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문제 정의
- 철근콘크리트 건축물의 대형화 및 고층화에 대응하여 고성능 콘크리트가 개발되어 사용되고 있지만 레올로지 특성평가가 적절히 이뤄지지 않아 시공설계를 위한 수치해석에 소성 점도 및 항복값의 책정이 적절하지 못한 실정이며 이로 인해 경화된 콘크리트 품질 안정화에 많은 문제점을 나타내고 있다. 본 연구에서는 고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트를 대상으로 물분체비 및 치환율을 실험인자로 응결진행하의 시간경과에 따른 컨시스턴시 곡선을 측정하였다. 빙함모델로 가정한 회귀분석을 통해 소성점도 및 항복값을 산출한 결과물분체비가 작을수록 초결 전후의 변화가 급격한 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 물분체비와 고로슬래그 미분말의 치환율의 변화에 따른 혼합시멘트 페이스트의 유동특성을 검토하기 위하여, 응결시간 경과에 따라 레올로지 정수를 측정하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
- 이러한 연구 배경하에 본 연구에서는 시멘트 페이스트 및 혼화재를 치환한 혼합시멘트를 대상으로 물분체비(W/C)와 고로슬래그 미분말 치환율을 실험인자로 응결시간 경과에 따른 유동적인 특성을 레올로지적인 입장에서 검토하였다.
제안 방법
- 24mm의 SC4-21 모델을 사용하였다. 레올로지 정수를 산출하기 위해 Rheocalc T 소프트웨어를 사용하였으며 0.5, 2.5, 10, 20, 50, 100 rpm 순으로 회전속도를 변형시키면서, 각각의 속도에서 60초간 토크를 측정하였다.
- 본 연구에서는 페이스트의 플로우 시험, 시멘트 응결시험과 더불어 레올로지 시험을 실시하여 페이스트의 소성점도 및 항복값을 구하였다. 레올로지 정수의 측정은 Brookfield 사의 DV2T HB 타입의 비스코미터를 사용하였고, 스핀들은 직경 16.
- 본 연구의 목적이 응결시간 경과에 따른 레올로지 특성을 평가하는 것이므로 측정시간의 간격은 비카트침의 초결, 종결시간에 맞춰 결정하였다. 측정된 토크로부터 산출된 전단 응력(Shear Stress)과 rpm을 전단속도(Shear Rate)로 변형하여 컨시스턴시 곡선과 레올로지 정수를 산출하였다.
- 실험계획은 Table 1, 배합의 상세는 Table 2에 나타내었다. 즉, 실험인자로 물시멘트비 (W/C) 30, 40% 2종류 및 고로슬래그 치환율 0, 20, 40% 3종류를 대상으로 실험을 실시하였다. 배합표에서 BS는 고로슬래그미분말을 나타내며 20은 혼화재를 중량치환한 비율을 말한다.
- 본 연구의 목적이 응결시간 경과에 따른 레올로지 특성을 평가하는 것이므로 측정시간의 간격은 비카트침의 초결, 종결시간에 맞춰 결정하였다. 측정된 토크로부터 산출된 전단 응력(Shear Stress)과 rpm을 전단속도(Shear Rate)로 변형하여 컨시스턴시 곡선과 레올로지 정수를 산출하였다.
- 또한 40은 물/분체비 (W/B) 40%를 나타내며, 기호에 대한 설명은 Figure 2과 같다. 측정항목으로는 플로우 시험, 시멘트 응결시험 및 레올로지 정수의 측정을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 페이스트의 플로우 시험, 시멘트 응결시험과 더불어 레올로지 시험을 실시하여 페이스트의 소성점도 및 항복값을 구하였다. 레올로지 정수의 측정은 Brookfield 사의 DV2T HB 타입의 비스코미터를 사용하였고, 스핀들은 직경 16.76mm, 길이 31.24mm의 SC4-21 모델을 사용하였다. 레올로지 정수를 산출하기 위해 Rheocalc T 소프트웨어를 사용하였으며 0.
- 본 연구에서 사용된 재료의 물리·화학적 성질은 Table 3, 4와 같다. 즉 시멘트는 KS L 5201의 규정에 준하여 생산된 국내 D사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에서 정하고 있는 고로슬래그 미분말을 사용하였다.
데이터처리
- 비스코미터를 이용하여 혼합 시멘트 페이스트의 응결시간에 따른 컨시스턴시 곡선을 측정한 후 결과 그래프를 빙햄유체로 가정한 회귀분석을 실시하여 소성점도와 항복값을 도출하였다.
이론/모형
- 비카트침에 의한 시멘트 응결시험은 KS L 5108에 준하여 실시하였다.
- 시멘트 페이스트의 비빔방법은 KS L 5109에 규정된 모르타르의 믹서를 이용하여 건비빔 30초 후 가수, 저속에서 30초간과 고속에서 150초간 비빔작업을 하였다.
- 플로우 시험은 KS L 5111에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- Figure 5(a)는 W/B 30%, 치환율 0%에서 응결시간에 따른 페이스트의 컨시스턴시 곡선을 나타낸 것으로, 믹싱 후 3시간 30분 이후부터 전단속도가 큰 부근에서 컨시스턴시 곡선의 기울기가 감소하는 것으로 확인되었다. Figure 5(b)의 W/B 30%, 치환율 20%에서는 응결시간이 증가하여도 기울기가 비슷한 경향을 나타내었고, Figure 5(c)의 W/B 30%, 치환율 40%의 컨시스턴시 곡선에서는 치환율 20%와 같이 응결시간 경과와 함께 기울기가 유사한 경향을 타나내었지만 종결의 4시간 30분에서는 전단속도가 큰 부근에서 기울기가 감소하는 것으로 확인되었다.
- Figure 7(b)는 BS-20-30의 레올로지 정수를 나타낸 것으로 항복값 평균적으로 증가하는 모습을 보였고 소성점도는 응결시간경과에 따라 BS-0-30에 비해 큰 영향을 받지 않은 것으로 나타났지만이 또한 초결의 214분 이후에는 상당한 변화가 수치로 반영되었다. Figure 7(c)의 BS-40-30은 응결시간 경과에 따른 페이스트의 레올로지 정수를 나타낸 것으로 응결시간이 증가함에 따라 항복값이 서서히 증가하는 모습을 보였으며 소성점도는 대체적으로 낮아지는 모습이 나타났다.
- Figure 5(a)는 W/B 30%, 치환율 0%에서 응결시간에 따른 페이스트의 컨시스턴시 곡선을 나타낸 것으로, 믹싱 후 3시간 30분 이후부터 전단속도가 큰 부근에서 컨시스턴시 곡선의 기울기가 감소하는 것으로 확인되었다. Figure 5(b)의 W/B 30%, 치환율 20%에서는 응결시간이 증가하여도 기울기가 비슷한 경향을 나타내었고, Figure 5(c)의 W/B 30%, 치환율 40%의 컨시스턴시 곡선에서는 치환율 20%와 같이 응결시간 경과와 함께 기울기가 유사한 경향을 타나내었지만 종결의 4시간 30분에서는 전단속도가 큰 부근에서 기울기가 감소하는 것으로 확인되었다.
- 1) W/B 30%에서는 고로슬래그 미분말 치환량이 증가할수록 유동성이 감소하는 경향을 보였으며 이는 고로슬래그 미분말의 분체함량에 따른 점성증가와 자유수 감소에 기인한 것으로 분석된다. W/B 40%에서는 고로슬래그 미분말 치환율을 증가하여도 W/B 30%에 비해 유동성에 대해 크게 영향을 끼치지 않는 것으로 판단되었다.
- 2) 경과시간에 따른 관입저항치는 W/B 증가에 따라서 응결이 느리게 진행되는 것을 알 수 있었다. W/B 30, 40%에서 고로슬래그 미분말 치환함에 따라 초결시간이 지연되었으며 종결까지의 시간이 단축됨을 알 수 있었다.
- Figure 8(a)는 BS-0-40으로 고로슬래그 미분말을 치환하지 않은 페이스트의 레올로지 정수를 나타낸 것이다. 2시간까지 소성점도가 증가하다 그 이후로 큰 차이를 보이지 않았으며 항복값은 응결시간에 따라 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. Figure 8(b)는 BS-20-40으로 응결시간 경과에 따라 소성점도가 지속적으로 증가하는 모습을 보였고 항복값의 차이는 미비하였다.
- 3) 페이스트의 응결시간에 따른 컨시스턴시 곡선에서 W/B 30%는 응결시간이 증가할수록 전단응력이 증가하는 경향을 나타내었으며 초결 이후 전단속도가 큰 부분에서는 기울기가 감소하는 것으로 확인되었다. W/B 40%에서는 W/B 30%에 비해 각각 응결시간에 따른 소성점도 값 차이가 비교적 큰 것으로 나타났다.
- 4) W/B 30%의 혼합시멘트 페이스트는 응결시간이 경과함에 따라 초결의 기점으로 소성점도가 급격히 감소하는, 항복값이 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 물분체비가 높은 W/B 40%의 경우에는 소성점도가 꾸준히 증가하는 경향을 나타내었으며 항복값의 변화는 현저하지 않았다.
- 경과시간에 따른 관입저항치로 볼때 W/B 증가에 따라서 응결이 느리게 진행되는 것을 알 수 있었다. W/B 30%에서 치환율이 증가할수록 초결시간이 조금 증가하는 것으로 확인되었다. 초결 이후 종결시간은 고로슬래그 미분말을 치환하지 않은 시멘트 페이스트에서 100min이며 치환율 20, 40%에서는 56min, 60min으로 비슷한 결과를 보였다.
- 2) 경과시간에 따른 관입저항치는 W/B 증가에 따라서 응결이 느리게 진행되는 것을 알 수 있었다. W/B 30, 40%에서 고로슬래그 미분말 치환함에 따라 초결시간이 지연되었으며 종결까지의 시간이 단축됨을 알 수 있었다.
- 종결시간은 치환율 0%의 페이스트에서 종결시간이 100min이며 치환율 20, 40%에서는 60min, 67min으로 측정되었다. W/B 30, 40%에서 고로슬래그 미분말의 치환에 따라 초결시간 지연과 종결까지이 시간단축을 확인할 수 있었다.
- 1) W/B 30%에서는 고로슬래그 미분말 치환량이 증가할수록 유동성이 감소하는 경향을 보였으며 이는 고로슬래그 미분말의 분체함량에 따른 점성증가와 자유수 감소에 기인한 것으로 분석된다. W/B 40%에서는 고로슬래그 미분말 치환율을 증가하여도 W/B 30%에 비해 유동성에 대해 크게 영향을 끼치지 않는 것으로 판단되었다.
- 경과시간에 따른 관입저항치로 볼때 W/B 증가에 따라서 응결이 느리게 진행되는 것을 알 수 있었다. W/B 30%에서 치환율이 증가할수록 초결시간이 조금 증가하는 것으로 확인되었다.
- 고로슬래그 미분말 치환량에 따른 플로우값은 W/B에 따라 유사한 경향을 나타내었으나 W/B 30%에서는 고로슬래그 미분말 치환량이 증가할수록 플로우값이 다소 감소하는 경향을 보였다. 이는 고로슬래그미분말의 분체함량에 따른 점성증가와 분말도에 기인한 자유수의 변화에 의한 것으로 사료된다.
- 하지만 물분체비가 높은 W/B 40%의 경우에는 소성점도가 꾸준히 증가하는 경향을 나타내었으며 항복값의 변화는 현저하지 않았다. 고로슬래그 미분말 치환에 따른 자유수의 상대적 감소가 기대되는 반만 고로슬래그 미분말 표면의 불투수성 산화피막의 코팅효과에 의해 입자간 결합력의 감소로 완화되는 효과가 복합적으로 나타났다고 예상된다.
- 따라서 W/B 30%를 전체적으로 볼 때 응결시간이 증가함에 따라 소성점도가 감소하는 경향을 보였으며 항복값은 응결 시간이 지남에 따라 평균적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 초결이후에 급격한 변화로 나타났으며 고로 슬래그 미분말 치환율 변화에 따른 소성점도와 항복값의 차이는 미비한 것으로 나타났다.
- 전반적으로 W/B 40%의 경우 응결시간이 증가함에 따라 소성점도가 증가하는 경향을 보였으며 항복값의 변화는 미비한 것으로 나타났다. 또한 고로슬래그 미분말 치환율 변화에 따른 차이도 크지 않은 것으로 나타났다. W/B 40%는 고로슬래그 미분말 첨가량에 상관없이 W/B 30%보다 낮은 소성도와 항복값을 나타내고 있었으며 이는 초결에 영향을 미친 단위 시멘트량 및 자유수의 차이에 기인한 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트를 대상으로 물분체비 및 치환율을 실험인자로 응결진행하의 시간경과에 따른 컨시스턴시 곡선을 측정하였다. 빙함모델로 가정한 회귀분석을 통해 소성점도 및 항복값을 산출한 결과물분체비가 작을수록 초결 전후의 변화가 급격한 것을 알 수 있었다. 치환율을 40%까지 상승시키더라도 자유수변화와 고로슬래그 미분말의 불투수성 산화피막 형성에 의한 코팅효과가 상쇄되어 큰 변화로 관찰되지 않았다.
- Figure 7(a)는 W/B 30%에 고로슬래그 미분말을 치환하지 않은 페이스트의 레올로지정수를 나타낸 것으로 경과시간 0~4시간까지의 항복값의 변화는 미비한 것으로 나타났다. 소성점도도 0~3시간까지 큰 차이가 없는 모습을 보였으나 3시간 30분부터 소성점도가 급격히 낮아졌으며 항복값이 증가가 현저히 나타났다. 이를 통해 W/B 30%, 치환율 0%의 페이스트의 초결시간은 항복값에 영향을 미치며 종결시간은 소성점도와 항복값에 영향을 미치는 것으로 분석된다.
- 시멘트 페이스트의 플로우값은 W/B 30%에서는 160~180mm로 측정되었으며 W/B 40%에서 225~235mm로 W/B가 증가함에 따라 플로우값이 약 60mm 증가하는 경향을 나타내었다 .
- 전반적으로 W/B 30%는 치환율에 상관없이 전체적으로 응결시간의 경과와 함께 전단응력이 증가하는 모습을 보였고 전단속도가 증가함에 따라 전단응력이 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 종결이후에서는 전단속도가 빨라짐에 따라 다소 전단응력이 감소하는 경향도 나타내었다.
- 초결 이후에 다소 소성점도가 낮아지기는 하였으나 크게 주시할 사항으로 보기에는 어렵다고 판단되었다. 전반적으로 W/B 40%의 경우 응결시간이 증가함에 따라 소성점도가 증가하는 경향을 보였으며 항복값의 변화는 미비한 것으로 나타났다. 또한 고로슬래그 미분말 치환율 변화에 따른 차이도 크지 않은 것으로 나타났다.
- W/B 40%의 경우 치환율 0%에서 가장 빠른 초결시간을 보였고 치환율 20, 40% 순으로 초결시간이 증가하였으나 큰 차이는 보이지 않았다. 종결시간은 치환율 0%의 페이스트에서 종결시간이 100min이며 치환율 20, 40%에서는 60min, 67min으로 측정되었다. W/B 30, 40%에서 고로슬래그 미분말의 치환에 따라 초결시간 지연과 종결까지이 시간단축을 확인할 수 있었다.
- W/B 40%는 고로슬래그 미분말 첨가량에 상관없이 W/B 30%보다 낮은 소성도와 항복값을 나타내고 있었으며 이는 초결에 영향을 미친 단위 시멘트량 및 자유수의 차이에 기인한 것으로 사료된다. 즉 단위시멘트 량이 적을 경우에도 응결시간 경과에 따른 소성점도 및 항복 응력의 변화가 둔해지며 고로슬래그 미분말의 치환에 따라 그러한 경향을 더욱 현저히 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 현상은 기존 문헌[8,9]에서도 확인되었으며 고로슬래그의 불투수성 산화피막 형성에 따른 코팅효과로 페이스트 내의 수분 구속효과가 저하되었고 이로 인해 입자간 응집력 저하와 마찰저항력의 감소도 복합적으로 작용한 것으로 사료되며 결과적으로 고로슬래그 미분말의 분말도 영향이 지배적일 것으로 예상된다.
- W/B 30%에서 치환율이 증가할수록 초결시간이 조금 증가하는 것으로 확인되었다. 초결 이후 종결시간은 고로슬래그 미분말을 치환하지 않은 시멘트 페이스트에서 100min이며 치환율 20, 40%에서는 56min, 60min으로 비슷한 결과를 보였다.
후속연구
- 콘크리트 타설 용이성은 항복값으로 검토가능하고 재료분리 저항성은 소성점도 향상으로 꾀할 수 있으며 본 연구에서와 같이 컨시스턴시 곡선 산출을 통하여 안정된 품질의 콘크리트 생산 도모할 수 있을 것으로 기대된다.
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