초고강도 콘크리트에서 전기로 산화 슬래그 잔골재 사용에 의한 강도 증진 기구 Mechanism of Strength Development in Ultra High Strength Concrete Using the Electric Arc Furnace Oxidizing Slag as Fine Aggregate원문보기
초고강도 콘크리트에서 잔골재로 세척사 대신에 전기로 산화슬래그를 사용했을 경우, 재령 91일 압축강도가 약 15 MPa 정도 향상되었다. 압축강도가 향상된 원인을 규명하기 위해 잔골재의 Ca 성분 용출 특성을 고찰하였고, 잔골재와 페이스트 계면에서의 미세조직, 기공율, 미소경도 및 Ca/Si 몰비를 검토하였다. 그리고 잔골재 형상에 의한 강도 증진 효과를 알아보기 위해 잔골재의 표면 거칠기를 AFM으로 측정하였다. 실험 결과, 초고강도 콘크리트에서 전기로 산화 슬래그 잔골재 사용에 의한 강도 증진 기구는 화학적 기구와 물리적 기구로 구분할 수 있다. 화학적 기구로는, 전기로 산화 슬래그에서 함유되어 있는 가용성 Ca 성분이 용출되어 잔골재와 페이스트 사이에 반응생성물을 형성시켜 조직을 치밀화 시킴으로 잔골재-페이스트간의 부착력을 증진 시키는 것으로 나타났다. 그리고 물리적 기구로는, 전기로 산화 슬래그 잔골재는 세척사에 비해 표면의 굴곡도가 2배 정도 커서, 잔골재와 페이스트 간의 interlocking strength를 증가시킴으로서 압축강도 발현에 기여하는 것으로 판단했다.
초고강도 콘크리트에서 잔골재로 세척사 대신에 전기로 산화 슬래그를 사용했을 경우, 재령 91일 압축강도가 약 15 MPa 정도 향상되었다. 압축강도가 향상된 원인을 규명하기 위해 잔골재의 Ca 성분 용출 특성을 고찰하였고, 잔골재와 페이스트 계면에서의 미세조직, 기공율, 미소경도 및 Ca/Si 몰비를 검토하였다. 그리고 잔골재 형상에 의한 강도 증진 효과를 알아보기 위해 잔골재의 표면 거칠기를 AFM으로 측정하였다. 실험 결과, 초고강도 콘크리트에서 전기로 산화 슬래그 잔골재 사용에 의한 강도 증진 기구는 화학적 기구와 물리적 기구로 구분할 수 있다. 화학적 기구로는, 전기로 산화 슬래그에서 함유되어 있는 가용성 Ca 성분이 용출되어 잔골재와 페이스트 사이에 반응생성물을 형성시켜 조직을 치밀화 시킴으로 잔골재-페이스트간의 부착력을 증진 시키는 것으로 나타났다. 그리고 물리적 기구로는, 전기로 산화 슬래그 잔골재는 세척사에 비해 표면의 굴곡도가 2배 정도 커서, 잔골재와 페이스트 간의 interlocking strength를 증가시킴으로서 압축강도 발현에 기여하는 것으로 판단했다.
In ultra high strength concrete, when electric arc furnace oxidizing slag is substituted for sea sand as fine aggregate, compressive strength was improved about 15 MPa. To figure out the cause of the improvement in compressive strength, this study considered the dissolution characteristics of Ca com...
In ultra high strength concrete, when electric arc furnace oxidizing slag is substituted for sea sand as fine aggregate, compressive strength was improved about 15 MPa. To figure out the cause of the improvement in compressive strength, this study considered the dissolution characteristics of Ca component in fine aggregate and examined the microstructure, porosity, microhardness, and Ca/Si mole ratio on the interface of fine aggregate and paste. And to examine the mechanism of strength improvement resulted from the shape of fine aggregate, this study measured the surface roughness of fine aggregate with AFM. According to the result of this experiment, the mechanisms of strength improvement in ultra high strength concrete resulted from the use of electric arc furnace oxidizing slag as fine aggregate can be divided into chemical and physical mechanisms. In the chemical mechanism, the soluble Ca component contained in electric arc furnace oxidizing slag is dissolved and forms a hydrate between fine aggregate and paste to improve the interlocking strength of fine aggregate-paste. Also, it makes the microstructure around the fine aggregate. And in the physical mechanism, electric arc furnace oxidizing slag has a twice greater surface roughness than sea sand, so the interlocking strength between fine aggregate and paste increases, which contributes to the development of compressive strength.
In ultra high strength concrete, when electric arc furnace oxidizing slag is substituted for sea sand as fine aggregate, compressive strength was improved about 15 MPa. To figure out the cause of the improvement in compressive strength, this study considered the dissolution characteristics of Ca component in fine aggregate and examined the microstructure, porosity, microhardness, and Ca/Si mole ratio on the interface of fine aggregate and paste. And to examine the mechanism of strength improvement resulted from the shape of fine aggregate, this study measured the surface roughness of fine aggregate with AFM. According to the result of this experiment, the mechanisms of strength improvement in ultra high strength concrete resulted from the use of electric arc furnace oxidizing slag as fine aggregate can be divided into chemical and physical mechanisms. In the chemical mechanism, the soluble Ca component contained in electric arc furnace oxidizing slag is dissolved and forms a hydrate between fine aggregate and paste to improve the interlocking strength of fine aggregate-paste. Also, it makes the microstructure around the fine aggregate. And in the physical mechanism, electric arc furnace oxidizing slag has a twice greater surface roughness than sea sand, so the interlocking strength between fine aggregate and paste increases, which contributes to the development of compressive strength.
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문제 정의
그 결과 전기로 산화 슬래그가 세척사보다 압축강도가 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 이 연구는 초고강도 콘크리트 잔골재로 전기로 산화 슬래그를 사용할 경우 세척사보다 압축강도가 큰 이유를 골재와 페이스트 계면에서의 미세조직 특성을 고찰하여 그 원인을 규명하고자 한다.
천이대를 개선하여 콘크리트의 강도를 증진시킬 수 있는 방안의 하나는 골재와 페이스트 사이의 부착력을 개선시키는 것이다. 예로서 Ca 성분을 함유한 골재를 사용하면 골재의 Ca 성분과 실리카 퓸의 Si 성분이 반응하여 C-S-H 수화물이 골재 계면에 생성되어 골재와 페이스트의 부착력은 증진되어 천이대는 개선된다.
가설 설정
3) DSP 기술은 고성능AE감수제의 작용에 의해 물-시멘트 비를 저하시킴과 동시에 시멘트 입자의 분산성을 향상시키고, 더욱이 시멘트 입자 사이의 공극에 초미립자인 실리카 퓸을 치밀하게 집어넣어, 분체의 충전성을 현저하게 향상시킨 것이다. 또한 잘 분산된 실리카 퓸은 물과 같은 역할을 하여 유동성을 향상시켜 준다.
제안 방법
초고강도 콘크리트의 혼합은 팬믹서(용량 100 L)를 사용하였으며, 실리카 퓸의 고른 분산을 위하여 보통 강도의 콘크리트보다 혼합 시간을 2배로 늘렸다. 1차로 굵은 골재와 결합재를 투입하여 1분간 건비빔을 한 후, 물과 고성능AE감수제를 투입하여 1분 30초간 혼합하였다. 그 후, 굵은 골재를 투입하여 1분 30초간 혼합한 후, 고성능AE감수제의 활성화를 위해 1분간 휴지시킨 다음 1분간 재 믹싱을 함으로써 혼합을 완료하였다.
pH 측정은 잔골재 20 g과 증류수 10 mℓ를 혼합하여 20℃에서 100 rpm으로 교반하면서 0분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 6시간 순으로 측정을 하였다. Ca 성분의 용출량은 30분 경과된 용액에 대해 ICP(P사) 를 이용하여 측정하였다.
EPMA-BSE로 얻은 500배, 1000배, 2000배의 이미지 중 1000배 이미지로 화상분석을 하였다. 1000배 이미지를 선택한 이유는 1000배 이미지가 잔골재 계면 영역을 분석하기에 적합하다고 판단되었기 때문이다.
전기로 산화 슬래그 잔골재와 세척사에서 Ca성분의 용출 여부를 확인하기 위해 pH와 Ca 성분의 용출량을 측정하였다. pH 측정은 잔골재 20 g과 증류수 10 mℓ를 혼합하여 20℃에서 100 rpm으로 교반하면서 0분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 6시간 순으로 측정을 하였다. Ca 성분의 용출량은 30분 경과된 용액에 대해 ICP(P사) 를 이용하여 측정하였다.
pH가 일정하게 된 용출시간 30분에서 잔골재로부터 용출된 Ca성분을 알아보기 위해 ICP로 용액 중의 Ca 농도를 측정하였다. 전기로 산화 슬래그의 Ca 농도는 1.
이 실험에 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 실리카 퓸, 고로 슬래그 미분말, 무수석고(태국산)로서 그들의 물리적 성질과 화학적 성질을 Table 1과 2에 나타냈다. 결합재의 충전율을 향상시키기 위해 OPC의 평균입경을 기준으로 평균입경이 1/2 정도인 고로 슬래그 미분말과 1/100인 정도인 실리카 퓸을 선택하였다. 무수석고는 고로 슬래그의 Al2O3 성분에 작용하여 수화반응을 촉진시키고 에트린자이트(ettringite)를 생성시켜 고강도화를 도모하므로 사용하였다.
무수석고는 고로 슬래그의 Al2O3 성분에 작용하여 수화반응을 촉진시키고 에트린자이트(ettringite)를 생성시켜 고강도화를 도모하므로 사용하였다. 결합재의 혼합비는 결합재의 충전율을 고려하여 결정하였으며, 무게비로 OPC 55%, 실리카 퓸 20%, 고로 슬래그 미분말 20%, 무수석고 5%로 하였으며, 이때 충전율은 75.9%이었다. 또한 고형분이 25%인 폴리카르본산계 고성능AE감수제는 높은 슬럼프 플로우값과 공기량을 조정하기 위해 사용하였다.
경화시킨 시편은 커팅기를 이용하여 단면을 약 1 mm정도로 절단한 후, SiC 연마지(#1000∼#2000)를 이용하여 절단 시 생긴 스크래치를 없애고, 다이아몬드 미세입자의 크기순(6 µm, 3 µm, 1 µm, 0.25 µm)으로 순차적으로 폴리싱을 하였다.
골재의 표면 형상이 부착성과 밀접한 관계가 있으므로 잔골재의 표면 조직을 AFM(atomic force microscope, NDMDT)으로 측정하였다. 시료처리는 잔골재 표면에 붙어있는 입자를 제거하고 AFM 샘플 마운트에 장착하였다.
총 배합시간은 5분으로 하였다. 공시체는 압축강도 측정용과 미세조직을 관찰하기 위한 공시체로 나누어 제작하였다. 압축강도 공시체는 Φ100×200 mm의 원형몰드를 사용하였다.
그리고 공극률 측정용 시편을 가지고 EPMA(electron probe micro analysis)의 WDX(wavelength dispersive X-ray spectrometer)를 통해 잔골재와 페이스트 계면에서의 Ca/Si 몰비를 측정하여 C-S-H 수화물의 생성 정도를 파악하였다.
9%이었다. 또한 고형분이 25%인 폴리카르본산계 고성능AE감수제는 높은 슬럼프 플로우값과 공기량을 조정하기 위해 사용하였다.
먼저 실체현미경을 이용하여 잔골재의 밑면의 평평한 부분을 선택한 후, EPMA(electron probe micro analysis, SHIMADZU-1610)를 사용하여 실체현미경에서 선택한 부분을 저배율(×100)에서 고배율(×2000)로 확대하면서 반사전자(backscattered electron) 이미지를 얻었다.
장착방법으로는 마운트에 양면 테이프로 시료가 움직이지 않도록 고정하였다. 분석 방법으로는 contact mode와 tapping mode(semi-contact)중 tapping mode를 이용하여 분석하였으며, scan speed는 4분으로 진행하였다.
비커스 미소경도계(M사 HM-100)를 이용하여 잔골재와 페이스트 경계면의 미소경도를 측정하였다. 측정 조건은 시험하중을 0.
골재의 표면 형상이 부착성과 밀접한 관계가 있으므로 잔골재의 표면 조직을 AFM(atomic force microscope, NDMDT)으로 측정하였다. 시료처리는 잔골재 표면에 붙어있는 입자를 제거하고 AFM 샘플 마운트에 장착하였다. 장착방법으로는 마운트에 양면 테이프로 시료가 움직이지 않도록 고정하였다.
초고강도 콘크리트는 혼합수량이 매우 적고 조직이 치밀하므로 공시체는 기건(20±5℃)으로 91일간 양생하였다. 압축강도는 콘크리트 공시체 연마기를 사용하여 공시체를 연마한 후, 300 tf 용량의 UTM을 이용하여 측정하였으며, 3개 공시체의 평균값을 시험 결과로 채택하였다.
폴리싱기의 속도는 150 rpm, 압력은 10 Pa로 하였다. 이렇게 연마한 시편을 공극률, 원소분석(EPMA-WDX) 및 미소경도 측정용 시험편으로 하였다.
잔골재로부터 Ca 성분 용출에 의한 잔골재와 페이스트간의 결합 정도를 알아보기 위해 SEM 이미지를 고찰하였다. Fig.
잔골재와 페이스트간의 부착력 즉 결합정도를 알아보기 위해 강제로 파쇄한 재령 91일 콘크리트 경화체 시편(약 10 mm)에 대해서 FE-SEM(HITACHI S-4800)을 사용하여 경계면에서의 미세조직을 분석하였다.
시료처리는 잔골재 표면에 붙어있는 입자를 제거하고 AFM 샘플 마운트에 장착하였다. 장착방법으로는 마운트에 양면 테이프로 시료가 움직이지 않도록 고정하였다. 분석 방법으로는 contact mode와 tapping mode(semi-contact)중 tapping mode를 이용하여 분석하였으며, scan speed는 4분으로 진행하였다.
재령 91일 초고강도 콘크리트 공시체를 중앙부분에서 잔골재와 매트릭스 경계면이 뚜렷한 부분을 10×10×10 mm로 절단하였다.
따라서 초고강도 콘크리트에서 압축강도를 일정 부분 증진 시킬 수 있다. 저자들은 200 MPa급 압축강도를 갖는 초고강도 콘크리트를 개발하기 위해 잔골재로 Ca 성분을 함유하고 있지 않은 세척사와 Ca 성분을 함유하고 있는 전기로 슬래그를 사용하였다. 그 결과 전기로 산화 슬래그가 세척사보다 압축강도가 증가하는 것을 확인하였다.
전기로 산화 슬래그 잔골재와 세척사에서 Ca성분의 용출 여부를 확인하기 위해 pH와 Ca 성분의 용출량을 측정하였다. pH 측정은 잔골재 20 g과 증류수 10 mℓ를 혼합하여 20℃에서 100 rpm으로 교반하면서 0분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 6시간 순으로 측정을 하였다.
전기로 산화슬래그 및 세척사의 시간에 따른 Ca 성분을 비롯한 알칼리 성분의 용출 정도를 조사하기 위해 pH를 측정하였다. 그 결과를 Fig.
비커스 미소경도계(M사 HM-100)를 이용하여 잔골재와 페이스트 경계면의 미소경도를 측정하였다. 측정 조건은 시험하중을 0.01 N, 측정유지 시간을 10초로 하였다. 미소경도는 잔골재 계면으로부터 페이스트 쪽으로 5 µm 부근(기공률 측정 범위 10 µm의 중간)에서 구했으며, 12개 위치에서 측정하여 평균값을 취했다.
전기로 산화 슬래그와 세척사는 정도의 차이는 있지만 양쪽 모두 각진 형태를 나타내고 있다. 표면 조직은 두 잔골재에서 차이가 있을 것으로 예상되어 AFM으로 표면 조직을 관찰하였다. Fig.
대상 데이터
사용한 잔골재의 물리적 성질 및 화학적 성분은 Table 3, 4와 같다. 굵은 골재는 칠곡 화강암을 사용하였으며, 밀도는 2.7 g/cm3이며, 조립률은 6.35, 흡수율은 1.35%였다. 굵은 골재의 최대치수는 10 mm였다.
압축강도 공시체는 Φ100×200 mm의 원형몰드를 사용하였다.
이 실험에 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 실리카 퓸, 고로 슬래그 미분말, 무수석고(태국산)로서 그들의 물리적 성질과 화학적 성질을 Table 1과 2에 나타냈다. 결합재의 충전율을 향상시키기 위해 OPC의 평균입경을 기준으로 평균입경이 1/2 정도인 고로 슬래그 미분말과 1/100인 정도인 실리카 퓸을 선택하였다.
전기로 산화 슬래그 잔골재는 관련 품질 규격인 KS F 4571 콘크리트용 전기로 산화 슬래그 골재를 만족하는 것을 사용하였으며, 크기는 5 mm이하, 밀도는 3.58 g/cm3,조립률은 3.06, 흡수율은 0.89%인 것을 사용하였다. 세척사는 밀도 2.
초고강도 콘크리트는 재령 91일 압축강도 200 MPa을 목표로 하였다. 물-결합재의 비는 12.
데이터처리
1000배 이미지를 선택한 이유는 1000배 이미지가 잔골재 계면 영역을 분석하기에 적합하다고 판단되었기 때문이다. 화상분석에 사용된 프로그램은 image pro 6.0을 사용하였으며 공극률은 gray scale(255 scale)의 변곡점을 문지방값으로 결정하여 구했다. 잔골재와 페이스트 경계면 부근의 공극률은 잔골재 계면으로부터 10 µm까지의 공극률을 구했으며, 12개 위치에서 측정하여 평균값을 취했다.
성능/효과
1) 잔골재로부터 Ca 성분의 용출 특성 및 잔골재와 페이스트 계면에서의 미세조직을 평가한 결과, 전기로 산화슬래그 잔골재는 세척사와 달리 Ca 성분이 용출되어 실리카 퓸의 Si 성분과 포졸란 반응하여 Ca/Si 몰비가 0.3 정도인 C-S-H 수화물을 생성시켜 잔골재와 페이스트의 결합력를 증진 시키는 것으로 나타났다.
2) 잔골재 계면 부근에서의 미세조직 치밀도를 공극률과 미소경도로 평가한 결과, 전기로 산화 슬래그 잔골재를 사용한 경우 세척사와 비교하여 공극률은 0.1% 정도 작았으며 미소경도는 약 10×10-7 MPa 정도 큰 값을 보였다.
3) 잔골재 표면 형상에 의한 부착력 향상 기구를 잔골재 표면 거칠기로 평가한 결과, 전기로 산화 슬래그의 표면 굴곡도는 세척사에 비해 약 2배 이상 큰 것으로 나타나 잔골재와 페이스트 간의 interlocking strength를 증가시켜 압축강도 발현에 기여하는 것으로 판단된다.
1에 나타냈다. Ca 성분을 비롯한 알칼리 성분이 용출되면 pH 값은 증가하게 되는데, 전기로 산화 슬래그 경우 약 30분까지 pH가 증가하여 약 알칼리성인 pH=9.2를 나타냈으며, 그 이후에는 일정한 값을 유지하였다. 세척사는 약 30분까지는 pH가 약간 증가하여 중성인 pH=7.
저자들은 200 MPa급 압축강도를 갖는 초고강도 콘크리트를 개발하기 위해 잔골재로 Ca 성분을 함유하고 있지 않은 세척사와 Ca 성분을 함유하고 있는 전기로 슬래그를 사용하였다. 그 결과 전기로 산화 슬래그가 세척사보다 압축강도가 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 이 연구는 초고강도 콘크리트 잔골재로 전기로 산화 슬래그를 사용할 경우 세척사보다 압축강도가 큰 이유를 골재와 페이스트 계면에서의 미세조직 특성을 고찰하여 그 원인을 규명하고자 한다.
7×10-7 MPa 을 나타내어, 약 10×10-7 MPa 정도 전기로 산화 슬래그가 큰 값을 보였다. 따라서 전기로 산화 슬래그 계면 영역이 세척사 계면 영역보다 미세조직이 더 치밀한 것으로 나타났다.
1% 정도 작았으며 미소경도는 약 10×10-7 MPa 정도 큰 값을 보였다. 따라서 전기로 산화 슬래그 잔골재 계면 영역이 세척사 계면 영역보다 미세조직이 더 치밀한 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DSP 기술은 어떤 기술을 의미하는가?
이러한 기술의 기본 개념은 Bache가 제안한 DSP(densified system containing homogeneously arranged ultra-fine particles) 기술이다.3) DSP 기술은 고성능AE감수제의 작용에 의해 물-시멘트 비를 저하시킴과 동시에 시멘트 입자의 분산성을 향상시키고, 더욱이 시멘트 입자 사이의 공극에 초미립자인 실리카 퓸을 치밀하게 집어넣어, 분체의 충전성을 현저하게 향상시킨 것이다. 또한 잘 분산된 실리카퓸은 물과 같은 역할을 하여 유동성을 향상시켜 준다.
초고강도 콘크리트는 무엇을 일컫는 말인가?
콘크리트의 고강도화는 구조물의 고층화, 대형화, 장대화의 실현과 구조물의 단면 감소에 의한 공간의 효율적 이용이라는 관점에서 주목 받고 있다. 초고강도 콘크리트는 실리카 퓸과 같은 초미분말의 혼화재와 고성능AE감수제를 이용하여 압축강도 100 MPa 이상, 물-결합재 비 25% 이하인 콘크리트로 일컬어지고 있으며, 최근에는 물-결합 재비 20% 이하에서도 주입성형이 가능하고 압축강도가 150 MPa 정도인 초고강도 콘크리트가 실용화되고 있다.1,2)
시멘트 수화반응에 더 많은 혼합수량이 사용되는데 여분의 물은 어떤 문제점을 일으키는가?
일반적으로 콘크리트는 시공성에 적합한 작업성을 확보하기 위해서 시멘트의 수화반응에 필요한 물량보다 더 많은 혼합수량이 사용된다. 이 여분의 물은 수화에 관여하지 않기 때문에 경화 후에 공극으로 남게 되어, 시멘트 경화체의 강도를 저하시키고, 골재와 시멘트 페이스트와의 계면에 천이대를 형성시켜 고강도화를 방해한다.6,7)
참고문헌 (12)
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