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문제 정의
- DSR은 상부 판의 회전속도를 변화시켜 각각의 토크를 측정하는 방식인데, 이 때 상하부판과의 gap과 판의 거칠기 정도에 따라 데이터가 변동할 수 있다 . Mukhopadhyay and Jang(2009)은 시멘트 페이스트의 DSR 실험을 수행하기 위하여 상하부판과의 거리인 gap을 1mm, 상하부판의 표면에 240 grit paper(사포)를 설치하는 방법을 제안한 바 있으며, 본 연구에서는 이와 같은 방식으로 시멘트 페이스트의 레올로지를 평가하였다. DSR 실험진행 시 시멘트 페이스트 온도는 25℃로 맞추었으며, shear rate는 50~150/s로 하였다.
- 본 논문에서는 시멘트 레올로지 특성 분석을 통해, 광물성 혼화재 치환에 따른 결합재 타입 및 구성비 조정, 고성능감수제 첨가 유무가 페이스트 레올로지에 미치는 영향을 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 이에 본 연구에서는 결합재의 구성비를 조정하고 고성능감수제를 첨가유무에 따라 시멘트 페이스트의 레올로지 특성을 분석하였으며, 각각의 데이터에 대한 상관 분석을 통해 레올로지 인자(항복응력, 소성점도)의 예측 가능성을 검토하였다. 특히 항복응력과 소성점도에 영향을 미치는 인자들을 묶어 M-value를 제안하였으며, 이를 통해 레올로지 예측 정확도를 높일 수 있는지를 평가하였다.
- 혼합물의 항복응력과 소성점도를 측정하기 위해서는 레오메터(rheometer)가 필요하지만, 실제 배합설계과정에서 레오메터를 사용하기에는 현실적인 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 일반적으로 손쉽게 측정 가능한 플로우와 V-funnel 통과시간이 이 인자들과 상관성이 존재하는지 여부를 평가하였다.
- 일반적으로 골재가 들어가는 혼합물의 경우 유동성이 좋지만 점성이 확보되지 않아 재료분리가 발생할 경우 골재가 아래로 가라앉아 통과성능이 현저히 떨어질 수 있다. 이에 이 실험은 혼합물의 점성에 대한 평가를 간접적으로 할 수 있는 실험이다.
제안 방법
- 결합재의 구성비율은 기존 예비배합실험을 통해 레올로지 특성이 OPC 대비 충분한 변별력을 가질 수 있는 범위에서 결정한 것이며, 전체 결합재 대비 플라이애시 20%, 고로슬래그 20%, 실리카흄 6%, 석회석미분말 10%에 대한 배합을 실시하였다.
- 본 연구에서는 총 30개의 페이스트 배합을 실시하였으며, Table 3은 본 연구에서 수행한 페이스트 배합비를 나타내고 있다. 결합재의 구성비율은 일반적으로 중량비율을 많이 사용하나, 본 연구에서는 체적비율을 사용하였다. 이는 입자가 차지하는 체적이 궁극적으로 페이스트의 레올로지에 영향을 미치기 때문이다.
- 본 연구에서는 물-결합재비와 광물성 혼화재 타입의 변화를 주어 페이스트 배합을 실시하였다. 고성능감수 제를 첨가하지 않는 경우 물-결합재비를 0.40~0.50으로 하였으며, 고성능감수제 0.5%(결합재 중량대비)를 첨가한 경우 물-결합재비를 0.30~0.40으로 하였다. 이와 같이 물-결합재비 범위를 다르게 한 것은 고성능감수제가 첨가되지 않는 배합에서 물-결합재비가 0.
- 레올로지평가를 위해 미니콘을 이용한 플로우실험, V-funnel실험, 레오메터 중 parallel plate 타입의 DSR(dynamic shear rheometer) 실험이 수행되었다. Fig.
- 본 연구에서는 물-결합재비와 광물성 혼화재 타입의 변화를 주어 페이스트 배합을 실시하였다. 고성능감수 제를 첨가하지 않는 경우 물-결합재비를 0.
- 시멘트 페이스트 배합은 Hobart N 50 믹서기를 이용하여 교반하였으며, 교반시간은 모든 배합에서 1분으로 하였다.
- 이 방법은 최대 고체농도(solid concentration)가 나올 때까지 반복실험을 진행하게 되는데, 본 연구와 같이 결합재의 구성을 달리하는 배합들을 적용하는 경우 packing density를 구하기 위해서 많은 시간과 노력이 소비될 수 있다. 이에 본 연구에서는 결합재의 packing density를 고려하지 않고, water film thickness를 적용하여 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서 측정된 데이터를 상호 단순 비교한 결과를 보면 전체적으로 상관성이 높다고 보기 어려우며, 이는 결합재의 특성이 반영되어 있지 않기 때문인 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 여러 연구자들에 의해 제안된 식과 연구결과에 검토된 인자들을 반영하여, 항복 응력과 소성점도에 영향을 미치는 인자들에 대한 교호 작용 검토를 통해 다음과 같이 M-value를 제안한다.
- 이에 본 연구에서는 결합재의 구성비를 조정하고 고성능감수제를 첨가유무에 따라 시멘트 페이스트의 레올로지 특성을 분석하였으며, 각각의 데이터에 대한 상관 분석을 통해 레올로지 인자(항복응력, 소성점도)의 예측 가능성을 검토하였다. 특히 항복응력과 소성점도에 영향을 미치는 인자들을 묶어 M-value를 제안하였으며, 이를 통해 레올로지 예측 정확도를 높일 수 있는지를 평가하였다.
- 4는 시멘트 페이스트의 플로우를 측정하는 것을 보여주고 있다. 플로우실험에서는 콘을 올려 페이스트가 퍼져 있는 크기를 가로와 세로로 두 번측정하며, 이것을 평균한 값을 플로우로 하였다. Vfunnel 실험에서는 혼합물을 용기에 가득 채우고 1분 동안 대기한 후, 용기 아래 gate를 열어 페이스트를 배출하게 하며, 이때 gate를 열어 페이스트가 완전히 빠져나갈 때까지의 시간을 측정한다.
이론/모형
- 40을 초과할 경우 페이스트에 재료분리가 발생하였기 때문이다. 고성능감수제는 폴리카본산계 타입을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 플로우 실험결과, 물-결합재비가 증가함에 따라 플로우가 일정하게 증가하는 선형관계를 나타내었다. 고성능감수제를 첨가할 경우 결합재 타입과 구성비에 따라 페이스트의 유동성이 상대적으로 크게 변동될 수 있는 것으로 나타났다.
- 2. V-funnel 실험결과, 물-결합재비가 증가함에 따라 V-funnel 통과시간이 감소하는 거듭제곱 형태의 회귀곡선을 나타내었다. 고성능감수제를 첨가하지 않은 경우 물-결합재비가 감소할 때 결합재의 타입과 구성비의 영향이 크게 작용하는 것으로 나타났으며, 이에 반해 고성능감수제를 첨가한 경우 결합재의 타입과 구성비가 V-funnel 통과시간에 미치는 영향이 작은 것으로 분석되었다.
- 3. DSR 실험결과, 항복응력과 소성점도가 물-결합재비와 일정한 상관성을 나타내고 있지만, 플로우 실험과 V-funnel 실험결과와 비교하면 상대적으로 결정계수가 낮은 값을 나타내었다. 특히 고성능감수제를 첨가하지 않은 경우 결합재의 타입과 구성비가 항복응력과 소성점도에 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 4. 인자별 상관관계를 분석한 결과, 플로우와 레올로지 인자(항복응력, 소성점도)간 일정한 관계를 나타내고 있으나 상관성이 높지 않았으며, V-funnel 통과시간도 마찬가지로 상관성이 높지 않았다.
- 5. 본 연구에서 제안한 M-value를 이용하여 레올로지 인자와 상관관계를 분석하였는데, 플로우와 Vfunnel 통과시간보다는 일부 상관성을 개선하는 것으로 나타났으며, 고성능감수제를 첨가한 배합에서는 높은 상관성을 나타내는 것으로 분석되었다. 그러나 여전히 범용적인 배합에서 레올로지 인자를 예측하기에는 한계가 있으며, 추후 packing density를 고려한 M-value의 수정보완이 필요할 것으로 판단된다.
- 23은 고성능감수제 첨가 유무에 따른 페이스트의 V-funnel 통과시간과 항복응력 관계를 나타내고 있다. V-funnel 통과시간이 증가함에 따라 항복응력이 증가하는 경향을 나타내었으며, 전체적으로 상관성이 낮은 것으로 분석되었다. Fig.
- 항복응력은 DSR실험에서 상부판이 회전하기 직전에 걸리는 응력을 말하며, 이에 물-결합재비가 증가함에 따라 항복응력은 감소하는 경향을 나타낸다. 고성능감수 제를 첨가하지 않은 경우 OPC가 가장 작은 항복응력을 나타냈으며, 광물성 혼화재의 치환에 따라 항복응력이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 본 연구에서 사용한 광물성혼화재가 시멘트보다 분말도가 높아서 혼합물에 치환 시 항복응력을 증가시킨 것으로 판단된다.
- 석회석미분말을 치환한 LS10의 경우 OPC와 유사한 플로우를 나타내었다. 고성능감수제 첨가 유무로 나누어 회귀분석을 실시한 결과, 고성능감수제를 첨가하지 않은 배합에서는 배합별 플로우 차이가 크지 않아 물-결합재비와 플로우의 상관성이 높은 것으로 분석되었다. 그러나 고성능감수제를 첨가한 배합에서는 배합별 플로우가 큰 편차를 나타내어 상대적으로 상관성이 다소 떨어지는 것으로 분석되었다.
- 29는 M-value와 소성점도 관계를 분석한 것이다. 고성능감수제를 첨가하지 않은 경우 결정계 수가 0.60을 나타내어 플로우-소성점도 관계에서 산출된 결정계수 0.62보다 조금 감소하였으며, 고성능감수제를 첨가한 경우 결정계수가 0.82를 나타내어 플로우-소성점도 관계에서 산출된 결정계수 0.74보다 증가하였다.
- V-funnel 실험결과, 물-결합재비가 증가함에 따라 V-funnel 통과시간이 감소하는 거듭제곱 형태의 회귀곡선을 나타내었다. 고성능감수제를 첨가하지 않은 경우 물-결합재비가 감소할 때 결합재의 타입과 구성비의 영향이 크게 작용하는 것으로 나타났으며, 이에 반해 고성능감수제를 첨가한 경우 결합재의 타입과 구성비가 V-funnel 통과시간에 미치는 영향이 작은 것으로 분석되었다.
- 이는 물의 양이 증가하면서 페이스트의 유동성을 증가시켰기 때문이다. 고성능감수제를 첨가하지 않은 경우 물-결합재비가 작아질수록 배합별 V-funnel 통과시간의 편차가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이는 물의 양이 상대적으로 증가할 경우 광물성 혼화재의 영향이 줄어들고, 물의 양이 감소할 경우 광물성 혼화재의 영향이 크게 작용한다는 것을 의미하는 것이다.
- 고성능감수제를 첨가한 경우 전반적으로 첨가하지 않은 경우에 비해 항복응력이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 특히 SF6를 제외한 나머지 배합들에서는 물-결 합재비 0.
- 플로우 실험결과, 물-결합재비가 증가함에 따라 플로우가 일정하게 증가하는 선형관계를 나타내었다. 고성능감수제를 첨가할 경우 결합재 타입과 구성비에 따라 페이스트의 유동성이 상대적으로 크게 변동될 수 있는 것으로 나타났다.
- 이는 각 배합별 광물성혼화재의 치환유무가 크게 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 고성능감수제를 첨가한 배합에서 SF6를 제외하고 회귀분석을 수행한 경우 결정계수가 0.87을 나타내어 실리카 흄이 상관성을 크게 저하시키는 것으로 나타났다.
- 이는 고성능감수제를 첨가할 경우 입자의 분산성이 증가하여 항복응력을 감소시켰기 때문이다. 그러나 실리카 흄을 첨가한 배합에서는 고성능감수제 첨가 시 다른 배합에 비해 항복응력의 저감폭이 크지 않은 것으로 나타났다. 실리카흄의 입자크기가 다른 분체에 비해 크게 작기 때문에(시멘트 분말도의 약 60배), 고성능감수제가 혼합물 내에 지배적으로 작용하지 못하여 유동성을 감소시킨 것으로 판단된다.
- 7은 고성능감수제가 첨가되지 않은 경우 시멘트만을 사용한 배합과 플라이애시를 20% 치환한 배합의 플로우 결과를 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 물-결합재비의 증가에 따라 플로우가 증가하여 일정한 선형관계를 나타내고 있으며, 결정계수가 0.98 이상을 나타내어 상관성이 아주 높은 것으로 분석되었다. 그러나 플라이애시 치환 유무에 따라서는 약간의 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 이와 같은 결과를 볼 때, V-funnel 통과시간보다 페이스트의 항복응력이 결합재의 타입 및 구성비, 광물성 혼화재의 치환 유무에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 또한 V-funnel 실험과 마찬가지로 고성능감수제 첨가 시 동일한 물-결합재비에서 배합별 데이터의 편차가 감소하는 것으로 보아, 고성능감수제가 광물성혼화 재의 영향을 감소시키는 것으로 판단된다.
- 그림에서 알 수 있듯이 플로우가 증가하면 항복응력이 감소하는 추이를 나타내고 있다. 또한 각 배합별로는 일정한 선형관계를 나타내는 것으로 보이나, 전체 배합에 대한 회귀분석결과 상관성이 높지 않은 것으로 분석되었다. 이는 각 배합별 광물성혼화재의 치환유무가 크게 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.
- 46보다 조금 증가하였다. 또한 고성능감수제를 첨가한 경우 결정계수 0.91을 나타내어 플로우-항복응력 관계에서 산출된 결정계수 0.87보다는 조금 증가한 경향을 나타내었다. 특히 Fig.
- 본 결과를 보면, OPC와 FA20은 전체적으로 플로우값이 큰 차이를 나타내고 있지 않으나, 물-결합재비 0.3에 서는 오히려 OPC가 FA20보다 플로우가 큰 값을 나타내었다. 일반적으로 콘크리트에 플라이애시 치환 시 볼베어링 작용으로 콘크리트의 유동성을 증가시킨다고 알려져 있으나, 본 페이스트 실험에서는 이와 같은 현상을 발견하지 못하였다.
- 10은 고성능감수제 첨가 유무에 따라 물-결합재비와 플로우와의 관계를 비교한 것이다. 우선 각 배합별 플로우 값을 비교하여 보면 고성능감수제를 첨가하지 않은 경우 배합별 플로우 차이가 크지 않으나, 고성능감수제를 첨가할 경우 배합별 플로우가 크게 차이가 나는 것으로 평가되었다. 이는 고성능감수제를 첨가할 경우 결합재의 타입 및 구성비(광물성 혼화재 치환 여부)에 따라 페이스트의 유동성이 크게 변동될 수 있음을 나타내는 것이다.
- 본 연구에서 제안한 M-value는 플로우만을 이용하여 항복응력과 소성점도를 추정하는 것 보다는 상관성이 조금 개선된 것으로 판단되나, 여전히 범용적인 배합에 적용하기에는 한계가 있는 것으로 판단된다. 이는 입자의 packing density와 비표면적이 시멘트 페이스트의 레올로지에 영향을 미치는 중요한 인자인데, 본 연구에서 제안한 M-value는 packing density가 반영되어 있지 않으며, 이것이 데이터의 상관성을 크게 높이진 못한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 packing density 의 측정 방법에 대한 문제점들 때문에 이 인자의 측정을 생략하였으나, 추후 packing density가 고려된 Mvalue의 수정보완이 필요할 것으로 판단된다.
- 실리카흄의 입자크기가 다른 분체에 비해 크게 작기 때문에(시멘트 분말도의 약 60배), 고성능감수제가 혼합물 내에 지배적으로 작용하지 못하여 유동성을 감소시킨 것으로 판단된다. 이에 물-결합재비와 항복응력의 관계는 일정한 상관성을 나타내고 있으나 플로우와 V-funnel 통과시간에 비해서는 상관성이 떨어지는 것으로 분석되었다. 이는 위에서 언급한 바와 같이 광물성혼화재의 치환이 항복응력을 상대적으로 크게 증가시켰기 때문이다.
- 이와 같은 결과를 볼 때, V-funnel 통과시간보다 페이스트의 항복응력이 결합재의 타입 및 구성비, 광물성 혼화재의 치환 유무에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 또한 V-funnel 실험과 마찬가지로 고성능감수제 첨가 시 동일한 물-결합재비에서 배합별 데이터의 편차가 감소하는 것으로 보아, 고성능감수제가 광물성혼화 재의 영향을 감소시키는 것으로 판단된다.
- 또한 각 배합별로 일정한 선형관계를 나타내는 것으로 보인다. 전체 배합 결과에 대한 회귀분석결과를 보면 전반적으로 결정계수가 약 0.6과 0.7 정도를 나타내어 플로우-항복응력 관계보다는 상관성이 높은 것으로 분석되었다. 일반적으로 플로우는 항복응력과 아주 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있으나, 본 연구결과 오히려 소성점도가 더 높은 상관성을 나타내었다.
- DSR 실험결과, 항복응력과 소성점도가 물-결합재비와 일정한 상관성을 나타내고 있지만, 플로우 실험과 V-funnel 실험결과와 비교하면 상대적으로 결정계수가 낮은 값을 나타내었다. 특히 고성능감수제를 첨가하지 않은 경우 결합재의 타입과 구성비가 항복응력과 소성점도에 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 물-결합재비와 소성점도는 전반적으로 일정한 상관관계를 유지하고 있으며, 물-결합재비가 증가함에 따라 소성점도가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 특히 항복 응력보다는 상관성이 조금 더 높은 것으로 평가되었으며, 또한 고성능감수제가 미치는 영향이 상대적으로 작게 나타났다.
- 이와 같은 결과는 플로우 결과와는 크게 상반된다는 것을 알 수 있다. 플로우 결과에서는 고성능감수제를 첨가하지 않는 경우 결합재의 타입 및 구성비가 약간의 영향을 미치며, 고성능 감수제를 첨가한 경우 오히려 광물성 혼화재 치환여부가 플로우에 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 M-value를 이용하여 레올로지 인자와 상관관계를 분석하였는데, 플로우와 Vfunnel 통과시간보다는 일부 상관성을 개선하는 것으로 나타났으며, 고성능감수제를 첨가한 배합에서는 높은 상관성을 나타내는 것으로 분석되었다. 그러나 여전히 범용적인 배합에서 레올로지 인자를 예측하기에는 한계가 있으며, 추후 packing density를 고려한 M-value의 수정보완이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 제안한 M-value는 플로우만을 이용하여 항복응력과 소성점도를 추정하는 것 보다는 상관성이 조금 개선된 것으로 판단되나, 여전히 범용적인 배합에 적용하기에는 한계가 있는 것으로 판단된다. 이는 입자의 packing density와 비표면적이 시멘트 페이스트의 레올로지에 영향을 미치는 중요한 인자인데, 본 연구에서 제안한 M-value는 packing density가 반영되어 있지 않으며, 이것이 데이터의 상관성을 크게 높이진 못한 것으로 판단된다.
- 이는 입자의 packing density와 비표면적이 시멘트 페이스트의 레올로지에 영향을 미치는 중요한 인자인데, 본 연구에서 제안한 M-value는 packing density가 반영되어 있지 않으며, 이것이 데이터의 상관성을 크게 높이진 못한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 packing density 의 측정 방법에 대한 문제점들 때문에 이 인자의 측정을 생략하였으나, 추후 packing density가 고려된 Mvalue의 수정보완이 필요할 것으로 판단된다. 상대적으로 고성능감수제를 첨가한 배합에서 상관성이 우수하게 나타난 것은 결합재의 특성, 구성비 등의 영향이 작아지기 때문인 것으로 판단된다.
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