CAC 및 석고혼입 CAC를 사용한 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 공학적 특성 Engineering Character of Ultra Rapid Hardening Concrete-Polymer Composite using CAC and Gypsum Mixed CAC원문보기
구자술
(Technical Research Center, Tong Yang Cement & Energy Corp.)
,
유승엽
(Technical Research Center, Tong Yang Cement & Energy Corp.)
,
김진만
(Dept. of Architectural Engineering, Kongju National University)
최근 국내에서는 노후화된 도심지 도로 등을 신속하게 보수하기 위하여 초속경 콘크리트-폴리머 복합체를 사용하는 사례가 증가하고 있다. 그러나, 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 주재료로 사용되는 초속경시멘트와 폴리머의 높은 가격과 큰 환경부하로 보다 경제적이고 친환경적인 재료의 개발이 요구된다. 이에 본 연구에서는 제강슬래그를 재활용하여 환경부하가 작은 CAC 및 GC를 초속경시멘트에 일부 치환한 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 특성을 폴리머 종류별로 검토함으로써 초속경시멘트의 대체재로서 CAC 및 GC의 활용가능 여부와 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 성능향상 가능성을 검토하였다. 그 결과 CAC 및 GC를 초속경시멘트에 일부 치환한 경우의 압축강도, 인장강도, 휨강도, 접착강도 및 탄성계수는 초기재령인 3시간에서는 기존보다 명확히 높은 값을 보였고, 그 이후의 재령에서는 거의 동등한 수준의 값을 보였다. 폴리머 디스퍼션 종류에 따라서는 BPD를 사용한 경우가 강도측면에서는 전반적으로 우수하였지만, 탄성계수는 동등한 수준을 보였다. 이상의 결과로부터 초속경 콘크리트-폴리머 복합체 제조용 시멘트로서 CAC 및 GC의 일부 대체사용이 가능하고, 폴리머 디스퍼션으로 BPD를 사용 시 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 성능향상도 가능한 것으로 나타났다.
최근 국내에서는 노후화된 도심지 도로 등을 신속하게 보수하기 위하여 초속경 콘크리트-폴리머 복합체를 사용하는 사례가 증가하고 있다. 그러나, 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 주재료로 사용되는 초속경시멘트와 폴리머의 높은 가격과 큰 환경부하로 보다 경제적이고 친환경적인 재료의 개발이 요구된다. 이에 본 연구에서는 제강슬래그를 재활용하여 환경부하가 작은 CAC 및 GC를 초속경시멘트에 일부 치환한 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 특성을 폴리머 종류별로 검토함으로써 초속경시멘트의 대체재로서 CAC 및 GC의 활용가능 여부와 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 성능향상 가능성을 검토하였다. 그 결과 CAC 및 GC를 초속경시멘트에 일부 치환한 경우의 압축강도, 인장강도, 휨강도, 접착강도 및 탄성계수는 초기재령인 3시간에서는 기존보다 명확히 높은 값을 보였고, 그 이후의 재령에서는 거의 동등한 수준의 값을 보였다. 폴리머 디스퍼션 종류에 따라서는 BPD를 사용한 경우가 강도측면에서는 전반적으로 우수하였지만, 탄성계수는 동등한 수준을 보였다. 이상의 결과로부터 초속경 콘크리트-폴리머 복합체 제조용 시멘트로서 CAC 및 GC의 일부 대체사용이 가능하고, 폴리머 디스퍼션으로 BPD를 사용 시 초속경 콘크리트-폴리머 복합체의 성능향상도 가능한 것으로 나타났다.
Recently, application case of the ultra rapid hardening concrete-polymer composite(URHCPC) are increasing to repair for the deterioration of pavement. But it is a major disadvantage that the main material is expensive and has environmental load. For these reasons, the development of the economic, ec...
Recently, application case of the ultra rapid hardening concrete-polymer composite(URHCPC) are increasing to repair for the deterioration of pavement. But it is a major disadvantage that the main material is expensive and has environmental load. For these reasons, the development of the economic, eco-friendly materials is needed. Calcium Aluminate Composite (CAC), produced by rapid cooling of atomizing method with molten ladle furnace slag, is a material capable of improving the economic feasibility and reducing the environmental load of URHCPC. In this paper, the properties of CAC and gypsum mixed CAC (GC) as alternative materials of RSC according to the types of polymer dispersion were studied. The results were as follows; compressive strength, tensile strength, flexural strength, bonding strength and modulus of elasticity of the composites using CAC or GC showed higher values than those of plain proportion in 3 hour. In later age, they were at the same level as the general proportions. URHCPC using BPD as polymer dispersion had superior strength properties generally. But modulus of elasticity was the same level as the case of using a SBR latex. According to these results, CAC or GC can partially substituted for RSC to product the URHCPC. When URHCPC uses the BPD as the polymer dispersion, it can be improved performance.
Recently, application case of the ultra rapid hardening concrete-polymer composite(URHCPC) are increasing to repair for the deterioration of pavement. But it is a major disadvantage that the main material is expensive and has environmental load. For these reasons, the development of the economic, eco-friendly materials is needed. Calcium Aluminate Composite (CAC), produced by rapid cooling of atomizing method with molten ladle furnace slag, is a material capable of improving the economic feasibility and reducing the environmental load of URHCPC. In this paper, the properties of CAC and gypsum mixed CAC (GC) as alternative materials of RSC according to the types of polymer dispersion were studied. The results were as follows; compressive strength, tensile strength, flexural strength, bonding strength and modulus of elasticity of the composites using CAC or GC showed higher values than those of plain proportion in 3 hour. In later age, they were at the same level as the general proportions. URHCPC using BPD as polymer dispersion had superior strength properties generally. But modulus of elasticity was the same level as the case of using a SBR latex. According to these results, CAC or GC can partially substituted for RSC to product the URHCPC. When URHCPC uses the BPD as the polymer dispersion, it can be improved performance.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 상기한 선행연구의 결과를 바탕으로 초속경시멘트와 SBR 라텍스를 사용하는 초속경 콘크리트-폴리머 복합체에 CAC 및 GC를 초속경시멘트의 대체재로 일부 치환하여 사용하고, 여기에 더불어 폴리머를 BPD로 대체하면 매우 우수한 공학적 성능과 원가절감이 가능할 것으로 예측하고, 이를 실험적으로 검증하고자 하였다.
본 연구에서는 CAC 및 GC를 사용한 초속경 콘크리트- 폴리머 복합체의 특성을 분석한 것으로 그 결과는 다음과 같다. 슬럼프 플로 및 공기량은 배합에 관계없이 모두 목표치를 만족하는 것으로 나타났다.
제안 방법
설계강도 50MPa 콘크리트를 혼합하여 KS F 2403에 따라 50×300×300mm 크기로 시험용 밑판을 제작하고, 습기함에서 24시간 동안 양생 후 탈형하여 20±2℃의 수중에서 27일 동안 양생시킨 다음 표면을 전처리한다.
실험사항으로 굳지않은 콘크리트-폴리머 복합체에서 슬럼프 플로 및 공기량을 측정하였고, 굳은 콘크리트-폴리머 복합체에서 압축강도, 휨강도는 한국도로공사의 「시멘트 콘크리트계 교면포장 보수공법의 재료선정 품질 기준」을 근거로 개방시간을 3시간으로 설정하여 측정하였고, 쪼갬인장강도, 부착강도 및 탄성계수는 재령 28일에 측정하였다. 이때, 콘크리트의 배합 및 표기는 Table 2와 같다.
이에 본 연구팀에서는 CaO와 Al2O3 함량이 높은 전기로 환원슬래그를 용융 상태에서 공기로 냉각하는 Slag Atomizing Technology(이하 SAT) 공법으로 처리한 다음 볼밀로 분쇄하여 만든 Calcium Aluminate Composite(이하 CAC)와 CAC에 석고 등의 첨가재를 혼합하여 제조한 석고혼입 CAC(Gypsum mixed CAC, 이하 GC)를 개발하였으며, 이를 초속경시멘트에 일부 치환하여 사용하면 콘크리트의 공학적 특성이 향상되는 것을 보고한 바 있다[2,3]. 또한, Carbon Amino Silica Black(이하 CASB)과 폴리카르본산계 고성능감수제를 화학적으로 결합한 CASB 화합 고성능감수제와 SBR 라텍스를 기계적으로 교반하여 제조한 블랙 폴리머 디스퍼션(Black Polymer Dispersion, 이하 BPD)을 개발하였으며, 이를 폴리머로 사용하면 콘크리트-폴리머 복합체의 성능이 향상되는 것을 보고하였다[4].
즉, 폴리머 디스퍼션 종류별 목표 슬럼프 플로 및 공기량이 500±100mm 및 4.5±1.5%를 만족하도록 S社의 초속경시멘트를 사용해 배합설계를 실시한 다음 선행연구 결과에서 압축강도 발현성이 우수한 CAC 10%, GC 20% 2수준을 각각 치환하여 총 6배치의 실험을 실시하였다.
콘크리트의 혼합은 트윈 샤프트 믹서를 사용하여 결합재, 골재를 투입한 후 30초간 건비빔을 저속(20rpm)에서 실시하고 건비빔이 끝난 후 지연제와 AE제를 첨가한 물과 폴리머 디스퍼션을 넣고 90초간 고속(40rpm)으로 비빔한 다음 배출함으로써 콘크리트-폴리머 복합체의 제조를 완료하였다.
대상 데이터
골재는 강원도산 강사 및 25mm 부순 굵은 골재를 사용하였으며, 그 물리적 성질은 Table 6과 같다.
초속경시멘트는 국내에서 판매되는 S社의 제품을 사용하였고, 그 물리·화학적 특성은 Table 3과 같다.
폴리머 디스퍼션은 국내 K社의 SBR 라텍스와 SBR 라텍스에 T社의 CASB 화합 고성능감수제를 기계적으로 교반하여 제조한 BPD를 사용하였으며, 그 물리적 성질은 Table 8과 같다.
이론/모형
굳지 않은 콘크리트-폴리머 복합체의 공기량은 KS F 2421 규정에 의거하여 측정하였다.
굳지 않은 콘크리트-폴리머 복합체의 슬럼프 플로는 KS F 2594 규정에 의거하여 실시하였다.
설계강도 50MPa 콘크리트를 혼합하여 KS F 2403에 따라 50×300×300mm 크기로 시험용 밑판을 제작하고, 습기함에서 24시간 동안 양생 후 탈형하여 20±2℃의 수중에서 27일 동안 양생시킨 다음 표면을 전처리한다. 그다음 몰드에 시험용 밑판을 넣고 상부에 콘크리트-폴리머 복합체를 다져 넣은 후 진동테이블에 올려놓고 다진 다음 불투수 필름으로 덮어 3시간 양생한 후 Figure 4와 같이 코어링하고, KS F 2762의 규정에 의거하여 측정하였다.
압축강도, 쪼갬인장강도 및 탄성계수는 KS F 2403 규정에 의거하여 ∅100×200mm의 원주형 공시체를 제작하고, 익일 공시체 탈형 후 20±2℃의 수중에서 양생시킨 다음 소요 재령별로 KS F 2405, KS F 2423 규정에 의거하여 측정하였다. 단, 탄성계수는 압축파괴 시까지 공시체의 응력 및 변형을 측정하여 KS F 2438 규정에 따라 구하였다.
압축강도, 쪼갬인장강도 및 탄성계수는 KS F 2403 규정에 의거하여 ∅100×200mm의 원주형 공시체를 제작하고, 익일 공시체 탈형 후 20±2℃의 수중에서 양생시킨 다음 소요 재령별로 KS F 2405, KS F 2423 규정에 의거하여 측정하였다.
휨강도는 KS F 2403 규정에 의거하여 100×400×400mm의 각주형 공시체를 제작하고, 익일 공시체 탈형 후 20±2℃의 수중에서 양생시킨 다음 소요 재령별로 KS F 2408 규정에 의거하여 측정하였다.
성능/효과
5% 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-L, G-L, C-B 및 G-B에서도 모두 목표치를 만족하는 것으로 나타나, 콘크리트의 배합변경 없이 초속경시멘트용 혼화재료로서 CAC 및 GC의 부분적 사용이 가능할 것으로 판단된다.
압축강도, 인장강도 및 휨강도는 결합재 종류에 따라서는 C-L, G-L, C-B 및 G-B가 R-L과 R-B보다 높게 나타났는데, 이는 CAC 및 GC에 포함되어 있는 C12A7의 빠른 반응성에 기인하여 초기 반응성이 향상된 결과로 사료된다. 또한, 폴리머 디스퍼션 종류에 따라서는 BPD를 사용한 경우가 SBR 라텍스를 사용한 경우 보다 높게 나타났는데, 이는 BPD에 포함된 카본아미노실리카블랙이 충전재로서 모세관 공극을 감소시키고, 강화재로서 폴리머의 경도와 인장력을 강화 시킨 것이 복합적으로 작용한 것에 기인한 결과로 판단된다. 재령 3시간 접착강도는 폴리머 디스퍼션으로 SBR 라텍스를 사용한 C-L, G-L은 R-L보다 높게 나타났으나, 폴리머 디스퍼션으로 BPD를 사용한 C-B, G-B는 R-B 보다 낮게 나타났다.
본 연구에서는 CAC 및 GC를 사용한 초속경 콘크리트- 폴리머 복합체의 특성을 분석한 것으로 그 결과는 다음과 같다. 슬럼프 플로 및 공기량은 배합에 관계없이 모두 목표치를 만족하는 것으로 나타났다. 압축강도, 인장강도 및 휨강도는 결합재 종류에 따라서는 C-L, G-L, C-B 및 G-B가 R-L과 R-B보다 높게 나타났는데, 이는 CAC 및 GC에 포함되어 있는 C12A7의 빠른 반응성에 기인하여 초기 반응성이 향상된 결과로 사료된다.
슬럼프 플로 및 공기량은 배합에 관계없이 모두 목표치를 만족하는 것으로 나타났다. 압축강도, 인장강도 및 휨강도는 결합재 종류에 따라서는 C-L, G-L, C-B 및 G-B가 R-L과 R-B보다 높게 나타났는데, 이는 CAC 및 GC에 포함되어 있는 C12A7의 빠른 반응성에 기인하여 초기 반응성이 향상된 결과로 사료된다. 또한, 폴리머 디스퍼션 종류에 따라서는 BPD를 사용한 경우가 SBR 라텍스를 사용한 경우 보다 높게 나타났는데, 이는 BPD에 포함된 카본아미노실리카블랙이 충전재로서 모세관 공극을 감소시키고, 강화재로서 폴리머의 경도와 인장력을 강화 시킨 것이 복합적으로 작용한 것에 기인한 결과로 판단된다.
전반적인 경향으로 콘크리트-폴리머 복합체의 압축강도는 폴리머 디스퍼션 종류에 관계없이 재령 28일 이전에서는 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-L, G-L, C-B 및 G-B가 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L과 R-B보다 높게 나타났고, 재령 28일 이후에서는 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L과 R-B가 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-L, G-L, C-B 및 G-B보다 높게 나타났다. 특히, 재령 3시간에서는 폴리머 디스퍼션으로 SBR 라텍스를 사용하고 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트 -폴리머 복합체인 C-L 및 A-L은 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L에 비해 C-L은 138%, G-L은 143%의 압축강도 증진을 보였고, 폴리머디스퍼션으로 BPD를 사용하고 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-B 및 G-B는 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-B 에 비해 C-B는 124%, G-B는 117%의 압축강도 증진을 보였는데, 이는 CAC 및 GC에 포함되어 있는 C12A7의 빠른 반응성에 기인하여 초속경 폴리머 복합체의 초기 반응성이 향상된 결과로 사료된다.
Figure 11은 CAC 및 GC 치환에 따른 굳은 콘크리트- 폴리머 복합체의 재령 3시간 접착강도를 나타낸 것이다. 접착강도는 폴리머 디스퍼션으로 SBR 라텍스를 사용한 C-L, G-L은 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복 합체인 R-L보다 높게 나타났으나, 폴리머 디스퍼션으로 BPD를 사용한 C-B, G-B는 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-B보다 낮게 나타났다.
Figure 9는 CAC 및 GC 치환에 따른 굳은 콘크리트-폴리머 복합체의 재령별 쪼갬인장강도를 나타낸 것이다. 콘크리트-폴리머 복합체의 쪼갬인장강도는 폴리머 디스퍼션 종류에 관계없이 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-L, G-L, C-B 및 G-B가 S社 의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L과 R-B보다 높게 나타났다.
Figure 10은 CAC 및 GC 치환에 따른 굳은 콘크리트- 폴리머 복합체의 재령 28일 휨강도를 나타낸 것이다. 콘크리트-폴리머 복합체의 휨강도는 폴리머 디스퍼션 종류에 관계없이 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-L, G-L, C-B 및 G-B가 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L과 R-B보다 높게 나타났다.
전반적인 경향으로 콘크리트-폴리머 복합체의 압축강도는 폴리머 디스퍼션 종류에 관계없이 재령 28일 이전에서는 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-L, G-L, C-B 및 G-B가 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L과 R-B보다 높게 나타났고, 재령 28일 이후에서는 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L과 R-B가 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-L, G-L, C-B 및 G-B보다 높게 나타났다. 특히, 재령 3시간에서는 폴리머 디스퍼션으로 SBR 라텍스를 사용하고 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트 -폴리머 복합체인 C-L 및 A-L은 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L에 비해 C-L은 138%, G-L은 143%의 압축강도 증진을 보였고, 폴리머디스퍼션으로 BPD를 사용하고 CAC 10% 및 GC 20%를 치환한 콘크리트-폴리머 복합체인 C-B 및 G-B는 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-B 에 비해 C-B는 124%, G-B는 117%의 압축강도 증진을 보였는데, 이는 CAC 및 GC에 포함되어 있는 C12A7의 빠른 반응성에 기인하여 초속경 폴리머 복합체의 초기 반응성이 향상된 결과로 사료된다.
폴리머 디스퍼션 종류별 S社의 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체인 R-L과 R-B의 슬럼프 플로 및 공기량은 배합설계에 의해 목표치인 500±100mm 및 4.5± 1.5% 범위를 만족하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트-폴리머 복합체의 장점은?
콘크리트-폴리머 복합체는 무기질 재료인 시멘트를 사용하는 일반적인 콘크리트의 성능을 개선하기 위해 시멘트의 일부 또는 전부를 유기질 재료인 폴리머로 대체한 것으로 굳지 않은 상태에서는 계면활성제의 분산 및 폴리머 입자의 볼 베어링 효과에 의해 워커빌리티와 공기연행성이 좋고, 폴리머 입자의 응집에 의해 접착성이 높아 재료 분리에 대한 저항성이 우수하며, 굳은 상태에서는 시멘트 수화물과 폴리머 필름막이 일체가 된 co-martix 상이 형성되어 인장강도, 휨강도 등의 기계적 성질과 수밀성, 기밀성, 내약품성, 내동결융해성, 내마모성 등의 내구성이 우수하다[1].
콘크리트-폴리머 복합체란 무엇인가?
콘크리트-폴리머 복합체는 무기질 재료인 시멘트를 사용하는 일반적인 콘크리트의 성능을 개선하기 위해 시멘트의 일부 또는 전부를 유기질 재료인 폴리머로 대체한 것으로 굳지 않은 상태에서는 계면활성제의 분산 및 폴리머 입자의 볼 베어링 효과에 의해 워커빌리티와 공기연행성이 좋고, 폴리머 입자의 응집에 의해 접착성이 높아 재료 분리에 대한 저항성이 우수하며, 굳은 상태에서는 시멘트 수화물과 폴리머 필름막이 일체가 된 co-martix 상이 형성되어 인장강도, 휨강도 등의 기계적 성질과 수밀성, 기밀성, 내약품성, 내동결융해성, 내마모성 등의 내구성이 우수하다[1].
초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체 공법을 사용할 때 장점은?
최근에는 교통량이 많은 노후 도로를 중심으로 신속보수의 필요성이 대두되면서 시공후 3시간에 압축강도 20∼30MPa를 안정적으로 발현시킬 수 있는 초속경시멘트를 사용한 콘크리트-폴리머 복합체 공법이 각광받고 있다. 이 공법은 초속경시멘트와 스틸렌과 부타디엔을 주 모노머로 중합반응한 폴리머(이하 SBR 라텍스)를 주원료로 사용하는 것으로 기존의 콘크리트 또는 아스콘 포장 공법에 비해 내구성이 탁월하고, 경화속도가 빨라 신속보수의 필요성에 잘 대응할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 도심지 도로의 노후화에 따른 신속보수에 대한 요구가 증가하면서 향후 그 수요는 더욱 증가될 것으로 예상된다.
참고문헌 (10)
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