이 연구에서는 숏크리트에 적용하기 위한 고분말도 시멘트의 기본 특성을 검토하고자 하였다. 고분말 시멘트의 주요특성을 연구하기 위하여 입도분포, 응결시간, 압축강도를 측정하였으며, SEM 관찰, DSC열분석, X선 회절분석을 실시하였다. 고분말도 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하여 응결시간이 크게 단축되었으며 압축강도가 개선되었다. 기기분석 결과 고분말도 시멘트는 초기수화물이 보다 미세하고 광범위하게 분포하는 것으로 확인되었으며, 이러한 결과는 시멘트의 분말도가 상승함에 따라 시멘트 입자와 물과의 접촉면이 증가하기 때문이다. SEM 관찰, DSC 열분석, X선 회절분석 결과 알루미네이트계 급결제는 칼슘알루미늄 수화물의 생성을 촉진하고, 알칼리프리계 급결제는 에트린자이트와 모노설페이트의 생성을 증진하는 것으로 나타났다. 페이스트 응결시간 측정으로부터 알루미네이트계 급결제와 알칼리프리계 급결제가 응결시간을 단축시키는 것으로 확인되었으며, 고분말도 시멘트는 압축강도가 크게 향상 되는 것으로 나타났다. 특히 알루미네이트계 급결제는 응결시간 단축에 효과적이며, 알칼리프리계 급결제는 7일 이후의 강도증진에 효과적인 것으로 확인되었다.
이 연구에서는 숏크리트에 적용하기 위한 고분말도 시멘트의 기본 특성을 검토하고자 하였다. 고분말 시멘트의 주요특성을 연구하기 위하여 입도분포, 응결시간, 압축강도를 측정하였으며, SEM 관찰, DSC 열분석, X선 회절분석을 실시하였다. 고분말도 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하여 응결시간이 크게 단축되었으며 압축강도가 개선되었다. 기기분석 결과 고분말도 시멘트는 초기수화물이 보다 미세하고 광범위하게 분포하는 것으로 확인되었으며, 이러한 결과는 시멘트의 분말도가 상승함에 따라 시멘트 입자와 물과의 접촉면이 증가하기 때문이다. SEM 관찰, DSC 열분석, X선 회절분석 결과 알루미네이트계 급결제는 칼슘알루미늄 수화물의 생성을 촉진하고, 알칼리프리계 급결제는 에트린자이트와 모노설페이트의 생성을 증진하는 것으로 나타났다. 페이스트 응결시간 측정으로부터 알루미네이트계 급결제와 알칼리프리계 급결제가 응결시간을 단축시키는 것으로 확인되었으며, 고분말도 시멘트는 압축강도가 크게 향상 되는 것으로 나타났다. 특히 알루미네이트계 급결제는 응결시간 단축에 효과적이며, 알칼리프리계 급결제는 7일 이후의 강도증진에 효과적인 것으로 확인되었다.
This study was performed to get basic information about properties of high blaine cement for shotcrete use. Particle size distribution, setting time and compressive strength test, analysis like as SEM, DSC thermal analysis, XRD was carried out to investigate principle properties of high blaine cemen...
This study was performed to get basic information about properties of high blaine cement for shotcrete use. Particle size distribution, setting time and compressive strength test, analysis like as SEM, DSC thermal analysis, XRD was carried out to investigate principle properties of high blaine cement. Setting time of high blaine cement was shorter and compressive strength was higher than those of ordinary portland cement (OPC). Results of analysis showed early hydration products of high blaine cement is smaller and spread widely due to increased specific surface. From the SEM observation and analysis of DSC and XRD results, it was seen that the aluminates accelerators promoted calcium aluminium hydrates while the alkali free accelerators increased ettringite and monosulfates formation. Strength and setting time measurement of cement paste with aluminate accelerator is more effective than the alkali free accelerator in reducing the setting time and increasing early strength while alkali free accelerator is more effective in increasing the strength after 7 days.
This study was performed to get basic information about properties of high blaine cement for shotcrete use. Particle size distribution, setting time and compressive strength test, analysis like as SEM, DSC thermal analysis, XRD was carried out to investigate principle properties of high blaine cement. Setting time of high blaine cement was shorter and compressive strength was higher than those of ordinary portland cement (OPC). Results of analysis showed early hydration products of high blaine cement is smaller and spread widely due to increased specific surface. From the SEM observation and analysis of DSC and XRD results, it was seen that the aluminates accelerators promoted calcium aluminium hydrates while the alkali free accelerators increased ettringite and monosulfates formation. Strength and setting time measurement of cement paste with aluminate accelerator is more effective than the alkali free accelerator in reducing the setting time and increasing early strength while alkali free accelerator is more effective in increasing the strength after 7 days.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 급결제에 초점을 두었던 기존의 연구와는 달리 고분말도 시멘트에 초점을 맞추어 연구를 진행하고자 하였다. 실내조건에서 OPC를 출발재료로 볼 밀(ball mill)을 사용하여 제조한 2종의 고분말도 시멘트에 알루미네이트계 및 알칼리프리계 급결제를 적용하여, 고분말도 시멘트를 숏크리트용 특수 시멘트로 사용하는 방안을 검토하기 위한 기초정보를 얻고자 하였다.
따라서 이 연구에서는 급결제에 초점을 두었던 기존의 연구와는 달리 고분말도 시멘트에 초점을 맞추어 연구를 진행하고자 하였다. 실내조건에서 OPC를 출발재료로 볼 밀(ball mill)을 사용하여 제조한 2종의 고분말도 시멘트에 알루미네이트계 및 알칼리프리계 급결제를 적용하여, 고분말도 시멘트를 숏크리트용 특수 시멘트로 사용하는 방안을 검토하기 위한 기초정보를 얻고자 하였다. 이를 위하여 OPC 및 고분말도 시멘트를 대상으로 입도분석, 페이스트, 모르타르 및 콘크리트 특성(응결, 압축강도), 분말도 및 급결제(종류, 사용량)가 시멘트의 수화반응에 미치는 영향을 검토하였다.
이 연구에서는 고분말도 시멘트를 숏크리트용 특수 시멘트로 사용하는 방안을 검토하기 위한 기본정보를 얻기 위하여, 일반 시멘트와 고분말도 시멘트의 기본특성 비교(입도분포, 응결시간, 모르타르 압축강도 비교), 알루미네이트계 및 알칼리프리계 급결제를 적용한 특성 비교(페이스트 응결, 모르타르 압축강도 비교, 콘크리트 강도 비교), 분말도 및 급결제가 시멘트의 수화반응에 미치는 영향 비교를 위한 기기분석(X선 회절분석, DSC 분석, SEM 관찰)을 실시하였다.
이 연구에서는 현재 일반 포틀랜드 시멘트를 사용중인 숏크리트(shotcrete)에 고분말도 시멘트(4,500 cm2/g,5,000 cm2/g)의 적용 가능성을 검토하고자 하였다. 이를 위하여 수행된 응결시험(급결제 적용 포함), 압축강도 시험(급결제 적용 포함, 모르타르 및 콘크리트), 기기분석(X선 회절분석, DSC 열분석, SEM 관찰) 결과로부터 얻은 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
혼합수 투입 후 90초간 혼합한 다음 급결제를 투입하고 약 10초간 혼합 이후 Φ75 × 150 mm 몰드를 사용하여 제작하였다. 강도측정은 급결제 투입후 12시간, 24시간, 3일, 28일이 경과한 시점에서 실시하였다. 시험에 사용된 콘크리트 배합은 Table 3과 같으며, 굵은골재는 13 mm(비중 2.
다만 급결제를 적용한 모르타르 압축강도 시험은 KS L 5105, 5109에 따라 실시하였다. 급결제는 모르타르 혼합이 완료된 후 투입하였으며, 혼합은 1속으로 5초 2속으로 10초간 실시하였다.
40으로 하여 3분간 교반하여 제작하였다. 급결제의 사용량은 알루 미네이트계 급결제와 알칼리프리계 급결제 모두 5%(시멘트 중량기준)로 하였으며, 일정 기간이 경과한 다음 아세톤을 사용하여 수화정지를 실시하였다.
/g)를 사용하였다. 또한 고분말도 시멘트(4,500, 5,000 cm2/g)는 상기의 시멘트를 볼밀을 사용하여 분쇄하여 제조하였다. 급결제는 국내 S사가 시판중인 알루미네이트계 급결제(sodium aluminate, SA로 표기)와 알칼리프리계 급결제(alkali free, AF로 표기)를 사용하였다.
상기의 과정을 통하여 제작된 페이스트 시편에 대하여 X선 회절 분석(DMAX-2200H, R사, 일본), DSC 열분석(DSC-50, S사, 일본)을 실시하였으며, 페이스트 경화체 표면에 대한 SEM(S-3200H, H사, 일본) 관찰을 통하여 수화생성물의 형태 및 분포를 비교하였다.
시멘트의 응결시간은 표준주도 측정과 병행하였다. 급결제를 사용한 시멘트의 응결시간은, 시멘트 분말도에 따른 급결제의 영향을 직접적으로 비교하고, 시멘트 응결 특성과 비교하기 위하여 페이스트를 사용하는 ASTM C 1102에 준하여 실시하였다.
실내조건에서 OPC를 출발재료로 볼 밀(ball mill)을 사용하여 제조한 2종의 고분말도 시멘트에 알루미네이트계 및 알칼리프리계 급결제를 적용하여, 고분말도 시멘트를 숏크리트용 특수 시멘트로 사용하는 방안을 검토하기 위한 기초정보를 얻고자 하였다. 이를 위하여 OPC 및 고분말도 시멘트를 대상으로 입도분석, 페이스트, 모르타르 및 콘크리트 특성(응결, 압축강도), 분말도 및 급결제(종류, 사용량)가 시멘트의 수화반응에 미치는 영향을 검토하였다.
/g)의 적용 가능성을 검토하고자 하였다. 이를 위하여 수행된 응결시험(급결제 적용 포함), 압축강도 시험(급결제 적용 포함, 모르타르 및 콘크리트), 기기분석(X선 회절분석, DSC 열분석, SEM 관찰) 결과로부터 얻은 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
콘크리트 배합에 고분말도 시멘트와 급결제를 적용하여 압축강도 시험을 실시하였다. 혼합수 투입 후 90초간 혼합한 다음 급결제를 투입하고 약 10초간 혼합 이후 Φ75 × 150 mm 몰드를 사용하여 제작하였다.
혼합수 투입 후 90초간 혼합한 다음 급결제를 투입하고 약 10초간 혼합 이후 Φ75 × 150 mm 몰드를 사용하여 제작하였다.
대상 데이터
또한 고분말도 시멘트(4,500, 5,000 cm2/g)는 상기의 시멘트를 볼밀을 사용하여 분쇄하여 제조하였다. 급결제는 국내 S사가 시판중인 알루미네이트계 급결제(sodium aluminate, SA로 표기)와 알칼리프리계 급결제(alkali free, AF로 표기)를 사용하였다.
강도측정은 급결제 투입후 12시간, 24시간, 3일, 28일이 경과한 시점에서 실시하였다. 시험에 사용된 콘크리트 배합은 Table 3과 같으며, 굵은골재는 13 mm(비중 2.66) 잔골재는 해사(흡수율 0.90, 비중 2.60)를 사용하였다. 콘크리트의 작업성 확보를 위한 액상혼화제로는 나프탈렌계 고성능 감수제(고형분 40.
이 연구에서는 현재 국내에서 시판중인 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트(비표면적 3,200 cm2/g)를 사용하였다. 또한 고분말도 시멘트(4,500, 5,000 cm2/g)는 상기의 시멘트를 볼밀을 사용하여 분쇄하여 제조하였다.
60)를 사용하였다. 콘크리트의 작업성 확보를 위한 액상혼화제로는 나프탈렌계 고성능 감수제(고형분 40.0%)를 사용하였다.
이론/모형
시멘트의 응결시간은 표준주도 측정과 병행하였다. 급결제를 사용한 시멘트의 응결시간은, 시멘트 분말도에 따른 급결제의 영향을 직접적으로 비교하고, 시멘트 응결 특성과 비교하기 위하여 페이스트를 사용하는 ASTM C 1102에 준하여 실시하였다.5) 급결제의 사용량은 제조사의 권장사용량을 참조하여 알루미네이트계 급결제는 3%, 5%, 7%로 하였으며, 알칼리프리계 급결제의 사용량은 5%, 7%로 하였다.
시멘트의 분말도가 모르타르 압축강도발현 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 모르타르 압축강도 시험(KS L ISO 679)을 실시하였다. 다만 급결제를 적용한 모르타르 압축강도 시험은 KS L 5105, 5109에 따라 실시하였다. 급결제는 모르타르 혼합이 완료된 후 투입하였으며, 혼합은 1속으로 5초 2속으로 10초간 실시하였다.
시멘트의 분말도가 모르타르 압축강도발현 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 모르타르 압축강도 시험(KS L ISO 679)을 실시하였다. 다만 급결제를 적용한 모르타르 압축강도 시험은 KS L 5105, 5109에 따라 실시하였다.
성능/효과
1) 고분말도 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)와 비교하여 응결시간이 단축되고 초기강도가 크게 향상되었다. 하지만 장기강도 증진효과는 초기강도 증진효과와 비교하여 상대적으로 적게 나타났다.
2) 시멘트의 분말도가 상승함에 따라 수화반응의 진행 및 수화생성물의 상전이가 빨라지는 것을 기기분석을 통하여 확인하였다. 특히 초기 수화생성물의 크기가 감소하고 넓게 분포하는 것을 확인하였다.
급결제를 사용한 시멘트의 응결시간은, 시멘트 분말도에 따른 급결제의 영향을 직접적으로 비교하고, 시멘트 응결 특성과 비교하기 위하여 페이스트를 사용하는 ASTM C 1102에 준하여 실시하였다.5) 급결제의 사용량은 제조사의 권장사용량을 참조하여 알루미네이트계 급결제는 3%, 5%, 7%로 하였으며, 알칼리프리계 급결제의 사용량은 5%, 7%로 하였다.
6) 고분말도 시멘트에 알칼리프리계 급결제를 사용시 나타나는 장기강도 저하특성이 개선되었다.
X선 회절분석 및 DSC 분석 결과 시멘트의 분말도가 상승하더라도 수화반응을 통하여 생성되는 수화물의 종류에는 차이가 없었으며, SEM 관찰 결과 분말도가 상승 함에 따라 수화물이 상대적으로 미세하면서 넓게 분포하는 특징을 나타내었다. 하지만 X선 회절분석 결과 중 SA 5% 적용시편의 약 11° 부근의 피크, DSC 분석 결과 중약 140℃ 부근의 피크의 변화를 비교하면, 일반 분말도의 경우 초기에는 관찰되지 않는 반면 고분말도 시멘트에서는 초기부터 뚜렷하게 관찰되고 있다.
고분말 시멘트가 일반 시멘트와 비교하여 전체적으로 우수한 압축강도를 나타내었다. 특히 초기재령(3일)에서의 강도증진 효과가 매우 우수한 것으로 확인되었다.
모르타르 및 콘크리트 시편을 사용한 압축강도 측정결과 시멘트의 분말도가 상승함에 따라 공통적으로 강도가 개선됨을 보여주었다. 하지만 초기재령 및 급결제의 사용유무에 따른 강도발현 특성에서는 모르타르 및 콘크리트 시험 결과에서 차이가 나타나고 있다.
시멘트의 분말도가 높아짐에 따라 응결시간이 단축되는 것으로 나타났으며, 특히 종결시간의 단축 폭이 124분으로 초결의 63분보다 크게 나타났다. 이러한 응결촉진 결과는 시멘트의 분말도가 높아짐에 따라 시멘트 입자의 크기가 미세해지기 때문에 수화반응(hydration reaction)이 진행되는 시멘트 입자와 물과의 접촉계면이 증가하여 초기 수화반응 속도가 빨라지기 때문이다.
알루미네이트계 급결제를 적용한 시편의 기기분석 결과, 에트린자이트 피크의 변화는 크지 않은 반면, X선 회절분석의 11~12°, DSC 분석의 130~140℃ 피크가 재령 초기부터 관찰되며 재령 28일에서는 더욱 두드러지게 나타나고 있어 이들 수화물의 생성이 촉진된 것을 알 수 있다.
응결시간에 미치는 급결제의 영향 비교에서는 알루미네이트계 급결제의 효과가 더욱 두드러지게 나타났으며, 알칼리프리계 급결제의 경우 동일한 사용량에서 알루미네이트계와 비교하여 단축효과가 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
X선 회절분석 및 DSC 분석 결과에서 앞서 살펴본 급결제의 영향을 시멘트의 분말도에 대해서 비교하면, 시멘트의 분말도가 상승함에 따라 급결제의 영향으로 생성되는 수화물의 생성시기가 재령초기로 앞당겨지는 경향을 보이고 있다. 이러한 결과로 판단할 때 시멘트의 분말도가 상승함에 따라 급결제가 시멘트의 수화반응에 더 큰 영향을 미치는 것으로 예상된다.
고분말도에서는 초기강도 저하가 상대적으로 적게 나타났지만, 장기재령에서는 분말도와 관계없이 전체적으로 강도저하가 발생하고 있다. 이와 비교하여 알칼리프리계 급결제는 초기에는 강도저하가 나타났으나, 재령이 경과함에 따라 압축강도가 급결제를 사용하지 않은 시편수준으로 회복되는 것으로 나타났다.
콘크리트 압축강도 측정 결과에서는 재령 1일까지는 급결제를 사용한 시편의 강도가 우수하였으나, 3일 이후에는 모르타르 압축강도 측정 결과와 유사한 경향성을 나타내었다. 모르타르 강도와 콘크리트 강도가 초기재령에서 이러한 차이를 나타내는 것은, 콘크리트의 경우 응결시간이 상대적으로 늦기 때문에 초기 경화과정에서 급결제의 효과가 모르타르보다 두드러지게 나타나기 때문이다.
2) 시멘트의 분말도가 상승함에 따라 수화반응의 진행 및 수화생성물의 상전이가 빨라지는 것을 기기분석을 통하여 확인하였다. 특히 초기 수화생성물의 크기가 감소하고 넓게 분포하는 것을 확인하였다.
고분말 시멘트가 일반 시멘트와 비교하여 전체적으로 우수한 압축강도를 나타내었다. 특히 초기재령(3일)에서의 강도증진 효과가 매우 우수한 것으로 확인되었다. 초기강도 상승효과는 입자가 미세해지면서 반응률이 높아지기 때문으로 예상된다.
후속연구
또한 현장에서 숏크리트의 품질을 평가하는데 있어 가장 중요한 지표인 작업성과 리바운드율은 실내시험에서는 확인이 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 이 연구에서 고분말도 시멘트가 숏크리트에 적용시 장점을 가지고 있음을 확인하였지만, 다양한 시공조건하에서 수차례에 걸친 현장 적용을 통하여 상기의 문제점을 체계적으로 검증하는 과정이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
숏크리트란 무엇인가?
숏크리트(shotcrete, or sprayed concrete)는 거푸집이 필요없이 전용 장비를 사용하여 굴착된 원지반에 뿜어 타설하는 콘크리트 혹은 모르타르를 총칭하는 용어이다.1)
숏크리트에서 시멘트의 응결과 경화를 앞당길 수 있는 급결제를 사용하는 이유는 무엇인가?
일반적으로 숏크리트는 타설압에 의한 반발률을 감소시키고 조기강도를 확보하여, 굴착 암반의 변형을 방지하고 연속적인 타설 공정 동안 발생하는 진동 및 충격을 견딜 수 있어야 한다. 이러한 사유로 숏크리트에서는 시멘트의 응결과 경화를 앞당길 수 있는 급결제를 사용하고 있다.
NATM 공법의 장점은 무엇인가?
더욱이 근래에 와서는 운송의 효율성과 안정성을 개선하기 위한 도로 및 철도의 직선화와 고속화 및 국토의 효율적인 활용을 위하여 터널 및 지하공간의 건설 공사가 증가하고 있으며, 그 규모가 점점 장대화 및 대형화 되고 있는 추세이다.1,2) 특히 우리나라 고속도로 터널 건설에서 가장 널리 사용되고 있는 NATM(New Austrian Tunneling Method) 공법은 굴착직후 숏크리트를 타설하여 낙반방지와 압반 변형을 억제함으로써 시공과정과 시공후 터널의 안정성을 확보하여 준다.3)
참고문헌 (11)
신진용, 김재영, 홍지숙, 서정권, 노재성, “시멘트 계에서 액상 숏크리트용 급결제의 수화 특성에 관한 연구,” 콘크리트학회 논문집, 17권, 6호, 2005, pp. 1011-1018.
ASTM C 1102, Standard Test Method for Time of Setting for Portland-cement Pastes Containning Quick-Setting Accelerating Admixtures for Shotcrete by the Use of Gillmore Needles, ASTM, USA, 1994, pp. 587-588
송종택, 김재영, 전준영, “분말도가 포틀랜드 시멘트의 물성에 미치는 영향,” 한국세라믹학회 논문집, 36권, 1호, 1999, pp. 77-81.
Zhang, Y. M. and Naipier-Munn, T. J., “Effects of Particle Size Distribution, Surface Area and Chemical Composition on Portland Cement Strength,” Powder Technology, Vol. 83, 1995, pp. 245-252.
Wombacher, P. F. and Bohni, H., “The Influence of Alkali-Free and Alkaline Shotcrete Accelerators within Cement Systems-I. Characterization of the Setting Behavior,” Cement & Concrete Research, Vol. 31, 2001, pp. 913-918.
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