매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 수화발열상승속도 조절에 따른 자기수축 특성 Properties of Autogenous Shrinkage according to Hydration Heat Velocity of High Strength Concrete Considering Mass Member원문보기
본 연구에서는 초기재령에 있어 매스부재를 고려한 고강도콘크리트에 대해 수화발열상승속도를 저감시키기 위한 방안의 일환으로 열흡수성능이 있는 상전이물질을 사용하였다. 또한 수화발열상승속도의 조절에 의한 고강도콘크리트의 자기수축 특성 변화를 분석하고자 하였다. 그 결과, 상전이물질은 시멘트 수화반응을 촉진함으로서 초기재령에 빠른 응결시간과 높은 압축강도 발현을 나타냈다. 또한 수화열 및 수화발열상승속도를 저감시키고, 자기수축량을 감소시키는 결과를 나타내었다. 이를 통해 초기재령의 수화발열상승 속도의 조절에 의해 자기수축량의 저감이 가능하다고 판단된다.
본 연구에서는 초기재령에 있어 매스부재를 고려한 고강도콘크리트에 대해 수화발열상승속도를 저감시키기 위한 방안의 일환으로 열흡수성능이 있는 상전이물질을 사용하였다. 또한 수화발열상승속도의 조절에 의한 고강도콘크리트의 자기수축 특성 변화를 분석하고자 하였다. 그 결과, 상전이물질은 시멘트 수화반응을 촉진함으로서 초기재령에 빠른 응결시간과 높은 압축강도 발현을 나타냈다. 또한 수화열 및 수화발열상승속도를 저감시키고, 자기수축량을 감소시키는 결과를 나타내었다. 이를 통해 초기재령의 수화발열상승 속도의 조절에 의해 자기수축량의 저감이 가능하다고 판단된다.
In this study, to reduce the hydration heat velocity (HHV) of high-strength mass concrete at early ages, phase change materials (PCM) that could absorb hydration heat were applied, and the changes in autogenous shrinkage were investigated, as well as the relationship between the hydration temperatur...
In this study, to reduce the hydration heat velocity (HHV) of high-strength mass concrete at early ages, phase change materials (PCM) that could absorb hydration heat were applied, and the changes in autogenous shrinkage were investigated, as well as the relationship between the hydration temperature and autogenous shrinkage. The acceleration of the cement hydration process by the PCM leads to an early setting and a higher development of the compressive strength and elastic modulus of concrete at very early ages. The function of PCM could be worked below the original melting point due to the eutectic effect, while the hydration temperature and HHV of high-strength mass concrete can be decreased through the use of the PCM. A close relationship was found between the hydration temperature and autogenous shrinkage: the higher the HHV, the greater the ultimate autogenous shrinkage.
In this study, to reduce the hydration heat velocity (HHV) of high-strength mass concrete at early ages, phase change materials (PCM) that could absorb hydration heat were applied, and the changes in autogenous shrinkage were investigated, as well as the relationship between the hydration temperature and autogenous shrinkage. The acceleration of the cement hydration process by the PCM leads to an early setting and a higher development of the compressive strength and elastic modulus of concrete at very early ages. The function of PCM could be worked below the original melting point due to the eutectic effect, while the hydration temperature and HHV of high-strength mass concrete can be decreased through the use of the PCM. A close relationship was found between the hydration temperature and autogenous shrinkage: the higher the HHV, the greater the ultimate autogenous shrinkage.
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문제 정의
본 연구에서는 초기재령에 있어 매스부재를 고려한 고강도콘크리트에 대해 수화발열상승속도를 저감시키기 위한 방안의 일환으로 열흡수성능이 있는 상전이물질을 사용하였다. 또한 수화발열상승속도의 조절에 의한 고강도콘크리트의 자기수축 특성 변화를 분석하고자 하였다. 그 결과, 상전이물질은 시멘트 수화반응을 촉진함으로서 초기재령에 빠른 응결시간과 높은 압축강도 발현을 나타냈다.
본 연구에서는 매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 수화 발열상승속도를 제어하기 위한 재료적인 방안으로서 발생된 수화열을 흡수할 수 있는 상전이물질을 사용하였다. 이에 따른 W/C 20%의 고강도 콘크리트에 대해 자기수축 특성의 변화, 그리고 수화열 및 자기수축의 상관성을 검토하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 매스부재를 상정한 고강도콘크리트에 대해 수화발열상승속도를 조절함으로써 자기수축에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 여기에서 수화발열상승속도를 조절하는 메커니즘은 재료적 방안으로서 크게 세가지로 구분할 수 있다.
본 연구에서는 초기재령에 있어 매스부재를 고려한 고강도콘크리트에 대해 수화발열상승속도를 저감시키기 위한 방안의 일환으로 열흡수성능이 있는 상전이물질을 사용하였다. 또한 수화발열상승속도의 조절에 의한 고강도콘크리트의 자기수축 특성 변화를 분석하고자 하였다.
이 중 본 연구에서는 수화열 및 수화발열상승속도 조절제로서 실제 초고층 건축물에 적용되고 있는 상전이물질을 활용하여 발생된 수화열을 저감시킴으로서 이에 따른 수화열 및 자기수축의 특성을 정량적으로 제시하고자 하였다.
이를 바탕으로 본 연구에서는 상전이물질을 활용하여 수화발열상승속도를 조절함으로서 수화열과 자기수축과의 상관관계를 수치적으로 제시하였다.
이에 건축 생산현장에서는 태양에너지 또는 댐과 같은 매스부재 구조물의 높은 수화열에 의한 영향 또는 문제점을 줄이기 위해 PCM을 적용하고 있다[8]. 이와 같은 원리로 본 연구에서는 초기재령에 있어 고강도콘크리트 내에서 발생하는 수화열의 흡수와 수화발열상승속도의 저감을 목적으로 PCM을 적용하였다. Table 4는 PCM의 물리적 성질을 나타낸 것으로, 분말형 스트론튬계 수화물의 PCM을 사용하였다.
제안 방법
또한 PCM의 혼입이 콘크리트의 기초물성에 미치는 영향을 평가하기 위해 굳지 않은 콘크리트의 특성으로서 슬럼프-플로우, 공기량 및 응결시간을 측정하였으며, 역학적 특성으로서 압축강도를 재령 1, 2, 3, 7, 14, 28, 56일에 측정하였다. 또한 매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 수화온도 및 자기수축 측정을 위해 시험체는 300×300×300mm의 간이단열시험체를 배합에 따라 각각 제작하였다.
본 연구에서는 기존문헌 및 선행연구를 기초로 써머커플과 매립형 게이지를 매입한 Φ100×200mm 시험체을 제작한 후, 수조 안의 물의 온도를 상승시켜 타설 후 시간에 따른 초기재령 콘크리트의 열팽창계수를 측정하였다[2].
본 연구에서는 열팽창계수를 측정한 Φ100×200mm 시험체와 각각의 시험체의 성숙도(Maturity)를 산정한 뒤 재령환산계수를 산출하여 Figure 2(c)와 같이 열팽창계수의보정을 실시하였다.
본 연구에서는 이러한 성숙도를 토대로 재령환산계수를 산출하여 Φ100×200mm 시험체에 의해 측정된 열팽창계수 이력을 보정하였다.
매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 내부 수화온도 및 자기수축 측정을 위한 시험체는 300×300×300mm 간이 단열시험체로, 몰드는 두께 100mm의 폴리스틸렌보드를 활용하여 제작하였다. 시험체의 내부온도 및 수축변형량은 열전대 및 매립형 게이지를 사용하여 측정하였으며, 타설 직후 탈형없이 10분 간격으로 측정을 실시하였다.
본 연구에서는 매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 수화 발열상승속도를 제어하기 위한 재료적인 방안으로서 발생된 수화열을 흡수할 수 있는 상전이물질을 사용하였다. 이에 따른 W/C 20%의 고강도 콘크리트에 대해 자기수축 특성의 변화, 그리고 수화열 및 자기수축의 상관성을 검토하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
수화발열상승속도에 따른 자기수축의 변화를 명확하게 비교하기 위해서는 동일한 배합 조건에서 실험을 실시해야 한다. 이에 본 연구에서는 결합재는 OPC만을 대상으로, 물시멘트비 20%의 고강도콘크리트에 대해 상전이물질 (PCM)을 시멘트 중량대비 각각 3% 및 5% 혼입하였을 때의 수화열 및 자기수축을 측정하였다.
대상 데이터
Table 2 및 Table 3은 콘크리트 배합과 사용재료의 종류 및 특성을 나타낸 것이다. 80MPa급 고강도 콘크리트를 제작하기 위한 시멘트량은 800kg/m3이며, 시멘트의 종류는 일반적으로 사용되는 보통 포틀랜드시멘트를 대상으로 하였다.
또한 매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 수화온도 및 자기수축 측정을 위해 시험체는 300×300×300mm의 간이단열시험체를 배합에 따라 각각 제작하였다.
매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 내부 수화온도 및 자기수축 측정을 위한 시험체는 300×300×300mm 간이 단열시험체로, 몰드는 두께 100mm의 폴리스틸렌보드를 활용하여 제작하였다.
데이터처리
초기재령에 있어 수화발열상승속도 조절에 의한 자기수축의 특성을 정량적으로 분석하기 위해, 선행연구에서는 Figure 3에서와 같이 수화온도가 급격하게 상승하는 구간, 즉 수화발열상승구간을 설정하였으며, 구간의 기울기를 수화발열상승속도로 정의하였다[4]. 여기에서 분석구간은 최고온도 상승량의 80%지점을 종점으로 설정하고 종점을 기준으로 회귀분석하여 결정계수가 0.95에 해당하는 지점을 시점으로 산정하였다.
성능/효과
1) 상전이물질의 혼입에 의해 고강도콘크리트의 슬럼프플로우가 저하되고, 공기량이 증가되는 현상이 나타났다. 또한 상전이물질의 화학적 반응 메커니즘에 의해 응결시간이 촉진되며, 이로 인한 초기재령의 압축강도가 OPC에 비해 높아지는 경향을 나타냈다.
2) 초기재령에 있어 상전이물질의 흡열성능에 의해 고강도콘크리트의 수화발열량 및 수화발열상승속도가 저감되었다.
3) 상전이물질을 혼입한 콘크리트의 경우 초기 수화촉진으로 인해 콘크리트의 액성-소성상태의 변화가 OPC에 비해 빠르게 나타나며, 그 결과 초기재령의 열팽창계수의 수렴도 빠르게 나타난다.
4) 본 연구의 범위에서는 상전이물질 혼입에 따른 고강도콘크리트의 수화발열상승속도 조절에 의해 자기수축량이 저감되었으며, 이러한 결과를 기초로 초기재령의 수화발열상승속도의 제어에 의해 자기수축을 저감하는 것이 가능하다고 판단된다.
Figure 8은 Φ100×200mm 시험체에 의해 측정된 열팽창계수 및 이력과 성숙도 보정을 실시한 최종 열팽창계수를 나타낸 것이다. OPC의 열팽창계수는 콘크리트의 초기 액성의 특성으로 인해 매우 높은 값을 보이며 시간이 경과함에 따라 서서히 감소하는 경향을 보였다. 시험체 제작 후 약 7.
또한 수화발열상승속도의 조절에 의한 고강도콘크리트의 자기수축 특성 변화를 분석하고자 하였다. 그 결과, 상전이물질은 시멘트 수화반응을 촉진함으로서 초기재령에 빠른 응결시간과 높은 압축강도 발현을 나타냈다. 또한 수화열 및 수화발열상승속도를 저감시키고, 자기수축량을 감소시키는 결과를 나타내었다.
Figure 10은 수화발열상승속도에 따른 재령 91일의 자기수축량을 나타낸 것으로 선행연구에서 실시한 결과를 동시에 제시하였다. 그 결과, 수화발열상승속도가 증가함에 따라 재령 91일의 자기수축은 증가하는 경향을 나타내었으며, 이를 활용하여 초기재령의 수화발열상승속도 조절에 의해 자기수축의 저감이 가능할 것으로 판단된다. 이러한 관계를 수식으로 나타내면 다음 식 (3)과 같다.
OPC와 동일한 양의 고성능감수제(HRWR)를 혼입한 PCM-3의 경우, 슬럼프 플로우가 약 14%감소하였다. 또한 PCM-5는 슬럼프플로우의 목표범위를 만족하기 위해 고성능감수제의 양이 OPC에 대비하여 0.3% 증가하였다.
1) 상전이물질의 혼입에 의해 고강도콘크리트의 슬럼프플로우가 저하되고, 공기량이 증가되는 현상이 나타났다. 또한 상전이물질의 화학적 반응 메커니즘에 의해 응결시간이 촉진되며, 이로 인한 초기재령의 압축강도가 OPC에 비해 높아지는 경향을 나타냈다.
그 결과, 상전이물질은 시멘트 수화반응을 촉진함으로서 초기재령에 빠른 응결시간과 높은 압축강도 발현을 나타냈다. 또한 수화열 및 수화발열상승속도를 저감시키고, 자기수축량을 감소시키는 결과를 나타내었다. 이를 통해 초기재령의 수화발열상승 속도의 조절에 의해 자기수축량의 저감이 가능하다고 판단된다.
모든 배합에서 10시간 이후부터 성숙도 차이가 증가하는 것으로 나타났으며, 300×300×300mm 간 이단열시험체의 내부 성상의 변화, 즉 열팽창계수의 변화가 Φ100×200mm 시험체에 의해 측정된 열팽창계수보다 빠를 것으로 예상하는 것이 가능하다.
79℃/hr로 산정되었다. 상전이물질을 혼입한 PCM-3 및 PCM-5의 수화발열상승속도는 각각 4.81℃/hr 및 3.12℃/hr로 산정되었으며, 이는 OPC의 약 62%와 40% 수준으로 상전이물질의 사용을 통해 매스부재를 고려한 고강도콘크리트의 수화발열상승속도를 저감시키는 것이 가능하였다.
시험체 제작 후 약 7.5시간 이후부터는 열팽창계수가 보다 빠르게 감소하는 것으로 나타났으며, 약 17시간부터는 약 11.5×10-6/℃의 값으로 수렴하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고강도콘크리트는 어떠한 특징을 가지는가?
시멘트가 물과 반응하면 수화반응과 함께 수화열 및 수축 현상이 발생한다. 특히 고강도콘크리트의 경우 낮은 물바인더비와 높은 결합재량에 의해 초기에 높은 수화열 및 자기 수축이 나타나며, 이는 부재의 치수가 증가됨에 따라 더욱 심화된다. 이에 많은 연구자들이 수화열과 자기수축의 상관성을 구명하기 위해 시멘트 페이스트, 모르타르 및 콘크리트를 대상으로 초기재령의 수화발열량, 수화열 이력 및 자기수축의 발현율 등을 중심으로 비교․분석하였으며, 둘 간의 밀접한 상관성을 언급하였다[1,2,3].
수화열 및 수축 현상의 발생 원인은 무엇인가?
시멘트가 물과 반응하면 수화반응과 함께 수화열 및 수축 현상이 발생한다. 특히 고강도콘크리트의 경우 낮은 물바인더비와 높은 결합재량에 의해 초기에 높은 수화열 및 자기 수축이 나타나며, 이는 부재의 치수가 증가됨에 따라 더욱 심화된다.
수화발열상승속도를 조절하는 메커니즘은 무엇인가?
1) 수화발열량의 제어 : 수화열을 발생시키는 결합재의특성 제어 (저열시멘트, 고로슬래그미분말 등의 사용)[4]
2) 시멘트수화반응속도의 제어 (지연제, 마이크로캡슐형 지연제 등의 사용)
3) 수화반응에 의해 발생된 수화열의 제어 (잠열재, 상전이 물질 등의 사용) [5]
참고문헌 (10)
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