1990년대 후반부터 사용된 폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀은 이 맨홀이 가지고 있는 다양한 장점 때문에 현재까지 널리 이용되고 있다. 그러나, 고유가 시대로 접어들면서 석유화학 재료의 가격인상과 더불어 폴리머 콘크리트의 제조원가가 상승되고 이에 따른 폴리머 콘크리트의 약점이 대두되고 있다. 따라서, 고가의 폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀의 뛰어난 휨강도를 대체할 수 있는 경제적인 시멘트 콘크리트 맨홀의 개발이 요구되어 왔다. 본 연구에서는 비정질 칼슘알루미네이트 (Armorphous calcium aluminate, ACA)계의 속경형 시멘트기술을 기반으로 플라이 애쉬와 고로슬래그, 실리카 퓸, 메타카올린 등의 산업부산물을 이용하여 시멘트의 사용량을 최소화시킴으로써 $CO_2$를 저감시킬 수 있는 친환경적인 맨홀용 고인성 콘크리트를 개발하고자 하였다. 연구결과, 경제적이고 친환경적이면서도 요구성능을 만족시키는 시멘트 콘크리트 맨홀을 개발하였다.
1990년대 후반부터 사용된 폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀은 이 맨홀이 가지고 있는 다양한 장점 때문에 현재까지 널리 이용되고 있다. 그러나, 고유가 시대로 접어들면서 석유화학 재료의 가격인상과 더불어 폴리머 콘크리트의 제조원가가 상승되고 이에 따른 폴리머 콘크리트의 약점이 대두되고 있다. 따라서, 고가의 폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀의 뛰어난 휨강도를 대체할 수 있는 경제적인 시멘트 콘크리트 맨홀의 개발이 요구되어 왔다. 본 연구에서는 비정질 칼슘알루미네이트 (Armorphous calcium aluminate, ACA)계의 속경형 시멘트기술을 기반으로 플라이 애쉬와 고로슬래그, 실리카 퓸, 메타카올린 등의 산업부산물을 이용하여 시멘트의 사용량을 최소화시킴으로써 $CO_2$를 저감시킬 수 있는 친환경적인 맨홀용 고인성 콘크리트를 개발하고자 하였다. 연구결과, 경제적이고 친환경적이면서도 요구성능을 만족시키는 시멘트 콘크리트 맨홀을 개발하였다.
Now-a-days, a manhole adopted since the late 1990s and produced using the polymer concrete has widely used due to the various benefits. While entering the High oil prices times, however, and with the price increase of the petrochemical materials, the cost of manufacture of polymer concrete was eleva...
Now-a-days, a manhole adopted since the late 1990s and produced using the polymer concrete has widely used due to the various benefits. While entering the High oil prices times, however, and with the price increase of the petrochemical materials, the cost of manufacture of polymer concrete was elevated and the resulting polymer concrete's weakness is being put on. Accordingly, the development of economic cement concrete manholes, which can replace the outstanding bending strength of manhole made of high-price polymer concrete, has been required. In this study, based on the cement technology of fast hardening armorphous calcium aluminate (ACA), by minimizing the amount of cement using the industrial byproducts, to develop the eco-friendly high-toughness concrete manhole, which can reduce $CO_2$ reduction, was intended. As the results, the cement concrete manhole, which economic, eco-friend, and meeting the performance requirements, was developed.
Now-a-days, a manhole adopted since the late 1990s and produced using the polymer concrete has widely used due to the various benefits. While entering the High oil prices times, however, and with the price increase of the petrochemical materials, the cost of manufacture of polymer concrete was elevated and the resulting polymer concrete's weakness is being put on. Accordingly, the development of economic cement concrete manholes, which can replace the outstanding bending strength of manhole made of high-price polymer concrete, has been required. In this study, based on the cement technology of fast hardening armorphous calcium aluminate (ACA), by minimizing the amount of cement using the industrial byproducts, to develop the eco-friendly high-toughness concrete manhole, which can reduce $CO_2$ reduction, was intended. As the results, the cement concrete manhole, which economic, eco-friend, and meeting the performance requirements, was developed.
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문제 정의
CO2 저감용 혼합재를 사용한 고인성 콘크리트의 개발에 대한 본 연구에서는 시멘트 콘크리트를 이용하여 기존에 사용되는 폴리머 콘크리트와 동등이상의 수준인 1일 압축강도 80 MPa와 휨강도 20 MPa 이상의 물성을 얻기 위해 수행하였다. 실내실험과 현장에의 적용시험을 거쳐 물성과 작업성을 평가했으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 비정질 칼슘알루미네이트 (Armorphous calcium aluminate, ACA)계의 속경형 시멘트기술을 기반으로 플라이애쉬와 고로슬래그, 실리카 퓸, 메타카올린 등의 산업부산물을 이용하여 시멘트의 사용량을 최소화시킴으로써 CO2를 저감시킬 수 있는 친환경적인 맨홀용 고인성 콘크리트를 개발하고자 한다.
3에서 (a)와 (b)는 각각 폴리머와 시멘트 콘크리트를 사용해서 제작된 맨홀들을 나타내고 있다. 이 연구에서는 맨홀의 특성상 고인장 콘크리트의 합리적인 배합을 얻기 위해 다음과 같은 재료를 이용하여 실험을 진행하였다.
제안 방법
고인장 콘크리트는 압축강도와 휨강도를 측정하였고, 압축강도는 KS L 5105에 따라 시험체를 제작하고, 휨강도 시험체는 KS F 2476에 의거하여 40×40×160 (mm) 각주형 공시체로 제작하였다. 모든 시험체는 2시간 (탈형강도용), 1, 3 그리고 28일 재령별로 3개씩 제작하였으며, 제작 후 한시간 동안 전치 (1차양생), 3시간 동안 40℃에서 증기양생 후 탈형, 20시간 동안 70℃에서 증기양생 (2차양생)을 실시한 후, 1일 동안 상온에서 습포양생 (3차양생)을 거처 양생한 후 각 재령에 맞추어 수중양생을 실시한 후 측정하였다.
4에 나타낸 미니슬럼프콘을 사용하여 수행했다. 미니슬럼프콘에 콘크리트를 2층으로 채워넣고 각층은 25회 다진 후 슬럼프콘을 들어올려 콘크리트가 가라앉은 높이를 측정하였다.
저감용 혼합재를 사용한 고인성 콘크리트의 개발에 대한 본 연구에서는 시멘트 콘크리트를 이용하여 기존에 사용되는 폴리머 콘크리트와 동등이상의 수준인 1일 압축강도 80 MPa와 휨강도 20 MPa 이상의 물성을 얻기 위해 수행하였다. 실내실험과 현장에의 적용시험을 거쳐 물성과 작업성을 평가했으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
압축강도 측정을 위한 시편은 멘홀성형과 동시에 ∅100×200 (mm)의 원주공시체를 이용하여 제작하였으며, 제작 후 한시간 동안 전치 (1차양생), 3시간 동안 40℃에서 증기양생 후 탈형, 20시간 동안 70℃에서 증기양생 (2차양생)을 실시한 후, 1일동안 상온에서 습포양생 (3차양생)을 거처 양생한 후 각 재령에 맞추어 수중양생을 실시한 후 측정하였다.
이 연구에서는 고강도, 고내구성, 경제성, 그리고 작업의 난이도 등 사업화와 관련된 모든 요구조건들을 만족하는 물성을 찾아내기 위하여 Table 2와 같이 조기강도 발현을 위한 아윈계 (Hauyne) 혼합재, 고강도 혼합재 (high-strength mixed materials, HSMM), filler로 사용되는 각종 산업부산물, 그리고 조강재의 사용량을 실험변수로 설정하여 배합실험을 실시하였고, 사용된 분말 혼합재와 filler의 물리적 성질 및 화학적 성분은 각각 Table 3과 Table 4와 같으며 실험에 사용된 분말의 배합과 콘크리트 배합은 각각 Table 5 및 Table 6과 같다.
최종적으로, 콘크리트의 기본 물성인 압축강도와 슬럼프 그리고 휨강도에 대한 요건 모두를 만족하는 최적 배합을 No. 2 배합으로 선정하였으며, 이를 현장생산에 적용하여 현장에의 적용성에 대한 평가를 실시하였다.
현장에서의 적용성 평가를 위해 국내에 소재하고 있는 D 사의 현장에 사용되는 배합과 공정에 이 연구의 결과 (No. 2배합)를 적용하였으며, 현장에서 사용되고 있는 평가방법에 맞추어 탈형강도와 1일 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정을 위한 시편은 멘홀성형과 동시에 ∅100×200 (mm)의 원주공시체를 이용하여 제작하였으며, 제작 후 한시간 동안 전치 (1차양생), 3시간 동안 40℃에서 증기양생 후 탈형, 20시간 동안 70℃에서 증기양생 (2차양생)을 실시한 후, 1일동안 상온에서 습포양생 (3차양생)을 거처 양생한 후 각 재령에 맞추어 수중양생을 실시한 후 측정하였다.
현장의 작업성 평가와 맨홀의 성형성을 판단하기위하여 KS F 2402 (∅100×200mm의 원주공시체)에 의해 실험하였으며, 초기와 30분 후의 슬럼프를 측정하여, 작업유지성능을 확인하였다.
대상 데이터
고인장 콘크리트는 압축강도와 휨강도를 측정하였고, 압축강도는 KS L 5105에 따라 시험체를 제작하고, 휨강도 시험체는 KS F 2476에 의거하여 40×40×160 (mm) 각주형 공시체로 제작하였다.
실험체 제작에 사용된 시멘트로는 KS L 5201에 규정된 보통포틀랜드시멘트 (OPC)를 사용하였고 잔골재는 하천 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 부순골재를 사용하였다. 굵은 골재의 최대 치수 (Gmax)는 10mm이며, 실험에 사용된 골재의 물리적 성질은 Table 1과 같다.
성능/효과
(1) 아윈계 조강재의 사용량이 증가함에 따라 초기 탈형강도는 증가한다. 그러나 장기강도와 슬럼프에는 불리한 것으로 나타났다.
(2) 실리카 흄과 메타카올린의 사용량이 증가할수록 모든 배합에서 강도는 저하되는 것으로 나타났다. 실험에 사용된 고강도 배합을 위한 filler의 경우 실라키 흄 5%가 가장 유리한 것으로 나타났다.
(3) 고강도 혼합재의 사용량이 높을 경우, 작업성과 유지력또한 뛰어난 것으로 나타났고, 양생재령 1일과 3일에서 높은 강도발현률을 나타냈으나, 28일에서 오히려 강도가 저하되는 현상이 나타났다.
(4) 기타 조강재의 혼입결과, 조강재 혼입에 따라 작업성은 현저히 저하되며, 초기 탈형강도를 제외하고 모든 재령에서 강도저하의 현상을 나타내었다.
(5) 실내실험을 통해 선정된 배합(No. 2 배합)을 실제 현장조건에 적용하여 실험한 결과, 실내실험에서 선정된 배합과 비교하여 실내실험의 결과보다 우수한 105 MPa 이상의 압축강도와 21 MPa 이상의 휨강도를 나타내 었다.
Fig. 5, Fig. 6 그리고 Fig. 7의 No. 1, No. 2, No. 3 배합을 살펴보면, 아윈계 조강재의 사용량의 증가에 따라 초기의 강도발현률도 증가하지만, 재령이 지남에 따른 강도발현 양상은 No. 2의 경우가 가장 높은 값들을 보여줌을 알 수 있었다.
Filler의 종류와 사용량에 따른 강도와 작업성 판단을 위해 실리카 퓸 5, 7, 10%를 사용한 No. 2, No. 4, No. 5 배합과 메타카올린 5, 7, 10%를 사용한 No. 6, No. 7, No. 8 배합을 살펴보면, 실리카 퓸과 메타카올린의 사용량이 증가할수록 초기와 장기 모두에서 강도가 저하되는 경향을 나타냈다. 초기와 장기강도, 작업성의 측면에서도 사용량이 같을 경우, 모두 실리카 퓸을 사용한 경우가 우수한 물성을 나타내었고, 적정한 사용량은 5%인 것으로 나타났다.
고강도 혼합재의 사용량 (No. 2, No. 9, No. 10)에 따른 강도 및 작업성을 살펴보면, 고강도 혼합재의 사용량이 가장 높은 No. 10 배합의 경우 다른 배합에 비해 높은 슬럼프및 슬럼프유지력을 나타내고, 재령 1일과 3일에서 가장 높은 초기 압축강도를 발현하였으나, 재령 28일에서는 오히려 압축 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 이는 고강도 혼합재를 다량 사용하여 초기 강도발현률은 높으나 장기강도에는 악영향을 미친 것으로 사료되며, 따라서 고강도 혼합재의 경우에도 적정 사용량은 23%로 판단된다.
2배합을 사용하여 현장조건에서 시험생산한 결과, 초기 거푸집 탈형후 측정 압축강도가 69 MPa, 1일에 105 MPa의 압축강도를 발현하여 평가기준 이상을 나타내었으며, 휨강도는 1일에 21 MPa로 모두 규격을 만족하였다. 따라서, 공정시험 생산에서도 예비 실내실험이상의 강도 결과를 나타내며 다소 우수한 강도가 발현됨을 확인하였다.
또한, No. 1 배합의 경우, 재령이 지날수록 높은 강도발현률을 나타내고 작업성에서도 우수한 경향을 나타내었으나, 모든 재령의 강도에서 No. 2 배합에 비해 떨어지는 값을 나타내며 따라서 아윈계 혼합재의 비율은 10%가 적당할 것으로 판단되었다.
11은 현장에서 얻은 강도의 측정결과를 나타내고 있다. 실내시험에서 가장 우서한 성능을 나타낸 No. 2배합을 사용하여 현장조건에서 시험생산한 결과, 초기 거푸집 탈형후 측정 압축강도가 69 MPa, 1일에 105 MPa의 압축강도를 발현하여 평가기준 이상을 나타내었으며, 휨강도는 1일에 21 MPa로 모두 규격을 만족하였다. 따라서, 공정시험 생산에서도 예비 실내실험이상의 강도 결과를 나타내며 다소 우수한 강도가 발현됨을 확인하였다.
(2) 실리카 흄과 메타카올린의 사용량이 증가할수록 모든 배합에서 강도는 저하되는 것으로 나타났다. 실험에 사용된 고강도 배합을 위한 filler의 경우 실라키 흄 5%가 가장 유리한 것으로 나타났다.
1 배합의 경우, 재령이 지날수록 높은 강도발현률을 나타내고 작업성에서도 우수한 경향을 나타내었으나, 모든 재령의 강도에서 No. 2 배합에 비해 떨어지는 값을 나타내며 따라서 아윈계 혼합재의 비율은 10%가 적당할 것으로 판단되었다.
작업성 판단을 위한 슬럼프값 측정의 경우, 아윈계 조강재의 사용량이 증가함에 따라 초기슬럼프는 적어지고, loss 또한 큰 것으로 나타났다. No.
8 배합을 살펴보면, 실리카 퓸과 메타카올린의 사용량이 증가할수록 초기와 장기 모두에서 강도가 저하되는 경향을 나타냈다. 초기와 장기강도, 작업성의 측면에서도 사용량이 같을 경우, 모두 실리카 퓸을 사용한 경우가 우수한 물성을 나타내었고, 적정한 사용량은 5%인 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀의 장점은 무엇인가?
우리나라에서 1990년대 중반까지는 주로 일반 시멘트 콘크리트로 제작된 맨홀을 사용하였고, 1990년대 후반부터 사용된 폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀은 폴리에스테르 수지 결합재의 사용으로 고강도를 실현하여 (Yeon and Joo, 2002), 콘크리트 맨홀의 단면감소, 경량화, 그리고 시공의 용의성등 뛰어난 장점으로 현재까지 사용되고 있다 (Kim and Jo, 2007).
폴리머 콘크리트는 무엇인가?
폴리머 콘크리트는 결합재로서 시멘트를 사용하지 않고 폴리머와 골재만을 결합한 콘크리트로 높은 가격, 큰 열팽창 계수, 모노머와 수지의 불쾌한 냄새, 고온에 취약하다는 단점에도 불구하고 압축강도, 인장강도, 휨강도가 일반 시멘트 콘크리트에 비해 매우 우수하며 (Hyung et al., 2005), 조기에 고강도를 발현하여 통신용 맨홀, 개거 등에 많이 사용되고 있다.
폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀의 뛰어난 휨강도를 대체할 수 있는 시멘트 콘크리트 맨홀의 개발이 요구되는 이유는 무엇인가?
1990년대 후반부터 사용된 폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀은 이 맨홀이 가지고 있는 다양한 장점 때문에 현재까지 널리 이용되고 있다. 그러나, 고유가 시대로 접어들면서 석유화학 재료의 가격인상과 더불어 폴리머 콘크리트의 제조원가가 상승되고 이에 따른 폴리머 콘크리트의 약점이 대두되고 있다. 따라서, 고가의 폴리머 콘크리트로 제작된 맨홀의 뛰어난 휨강도를 대체할 수 있는 경제적인 시멘트 콘크리트 맨홀의 개발이 요구되어 왔다.
참고문헌 (8)
Hyung, W. G., Kim, W. K., Soh, Y. S., "Durability of Polymer-Modified Mortars Using Acrylic Latexes with methyl Methacrylate", Journal of the Korea Concrete Institute, vol. 17, No. 3, 2005, pp.411-418. (in Korean)
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Kim, M. H., Kim, H. H., Kim, Y. R., Kim, Y. D., "An Experimental Study on the Mechanical Properties of HPFRCCs Reinforced with the Micro and Macro Fibers", Journal of the Korea Concrete Institute, vol. 17, No. 2, 2005, pp.263-271. (in Korean)
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Son, Y. J., Choi, M. K., Kim, K. K., Park, H. G., Yang, D. I., Jung, S. J., "An Experimental Study on the Factors of Strength of Ultra High-Strength Concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, vol. 17, No. 1, 2005, pp.41-44. (in Korean)
Yeon, K. S., Joo, M. K., "Status and Future Prospect of Precast Products Using Polymer Concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, vol. 14, No. 6, 2002, pp.49-54. (in Korean)
Yoo, D. Y., Park, J. J., Kim, S. W., Yoon, Y. S., "Evaluating Early Age Shrinkage Behavior of Ultra High Performance Cementitious Composites (UHPCC) with CSA Expansive Admixture and Shrinkage Reducing Agent", Journal of the Korea Concrete Institute, vol. 23, No. 4, 2011, pp.441-448. (in Korean)
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