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문제 정의
- 이 연구에서는 인공 경량굵은골재의 최대크기와 천연 모래 치환율에 따라 굳지 않은 경량골재 콘크리트의 공기량, 유동성 및 블리딩 특성을 평가하였다. 경화된 경량골재 콘크리트의 압축강도 및 역학적 특성들에 대한 실험 결과는 후속 연구에서 발표될 것이다.
제안 방법
- 3에 나타내었다. SEM 분석을 통해 인공 경량골재의 내부에는 다양한 형태의 공극이 존재하고 있음은 알 수 있지만 공극의 크기와 분포를 평가하기 위해 기공률 분석기(porosimeter)를 이용하여 공극의 크기와 분포를 평가하였다. 기공률 분석기는 AutoProe IV 9520를 이용하였으며 수은관입법(mercury-intrusion method)에 의해 실험되었다.
- 이에 이 연구에서는 경량골재 콘크리트의 배합설계를 위한 기초자료를 제시하기 위해 경량굵은골재 최대크기와 천연 모래의 치환율을 주요 변수로하여 15 배합을 실험하였다. 굳지 않은 경량골재 콘크리트에서 슬럼프 로스, 공기량 및 블리딩 특성을 평가하였으며, 이들 실험 결과에 근거하여 경량골재 콘크리트의 공기량 및 블리딩 평가모델을 제시하였다. 또한 굳지 않은 경량골재 콘크리트의 특성에 대한 사용된 인공경량골재의 흡수속도 및 공극구조의 영향을 분석하기 위하여 경량골재의 다양한 특성을 측정하였다.
- 굳지 않은 경량골재 콘크리트의 유동성 손실을 평가하기 위해 배합 직후, 30분, 60분, 90분, 120분에서 슬럼프가 측정되었다. 또한 배합 직후 KS F 242115)과 KS F241415)에 따라 경량골재 콘크리트의 공기량과 블리딩이 측정되었다.
- 굳지 않은 경량골재 콘크리트에서 슬럼프 로스, 공기량 및 블리딩 특성을 평가하였으며, 이들 실험 결과에 근거하여 경량골재 콘크리트의 공기량 및 블리딩 평가모델을 제시하였다. 또한 굳지 않은 경량골재 콘크리트의 특성에 대한 사용된 인공경량골재의 흡수속도 및 공극구조의 영향을 분석하기 위하여 경량골재의 다양한 특성을 측정하였다.
- 배합은 300l용량의 강제식 믹서기를 이용하였다. 배합 방법은 보통중량 및 경량잔골재와 경량굵은골재를 투입하여 건비빔을 1분간 실시하고 시멘트를 투입하여 다시 1분간 건비빔을 실시하였다. 마지막으로 물을 투입하여 약 1분 30초간 배합하였다.
- 침수 후 경량굵은골재는 서늘한 그늘에서 약 4시간정도 자연 건조하여 수분의 이동이 차단된 막에 보관되었다. 보관된 경량굵은골재는 배합 전 흡수율 평가를 거쳐 함수 상태에 따라 단위수량을 보정하였다. 그러나 경량잔골재는 24시간 침수 후 건조 시 골재와 미분 그리고 골재와 골재 사이의 자유수가 많아 표면건조내부포화상태로 유지하는 것이 매우 힘들었다.
- 인공 경량굵은골재의 최대크기는 8~19 mm로 변화되었다. 보통중량 잔골재로 사용된 천연 모래의 치환율은 0, 25, 50, 75 및 100%이며, 전체 잔골재의 용적에 대한 비율로 치환되었다.
- 이에 이 연구에서는 경량골재 콘크리트의 배합설계를 위한 기초자료를 제시하기 위해 경량굵은골재 최대크기와 천연 모래의 치환율을 주요 변수로하여 15 배합을 실험하였다. 굳지 않은 경량골재 콘크리트에서 슬럼프 로스, 공기량 및 블리딩 특성을 평가하였으며, 이들 실험 결과에 근거하여 경량골재 콘크리트의 공기량 및 블리딩 평가모델을 제시하였다.
- 그러나 경량잔골재는 24시간 침수 후 건조 시 골재와 미분 그리고 골재와 골재 사이의 자유수가 많아 표면건조내부포화상태로 유지하는 것이 매우 힘들었다. 인공경량 잔골재의 표면건조내부포화상태를 유지하기 위하여 골재의 기건상태와 표면건조내부포화상태의 함수율을 측정하고 기건상태의 잔골재에 보정된 함수량을 배합 1시간 전에 살포하였다. 이와 같은 방법으로 경량잔골재의 표면건조내부포화상태를 유지할 수 있었다.
대상 데이터
- 배합은 300l용량의 강제식 믹서기를 이용하였다. 배합 방법은 보통중량 및 경량잔골재와 경량굵은골재를 투입하여 건비빔을 1분간 실시하고 시멘트를 투입하여 다시 1분간 건비빔을 실시하였다.
- 시멘트는 밀도 3.15 g/m³, 분말도 3,800 cm2/g의 국내 S사의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 이 실험에서 사용된 인공경량골재는 혈암과 점토를 팽창시켜 제조된 것이다. 사용된 경량골재의 주요 화학적 조성은 Table 1에 나타낸 바와 같이 SiO2가 69.
이론/모형
- 단위수량 (W)은 ACI 21110)에서 제시하는 단위수량의 평균값인 200 kg/m³으로 하였다. 경량굵은골재 양은 ACI 21110)에서 제시하는 용적비 개념을 이용하였는데, 단위용적중량의 55%로 하였다.
- SEM 분석을 통해 인공 경량골재의 내부에는 다양한 형태의 공극이 존재하고 있음은 알 수 있지만 공극의 크기와 분포를 평가하기 위해 기공률 분석기(porosimeter)를 이용하여 공극의 크기와 분포를 평가하였다. 기공률 분석기는 AutoProe IV 9520를 이용하였으며 수은관입법(mercury-intrusion method)에 의해 실험되었다. 측정 결과 SEM에서와 같이 골재의 최대크기가 클수록 내부 공극의 크기가 작았다.
- 단위수량 (W)은 ACI 21110)에서 제시하는 단위수량의 평균값인 200 kg/m³으로 하였다.
- 굳지 않은 경량골재 콘크리트의 유동성 손실을 평가하기 위해 배합 직후, 30분, 60분, 90분, 120분에서 슬럼프가 측정되었다. 또한 배합 직후 KS F 242115)과 KS F241415)에 따라 경량골재 콘크리트의 공기량과 블리딩이 측정되었다. 블리딩은 시간에 따라 측정되었으며 블리딩 수가 유출되지 않은 시점에서 측정을 종료하였다.
- 이 연구의 배합표는 ACI 21110)에 따라 작성되었다. 모든 배합에서 물/시멘트비 (W/C)는 40%이다.
- 1에 나타내었다. 인공 경량골재의 흡수율 실험은 KS F 2529기준15)인 건조법(dry method)을 이용하여 측정하였다. KS F 2529 기준15)은 24시간 이상 침수하여 인공 경량골재의 내부의 수분이 포화된 상태에서 흡수율을 평가하도록 제시하고 있지만 인공 경량골재 내부의 수분을 육안으로는 확인이 불가능하여 많은 연구1-3,5-7)에서 24시간 침수 후 흡수율을 평가하고 있다.
성능/효과
- 1) 사용된 인공 경량골재의 내부는 0.2~2 µm 범위의 다량의 공극을 포함하고 있으며, 이로 인해 30분에서 1시간 사이에서 흡수가 대부분 이루어지고, 1시간 이후 흡수속도는 매우 완만하였다.
- 2) 천연모래 치환율의 증가는 경량골재 콘크리트 초기 슬럼프의 감소를 초래 하였으며, 경량굵은골재 최대크기가 클수록 이러한 현상은 뚜렷하였다. 또한 전경량 콘크리트의 슬럼프는 배합 후 30~60분 사이에서 80%이상 급격히 손실되었다.
- 3) 경량골재 콘크리트의 공기량은 천연모래 치환율의 증가와 함께 선형적으로 감소하였다. 그러나 ACI 211 및 콘크리트 표준시방서의 공기량 예측모델에서는 천연모래 치환율에 대한 영향을 반영하지 않아 실험결과를 과소평가하였는데, 천연모래 치환율이 감소할수록 그 과소평가 정도는 증가하였다.
- 4) 경량골재 콘크리트의 블리딩율은 보통중량 콘크리트의 블리딩율보다 적었다. 특히, 전경량 콘크리트의 블리딩율은 모래경량 콘크리트보다 약 2배 적었으며, 천연 모래 치환율이 증가할수록 블리딩율은 증가하였다.
- 5) 경량골재 콘크리트의 공기량과 블리딩율을 평가하기 위해 경량 굵은골재 최대크기와 천연모래 치환율의 함수로 제시된 경험식들은 실험 결과와 잘 일치하였다.
- 1-6) 또한 경량골재 콘크리트의 열전도율은 보통중량 콘크리트의 1/3수준으로 전체 에너지 소비의 약 36%에 달하는 건축물의 냉 · 난방 에너지를 절약할 수 있다.7) 특히 경량골재 콘크리트의 시공으로 유기단열재의 사용을 줄일 수 있으며, 유기단열재 사용으로 인한 화재 시의 인명피해를 막을 수 있다. 또한 인공 경량골재는 산업부산물을 가공하여 생산하기 때문에 자원의 낭비를 줄이며 천연골재를 대체하여 자연파괴를 최소화 할 수 있다.
- 9에 나타내었다. 경량골재 콘크리트의 전체 블리딩량은 0.06~0.21 cm3/cm2 범위를 보였으며, 경량굵은골재 최대크기가 작을수록 큰 것으로 나타났다. 경량굵은골재 최대크기가 8 mm인 배합의 전체 블리딩량은 0.
- 경량굵은골재 최대크기와 함께 천연 모래 치환율의 영향을 고려한 이 제안식은 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 ACI 21110) 또는 콘크리트 표준시방서9)에 의한 예측값보다 실험 결과와 잘 일치하였다.
- 3에 나타내었다. 경량굵은골재의 공극량은 공극율이 클수록 크게 나타났다. 공극율이 가장 큰 13 mm 경량굵은골재의 공극량은 4,201 ml·mm/g으로 8 mm와 19 mm보다 각각 2.
- 공극율이 가장 큰 13 mm 경량굵은골재의 공극량은 4,201 ml·mm/g으로 8 mm와 19 mm보다 각각 2.5배와 1.8배 높았다.
- 3) 경량골재 콘크리트의 공기량은 천연모래 치환율의 증가와 함께 선형적으로 감소하였다. 그러나 ACI 211 및 콘크리트 표준시방서의 공기량 예측모델에서는 천연모래 치환율에 대한 영향을 반영하지 않아 실험결과를 과소평가하였는데, 천연모래 치환율이 감소할수록 그 과소평가 정도는 증가하였다.
- 48배 컸다. 또한 경량골재 콘크리트의 블리딩은 천연 모래 치환율이 증가할수록 크게 증가하였다. 이는 단위 경량잔골재량의 영향으로 배합 60분 이후에 경량잔골재의 수분흡수에 따라 전체 블리딩 량이 감소한 것이다.
- 30과 800 kg/m³으로, 인공 경량굵은골재의 비중 및 단위용적중량에 비해 높았다. 또한 인공 경량잔골재의 공극율은 30%로 인공 경량굵은골재의 공극율인 26~30%보다 높았다. 천연 모래의 단위용적중량은 1,380 kg/m³으로 인공경량골재의 1.
- 대부분의 경량골재 콘크리트는 배합 후 60분까지 슬럼프가 거의 선형적으로 급격하게 감소하지만 60분 이후부터 슬럼프 감소기울기는 완만하였다. 또한 전경량 콘크리트에서는 슬럼프 감소율이 80% 이상 증가하는 구간이 나타났다. 이구간은 경량굵은골재 최대크기가 8 mm에서는 60~90분 사이에, 경량굵은골재 최대크기가 13 mm와 19 mm에서는 30~60분 사이에 각각 나타났다.
- 모래경량 콘크리트에서 공기량은 2.9~3.7%로 ACI 21110) 및 콘크리트표준시방서9)의 예측값과 비슷한 범위에 있었지만, 전경량 콘크리트에서는 5.6~6.5%로 ACI 21110) 및 콘크리트표준시방서9)의 예측값보다 1.3~2배정도 크게 나타났다.
- 그러나 Zhang and Gjørv3)은 인공 경량골재의 수분흡수는 24시간 침수 후에도 지속적으로 일어남을 보였다. 이에 이 연구에서는 인공 경량골재의 내부공극에 수분흡수가 끝날 때까지 측정하여 14일 이후 수분흡수가 일어나지 않음을 확인하였다. 인공 경량골재의 초기 30분 흡수율은 9.
- 천연 모래의 단위용적중량은 1,380 kg/m³으로 인공경량골재의 1.7~2배가량 높았다.
- 최대크기 8 mm인 인공 경량굵은골재는 2 µm 크기의 공극이 가장 많았으며, 최대크기 13 mm 인공 경량굵은골재에서는 2 µm와 0.2 µm 크기의 공극이 많이 분포하였다.
- 기공률 분석기는 AutoProe IV 9520를 이용하였으며 수은관입법(mercury-intrusion method)에 의해 실험되었다. 측정 결과 SEM에서와 같이 골재의 최대크기가 클수록 내부 공극의 크기가 작았다. 최대크기 8 mm인 인공 경량굵은골재는 2 µm 크기의 공극이 가장 많았으며, 최대크기 13 mm 인공 경량굵은골재에서는 2 µm와 0.
- 인공 경량골재의 막(shell)은 내부보다 치밀하게 형성되어 있었다. 특히 최대크기 8 mm 인공 경량굵은골재의 막은 공극없이 치밀하였으며, 최대크기 13 mm와 19 mm 인공 경량굵은골재의 막은 약간의 공극을 확인할 수 있었다. 또한 인공 경량골재의 외부 표면에서도 팽창 시 발생한 균열을 찾을 수 있었다.
- 4) 경량골재 콘크리트의 블리딩율은 보통중량 콘크리트의 블리딩율보다 적었다. 특히, 전경량 콘크리트의 블리딩율은 모래경량 콘크리트보다 약 2배 적었으며, 천연 모래 치환율이 증가할수록 블리딩율은 증가하였다.
- 또한 인공 경량골재의 외부 표면에서도 팽창 시 발생한 균열을 찾을 수 있었다. 표면의 균열은 경량골재의 크기가 클수록 뚜렷하게 나타났으며, 균열의 폭도 크게 나타났다.
- 1에 나타낸바와 같이 시간의 경과와 함께 수분을 지속적으로 흡수하기 때문이다. 한편 경량잔골재도 경량골재 콘크리트의 슬럼프 손실속도에 영향을 미쳤는데, 천연모래 치환율이 증가할수록 슬럼프손실이 급격하게 발생하였으나 60분 이후 손실속도가 완만하였다. 이는 표면건조내부포화 상태를 유지하기 위해 배합 1시간 전에 프리웨팅한 경량잔골재에서 일부 표면수들의 존재로 초기 슬럼프 손실이 작지만 시간의 경과에 따라 천연 모래에 비해 흡수율이 높은 경량잔골재의 수분흡수가 증가하기 때문이라 판단된다.
후속연구
- 6) 천연모래 치환율을 고려한 경량골재 콘크리트의 공기량과 블리율 예측모델은 향후 경량골재 콘크리트의 배합설계를 위한 입력자료로써 활용될 수 있다.
- 이 연구에서는 인공 경량굵은골재의 최대크기와 천연 모래 치환율에 따라 굳지 않은 경량골재 콘크리트의 공기량, 유동성 및 블리딩 특성을 평가하였다. 경화된 경량골재 콘크리트의 압축강도 및 역학적 특성들에 대한 실험 결과는 후속 연구에서 발표될 것이다. 이 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
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