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고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트의 프랙탈 특성에 관한 기초적 분석
Basic Analysis on Fractal Characteristics of Cement Paste Incorporating Ground Granulated Blast Furnace Slag 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.29 no.1, 2017년, pp.101 - 107  

김지영 (중앙대학교 토목공학과) ,  최영철 (가천대학교 건축공학과) ,  최성철 (중앙대학교 건설환경플랜트공학과)

초록
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본 연구는 시멘트계 재료의 프랙탈 특성에 관한 기초적 연구로써, 고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트의 공극 구조를 수은압입법을 이용하여 측정하였고, 측정된 결과를 프랙탈 모델에 적용하여 그 특성을 분석하였다. 분석 결과, 고로슬래그미분말 혼입 시멘트 페이스트의 공극 구조는 그 범위가 나노미터부터 밀리미터 단위까지 다양하게 분포하는 불규칙한 조직이기 때문에, 전체 영역에 대한 프랙탈 차원을 산정했을 때 각 공극 영역의 특성을 반영할 수 없다. 따라서 프랙탈 차원 산정 시 공극 영역을 나누어서 분석하였다. Zhang and Li (1995) model을 적용했을 때, 시멘트와 GGBFS의 수화반응 결과 생성된 C-S-H 내의 gel pores 및 small capillary pores에 해당하는 micro 영역과 large capillary pores에 해당하는 macro 영역에서 각각 프랙탈 특성이 나타나는 결과를 보였다. 또한 macro 영역보다 micro 영역의 공극 표면이 더 불규칙한 형상을 나타내었다. Ji et al. (1997) model을 적용할 경우, micro 영역이 C-S-H 내의 gel pores에 해당하는 micro I과 small capillary pores에 해당하는 micro II로 구분되었으며, 각각의 프랙탈 특성이 산정되었다. 또한 Zhang and Li (1995) model을 결과와 유사하게, macro, micro II, micro I의 순서대로 공극 크기가 작아질수록 VFD 결과 값이 감소하였으며, 이는 곧 공극의 복잡성이 증가함을 나타낸다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study aimed to conduct the basic analysis on the fractal characteristics of cementitious materials. The pore structure of cement paste incorporating ground granulated blast furnace slag (GGBFS) was measured using mercury intrusion porosimetry (MIP) and the fractal characteristics were investiga...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 프랙탈 기하학을 이용하여 시멘트계 재료의 공극 구조의 특성을 연구하기 위하여, 먼저 수은압입법을 이용하여 GGBFS 혼입 시멘트 페이스트의 공극 구조를 측정하였다. 측정 결과를 SFD를 산정하는 Zhang and Li (1995) model과 VFD를 산정하는 Ji et al.

가설 설정

  • 위의 식에 의하면 프랙탈 차원인 D값이 공극 표면적과 관계되기 때문에 Zhang and Li (1995) model에 의한 프랙탈 차원은 수화 반응이 진행되는 과정에서 변화하는 공극 표면의 surface fractal dimension이다. 또한 프랙탈 기하학 이론에 의하면, D값이 2일 때는 2차원인 면과 같이 공극 표면이 매끄러운 형상이고, D값이 3일 때는 공극이 매우 복잡하게 채워져 있는 형상을 의미하므로,14) Zhang and Li (1995) model을 이용해서 SFD를 산정할 때 이 값을 2와 3 사이라고 가정하고, 이 값이 3 이상일 경우에는 기하학적인 관점에서 물리적이지 않다고 판단 한다.10)
  • 수화 생성물이 채워지기 전의 공극을 단위 체적을 가진 정육면체 모양이고, 한 변이 m-1인 작은 정육면체 m3개로 나눠진다고 가정한다. 두 번째 단계에서, 수화반응이 진행되어 고체상의 n개(단, n<m3)의 작은 정육면체 모양의 수화 생성물이 공극을 채우면, (m3-n)개의 작은 정육면체 모양의 공극이 빈 공간으로 남게 된다.
  • 프랙탈 기하학의 원리에 따라 공극 구조의 프랙탈 차원을 D라고 가정하고, 전체 공극에 채워질 수 있는 공기 분자의 총 개수는 식 (11)과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시멘트계 재료의 공극 구조를 특징지을 수 있는 새로운 방법으로 프랙탈 기하학을 적용한 연구가 진행되는 이유는? 시멘트계 재료의 공극 구조 또한 그 크기가 C-S-H 수화생 성물의 집합체 및 inter-granular pore의 나노미터 단위부터 entrapped air void의 밀리미터 단위까지 넓게 분포하고 있는 불규칙한 조직으로 형성되어 있기 때문에, 7) 위에서 언급한 이상적인 프랙탈 기하학 구조보다는 더 복잡한 구조이다. 5) 그러나 공극률, 공극 크기 분포, 비표면적 등과 같이 실험적인 방법을 이용해서 공극 구조를 특징 지을 수 있는 변수들을 통해서 그 특성을 명확히 파악하는데는 어려움이 있기 때문에,8) 최근 시멘트계 재료의 공극 구조를 특징지을 수 있는 새로운 방법으로 프랙탈 기하학을 적용한 연구가 다수 진행되어 왔다.5,8) 
Fractal geometry란 무엇인가? Fractal geometry는 Mandelbrot (1979)에 의해 처음 도입된 개념으로, 1차원인 선, 2차원인 면, 3차원인 공간과 같이 정수의 차원으로 나타내어질 수 없는 불규칙적인 구조를 기하학적인 언어를 이용하여 특징 짓는 분야이며,1) 다수의 연구 자에 의해 다공성 재료의 특성을 연구하기 위해 적용되어 왔다. 2-4) 이와 같이 정수가 아닌 소수의 차원으로 나타낼 수 있는 이론적인 모델로는 Cantor bar, Koch curve, Sierpinski carpet 등이 있으며, 이와 같은 모델들은 Fig.
고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트의 공극구조를 수은압입법을 이용하여 측정하고 결과를 분석한 결과는? 본 연구는 시멘트계 재료의 프랙탈 특성에 관한 기초적 연구로써, 고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트의 공극 구조를 수은압입법을 이용하여 측정하였고, 측정된 결과를 프랙탈 모델에 적용하여 그 특성을 분석하였다. 분석 결과, 고로슬래그미분말 혼입 시멘트 페이스트의 공극 구조는 그 범위가 나노미터부터 밀리미터 단위까지 다양하게 분포하는 불규칙한 조직이기 때문에, 전체 영역에 대한 프랙탈 차원을 산정했을 때 각 공극 영역의 특성을 반영할 수 없다. 따라서 프랙탈 차원 산정 시 공극 영역을 나누어서 분석하였다.
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참고문헌 (16)

  1. Mandelbrot, B. B., Fractals: Form, Chance, and Dimension, WH Freeman and Co, New York, 1979. 

  2. Avnir, D., Farin, D., and Pfeifer, P., "Molecular Fractal Surfaces", Nature, Vol. 308, No. 5956, 1984, pp. 261-263. 

  3. Neimark, A. V., "Calculating Surface Fractal Dimensions of Adsorbents", Adsorption Science & Technology, Vol. 7, No. 4, 1990, pp. 210-219. 

  4. Pfeifer, P., and Avnir, D., "Chemistry in Noninteger Dimensions Between Two and Three I. Fractal Theory of Heterogeneous Surfaces", The Journal of chemical physics, Vol. 79, No. 7, 1983, pp. 3558-3565. 

  5. Zeng, Q., Li, K., Fen-Chong, T., and Dangla, P., "Surface Fractal Analysis of Pore Structure of High-volume Fly-ash Cement Pastes", Applied Surface Science, Vol. 257, No. 3, 2010, pp. 762-768. 

  6. Won, J. P., and Kim, S. A., "Crack Growth Behaviors of Cement Composites by Fractal Analysis", International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol. 14, No. 1, 2002, pp. 30-35. 

  7. Monteiro, P., Concrete: Microstructure, Properties, and Materials, McGraw-Hill Publishing, 2006. 

  8. Zeng, Q., Luo, M., Pang, X., Li, L., and Li, K., "Surface Fractal Dimension: an Indicator to Characterize the Microstructure of Cement-based Porous Materials" Applied Surface Science, Vol. 282, 2013, pp. 302-307. 

  9. Gao, Y., Wu, K., and Jiang, J., "Examination and Modeling of Fractality for Pore-solid Structure in Cement Paste: Starting from the mercury intrusion porosimetry test", Construction and Building Materials, Vol. 124, 2016, pp. 237-243. 

  10. Zhang, B., and Li, S., "Determination of the Surface Fractal for Porous Media by Mercury Porosimetry", Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 34, No. 4, 1995, pp. 1383-1386. 

  11. Ji, X., Chan, S. Y. N., and Feng, N., "Fractal Model for Simulating the Space-filling Process of Cement Hydrates and Fractal Dimensions of Pore Structure of Cement-based Materials", Cement and Concrete Research, Vol. 27, No. 11, 1997, pp. 1691-1699. 

  12. Rootare, H. M., and Prenzlow, C. F., "Surface Areas from Mercury Porosimeter Measurements", The Journal of physical chemistry, Vol. 71, No. 8, 1967, pp. 2733-2736. 

  13. Mandelbrot, B. B., The Fractal Geometry of Nature, Freeman: New York, 1982, pp. 109-115. 

  14. Jackson, S. D., Kennedy, D. R., Lennon, D., and Webb, G., "Reaction Kinetics and the Development of Catalytic Processes", Studies in Surface Science and Catalysis, Vol. 122, 1999, pp. 149-155. 

  15. Kim, T. S., Jung, S. H., Choi, Y. C., and Song, H. W., "An Experimental Study on Relation between Chloride Diffusivity and Microstructural Characteristics for GGBS Concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 21, No. 5, 2009, pp. 639-647. 

  16. Li, K., Zeng, Q., Luo, M., and Pang, X., "Effect of Self-desiccation on the Pore Structure of Paste and Mortar Incor-Porating 70% GGBS", Construction and Building Materials, Vol. 51, 2014, pp. 329-337. 

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