고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트의 프랙탈 특성에 관한 기초적 분석 Basic Analysis on Fractal Characteristics of Cement Paste Incorporating Ground Granulated Blast Furnace Slag원문보기
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.
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.
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...
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 investigated using different models. Because the pore structure of GGBFS-blended cement paste is an irregular system in the various range from nanometer to millimeter, the characteristics of pore region in the different scale may not be adequately described when the fractal dimension was calculated over the whole scale range. While Zhang and Li model enabled analyzing the fraction dimension of pore structure over the three divided scale ranges of micro, small capillary and macro regions, Ji el al. model refined analysis on the fractal characteristics of micro pore region consisting of micro I region corresponding to gel pores and micro II region corresponding to small capillary pores. As the pore size decreased, both models suggested that the pore surface of micro region became more irregular than macro region and the complexity of pores increased.
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 investigated using different models. Because the pore structure of GGBFS-blended cement paste is an irregular system in the various range from nanometer to millimeter, the characteristics of pore region in the different scale may not be adequately described when the fractal dimension was calculated over the whole scale range. While Zhang and Li model enabled analyzing the fraction dimension of pore structure over the three divided scale ranges of micro, small capillary and macro regions, Ji el al. model refined analysis on the fractal characteristics of micro pore region consisting of micro I region corresponding to gel pores and micro II region corresponding to small capillary pores. As the pore size decreased, both models suggested that the pore surface of micro region became more irregular than macro region and the complexity of pores increased.
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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.
제안 방법
GGBFS 혼입 시멘트 페이스트 내의 실제 공극 구조는 그 크기의 범위가 넓게 분포하고 있기 때문에, 전체 공극 영역을 세 가지의 영역 범위로 나누어서 SFD를 재산정 하였다. Fig.
타설 이후 양생된 시편은 탈형된 후, 28일간 23±2°C의 조건에서 수중 양생 시킨 후, 수은압입법 실험을 위해서 시편을 1×1×1 cm 정육면체 모양으로 조각 낸 뒤, 60°C의 오븐에서 1일간 건조시켰다. Micromeritics AutoPore IV 9500을 이용하여 GGBFS가 35% 치환된 GGBFS 혼입 시멘트 페이스트의 공극 구조를 측정하였다.
따라서 본 연구에서는, 시멘트계 재료의 프랙탈 차원에 대한 기초 연구로서, 시멘트계 재료의 공극 구조를 측정하는 실험 방법인 수은압입시험(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)을 이용한 기존의 프랙탈 산정 모델인 Zhang and Li (1995) model10)과 Ji et al. (1997) model11)을 비교·분석하기 위하여, GGBFS가 혼입된 시멘트 페이스트에 대하여 수은압입시험을 수행한 후, 실험 결과를 Zhang and Li (1995) model 과 Ji et al. (1997) model에 각각 적용한 뒤, 그 결과를 비교·분석하였다.
6 g이 사용되었고, 배합에 사용된 배합수의 양은 2,400 g이다. 본 연구에서 사용된 상세한 배합표는 Table 1과 같고, 재령 28일에서의 수은압입법 실험을 계획하였다.
본 연구에서는 Table 1의 배합에 따라 40×40×160 mm 몰드에 시편을 제작한 뒤, 항온항습실(23±2°C; >95% RH)에서 24시간 동안 양생시켰다.
(1997) model을 이용하여 산정된 GGBFS 혼입 시멘트 페이스트의 volume fractal dimension (VFD) 결과이다. 수은 주입량이 급격히 증가하는 transition 구간을 제외하고는, Zhang and Li (1995) model과 유사하게 공극 영역을 micro와 macro 영역으로 나누어서 VFD를 산정하였다. 그러나 Zhang and Li (1995) model과는 다르게 micro 영역 내에서도 선형성이 저하되는 지점이 발생하여 micro 영역을 I과 II의 두 영역으로 구분하여 VFD를 산정하였다.
타설 이후 양생된 시편은 탈형된 후, 28일간 23±2°C의 조건에서 수중 양생 시킨 후, 수은압입법 실험을 위해서 시편을 1×1×1 cm 정육면체 모양으로 조각 낸 뒤, 60°C의 오븐에서 1일간 건조시켰다.
대상 데이터
(1997) model에 각각 적용하여, 각 모델에 따른 시멘트계 재료의 프랙탈 특성을 비교·분석하였다. 바인더로는 선철 제련 시 발생하는 부산물인 고로슬래그 미분말(GGBFS)과 시멘트를 사용하였고, 물-바인더비는 20%, GGBFS 치환율은 전체 바인더 중량 대비 35%를 적용한 배합으로 선정하였다. 고성능 감수제는 20%의 낮은 물-바인더 비를 유지하면서 작업성을 확보하기 위해, 전체 바인더 중량 대비 0.
본 연구에서 사용한 재료로서, 시멘트는 KS L 5201 “포틀랜드 시멘트”에 적합한 1종 시멘트를 사용하였고, GGBFS는 KS L 2563 “콘크리트용 고로슬래그 미분말”에 적합한 고로슬래그 미분말을 사용하였다.
이론/모형
본 연구에서는 수은압입법을 통해 측정된 실험 결과를 Zhang and Li (1995) model및 Ji et al. (1997) model에 각각 적용하여, 각 모델에 따른 시멘트계 재료의 프랙탈 특성을 비교·분석하였다.
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. (1997) model에 각각 적용하여 시편의 공극 구조의 프랙탈 특성을 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
성능/효과
3) GGBFS 치환율이 35%인 GGBFS 혼입 시멘트 페이스트의 재령 28일에서의 프랙탈 분석 결과를 보면, 전체 공극 범위에 대하여 SFD값을 산정했을 때, 모델의 가정 사항에 어긋나는 결과를 보일뿐만 아니라 하나의 결과 값으로 넓은 범위의 공극 구조를 대표적으로 특징 짓는데는 어려움이 있다. GGBFS 혼입 시멘트 페이스트 내의 공극 구조는 그 크기에 따라 각각의 특성을 갖기 때문에, 프랙탈 차원을 산정 시 공극 영역을 나누어서 분석할 필요가 있다.
기존 연구에 의하면 이와 같은 현상이 발생하는 주된 원인으로 ink-bottle pore의 존재 또는 이 구간에 가해지는 압력 크기로 인해 발생하는 공극 구조의 손상 때문인 것으로 판단된다.5) 또한 Region I과 region III의 SFD 값을 비교했을 때, region III에서의 값이 더 크게 나타났는데, 이는 large capillary pores의 공극 표면보다 C-S-H 수화생성물 내의 gel pores 및 small capillary pores의 공극 표면이 더 복잡하게 형성됨을 의미한다.
5) 본 연구를 통해서 시멘트계 재료의 fractal dimension은 수화 반응 과정에서 변화하는 공극의 형상을 반영하는 지표로 작용한다는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구를 바탕으로 향후 연구를 통해 수화 반응 결과 변화하는 염화물 확산계수,15) 동결융해 저항성능 등의 콘크리트의 내구적 특성 및 자기건조 (self-desiccation) 특성16)과 fractal dimension과의 연관성에 대한 연구를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
연구 결과, 수중 양생 시보다 sealed-curing 했을 때 micro 영역의 SFD가 증 가하는 결과를 보였다. 또한 GGBFS가 혼입되었을 때 micro 영역의 SFD가 증가한다는 연구 결과를 발표하였다.
(2013)8)은 Zhang and Li (1995) model을 이용하여 양생 조건 및 GGBFS 혼입 유무에 따라 시편의 SFD의 변화 양상을 연구하였다. 연구 결과, 수중 양생 시보다 sealed-curing 했을 때 micro 영역의 SFD가 증 가하는 결과를 보였다. 또한 GGBFS가 혼입되었을 때 micro 영역의 SFD가 증가한다는 연구 결과를 발표하였다.
(2010)5)은 Zhang and Li (1995) model과 Neimark’s model을 각각 이용하여, 플라이애시가 치환된 시멘트 페이스트의 surface fractal dimension (SFD)과 공극 구조와의 상관관계를 연구하였다. 연구 결과, 시멘트계 재료의 공극 구조는 fine, transition, coarse pore range의 크기에 따라 서로 다른 프랙탈 특성을 나타내고, 수화반응 결과 생성된 수화생성물이 coarse pore range를 채우면서 SFD가 증가하며, 물-바인더 비가 증가할수록 이와 같은 반응이 가속화된다는 연구 결과를 발표하였다. Zeng et al.
후속연구
5) 본 연구를 통해서 시멘트계 재료의 fractal dimension은 수화 반응 과정에서 변화하는 공극의 형상을 반영하는 지표로 작용한다는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구를 바탕으로 향후 연구를 통해 수화 반응 결과 변화하는 염화물 확산계수,15) 동결융해 저항성능 등의 콘크리트의 내구적 특성 및 자기건조 (self-desiccation) 특성16)과 fractal dimension과의 연관성에 대한 연구를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
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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