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문제 정의
- 60일지라도 안정된 강도 발현성 및 세공구조를 치밀하게 할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다. 따라서, 이 장에서는 장기강도 발현성의 기대치가 가장 낮았던 수중양생(평균 수온: 20℃)을 실시한 W/C = 0.60 배합 공시체를 조건으로 장기강도의 개선방안에 대하여 검토하였다.
- 이 연구에서는 EC의 장기강도특성을 파악하고 동시에 강도 개선 방안에 대하여 검토하였으며, 이 연구에서 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- W/C비 변화에 따른 에코시멘트 콘크리트의 압축강도 및 세공구의 관계를 검토하기 위하여 시멘트 종류별 W/C를 30%, 45%, 60%로 설정하고, 20 ± 2℃인 수중에서 7, 28, 90, 180, 360일간 양생한 후 압축강도 및 수은압입법 (mercury intrusion porosimetry) 시험을 실시하였다.
- 여기서, 세공경은 Table 4와 같다. 다만, 500 nm이상의 기포에 대해서는 재령 경과에 따른 용적 분포 변화가 미소하였기 때문에 이 논문에서는 3.5~500 nm 영역에서 고찰하였다.
- Table 5는 실험 요인 및 수준을 나타낸 것이고, Table 6은 콘크리트 배합을 나타낸 것이다. 시멘트 종류는 EC를 기본으로 OPC를 혼화재로 가정하여 내할치환 하는 것으로 하였으며, 배합 및 굳지 않는 콘크리트의 실험 조건, 목표 슬럼프 등과 경화후의 측정 항목은 앞서와 동일한 조건으로 하였다.
- 시험체는 40 × 40 × 160 mm로 하고, KS L ISO 679「시멘트의 물리 시험 방법」에 따라 비빔한 후 테이블 진동기를 이용하여 성형하였으며, 7, 28, 91, 180일간 수중양생을 실시한 후 압축강도를 측정하였다.
- 압축강도 시험 후의 모르타르 파편에서 직경 3 mm정도의 입자를 약 2.0 g(측정 1회분) 채취하여 3일간의 진공 건조 후에 수은압입법으로 세공경 분포를 측정하였다. 측정 회수는 1시료에 2회 실시하였으며, 이 연구에서 측정한 세공경 분포는 모두 같은 조건으로 실시하였다.
- 5%, 60%로 높게 설정하여, 수중·기중양생의 양생조건을 설정하였다. 여기서, 기중양생 공시체는 초기 건조균열을 방지하기 위해 재령 7일 동안 수중양생한 후, 목표재령까지 양생실에서 기중양생(평균 기온 17℃, 평균 습도 65%)을 실시하였다.
- 이 장에서는 EC의 일부분을 플라이애쉬(FA)로 내할치환하여 사용함으로써 장기강도 개선 및 조기재령 강도발현 향상 가능성에 대하여 검토 하였으며, FA의 초기강도 활성화에 관한 연구 결과7)를 토대로 일반 FAII 및 활성화 FA치환이 강도 특성 및 세공구조에 미치는 영향에 대해 검토하였다.
- 이러한 경향을 보다 명확히 하고자 이 실험에서는 W/C를 45%, 52.5%, 60%로 높게 설정하여, 수중·기중양생의 양생조건을 설정하였다.
- 0 g(측정 1회분) 채취하여 3일간의 진공 건조 후에 수은압입법으로 세공경 분포를 측정하였다. 측정 회수는 1시료에 2회 실시하였으며, 이 연구에서 측정한 세공경 분포는 모두 같은 조건으로 실시하였다.
- 콘크리트는 슬럼프 및 공기량을 각각 180 ± 25 mm, 4.5 ± 1.5%, 모르타르는 플로값 및 공기량을 각각 200 ± 30 mm, 5.5 ± 1.5%가 되도록 혼화제를 첨가하였다.
대상 데이터
- 콘크리트는 ∅100 × 200 mm, 모르타르는 ∅50 × 100 mm로 압축강도용 공시체를 제작한 후 KS F 2405에 따라서 측정하였다.
성능/효과
- 1) 재령 28일의 EC 콘크리트 및 모르타르의 압축강도는 동일 W/C의 OPC보다 약 10%정도 작은 것으로 나타났다. 이것은 EC에 10 nm이상의 비교적 큰 세공이 많은 것에 기인한 결과로 분석된다.
- 2) 양생조건별 강도증진성상으로 수중양생의 경우 OPC에 비해 EC의 압축강도 증진은 장기재령이 될수록 작아지는 것으로 나타났다. 이것은 장기재령에 있어서 높은 W/C, 시료 내부의 10 nm이상의 조잡한 세공이 감소하지 않는 것에 의한 결과로 분석되며, 특히, W/C = 0.
- 3) EC 일부를 OPC로 치환하는 것으로써 재령 28일의 압축강도 및 장기강도의 증진은 OPC 치환율에 비례해 개선되는 것으로 나타났다.
- 4) EC 일부를 FA로 치환함으로써, 장기강도를 확보할 수 있었고, 나아가 FA7000으로 치환할 경우보다 효과적으로 장기강도가 향상될 뿐만 아니라 초기강도의 저하 억제에도 효과적인 것으로 나타났다.
- 5) EC 일부를 OPC 및 FA로 치환사용할 경우 OPC처럼 장기재령에 걸쳐 세공구조가 치밀해지며, 내부 구조가 치밀해지는 효과로 인해 장기강도 개선을 기대할 수 있었다.
- 6) 이상을 종합해 볼 때 EC를 사용할 때는 목표 워커 빌리티를 확보할 수 있는 범위에서 W/C를 가능한 작게 하는 것이 바람직하고, 장기적인 계획을 요구하는 건축물과 같이 내구성이 중요시되는 경우에는 W/C를 45%이하로 설정하는 대책이 필요할 것으로 사료된다. 아울러, OPC 및 FA7000치환으로 안정적인 장기강도를 기대할 수 있었다.
- 7)모르타르에의한 강도 시험 방법은 KS L 5405 부속서 A 「플라이애쉬 모르타르의 플로 값 및 활성도 지수의 시험방법」을 만족하도록 W/C는 50%, FA 치환율은 시멘트 질량비로 25% (wt.%)로 결정하였다. 시험체는 40 × 40 × 160 mm로 하고, KS L ISO 679「시멘트의 물리 시험 방법」에 따라 비빔한 후 테이블 진동기를 이용하여 성형하였으며, 7, 28, 91, 180일간 수중양생을 실시한 후 압축강도를 측정하였다.
- 이는 FA7000을 치환 사용함으로써 시험체 내부에 존재하는 조잡한 세공을 감소시켜 준 것에 기인한 결과를 판단된다.8)또한, 재령 28일 이후의 세공경 분포의 경우 FAII 및 FA 7000으로 일부 치환한 공시체는 EC단독과 비교해 50~500 nm영역의 감소가 뚜렷해 지는 것으로 나타났으며, 50 nm이상의 세공량에 대해서도 EC단독보다 현저히 적어지는 경향을 나타내었다. 이것은 FAII 및 FA7000 치환사용에 따른 장기강도 개선 효과로 사료된다.
- 14는 전체 재령에 걸친 모르타르의 압축강도와 세공량의 관계를 나타낸 것이다. EC 및 FA치환 모두 압축 강도는 세공량이 감소함에 따라 증가하는 경향이 나타났다. EC단독을 제외한 FA치환 공시체의 압축강도와 세공량의 관계는 재령, FA 미분쇄 여부 및 자극제 사용과 상관없이 음의 상관관계를 나타내었다.
- EC 및 FA치환 모두 압축 강도는 세공량이 감소함에 따라 증가하는 경향이 나타났다. EC단독을 제외한 FA치환 공시체의 압축강도와 세공량의 관계는 재령, FA 미분쇄 여부 및 자극제 사용과 상관없이 음의 상관관계를 나타내었다.
- 1(a)의 경우 EC는 동일 W/C의 OPC보다 압축강도가 작고, 재령 28일 이후에서는 EC의 압축강도 증진이 OPC보다 작아지는 결과로 나타났다. W/C = 0.30의 경우 EC 및 OPC 모두 거의 유사한 장기강도 증진 현상을 확인할 수 있지만 W/C = 0.45에서는 일정한 압축강도를 유지한 채로 재령이 경과하였고, W/C = 0.60에서는 재령 90일 이후에서 압축강도가 저하하는 현상을 확인할 수 있었다. 더욱이, 재령 360일의 압축강도는 재령 28일의 압축강도보다 작아져 재령 7일과 동일한 정도의 압축강도까지 감소하는 현상을 나타내었다.
- 이러한 이유가 복합적으로 작용하여 EC의 수화물은 OPC의 수화물과 비교해 강도가 낮고, 수화물간의 공극을 충전시키지 못하여 10 nm이상의 비교적 조잡한 세공량이 많으며, 수용성의 성질이 강할 것이라 판단된다. 결과적으로 수중양생을 실시시킴으로써수화물 성분이 용출된6) 만큼의공극이 생성되거나 세공량이 증가하였고, 더욱이 이러한 용출현상은 조잡한 세공이 많은 W/C = 0.60 EC의 경우에 가장 현저했을 가능성이 있다.
- 60에서는 장기강도 저하 및 세공량 증대가 확인되었다. 기중양생의 경우 W/C에 상관없이 EC에서도 OPC와 같이 장기강도 증진 및 세공량 감소가 확인되었다.
- 그러나, EC 일부분을 FAII 및 FA7000으로 치환했을 경우 포졸란 반응에 의해 재령 28일 이후의 강도 증진이 뚜렷하였다. 더욱이 FAII로 일부 치환한 시험체에 비해 FA7000으로 치환한 시험체에서 압축강도 개선 효과가 뚜렷하였다. FA7000치환의 경우 재령 180일에는 EC단독보다 약 19 MPa정도 높은 강도 성상을 나타내었다.
- 이것은 LCP가 시간의 경과에 따라 SCP로 이동한 것을 의미한다. 더욱이, LCP영역인 50~500 nm의 세공량이 현저하게 감소하는 경향이 나타났는데, 이러한 결과로, FAII 및 FA7000치환의 경우에는 장기강도의 증진을 확보할 수 있을 것으로 사료된다. 아울러 FA치환의 특징으로는 초기재령에서 10~20 nm의 세공량이 현저하게 많은 경향이 있었지만 이 영역의 세공량도 재령의 경과에 따라 감소하였다.
- 모르타르의 경우도 콘크리트와 유사한 경향을 나타내었다. 더욱이, 재령 28일 이후의 장기 재령에 대해서도 OPC의 치환에 의해 압축강도의 발현성이 향상하는 것으로 나타나 장기강도 저하 억제에 효과적일 것으로 사료되며, 효과 성능은 OPC 치환율이 높을수록 명확하게 나타났다.
- 또한, 재령 28일의 압축강도를 보면 FAII치환의 경우 EC단독보다 압축강도가 약 11 MPa 작은 결과가 나타나, FA치환에 따른 초기강도 저하라는 문제점이 확인되었다. 한편, FA7000치환의 경우 EC단독에 비해 압축강도가 약 2~3 MPa정도 작아지는 결과가 나타나, FA7000치환은 초기강도의 저하 억제에도 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
- 반면, EC의 경우 100 nm 이상의 LCP 세공량이 시간 경과에 따라 약간 감소하는 추세이나 OPC에 비교하면 현저히 떨어지는 수준이 확인되었다. 또한, 주목할 만한 점은 OPC에서는 나타나지 않은 50~100 nm의 세공량이 비정상적으로 증가되었다. 이러한 LCP영역 세공량의 증가는 장기재령에서 압축강도가 감소하는 현상의 원인으로 추측할 수 있다.
- 수중양생과는 달리 기중양생의 경우에는 높은 W/C의 EC에서도 재령의 경과에 따라 세공량이 감소하는 경향이 확인되었다. 즉, 높은 W/C의 EC에 수중양생을 실시한 경우, 10 nm이상의 조잡한 세공의 감소율이 OPC보다 적고, 심지어 재령의 경과와 함께 세공량이 증가하는 현상이 확인되었다.
- 재령 28일 이후의 장기재령에 있어서 압축강도의 발현성은 양생조건에 따라 상이한 경향을 나타내었다. 수중양생을 실시한 EC의 경우, 앞에서의 결과와 마찬가지로 강도발현이 정체한 것에 반해, 기중양생의 경우에는 EC에서도 OPC와 동일수준의 안정적인 장기강도발현이 확인되었다.
- 6) 이상을 종합해 볼 때 EC를 사용할 때는 목표 워커 빌리티를 확보할 수 있는 범위에서 W/C를 가능한 작게 하는 것이 바람직하고, 장기적인 계획을 요구하는 건축물과 같이 내구성이 중요시되는 경우에는 W/C를 45%이하로 설정하는 대책이 필요할 것으로 사료된다. 아울러, OPC 및 FA7000치환으로 안정적인 장기강도를 기대할 수 있었다.
- ), 목표 슬럼프, 플로값 그리고 공기량은 Table 2와 동일하게 설정하였다. 앞서의 연구 결과에서와 같이 EC는 OPC보다 압축강도가 낮고, EC의 압축강도 증진은 장기재령이 될수록 작아지는 경향을 나타내었다. 특히, W/C = 0.
- 이러한 결과를 미루어 볼 때, EC와 OPC의 강도 특성 차이는 낮은 W/C에서는 미미하고 W/C가 높을수록 차이가 뚜렷해지는 경향이 있다.
- 또한, 저밀도 C-S-H는 초기재령에서 고밀도 C-S-H는 장기재령에서 생성된다고 보고5)되고 있어 EC의 경우 초기재령에서 저밀도 C-S-H를 생성시키고 장기재령에서 수화반응이 이루어지지 않아 고밀도 C-S-H를 생성시키지 못했을 가능이 있다. 이러한 이유가 복합적으로 작용하여 EC의 수화물은 OPC의 수화물과 비교해 강도가 낮고, 수화물간의 공극을 충전시키지 못하여 10 nm이상의 비교적 조잡한 세공량이 많으며, 수용성의 성질이 강할 것이라 판단된다. 결과적으로 수중양생을 실시시킴으로써수화물 성분이 용출된6) 만큼의공극이 생성되거나 세공량이 증가하였고, 더욱이 이러한 용출현상은 조잡한 세공이 많은 W/C = 0.
- 한편, E + O(25) 및 E+O(50)에서는 안정된 세공량의 감소가 확인되었다. 즉, OPC로 일부 치환함으로써 세공량은 OPC와 동등하게 감소하였으며, 이러한 결과가 압축강도 증진의 요소로 작용하였을 것으로 판단된다. 또한, 이에 대한 메커니즘으로는 현시점에서는 불분명하지만, EC의 수화반응에 의해 생성된 수화물이 OPC의 수화반응에 의해 생성된 수화물에 피복되어 EC의 수화물이 용출하는 것을 억제하였을 가능성이 있다.
- 수중양생과는 달리 기중양생의 경우에는 높은 W/C의 EC에서도 재령의 경과에 따라 세공량이 감소하는 경향이 확인되었다. 즉, 높은 W/C의 EC에 수중양생을 실시한 경우, 10 nm이상의 조잡한 세공의 감소율이 OPC보다 적고, 심지어 재령의 경과와 함께 세공량이 증가하는 현상이 확인되었다. 현시점에서 높은 W/C의 EC에 조잡한 세공량이 많은 원인으로는 다음과 같은 사항을 들 수 있다.
- EC 및 OPC를 비교하면 EC의 총세공량 및 10 nm이상의 세공량이 OPC보다 많은 것을 알 수 있다. 특히, W/C = 0.60의 EC의 경우 재령이 경과함에 따라 10 nm이상의 세공량이 증가하는 현상이 나타났으며, 장기재령에서 압축강도가 저하한 것을 고려하면 EC의 장기강도 정체는 재령 경과에 따른 세공량의 증가 현상에 기인한 것으로 판단된다.
- 또한, 재령 28일의 압축강도를 보면 FAII치환의 경우 EC단독보다 압축강도가 약 11 MPa 작은 결과가 나타나, FA치환에 따른 초기강도 저하라는 문제점이 확인되었다. 한편, FA7000치환의 경우 EC단독에 비해 압축강도가 약 2~3 MPa정도 작아지는 결과가 나타나, FA7000치환은 초기강도의 저하 억제에도 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 앞에서의 결과를 토대로 분석해 볼 때, 높은 W/C의 EC는 재령 28일의 강도가 최대 포텐셜 강도인 것을 고려하여 소정의 워커빌리티를 확보할 수 있는 범위에서는 W/C를 작게 하여 강도 저하의 위험성을 줄일 필요가 있다. 그러나, 현재 양생 조건에 따른 장기강도의 발현에 대한 메커니즘이 명확하지 않기 때문에 실제 콘크리트 구조물용 재료로써 사용하기에는 다소 위험의 소지가 남아 있다.
- EC를 콘크리트용으로 사용하기 위해서는 근본적인 장기강도의 개선이 필요하다. 즉, W/C = 0.60일지라도 안정된 강도 발현성 및 세공구조를 치밀하게 할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다. 따라서, 이 장에서는 장기강도 발현성의 기대치가 가장 낮았던 수중양생(평균 수온: 20℃)을 실시한 W/C = 0.
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