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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 고유동 콘크리트의 활용범위를 넓히기 위한 일환으로 일반콘크리트 구조물에 많이 사용되고 있는 30 MPa 범위의 고유동 콘크리트 및 일반 콘크리트를 제조하여 수은압입법 및 주사형전자현미경을 통한 공극구조 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 HFC의 경우 많은 분체량과 높은 유동 및 충전 성능으로 내부조직이 치밀해 지는 효과 이외에도 30 MPa 범위의 HFC를 만들기 위하여 사용된 LSP 및 FA가 내부 조직구조 형성에 주는 영향을 알아보기 위하여 SEM 분석을 실시하였다. Fig.
제안 방법
- 본 연구에서 사용한 HFC 기준배합은 예비실험을 통하여 골재채움률(이하 PF로 약함) 1.12, 잔골재율 48%, 물/분체비 35% 및 공기량 4.5±1.5%인 기준배합으로 결정하였다(Nan S. 등, 2001 ; Choi 등, 2006).
- 일반콘크리트(이하 CC로 약함) 배합은 목표 강도를 30 MPa로 설정하여 잔골재율 45%, 물/분체비 50%, 슬럼프는 150±20 mm 및 공기량 4.5±1.5%를 만족하는 배합을 실시하였으며, 콘크리트에 사용된 배합표는 Table 4와 같다.
- HFC는 OPC만을 사용하여 30 MPa 범위의 HFC를 만들 수 없으므로 강도저감을 위해 LSP 사용은 불가피하며, 유동성 및 충전성과 같은 유변학적 성능을 개선하기 위하여 FA를 사용하였다2). 이때 사용된 HFC 배합은 기준 OPC에 대하여 LSP를 부피비 30% 혼합한 2성분계 배합(이하 HFC2로 약함) 및 기준 OPC 부피에 대하여 LSP를 15%로 고정시킨 2성분계 배합에 FA를 OPC의 부피에 대하여 15% 혼합한 3성분계 배합(이하 HFC3라 약함)으로 결정하였다8).
- Table 3은 JSCE에서 제시한 HFC의 성능평가 기준안을 정리한 것이다9). 성능평가 등급 기준은 과밀배근되지 않은 일반 철근콘크리트 구조물에 적용할 수 있는 2등급을 적용하여 검토하였으며, 이러한 기준을 만족시키는 기준배합을 선정한 후 30 MPa 범위의 HFC 배합을 실시하였다. 일반콘크리트(이하 CC로 약함) 배합은 목표 강도를 30 MPa로 설정하여 잔골재율 45%, 물/분체비 50%, 슬럼프는 150±20 mm 및 공기량 4.
- 본 연구에서는 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry ; 이하 MIP라 약함)을 이용하여 수은을 413.6 MPa까지 압입하여 0.003 ~ 10 ㎛영역의 모세관공극을 측정하였으며 수은 접촉각은 130.0°로 하였다.
- HFC의 자기충전성 평가는 콘크리트 믹싱 후 바로 측정하였으며, 측정 항목에는 유동성, 재료분리저항성 및 충전성이 있다. HFC의 유동성 평가 시험방법으로 Slump-cone에 시료를 채운 후 다짐을 하지 않은 상태에서 Slump-cone을 들어올려 시료의 자중만으로 퍼졌을 때 넓게 펴진 값의 직교하는 2개의 부분을 선택하여 측정 후 그 평균값을 Slump flow 값으로 측정하였다.
- HFC의 자기충전성 평가는 콘크리트 믹싱 후 바로 측정하였으며, 측정 항목에는 유동성, 재료분리저항성 및 충전성이 있다. HFC의 유동성 평가 시험방법으로 Slump-cone에 시료를 채운 후 다짐을 하지 않은 상태에서 Slump-cone을 들어올려 시료의 자중만으로 퍼졌을 때 넓게 펴진 값의 직교하는 2개의 부분을 선택하여 측정 후 그 평균값을 Slump flow 값으로 측정하였다. 재료분리 저항성 시험은 Slump flow 500 mm 도달시간 및 V-funnel 유하시간을 측정하였다.
- HFC의 유동성 평가 시험방법으로 Slump-cone에 시료를 채운 후 다짐을 하지 않은 상태에서 Slump-cone을 들어올려 시료의 자중만으로 퍼졌을 때 넓게 펴진 값의 직교하는 2개의 부분을 선택하여 측정 후 그 평균값을 Slump flow 값으로 측정하였다. 재료분리 저항성 시험은 Slump flow 500 mm 도달시간 및 V-funnel 유하시간을 측정하였다. 또한 HFC의 충전성 평가 시험방법으로 U형 박스에 시료를 채운 후 가운데 칸막이를 들어올려 콘크리트가 철근 사이를 통과하여 상승된 높이와 단차를 측정하였다.
- 재료분리 저항성 시험은 Slump flow 500 mm 도달시간 및 V-funnel 유하시간을 측정하였다. 또한 HFC의 충전성 평가 시험방법으로 U형 박스에 시료를 채운 후 가운데 칸막이를 들어올려 콘크리트가 철근 사이를 통과하여 상승된 높이와 단차를 측정하였다.
- 시험용 공시체는 Φ100×200 mm 원주형 몰드를 사용하였다. CC는 다짐봉을 사용하여 KS F 2403 콘크리트 강도 시험용 공시체 제작 방법에 따라서 다짐하여 제작하였고, HFC는 다짐을 하지 않은 상태에서 제작하였다. 24시간 후 몰드를 탈형하여 소정의 재령까지 20±3℃ 수조에 침지하여 수중 양생하였다.
- 시험편은 수중 양생한 재령 28일 콘크리트를 파쇄한 후 굵은 골재를 제외한 모르타르 부분에서 약 1.5 g을 채취하여 105 ~ 110℃ 온도에서 항량 건조시켰다. 공극의 직경은 수은의 압력과 압입량으로부터 공극을 원통형으로 가정하여 식 (1)에 의하여 산정하였다.
- 콘크리트 내부 조직구조를 관찰하기 위하여 주사형전자 현미경(Scanning Electron Microscope ; 이하 SEM이라 약함)을 통하여 30 MPa 범위의 CC 및 HFC에 대하여 SEM 분석을 실시하였다. 시험편은 수중 양생한 재령 3 및 28일 콘크리트를 파쇄하였으며 모르타르 부분을 채취 후 아세톤을 이용하여 충분히 수화 정지시켜 24시간 동안 60℃건조로에 방치후 데시케이터내에서 냉각시켰다.
- 콘크리트 내부 조직구조를 관찰하기 위하여 주사형전자 현미경(Scanning Electron Microscope ; 이하 SEM이라 약함)을 통하여 30 MPa 범위의 CC 및 HFC에 대하여 SEM 분석을 실시하였다. 시험편은 수중 양생한 재령 3 및 28일 콘크리트를 파쇄하였으며 모르타르 부분을 채취 후 아세톤을 이용하여 충분히 수화 정지시켜 24시간 동안 60℃건조로에 방치후 데시케이터내에서 냉각시켰다. SEM은 JEOL FE-SEM JSM-6700F를 사용하였다.
- 본 연구에서는 0.003 ~ 10 ㎛의 공극을 모세관공극으로 분류하였으며, 모세관공극을 다시 마이크로공극(0.05 ㎛이하) 및 매크로공극(0.05 ㎛ 이상)으로 분류하였다(Metha 등, 2006). Fig.
- 본 연구에서는 HFC의 경우 많은 분체량과 높은 유동 및 충전 성능으로 내부조직이 치밀해 지는 효과 이외에도 30 MPa 범위의 HFC를 만들기 위하여 사용된 LSP 및 FA가 내부 조직구조 형성에 주는 영향을 알아보기 위하여 SEM 분석을 실시하였다. Fig. 4는 LSP 및 FA가 콘크리트 내부조직 구조 형성에 주는 영향을 설명하기 위하여 시멘트 입자의 수화 진행을 모형적으로 나타낸 것이며, CC와 HFC의 내부 조직구조를 비교ㆍ분석하였다10).
대상 데이터
- 시멘트는 밀도 3.15 g/cm3 및 분말도 3,540 cm2/g의 보통 포틀랜드시멘트(이하 OPC로 약함)를 사용하였으며, 고유동 콘크리트(이하 HFC로 약함)의 강도 조절용 분체로 석회석 미분말(이하 LSP로 약함) 및 점성 확보를 위한 플라이애시(이하 FA로 약함)를 혼화재로 사용하였다. 시멘트 및 혼화 재료의 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 잔골재는 낙동강산 강모래(이하 S로 약함)를 사용하였으며, 굵은골재 최대치수(이하 Gmax로 약함) 20 mm인 부순골재(이하 G로 약함)를 사용하였다. S 및 G의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
- HFC의 유동성 확보 및 공기량 조절을 위하여 화학혼화제는 국내 H사의 폴리카본산계 고성능 감수제(이하 SP로 약함) 및 공기 연행제(이하 AE로 약함)를 사용하였다.
- 시험용 공시체는 Φ100×200 mm 원주형 몰드를 사용하였다.
이론/모형
- 기준배합 결정시 굳지 않은 HFC의 성능평가는 국내의 경우 아직 명확한 기준이 정립되어 있지 않기 때문에 일본 토목학회(이하 JSCE라 약함)의 기준을 적용하여 평가하였다. Table 3은 JSCE에서 제시한 HFC의 성능평가 기준안을 정리한 것이다9).
- CC의 유동성 평가는 콘크리트의 슬럼프 시험방법인 KS F 2402에 의하여 평가하였다.
- 24시간 후 몰드를 탈형하여 소정의 재령까지 20±3℃ 수조에 침지하여 수중 양생하였다. 압축강도 시험은 재령 7, 28, 56 및 91일에 KS F 2405에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- Fig. 1의 결과 CC와 HFC의 재령 28일 압축강도는 32±1 MPa 범위에서 측정되었으며, 재령 7일 압축강도는 CC와 HFC3가 동일한 반면 HFC2가 약 15% 정도 감소하는 경향을 나타냈으며, 장기 재령인 91일의 경우 HFC3가 가장 크게 나타났다.
- 05 ㎛ 부근에서 주피크가 나타났다. 이러한 결과를 통하여 HFC2 경우가 CC 및 HFC3보다 주공극의 분포가 보다 마이크로공극 영역으로 이동됨을 알 수 있다.
- 05 ㎛의 마이크로 영역의 공극량은 모세관 공극 전체 공극량에 CC, HFC2 및 HFC3의 경우 각각 61%, 67% 및 65%를 차지하고 있다. 이러한 결과를 통하여 HFC가 CC보다 마이크로 영역의 공극량은 증가하고 매크로 영역의 공극량은 감소함을 알 수 있다. 일반적으로 마이크로공극 영역은 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 영향을 미치며, 매크로공극 영역은 콘크리트의 압축 강도 및 내구성에 영향을 주는 요인으로 보고되어 있다5).
- 따라서, 매크로공극 영역이 HFC가 CC보다 평균적으로 약 5% 정도 감소됨에 따라 내구성이 HFC가 CC보다 향상될 것으로 판단된다.
- Table 6의 결과 총 공극량은 HFC가 CC보다 평균적으로 약 24% 정도 증가하였으며, 평균 공극 직경의 크기는 약 4% 정도 감소하는 것으로 측정되었다. 이러한 경향은 총 공극량의 경우 HFC 제조시 다량의 분체량을 사용함에 따른 미세공극의 증가로 판단되며, HFC의 평균 공극 직경의 감소 원인은 유동 및 충전 성능 향상에 따라 내부의 불필요한 공극을 채워줌과 동시에 시멘트 입자에 접한 미분말이 입자 표면이 액상 중에서 석출하는 외부 수화물 C-S-H, 에트린가이트, 모노설페이트 등에 핵생성과 결정성장의 장소를 제공하여 시멘트의 초기 수화를 촉진 시키는 광물질 효과10)로 내부조직이 보다 치밀해진 것으로 판단된다.
- 이러한 결과를 통하여 30 MPa 범위의 CC와 HFC의 경우 HFC가 CC보다 총 공극량은 증가하지만 평균 공극 직경이 작아 내구성이 우수할 것으로 판단된다.
- 1) 수은압입법을 통하여 30 MPa 범위의 일반 콘크리트와 고유동 콘크리트의 재령 28일 공극구조를 분석한 결과 고유동 콘크리트가 일반 콘크리트보다 매크로공극 영역(0.05 ㎛ 이상)이 감소되었으며, 평균 공극 직경이 작아 내구성 측면에서 더 우수할 것으로 판단된다.
- 2) 주사형전자현미경 분석을 통하여 30 MPa 범위의 일반 콘크리트와 고유동 콘크리트의 내부조직을 분석한 결과 고유동 콘크리트는 많은 분체량과 높은 유동 및 충전 성능으로 내부조직이 치밀해 지는 효과 이외에도 석회석 미분말 및 플라이 애시 사용에 따른 광물질 효과 및 포졸란 반응으로 인하여 일반 콘크리트보다 내부조직이 치밀해진 것으로 판단된다.
후속연구
- 이상의 결과를 통하여 콘크리트의 공극구조는 고유동 콘크리트가 일반 콘크리트 보다 치밀함으로써 염해에 대한 피해가 예상되는 해양 구조물에 우수할 것으로 판단된다.
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