최근 고성능 감수제, 실리카 퓸과 강섬유 등을 사용하여 제조한 초고성능 콘크리트(UHPC)의 사용이 전 세계적으로 증가하고 있다. UHPC는 강도가 높을 뿐만 아니라 조직이 치밀하여 내구성 측면에서도 우수한 성능을 갖고 있지만 W/B가 낮고 단위 시멘트량이 많기 때문에 초기 수화열과 자기수축이 많이 발생하여 재령 초기에 균열 발생 위험성이 높아지게 된다. UHPC의 초기 수축균열은 수축 저감제 및 팽창재의 자기수축 보상 효과에 의하여 제어할 수 있다. 이 연구에서는 수축 저감제 및 팽창재를 혼입한 UHPC의 초음파 속도를 측정하여 재령 초기 강성 변화를 추정하였고, 수축 실험을 통하여 수축 저감제 및 팽창재가 UHPC의 자기수축에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 UHPC의 자기 수축 실험 결과로부터 자기수축 예측 모델의 재료 상수를 결정하였다. 결론적으로 수축 저감제 및 팽창재를 혼입함에 따라 UHPC 강성이 신속하게 발현되며, 자기수축 저감에 효과가 있음을 알 수 있었다.
최근 고성능 감수제, 실리카 퓸과 강섬유 등을 사용하여 제조한 초고성능 콘크리트(UHPC)의 사용이 전 세계적으로 증가하고 있다. UHPC는 강도가 높을 뿐만 아니라 조직이 치밀하여 내구성 측면에서도 우수한 성능을 갖고 있지만 W/B가 낮고 단위 시멘트량이 많기 때문에 초기 수화열과 자기수축이 많이 발생하여 재령 초기에 균열 발생 위험성이 높아지게 된다. UHPC의 초기 수축균열은 수축 저감제 및 팽창재의 자기수축 보상 효과에 의하여 제어할 수 있다. 이 연구에서는 수축 저감제 및 팽창재를 혼입한 UHPC의 초음파 속도를 측정하여 재령 초기 강성 변화를 추정하였고, 수축 실험을 통하여 수축 저감제 및 팽창재가 UHPC의 자기수축에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 UHPC의 자기 수축 실험 결과로부터 자기수축 예측 모델의 재료 상수를 결정하였다. 결론적으로 수축 저감제 및 팽창재를 혼입함에 따라 UHPC 강성이 신속하게 발현되며, 자기수축 저감에 효과가 있음을 알 수 있었다.
Recently, the use of UHPC made of superplasticizers, silica fume, and steel fibers has been increasing worldwide. Although UHPC has a very high strength as well as an excellent durability performance due to its dense microstructures, earlyage cracks may occur due to the high heat of hydration and au...
Recently, the use of UHPC made of superplasticizers, silica fume, and steel fibers has been increasing worldwide. Although UHPC has a very high strength as well as an excellent durability performance due to its dense microstructures, earlyage cracks may occur due to the high heat of hydration and autogenous shrinkage caused by low W/B and high unit cement content. The early-age shrinkage cracking of UHPC can be controlled by using the shrinkage reducers and expansive admixtures having autogenous shrinkage compensation effect. In this paper, ultrasonic pulse velocity of UHPC containing shrinkage reducers and expansive agents was measured to predict its stiffness change. Also, the effect of shrinkage reducers and expansive agents on the autogenous shinkage of UHPC was investigated through the shrinkage test of UHPC specimens. Furthermore, the material coefficients of autogenous shrinkage prediction model were determined using the autogenous shrinkage values of UHPC with age. Consequently, the test results showed that, by adding shrinkage reducers and expansive agents, the stiffness of UHPC was rapidly developed at early-ages and the autogenous shrinkage was considerably reduced.
Recently, the use of UHPC made of superplasticizers, silica fume, and steel fibers has been increasing worldwide. Although UHPC has a very high strength as well as an excellent durability performance due to its dense microstructures, earlyage cracks may occur due to the high heat of hydration and autogenous shrinkage caused by low W/B and high unit cement content. The early-age shrinkage cracking of UHPC can be controlled by using the shrinkage reducers and expansive admixtures having autogenous shrinkage compensation effect. In this paper, ultrasonic pulse velocity of UHPC containing shrinkage reducers and expansive agents was measured to predict its stiffness change. Also, the effect of shrinkage reducers and expansive agents on the autogenous shinkage of UHPC was investigated through the shrinkage test of UHPC specimens. Furthermore, the material coefficients of autogenous shrinkage prediction model were determined using the autogenous shrinkage values of UHPC with age. Consequently, the test results showed that, by adding shrinkage reducers and expansive agents, the stiffness of UHPC was rapidly developed at early-ages and the autogenous shrinkage was considerably reduced.
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제안 방법
1) 초음파 속도 모니터링 시스템을 이용하여 배합 직후부터 콘크리트의 UPV를 측정하여 자기수축의 정성적인 평가를 위한 기준으로 활용하였다. 양생 온도와 팽창 재료의 혼입률이 증가함에 따라 UHPC의 강성이 빠르게 발현되는 것을 알 수 있었으며, 추후 초음파 속도 모니터링 시스템을 통하여 UHPC의 응결 및 경화 과정을 간접적으로 파악하고 이를 통한 UHPC의 품질 관리가 가능할 것으로 판단된다.
11) 따라서 이 실험에서는 UHPC 자기수축을 타설한 직후부터 측정하였으며 몰드를 제거하기에 충분한 강성을 가지는 약 10시간 이후 몰드를 제거하였다. 몰드를 제거한 후 시편은 알루미늄 테이프로 밀봉하여 수분의 증발 및 흡수를 방지하였으며 몰드를 제거하기 전과 동일한 환경 조건에서 양생하였다.
자기수축의 최대값과 자기수축 발현 계수를 이용하여 자기수축을 예측하는 MiyazawaTazawa모델은 이러한 UHPC 자기수축의 특성을 잘 나타내며 자기수축을 예측하는 모델로 널리 사용되고 있다.5) 이 연구에서는 Miyazawa-Tazawa모델을 수정하여 재령 28일의 자기수축을 기준으로 자기수축을 예측할 수 있도록 제안된 다음과 같은 모델식을 사용하였다.12)
이 연구에서는 초음파 속도(ultrasonic pulse velocity : UPV) 모니터링을 이용하여 UPV의 증가 시작 시점을 콘크리트의 강성 발현 시점으로 고려하였으며 이를 시점으로 초고강도 콘크리트의 자기수축을 측정하였다. UHPC의 자기수축을 제어하기 위한 목적으로 수축 저감제와 팽창재를 혼입한 UHPC 배합에 대하여 양생 온도와 재령에 따라 UPV 및 자기수축을 측정하였으며 자기수축 결과로 부터 자기수축 예측 모델 상수값을 결정하였다.
상대습도 60%인 조건에서 양생 온도에 따라 20oC에서는 Mix A와 Mix C 배합을, 30oC에서는 Mix A, Mix B, Mix C 배합에 대하여 콘크리트를 타설한 직후부터 24시간 동안 초음파 속도를 측정하였다.
Table 2에는 UHPC의 배합을 시멘트를 기준으로 강섬유를 제외한 다른 재료에 대해서 중량비로 나타내었다. 수축 저감제와 팽창재의 혼입량에 따라 세 종류의 UHPC에 대하여 UPV 및 자기수축을 측정하였다.
이 연구에서는 초음파 속도(ultrasonic pulse velocity : UPV) 모니터링을 이용하여 UPV의 증가 시작 시점을 콘크리트의 강성 발현 시점으로 고려하였으며 이를 시점으로 초고강도 콘크리트의 자기수축을 측정하였다. UHPC의 자기수축을 제어하기 위한 목적으로 수축 저감제와 팽창재를 혼입한 UHPC 배합에 대하여 양생 온도와 재령에 따라 UPV 및 자기수축을 측정하였으며 자기수축 결과로 부터 자기수축 예측 모델 상수값을 결정하였다.
이 연구에서는 팽창 전의 자기수축은 무시하고 팽창이 발생한 이후 재령 28일의 자기수축(ε28)을 모델식에 적용하여 각 배합의 자기수축 특성을 고려하였다.
자기수축 측정은 UPV 측정 결과를 이용하여 강성이 발현되는 A점을 기준으로 46일간 측정하였다. Figs.
3은 자기수축 실험을 위한 장치 개략도로서 40 × 40 × 160 mm의 시편의 중앙에 콘크리트 매립형 게이지를 설치하여 자기수축을 측정하였다. 콘크리트를 타설하기 전에 몰드와의 마찰을 최소화하기 위하여 몰드의 바닥면에 테프론 쉬트(teflon sheet)를 깔았으며, 콘크리트 길이 방향의 구속 조건을 최소화하기 위하여 몰드 벽면에 폴리스틸렌 보드(polystyrene board)를 설치하였다. 시편 내부의 온도 변화를 모니터링하기 위한 온도 게이지는 콘크리트 매립형 게이지와 함께 몰드의 정중앙에 고정하였다.
시편 내부의 온도 변화를 모니터링하기 위한 온도 게이지는 콘크리트 매립형 게이지와 함께 몰드의 정중앙에 고정하였다. 콘크리트를 타설한 후 적당한 방법으로 다짐하고 콘크리트 표면의 수분 증발 및 흡수를 방지하기 위하여 폴리에스터 필름(polyester film)으로 외기와의 접속을 차단하였으며, 온도가 20oC 혹은 30oC이고 상대습도가 60%인 항온 항습기에서 자기수축 측정 기간 동안 양생하였다.
대상 데이터
98인 일본산 CSA계 팽창재이다. 고성능 감수제는 폴리칼본산계의 고성능 감수제를 사용하였다.
Table 1에는 배합에 사용된 시멘트와 실리카 퓸의 화학적 성분을 나타내었다. 이 연구에서는 결합재로 S사 제품의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 비표면적이 200,000 cm2/g이고, 비중이 2.10인 중국산 실리카 퓸을 사용하였다. 잔골재는 밀도가 2.
잔골재는 밀도가 2.65 g/cm3인 호주산 석영사를 사용하였으며, 평균 입경이 2 µm이고, SiO2 성분이 98% 이상인 충전재를 사용하였다.
2 µm이다. 팽창 재료로 사용된 수축 저감제는 독일산 글루콜계이며, 팽창재는 비중이 2.98인 일본산 CSA계 팽창재이다. 고성능 감수제는 폴리칼본산계의 고성능 감수제를 사용하였다.
성능/효과
4 이하의 고성능 콘크리트의 제조가 가능해지고 실 구조물의 적용 사례가 증가함에 따라 초기 균열의 원인 중의 하나인 자기수축에 대한 관심이 높아지고 있다.1,2) 자기수축은 W/B가 큰 일반 콘크리트의 경우 수축량이 작기 때문에 보통 무시되어 왔지만 최근 개발된 초고성능 콘크리트(ultra high performance concrete: UHPC)는 낮은 W/B로 인해 자기수축이 많이 발생하게 되며 인장강도가 약한 초기 재령에서는 자기수축으로 인하여 균열이 발생할 수도 있다.3) 이렇게 초기 재령에 발생한 균열은 염소이온, 이산화탄소 등 기타 유해 물질의 침투 경로가 되어 고성능 콘크리트의 요구 성능을 만족하지 못하게 할 뿐만 아니라 구조물에 치명적인 결함을 초래할 수 있다.
14) 팽창 재료를 혼입하지 않은 Mix A는 팽창하지 않았으며, 수축 저감제 1%와 팽창재 5%를 혼입한 Mix B는 약 110 µε가 팽창하였으며 수축 저감제 1%와 팽창재 7.5%를 혼입한 Mix C는 150 µε로 가장 많이 팽창하였다.
2) UHPC의 수축은 건조수축에 비하여 자기수축이 지배적이었으며, 재령 초기에 자기수축이 급격하게 발생하였으며 수축 저감제 및 팽창재를 혼입한 경우 재령 13일에 팽창이 발생하여 100~150 µε 정도 자기수축 보상이 가능하였다.
1,2) 자기수축은 W/B가 큰 일반 콘크리트의 경우 수축량이 작기 때문에 보통 무시되어 왔지만 최근 개발된 초고성능 콘크리트(ultra high performance concrete: UHPC)는 낮은 W/B로 인해 자기수축이 많이 발생하게 되며 인장강도가 약한 초기 재령에서는 자기수축으로 인하여 균열이 발생할 수도 있다.3) 이렇게 초기 재령에 발생한 균열은 염소이온, 이산화탄소 등 기타 유해 물질의 침투 경로가 되어 고성능 콘크리트의 요구 성능을 만족하지 못하게 할 뿐만 아니라 구조물에 치명적인 결함을 초래할 수 있다.4) 따라서 초고강도 콘크리트를 안정적으로 적용하기 위해서는 자기수축에 대한 올바른 평가와 제어 대책이 모색되어야 할 것이다.
5) 초기 양생 시 콘크리트에 충분한 수분 공급이 이루어진다면 자기건조가 발생하지 않게 되어 자기수축이 발생하지 않을 수 있지만 현실적으로 실제 구조물의 양생 시 수분을 충분히 공급하기에는 다소 어려운 것이 사실이다. 한편 수축 저감제 및 팽창재와 같은 팽창 재료는 콘크리트를 팽창시켜 여러 가지 요인에 의해 발생되는 초기 수축을 보상할 수 있다.
초음파 속도 모니터링은 초음파 속도가 매질을 통과하는 속도를 측정하여 매질의 성질을 파악하며, 주로 매질의 탄성적인 성질과 관련이 깊다.8) 초음파 속도는 매질의 탄성계수의 제곱의 역수에 비례하므로 초음파 속도 모니터링을 통해 UHPC의 탄성계수를 간접적으로 추정할 수 있으며 자기수축이 UHPC에 응력을 발생시키는데 유효한 자기수축의 시점을 파악할 수 있다.9)
4와 5는 각 배합별 UHPC의 UPV를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 각 배합의 UHPC는 UPV가 초기 재령에서 약 300~500 m/s로 낮게 나타났으며, A점을 기준으로 UPV가 급격히 상승하였다. 이는 타설 직후 UHPC는 거의 유체 상태와 다름이 없으며 수화가 진행됨에 따라 A점 이후 수화 생성물이 증가하면서 초음파의 전달 경로가 짧아져 UPV가 증가하는 것으로 A점 이후 UHPC는 강성을 가지게 되며 이후 발생되는 수축은 UHPC에 응력으로 작용할 수 있다.
2) UHPC의 수축은 건조수축에 비하여 자기수축이 지배적이었으며, 재령 초기에 자기수축이 급격하게 발생하였으며 수축 저감제 및 팽창재를 혼입한 경우 재령 13일에 팽창이 발생하여 100~150 µε 정도 자기수축 보상이 가능하였다. 또한 자기수축 실험값으로부터 자기수축 예측 모델의 재료 상수를 결정하여 UHPC의 자기수축을 비교적 정확하게 예측할 수 있었다. 추후 팽창 재료의 혼입률에 대한 지속적인 연구를 통하여 UHPC의 자기수축을 효율적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 3에 재령 28일에서 UHPC의 압축강도와 탄성계수가 주어져 있다. 실험 결과 팽창 재료의 혼입률이 증가함에 따라 압축강도와 탄성계수가 감소함을 알 수 있었다. 이는 수축 저감제 및 팽창재가 시멘트량에 대체하여 혼입되었기 때문에 압축강도가 다소 저하된 것으로 사료되며, 탄성계수도 압축강도와 마찬가지로 혼입률에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
자기수축 발현 시점의 기준이 되는 A점은 양생 온도에 따라서도 다르게 나타났다. 외기 온도 30oC에서 양생한 시편은 20oC에서 양생한 시편에 비하여 A점이 빠르게 발현되었으며 팽창 재료의 혼입률이 증가할수록 양생 온도에 따른 A점이 발현 시간은 빠르게 나타났다. 이는 양생 온도가 높아짐에 따라 수화 반응이 촉진되어 UPV가 증가한 것으로 양생 온도가 높아짐에 따라 UHPC의 강성이 빠르게 발현되는 것으로 판단된다.
후속연구
3) 자기수축에 의한 수축 응력은 UHPC의 강성과 밀접한 관련이 있어 강성이 크게 발현된 이후 발생하는 자기수축이 UHPC의 초기 균열 발생에 많은 영향을 미칠 것으로 사료되며, 실 구조물의 자기수축에 의한 균열을 평가하기 위해서는 UHPC의 자기 수축과 더불어 콘크리트의 초기 강성 및 강성의 발현 특성 등을 고려하여야 할 것이라 사료된다.
3) 이렇게 초기 재령에 발생한 균열은 염소이온, 이산화탄소 등 기타 유해 물질의 침투 경로가 되어 고성능 콘크리트의 요구 성능을 만족하지 못하게 할 뿐만 아니라 구조물에 치명적인 결함을 초래할 수 있다.4) 따라서 초고강도 콘크리트를 안정적으로 적용하기 위해서는 자기수축에 대한 올바른 평가와 제어 대책이 모색되어야 할 것이다.
CSA계 팽창재는 초기에 반응하여 에트린자이트(ettringite)를 생성시켜 콘크리트의 팽창을 유발하며, 수축 저감제는 시멘트 페이스트 경화체에 작용하는 간극수의 표면 장력을 저감시켜 자기수축을 저감시키는 역할을 한다.6) 이러한 팽창 재료는 콘크리트에 팽창 균열을 유발할 가능성이 있으나, 사용량을 조절하면 수축을 제어하기 위한 목적으로 사용이 가능하다.7)
1) 초음파 속도 모니터링 시스템을 이용하여 배합 직후부터 콘크리트의 UPV를 측정하여 자기수축의 정성적인 평가를 위한 기준으로 활용하였다. 양생 온도와 팽창 재료의 혼입률이 증가함에 따라 UHPC의 강성이 빠르게 발현되는 것을 알 수 있었으며, 추후 초음파 속도 모니터링 시스템을 통하여 UHPC의 응결 및 경화 과정을 간접적으로 파악하고 이를 통한 UHPC의 품질 관리가 가능할 것으로 판단된다.
또한 자기수축 실험값으로부터 자기수축 예측 모델의 재료 상수를 결정하여 UHPC의 자기수축을 비교적 정확하게 예측할 수 있었다. 추후 팽창 재료의 혼입률에 대한 지속적인 연구를 통하여 UHPC의 자기수축을 효율적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시멘트의 자기수축현상은 무엇인가?
자기수축은 시멘트가 수화 반응에 필요한 배합수를 소비하는 과정에서 자기건조(self-desiccation)가 발생하여 콘크리트의 체적이 수축하는 현상을 말한다.5) 초기 양생 시 콘크리트에 충분한 수분 공급이 이루어진다면 자기건조가 발생하지 않게 되어 자기수축이 발생하지 않을 수 있지만 현실적으로 실제 구조물의 양생 시 수분을 충분히 공급하기에는 다소 어려운 것이 사실이다.
CSA계 팽창재와 같은 재료의 단점은 있는가?
CSA계 팽창재는 초기에 반응하여 에트린자이트(ettringite)를 생성시켜 콘크리트의 팽창을 유발하며, 수축 저감제는 시멘트 페이스트 경화체에 작용하는 간극수의 표면 장력을 저감시켜 자기수축을 저감시키는 역할을 한다.6) 이러한 팽창 재료는 콘크리트에 팽창 균열을 유발할 가능성이 있으나, 사용량을 조절하면 수축을 제어하기 위한 목적으로 사용이 가능하다.7)
콘크리트의 초기 수축을 보상할 수 있는 방법은?
5) 초기 양생 시 콘크리트에 충분한 수분 공급이 이루어진다면 자기건조가 발생하지 않게 되어 자기수축이 발생하지 않을 수 있지만 현실적으로 실제 구조물의 양생 시 수분을 충분히 공급하기에는 다소 어려운 것이 사실이다. 한편 수축 저감제 및 팽창재와 같은 팽창 재료는 콘크리트를 팽창시켜 여러 가지 요인에 의해 발생되는 초기 수축을 보상할 수 있다. CSA계 팽창재는 초기에 반응하여 에트린자이트(ettringite)를 생성시켜 콘크리트의 팽창을 유발하며, 수축 저감제는 시멘트 페이스트 경화체에 작용하는 간극수의 표면 장력을 저감시켜 자기수축을 저감시키는 역할을 한다.
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