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문제 정의
- 국내 시판되는 시멘트 제품별 특성이 고유동 콘크리트의 품질 변동에 미치는 영향을 검토하기 위한 시멘트의 기초물성 평가 및 고유동 콘크리트의 품질 특성 평가 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 이 연구에서는 고유동 콘크리트의 품질 관리의 효율화 방안 제시를 목적으로, 콘크리트의 가장 중요한 원자재인 시멘트의 품질 특성과 고유동 콘크리트의 유동성을 평가하여 시멘트의 품질이 고유동 콘크리트의 유동 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 다만 건설시공 현장 환경을 고려하여 임의로 제조된 시멘트를 사용하지 않고 현재 시판되는 시멘트 제조사별 제품에 대해 평가를 진행하였다.
제안 방법
- 고유동 콘크리트 제조시에는 일반적으로 혼화재가 사용되고 있으나, 이 연구에서는 시멘트의 영향을 고려한 것으로서 혼화재를 사용하지 않고 실험을 진행하였다.
- 고유동 콘크리트에 대한 평가 항목으로서는 고성능AE 감수제의 사용량 변동에 따른 슬럼프플로우, 플로우 500 mm 도달시간 및 공기량과 압축강도를 측정하였다.
- 고유동 콘크리트의 제조는 각 제조사별 목표 슬럼프플로우를 만족시키는 고성능AE감수제의 적정 사용량 및 재료분리가 발생되는 초과 사용량 범위까지 적용하였으며, 감수제의 사용량 증가에 따른 유동 특성의 변화를 평가하기 위해 슬럼프플로우의 면적비를 다음식과 같이 산출하여 감수제 사용량과 플로우 면적비의 상관관계를 구하였다.
- 이에 이 연구에서는 고유동 콘크리트의 품질 관리의 효율화 방안 제시를 목적으로, 콘크리트의 가장 중요한 원자재인 시멘트의 품질 특성과 고유동 콘크리트의 유동성을 평가하여 시멘트의 품질이 고유동 콘크리트의 유동 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 다만 건설시공 현장 환경을 고려하여 임의로 제조된 시멘트를 사용하지 않고 현재 시판되는 시멘트 제조사별 제품에 대해 평가를 진행하였다.
- 모든 배합에서 고성능AE감수제는 동일한 제품을 사용하였으며, 목표 슬럼프플로우를 600±50 mm로 설정하고 동일 목표 슬럼프플로우를 만족시키는 감수제 사용량을 평가하였다. 또한 적정 사용량 범위 이외의 사용량에 대해서도 슬럼프플로우를 측정하고 플로우면적비를 산출하여 고유동 콘크리트의 유동 특성을 평가하였다.
- 모든 배합에서 고성능AE감수제는 동일한 제품을 사용하였으며, 목표 슬럼프플로우를 600±50 mm로 설정하고 동일 목표 슬럼프플로우를 만족시키는 감수제 사용량을 평가하였다.
- 시멘트 품질 특성 평가 항목으로서 분말도, 입도 분석 이외에 화학성분, 시멘트 광물상, 알칼리 함유량 및 시멘트 페이스트의 미소수화열을 측정하였다.
- 시멘트 품질 특성이 고유동 콘크리트의 유동 특성에 미치는 영향을 검토하기 위해, 우선 국내 판매되고 있는 제조사별 보통 포틀랜드 시멘트의 기초물성 및 이를 사용한 고유동 콘크리트의 유동성을 평가하고, 시멘트 품질 특성과 유동 특성의 상관관계를 평가하였다. 이 연구의 평가 항목 및 콘크리트의 배합을 Tables 1 및 2에 나타내었다.
- 시멘트의 초기 수화반응성을 평가하기 위해 시간에 따른 미소수화열 측정 결과를 Fig. 6에 나타내었으며, 이 시험의 경우 물시멘트비 50%에서 물과 반응 직후부터 3일 동안 누적수화열을 측정하였다.
- 시멘트의 초기 수화반응의 성상 검토를 분석하기 위해 Microconduction Calorimeter에 의해 시간에 따른 수화 발열량을 수주 직후부터 72시간 동안 검토하였다.
- 시멘트의 화학성분 및 광물상 분석은 XRF(X-ray flourescence spectrometry)와 XRD(X-ray diffraction)에 의해 주요 성분 및 광물상을 분석하였다.
- 측정된 시멘트 기초물성 및 특성 값들을 통해서, 콘크리트의 슬럼프플로우 면적비에 의해 산출된 한계 감수제 사용량과 분산효율에 대해 분석하였으며, 특히 시멘트 광물상에 대한 유동성 영향 정도도 검토하였다.
대상 데이터
- 이 연구에 사용된 시멘트는 국내에서 생산되는 보통 포틀랜드 시멘트를 대상으로, 총 7개사 제품에 대한 성능 평가를 실시하였으며, 국내 제조사 이니셜과 관계없이 A~G로 약식 표기하였다. 시멘트 이외의 원재료에 대한 기초물성 결과를 Table 3에 나타내었다.
- 잔골재는 세척사를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 20 mm 부순 굵은 골재를 사용하였다. 고성능AE감수 제는 폴리카르본산계를 사용하였다.
이론/모형
- 잔골재는 세척사를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 20 mm 부순 굵은 골재를 사용하였다. 고성능AE감수 제는 폴리카르본산계를 사용하였다.
- 시멘트의 분말도는 KS L 5106에 준하여 분말도 시험을 진행하였으며, 시멘트 입경 특성을 평가하기 위해 입도 분포를 측정하였다.
- 시멘트의 전알칼리 및 수용성 알칼리 함유량은 ASTM C114에 준하여 K2O와 Na2O 함량 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 시멘트의 초기 수화에 있어서 미소수화열 분석 결과 분말도의 영향이 매우 큰 것을 확인하였다.
- 2) 고유동 콘크리트의 유동 특성 평가 결과 시멘트 제조사별 제품 특성에 따라 동일 유동성을 확보하는 고성능AE감수제의 사용량이 제조사별 최대 2배 내외의 차이를 나타내고 있다.
- 3) 고유동 콘크리트의 유동 특성에 영향을 미치는 요인으로서 한계 감수제 사용량(CD)에 대하여 분말도가 높을수록, 미소수화열이 많을수록 CD값도 증가하는 경향을 나타내고 있다.
- 4) 화학조성에 있어서는 SO3 함량은 유동성을 증가시키는 요인으로, MgO의 함량은 유동성을 감소시키는 요인으로 나타났다.
- 시멘트 분말도가 증가할수록 CD값 또한 증가하는 경향으로 기존의 연구 결과와 동일한 경향을 나타내고 있다.4)이는 분말도가 증가하면 감수제 사용량을 증가시켜야 하는 것을 의미하며, 분말도가 증가할수록 시멘트 입자가 차지하는 비표면적이 증가하기 때문에 동등한 수준의 유동성을 확보하기 위한 감수제 흡착량 또한 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 반면 분말도와 DA간의 상관관계는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 1과 같이 나타낼 수 있다.5) 감수제 사용량은 플로우 면적비에 영향을 미치며 시멘트의 특성에 따라 X절편과 기울기가 다르게 나타나게 된다. 이때 나타나게 되는 X절편의 값은 유동성에 필요한 한계 감수제 사용량(critical dosage, 이하 CD)을 의미하며, 기울기는 감수제의 사용량의 증가에 따른 유동성 향상의 정도로서 분산효율(dispersing ability, 이하 DA)을 의미한다.
- 5) 시멘트의 간극상(C3A, C4AF) 량이 증가할수록 초기 수화 진행이 활발하여 유동성 저하를 초래하는 것으로 나타났다.
- 6) 감수제 사용량과 강도발현 특성의 관계에 있어서는 적정 유동성을 확보하는 범위에서는 감수제 사용량은 초기재령에서는 영향을 미치지만 장기재령에서는 거의 영향이 없는 것으로 나타났다.
- C사 제품의 경우 평가 영역에서 가장 작은 입자 직경을 나타내고 있으며, F사 제품은 직경이 가장 큰 것으로 나타났고, B, E, G사 제품도 비교 제조사들 중에서 비교적 입경이 큰 것으로 측정되었다.
- 감수제 사용량을 0.9%로 동일하게 적용한 경우 500 mm 도달시간은 C사 제품의 경우, 감수제 사용량이 유사한 A, E사 제품에 비해 500 mm 도달시간은 상대적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 목표 슬럼프플로우를 만족시키는 고성능AE감수제 사용량 변동 시에도 동일한 경향을 나타내고 있다.
- 감수제의 사용량이 가장 높은 F의 경우에는 초기 강도 지연으로 인해 강도 발현이 가장 저하하는 것으로 나타났으나, 장기 재령에서는 평균 수준의 강도 발현을 하는 것으로 나타났다. 이는 시멘트의 수화 초기시에는 시멘트 품질 특성에 기인한 감수제의 사용량 변동이 많은 영향을 미치지만 장기 재령에서는 이러한 영향이 감소하는 것으로 판단된다.
- 경과시간 60분에서의 목표 슬럼프플로우를 만족시키는 고성능AE감수제의 사용량 변화는 대부분 제조 직후 고성능AE감수제 사용량에 비해 0.12% 내외 증가하는 경향을 나타내고 있으나, E 및 F의 경우에는 2배 이상인 0.35% 내외 증가시켜야 되는 것으로 나타났다.
- 동일한 고성능감수제 0.9% 적용 시 슬럼프플로우 경시변화량을 살펴보면 F, E, C, D 순으로 경과시간에 따른 슬럼프플로우의 저하가 크게 나타나고 있으며, 상대적으로 초기 슬럼프플로우 값이 크게 나타났던 B 및 G는 슬럼프플로우의 경시변화량이 작은 경향을 나타내고 있다.
- 4에 시멘트 광물상을 나타내었다. 모든 제조사에 있어 주요 화학성분인 CaO 및 SiO2의 함량이 약 80%를 차지하고 있었으며, 특히 CaO는 제조사별 함량 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 시멘트 주요 광물상 분석 결과, 칼슘실리케이트상(C3S, C2S)은 A, C, E, G 순으로 많은 반면에 B, D, F 는 간극상(C3A, C4AF) 조성이 상대적으로 많은 것으로 나타났다.
- 목표 슬럼프플로우 600 mm를 만족시키는 고성능AE감수제의 사용량 변화는 제조 직후의 경우 사용량이 적은 G, B 및 사용량이 상대적으로 많은 F를 제외하면 거의 유사한 수준으로 0.9±0.1% 범위를 만족하고 있는 것으로 나타났다.
- 미소수화열이 증가할수록 CD도 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 특히 점선의 시료를 제외할 경우 상관관계가 매우 높은 것으로 나타났다. 이는 수화반응 속도가 증가할수록 콘크리트 유동성이 감소하고 있음을 나타내고 있는데, 수화 초기 생성되는 수화생성물의 양이 증가할수록 반응생성물에 의한 입자 비표면적이 증가하기 때문에 감수제의 사용량이 증가해야 되는 것으로 판단된다.
- 2% 내외의 차이를 나타내고 있다. 수용성 알칼리양은 E, F가 가장 많고, B사가 가장 낮은 것으로 나타났으며, 제조사별 총 알칼리양 차이보다 편차가 큰 것으로 나타났다.
- 시멘트 입자가 물과 접촉 직후 3일 동안의 수화발열 곡선을 살펴보면 제조사에 따라, 또한 수화 반응 시간에 따라 수화발열의 차이가 많은 것으로 나타났다.
- 시멘트 제조사에 따라 목표 슬럼프플로우를 확보하는 고성능AE감수제의 사용량과 경과시간 60분에서의 슬럼프플로우 면적비는 G사 제품의 경우 감수제의 사용량이 비교 대상 제품 중에서 가장 작음에도 불구하고 면적비의 변화도 비교적 적은 것으로 나타났으나, E, F사의 경우, 감수제 사용량이 상대적으로 많지만, 면적비의 변화량도 상대적으로 높은 것으로 나타나고 있어서, 제조사에 따른 유동성 차이가 매우 큰 것으로 나타나고 있다.
- 시멘트 제조사에 따른 콘크리트 굳지않은 성상의 경우, 공기량은 동등 수준의 슬럼프플로우에서 공기량은 시멘트 제조사에 따라 큰 차이는 나타나지 않았으며, 고성능 감수제의 사용량이 증가함에 공기량 감소 현상이 발생하였다.
- 모든 제조사에 있어 주요 화학성분인 CaO 및 SiO2의 함량이 약 80%를 차지하고 있었으며, 특히 CaO는 제조사별 함량 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 시멘트 주요 광물상 분석 결과, 칼슘실리케이트상(C3S, C2S)은 A, C, E, G 순으로 많은 반면에 B, D, F 는 간극상(C3A, C4AF) 조성이 상대적으로 많은 것으로 나타났다.
- 제조 직후의 분산효율(DA)은 D, B, C, G 순으로 CD 값과는 제조사별 성능 발현의 경향 차이가 있는 것으로 나타났다. 이는 감수제 사용량 증가에 따른 유동성 증진율(기울기)이 D, B, C 제품이 타사 대비 상대적으로 큰것을 의미하는 것으로 감수제에 의한 분산효과가 상대적으로 민감하다고 할 수 있다.
- 제조사에 따른 슬럼프플로우의 변동은 G사의 경우 7사 제품 중에서 목표 슬럼프플로우를 만족시키는 고성능AE감수제의 사용량이 가장 적은 것으로 나타났으며, F사는 비교 대상 제품 중에서 목표 슬럼프플로우를 만족시키는 고성능AE감수제의 사용량이 가장 많은 것으로 나타났는데, 특히 가장 양호한 유동성을 나타나는 G사에 비해 약 2배 이상의 고성능AE감수제가 필요한 것으로 나타났다.
- 초기 수화반응 개시 후 3시간 동안의 수화발열량을 살펴보면, C사의 경우 급격한 반응이 진행됨을 알 수 있으며, G사의 경우에는 수화반응이 가장 늦게 진행되는 것으로 나타났다. 또한 3일 동안의 누적 수화열을 살펴보면, 초기 수화반응과 달리 B사의 경우가 가장 많은 수화 발열량을 나타내고 있으며, F사의 경우에는 가장 낮은 수화발열량을 나타내고 있다.
- 총 알칼리양은 F사 제품이 가장 높게 나타났고, B사 제품은 가장 낮게 나타나고 있으며, 약 0.2% 내외의 차이를 나타내고 있다. 수용성 알칼리양은 E, F가 가장 많고, B사가 가장 낮은 것으로 나타났으며, 제조사별 총 알칼리양 차이보다 편차가 큰 것으로 나타났다.
- 한계 첨가량은 유동성을 확보하기 위한 감수제의 최소 사용량을 의미하는 것으로서 제조 직후 한계 감수제 사용량(CD)의 경우 G, B, A, E 순으로 높아지고 있으며, D, C, F는 유동성을 확보하기 위한 감수제의 사용량이 상대적으로 많이 소모되는 것으로 나타났다. 그러나, 경과시간에 따른 슬럼프플로우 저하를 고려한 CD의 경우 G사를 제외하면 제조 직후에 비해 비교적 제조사별 차이가 작아지는 것으로 나타났다.
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