본 연구의 목적은 OPC, GGBFS 그리고 FA를 사용한 삼성분계 시멘트(TBC) 페이스트의 자기치유 특성에 관한 것이다. 초음파속도(UPV)측정으로 통해 삼성분계 시멘트의 자기치유 능력에 대한 OPC-GGBFS-FA의 영향을 분석하였다. TBC 페이스트는 0.5의 일정한 물-결합재 비에 GGBFS-FA를 20%, 40% 그리고 60% 치환한 배합이다. 본 연구는 재령 28일(하중 재하 후)이후의 거동에 초점을 맞추었다. 재령 28일에 휨시험을 통해 사각형의 보 시험체에 미리 균열을 발생시켰다. 시험체들은(균열을 발생시키지 않은 것과 균열을 발생시킨) 60일까지 담수와 해수에 침지하였다. 시험결과에 따르면 TBC 페이스트의 자기치유 능력은 GGBFS의 혼합률이 증가함에 따라 증가하였다. 이는 GGBFS와 FA는 재령 28일 이후에도 계속해서 수화가 진행되는데, GGBFS와 FA의 수화반응 물질들이 미세구조의 변화와 균열을 폐합한다. 이러한 결과들로부터, 균열을 발생시킨 모든 시험체에서 자기치유가 일어났고 이는 침지 30일에서 가장 많이 발생하였다. 더구나 담수와 해수에 침지한 시험체의 치유의 대부분이 침지 30일 동안 일어났다. 해수에 침지한 시험체의 균열 치유는 담수보다 빨랐다. 해수와 담수에 침지한 시험체의 치유효과의 차이는 해수에 포함된 이온들 때문이다. 더구나 재령효과를 고려한 자기치유효과는 침지 30일까지가 가장 강력하고 그다음엔 차츰 약해졌다.
본 연구의 목적은 OPC, GGBFS 그리고 FA를 사용한 삼성분계 시멘트(TBC) 페이스트의 자기치유 특성에 관한 것이다. 초음파속도(UPV)측정으로 통해 삼성분계 시멘트의 자기치유 능력에 대한 OPC-GGBFS-FA의 영향을 분석하였다. TBC 페이스트는 0.5의 일정한 물-결합재 비에 GGBFS-FA를 20%, 40% 그리고 60% 치환한 배합이다. 본 연구는 재령 28일(하중 재하 후)이후의 거동에 초점을 맞추었다. 재령 28일에 휨시험을 통해 사각형의 보 시험체에 미리 균열을 발생시켰다. 시험체들은(균열을 발생시키지 않은 것과 균열을 발생시킨) 60일까지 담수와 해수에 침지하였다. 시험결과에 따르면 TBC 페이스트의 자기치유 능력은 GGBFS의 혼합률이 증가함에 따라 증가하였다. 이는 GGBFS와 FA는 재령 28일 이후에도 계속해서 수화가 진행되는데, GGBFS와 FA의 수화반응 물질들이 미세구조의 변화와 균열을 폐합한다. 이러한 결과들로부터, 균열을 발생시킨 모든 시험체에서 자기치유가 일어났고 이는 침지 30일에서 가장 많이 발생하였다. 더구나 담수와 해수에 침지한 시험체의 치유의 대부분이 침지 30일 동안 일어났다. 해수에 침지한 시험체의 균열 치유는 담수보다 빨랐다. 해수와 담수에 침지한 시험체의 치유효과의 차이는 해수에 포함된 이온들 때문이다. 더구나 재령효과를 고려한 자기치유효과는 침지 30일까지가 가장 강력하고 그다음엔 차츰 약해졌다.
The objective of this study is to investigate the self-healing properties of ternary blended cement(TBC) paste made with OPC, GGBFS and FA. The influence of OPC-GGBFS-FA on the self-healing ability of ternary blended cement paste was researched by ultrasonic pulse velocity(UPV) measurement. The TBC ...
The objective of this study is to investigate the self-healing properties of ternary blended cement(TBC) paste made with OPC, GGBFS and FA. The influence of OPC-GGBFS-FA on the self-healing ability of ternary blended cement paste was researched by ultrasonic pulse velocity(UPV) measurement. The TBC paste with GGBFS-FA replacement ratios of 20%, 40% and 60% were prepared having a constant water-cementitious materials ratios os 0.5. The research focuses on behavior after 28days(after loading). Four-point bending tests are used to pre-cracked the prismatic specimens at 28days. For specimens (uncracked and cracked) submerged in tap-water and sea-water until 60days. According to the experimental results, the TBC paste system has self-healing ability increased when the fraction of GGBFS increased. Because GGBFS and FA continues to hydrate after 28days, it is likely that hydrated products from GGBFS and FA may modify microstructures, seal these cracks. From these results, it is clear that the crack in all samples experience self-healing and that this occurs mostly in the first 30days of submerging. Futhermore, most of the healing for both specimens of submerged in sea-water and tap-water occurred during the first 30days. Sea-water submerged specimens healed cracks as fast as those in tap-water. Differences in healing effects of submerged in sea-water and tap-water may be attributed to the presence of specific sea-water ions. Therefore, self-healing effects considered age-effects was more strong effect occurred mostly in the first 30days, and then gradually weaken.
The objective of this study is to investigate the self-healing properties of ternary blended cement(TBC) paste made with OPC, GGBFS and FA. The influence of OPC-GGBFS-FA on the self-healing ability of ternary blended cement paste was researched by ultrasonic pulse velocity(UPV) measurement. The TBC paste with GGBFS-FA replacement ratios of 20%, 40% and 60% were prepared having a constant water-cementitious materials ratios os 0.5. The research focuses on behavior after 28days(after loading). Four-point bending tests are used to pre-cracked the prismatic specimens at 28days. For specimens (uncracked and cracked) submerged in tap-water and sea-water until 60days. According to the experimental results, the TBC paste system has self-healing ability increased when the fraction of GGBFS increased. Because GGBFS and FA continues to hydrate after 28days, it is likely that hydrated products from GGBFS and FA may modify microstructures, seal these cracks. From these results, it is clear that the crack in all samples experience self-healing and that this occurs mostly in the first 30days of submerging. Futhermore, most of the healing for both specimens of submerged in sea-water and tap-water occurred during the first 30days. Sea-water submerged specimens healed cracks as fast as those in tap-water. Differences in healing effects of submerged in sea-water and tap-water may be attributed to the presence of specific sea-water ions. Therefore, self-healing effects considered age-effects was more strong effect occurred mostly in the first 30days, and then gradually weaken.
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문제 정의
4는 UPV 측정을 통해 균열이 발생한 시험체의 자기치유 효과와 균열을 발생시키지 않은 시험체의 재령의 영향을 동일 배합의 시험체에 대해 계산하였다. 이를 통해 재령효과를 고려한 자기치유 효과를 살펴보고자 하였다. 일반적으로 균열을 발생시키지 않은 시험체(uncracked specimens)의 UPV는 내부 공극이나 밀도(density)등에 영향을 받고.
제안 방법
본 연구는 OPC, GGBFS 그리고 FA를 혼합한 삼성분계 시멘트로 제작한 페이스트(paste) 시험체를 담수(tap-water)와 해수(sea-water)에 침지하여 초음파속도(ultrasonic pulse velocity; UPV) 측정방법을 이용하여 자기치유 효과를 측정하였다. 또한 재령에 따른 UPV증가율을 고려한 자기치유 효과도 측정하였다.
본 연구는 OPC, GGBFS 그리고 FA를 혼합한 삼성분계 시멘트로 제작한 페이스트(paste) 시험체를 담수(tap-water)와 해수(sea-water)에 침지하여 초음파속도(ultrasonic pulse velocity; UPV) 측정방법을 이용하여 자기치유 효과를 측정하였다. 또한 재령에 따른 UPV증가율을 고려한 자기치유 효과도 측정하였다.
5이다. OPC-GGBFS-FA의 삼성분계 시험체의 자기치유 특성을 살펴보기 위해 20°C의 담수와 해수에 침지하였다. GGBFS와 FA는 OPC 중량에 대해 일정 비율 치환하였으며, 자세한 치환율은 Table 3에 나타내었다.
이후 담수와 해수에 침지된 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체 모두침지 30일(UPV30)과 60일(UPV60)에서 각각 초음파를 측정한다.
4) 담수와 해수에 침지한 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체간의 UPV 증가율 차이를 통해 재령효과를 제외한 순수 자기치유효과를 분석하였다. 그 결과 침지 30일까지는 자기치유 효과가 재령 효과보다 UPV 증가에 큰 영향을 미치고, 30일 이후에는 자기치유 효과와 재령 효과가 모두감소 또는 재령 효과가 자기치유 보다 다소 크게 나타났다.
대상 데이터
고로슬래그 미분말(GGBFS)은 국내 K사 제품을 사용하였으며, 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement OPC)는 국내 S사의 제품을 사용하였다. GGBFS와 OPC의 성분은 XRF 분석을 통해 Table 1에 나타내었다.
시험체를 침지하기 위해 일반 담수(Tap-water, TW)와 해수(Sea-water, SW)를 사용하였고, 해수는 부산시 송정 해변에서 채취하였다. 해수의 구성성분은 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry)분석을 통해 Table 2에 나타내었다.
그러나 Fig. 2의 UPV는 단순한 측정값을 나타낸 것으로 상대적인 비교에 어려움이 있어서 보다 명확한 UPV 값의 비교를 위해 UPV 증가율을 통해 비교 분석을 하였다.
또한 식(1)~(3)에 의해 침지 후 30일과 30일부터 60일까지의 균열을 발생시킨 시험체의 자기치유 효과와 균열을 발생시키지 않은 시험체의 단순 재령 증가에 따른 UPV값의 상대적 증가율을 계산하여 비교하였다. 각각의 계산된 결과를 그래프로 나타낸 것이 Fig.
이론/모형
페이스트 시험체는 KS L 5109 방법의 따라 배합하였고, 물결합재 비(W/b)는 0.5이다. OPC-GGBFS-FA의 삼성분계 시험체의 자기치유 특성을 살펴보기 위해 20°C의 담수와 해수에 침지하였다.
본 연구에서는 자기치유 효과를 검토하는 방법으로 초음파속도(ultrasonic pulse velocity, UPV)를 측정하였다. UPV를 사용한 방법은 시험체의 내부 상태를 간접적으로 확인할 수 있는 방법 중 하나로 널리 사용되는 방법이다.
성능/효과
또한 H4의 경우 재령 28일에서 상대적으로 H8보다 낮은 강도와 UPV를 나타내지만 재령이 증가함에 따라 가파른 UPV 증가를 나타내고 있다. H4의 91일 시험체중 일부 시험체는 H8보다 더 큰 강도를 나타내지만 UPV 값은 상대적으로 낮게 나타나고 있는데, 이는 미수화 GGBFS와 FA의 충진효과에 기인하는 것으로 판단된다.
2는 TBC의 담수와 해수에 침지한 시험체에 대한 UPV 측정 결과를 나타낸 것이다. 담수와 해수에 침지한 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체 모두 각각의 UPV 측정시점에서 측정한 값은 OPC의 UPV 보다 작게 나타났다. 이는 OPC 100%인 시험체보다 혼화재료인 GGBFS 와 FA를 치환하였을 때 상대적으로 OPC 보다 느린 수화반응과 미수화 입자들의 영향에 의해 치밀한 조직의 형성이 지연되기 때문이다(Berodier and Scrivener, 2015).
또한 동일한 OPC 비율에서 GGBFS-FA의 혼합비에 따른 UPV 특성은, GGBFS의 치환율이 감소함에 따라(FA 치환율이 증가함에 따라) UPV는 감소하였다. 40% OPC의 H4 series > 60% OPC의 H6 series > 80% OPC의 H8 series 순서로 GGBFS-FA 치환율의 비에 따른 UPV 감소가 크게 나타났다. 이는 H4-1~H4-5의 UPV 감소 기울기가 가장 가파르고, 그다음이 H6-1~H6-5의 UPV의 감소 기울기, 그리고 H8-1~H8-5의 기울기가 가장 완만하게 나타난 것을 통해 알 수 있다.
시험체 내부에 공극이 많을수록 UPV는 감소한다. 따라서 FA보다 GGBFS가 많이 혼합된 배합일수록 상대적으로 높은 UPV값을 나타낸다. Şahmaran et al.
100% OPC와 모든 TBC 배합에서 침지 후 30일까지의 UPV증가율(ΔUPVINT-30, ΔUPVCRK-30) 이 30일부터 60일까지의 UPV 증가율(ΔUPV30-60)보다 크게 나타났다. 이는 침지 후 초기 30일까지 균열을 발생시키지 않은 시험체는 재령에 의한 UPV 증가 효과가, 균열을 발생시킨 시험체의 경우는 자기치유 효과에 의한 UPV 증가가 가장 활발하게 일어나고 있다는 것을 나타낸다. 균열을 발생시킨 시험체의 UPV 증가율은 Huand et al.
3(a)에서 H8-1에서 H8-5까지 GGBFS의 치환율이 감소함에 따라 완만한 기울기로 ΔUPV30-60가 증가하고 있다. H6 series와 H4 series도 이와 유사하게 GGBFS의 치환율이 감소함에 따라 ΔUPV30-60가 완만하게 증가하고 있다. 그러나 해수에 침지한 시험체들은(Fig.
그러나 해수에 침지한 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체에서 H4는 ΔUPV30-60이 완만하게 감소하는 것에 대한 원인은 아직까지 명확하지 않다. 다른 배합에 비해 상대적으로 OPC보다 상당히 높은 GGBFS-FA 배합률(60%)은 자기치유 효과를 나타내기 위해 GGBFS 또는 FA가 충분히 수화될 수 있는 환경을 조성하는데 긴 시간이 필요할 것으로 생각된다. 본 연구의 결과를 볼 때 담수와 달리 해수에서는 다른 혼화재료와 비교하여 상대적으로 FA의 치환율이 증가할 때 UPV 증가율을 낮아지는 것으로 판단된다.
다른 배합에 비해 상대적으로 OPC보다 상당히 높은 GGBFS-FA 배합률(60%)은 자기치유 효과를 나타내기 위해 GGBFS 또는 FA가 충분히 수화될 수 있는 환경을 조성하는데 긴 시간이 필요할 것으로 생각된다. 본 연구의 결과를 볼 때 담수와 달리 해수에서는 다른 혼화재료와 비교하여 상대적으로 FA의 치환율이 증가할 때 UPV 증가율을 낮아지는 것으로 판단된다. 이러한 경향은 특히 침지 30일에서 측정한 UPV 증가율(ΔUPVINT-30, ΔUPVCRK-30)에서 확연히 나타난다.
Fig. 3의 UPV 증가율의 결과를 비교하여 볼 때 GGBFS-FA 혼합률에 따라 자기치유 효과가 일정 침지시기와 배합에서 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 자기치유 효과 검토를 위해 GGBFS와 FA를 사용한 선행연구에서도 유사한 결과가 나타났다(Liu and Zuo, 2011).
자기치유 효과 검토를 위해 GGBFS와 FA를 사용한 선행연구에서도 유사한 결과가 나타났다(Liu and Zuo, 2011). 특히 GGBFS가 FA와 비교하여 상대적으로 자기치유 효과를 증가시키는데 긍정적인 역할을 하는 것으로 나타났다. GGBFS의 자기치유 효과 향상은 Tittelboom et al.
(2012)의 연구결과에서도 확인할 수 있는데, 본 연구에서도 Fig. 3에서 나타나듯GGBFS를 혼합한 시험체의 UPV 증가율이 100% OPC 보다 향상된 결과가 나타났다.
이는 OPC의 혼합률이 감소함에 따라 상대적으로 GGBFS-FA의 혼합률이 증가하고 그에 따라 수화반응의 지연과 미수화 입자의 증가 때문에 재령의 증가에 따른 UPV 증가효과가 자기치유효과 보다 커졌거나 재령과 자기치유 효과 모두 충분히 나타나지 않았기 때문으로 생각된다. 따라서 GGBFS-FA의 혼합률이 증가하는 배합의 경우에는 자기치유 효과와 재령의 증가에 따른 UPV 향상에 함께 영향을 미치지만, 자기치유 효과가 재령효과보다 커지는 것을 확연히 관찰할 때까지는 침지 60일 이상의 장기간의 침지가 필요할 것으로 판단된다.
1) OPC-GGBFS-FA의 삼성분계 시험체에서 OPC의 혼합률이 감소함에 따라(GGBFS-FA 혼합률이 증가함에 따라) UPV 증가율(ΔUPV)이 증가하고 있었다. 이는 GGBFS-FA 등의 혼화재료가 자기치유 효과를 향상시키는 것으로 나타났다.
1) OPC-GGBFS-FA의 삼성분계 시험체에서 OPC의 혼합률이 감소함에 따라(GGBFS-FA 혼합률이 증가함에 따라) UPV 증가율(ΔUPV)이 증가하고 있었다. 이는 GGBFS-FA 등의 혼화재료가 자기치유 효과를 향상시키는 것으로 나타났다. 그러나 GGBFS가 많은 배합의 시험체가 FA가 많은 배합보다 상대적으로 UPV 증가율이 크게 나타나 자기치유에는 GGBFS의 혼합률을 적정 수준까지 증가시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
이는 GGBFS-FA 등의 혼화재료가 자기치유 효과를 향상시키는 것으로 나타났다. 그러나 GGBFS가 많은 배합의 시험체가 FA가 많은 배합보다 상대적으로 UPV 증가율이 크게 나타나 자기치유에는 GGBFS의 혼합률을 적정 수준까지 증가시키는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
2) 담수와 해수 모두침지 30일까지의 UPV 증가율이 침지 30일에서 60일까지의 UPV 증가율보다 크게 나타났다. 이는 균열 발생 후 약 30일까지 균열의 자기치유 효과가 가장 크고 이후에는 감소하는 것으로 생각된다.
3) 침지 30일과 침지 30일에서 60일까지의 UPV 증가율은 담수보다 상대적으로 해수에서 크게 나타났다. 이는 해수에 포함된 다양한 이온들이 균열면의 자기치유에 긍정적인 효과를 나타내는 것으로 판단된다.
UPV 측정을 통해 자기치유 효과를 측정할 수 있었으며, 담수와 해수 모두 침지 후 30일까지 자기치유 효과가 재령효과보다 크고, 담수보다는 해수가 균열면의 자기치유에 긍정적인 효과를 나타내었다.
후속연구
균열을 발생시킨 시험체(cracked specimens)의 UPV는 균열의 영향까지 추가적으로 고려해야 한다. 따라서 동일 배합의 시험체에 대해 동일한 재령에서 측정한 UPV의 차이를 통해 단순한 재령에 의한 UPV 변화와 자기치유에 의한 변화를 계산하여 재령 효과를 고려한 자기치유 효과를 검토할 수 있을 것으로 생각하였다.
본 연구는 담수와 해수에 침지된 TBC의 자기치유 효과를 UPV를 사용하여 측정하는 것으로써, 해수에 포함된 다양한 이온들이 자기치유에 어떤 효과와 작용을 하는지, 그 메커니즘에 대한 연구는 후속연구가 필요하다.
이는 균열 발생 후 약 30일까지 균열의 자기치유 효과가 가장 크고 이후에는 감소하는 것으로 생각된다. 따라서 균열 발생 초기에 적절한 환경을 제공하여 자기치유 효과를 높일 수 있도록 해야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
삼성분계 시멘트는 무엇인가?
보통포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement; OPC)를 기반으로 하는 삼성분계 시멘트(ternary blended cement; TBC)는 OPC의 일부는 플라이애시(fly ash; FA), 고로슬래그 미분말(ground granulated blast furnace slag; GGBFS), 실리카 퓸(silica fume; SF) 등의 산업부산물을 치환한 시멘트이다. 이러한 TBC는 OPC의 사용량을 줄이고, 산업부산물의 활용을 통해, 산업부산물의 재처리와 매립 등의 폐기과정에서 발생하는 환경오염과 비용을 저감하고 건설재료의 활용분야와 성능 향상을 함께 고려할 수 있는 시멘트로 많은 연구가 되고 있다.
삼성분계 시멘트는 무엇을 기반으로 하는가?
보통포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement; OPC)를 기반으로 하는 삼성분계 시멘트(ternary blended cement; TBC)는 OPC의 일부는 플라이애시(fly ash; FA), 고로슬래그 미분말(ground granulated blast furnace slag; GGBFS), 실리카 퓸(silica fume; SF) 등의 산업부산물을 치환한 시멘트이다. 이러한 TBC는 OPC의 사용량을 줄이고, 산업부산물의 활용을 통해, 산업부산물의 재처리와 매립 등의 폐기과정에서 발생하는 환경오염과 비용을 저감하고 건설재료의 활용분야와 성능 향상을 함께 고려할 수 있는 시멘트로 많은 연구가 되고 있다.
TBC 페이스트의 자기치유 능력은 GGBFS의 혼합률이 증가함에 따라 증가한 이유는 무엇인가?
시험결과에 따르면 TBC 페이스트의 자기치유 능력은 GGBFS의 혼합률이 증가함에 따라 증가하였다. 이는 GGBFS와 FA는 재령 28일 이후에도 계속해서 수화가 진행되는데, GGBFS와 FA의 수화반응 물질들이 미세구조의 변화와 균열을 폐합한다. 이러한 결과들로부터, 균열을 발생시킨 모든 시험체에서 자기치유가 일어났고 이는 침지 30일에서 가장 많이 발생하였다.
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