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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 국내 콘크리트 포장의 장점을 더욱 부각시키고 단점을 보안하는 방법으로 미국이나 유럽 등 선진국에서 실용화 되고 있는 2층 콘크리트 포장 공법에 셀룰러 스프레이 콘크리트를 적용시켜 상부층의 성능을 높이기 위해 연구를 진행하였다. 현재 국내포장 에서 가장 주요한 파손의 형태가 균열이며, 그 원인은 수축에 있다.
- 이러한 균열발생은 타설 후 공기와 접촉하는 외기면의 건조로 인하여 발생하는 자기수축균열은 재령에 따라 점점 균열의 폭이 증가하여 최종적으로 구조결함을 유발한다. 이러한 수축균열을 제어하기 위해 콘크리트에 혼화재료인 폴리머분말을 첨가하여 그 효과를 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 강제식 배합에서 실리카퓸 7, 11%변수와 폴리머3, 11%변수를 각각의 배합설계에 맞게 혼입한 후 기포를 첨가하였다. 이때 기포의 양은 변수 별 육안으로 판단과 슬럼프실험을 진행한 후 20%~35%로 설정하여 실험이 진행되었다.
- 실험데이터는 7일 동안 측정하였고, 데이터의 빈도수는 30초에 한 번씩 측정하여 총 20,000여개의 데이터를 획득하였다. 그리고 초기의 수축 및 팽창특성을 평가하기 위해 형틀 내부에 스티로폼 틀을 제작하였고, 수분을 흡수하지 못하도록 비닐시트처리를 하였다. 또한, 추가로 상부에 캡(Cap)을 씌워 수분이 증발하지 못하게 하였고, 절연테이프로 형틀외부에 밀봉하였다.
- 기포는 40% 근처가 되었을 때 믹싱이 진행될 때 재료가 분리되어지는 현상이 발생하기 때문에 기포는 35%로 정하였다. 또한 비교변수로 OPC 변수가 함께 진행되었고, 강제식 배합에서 기포가 첨가되었을 때 공기량이 20%를 넘어 공기량시험은 스프레이 이후에 진행하였다.
- 혼화재료인 실리카퓸과 폴리머 분말은 추가혼입을 하였고, 실리카퓸은 7%, 11%에서 폴리머분말을 실리카퓸변수 혼입율에 각각 0%, 3%, 11%로 첨가하여 OPC 포함 총 7변수실험을 진행하여 최적의 혼입율을 도출하고자 하였다. 또한, 혼화재료인 실리카퓸과 폴리머는 후 첨가를 하고 고분말도이기 때문에 기포를 첨가하여 충분한 믹싱타임을 가지고 기포가 사라지기 전까지 배합을 진행하였다. 이후 최종적으로 스프레이를 한 후 숏크리트를 생산하였고 이에 대한 내구성실험을 진행 하였다.
- 본 연구에서는 ASTM C 672 규정에 준수하여 직사각형 공시체 200×250×100mm를 제작하고 염화칼슘 용액을 4% 사용하여 시험을 진행하였으며, 재령 28일이 되는 날부터 시험을 진행하여 총 50사이클 동안 시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 기본적인 평가항목으로 굳기 전 특성인 슬럼프, 공기량시험과 기초물성 시험을 실시하고, 굳은 후에는 정적강도시험과 내구성시험인 표면박리시험, 염소이온 침투 저항성시험을 진행하며, 균열평가를 위한 LVDT를 활용한 자기수축시험으로 길이변화량을 평가하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트 구조물에서 초기재령에 있어 수축균열을 제어하기 위해 자기수축 실험을 수행하였고, 혼화재료를 혼입한 스프레이 콘크리트 균열특성을 비교·분석하였으며 내구성능을 확인하였다.
- 실험 변수로는 물-시멘트비 42%, 잔골재율 40%로 고정을 하였고, 단위시멘트량은 330kg/m3으로 정하였다. 혼화재료인 실리카퓸과 폴리머 분말은 추가혼입을 하였고, 실리카퓸은 7%, 11%에서 폴리머분말을 실리카퓸변수 혼입율에 각각 0%, 3%, 11%로 첨가하여 OPC 포함 총 7변수실험을 진행하여 최적의 혼입율을 도출하고자 하였다.
- 압축강도는 KS F 2405 규정을 준수하여 재령 28일, 56일에 측정을 실시하였다. 혼화재료의 혼입과 스프레이 공정을 통하여 압축강도가 높게 측정이 되었다.
- 외부로부터 수분증발을 억제하기 위해 콘크리트 타설 후 즉시 비닐시트로 도포한 후 은박시트로 2차 마무리를 하였다. 이렇게 최종적으로 플라스틱 캡을 씌우고 절연테이프로 밀봉하여 시편준비 작업을 마무리하였다.
- 강제식 배합에서 실리카퓸 7, 11%변수와 폴리머3, 11%변수를 각각의 배합설계에 맞게 혼입한 후 기포를 첨가하였다. 이때 기포의 양은 변수 별 육안으로 판단과 슬럼프실험을 진행한 후 20%~35%로 설정하여 실험이 진행되었다. 기포는 40% 근처가 되었을 때 믹싱이 진행될 때 재료가 분리되어지는 현상이 발생하기 때문에 기포는 35%로 정하였다.
- 또한, 혼화재료인 실리카퓸과 폴리머는 후 첨가를 하고 고분말도이기 때문에 기포를 첨가하여 충분한 믹싱타임을 가지고 기포가 사라지기 전까지 배합을 진행하였다. 이후 최종적으로 스프레이를 한 후 숏크리트를 생산하였고 이에 대한 내구성실험을 진행 하였다. 셀룰러 스프레이 콘크리트 배합표는 Table 1 과 같다.
- 자가수축 실험은 0.001mm 감도를 가진 10mm LVDT를 사용하여 길이변화를 측정하는 방법을 사용하였다. 이 실험법의 장점은 콘크리트 타설 직후 10mm LVDT를 통해 획득한 길이변화량이 데이터로거에 직접 전송된다는데 있다.
- 재령 28일에 시험을 진행하였으며, ø100×200 공시체를 상, 하 2개로 컷팅하여 변수 당 2개씩 실험을 진행하였다.
- 콘크리트의 자기수축은 초결 이후에 발생하는 수축량을 의미하는데 시멘트와 물이 수화반응을 일으킬 때 결합 전에 비해 결합한 후 부피가 줄어든다. 초결 전 화학적 수축이 발생하고 그 후 초결 이후 자기수축이 발생하기 때문에 자기수축 시험 전 응결시험을 통해 초결이 일어난 후에 자기수축을 시험하였다.
- 투수저항성 시험은 염소이온 침투 저항성 시험으로 측정하였다. 염소이온 침투 저항성 시험은 KS F 2711에 준하여 진행하였다.
- 으로 정하였다. 혼화재료인 실리카퓸과 폴리머 분말은 추가혼입을 하였고, 실리카퓸은 7%, 11%에서 폴리머분말을 실리카퓸변수 혼입율에 각각 0%, 3%, 11%로 첨가하여 OPC 포함 총 7변수실험을 진행하여 최적의 혼입율을 도출하고자 하였다. 또한, 혼화재료인 실리카퓸과 폴리머는 후 첨가를 하고 고분말도이기 때문에 기포를 첨가하여 충분한 믹싱타임을 가지고 기포가 사라지기 전까지 배합을 진행하였다.
대상 데이터
- 1. 국내의 고강도 콘크리트는 콘크리트 시방서에서 제시하고 있는 40MPa이다. 압축강도 실험 결과 재령 28일에서 고강도 콘크리트의 압축강도 기준인 40MPa을 실리카퓸 11%를 혼입한 모든 변수에서 폴리머의 혼입량과 관계없이 만족을 하였고, 실리카퓸 7%와 폴리머분말을 변수별로 혼입한 스프레이 콘크리트에서 40MPa에 조금 못미치는 38MPa이 나타났다.
- 실험데이터는 7일 동안 측정하였고, 데이터의 빈도수는 30초에 한 번씩 측정하여 총 20,000여개의 데이터를 획득하였다. 그리고 초기의 수축 및 팽창특성을 평가하기 위해 형틀 내부에 스티로폼 틀을 제작하였고, 수분을 흡수하지 못하도록 비닐시트처리를 하였다.
이론/모형
- 투수저항성 시험은 염소이온 침투 저항성 시험으로 측정하였다. 염소이온 침투 저항성 시험은 KS F 2711에 준하여 진행하였다. 재령 28일에 시험을 진행하였으며, ø100×200 공시체를 상, 하 2개로 컷팅하여 변수 당 2개씩 실험을 진행하였다.
- 휨강도는 KS F 2048 규정을 준수하여 재령 28일, 56 일 측정을 실시하였다. Fig.
성능/효과
- 1. 본 연구에서 배합결과를 종합적으로 검토한 결과, 내구특성은 고강도 콘크리트의 기준을 일부만족을 시키지는 못하였다.
- 1. 초기수축거동시험에서는 폴리머분말 혼입율이 증가함에 따라 전체적인 수축량이 감소하는 경향으로 나타났으며, 장기적인 측면에서 효과가 더 크게 나타날 것으로 판단된다. 반대로 실리카퓸 혼입율이 증가함에 따라 수축량이 대폭 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
- 2. 또한 폴리머분말 11%를 첨가할 경우 과도한 팽창이 발생하여 오히려 콘크리트의 성능을 저하시킬 수도 있다고 판단된다.
- 2. 염소이온 침투 저항성 시험의 경우 재령 56일에 1000C~2000C(“낮음”) 등급이 나타났는데 이는 매우 낮은 단위 시멘트량을 사용하여 충분한 수밀성을 확보하지 못한 결과로 판단된다.
- 2. 자기수축시험에서 나타난 결과와 마찬가지로 폴리머를 혼입한 콘크리트는 실리카퓸으로 인해 발생하는 초기수축량을 감소시킬 수 있으며, 초기균열발생 억제를 통해 장기적으로 균열에 대한 저항성이 높아질 것으로 판단된다.
- 3. 기포를 혼입한 셀룰러 스프레이 콘크리트가 기포를 넣지 않은 변수와 비교하여 모두 만족하는 내구성을 가진 것을 확인하였고, 이로 인해 기포를 넣고 스프레이를 진행하는 것이 내구성에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
- 3. 폴리머 분말을 첨가할 경우 전체적인 수축량이 감소하는 이유는 폴리머분말의 혼입에 따른 콘크리트의 초기 수밀성 확보로 증발수량이 감소하기 때문으로 판단된다.
- 4. 자기수축시험 결과 실리카퓸 7%와 폴리머분말 3, 11%를 함께 혼입한 변수에서 가장 적은 자기수축이 나타났고, 폴리머분말 3%만을 첨가하여도 차이가 미비하기 때문에 자기수축시험에서는 최적의 배합이라 판단되어진다. 단, 과도하게 팽창이 발생할 경우 콘크리트의 성능을 저하시킬 수 있다.
- 휨강도는 KS F 2048 규정을 준수하여 재령 28일, 56 일 측정을 실시하였다. Fig. 3은 재령 28일, 56일의 휨강도 결과이며, 재령 28일에서 최대 휨강도는 실리카퓸 11%, 폴리머분말 11% 변수에서 7.13MPa로 가장 높게 측정이 되었고, OPC는 가장 낮은 5.83MPa로 실리카퓸 11%, 폴리머분말 11%를 혼입한 콘크리트 휨강도와 1.3MPa의 강도차이가 측정이 되었다. 이는 폴리머 분말이 휨강도에 영향을 미치는 것으로 확인이 되며, 실리카품 7% 변수와 실리카퓸 11% 변수에서 폴리머를 혼입하였을 때 차이가 미비하여 추가적인 혼입량이 높아진다 해도 큰 효과를 얻지 못할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 콘크리트 구조물에서 초기재령에 있어 수축균열을 제어하기 위해 자기수축 실험을 수행하였고, 혼화재료를 혼입한 스프레이 콘크리트 균열특성을 비교·분석하였으며 내구성능을 확인하였다. 결과적으로 배합설계를 통해 수축 및 경제성을 고려한 최적배합을 도출하였고, 2층 콘크리트 포장 상부층에 경제성과 기능성, 내구성을 증진시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 초기수축거동시험에서는 폴리머분말 혼입율이 증가함에 따라 전체적인 수축량이 감소하는 경향으로 나타났으며, 장기적인 측면에서 효과가 더 크게 나타날 것으로 판단된다. 반대로 실리카퓸 혼입율이 증가함에 따라 수축량이 대폭 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
- 압축강도 결과만으로 판단하였을 때, 기포를 첨가하여 스프레이를 진행하여도 강도측면에서 영향이 없다는 것을 알 수 있었다. 스프레이가 진행된 모든 변수에서 2층 콘크리트포장의 상부층에 사용될 수 있을 만큼 값이 크게 나왔음을 알 수 있었다.
- 시험결과는 기준인 “적정(Acceptable)”등급을 모두 만족하였다.
- 5는 공시체 타설 직후 초기변위측정결과(종합) 를 나타낸 그림이다. 실리카퓸 7%와 11%를 혼입하였을 때 팽창은 적게 발생하는 것으로 나타났으며, 가장 빠른 시기에 수축이 시작하는 것으로 나타났다. 또한 가장 높은 수축거동이 보이는데 이는 실리카퓸이 콘크리트 내부에서 콘크리트의 배합수를 급격하게 흡수하여 초기수축거동이 급격하게 증가한 결과로 판단되어진다.
- 이는 폴리머분말이 압축강도에 큰 영향을 주지 않는다는 결과로 판단을 하였다. 압축강도 결과만으로 판단하였을 때, 기포를 첨가하여 스프레이를 진행하여도 강도측면에서 영향이 없다는 것을 알 수 있었다. 스프레이가 진행된 모든 변수에서 2층 콘크리트포장의 상부층에 사용될 수 있을 만큼 값이 크게 나왔음을 알 수 있었다.
- 국내의 고강도 콘크리트는 콘크리트 시방서에서 제시하고 있는 40MPa이다. 압축강도 실험 결과 재령 28일에서 고강도 콘크리트의 압축강도 기준인 40MPa을 실리카퓸 11%를 혼입한 모든 변수에서 폴리머의 혼입량과 관계없이 만족을 하였고, 실리카퓸 7%와 폴리머분말을 변수별로 혼입한 스프레이 콘크리트에서 40MPa에 조금 못미치는 38MPa이 나타났다. 휨강도의 경우 재령 28일에 포장용 기준보다 월등히 높은 7MPa에 가까운 강도를 발현하였다.
- 3MPa의 강도차이가 측정이 되었다. 이는 폴리머 분말이 휨강도에 영향을 미치는 것으로 확인이 되며, 실리카품 7% 변수와 실리카퓸 11% 변수에서 폴리머를 혼입하였을 때 차이가 미비하여 추가적인 혼입량이 높아진다 해도 큰 효과를 얻지 못할 것으로 판단된다.
- 6~7은 OPC변수와 SF7 폴리머분말 0, 3, 11% 변수, OPC변수 실리카퓸 11%, 폴리머분말 0, 3, 11% 변수의 그래프이고, Table 3은 최대자기수축을 나타냈다. 종합적으로 판단하였을 때 실리카퓸 7%, 폴리머분말 3, 11%변수에서 가장 적은 자기수축이 나타났고, 폴리머분말 3%만을 첨가하여도 큰 차이가 없기 때문에 자기수축시험에서는 최적의 배합이라 판단되어진 다. 단, 과도하게 팽창이 발생할 경우 콘크리트의 성능을 저하시킬 수 있으며, 특히 더운 날씨에 적용될 경우 팽챵량이 크게 발생하여 균열이 일어날 가능성이 있다.
- 표면박리 시험결과 기준인“적정(Acceptable)”등급 (박리량 1㎏/㎡이하)”를 만족하는 것을 확인하였다.
- 재령 28일의 경우 4변수 에서 각각 1453 Coulomb, 1418 Coulomb, 1694 Coulomb, 1111 Coulomb로 측정되어“낮음” 등급을 나타내는 것으로 확인할 수 있었다. 혼화재의 혼입량이 증가할수록 통과전하량이 낮아지는 경향이 나타났으며, 실리카퓸 7%, 폴리머 3%변수와 실리카퓸 7%, 폴리머 11%변수, 실리카퓸 11% ,폴리머 11%변수에서 통과전하 량의 차이가 미비하여 실리카퓸 7%, 폴리머 3%변수가 최적배합에 적합하다고 판단된다. Fig.
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