CSA계 팽창재 및 수축 저감제의 혼입에 따른 UHPCC의 초기 수축 거동 평가 Evaluating Early Age Shrinkage Behavior of Ultra High Performance Cementitious Composites (UHPCC) with CSA Expansive Admixture and Shrinkage Reducing Agent원문보기
이 연구에서는 실리카퓸 및 수축 저감제, 팽창재, 고성능 감수제의 혼입을 변수로 한 초고성능 시멘트 복합체(UHPCC)의 초기 수축 거동을 평가하기 위하여 화학수축 및 자기수축 실험을 수행하고, 응결 측정 결과와 비교하여 UHPCC의 자기건조 시작 시점에 대하여 분석하였다. 실험 결과, 실리카퓸 및 수축 저감제는 초기 화학수축을 증가시키는 경향을 보였으며, 고성능 감수제는 시멘트와 배합수의 수화 반응을 지연시키고 화학수축을 저감시키는 것으로 나타났다. 수축 저감제와 팽창재를 조합하여 적용한 경우 약 49%의 자기수축 저감 효과를 보였으며, 팽창재는 경화를 촉진 시키는 것으로 나타났다. 또한 UHPCC는 다수의 섬유 혼입과 낮은 물-결합재비에 의해 초결 이전부터 자기건조 현상이 발생하는 것으로 나타났다.
이 연구에서는 실리카퓸 및 수축 저감제, 팽창재, 고성능 감수제의 혼입을 변수로 한 초고성능 시멘트 복합체(UHPCC)의 초기 수축 거동을 평가하기 위하여 화학수축 및 자기수축 실험을 수행하고, 응결 측정 결과와 비교하여 UHPCC의 자기건조 시작 시점에 대하여 분석하였다. 실험 결과, 실리카퓸 및 수축 저감제는 초기 화학수축을 증가시키는 경향을 보였으며, 고성능 감수제는 시멘트와 배합수의 수화 반응을 지연시키고 화학수축을 저감시키는 것으로 나타났다. 수축 저감제와 팽창재를 조합하여 적용한 경우 약 49%의 자기수축 저감 효과를 보였으며, 팽창재는 경화를 촉진 시키는 것으로 나타났다. 또한 UHPCC는 다수의 섬유 혼입과 낮은 물-결합재비에 의해 초결 이전부터 자기건조 현상이 발생하는 것으로 나타났다.
In this study, experimental tests of chemical and autogenous shrinkage were performed to evaluate the early age shrinkage behaviors of ultra high performance cementitious composites (UHPCC) with various replacement ratios of silica fume (SF), shrinkage reducing agent (SRA), expansive admixture (EA),...
In this study, experimental tests of chemical and autogenous shrinkage were performed to evaluate the early age shrinkage behaviors of ultra high performance cementitious composites (UHPCC) with various replacement ratios of silica fume (SF), shrinkage reducing agent (SRA), expansive admixture (EA), and superplasticizer (SP). Starting time of self-desiccation, was analyzed by comparing the setting times and the deviated point of chemical and autogenous shrinkage strains. The test results indicated that both SF and SRA augment the early age chemical shrinkage, whereas SP delays the hydration reaction between cement particles and water, and reduces chemical shrinkage. About 49% of autogenous shrinkage was depleted by synergetic effect of SRA and EA. The hardening of UHPCC was catalyzed by containing EA. Self-desiccation of UHPCC occurred prior to the initial setting due to the high volume fraction of fibers and low water-binder ratio (W/B).
In this study, experimental tests of chemical and autogenous shrinkage were performed to evaluate the early age shrinkage behaviors of ultra high performance cementitious composites (UHPCC) with various replacement ratios of silica fume (SF), shrinkage reducing agent (SRA), expansive admixture (EA), and superplasticizer (SP). Starting time of self-desiccation, was analyzed by comparing the setting times and the deviated point of chemical and autogenous shrinkage strains. The test results indicated that both SF and SRA augment the early age chemical shrinkage, whereas SP delays the hydration reaction between cement particles and water, and reduces chemical shrinkage. About 49% of autogenous shrinkage was depleted by synergetic effect of SRA and EA. The hardening of UHPCC was catalyzed by containing EA. Self-desiccation of UHPCC occurred prior to the initial setting due to the high volume fraction of fibers and low water-binder ratio (W/B).
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문제 정의
16,21) 따라서 이 연구에서는 실험에 사용한 시멘트의 수화도를 예측하여 화학수축과 비교하고 선형 거동을 보이는지 평가하였다.
그러므로 UHPCC의 초기 수축 거동 및 SRA와 EA의 재료적 특성을 이해하고, 내·외부 구속 조건을 고려하여 적절하게 사용한다면 수축 균열 억제에 효과적일 것으로 판단된다. 이에 이 연구에서는 UHPCC의 초기 수축 거동을 평가하기 위하여 혼화제와 혼화재의 치환율에 따른 화학수축 실험과 수화도를 평가하였으며, SRA 및 EA의 혼입 여부에 따른 UHPCC의 자기수축 실험을 수행하였다. 또한 UHPCC의 응결시간을 측정하여 시멘트페이스트 내부에 공극이 형성되고, 자기건조(self-desiccation)현상이 나타나는 시점과 비교, 분석하였다.
가설 설정
따라서 µm/m의 단위를 얻게 되며 화학수축 결과와 비교하기 위하여 식 (5)를 적용하여 화학수축 부피 변화량을 길이 방향 변형률로 치환하였다.12) 단, 모든 방향의 변형률은 등방성이라고 가정하였다.
제안 방법
SF 및 SRA, EA, SP의 혼입 여부를 변수로 한 UHPCC의 화학수축 및 자기수축, 응결 실험 결과를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
UHPCC의 초기 수축 거동을 평가하기 위하여 혼화재, 혼화제를 변수로 한 화학수축 및 자기수축 실험을 수행하였으며, 압축강도와 응결을 측정하여 초기 재령에서의 콘크리트 경화 거동을 평가하였다.
실험에는 10 mL 용량의 삼각플라스크를 사용하였으며 시멘트 페이스트를 약 10 mm 두께로 동일하게 넣어주었다. 극초 순수 증류수(demineralized and distilled water)를 사용하여 수화 반응에 영향을 미치는 불순물을 제거하였으며, 최소 눈금이 0.01 mL인 피펫을 사용하여 부피 감소량을 측정하였다. 외부로의 수분증발을 차단하기 위하여 파라핀 오일을 사용하였고, 압축강도 시험체와 동일한 항온 항습실에서 23°C의 물을 채운 용기에 삼각 플라스크를 넣고 실험을 진행하였다.
따라서 이 연구에서는 UHPCC의 화학수축 및 자기수축 실험을 수행하고 응결 시간을 측정하여 자기건조 현상이 나타나는 시점과 초결을 비교하였으며, 적합성 여부를 평가하였다.
굳지 않은 UHPCC의 성질을 알아보기 위해 KS L5111 규정에 따라 플로우 실험을 실시하였으며, φ100 ×200 mm인 원주형 공시체를 제작하여 온도 23±1°C, 습도 60 ± 5%인 항온 항습 조건에 노출시켜 기건 양생을 수행한 이후에 압축강도(KS F 2405)를 측정하였다. 또한 UHPCC 배합에서 섬유를 제외하여 모르타르를 제조한 후 KS F 2436의 규정에 따라 초결 및 종결을 측정하였다.
이에 이 연구에서는 UHPCC의 초기 수축 거동을 평가하기 위하여 혼화제와 혼화재의 치환율에 따른 화학수축 실험과 수화도를 평가하였으며, SRA 및 EA의 혼입 여부에 따른 UHPCC의 자기수축 실험을 수행하였다. 또한 UHPCC의 응결시간을 측정하여 시멘트페이스트 내부에 공극이 형성되고, 자기건조(self-desiccation)현상이 나타나는 시점과 비교, 분석하였다.
콘크리트와 몰드의 마찰에 의한 수축 구속력을 최소화하기 위하여 테프론 시트를 적용하였고 콘크리트 타설 후 24시간 이후에 몰드를 탈형하였다. 몰드를 탈형한 후에는 수분 증발에 의한 부피 감소를 방지하기 위하여 알루미늄 테이프를 사용하여 노출면을 모두 밀봉하였고, 상기의 실험들과 동일한 항온 항습 조건에서 실험을 진행하였다.
외부로의 수분증발을 차단하기 위하여 파라핀 오일을 사용하였고, 압축강도 시험체와 동일한 항온 항습실에서 23°C의 물을 채운 용기에 삼각 플라스크를 넣고 실험을 진행하였다. 시멘트 페이스트가 물과 접하는 시점에서 1시간 이후부터 측정을 하였으며, 초기 8시간 동안은 1시간 간격으로 측정하였고 그 후에는 8시간 이내의 간격으로 측정하였다.
외부로의 수분증발을 차단하기 위하여 파라핀 오일을 사용하였고, 압축강도 시험체와 동일한 항온 항습실에서 23°C의 물을 채운 용기에 삼각 플라스크를 넣고 실험을 진행하였다.
Table 2는 이 연구에서 수행한 수축 실험의 변수별 배합표이다. 자기수축의 경우 시멘트의 중량을 기준으로 1%의 SRA와 7.5%의 EA의 혼입 여부를 실험 변수로 하였으며, 화학수축은 SF 및 고성능 감수제(SP), EA, SRA의 치환율에 따른 수축 변화량을 측정하여 비교하였다. 물시멘트비(W/C)는 25%로 동일하고, SF의 혼입 여부에 따라서 W/B(또는 W/(C+SF))는 20~25%로 다양하게 적용되었다.
100 × 100 ×400 mm의 각주형 몰드를 사용하였으며 JCI에서 제안하는 방법17)과 유사하게 실험하였다. 콘크리트와 몰드의 마찰에 의한 수축 구속력을 최소화하기 위하여 테프론 시트를 적용하였고 콘크리트 타설 후 24시간 이후에 몰드를 탈형하였다. 몰드를 탈형한 후에는 수분 증발에 의한 부피 감소를 방지하기 위하여 알루미늄 테이프를 사용하여 노출면을 모두 밀봉하였고, 상기의 실험들과 동일한 항온 항습 조건에서 실험을 진행하였다.
대상 데이터
2 mm)를 사용하였다. EA는 일본산 CSA계를 사용하였으며, 독일산 글루콜계의 SRA를 사용하였다. 배합에 사용된 재료들의 화학적 구성 성분은 Table 1과 같다.
2). 실험에는 10 mL 용량의 삼각플라스크를 사용하였으며 시멘트 페이스트를 약 10 mm 두께로 동일하게 넣어주었다. 극초 순수 증류수(demineralized and distilled water)를 사용하여 수화 반응에 영향을 미치는 불순물을 제거하였으며, 최소 눈금이 0.
이 실험에서는 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 입경 0.5 mm 이하의 잔골재, 비표면적이 200,000 cm2/g인 중국산 SF, 96%의 SiO2를 포함하고 입경 2 µm의 충전재, 고탄성 강섬유(밀도 7.8 g/cm3, 인장강도 2,500 MPa, 길이13 mm, 직경 0.2 mm)를 사용하였다.
이론/모형
굳지 않은 UHPCC의 성질을 알아보기 위해 KS L5111 규정에 따라 플로우 실험을 실시하였으며, φ100 ×200 mm인 원주형 공시체를 제작하여 온도 23±1°C, 습도 60 ± 5%인 항온 항습 조건에 노출시켜 기건 양생을 수행한 이후에 압축강도(KS F 2405)를 측정하였다.
시멘트의 주요 구성 성분(C2S, C3S, C3A, C4AF)의 비율은 ASTM C 150 규정에서 제안하고 있는 보그의 계산법(Bogue's calculation)을 통해 예측하였다.
이 연구에서 수행한 자기수축 측정 방법은 JCI에서 제안한 방법과 유사하며 길이 방향 변형률을 측정하였다. 따라서 µm/m의 단위를 얻게 되며 화학수축 결과와 비교하기 위하여 식 (5)를 적용하여 화학수축 부피 변화량을 길이 방향 변형률로 치환하였다.
성능/효과
1) SF는 Ca(OH)2와 포졸란 반응하여 화학수축을 증가시키고, SRA는 시멘트 페이스트의 투과성을 증가시켜 수화 반응을 촉진시키는 것으로 나타났다. 반면에 SP는 시멘트 입자 표면에 흡착되어 배합수와 시멘트의 수화 반응을 지연, 감소시키는 경향을 보였으며 EA는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
2) UHPCC는 초기에 급격한 수축 발생을 나타내며, SRA와 EA의 혼입을 통하여 28일 재령에서 약 49%의 자기수축 저감 효과를 얻을 수 있었다. 하지만 EA의 경우 수화 반응을 촉진시키는 경향을 보였으며 UHPCC의 타설 초기에 발생하는 수축이 거푸집에 의해 구속될 경우 수축 균열 발생 가능성이 높을 것으로 판단된다.
3) UHPCC의 경우 화학수축이 구속되어 내부에 공극이 형성되고 자기건조 현상이 발생하는 시점은 모르타르 타설 후 약 3시간에서 3.5시간으로 나타났으며, 초결 보다 이른 시점에서 자기건조가 시작된 이유는 낮은 W/B와 다수의 섬유 보강에 따른 구속효과에 의한 것으로 판단된다.
3,4) 비이온 계면활성제인 SRA는 시멘트 페이스트의 내부 공극수의 표면장력을 감소시켜 수축을 저감시키며 공극수의 점도를 증가시켜 유해물이 콘크리트 내부로 침투하는 것을 억제하고, 외부로 증발되는 수분의 양을 감소시켜 초기 건조수축 및 소성수축을 저감시킨다.5) 또한 CSA계 EA는 # 클링커를 포함하고 있어 초기에 다량의 에트린자이트(ettringite)를 생성하여 수화 반응을 촉진시키고 부피를 팽창시키는 경향을 나타낸다.
또한 SRA는 시멘트 페이스트 내부 공극수의 표면장력을 감소시켜 모세관 압력을 줄이고 수축을 저감시키는 것으로 알려져 있다.3,5) 다음의 Kelvin-Laplace 식을 통하여 내부 공극수의 표면장력과 모세관압력은 비례 관계임을 알 수 있다.
Fig. 5에서 볼 수 있듯이 Avrami 식을 사용하여 예측한 시멘트의 수화도와 실험을 통해 얻은 화학수축은 준 선형(quasi-linear) 거동을 나타내었으며, 선형 회귀 분석을 수행한 결과 Gutteridge 등이 제안한 수화도 상수를 적용할 경우 선형 관계에 조금 더 근접한 것으로 나타났다.
그러므로 UHPCC의 초기 수축 거동 및 SRA와 EA의 재료적 특성을 이해하고, 내·외부 구속 조건을 고려하여 적절하게 사용한다면 수축 균열 억제에 효과적일 것으로 판단된다.
A에 비해 약간 감소하였으며, 7일 이후에는 거의 동일한 압축강도를 나타내었다. 따라서 7.5%의 EA와 1%의 SRA를 조합하여 혼입한 경우 UHPCC의 압축강도 및 플로우에 미치는 영향은 미미한 것으로 판단된다.
와 포졸란 반응하여 화학수축을 증가시키고, SRA는 시멘트 페이스트의 투과성을 증가시켜 수화 반응을 촉진시키는 것으로 나타났다. 반면에 SP는 시멘트 입자 표면에 흡착되어 배합수와 시멘트의 수화 반응을 지연, 감소시키는 경향을 보였으며 EA는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
Table 6은 다양한 자기수축 시작 시기를 적용하여 예측한 28일 재령의 자기수축 변형률이다. 보는 바와 같이 초결을 기준으로 예측한 경우 자기건조 시작 시기를 기준으로 예측한 값에 비해 17.50%, 28.77% 감소하는 것으로 나타났다.
실험 결과, 콘크리트 타설 후 약 3.5시간 이후부터 화학수축과 자기수축이 달라지는 경향을 보였다. 이는 기존의 연구 결과11,12,14)에 비해 조금 이른 시간이며, 그 이유는 UHPCC의 낮은 W/B와 다수의 섬유 혼입에 의한 것으로 판단된다.
후속연구
1) 특히 UHPCC의 뛰어난 강도 발현 성능은 기존의 콘크리트 구조물이 가지고 있었던 중량 대비 낮은 강도, 내구성 문제 등을 해결할 수 있으며 사장교 및 현수교 등의 장경간 교량에 그 활용이 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
UHPCC를 실제 구조물에 적용하기 위해서는 무엇이 수행되어야 하는가?
수화 반응과 공극수의 건조 현상에 의한 초기 부피 감소는 보강 철근 및 거푸집 등에 구속되어 구조물에 균열을 유발하고 염화물 및 황산염, 이산화탄소 등의 침투로 내구성을 저하시킨다. 따라서 UHPCC를 실제 구조물에 적용하기 위해서는 수축거동에 대한 정확한 이해와 평가, 저감 대책에 관한 연구가 수행되어야 한다.
초고성능시멘트 복합체의 장점은 무엇인가?
초고강도와 고인성 개념을 복합적으로 나타내는 초고성능시멘트 복합체(ultra high performance cementitious composites, UHPCC)가 최근 국내에서도 개발되었으며, 이의 활용을위한 다양한 연구가 진행되고 있다.1) 특히 UHPCC의 뛰어난 강도 발현 성능은 기존의 콘크리트 구조물이 가지고 있었던 중량 대비 낮은 강도, 내구성 문제 등을 해결할 수 있으며 사장교 및 현수교 등의 장경간 교량에 그 활용이 기대된다.
UHPCC의 문제점은 무엇인가?
그러나 UHPCC의 경우 낮은 물-결합재비(W/B)와 실리카퓸(SF)의 사용으로 인해 타설 초기에 상당히 큰 자기수축이 발생한다. 수화 반응과 공극수의 건조 현상에 의한 초기 부피 감소는 보강 철근 및 거푸집 등에 구속되어 구조물에 균열을 유발하고 염화물 및 황산염, 이산화탄소 등의 침투로 내구성을 저하시킨다. 따라서 UHPCC를 실제 구조물에 적용하기 위해서는 수축거동에 대한 정확한 이해와 평가, 저감 대책에 관한 연구가 수행되어야 한다.
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