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문제 정의
- 본 연구의 목적은 0.6품의 ALC 블록과 동등수준의 절건 밀도와 압축강도를 갖는 습식형 경량기포 콘크리트에서 균열제어를 위한 배합설계 제시이다. 기포콘크리트에서 시멘트의 수화열에 의한 온도균열 발생 가능성을 낮추기 위하여 보통포틀랜트시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 30%를 고로슬래그(granulated ground blast-furnace slag, GGBS)로 치환하였다.
제안 방법
- ALC 블록 0.6품 수준의 밀도와 압축강도를 갖는 습식형 경량 기포콘크리트에서 균열제어를 위해 고로슬래그를 사용한 시멘트 치환 및 섬유를 혼입한 배합실험을 수행하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- ALC 블록(0.6품) 성능 수준의 습식형 경량 기포콘크리트 배합설계 제시를 위하여 7배합의 섬유가 혼입된 기포콘크리트 배합실험을 수행하였다. 수화열에 의한 온도균열제어를 위해 결합재에 고로슬래그를 30% 치환하였으며, 기포콘크리트의 균열저항성을 높이기 위하여 PVA 및 PA 섬유를 혼입하였다.
- 간이단열 온도상승 실험은 양생온도 20℃에서 두께 100mm의 발포스티로폼을 이용하여 내부 사이즈 가 300mm×300mm×300mm로 제작된 단열 상자를 이용하였다[12].
- 6품의 ALC 블록과 동등수준의 절건 밀도와 압축강도를 갖는 습식형 경량기포 콘크리트에서 균열제어를 위한 배합설계 제시이다. 기포콘크리트에서 시멘트의 수화열에 의한 온도균열 발생 가능성을 낮추기 위하여 보통포틀랜트시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 30%를 고로슬래그(granulated ground blast-furnace slag, GGBS)로 치환하였다. 또한 기포콘크리트의 균열저항성을 높이기 위하여 PVA(polyvinyl alcohol) 및 PA(polyamid) 섬유를 혼입하였다.
- 기포콘크리트에서 시멘트의 수화열에 의한 온도균열 발생 가능성을 낮추기 위하여 보통포틀랜트시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 30%를 고로슬래그(granulated ground blast-furnace slag, GGBS)로 치환하였다. 또한 기포콘크리트의 균열저항성을 높이기 위하여 PVA(polyvinyl alcohol) 및 PA(polyamid) 섬유를 혼입하였다. 섬유의 혼입이 기포콘크리트의 플로우, 공극분포 및 압축강도와 휨강도에 미치는 영향을 평가하였다.
- 하지만 콘크리트의 압축강도 등의 품질관리를 위해 GGBS의 치환율은 보통 50% 이하를 적용하고 있다. 본 연구에서는 기포콘크리트의 압축강도 발현을 고려 하여 GGBS의 치환율을 30%로 결정하였다. OPC의 밀도 및 비표면적은 각각 3,150kg/m3 및 3,340cm2/g 이다.
- 섬유가 혼입된 기포콘크리트의 물리적 특성을 평가하기 위해 KS F 4039의 규격[9]에 준하여 굳지 않은 콘크리트에서 슬러리밀도, 플로우 및 침하깊이를, 굳은 콘크리트에서 절건밀도 및 압축강도를 측정하였다. 기포콘크리트의 역학적 특성은 기포 체적에 의해 중요한 영향을 받지만 목표 기포체적비에 대한 실제 기포의 투입은 쉽지 않다.
- 또한 기포콘크리트의 균열저항성을 높이기 위하여 PVA(polyvinyl alcohol) 및 PA(polyamid) 섬유를 혼입하였다. 섬유의 혼입이 기포콘크리트의 플로우, 공극분포 및 압축강도와 휨강도에 미치는 영향을 평가하였다.
- 6품) 성능 수준의 습식형 경량 기포콘크리트 배합설계 제시를 위하여 7배합의 섬유가 혼입된 기포콘크리트 배합실험을 수행하였다. 수화열에 의한 온도균열제어를 위해 결합재에 고로슬래그를 30% 치환하였으며, 기포콘크리트의 균열저항성을 높이기 위하여 PVA 및 PA 섬유를 혼입하였다. 고로슬래그를 30% 치환한 결합재는 시멘트 100% 대비 최대 열발생률 및 콘크리트 내부 최고 온도를 각각 28% 및 9% 저감시킬 수 있었다.
대상 데이터
- 기포콘크리트의 균열제어를 위해 사용된 PVA 및 PA섬유의 특성을 Table 1에 나타내었다. PVA섬유는 인장강도가 900MPa 이며 형상비는 300 이다. PA섬유는 인장강도가 620MPa 이며, 형상비는 261 이다.
- 간이단열 온도상승 실험은 양생온도 20℃에서 두께 100mm의 발포스티로폼을 이용하여 내부 사이즈 가 300mm×300mm×300mm로 제작된 단열 상자를 이용하였다[12]. 간이단열 온도상승 실험을 위한 기포콘크리트 배합상세로서 단위 결합재량은 500kg/m3, 물- 결합재 비는 30%, 그리고 기포율은 63%이다.
- OPC의 밀도 및 비표면적은 각각 3,150kg/m3 및 3,340cm2/g 이다. 사용된 GGBS는 KS 3종 규격으로서 밀도와 비표면적은 각각 2,900kg/m3 및 4,000cm2/g이다.
데이터처리
- 굳은 콘크리트의 특성평가를 위한 시험체들은 항온·항습 환경에서 48시간 양생 후 폴리에틸렌 팩에 밀봉양생 및 수중양생을 하였다. 측정된 슬러리밀도, 플로우, 침하깊이는 KS F 4039와 비교하였으며, 절건밀도 및 압축강도는 KS F 2701[11]와 비교하였다.
이론/모형
- 굳은 콘크리트의 역학적 특성에서는 압축강도 이외에 탄성계수, 및 휨강도(KS F 2408 : 콘크리트의 휨강도 시험 방법)를 측정하였다. 압축강도 및 응력-변형률 관계는 Φ100×200mm 실린더를 이용하여 측정하였다.
- 기포콘크리트의 배합 방식은 선기포 방식을 이용하였다. 결합재와 섬유를 배합용기에서 핸드믹서기로 1분 30초 이상 건비빔을 실시하고 여기에 물과 감수제를 넣고 3분이상 습비빔을 실시하여 페이스트를 형성한다.
- Figure 1에는 OPC 100%와 OPC 70%+GGBS 30%인 경우 결합재들의 미소수화열 비교를 나타내었다. 미소수화열은 ASTM C 1702의 절차에 따라 양생온도 20℃에서 측정하였다. Figure 2에는 OPC 100%와 OPC 70%+GGBS 30%인 결합재를 사용하여 배합된 기포콘크리트에서 간이단열 온도 상승 실험결과를 나타내었다.
- 기포콘크리트의 역학적 특성은 기포 체적에 의해 중요한 영향을 받지만 목표 기포체적비에 대한 실제 기포의 투입은 쉽지 않다. 본 배합에서실 기포 체적비는 공업용 메틸알콜을 이용한 간이 소포법[10]을 이용하여 측정하였다.
- 압축강도 및 응력-변형률 관계는 Φ100×200mm 실린더를 이용하여 측정하였다. 섬유의 혼입이 기포콘크리트의 공극구조에 미치는 영향을 평가하기 위하여 수은 압입법(mercury intrusion porosimetry, MIP) 을 통한 공극률분석 및 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)에 의한 공극형상과 섬유분포를 측정하였다.
성능/효과
- 1) 시멘트에 30%의 고로슬래그를 치환한 결합재는 미소수화열 측정 결과 최대 열발생률을 약 28% 저감시키며, 간이단열온도상승 실험결과 내부 최고 온도를 약 9% 저감시킴으로서 수화열 저감효과에 크지는 않았다.
- 3cal/g이며, 두 종류 결합재 모두 약 12시간에서 열발생률이 가장 높았다. 12시간에서 최대 열발생률은 OPC 100% 대비 OPC 70%+GGBS 30%가약 28% 낮은 열발생률을 나타내었다(Figure 1). 간이단열 온도상승실험의 경우 OPC 100% 및 OPC 70%+GGBS 30%의 내부 최고온도는 각각 82.
- 2) 기포콘크리트에서 PVA 및 PA섬유의 혼입량은 0.9kg/m3 이상 혼입 시 섬유뭉침이 발생하였으며, 섬유뭉침은 기포콘크리트의 플로우 및 압축강도를 감소시켰다.
- 3) PVA섬유가 혼입된 기포콘크리트의 압축강도는 섬유 혼입량이 0.9kg/m3 이하에서는 섬유 혼입량에 영향을 받지 않았지만 섬유 혼입량이 1.2kg/m3에서는 오히려 압축강도가 감소하였다.
- 4) 기포콘크리트의 #는 섬유혼입량이 증가할수록 증가하지만 그 혼입량이 1.2kg/m3에서는 오히려 감소하였다.
- 기포콘크리트의 배합설계는 Yang의[4]를 참고하여 결정 하였으며, 그 상세는 다음과 같다: 1)결합재는 OPC 70%와 GGBS 30%로 구성된다; 2) 단위 결합재량은 500kg/m3 이다; 3) 물-결합재 비는 30%; 4) 기포율은 63.2%; 5) 고성능 감수제 첨가량은 단위 결합재량의 0.4%이다.
- 5) 기포콘크리트의 공극분산성 및 및 휨 강도 향상을 고려 하면 최적의 섬유 혼입률은 0.6kg/m3이 추천된다.
- 70 배로 증가하였다. PA섬유가 혼입된 기포콘크리트의 휨강도는 혼입량이 0.6kg/m3일 때 무혼입에 비해 약 2배 이상 증가하지만 혼입량이 1.2kg/m3일 때에는 증가율이 오히려 감소하였다. 즉, 기포콘크리트의 휨 강도는 PVA 또는 PA 섬유 혼입량이 증가할수록 증가하지만 혼입률이 1.
- 이는 Figure 4에 나타낸바와 같이 뭉친 섬유 주위에서 기포의 파괴로 인한 내부결함 때문으로 판단된다. PVA 섬유 혼입량이 0.3kg/m3, 0.6kg/m3과 PA 섬유 혼입량이 0.6kg/m3인 시험체들의 28일 압축강도는 ALC 블록의 0.6품에 해당하는 4.9MPa를 만족하였다.
- PVA섬유가 혼입된 기포콘크리트에서 전형적인 섬유 분포 형상을 Figure 4에 나타내었다. PVA섬유가 0.6% 혼입된 기포콘크리트에서 섬유는 공극주위 그리고 공극과 공극을 연결하는 가교로서 분산이 잘 이루어졌다. 반면 PVA섬유가 1.
- PVA섬유가 혼입된 기포콘크리트의 휨강도는 0.2MPa ∼ 0.65MPa의 범위로 나타났으며, 섬유의 혼입량이 증가함에 따라 증가하였다(Table 3).
- 2℃이며, 두 종류의 결합재 모두 12시간에 내부 최고 온도를 나타내었다. 간이단열온도상승실험에서 OPC 70%+GGBS 30%가 OPC 100% 대비 내부 최고온도를 약 7.4도 저감(약 9%)시켰다. 기포콘크리트 배합에서 수화열 저감을 위하여 OPC의 30%를 GGBS로 치환하였지만 큰 효과를 얻을 수 없었다.
- 수화열에 의한 온도균열제어를 위해 결합재에 고로슬래그를 30% 치환하였으며, 기포콘크리트의 균열저항성을 높이기 위하여 PVA 및 PA 섬유를 혼입하였다. 고로슬래그를 30% 치환한 결합재는 시멘트 100% 대비 최대 열발생률 및 콘크리트 내부 최고 온도를 각각 28% 및 9% 저감시킬 수 있었다. 실험결과 섬유가 혼입된 경량기포 콘크리트의 압축강도, 공극분포, 휨 강도를 고려하면 PVA 및 PA 섬유 0.
- 섬유가 혼입된 기포콘크리트의 경우 겔공극(Φ<10 nm)은 존재하지 않았으며, 내부 공극은 주로 매크로 모세관공극(50 nm≤Φ<50 μm)으로 형성되어 있었는데[13], 여기서 Φ는 공극의 지름이다. 공극크기는 PVA섬유가 혼입된 경우 섬유의 혼입량이 증가할수록 크기가 큰 공극이 증가한 반면, PA 섬유가 혼입된 경우에는 섬유 혼입량에 관계없이 섬유 무혼입 대비 미세 공극이 증가하였다.
- 누적 미소수화열량은 OPC 100%와 OPC 70% + GGBS 30%가 각각 76.3cal/g 및 74.3cal/g이며, 두 종류 결합재 모두 약 12시간에서 열발생률이 가장 높았다. 12시간에서 최대 열발생률은 OPC 100% 대비 OPC 70%+GGBS 30%가약 28% 낮은 열발생률을 나타내었다(Figure 1).
- 동일 섬유 혼입량에서는 PA 섬유 기포콘크리트의 #가 PVA 섬유 기포콘크리트에 비해 높았다.
- 섬유가 혼입된 기포 콘크리트의 슬러리밀도는 704∼713kg/m3의 범위로 나타났으며, 계획된 슬러리밀도와 오차범위는 0.06%∼1.77%로 평균 1.12%의 오차를 나타냈다.
- 섬유가 혼입된 기포콘크리트의 절건밀도는 567∼584kg/m3 범위로 나타났으며, 모든 배합에서 ALC블록의 0.6품에 해당하는 결과를 나타내었다.
- 6품에 해당하는 결과를 나타내었다. 섬유가 혼입된 기포콘크리트의 절건밀도는 섬유 종류 및 혼입량에 대해서는 영향을 받지 않은 반면, 슬러리밀도 및 실 기포율에 큰 영향을 받았다(Table 3 참조).
- 섬유가 혼입된 콘크리트의 #는 1,073 ∼1,146 수준에 있었다. 섬유가 혼입된 기포콘크리트의 탄성계수는 섬유의 종류 및 혼입량의 영향보다는 압축강도의 영향을 크게 받았으며, PVA섬유가 혼입된 경우 섬유 혼입량이 0.9kg/m3 이상 혼입 시 탄성계수는 감소하는 것으로 나타났다.
- 섬유의 혼입량에 따른 기포콘크리트의 플로우는 Table 3에 나타낸바와 같이 210∼240mm의 범위로 나타났으며, 섬유종류에 관계없이 섬유 혼입률 1.2kg/m3이하에서 목표 플로우를 만족하였다.
- 실 기포율은 64%∼66%의 범위로 나타났으며, 계획된 기포율과 오차범위는 1.24%∼4.39%로 평균 1.91%의 오차를 나타냈다.
- 고로슬래그를 30% 치환한 결합재는 시멘트 100% 대비 최대 열발생률 및 콘크리트 내부 최고 온도를 각각 28% 및 9% 저감시킬 수 있었다. 실험결과 섬유가 혼입된 경량기포 콘크리트의 압축강도, 공극분포, 휨 강도를 고려하면 PVA 및 PA 섬유 0.6kg/m3 혼입이 추천될 수 있었다.
- 2kg/m3일 때에는 증가율이 오히려 감소하였다. 즉, 기포콘크리트의 휨 강도는 PVA 또는 PA 섬유 혼입량이 증가할수록 증가하지만 혼입률이 1.2kg/m3이상에서는 오히려 떨어졌다.
후속연구
- 섬유가 혼입된 기포콘크리트의 슬러리밀도 및 실기포율은 Table 3에 나타낸 바와 같이 주요 변수인 섬유 종류 및 혼입량에 대한 영향은 받지 않았다. 슬러리밀도 및 실기포율은 기포콘크리트의 압축강도 및 절건밀도 등의 품질을 예측할 수 있는 중요한 자료로 활용될 수 있으며, 계획된 슬러리밀도 및 기포율과의 오차를 비교하여 오차 범위가 낮을수록 높은 수준으로 기포콘크리트의 품질을 예측 평가 할 수 있다[7]. 섬유가 혼입된 기포 콘크리트의 슬러리밀도는 704∼713kg/m3의 범위로 나타났으며, 계획된 슬러리밀도와 오차범위는 0.
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