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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 고성능감수제 종류에 따른 실리카흄(Silica Fume :이하 SF)을 혼입한 시멘트 페이스트의 분산성 및 수화 특성을 확인하고자 폴리카르본산계(이하 PC type), 나프탈렌계(이하 N type), 리그닌계(이하 L type) 등 세 가타입의 고성능감수제를 첨가하여 응결시간, 수화열, 압축강도, XRD 분석과 MIP 분석, Rheology를 측정하였다.
제안 방법
- 고성능 감수제의 종류에 따른 수화생성물을 확인하기 위하여 Rigaku, D/Max-2500/PC (Japan)을 이용하여 X-선회절분석을 실시하였다.
- 본 실험에서는 flow 측정에 의한 예비실험을 통하여 고성능 유동화제의 사용량을 결정하였으며 이에 따른 시멘트 모르타르의 배합을 Table 1에 나타내었다. 시멘트 양의 10 wt%를 SF으로 치환한 모르타르에 동일한 양의 물을 혼입하고 PC, N, L 세 type의 고성능감수제를 각각 첨가하여 동등한 flow값을 나타낼 때의 그 사용량을 확인하였다.
- 본 연구에서는 SF을 혼입한 시멘트 페이스트에 고성능 감수제 종류에 따른 분산성 및 물리적 특성을 확인하고자 동일 배합에 PC, N, L 세가지 type의 고성능감수제를 동일한 flow값을 나타내는 양을 첨가하여 응결시간, 수화열, 압축강도, XRD 분석과 MIP 분석, Rheology를 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수화초기에 나타나는 Plastic Viscosity 및 Yield Stress를 측정하기 위하여 원통형 회전 점도계 RotoViscoRT-20, Hakke co.,(Germany)을 이용하여 물결합재비 0.4의 페이스트 상태로 Rheology를 측정하였다.
- 본 실험에서는 flow 측정에 의한 예비실험을 통하여 고성능 유동화제의 사용량을 결정하였으며 이에 따른 시멘트 모르타르의 배합을 Table 1에 나타내었다. 시멘트 양의 10 wt%를 SF으로 치환한 모르타르에 동일한 양의 물을 혼입하고 PC, N, L 세 type의 고성능감수제를 각각 첨가하여 동등한 flow값을 나타낼 때의 그 사용량을 확인하였다. 측정결과 PC, N, L는 각각 시멘트양의 0.
- 6 wt%를 첨가하였을 때 동일한 흐름성의 효과를 나타내었고, 이것으로 본 실험에서의 각각의 혼화제 사용량을 결정하였다. 응결시간과 수화발열, 압축강도 측정을 통하여 고성능감수제 종류에 따른 물성을 확인하였고 XRD 분석과 기공률 측정을 통해 수화생성물과 기공의 분포를 확인하였으며 레올로지 측정을 통하여 유동성과 재료분리 저항성을 확인하였다.
- 시멘트 양의 10 wt%를 SF으로 치환한 모르타르에 동일한 양의 물을 혼입하고 PC, N, L 세 type의 고성능감수제를 각각 첨가하여 동등한 flow값을 나타낼 때의 그 사용량을 확인하였다. 측정결과 PC, N, L는 각각 시멘트양의 0.3 wt%, 0.7 wt%, 0.6 wt%를 첨가하였을 때 동일한 흐름성의 효과를 나타내었고, 이것으로 본 실험에서의 각각의 혼화제 사용량을 결정하였다. 응결시간과 수화발열, 압축강도 측정을 통하여 고성능감수제 종류에 따른 물성을 확인하였고 XRD 분석과 기공률 측정을 통해 수화생성물과 기공의 분포를 확인하였으며 레올로지 측정을 통하여 유동성과 재료분리 저항성을 확인하였다.
대상 데이터
- 고성능감수제는 국내 D사의 제품으로 PC, N, L를 사용하였다. 각 타입의 물리적 성질은 Table 4에 나타내었다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 국내 D사의 1종 보통포틀 랜드 시멘트(Ordinary Portland cement : OPC)를 사용하였고 시멘트의 화학적, 물리적 특성은 Table 2에 나타내었다.
- 본 실험에 사용된 잔골재는 수경성시멘트 압축강도 시험용 표준사(KS L 5201)에 의거하여 주문진산 표준사를 사용하였고, SF은 SiO2 함량 92.87(wt%)인 국내 K사의 undensified 타입의 제품을 사용하였으며 그 물리적 성질은 Table 3에 나타내었다.
이론/모형
- 시멘트 모르타르의 응결시간은 KS L 5108(비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결 시간 시험 방법)에 따라 측정하였으며, 수화발열 측정은 물결합재비 0.45로 하여 KYOWA사의 10점식 Data Logger UCAM-60B와 자체 제작한 간이단열식 수화열 측정기를 사용하였다.
- 시멘트 모르타르의 혼합은 KS L 5109(수경성 시멘트 반죽 및 모르타르의 기계적 혼합방법)에 의하여 시멘트 잔골재 물의 비율은 1 : 2.45 : 0.485의 비율로 혼합하였다.
- 시멘트 페이스트의 미세공극분포를 확인하기 위하여 Poremaster33 Quantachrome(USA)을 이용하여 Mercury intrusion porosimetery(MIP) 방법으로 측정하였다.
- 압축강도는 KS L 5105(수경성시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 준하여 실시하였으며, 압축강도 측정은 재령 3, 7, 28일에 실시하였다.
성능/효과
- (1) PC type의 경우 초기 반응성이 빨라 응결시간, 수화반응이 빠르게 나타났으며 초기압축강도는 높으나 장기 재령에서의 압축강도 증진이 작게 나타났다.
- (2) N type의 경우 첨가량이 많아 초기반응성이 느려 응결지연, 수화반응이 느리게 나타났지만 압축강도는 3일 이후 급격히 증진되어 28일 강도가 가장 높게 나타났다. 재령이 경과할수록 기공율이 작아지고, plastic viscosity가 가장 작아 유동성, 재료분리 저항성 등이 우수할 것으로 판단된다.
- (3) L type은 N type와 마찬가지로 초기에는 수화반응이 느리게 나타났으나 재령이 경과할수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 이것은 압축강도 결과와도 일치하며 일반적으로 N과 L type이 존재하면 에트린자이트의 결정립이 약 1/10로 줄어든다고 알려져 있다.13) 재령 14일의 사진을 보면 N과 L type이 PC type보다 C-S-H 수화물 생성이 활발하며, N과 L type이 초기수화는 느리지만 재령이 지남에 따라 수화반응이 활발히 일어나 압축강도에 영향을 미치는 것으로 판단 할 수 있다.
- 그래프를 보면 재령1일에서는 PC type이 다른 타입보다 Ca(OH)2의 intensity가 가장 강하게 나타난 것을 확인 할 수 있으며, 이것은 초기에 가장 수화가 활발하게 일어난 것을 의미하고, N과 L은 intensity가 작은 것으로 보아 초기수화 지연이 일어난 것으로 보인다.6,7) N과 L의 경우 재령이 지남에 따라 peak intensity가 PC보다 강하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었는데 이는 재령이 지날수록 수화반응이 정상적으로 진행되는 결과를 나타내는 것을 의미하며 이는 압축강도의 경향과 일치하였다.
- 9) 재령 1일에는 PC, N, L, P 순으로 미세기공이 많았고, 재령 3일에서는 N, PC, L, P의 순으로 미세기공이 많아진 것을 확인 할 수 있으며 이는 N이 재령이 지남에 따라 수화반응이 더욱 활발하게 진행되는 것으로 판단된다.
- 3에 나타내었다. 그래프 결과와 같이 PC type은 재령 3일에서 가장 높은 강도를 나타내었지만 시간이 지남에 따라 강도증진 효과가 다른 타입들 보다 작게 나타나는 결과를 보였다. N과 L type은 초기강도는 약했지만 각각 3~7일, 7~28일의 재령에서 강도 발현이 크게 증가하는 경향을 보였는데, 이는 재령이 경과할수록 N type과 L type은 수화 초기의 지연 현상을 벗어나 수화가 활발히 진행되기 때문이다.
- 5~18°)의 peak를 비교하여 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 재령1일에서는 PC type이 다른 타입보다 Ca(OH)2의 intensity가 가장 강하게 나타난 것을 확인 할 수 있으며, 이것은 초기에 가장 수화가 활발하게 일어난 것을 의미하고, N과 L은 intensity가 작은 것으로 보아 초기수화 지연이 일어난 것으로 보인다.6,7) N과 L의 경우 재령이 지남에 따라 peak intensity가 PC보다 강하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었는데 이는 재령이 지날수록 수화반응이 정상적으로 진행되는 결과를 나타내는 것을 의미하며 이는 압축강도의 경향과 일치하였다.
- 5의 결과를 보면 동일한 물 시멘트 비에서 PC type의 경우 N, L type 보다 기공율이 적고 미세 pore의 분포가 더 많은 것으로 나타났는데, 이는 PC type의 경우 분산성이 우수하고 수화 시 Ca(OH)2의 생성이 많기 때문인 것으로 판단된다8). 또한 Fig. 5와 Fig. 6을 비교해보면 전체적인 기공분포가 재령이 지남에 따라 미세기공 쪽으로 이동 된 것을 확인 할 수 있는데, 이는 시멘트 내의 수화가 진행됨에 따라 pore 내에 수화물의 생성으로 인한 결과이며 시멘트의 수밀성이 증진됨을 의미한다.9) 재령 1일에는 PC, N, L, P 순으로 미세기공이 많았고, 재령 3일에서는 N, PC, L, P의 순으로 미세기공이 많아진 것을 확인 할 수 있으며 이는 N이 재령이 지남에 따라 수화반응이 더욱 활발하게 진행되는 것으로 판단된다.
- 4) N type의 경우는 시멘트 입자의 분산작용으로 초기에 유동성을 부여하여 작업성을 확보하나 slump loss의 문제점을 가지고 있다. 본 실험에서는 동일한 flow 조건하에 혼화제 사용양을 결정함에 따라 응결시간과 수화반응이 초기에 지연된 것으로 판단되며, PC type 역시 N, L type과 동일한 flow를 기준으로 사용 양을 결정함에 따라 일반적으로 폴리카르본산계 혼화제를 사용했을 때 나타나는 현상 즉, 시멘트 입자 표면에 폴리카르본산계 혼화제는 다수의 에테르 결합(-C-O-C-)을 가지며, 액상중의 분산계에서는 에테르 결합의 산소 외 액상의 물 분자가 강력한 수소결합을 형성하여 친수성의 광대한 입체 보호막을 형성하고 이 입체 보호막은 분산성에 기여하는 것으로 추정된다.5)
- 본 연구는 동일한 flow를 기준으로 고성능감수제 종류별 사용량에 따른 시멘트 수화특성을 검토로 진행되었으며, 그 결과 나프탈렌계 혼화제가 가장 우수하게 나타났다. 따라서 시멘트에 실리카흄을 혼입하여 사용할 경우, 고성능 감수제의 사용량의 결정은 충분한 예비 실험을 통하여 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 7은 Rheology 측정 결과로 plain의 측정치를 100으로 보았을 때 Plastic viscosity와 Yield stress의 정도를 나타낸 것이다. 시멘트에 실리카흄을 혼입한 페이스트의 경우, 고성능감수제 종류에 관계없이 Plastic Viscosity가 감소하였으며 Yield Stress는 증가하였고, N type 경우 Plastic Viscosity가 가장 적게 나타났다. L type과 비교하여 N type의 Plastic Viscosity가 낮은 것은 N계의 경우 첨가량이 많을수록 시멘트의 분산성이 더욱 현저하게 나타나는 것으로 사료되며 이에 따른 결과로 Plastic Viscosity가 L type보다 적게 나타난 것으로 판단된다.
- 2에 나타내었다. 응결시간의 결과와 동일하게 PC type의 경우 plain보다 수화가 빠르게 진행되었지만, N와 L type은 plain보다 수화반응이 지연되는 경향을 나타내었다.
- (2) N type의 경우 첨가량이 많아 초기반응성이 느려 응결지연, 수화반응이 느리게 나타났지만 압축강도는 3일 이후 급격히 증진되어 28일 강도가 가장 높게 나타났다. 재령이 경과할수록 기공율이 작아지고, plastic viscosity가 가장 작아 유동성, 재료분리 저항성 등이 우수할 것으로 판단된다.
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