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문제 정의
- 본 연구의 목적은 ALC 블록대체를 위한 고성능 기포콘크리트 배합설계를 개발하는 것이다. 대기양생 하에서 기포콘크리트의 고강도 발현(특히 초기재령에서)을 위하여 결합재 및 혼화제를 사전연구에서 다음과 같이 설계하였다.
- 본 연구의 목적은 ALC 블록을 대체할 수 있는 습식제조형 기포콘크리트의 배합설계의 개발이다. 따라서 본 연구에서 정의하는 고성능 기포콘크리트는 습식제조형이면서 ALC 수준의 품질을 갖는 낮은 밀도에서 비교적 높은 강도 발현과 유동성을 갖는 콘크리트이다.
- 일반적으로 습식제조된 기포콘크리트의 압축강도는 ALC에 비해 낮다[1]. 이 낮은 압축강도 발현특성을 개선하기 위하여 결합재 및 혼화제에 대한 사전연구를 수행하였다. ALC 블록의 요구 압축강도인 2~6MPa 수준에서 시멘트의 화합물조성은 기포콘크리트의 압축강도 변화에 매우 중요하다.
제안 방법
- ALC 블록의 품질에 대응할 수 있는 습식형 고성능 기포 콘크리트 제조를 위하여 사전연구에서 설계된 결합재 및 혼화재를 이용하여 물-결합재비(W/B)와 단위결합재양 (B)을 변수로 11배합을 실험하였다. 결합재로는 C 3S가 60%인 OPC에 무수석고 3%를 첨가한 것을 이용하였으며, 혼화제로는 폴리카르본산계 감수제에서 폴리알킬에테르 성분을 28%로 조절한 것을 이용하였다.
- 기포콘크리트의 배합에서 주요변수는 물-결합재비(W/B)와 단위결합재 양(B)이다. 각 시험체에서 측정된 밀도 및 압축강도는 KS F 2701 [5]에서 제시하는 ALC 블록의 품질등급 및 기존 일반 기포콘크리트 실험결과와 비교하였다.
- 굳은 기포 콘크리트에서는 φ 100×200mm 공시체를 이용하여 절건밀도, 압축강도 및 응력-변형률 관계를 측정하였다.
- 대기양생 하에서 기포콘크리트의 고강도 발현(특히 초기재령에서)을 위하여 결합재 및 혼화제를 사전연구에서 다음과 같이 설계하였다. 규산3칼슘이 60% 이상인 보통포틀랜드시멘트에 무수 석고 3%를 첨가하였으며, 폴리카르본산계 감수제에서 폴리알킬에테르 성분을 28%로 조절하였다. 이들 재료를 사용하여 물-결합재비와 단위결합재양을 변수로 기포콘크리트 11배합을 실험하였다.
- 그룹 1에서는 B를 500kg/m3으로 고정한 후 W/B를 20%에서 30%까지 변화시켰다. 그룹 2에서는 그룹 1의 실험결과를 바탕으로 W/B를 25%로 고정한 후 B를 400kg/m3에서 600kg/m3까지 변화시켰다. 설계변수에 따른 기포양은 콘크리트 단위용적 개념과 함께 ASTM C 796-97[7]의 절차에 따라 산정하였다.
- 기포콘크리트의 강도발현 촉진 및 자기충전을 위한 고유 동을 위해 폴리카르본산계 감수제에서 폴리알킬에테르 성분의 함유량을 변화시키는 예비실험[4]을 수행하였다. 예비실험으로부터 폴리알킬에테르 성분이 28%인 폴리카르 본산계 감수제를 활용하였다.
- 설계변수에 따른 기포양은 콘크리트 단위용적 개념과 함께 ASTM C 796-97[7]의 절차에 따라 산정하였다. 기포콘크리트의 자기충전성을 위하여 초기 목표 플로우를 200mm 이상으로 설정하였으며, 이에 따라 예비실험에서 선정된 폴리카르본산계 감수제를 Table 2에 나타낸바와 같이 첨가하였다.
- 따라서 기포콘크리트의 높은 압축강도 발현을 위한 OPC는 C3S가 약 60% 이상인 것을 선택하였다. 기포콘크리트의 초기 압축강도 발현을 높이기 위하여 C3S가약 60%인 OPC에서 무수석고 치환율을 0~5%로 변화시켜 모르타르 압축강도를 측정하였다. 그 결과 무수석고 치환율이 3%까지는 압축 강도가 약간 증가하지만 그 이상(5%)에서 압축강도 증가는 없었다(Figure 1 b).
- 이들 재료를 사용하여 물-결합재비와 단위결합재양을 변수로 기포콘크리트 11배합을 실험하였다. 배합된 기포콘크리트의 품질 및 실용성은 KS 규격의 ALC 블록의 요구조건 및 기존의 일반 기포콘크리트와 비교하였다. 실험결과 본 연구의 고성능 기포콘크리트는 ALC 블록의 요구조건을 만족하면서 높은 실용가능성을 보였다.
- ALC 블록의 요구 압축강도인 2~6MPa 수준에서 시멘트의 화합물조성은 기포콘크리트의 압축강도 변화에 매우 중요하다. 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)의 제조사에 따른 화학적조성을 X선 회절분석(X-Ray diffraction, XRD)을 이용하여 측정하고 그에 따른 모르타르 압축강도를 평가하였다. OPC의 화학적 조성은 Table 1에 나타낸바와 같이 제조사에 따라 약간의 차이가 있었으며, 그에 따라 Bogue법에 의하여 산정한 규산3칼슘(3CaO·SiO2, C3S)의 비율도 차이를 보였다.
- 선발포를 위하여 기포제를 1:32.3으로 희석한 후 압축 공기와 연결된 기포발생기를 통하여 발포시켰다. 생성된 기포는 강제믹서기를 이용하여 미리 제조된 시멘트 페이스트와 함께 섞었다.
- 콘크리트의 열전도율은 300×300×50mm 시험체를 이용하여 절건상태에서 측정하였다. 압축강도는 재령 3일, 7일 28일에서 측정하였으며, 절건밀도, 응력-변형률 관계 및 열전도율은 재령 28일에서 측정하였다. 그룹 II에서 결합재양의 변화에 따른 내부 공극구조 및 공극분포는 각각 광학현미경과 수은압입법에 의해 평가하였다.
- 규산3칼슘이 60% 이상인 보통포틀랜드시멘트에 무수 석고 3%를 첨가하였으며, 폴리카르본산계 감수제에서 폴리알킬에테르 성분을 28%로 조절하였다. 이들 재료를 사용하여 물-결합재비와 단위결합재양을 변수로 기포콘크리트 11배합을 실험하였다. 배합된 기포콘크리트의 품질 및 실용성은 KS 규격의 ALC 블록의 요구조건 및 기존의 일반 기포콘크리트와 비교하였다.
- 기포 콘크리트의 압축강도에 영향을 미치는 주요 배합요인은 물-결합재비(W/B)와 단위결합재양(B)이다[6]. 이를 고려하여 본 연구에서는 Table 2에 나타낸바와 같이 시험체의 배합상세를 W/B와 B의 변화에 따라 두 그룹으로 구분하였다. 그룹 1에서는 B를 500kg/m3으로 고정한 후 W/B를 20%에서 30%까지 변화시켰다.
- 콘크리트의 열전도율은 300×300×50mm 시험체를 이용하여 절건상태에서 측정하였다.
대상 데이터
- ALC 블록의 품질에 대응할 수 있는 습식형 고성능 기포 콘크리트 제조를 위하여 사전연구에서 설계된 결합재 및 혼화재를 이용하여 물-결합재비(W/B)와 단위결합재양 (B)을 변수로 11배합을 실험하였다. 결합재로는 C 3S가 60%인 OPC에 무수석고 3%를 첨가한 것을 이용하였으며, 혼화제로는 폴리카르본산계 감수제에서 폴리알킬에테르 성분을 28%로 조절한 것을 이용하였다. 본 연구의 고성능 기포콘크리트에서 측정한 유동성, 압축강도 발현과 절건밀도의 관계 및 열저항값은 KS 규격에서 요구하는 ALC 블록의 품질조건을 만족하였지만 건조수축 및 내구성의 평가에 대해서는 추가 연구가 필요하다.
- 기포콘크리트의 강도발현 촉진 및 자기충전을 위한 고유 동을 위해 폴리카르본산계 감수제에서 폴리알킬에테르 성분의 함유량을 변화시키는 예비실험[4]을 수행하였다. 예비실험으로부터 폴리알킬에테르 성분이 28%인 폴리카르 본산계 감수제를 활용하였다.
- 특히 재령 3일 강도는 무수석고 치환율에 의해 큰 영향을 받았는데, 3% 치환율일 때 가장 높은 값을 보였다. 이를 고려하여 본 연구에서는 기포콘크리트의 압축강도 증진을 위한 결합재로서 C3S가 60%인 OPC에 무수석고를 3% 치환한 것을 이용하였다.
이론/모형
- 압축강도는 재령 3일, 7일 28일에서 측정하였으며, 절건밀도, 응력-변형률 관계 및 열전도율은 재령 28일에서 측정하였다. 그룹 II에서 결합재양의 변화에 따른 내부 공극구조 및 공극분포는 각각 광학현미경과 수은압입법에 의해 평가하였다.
- 그룹 2에서는 그룹 1의 실험결과를 바탕으로 W/B를 25%로 고정한 후 B를 400kg/m3에서 600kg/m3까지 변화시켰다. 설계변수에 따른 기포양은 콘크리트 단위용적 개념과 함께 ASTM C 796-97[7]의 절차에 따라 산정하였다. 기포콘크리트의 자기충전성을 위하여 초기 목표 플로우를 200mm 이상으로 설정하였으며, 이에 따라 예비실험에서 선정된 폴리카르본산계 감수제를 Table 2에 나타낸바와 같이 첨가하였다.
성능/효과
- 일반적으로 C3S는 수화열을 동반하며 압축강도 발현이 높은 특성을 갖는다. Figure 1(a)에 나타낸 모르타르 압축강도에서도 C3S가 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 따라서 기포콘크리트의 높은 압축강도 발현을 위한 OPC는 C3S가 약 60% 이상인 것을 선택하였다.
- 1) 유동성, 소포의 최소화 및 압축강도 발현을 고려하면 고성능 기포콘크리트 제조를 위한 적절한 W/B는 약 25%를 추천할 수 있었다.
- 2) 단위결합재양의 증가와 함께 겔공극의 양은 증가하는 반면 매크로 모세관공극의 양은 감소하였다. 이에 따라 기포콘크리트의 공극율은 단위결합재양의 증가와 함께 감소하였다.
- 3) 동일 절건밀도에서 고성능 기포콘크리트의 압축강도는 기존의 일반 기포콘크리트에 비해 높았으며, 절건 밀도에 따른 그 증가기울기도 높았다.
- 4) 고성능 기포콘크리트의 품질과 KS 규격의 ALC 블록의 품질등급과 비교할 때, 물-결합재비가 25%에서 단위결합재양이 550kg/m3이면 0.6품을, 650kg/m3이면 0.7품을 만족하였다.
- 5) 기포콘크리트의 응력-변형률 관계는 공극구조 및 골재 비함유로 인해 보통중량 콘크리트의 실험결과에 기반한 예측모델과 상당한 차이를 보였다.
- 6) 고성능 기포콘크리트에서 측정한 열저항값은 대부분 0.5품의 요구조건 이상이었다.
- 기포콘크리트의 압축강도는 B의 증가와 함께 그리고 W/B의 감소와 함께 증가하는데, W/B가 25%보다 작을 경우에는 오히려 감소하였다(Table 2). 기포콘크리트의 압축강도는 절건밀도 및 공극구조에 의해 중요한 영향을 받는 다.
- 기포콘크리트는 골재를 사용하지 않고 자기충전성으로 제조되기 때문에 갇힌 공극의 양은 매우 적고, 모세관공극이 주를 이룬다. 단위결합재양의 증가와 함께 겔공극의 양은 증가하는 반면 매크로 모세관공극의 양은 감소하는 경향을 보였다. 이에 따라 기포콘크리트의 공극율은 B의 증가와 함께 감소하였다.
- 차원해석을 위해 wd와 fck는 각각 1,000kg/m3(=wo)와 1MPa(=fo)의 기준값을 이용하여 무차원하였다. 동일 절건밀도에서 본 고성능 기포콘크리트의 압축강도는 기존의 일반 기포콘크리트에 비해 높았으며, 절건밀도에 따른 그 증가기울기도 높았다. 실험결과들을 회귀분석하여 나타내면 기포콘크리트의 fck는 절건밀도의 함수로서 다음과 같이 나타낼 수 있었다.
- Figure 1(a)에 나타낸 모르타르 압축강도에서도 C3S가 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 따라서 기포콘크리트의 높은 압축강도 발현을 위한 OPC는 C3S가 약 60% 이상인 것을 선택하였다. 기포콘크리트의 초기 압축강도 발현을 높이기 위하여 C3S가약 60%인 OPC에서 무수석고 치환율을 0~5%로 변화시켜 모르타르 압축강도를 측정하였다.
- 모든 배합은 목표 플로우 값인 200mm 이상의 유동성을 보였다(Table 2). 물-결합재비의 감소와 함께 기포콘크리트의 플로우는 감소하였는데, 이에 따라 감수제 첨가양이 증가하였다.
- 본 연구의 고성능 기포콘크리트의 초기 압축강도 발현도 보통중량 보통강도콘크리트에 비해 높았다. 일반적으로 보통강도 콘크리트의 재령 3일강도와 7일강도는 28일 강도의 각각 40~50%와 60~75% 수준에 있다.
- 본 연구의 기포콘크리트에서 산정한 열저항값은 G2-600 시험체만 제외하면 최소 0.272m2·K/W 이상으로서 0.5품의 열저항 조건을 만족하였다.
- 9MPa 이상을 요구하고 있다. 본 연구의 실험결과와 KS 규격을 비교하면, G1-25, G1-22.5, G1-20, G2-450 및 G2-500은 0.5 품, G2-550은 0.6품, 그리고 G2-650은 0.7품의 최소품질조건을 만족하였다. 이는 본 연구에서 제시된 습식형 고성능 기포콘크리트의 품질이 ALC 블록의 성능에 대응할수 있음을 보여준다.
- 배합된 기포콘크리트의 품질 및 실용성은 KS 규격의 ALC 블록의 요구조건 및 기존의 일반 기포콘크리트와 비교하였다. 실험결과 본 연구의 고성능 기포콘크리트는 ALC 블록의 요구조건을 만족하면서 높은 실용가능성을 보였다.
- 7품의 최소품질조건을 만족하였다. 이는 본 연구에서 제시된 습식형 고성능 기포콘크리트의 품질이 ALC 블록의 성능에 대응할수 있음을 보여준다.
- 본연구의 고성능 기포콘크리트는 Figure 2에 나타낸바와 같이 독립공극 구조를 형성한다. 이로 인해 고성능 기포콘크리트에서 측정한 열전도율은 동일 절건밀도를 갖는 기존의 일반 기포콘크리트에 비해 약 5% 정도 낮은 값을 보였다. 본 연구의 고성능 기포 콘크리트의 절건밀도와 열전도율의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있었다.
- 특히 재령 3일 강도는 무수석고 치환율에 의해 큰 영향을 받았는데, 3% 치환율일 때 가장 높은 값을 보였다. 이를 고려하여 본 연구에서는 기포콘크리트의 압축강도 증진을 위한 결합재로서 C3S가 60%인 OPC에 무수석고를 3% 치환한 것을 이용하였다.
- 이는 기포콘크리트의 구성특성 상 높은 공극율과 골재 비함유 때문이다. 한편 기포콘크리트의 최대응력 이후의 거동은 보통중량 콘크리트와는 다소 달랐는 데, 최대응력 이후 응력은 최대응력의 약 80~90%까지 급격히 떨어진 후 일정한 값을 유지하면서 소성흐름 특성을 보였다. 따라서 기포콘크리트의 응력-변형률 특성은 보통 중량 콘크리트 예측모델로는 합리적으로 평가하기 힘들며, 공극의 특성을 반영한 수정모델이 필요하다고 판단된다.
후속연구
- 결합재로는 C 3S가 60%인 OPC에 무수석고 3%를 첨가한 것을 이용하였으며, 혼화제로는 폴리카르본산계 감수제에서 폴리알킬에테르 성분을 28%로 조절한 것을 이용하였다. 본 연구의 고성능 기포콘크리트에서 측정한 유동성, 압축강도 발현과 절건밀도의 관계 및 열저항값은 KS 규격에서 요구하는 ALC 블록의 품질조건을 만족하였지만 건조수축 및 내구성의 평가에 대해서는 추가 연구가 필요하다. 고성능 기포콘크리트의 배합설계 및 기초성능평가를 위한 본 연구의 실험범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
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