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문제 정의
- 일반적으로 동일 물-시멘트비에서 평균입자 크기의 감소는 수화율이 증가하여 강도를 향상시키며 특히 초기강도를 높이는 방법으로 가장 많이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 시멘트의 초기 수화반응을 촉진시키기 위하여 1종 보통 포틀랜드 시멘트보다 더 높은 고분말도 시멘트에 초점을 맞추어 연구를 수행하였으며 이를 저온환경에서 사용하는 방안을 검토하기 위한 기초정보를 얻고자 하였다.
- 본 연구는 고분말도 시멘트를 저온환경에서 사용하는 방안을 검토하기 위한 실험으로서, 입도를 조정한 고분말도 시멘트는 상용중인 시멘트의 입도를 조정한 것으로 분말도 11,000㎠/g이며, 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 분쇄하여 상용중인 1종 조강형 시멘트 및 S사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 재료적인 특성을 분석하였다.
- 85㎛로 분석되어 분말도가 높을수록 미세한 입자는 증가하는 것으로 나타났다. 일반적으로 미세한 입자는 수화반응시 물과의 접촉계면이 증가하기 때문에 초기 수화반응 속도가 증가함으로 본 연구의 목표인 저온환경 하에서 신속한 응결 및 초기 압축강도를 높이는데 크게 기여할 것으로 판단된다.
제안 방법
- 단열온도 상승 특성을 평가하기 위하여 모르타르를 대상으로 재료온도 –5℃에서 단열온도 상승시험을 실시하였다.
- [7]은 시멘트 수화모델로 평균입경이 5㎛ 및 30㎛인 시멘트에 대하여 응결시간 및 수화열 등을 모델링 하였으며 모델링 결과 시멘트의 응결은 전단응력에 저항하는 것으로 수화생성물에 의해 수화된 시멘트 입자들이 부분적으로 연결되는 네트워크 형성에 의해 조절되고 응결시간은 입자가 작으면 빠르고 빠른 수화에 의해 수화열도 커지고 수화율도 커진다고 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 시멘트 수화반응 특성을 확인하기 위하여 미소수화열량계(TCC-26 T 사 일본, 20℃, 2℃)로 72시간의 수화열을 측정하였다. 측정한 실험체는 원재료의 비교를 실시하기 위하여 OPC와 HBC 를 측정하였으며 압축강도 면에서 성능이 가장 우수했던 HBC+NT20를 선택하였다.
- 또한 단열온도 상승 시험을 통하여 –5℃에서의 시멘트 재료별 수화열 특성을 검토 하였다.
- 측정한 실험체는 원재료의 비교를 실시하기 위하여 OPC와 HBC 를 측정하였으며 압축강도 면에서 성능이 가장 우수했던 HBC+NT20를 선택하였다. 또한 수화열 측정은 물-시멘트 비를 0.5로 측정하였으며 최적의 초기온도를 맞추기 위하여 시험 전 24시간 동안 온도를 유지한 후 실시하였다.
- 모르타르 압축강도는 최적의 초기온도 조건을 맞추기 위하여 시험 전 항온항습기를 이용하여 재료 및 몰드를 양생온도 조건에서 24시간동안 각각의 온도조건으로 안정화 시킨 후 실시하였다. 압축강도는 재령별 양생온도별 측정 하였으며 KS L ISO 679에 따라 실시하였다.
- 분석항목은 원재료의 화학조성 및 물리적인 특성, 입도분석 및 응결시간을 분석하였으며 수화반응 특성을 평가하기 위한 온도조건은 20℃, 2℃로 설정한 수화반응 속도분석과 20℃, 2℃, -8℃로 설정한 몰탈 압축강도 실험을 실시하였다. 또한 단열온도 상승 시험을 통하여 –5℃에서의 시멘트 재료별 수화열 특성을 검토 하였다.
- 상용중인 시멘트의 입도를 조정한 고분말도 시멘트를 사용하여 저온환경에서의 기초특성을 확인하기 위한 연구로서 입도 변화에 따른 특성, 응결 및 강도발현 특성, 수화반응 속도 및 수화열 분석 등을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 단열온도 상승 시험을 통하여 –5℃에서의 시멘트 재료별 수화열 특성을 검토 하였다. 양생온도는 실제 시공 시 온도저하의 가능성을 고려하고 극저온환경 실험조건을 위해 설정된 값이며 해당 분석기기의 조건을 감안하여 실험을 실시하였다. Table 1은 본 실험에서 사용된 배합을 나타낸 표이다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트(분말도 3,390㎠/g, 이하 OPC로 표기)와 S사에서 상용화중인 1종 조강형 포틀랜드 시멘트(분말도 4,220㎠/g, 이하 HBC로 표기)를 사용하였다. 또한 고분말도 시멘트 제조를 위하여 분급기를 사용하여 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품의 입도를 조정하여 고분말도 11,000㎠/g(이하 NT로 표기)를 혼합 제조한 원료를 사용하였다. 또한 사용된 방동제는 국내 U사에서 제조된 무염화형을 사용하였다.
- 본 연구에서는 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트(분말도 3,390㎠/g, 이하 OPC로 표기)와 S사에서 상용화중인 1종 조강형 포틀랜드 시멘트(분말도 4,220㎠/g, 이하 HBC로 표기)를 사용하였다. 또한 고분말도 시멘트 제조를 위하여 분급기를 사용하여 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품의 입도를 조정하여 고분말도 11,000㎠/g(이하 NT로 표기)를 혼합 제조한 원료를 사용하였다.
- 단열온도 상승 특성을 평가하기 위하여 모르타르를 대상으로 재료온도 –5℃에서 단열온도 상승시험을 실시하였다. 실험은 단열온도 상승시험 장치(ACM-202-6F, T사, 일본)로 실시하였으며 측정한 실험체는 미소수화열 실험과 동일한 실험체를 대상으로 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 시멘트 수화반응 특성을 확인하기 위하여 미소수화열량계(TCC-26 T 사 일본, 20℃, 2℃)로 72시간의 수화열을 측정하였다. 측정한 실험체는 원재료의 비교를 실시하기 위하여 OPC와 HBC 를 측정하였으며 압축강도 면에서 성능이 가장 우수했던 HBC+NT20를 선택하였다. 또한 수화열 측정은 물-시멘트 비를 0.
이론/모형
- 또한 고분말도 시멘트 제조를 위하여 분급기를 사용하여 S사 1종 보통 포틀랜드 시멘트 제품의 입도를 조정하여 고분말도 11,000㎠/g(이하 NT로 표기)를 혼합 제조한 원료를 사용하였다. 또한 사용된 방동제는 국내 U사에서 제조된 무염화형을 사용하였다. 사용된 모든 재료는 극저온 환경 조건으로 적용하기 위해 배합전 24시간동안 –8℃에서 동결시켰다.
- 사용한 시멘트 원재료의 화학성분 분석결과는 Table 2와 같으며 시멘트의 형광 X선 분석방법 (KS L 5222)에 따라 실시한 실험값이다. Table 3의 결과는 포틀랜드 시멘트의 분말도 시험(KS L 5106), 비중 시험 (KS L 5110), 표준체 45㎛에 의한 시멘트 분말도 시험방법 (KS L 5112)으로 나타낸 결과이다.
- 모르타르 압축강도는 최적의 초기온도 조건을 맞추기 위하여 시험 전 항온항습기를 이용하여 재료 및 몰드를 양생온도 조건에서 24시간동안 각각의 온도조건으로 안정화 시킨 후 실시하였다. 압축강도는 재령별 양생온도별 측정 하였으며 KS L ISO 679에 따라 실시하였다.
- 응결시험은 KS L 5108의 방법으로 시편을 만들어 주도를 측정한 후 자동 비카 측정기로 초결 및 종결시간을 측정하였다. 분급한 고분말도 시멘트는 미세한 입자들이 다량 존재하여 응결시험 시 단위수량이 급격히 증가되어 분석하지 못하였다.
성능/효과
- 1) 시멘트 분급을 통하여 제조된 시멘트는 분말도가 매우 높아지며 재료 내에 분쇄성이 높은 원료가 다량 함유되어 강열감량 및 SO3의 함유량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 2) 시멘트 입자의 분말도에 따라 입자의 크기별 분포가 매우 다르며 입도 조정하여 분급된 시멘트는 초기강도 발현을 높이는 10㎛ 이하의 입자가 다량 함유된 것으로 나타났다.
- 3) 응결실험 결과, 분말도가 높을수록 유동성에 필요한 수량이 증가되고 응결시간이 단축되는 것으로 나타났다. 이는 분급된 시멘트의 비표면적이 커지며 물과의 흡착면적이 증가됨으로 나타나는 현상으로 판단된다.
- 4) 압축강도 측정결과 모든 재령 및 온도 조건에서 분말도가 높은 시멘트 일수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 입자가 작을수록 반응성 또한 높아 초기강도와 장기 강도가 높은 것으로 판단된다.
- 5) 미소수화열량계를 통한 시멘트의 수화속도와 총 수화열 측정 결과 고분말도 일수록 수화속도가 빠르며 수화열 또한 높아 초기에 강도를 발현시키는데 효과적인 것으로 사료된다.
- 6) 단열온도 상승시험결과와 미소수화열결과는 비슷한 결과를 얻었으며 고분말도 일수록 초기온도 상승이 높게 나타났으며 최고 상승온도 또한 높음을 확인할 수 있었다.
- 또한 양생온도 20℃에서는 NT가 혼합된 원료가 OPC 보다 압축강도가 25% 상승하였으며 양생온도 2℃에서는 120%, -8℃에서는 170% 압축강도가 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 양생온도별 압축강도를 비교한 결과 극저온 환경일수록 강도발현 효과는 NT가 혼합된 원료가 더욱더 높을 것으로 판단된다.
- 이는 시멘트의 수화반응에서의 고분말의 입자가 대부분 수화반웅에 참여하여 시멘트 수화 반응율이 상승된 것으로 판단된다. 또한 고분말도 입자는 초기 수산화칼슘의 생성을 촉진하고 지속적으로 강도를 발현시키는 수화물인 CSH(mCaO-nSiO2-xH 2O)gel을 다량 생성하여 장기강도 또한 우수한 것으로 판단된다. 그러나 상대적으로 입자가 큰 100㎛ 이상의 시멘트 입자는 강도 상승에 영향을 주지 못한 것으로 사료된다.
- 압축강도 측정 결과 고분말도 시멘트는 초기 강도증진 효과가 매우 우수한 것으로 나타났으며, 특히 온도가 낮을수록 강도차이는 더욱 크게 나타났다. 또한 양생온도 20℃에서는 NT가 혼합된 원료가 OPC 보다 압축강도가 25% 상승하였으며 양생온도 2℃에서는 120%, -8℃에서는 170% 압축강도가 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 양생온도별 압축강도를 비교한 결과 극저온 환경일수록 강도발현 효과는 NT가 혼합된 원료가 더욱더 높을 것으로 판단된다.
- 미소수화열 측과 결과 NT가 함유된 원료가 가장 빠른 수화속도와 가장 높은 수화발열량을 나타내었으며 시멘트입자의 고분말도 일수록 빠른 수화속도 및 수화 열이 높은 것으로 나타났다. 또한 온도별 수화발열량을 비교 하였을 때 양생온도 20℃보다 양생온도 2℃에서 그 차이는 더욱 크게 나타났다. 이를 백분율로 환산 하였을 경우 NT가 함유된 원료가 OPC 보다 양생온도 20℃에서 138%, 양생온도 2℃에서는 192%로 나타나는 것으로 보아 저온환경에서는 고분말도의 시멘트를 사용하는 것이 강도발현에 유효할 것으로 판단된다.
- 이는 이전의 응결 및 미소수화열 시험과 비슷한 결과로 입자의 크기가 반응속도 및 수화 반응열과 밀접한 관계가 있을 것으로 사료된다. 또한 입자가 작을수록 초기에 빠른 수화반응으로 수화온도가 높게 나타나고 최고 온도에 도달한 시간도 빠르며 최고 상승온도 또한 높음을 확인할 수 있었다.
- Table 7과 Figure 3, Figure 4는 미소수화열 측정 결과를 나타낸 것이다. 미소수화열 측과 결과 NT가 함유된 원료가 가장 빠른 수화속도와 가장 높은 수화발열량을 나타내었으며 시멘트입자의 고분말도 일수록 빠른 수화속도 및 수화 열이 높은 것으로 나타났다. 또한 온도별 수화발열량을 비교 하였을 때 양생온도 20℃보다 양생온도 2℃에서 그 차이는 더욱 크게 나타났다.
- Table 3의 결과는 포틀랜드 시멘트의 분말도 시험(KS L 5106), 비중 시험 (KS L 5110), 표준체 45㎛에 의한 시멘트 분말도 시험방법 (KS L 5112)으로 나타낸 결과이다. 분급기에 의한 입도 조정에 따라 나타난 특성은 강열감량, SO3 함량이 1종 보통포틀랜드 시멘트 보다 높았으며 분말도도 매우 높고 비중과 잔사는 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 Yoshida 등[8]의 연구에서 시멘트를 분급한 결과 평균입경이 작을수록 강열감량과 C3S량이 크고, 입경이 커질수록 C2S량이 증가된다고 하였는데 이는 클링커 광물 및 석고의 분쇄특성에 의한 것으로 판단된다.
- Figure 1은 입도분포 분석결과를 나타낸 그림이다. 분석 결과 평균 입경은 OPC 10.6㎛, 조강 8.14㎛, 고분말도 시멘트 4.85㎛로 분석되어 분말도가 높을수록 미세한 입자는 증가하는 것으로 나타났다. 일반적으로 미세한 입자는 수화반응시 물과의 접촉계면이 증가하기 때문에 초기 수화반응 속도가 증가함으로 본 연구의 목표인 저온환경 하에서 신속한 응결 및 초기 압축강도를 높이는데 크게 기여할 것으로 판단된다.
- Table 6 은 재령별 양생 온도조건에 따른 압축강도 실험 결과를 나타낸 것이다. 실험결과 고분말 시멘트의 함유량이 높을수록 초기 및 장기강도 모든 영역에서 높은 수준의 압축 강도를 나타냈다. 이는 사전 연구[9,10,11]에서는 재령 3일과 7일의 초기재령의 압축강도만 증가하는 것으로 나타났으나 본 연구에서는 10㎛ 이하의 입경을 가지는 시멘트 입자의 영향으로 초기강도 및 28일 장기강도까지 상승하는 것으로 나타났다.
- Table 8과 Figure 5는 저온에서의 모르타르 단열온도 상승시험 결과를 나타낸 것이다. 실험결과 고분말도 입자가 많을수록 초기 수화 온도 및 전체 수화발열량도 높은 것을 알 수 있었다. 이는 이전의 응결 및 미소수화열 시험과 비슷한 결과로 입자의 크기가 반응속도 및 수화 반응열과 밀접한 관계가 있을 것으로 사료된다.
- Figure 2에 저온(2℃, -8℃) 실험의 재령 3일 압축강도 결과를 나타낸 것이다. 압축강도 측정 결과 고분말도 시멘트는 초기 강도증진 효과가 매우 우수한 것으로 나타났으며, 특히 온도가 낮을수록 강도차이는 더욱 크게 나타났다. 또한 양생온도 20℃에서는 NT가 혼합된 원료가 OPC 보다 압축강도가 25% 상승하였으며 양생온도 2℃에서는 120%, -8℃에서는 170% 압축강도가 상승하는 것으로 나타났다.
- 시멘트 응결시간 비교 실험 결과는 Table 5에 나타내었다. 응결실험 결과 HBC에서는 목표 주도 5㎜에 소요되는 물량이 증가되는 것으로 나타났으며 응결시간은 단축되는 것으로 나타났다. 또한 HBC+NT20의 실험체에서는 초결과 종결이 241분, 300분으로 HBC의 260분, 355분 및 OPC의 275분, 370분보다 빠르게 나타났다.
- 또한 온도별 수화발열량을 비교 하였을 때 양생온도 20℃보다 양생온도 2℃에서 그 차이는 더욱 크게 나타났다. 이를 백분율로 환산 하였을 경우 NT가 함유된 원료가 OPC 보다 양생온도 20℃에서 138%, 양생온도 2℃에서는 192%로 나타나는 것으로 보아 저온환경에서는 고분말도의 시멘트를 사용하는 것이 강도발현에 유효할 것으로 판단된다.
- 이는 입자가 작을수록 반응성 또한 높아 초기강도와 장기 강도가 높은 것으로 판단된다. 특히, 저온 일수록 초기강도가 매우 뛰어난 것으로 나타나 저온 환경에서 초기 동해 방지에 큰 효과가 있을 것으로 판단된다.
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