[논문]분말도 변화를 고려한 미분시멘트 사용 콘크리트의 압축강도증진 해석

한민철

doi:10.5345/jkic.2009.9.4.139

문제 정의

따라서 본 연구에서는 FC를 사용한 콘크리트의 강도 발현해석에 있어 FC 치환률 증가에 따른 분말도 변동이 콘크리트의 강도 발현에 미치는 영향을 분석하기 위하여 기존 등가재령방법에 분말 도의 영향을 고려할 수 있는 겉보기 활성화 에너지 모델을 이용하는 방법으로 FC 치환 콘크리트의 강도발현해석을 실시하고자 한다.
본 연구에서는 입도분급에 의한 미분시멘트(FC)를 사용한 콘크리트의 강도 발현해석에 있어 FC 치환률 증가에 따른 분말도 변동이 콘크리트의 강도발현에 미치는 영향을 분석하기 위하여 기존 등가재령방법에 분말도의 영향을 고려할 수 있는 겉보기 활성화 에너지 모델을 이용하는 방법으로 FC 치환 콘크리트의 강도발현해석을 실시하고자 한다.
이러한 초고층 건축공사에 있어 공기단축의 핵심은 골조콘크리트 공사의 층당 사이클 공기를 절감하는데 있는데, 이를 위해 중점적으로 검토되어야 할 사항이 콘크리트의 조기강도 발현기술을 어떻게 확보하는가에 관한 것이다. 즉, 콘크리트의 조기강도 발현을 통한 거푸집 탈형 가능 시기를 단축하여야만 이로 인해 층당 사이클 공기를 절감시킬 수 있게 된다.

제안 방법

5%를 각각의 실험수준이 모두 만족할 수 있도록 배합 설계하여 총 10배치를 실험 계획하였다. FC 치환률에 따른 분말도는 25% 치환의 경우 4, 214 cnf/g, 50%의 경우 5, 127 crf/g, 75%의 경우 6, 040 crf/g 및 100%의 경우 6, 953 atf/g으로 하였고, 양생온도는 건설공사 현장에서 일반적으로 접하게 되는 저온조건부터 고온조건을 고려하여 5, 20 및 35℃의 3수준으로 결정하였으며, 양생온도별로 종결시간 이후부터 2배되는 재령에서 압축강도를 측정하고 이후는 측정 재령의 배수 간격으로 압축강도를 측^하였다.
또한, 양생온도가 FC를 사용한 콘크리트의 강도발현에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 등가재령 방법을 이용한 강도 발현 해석을 실시한바 있었는데, FC를 치환함에 따라 시멘트의 분말 도가 비례적으로 증가하여 수화반응속도에 영향을 미치게 된다. 그러나 기존의 등가재령방법에서는 겉보기활성화에너지에 영향을 미치는 분말도를 고려하지 못하는 문제가 제기되어 FO 사용이 콘크리트의 강도발현에 미치는 영향을 보다 정확히 평가하지 못하는 문제가 있음을 확인할 수 있었다.
같다. 먼저, 배합사항으로 W/C는 40 및 50%의 2수준과, OPC 및 FC 치환률 0, 25, 50, 75, 100%의 5수준에 대하여, 목표 슬럼프 150±25 mm, 목표 공기량 4.5±1.5%를 각각의 실험수준이 모두 만족할 수 있도록 배합 설계하여 총 10배치를 실험 계획하였다. FC 치환률에 따른 분말도는 25% 치환의 경우 4, 214 cnf/g, 50%의 경우 5, 127 crf/g, 75%의 경우 6, 040 crf/g 및 100%의 경우 6, 953 atf/g으로 하였고, 양생온도는 건설공사 현장에서 일반적으로 접하게 되는 저온조건부터 고온조건을 고려하여 5, 20 및 35℃의 3수준으로 결정하였으며, 양생온도별로 종결시간 이후부터 2배되는 재령에서 압축강도를 측정하고 이후는 측정 재령의 배수 간격으로 압축강도를 측^하였다.
본 연구에서는 FC를 사용한 콘크리트의 분말도를 고려한 등가 재령에 의한 강도발현 해석을 수행하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다
본 연구에서는 위의 식 (3)을 이용히여 FC 치환률 변화에 따른 분말 도의 영향을 고려한 등가재령을 산정한 후 이를 이용하여 강도 증진 해석을 수행하였다.
본 연구의 실험 방법으로 콘크리트의 혼합은 트윈샤프트 믹서를 사용하여 콘크리트를 제조하였고, 공시체의 양생방법은 0 100 x 200 mm 공시체를 양생온도 5℃, 20 ℃ 및 35℃가 유지되도록 공시체 성형 후 1일간 해당온도가 유지되는 챔버에서 기중봉함 양생을 실시하였고, 이후 탈형하여 해당 양생온도가 유지되는 수중 양생조에서 소요재령까지 양생하였다.
이와 연관하여 Schindler는 시멘트의 C或 C₄AF 및 분말 도가 수화반응 속도의 산정에 커다란 영향을 미치며, 이를 토대로 분말도 영향을 고려할 수 있는 겉보기 활성화 에너지(이하 Ea) 산정모델을 제시하여 등가재령 방법에 의한 강도발현 해석결과를 제시하였다. 3)
된다. 콘크리트의 배합과 연관하여는 FC 치환률 증가에 따라 점성증대로 유동성 확보를 위해 단위수링과 SP제량을 증가시켰고 이에 따라 잔골재율도 증가시켰다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 재료로서 먼저, 시멘트는 국내산 A 시멘트 사산 OPC< 사용하였고, FC는 OPC 제조과정 중 발생되는 것을 백 필터로 포집한 국내 A시멘트사산을 사용하였는데, 화학성분 및 구성 광물의 성분비는 기존 OPC와 큰 차이가 없는 것으로 나타났고, 이는 FC의 경우 기존 OPC 생산라인에서 포집한 것으로 기본적인 성분은 OPC와 큰 차이가 없기 때문이며, 단 미분쇄 과정에서 연질인 SO₃성분이 많이 분쇄되어이성분이 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 골재는 국내 日사의 골재를 사용하였으며, SP제는 국내 E사의 고성능 감수제(폴리칼본산계)를 사용하였고, AE제는 국내 E사의 제품을 사용하였다. 각 사용재료의 물리적 성질은 표 3~6 과 같다.

데이터처리

본 연구에서는 Pinto©에 의해 제안된 응결시간을 이용한 Ea 값을 산정한 결과와 분말도를 고려하는 방법에 의한 Ea값을 상호비교하였는데, 표 8은 응결시간을 이용한 Ea값을 나타낸 것이고, 표 9는 분말도를 고려하여 산정한 Ea 값(식(3)이용)을 나타낸 것이며 이를 비교한 것이 그림 3에제시되어 있다.

이론/모형

그리고, 굳지 않은 콘크리트 및 경화 콘크리트의 실험은 KS의 관련 규격에 의거하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서 적용한 강도발현 해석 모델은 식(4)에 제시된 Carino 모델식을 적용하였다.

성능/효과

1) 온도가 수화반응속도에 미치는 영향을 평가할 수 있는 Ea는 응결 시간에 의하여 산정할 경우 FC 치환률 변화에 따라 큰 변동이 없는 것으로 나타났으나, 분말도를 고려하는 모델 식을 이용할 경우 FC 치환률 변화에 따라 분말도가 증가하여 비례적으로 증가하고, 대략 44~56 KJ/mol의 범위로 산정되었다.
2) FC 치환률 변화에 따른 콘크리트의 강도발현을 등가 재령 방법으로 해석한 결과 응결시간에 의한 Ea를 적용한 경우 전반적으로 FC 치환률이 낮은 경우 0.90이상의 양호한 결정계수 값을 갖고 있으나, FC 치환률이 75%이상에서는 정확성이 저하하는 것으로 나타나 FC 치환에 따른 영향인자를추가적으로 교려할 필요성이 제기된다.
3) FC 치환률 변화에 따른 시멘트의 분말도 증가를 수화반응속도에 반영한 Ea식을 이용하여 강도발현 해석을 수행한 결과 예상과 다르게 FC 치환률이 증가함에 따라 상당부분 정확도가 저하하는 것으로 나타났고, 기존의 응결시간에 의한 방법보다도 역시 정확도가 저하함을 알 수 있었다.
그러나 기존의 등가재령방법에서는 겉보기활성화에너지에 영향을 미치는 분말도를 고려하지 못하는 문제가 제기되어 FO 사용이 콘크리트의 강도발현에 미치는 영향을 보다 정확히 평가하지 못하는 문제가 있음을 확인할 수 있었다.2)
먼저, W/C가 감소할수록 압축강도는 증가하는 경향을 나타냈으며, 양생온도에 따라서는 양생온도가 낮아질수록 초기강도는 낮게 나타났으나, 후기재령에서는 고온 양생보다 전체적으로 높은 압축강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
연구결과에 따르면 FC 치환률 변화에 따른 시멘트의 분말도 증가를 수화반응속도에 반영한 겉보기 활성화 에너지(Ea) 식을 이용하여 강도발현 해석을 수행한 결과 예상과 다르게 FC 치환률이 증가함에 따라 상당부분 정확도가 저하하는 것으로 나타났고, 기존의 응결시간에 의한 방법보다도 역시 정확도가 저하함을 알 수 있었다.
전반적으로 응결시간을 이용한 Ea값은 FC 치환률 변화에 따라서 큰 차이를 나타내지 않고, 23~30 KJ/mol정도로 산정되었으나, 분말도를 이용한 Ea값은 FC 치환률이 증가함에 따라 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이는 응결시간에 의한 Ea값 산정에 있어서 분말도는 고려 대상이 되는 변수가 아니기 때문에 FC 치환률에 따른 분말도 변화와 Ea가 독립적인 것으로 판단되나, 분말도 변화에 의한 Ea값 산정모델에 따르면 분말도와 Ea가 비례적인 관계이기 때문에 분말도가 증가함에 따라 Ea값이 증가하는 것으로 판단된다.
Carino 모델의 실험상수값을 나타낸 것이다. 전반적으로 회귀분석에 의한 결정계수 값이 0.676-0.960 정도로 비교적 높게 나타나 해석 값이 측정값을 양호하게 추정하는 것을 알 수 있었으나, FC 치환률이 증가함에 따라 결정계수값은 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 결국 FC 치환률에 따른 수화반응 속도의 변동을 충분히 평가할 수 없음을 보여주는 것으로 특히 FC 치환률 75% 이상에서는 결정계수 값이。.
즉、OPC 를 사용한 경우도 결정계수가 0.89정도로 나타났고, FC 치환률이증가함에 따라 비례적으로 결정계수 값도 저하하여 FC 100% 치환의 경우 결정계수가 0.439~0.630 정도로 매우 낮게 나타남을 알 수 있었다. 또한, 실험상수 값중 虹값의 변동이 큰 것을 알 수 있는데, 虹은 수화반응 속도를 의미하는 것으로 이는 FC 치환률증가에 따라 Ea값이 비례적으로 증가하고 그에 따라 수화반응 속도의 대폭적인 증가를 가져왔기 때문으로 분석된다.
한편, FC 치환률 변화에 따른 압축강도는 FC 치환률이 증가할수록 초기 압축강도 값이 비례적으로 증가하는 것으로 나타났으나, 재령이 증가하면서 FC 치환률에 따른 강도 증가는 점차로 둔화되는 경향을 나타냈다. 이는 FC의 고분말도로 인해 혼합 수와의 접촉 면적이 증가하여 수화가 촉진되고 조기에 활발한 반응을 일으키지만, 수화 반응에 이용되는 시멘트의 절대량 및 화학적 성분은 OPC와 거의 동일하므로 시멘트 절대량에 따른 수화작용의 총량은 결국 같다고 할 수 있다.

후속연구

금후의 과제로서 분말도의 영향을 보다 합리적으로 고려할 수 있는 Ea 산정모델의 개발을 통해 FC 치환률에 따른 콘크리트의 정확한 강도발현 해석을 수행할 필요가 있을 것으로 사료된다.
따라서, 금후의 연구과제로서 FC 치환률 변화에 따른 분말 도의 영향을 보다 합리적으로 고려하여 콘크리트의 역학적 특성인 강도 발현 해석의 영역까지 적용할 수 있도록 기존 식(3)에 적절한 영향 요인을 주가하는 방법을 통해 Ea 모델식의 개발이 필요할 것으로 사료된다.

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