개발된 저열 시멘트 콘크리트의 장기거동 특성인 비구속 건조수축과 크리프가 양생온도를 주요 변수로 측정하였다. 저열 콘크리트의 목표 압축강도인 42MPa를 고려하여 양생온도 5, 20, $40^{\circ}C$에서 물-결합재비는 각각 27.5, 30, 32.5%를 선택하였다. 콘크리트의 건조수축 변형률은 양생온도가 낮을수록 모세관 수 및 겔 공극수의 증발지연으로 인해 감소하는 경향을 보였다. 반면 크리프 변형률은 전이 온도 크리프의 발생으로 인하여 초기 양생온도가 낮은 실험체에서 높았다. 콘크리트 구조설계기준(KCI) 예측모델은 ACI 209 예측모델에 비해 실험결과와 잘 일치하였지만 개발된 저열 시멘트에 대한 보정계수의 제안이 필요하였다.
개발된 저열 시멘트 콘크리트의 장기거동 특성인 비구속 건조수축과 크리프가 양생온도를 주요 변수로 측정하였다. 저열 콘크리트의 목표 압축강도인 42MPa를 고려하여 양생온도 5, 20, $40^{\circ}C$에서 물-결합재비는 각각 27.5, 30, 32.5%를 선택하였다. 콘크리트의 건조수축 변형률은 양생온도가 낮을수록 모세관 수 및 겔 공극수의 증발지연으로 인해 감소하는 경향을 보였다. 반면 크리프 변형률은 전이 온도 크리프의 발생으로 인하여 초기 양생온도가 낮은 실험체에서 높았다. 콘크리트 구조설계기준(KCI) 예측모델은 ACI 209 예측모델에 비해 실험결과와 잘 일치하였지만 개발된 저열 시멘트에 대한 보정계수의 제안이 필요하였다.
This study examined the long-term inelastic characteristics, including unrestrained shrinkage and creep, of low-heat cement concrete under different ambient curing temperatures. To achieve the designed compressive strength of 42MPa, water-to-binder ratios were selected to be 27.5, 30, and 32.5% for ...
This study examined the long-term inelastic characteristics, including unrestrained shrinkage and creep, of low-heat cement concrete under different ambient curing temperatures. To achieve the designed compressive strength of 42MPa, water-to-binder ratios were selected to be 27.5, 30, and 32.5% for curing temperatures of 5, 20, and $40^{\circ}C$, respectively. Test results showed that the shrinkage strains of concrete mixtures tended to decrease with the decrease in curing temperature because of the delayed evaporation of internal capillary and gel waters. Meanwhile, creep strains were higher in concrete specimens under lower curing temperature due to the occurrence of the transition temperature creep. The design models of KCI provision gave better accuracy in comparison with test results than those of ACI 209, although a correction factor for low-heat cement needs to be established in the KCI provision.
This study examined the long-term inelastic characteristics, including unrestrained shrinkage and creep, of low-heat cement concrete under different ambient curing temperatures. To achieve the designed compressive strength of 42MPa, water-to-binder ratios were selected to be 27.5, 30, and 32.5% for curing temperatures of 5, 20, and $40^{\circ}C$, respectively. Test results showed that the shrinkage strains of concrete mixtures tended to decrease with the decrease in curing temperature because of the delayed evaporation of internal capillary and gel waters. Meanwhile, creep strains were higher in concrete specimens under lower curing temperature due to the occurrence of the transition temperature creep. The design models of KCI provision gave better accuracy in comparison with test results than those of ACI 209, although a correction factor for low-heat cement needs to be established in the KCI provision.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이 연구의 목적은 수화열 저감을 위해 개발된 저열 시멘트 기반 3성분계 콘크리트[8]를 매스 콘크리트에 적용에 있어서 재료의 기초 특성을 평가하는 일환으로 비구속 건조 수축 및 크리프 변형 특성을 평가하는 것이다. 콘크리트 공사는 다양한 지역과 계절에 상이하게 적용된다.
제안 방법
콘크리트 수화열 저감을 위하여 저열 시멘트를 기반으로 개질 플라이애쉬와 석회석 미분말을 각각 15와 5% 치환한 결합재를 이용하여 콘크리트를 제작하였다. 양생온도 5℃, 20℃ 그리고 40℃에서 콘크리트의 압축강도 발현 및 비구속 건조수축과 크리프 변형률을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
콘크리트 공사는 다양한 지역과 계절에 상이하게 적용된다. 이를 고려하여 양생온도는 혹한, 표준, 혹서기를 대표할 수 있는 5, 20 그리고 40℃를 변수로 하였다. 측정결과는 콘크리트 구조설계기준(KCI)[9] 및 ACI 209[10] 설계 모델들과 비교하였다.
콘크리트의 장기거동 특성은 압축강도와 탄성계수의 영향을 받는다. 이에 대하여 장기거동 특성은 재령별로 변형률 값을 정리하였다.
저열 콘크리트 배합개발을 위한 결합재로서 저열 시멘트(Low Heat Cement, LHC)를 기반으로 개질 플라이애시(Modified Fly Ash, MFA)와 석회석 미분말(Lime-Stone Powder, LSP)을 각각 15%와 5% 치환하였다. LHC 기반의 결합재를 사용한 콘크리트에서 배합 변수는 물-결합재 비(W/B)이다(Table 1).
이를 고려하여 양생온도는 혹한, 표준, 혹서기를 대표할 수 있는 5, 20 그리고 40℃를 변수로 하였다. 측정결과는 콘크리트 구조설계기준(KCI)[9] 및 ACI 209[10] 설계 모델들과 비교하였다.
콘크리트 건조수축 특성 평가를 위한 실험체의 크기는 100×100×400mm로 하였으며, 타설 시에 실험체 중앙에 전기저항 게이지(Electric Resistance Strain Gauge)를 매립하여 변형률을 측정하였다(Figure 1(a)).
콘크리트 수화열 저감을 위하여 저열 시멘트를 기반으로 개질 플라이애쉬와 석회석 미분말을 각각 15와 5% 치환한 결합재를 이용하여 콘크리트를 제작하였다. 양생온도 5℃, 20℃ 그리고 40℃에서 콘크리트의 압축강도 발현 및 비구속 건조수축과 크리프 변형률을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
크리프 실험은 KS F 2453[12]에 따라 φ 150×300mm 원주형 실험체를 이용하여 재령 28일 양생이후 하중을 가력하였다(Figure 1(b)).
크리프 실험은 장비 및 양생실의 한계로 각 배합별 양생온도(즉, L-27.5, L-30, L-32.5는 각각 5℃, 20℃, 40℃에서 양생)에서 28일 양생 후 항온항습실(20±3℃, 60%)에서 실험을 수행하였다.
대상 데이터
개발된 저열 시멘트 콘크리트와의 비교를 위하여 원전 구조물에서 적용되고 있는 FA 20% 혼입된 OPC 콘크리트도 실험하였다. OPC 기반 콘크리트의 설계압축강도도 42MPa이다.
LSP는 내부공극을 채워주는 필러의 역할로 초기 반응성을 개선한다[8]. 사용된 MFA와 LSP의 밀도은 각각 2.25, 2.81이고, 분말도는 5,510cm2/g, 3,420cm2/g이다.
크리프는 결합재 조직과 콘크리트 구성 배합에 따른 내적요인과 재하응력, 응력/강도비 등의 외적요인에 의하여 영향을 받는다. 적용된 재하 응력은 압축강도 40%로 하였으며, 초기 탄성계수는 L-27.5, L-30 그리고 L-32.5 실험체가 각각 539㎛, 585㎛ 그리고 610㎛로 하였다.
이론/모형
건조수축 및 크리프에 영향을 미치는 콘크리트 압축강도와 탄성계수를 평가하기 위하여 φ 100×200mm 원주형 실험체를 제작하여 각각 KS F 2405[12]와 KS F 2438[12]규격에 따라 실험을 수행하였다.
성능/효과
1) 제시된 저열 콘크리트 배합의 28일 압축강도는 양생 온도가 같다면 보통포틀랜드 시멘트 기반 플라이애쉬(20%) 혼합 콘크리트와 동등 이상의 수준을 보였다.
2) 콘크리트의 건조수축 변형률은 양생온도가 낮을수록 감소하는 경향을 보였다.
3) 크리프 변형률은 전이온도 크리프 발생으로 인하여 재령 28일 까지 혹한기 양생조건에 양생된 L-27.5가 1,450㎛로 가장 크게 나타났다.
4) 건조수축 및 크리프 변형율에 대한 KCI 설계모델은 ACI 209 모델에 비해 실험결과와 잘 일치하였지만, 저열 시멘트에 대한 보정계수의 제안이 필요하였다.
양생온도에 따른 재령별 압축강도는 Figure 2에 나타내었다. 기준(Control) 배합은 모든 양생온도에서 재령 28일 목표 압축강도(42MPa)를 만족하였다. 반면, LHC 기반 콘크리트의 경우, 혹한기 양생온도인 5℃에서는 L-27.
Figure 5에는 KCI[9] 설계모델에 의한 예측값과 측정값의 비교를 나타내었다. 모든 배합에서의 측정값들은 양생온도와 관계없이 초기 재령에서 KCI[9] 예측값에 비해 크게 있는데, 그 차이는 재령의 증가와 함께 감소하는 경향을 보였다. 재령 91일에서 측정값과 예측값의 차이는 20℃에서 양생된 L-32.
일반적으로 LHC는 OPC와 비교하여 수화열을 낮추기 위하여 규산삼석회와 알루민산 삼석회의 함량이 낮기 때문에 SiO2의 함량이 높고 Al2O3와 CaO의 함량이 낮다. 이 연구에서 사용된 저열 시멘트는 ASTM C 150[11] 규격에 부합하는 것으로서 OPC 대비 SiO2의 함량이 약 4.7% 높고 Al2O3와 CaO의 함량은 각각 2.0%, 0.3% 낮았다. 저열 포틀랜드 시멘트의 밀도과 분말도는 각각 3.
이러한 이유로 개발된 LHC는 표준기(20℃) 기준으로 기준(Control) 배합과 비교하여 W/B를 5% 낮게 하였으며, 5℃ 및 40℃ 양생에서는 표준기에서 W/B를 ±2.5%로 설정하여 기준(Control) 배합과 비교하여 초기 압축강도 발현률 및 재령 28일 압축강도에서 동등 이상의 성능을 갖는 것으로 평가되었다.
후속연구
하지만, 건조수축 예측과 마찬가지로 KCI[9] 설계모델에 의한 크리프 예측값은 실험결과에 비해 최대 15% 차이를 보였다. 따라서 개발된 저열 시멘트를 사용한 콘크리트의 건조 수축 및 크리프 변형률을 비교적 정확하게 평가하기 위해서는 KCI[9] 설계 모델의 결합재 종류에 대한 보정계수에서 개발된 저열 시멘트에 대한 계수 값이 제안될 필요가 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라이애쉬 혼합시멘트의 단점은?
일반적으로 수화열 저감을 목적으로 사용되는 콘크리트 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)를 기반으로 산업부산물인 플라이애시(Fly-Ash, FA)와 고로슬래그(Granulated Ground Blast Slag, GGBS) 등을 시멘트에 일정부분 치환하는 혼합시멘트를 사용한다. 플라이애쉬 혼합시멘트는 수화열 저감에 효과적이지만, 초기 압축강도 발현율의 저하와 더불어 30% 이상 사용할 경우 강도저하가 심각하게 나타날 수 있다. 고로슬래그는 잠재 수화발열량이 OPC와 비슷한 수준으로서 FA에 비해 OPC 콘크리트 수화열 저감 효율이 크지 않다.
수화열 저감을 목적으로 사용되는 콘크리트 결합재는?
이러한 이유로 매스콘크리트 부재에서 콘크리트의 수화열을 저감하기 위한 결합재에 대한 연구가 국내·외에서 다양하게 수행되고 있다[1,2,3,4]. 일반적으로 수화열 저감을 목적으로 사용되는 콘크리트 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)를 기반으로 산업부산물인 플라이애시(Fly-Ash, FA)와 고로슬래그(Granulated Ground Blast Slag, GGBS) 등을 시멘트에 일정부분 치환하는 혼합시멘트를 사용한다. 플라이애쉬 혼합시멘트는 수화열 저감에 효과적이지만, 초기 압축강도 발현율의 저하와 더불어 30% 이상 사용할 경우 강도저하가 심각하게 나타날 수 있다.
매스 콘크리트 부재에서 건조수축과 크리프가 야기하는 문제점은?
매스 콘크리트 부재에서 수화열 및 건조수축과 크리프 등과 같은 장기거동 특성은 체적변화를 일으켜 균열을 발생 시키는 부정적인 인자이다. 건조수축과 크리프는 내·외부 구속조건에 따라서 부재 내부에서 위치에 따른 상이한 체적변화가 발생되고, 이는 인장응력의 발생 및 증가로 이어져 균열 발생의 확률이 증가될 수 있다[7]. 특히, 내부의 원자로를 보호하고 방사선을 차폐해 주어야하는 원전 구조물(격납벽)은 체적변화에 따른 균열발생에 민감한 구조물이다.
참고문헌 (13)
Gao PW, Lu X, Lin H, Li XY, Hou J. Effects of Fly Ash on the Properties of Environmentally Friendly Dam Concrete. Fuel. 2007 May;86(7):1208-1211
Tang SW, Cai XH, He Z, Shao HY, Li ZJ, Chen E. Hydration Process of Fly Ash Blended Cement Pastes by Impedance Measurement. Construction and Building Materials, 2016 June;113(15):939-950.
Langan BW, Weng K, Ward MA. Effect of Silica Fume and Fly Ash on Heat of Hydration of Portland Cement. Cement and Concrete Research. 2002 July;32(7):1045-1051.
Menendez G, Bonavetti VL, Irassar EF. Strength Development of Ternary Blended Cement with Limestone Filler and Blast-Furnace Slag. Cement and Concrete Composites. 2003 January;25(1):57-63.
Aashay A, Gaurav S, Narayanan N. Ternary Blends Containing Slag and Interground/Blended Limestone: Hydration, Strength, and Pore Structure. Construction and Building Materials. 2016 January;102(15):113-124.
ACI Committee 207, Guide to Mass Concrete (ACI 207.1R-05). Michigan: American Concrete Institute; 2005. 30 p.
Korea Concrete Institute. Mass Concrete Thermal Crack Control. Seoul: Kimoondang Publishing Company; 2010. 166 p.
Kim SJ, Yang KH, Moon GD. Hydration Characteristics of Low-Heat Cement Substitute by Fly Ash and Limestone Powder. Materials. 2015 September; 8(9):5847-586.1
Korea Concrete Institute. Concrete Structure Code. Seoul: Kimoondang Publishing Company; 2012. 342 p.
ACI Committee 209, Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structures: Reapproved 2008(209R-92). Michigan: American Concrete Institute; 1992. 47 p.
ASTM C 150/C150M-16. Standard Specification for Portland Cement. Pennsylvania: ASTM International; 2016. 10 p.
KSA. Korea Industrial Standard. Seoul: Korean Standards Service Network; 2015. 1768 p.
Korea Concrete Institute. New Concrete Engineering, Seoul: Kimoondang Publishing Company; 2001. 932 p.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.