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문제 정의
- 본 연구는 국내에서 생산되는 수축저감제를 사용한 콘크리트의 특성과 배합 요인 변동에 따른 건조 수축 특성 검토 결과를 제시함으로서 건설 산업에서 수축저감제 성능에 대한 이해도 및 적용성을 높이는데 목적이 있다.
- 본 연구에서는 수축저감제를 사용한 콘크리트의 수축특성과 배합요인 변동에 따른 건조수축 특성을 검토하였다. 국내 수축저감제는 해외 고급형 수축저감제와 성능이 유사한 것으로 나타났으며, 수축저감제 사용량이 증가할수록 건조수축 억제 효과는 높아지는 것으로 나타났다.
제안 방법
- 각 배합별로 콘크리트를 비빈 후 KS F 2403「콘크리트의 강도시험용 시험체 제작방법｣에 준하여 ∅100×200mm 원주형 몰드에 의해 시험체를 제작하 였으며, 24시간 후 탈형하였다.
- 건조수축 변형은 시험체 제작시 매립된 변형센서를 이용하여 콘크리트의 변형율을 측정하였으며, 목표재령까지 데이터로거를 사용하여 변형 데이터를 기록하였다.
- 5%로 하였다. 결합 재는 건설현장에서 가장 일반적으로 사용하는 고로슬래그 미분말 20%와 플라이애시 10% 치환 배합을 플레인 배합으로 하였으며, 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 다량 치환 배합을 각각 설정하여 결합재 종류에 따른 수축저감제의 건조수축 저감 특성을 평가하고자 하였다. 또한, 바닥 부재의 균열저감을 위해 사용되는 섬유 혼입 및 와이어매시 등의 사용에 대한 비교평가를 위해 변수를 추가 하였 으며, 가수에 대한 수축저감제 성능변화를 검토하기 위한 배합도 함께 설정하였다.
- 결합 재는 건설현장에서 가장 일반적으로 사용하는 고로슬래그 미분말 20%와 플라이애시 10% 치환 배합을 플레인 배합으로 하였으며, 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 다량 치환 배합을 각각 설정하여 결합재 종류에 따른 수축저감제의 건조수축 저감 특성을 평가하고자 하였다. 또한, 바닥 부재의 균열저감을 위해 사용되는 섬유 혼입 및 와이어매시 등의 사용에 대한 비교평가를 위해 변수를 추가 하였 으며, 가수에 대한 수축저감제 성능변화를 검토하기 위한 배합도 함께 설정하였다. 모든 콘크리트 시험체 평가를 위한 시험항목은 Table 1에 나타난 바와 같다.
- 모든 시험체는 24 시간 후 탈형하여 Figure 2와 같은 상대습도 60±5%, 온도 20±2℃의 항온 항습실에서 목표 재령까지 건조수축 변형율 시험을 진행하였다.
- 본 실험에 사용된 콘크리트 배합은 Table 3과 같이 실험계획에 따라 평가요인들을 각각 반영하여 총 13배치로 설정하였다. 콘크리트 강도는 27MPa로서 바닥 사용성이 높은 건축물에서 주로 사용되는 슬래브 설계기준 강도를 기준으로 하였다.
- 본 연구의 실험계획은 Table 1에 요약하여 나타냈다. 본 연구에 사용한 수축저감제의 기본적인 성능 수준을 평가하기 위해 글로벌사의 고급형 수축저감제를 비교 대상으로 설정하였으며, 배합종류에 따른 수축저감제의 건조수축 특성을 평가하기 위해 수축저감제 사용량은 결합재 중량에 대하여 0.1%, 0.5%, 1.0%및 1.5%로 하였다. 결합 재는 건설현장에서 가장 일반적으로 사용하는 고로슬래그 미분말 20%와 플라이애시 10% 치환 배합을 플레인 배합으로 하였으며, 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 다량 치환 배합을 각각 설정하여 결합재 종류에 따른 수축저감제의 건조수축 저감 특성을 평가하고자 하였다.
- 수축저감과 관련된 화학혼화제를 사용하지 않은 배합에 대해서는 PC형 고성능AE감수제를 사용하였으며, SRA의 경우도 앞서 언급한 바와 같이 PC형 고성능AE감수제와 수축저감제가 1액형이기 때문에 결합재의 1.5%사용량을 기준으로 하여, SRA 1.0%, 0.5%, 0.1%의 경우 목표 슬럼프를 만족할 수 있도록 고성능 감수제와 물을 추가하여 1.5%의 양이 될 수 있도록 별도로 제조하였다. (Table 2 의 ( )의 사용량에 대한 의미 참조).
- 시험체는 표준압축강도와 건조수축율 평가를 분리하여 각각 제작하였다. 각 배합별로 콘크리트를 비빈 후 KS F 2403「콘크리트의 강도시험용 시험체 제작방법｣에 준하여 ∅100×200mm 원주형 몰드에 의해 시험체를 제작하 였으며, 24시간 후 탈형하였다.
- 압축강도는 KS F 2405「콘크리트의 압축 강도 시험 방법｣에 준하여 실시하였다. 압축강도시험은 200 ton용 량의 압축강도시험기를 사용하였으며 각 재령별 압축강도는 콘크리트 공시체 3개의 평균값을 사용하였다.
- 참고적으로 플레인 배합을 ②~⑬시험체에서 사용한 배합과 차별을 둔 것은 ⑤번 배합과 같이 0.1%의 수축저감제가 사용될 경우가 있어 기본적인 비교가 가능할 것으로 판단하였으며, 일반 골조용 배합과의 차이를 플래인으로 하여 검토범위를 확대하고자 설정하였다.
- 본 실험에 사용된 콘크리트 배합은 Table 3과 같이 실험계획에 따라 평가요인들을 각각 반영하여 총 13배치로 설정하였다. 콘크리트 강도는 27MPa로서 바닥 사용성이 높은 건축물에서 주로 사용되는 슬래브 설계기준 강도를 기준으로 하였다. 플레인 배합(①)은 앞서 기술한 바와 같이 건설현장에서 골조용으로 사용되는 일반적인 배합비 (W/B 조정)를 적용하였으며, 배합 ②~⑬은 마트 및 물류 센터 등 바닥의 사용용도가 중요시 되는 구조물에서 슬래 브에 주로 적용되는 배합비를 적용하였다.
- 표준 압축강도를 위한 시험체는 20±2℃의 수중에서 양생되었으며, 설정한 각각의 재령에서 평가하였다.
- 콘크리트 강도는 27MPa로서 바닥 사용성이 높은 건축물에서 주로 사용되는 슬래브 설계기준 강도를 기준으로 하였다. 플레인 배합(①)은 앞서 기술한 바와 같이 건설현장에서 골조용으로 사용되는 일반적인 배합비 (W/B 조정)를 적용하였으며, 배합 ②~⑬은 마트 및 물류 센터 등 바닥의 사용용도가 중요시 되는 구조물에서 슬래 브에 주로 적용되는 배합비를 적용하였다. 참고적으로 플레인 배합을 ②~⑬시험체에서 사용한 배합과 차별을 둔 것은 ⑤번 배합과 같이 0.
대상 데이터
- 결합재로 시멘트는 KS L 5201을 만족하는 1종 보통포 틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 분말도 4,600cm2/g, 밀도 2.2g/cm3의 태안화력 플라이애시와 4,530cm2/g, 밀도 2.9g/cm3의 한국기초 생산 고로슬래그 미분말을 실험에 적용하였다.
- 굵은골재는 최대크기 25mm, 밀도 2.63g/cm3의 화강 암계 쇄석을, 잔골재는 밀도 2.56g/cm3, 조립율 3.06의 혼합사 (세척사 70%, 부순모래 30%)를 사용하였다. 화학 혼화제는 연구의 기본 대상으로 사용한 수축저감제(이하 SRA)의 경우 폴리카르본산계의 고성능AE감수제와 수축 저감제를 일체화시킨 제품으로 기존의 Ester-type PCE (Polycarboxylate Ether)가 아닌 보다 진보된 Ether-ty pe PCE를 주성분으로 사용하였으며, Figure 1과 같이이 PCE는 측쇄구조 말단에 수산(-OH)기가 도입되어 있어 물과 콘크리트의 계면코팅이 가능한 물질을 화학적 반응을 통해 결합시킬 수 있고, 더불어 기존의 Poly alkyle ne oxide alkyl ether를 부가하여 고성능화하였다.
- 이외 균열보강제와의 비교평가를 위해 사용된 섬유의 경우 일반적으로 상용화된 길이 12mm의 나일론 및 폴리 프로필렌 섬유를 사용하였으며, 와이어매시는 시험체 크기를 고려하여 10mm×10mm 격자크기를 가진 스틸 와이어 메시를 적용하였다.
- 앞서 기술한 내용을 정리하면, 기존 수축저감제의 경우, 물과 물의 응집력을 감소시켜 건조수축율을 감소시키는 반면, 최근의 수축저감제는 시멘트와 물 사이의 계면결합력 또한 낮추기 때문에 기존 수축저감제에 비해 건주수축율을 더욱 감소시킬 수 있는 메커니즘을 가지고 있다. 한편 본연구에서 사용한 SRA의 성능수준을 평가하기 위해 비교 대상으로 설정한 G-SRA는 글로벌사에 의해 생산된 고급형 수축저감제로서 높은 성능과 현장적용사례가 많은 상업화된 제품으로 선정하였다.
이론/모형
- 굳지않은 콘크리트 시험으로 슬럼프는 KS F 2402「콘 크리트의 슬럼프 시험｣의 규정에 따라 실시하였고, 공기 량은 KS F 2421「압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법｣에 따라 실시하였다.
- 수축율을 평가하기 위한 시험체는 KS F 2408「콘크리트의 휨강도 시험방법｣에 준하여 Figure 2 및 Figure 3과 같이 100×100×400mm몰드를 사용하여 제작하였으며 타설시 Tokyo Sokki사의 PM FL변형률 센서를 낚실줄을 사용하여 매립하였다.
- 압축강도는 KS F 2405「콘크리트의 압축 강도 시험 방법｣에 준하여 실시하였다. 압축강도시험은 200 ton용 량의 압축강도시험기를 사용하였으며 각 재령별 압축강도는 콘크리트 공시체 3개의 평균값을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 수축저감제의 사용에 따라 굳지않은 콘크리트 특성 (공기량 및 슬럼프)이 미미한 변동은 있었으나, 혼화제 사용량에 의한 조정 가능 범위로 판단된다.
- 2) 기존 연구결과와 같이 수축저감제의 사용량은 증가 할수록 건조수축 저감효과는 증가하는 것을 확인하 였으며, 본 연구에서는 사용량 1.5%까지 사용량 증가와 건조수축 감소율이 비례하는 것으로 나타났다.
- 3) 본 연구에서 사용한 수축저감제 1.5%적용시 수축저 감제를 사용하지 않은 경우에 비해 재령 30일까지약 50%, 재령 100일까지 최소 35%이상의 수축저감 결과를 나타냈다.
- 4) 수축저감제의 건조수축 저감성능은 혼화재료 (고로 슬래그 미분말 및 플라이애시)의 치환에 특별한 영향을 받지 않는 것으로 판단되며, 본 연구에서는 고로슬래그 미분말을 치환한 콘크리트의 경우 초기 건조수축은 플라이애시를 치환한 콘크리트에 비해 다소 크지만, 장기재령으로 갈수록 건조수축율은 작아지는 것으로 나타났다.
- ③, ④, ⑥, ⑦)의 건조수축 변형률 비교결과를 나타낸 것이다. SRA 및 G-SRA 사용량 0.5%및 1.0%의 경우 모두 재령에 따라 G-SRA를 사용한 시험체가 건조수축변형 억제능력이 우수한 것으로 나타났다.
- Figure 6은 SRA사용량에 따른 건조수축 변형율을 나타낸 것이다. SRA 사용량에 따라 건조수축 억제율은 높은 것으로 나타났다. 시험체 ② 및 ③과 시험체 ③ 및 ④의 건조수축 변형 편차는 SRA사용량 편차와 유사하게 나타났다.
- 재령 28일 기준 모든 시험체의 압축강도는 40MPa를 초과하는 것으로 나타났다. SRA 사용량에 따른 압축강도의 경우 특별한 차이는 없으나, SRA 1.0%이상을 사용한 경우가 1.0% 이하로 사용한 시험체에 비해 다소 강도가 높게 나타났다. SRA 사용비율이 작아 질수록 혼화제에 포함된 물이 증가한 물과 관계가 있는 것으로 판단된다.
- SRA는 고성능AE감수제와 수축저감제가 1액형으로 제조됨에 따라 사용된 1.0%(결합재 중량대비)안에는 고성능 AE감수제를 포함하기 때문에 실제 수축저감제는 사용량의 약 0.5%정도인 반면 G-SRA는 수축저감제가 1.0% 사용되었다. 정리하면, 시험체 제작시 동일하게 결합재의 1.
- 시험체 ② 및 ③과 시험체 ③ 및 ④의 건조수축 변형 편차는 SRA사용량 편차와 유사하게 나타났다. SRA를 0.1%사용한 시험체의 경우 Plain 시험체에 비해 초기 재령에서는 건조수축 억제 성능을 보유한 것으로 나타났으나. 재령 약 20일 이후부터 건조 수축량이 커져 Plain시험체에 비해 큰 건조수축량을 나타냈다.
- Figure 9는 가수가 된 콘크리트에 있어서 수축저감제의 건조수축 억제성능 평가실험 결과를 나타낸 것이다. 가수를 30 kg/m3과 SRA 1.5%를 투입한 시험체는 SRA 1.5%만 투입한 시험체에 비해 건조수축이 크게 증가하는 경향을 보였으며, 재령이 지남(재령 100일)에 따라 수축 편차는 커지는 것으로 나타났다. 반면, SRA가 투입되지 않은 Plain시험체에 비해서는 전반적으로 건조수축이 작은 것으로 나타났으나, 초기재령에서 건소수축 억제효과가 크며, 재령 30일 이후 서서히 편차가 감소되는 결과를 나타냈다.
- 수축저감제를 사용한 콘크리트는 결합재 종류와 관계없이 Plain시험체 대비 초기재령 뿐만 아니라 이후 재령에 있어서 건조수축율 억제 성능이 나타났으며, 혼화재 종류에 따라서는 수축저감제의 건조수축 억제 능력은 유사한 것으로 판단된다. 결합재 종류에 따라서는 고로슬래그미분 말을 다량 치환(결합재의 40%)한 시험체가 플라이애시 20%를 치환한 시험체에 비해 약 30일까지 초개재령에서는 건조수축이 큰 것으로 나타났으며 재령 약 30일에서 건조수축율은 역전되어 장기재령으로 갈수록 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트가 플라이애시를 사용한 콘크리 트에 비해 건조수축이 작은 것으로 나타났다.
- 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트의 경우 건조수축에 대한 경향은 연구보고[10,11,12,13]에 따라 다소 차이가 있으나, 본 연구에서는 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트의 경우 초기 건조수축이 플라이애시를 사용한 콘크리트에 비해 큰 것으로 나타났으며, 장기 재령으로 갈수록 건조수축율이 낮아져 플라이애시를 사용한 콘크리트보다 작은 변형값을 나타낸 것으로 정리된다.
- 본 연구에서는 수축저감제를 사용한 콘크리트의 수축특성과 배합요인 변동에 따른 건조수축 특성을 검토하였다. 국내 수축저감제는 해외 고급형 수축저감제와 성능이 유사한 것으로 나타났으며, 수축저감제 사용량이 증가할수록 건조수축 억제 효과는 높아지는 것으로 나타났다. 수축 저감제 1.
- 9 kg/m 3 을 혼입한 시험체의 경우 미미하지만 재령에 관계없이 Plain 시험체보다 수축율이 낮은 것으로 나타났다. 반면 와이어메시를 사용한 경우 장기재령 으로 갈수록 건조수축 억제성능이 우수한 것으로 나타났 으며 재령 100일에서는 SRA 1.5%를 사용한 경우와 유사한 변형율을 나타냈다. 그러나, 본 실험에 사용한 와이어 매시는 격자크기가 10mm×10mm의 아주 촘촘하게 만들 어진 제품으로 실제 현장에서 사용하는 제품은 격자가 크기 때문에 본 연구만으로 와이어매시의 성능 평가는 어렵다 판단되며, 실물크기의 추가 실험에 의한 검토가 필요한 것으로 사료된다.
- 반면, SRA가 투입되지 않은 Plain시험체에 비해서는 전반적으로 건조수축이 작은 것으로 나타났으나, 초기재령에서 건소수축 억제효과가 크며, 재령 30일 이후 서서히 편차가 감소되는 결과를 나타냈다.
- 슬럼프는 시험체 ⑨를 제외한 모든 시험체가 목표 슬럼프 150±25mm를 만족하는 것으로 나타났다. 배합에 맞게 예비실험을 통하여 혼화제를 조정하였기 때문에 목표 슬럼프를 만족하였으나, 시험체 ⑨는 가수 조건을 위해 30kg/m3의 물을 추가하고 30분 이상 지연시킨 상태에서 슬럼프를 평가하였으나 PC형 혼화제의 지연효과로 로스가 많이 발생되지 않아 목표슬럼프를 만족하지 못한 결과를 나타냈다. 공기량의 경우는 특별한 경향 없이 모두 목표값을 만족하는 것으로 나타났다.
- SRA 사용비율이 작아 질수록 혼화제에 포함된 물이 증가한 물과 관계가 있는 것으로 판단된다. 본 연구에 사용된 SRA 및 G-SRA에 의한 압축강도 감소현상은 나타나지 않았으며, 시험체 별로 압축강도 발현에 대한 특별한 경향은 발견되지 않았다. 한편 가수를 실시한 9번 시험체의 경우 동일한 배합조건인 2번 배합과 비교시 재령 3일에서는 24%, 재령 7일에서는 9.
- 섬유를 사용한 시험체의 경우 사용량에 따라 건조수축 변형의 차이는 발생하는 것으로 나타났으나, Plain시험체에 비해 초기 재령에서 미미한 수축저감 성능이 확인되었으며 재령이 지남에 따라 특별한 차이는 없는 것으로 나타 났다. 섬유 0.9 kg/m 3 을 혼입한 시험체의 경우 미미하지만 재령에 관계없이 Plain 시험체보다 수축율이 낮은 것으로 나타났다. 반면 와이어메시를 사용한 경우 장기재령 으로 갈수록 건조수축 억제성능이 우수한 것으로 나타났 으며 재령 100일에서는 SRA 1.
- Figure 10은 콘크리트의 균열을 저감하기 위한 다양한 균열보강제에 따른 건조수축율 변화를 나타낸 것이다. 섬유를 사용한 시험체의 경우 사용량에 따라 건조수축 변형의 차이는 발생하는 것으로 나타났으나, Plain시험체에 비해 초기 재령에서 미미한 수축저감 성능이 확인되었으며 재령이 지남에 따라 특별한 차이는 없는 것으로 나타 났다. 섬유 0.
- 국내 수축저감제는 해외 고급형 수축저감제와 성능이 유사한 것으로 나타났으며, 수축저감제 사용량이 증가할수록 건조수축 억제 효과는 높아지는 것으로 나타났다. 수축 저감제 1.5%를 사용한 시험체는 재령 100일에서 수축저 감제를 사용하지 않은 시험체에 비해 건조수축량이 약 절반으로 나타났다. 또한, 혼화재료 사용에 대해 특별한 성능변화는 없는 것으로 확인되었다.
- Figure 8은 결합재(혼화재) 종류에 따른 수축저감제를 사용한 콘크리트의 건조수축율 변화를 나타낸 것이다. 수축저감제를 사용한 콘크리트는 결합재 종류와 관계없이 Plain시험체 대비 초기재령 뿐만 아니라 이후 재령에 있어서 건조수축율 억제 성능이 나타났으며, 혼화재 종류에 따라서는 수축저감제의 건조수축 억제 능력은 유사한 것으로 판단된다. 결합재 종류에 따라서는 고로슬래그미분 말을 다량 치환(결합재의 40%)한 시험체가 플라이애시 20%를 치환한 시험체에 비해 약 30일까지 초개재령에서는 건조수축이 큰 것으로 나타났으며 재령 약 30일에서 건조수축율은 역전되어 장기재령으로 갈수록 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트가 플라이애시를 사용한 콘크리 트에 비해 건조수축이 작은 것으로 나타났다.
- 슬럼프는 시험체 ⑨를 제외한 모든 시험체가 목표 슬럼프 150±25mm를 만족하는 것으로 나타났다.
- 0% 사용되었다. 정리하면, 시험체 제작시 동일하게 결합재의 1.0%를 사용하였어도 실제 투입된 수축저감제의 양은 차이가 있으며, SRA 1.0%와 G-SRA 0.5%시험체가 실제 수축저감제 사용량이 유사한 것으로 고려하여 두 시험체를 비교시에는 Figure 6에 나타난 바와 같이 SRA를 사용한 시험체가 건조수축 억제 성능이 다소 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 그러나, 본 실험에 사용한 와이어 매시는 격자크기가 10mm×10mm의 아주 촘촘하게 만들 어진 제품으로 실제 현장에서 사용하는 제품은 격자가 크기 때문에 본 연구만으로 와이어매시의 성능 평가는 어렵다 판단되며, 실물크기의 추가 실험에 의한 검토가 필요한 것으로 사료된다.
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