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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 고로슬래그미분말의 치환율 및 분말도가 시멘트 페이스트 및 모르타르의 레올로지 성질에 어떠한 영향을 미치는 검토하였으며, 기존의 유동성 평가방법과 유동성 비교를 통해 고로슬래그미분말을 사용하는 콘크리트의 유동성 파악에 있어 하나의 참고자료로 제시하고자 한다.
- 본 연구는 기존의 플로시험 장비 및 레올로지 측정 장비를 이용하여 고로슬래그미분말을 치환 사용한 시멘트페이스트 및 모르타르의 레올로지 특성을 고로슬래그미분말의 분말도 종류 및 치환율별로 검토하였는데, 그 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 레올로지정수의 측정은 Brookfiled사의 R/S Solids 타입의 레오미터를 사용하였고, 스핀들은 가로×세로 30×60 ㎜의 베인스핀들을 사용하였으며, 레올로지 정수를 측정하기 위한 전단변형 속도는 0.1∼10/s 범위로 설정하였다.
- 시리즈 II에서는 모르타르의 유동특성으로 시리즈 I과 같이 W/B 50%수준으로 잔골재를 시멘트 질량의 2배 혼입하는 배합으로 시험을 실시하였으며, 고로슬래그미분말의 분말도 및 치환율은 시리즈 I과 동일한 조건으로 하였다. 실험사항으로는 1/2 슬럼프 플로, 유하시간 및 레올로지 정수의 측정을 실시하였다.
- 시리즈 II에서는 모르타르의 유동특성으로 시리즈 I과 같이 W/B 50%수준으로 잔골재를 시멘트 질량의 2배 혼입하는 배합으로 시험을 실시하였으며, 고로슬래그미분말의 분말도 및 치환율은 시리즈 I과 동일한 조건으로 하였다. 실험사항으로는 1/2 슬럼프 플로, 유하시간 및 레올로지 정수의 측정을 실시하였다. 단, 본 실험에서 W/B의 설정범위는 혼화제를 혼입하지 않은 고로슬래그미분말의 영향을 중심으로 검토하기 위하여 일반적인 고성능콘크리트의 W/B보다 다소 큰 범위로 설정하였다.
- 본 연구의 실험계획은 Table 1과 같고, 배합사항은 Table 2와 같다. 즉, 실험요인으로 시리즈 Ⅰ에서는 시멘트 페이스트 유동특성으로 물결합재비(W/B)는 50%의 수준으로 하였고, 고로슬래그미분말의 분말도 종류로는 블레인값이 4 000, 6 000, 9 000㎠/g 범위의 3종류를 대상으로 하였으며, 고로슬래그미분말의 치환율은 시멘트 질량대비 0, 20, 40, 60, 80%의 5수준에 대하여 검토하였다.
대상 데이터
- 즉 시멘트는 KS L 5201의 규정에 준하여 생산된 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 고로슬래그미분말은 KS F 2563에서 정하고 있는 고로슬래그미분말을 사용하였다. 또한, 잔골재는 충북 충주 일원의 강모래를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 재료의 물리·화학적 성질은 Table 3∼5와 같다. 즉 시멘트는 KS L 5201의 규정에 준하여 생산된 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 고로슬래그미분말은 KS F 2563에서 정하고 있는 고로슬래그미분말을 사용하였다. 또한, 잔골재는 충북 충주 일원의 강모래를 사용하였다.
이론/모형
- 즉, 시멘트 페이스트의 혼합은 KS L 5109에 규정된 모르타르의 믹서를 이용하여 실시하였다. 또한, 유동성 평가방법으로 1/2 슬럼프 플로시험은 KS F 2476의 시험방법에 의거하여 퍼짐량을 측정하였으며, O-lot 플로 시간은 KS F 2432 방법에 의거하여 100 ml마다 플로 시간을 측정하였다. 레올로지정수의 측정은 Brookfiled사의 R/S Solids 타입의 레오미터를 사용하였고, 스핀들은 가로×세로 30×60 ㎜의 베인스핀들을 사용하였으며, 레올로지 정수를 측정하기 위한 전단변형 속도는 0.
- 본 연구의 시멘트 페이스트의 실험항목별 방법은 Figure 1과 같다. 즉, 시멘트 페이스트의 혼합은 KS L 5109에 규정된 모르타르의 믹서를 이용하여 실시하였다. 또한, 유동성 평가방법으로 1/2 슬럼프 플로시험은 KS F 2476의 시험방법에 의거하여 퍼짐량을 측정하였으며, O-lot 플로 시간은 KS F 2432 방법에 의거하여 100 ml마다 플로 시간을 측정하였다.
성능/효과
- 1) 고로슬래그미분말의 분말도 종류 및 치환율 변화에 따른 플로 특성은 시멘트페이스트의 경우 BS1은 치환율이 증가할수록 플로가 점차 감소하는 것으로 나타났다. 반면, BS3는 슬래그미분말 입자간의 응집력 저하로 BS1, BS2와는 다르게 치환율의 증가에 따라 플로가 점점 증가하는 경향을 나타내었다.
- 2) O-lot 플로 시간의 경우 플로시험과 유사한 경향으로 플로가 작은 BS1 및 BS2는 치환율이 증가할수록 플로 시간이 늦어지는 것으로 나타났으며, 비교적 플로가 BS3의 경우 치환율이 증가할수록 유하시간이 빨라지는 것으로 나타났다. 모르타르의 경우 모든 O-lot 플로 시간이 시멘트 페이스트에 비해 잔골재의 혼입에 따른 내부마찰력 증가로 현저히 늦어지는 것으로 나타났다.
- 3) 레올로지 시험에 의한 컨시스턴시 곡선의 경향은 BS1, BS2로 치환한 시멘트페이스트 및 모르타르는 치환율이 증가할수록 전단속도에 따른 전단응력이 증대하였으며, BS3은 치환율이 증가함에 따라 전단응력이 감소하는 것으로 나타났다.
- 4) 시멘트 페이스트의 경우 항복치는 고로슬래그미분말의 치환율이 증가할수록 BS1은 증가하는 경향을 BS2 및 BS3는 유사 또는 미소하게 감소하는 경향을 나타내었다. 한편, 모르타르의 경우는 BS1, BS2 모두 치환율 증가에 따라 항복치가 곡선적인 증가 경향을 나타내었으며, BS3의 경우는 시멘트 페이스트와 유사한 경향으로 약간 감소하는 것으로 나타났다.
- 시멘트 페이스트는 전반적으로 분말도가 작을수록 O-lot 플로 시간은 짧아지는 것으로 나타났다. BS1의 경우 치환율 40, 60, 80%에서는 유출구의 막힘현상으로 측정이 불가능 하였으며, BS1 및 BS2는 치환율이 증가할수록 O-lot 플로 시간이 증가하는 것으로 나타났다. 반면 BS3의 경우 치환율이 증가할수록 O-lot 플로 시간이 빨라지는 것으로 나타났다.
- 고로슬래그 미분말의 치환율 증가에 따른 소성점도는 분말도 종류에 관계없이 거의 0 Pa·s전후의 범위로 나타났고, 모르타르의 경우 시멘트 페이스트보다는 약간 큰 값을 나타내고 있으나 15 Pa·s 이내로 명확한 증가 경향은 나타나지 않았다.
- BS1의 경우 치환율이 증가할수록 항복치가 급격히 증가하는 경향을 나타내었으며, 치환율 80%의 경우 컨시스턴시 곡선의 측정불가로 레올로지 정수의 산정이 불가능하였다. 또한, BS1 및 BS2의 증가경향은 곡선적인 증가 경향을 보이는 반면, BS3의 경우 치환율이 증가할수록 미비하게 감소하는 경향을 나타내었다. 소성점도의 경우 치환율 증가에 따른 뚜렷한 증가 경향은 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 반면, BS3는 슬래그미분말 입자간의 응집력 저하로 BS1, BS2와는 다르게 치환율의 증가에 따라 플로가 점점 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 모르타르의 플로 특성은 고체입자 포함에 따른 입자간 마찰력 증가로 BS1, BS2의 경우 치환율 증가에 따라 감소하였고, BS3의 경우 페이스트 상태와 달리 치환율의 증가에 따라 동등 또는 약간 감소하는 경향을 나타내었다.
- 2) O-lot 플로 시간의 경우 플로시험과 유사한 경향으로 플로가 작은 BS1 및 BS2는 치환율이 증가할수록 플로 시간이 늦어지는 것으로 나타났으며, 비교적 플로가 BS3의 경우 치환율이 증가할수록 유하시간이 빨라지는 것으로 나타났다. 모르타르의 경우 모든 O-lot 플로 시간이 시멘트 페이스트에 비해 잔골재의 혼입에 따른 내부마찰력 증가로 현저히 늦어지는 것으로 나타났다.
- 모르타르의 플로특성은 BS1, BS2의 경우 치환율 증가에 따라 감소하였으며, BS3의 경우 페이스트 상태와 달리 치환율의 증가에 따라 동등 또는 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 잔골재 혼입에 의한 영향으로써 고체입자 포함에 따른 마찰력에 의한 것으로 분석되며, 모르타르의 유동성은 고로슬래그미분말의 영향보다는 잔골재의 입도, 입형 또는 체적 등의 영향이 더욱 지배적 일 수 있음을 시사하고 있다.
- 시멘트페이스트의 경우 BS1(9 450㎠/g)은 치환율이 증가할수록 플로는 점점 감소하는 것으로 나타났으며 치환율이 20%이상에서는 더욱 현저한 감소를 나타내었고, BS2(6 760㎠/g) 치환율의 증가에 따라 증가, 감소를 반복하며 전반적으로는 유사한 경향을 나타내었다. 반면, BS3(4 190㎠ /g)는 BS1, BS2와는 다르게 치환율의 증가에 따라 플로가 점점 증가하는 경향을 나타내었으며, 치환율 20% 이상에서는 급격한 유동성 증가 경향을 나타내고 있다. 기존의 문헌[9]에서는 고로슬래그미분말의 치환율이 증가할수록 유동성이 증가하는 것으로 알려져 있으며, BS3의 경우 기존의 문헌[5] 및 연구결과와 동일한 경향을 나타내었다.
- BS2의 경우 치환율 증가에 따른 변화가 거의 없으며, BS3의 경우 치환율이 증가할수록 미비하게 감소하는 경향을 나타내었다. 소성점도는 BS1의 경우 치환율 60%이상에서 음의 정수를 나타내고 있으나, BS2, BS3은 전체적으로 볼 때 그 값의 변화가 미비한 것으로 나타나, 평균적으로 볼 때 고로슬래그미분말의 치환율 변화에 따른 소성점도의 변화는 미비한 것으로 나타났다.
- Figure 3, 4는 고로슬래그미분말 치환율에 따른 시멘트 페이스트 및 모르타르의 O-lot 플로 시간을 나타낸 것으로 시료 100㎖당 플로 시간으로 나타낸 것이다. 시멘트 페이스트는 전반적으로 분말도가 작을수록 O-lot 플로 시간은 짧아지는 것으로 나타났다. BS1의 경우 치환율 40, 60, 80%에서는 유출구의 막힘현상으로 측정이 불가능 하였으며, BS1 및 BS2는 치환율이 증가할수록 O-lot 플로 시간이 증가하는 것으로 나타났다.
- Figure 2는 고로슬래그미분말 치환율에 따른 시멘트 페이스트 및 모르타르의 1/2슬럼프 플로를 나타낸 것이다. 시멘트페이스트의 경우 BS1(9 450㎠/g)은 치환율이 증가할수록 플로는 점점 감소하는 것으로 나타났으며 치환율이 20%이상에서는 더욱 현저한 감소를 나타내었고, BS2(6 760㎠/g) 치환율의 증가에 따라 증가, 감소를 반복하며 전반적으로는 유사한 경향을 나타내었다. 반면, BS3(4 190㎠ /g)는 BS1, BS2와는 다르게 치환율의 증가에 따라 플로가 점점 증가하는 경향을 나타내었으며, 치환율 20% 이상에서는 급격한 유동성 증가 경향을 나타내고 있다.
- 이러한 경향으로 볼 때 고로슬래그미분말 종류에 따라시 멘트 페이스트와 모르타르 모두 BS1과 BS2는 치환율 증가할수록 점성의 증대에 의해 전단응력이 증가하며 BS3은 치환율이 증가할수록 점성의 감소로 전단응력이 감소하는 것으로 분석된다.
- 전반적으로 BS1, BS2의 경우 치환율이 증가할수록 전단 속도에 따른 전단응력이 증가하는 경향을 보이고 있으며 BS2는 BS1에 비해 상대적으로 미비한 것으로 나타났다. 시멘트 페이스트와 모르타르 모두 BS1에서 치환율 80%일때 측정이 불가능 하였고 치환율 60%일때 전단응력의 역구배 현상이 나타나고 있으며, BS2의 모르타르에서 치환율 80%에서도 이런 현상이 일어나고 있다.
- 4) 시멘트 페이스트의 경우 항복치는 고로슬래그미분말의 치환율이 증가할수록 BS1은 증가하는 경향을 BS2 및 BS3는 유사 또는 미소하게 감소하는 경향을 나타내었다. 한편, 모르타르의 경우는 BS1, BS2 모두 치환율 증가에 따라 항복치가 곡선적인 증가 경향을 나타내었으며, BS3의 경우는 시멘트 페이스트와 유사한 경향으로 약간 감소하는 것으로 나타났다. 고로슬래그 미분말의 치환율 증가에 따른 소성점도는 분말도 종류에 관계없이 거의 0 Pa·s전후의 범위로 나타났고, 모르타르의 경우 시멘트 페이스트보다는 약간 큰 값을 나타내고 있으나 15 Pa·s 이내로 명확한 증가 경향은 나타나지 않았다.
후속연구
- 고로슬래그미분말의 치환율에 따라 레올로지 정수를 도출해본 결과 고로슬래그미분말의 가정 및 컨시스턴시 곡선의 전단변형속도의 적용범위에 따라 달라질 수 있는 값으로 컨시스턴시 곡선이 역구배의 경향을 나타내는 경우 가정하는 모델의 재검토나 컨시스턴시의 근사범위의 검토 등이 필요한 것으로 사료된다.
- 최근 고유동, 고강도 콘크리트 등 고성능 콘크리트의 사용이 점차 증가함에 따라 콘크리트의 성능개선을 목적으로 고로슬래그미분말, 플라이애쉬, 실리카흄 등 다양한 혼화재가 사용되고 있다. 특히, 고로슬래그미분말은 원가절감, 수화열절감, 장기강도 증진, 화학저항성 등 우수한 품질을 얻을 수 있으며 일반시멘트에 비해 가격이 저렴하여 향후 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 무엇보다도 슬래그를 포함한 콘크리트는 슬래그와 시멘트수화물의 2차 반응에 의해 공극구조가 더욱 치밀해지고 수밀성이 크게 증가하므로써 염화물을 비롯한 각종 유해물질의 침투에 대한 저항성이 증가하게 된다[1].
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