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문제 정의
- 본 연구에서는 콘크리트 슬럼프의 부족문제를 해결하기 위해 물을 추가하는 대신, 혼화제를 추가로 투입했을 때, 발생할 수 있는 굳지 않은 혹은 굳은 콘크리트의 역학적 특성을 구명하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 이 연구에서는, 레미콘 트럭에 정해진 혼화제를 싣고 다니면서 필요시 콘크리트에 추가하여 투입해도 콘크리트의 성질에 문제가 없도록 할 수 있는 근거를 마련하고자 하며 다른 연구자 혹은 기술자들에게 이 분야에 대한 정보를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 콘크리트 슬럼프의 부족문제를 해결하기 위해 물을 추가하는 대신, 혼화제를 추가로 투입했을 때, 발생할 수 있는 굳지 않은 혹은 굳은 콘크리트의 역학적 특성을 구명하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 이 연구에서는, 레미콘 트럭에 정해진 혼화제를 싣고 다니면서 필요시 콘크리트에 추가하여 투입해도 콘크리트의 성질에 문제가 없도록 할 수 있는 근거를 마련하고자 하며 다른 연구자 혹은 기술자들에게 이 분야에 대한 정보를 제공하고자 한다.
- 추후의 연구에서는 저렴하면서도 빈번하게 사용되는 혼화제들에 대한 실험적 연구 및 결과의 분석을 통해 이들 혼화제를 추가해서 사용해도 좋은 횟수와 시간간격 등에 대한 가이드 라인(guide line)을 제시하고자 한다. 특히, 혼화제의 추가 후 시간간격을 2시간 이상으로 하는 연구도 수행하고자 한다.
제안 방법
- 베이스 콘크리트에 대한 작업이 끝난 직후 첫 번째로 혼화제를 투입하여 5분간 추가 비빔을 실시한 후 슬럼프치, 공기량 및 필요 공시체를 제작하였다. 60분 경과 후 슬럼프치 및 공기량을 측정하고, 정해진 혼화제를 두 번째로 추가하여 5분간 비빈 다음 슬럼프치와 공기량을 측정하고 공시체를 제작했으며 다시 60분경과 후 슬럼프치와 공기량을 측정하였다. 그리고 세 번째로 정해진 양의 혼화제를 즉시 추가하여 5분간 비빈 후 슬럼프치와 공기량을 측정하고 필요 공시체를 제작하였다.
- 굳은 콘크리트의 각 재령 별 역학적 특성치는 실험조건을 만족하도록 각 재령에서 원주공시체를 꺼내어 재하면을 연마기로 처리한 후 2,000kN UTM을 사용하여 압축 강도 시험을 실시하였고 탄성계수를 측정할 때는 공시체의 중앙부 양면에 콘크리트용 스트레인 게이지(측점거리=60mm)를 부착하여 각 하중 단계별 변형률을 측정하였으며 각 실험의 단계에서 얻어지는 응력-변형률 곡선의 관계로부터 탄성계수를 계산하였다. 탄성계수를 계산하는 방법으로는 최대응력의 40%에서 구한 할선탄성계수(Secant Elastic Modulus)법 (Neville 1996, KS F 2438)을 채택하였다.
- 60분 경과 후 슬럼프치 및 공기량을 측정하고, 정해진 혼화제를 두 번째로 추가하여 5분간 비빈 다음 슬럼프치와 공기량을 측정하고 공시체를 제작했으며 다시 60분경과 후 슬럼프치와 공기량을 측정하였다. 그리고 세 번째로 정해진 양의 혼화제를 즉시 추가하여 5분간 비빈 후 슬럼프치와 공기량을 측정하고 필요 공시체를 제작하였다. 제작한 원주공시체는 KS F 2405에 따라 재령 1일에 탈형 하였으며, 탈형 즉시 양생조에서 필요 재령만큼 표준양생을 실시하였다.
- 베이스 콘크리트에 대한 배합은 시멘트, 모래, 자갈을 일괄투입하여 2분간 건비빔을 한 후 배합수를 투입하여 5분간 추가 비빔을 실시하였다. 배합이 완료된 후 즉시 콘크리트를 배출하여 굳지 않은 콘크리트 실험법(박승범, 1996)에 따라 슬럼프치와 공기량의 측정을 실시했으며, 비벼져 있는 콘크리트를 사용하여 실험에 소요되는 수에 따라 공시체를 제작하였다.
- 배합이 완료된 후 즉시 콘크리트를 배출하여 굳지 않은 콘크리트 실험법(박승범, 1996)에 따라 슬럼프치와 공기량의 측정을 실시했으며, 비벼져 있는 콘크리트를 사용하여 실험에 소요되는 수에 따라 공시체를 제작하였다. 베이스 콘크리트에 대한 작업이 끝난 직후 첫 번째로 혼화제를 투입하여 5분간 추가 비빔을 실시한 후 슬럼프치, 공기량 및 필요 공시체를 제작하였다. 60분 경과 후 슬럼프치 및 공기량을 측정하고, 정해진 혼화제를 두 번째로 추가하여 5분간 비빈 다음 슬럼프치와 공기량을 측정하고 공시체를 제작했으며 다시 60분경과 후 슬럼프치와 공기량을 측정하였다.
- 0cm가 나오는 양으로 선택하였다. 실험에서는 콘크리트의 역학적 특성과 내구성 파악의 두 가지로 나뉘어 실시되었는데, 역학적 특성을 검토하기 위해서 슬럼프, 공기량, 압축강도와 탄성계수에 대한 시험을 실시하였고, 내구성을 검토하기 위해서 촉진 중성화 실험을 실시하였다. 실험변수 및 측정항목을 정리하여 나타내면 Table 3과 같다.
- 그리고 세 번째로 정해진 양의 혼화제를 즉시 추가하여 5분간 비빈 후 슬럼프치와 공기량을 측정하고 필요 공시체를 제작하였다. 제작한 원주공시체는 KS F 2405에 따라 재령 1일에 탈형 하였으며, 탈형 즉시 양생조에서 필요 재령만큼 표준양생을 실시하였다. 슬럼프치와 공기량 측정은 각각 KS F 2402, KS F 2421에 따라 수행하였다.
- 혼화제의 추가횟수에 따른 콘크리트의 특성파악이 주목적인 본 연구에서 고려될 주요 실험변수는 다음과 같다. 첫 번째, 혼화제의 종류인데 나프탈렌(Naphthalene)과 폴리카본산(Polycarboxylate) 계열이 사용되었으며, 이 논문에서는 각각 NA와 PC로 약칭하였다. 두 번째는 투입의 반복횟수 및 시간의 경과인데 투입횟수는 1회와 2회, 3회로 하였고 시간의 경과는 0시간, 1시간 및 2시간으로 하였는데, 0시간은 베이스 콘크리트에 바로 투입하는 것을 1시간과 2시간은 1회 투입 후 1시간과 2시간이 경과한 시간에 투입하는 것을 의미한다.
- 촉진 중성화 실험은 Φ100×200mm 원주공시체를 사용하여 전 양생기간 8주 경과 후 온도 20±2℃, 상대습도 60±5%, 탄산가스농도 5±0.2%의 조건으로 실시하여 중성화 재령 1주, 4주, 8주, 13주에 대하여 페놀프탈레인 비색판별법을 이용하여 중성화 깊이를 측정 하였다.
- 혼화제의 추가에 따른 콘크리트 특성의 변화를 검토하기 위하여 실시한 실험의 베이스 콘크리트 배합비는 목표 슬럼프치 6±1.0cm를 만족하도록 하였으며, 혼화제를 투입 후 목표 슬럼프치는 18±2.0cm로 하였다.
대상 데이터
- 0cm로 하였다. 실험에 사용한 배합은 Table 2와 같으며 설계기준강도는 30 MPa를 목표로 하였다. 콘크리트 제작에 있어 사용한 콘크리트 믹서는 팬형 강제식(용량=200 liter, 25 rpm)을 사용하였으며 실험에 필요한 사용량을 고려하여 1회 배치량을 80리터 이상으로 하였다.
- 콘크리트의 제조를 위해 시멘트는 KS L 5201에 근거한 C사의 제1종 보통 포틀랜드 시멘트(비중=3.15)를 사용하였고, 잔골재는 KS F 2526에 따른 콘크리트용 강모래를 사용했으며 굵은골재는 4.75mm보다 크고 20mm보다 작은 쇄석을 사용하였다. 잔골재와 굵은골재의 물리적 특성은 Table 1과 같으며, 표준입도 범위 내에 들어가는 것을 사용하였다.
이론/모형
- 베이스 콘크리트에 대한 배합은 시멘트, 모래, 자갈을 일괄투입하여 2분간 건비빔을 한 후 배합수를 투입하여 5분간 추가 비빔을 실시하였다. 배합이 완료된 후 즉시 콘크리트를 배출하여 굳지 않은 콘크리트 실험법(박승범, 1996)에 따라 슬럼프치와 공기량의 측정을 실시했으며, 비벼져 있는 콘크리트를 사용하여 실험에 소요되는 수에 따라 공시체를 제작하였다. 베이스 콘크리트에 대한 작업이 끝난 직후 첫 번째로 혼화제를 투입하여 5분간 추가 비빔을 실시한 후 슬럼프치, 공기량 및 필요 공시체를 제작하였다.
- 제작한 원주공시체는 KS F 2405에 따라 재령 1일에 탈형 하였으며, 탈형 즉시 양생조에서 필요 재령만큼 표준양생을 실시하였다. 슬럼프치와 공기량 측정은 각각 KS F 2402, KS F 2421에 따라 수행하였다.
- 굳은 콘크리트의 각 재령 별 역학적 특성치는 실험조건을 만족하도록 각 재령에서 원주공시체를 꺼내어 재하면을 연마기로 처리한 후 2,000kN UTM을 사용하여 압축 강도 시험을 실시하였고 탄성계수를 측정할 때는 공시체의 중앙부 양면에 콘크리트용 스트레인 게이지(측점거리=60mm)를 부착하여 각 하중 단계별 변형률을 측정하였으며 각 실험의 단계에서 얻어지는 응력-변형률 곡선의 관계로부터 탄성계수를 계산하였다. 탄성계수를 계산하는 방법으로는 최대응력의 40%에서 구한 할선탄성계수(Secant Elastic Modulus)법 (Neville 1996, KS F 2438)을 채택하였다. 촉진 중성화 실험은 Φ100×200mm 원주공시체를 사용하여 전 양생기간 8주 경과 후 온도 20±2℃, 상대습도 60±5%, 탄산가스농도 5±0.
성능/효과
- Fig. 4(a)의 결과에 따르면, 베이스 1 콘크리트에 첫번째와 두 번째로 NA를 추가했을 때는 14일째 탄성계수는 낮으나 7일과 28일의 탄성계수는 오히려 높고, NA를 3번째 추가시는 전 재령에 걸쳐 탄성계수가 증가하였다. 따라서 NA를 사용한 경우 혼화제의 첨가에 따른 특별한 경향은 판단할 수 없었다.
- Fig. 2(b)는 시간경과에 따라 PC 혼화제를 첨가하였을 경우의 공기량 변화를 나타낸 것으로, 베이스 2 콘크리트의 공기량은 2.5%였으며, 이후 PC를 첨가함에 따라 공기량이 1.0%～3.0%범위를 나타내 시간경과에 따라 공기량이 감소하였으나 NA를 첨가했을 때보다는 감소량이 작은 것으로 나타났다.
- 1) NA의 경우, 60분 경과까지는 NA를 첨가함으로써 슬럼프치를 회복시킬 수 있었지만 120분 경과 후에는 회복이 적게 나타났다. PC의 경우, 60분과 120분의 양 경우에 혼화제를 첨가함으로써 슬럼프치를 회복시킬 수 있었다.
- 2) NA의 경우, 시간의 경과에 따라 NA를 첨가해도 공 기량이 많이 감소함으로 AE제를 추가해야 한다. PC의 경우, 시간의 경과에 따른 혼화제의 추가시, NA보다 공기량의 감소가 적음을 알 수 있었다.
- 3) NA와 PC를 투입했을 경우, 초기에는 강도가 감소 하나 시간의 경과후의 투입시는 오히려 강도가 증가함을 알 수 있었다. NA를 사용한 경우의 탄성계수는 경향 파악이 어려웠지만, PC를 사용한 경우의 탄성계수는 압축 강도와 유사한 경향을 보였다.
- 4) NA와 PC의 첨가가 콘크리트의 중성화 속도에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단되었다.
- 5% 더 추가 했을 때 슬럼프치는 19cm로 회복되었다. 다시 60분 경과 후 슬럼프치는 4cm로 감소하였으며, 이후 슬럼프치를 회복시키기 위해 NA를 1%까지 더 추가 하였으나 슬럼프치가 11cm를 나타내 처음 60분 경과했을 때보다 슬럼프치 회복이 적게 나타났다. 따라서 NA를 첨가했을 경우에는 베이스 콘크리트에서 60분 경과 까지는 슬럼프치를 회복시킬 수 있었으나, 120분 경과 후에는 슬럼프의 회복이 적게 나타난다는 것을 확인할 수 있었다.
- 다시 60분 경과 후 슬럼프치는 4cm로 감소하였으며, 이후 슬럼프치를 회복시키기 위해 NA를 1%까지 더 추가 하였으나 슬럼프치가 11cm를 나타내 처음 60분 경과했을 때보다 슬럼프치 회복이 적게 나타났다. 따라서 NA를 첨가했을 경우에는 베이스 콘크리트에서 60분 경과 까지는 슬럼프치를 회복시킬 수 있었으나, 120분 경과 후에는 슬럼프의 회복이 적게 나타난다는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 NA 혼화제와 PC 혼화제를 첨가한 콘크리트와 베이스 콘크리트와의 중성화 상태를 비교한 결과 NA 혼화제와 PC 혼화제의 첨가가 콘크리트의 중성화 속도에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 분석된다.
- 5%씩 더 추가하였을 경우 전 재령에 걸쳐 오히려 베이스 1 콘크리트보다 압축강도가 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 이로부터 혼화제의 추가 투입이 압축강도에 영향이 있음을 알 수 있으며, 1회 투입에서는 NA의 첨가로 인한 유동성이 상당히 증가되나 오히려 부분적으로 재료의 분리가 발생하여 강도가 감소하였고 2와 3회 첨가시는 유동성은 여전히 유지되고 베이스 콘크리트에서의 시간의 경과로 인한 수분감소로 물-시멘트 비가 감소되어 강도와 치밀성이 상승되었음을 알 수 있다.
- 6% 첨가했을 경우 슬럼프치가 21cm를 나타냈으며, 60분 경과 후 슬럼프치가 11cm로 감소하였다. 이후 NA를 0.3% 더 추가 하였을 때 슬럼프치는 20cm로 회복되었으며, 다시 60분 경과 후 슬럼프치는 13cm로 감소하였다. 다시 NA를 0.
- 일반적으로 중성화는 콘크리트의 수밀성과 밀접한 관계를 갖고 있으며1) 본 실험의 경우에도 압축강도가 가장 높게 나온 NA 1+0.5+1% 추가(post-addition) 콘크리트와 PC 0.6+0.3+0.3% 추가(post-addition) 콘크리트의 중성화 깊이가 가장 작은 것으로 나타났으며, 압축강도가 가장 낮게 나온 NA 1% 추가(post-addition) 콘크리트와 PC 0.6% 추가(post-addition) 콘크리트의 중성화 깊이가 가장 깊게 나타남을 확인하였다.
후속연구
- 5) 본 연구의 결과가 더 발전된다면, 부족한 슬럼프치를 합리적인 근거없이 물을 추가해 보상받는 기존의 방법으로부터 탈피하여 품질에 대한 상호불신을 배제할 수 있으며, 타설될 레미콘의 품질을 체계적으로 관리하여 구조물의 안전성에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 2%였으며, NA를 1% 첨가했을 때의 공기량은 3%를 나타냈다. 이후 NA를 첨가함에 따라 공기량이 0.5%～2.2%의 범위를 나타내 시간경과에 따라 공기량이 감소함으로 NA 혼화제 첨가시 AE제를 추가하여야 할 것으로 사료된다. Fig.
- 즉, 현장에 투입되는 레미콘이 취할 수 있는 다양한 조건에 대한 품질변화의 자료를 제시함으로서 변화가 심한 콘크리트의 특성을 정량화할 수 있고, 이와 관련된 기존 연구성과를 검증할 수 있으며 향후의 연구방향에 기본적인 지침이 될 수 있어 관련 연구자에게 도움을 줄 것으로 사료된다.
- 추후의 연구에서는 저렴하면서도 빈번하게 사용되는 혼화제들에 대한 실험적 연구 및 결과의 분석을 통해 이들 혼화제를 추가해서 사용해도 좋은 횟수와 시간간격 등에 대한 가이드 라인(guide line)을 제시하고자 한다. 특히, 혼화제의 추가 후 시간간격을 2시간 이상으로 하는 연구도 수행하고자 한다.
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