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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 앞서 보고된 기초적 연구결과에 이어 초속경 그라우트 모르타르의 내구성 및 수밀성에 대하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 자원순환형 터널보수용 고성능 보수 모르타르의 개발을 목적으로 개발한 무기질계 바인더를 포함한 3종류의 시멘트와 여기에 고로슬래그 미분말 및 바텀애쉬를 치환 사용한 3종류의 제품을 대상으로 수밀성 및 내구성에 대하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 터널라이닝, 수로터널, 배수로 등의 보수가 가능한 고유동 그라우트 타입의 보수모르타르의 개발을 목적으로 비교적 고가인 속경성 시멘트 및 규사의 원료단가 확보를 위해 재자원화 이용율이 낮은 바텀애쉬 및 혼화재의 사용방안을 검토하고 있으며, 앞서 연구에서는 이에 대한 기초적 특성의 연구결과를 발표하였다5) .
제안 방법
- 내구성 시험으로 중성화 저항성은 KS F 4042, 염화물이온 침투 저항성 시험은 KS F 2711의 규정에 따라 실시하였으며, 내화학성으로 내알칼리성 시험은 압축강도 시험체를 포화 수산화칼슘용액(50±2℃)에서 28일 동안 침지후 압축강도를 측정하였으며, 내산성 시험은 동일한 방법으로 황산용액(50±2℃)에 28일간 침지후 압축강도를 측정하였다.
- 따라서, 본 연구에서 사용한 초속경 그라우트의 충분한 가사시간을 확보하기 위해 지연제를 사용하였고, 지연제가 급결성인 칼슘 알루미네이트 및 칼슘 설포 알루미네이트 성분의 초기 수화를 지연시킴으로써 가사시간 확보가 가능하도록 하였다. 또한, 유동성 및 재료분리 저항성을 확보하기 위해 기능성 혼화재를 사용하였다.
- Table 1은 본 연구의 시험계획을 나타낸 것이다. 속경성 시멘트는 국내외에서 생산되는 3종류를 대상으로 하였으며, W/B 30 %, S/B 1 조건에 목표성능을 만족하기 위한 기능성 혼화제를 첨가한 것을 기본배합(SeriesⅠ)으로 하였다. 여기에 Series Ⅱ는 Series Ⅰ의 3수준의 시멘트계 바인더에 질량비로 고로슬래그 미분말을 15 %치환, 바텀애쉬를 잔골재에 대한 질량비로 15 %씩 치환 한 것으로 하여 검토하였다.
- 여기에 Series Ⅱ는 Series Ⅰ의 3수준의 시멘트계 바인더에 질량비로 고로슬래그 미분말을 15 %치환, 바텀애쉬를 잔골재에 대한 질량비로 15 %씩 치환 한 것으로 하여 검토하였다. 시험체에 대한 양생조건은 실험실 표준조건을 가정한 20℃ 및 실무 현장조건을 고려한 5℃로 실험계획 하였다.
- 속경성 시멘트는 국내외에서 생산되는 3종류를 대상으로 하였으며, W/B 30 %, S/B 1 조건에 목표성능을 만족하기 위한 기능성 혼화제를 첨가한 것을 기본배합(SeriesⅠ)으로 하였다. 여기에 Series Ⅱ는 Series Ⅰ의 3수준의 시멘트계 바인더에 질량비로 고로슬래그 미분말을 15 %치환, 바텀애쉬를 잔골재에 대한 질량비로 15 %씩 치환 한 것으로 하여 검토하였다. 시험체에 대한 양생조건은 실험실 표준조건을 가정한 20℃ 및 실무 현장조건을 고려한 5℃로 실험계획 하였다.
- 투기계수시험은 ∅100×50 mm의 투기계수 시험용 공시체를 사용하여 측정하였으며, Darcy's law에 따라 투기계수를 산정하였다. 측정방법으로 내부직경 70mm의 실린더에 시험체를 고정하고 실리콘으로 실링하여 공기가 틈새로 투과하지 못하도록 하였으며, 실리콘이 경화된 후 실린더에 2 kgf/cm2의 압축공기를 주입하여 메스실린더를 이용한 수중치환법에 의해 투기량을 측정하였다. 또한 측정에서 얻어진 값은 Darcy's law을 적용한 다음 식을 이용하여 투수계수를 계산하였다.
- 측정사항으로 수밀성은 투수성, 물흡수계수, 습기투과저항성 및 투기성을 측정하였으며, 내구성으로 중성화저항성, 염화물이온 침투저항성 및 내화학성을 검토하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 D사(B type), 일본 E사(A type) 및 C사(C type)의 속경성 타입 시멘트를 사용하였으며, 그 물리 · 화학적 성질은 Table 2와 같다. 고로슬래그 미분말은 KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분말) 3종에 합격하는 제품을 사용하였고, 잔골재는 국내 화순이야산 규사를 사용하였으며, 바텀애쉬는 국내 태안 화력발전소산을 이용하였는데 그 물리적 성질 및 입도는 Table 3 및 Fig. 2와 같다. 또한, 혼화제로서 고성능 감수제는 멜멘트계 축합물을 주성분으로 하는 분말형태의 고성능 감수제를 사용하였고, 지연제는 일반적으로 시멘트와 석고계 분체 등의 지연제로 사용되는 백색 분말 형태의 주석산(Tartaric acid)을 사용하였다.
- 따라서, 본 연구에서 사용한 초속경 그라우트의 충분한 가사시간을 확보하기 위해 지연제를 사용하였고, 지연제가 급결성인 칼슘 알루미네이트 및 칼슘 설포 알루미네이트 성분의 초기 수화를 지연시킴으로써 가사시간 확보가 가능하도록 하였다. 또한, 유동성 및 재료분리 저항성을 확보하기 위해 기능성 혼화재를 사용하였다.
- 2와 같다. 또한, 혼화제로서 고성능 감수제는 멜멘트계 축합물을 주성분으로 하는 분말형태의 고성능 감수제를 사용하였고, 지연제는 일반적으로 시멘트와 석고계 분체 등의 지연제로 사용되는 백색 분말 형태의 주석산(Tartaric acid)을 사용하였다.
- 본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 D사(B type), 일본 E사(A type) 및 C사(C type)의 속경성 타입 시멘트를 사용하였으며, 그 물리 · 화학적 성질은 Table 2와 같다.
- 본 연구에서 사용한 속경성 시멘트는 미분쇄 포틀랜드 시멘트 및 속경성 혼화재를 사용하여 제조한 국내 D사의 시멘트를 사용하였다. 즉, 포틀랜드 시멘트 성분에 미분쇄한 칼슘 알루미네이트(Calcium Aluminate) 및 칼슘 설포 알루미네이트(Calcium Sulfo-Aluminate)성분을 적량 배합하여 제조하므로써 초기강도의 확보가 가능하다.
- 아울러, 이러한 성능을 만족하는 자원순환형 기능성 보수재의 개발을 위하여 Fig.1과 같은 개념으로 산업 부산물로서 재이용율이 낮은 바텀애쉬 및 고로슬래그 미분말을 사용하였다.
이론/모형
- 또한 측정에서 얻어진 값은 Darcy's law을 적용한 다음 식을 이용하여 투수계수를 계산하였다.
- 수밀성 시험으로 투수성, 물흡수계수 및 습기투과 저항성은 KS F 2451, KS F 2609, 및 KS F 4042 시험 방법에 따라 실시하였다. 투기계수시험은 ∅100×50 mm의 투기계수 시험용 공시체를 사용하여 측정하였으며, Darcy's law에 따라 투기계수를 산정하였다.
- 투기계수시험은 ∅100×50 mm의 투기계수 시험용 공시체를 사용하여 측정하였으며, Darcy's law에 따라 투기계수를 산정하였다.
성능/효과
- 1) 수밀성으로 투수량 및 물흡수계수는 바텀애쉬를 이용하는 시리즈 Ⅱ의 경우가 증가하는 것으로 나타났으며, 온도조건별로는 20℃ 양생조건이 5℃ 양생조건 보다 투수량이 적은 것으로 나타났다. 또한, 본 연구범위 모든시료는 KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르) 투수량 기준인 20g 이내를 만족하는 것으로 나타났다.
- 2) 투기계수는 바텀애쉬를 치환 사용한 시리즈Ⅱ의 경우가 증가하는 것으로 나타났는데, 바텀애쉬 내에 있는 공극을 증가에 의한 것으로 판단된다.
- 3) 내구성으로 중성화 저항성은 온도조건별로는 20℃ 양생조건 보다 5℃ 양생조건의 경우가 중성화 저항성이 커지는 것으로 나타났으며, 시리즈별로는 시리즈 Ⅱ의 경우가 중성화 저항성이 약간 저하함을 알 수 있다. 이는 속경성 시멘트의 일부를 고로슬래그 미분말로 치환함에 따른 단위시멘트량 감소에 의한 것으로 판단된다.
- 4) 내알칼리성 및 내산성 결과는 시리즈 Ⅰ의 경우 수산화칼슘용액에 침지후의 압축강도가 침지전의 압축강도에 비해 저하하는 것으로 나타났다. 반면, 시리즈 Ⅱ의 경우 강도저하가 미비한 것으로 나타났으며, 5℃ 양생조건의 경우 C 타입의 시멘트를 제외하고는 28일 재령의 압축강도와 동등한 값을 나타내어 고로슬래그 미분말 및 버텀애쉬를 치환 사용한 경우 내알칼리성 및 내산성이 큰 것 알 수 있었다.
- 또한, 시리즈별로는 전반적으로 시리즈 Ⅱ가 시리즈 Ⅰ보다 투수량이 많은 것으로 나타났는데, 이는 다공질 바텀애쉬의 높은 흡수율과의 상관성에 의한 것으로 판단 된다. 그러나, 본 연구범위 모든시료는 KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르) 투수량 기준인 20g 이내를 만족하는 것으로 나타났다.
- 또한, 물흡수계수는 전반적으로 시멘트 종류별 물흡수계수의 차이는 그다지 크지 않은 것으로 나타났으나, 시리즈별 차이가 현저한 것으로 나타났는데, 시리즈 Ⅱ 의 경우 현저한 물흡수계수를 나타내었다. 이는 투수량과 동일한 이유에 의한 것으로 바텀애쉬의 영향에 의한 것으로 판단된다.
- 1) 수밀성으로 투수량 및 물흡수계수는 바텀애쉬를 이용하는 시리즈 Ⅱ의 경우가 증가하는 것으로 나타났으며, 온도조건별로는 20℃ 양생조건이 5℃ 양생조건 보다 투수량이 적은 것으로 나타났다. 또한, 본 연구범위 모든시료는 KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르) 투수량 기준인 20g 이내를 만족하는 것으로 나타났다.
- 이는 20℃ 양생조건이 5℃ 양생조건 보다 내부조직이 치밀하기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 시리즈별로는 전반적으로 시리즈 Ⅱ가 시리즈 Ⅰ보다 투수량이 많은 것으로 나타났는데, 이는 다공질 바텀애쉬의 높은 흡수율과의 상관성에 의한 것으로 판단 된다. 그러나, 본 연구범위 모든시료는 KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르) 투수량 기준인 20g 이내를 만족하는 것으로 나타났다.
- 또한, 시멘트 종류별 습기투과 저항성은 전반적으로 A < C < B 타입 순으로 작아지는 것으로 나타났고, 온도조건별로는 20℃ 양생조건 보다 5℃ 양생조건의 경우가 습기투과 저항성이 작아지는 것으로 나타났는데, 시리즈 Ⅱ의 경우 온도 조건별 차이가 현저한 것으로 나타났다.
- 이는 투수량과 동일한 이유에 의한 것으로 바텀애쉬의 영향에 의한 것으로 판단된다. 또한, 양생온도 조건별로는 5℃ 양생조건이 20℃ 양생조건 보다 물흡수 계수비가 약간 큰 것으로 나타났다.
- 일반적으로 고로슬래그 미분말을 사용하는 경우 염화물이온 침투성능이 개선되는 것으로 보고 되고 있으나, 본 연구에서는 다소 상반되는 결과로 나타났는데, 시리즈 Ⅱ 배합의 경우 바텀애쉬를 치환하여 사용한 재료로 바텀애쉬 잔골재에 포함되어 있는 공극에 의한 영향으로 판단된다. 또한, 양생온도 조건별로는 5℃ 양생조건이 20℃ 양생조건 보다 염화물 이온 침투 저항성이 큰 것으로 나타났다.
- 4) 내알칼리성 및 내산성 결과는 시리즈 Ⅰ의 경우 수산화칼슘용액에 침지후의 압축강도가 침지전의 압축강도에 비해 저하하는 것으로 나타났다. 반면, 시리즈 Ⅱ의 경우 강도저하가 미비한 것으로 나타났으며, 5℃ 양생조건의 경우 C 타입의 시멘트를 제외하고는 28일 재령의 압축강도와 동등한 값을 나타내어 고로슬래그 미분말 및 버텀애쉬를 치환 사용한 경우 내알칼리성 및 내산성이 큰 것 알 수 있었다.
- 반면, 시리즈 Ⅱ의 경우 강도저하가 미비한 것으로 나타났으며, 5℃ 양생조건의 경우 C 타입의 시멘트를 제외하고는 28일 재령의 압축강도와 동등한 값을 나타내어 내알칼리성이 큰 것으로 나타났다.
- 시멘트 종류별 중성화 저항성은 전반적으로 C < A < B 타입 순으로 작아지는 것으로 나타났고, 온도조건별로는 20℃ 양생조건 보다 5℃ 양생조건의 경우가 중성화 저항성이 커지는 것으로 나타났으며, 시리즈별로는 시리즈 Ⅱ의 경우가 중성화 저항성이 약간 저하함을 알 수 있다.
- 시멘트 종류별 투수량은 전반적으로 A < C < B 타입 순으로 나타났고, 온도조건별로는 20℃ 양생조건이 5℃ 양생조건 보다 투수량이 적은 것으로 나타났다.
- 염화물 이온 침투 저항성의 경우 시멘트 종류별 차이는 그다지 크지 않은 것으로 나타났으나, 시리즈별 차이가 현저한 것으로 나타났으며, 시리즈 Ⅱ의 경우 현저히 증가하는 것으로 나타났다. 일반적으로 고로슬래그 미분말을 사용하는 경우 염화물이온 침투성능이 개선되는 것으로 보고 되고 있으나, 본 연구에서는 다소 상반되는 결과로 나타났는데, 시리즈 Ⅱ 배합의 경우 바텀애쉬를 치환하여 사용한 재료로 바텀애쉬 잔골재에 포함되어 있는 공극에 의한 영향으로 판단된다.
후속연구
- 이는 속경성 시멘트의 일부를 고로슬래그 미분말로 치환함에 따른 단위시멘트량 감소에 의한 것으로 판단된다. 한편 저온양생조건에서 중성화 저항성이 증가하는 원인에 대해서는 추후 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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