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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 카본블랙을 혼화재료로 사용하여 굳지 않은 콘크리트의 물성분석과, 경화 콘크리트에서의 강도특성 및 고온으로 가열후의 강도변화, 유해물질의 흡착성능을 비교, 분석함으로써, 콘크리트용 혼화재료로-써의 카본블랙에 대한 활용 가능성 여부를 판단하고자 한다.
- 본 연구에서는 콘크리트에서 발생하는 유해물질의 흡착 및 내열, 내화성이 우수한 콘크리트를 개발하기 위한 방안으로 흡착 및 내열성이 우수한 카본블랙을 콘크리트용 혼화재료로 치환하여 사용함으로써 콘크리트의 제반 특성을 분석하고자한 실험 연구 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 경화콘크리트의 실험에서는 콘크리트 강도시험용 공시체의 제작, 성형, 양생은 KS F 2403에 의하여 실시한 후 콘크리트의 압축강도시험은 KS F 2405, 인장강도는 KS F 2423의 쪼갬 인장강도 시험 방법, 콘크리트의 길이변화는 KS F2424의 시험 방법 내화실험은 표준재령 28일의 공시체를 콘크리트 표준온도 가열곡선에준하여 약 850℃의 온도로 30沮간 가열 후 압축강도를 측정하며, 환경성 평가의 CO, CO2 흡착량 및 포름알데히드 방산량 실험은계획된 재령에 의해 실시토록 한다.
- 같다. 먼저 W/B는 50%로 1수준으로 계획하였으며, 목표슬럼프치 150±25(mm)와 목표공기량 4.5±1.5(%)를 만족하는 Plain을배합 설계한 후 카본블랙 0.5, 1, 2, 5, 8%의 5수준으로 치환하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 재료로서 시멘트는 국내산 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한다. 잔골재는 충북 충주 일원의 강모래를 사용하고, 굵은 골재는 최대치수 2位皿인 부순 골재를 사용하도록 하며, 각 재료의 물리적 성질은 표 3 및 4와 같다.
- 시멘트를 사용한다. 잔골재는 충북 충주 일원의 강모래를 사용하고, 굵은 골재는 최대치수 2位皿인 부순 골재를 사용하도록 하며, 각 재료의 물리적 성질은 표 3 및 4와 같다. 또한, 혼화재료써 사용하고자 하는 카본블랙은 직경 1四이하의 국내 E사 제품을 사용하도록 하며, SEM사진촬영(X I, 000) 및 EDX분석 결과는 사진 1과 그림 1, 표 5와 같다.
이론/모형
- 본 연구의 실험방법으로 굳지 않은 콘크리트는 KS F 2402의콘크리트 슬럼프 실험방법, KS F 2409의 단위용적질량 및 공기량 시험 방법, KS F 2421 압력법에 의한 공기량 실험방법, 블리딩시험은 KS F2414에 의한 실험방법, 응결시간 시험은 KS F 2436에 의거 관입 저항침에 의한 시험 방법으로 실시한다. 경화콘크리트의 실험에서는 콘크리트 강도시험용 공시체의 제작, 성형, 양생은 KS F 2403에 의하여 실시한 후 콘크리트의 압축강도시험은 KS F 2405, 인장강도는 KS F 2423의 쪼갬 인장강도 시험 방법, 콘크리트의 길이변화는 KS F2424의 시험 방법 내화실험은 표준재령 28일의 공시체를 콘크리트 표준온도 가열곡선에준하여 약 850℃의 온도로 30沮간 가열 후 압축강도를 측정하며, 환경성 평가의 CO, CO2 흡착량 및 포름알데히드 방산량 실험은계획된 재령에 의해 실시토록 한다.
성능/효과
- 88(x10-3)정도로 팽창하다 7일 후 기건 양생 재령 14일에는 급격한 건조수축을나타었는데, Plain에서 특히 제일 큰 건조 수축량을 나타내었다. 14일 이후 재령 90일 까지는 다소 완만한 건조 수축량을 나타었고, Plain의 수축량 -107.66(x10-3)정도로 제일 큰 수축량을나타내었으며, 모든 카본블랙 첨가율에서 Plain의 수축량의 약 50%내외로 적은 수축량을 나타내었다.
- 5%, 2%에서는 가열 전 강도 값에 50%내외로 낮은 강도발현을 나타내었으나. 2%이후의 치환율에서는 가열 전 강도 값에 대한 가열후의 강도 발현율이 약 93~98%정도로 매우 양호한 강도발■현을 나타내어 내열 및 내화성능에 대한 저항성이 매우 양호한 경향으로 나타났다
- 56, 90일의 장기재령에서도 치환율이 증가할수록 2.76~ 3.68MP&정도로 Plain보다 높은 인장강도 발현을 나타내었으며, 전체적으로 압축강도에 대한 인장강도의 비는 약 1/7~1/9정도로나타나 일반콘크리트의 1/8~1/13정도의 발현율보다 다소 양호한 인장강도 발현경향을 나타내었다.
- 8%치횐율에서 33.9MPa로 가장 크고, 5%치환율에서 31.7MPa, 2% 치환율에서 31.4MPa의 순으로 양호한 강도 발현을 나타내었다. 카본블랙 0.
- 치환율이 증가 할 수록흡착량도 증가하는 것으로 나타났다. CO2흡착량에서도 모든 카본블랙 치환율에서 Plain보다 흡착성능이 양호한 것으로 나타났다. 포름알데히드 방산량에서도 전반적으로 재령이 경과 할수록 0.
- CO흡착링과 마찬가지로 Plain보다 우수한 CO2 흡착량을 나타내었으며, 치환율 0.5~2% Plain과 비슷하거나 기준치 보다 약 lOOppm정도 소량의 흡착량을 나타내었다 반면 치환율 5%, 8% 에서는 경가시간 5시간까지 431~336ppm으로 기준치보다 161~ 172ppm으로 급격한 흡칙량을 나타내었으며, 경과시간 5시간 후 24시간에는 321~306ppm으로 소량의 흡착량이지만 가장양호한 흡착량을 나타내는데, 카본블랙의 우수한 흡착성 때문으로 판단된다.
- 40mg/m2 . h 정도로 양호한 포름알데히드 방산량을 나타내었으며, Plain보다 73-45%정도 포름알데히드 감소율을 나타내고 있다. 또한 카본블랙 치환율이 증가할수록 포름알데히드 방电량이 적은 것으로 나타났고, 경과시간이 증가할수록 Plain의 포름알데히드 방산량이 0.
- 40mg/m2 . h정도로 양호한 포름알데히드 방산량을 나타내었으며, Plain보다 73~45%정도 포름알데히드 감소율을 나타내었다.
- 나타내었다. 건조수축에 의한 길이변화율은 경과시간 7일 이후 전체적으로 Plain보다 약 50%내외로 적은 수축률을 나타내었고. 질량 변화율은 수중양생 재령 7일까지는 크게 증가하였다가 7일 이후 기중양생시 급격히 감소하는 경향으로 나타났다.
- 나타내었다. 공기량은 카본블랙 치환율이 증가할수록 Plain보다 공기함유량이 감소하는 경향으로 나타났다.
- 공기함유량에서는 슬럼프와 마찬가지로 Plain 보다 카본블랙치환율이 증가할수록 공기량은 감소하는 경향으로 나타났는데, 카본블랙 치환율 0.5~2%까지는 5~3.8%로 KS 허용한도 범위를만족하는 양호한 공기량을 나타냈지만, 카본 블랙 치환율 5%이상에서는 2.7~1.8%정도로 다소 적은 공기함유량을 나타내었다. 이는 카본블랙의 치환율이 증가할수록 다량 사용된 미립분이 콘크리트 내의 미세공극의 충진효과에 기인된 요인으로 판단된다.
- 관입저항에 의한 응결시간은 전반적으로 Plain에 비하여 카본블랙의 치환율이 증가할수록 초결 및 종결 현상은 빠르게 나타났다
- 내화실험 압축강도는 카본 블랙 치환율 2%이상에서 가열된 강도 값의 93~98%정도로 양호한 강도발현 경향을 나타내었다. 건조수축에 의한 길이변화율은 경과시간 7일 이후 전체적으로 Plain보다 약 50%내외로 적은 수축률을 나타내었고.
- 이는 카본블랙의 치환율이 증가할수록 다량 사용된 미립분이 콘크리트 내의 미세공극의 충진효과에 기인된 요인으로 판단된다. 단위용적질량은 공기랑과는 반대의 경향으로 카본블랙 치환율이 증가할수록 단위용적질량은 증가하는 경향으로 나타났는데, Plain에 비하여 약 40~lllkg/m3정도 증가하는 것으로 나타났다
- 92%정도 큰 폭으로 질량 변화율이 감소 하였으며, 그 후 재령이 경과할수록 질량 변화율의 감소폭이 완만하게 나타났다. 또한 카본블랙 치환율 0.5~2%까지는 Plain보다 질량변화율이 작은 것으로 나타났으며, 치환율 5%, 8%에서는 치환율이 증가할수록 Plain보다 질량 변화율의 감소가 크게 나타났다. 특히, 8%에서 모든 카본블랙 치환율보다 최고 -1.
- h 정도로 양호한 포름알데히드 방산량을 나타내었으며, Plain보다 73-45%정도 포름알데히드 감소율을 나타내고 있다. 또한 카본블랙 치환율이 증가할수록 포름알데히드 방电량이 적은 것으로 나타났고, 경과시간이 증가할수록 Plain의 포름알데히드 방산량이 0.046-0.088mg/m2 . h정도로 큰 증가량을 나타낸 반면, 카본블랙 치환율 2~8%에서는 약 0.
- 먼저 슬럼프는 전반적으로 Plain에 비해 카본블랙 치환율이 증가할수록 슬럼프가 급격히 증가하는 경향으로 나타났는데, 카본블랙 치환율 0.5%에서 1%치환시에는 Plain 에 비해 약 30~35mm로 다소 작은 슬럼프 증가 경향을 나타내었고, 2% 이상의 치환율에서는 약 70~ 120mm로 증가된 유동성을 나타내었다. 이는 카본블랙의 치환율 증가에 따른 카본블랙 미립분의 증대요인으로 콘크리트의 유동성이 증가한 것으로 판단된다.
- 압축강도는 모든 재령에서 카본블랙 치환율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 이는 재령이 경과할수록 카본블랙의 미세입자가 콘크리트 내의 모세공극사이에서 포졸란 반응에 의한 불활성의 물질로 장기재령에서 강도 증진에 기여한 것으로 판단된다.
- 우선 모든 카본블랙 치환율에서 Plain보다 많은 CO를 흡착한것으로 나타났으며, 경과시간 5시간까지는 흡착량기 높은 것으로 나타났다. 또한 치환율 0.
- 유동성의 척도로서 슬럼프 플로우는 전반적으로 Plain에 비해카본블랙 치환율이 증가할수록 슬럼프치가 급격히 증가하는 경향으로 나타났다 이는 미분말이 콘크리트의 유동성에 큰 영향을 미친 것으로 사료된다.
- 이상의 결과를 종합하면, 카본블랙 치환율이 증가할수록 유동성 증가 및 공기량감소를 나타내었지만, 포졸란 반응에 의한 장기강도 증진과 나I화, 내열성 및 유해물질 흡착성능이 양호한 결과로 나타났다. 따라서, 고강도 콘크리트의 배합설계를 고려한 적절한 AE감수제를 사용할 경우 카본블랙이 콘크리트용 혼화재로써 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 인장강도는 압축강도 발현과 마찬가지로 전반적으로 재령이 경과할수록 치환율이 증가할수록 Plain보다 높은 인장강도 발현을 나타내었다. 조기재령에서는 Plain보다 0.
- 장기재령 56일과 90일의 압축강도 역시 카본블랙 치환율이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향으로 나타났는데. 8%치횐율에서 33.
- 전반적으로 Plain에 버同여 카본블랙의 치환율이 증기할수록초결 및 종결 현상은 빠르게 나타났다 먼저 초결현상은 Plain의 6.5시간보다 카본블랙 치환율 8%에서 2시간 빠른 4.5시간 초결이이루어져 제일 빠르게 나타났고, 다음으로 치환율 5%에서 5시간, 치환율 0.5%와 1%에서는 6시간으로 Plain보다 30분 빠르게 나타났으며, 치환율 2%에서는 Plain과 같은 초결시간을 나타내었다. 종결은 Hain의 10.
- 전반적으로 재령 7일의 0.58~1.10%정도로 크게 질량 변화율이 증가하였다가, 기건양생 재령 28일까지 0~-0.92%정도 큰 폭으로 질량 변화율이 감소 하였으며, 그 후 재령이 경과할수록 질량 변화율의 감소폭이 완만하게 나타났다. 또한 카본블랙 치환율 0.
- 전반적으로 치환율이 증가할수록 가열 전의 압축강도에 비해내열 및 내화성능이 높은 것으로 나타났다. 치환율 0.
- 건조수축에 의한 길이변화율은 경과시간 7일 이후 전체적으로 Plain보다 약 50%내외로 적은 수축률을 나타내었고. 질량 변화율은 수중양생 재령 7일까지는 크게 증가하였다가 7일 이후 기중양생시 급격히 감소하는 경향으로 나타났다.
- 양호한 흡착량을 나타내었으며. 치환율이 증가 할 수록흡착량도 증가하는 것으로 나타났다. CO2흡착량에서도 모든 카본블랙 치환율에서 Plain보다 흡착성능이 양호한 것으로 나타났다.
- 4MPa의 순으로 양호한 강도 발현을 나타내었다. 카본블랙 0.5%와 1%치환율에서는 56일 재령의 강도값이 90일 재령 강도 값보다 2.3MPa정도 크게 나타나 재령 증가에 따른 강도 증진과는 반대의 경향으로 나타났다. 재령이 경과할수록 강도 발현이 증진된 요인은 카본블랙의 미세입자가 불활성 물질로 콘크리트 내의 모세공극에서 포졸란 반응에 의해 장기강도 증진에 기여한 것으로 판단된다.
- 카본블랙 치환율 1%까지는 치환율이 증가할수록 블리딩량은증가하는 경향으로 나타내었으며, 0.123~0.132cm3/cm2정도로 Plain 보다 0.018~0.009cm3/cm2 정도 높은 블리딩량을 나타내었다. 또한 카본블랙 치환율 2%~ 8%치환율에서는 0.
- 5~2%까지는 Plain보다 질량변화율이 작은 것으로 나타났으며, 치환율 5%, 8%에서는 치환율이 증가할수록 Plain보다 질량 변화율의 감소가 크게 나타났다. 특히, 8%에서 모든 카본블랙 치환율보다 최고 -1.79%의 가장 큰 질량변화율의 감소를 나타내었는데, 이는 카본블랙의 시멘트의 일부로써 치환하여 사용함에 따른 시멘트의 수화반응에 의한 수화발열을 완화시킨 요인으로 사료된다
- 포졸란 활성도 지수에서는 모든 첨가량에서 기준인 85%이상의높은 포졸란 활성도 지수 값을 나타내어 포졸란 반응 가능성을 나타내었다.
- 포졸란 활성도 평가는 보통 포틀랜드시멘트를 사용할 경우 Plain의 압축강도에 대한 카본블랙 치환율 변화에 따른 압축강도비의 백분율이 85%이상 발현시 포졸란 활성도를 만족한다고 볼수 있는데, 모든 첨가량에서 118~144%정도로 기준의 85%보다높은 포졸란 활성도 지수 값을 나타내어 포졸란 반응 가능성을 일으키는 것으로 나타났으며, 카본블랙 치환율이 증가할수록 포졸란 활성도 지수가 증가하는 것으로 나타났다,
- 환경성 평가 중 CO 흡착량에서는 모든 카본블랙 치환율에서 Plain보다 양호한 흡착량을 나타내었으며. 치환율이 증가 할 수록흡착량도 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서, 고강도 콘크리트의 배합설계를 고려한 적절한 AE감수제를 사용할 경우 카본블랙이 콘크리트용 혼화재로써 사용이 가능할 것으로 판단된다.
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