 mm)을 사용하였으며, 일주일간 포화시킨 후 실내상태에서 중량변화를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 일반적인 콘크리트 배합이 아닌, OPC로 제조된 시멘트 모르타르를 사용하였다. 굵은 골재를 사용할 경우, 공극률 시험을 위한 시편채취가 용이하지 않으며, 관련 실험오차가 커질 수 있으므로 시멘트 모르타르를 대상으로 하였다. 물-시멘트비는 40%에서 60%까지 총 5가지의 배합이 사용되었는데, Table 1에서는 시험에 사용된 배합표를 나타내고 있으며, 시멘트 및 골재의 물리적 특성은 Table 2에서 나타내었다.
- 각각의 실험결과는 일반배합특성인 물-시멘트비 뿐 아니라, 공극률과 비교되어 각각의 상관관계가 도출되었다. 본 실험에서는 OPC를 사용한 모르타르를 대상으로 내구성 실험이 수행되었다. 혼화재료를 사용한 콘크리트에 대해서, 공극률과 내구특성에 대한 연구가 향후 수행될 예정이다.
- 본 연구에서는 일반적인 콘크리트 배합이 아닌, OPC로 제조된 시멘트 모르타르를 사용하였다. 굵은 골재를 사용할 경우, 공극률 시험을 위한 시편채취가 용이하지 않으며, 관련 실험오차가 커질 수 있으므로 시멘트 모르타르를 대상으로 하였다.
- 1에 나타내었다. 한편 시험에 사용된 시편의 재령은 수중양생 91일 후를 대상으로 하였다.
데이터처리
- 5), C0는 표면수분농도(kg/ m3), L은 시편의 침투길이(m)를 나타낸다. 본 연구에서는 Table 1에서 제시된 배합인 물-시멘트비 40~60%인 시멘트 모르타르에 대한 흡수율 시험을 KS F2609에 따라 시험하였으며, 이 결과를 기초로 식(6)에서 확산계수 Dm을 회귀분석을 통하여 도출하였다. 흡수율 시험은 큐빅몰드(50×50×50 mm)를 이용해서 1방향으로만 침투를 허용하고 나머지 3면은 파라핀을 이용해 밀봉하여 수행하였는데, Fig.
- 본 연구에서는 비정상상태 촉진영동 실험(NT BUILD 492)을 통하여 염화물 확산계수를 도출하였다. 시편은 91일 재령 후 각 물-시멘트비에 따라 2개를 채취한 것이며, 그 평균값을 도출하였다. Table 4에서는 실험조건 및 실험사진을 나타내었다.
성능/효과
- 2. 공극률은 수중양생기간이 28일에서 91일로 늘어남에 따라, 58~64% 수준으로 감소하였다. 수화반응이 지속적으로 진행됨에 따라 수화물 팽창에 의한 것이며, 이러한 공극특성은 내구특성변화에 중요한 역할을 하게 된다.
- 3. 정규화된 공극률의 변화와 내구특성의 변화를 분석하였는데, 공극률이 45% 증가하는 동안, 강도는 60% 수준으로 감소하였으며, 투기성은 230%, 염화물 확산계수는 210%, 흡수량은 550%, 수분확산계수는 370% 수준으로 각각 증가하였다. 정규화된 내구특성의 변화율은 높은 상관계수를 가지고 선형으로 변화하였다.
- 5에서는 물-시멘트비에 따른 확산계수의 변화를 나타내고 있다. 91일 수중양생후의 시편에 대해서 각 배합당 2개씩 시편을 추출하였으므로 변동성이 크지만, 물-시멘트비의 증가에 따라 뚜렷한 확산계수의 증가를 확인할 수 있다. 본 실험에서 도출된 값은 기존의 실험값에 비하여 약간 작게 평가되었는데, 이는 비교적 긴 양생기간(91일)에 기인한다고 할 수 있다.
- Fig. 10에서 알 수 있듯이, 공극률이 45% 증가하는 동안, 강도는 60% 수준으로 감소하였으며, 투기성은 230%, 염화물 확산계수는 210%, 흡수량은 550%, 수분확산계수는 370% 수준으로 증가하였다. 각각의 내구특성 변화율을 선형으로 회귀분석 할 경우, 높은 상관성을 가지고 있음을 알 수 있다.
- Fig. 11에서 알 수 있듯이, 목표강도, 목표투기계수, 목표 염화물 확산계수에 따른 공극률을 도출하였는데, 강도에 대해서는 28%, 염화물 확산계수에 대해서는 34%, 투기성에 대해서는 37%의 공극률로 평가되었다. 최종적으로 고내구성 콘크리트를 위한 공극률은 28%로 제안할 수 있다.
- 본 연구에서는 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry) 실험을 통하여 공극률을 분석하였으며, 강도 뿐 아니라, 염화물 확산계수, 투기계수, 수분포화도 등의 내구특성 실험결과와 비교를 수행하였다. 각각의 실험결과는 일반배합특성인 물-시멘트비 뿐 아니라, 공극률과 비교되어 각각의 상관관계가 도출되었다. 본 실험에서는 OPC를 사용한 모르타르를 대상으로 내구성 실험이 수행되었다.
- 5가지의 서로 다른 물-시멘트비를 가진 시멘트 모르타르를 대상으로 강도를 포함한 내구성 실험을 수행하여 배합 특성과의 비교를 수행하였다. 물-시멘트비가 커질수록, 강도의 감소가 명확히 발생하였으며, 염화물확산계수, 수분 발산량, 투기성, 흡수율, 수분확산계수는 모두 크게 증가하였다. 공극률이 높은 시편에서는 수분을 보유할 수 있는 공간이 커지고 또 건조과정에서, 수분발산량이 크게 증가하므로 공극률의 변화에 따라 흡수율 및 수분확산계수의 변화는 민감하게 변하고 있음을 알 수 있다.
- 91일 수중양생후의 시편에 대해서 각 배합당 2개씩 시편을 추출하였으므로 변동성이 크지만, 물-시멘트비의 증가에 따라 뚜렷한 확산계수의 증가를 확인할 수 있다. 본 실험에서 도출된 값은 기존의 실험값에 비하여 약간 작게 평가되었는데, 이는 비교적 긴 양생기간(91일)에 기인한다고 할 수 있다. 최근 들어서 다양한 신경망이론 또는 다중회귀분석과 같은 이론을 이용하여, 배합특성을 고려한 확산계수예측에 대한 연구가 시도되고 있다(권성준 등, 2007a; 2007b).
- 11에서 알 수 있듯이, 목표강도, 목표투기계수, 목표 염화물 확산계수에 따른 공극률을 도출하였는데, 강도에 대해서는 28%, 염화물 확산계수에 대해서는 34%, 투기성에 대해서는 37%의 공극률로 평가되었다. 최종적으로 고내구성 콘크리트를 위한 공극률은 28%로 제안할 수 있다. 본 제안은 보통포틀랜트 시멘트로 제조된 모르타르에 대한 것이며, 실내실험결과에 국한된 것이므로, 다양한 배합조건을 가진 콘크리트를 이용한 추가적인 실험이 필요하다.
- 각각의 내구특성 변화율을 선형으로 회귀분석 할 경우, 높은 상관성을 가지고 있음을 알 수 있다. 투기성의 경우에는 상관성이 약간 떨어지지만, 선형회귀분석결과 모두 0.9이상의 높은 상관성을 보이고 있었다. 이와 같이 각각의 내구적 특성은 공극률과 밀접한 관계를 가지고 있었는데, 다수의 실험결과가 추가된다면, 공극률 평가를 통하여 정량적인 내구성 특성값의 변화를 평가할 수 있을 것이다.
- 수분확산계수 역시, 물-시멘트비에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 표면의 수분농도와 수분확산계수는 물-시멘트비가 증가할수록 크게 평가되었는데, 이는 공극률의 증가에 따른 흡수율의 증가가 주원인으로 평가되었다. 실험결과는 3.
후속연구
- 4. 공극률과 내구성능과의 관계를 분석한 연구는 다양한 배합을 가진 실험자료가 확보될 경우, 정량적인 내구특성 평가가 가능하리라고 사료된다. 한편 고내구성 콘크리트를 위해서는 28%이하의 공극률이 요구됨을 알 수 있었다.
- 최종적으로 고내구성 콘크리트를 위한 공극률은 28%로 제안할 수 있다. 본 제안은 보통포틀랜트 시멘트로 제조된 모르타르에 대한 것이며, 실내실험결과에 국한된 것이므로, 다양한 배합조건을 가진 콘크리트를 이용한 추가적인 실험이 필요하다.
- 9이상의 높은 상관성을 보이고 있었다. 이와 같이 각각의 내구적 특성은 공극률과 밀접한 관계를 가지고 있었는데, 다수의 실험결과가 추가된다면, 공극률 평가를 통하여 정량적인 내구성 특성값의 변화를 평가할 수 있을 것이다.
- 본 실험에서는 OPC를 사용한 모르타르를 대상으로 내구성 실험이 수행되었다. 혼화재료를 사용한 콘크리트에 대해서, 공극률과 내구특성에 대한 연구가 향후 수행될 예정이다.
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