[국내논문]롤러 전압 콘크리트 포장의 공기량 및 기포간격계수와 장기 내구성의 상관관계 분석을 위한 실험적 연구 Experimental Study on Correlation Analysis of Air-void, Air-spacing factor and Long-term Durability for Roller-compacted Concrete pavement원문보기
PURPOSES : The use of roller-compacted concrete pavement (RCCP) is an environmentally friendly method of construction that utilizes the aggregate interlock effect by means of a hydration reaction and roller compacting, demonstrating a superb structural performance with a relatively small unit water ...
PURPOSES : The use of roller-compacted concrete pavement (RCCP) is an environmentally friendly method of construction that utilizes the aggregate interlock effect by means of a hydration reaction and roller compacting, demonstrating a superb structural performance with a relatively small unit water content and unit cement content. However, even if an excellent structural performance was secured through a previous study, the verification research on the environmental load and long-term durability was conducted under unsatisfactory conditions. In order to secure longterm durability, the construction of an appropriate internal air-void structure is required. In this study, a method of improving the long-term durability of RCCP will be suggested by analyzing the internal air-void structure and relevant durability of roller-compacted concrete. METHODS : The method of improving the long-term durability involves measurements of the air content, air voids, and air-spacing factor in RCCP that experiences a change in terms of the kind of air-entraining agent and chemical admixture proportions. This test should be conducted on the basis of test criteria such as ASTM C 457, 672, and KS F 2456. RESULTS : Freezing, thawing, and scaling resistance tests of roller compacted concrete without a chemical admixture showed that it was weak. However, as a result of conducting air entraining (AE) with an AE agent, a large amount of air was distributed with a range of 2~3%, and an air void spacing factor ranging from 200 to $300{\mu}m$ (close to $250{\mu}m$) coming from PCA was secured. Accordingly, the freezing and thawing resistance was improved, with a relative dynamic elastic modulus of more than 80%, and the scaling resistance was improved under the appropriate AE agent content rate. CONCLUSIONS : The long-term durability of RCCP has a direct relationship with the air-void spacing factor, and it can be secured only by ensuring the air void spacing factor through air entraining with the inclusion of an AE agent.
PURPOSES : The use of roller-compacted concrete pavement (RCCP) is an environmentally friendly method of construction that utilizes the aggregate interlock effect by means of a hydration reaction and roller compacting, demonstrating a superb structural performance with a relatively small unit water content and unit cement content. However, even if an excellent structural performance was secured through a previous study, the verification research on the environmental load and long-term durability was conducted under unsatisfactory conditions. In order to secure longterm durability, the construction of an appropriate internal air-void structure is required. In this study, a method of improving the long-term durability of RCCP will be suggested by analyzing the internal air-void structure and relevant durability of roller-compacted concrete. METHODS : The method of improving the long-term durability involves measurements of the air content, air voids, and air-spacing factor in RCCP that experiences a change in terms of the kind of air-entraining agent and chemical admixture proportions. This test should be conducted on the basis of test criteria such as ASTM C 457, 672, and KS F 2456. RESULTS : Freezing, thawing, and scaling resistance tests of roller compacted concrete without a chemical admixture showed that it was weak. However, as a result of conducting air entraining (AE) with an AE agent, a large amount of air was distributed with a range of 2~3%, and an air void spacing factor ranging from 200 to $300{\mu}m$ (close to $250{\mu}m$) coming from PCA was secured. Accordingly, the freezing and thawing resistance was improved, with a relative dynamic elastic modulus of more than 80%, and the scaling resistance was improved under the appropriate AE agent content rate. CONCLUSIONS : The long-term durability of RCCP has a direct relationship with the air-void spacing factor, and it can be secured only by ensuring the air void spacing factor through air entraining with the inclusion of an AE agent.
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문제 정의
5%, 최대 250μm의 기포간격계수가 우수한 내구성을 확보 가능할 것으로 제안하고 있다. 따라서 본 연구에서는 차량 주행용 롤러 전압 콘크리트 포장의 혼화제 혼입에 따른 공기량 및 기포간격계수의 변화를 확인하고, 이를 바탕으로 동결-융해 및 스케일링 저항성 결과값과 내부 공극 구조와의 상관관계를 분석 하여 장기 내구성에 대한 개선책을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 롤러 전압 콘크리트 포장의 공기량 및 기포간격계수의 측정과 내구성 실험을 실시하였다. 이를 통하여 콘크리트 내부 공극 상태와 장기 내구성에 대한 상관관계를 분석하여 개선책을 제시하고자 하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
제안 방법
100×100×400mm 크기의 정방형 각주 공시체를 제작하여 14일간 습윤 양생 후 사용하였으며, 1사이클간 소요 시간은 3시간으로 총 300사이클까지 진행하였다.
이창호(2011) 등의 연구에서는 자전거 도로용 롤러 전압 콘크리트의 기초 물성에 대한 연구를 진행하였다. 다양한 배합조건별 강도 실험으로 21Mpa 이상의 소요 강도에 충족하는 적정 배합조건을 도출하였고, 도출된 배합조건을 이용한 환경하중 저항성 평가를 실시하였다. 평가 결과, 다짐에 의해 충분히 분포된 작은 기포와 조밀한 간극계수 형성으로 2.
5의 Vibrating Hammer와 몰드 형상별 다짐판 제작을 통해 각 층별 다짐을 실시하였다. 다짐판 테두리에 모르타르가 올라오는 시점을 적정 다짐 시간으로 판단하였으며, 총 3층 다짐으로 공시체를 제작하였다.
그러나 실내에서 수행된 실험의 경우 현장에서의 다짐과 큰 차이가 발생하여 물리적 특성의 변동이 우려된다. 따라서 현장에서의 롤러 전압 과정을 실내에서 모사하기 위해 Fig. 5의 Vibrating Hammer와 몰드 형상별 다짐판 제작을 통해 각 층별 다짐을 실시하였다. 다짐판 테두리에 모르타르가 올라오는 시점을 적정 다짐 시간으로 판단하였으며, 총 3층 다짐으로 공시체를 제작하였다.
본 시험은 ASTM C 672를 기준하여 Fig. 7(a)와 같이 100×300×300mm 크기의 정방형 공시체를 제작하였으며, 공시체 표면에 약 20mm 높이의 아크릴판을 설치하여 시험 용액을 일정 수위로 균등하게 분포시켰다.
본 연구에서는 롤러 전압 콘크리트 포장의 공기량 및 기포간격계수의 측정과 내구성 실험을 실시하였다. 이를 통하여 콘크리트 내부 공극 상태와 장기 내구성에 대한 상관관계를 분석하여 개선책을 제시하고자 하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
시험 진행간 공시체 표면 상태는 5, 10, 15, 25, 50사이클에서 Table 5를 참고하여 표면 박리(Mass of scaled off particles) 저항성의 육안 평가를 실시하였고, 박리량의 측정을 통하여 공시체의 중량 손실량을 측정하였다.
사용 공시체는 지름 100mm의 코어링 공시체를 절단하여 사용하고, 절단 직후의 공시체는 SiC 파우더를 통해 연마를 실시하며 최초 60번 연마제에서 시작하여 100번, 200번, 320번, 420번의 연마제를 거쳐 최종 600번 연마제 순서로 연마를 실시하였다. 연마 작업 종료 후, 시료 표면의 공극으로 침입된 이물질 제거를 위하여 강한 수압으로 표면을 깨끗이 세척한 뒤 실험을 진행하였다.
혼화제의 종류는 워커빌리티 및 시공시간 확보를 위한 목적으로 분말형의 나프탈린계 고성능 감수제인 PNS(Poly Naphtalene Sulfonate)를 사용하였다. 혼합물의 슬럼프가 0cm인 된 배합이므로 ASTM C 1170/1170M에 의거한 Vebe Time 의 측정으로 워커빌리티 및 시공 가능 시간을 평가하였으며, 적정 Vebe Time의 범위는 ACI 325.10R-25에서 제시한 30~40초와 Farshid et al(2010)의 연구에서 제시한 50~75초를 고려해 본 연구에서는 30~75초로 선정하였다.
대상 데이터
공시체를 광학 현미경 아래 수직, 수평 방향으로 이동가능한 장치 아래에 놓고 관측하며 공시체 전체 표면에 분포된 횡선의 수만큼 현미경의 십자선을 따라 측정한다(윤경구, 2004). 사용 공시체는 지름 100mm의 코어링 공시체를 절단하여 사용하고, 절단 직후의 공시체는 SiC 파우더를 통해 연마를 실시하며 최초 60번 연마제에서 시작하여 100번, 200번, 320번, 420번의 연마제를 거쳐 최종 600번 연마제 순서로 연마를 실시하였다. 연마 작업 종료 후, 시료 표면의 공극으로 침입된 이물질 제거를 위하여 강한 수압으로 표면을 깨끗이 세척한 뒤 실험을 진행하였다.
7(a)와 같이 100×300×300mm 크기의 정방형 공시체를 제작하였으며, 공시체 표면에 약 20mm 높이의 아크릴판을 설치하여 시험 용액을 일정 수위로 균등하게 분포시켰다. 시험용액은 증류수 100ml당 4g의 염화칼슘을 가하여 제조되었고, 17시간 동결과 7시간 융해를 1사이클로 하여 총 50사이클간 진행되었다.
혼화제의 종류는 워커빌리티 및 시공시간 확보를 위한 목적으로 분말형의 나프탈린계 고성능 감수제인 PNS(Poly Naphtalene Sulfonate)를 사용하였다.
이론/모형
롤러 전압 콘크리트 내부의 공기량 및 기포간격계수의 측정을 위해 ASTM C 457에 의거한 화상분석 실험을 실시하였다. 이 시험법은 현미경에 의해 확대된 콘크리트 표면에 나타난 공극의 크기, 개수 등을 육안으로 관측하여 실셈을 통한 필요 계수를 계산해 내는 방식이며 본 실험에서는 화상분석 기법 중 Linear Traverse 기법으로 진행하였다.
본 연구에서는 Fig. 6의 실험 장비를 사용하여 롤러 전압 콘크리트의 성능 및 내구성 유지를 확인하기 위해 KS F 2456에 의거한‘기중 동결 후 수중융해 방법(B법)’으로 실험을 진행하였다.
롤러 전압 콘크리트 내부의 공기량 및 기포간격계수의 측정을 위해 ASTM C 457에 의거한 화상분석 실험을 실시하였다. 이 시험법은 현미경에 의해 확대된 콘크리트 표면에 나타난 공극의 크기, 개수 등을 육안으로 관측하여 실셈을 통한 필요 계수를 계산해 내는 방식이며 본 실험에서는 화상분석 기법 중 Linear Traverse 기법으로 진행하였다.
성능/효과
1. AE제의 무첨가로 공기연행이 미실시한 롤러 전압 콘크리트는 실험 종료 이전에 공시체의 파괴가 발생되어 동결-융해 저항성은 일반 PCC에 비해 취약한 것으로 판단되었다. 하지만 AE제의 성능 및 혼입률을 조정하여 공기연행을 실시한 경우 실험 종료 시기까지 매우 비슷한 상대동탄성계수의 감소추세를 나타내었고, 상대동탄성계수가 도로공사 시방서의 내구성 기준인 80% 이상을 상회하는 결과를 나타내고 있다.
2. 롤러 전압 콘크리트에 AE제의 혼입률이 낮거나 무첨가된 RCC의 경우는 박리로 인한 높은 중량 손실률과 심각한 표면 열화를 나타냈으나, 적정량 이상의 혼입률에서는 상대적으로 극소량의 박리량과 우수한 표면 상태를 유지하였다. 따라서 적정 AE제 혼입 시 스케일링 저항성의 개선이 가능할 것으로 판단된다.
3. AE제가 무첨가된 RCC의 경우 공기량 범위는 1~2% 에 분포가 많았으며, 기포간격계수는 약 320~450μm의 범위로 측정되었고, AE제가 첨가된 RCC에서는 공기연행 효과로 2~3% 범위에 공기량 분포와 약 200~300μm 범위의 기포간격계수로 이전보다 조밀한 기포간격이 형성되었다.
4. 실험을 통해 도출된 내구성지수(DF)와 기포간격계수 간의 관계를 분석한 결과, 롤러 전압 콘크리트 포장의 장기 내구성은 기포간격계수와 밀접한 관련이 있으며 기포간격계수는 약 200~300μm를 확보해야할 것으로 판단된다.
12의 그래프는 스케일링 시험 진행간 5, 10, 15, 25, 50사이클별 측정한 박리 손실량을 기반으로 공시체의 총 중량 손실률을 산출하여 나타낸 것이다. AE제가 무첨가된 RCC의 경우 0.2% 이상의 높은 중량 손실률을 나타냈으나, AE제 혼입률이 적정량 이상의 RCC는 성능에 상관없이 상대적으로 극소량의 중량 손실률이 발생했음을 확인할 수 있다. 따라서 AE제의 성능과는 무관하게 혼입률이 적정량 이상으로 확보되어야 스케일링 저항성이 개선될 것으로 판단된다.
10은 1차 실험으로 포장용 PCC와 혼화제 무첨가 RCC인 Ref, PNS가 첨가된 RCC 유형에 대해 상대동탄성계수를 측정한 결과이다. PCC는 상대동 탄성계수의 최초 측정 이후 약 13% 정도의 상대동탄성 계수 감소량을 유지한 채 내구성이 유지되는 것을 확인하였다.
공기 공극의 하한선은 1.5%이고, 이로 인해 생성된 기포 간격계수가 동결융해에 대한 내구성에 직접적으로 관련 되어 있으며, Fig. 4와 같이 최대 250μm의 기포간격계 수가 우수한 내구성을 확보 가능할 것으로 제안하였다.
최근 송시훈(2015) 등의 연구에서는 골재입도가 도로 포장용 롤러 전압 콘크리트에 미치는 특성에 대한 연구를 실시하였으며, 19mm 굵은 골재와 잔골재를 이용하여 입도 Band 영역을 재설정하였다. 그 결과, 미립자 부분은 롤러 전압 콘크리트 포장의 컨시스턴시-건조단위중량-강도에 대해 영향이 미미하므로, 골재선정시 60번체 이하를 통과하는 미립자는 배제시켜도 우수한 품질 확보가 가능한 것으로 확인되었다. 그러나 국내의 선행 연구들의 경우 환경하중에 따른 장기 내구성에 대한 검토는 자전거 도로의 목적으로만 이루어졌으며, 차량 주행용 롤러 전압 콘크리트 내부의 공극 구조와 장기 내구성간의 분석을 위한 연구는 미흡한 실정이다.
그러나 AE제의 첨가로 공기연행이 이뤄진 RCC의 경우, 혼입률에 따라 상호간의 차이를 나타내었으나 0.1% 정도의 혼입을 실시한 공시체는 표면상태가‘Very slight scaling’으로 평가되어 스케일링 저항성이 크게 개선되었음을 확인하였다.
하지만 혼화제 무첨가 RCC는 200 사이클 이후까지 양호한 내구성을 유지하는 듯 보였으나 급속한 상대동 탄성계수 저하가 발생하며 270 사이클에서 공시체가 파괴되었고, PNS가 첨가된 RCC의 경우 210 사이클에서 조기 파괴가 발생되었다. 따라서 AE제의 무첨가로 공기연행이 이뤄지지 않은 롤러 전압 콘크리트의 동결-융해 저항성은 일반 PCC에 비해 취약한 것으로 확인되었다.
따라서 적정 기포간격계수 확보 및 장기 내구성 개선을 위하여 적정 AE제 혼입을 통한 연행 공기량 2~3%와 기포간격계수 약 200~300μm의 조건을 충족해야 할 것으로 판단된다.
11의 그래프는 2차 실험으로서 PNS 이외에 일반 및 고성능 AE제의 혼입률을 조정하여 공기연행을 실시한 RCC 공시체의 상대동탄성계수 측정값이다. 실험 종료 시기인 300 사이클까지 매우 비슷한 상대동탄성계수의 감소추세를 보이고 있으나, 4가지 유형 모두의 상대동탄성계수가 도로공사 시방서의 내구성 기준인 80% 이상을 상회하는 결과를 나타내고 있다. 이를 통해 롤러 전압 콘크리트의 내동해성 향상을 도모하기 위한 방법으로 AE제를 통한 공기연행이 필요할 것으로 판단된다.
이 경우 공기량은 선행 연구에서 제시된 1.5%의 하한선에 근접하였으나 기포간격계수는 제안된 수치인 250μm를 크게 상회하는 결과를 나타내는 것을 확인하였다.
이와 반대로 AE제를 첨가한 RCC의 경우 공기연행 효과로 2~3% 범위에 많은 공기량 분포가 발생하였으며, 200~300μm 범위의 감소된 기포간격계수를 확보함으로써 이전보다 약 1% 높은 수치의 공기량과 조밀한 기포간격이 형성되었음을 확인 가능하다.
Table 4는 경과 시간별 Vebe Time을 측정한 것이다. 최초 혼합물 제조 후 2시간이 경과된 시점에서 측정된 Vebe Time이 앞서 선정한 범위에 충족되었으며 혼합부터 현장 포설까지 약 2시간의 시공시간 확보가 가능한 것을 확인하였다. 이와 더불어 일반 및 고성능 AE제의 혼용으로 콘크리트 내에 미세한 공기포를 연행시켜 내구성 증대를 도모하였다.
다양한 배합조건별 강도 실험으로 21Mpa 이상의 소요 강도에 충족하는 적정 배합조건을 도출하였고, 도출된 배합조건을 이용한 환경하중 저항성 평가를 실시하였다. 평가 결과, 다짐에 의해 충분히 분포된 작은 기포와 조밀한 간극계수 형성으로 2.5%, 1.8% 정도의 낮은 공기량을 보유함에도 상대동탄성계수가 80%를 상회하며 동결-융해 저항성이 우수한 것으로 확인되었다. 최근 송시훈(2015) 등의 연구에서는 골재입도가 도로 포장용 롤러 전압 콘크리트에 미치는 특성에 대한 연구를 실시하였으며, 19mm 굵은 골재와 잔골재를 이용하여 입도 Band 영역을 재설정하였다.
후속연구
2% 이상의 높은 중량 손실률을 나타냈으나, AE제 혼입률이 적정량 이상의 RCC는 성능에 상관없이 상대적으로 극소량의 중량 손실률이 발생했음을 확인할 수 있다. 따라서 AE제의 성능과는 무관하게 혼입률이 적정량 이상으로 확보되어야 스케일링 저항성이 개선될 것으로 판단된다.
하지만 AE제의 성능 및 혼입률을 조정하여 공기연행을 실시한 경우 실험 종료 시기까지 매우 비슷한 상대동탄성계수의 감소추세를 나타내었고, 상대동탄성계수가 도로공사 시방서의 내구성 기준인 80% 이상을 상회하는 결과를 나타내고 있다. 따라서 롤러 전압 콘크리트의 내동해성 향상을 위하여 AE제를 통한 공기연행이 필요할 것으로 판단된다.
따라서 롤러 전압 콘크리트의 장기 내구성을 확보하기 위해 PNS와 같은 고성능 감수제와 더불어 AE제를 통한 공기연행이 이뤄져야 할 것으로 판단된다. AE제는 적정 혼합률 이상이 확보되어야 하며, 이를 통해 연행될 공기량은 약 2~3%, 기포간격계수 200~300μm를 충족해야만 롤러 전압 콘크리트 포장의 장기 내구성이 우수한 품질을 나타낼 것으로 판단된다.
롤러 전압 콘크리트에 AE제의 혼입률이 낮거나 무첨가된 RCC의 경우는 박리로 인한 높은 중량 손실률과 심각한 표면 열화를 나타냈으나, 적정량 이상의 혼입률에서는 상대적으로 극소량의 박리량과 우수한 표면 상태를 유지하였다. 따라서 적정 AE제 혼입 시 스케일링 저항성의 개선이 가능할 것으로 판단된다.
실험 종료 시기인 300 사이클까지 매우 비슷한 상대동탄성계수의 감소추세를 보이고 있으나, 4가지 유형 모두의 상대동탄성계수가 도로공사 시방서의 내구성 기준인 80% 이상을 상회하는 결과를 나타내고 있다. 이를 통해 롤러 전압 콘크리트의 내동해성 향상을 도모하기 위한 방법으로 AE제를 통한 공기연행이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
롤러 전압 콘크리트의 내동해성 향상을 도모하기 위한 방법으로 AE제를 통한 공기연행이 필요할 것으로 판단되는 근거는?
11의 그래프는 2차 실험으로서 PNS 이외에 일반 및 고성능 AE제의 혼입률을 조정하여 공기연행을 실시한 RCC 공시체의 상대동탄성계수 측정값이다. 실험 종료 시기인 300 사이클까지 매우 비슷한 상대동탄성계수의 감소추세를 보이고 있으나, 4가지 유형 모두의 상대동탄성계수가 도로공사 시방서의 내구성 기준인 80% 이상을 상회하는 결과를 나타내고 있다. 이를 통해 롤러 전압 콘크리트의 내동해성 향상을 도모하기 위한 방법으로 AE제를 통한 공기연행이 필요할 것으로 판단된다.
기포간격계수란?
기포간격계수(Air-Spacing Factor)는 평균크기의 공극을 입방체에 배치시켜 이방체의 반대편에 위치한 두 공극의 외주 사이의 거리를 반으로 나눈 값을 의미하며, 내부 공극의 분포 정도와 공극간의 간격을 평가할 수 있는 기준으로 사용된다. Fig.
롤러 전압 콘크리트 포장의 혼합물의 특징과 장점은?
롤러 전압 콘크리트 포장의 혼합물은 아래의 Fig. 1과 같이 적은 단위 시멘트량을 보유하여 이산화탄소 발생 저감 효과로 친환경적인 공법이며 전압을 통한 골재 맞물림 효과로 기존의 시멘트 콘크리트 포장과 유사한 강도 특성과 간소화된 시공 장비 구성과 빠른 시공시간으로 인해 매우 경제적이다. 이창호(2011) 등의 연구에서는 자전거 도로용 롤러 전압 콘크리트의 기초 물성에 대한 연구를 진행하였다.
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