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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 순환골재 콘크리트의 성능향상을 위한 일환으로 국내에서 생산되는 나일론섬유를 보강재로 적용하기 위한 연구를 착안하게 되었으며, 순환 굵은골재 콘크리트에 나일론섬유를 각각 3단계로 혼입량을 달리하여 공시체를 제조하였으며, 콘크리트의 역학적 성능, 내구성 및 미세조직구조를 실험적으로 평가하였다. 본 연구를 통하여 얻은 실험결과는 향후 섬유보강 순환골재 콘크리트의 최적설계를 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
제안 방법
- 본 연구에서는 6종류 콘크리트의 표면투수 특성을 평가하기 위하여 흡수율 실험을 수행하였으며, 콘크리트 종류별 재령 28일에서 실험결과를 상호 비교하여 Fig. 4와 같이 나타내었다.
- 수중양생한 ∅100×200 mm 원주형 공시체를 대상으로 KS F 2405 및 2423에 준하여 재령 7, 28 및 91일에서 콘크리트의 압축강도 및 쪼갬 인장강도 실험을 실시하였다.
- 콘크리트 제조를 위하여 NA 및 RA를 굵은골재로 적용하였으며, NF의 혼입량을 3단계(0, 0.6 및 1.2 kg/m3)로 조절하여 총 6배합의 공시체를 제작하였다. 이때, 기준 콘크리트(NAC-F1)의 설계기준강도는 24 MPa로 하였다.
대상 데이터
- Fig. 1과 같이 본 연구에 사용된 국내 K사의 나일론 섬유(NF: nylon fiber)는 분산성을 향상시키기 위하여 섬유표면에 분산제를 코팅하여 사용하였다. 본 연구에 사용된 NF의 물리적 성질은 Table 3과 같다.
- 본 연구에서는 KS L 5201에 준하는 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였으며, OPC의 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 잔골재는 밀도 2.65 g/cm3 , 흡수율 0.98% 및 조립률 2.80인 강모래(sand)를 사용하였으며, 천연 굵은골재 (NA: natural coarse aggregate)는 밀도 2.64 g/cm3 , 흡수율 0.66 %, 최대치수 25 mm인 부순 굵은골재를 사용하였다. 한편, 순환 굵은골재(RA: recycled coarse aggregate) 는 전주 J사에서 분쇄, 세척 및 분류과정을 거친 골재 중체가름시험을 통하여 부순 굵은골재와 마찬가지로 최대 치수 25 mm가 되도록 입도조정하여 사용하였다.
- 콘크리트의 적절한 유동성((150±20) mm) 및 공기량 ((4.5±1.5) %)을 확보하기 위하여 PC계열 고성능감수제 (SP제) 및 공기연행제(AE제)를 사용하였다.
- 콘크리트의 조직구조 및 수화생성물을 관찰하기 위하여 수중에서 28일간 양생한 콘크리트 샘플을 대상으로 XL30ESEM(P사)을 이용하여 확대촬영을 실시하였다.
이론/모형
- ASTM C 1585에 준하여 콘크리트의 흡수율 실험을 실시하였으며, 재령 28일 시편을 대상으로 초기흡수계수(Si : initial absorption coefficient)를 산정하였다.
- 콘크리트 중에 생성된 수화물질 및 ITZ를 정성적으로 평가하기 위하여 SEM 기법을 이용하여 조직구조를 조사하였으며, 이를 Fig. 7 - 10에 나타내었다.
- 콘크리트의 통과전하량은 ASTM C 1202에 준하여 두께 ∅100×50 mm의 공시체를 대상으로 하여 측정하였다. 시험체 양단에 60V의 직류전압을 6시간 동안 통전시키면서 시험체에 흐르는 전류를 데이터 로거를 이용하여 30분 간격으로 측정하였으며, 측정된 전류로부터 시간에 대한 전류의 적분 값을 취하여 식 (2)로 총 통과 전하량을 산정하였다.
- 콘크리트의 투수공극량 시험은 ASTM C 642에 준하여 공시체 중량 800 g을 초과하지 않는 범위에서 공시체 두께를 20 mm로 정하여 절단한 후 표면건조포화상태 중량(Wssd), 수중중량(Wsusp) 및 노건조상대 중량(Wdry)을 측정한 후, 다음 식 (1)과 같이 투수공극량(Pwat)을 계산하였다.
성능/효과
- 2 kg/m3 적용한 콘크리트의 미세조직구조를 나타낸 것이 Fig. 10으로써 균열생성 부위에 NF가 가교작용을 함으로써, 순한 굵은골재 콘크리트의 역학적 성능 및 내구성능 향상에 크게 기여한 것으로 판단된다.
- 2. 재령 28일 콘크리트의 흡수율을 측정한 결과, RAC가 NAC에 비하여 상대적으로 큰 흡수율을 나타내었으나, NF 혼입에 따른 RAC의 표면 흡수율 개선 효과는 오히려 NAC보다 상대적으로 작은 것으로 관찰되었다.
- 3. RAC계 콘크리트는 순환 굵은골재 중 부착모르타르의 영향으로 NAC계 콘크리트보다 재령에 관계없이 투수공극량 및 총통과전하량이 크게 나타났으며, NF를 혼입함에 따라 콘크리트의 염소이온 침투저항성이 크게 개선되는 효과를 나타내었다
- 2 kg/m3 사용한 콘크리트(RAC-F3)의 총통과전하량이 부순골재 사용 콘크리트(NAC-F1) 보다 오히려 작은 값을 보임으로써, 순환 굵은골재 콘크리트의 염소이온 침투저항성에 대한 NF의 효과가 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 나일론섬유를 순환 굵은골재 콘크리트에 적용할 경우, 친수성 섬유의 균열 가교효과 (bridge effect)에 따른 시멘트 경화체와의 부착력 증대로 인하여 콘크리트 내부조직의 밀실도가 증가하는 것으로 나타났다[10]. 이러한 실험결과는 Jeon 등의 연구결과[11]에서도 유사하게 나타나는 것으로 보고되고 있다.
- 이와 같이 콘크리트에 NF를 혼입한 콘크리트의 압축 및 인장강도가 큰 이유는 나일론 섬유가 친수성으로 인한 강한 수소 결합력을 유도함으로써, 콘크리트와 섬유간의 부착력을증진시켰기 때문으로 판단된다[6]. 또한 NF의 강도증진 효과는 순환 굵은골재 사용 콘크리트에서 더욱 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다.
- 4와 같이 나타내었다. 측정결과, 순환 굵은골재 사용 콘크리트가 부순 굵은골재 사용 콘크리트에 비하여 상대적으로 큰 흡수율을 나타내었으며, NF 혼입량도 콘크리트의 표면 흡수특성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, NAC의 흡수율은 NF 혼입량이 증가함에 따라 크게 감소하는 반면, RAC는 NF 혼입량에 따른 표면 흡수율 개선 효과가 상대적으로 크지 않은 것으로 나타났으며, 이는 Fig.
- 4. 콘크리트의 미세조직구조를 고찰한 결과, RAC가 NAC에 비하여 미세균열이 상대적으로 많이 존재하였으며, ITZ도 상대적으로 크게 나타났다. 또, RAC에 NF를 적절하게 혼입할 경우, NF의 가교효과(bridge effect)로 인하여 콘크리트의 역학적 성능 및 내구성이 크게 향상될 것으로 기대된다.
- 1. 콘크리트의 압축강도에 대한 NF의 영향을 조사한 결과, NF 혼입량이 증가함에 따라 콘크리트의 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, NAC보다 RAC에서 NF 혼입량에 따른 강도 증대효과가 더 크게 나타났다. 또한, 이러한 경향은 쪼갬 인장 강도 측정결과와도 어느 정도 유사하게 나타났다.
후속연구
- 콘크리트의 미세조직구조를 고찰한 결과, RAC가 NAC에 비하여 미세균열이 상대적으로 많이 존재하였으며, ITZ도 상대적으로 크게 나타났다. 또, RAC에 NF를 적절하게 혼입할 경우, NF의 가교효과(bridge effect)로 인하여 콘크리트의 역학적 성능 및 내구성이 크게 향상될 것으로 기대된다.
- 따라서, 본 연구에서는 순환골재 콘크리트의 성능향상을 위한 일환으로 국내에서 생산되는 나일론섬유를 보강재로 적용하기 위한 연구를 착안하게 되었으며, 순환 굵은골재 콘크리트에 나일론섬유를 각각 3단계로 혼입량을 달리하여 공시체를 제조하였으며, 콘크리트의 역학적 성능, 내구성 및 미세조직구조를 실험적으로 평가하였다. 본 연구를 통하여 얻은 실험결과는 향후 섬유보강 순환골재 콘크리트의 최적설계를 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
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