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문제 정의
- 따라서, 이 연구에서는 지상식 LNG 저장탱크에 적용할 60~80 MPa 고강도 자기충전 콘크리트의 최적배합 조건을 도출하기 위하여, 수화열 저감에 효과적인 저열 포틀랜드 시멘트 및 플라이애쉬(Class F)의 치환에 따른 배합요인별 특성실험을 실시하였으며, 이에 대한 유동성과 점성, 재령별 강도발현, 경제성 등을 분석하여 최적배합 조건을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 고강도 자기충전 콘크리트의 단위수량에 대한 영향을 평가하기 위하여, 단위수량 159~168 kg/m3을 4단계로 나누어 실험을 실시하였다. 이때, 구속수비 실험 결과를 고려하여 플라이애쉬의 치환율 10% 및 물-결합재비에 따른 단위수량별 배합조건은 Table 6과 같다.
- 고강도 자기충전 콘크리트의 요구성능 및 시험방법은 지상식 LNG 저장탱크의 현장조건을 고려하여 일본토목학회 규준(JSCE)7)을 적용하였다. 또한 배합조건의 변수범위는 주로 물-결합재비(4Cases), 단위수량(4Cases) 및 플라이애쉬 치환율(6Cases)을 대상으로 Table 2의 요구성능에 만족하는지를 평가하여 최적배합조건을 도출하였다.
- 여기서, 페이스트의 플로우 시험은 KS R 5201에 준용하지만, 플로우 판에 낙하운동을 가하지 않고 풀로우 콘을 제거한 후, 페이스트의 변형이 종료된 시점에서 2방향의 직경을 측정하였다. 고강도 자기충전 콘크리트의 배합방법 및 배합시간은 Fig.
- 이때, 단위수량은 165 kg/m3로 일정하며, 설계기준강도가 80 MPa인 경우에는 변수별 특성실험에서 가장 우수한 것으로 나타난 플라이애쉬 치환율 10% 및 물-결합재비 25%를 대상으로하고, 설계기준강도 60 MPa 경우에는 플라이애쉬 치환율이 20% 및 물-결합재비가 27%와 30%를 대상으로 각각 5단계로 잔골재율 범위를 정하여 영향을 평가하였다.
- , 플라이애쉬의 치환율 10% 및 물-시멘트비 27%를 대상으로 하였다. 이러한 기본 배합조건을 바탕으로 단위수량(W), 플라이애쉬의 치환율(FA) 및 물-결합재비(W/B)에 대한 요구성능을 각각 실험적으로 검토하였다.
- 이를 위해 단위수량 165 kg/m3일 때, 각각의 플라이애쉬 치환율에 따른 물-결합재비의 영향을 분석하였다.
- 잔골재율(S/a)은 고강도 자기충전 콘크리트의 점성에 영향을 미치기 때문에, 변수별 특성실험에서 선정된 설계기준강도 60 및 80 MPa급 콘크리트에 대하여 Table 8과 같은 배합조건으로 잔골재율의 영향을 평가하였다.
대상 데이터
- 기본 배합조건은 단위수량 165 kg/m3, 플라이애쉬의 치환율 10% 및 물-시멘트비 27%를 대상으로 하였다. 이러한 기본 배합조건을 바탕으로 단위수량(W), 플라이애쉬의 치환율(FA) 및 물-결합재비(W/B)에 대한 요구성능을 각각 실험적으로 검토하였다.
- 5%인 저열 포틀랜드 시멘트(type IV belite cement)를 사용하였으며, 굵은골재는 19 mm 쇄석을, 잔골재는 강모래를 사용하였다. 또한, 수화열 및 경시변화 특성을 고려하여 F급 플라이애쉬(이하 FA)와 액상형 폴리-카르본계 고성능 감수제(이하 HWRA)를 사용하였다.
- 시멘트는 분말도 3,500 cm2/g, 밀도 3.22 g/cm3, C2S 함유량 51.5%인 저열 포틀랜드 시멘트(type IV belite cement)를 사용하였으며, 굵은골재는 19 mm 쇄석을, 잔골재는 강모래를 사용하였다. 또한, 수화열 및 경시변화 특성을 고려하여 F급 플라이애쉬(이하 FA)와 액상형 폴리-카르본계 고성능 감수제(이하 HWRA)를 사용하였다.
이론/모형
- 고강도 자기충전 콘크리트의 요구성능 및 시험방법은 지상식 LNG 저장탱크의 현장조건을 고려하여 일본토목학회 규준(JSCE)7)을 적용하였다. 또한 배합조건의 변수범위는 주로 물-결합재비(4Cases), 단위수량(4Cases) 및 플라이애쉬 치환율(6Cases)을 대상으로 Table 2의 요구성능에 만족하는지를 평가하여 최적배합조건을 도출하였다.
- 콘크리트의 유동성 및 재령별 압축강도 시험방법은 KS 및 JSCE규준에 따라 실시하였으며, 플라이애쉬의 치환율에 따른 구속수비(βP) 평가시험은 Fig. 1과 같다.
성능/효과
- 1) 플라이애쉬의 구속수비 실험 결과, 플라이애쉬 치환율이 10% 범위에서 유동성 개선에 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 2) 단위수량 165 kg/m3의 범위에서 슬럼프플로우 및 500 mm 플로우 도달시간, 그리고 압축강도 발현이 안정적인 것으로 나타났다.
- 3) 고강도 자기충전 콘크리트의 유동성, 점성 및 압축강도를 고려하면, 설계기준강도 80 MPa는 플라이애쉬 치환율 10%, 설계기준강도 60 MPa의 경우에는 치환율 20%가 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 4) 설계기준강도 80 MPa의 경우에는 최적 물-결합재비 25%, 60 MPa의 경우에는 27%와 30%가 적합한 것으로 나타났다. 또한, 고강도 자기충전 콘크리트의 잔골재율은 51 ± 2% 범위가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 5) 경제성 분석 결과, 기존의 설계기준강도 40 MPa에 비해 강도범위는 1.5~2.0배 상승하지만, 재료비는 1.14~1.33배 증가하였으며, 이 외에도 고강도 자기충전 콘크리트의 다짐작업 생략에 따른 노무비 절감, 품질관리 및 현장 소음절감 등의 효과가 있을것으로 사료된다.
- 500 mm 플로우 도달시간의 결과를 보면, 단위수량이 증가할수록 유동성의 증대와 맞물림 저항의 감소로 도달시간이 감소하는 경향을 나타내었지만, 단위수량 162 kg/m3이상에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
- Fig. 17에서 보듯이 플라이애쉬 치환율이 20%일 경우에도 물-결합재비가 증가할수록 재령별 압축강도는 감소하는 것으로 나타났으며, 설계기준강도 60 MPa을 만족하는 물-결합재비는 27~30%가 가장 경제적인 배합조건으로 사료된다. 참고로, 플라이애쉬 치환율이 30%의 경우에는 이 연구의 설계기준강도 조건을 만족하지 않았다.
- 따라서 굳지 않은 콘크리트의 성상에서 볼 때, 고강도 자기충전 콘크리트의 플라이애쉬 최적 치환율은 20% 이내가 바람직할 것으로 사료된다.
- 12에서 보듯이 플라이애쉬 치환율이 20%일 때, 28일 압축강도가 91일 압축강도의 75~84%로 나타났으며, 재령 28일 이후의 강도증가율은 평균 20%로 나타났다. 따라서, 설계기준강도 60 MPa을 만족하는 배합조건은 물-결합재비 25~30%의 범위로 나타났다.
- 반면에 Table 5에 나타난 바와 같이 변형계수는 10%까지 증가하지만 15~20%에서는 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 유동성 개선 및 구속수비의 저감을 기대할 수 있는 플라이애쉬의 치환율은 10% 범위가 가장 적합할 것으로 사료된다.8)
- 따라서, 이 연구에서 제시하는 최적배합조건은 Table 9와 같이 설계기준강도 80 MPa의 최적 배합조건은 플라이애쉬 치환율 10%, 물-결합재비 25%이며, 60 MPa의 경우에는 플라이애쉬 치환율 20%, 물-결합재비 27~30%가 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 따라서, 플라이애쉬 치환율이 15%이상에서는 설계기준강도 60 MPa의 경제적 배합조건을 검토하는 것이 바람직하다.
- 일 때, 플라이애쉬의 치환율이 증가할수록 슬럼프플로우가 증가하는 경향을 보였지만, 치환율 30%에서는 약간 저하되는 것으로 나타났다. 또한, Fig. 8에서 보듯이 500 mm 플로우 도달시간은 플라이애쉬의 치환율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 물-결합재비에 따라서 약간의 차이는 있지만, 플라이애쉬의 사용으로 유동성의 증진 및 점성이 개선되는 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 또한, 고강도 자기충전 콘크리트의 잔골재율은 51 ± 2% 범위가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 22배 증가하였다. 또한, 설계기준강도 80 MPa의 경우에는 압축강도가 2.0배 증가한 반면에 재료비는 1.33배 증가는 것으로 나타났다. 특히, 재료비의 절감 외에도 현장에서 다짐작업을 하지 않기 때문에 발생하는 노무비 절감이나 현장 품질관리의 용이성 및 소음절감 등에 따른 경제적인 효과도 비교적 클 것으로 사료된다.
- 슬럼프플로우는 물-결합재비 33%를 제외하면 거의 차이가 없는 것으로 나타났으나, Fig. 14에서 보듯이 500 mm 플로우 도달시간은 물-결합재비가 증가할수록 감소하는것으로 나타났는데, 이는 물-결합재비가 증가할수록 점성이 감소되기 때문으로 사료된다.
- 실험 결과 물-결합재비가 30%인 경우에 잔골재율이 증가할수록 슬럼프플로우가 약간 감소하는 경향을 보였다. 그러나 500 mm 플로우 도달시간은 경시변화에 따라 점성의 차이가 증가되는 현상을 나타내었다.
- 실험 결과, Fig. 15에서 보듯이 플라이애쉬 치환율이 10%일 때 물-결합재비가 증가할수록 재령별 압축강도는 감소하는 것으로 나타났다. 이 연구에서 설정한 설계기준강도 80 MPa의 고강도 자기충전 콘크리트를 만족하는 물-결합재비는 25~27%의 범위로 나타났다.
- 실험 결과, 단위수량 165 kg/m3일 때, 플라이애쉬의 치환율이 증가할수록 슬럼프플로우가 증가하는 경향을 보였지만, 치환율 30%에서는 약간 저하되는 것으로 나타났다. 또한, Fig.
- 실험 결과, 동일한 물-결합재비와 플라이애쉬 치환율의 조건에서 단위수량이 증가할수록 슬럼프플로우는 약간 증가하는 경향을 보였는데, 이는 단위수량이 낮을수록 전체 페이스트량이 감소하는 반면에, 골재량의 증대로 인한 점성저하 및 골재의 맞물림 저항에 의한 것으로 사료된다.
- 실험 결과, 슬럼프플로우는 잔골재율에 관계없이 관리기준(650 ± 50 mm)을 만족하였으며, 500 mm 플로우 도달시간은 잔골재율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
- 실험 결과, 슬럼프플로우는 잔골재율의 영향이 크지 않았지만, 500 mm 플로우 도달시간은 잔골재율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 즉, 잔골재율이 증가할수록 잔골재의 전체표면적이 증대되고 이를 감싸줄 결합재량이 많이 필요하기 때문에 골재의 입자간에 존재하는 잉여 페이스트량의 감소에 따른 콘크리트의 점성이 감소된 것으로 사료된다.
- 실험 결과, 플라이애쉬의 치환율 10%까지는 구속수비가 감소하지만, 15~20%에서는 약간 증가하는 경향을 보였다. 여기서, 구속수비가 크다는 것은 시멘트-페이스트의 유동성에 기여하지 못하고 시멘트 입자에 흡착되는 수량이 큰 것을 의미한다.
- 15에서 보듯이 플라이애쉬 치환율이 10%일 때 물-결합재비가 증가할수록 재령별 압축강도는 감소하는 것으로 나타났다. 이 연구에서 설정한 설계기준강도 80 MPa의 고강도 자기충전 콘크리트를 만족하는 물-결합재비는 25~27%의 범위로 나타났다.
- 8에서 보듯이 500 mm 플로우 도달시간은 플라이애쉬의 치환율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 물-결합재비에 따라서 약간의 차이는 있지만, 플라이애쉬의 사용으로 유동성의 증진 및 점성이 개선되는 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 특히, 플라이애쉬 치환율은 20%로 유동성 증대로 인한 점성의 차이가 감소하는 것으로 나타났으며, 대부분의 500 mm 플로우 도달시간 실험 결과도 관리기준(7 ± 3sec)을 만족하였다.
- 따라서, 재령 28일 압축강도를 설계기준강도로 보고 이를 만족하는 배합조건을 선정하는 방안이 바람직할 것으로 사료된다. 플라이애쉬 치환율이 10%일 때, 설계기준강도 80 MPa를 만족하는 물-결합재비는 25~27%범위로 나타났다.
- 플라이애쉬 치환율이 15%인 Fig. 11에서 보면, 28일 압축강도가 91일 압축강도의 75~83%로 나타났으며, 재령 28일 이후의 강도증가율은 평균 25%로 매우 높게 나타났다. 그러나 28일 압축강도를 설계기준강도로 볼 때, 설계기준강도 80 MPa을 만족하는 배합조건은 없으며, 설계기준강도 60 MPa을 만족하는 배합조건은 물-결합재비30%이하인 것으로 나타났다.
후속연구
- 기존 10만~14만 kl급 지상식 LNG 저장탱크에 적용한 설계기준강도 40 MPa의 콘크리트를 60 MPa 및 80 MPa 고강도 및 자기충전형 콘크리트로 적용하게 되면, 내벽두께와 탱크자중의 감소에 따른 콘크리트의 타설량 및 지지말뚝의 타입수도 줄일 수 있을 뿐만 아니라 콘크리트의 타설작업에 따른 인력절감과 경제성 확보, 그리고 품질관리의 효율성을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.4,5)
- 따라서, 재령 28일 압축강도를 설계기준강도로 보고 이를 만족하는 배합조건을 선정하는 방안이 바람직할 것으로 사료된다. 플라이애쉬 치환율이 10%일 때, 설계기준강도 80 MPa를 만족하는 물-결합재비는 25~27%범위로 나타났다.
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