본 연구는 규산나트륨($Na_2SiO_3$)으로 활성화된 고유동 대량치환슬래그 시멘트의 기초특성에 관한 연구이다. 고로슬래그 미분말(GGBFS)은 보통포틀랜드 시멘트(OPC)의 40%에서 80%까지 질량치환하고 칼슘설포알루미네이트(CSA)는 2.5%와 5.0% 치환하였다. 규산나트륨($Na_2SiO_3$)은 전체 결합재(OPC+GGBFS+CSA) 질량의 2%와 4% 추가하였다. 모든 배합의 물-결합재 비(w/b)는 0.35이다. 본 연구에서는 미니슬럼프, V-funnel, 응결시간, 압축강도와 건조수축을 측정하였다. 실험결과 유동화제 양, V-funnel, 응결시간과 건조수축은 CSA와 $Na_2SiO_3$가 증가함에 따라 감소하였다. 그러나 압축강도는 CSA와 $Na_2SiO_3$가 증가함에 따라 증가하였다. 이러한 원인 중 하나는 CSA와 $Na_2SiO_3$가 GGBFS의 활성화를 촉진하였기 때문이다. 최고의 성능을 나타낸 배합은 CSA 5.0% + $Na_2SiO_3$ 4%를 혼합한 시험체이다.
본 연구는 규산나트륨($Na_2SiO_3$)으로 활성화된 고유동 대량치환슬래그 시멘트의 기초특성에 관한 연구이다. 고로슬래그 미분말(GGBFS)은 보통포틀랜드 시멘트(OPC)의 40%에서 80%까지 질량치환하고 칼슘설포알루미네이트(CSA)는 2.5%와 5.0% 치환하였다. 규산나트륨($Na_2SiO_3$)은 전체 결합재(OPC+GGBFS+CSA) 질량의 2%와 4% 추가하였다. 모든 배합의 물-결합재 비(w/b)는 0.35이다. 본 연구에서는 미니슬럼프, V-funnel, 응결시간, 압축강도와 건조수축을 측정하였다. 실험결과 유동화제 양, V-funnel, 응결시간과 건조수축은 CSA와 $Na_2SiO_3$가 증가함에 따라 감소하였다. 그러나 압축강도는 CSA와 $Na_2SiO_3$가 증가함에 따라 증가하였다. 이러한 원인 중 하나는 CSA와 $Na_2SiO_3$가 GGBFS의 활성화를 촉진하였기 때문이다. 최고의 성능을 나타낸 배합은 CSA 5.0% + $Na_2SiO_3$ 4%를 혼합한 시험체이다.
This report presents the results of an investigation on the fundamental properties of mortars high fluidity high volume slag cement(HVSC) activated with sodium silicate($Na_2SiO_3$). The ordinary Portland cement(OPC) was replaced by ground granulated blast furnace slag(GGBFS) from 40% to ...
This report presents the results of an investigation on the fundamental properties of mortars high fluidity high volume slag cement(HVSC) activated with sodium silicate($Na_2SiO_3$). The ordinary Portland cement(OPC) was replaced by ground granulated blast furnace slag(GGBFS) from 40% to 80% and calcium sulfoaluminate(CSA) was 2.5% or 5.0% mass. The $Na_2SiO_3$ was added at 2% and 4% by total binder(OPC+GGBFS+CSA) weight. A constant water-to-binder ratio(w/b)=0.35 was used for all mixtures. The research carried out the mini slump, V-funnel, setting time, compressive strength and drying shrinkage. The experimental results showed that the contents of superplasticizer, V-funnel, setting time and drying shrinkage increased as the contents of CSA and $Na_2SiO_3$ increase. The compressive strength increases with and an increase in CSA and $Na_2SiO_3$. One of the major reason for these results is the accelerated reactivity of GGBFS with CSA and $Na_2SiO_3$. The maximum performance was CSA 5.0% + $Na_2SiO_3$ 4% specimens.
This report presents the results of an investigation on the fundamental properties of mortars high fluidity high volume slag cement(HVSC) activated with sodium silicate($Na_2SiO_3$). The ordinary Portland cement(OPC) was replaced by ground granulated blast furnace slag(GGBFS) from 40% to 80% and calcium sulfoaluminate(CSA) was 2.5% or 5.0% mass. The $Na_2SiO_3$ was added at 2% and 4% by total binder(OPC+GGBFS+CSA) weight. A constant water-to-binder ratio(w/b)=0.35 was used for all mixtures. The research carried out the mini slump, V-funnel, setting time, compressive strength and drying shrinkage. The experimental results showed that the contents of superplasticizer, V-funnel, setting time and drying shrinkage increased as the contents of CSA and $Na_2SiO_3$ increase. The compressive strength increases with and an increase in CSA and $Na_2SiO_3$. One of the major reason for these results is the accelerated reactivity of GGBFS with CSA and $Na_2SiO_3$. The maximum performance was CSA 5.0% + $Na_2SiO_3$ 4% specimens.
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문제 정의
본 연구는 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, 이하 OPC)의 40% 이상을 GGBFS로 치환한 대량치환슬래그배합을 기본으로 하는 고유동 모르타르의 개발을 위한 실험적 연구이다. GGBFS를 40% 이상 치환함으로써 OPC의 사용량을 줄여 친환경적 특성을 고려하고, GGBFS의 치환에 따른 초기 강도 저하, 응결 지연 등의 특성을 고려한 혼화제의 사용과 유동특성을 살펴보고자 한다. 또한 Na2SiO3를 혼합하여 GGBFS의 활성화를 통한 공학적 특성에 대해 알아보고자 한다.
GGBFS를 40% 이상 치환함으로써 OPC의 사용량을 줄여 친환경적 특성을 고려하고, GGBFS의 치환에 따른 초기 강도 저하, 응결 지연 등의 특성을 고려한 혼화제의 사용과 유동특성을 살펴보고자 한다. 또한 Na2SiO3를 혼합하여 GGBFS의 활성화를 통한 공학적 특성에 대해 알아보고자 한다.
, 2012; Bilim and Atiş, 2012). 또한 기존의 두 가지 이상의 재료를 혼합한 결합재를 사용한 SCC 배합에서 사용되지 않았던 CSA를 사용하여 건조수축과 OPC-GGBFS의 수화반응을 촉진시키는 역할을 하고자 하였다. CSA의 경우, 선행 예비실험을 강도, 응결 등의 특성을 측정하여 5%이하의 혼합 범위를 선정하였다.
본 연구는 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, 이하 OPC)의 40% 이상을 GGBFS로 치환한 대량치환슬래그배합을 기본으로 하는 고유동 모르타르의 개발을 위한 실험적 연구이다. GGBFS를 40% 이상 치환함으로써 OPC의 사용량을 줄여 친환경적 특성을 고려하고, GGBFS의 치환에 따른 초기 강도 저하, 응결 지연 등의 특성을 고려한 혼화제의 사용과 유동특성을 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 SCC mortar를 기본 배합으로 하고 있으며 이는 추후 균열부 보수보강, 철도 자갈도상의 콘크리트 도상화 등의 다양한 활용성을 고려하고자 하였다. 예비실험과 선행연구결과들을 참고하여 목표 유동성을 미니슬럼프 기준으로 280±10 mm가 되도록 하였다.
선행연구를 바탕으로 슬래그를 대량 치환한 고유동 모르타르에 Na2SiO3을 적용하여 기초특성을 파악하고 진행 중인 고유동 시멘트 관련 후속연구들의 자료로 활용하고자 한다.
대부분의 연구에서 단일 재료보다는 2종류 이상의 혼화재료를 혼합한 배합을 사용하였다. 이는 유동특성과 함께 결합재간 다른 특성이 상호 보완적인 효과로 인해 성능을 향상시키기 위한 목적이다. 또한 SCC를 구성하는 골재의 특성에 따른 연구도 수행되었는데, 잔골재(sand)의 영향(Benabed et al.
그러나 일부 연구자들은 골재의 영향을 최소화하고, 구조물의 보수보강과 다양한 활용성을 고려한 모르타르에 대한 연구도 수행하고 있다. 이를 통해 추후 골재의 특성을 고려한 SCC의 배합을 설계하는데 기초자료로 활용하고자 하는 목적이다.
제안 방법
CSA 또는 Na2SiO3가 혼합되지 않고 단지 OPC와 GGBFS만 혼합된 배합(S0, S4, S6, S8)을 비교군으로써 control로 하였다. 각각의 치환비율과 혼합률에 따라 재료를 준비하고 기본적인 배합순서와 시간은 KS L 5109에 제시된 방법으로 수행하고, 마지막 순서의 믹싱 후 저속으로 3분간 더 배합하였다.
OPC의 질량에 대해 GGBFS를 40%, 60% 그리고 80% 치환하였으며, CSA를 혼합하는 경우 OPC의 질량에 대해 2.5%와 5.0% 치환하였다. 결합재와 잔골재는 질량비로 1 : 1의 비율로 하였다.
길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였다. 길이변화는 배합에 따른 초기 건조수축 경향을 파악하기 위해 63일까지만 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 GGBFS가 OPC의 질량에 대해 40%, 60% 그리고 80% 치환되는 배합이다. 따라서 GGBFS의 수화작용을 촉진시키기 위한 방법 중 활성화제를 사용한 방법을 선정하고 Na2SiO3를 활성화제로 투입하였다(Atiş et al., 2012; Bilim and Atiş, 2012). 또한 기존의 두 가지 이상의 재료를 혼합한 결합재를 사용한 SCC 배합에서 사용되지 않았던 CSA를 사용하여 건조수축과 OPC-GGBFS의 수화반응을 촉진시키는 역할을 하고자 하였다.
예비실험과 선행연구결과들을 참고하여 목표 유동성을 미니슬럼프 기준으로 280±10 mm가 되도록 하였다.
대상 데이터
OPC, blast furnace slag(BFS), FA 그리고 SF를 이성분계(binary) 또는 삼성분계(ternary)연구(Park et al., 2005), 두 종류의 OPC, limestone powder(LSP) 그리고 natural pozzolan을 사용한 이성분계 배합(Hallal et al., 2010), OPC, FA, LSP, amorphous rice husk ash(RHA) 그리고 SF(Rizwan and Bier, 2012), OPC, natural pozzolan 그리고 marble powder (Belaidi et al., 2012), OPC, red mud 그리고 FA(Liu and Poon, 2016), OPC, FA 그리고 LSP(Silva and Brito, 2015; Park et al., 2009; Libre et al., 2010), 7종의 국내 생산된 OPC(Choi et al., 2012), OPC와 GGBFS(Jang and Jee, 2013) 등 다양한 재료를 SCC의 배합을 구성하는 결합재료 사용하였다.
활성화제는 배합 전에 배합수에 미리 일정 농도를 계량하여 혼합한 뒤 사용하였으며, 농도는 결합재(binder) 질량의 2%와 4%이다. SCC mortar의 적용 시 과도한 건조수축으로 인한 균열 등을 방지하기 위해 Ca계 팽창제인 Calcium Sulfoaluminate(이하 CSA)를 사용하였다. 본 연구에 사용된 혼화제(superplastilizer)는 Polycarboxylate계의 고성능 유동화제로 밀도는 1.
본 연구에 사용된 혼화제(superplastilizer)는 Polycarboxylate계의 고성능 유동화제로 밀도는 1.04 ±0.05(20°C기준) g/cm3, pH 5.0±1.5의 옅은 갈색의 액체이다.
압축강도 시험은 50 mm×50 mm×50 mm 몰드를 사용하였고, 건조수축은 40 mm×40 mm×160 mm 몰드를 사용하였다.
실험에 사용된 OPC와 GGBFS 그리고 CSA의 성분은 XRF분석을 통해 Table 1에 나타내었다. 잔골재는 조립률(F.M) 2.64, 표면건조포화상태밀도 2.61 g/cm3의 강모래를 사용하였다.
이론/모형
가 혼합되지 않고 단지 OPC와 GGBFS만 혼합된 배합(S0, S4, S6, S8)을 비교군으로써 control로 하였다. 각각의 치환비율과 혼합률에 따라 재료를 준비하고 기본적인 배합순서와 시간은 KS L 5109에 제시된 방법으로 수행하고, 마지막 순서의 믹싱 후 저속으로 3분간 더 배합하였다. 이는 혼합되는 결합재와 고성능 유동화제의 충분한 혼합을 통해 균질한 배합을 얻기 위함이다.
응결시간 측정은 KS L 5103 방법으로, 미니슬럼프(mini slump)와 V-funnel 유하시간 시험은 EFNARC(2002)에 제시된 기기와 방법으로 수행하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였다. 길이변화는 배합에 따른 초기 건조수축 경향을 파악하기 위해 63일까지만 측정하였다.
압축강도 시험은 50 mm×50 mm×50 mm 몰드를 사용하였고, 건조수축은 40 mm×40 mm×160 mm 몰드를 사용하였다. 응결시간 측정은 KS L 5103 방법으로, 미니슬럼프(mini slump)와 V-funnel 유하시간 시험은 EFNARC(2002)에 제시된 기기와 방법으로 수행하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였다.
성능/효과
1) 미니슬럼프와 V-funnel 유하시간 측정을 통해 CSA와 Na2SiO3를 혼합한 배합은 미니슬럼프가 감소하고 유하시간이 증가한 것을 확인하였다. OPC-GGBFS 배합에서 CSA와 Na2SiO3를 사용하면 GGBFS의 수화작용을 촉진시켜 유동을 감소시킨다.
2) 응결시간은 CSA와 Na2SiO3를 혼합한 배합이 응결시간의 감소가 두드러지게 나타났다. CSA를 단독으로 사용한 배합보다 CSA와 Na2SiO3를 혼합하여 사용한 배합은 OPC 100% 배합(S0)보다 짧은 응결시간이 측정되었다.
3) 고유동 대량치환 슬래그 시멘트의 강도는 CSA만 치환한 경우보다 CSA와 Na2SiO3를 함께 사용한 배합의 강도향상이 크게 나타났다. CSA와 Na2SiO3의 혼합사용은 GGBFS의 수화작용을 영향을 미쳐 반응생성물질의 생성을 촉진하고 이는 강도 향상으로 나타난다.
4) CSA를 단독으로 사용한 배합과 CSA와 Na2SiO3를 혼합하여 사용한 배합 모두 63일 최종 건조수축이 감소하였다. 특히 CSA의 팽창작용과 Na2SiO3의 GGBFS 수화에 의한 반응생성물질들의 반응생성물질을 치밀하게 만들어 건조수축을 감소시키는 것으로 판단된다.
를 혼합한 배합이 응결시간의 감소가 두드러지게 나타났다. CSA를 단독으로 사용한 배합보다 CSA와 Na2SiO3를 혼합하여 사용한 배합은 OPC 100% 배합(S0)보다 짧은 응결시간이 측정되었다. 특히 CSA 5.
CSA만 혼합한 시험체들과 CSA와 Na2SiO3를 함께 혼합한 시험체들 모두 control 시험체 보다 유동화제의 사용량이 증가하였다. 또한 CSA만치환한 시험체들에서 CSA 치환율에 대한 유동화제 혼합양은 2.
CSA와 Na2SiO3를 함께 혼합한 시험체들에서 동일 CSA 치환율에 대해 Na2SiO3 혼합률이 2%에서 4%로 높아짐에 따라 유동화제 혼합양의 증가가 유사한 경향성을 보였다. 이는 CSA와 Na2SiO3의 혼합으로 인해 GGBFS의 수화작용이 향상되고, OPC의 응결도 촉진되었기 때문이다(Atiş et al.
CSA의 치환율이 2.5%에서 5.0%로 증가하고, Na2SiO3가 2%에서 4%로 증가하면 유하시간이 증가하였다. 특히 CSA만 사용한 배합보다 CSA + Na2SiO3의 배합들이 유하시간이 가장 길게 측정되었다.
0031%였다. GGBFS를 치환한 모든 시험체들은 S0보다 작은 건조수축률이 측정되었다.
건조수축정 결과 control의 경우OPC 100%인 S0의 63일 최종건조수축은 –0.0031%였다.
5(a))보다 크게 나타나고 있다. 따라서 CSA와 Na2SiO3를 혼합하여 사용할 경우 강도 증가가 초기 3일까지가 가장 크게 나타났다. 활성화제를 사용하지 않은 경우 대량치환슬래그 시멘트의 강도는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 감소한다.
특히 CSA만 사용한 배합보다 CSA + Na2SiO3의 배합들이 유하시간이 가장 길게 측정되었다. 따라서 GGBFS의 치환율이 높은 대량치환 슬래그 시멘트 모르타르의 초기 유동특성은 GGBFS의 활성화에 따라 조절할 수 있을 것으로 생각된다.
또한 CSA를 혼합한 시험체들의 건조수축이 감소한 결과도 확인할 수 있었다. 이는 CSA의 팽창작용에 의한 것으로 CSA 2.
를 함께 혼합한 시험체들 모두 control 시험체 보다 유동화제의 사용량이 증가하였다. 또한 CSA만치환한 시험체들에서 CSA 치환율에 대한 유동화제 혼합양은 2.5% 보다 5.0% 치환한 시험체들이 목표 슬럼프를 얻기 위해 더 높은 유동화제 사용량을 나타내었다.
control 시험체의 경우 OPC 100%인 S0 배합보다 증가한 초결과 종결 시간을 나타내었다. 또한 GGBFS의 치환율이 증가할수록초결과 종결 시간은 점차 증가하였다. 그러나 CSA를 2.
모든 배합에서 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 목표 슬럼프를 얻기 위한 유동화제의 사용량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 OPC가 감소하고, 증가된 GGBFS는 OPC와 비교하여 상대적으로 느린수화반응으로 인해 유동화제의 사용량이 감소하는 것으로 판단된다(Park et al.
5은 압축강도 측정결과를 보여주고 있다. 모든 시험체들의 압축강도는 GGBFS 치환율, CSA와 Na2SiO3의 혼합에 관계없이 S0보다 작게 측정되었다. GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 CSA와 Na2SiO3의 혼합양에 관계없이 모든 측정재령에서 강도가 점차 감소하고 있다.
본 연구에서는 GGBFS가 OPC의 질량에 대해 40%, 60% 그리고 80% 치환되는 배합이다. 따라서 GGBFS의 수화작용을 촉진시키기 위한 방법 중 활성화제를 사용한 방법을 선정하고 Na2SiO3를 활성화제로 투입하였다(Atiş et al.
그러나 활성화제를 사용한 경우는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 점차 강도가 증가하고 있었다. 이는 활성화제의 농도가 높을수록 재령이 증가할수록 그리고 GGBFS의 치환율이 80% 이상일수록 확연히 나타나고 있었다.
OPC-GGBFS 배합에서 CSA와 Na2SiO3를 사용하면 GGBFS의 수화작용을 촉진시켜 유동을 감소시킨다. 이러한 GGBFS 수화촉진 효과는 CSA와 Na2SiO3를 단독으로 혼합한 경우보다 두 가지를 동시에 혼합할 경우 더 효과가 큰 것으로 나타났다.
특히 CSA 5.0% + Na2SiO3 4% 시험체가 가장 높은 유동화제 사용량을 나타내었다. 따라서 OPC-GGBFS 배합에서 CSA와 Na2SiO3를 동시에 혼합할 경우 유동성저하가 크게 일어나 상대적으로 다량의 유동화제 사용이 필요하였다.
후속연구
특히 Na2SiO3는 GGBFS의 수화작용 촉진과 CSA는 내부 공극의 감소를 통한 조직의 치밀화 작용을 통해 강도 향상에 기여한다. 또한 충분한 목표 슬럼프를 확보 할 수 있는 범위 내에서 Na2SiO3의 농도를 증가시킨다면 선행연구들의 결과들처럼 높은 강도를 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 바탕으로 OPC-GGBFS 배합에서 응결시간을 더 단축시키고, 다양한 범위의 유동성을 가질 수 있으며, 목적에 맞는 적합한 수준의 강도등을 고려한 최적 Na2SiO3 와 CSA의 혼합율의 연구와 함께 염해, 동결융해, 중성화 등의 내구성에 관한 실험이 이어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내외 건설환경에서 요구가 높아지고 있는것은 ?
국내외 건설환경은 구조물의 기능과 역할 등에 따라 높은 내구성에 대한 요구가 높아지고 있다. 이는 구조물의 기능과 안전성은 물론 유지보수의 관점에서도 높은 내구성을 가지는 콘크리트의 개발과 시공기술의 확립이 중요해지고 있다.
SCC 또는 HFC에 대한 선행 연구에서 결과로 언급되고 있는것은 ?
SCC 또는 HFC에 대한 선행 연구는 결합재, 골재, 혼화제 등에 따른 재료와 배합시간, 배합 특성 등의 방법, 그리고 유동특성, 건조수축, 수화열, 내구성, 압송특성 등에 대한 공학적 특성 등에 대한 많은 결과들이 언급되고 있다.
다양한 혼화재료를 사용하여 시공성과 경제성을 고려한 콘크리트의 특징은 ?
이러한 문제점을 해결하기 위한 여러 방안 중 충분한 내구성을 확보하고, 다양한 혼화재료를 사용하여 시공성과 경제성을 고려한 콘크리트 또는 시멘트의 연구개발이 진행되고 있는데 자기충전 콘크리트(self-compacting concrete, 이하 SCC) 또는 고유동 콘크리트(high fluidity concrete, 이하 HFC)가 그중 하나이다. 이러한 콘크리트는 높은 유동성과 재료분리 저항성을 기본 특성으로 하여 다양한 형상의 콘크리트 구조물과 과밀한 철근 배근의 구조물을 비롯해 높은 수밀성과 고품질을 요구하는 구조물이 적용하려는 연구와 적용이 이루어지고 있다.
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