메타카올린 및 실리카퓸의 혼입이 고강도 콘크리트의 압축강도와 염소이온 투과에 미치는 영향에 관한 통계적 가설검증 The Statistical Hypothesis Verification to Influence of Addition of Metakaolin and Silica Fume on Compressive Strength and Chloride Ion Penetration of High Strength Concrete원문보기
메타카올린은 고령토나 카올린으로 알려진 카올린 광물의 풍화물로, 도자기 산업에 주로 사용되는 원료로, 일반적으로 메타카올린의 입자 크기는 시멘트보다는 작지만, 마이크로 실리카퓸보다는 크다. 본 연구에서는 콘크리트용 혼화재로 메타카올린을 사용한 콘크리트의 압축강도와 염소이온 투과저항 특성에 관한 영향에 관해 조사하였다. 메타카올린과 실리카퓸의 혼입률이 압축강도와 염소이온 투과저항에 주는 영향을 비교하기 위해 물-결합재비를 30%로 고정하고 각각 0, 5, 10, 15, 20%인 배합수준을 설정하여 비교하였다. 연구결과 메타카올린을 혼입한 콘크리트는 실리카퓸을 혼입한 콘크리트와 유사한 강도특성을 보였지만, 염소이온 투과저항성은 다소 불리한 것으로 나타났다. 따라서, 강도와 염소이온 투과저항 성능을 동시에 만족하기 위한 메타카올린의 혼입률은 10% 정도인 것으로 나타났다.
메타카올린은 고령토나 카올린으로 알려진 카올린 광물의 풍화물로, 도자기 산업에 주로 사용되는 원료로, 일반적으로 메타카올린의 입자 크기는 시멘트보다는 작지만, 마이크로 실리카퓸보다는 크다. 본 연구에서는 콘크리트용 혼화재로 메타카올린을 사용한 콘크리트의 압축강도와 염소이온 투과저항 특성에 관한 영향에 관해 조사하였다. 메타카올린과 실리카퓸의 혼입률이 압축강도와 염소이온 투과저항에 주는 영향을 비교하기 위해 물-결합재비를 30%로 고정하고 각각 0, 5, 10, 15, 20%인 배합수준을 설정하여 비교하였다. 연구결과 메타카올린을 혼입한 콘크리트는 실리카퓸을 혼입한 콘크리트와 유사한 강도특성을 보였지만, 염소이온 투과저항성은 다소 불리한 것으로 나타났다. 따라서, 강도와 염소이온 투과저항 성능을 동시에 만족하기 위한 메타카올린의 혼입률은 10% 정도인 것으로 나타났다.
Metakaolin is a dehydroxylated form of the clay mineral kaolinite. Rocks that are rich in kaolinite are known as china clay or kaolin, traditionally used in the manufacture of porcelain. The particle size of metakaolin is smaller than cement particles, but not as fine as silica fume. This paper inve...
Metakaolin is a dehydroxylated form of the clay mineral kaolinite. Rocks that are rich in kaolinite are known as china clay or kaolin, traditionally used in the manufacture of porcelain. The particle size of metakaolin is smaller than cement particles, but not as fine as silica fume. This paper investigates the effect of the concrete containing metakaolin as a mineral admixture on the compressive strength and resistance properties to chloride ion penetration. In this study, the experiment was carried out to investigate and analyze the influence of replacement ratio of metakaolin and micro silica fume on the compressive strength and chlorine ion penetration resistance of concrete. All levels were water/binder ratio 30%, replacement ratio of metakaolin and silica fume were 0, 5, 10, 15, 20% respectively. The compressive strength of concrete using metakaolin tends to increase, as the replacement ratio increases but the chlorine ion penetration resistance was not so as lager as silica fume concrete. Therefore, the optimum mixing ratio of metakaoline to satisfy a properties of compressive strength and chlorine ion penetration resistance was was approximately10%.
Metakaolin is a dehydroxylated form of the clay mineral kaolinite. Rocks that are rich in kaolinite are known as china clay or kaolin, traditionally used in the manufacture of porcelain. The particle size of metakaolin is smaller than cement particles, but not as fine as silica fume. This paper investigates the effect of the concrete containing metakaolin as a mineral admixture on the compressive strength and resistance properties to chloride ion penetration. In this study, the experiment was carried out to investigate and analyze the influence of replacement ratio of metakaolin and micro silica fume on the compressive strength and chlorine ion penetration resistance of concrete. All levels were water/binder ratio 30%, replacement ratio of metakaolin and silica fume were 0, 5, 10, 15, 20% respectively. The compressive strength of concrete using metakaolin tends to increase, as the replacement ratio increases but the chlorine ion penetration resistance was not so as lager as silica fume concrete. Therefore, the optimum mixing ratio of metakaoline to satisfy a properties of compressive strength and chlorine ion penetration resistance was was approximately10%.
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문제 정의
한편 고강도 및 고성능 콘크리트 제조에서 주로 이용되는 실리카퓸은 여러 가지로 콘크리트의 성능개선에 기여함은 익히 알려져 있으며, 특히 강도 및 화학적 내구성 등이 우수한 특성을 가지고 있는 재료이다. 그러나 이러한 우수한 공학적 특성에도 불구하고 대부분의 양을 해외에서 수입하며, 그 수입 가격 역시 다른 혼화재에 비해 상대 적으로 고가이므로 콘크리트의 제조원가를 상승시키는 혼화재라는 근본적인 단점을 가지고 있으므로, 본 연구에서는 실리카퓸의 대체제로서의 메타카올린의 가능성을 검토하였다.
향후 메타카올린에 관한 심층적인 연구를 통해 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트, 프리캐스트 구조체, 특수 시멘트 및 보수 보강 모르타르 등의 영역에서도 적극적인 활용이 기대된다. 다만, 메타카올린은 실리카퓸과 구성성분 및 반응이 다르며, 필러효과 역시 다르므로 전혀 다른 혼화재로 분류할 수 있으므로, 본 연구에서는 압축강도 특성과 염소이온 투과저항성의 상호 비교로 연구 범위를 국한하였음을 다시 한 번 밝힌다.
본 연구에서 시뮬레이션 하려는 대상은 콘크리트 표준 시방서 규정상 고강도 영역의 콘크리트에 해당하는 설계 기준강도 40MPa 이상의 압축강도를 가진 콘크리트로, 이러한 고강도 콘크리트의 제조 및 시공에는 무기계 혼화재로 실리카퓸의 사용이 거의 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 전술한 메타카올린이 고가의 실리카퓸의 대체재로서의 가능성이 있는지를 평가하기 위해, 실리카퓸과 메타카올린을 각각 혼입한 배합변수를 상호 비교하였다. 메타카올린 및 실리카퓸을 혼입한 콘크리트의 강도특성 및 염소이온 투과저항성에 관한 기초 특성을 파악하기 위한 본 연구의 실험계획은 Table 2와 같다.
가설 설정
비교하려 하는 집단들의 평균이 같다고 할 수 있는가를 알아보기 위해서는 각 집단들로부터 표본을 얻고 그 표본들의 표본평균 값들이 얼마나 큰 차이가 나는지를 구해보면 될 것이다. 얻어진 표본평균의 값들이 비슷하면 모집단들의 평균들은 같다고 할 것이고, 크게 차이가 나면 모집단들의 평균들이 모두 같다고 할 수는 없을 것이다. 이러한 분산분석의 문제를 해결하기 위한 전제조건은, 집단들이 서로 독립이고 각 집단에서 자료들은 정규분포하며, 일정한 분산을 갖는다는 것이다.
제안 방법
물-결합재비와 잔골재율(S/a)을 각각 30%와 37%로 고정하여 콘크리트를 배합하였다. 물-결합재비가 낮은 고강도 배합이므로 유동성을 확보하기 위해 고유동화제를 후첨가하여 배합을 실시하였다. 콘크리트는 실험실에서 강제식 믹서를 사용하여 배합을 실시하였으며, 공시체는 상대습도 50%의 양생실에서 1일 양생후 항온조건으로 수중양생을 실시하였다.
물-결합재비와 잔골재율(S/a)을 각각 30%와 37%로 고정하여 콘크리트를 배합하였다. 물-결합재비가 낮은 고강도 배합이므로 유동성을 확보하기 위해 고유동화제를 후첨가하여 배합을 실시하였다.
콘크리트용 혼화재로서 메타카올린의 혼입이 콘크리트의 압축강도 및 염소이온 투과 저항성에 미치는 영향을 실리카퓸 혼입 콘크리트와 비교 연구하였다. 연구 결과 메타카올린은 실리카퓸을 대체할 혼화재료로서의 가능성이 크지만, 굳지 않은 콘크리트의 성상 중 유동성 저하가 단점이 되어 혼화제의 사용이 필수적임을 확인하였으며, 압축강도와 염소이온 투과저항성에 미치는 영향을 통계적 가설검증 방법에 의해 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
콘크리트 압축강도는 직경 Φ100× 200mm 공시체를 제작하여 1일 후 탈형하였으며, KS 규정에 적합한 항온 양생수조에서 표준양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 14일, 28일 및 56일에서 KS F 2405에 의하여 측정하였다. 제작한 공시체는 실험 전까지 규정 온도의 범위를 만족하는 항온수조에 수중양생을 시킨 후 최대용량 200t의 강도시험기로 시험재령에서 동일 시편 9개씩에 대해 강도시험을 실시하였다. 시험시 압축강도 시험기의 가력 속도는 응력도의 증가율이 매초 0.
콘크리트 압축강도는 직경 Φ100× 200mm 공시체를 제작하여 1일 후 탈형하였으며, KS 규정에 적합한 항온 양생수조에서 표준양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 14일, 28일 및 56일에서 KS F 2405에 의하여 측정하였다.
물-결합재비가 낮은 고강도 배합이므로 유동성을 확보하기 위해 고유동화제를 후첨가하여 배합을 실시하였다. 콘크리트는 실험실에서 강제식 믹서를 사용하여 배합을 실시하였으며, 공시체는 상대습도 50%의 양생실에서 1일 양생후 항온조건으로 수중양생을 실시하였다.
콘크리트용 혼화재로서 메타카올린의 혼입이 콘크리트의 압축강도 및 염소이온 투과 저항성에 미치는 영향을 실리카퓸 혼입 콘크리트와 비교 연구하였다. 연구 결과 메타카올린은 실리카퓸을 대체할 혼화재료로서의 가능성이 크지만, 굳지 않은 콘크리트의 성상 중 유동성 저하가 단점이 되어 혼화제의 사용이 필수적임을 확인하였으며, 압축강도와 염소이온 투과저항성에 미치는 영향을 통계적 가설검증 방법에 의해 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 혼화제는 고성능 유동화제로서 국내 K사 제품으로 ASTM C494의 규정에 따른 것으로, 암갈색 색상의 액상으로 밀도가 1.20± 0.05(20℃), pH의 범위는 9.0± 3.0이며 주성분은 나프탈렌 축합물 및 특수 계면활성제이다.
본 연구에 사용한 시멘트는 국내 S사 제품의 제 1종 보통포틀랜드 시멘트로 KS L 5201을 만족하며 KS L 5120에 의해 분석한 시멘트의 화학조성 및 물리적 성분은 Table 3과 같다.
본 연구에서 사용한 공시체는 압축강도 시험용 공시체와 단면이 같은 직경이 100mm로 표준 직경 95mm가 아니므로 계산된 통과 전하량은 다음의 식 (4)에 의해 수정하였고, 공시체의 구성은 Fig. 5와 같다.
본 연구에서 시뮬레이션 하려는 대상은 콘크리트 표준 시방서 규정상 고강도 영역의 콘크리트에 해당하는 설계 기준강도 40MPa 이상의 압축강도를 가진 콘크리트로, 이러한 고강도 콘크리트의 제조 및 시공에는 무기계 혼화재로 실리카퓸의 사용이 거의 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 전술한 메타카올린이 고가의 실리카퓸의 대체재로서의 가능성이 있는지를 평가하기 위해, 실리카퓸과 메타카올린을 각각 혼입한 배합변수를 상호 비교하였다.
본 연구에 사용한 잔골재는 천연 잔골재로 KS F 2502에 의한 체가름 시험 결과, 모두 표준규격을 벗어나지 않음을 확인할 수 있어 조립률의 범위 및 입도분포 곡선의 입도범위를 각각 만족함을 확인하였다. 사용한 굵은골재는 최대치수 19mm인 쇄석으로, 사용 재료의 물리적 성질은 다음의 Table 4 및 5와 같다.
실험 중 30분마다 0.2Ω에 걸리는 전압을 일본 T사의 Data logger로 측정하여 기록하였으며, 사용한 데이터로 거는 전압측정이 0.1mV까지 가능한 성능을 가졌고, ±0.1%의 정도를 가진 장치이다.
콘크리트용 혼화재로 사용하는 실리카퓸은 밀도가 작아 질량에 비해 부피가 커서 슬러리(slurry)상으로 공급되기도 하는데, 본 연구에서는 파우더상으로 공급되는 노르웨이 E사의 실리카퓸을 사용하였고, 사용 재료의 화학적 성질 및 물리적 성질은 Table 6과 같다.
데이터처리
본 연구에서 1개의 기준에 대한 3개 이상의 변수 간의 동질성을 파악하기 위해 ANOVA를 이용한다. 다음의 Table 1은 T 검증과 F 검증의 적용에 관한 내용으로, 독립변인이 1개이고 집단의 수가 2개일 경우 T 검증을 적용하며, 이를 쌍체 비교라고 한다.
콘크리트에 대한 염소이온 투과시험의 종류는 약 10여가지 방법이나 되며 각각의 장단점이 있지만 본 연구에서는 촉진시험의 대표적인 방법인 ASTM C 1202에 의한 염소이온 투과시험을 이용하였다. 염소이온 투과시험은 재령 56일에서 동일 배합수준별로 5개의 공시체에 대해 실시한 평균값을 이용하였다. Fig.
이론/모형
콘크리트에 대한 염소이온 투과시험의 종류는 약 10여가지 방법이나 되며 각각의 장단점이 있지만 본 연구에서는 촉진시험의 대표적인 방법인 ASTM C 1202에 의한 염소이온 투과시험을 이용하였다. 염소이온 투과시험은 재령 56일에서 동일 배합수준별로 5개의 공시체에 대해 실시한 평균값을 이용하였다.
성능/효과
1) 본 연구에서 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 압축 강도는 혼입률 10%까지는 증가하였고, 15% 부터는 증가율이 둔화하는 것으로 나타났다. 따라서, 적정량의 메타카올린을 사용할 경우 실리카퓸의 압축 강도와 유사하게 발현됨을 확인하였다.
2) 메타카올린을 콘크리트용 혼화재로 사용할 경우 콘크리트의 조기강도가 크므로 조기강도가 낮은 고로 슬래그 미분말이나 플라이애시와 병용하여 사용할 경우 조기강도의 상쇄를 가능하게 할 것으로 판단된다.
3) 염소이온 투과저항성에 대한 비교평가 결과, 혼입률 5%, 10%까지는 메타카올린이나 실리카퓸이 유의 수준 5%에서는 동일한 저항성을 보이는 것으로 나타났으나, 혼입률 15%, 20%에 이르러서는 메타카올린 혼입 콘크리트의 염소이온 투과저항성이 불리한 것으로 나타났다. 그러나 이 경우에도 기준 콘크리트보다는 염소이온 투과저항성이 우수한 것으로 나타났다.
4) 메타카올린 혼입율 10% 정도까지는 실리카퓸의 성능을 대체할 수 있는 공학적 성능을 가지는 것으로 나타났다.
그러나 혼입률이 15, 20%인 배합수준에서는 Table 17에서 처럼 모두 귀무가설이 기각되어 메타카올린의 염소이온 투과저항성이 실리카퓸에 비해 떨어진다는 결론을 얻을 수 있었다.
1) 본 연구에서 메타카올린을 혼입한 콘크리트의 압축 강도는 혼입률 10%까지는 증가하였고, 15% 부터는 증가율이 둔화하는 것으로 나타났다. 따라서, 적정량의 메타카올린을 사용할 경우 실리카퓸의 압축 강도와 유사하게 발현됨을 확인하였다.
메타카올린과 실리카퓸의 혼입률이 각각 5, 10, 15, 20%인 배합수준에서 상호비교한 결과 귀무가설이 모두 채택되어 동일한 혼입률에서 변수를 고려할 경우 통계적으로 유사한 압축강도 발현이 나타나고 있다고 판단된다.
본 실험에서는 메타카올린 혼입률 10% 까지는 압축강도가 증가하는 경향이 관찰되었으나 혼입률 15% 이상에서는 강도증가율이 다소 저하하는 것으로 나타났다. 또한 20%에서는 오히려 기준 콘크리트와 비슷한 강도특성을 보였다.
본 연구에 사용한 잔골재는 천연 잔골재로 KS F 2502에 의한 체가름 시험 결과, 모두 표준규격을 벗어나지 않음을 확인할 수 있어 조립률의 범위 및 입도분포 곡선의 입도범위를 각각 만족함을 확인하였다. 사용한 굵은골재는 최대치수 19mm인 쇄석으로, 사용 재료의 물리적 성질은 다음의 Table 4 및 5와 같다.
재령 56일 압축강도에 대한 T검증 분석결과는 다음의 Table 12 및 13에 나타내었다. 재령 56에서도 모든 배합 수준에 있어 귀무가설이 채택되어 메타카올린이 실리카퓸과 유사한 압축강도 발현 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
Table 16 및 17은 메타카올린과 실리카퓸의 혼입률이 동일한 경우 염소이온 투과저항성의 차이를 비교하기 위해 재령 56일에서 T검증에 의해 분산분석한 결과표이다. 혼입률이 5%인 경우 통계량의 기각치는 2.77645인데 쌍체비교에 의한 t 통계량은 절대값으로 0.4259가 되어 귀무가설이 채택되었고, 혼입률 10%에서도 동일한 방법으로 귀무가설이 채택되어 메타카올린 혼입률 5, 10%인 배합수준에서는 염소이온 투과저항이 실리카퓸과 거의 대등한 효과를 보임을 통계적으로 확인하였다.
후속연구
그러나 여러 종류의 광물질 혼화재를 병용하여 사용하는 경우에 있어서는 추가적인 연구가 요망되며, 각 혼화재의 압축강도 발현 특성을 면밀하게 고려하여 최적배합을 선정하는 것이 바람직 할 것이다.
본 실험결과, 메타카올린을 혼화재로 사용한 경우 혼입률 5% 이상에서 통계적으로 기준 콘크리트에 비하여 강도증진이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었고, 실리카퓸과 매우 유사한 강도발현 특성을 보이고 있으므로 압축강도 측면만 놓고 본다면 향후 고강도 및 초고강도 콘크리트용 결합재로서의 활용성이 증대될 것으로 기대된다.
비교하려 하는 집단들의 평균이 같다고 할 수 있는가를 알아보기 위해서는 각 집단들로부터 표본을 얻고 그 표본들의 표본평균 값들이 얼마나 큰 차이가 나는지를 구해보면 될 것이다. 얻어진 표본평균의 값들이 비슷하면 모집단들의 평균들은 같다고 할 것이고, 크게 차이가 나면 모집단들의 평균들이 모두 같다고 할 수는 없을 것이다.
아직은 국내에서 메타카올린을 활용한 콘크리트의 공학적 특성에 관한 연구가 많이 진행되지 않았으나, 메타카올린은 플라이애시, 고로슬래그 미분말과 같은 산업부산물에 비해 상대적으로 균질한 상태로 입수가 가능하므로 이를 적극적으로 활용할 필요성이 크다. 향후 메타카올린에 관한 심층적인 연구를 통해 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트, 프리캐스트 구조체, 특수 시멘트 및 보수 보강 모르타르 등의 영역에서도 적극적인 활용이 기대된다. 다만, 메타카올린은 실리카퓸과 구성성분 및 반응이 다르며, 필러효과 역시 다르므로 전혀 다른 혼화재로 분류할 수 있으므로, 본 연구에서는 압축강도 특성과 염소이온 투과저항성의 상호 비교로 연구 범위를 국한하였음을 다시 한 번 밝힌다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 구조물의 내구성을 향상시키기 위한 방안으로 콘크리트공학 분야에서 보편적인 방법인 것은?
콘크리트 구조물의 내구성을 향상시키기 위한 방안 중 하나로 무기계 혼화재를 콘크리트용 혼화재로 사용하는 것은 이제 콘크리트공학 분야에서 보편적인 방법으로 인식되고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 사용하는 혼화재로는 플라이애시, 실리카퓸 및 고로슬래그 미분말, 메타카올린 등이 있으며 광물질 산업부산물에 관해서는 대단히 많은 연구결과가 발표되었으나 다른 혼화재에 비해 메타카올린에 관한 연구성과는 상대적으로 미흡한 실정이다.
메타카올린이란?
메타카올린은 고령토나 카올린으로 알려진 카올린 광물의 풍화물로, 도자기 산업에 주로 사용되는 원료로, 일반적으로 메타카올린의 입자 크기는 시멘트보다는 작지만, 마이크로 실리카퓸보다는 크다. 본 연구에서는 콘크리트용 혼화재로 메타카올린을 사용한 콘크리트의 압축강도와 염소이온 투과저항 특성에 관한 영향에 관해 조사하였다.
고강도 및 고성능 콘크리트 제조에서 주로 이용되는 실리카퓸의 단점은?
한편 고강도 및 고성능 콘크리트 제조에서 주로 이용되는 실리카퓸은 여러 가지로 콘크리트의 성능개선에 기여함은 익히 알려져 있으며, 특히 강도 및 화학적 내구성 등이 우수한 특성을 가지고 있는 재료이다. 그러나 이러한 우수한 공학적 특성에도 불구하고 대부분의 양을 해외에서 수입하며, 그 수입 가격 역시 다른 혼화재에 비해 상대 적으로 고가이므로 콘크리트의 제조원가를 상승시키는 혼화재라는 근본적인 단점을 가지고 있으므로, 본 연구에서는 실리카퓸의 대체제로서의 메타카올린의 가능성을 검토하였다.
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