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문제 정의
- 본 연구는 마이크로기포제와 규조토 미분말, 경량골재 3종의 단열성능 향상재료를 사용하여 압축강도 24 MPa과 열전도율이 기존 콘크리트보다 2배 개선된 구조용 단열성능 향상 콘크리트를 개발하고 현장적용하기 위한 실험결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 구조용으로 사용이 가능한 단열성능 향상 콘크리트를 제조하기 위해 사전 예비실험을 진행하였으며 단열성능 개선효과가 높은 액상 형태의 마이크로기포제와 분체 형태의 규조토 미분말, 경량골재를 선정하였다. 혼입 및 치환방법으로 마이크로기포제는 시멘트 중량 대비 혼입하였으며, 규조토 미분말은 전체골재 용적에서 치환하였고 경량골재를 사용한 배합은 보통골재를 대상으로 용적에서 전량 치환하였다.
- 이에 본 연구에서는 사전 예비실험을 통해 성능개선이 가능하다고 판단되는 마이크로기포제, 규조토 미분말, 경량골재 3가지의 단열성능 향상 재료를 사용하였으며, 이를 바탕으로 압축강도 24 MPa를 만족하고 열전도율이 기존 콘크리트보다 2배 개선된 구조용 단열성능 향상 콘크리트의 현장적용을 위해 특성을 검토하였다.
제안 방법
- 굳지 않은 콘크리트의 특성을 알아보기 위한 실험은 슬럼프, 공기량, 단위용적질량을 KS 규격에 따라 측정하였으며 0, 30, 60분에 경시변화를 측정하였다. 또한 굳은 콘크리트의 특성은 재령 3, 7, 28일에 압축강도 시험을 KS 규격에 따라 측정하였고 열전도율은 미국의 Anter사의 QuickLine 30을 이용하여 ASTM C 1113 ‘Standard test method for thermal conductivty of refractories by hot wire’ 규격에 따라 비정상 열선법으로 측정하였다.
- 본 실험에서는 강제식 1축 실내믹서를 사용하였으며 규조토 미분말과 경량골재를 사용한 배합은 일반콘크리트와 동일한 방법으로 믹서에 투입하였고, 마이크로기포제를 사용한 배합은 Fig. 2에 나타낸 방법으로 믹서에 투입하였다. 마이크로기포제는 믹서에서 혼합 시 골재와 마찰에 의해 충분히 혼합될 경우 마이크로기포셀 (Micro foam cell)이 생성된다.
- 압축강도 공시체는 측정일까지 수중양생을 실시하였고 열전도율 측정 시험체는 7일간 수중양생 후 온도 20±2℃, 습도 60±5% 조건의 항온항습실에서 21일간 기건양생하였다.
- 목표 압축강도는 24 MPa, 목표슬럼프는 200±15 mm로 설정하였다. 예비 배합실험을 통해 각 재료의 특성을 고려하여 치환율 (또는 혼입율), 물시멘트비, 잔골재율을 결정한 최적배합을 선정하고 그에 따른 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 구조용으로 사용이 가능한 단열성능 향상 콘크리트를 제조하기 위해 사전 예비실험을 진행하였으며 단열성능 개선효과가 높은 액상 형태의 마이크로기포제와 분체 형태의 규조토 미분말, 경량골재를 선정하였다. 혼입 및 치환방법으로 마이크로기포제는 시멘트 중량 대비 혼입하였으며, 규조토 미분말은 전체골재 용적에서 치환하였고 경량골재를 사용한 배합은 보통골재를 대상으로 용적에서 전량 치환하였다.
대상 데이터
- 잔골재는 KS F 2526, 굵은골재는 KS F 2527 규격에 적합한 세척사와 쇄석을 사용하였다. 경량골재는 미국 S사 제품이며 팽창점판암을 주 원료로 로터리 킬른에서 1,200℃로 소성시켜 생산된 KS F 2534 규격에 만족하는 비조립형 골재를 사용하였다. 골재 표면과 내부 형상을 파악하기 위해 현미경 촬영을 실시하였으며 그 결과 폐쇄형 공극구조를 지닌 것으로 분석되었다.
- 마이크로기포제와 더불어 사용된 혼화제는 국내 G사의 폴리카르본산계열의 고성능AE감수제와 경화촉진제를 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 규조토 미분말은 미국 H사 제품으로 일반적인 규조토를 150Mesh에 통과시켜 1차 가공한 고분말로써 10 ㎛ 내외의 입자크기를 지니고 있으며 입자와 입자 사이에 다량의 공극이 존재한다. 규조토 미분말의 물리·화학적 특성은 Table 6, 7과 같다.
- 본 실험에 사용한 시멘트는 KS L 5201에 만족하는 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 잔골재는 KS F 2526, 굵은골재는 KS F 2527 규격에 적합한 세척사와 쇄석을 사용하였다. 경량골재는 미국 S사 제품이며 팽창점판암을 주 원료로 로터리 킬른에서 1,200℃로 소성시켜 생산된 KS F 2534 규격에 만족하는 비조립형 골재를 사용하였다.
이론/모형
- 또한 굳은 콘크리트의 특성은 재령 3, 7, 28일에 압축강도 시험을 KS 규격에 따라 측정하였고 열전도율은 미국의 Anter사의 QuickLine 30을 이용하여 ASTM C 1113 ‘Standard test method for thermal conductivty of refractories by hot wire’ 규격에 따라 비정상 열선법으로 측정하였다. 동결융해 저항성은 ASTM C 666 규격에 따라 300 싸이클까지 측정하였으며, 길이변화율과 탄산화 저항성은 KS규격에 따라 측정하였다.
- 또한 굳은 콘크리트의 특성은 재령 3, 7, 28일에 압축강도 시험을 KS 규격에 따라 측정하였고 열전도율은 미국의 Anter사의 QuickLine 30을 이용하여 ASTM C 1113 ‘Standard test method for thermal conductivty of refractories by hot wire’ 규격에 따라 비정상 열선법으로 측정하였다.
성능/효과
- (1) 슬럼프에서는 규조토 미분말을 사용한 배합이 고분말에 의한 비표면적 증가로 슬럼프 저하가 다소 발생되었으며, 마이크로기포제를 사용한 배합은 경과시간에 따라 슬럼프 저하가 나타나지 않았다. 또한 공기량에서는 규조토 미분말을 사용한 배합이 경과시간에 따라 미세하게 감소하였으며, 마이크로기포제를 사용한 배합은 10% 이상의 공기량을 나타내었다.
- (2) 단위용적질량에서는 단열성능 향상 재료 사용시 Plain보다 단위용적질량이 감소되는 결과를 나타내었다.
- (3) 압축강도는 단열성능 향상 재료의 사용으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 전 배합에서 목표강도인 24 MPa를 만족하는 결과를 나타내었다.
- (4) 열전도율에서는 단열성능 향상 재료의 사용으로 열전도율이 개선되는 결과를 나타내었으며, M4L, M4D10, M4D10L 배합은 Plain 대비 57.1, 53.0, 57.1% 감소하여 연구목표인 2배 이상 개선된 결과를 나타내었다.
- (5) 동결융해 저항성에서는 모든 배합이 단열성능 향상 재료의 사용으로 내부 공극이 증가됨에 따라 시험 종료 시점인 300 싸이클까지 초기와 유사한 수준의 상대동탄성계수를 나타내어 우수한 내동해성을 지닌 것으로 판단되었다.
- (7) 탄산화 촉진 시험에서는 규조토 미분말을 사용한 D10, D10L 배합은 Plain과 유사한 탄산화 촉진깊이를 나타내었으나 마이크로기포제를 사용한 M4, M4L, M4D10, M4D10L은 Plain 대비 탄산화 촉진 깊이가 증가된 것으로 나타났다.
- Perkin Elmer사의 Spotlight 400을 사용하여 마이크로기포제의 FT-IR 분석을 실시한 결과, 약 3,400 cm-1의 파수에서 –OH의 결합이 관찰되었고 약 1,700 cm-1의 파수에서 C=O 관능기가 관찰되어 아크릴을 기초로 한 수용성 아크릴 고분자 화합물로 분석되었다.
- Plain 배합의 길이변화는 재령에 따라 44×10-6, 130×10-6, 286×10-6, 473×10-6, 641×10-6로 나타났으며, 전체적으로 단열성능 향상 재료를 사용한 배합이 Plain보다 길이변화율이 증가된 결과를 나타내었다.
- 7과 같다. Plain은 1.98 W/mk의 결과를 보였으며 규조토 미분말을 사용한 D10, D10L 배합은 1.45, 1.15 W/mk의 결과를 보여 Plain 대비 26.8, 41.9%개선된 것으로 나타났다. 마이크로기포제를 사용한 M4, M4L, M4D10, M4D10L은 1.
- 골재 종류에 따른 탄산화 촉진 깊이 차이를 살펴보면 경량골재를 사용한 배합이 보통골재를 사용한 배합보다 촉진깊이가 높게 나타났다. D10L 배합은 D10보다 0.
- 경량골재는 미국 S사 제품이며 팽창점판암을 주 원료로 로터리 킬른에서 1,200℃로 소성시켜 생산된 KS F 2534 규격에 만족하는 비조립형 골재를 사용하였다. 골재 표면과 내부 형상을 파악하기 위해 현미경 촬영을 실시하였으며 그 결과 폐쇄형 공극구조를 지닌 것으로 분석되었다.
- 9 MPa로 나타났다. 규조토 미분말을 사용한 D10은 Plain 대비 재령별로 85.4, 85.6, 78.9%의 수준을 보였으며, D10L 은 71.7, 82.6, 71.5% 수준을 나타내었다. D10L은 D10보다 다소 낮은 압축강도를 나타내었으며, 이는 경량골재의 낮은 파쇄강도가 영향을 미친 것으로 판단되었다.
- Plain은 2,311 kg/m3로 측정되었으며 D10은 2,191 kg/m3 , D10L은 1,833 kg/m3로 측정되었다. 규조토 미분말을 사용한 두 배합은 Plain 대비 5.2, 20.7% 감소된 단위용적질량을 나타내었고 마이크로기포제를 사용한 M4, M4L, M4D10, M4D10L은 1,982, 1,653, 1,844, 1,501 kg/m3로 측정되었으며, Plain 대비 14.2, 28.5, 21.0, 35.0%감소된 단위용적질량을 나타내었다.
- 5와 같다. 단열성능 향상 재료를 사용한 배합은 Plain 대비 단위용적질량이 감소되는 결과를 나타내었다. Plain은 2,311 kg/m3로 측정되었으며 D10은 2,191 kg/m3 , D10L은 1,833 kg/m3로 측정되었다.
- 단열성능 향상 재료의 사용으로 인해 압축강도가 감소하는 경향을 나타내었으나, 모든 배합이 목표강도인 24 MPa을 만족하는 결과를 나타내었다.
- (1) 슬럼프에서는 규조토 미분말을 사용한 배합이 고분말에 의한 비표면적 증가로 슬럼프 저하가 다소 발생되었으며, 마이크로기포제를 사용한 배합은 경과시간에 따라 슬럼프 저하가 나타나지 않았다. 또한 공기량에서는 규조토 미분말을 사용한 배합이 경과시간에 따라 미세하게 감소하였으며, 마이크로기포제를 사용한 배합은 10% 이상의 공기량을 나타내었다.
- 94 mm로 나타났다. 마이크로기포제를 사용한 4배합은 Plain 대비 재령 4주 탄산화 촉진 깊이는 Plain보다 0.35, 0.86, 0.78, 1.05 mm증가된 결과를 나타내었다. 일반적으로 콘크리트의 공극률이 증가하면 기체확산이 증가 (Oh et al.
- 9%개선된 것으로 나타났다. 마이크로기포제를 사용한 M4, M4L, M4D10, M4D10L은 1.27, 0.85, 0.93, 0.85 W/mk의 결과를 보였으며 Plain 대비 약 35.9, 57.1, 53.0, 57.1% 개선된 것으로 나타났다.
- 4와 같다. 마이크로기포제를 사용한 배합에서는 10% 이상의 공기량을 나타내었으며 경과시간에 따른 공기량 감소는 나타나지 않았다. 규조토 미분말을 사용한 배합에서는 경과시간에 따라 공기량이 다소 감소하는 결과를 나타내었는데 이는 고분말의 규조토 미분말 사용에 따른 결과로 판단되었다.
- 8과 같다. 모든 배합에서 300 싸이클까지 상대동탄성계수의 저하가 나타나지 않아 내동해성이 우수한 것으로 판단되었다. 일반적으로 콘크리트 내부에 존재하는 공극은 각종 열화물질의 이동통로가 되어 내구성 저하의 주요 원인이 되기도 하지만 동결융해 작용을 받는 구조물의 경우 연행공기층이 확보되면 동결에 의한 팽창압이 해소되어 높은 내구성을 갖는 것 (Choi, 2012)으로 알려져 있다.
- 일반적으로 콘크리트 내부에 존재하는 공극은 각종 열화물질의 이동통로가 되어 내구성 저하의 주요 원인이 되기도 하지만 동결융해 작용을 받는 구조물의 경우 연행공기층이 확보되면 동결에 의한 팽창압이 해소되어 높은 내구성을 갖는 것 (Choi, 2012)으로 알려져 있다. 본 실험에 사용된 3종의 단열성능 향상 재료는 콘크리트 내부에 다량의 공극을 분포시키게 하는 역할을 하고 있으며 이에 따라 내동해성이 우수하게 나타난 것으로 판단되었다.
- 상기한 시험결과에서 목표강도 24MPa를 만족하며 열전도율이 Plain보다 2배 이상 낮아진 배합은 M4L, M4D10, M4D10L 로 나타났으며, 열전도율이 개선되는 점을 통해 단열성능 향상 재료를 사용한 콘크리트의 적용은 건축물에서 발생되는 에너지 사용량을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 후속 연구로 실구조물 타설에 따른 콘크리트의 특성 및 경제성 분석이 진행되어야 할 것으로 판단되며, 현장적용을 위한 배치플랜트 생산 시 계량설비의 개선 대책이 필요할 것으로 판단된다.
- Plain 배합의 길이변화는 재령에 따라 44×10-6, 130×10-6, 286×10-6, 473×10-6, 641×10-6로 나타났으며, 전체적으로 단열성능 향상 재료를 사용한 배합이 Plain보다 길이변화율이 증가된 결과를 나타내었다. 특히 M4 배합은 가장 높은 길이변화율을 나타내었는데 이는 마이크로기포제를 사용한 M4L, M4D10, M4D10L에 비해 물시멘트비가 8.5% 높은 원인에 의해 건조수축을 가속화시키고 길이변화율을 증가시킨 것으로 판단되었다. 이를 개선 하기 위해 감수율이 보다 높은 고성능AE감수제를 사용하여 단위수량을 감소시키는 방안과 수축저감제의 사용이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
후속연구
- (6) 길이변화에서는 단열성능 향상 재료를 사용한 모든 배합이 Plain 대비 길이변화 증가량이 다소 큰 것으로 나타났는데 이에 배합설계 시 물시멘트비의 감소와 시공 시 수축발생을 저감시키는 방안이 요구될 것으로 판단되었다.
- 5% 높은 원인에 의해 건조수축을 가속화시키고 길이변화율을 증가시킨 것으로 판단되었다. 이를 개선 하기 위해 감수율이 보다 높은 고성능AE감수제를 사용하여 단위수량을 감소시키는 방안과 수축저감제의 사용이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
- 상기한 시험결과에서 목표강도 24MPa를 만족하며 열전도율이 Plain보다 2배 이상 낮아진 배합은 M4L, M4D10, M4D10L 로 나타났으며, 열전도율이 개선되는 점을 통해 단열성능 향상 재료를 사용한 콘크리트의 적용은 건축물에서 발생되는 에너지 사용량을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 후속 연구로 실구조물 타설에 따른 콘크리트의 특성 및 경제성 분석이 진행되어야 할 것으로 판단되며, 현장적용을 위한 배치플랜트 생산 시 계량설비의 개선 대책이 필요할 것으로 판단된다.
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