콘크리트 구조물 형식의 다양화에 따라 요구되는 콘크리트의 품질 또한 고성능화가 필수적으로 되고 있다. 콘크리트의 고성능화는 혼화재료의 사용을 통하여 도달되고 있는데 일반적으로 고강도 콘크리트를 제작하기 위해서는 실리카 흄을 사용하고 있다. 실리카 흄은 역학적 성능은 우수하나 경제적 이지 못해 최근 이의 대체재로서 메타카올린의 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구는 실리카 흄의 대체재로 메타카올린을 사용하였으며 이에 따른 유동성의 저하를 방지하기 위해 이산화규소를 사용한 콘크리트를 제작하여 각 종 역학적 특성을 검토하였다.
콘크리트 구조물 형식의 다양화에 따라 요구되는 콘크리트의 품질 또한 고성능화가 필수적으로 되고 있다. 콘크리트의 고성능화는 혼화재료의 사용을 통하여 도달되고 있는데 일반적으로 고강도 콘크리트를 제작하기 위해서는 실리카 흄을 사용하고 있다. 실리카 흄은 역학적 성능은 우수하나 경제적 이지 못해 최근 이의 대체재로서 메타카올린의 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구는 실리카 흄의 대체재로 메타카올린을 사용하였으며 이에 따른 유동성의 저하를 방지하기 위해 이산화규소를 사용한 콘크리트를 제작하여 각 종 역학적 특성을 검토하였다.
According to the diversification of types of concrete structures, the quality of the concrete which is demanded also, is becoming high performance essentially. The high performance of the concrete leads using of admixtures, generally, in order to produce high strength, concrete has been used to sili...
According to the diversification of types of concrete structures, the quality of the concrete which is demanded also, is becoming high performance essentially. The high performance of the concrete leads using of admixtures, generally, in order to produce high strength, concrete has been used to silica fume. Silica fume is excellent mechanical properties, but unlikely to be economic. So, recently as a replacement for silica fume, metakaolin is a lot of research underway. In this study, it is used the metakaolin substitute for silica fume. For in order to prevent loss of liquidity when occurs using the admixtures, we used the silica dioxide. Therefore, concrete with the admixtures and silicon dioxide were examined the mechanical properties.
According to the diversification of types of concrete structures, the quality of the concrete which is demanded also, is becoming high performance essentially. The high performance of the concrete leads using of admixtures, generally, in order to produce high strength, concrete has been used to silica fume. Silica fume is excellent mechanical properties, but unlikely to be economic. So, recently as a replacement for silica fume, metakaolin is a lot of research underway. In this study, it is used the metakaolin substitute for silica fume. For in order to prevent loss of liquidity when occurs using the admixtures, we used the silica dioxide. Therefore, concrete with the admixtures and silicon dioxide were examined the mechanical properties.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 콘크리트의 압축강도 증진을 위하여 산업부산물인 실리카 흄 및 천연물질인 메타카올린을 사용하고 유동성의 증진을 위하여 국내 레미콘제작 시에 많이 사용되는 이산화규소를 활용한 콘크리트를 제작하여 각 종 시험을 통해 이에 대한 특성을 규명하였다.
제안 방법
KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험 방법에 따라 Φ100 × 200 mm의 원주형 시험체를 제작하여 수중 양생후 재령 7일, 14일 및 28일에서 압축강도를 측정하였다.
. 따라서 이러한 내용을 고려한 총 6종류의 콘크리트 시험체를 제작하여 슬럼프, 압축강도, XRD분석, 건조수축 길이변화 및 동결융해저항성 시험 등을 실시하였다.
본 시험에서 사용된 각 종 혼화재료가 시멘트와의 수화반응에 미치는 영향을 검토하기 위하여 50 × 50 × 50 mm 시험체를 제작하여 21±3℃ 온도의 수중에서 양생한 후 재령 28일에 XRD분석을 시행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 혼화재는 실리카 흄, 메타카올린 및 이산화규소로서 이 들 재료의 특성 및 형상을 다음의 Table 1 및 Fig. 1~3에 나타내었다. 본 연구에서 사용된 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트이며 이 들 혼화재들이 시멘트 보다 SiO2의 함량이 높았으며 특히 실리카 흄과 메타카올린의 경우 시멘트에 비해서 비표면적이 약 45배~60배 정도 높았는데 이로부터 콘크리트조직을 치밀화 시켜 압축강도가 향상됨을 알 수 있다2).
이론/모형
KS F 2424 모르타르 및 콘크리트의 건조수축 길이변화 시험 방법에 따라 100 × 100 × 400 mm 시험체를 제작하여 1주간의 수중양생 후 8주간에 걸쳐 길이변화율을 측정하여 다음의 식 (1)을 이용하여 평가하였다.
KS F 2456 급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험 방법에 따라 기중동결 수중용해 방법으로 시험체의 동결융해 저항성을 평가하였다. 동결융해 싸이클의 온도범위는 1싸이클 기준으로 약 −18℃~4℃의 범위이며 200싸이클을 실시한 후 다음의 식 (2)와 같이 계산된 내구성지수를 이용하여 동결융해에 대한 저항성을 실시하였다.
성능/효과
1. 실리카 흄 및 메타카올린을 사용한 경우 유동성이 감소하였으나 이산화규소를 첨가한 경우 유동성이 증진된 것으로 나타나 혼화재를 사용한 고강도 콘크리트의 유동성 증진에 효과적 일 것으로 판단된다.
2. 실리카 흄의 대체재로 메타카올린을 사용한 결과, 재령 28일의 압축강도 결과는 동등하였으며 초기강도는 오히려 높았다. 따라서 고강도 콘크리트의 혼화재로서 메타카올린의 사용은 효과적 일 것으로 판단된다.
3. 건조수축 길이변화 시험 결과, 혼화재의 사용량의 증가에 따라 건조수축 길이변화량은 증가하였으나 그 증가율이 일반 콘크리트의 허용범위내에 들어 혼화재의 사용이 건조수축 변화에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 판단된다.
4. 동결융해 저항성 시험 결과, 모든 시험체에서 내구성 지수가 KS 기준인 60% 이상으로 나타나 혼화재의 사용은 콘크리트의 동결융해에 대한 내구성 향상에 효과적임을 알았다.
5. 본 연구결과, 고강도 콘크리트의 제작에 실리카 흄을 대체한 메타카올린의 사용은 효과적 이었으며 유동성 증진 측면에서 사용한 이산화규소의 사용을 병용한다면 더욱 효과적 일 것으로 판단된다.
결과로부터, 실리카 흄 및 메타카올린의 사용량이 증가할수록 수산화칼슘(C-H)의 결정피크는 감소하였으나 C-S-H 및 C-A-H의 결정피크는 증가하였다. 이러한 이유는 시멘트의 주요 성분인 CaO를 구성하는 Ca2+가 H2O와 반응하여 C-H를 형성하고 생성된 C-H는 이 들 포졸란 재료의 성분 중 SiO2, Al2O3와 포졸란 반응을 일으켜 C-S-H, C-A-H를 생성한 것으로 판단된다.
9에 나타내었다. 결과에서 나타난바와 같이 모든 시험체에서 내구성지수는 200싸이클을 실시한 결과, 70% 이상으로 나타내었는데 이는 KS 규정의 동결융해에 대한 저항성의 기준인 60% 이상을 만족한 것으로, 혼화재의 첨가는 동결융해 저항성의 증진을 나타냄을 알 수 있었다. 이는 혼화재의 첨가에 따른 포졸란반웅의 활성화 결과로부터 내부 공극이 충진되어 감소된 것으로 판단된다.
1~3에 나타내었다. 본 연구에서 사용된 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트이며 이 들 혼화재들이 시멘트 보다 SiO2의 함량이 높았으며 특히 실리카 흄과 메타카올린의 경우 시멘트에 비해서 비표면적이 약 45배~60배 정도 높았는데 이로부터 콘크리트조직을 치밀화 시켜 압축강도가 향상됨을 알 수 있다2).
본 연구에서 제작한 콘크리트의 설계강도는 38 MPα이며, 시험결과, 압축강도는 52~62 MPα 정도로 나타나 모든 시험체에서 설계강도를 만족하였다.
본 연구에서는 기존 연구결과를 참고하여 실리카 흄(SF) 및 메타카올린(MK)의 사용량을 시멘트 중량의 5%, 10%로 하였고 이산화규소(SD)의 경우 경제성 등을 고려하여 실제 현장 레미콘에서의 사용량인 5%로 일정하게 하였다2),5). 따라서 이러한 내용을 고려한 총 6종류의 콘크리트 시험체를 제작하여 슬럼프, 압축강도, XRD분석, 건조수축 길이변화 및 동결융해저항성 시험 등을 실시하였다.
시험 결과, 모든 시험체는 수중양생 후 측정한 경우 126 ~ 202 × 10−6 정도의 팽창성을 나타내었고 건조한 후는 574 ~ 673 × 10−6 정도의 수축을 나타내었는데, 이는 정상적인 범위의 길이 변화율로서 혼화재의 사용에 따른 건조수축 길이변화 문제는 없을 것으로 판단된다.
이는 두 혼화재료의 비표면적의 크기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 시멘트에 비해 최대 60배 정도의 비표면적의 증가는 결합력의 강화를 유도하지만 초기 수화시의 물과의 접촉면적도 증가하며 이로부터 초기 유동성이 감소되는 것으로 판단된다. 한편, 이산화규소를 첨가한 경우, 유동성의 향상 효과가 나타났는데 이는 Fig.
한편, 이산화규소가 사용된 경우 약 9~12% 정도의 강도 향상이 나타났는데 이는 이산화규소의 충진성 및 포졸란 반응의 기여로 판단되며 이산화규소의 사용은 유동성의 증진 뿐만 아니라 강도 증진에 기여함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 품질 향상을 위해 주로 활용되고 있는 혼화재는 무엇이 있는가?
따라서 콘크리트의 품질 또한 이러한 요구를 충족하기 위해서는 고성능화가 필수적이며 이를 위한 혼화재료의개발 및 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 주로 활용되고 있는 혼화재로는 플라이애시, 고로슬래그 및 실리카 흄 등을 들 수 있는데 이 들 재료는 보통포틀랜드시멘트와 혼합하여 사용할 경우, 초기수화열의 저감, 압축강도의 증진, 유동성의 향상 등의 효과가 있어 내구성이 크게 향상된다. 특히, 실리콘이나 페로 실리콘 등의 규소합금을 전기아크식 노에서 제조할 때 배출되는 가스에 부유하여 발생하는 미세 분말로부터 제조되는 산업부산물인 실리카 흄을 사용한 콘크리트는 일반 콘크리트 보다 압축강도가 대폭으로 향상되어 콘크리트의 고강도화에 필수적으로 인식되고 있다.
실리카 흄의 약점은?
특히, 실리콘이나 페로 실리콘 등의 규소합금을 전기아크식 노에서 제조할 때 배출되는 가스에 부유하여 발생하는 미세 분말로부터 제조되는 산업부산물인 실리카 흄을 사용한 콘크리트는 일반 콘크리트 보다 압축강도가 대폭으로 향상되어 콘크리트의 고강도화에 필수적으로 인식되고 있다. 그러나 실리카 흄은 고가이므로 경제성이 약점으로 지적되고 있다.1), 2) 따라서 실리카 흄의 역학적 성능과 유사하면서 경제적인 혼화재의 필요성이 요구된 바 최근 들어 고령토에서 추출한 메타카올린에 대한 적용 및 연구가 주목을 받고 있다.
고강도 콘크리트의 혼화재로서 메타카올린의 사용은 효과적 일 것으로 판단되는 근거는?
2. 실리카 흄의 대체재로 메타카올린을 사용한 결과, 재령 28일의 압축강도 결과는 동등하였으며 초기강도는 오히려 높았다. 따라서 고강도 콘크리트의 혼화재로서 메타카올린의 사용은 효과적 일 것으로 판단된다.
참고문헌 (8)
한국콘크리트학회, 2005 : 최신 콘크리트공학.
여동구, 2007 : 메타카올린을 사용한 고강도 콘크리트의 모세관 공극특성에 관한 연구, 전북대학교 석사학위 논문.
J. Bai, S. Wild, J.A. Ware, B.B. Sabir, 2003 : Using neural networks to predict workability of concrete incorporating metakaolin and flyash, Advances in Engineering Sofeware, Vol.34., No.1, pp.663-669.
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