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문제 정의
- 또한 건조수축도 FA와 GGBFS의 특성이 다르게 나타난다. 따라서 본 연구에서는 GGBFS와 FA의 혼합비율이 고유동 모르타르의 유동성, 응결, 강도 및 건조수축 등에 미치는 영향을 살펴보고자 한다. 선행 연구들을 참고하여 FA의 치환율을 40% 이하로 하였는데, 이는 40% 이상의 FA는 응결시간이 증가하고 초기 강도가 낮아(Kumar et al.
- , 2013; Nath and Sarker, 2014) 본 연구결과를 기초로 하여 후속연구에서 현장 또는 실제 구조물에 적용하기 위한 배합으로는 적합하지 않다고 판단하여 40%이하로 선정하였다. 또한 GGBFS와 FA를 혼합한 고유동 AAC의 건조수축 감소를 위해 팽창제인 CSA를 적정 범위로 치환하여 건조수축 저감 효과와 함께 기초특성도 살펴보고자 하였다.
- 본 연구는 고로슬래그 미분말(GGBFS)를 기반으로 하는 알칼리 활성화 시멘트에 플라이 애시(FA)와 칼슘설포알루미네이트(CSA)를 혼합한 활성화된 삼성분계 고유동 시멘트(Activated Ternary Blended Cement)의 기초특성에 관한 연구이다. 이를 위해 초기 유동성, 응결, 압축강도와 건조수축 등의 역학적인 특성을 살펴보고자 한다.
- 본 연구에서 고려하는 고유동 모르타르는 추후 균열 부 보수 보강, 철도 자갈도상의 콘크리트 도상화 등의 다양한 활용성을 고려하고자 하였다. 예비실험과 선행연구결과들을 참고하여 목표 유동성을 미니슬럼프 기준으로 280 ± 10 mm가 되도록 하였다.
- 본 연구는 고로슬래그 미분말(GGBFS)를 기반으로 하는 알칼리 활성화 시멘트에 플라이 애시(FA)와 칼슘설포알루미네이트(CSA)를 혼합한 활성화된 삼성분계 고유동 시멘트(Activated Ternary Blended Cement)의 기초특성에 관한 연구이다. 이를 위해 초기 유동성, 응결, 압축강도와 건조수축 등의 역학적인 특성을 살펴보고자 한다. GGBFS-FA-CSA의 배합비와 이에 따른 유동성, 강도 그리고 건조수축 특성을 검토하여 활성화된 삼성분계 고유동 모르타르에 관한 후속연구의 자료로 활용되도록 하고자 한다.
제안 방법
- 시험체의 배합비는 GGBFS 100%를 컨트롤(control, G10) 배합으로 하고 FA를 GGBFS 질량의 10%, 20%, 30% 그리고 40% 까지 치환하였다. CSA는 GGBFS의 10%와 20% 그리고 30%까지 질량 치환하였다. 물-결합재 비(W/B)는 0.
- 모든 건조수축은 GGBFS 100% 배합인 G10의 건조수축 결과와 함께 나타내어 상대적인 비교를 하였다.
- 시험체의 배합비는 GGBFS 100%를 컨트롤(control, G10) 배합으로 하고 FA를 GGBFS 질량의 10%, 20%, 30% 그리고 40% 까지 치환하였다. CSA는 GGBFS의 10%와 20% 그리고 30%까지 질량 치환하였다.
- 예비실험과 선행연구결과들을 참고하여 목표 유동성을 미니슬럼프 기준으로 280 ± 10 mm가 되도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 혼화제(superplastilizer)는 Polycarboxylate계의 고성능 유동화제로 밀도는 0.00104±0.00005 g/mm3(20°C기준), pH 5.0±1.5의 옅은 갈색의 액체이다.
- 압축강도 시험은 50 mm × 50 mm × 50 mm 시험체를 사용하였고, 건조수축은 40 mm ×40 mm ×160 mm 시험체를 사용하였다.
- 잔골재는 조립률(F.M) 2.61, 표면건조포화상태 밀도 0.0026 g/mm3의 강모래를 사용하였다. 활성화제는 Na2SiO3(sodium silicate, Ms = 2.
- 고유동 콘크리트에 대한 연구는 주로 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)를 기반으로 하는 결합재와 콘크리트에 관한 연구가 중심이다. 특히 결합재는 OPC, 고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GGBFS), 플라이애시(Fly Ash, 이하 FA), 메타카올린(MetaKaoline, 이하 MK), 실리카 퓸(Silica Fume), 석회석 분말(Limestone powder) 등을 여러 비율로 혼합한 것을 사용한다.
- 활성화제는 Na2SiO3(sodium silicate, Ms = 2.0, liquid type)와 NaOH(sodium hydroxide, purity ≥ 98%, pellet type)를 혼합하여 사용하였다.
이론/모형
- 각각의 치환비율과 치환율에 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.
- 유동성 평가를 위해 미니슬럼프(mini slump) 시험을, 재료분리 저항성 측정을 위해서는 V-funnel 유하시간 시험을 수행하였으며 각 방법은 EFNARC(2002)와 EFNARC(2005)에 제시된 기기와 방법으로 수행하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼 게이지 방법에 따라 수행하였고 길이변화는 91일까지 측정하였다. 흡수율 시험은 재령 28일 시험체에 대해 KS F2518에 따라 수행하였다.
- 응결시간 측정은 KS L 5103 방법으로 수행하였다. 유동성 평가를 위해 미니슬럼프(mini slump) 시험을, 재료분리 저항성 측정을 위해서는 V-funnel 유하시간 시험을 수행하였으며 각 방법은 EFNARC(2002)와 EFNARC(2005)에 제시된 기기와 방법으로 수행하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼 게이지 방법에 따라 수행하였고 길이변화는 91일까지 측정하였다.
- 압축강도 시험은 50 mm × 50 mm × 50 mm 시험체를 사용하였고, 건조수축은 40 mm ×40 mm ×160 mm 시험체를 사용하였다. 응결시간 측정은 KS L 5103 방법으로 수행하였다. 유동성 평가를 위해 미니슬럼프(mini slump) 시험을, 재료분리 저항성 측정을 위해서는 V-funnel 유하시간 시험을 수행하였으며 각 방법은 EFNARC(2002)와 EFNARC(2005)에 제시된 기기와 방법으로 수행하였다.
- 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼 게이지 방법에 따라 수행하였고 길이변화는 91일까지 측정하였다. 흡수율 시험은 재령 28일 시험체에 대해 KS F2518에 따라 수행하였다.
성능/효과
- Fig. 5(a)에서 GGBFS 90% 배합(G9F1C0, G9F0C1) 시험체들의 건조수축은 G10보다 감소하였다. GGBFS 80% 배합 (G8F2C0, G8F1C1, G8F0C2)(Fig.
- 1) 일정한 유동성을 확보하기 위해 사용된 고성능 유동화제의 양과 V-funnel 값은 GGBFS와 CSA의 치환율이 증가함에 따라 증가하였다. 또한 응결시간도 유동성과 유사한 경향을 보인다.
- 100% GGBFS 시험체인 G10와 비교하여 CSA를 치환하지 않은 G9F1C0, G8F2C0, G7F3C0, G6F4C0의 시험체들은 모든 측정 재령인 1, 3, 7 그리고 28일 강도가 감소하였다. FA의 치환율이 10%에서 40%로 증가함에 따라 초기 1, 3일 및 28일 강도 모두 감소한 결과를 보여주고 있다.
- 2) 고유동 대량치환 슬래그 시멘트의 강도는 FA의 치환율이 증가하면 GGBFS 100% 시험체의 강도보다 감소한다. 그러나 CSA의 치환율이 10%에서 30%로 증가하면 강도가 향상되었다.
- 3) CSA의 사용은 건조수축을 감소시키는데 효과적으로 나타났다. AASC에서 CSA의 혼합은 건조수축을 저감시키는 효과를 보였다.
- 5(f)는 각각의 GGBFS+FA+CSA 배합에서 CSA를 가장 많이 혼합한 시험체들에 대한 건조수축을 비교한 것이다. CSA 의 치환율이 10%, 20%, 30%로 증가함에 따라 건조수축은 크게 감소하였다. 이는 CSA의 혼합은 팽창작용에 의한 내부 공극 충진 등에 의해 치밀한 조직을 형성하여 건조수축을 감소시킨다.
- 2%이다. CSA를 치환하지 않은 G9F1C0, G8F2C0, G7F3C0 그리고 G6F4C0의 유동화제 사용량은 0.4%, 0.5% 0.8% 그리고 1.2%로 증가하였다. 또한 각 GGBFS 치환율에서 CSA의 치환율이 증가함에 따라 유동화제의 사용량도 증가하고 있다.
- 100% GGBFS 시험체인 G10와 비교하여 CSA를 치환하지 않은 G9F1C0, G8F2C0, G7F3C0, G6F4C0의 시험체들은 모든 측정 재령인 1, 3, 7 그리고 28일 강도가 감소하였다. FA의 치환율이 10%에서 40%로 증가함에 따라 초기 1, 3일 및 28일 강도 모두 감소한 결과를 보여주고 있다. 따라서 FA를 혼합한 AASC 의 강도는 FA 치환율이 낮을수록 크게 나타난다(Kumar et al.
- G10보다 높은 강도를 나타낸 G9F0C1, G8F0C2, G7F0C3, G6F1C3은 높은 고성능 유동화제 사용량과 V-funnel 유하시간을 나타내었고(Fig. 1), 응결시간도 짧게 측정되었다(Fig. 2). 이를 통해 CSA는 초기 유동성과 응결시간의 감소 그리고 강도의 증가에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- GGBFS의 치환율이 동일한 각각의 배합에서 CSA의 치환율이 가장 높은 배합들에서 고성능 유동화제 사용량이 증가하고 V-funnel 유하시간이 증가한 것을 확인할 수 있다.
- 강도 결과를 통해 초기 재령에서 CSA의 치환율은 GGBFS의 수화작용을 촉진하여 강도 증진에 영향을 미친다. 이러한 초기 재령에서의 CSA 수화촉진 작용은 재령이 증가함에 따라 GGBFS의 수화작용에도 영향을 미쳐 강도향상에 기여한다.
- (2015)의 연구에서, FA-BFS의 치환율을 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100%의 5가지 배합에 따른 건조수축 시험을 하였다.그 결과 FA와 BFS의 치환율에 따라 건조수축이 큰 영향을 받지 않는 것을 확인하였다.
- 5(e)의 결과를 살펴보면, FA의 치환도 건조수축을 감소시키는 효과가 있었다. 그러나 FA를 치환한 것보다 CSA를 치환한 배합이 건조수축 감소효과가 더욱 큰 것으로 나타났다. 이는 Fig.
- 5(f)의 건조수축 결과를 통해 확인 할 수 있었다. 따라서 FA와 CSA를 혼합하는 배합의 경우 건조수축 감소에 효과적인 것으로 나타났다.
- 3의 결과에서 FA와 CSA가 함께 치환된 배합에서도 강도향상이 낮게 나타나고 있어 FA의 치환은 강도 저하에 큰 영향을 미치는 것으로 볼 수 있다. 따라서 FA의 치환율을 줄이고 GGBFS의 치환율을 증가시키면 강도는 향상되는 결과를 보여주고 있다. 이러한 결과는 GGBFS의 치환율이 증가하면 GGBFS의 수화에 의한 치밀한 조직의 반응생성물질이 증가하여 강도를 향상시킨다(Jang et al.
- 초결과 종결이 G10보다 빠른 배합은 FA의 치환율이 10%이하이고 CSA 치환율이 20% 이상인 배합이다. 따라서 GGBFS보다 상대적으로 활성화 반응이 늦은 FA의 치환율이 낮고, 초기 수화반응성이 뛰어난 CSA의 치환율이 높을수록 응결 시간은 초결, 종결 모두 감소하였다.
- 이러한 CSA 치환율 증가에 따른 치밀한 초직 형성은 흡수율이 감소하는 결과로 나타났다. 따라서 강도측면에서 볼 때 FA의 치환율은 10% 이하로 하고 CSA 치환율은 10%이상 30%까지 증가시키는 배합이 효과적이다.
- CSA의 치환율이 30%를 초과할 경우 과팽창에 의한 균열발생으로 시험체의 파괴를 유발하였다. 따라서 본 연구의 범위에서 볼 때 강도와 건조수축을 고려한 적합한 CSA 치환율은 10~30% 범위가 적합하다. 또한 FA도 건조수축 감소에 영향을 미치지만 강도와 응결 등의 특성을 함께 고려하여10% 범위에서 치환율을 선정하는 것이 건조수축을 감소시키는 데 효과적일 것으로 판단된다.
- FA의 경우 입자의 형상이 구형에 가까워서 볼 베어링 효과 등으로 유동성 향상에 도움이 될 것으로 생각하였으나 다공성인 FA가 일부 고성능 유동화제를 흡수하여 유동화제 사용량이 증가하였다. 또한 CSA는 빠른 초기수화반응으로 유동성 저하를 유발하여 고성능 유동화제의 사용량이 증가하고 V-funnel 유하시간도 증가하였다. 이는 CSA를 사용한 배합들의 고성능 유동화제 사용량과 V-funnel 유하시간을 살펴보면 확인할 수 있다.
- 따라서 본 연구의 범위에서 볼 때 강도와 건조수축을 고려한 적합한 CSA 치환율은 10~30% 범위가 적합하다. 또한 FA도 건조수축 감소에 영향을 미치지만 강도와 응결 등의 특성을 함께 고려하여10% 범위에서 치환율을 선정하는 것이 건조수축을 감소시키는 데 효과적일 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 FA의 치환율이 증가하면 유동성이 감소하여 고성능 유동화제의 사용량이 증가하고 V-funnel 값도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 두 가지 원인을 생각해 볼 수 있다.
- 이러한 초기 재령에서의 CSA 수화촉진 작용은 재령이 증가함에 따라 GGBFS의 수화작용에도 영향을 미쳐 강도향상에 기여한다. 본 연구의 범위에서 볼 때 100% GGBFS를 혼합한 AASC 보다(G10) 높은 강도를 발현하기 위해서는 FA 10% 이하, CSA 20%이상 치환한 배합이 효과적일 적으로 생각된다.
- 본 연구의 범위에서 볼 때 GGBFS의 치환율이 높은 배합에서 FA보다 CSA의 치환율이 높은 시험체에서 건조수축의 감소효과가 크다. 이는 GGBFS의 양과 함께 CSA의 팽창효과에 의한 내부 공극감소효과가 건조수축 감소에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- V-funnel 유하시간의 경향성도 유동화제 사용량의 경향성과 상당히 유사한 경향성을 나타내었다. 즉, CSA의 치환율이 증가함에 따라 V-funnel 유하시간이 증가하고 있었다.
- G10보다 빠른 초결을 나타낸 시험체는 G7F0C3의 70분, G6F2C2의 110분과 G6F1C3의 75분이며 종결의 경우는 G8F0C2 의 235분, G7F1C2의 25분, G7F0C3의 150분과 G6F1C3의 150 분이다. 초결과 종결이 G10보다 빠른 배합은 FA의 치환율이 10%이하이고 CSA 치환율이 20% 이상인 배합이다. 따라서 GGBFS보다 상대적으로 활성화 반응이 늦은 FA의 치환율이 낮고, 초기 수화반응성이 뛰어난 CSA의 치환율이 높을수록 응결 시간은 초결, 종결 모두 감소하였다.
- 4는 배합에 따른 흡수율이다. 흡수율 결과, GGBFS의 치환율이 감소함에 따라 흡수율은 증가하고 있다. 이는 GGBFS의 치환율이 증가하면 수화반응이 촉진되어 더 많은 반응생성물질이 치밀한 조직을 형성한다.
후속연구
- 이를 위해 초기 유동성, 응결, 압축강도와 건조수축 등의 역학적인 특성을 살펴보고자 한다. GGBFS-FA-CSA의 배합비와 이에 따른 유동성, 강도 그리고 건조수축 특성을 검토하여 활성화된 삼성분계 고유동 모르타르에 관한 후속연구의 자료로 활용되도록 하고자 한다.
- GGBFS와 CSA의 종류와 성질, 활성화제의 종류와 농도 등에 따라 다양한 결과가 나타날 수 있다. 여기에 FA를 일정 범위 혼합함으로써 CSA에 의한 급격한 유동성 손실, 빠른 응결, 과도한 팽창 작용 등을 조절할 수 있을 것으로 판단된다.
- 예비실험과 선행연구결과들을 참고하여 목표 유동성을 미니슬럼프 기준으로 280 ± 10 mm가 되도록 하였다. 이는 이어질 후속연구에 활용될 콘크리트 구조물의 파손 및 균열 부위의 보수보강, 자갈도상의 콘크리트 포장화 등에 적용하는 경우를 고려하여 선정하였다. Fig.
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