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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 혼화제의 초기강도 지연과 내구성에 대한 문제를 개선하고자 염화물을 사용하지 않 면서 방동과 강도개선효과가 우수한 나트륨 기반 조강형 혼화제[10]를 사용한 콘크리트의 압축강도발현 특성을 검토하여 콘크리트의 조기강도 확보방안으로 실제 현장에 적용 가능한 배합설계의 기초 데이터를 마련하고자 하였다.
- 본 연구에서는 실제 현장의 골조공사에 주로 활용되고 있는 설계기준강도 21∼27MPa 범위의 콘크리트를 대상으로 10℃ 온도조건의 범위에서 나트륨계 기반의 조강형 혼화제를 사용한 콘크리트를 단위 시멘트량, 혼화제의 변경에 따른 물성, 강도발현 등을 검토함으로서 거푸집 탈형시기를 분석해보고자 하였다.
- 본 연구에서는 실제 현장의 골조공사에 주로 활용되고 있는 설계기준강도 21∼27MPa 범위의 콘크리트를 대상으로 10℃ 온도조건의 범위에서 단위 시멘트량, 혼화제의 변경에 따른 물성, 강도발현 등을 검토함으로서 거푸집 탈형시기를 분석해보고자 하였다.
제안 방법
- Series Ⅰ은 레미콘 규격 21, 24, 27MPa를 바탕으로 레미콘 공장에서 활용되는 단위 시멘트량을 고려하여 300, 330, 345㎏/㎥, 기준 배합인 P300은 실제 현장 공급을 반 영하여 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 각각 15% 치환 한 배합으로 선정하였으며, 그 외의 경우 초기강도를 고려하여 1종 시멘트만을 단독으로 사용하는 것으로 설정하였다.
- Series Ⅱ는 시멘트 증감 및 혼화제 종류에 따른 영향을 검토하기 위하여 단위 시멘트량은 고려하여 300, 330, 360 ㎏/㎥으로 범위를 증가시키고 감수제 종류별 혼입율에 따른 배합을 설정하였다.
- SeriesⅡ단계에서는 혼화제의 종류에 따른 콘크리트의 물성 및 강도발현에 미치는 영향을 검토하기 위하여 , 혼화제 종류를 일반형 감수제, 일반형 PC 및 조강PC로 설정하였으며, 조강PC의 경우 조강제 원료가 상이한 2종의 제품을 선정하여 그 영향성을 검토하고자 하였다.
- 평가 항목으로는 콘크리트의 물성(슬럼프, 공기량)과 관리용 공시체를 제작하여 양생온도 10℃에서 Series Ⅰ의 경우 24, 36, 48시간, 혼화제 종류에 따른 Series Ⅱ에서는 강도발현의 촉진을 고려하여 24, 36시간에서 강도평가를 실시하였다. 또한 온도-시간 경과에 따른 적산온도 산정에 의하여 각 요인별 5MPa 발현시점을 검토하였다.
- 또한, 측정된 시간-양생온도와 강도발현의 상관성을 고려하여 콘크리트 표준시방서에서 제시하고 있는 적산온도 산정식(1)[2]을 이용하여 각 수준별 5MPa 발현시기를 분석 하였다.
- 또한, 콘크리트의 단위수량은 국내 레미콘 플랜트에서의 배합 현황을 고려하여 시리즈 I에서는 195㎏/㎥, 시리즈 II 에서는 콘크리트의 초기강도를 고려하여 185㎏/㎥ 이하로 설정하였으며, 잔골재는 조립율 2.50∼2.60을 만족하기 위하여 세척사 및 쇄사를 4:6의 비율로 혼합하였다.
- 이에 현장에서 활용가능한 배합범위에서 압축강도를 예측하기 위하여 본 연구에서 수행한 연구결과를 바탕으로 적산 온도에 의한 5MPa강도 발현시점을 추정하였다.
- 평가 항목으로는 콘크리트의 물성(슬럼프, 공기량)과 관리용 공시체를 제작하여 양생온도 10℃에서 Series Ⅰ의 경우 24, 36, 48시간, 혼화제 종류에 따른 Series Ⅱ에서는 강도발현의 촉진을 고려하여 24, 36시간에서 강도평가를 실시하였다. 또한 온도-시간 경과에 따른 적산온도 산정에 의하여 각 요인별 5MPa 발현시점을 검토하였다.
- 현장조건을 고려하여 충분한 작업성을 갖기 위하여 일반 강도 콘크리트의 Slump는 180±25mm, 공기량은 4.5±1.5%로 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험계획을 Table 1에 나타냈다. 본 연구의 SeriesⅠ에서는 현재 건축현장에 적용되고 있는 21~27MPa 수준을 고려하여 일반적으로 사용되고 있는 단위 시멘트량 300, 330, 345㎏/㎥으로 설정하고 혼화제는 표준형 고성능 감수제를 사용하였다.
- 잔골재는 천연 잔골재로서 밀도 2.60g/cm3, FM 2.01, 흡수율 0.79%의 세척사 및 밀도 2.57g/cm3, FM 3.29, 흡수율 0.87%의 쇄사이며, 굵은 골재는 밀도 2.57g/cm3, 흡 수율 0.76% 및 최대치수 25mm의 화강암류 부순 자갈을 사용하였다.
- 콘크리트의 물성확보 및 강도발현 증진을 검토하기 위한 혼화제는 나프탈렌계 고성능 감수제, 폴리카르본산계 고성능 감수제, 조강제를 포함한 폴리카르본산계 고성능 감수제 A, B제품을 사용하였다. 조강PC의 경우 A제품은 조강형 원료로 질산나트륨(NaNO3), 트리에탄올아민(이하 TEA) 및 황산나트륨(Na2SO4)가 적용된 것이며, B제품은 황산나트륨을 제외한 대신에 질산나트륨의 사용량을 늘리고, TEA 를 적용한 것을 사용하였다.
- 콘크리트의 물성확보 및 강도발현 증진을 검토하기 위한 혼화제는 나프탈렌계 고성능 감수제, 폴리카르본산계 고성능 감수제, 조강제를 포함한 폴리카르본산계 고성능 감수제 A, B제품을 사용하였다. 조강PC의 경우 A제품은 조강형 원료로 질산나트륨(NaNO3), 트리에탄올아민(이하 TEA) 및 황산나트륨(Na2SO4)가 적용된 것이며, B제품은 황산나트륨을 제외한 대신에 질산나트륨의 사용량을 늘리고, TEA 를 적용한 것을 사용하였다.
이론/모형
- 경화된 콘크리트의 압축강도 측정은 KS F 2043 『콘크 리트의 강도 시험용 공시체 제작방법』에 준하여 φ100mm ×200mm 시험체를 제작한 후, KS F 2405 『콘크리트 압 축 강도 시험 방법』에 준하여 계획된 재령에서 300 ton급 UTM을 이용하여 최대하중을 측정한 후 압축강도를 계산하였다.
- 굳지 않은 콘크리트의 물성 평가를 위한 슬럼프, 공기량 시험 방법은 KS F 2402 『콘크리트의 슬럼프 시험 방법』, KS F 2421 『압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법』에 의하여 실시하였다.
성능/효과
- 적산온도와 압축강도의 상관관계는 1차 추정식으로 추정이 가능하며 단위시멘트량 330㎏/㎥ 이상에서는 유사한 기울기를 갖는 것으로 나타났으며, PC계 이상의 고성능 혼화제를 사용하면 그 효과가 뛰어나며 조강제의 활용에 의해 증감이 월등히 높게 되는 것으로 확인된다.
- 1) 단위 시멘트량 증가 및 혼화제 치환률에 따른 콘크리트 물성은 전수준에서 목표치를 만족시키는 것으로 확인되었으며, 조강형 PC의 경우 혼화제 구성에 기인하여 혼화제 치환량이 증가되는 것으로 나타났다.
- 2) 일반형 혼화제의 경우 단위 시멘트량을 증가해도 5MPa 발현이 재령 36시간 이내에선 어려우며, 재령 48시간에 발현되는 것으로 나타났다. 또한 P300 배합의 경우 재령 48시간에도 강도발현이 되지 않아 10℃ 양생조건에서 혼화재의 치환은 지양해야 할 것으로 판단된다.
- 3) PC계 혼화제의 사용은 단위 시멘트량 330㎏/㎥ 이상인 경우 재령 36시간에 5MPa의 발현이 가능한 것으로 나타났으며, 조강형 PC 혼화제의 경우 그 효과가 우수한 것으로 확인되었다.
- 4) 콘크리트의 강도발현율을 검토한 결과, 시멘트의 증가에 따른 강도개선율은 약 110~160%로서 혼화제를 병용 사용하는 것이 강도개선율이 매우 우수한 것으로 확인되었으며, 강도개선율은 Ad < PC < ePC-A < ePC-B 순으로 나타나 조강제에 의한 수화반응을 촉진시켜 응결 및 경화시점을 단축하는 것이 유효한 것으로 확인되었다.
- 5) 적산온도에 의한 5MPa의 발현시기를 검토한 결과, 조강형 PC를 사용하는 경우 30시간까지 단축이 가능 한 것으로 확인되었으나, 단위시멘트량을 360㎏/㎥ 까지 증가시 조강형 PC 사용효과가 크지 않아 경제적 배합설계 고려시 단위시멘트량은 330㎏/㎥를 기준으로 조강형 혼화제의 사용이 적정할 것으로 판단된다.
- PC계 혼화제의 사용에 따른 압축강도의 경향은 일반 PC < ePC-A < ePC-B로 강도발현이 증가하며 초기 24시간 강도발현은 2.4MPa 이하로 낮은 값을 나타내고 있으나 ePC-A 및 ePC-B의 조강형 혼화제의 경우 2MPa 이상의 값으로 초기 발현이 일반형 감수제에 비하여 다소 높은 것으로 확인되었다.
- SeriesⅠ배합의 경우 목표 슬럼프 및 공기량을 만족하기 위한 혼화제 사용량은 단위결합재량의 0.7%로 동일하게 사용하였으며, 슬럼프는 P300이 195 ㎜, 그 외의 경우 모두 190 ㎜로 측정되어 단위결합재량의 증가에 관계없이 시공성은 만족하는 것으로 나타났으며, 공기량의 경우 KS F 4009 의 기준인 3.0~6.0% 수준을 모든 만족하고 있어, 굳지 않은 콘크리트의 물성은 크게 차이가 없는 것으로 판단되었다.
- 단위 시멘트량 및 혼화제 종류별 요인에 따른 SeriesⅡ배 합의 경우 목표 슬럼프 180±25 ㎜를 만족하기 위한 혼화제 첨가율은 단위 시멘트량에 관계없이 일반 감수제에 비해 조강PC에서 증가되는 경향을 보였으며, 혼화제 종류에 따라 목표 슬럼프를 확보하기 위한 첨가량은 다소 변화되었으나, 콘크리트의 슬럼프는 유사한 수준이었으며, 육안관찰에 의한 유동성도 유사한 수준인 것으로 나타났다.
- 단위시멘트량의 증가 및 혼화제 종류에 따라서는 단위시 멘트량의 증가에 따라 5MPa의 발현을 위한 적산온도 및 시간이 단축되는 것으로 확인되고 잇으며, 그중 효과가 가장 우수한 ePC-B를 활용하면 330㎏/㎥의 수준에서 강도발현 시기를 31시간까지 단축할 수 있는 것으로 확인되었다. 하지만 330㎏/㎥이상의 수준에서 단위시멘트량을 증가하고 조강형 PC를 사용하여도 그 효과가 크지 않는 것으로 확인되어 현장의 조건을 고려한 배합의 설정에 있어서는 단위시멘트량은 330㎏/㎥를 기준으로 조강 혼화제의 사용 또는 조강제의 개선에 따른 검토가 이루어져야 할 것으로 판단되었다.
- 4MPa 이하로 낮은 값을 나타내고 있으나 ePC-A 및 ePC-B의 조강형 혼화제의 경우 2MPa 이상의 값으로 초기 발현이 일반형 감수제에 비하여 다소 높은 것으로 확인되었다. 따라서, 일반형 감수제에 비해 폴리카르본산계 고성능감수제를 적용한 경우 상대적으로 초기 재령에서 강도 발현이 양호하였으며, 조강형 원료를 적용할 경우 초기 강도 발현 성능은 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- Figure 3은 혼화제가 동일한 조건에서 단위 시멘트량의 변화에 따른 압축강도 발현율을 나타낸 것으로 단위시멘트 량 30㎏/㎥ 증가시 압축강도 증가율은 재령 24시간에는 평균 약 23%, 재령 36시간에는 평균 약 27% 개선되는 것으로 나타났으며, 재령에 따른 개선효과는 크게 나타나지 않았다. 또한 단위 시멘트량을 증가하는 경우에도 동일 혼화제를 사용하는 경우 약 110~160%의 강도 개선율로 그 영향이 크지 않는 것으로 확인되었다.
- hr까지 감소하는 것으로 나타나 10℃ 안팍의 양생온도조건에서 강도발현을 하기 위해서는 혼화재의 사용은 지양하고 시멘트량을 330㎏/㎥ 이상 사용해야 함을 확인할 수 있었다. 또한 시멘트만을 사용하는 경우 5MPa 발현시점이 기존 69시간에서 40시간까지 단축되는 효과도 추정할 수 있었다.
- 또한, 공기량의 경우 슬럼프 실험결과와 유사하게 단위 시멘트량에 관계없이 일반 감수제에 비해 조강PC를 사용한 경우 비빔직후의 공기량이 다소 감소되는 것으로 확인되었으나 전 수준에서 KS에 제안된 공기량 범위인 3~6%을 만족 하는 것으로 나타나 현장 적용을 위한 문제는 없는 것으로 확인되었다.
- 한편, 일반PC의 경우 단위 시멘트량 360㎏/㎥에서 36시간에 5MPa를 확보할 수 있는 것으로 나타났으며, 조강PC의 경우 단위 시멘트량 330㎏/㎥ 이상에서는 36시간에 5MPa 를 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 조강PC 중에서는 질산나트륨의 사용량을 늘리고, TEA를 적용한 B제품이 질산나트륨(NaNO3), TEA 및 황산나트륨(Na2SO4)이 함유된 A제품에 비해 상대적으로 초기 강도 발현 성능이 우수한 것으로 나타나, 조강형 원료 중에서는 황산나트륨에 비해 질산나트륨의 효과가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 실험결과, 일반형 혼화제를 사용한 상태에서 단위 시멘트량 360㎏/㎥까지 증가하여도 36시간까지 5MPa 를 확보할 수 없는 것으로 나타났으며, 결합재 치환을 실시하는 경우에는 48시간에도 5MPa 확보가 어려운 것으로 확인되었다. 또한, 혼화제의 종류에 따라서는 조강형 PC를 사용하는 경우 강도개선율이 우수한 것으로 확인되었으며, 적산온도 평가 결과 5 MPa 발현시기가 30시간으로 추정되었다. 따라서 현장의 배합설계 있어서는 단위시멘트량은 330 ㎏/㎥를 기준으로 조강 혼화제의 사용 또는 조강제의 개선에 따른 검토가 이루어져야 할 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서는 실제 현장의 골조공사에 주로 활용되고 있는 설계기준강도 21∼27MPa 범위의 콘크리트를 대상으로 10℃ 온도조건의 범위에서 단위 시멘트량, 혼화제의 변경에 따른 물성, 강도발현 등을 검토함으로서 거푸집 탈형시기를 분석해보고자 하였다. 실험결과, 일반형 혼화제를 사용한 상태에서 단위 시멘트량 360㎏/㎥까지 증가하여도 36시간까지 5MPa 를 확보할 수 없는 것으로 나타났으며, 결합재 치환을 실시하는 경우에는 48시간에도 5MPa 확보가 어려운 것으로 확인되었다. 또한, 혼화제의 종류에 따라서는 조강형 PC를 사용하는 경우 강도개선율이 우수한 것으로 확인되었으며, 적산온도 평가 결과 5 MPa 발현시기가 30시간으로 추정되었다.
- Figure 4는 단위 시멘트량이 동일한 조건에서 혼화제 종류에 따른 강도발현율을 나타낸 것으로 혼화제 종류의 변화에 따라 Ad < PC < ePC-A < ePC-B 순으로 강도발현율이 증가하는 것으로 나타났으며 재령 24시간에서 조강제를 사용하는 경우 증가 폭이 재령 36시간에서의 증가폭 보다 큰 것으로 확인되었다. 이에 초기 재령에서의 콘크리트의 강도발현을 향상시키기 위해서는 조강제를 함유한 PC계 혼화제를 사용함으로써 수화반응을 촉진시켜 응결 및 경화시점을 단축하는 것이 유효한 것으로 확인되었다.
- 일반형 감수제를 활용하는 경우 24시간 이내의 경우 단위 시멘트량을 증가하여도 초기 수화반응에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 확인되었으며, 36시간 이후부터 단위결합재량에 따른 강도발현의 차이가 급격하게 나타나는 것을 알 수 있다.
- 일반형 혼화제 및 결합재를 치환한 현장배합의 경우 적산 온도 1,377D.hr, 시멘트만을 사용한 배합의 경우 시멘트량의 증가에 따라 800 D.hr까지 감소하는 것으로 나타나 10℃ 안팍의 양생온도조건에서 강도발현을 하기 위해서는 혼화재의 사용은 지양하고 시멘트량을 330㎏/㎥ 이상 사용해야 함을 확인할 수 있었다. 또한 시멘트만을 사용하는 경우 5MPa 발현시점이 기존 69시간에서 40시간까지 단축되는 효과도 추정할 수 있었다.
- 한편, 일반PC의 경우 단위 시멘트량 360㎏/㎥에서 36시간에 5MPa를 확보할 수 있는 것으로 나타났으며, 조강PC의 경우 단위 시멘트량 330㎏/㎥ 이상에서는 36시간에 5MPa 를 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 조강PC 중에서는 질산나트륨의 사용량을 늘리고, TEA를 적용한 B제품이 질산나트륨(NaNO3), TEA 및 황산나트륨(Na2SO4)이 함유된 A제품에 비해 상대적으로 초기 강도 발현 성능이 우수한 것으로 나타나, 조강형 원료 중에서는 황산나트륨에 비해 질산나트륨의 효과가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 6) 향후 조강형 혼화제 사용시 콘크리트 및 철근의 내구성 등에 미칠 수 있는 영향에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 본 연구범위에서 시멘트량의 증가 및 조강형 혼화제의 활용을 실시하여도 10℃ 조건에서 36시간 이내의 조건에서 5MPa의 확보는 어려운 것으로 확인되어 현장조건을 고려하는 경우 조강형 원료에 관한 추가 검토가 필요할 것으 로 판단된다.
- 기존의 연구결과에 의하면 양생온도에 따라 15℃는 OPC 단독 사용 300㎏/㎥ 이상, 20℃는 혼화제 치환률 30% 조건 에서 단위결합재량 345㎏/㎥ 이상에서 5MPa가 24시간에 확보되는 것으로 보고되고 있으나[4] 10℃ 양생조건에서 레미콘 생산을 고려한 본연구의 범위에서는 5MPa 발현시점을 최소 48시간으로 설정하고 품질관리를 실시해야 할 것으로 판단된다.
- 또한, 혼화제의 종류에 따라서는 조강형 PC를 사용하는 경우 강도개선율이 우수한 것으로 확인되었으며, 적산온도 평가 결과 5 MPa 발현시기가 30시간으로 추정되었다. 따라서 현장의 배합설계 있어서는 단위시멘트량은 330 ㎏/㎥를 기준으로 조강 혼화제의 사용 또는 조강제의 개선에 따른 검토가 이루어져야 할 것으로 판단되었다.
- 또한 일반형 감수제를 사용하는 배합의 경우 5MPa을 확보하기 위해서는 단위 시멘트량은 300㎏/㎥ 이상 적용할 필요가 있으며, 현재 국내 현장에서 적용되고 있는 레미콘 배합을 고려할 경우 안전율을 고려하여 호칭강도 기준으로 24~27MPa 이상을 적용해야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과는 각 건설 현장마다 레미콘 실생산을 고려하면 원재료 변동 또는 배합이 다소 달라질 수 있으므로 5MPa 발현시점이 다소 예측한 값과 다르게 나타날 수 있으나, 현장에서 콘크리트의 조기강도 확보를 위한 품질관리 및 거푸집 탈형시기 예측을 위한 기초적 데이터로서 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 단위시멘트량의 증가 및 혼화제 종류에 따라서는 단위시 멘트량의 증가에 따라 5MPa의 발현을 위한 적산온도 및 시간이 단축되는 것으로 확인되고 잇으며, 그중 효과가 가장 우수한 ePC-B를 활용하면 330㎏/㎥의 수준에서 강도발현 시기를 31시간까지 단축할 수 있는 것으로 확인되었다. 하지만 330㎏/㎥이상의 수준에서 단위시멘트량을 증가하고 조강형 PC를 사용하여도 그 효과가 크지 않는 것으로 확인되어 현장의 조건을 고려한 배합의 설정에 있어서는 단위시멘트량은 330㎏/㎥를 기준으로 조강 혼화제의 사용 또는 조강제의 개선에 따른 검토가 이루어져야 할 것으로 판단되었다.
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