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초고성능 콘크리트의 자기수축 특성
Autogeneous Shrinkage Characteristics of Ultra High Performance Concrete 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.23 no.3, 2011년, pp.295 - 301  

김성욱 (한국건설기술연구원 구조교량연구실) ,  최성 (동양메이저 기술연구소) ,  이광명 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) ,  박정준 (한국건설기술연구원 구조교량연구실)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (14)

  1. 이광명, 이회근, "초기 재령 고강도 콘크리트의 자기수축 예측기술," 콘크리트학회지, 17권, 4호, 2005 pp. 34-40. 

  2. Bentz, D. P., Geiker, M. R., and Hansen, K. K., "Shrinkage- Reducing Admixtures and Early-Age Desiccation in Cement Pastes and Mortars," Cement and Concrete Research, Vol. 31, No. 7, 2001, pp. 1075-1085. 

  3. Paillere, M., Buil, M., and Serrano, J. J., "Effect of Fiber Addition on the Autogenous Shrinkage of Silica Fume Concrete," ACI Materials Journal, Vol. 86, No. 2, 1989, pp. 139-144. 

  4. Mehta, P. K., "Durability of Concrete in Marine Environment a Review," Performance of Concrete in Marin Environment, SP-65, V. M. Malhotra, ed., American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich., 1980, pp. 1-15. 

  5. Japan Concrete Institute Technical Committee Report on Autogenous Shrinkage, "Autogenous Shrinkage of Concrete," Proceedings of the International Workshop, ed. Tazawa, E&FN Spon London, 1998, pp. 3-63. 

  6. 이창수, 박종혁, "공극 내 상대습도, 모세관압력, 표면에 너지 변화에 따른 콘크리트 자기수축," 콘크리트학회 논 문집, 20권, 2호, 2008, pp. 131-138. 

  7. 유성원, 김도겸, 고경택, 정상화, "수축 저감제 및 팽창재가 혼입된 고성능 콘크리트의 자기수축 모델에 관한 연구," 대한토목학회논문집, 24권, 6A호, 2004, pp. 1301-1307. 

  8. Lee, H. K., Lee, K. M., Kim, Y. H., Yim, H., and Bae, D. B., "Ultrasonic in-Situ Monitoring of Setting Process of High-Performance Concrete," Cement and Concrete Research, Vol. 34, No. 4, 2004, pp. 631-640. 

  9. 이회근, 이광명, 김우, "팽창재와 플라이애쉬 콘크리트의 자기수축 예측 모델," 콘크리트학회 논문집, 15권, 1호, 2003, pp. 134-142. 

  10. Kraukramer, J. and Krautkramer, H., Ultrasonic Testing of Materials, 4th Ed, Springer-Verlag, New York, 1990 

  11. Aitcin, P. C., "Demystifying Autogenous Shrinkage," Concrete International, Vol. 21, No. 11, 1999, pp. 

  12. Lee, K. M., Lee, H. K., Lee, S. H., and Kim, G. Y., "Autogenous Shrinkage of Concrete Containing Granulated Blast- Furnace Slag," Cement and Concrete Research, Vol. 36, No. 7, 2006, pp. 1279-1285. 

  13. Zhang, Y., Zhanga, W., Shea, W., Maa, L., and Zhua, W., "Ultrasound Monitoring of Setting and Hardening Process of Ultra-High Performance Cementitious Materials," NDT & E International, Available Online, 2009. 

  14. 고경택, 박정준, 류금성, 강수태, "팽창재와 수축 저감제 를 사용한 고성능 콘크리트의 수축특성," 대한토목학회 논문집, 26권, 4A호, 2006, pp. 787-794. 

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