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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 고강도 콘크리트 제조시 필수적으로 사용되는 제반 광물질 혼화재중 대표적으로 실리카흄(SF), 플라이애시(FA) 및 고로슬래그(BS)의 3종류를 사용한 시멘트 모르타르를 대상으로 이들의 치환률 변화와 양생온도변화에 따른 자기수축 특성을 분석하므로서 향후 실무조건에서 고강도 콘크리트의 자기수축 제어에 기여하고자 한다.
- 자기수축은 수화반응 과정에서 발생되는 것으로 이러한 수화반응은 온도에 영향을 받게 되며 이를 정량적으로 표현하기 위한 방법으로 적산온도를 이용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 자기수축에 미치는 양생온도의 영향을 판단하기 위하여 적산온도에 따른 자기수축을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 양생온도가 SF, BS 및 FA 치환 고강도 시멘트 모르타르의 응결 및 자기수축에 미치는 영향을 고찰하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 굳지 않은 모르타르의 실험으로 응결시간의 측정은 KS F2436에 의거 실시하였는데, 몰드 성형후 5, 20, 35℃가 유지되는 챔버에서 양생후 초결 및 종결시간을 측정하였다.
- 먼저 실험요인으로 W/B는 고강도를 상정한 15% 1수준으로 계획하였고, 목표 플로 200±10 mm를 만족하도록 OPC 100%를 사용한 플레인 배합을 결정한 후 혼화재 종류 및 치환률에 따라 SP제 사용량을 변화시켜 목표 플로를 유지하도록 배합설계 하였다. 또한, 본 연구에서 사용한 혼화재로는 SF, BS 및 FA의 3종류로서 각각 OPC에 10, 20, 30%로 치환하여 총 10배치를 실험계획 하였다. 또한, 양생 온도로서 우리나라 실무현장의 기상조건을 고려하여 5, 20 및 35℃의 3수준으로 계획하였다.
- 또한, 본 연구에서 사용한 혼화재로는 SF, BS 및 FA의 3종류로서 각각 OPC에 10, 20, 30%로 치환하여 총 10배치를 실험계획 하였다. 또한, 양생 온도로서 우리나라 실무현장의 기상조건을 고려하여 5, 20 및 35℃의 3수준으로 계획하였다. 실험사항으로 양생온도별 응결시간과 재령 42일까지의 자기수축을 측정하는 것으로 하였다.
- 먼저 실험요인으로 W/B는 고강도를 상정한 15% 1수준으로 계획하였고, 목표 플로 200±10 mm를 만족하도록 OPC 100%를 사용한 플레인 배합을 결정한 후 혼화재 종류 및 치환률에 따라 SP제 사용량을 변화시켜 목표 플로를 유지하도록 배합설계 하였다.
- 본 연구의 실험방법으로 모르타르의 혼합은 모르타르 전용 믹서를 사용해서 혼합하였다.
- 또한, 양생 온도로서 우리나라 실무현장의 기상조건을 고려하여 5, 20 및 35℃의 3수준으로 계획하였다. 실험사항으로 양생온도별 응결시간과 재령 42일까지의 자기수축을 측정하는 것으로 하였다.
- 1과 같이 40×40×160mm의 각주형 몰드의 바닥과 양단에 1 mm 두께의 테프론 시트(Teflon sheet)를 깔아서 시료의 자유로운 변형이 구속되지 않도록 하고, 중앙에 매립형 스트레인 게이지를 설치하여 공시체 제작 후 양생온도 5, 20 및 35℃가 유지되는 챔버에서 양생하였고, 데이터 로거에 의해 초결 이후의 자기수축 길이변화율을 측정하였다. 이때 자기수축 시험체는 제작 1일 경과 후 탈형하였으며, 보관시 발생할 수 있는 수분증발로 인한 건조수축 및 흡수로 인한 팽창을 막기 위해 폴리에스테르 필름(Polyester film) 및 알루미늄 은박지로 감싸주었다.
- 자기수축 길이변화율은 일본콘크리트 공학협회의 시험 방법에 의거 실시하였는데, Fig. 1과 같이 40×40×160mm의 각주형 몰드의 바닥과 양단에 1 mm 두께의 테프론 시트(Teflon sheet)를 깔아서 시료의 자유로운 변형이 구속되지 않도록 하고, 중앙에 매립형 스트레인 게이지를 설치하여 공시체 제작 후 양생온도 5, 20 및 35℃가 유지되는 챔버에서 양생하였고, 데이터 로거에 의해 초결 이후의 자기수축 길이변화율을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 사용재료는 실무 건설공사에서 활용할 수 있는 일반적인 것을 사용하였는데, 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 그 물리적 성질은 Table 3과 같다. 골재로써 잔골재는 충북 청원군 옥산산 강모래를 사용하였고 그 물리적 성질은 Table 4와 같다.
- 본 연구의 사용재료는 실무 건설공사에서 활용할 수 있는 일반적인 것을 사용하였는데, 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 그 물리적 성질은 Table 3과 같다. 골재로써 잔골재는 충북 청원군 옥산산 강모래를 사용하였고 그 물리적 성질은 Table 4와 같다.
- 혼화재료로서 SF는 노르웨이산, FA는 충남 보령화력산을 사용하였는데, 그 물리적 성질 및 화학적 구성은 Table 5 및 6과 같다. 또한, BS의 경우 국내 P사 제품을 이용하였는데, 그 물리적 성질 및 화학적 구성은 Table 7과 같다.
성능/효과
- 1) 혼화재 종류별 양생온도에 따른 응결특성으로 SF를 치환한 경우 치환률 증가에 따라 응결지연은 크지 않았으나, FA 및 BS를 사용한 경우 치환률 증가에 따라 비례적으로 응결이 지연되는 것으로 나타났다. 이는 유동성 확보를 위해 사용된 SP제 량의 과다에 기인한 것으로 판단된다.
- 2) 양생온도별 재령경과에 따른 자기수축 특성으로 양생온도가 증가할수록 수화반응 속도의 증가로 자기수축이 증가하는 경향으로 나타났고, SF 및 BS를 치환한 경우 수화과정에서 경화체 내부 상대습도의 저하와 자기건조로 인해 자기수축이 증가하는 것을 알 수 있었으나, FA를 치환한 경우 자기수축이 크지 않거나 오히려 감소하는 경향을 보였다.
- 3) 적산온도에 따른 자기수축은 전반적으로 적산온도가 증가함에 따라 자기수축은 증가하였고 동일적산온도에서 양생온도별 자기수축은 다르게 나타나 양생온도가 자기수축에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기위한 방안으로 적산온도방법은 미흡할 것으로 판단되며 온도민감도를 보다 정확하게 고려할 수 있는 등가재령방법을 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- Fig. 4에서 볼 수 있듯이 100°D·D이하의 초기 적산온도에서는 양생온도별 자기수축량이 큰 차이를 보이지 않으나, 이후 적산온도가 증가함에 따라 양생온도별로 자기 수축량이 큰 차이를 보이고 있는데, 특히 20℃ 및 35℃의 자기수축량은 별다른 차이가 없는 것을 알 수 있으나, 5℃의 경우는 비교적 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다.
- 혼화재 종류 및 치환률별 플로는 모든 배합에서 목표 플로우 200±10 mm를 만족하도록 SP제 사용량을 변화시켰는데, 전반적으로 FA 및 BS를 치환한 경우 치환률이 증가할수록 Table 2에 나타난 바와 같이 SP제 사용량이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 볼베어링 작용에 의한 효과로 판단된다. 그러나 SF 치환의 경우 치환률이 증가할수록 SP제 사용량은 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 극 미립자인 SF가 공극충전 및 점성증대를 유발하여 목표 플로를 만족시키기 위한 SP제 사용량이 증가하게 된 원인으로 판단된다.
- 또한 양생온도별로는 기존의 연구결과와 동일하게 FA 및 BS를 치환한 경우 저온조건인 양생온도 5℃에서는 20 및 35℃와 비교하여 10∼15시간 정도의 응결지연이 나타나고 있음을 알 수 있었다.
- 또한, BS를 사용한 경우 BS 치환률이 증가할수록 플레인 배합에 비하여 자기수축이 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 FA와 다르게 수화반응이 진행됨에 따라 모세관 내 상대습도가 크게 저하되어 자기건조가 크게 발생하고 아울러 BS의 잠재 수경성 반응에 의해 생성된 경화체 조직이 모세관 장력을 증대시켜 자기수축이 크게 나타난 것으로 분석된다.
- 또한, 양생온도 5 ℃의 경우 20℃나 35℃의 경우에 비해 자기 수축량이 동일재령에서 낮게 나타고 있음을 확인할 수 있는데, 양생온도 5℃, 20℃ 및 35℃에서 42일 자기수축량은 각각 -234× 10-6, -544×10-6, -630×10-6로 나타났다.
- 먼저, 양생온도별 자기수축량으로 양생온도가 높아질수록 전재령에서 자기수축량은 커지는 것으로 나타났는데, 양생온도 20℃와 35℃의 경우는 초기재령에서는 자기수축량이 큰 차이가 없으나 이후 재령이 경과함에 따라 35℃의 경우가 20℃보다 큰 수축을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 특정한 수화도에서 양생온도가 다를 경우 자기수축량이 다르게 나타난다는 Turcry의 결과와6) 일치하는 것으로 결국 자기 수축은 수화도 뿐만 아니라 양생 온도에 의해서도 영향을 받고 있음을 확인할 수 있다.
- 3은 혼화재료 종류 및 치환률별 재령 경과에 따른 양생온도별 자기수축 길이변화율을 나타낸 것이다. 모든 배합에서 재령이 경과함에 따라 재령 3일 이전에 급속한 수축을 보이다가 이후 재령이 경과함에 따라 완만하게 수축하고 있었다.
- 반면에 SF 치환의 경우 SF 치환률이 증가하여도 플레인에 비해 주목할 만한 응결지연은 나타나지 않았고 특히 저온조건인 5℃에서 양생된 경우 BS나 FA 치환의 경우보다 응결지연이 거의 발생되지 않음을 알 수 있었다.
- 전반적으로 BS 및 FA의 경우 치환률이 증가할수록 응결시간은 다소 지연되는 것으로 나타났는데, 대략 18∼20시간 전후에서 종결이 측정되었다.
- 혼화재 종류 및 치환률별 플로는 모든 배합에서 목표 플로우 200±10 mm를 만족하도록 SP제 사용량을 변화시켰는데, 전반적으로 FA 및 BS를 치환한 경우 치환률이 증가할수록 Table 2에 나타난 바와 같이 SP제 사용량이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 볼베어링 작용에 의한 효과로 판단된다.
후속연구
- 4에서 볼 수 있듯이 100°D·D이하의 초기 적산온도에서는 양생온도별 자기수축량이 큰 차이를 보이지 않으나, 이후 적산온도가 증가함에 따라 양생온도별로 자기 수축량이 큰 차이를 보이고 있는데, 특히 20℃ 및 35℃의 자기수축량은 별다른 차이가 없는 것을 알 수 있으나, 5℃의 경우는 비교적 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 온도와 재령을 단순히 산술적으로 고려하는 적산온도방법으로는 온도의 민감도를 정확하게 모사할 수 없기 때문으로 사료되며, 이를 해결하기 위한 방안으로 온도민감도를 보다 정확하게 고려할 수 있는 등가재령에 의한 자기수축의 평가에 대한 고찰이 필요할 것으로 사료된다.
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