탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트의 수화 특성에 관한 연구 The Experimental Study on Hydration Properties of Quaternary Component Blended High Fluidity Concrete with CO2 Reduction원문보기
본 논문에서는 탄소저감을 위한 산업부산물 사용 증대 및 시공성능 향상을 위하여 시멘트 사용량을 80% 이상 감소시킨 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트(QC-HFC)를 제조하여 품질특성 및 수화특성 평가를 수행하였다. QC-HFC의 품질은 목표 성능을 만족하는 결과를 얻을 수 있었으며, 유동 및 역학특성의 경우 기존에 적용되는 콘크리트와 유사한 수준인 것으로 나타났다. QC-HFC의 건조수축은 기존 배합과 비교하여 약 2배 이상, 수화열의 경우 약 36% 감소하는 것으로 결과가 나타났으며, 그 결과 수화열 저감 효과에 따른 온도응력 감소, 상대적으로 작은 내외부 온도차로 인한 변형 감소로 균열 발생량을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 매스 구조물의 시뮬레이션을 실시한 결과 온도균열지수 1.1 이상으로 균열발생 확률이 약 35% 감소하는 결과가 나타남에 따라 온도에 의한 균열을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서는 탄소저감을 위한 산업부산물 사용 증대 및 시공성능 향상을 위하여 시멘트 사용량을 80% 이상 감소시킨 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트(QC-HFC)를 제조하여 품질특성 및 수화특성 평가를 수행하였다. QC-HFC의 품질은 목표 성능을 만족하는 결과를 얻을 수 있었으며, 유동 및 역학특성의 경우 기존에 적용되는 콘크리트와 유사한 수준인 것으로 나타났다. QC-HFC의 건조수축은 기존 배합과 비교하여 약 2배 이상, 수화열의 경우 약 36% 감소하는 것으로 결과가 나타났으며, 그 결과 수화열 저감 효과에 따른 온도응력 감소, 상대적으로 작은 내외부 온도차로 인한 변형 감소로 균열 발생량을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 매스 구조물의 시뮬레이션을 실시한 결과 온도균열지수 1.1 이상으로 균열발생 확률이 약 35% 감소하는 결과가 나타남에 따라 온도에 의한 균열을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
In this paper, to increase the use of industrial byproducts for $CO_2$ reduction and to improve construction performance, it was manufactured that $CO_2$ reduction type quaternary component high fluidity concrete (QC-HFC) with Reduced cement usage by more than 80% and its quali...
In this paper, to increase the use of industrial byproducts for $CO_2$ reduction and to improve construction performance, it was manufactured that $CO_2$ reduction type quaternary component high fluidity concrete (QC-HFC) with Reduced cement usage by more than 80% and its quality and hydration characteristics were evaluated. QC-HFC was found to satisfy the target performance, and the flow and mechanical properties were similar to those of conventional concrete. The drying shrinkage of QC-HFC decreased about twice compared with the conventional blend, and the hydration heat decreased about 36%. As a result, it can be concluded that the amount of cracks can be reduced by reducing temperature stress due to hydration heat reduction effect and reducing deformation due to relatively small temperature difference between inside and outside. Also, As a result of the simulation of the mass structure, the temperature cracking index of QC-HFC is 1.1 or more, and the cracking probability is reduced by about 35%, so that the crack due to temperature can be reduced.
In this paper, to increase the use of industrial byproducts for $CO_2$ reduction and to improve construction performance, it was manufactured that $CO_2$ reduction type quaternary component high fluidity concrete (QC-HFC) with Reduced cement usage by more than 80% and its quality and hydration characteristics were evaluated. QC-HFC was found to satisfy the target performance, and the flow and mechanical properties were similar to those of conventional concrete. The drying shrinkage of QC-HFC decreased about twice compared with the conventional blend, and the hydration heat decreased about 36%. As a result, it can be concluded that the amount of cracks can be reduced by reducing temperature stress due to hydration heat reduction effect and reducing deformation due to relatively small temperature difference between inside and outside. Also, As a result of the simulation of the mass structure, the temperature cracking index of QC-HFC is 1.1 or more, and the cracking probability is reduced by about 35%, so that the crack due to temperature can be reduced.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 탄소저감을 극대화하기 위한 방안으로 시멘트의 80%를 산업부산물로 대체하고자 하였으며, 최근 콘크리트 구조물의 대형화, 고층화 및 특수화됨에 따라 복잡한 부재의 형상에 따른 시공 및 품질성능 확보를 위하여 다짐작업 없이 자중만으로 거푸집 구석구석 밀실하게 충전이 가능한 탄소저감형 고유동 콘크리트를 제조하여 실제 대형 구조물 현장의 콘크리트 품질 및 수화특성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 탄소저감을 극대화하고 대형 구조물에 적용 가능한 콘크리트를 제조하기 위하여 시멘트의 80%를 산업부산물로 대체한 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트를 제조하였으며, 현장 품질 및 조건들을 반영하여 수화 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
본 연구에서는 사용된 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트(Quaternary Component blended High Fluidity Concrete, 이하, QC-HFC로 약함)는 분체량을 통하여 점성을 확보하는 매커니즘을 가진 분체계 고유동 콘크리트를 대상으로 하였으며, 각각의 분체를 적용한 콘크리트를 제조하였다. QC-HFC의 배합은 선행연구(Cho 2015)를 통하여 실내시험 결과 중 적합한 배합 1수준을 선정하여 실제 현장에 적용되는 기존 고유동 배합(Plain High Fluidity Concrete, 이하, P-HFC로 약함)과 상대비교를 수행하였다. Table 4는 실제 대형 구조물 현장에 적용된 배합표를 나타낸 것이다.
QC-HFC의 수화열 해석은 현장 콘크리트 구조물의 측정된 결과 값과 단열온도 상승시험을 통한 함수를 이용하여 MIDAS 프로그램을 활용한 수화열 해석을 시공단계에 따라 해석하였으며, 일반적인 변수 값은 콘크리트 시방서에서 제시한 값을 사용하여 실제 시간대별 온도 데이터를 반영한 수화특성을 평가하였다.
QC-HFC의 수화열은 온도응력이 크게 작용될 것으로 예측되는 매트 기초 부 끝단지점에서 표면부 및 중앙부분에 온도측정 게이지를 매립하여 수화열을 측정하였다.
QC-HFC의 측정된 결과 값을 이용하여 MIDAS 프로그램을 활용한 매스 구조물 해석을 수행하였다. 평판 콘크리트 기초 구조물의 수화특성을 시공단계에 따라 해석하였으며, 실제 시간대별 온도 데이터를 적용하여 매스 구조물의 수화열해석을 수행하였다. 해석모델 및 조건은 Table 5에 나타내었으며, Table 6은 수화열 해석에 사용된 제원 및 변수 값을 나타낸 것이다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 고성능 감수제는 콘크리트의 유동성확보를 위하여 국내 S사의 폴리칼본산계 고성능 감수제(이하, SP로 약함) 고형분 34% 타입을 선정하였다. SP제의 사용량은 분체 질량에 대하여 0.
본 연구에서 사용된 밀도 2.62g/cm3의 강모래(이하, RS로 약함)와 밀도 2.61g/cm3의 부순 모래(이하, CS로 약함)를 50%씩 혼합 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 20mm인 밀도 2.62g/cm3의 화강암질 부순골재(이하, G로 약함)를 사용하였다. Table 2는 실험에 사용된 골재의 물리적 특성을나타낸 것이다.
본 연구에서 사용된 분체는 보통포틀랜드시멘트(이하, OPC로 약함)와 플라이애시(이하, FA로 약함) 및 고로슬래그미분말(이하, GGBF로 약함)을 사용하였으며, 강도 조절을 위하여 미반응성 광물질인 탄산칼슘(이하, LSP로 약함)을 사용하였다. 사용된 각 분체의 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 사용된 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트(Quaternary Component blended High Fluidity Concrete, 이하, QC-HFC로 약함)는 분체량을 통하여 점성을 확보하는 매커니즘을 가진 분체계 고유동 콘크리트를 대상으로 하였으며, 각각의 분체를 적용한 콘크리트를 제조하였다. QC-HFC의 배합은 선행연구(Cho 2015)를 통하여 실내시험 결과 중 적합한 배합 1수준을 선정하여 실제 현장에 적용되는 기존 고유동 배합(Plain High Fluidity Concrete, 이하, P-HFC로 약함)과 상대비교를 수행하였다.
데이터처리
QC-HFC의 측정된 결과 값을 이용하여 MIDAS 프로그램을 활용한 매스 구조물 해석을 수행하였다. 평판 콘크리트 기초 구조물의 수화특성을 시공단계에 따라 해석하였으며, 실제 시간대별 온도 데이터를 적용하여 매스 구조물의 수화열해석을 수행하였다.
이론/모형
QC-HFC의 공기량은 KS F 2421 “굳지 않은 콘크리트의 압력 법에 의한 공기함유량 시험방법”에 준하여 공기량을 평가하였다.
QC-HFC의 슬럼프 플로 500mm 도달시간은 KCI-CT103 “콘크리트의 슬럼프 플로 시험 방법”에 준하여 동적 재료분리 저항성을 평가하였다.
QC-HFC의 슬럼프 플로는 KS F 2594 “굳지 않는 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험방법”에 준하여 슬럼프 플로를 측정하였다.
QC-HFC의 압축강도는 KS F 2403 “콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법”에 준하여 제작하였으며, KS F 2405 “콘크리트의 압축강도” 시험방법에 준하여 재령에 따라 만능시험기(U.T.M)를 사용하여 0.6±0.4MPa/s의 속도로 하중을 재하하여 압축강도를 측정하였다.
성능/효과
1. 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트의 품질은 다량의 산업부산물을 사용하여 목표 성능을 만족하는 결과를 얻을 수 있었으며, 유동 및 역학특성의 경우 기존에 적용되는 콘크리트와 유사한 수준인 것으로 나타났다.
2. 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트의 건조수축은 기존 배합과 비교하여 약 2배 이상, 수화열의 경우 약 36% 감소하는 것으로 결과가 나타남에 따라 대체 적용할 경우 수화열저감 효과에 따른 온도응력 감소, 상대적으로 작은 내외부 온도차로 인한 변형 감소로 균열 발생량을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
3. 탄소저감형 4성분계 고유동 콘크리트의 매스 구조물의 시뮬레이션을 실시한 결과 온도균열지수 1.1 이상으로 균열발생 확률이 약 35% 감소하는 결과가 나타남에 따라 온도에 의한 균열을 저감시킬 수 있을 것으로 판단되며, 동등한 조건일 경우 기존의 콘크리트와 상대적으로 유리한 성능뿐만 아니라 다량의 산업부산물 사용에 따른 탄소저감 및 재료원가 저감으로 경제성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 3의 결과P-HFC와 QC-HFC의 슬럼프 플로는 600mm 이상으로 JSCE에서 제안된 고유동 콘크리트 등급 1등급인 것으로 나타났으며, 목표 슬럼프 플로 600mm 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
7%로 감소하는 결과가 나타났다. 이러한 결과를 통하여 기존 배합인 P-HFC에 대하여 QC-HFC를 대체 적용할 경우 수화열저감 효과가 있을 것으로 판단되며, 상대적으로 작은 내·외부 온도차로 인하여 온도응력에 따른 변형의 감소로 균열발생량이 저감될 것으로 판단된다.
후속연구
2 미만”으로 나타남에 따라 일반적인 토목 구조물의 범위를 만족하는 것으로 판단된다. 유해하진 않지만 균열 발생을 억제하기 위해서는 수화열 저감을 위하여 설계 크기, 타설 높이 조절 및 시공단계 조절 등의 대책이 필요할 것으로 판단된다. 또한 해석결과에 따르면 온도 응력 따른 온도응력이 3일내 허용 인장력 이내로 들어오므로 타설 3일 후 거푸집 탈형이 가능한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
온실가스 배출량이 높은 업종은 무엇인가?
2001년 5월 프랑스 파리에서 경제협력개발기구(OECD) 환경각료회의에서 공개된 ‘회원국의 환경상태 지표’에 따르면 국내 이산화탄소 배출량은 1980∼1998년 총 144%가 늘어났으며, 같은 기간 1인당 에너지 사용량의 증가율은 1위를 차지하는 것으로 나타남에(Kim 2006) 따라 온실가스 배출량 감소를 위하여 2020년까지 배출 전망치 기준 30%를 감축하기로 하였다. 다양한 산업분야에서 온실가스 배출량이 높은 업종은 화석에너지, 제철, 시멘트 및 석유화학인 것으로 조사되고 있으며(Lee 2012), 각각의 산업분야에서 대안을 제시하고 있는 실정이다.
건설 산업에서는 온실가스를 감축하기 위한 대안 중 하나로써 시멘트 저감을 꼽은 이유는 무엇인가?
건설 산업에서는 온실가스를 감축하기 위한 대안 중 하나로써 건설 산업에서 가장 많이 사용되는 시멘트를 저감하기 위한 대책을 강구하고 있다. 시멘트는 성형성과 경제성이 우수한 콘크리트의 주요 재료이며, 다량 사용되기 때문에 시멘트의 사용량을 감축할 수 있는 경우 온실가스 배출량을 크게 저감시킬 수 있다. 시멘트 제조 시 발생하는 이산화탄소는 1톤 생산 시 약 0.
시멘트 제조 시 발생하는 이산화탄소는 얼마인가?
시멘트는 성형성과 경제성이 우수한 콘크리트의 주요 재료이며, 다량 사용되기 때문에 시멘트의 사용량을 감축할 수 있는 경우 온실가스 배출량을 크게 저감시킬 수 있다. 시멘트 제조 시 발생하는 이산화탄소는 1톤 생산 시 약 0.8톤이 발생되는 것으로 알려져 있으며, 국내 전체 온실가스 배출량의 약 6.5%에 해당하는 수준이다.
참고문헌 (8)
Cho, J.H., Kim, Y.J., Oh, S.R., Choi, Y.W. (2015). The experimentalstudy on mixing and quality properties of quaternarycomponent blended high fluidity concrete with $CO_2$ reduction,Journal of Constrcution Engineering and Management, 3(3),268-276 [in Korean].
Choi, S.W., Cho, H.T., Yoo, D.H. (2006). "The Experimentalstudy on the heat hydration properties of concrete accordingto binder conditions," Proceeding of Korea Concrete Institute,Special Articles. 18(6), 769-776 [in Korean].
Han, H.S. (2017). A Study on the Properties of CO2-ReducingMulticomponent Concrete Containing Calcium Carbonate,Master's Thesis, Hanyang University [in Korean].
Kim, K.H. (2006). Study Environmental Design of Concretestuctures Constidering Reduced $CO_2$ emission, Master'sThesis, Yonsei University [in Korean].
Lee, B.K. (2012). Study on the Estabilshments to Strengthen Competitiveness in Korea Cement industry, Master's Thesis, Yonsei University [in Korean].
Lee, J.N. (2009). Study on the Hydration Heat Properties of High Flowing Self Compaction Concrete, Master's Thesis, Yonsei University [in Korean].
Nan, S. Miao, B. (2003). A new method for the mix disign of medium strength flowing concrete with low cement content, Cement and Concrete ComPosite, 25(2), 215-222 [in Korea].
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