[논문]콘크리트 내구성 향상을 위한 시멘트 재료의 수밀성 개선에 관한 연구

강현주; 송명신; 정의담

콘크리트 내구성 향상을 위한 시멘트 재료의 수밀성 개선에 관한 연구
A Study on the Watertightness Improvement of Cementitious Material for Durability Improvement of Concrete 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.10 no.5, 2010년, pp.17 - 25

강현주 (강원대학교 화학공학연구소) , 송명신 (강원대학교 화학공학연구소) , 정의담 (충북대학교 대학원 도시공학과)

초록
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콘크리트의 내구성능 향상을 위한 방안으로서 시멘트 재료의 수밀성능 증진에 대한 연구를 수행하였다. 보통 포틀랜드 시멘트 및 보통 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬의 혼합계 재료에 다양한 성능의 수밀성능 개선제를 혼합하여 수밀성 실험을 진행한 결과, 시멘트 재료의 수밀성능 향상은 시멘트 수화생성물인 CSH의 생성과 유기지방산에 의한 수화물과의 접촉각의 크기와 밀접한 관계가 있으며 수화초기에 활발하게 생성되는 CSH는 수밀성과 장기적인 흡수율 저감에 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한 시멘트 재료의 작업성 개선을 위하여 플라이애쉬를 사용하는 경우, 구형 플라이애쉬의 작업성 증진에 의해 시멘트 재료의 조직이 치밀화 되고 포졸란 재료의 특성에 의한 CSH의 생성으로도 수밀성이 향상 되는 것으로 나타났다. 다양한 종류의 수밀성 재료를 혼합하여 흡수율 및 수화 생성물의 변화에 대해 실험한 결과, 콘크리트의 내구성 향상을 위해서는 어떠한 형태이든 시멘트 재료에 수밀성 혼화제의 혼합 사용이 바람직 한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We studied on the watertightness improvement of cementitious material for durability enhancement of concrete. For improvement of watertightness of OPC and OPC with fly ash, we used various materials with watertightness properties to OPC and OPC with fly ash. The performance of watertightness improvement of cementitious materials closely related to formation of CSH by pozzolanic reaction and to reducing of size of contact angle in cement pore by using organic fatty acid. And volume of CSH formation at early hydration have an influence of watertightness improvement and reduction of long-term water absorption rate. In using of fly ash, improvement of workability by using the spherical fly ash caused to densify on the structures of cement material and CSH formation by pozzolanic reaction and cement using fly ash also caused watertightness improvement of cementitious materials. For improvement of concrete durability by watertightness, cementitious materials need using watertightness materials and at using fly ash, also it have to the effect of improvement of watertightness of cementitious materials by pozzolanic reaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 흡수율, XRD 및 SEM 분석으로 수화 생성물의 특성을 검토하여 시멘트 재료에서의 수밀성능 평가를 위한 적용성을 검토하였다. 흡수율 측정은 재령 28일의 공시체에 대하여 외부에서의 별도의 추가 압력이 없이 공시체 전체를 물에 침지 시킨 시간별로 무게의 증가를 측정하여 흡수율을 구하였다.
본 연구에서는 방사능 폐기물 처리장에 시공되는 콘크리트내구성 향상을 위한 수밀성능 향상을 전제로 연구를 진행하였으며, 혼화재료로써 플라이애쉬를 사용하는 콘크리트 배합을 기준으로 기존에 사용되고 있는 시제품 수밀성능 개선제를 사용하여, 수밀성능 개선제에 의한 흡수율, 수화물 및 미세구조 분석을 통한 수밀성능 향상에 대한 연구를 진행하였다.
시멘트 재료의 내구성 향상을 위한 수밀성 향상 혼화제에 대한 성능과 플라이애쉬 적용에 의한 수밀성 향상 실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

Table 4에서 배합 1은 일반적인 시멘트 재료의 배합을 기준으로 하여 수밀성 혼화제가 첨가되지 않은 보통 콘크리트 (이하 Plain)와 수밀성 혼화제 5가지를 각각 혼합하여 실험하였으며, 배합 2는 플라이애쉬가 첨가된 배합에서의 수밀성능 개선제 첨가에 의한 배합을 나타내었다. 실험방법에 있어 흐름성 및 압축강도는 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 따라 진행하였고, 응결시간은 KS L 5108(비카드침에 의한 시멘트의 응결시간 측정방법)에 의거하여 실시하였으며, 흡수율은 KS F 2609(건축재료의 물흡수 계수 측정방법)에 의해 실험을 진행하였다.
수화물 분석은 각 배합별 흡수율 결과가 가장 우수한 것을 선택하였으며, 분석 결과 유기 지방산이 함유된 것으로 판단되는 T 타입과 이와 유사한 구성을 가지나 유기 지방산이 함유되지 않은 것으로 판단되는 D 타입에 대해 실시하였다.
또한 흡수율, XRD 및 SEM 분석으로 수화 생성물의 특성을 검토하여 시멘트 재료에서의 수밀성능 평가를 위한 적용성을 검토하였다. 흡수율 측정은 재령 28일의 공시체에 대하여 외부에서의 별도의 추가 압력이 없이 공시체 전체를 물에 침지 시킨 시간별로 무게의 증가를 측정하여 흡수율을 구하였다.

이론/모형

Table 4에서 배합 1은 일반적인 시멘트 재료의 배합을 기준으로 하여 수밀성 혼화제가 첨가되지 않은 보통 콘크리트 (이하 Plain)와 수밀성 혼화제 5가지를 각각 혼합하여 실험하였으며, 배합 2는 플라이애쉬가 첨가된 배합에서의 수밀성능 개선제 첨가에 의한 배합을 나타내었다. 실험방법에 있어 흐름성 및 압축강도는 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 따라 진행하였고, 응결시간은 KS L 5108(비카드침에 의한 시멘트의 응결시간 측정방법)에 의거하여 실시하였으며, 흡수율은 KS F 2609(건축재료의 물흡수 계수 측정방법)에 의해 실험을 진행하였다.

성능/효과

1) 시멘트 재료의 수밀성은 흡수율과 상관관계가 있으며, 흡수율 저감은 시멘트 재료 수화반응에 의해 생성되는 수화물에 의한 공극의 치밀화와 밀접한 관계가 있다.
2) 플라이 애쉬는 시멘트 재료 수화시 포졸란 반응에 의한 시멘트 재료의 공극을 치밀화 함으로써 시멘트 재료의 수밀성 향상에 기여한다.
3) 시멘트 재료에서 수화반응 지연은 수밀성에 영향을 미치는 CSH 수화물 생성 지연에 영향을 받으며, 이에따른 시멘트 재료 공극의 치밀화 감소로 수밀성 향상에는 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서 수밀성 향상을 위한 수밀성 혼화재료 사용시 수화지연에 대한 검토가 필요하다.
이들 재료 이외에도 K 타입은 Stearic Acid가 포함된 재료이다. D 타입은 기본적인 재료의 구성은 실리카 질과 SO₃의 함량이 높은 것을 알 수있으며, XRD 분석결과 G로 표기된 석고(gypsum)가 주성분임을 화학조성의 결과 및 XRD 분석결과로 확인 할 수 있었다. R 타입은 일반적인 시멘트의 조성과 유사한 것을 알 수 있으며, 실리카 성분과 CaO 성분이 다량 함유되어 있는 것을 알 수 있다.
7에 각 타입의 SEM 관찰결과를 나타내었다. Plain의경우 XRD에 의한 수화물 분석 결과와 마찬가지로 재령 1일의 SEM 분석 결과에서도 육각 판상의 결정인 Ca(OH)₂(CH) 의 생성과 CSH의 결정인 침상결정과는 다른 시멘트 클링커 광물 표면의 미세한 침상결정인 에트링자이트(E)의 생성이 확인 되었으며 재령 3일 이후에서는 판상의 결정이 시멘트 클링커 표면에 생성된 모노설페이트의 존재가 확인되었다.
이러한 CSH 생성과 흡수율 관계를 비교하여 보면 배합 2의 D 타입이 배합 1의 D 타입 보다 흡수율도 적게 나타났는데 이것으로 보아 역시 CSH 화합물의 생성은 수밀성과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. SEM 분석결과에서 T 타입은 역시 일반적인 시멘트 수화물의 형태와는 다른 결정이 나타났는데, 이것 역시 유기 지방산이 알칼리 조건하에서 분해되어 시멘트 경화체 공극을 차단하는 효과가 있음을 알 수 있다.
이는 재료 중에 실리카흄 등이 사용된 것으로 추정된다. 또한 J 타입의 경우 실리카와 알루미나의 함량이 매우 높은 것을 볼 수 있으며, ZnO의 함량 역시 높은 것을 알 수 있는데, XRD 분석결과 M으로 표기된 mullite와 유사한 aluminium-silicate 화합물이 다량 함유되어 있는 것으로 판단된다. Table 3에 XRD 분석과 화학조성에 의해 추정한 각각의 수밀성능 개선제의 구성을 나타내었다.
(CH)의 피크가 강하게 나타남을 볼 수 있다. 또한 calcium silicate 수화물(CSH)이 시간이 경과할수록 강하게 생성됨을 알 수 있는데 이것으로 보아 D 타입은 CSH의 생성 및 에트링자이트의 생성에 의하여 경화체 조직이 치밀화하여 수밀성을 증대시키는 재료로 판단된다.
플라이애쉬가 혼입된 배합 2의 경우도 배합 1과 유사한 결과를 나타내었다. 또한 수밀성 재료가 첨가되지 않은 기본 타입에서 OPC 100 wt%인 배합 1과 플라이애쉬를 시멘트 량에 대해 20 wt% 치환한 배합 2를 비교하여 보면 배합 2의 경우 배합 1에 비하여 T 타입을 제외한 다른 수밀성 재료의 혼합 타입이 흡수율이 적은 것으로 나타났다. 이는 플라이애쉬에 의한 치밀화로 흡수율이 적게 나타난 것으로 판단된다.
D 타입의 경우 석고가 많이 함유된 재료로서 XRD 및 SEM 분석결과 재령 28일까지도 에트링자이트가 존재하고 있으며 수화 초기부터 CH의 생성이 활발히 나타남을 볼 수 있다. 또한 시간이 경과 할수록 CH의 생성이 적어지고 calcium silicate 수화물(CSH)이 시간이 경과할수록 강하게 생성됨을 알 수 있다. 또한 재령 28일에서 CH의 피크는 배합 1에서의 재령 28일 에서의 피크 보다는 intensity가 약하게 나타나고 있음을 확일 할 수 있었다.
또한 시간이 경과 할수록 CH의 생성이 적어지고 calcium silicate 수화물(CSH)이 시간이 경과할수록 강하게 생성됨을 알 수 있다. 또한 재령 28일에서 CH의 피크는 배합 1에서의 재령 28일 에서의 피크 보다는 intensity가 약하게 나타나고 있음을 확일 할 수 있었다. 이러한 CSH 생성과 흡수율 관계를 비교하여 보면 배합 2의 D 타입이 배합 1의 D 타입 보다 흡수율도 적게 나타났는데 이것으로 보아 역시 CSH 화합물의 생성은 수밀성과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.
또한 시간이 경과할수록 CH의 생성이 약해지는 반면 CSH의 생성이 많아지고 있어 포졸란 재료인 플라이애쉬와의 반응에 의한 CSH의 생성이 활발해짐을 알 수 있다. 또한 포졸란 재료의 활성에 의해 CSA로 표기된 Calcium Silicate Aluminate 수화물이 생성됨을 확인할 수 있다.
배합 1의 일반 포틀랜드 시멘트 모르타르에서의 결과를 보면, plain과 비교하여 수입산인 캐나다의 K 타입과 R 타입은 흡수율이 높은 것으로 나타났다. 이들 재료는 시멘트 재료와 혼합되어 초기의 수밀성 보다는 장기간 시간이 경과하면서 시멘트 재료에 침투되는 물과의 반응에 의해 시멘트 공극에 섬유상의 물질을 생성함으로서 흡수율을 감소시키는 기능성 재료로 알려져 있다.
일반적으로 시멘트 재료가 치밀화 되면 압축강도는 증가하고 응결시간이 지연되면 압축강도는 저하한다. 본 실험 결과 시멘트 재료에 사용된 수밀성 재료에 의하여 시멘트 재료의 공극을 치밀화함으로써 수밀성을 향상 시킬 수 있으나 반면 수밀성 혼화제에 의해 응결시간이 지연된다면 오히려 압축강도는 저하함을 알 수 있다.
흡수율 측정 결과 T 타입이 가장 우수한 흡수율 저감 효과를 나타내었다. 재료의 구성을 분석한 결과포졸란 재료인 실리카 성분과 지방산 염이 함유되어 있는 것으로 보아 초기 수화 시 지방산 염에 의한 발수 기능과 실리카질과 시멘트 재료와의 반응에 의한 calcium silicate 수화물(CSH)의 생성에 의한 흡수율 저감 효과가 크게 나타난 것으로 판단된다 (Vichit-Vedakan, W.

후속연구

또한 배합 1과 배합2에서 T 타입의 흡수율 차이는 플라이 애쉬와 지방산 염에 의한 응결시간 지연에 따른 수화반응의 지연으로 수밀성이 저하되었기 때문에 흡수율의 차이가 나타난 것으로 판단된다. 이상과 같은 흡수율 실험 결과 수밀성 재료에 의한 수밀성 향상에 있어서 흡수율 저감은 시멘트 재료의 수화반응 지연에 따른 수밀성 저하를 고려해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시멘트 재료의 내구성 향상을 위한 수밀성 향상 혼화제에 대한 성능과 플라이애쉬 적용에 의한 수밀성 향상 실험을 진행한 결과는 어떻게 나타나는가?	1) 시멘트 재료의 수밀성은 흡수율과 상관관계가 있으며, 흡수율 저감은 시멘트 재료 수화반응에 의해 생성되는 수화물에 의한 공극의 치밀화와 밀접한 관계가 있다. 2) 플라이 애쉬는 시멘트 재료 수화시 포졸란 반응에 의한 시멘트 재료의 공극을 치밀화 함으로써 시멘트 재료의 수밀성 향상에 기여한다. 3) 시멘트 재료에서 수화반응 지연은 수밀성에 영향을 미치는 CSH 수화물 생성 지연에 영향을 받으며, 이에따른 시멘트 재료 공극의 치밀화 감소로 수밀성 향상에는 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서 수밀성 향상을 위한 수밀성 혼화재료 사용시 수화지연에 대한 검토가 필요하다. 4) 유기 지방산과 실리카 재료로 구성된 수밀성 혼화제의 사용이 가장 흡수율이 가장 낮은데, 이는 지방산 염에 의한 고체와의 접촉각이 커짐으로 인한 수밀성 향상과 실리카 재료에 의한 시멘트 경화체 내부의 공극에 CSH 결정이 생성되기 때문이다.
	콘크리트는 어떤 구조재료인가?	콘크리트는 가격 대비 가장 우수한 특성을 갖는 구조재료라 할 수 있다. 콘크리트의 경제적인 내구 수명은 100년 이상을 목표로 하고 있으나 여러 가지 외부 환경요인에 의하여 내구성이 상실 또는 약화 되면서 내구수명이 단축되고 있다.
	콘크리트의 수밀성은 어떤 특성인가?	콘크리트의 경제적인 내구 수명은 100년 이상을 목표로 하고 있으나 여러 가지 외부 환경요인에 의하여 내구성이 상실 또는 약화 되면서 내구수명이 단축되고 있다. 콘크리트 타설과 같은 건설 행위를 통해 형성된 실내외 공간은 공간의 이용 목적과 요구되는 환경 조건에 따라 그 차단 정도의 차이는 있을 수 있으나 목적에 따라 다양한 형태의 외부의 유해 영향으로부터의 차단 또는 보호를 필요로 하는데, 콘크리트의 수밀성은 시멘트 재료의 치밀화 또는 수밀성 향상을 위한 혼화재료의 사용 등에 의해 물 또는 유해 성분을 차단하는, 구조체로서의 가장 기본적인 특성이라 할 수 있다(오병환 등, 1996). 따라서 콘크리트의 내구성 향상을 위한 수밀성 개선에 관한 연구는 재료에 의한 개선, 시공에 의한 내구성 향상 등 많은 연구자에 의해 다양한 연구가 수행 되고 있다(오상근, 1994; 이민석, 2000).

참고문헌 (11)

오병환, 정원기, 차수원, 장봉석 (1996) 콘크리트의 투수성 측정 및 초저투수성 콘크리트 개발 연구. 콘크리트학회논문집, 제8권 5호.
오상근 (1994) 콘크리트 방수의 현황과 대책. 콘크리트학회지, 제6권 2호
이민석 (2000) 습기와 물의 건축적 설계, 건설도서
KS F 2204 목재의 흡수량 측정 방법
KS F 2503 굵은 골재의 비중 및 흡수율 측정 방법
KS F 7518 석재의 흡수율 및 비중 시험 방법
KS F 2609 건축 재료의 물 흡수 계수 측정 방법
El-Dieb, A.S. and Hooton, R.D. (1994) A high pressure triaxial cell with improved measurement sensitivity for saturated water permeability of high performance concrete, Cem. Concr. Res. Vol. 24, No. 5, pp. 854-562.

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Scherer, G.W. (2004) Measuring permeability of rigid materials by a beam-bending method: IV, Transversely isotropic plate, J. Am. Ceram Soc. Vol. 87, No. 8, pp. 1517-1524.

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Valenza, J.J. and Scherer, G.W. (2004) Measuring permeability of risid materials by a beam-bending method: V. Isotropic rectangular plates of cement paste, J, Am. Ceram. Soc. Vol. 57, No. 10, pp. 1927-1931.
Vichit-Vedakan, W. and Scherer, G.W. (2003) Measuring permeability and stress relaxation of young cement paste by beam-bending, Cem. Concr. Res. Vol. 33, pp. 1915-1932.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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