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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 국내 건설현장에서 가장 많이 적용되고 있는 압축강도 영역인 21~27 MPa 수준의 콘크리트를 대상으로 하여, 양생온도 및 단위결합재량에 따른 초기강도 발현 특성을 검토하여 현황을 파악하고자 하였다. 또한 초기강도를 개선하기 위한 방안으로 시멘트의 응결 및 경화를 촉진할 수 있는 경화촉진제의 종류에 따른 성능을 검토함으로써, 한중콘크리트에서 콘크리트의 양생온도 저감 및 양생기간 단축을 위한 방안으로 경화촉진제 적용을 위한 기초자료를 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 한중콘크리트에서 콘크리트의 양생온도 저감 및 양생기간 단축을 위한 방안으로 경화촉진제적용을 위한 기초자료 확보하기 위하여 21~27 MPa 수준을 대상으로 양생온도 및 단위결합재량에 따른 콘크리트의 특성을 검토한 후, 경화촉진제의 종류에 따른 초기강도 발현 특성을 검토하였다.
- 이에 본 연구에서는 국내 건설현장에서 가장 많이 적용되고 있는 압축강도 영역인 21~27 MPa 수준의 콘크리트를 대상으로 하여, 양생온도 및 단위결합재량에 따른 초기강도 발현 특성을 검토하여 현황을 파악하고자 하였다. 또한 초기강도를 개선하기 위한 방안으로 시멘트의 응결 및 경화를 촉진할 수 있는 경화촉진제의 종류에 따른 성능을 검토함으로써, 한중콘크리트에서 콘크리트의 양생온도 저감 및 양생기간 단축을 위한 방안으로 경화촉진제 적용을 위한 기초자료를 제시하고자 하였다.
제안 방법
- Table 1은 실험계획을 나타낸 것으로, 시리즈Ⅰ에서는 한중콘크리트 시공시 가열양생 조건을 고려하여 양생온도를 10, 15, 20℃의 3수준으로 설정하고, 21~27 MPa 수준을 고려하여 단위결합재량을 300, 330, 345 kg/m3의 3수준으로 설정하여, 양생온도 및 단위결합재량에 따른 초기강도 발현 특성을 검토하고자 하였다.
- 본 연구에서는 이와 같은 기존의 기술자료를 참고로 하여 Table 5에서 보는 바와 같이 경화촉진제 원료를 선정하였다. 경화촉진제는 고성능AE감수제에 혼합하는 1액형으로 적용하였고, 각 촉진제별 고형비는 사전 검토를 통하여 최적 성능이 발현될 수 있도록 설정하였다.
- 국내 건설현장의 경우 한중콘크리트 시공시 보온 및 급열 양생을 통하여 10~15℃ 수준의 양생온도를 확보하는 것이 일반적이므로 시리즈Ⅱ에서는 시리즈Ⅰ의 조건 중, 양생온도 10℃ 및 단위결합재량 330 kg/m3 수준에서 경화촉진제 종류에 따른 초기강도 발현 특성을 검토하고자 하였다.
- 실험계획에 따른 콘크리트 배합은 Table 3과 같으며, 단위결합재량 300 및 360 kg/m3의 경우 3성분계 결합재와 1종 보통포틀랜드시멘트만을 사용한 배합으로 설정하였고, 그 외의 경우 초기강도를 고려하여 1종 시멘트만을 단독으로 사용하는 것으로 설정하였다.
- 평가항목으로는 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프, 공기량, 경화콘크리트의 경우 24, 36, 48시간의 초기강도를 평가하는 것으로 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 재료의 물리적 성질은 Table 2에 나타낸 바와 같으며, 결합재는 1종 보통포틀랜드시멘트, 2종 플라이애시 및 3종 고로슬래그 미분말을 사용하였고, 골재는 잔골재의 경우 부순모래와 바다모래를 혼합하여 사용하였으며, 굵은 골재는 부순자갈을 사용하였다.
- 본 연구에서는 이와 같은 기존의 기술자료를 참고로 하여 Table 5에서 보는 바와 같이 경화촉진제 원료를 선정하였다. 경화촉진제는 고성능AE감수제에 혼합하는 1액형으로 적용하였고, 각 촉진제별 고형비는 사전 검토를 통하여 최적 성능이 발현될 수 있도록 설정하였다.
- 혼화제는 폴리카르본산계 고성능AE감수제를 사용하였으며, 시리즈 II에서 경화촉진제는 고성능감수제에 혼합하는 1액형의 형태로 적용하였다.
성능/효과
- 1) 양생온도가 저하될수록 콘크리트의 초기강도는 낮게 발현되었으며, 적산온도 방식을 활용한 분석 결과 양생온도 20℃에 비교하여 양생온도 10℃에서는 약 12시간 이상 강도발현시기가 지연되었으며, 양생온도 5℃에서는 약 2배 정도 강도 발현 시기가 지연되는 것으로 나타났다.
- 2) 단위결합재량이 증가할수록 초기강도가 높게 발현되었으며, 이는 양생온도가 높을수록 뚜렷한 경향이 나타났다. 또한, 본 연구에 적용된 단위결합재량범위에서는 양생온도 10℃의 경우 초기 재령인 24, 36시간에서는 초기강도가 유사한 수준으로 나타났다.
- 3) 본 연구의 실험 결과를 고려할 때, 한중콘크리트 공사시 평균양생온도를 10℃ 수준으로 가정할 경우, 48시간 이내에 거푸집 탈형을 위해서는 단위시멘트량은 300 kg/m3 이상이 필요한 것으로 나타났다.
- 4) 본 연구에서는 수용성 무기염 4종, 수용성 유기염 3종의 경화촉진제를 검토하였으며, Plain과 유사한 슬럼프를 보이고 있어, 콘크리트의 유동성에 크게 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다.
- 5) 경화촉진제 종류별로는 24시간에서는 Pt > Cn > Sni > Sa > TEA > Sna > Cf의 순서, 36 및 48시간에서는 Pt > TEA > Sni > Cn > Sna > Cf > Sa의 순서로 초기강도 발현 촉진효과가 크게 나타났다.
- 6) 본 연구 범위에서는 수용성 무기염이 유기염에 비해 상대적으로 경화촉진 효과가 우수하였으며, 사용량이 낮은 범위에서는 수용성 무기염에 의한 C3S의 수화 반응촉진효과가 초기강도 발현에 효과적인 것을 알 수 있었다.
- 7) 경화촉진제 중 Pt의 경우 양생온도 15℃ 조건에서도 약 25시간에 초기동해 제어 강도 확보가 가능하여 공기단축 효과를 기대할 수 있으며, 양생온도 5℃에서도 양생온도 10℃ 조건의 Plain과 유사한 시간에 5 MPa 확보가 가능한 것으로 나타나, 동일한 공기를 고려할 경우 연료비용 및 CO2 가스 발생 저감 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 경화촉진제의 경우 고성능감수제에 1액형으로 적용하였기 때문에, 기본 고성능감수제의 분산제 등이 감소되어 첨가량이 증가된 것으로 판단된다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 경화촉진제를 사용한 경우에도 Plain과 유사한 슬럼프를 보이고 있어, 본 연구에서 검토한 경화촉진제의 경우 콘크리트의 유동성에 크게 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다. 단, 경화촉진제 Cn 및 Sa의 경우 Plain에 비해 약 15 mm 정도 슬럼프가 저하되는 것으로 나타났으며, Cf의 경우 20 mm 정도 슬럼프가 증가되는 것으로 나타났다.
- Fig. 6은 경화촉진제 종류에 따른 24, 36, 48시간의 압축강도를 나타낸 것으로, 경화촉진제의 적용에 의해 Plain에 비해 초기강도는 향상되었으나, 단위결합재량 330 kg/m3, 양생온도 10℃ 조건에서는 본 연구에서 검토된 경화촉진제를 사용하여도 24시간에서 초기동해 제어 강도인 5 MPa를 확보할 수는 없는 것으로 나타났다.
- 한편, Table 7은 이와 같은 적산온도 분석 결과를 기초로 하여 양생온도에 따른 5 MPa 도달 시간을 정리하여 나타낸 것이다. Table 7에서 보는 바와 같이 금번 검토된 경화촉진제를 적용할 경우 Sna, Cf, Sa를 제외하면 양생온도 20℃ 조건에서 24시간 이내에 5 MPa 확보가 가능한 것으로 나타났으며, 촉진 효과가 가장 우수한 Pt의 경우 양생온도 15℃ 조건에서도 약 25시간에 초기동해 제어강도 확보가 가능하여, 동절기 콘크리트 공사에 적용시 공기단축 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, Pt의 경우는 양생온도 5℃에서도 양생온도 10℃ 조건의 Plain과 유사한 시간에 5 MPa 확보가 가능한 것으로 나타나, 동일한 공기를 고려할 경우 연료비용 및 CO2 가스 발생 저감 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 경화촉진제 종류별로는 24시간에서는 Pt > Cn > Sni > Sa > TEA > Sna > Cf의 순서, 36 및 48시간에서는 Pt > TEA > Sni > Cn > Sna > Cf > Sa의 순서로 초기강도 발현촉진효과가 크게 나타났다.
- 경화촉진제 종류별로는 수용성 무기염 중 촉진 효과가 가장 우수한 Pt의 경우 약 31시간이 소요되어, Plain에 비해 11시간이 단축될 수 있는 것으로 나타났으며, 수용성 유기염 중 효과가 우수한 TEA의 경우 약 34시간이 소요되어, Plain 대비 약 8시간 양생시간의 단축이 가능한 것으로 나타났다.
- 또한, 48시간에서는 양생온도 10℃ 이상, OPC 단독 사용 300 kg/m3 이상에서 5 MPa가 확보되었다. 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 혼합(총 30%)하여 사용한 300P의 경우 양생온도를 15℃ 이상으로 유지한 상태에서 48시간이 경과되어야 5 MPa 확보가 가능한 것으로 나타났다.
- 단위결합재량에 따른 초기강도를 살펴보면, 단위결합 재량이 증가할수록 초기강도가 높게 발현되었으며, 이는 양생온도가 높을수록 뚜렷한 경향이 나타났다.
- 단위시멘트량 330 kg/m3 조건에서, 본 연구에 적용한 경화촉진제를 사용할 경우 초기동해 제어가 가능한 강도인 5 MPa를 확보하기 위한 적산온도는 경화촉진제를 사용하지 않은 Plain은 838℃·h, Cn은 685℃·h, Sna는 739℃·h, Sni는 682℃·h, Pt는 629℃·h, Cf는 759℃·h, Sa는 796℃·h, TEA는 679℃·h, 비교용으로 검토한 단위시멘트량 345 kg/m3 조건에서는 806℃·h로 분석되었다.
- 또한, 공기량의 경우 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 혼합한 300P에 비해 OPC만을 단독으로 사용하였을 경우 동일한 혼화제 사용량에서 공기량이 다소 증가되었으나, 단위결합재량에 관계없이 KS F 4009의 기준인 3~6% 수준은 모든 만족하고 있어, 본 연구에서 검토된 배합수준에서 굳지않은 콘크리트의 물성은 크게 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 2) 단위결합재량이 증가할수록 초기강도가 높게 발현되었으며, 이는 양생온도가 높을수록 뚜렷한 경향이 나타났다. 또한, 본 연구에 적용된 단위결합재량범위에서는 양생온도 10℃의 경우 초기 재령인 24, 36시간에서는 초기강도가 유사한 수준으로 나타났다.
- 본 검토 범위에서는 수용성 무기염이 유기염에 비해 상대적으로 경화촉진 효과가 우수하게 나타났으며, 단위 시멘트량 대비 사용량이 낮은 범위에서는 상대적으로 수용성 무기염에 의한 C3S의 수화 반응 촉진이 초기강도발현에 효과적인 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 검토된 단위시멘트량 330 kg/m3 배합은 별도의 경화촉진제를 사용하지 않을 경우 5 MP 도달을 위해 양생온도 10℃ 조건으로 약 42시간이 소요되며, 단위시멘트량을 15 kg/m3 증가시키면 약 2시간 단축이 가능한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서도 초기재령에서 경화촉진효과가 가장 우수한 수용성 무기염은 K+와 SCN-의 조합인 Pt로 기존의 기술자료와 유사한 결과가 나타났다.
- 본 연구에 적용된 배합의 경우 초기동해 제어가 가능한 강도인 5 MPa를 확보하기 위한 적산온도는 300P의 경우 1171℃·h, 330은 829℃·h, 330은 736℃·h, 345는 703℃·h로 분석되었으며, 이상과 같은 결과로부터 양생온도별 5 MPa 도달시간을 정리하면 Table 6과 같다. 양생온도 20℃에 비교하여 양생온도 10℃에서는 약 12 시간 이상 강도 발현 시기가 지연되었으며, 양생온도 5℃에서는 약 2배 정도 강도 발현 시기가 지연되는 것으로 나타났다.
- 양생온도 20℃의 경우 적산온도 방식과 실측 데이터의 차이가 1시간 이내로 비교적 일치하는 것으로 나타났으나, 적산온도 방식이 15℃의 경우 약 4시간 정도 지연되는 것으로 예측되고, 10℃의 경우 약 5시간 이상 빠르게 강도가 발현되며, 특히 300P의 경우 약 16시간 정도 강도가 빠르게 발현되는 것으로 예측되어 양생온도가 낮을수록 적산온도 방식 적용시 오차가 크게 발생되는 것으로 나타났다.
- 양생온도가 낮아짐에 따라 콘크리트의 초기강도는 낮게 발현되었으며, 양생온도 20℃에서 15℃로 저하시 초기강도 발현이 지연되는 수준에 비해 15℃에서 10℃로 저하되는 경우 상대적으로 초기강도 발현 지연폭이 큰 것으로 나타났다. 또한, 양생온도가 낮을수록 초기강도 발현이 지연됨에 따라, 양생온도 10℃의 경우 초기 재령인 24, 36 h에서는 본 연구에 적용된 범위의 단위결합재량조건에서는 강도발현 차이가 나타나지 않았다.
- 이상과 같은 시험 결과를 고려할 때, 동절기 콘크리트 공사시 평균양생온도를 10℃ 수준으로 가정할 경우, 단 위시멘트량은 300 kg/m3에서 최소 48시간 양생시 압축강도가 5 MPa이상 발현하는 것으로 나타나 48시간 이내에 거푸집 탈형 작업을 수행하기 위해서는 콘크리트 배합 설정시 단위시멘트량은 300 kg/m3 이상 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 한편, 단위결합재량별로 살펴보면, 24시간에서는 단위 결합재량 345 kg/m3, 양생온도 20℃ 조건에서만 초기동해 제어 강도인 5 MPa 확보가 가능하였으며, 36시간에서는 양생온도 15℃ 이상에서 OPC만을 단독으로 사용할 경우 300 kg/m3 이상에서는 5 MPa 확보가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 48시간에서는 양생온도 10℃ 이상, OPC 단독 사용 300 kg/m3 이상에서 5 MPa가 확보되었다.
후속연구
- 이에 본 연구에서 검토된 수용성 무기염을 콘크리트용 경화촉진제로 활용하기 위해서는 염화물 함유량 측정 방법에 대한 재정비 및 이에 대한 사전 이해가 필요할 것으로 사료된다.
- Table 7에서 보는 바와 같이 금번 검토된 경화촉진제를 적용할 경우 Sna, Cf, Sa를 제외하면 양생온도 20℃ 조건에서 24시간 이내에 5 MPa 확보가 가능한 것으로 나타났으며, 촉진 효과가 가장 우수한 Pt의 경우 양생온도 15℃ 조건에서도 약 25시간에 초기동해 제어강도 확보가 가능하여, 동절기 콘크리트 공사에 적용시 공기단축 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, Pt의 경우는 양생온도 5℃에서도 양생온도 10℃ 조건의 Plain과 유사한 시간에 5 MPa 확보가 가능한 것으로 나타나, 동일한 공기를 고려할 경우 연료비용 및 CO2 가스 발생 저감 등의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이에 상대적으로 양생온도가 낮게 설정되는 한중콘크리트의 특성을 고려할 때, 건설현장에서 동절기 초기동해 제어를 위한 가열양생계획 설정시 적산온도 방식 적용을 위해서는 사전에 현장에 사용하고자 하는 콘크리트의 온도 특성에 대한 파악 후, 적용이 필요할 것으로 판단된다.
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