이 연구는 알칼리 활성 슬래그(alkali-activated slag, AAS) 결합재를 이용하여 자기충전성을 갖는 콘크리트 개발을 위한 기초 연구로서 자기충전 콘크리트에 사용될 AAS 결합재 및 고성능 감수제의 유동성능 평가를 통해 선정하고, 선정된 결합재 및 고성능 감수제를 사용하여 자기충전 콘크리트를 배합한 후 굳기 전 콘크리트의 유동특성을 평가하였다. 높은 pH에서 폴리카르본산계 고성능 감수제의 성능이 저하됨에 따라 비교적 강도가 낮은 약알칼리성 활성화제를 사용한 AAS 결합재를 선정하였다. 시험 결과 일본토목학회(JSCE) 기준인 고유동성, 재료분리 저항성, 간극 충전성은 대부분 만족시켰으나, AAS 페이스트의 기본점성이 OPC에 비해 높은 이유로 유럽통합기준의 간극 통과성은 만족시키지 못했다. 하지만, AAS 결합재를 이용하면 증점제의 사용 없이 재료분리가 발생되지 않는 자기충전 콘크리트 제조가 가능함을 확인하였다. 이 연구는 AAS 결합재를 이용한 자기충전 콘크리트 개발의 기초연구로서 앞으로 현장적용이 가능한 AAS 자기충전 콘크리트 개발을 위해 더 높은 강도의 고유동 결합재와 간극 통과성을 높이기 위한 콘크리트 배합비의 연구가 필요하다.
이 연구는 알칼리 활성 슬래그(alkali-activated slag, AAS) 결합재를 이용하여 자기충전성을 갖는 콘크리트 개발을 위한 기초 연구로서 자기충전 콘크리트에 사용될 AAS 결합재 및 고성능 감수제의 유동성능 평가를 통해 선정하고, 선정된 결합재 및 고성능 감수제를 사용하여 자기충전 콘크리트를 배합한 후 굳기 전 콘크리트의 유동특성을 평가하였다. 높은 pH에서 폴리카르본산계 고성능 감수제의 성능이 저하됨에 따라 비교적 강도가 낮은 약알칼리성 활성화제를 사용한 AAS 결합재를 선정하였다. 시험 결과 일본토목학회(JSCE) 기준인 고유동성, 재료분리 저항성, 간극 충전성은 대부분 만족시켰으나, AAS 페이스트의 기본점성이 OPC에 비해 높은 이유로 유럽통합기준의 간극 통과성은 만족시키지 못했다. 하지만, AAS 결합재를 이용하면 증점제의 사용 없이 재료분리가 발생되지 않는 자기충전 콘크리트 제조가 가능함을 확인하였다. 이 연구는 AAS 결합재를 이용한 자기충전 콘크리트 개발의 기초연구로서 앞으로 현장적용이 가능한 AAS 자기충전 콘크리트 개발을 위해 더 높은 강도의 고유동 결합재와 간극 통과성을 높이기 위한 콘크리트 배합비의 연구가 필요하다.
The purpose of this study is the basic research of self-compacting concrete using Alkali-Activated Slag (AAS) binder in order to emphasize the durability of structures and facilitate casting the fresh concrete in field. The AAS binder emitted low carbon dioxide ($CO_2$) is eco friendly ma...
The purpose of this study is the basic research of self-compacting concrete using Alkali-Activated Slag (AAS) binder in order to emphasize the durability of structures and facilitate casting the fresh concrete in field. The AAS binder emitted low carbon dioxide ($CO_2$) is eco friendly material of new concept because AAS products not only emit little $CO_2$ during production but also reuse the industrial by-products such as ground granulated blast-furnace slag (GGBS) of the steel mill. Until now, almost of domestic and foreign research are using Ordinary Portland Cement (OPC) for self-compacting concrete, and also, nonexistent research about AAS. The self-compacting concrete must get the performance of flowability, segregation resistance, filling and passing ability. Nine concrete mixes were prepared with the main parameter of unit amount of binder (400, 500, 600 $kg/m^3$) and 3 types of water-binder (W/B) ratio. The results of test were that fresh concretes were satisfied with flowability, segregation resistance, and filling ability of JSCE. But the passing ability was not meet the criteria of EFNARC because of higher viscosity of AAS paste than OPC. This high viscosity of AAS paste enables the manufacturing of self compacting concrete, segregation of which does not occur without the using of viscosity agent. It is necessary that the development of high fluidity AAS binders of higher strength and the study of better passing ability of AAS concrete mixes in order to use self compacting AAS concrete in field.
The purpose of this study is the basic research of self-compacting concrete using Alkali-Activated Slag (AAS) binder in order to emphasize the durability of structures and facilitate casting the fresh concrete in field. The AAS binder emitted low carbon dioxide ($CO_2$) is eco friendly material of new concept because AAS products not only emit little $CO_2$ during production but also reuse the industrial by-products such as ground granulated blast-furnace slag (GGBS) of the steel mill. Until now, almost of domestic and foreign research are using Ordinary Portland Cement (OPC) for self-compacting concrete, and also, nonexistent research about AAS. The self-compacting concrete must get the performance of flowability, segregation resistance, filling and passing ability. Nine concrete mixes were prepared with the main parameter of unit amount of binder (400, 500, 600 $kg/m^3$) and 3 types of water-binder (W/B) ratio. The results of test were that fresh concretes were satisfied with flowability, segregation resistance, and filling ability of JSCE. But the passing ability was not meet the criteria of EFNARC because of higher viscosity of AAS paste than OPC. This high viscosity of AAS paste enables the manufacturing of self compacting concrete, segregation of which does not occur without the using of viscosity agent. It is necessary that the development of high fluidity AAS binders of higher strength and the study of better passing ability of AAS concrete mixes in order to use self compacting AAS concrete in field.
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문제 정의
AAS 결합재는 OPC보다 기본적으로 높은 점성을 지녔기 때문에 자기충전 콘크리트 배합 시 증점제를 사용하지 않거나 그 사용량을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 AAS 결합재를 이용한 자기충전 콘크리트 개발을 위한 선행연구로써, AAS 결합재의 자기충전 콘크리트 적용 가능성을 검증하는 것을 목적으로 하고 있다.
제안 방법
이런 유동특성의 차이를 정량적으로 비교 · 분석하기 위해 레올로지 분석을 실시하였다. 분석 방법은 레오메타(rheometer)를 이용하여 결합재 선정시험을 통해 선정된 AAS 결합재와 OPC 페이스트의 W/B를 각각 0.35∼0.55 까지 0.05 차이로 구분하여 페이스트의 점성과 항복강도를 구하고 레올로지 특성을 서로 비교 분석하였다.
페이스트의 유동성 시험을 통해 선정된 결합재를 사용하였으며, Table 5는 단위 결합재량과 W/B에 따른 콘크리트 배합표이다. 시험 배합을 통해 각 단위 결합재량(400, 500, 600 kg/m3)에 대한 고성능 감수제의 최대 첨가량(결합재 중량비 2.5%) 내에서 슬럼프 플로우 600 mm를 넘는 최소의 W/B를 구하고, 최소 W/B에서 2%씩 W/B를 증가 시켰을 때 슬럼프 플로우 600 mm를 만족하기 위한 유동화제의 최소량을 배합실험을 통해 산출하였다. 이 연구에서는 AAS 페이스트의 기본 점성만을 이용해서 재료분리가 발생하지 않는 고유동 콘크리트 개발이 목적이므로, 증점제를 전혀 사용하지 않았다.
이 연구는 AAS 결합재를 이용하여 자기충전 콘크리트를 개발하기 위한 기초연구로서 고유동성의 AAS 결합재조합과 이에 적합한 고성능 감수제의 선정, 그리고 이를 이용한 자기충전 콘크리트의 유동 특성을 조사하였으며, 이를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
자기충전 콘크리트에 적합한 AAS 결합재와 고성능 감수제를 선정하기 위해 페이스트(물-결합재 중량비(W/B) 0.4)의 미니 슬럼프 플로우(mini-slump flow)시험을 수행하였다. 슬럼프 플로우 값은 페이스트의 유동성과 관계가 깊은데, 슬럼프 플로우 값이 크면 클수록 유동성이 좋다.
대상 데이터
시험에 사용된 페이스트는 활성화제를 첨가하지 않은 고로슬래그 파우더와 AAS 결합재 3종, 그리고 비교대상인 OPC 등 총 5가지 페이스트를 대상으로 실시하였다. AAS 결합재 3종(B1, B2, B3)은 수산화나트륨, 규산나트륨, 수산화칼슘의 주 활성화제들과 황산나트륨(Na2SO4), 탄산나트륨(Na2SiO3)의 보조 활성화제 조합 중 예비실험을 통해 결합재 대비 활성화제 첨가량을 고려한 가장 경제적이며 압축강도가 우수한 결합재를 선정하여 실험하였으며, 각각의 결합재의 구성비는 Table 3과 같다. 고성능 감수제는 모두 OPC에 최적화된 것으로써 고유동성을 갖는 AAS 결합재와 이에 적합한 고성능 감수제의 선택이 필요하다.
Table 1은 이 연구에서 사용한 AAS의 모재료(source material, SM)인 고로슬래그의 화학성분을 나타낸다. 고로슬래그는 KS F 2563에 규정되어 있는 3종 분말도(4204 cm2/g)인 슬래그 시멘트용 고로슬래그이며, 비중은 2.93이다. 굵은골재는 콘크리트의 유동성 확보 및 재료분리를 방지하기 위해 최대치수 13 mm를 사용 하였고, 잔골재는 강모래를 사용하였으며, 잔골재 및 굵은골재의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
93이다. 굵은골재는 콘크리트의 유동성 확보 및 재료분리를 방지하기 위해 최대치수 13 mm를 사용 하였고, 잔골재는 강모래를 사용하였으며, 잔골재 및 굵은골재의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
슬럼프 플로우 값은 페이스트의 유동성과 관계가 깊은데, 슬럼프 플로우 값이 크면 클수록 유동성이 좋다. 시험에 사용된 페이스트는 활성화제를 첨가하지 않은 고로슬래그 파우더와 AAS 결합재 3종, 그리고 비교대상인 OPC 등 총 5가지 페이스트를 대상으로 실시하였다. AAS 결합재 3종(B1, B2, B3)은 수산화나트륨, 규산나트륨, 수산화칼슘의 주 활성화제들과 황산나트륨(Na2SO4), 탄산나트륨(Na2SiO3)의 보조 활성화제 조합 중 예비실험을 통해 결합재 대비 활성화제 첨가량을 고려한 가장 경제적이며 압축강도가 우수한 결합재를 선정하여 실험하였으며, 각각의 결합재의 구성비는 Table 3과 같다.
고성능 감수제는 모두 OPC에 최적화된 것으로써 고유동성을 갖는 AAS 결합재와 이에 적합한 고성능 감수제의 선택이 필요하다. 이를 위해 작용기의 성분 별로 리그닌(lignine)계, 나프탈렌(naphthalene, PNS)계, 폴리카르본산(polycarboxylate, PC)계의 액상과 분말 형태의 총 14 가지 고성능 감수제들을 확보하였다. 미니 슬럼프 시험 시 고성능 감수제는 각각 결합재의 중량비 0.
이론/모형
압축강도 시험방법은 KS F 2405에 준하여 실시하였으며, 시험용 공시체는 Φ100×200 mm의 원주형 몰드에 다짐을 하지 않고 성형하여 24 시간 후 몰드를 탈형 하였으며, 소정의 재령까지 20±2℃의 수조에서 양생을 실시하였다.
성능/효과
1) 규산나트륨이나 수산화나트륨 등의 강알칼리계 활성화제를 사용한 AAS 결합재는 높은 강도를 발현할 수 있지만, 고유동성 확보를 위한 폴리카르본산(PC)계, 나프탈렌(PNS)계의 고성능 감수제가 제 성능을 발휘할 수 없기 때문에 자기충전 콘크리트용 결합재로 적용할 수 없다.
2) 고성능 감수제의 적용을 위해 비교적 약알칼리인 수산화칼슘기반의 활성화제를 사용해야 하지만 시험 결과, 이 결합재를 이용한 콘크리트의 압축강도가 약 15∼25 MPa 수준으로 낮기 때문에 고강도용 자기충전 콘크리트용으로는 적합하지 않다.
3) 레올로지 분석 결과 AAS 페이스트는 OPC 보다 초기항복강도와 점성이 높아 유동성이 떨어진다. 하지만 유동성을 확보할 경우 AAS 결합재의 높은 기본 점성으로 증점제 없이 재료분리가 발생되지 않는 자기충전 콘크리트 제조가 가능하다.
4) AAS 결합재를 이용한 자기충전 콘크리트의 적합한 단위 결합재량은 500 kg/m3 이고 이때 W/B는 약 0.36이며, 고성능 감수제의 첨가량은 결합재량의 약 1.0∼2.0% 수준이다.
5) AAS결합재를 이용한 자기충전 콘크리트의 굳기 전 물성 시험 결과 고유동성(slump flow)과 충전성(U-box)은 대부분 JSCE 기준을 만족하는 수준이지만, 점성(T500, V-funnel)과 간극통과성(J-ring, 유럽 통합기준)은 기준을 만족하지 못했다. 이를 만족시키기 위해서는 페이스트 양을 늘리거나 페이스트 자체 점성을 낮춰야 한다.
후속연구
6) 현장적용이 가능한 AAS 자기충전 콘크리트 제조를 위해 약알칼리계 활성화제를 사용하면서도 고강도를 발현 할 수 있는 AAS 결합재의 개발과 높은 pH에서도 유동성을 잃지 않는 AAS 결합재 전용의 고성능 감수제의 개발 및 다양한 최대치수의 굵은골재의 적용에 관한 연구가 필요하다.
후속 연구로서 유동성을 고려하여 PC계 고성능 감수제의 적용을 위해 수산화칼슘기반의 활성화제를 사용한 AAS 결합재의 압축강도 증진 연구와, 이와 더불어 강알칼리 상태에서도 유동성을 잃지 않는 새로운 고성능 감수제의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 또한이 연구에서는 최대치수 13 mm의 굵은골재를 사용하였는데, 최대치수 19, 25 mm의 굵은골재를 사용한 자기충전 콘크리트의 연구도 진행되어야 한다.
0% 정도가 적합할 것으로 판단된다. 후속 연구로서 유동성을 고려하여 PC계 고성능 감수제의 적용을 위해 수산화칼슘기반의 활성화제를 사용한 AAS 결합재의 압축강도 증진 연구와, 이와 더불어 강알칼리 상태에서도 유동성을 잃지 않는 새로운 고성능 감수제의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 또한이 연구에서는 최대치수 13 mm의 굵은골재를 사용하였는데, 최대치수 19, 25 mm의 굵은골재를 사용한 자기충전 콘크리트의 연구도 진행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 구조물의 내구성능에 영향을 미치는 결함요소는?
근래에 건설 산업에서 콘크리트 구조물의 내구성 확보를 위한 자기충전 콘크리트는 매우 중요한 개발 요소 중 하나로 부각되고 있다.1) 콘크리트 구조물의 내구성능에 영향을 미치는 결함요소는 크게 재료, 시공, 열화(환경) 등이 있으며, 이중 가장 큰 내구성 위해요소는 시공결함이다. 시공결함 중에서 가장 큰 비율을 차지하는 것이 다짐불량인데 과다한 다짐은 재료분리를 야기시키고, 다짐이 제대로 수행되지 않을 경우 다짐불량으로 인한 하자가 발생한다.
알칼리 활성 슬래그 결합재의 장점은?
6) 현재까지의 자기충전 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트(이하 OPC)를 기반으로 각종 미네랄 혼화재를 치환한 연구가 주를 이루고 있으며,7-9) 알칼리 활성 슬래그(alkali activated slag, AAS) 결합재를 활용한 연구는 전무한 실정이다. AAS 결합재는 시멘트 원료인 클링커를 전혀 사용하지 않아 제조 공정에서 탄소배출량을 현저하게 줄일 수 있고, 산업부산물을 적극적으로 활용하여 산업 폐기물을 효과적으로 처리할 수 있기 때문에 전 세계적으로 OPC 대체 재료로써 AAS 결합재 개발에 관심을 가지고 연구하고 있다.10-12) 일반적으로 AAS 결합재의 물리적인 성능은 활성화제의 종류와 첨가량에 따라 OPC 수준을 만족하거나 상회하며, 내화학성이 뛰어나고 초기 강도발현이 높다.
자기충전 콘크리트란?
특히 구조물의 형태가 복잡하거나 철근 등의 보강재가 밀집되어 있는 콘크리트 구조물의 경우 이러한 다짐불량에 의한 결함을 줄이고자 자기충전 콘크리트를 사용하는 사례가 늘고 있다.2) 일반적으로 자기충전 콘크리트란, 굳지 않은 상태에서 사용재료들의 재료분리나 블리딩이 없이 유동성과 충전성을 극대화시켜 실제 구조물의 건설 시 진동 및 다짐작업 없이 콘크리트의 자중만으로 과밀배근 된 철근 사이나 거푸집, 좁고 깊은 단면 등의 충전이 가능하며 재료의 균질성을 유지하는 콘크리트를 말한다.3) 자기충전 콘크리트는 1980년대 중반 일본 동경대학의 Hajime Okamura 교수팀을 중심으로 활발히 연구되어 “자기충전 고성능 콘크리트(self-compactable high performance concrete, 이하 SCC라 약함)”로 명명되었다.
참고문헌 (21)
Brouwers, H. J. H. and Radix, H. J., "Self-Compacting Concrete: Theoretical and Experimental Study," Cement and Concrete Research, Vol. 35, No. 11, 2005, pp. 2116-2136. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2005.06.002)
Okamura, H., Self-compacting High Performance Concrete, Social System Institute, Tokyo, 1999, pp. 50-54.
Okamura, H. and Ozawa, K., "Mix-Design for Selfcompacting Concrete," Concrete Library JSCE, Vol. 25, 1995, pp. 107-120.
Topcu, I. B. and Uygunoglu, T., "Effect of Aggregate Type on Properties of Hardened Self Consolidating Lightweight Concrete (SCLC)," Construction and Building Materials, Vol. 24, No. 7, 2010, pp. 1286-1295. (doi: 10.1016/j.conbuildmat.2009.12.007)
Khayat, K. H., "Workability, Testing and Performance of Self-consolidating Concrete," ACI Material Journal, Vol. 96, No. 3, 1999, pp. 346-353.
Ye, G., Liu, X., De Schutter, G., Poppe, A. M., and Taerwe, L., "Influence of Limestone Powder Used as Filler in SCC on Hydration and Microstructure of Cement Paste," Cement Concrete Composites, Vol. 29, No. 2, 2007, pp. 94-102. (doi: 10.1016/10.1016/j.cemconcomp.2006.09.003)
Poppe, A. M. and Schutter, G. D., "Cement Hydration in the Present of High Filler Contents," Cement Concrete Research, Vol. 35, No. 12, 2005, pp. 2290-2299. (doi: 10.1016/j.cemconres.2005.03.008)
Tukmen, I., "Influence of Different Curing Conditions on the Physical and Mechanical Properties of Concretes with Admixtures of Silica Fume and Blast Furnace Slag," Materials Letters, Vol. 57, No. 29, 2003, pp. 4560-4569. (doi: 10.1016/S0167-577X(03)00362-8)
Song, J. K., Yang, K. H., Kim, G. W., and Kim, B. J., "Properties of Sodium Alkali-Activated Ground Granulated Blast-Furnace Slag (GGBS) Mortar," Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 26, No. 6, 2010, pp. 61-68.
Yang, K. H., Sim, J. I., Lee, S., and Hwang, H. J., "Workability, Compressive Strength and Fire Resistance Characteristics of Cementless Alkali-Activated Lightweight Mortars," Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 25, No. 8, 2009, pp. 151-158.
Yang, K. H., Oh, S. J., and Song, J. K., "Mechanical Properties of Alkali-Activated Slag-Based Concrete Using Lightweight Aggregates," Journal of Korea Concrete Institute, Vol. 20, No. 3, 2008, pp. 405-412.
Krivenko, P. V., Alkaline Cements and Concretes, Paper Presented at the First International Conference on Alkaline Cements and Concrete, Kiev, Ukraina, 1994, pp. 12-129.
Malolepszy, J. and Petri, M., "High Strength Slag Alkaline Binders," 8th International Congress on the Chemistry of Cement, Rio de Janeiro, Brazil, Vol. 4, 1986, pp. 108-111.
Slota, R. J., "Utilization of Water Glass as an Activator in the Manufacture of Cementitious Materials from Waste By-products," Cement and Concrete Research, Vol. 17, No. 5, 1987, pp. 703-708.
Shi, C. and Li, Y., "Effect of the Modulus of Water Glass on the Activation of Phosphorus Slag," Il Cemento, Vol. 86, No. 3, 1989, pp. 161-168.
Bellmann, F. and Stark, J., "Activation of Blast Furnace Slag by a New Method," Cement and Concrete Research, Vol. 39, Issue 8, 2009, pp. 644-650. (doi: http://dx.doi.org/ 10.1016/j.cemconres.2009.05.012)
JSCE, Standard Test Methods for Self-compacting Concrete, Japan Society of Civil Engineers, Concrete Engineering Series, 31, 2000, pp. 50-77
EFNARC, Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete, 2002, pp. 4-32.
ASTM C 1621/C 1621M-09b, Standard Test Method for Passing Ability of Self-Consolidating Concrete by J-Ring, 2009.
M. Palacios and F. Puertas., "Effect of Superplasticizer and Shirinkage Admixtures on Alkali-Activated Slag Pastes and Mortar," Cement and Concrete Research, Vol. 35, 2005, pp. 1358-1367. (doi: 10.1016/j.cemconres.2004.10.014)
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