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문제 정의
- 3성분계 무시멘트 경화체의 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생방법 등에 따른 강도 특성에 대하여 실험적으로 검토한 결과, 본 연구의 범위 내에서는 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 압축 강도와 휨강도 측정결과, 비빔시간 각각 90초, 총 360초가 차이는 미미하였으나 가장 우수한 강도발현을 하였으므로, 본 실험의 기초자료로 제시하였다.
제안 방법
- 본 연구에 앞서 무기 결합재의 비빔조건을 선정하기 위한 선행 실험의 수준 및 요인은 [표1]에 나타내었다. 결합재 조건으로써 CaO 30%의 함유량과 Si/Al비4를 기준으로 고로슬래그,레드머드, 실리카 흄 등의 질량비를 설정하였으며, 알칼리 자극제는 NaOH및 Na2SiO3를 결합 재 질량 400g에 각각 50g을 첨가하였다. 비빔조건으로는 20,30,40,50(rpm)으로 각각 30,60,90(초)로 총 120,240,360(초) 총 3수준으로 설정하였으며,시험 항목으로는 압축 및 휨강도 총 2수준으로 설정하였다.
- 를 발생시키고 이를 저감시키고자 전세계적으로 산업부산물을 활용한 연구가 진행중이다.따라서, 본 연구에서는 고로 슬래그, 레드머드, 실리카 흄 등의 산업부산물을 시멘트 대체재로서 상호 단점을 보완하여, 액상의 알칼리 자극제만으로 상온에서 제조 가능한 무시멘트 경화체의 최적배합을 기존 연구에서 도출하였으며, 최적배합을 바탕으로 공시체를 제작하고 양생방법에 따른 양생을 실시한 후 압축 강도 및 휨강도 특성에 대하여 분석을 실시하였다 [5].[그림 2]는 본 연구의 목적을 나타내었다.
- 무기 결합재 페이스트의 압축 강도 및 휨강도를 측정하기 위한 비빔 방법은 20,30,40,50(rpm)의 속도로 각각 90초씩 총 360초 비빔을 하였고, 굳은 페이스트의 휨 및 압축 강도 시험 방법은 KSLISO679:시멘트의 강도 시험 방법에 의거하여 40×40×160㎜몰드에 경화체를 성형 제작하였으며,상대 습도 80±5%, 온도 20±2℃의 조건으로 전치 양생6시간을 실시한 후 타설하여 각기건양생,수중 양생을 실시하였다.또한, 경화체 제조 과정에서 표면에 피막양생제를 도포하고 전치 양생 6시간을 실시한 후 타설과 동시에 피막 양생제를 경화체에스프레이로 도포하는 피막양생,경화체제조과정에서 표면에 한지를 덮어 전치 양생 6시간을 실시한 후 타설하여 경화체에 한지를 감싸는 한지 양생으로 각각 실험을 진행하였다.
- 무기결합재 페이스트의 압축강도 및 휨강도를 측정하기 위한 비빔방법은 20,30,40,50(rpm)의 속도로 각각 90초씩 총 360초 비빔을 하였고,굳은 페이스트의 휨 및 압축강도 시험 방법은 KSLISO679:시멘트의 강도 시험 방법에 의거하여 40×40×160㎜ 몰드에 경화체를 성형 제작하였으며,상대습도 80±5%,온도 20±2℃의 조건으로 전치 양생 6시간을 실시한 후 타설하여 각기건양생,수중양생을 실시하였다.
- 본 실험 요인 및 수준은 [표2]에 나타낸 바와 같이 선행연구를 바탕으로 비빔 조건을 20,30,40,50(rpm)으로 각각 90초, 총 360초로 비빔시간을 고정하였으며, W/B31%,CaO함유량 30%,Si/Al 변화율 4로 선정하여 고로슬래그,레드머드, 실리카 흄 등의 무기결합재를 총 400g, 알칼리 자극제를 액상 형태의 NaOH 50g, Na2SiO350g총 100g을 첨가하였다. 양생조건으로는 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생 총 4수준으로 설정하였다.
- 결합재 조건으로써 CaO 30%의 함유량과 Si/Al비4를 기준으로 고로슬래그,레드머드, 실리카 흄 등의 질량비를 설정하였으며, 알칼리 자극제는 NaOH및 Na2SiO3를 결합 재 질량 400g에 각각 50g을 첨가하였다. 비빔조건으로는 20,30,40,50(rpm)으로 각각 30,60,90(초)로 총 120,240,360(초) 총 3수준으로 설정하였으며,시험 항목으로는 압축 및 휨강도 총 2수준으로 설정하였다.
- 양생조건으로는 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생 총 4수준으로 설정하였다.시험 항목으로는 압축강도, 휨강도 총 2수준 실험하였다. 본 실험 배합은[표 3]과 같다.
- 50g총 100g을 첨가하였다. 양생조건으로는 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생 총 4수준으로 설정하였다.시험 항목으로는 압축강도, 휨강도 총 2수준 실험하였다.
- 이에 따라 본 연구는 “산업부산물을 사용한 저탄소 무기결합재의 역학적 특성에 관한 연구”의 기존 연구를 바탕으로 CaO함유량 30% 기준으로 Si/Al 4일 경우 가장 안정적인 압축강도를 발현하였기 때문에 CaO함유량 및 Si/Al비를 고정하였다.
대상 데이터
- 고로 슬래그는 SiO2와 CaO,MgO,Al2O3가 주성분이며, 밀도 2.91g/㎤, 분말도 4,464㎠/g인 3종을 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 재료는 고로 슬래그와 실리카흄, 레드머드이며, 사용재료의 화학적 성질은 [표4]에 나타내었다.
- 실리카 흄은 밀도 2.18g/㎤, 분말도 220,000㎠/g인 것을 사용하였다.
- 알칼리 자극제는 액상 인 수산화나트륨(NaOH)33%와 규산나트륨(Na2SiO3)은 KSM 1415에 따른 1종, 38.5%를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 선행 실험으로 비빔시간에 따른 강도 특성을 나타낸 결과,압축 강도와 휨강도에서 비빔시간 90초, 총 360초 비빔이 재령 28일에서 각각 51.14MPa, 4.49MPa로 가장 높은 강도값을 나타내었다. 비빔 시간의 값에 따른 강도의 값은 미미하였으나 가장 우수한 90초로 실험을 진행하였다.
- 2)기건 양생 온도별 강도 특성 분석 결과,40℃ 이상의 온도로 양생을 하였을 때 표면에 표면 균열이 일어난 것을 확인할 수 있었고,압축 강도는 기건 80℃양 생일 경우 70.6MPa로 높은 강도값을 나타내었으나, 휨강도는 온도가 높아질수록 강도값은 저하되었으며, 기건 20℃인 경우 안정적인 강도를 발현하였다.
- 3)수중 양생 온도별 강도 특성 분석 결과, 온도가 높아질수록 강도값이 증진되는 것을 확인할 수 있었으나, 강도의 증진율은 저하되었다. 재령 28일에서 압축 강도 및 휨강도는 각각 61.
- 4)피막 양생 및 한지 양생에 따른 강도 특성 분석 결과,피막 양생 및 한지 양생은 기건 양생보다 낮은 강도값을 나타내었으며, 무시멘트 경화체의 양생방법으로 적절하지 못한 것으로 판단되었다.
- 온도가 높아질수록 경화체 표면의 균열이 커지는 경향을 보였으며 기건 양생을 실시한 후 수중 양생을 실험하였을 때는 균열이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 강도의 경향 차이는 휨강도는 균열로 인한 상부 압축은 버틸 수 있으나 하부인장은 균열로 인하여 버틸 수 없어 휨강도가 저하된 것으로 보이며,압축 강도는 중앙부의 집중 하중으로 인한 경화체 자체의 고온 양생으로 인하여 초기 강도발현이 우수하였으며 반면, 표면의 균열로 인한 축하 중에 의한 축력은 버틸 수 있는 것으로 강도가 증진되었다고 판단된다.
- [그림4]는 비빔시간에 따른 휨강도 측정 결과를 나타낸 것으로써, 비빔시간이 늘어날수록 강도가 증진되는 경향을 나타내었다.또한,90초 비빔 총 360초비빔을 실시한 경화체의 강도는 재령 28일에서 4.5MPa로 30, 60(초)보다 미미하게 높은 강도발현을 하였다.압축 강도와 휨강도는 유사한 경향으로, 비빔시간이 길어질수록 알칼리 자극제가 고루 분포되어 강도 증진에 영향을 준 것으로 보인다.
- [그림3]은 비빔시간에 따른 압축 강도 측정 결과를 나타낸 것으로써, 모든 경화체의 압축 강도가 재령 28일에 45MPa 이상 발현되었으며, 비빔시간이 늘어날수록 강도가 증가되는 경향을 나타내었다.또한,90초 비빔 총 360초로 실시한 경화체의 압축 강도는 재령 28일에 51.1MPa로 가장 높은 강도발현을 하였다.반면,30초 비빔의 경우 초기 강도의 발현은 저하되었지만, 재령이 경과할수록 경화체의 반응이 활성화되어 재령 28일 강도에서 60,90(초)의 차이는 미미하였다.
- 이는 수중 양생을 실시함으로써 충분한 수분 공급으로 인하여 균열을 제어함으로써 기건 양생보다 높은 강도값을 얻은 것으로 보인다. 반면,수중양생의 온도가 높아질수록 강도 증진율이 저하되는 경향을 보였다. 이는 고온 양생을 하였을 경우 초기에 내부 수화생성물이 현저하게 치밀화되어 이후의 수화 반응 속도를 저해시킨 것으로 판단된다.
- 6MPa로 가장 높은 강도값을 나타내었다.반면, 양생온도가 높아질수록 재령 3일에 높은 강도값을 나타내었으며, 재령이 경과할수록 7, 28일에서는 강도의 증진율이 저하되었다. 이는 고온 양생의 경우 초기 재령에 따른 압축 강도가 고온의 촉진반응에 의해 초기에 일정량 이상의 강도발현을 한 것으로 보이며, 내부수화물이 현저하게 치밀화하여 경화체 내부의 수화 반응 속도를 저해시킨다고 판단된다.
- [그림6]은 기건 양생 온도별 휨강도 측정 결과를 나타낸 것으로, 기건 20℃의 경우 재령에 따른 강도 증진율이 안정적인 경향을 나타내었다.반면, 양생의 온도가 높아질수록 휨강도의 값이 저하되었으며,40℃ 이상의 경우 재령이 경과할수록 강도값은 저하되었다. 이는 고온 상태에 방치를 하여 수분이 증발하여 정상적인 화학반응을 하지 못한 것과, 시험체가 공기면에 접촉하는 외기면의 건조로 인한 균열로 강도 저하에 영향을 준 것으로 판단된다.
- 5MPa로 가장 높은 강도값을 나타내었다.반면, 온도가 높아지더라도 강도의 차이는 크지 않다는 것을 느낄 수 있었으며, 양생온도가 높아질수록 재령 3일에 높은 강도값을 나타내었고, 재령이 경과할수록 7,28일에서는 강도는 증진되었으나 강도의 증진율이 저하되었다. 이는 고온 양생의 경우 초기 재령에 따른 압축 강도가 고온의 촉진반응에 의해 초기에 무기 결합재 내부에서 활발한 반응을 함으로써 재령이 경과할수록 반응이 끝난 무기결합재의 강도 증진율이 저하된 것으로 판단된다.
- [그림9]는 수중양생 온도별 경화체의 휨강도 측정 결과를 나타낸 것으로,압축 강도와 유사한 경향을 나타내었으며, 기건 20℃ 및 수중 20℃의 경우 재령에 따른 강도 증진율이 안정적인 경향을 나타내었다.수중양생의 온도가 높아질수록 기건 양생의 온도별 변화에 따른 경향과 반대의 경향이 나타났다. 수중 80℃의 경우 재령 28일에 7.
- [그림7]은 기건 양생을 실시하였을 경우 온도별 변화에 따른 경화체의 균열을 나타낸 것이다. 온도가 높아질수록 경화체 표면의 균열이 커지는 경향을 보였으며 기건 양생을 실시한 후 수중 양생을 실험하였을 때는 균열이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 강도의 경향 차이는 휨강도는 균열로 인한 상부 압축은 버틸 수 있으나 하부인장은 균열로 인하여 버틸 수 없어 휨강도가 저하된 것으로 보이며,압축 강도는 중앙부의 집중 하중으로 인한 경화체 자체의 고온 양생으로 인하여 초기 강도발현이 우수하였으며 반면, 표면의 균열로 인한 축하 중에 의한 축력은 버틸 수 있는 것으로 강도가 증진되었다고 판단된다.
후속연구
- 또한, 한지 양생의 경우 무기 결합재 내부의 다량의 수분을 한지가 흡수하여 충분한 강도발현이 되지 않았다고 판단이 된다.기건 양생을 실시한 경우보다 피막 양생 및 한지양생의 강도저하 원인에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
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