고유동 콘크리트의 사용이 일반화 되면서 유동화제 사용에 따른 콘크리트의 초기 재료물성 발현에 대한 관심이 높아지고 있다. 콘크리트 수화반응에 따른 응결시점은 초기 물성 발현을 나타낼 수 있는 지표 중 하나이며, 이러한 응결시점 평가를 위해 관입저항시험과 함께 다양한 비파괴 평가 기법들이 사용되고 있다. 본 연구에서는 전기비저항 측정법을 이용하여 유동화 모르타르의 응결 지연 현상 평가에 관한 실험연구를 수행하였다. PC계 유동화제 첨가량에 따른 총 9종류의 모르타르 샘플을 준비하였으며, 4-전극법을 이용한 초기재령 모르타르 샘플의 전기비저항 변화를 24h 측정하였다. 측정결과로부터 결정된 전기비저항 상승시기를 모르타르 응결시점 평가를 위한 전기적 변수로 사용하였으며, 측정결과의 비교 분석을 위해 동일 샘플의 관입저항시험을 실시하였다. 또한 유동화 모르타르의 1일 동 탄성계수 및 압축강도 측정을 통해 전기비저항 측정을 이용한 유동화 모르타르의 초기 재료물성 평가 가능성을 확인하였다.
고유동 콘크리트의 사용이 일반화 되면서 유동화제 사용에 따른 콘크리트의 초기 재료물성 발현에 대한 관심이 높아지고 있다. 콘크리트 수화반응에 따른 응결시점은 초기 물성 발현을 나타낼 수 있는 지표 중 하나이며, 이러한 응결시점 평가를 위해 관입저항시험과 함께 다양한 비파괴 평가 기법들이 사용되고 있다. 본 연구에서는 전기비저항 측정법을 이용하여 유동화 모르타르의 응결 지연 현상 평가에 관한 실험연구를 수행하였다. PC계 유동화제 첨가량에 따른 총 9종류의 모르타르 샘플을 준비하였으며, 4-전극법을 이용한 초기재령 모르타르 샘플의 전기비저항 변화를 24h 측정하였다. 측정결과로부터 결정된 전기비저항 상승시기를 모르타르 응결시점 평가를 위한 전기적 변수로 사용하였으며, 측정결과의 비교 분석을 위해 동일 샘플의 관입저항시험을 실시하였다. 또한 유동화 모르타르의 1일 동 탄성계수 및 압축강도 측정을 통해 전기비저항 측정을 이용한 유동화 모르타르의 초기 재료물성 평가 가능성을 확인하였다.
According to the development and use of self-consolidating concrete in field, interest in material properties of early-age concrete is rising. Setting time with hydration process of cement is one of significant indicator to evaluate the early-age material properties of concrete, various nondestructi...
According to the development and use of self-consolidating concrete in field, interest in material properties of early-age concrete is rising. Setting time with hydration process of cement is one of significant indicator to evaluate the early-age material properties of concrete, various nondestructive methods including penetration resistance measurement have been proposed to estimate setting time. This study performed an experimental approach to evaluate setting time delay in mortar adding superplasticizer using electrical resistivity measurement. For this purpose, total nine types of mortar samples were prepared, and its electrical resistivity was monitoring during 24h after mixing. From the experimental result, rising time of electrical resistivity was used to evaluate setting delay of mortar, and penetration resistance was also measured for comparison. In addition, dynamic elastic modulus and compressive strength of 1day mortar were measured to investigate a possibility the use of electrical resistivity measurement for evaluation of early-age material properties.
According to the development and use of self-consolidating concrete in field, interest in material properties of early-age concrete is rising. Setting time with hydration process of cement is one of significant indicator to evaluate the early-age material properties of concrete, various nondestructive methods including penetration resistance measurement have been proposed to estimate setting time. This study performed an experimental approach to evaluate setting time delay in mortar adding superplasticizer using electrical resistivity measurement. For this purpose, total nine types of mortar samples were prepared, and its electrical resistivity was monitoring during 24h after mixing. From the experimental result, rising time of electrical resistivity was used to evaluate setting delay of mortar, and penetration resistance was also measured for comparison. In addition, dynamic elastic modulus and compressive strength of 1day mortar were measured to investigate a possibility the use of electrical resistivity measurement for evaluation of early-age material properties.
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문제 정의
본 연구는 유동성시험을 통한 유사한 슬럼프 플로우 값을 가진 유동화제 첨가량에 따른 초기 재령 모르타르의 응결 및 경화의 경향을 확인하기 위해 전기비저항 측정 및 다양한 시험에 대한 실험연구를 수행하였다. 동일한 배합에 유동화제첨가량에 따른 샘플들의 각 시험 결과비교를 통한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 시멘트 미세구조 변화에 따른 재료의 전기전도성 변화를 이용하여 유동화제 첨가에 따른 모르타르의 응결 및 경화 지연 현상 평가를 위한 실험적 연구를 수행하였다. 폴리카르본산계(PC) 유동화제 첨가량은 샘플의 유동성측정에 기반하여 결정되었으며, 총 9개의 조건으로 모르타르샘플을 준비하였다.
제안 방법
1) 본 연구에서 관입저항시험 결과와 비교 분석을 통해 전기비저항 상승시기를 모르타르 샘플의 상변화에 따른 응결시점으로 판단하고 변수로 제안하였다.
40*40mm 각주형 샘플의 종 방향 압축강도 측정을 위해 2400N/s ± 200N/s 의 가압판 속도로 하중을 증가시켜 시험을 실시하였으며, 시험 구성은 Fig. 5와 같다.
가진 전원 및 주파수는 ± 10V, 500Hz 의 교류전원을 사용하였으며, 측정시간은 타설 직후 부터 24h까지 10분 간격으로 전류 및 전압을 측정하여 모르타르 샘플의 초기 양생에 따른 전기비저항을 산출하였다(Lee and Yim,2017; Yim et al., 2017).
샘플 제작에 사용된 시멘트의 물리적, 화학적 성분은 Table 1에 정리하였다. 동일한 물-시멘트-잔골재 비율(0.45:1:2)을 기반하여 모르타르를 배합하였으며, Ether 및 Ester 기반 PC계 유동화제를 시멘트 중량대비 0.045%, 0.135%, 0.225%, 0.315% 첨가하여 유동화 모르타르를 제작하였다. 유동화제를 첨가하지 않은 기본배합 샘플(Ref) 및 총 9 종류의 샘플의 배합비는 Table 2와 같다.
전기비저항 측정을 이용한 비파괴 평가법을 이용하여 유동화제 첨가량에 따른 모르타르의 전기비저항 변화를 24시간 모니터링 하였으며, 측정 결과는 동일 샘플의 관입저항시험 응결시점과 비교분석 하였다. 또한 타설 24시간 후 동 탄성계수 및 압축강도 측정을 통해 유동화제 사용량에 따른 초기 경화 및 강도 발현 변화 추이를 분석하였다.
4-전극법 전기비저항 측정 및 압축강도 측정을 위해, 믹싱 후 샘플은 시멘트 강도 시험(KS L ISO679) 몰드에 따라 제작되었다(40*40*160mm). 몰드 타설 후전기비저항 측정 시 양생 환경에 따른 전기전도성 영향을 최소화하기 위해 온도 20℃, 상대습도 40%의 항온항습기 내에 양생 중 시험을 실시하였다.
5SQ로 총 길이 90mm 로 제작되었으며, 위 · 아래 15mm 피복을 벗겨 악어클립을 이용하여 측정 장비와 연결 할 수 있게 구성하였다. 사전실험을 통해 전극 간격 및 깊이를 20mm로 결정하였으며, 측정 중 전극 고정을 위해 상부 거치대를 제작하였다.
6 과 같은 측정 시스템을 제작하였다. 압축강도 측정용 샘플 몰드와 동일한 규격의 측정 몰드를 제작하였으며, 비전도성 절연 아세탈 중합체를 이용하여 탈형이 쉽게 제작되었다. 측정에 사용된 전극은 지름 1.
유동화 모르타르 샘플의 24h 전기비저항 측정 후 샘플의 초기 물성 평가를 위해 동 탄성시험(KS F 2437)과 압축강도 시험(KS L ISO 679)을 실시하였다. 동 탄성시험은 500Hz ~ 10kHz주파수 대역의 진동 발진기 및 100mV의 증폭기를 사용하였으며, 지지대와 픽업단자를 샘플 양 끝단에 위치하여 자유 종 진동을 유발하였다.
유동화 모르타르의 유동화제 배합비율 결정 및 유동화제 첨가량에 따른 샘플의 유동성 확인을 위해 미니 슬럼프 콘 시험(ASTM C230-08)을 수행하였다. 준비된 모르타르 샘플과 동일한 물-시멘트비의 시멘트 페이스트 (45%) 샘플에 유동화제 첨가량에 따른 미니 슬럼프 콘 시험 결과, 시멘트 중량대비 0.
유동화 모르타르의 응결시점 평가를 위해 본 연구에서 적용하고자 하는 전기비저항 측정결과와의 비교 분석을 위해, 동일 샘플의 관입저항시험(ASTM C403-08)을 실시하였다. 전기비저항 측정 및 압축강도 시험을 위한 샘플과 동일한 용적(256ml)의 몰드를 준비하여 각 샘플마다 16mm2 의 관입침의 25mm 관입결과를 측정하였다.
유동화제를 첨가하지 않은 기본배합 샘플(Ref) 및 총 9 종류의 샘플의 배합비는 Table 2와 같다. 재료 혼합 시간은 유동화제를 첨가하여 총330초 믹싱 후 샘플을 제작하였다 (120초 저속 믹싱-90초 스크랩핑-120초 고속 믹싱). 4-전극법 전기비저항 측정 및 압축강도 측정을 위해, 믹싱 후 샘플은 시멘트 강도 시험(KS L ISO679) 몰드에 따라 제작되었다(40*40*160mm).
유동화 모르타르의 응결시점 평가를 위해 본 연구에서 적용하고자 하는 전기비저항 측정결과와의 비교 분석을 위해, 동일 샘플의 관입저항시험(ASTM C403-08)을 실시하였다. 전기비저항 측정 및 압축강도 시험을 위한 샘플과 동일한 용적(256ml)의 몰드를 준비하여 각 샘플마다 16mm2 의 관입침의 25mm 관입결과를 측정하였다. 측정시간은 타설 후 2시간간격으로 측정하였고, 초결 시점이 지난 뒤 30분 간격으로 종결시점까지 측정하였다.
, 2017). 전기비저항 측정을 위해서는 Fig. 1과같이 일직선상의 동일한 간격으로 4개(전류전극 2개, 전압전극 2개)의 전극을 설치하여, 전류전극을 통해 콘크리트 내부전류(I)를 측정하고, 전압전극을 통해 두 전극 사이 유도 전압(V)을 측정한다. 측정결과를 옴의 법칙(V=IR)에 의해 접지저항으로 산출할 수 있으며, 전극 사이 간격 a 에 따른 콘크리트내부 전기비저항은 ρ=2πaR 을 통해 결정된다.
측정 장비로는 NI cDAQ-9178(USB type) 기반 전원발생(NI 9263), 전류계(NI 9227), 전압계(NI 9223)를 사용하여, 전원공급, 측정 전류, 전압 값을 Labview 프로그램을 통해 실시간 모니터링 하였다. 가진 전원 및 주파수는 ± 10V, 500Hz 의 교류전원을 사용하였으며, 측정시간은 타설 직후 부터 24h까지 10분 간격으로 전류 및 전압을 측정하여 모르타르 샘플의 초기 양생에 따른 전기비저항을 산출하였다(Lee and Yim,2017; Yim et al.
전기비저항 측정 및 압축강도 시험을 위한 샘플과 동일한 용적(256ml)의 몰드를 준비하여 각 샘플마다 16mm2 의 관입침의 25mm 관입결과를 측정하였다. 측정시간은 타설 후 2시간간격으로 측정하였고, 초결 시점이 지난 뒤 30분 간격으로 종결시점까지 측정하였다. 전기비저항 측정 샘플과 동일한 양생 조건을 맞추기 위해 관입저항시험 역시 온도 20℃, 상대습도 40%의 항온항습기 내에서 측정되었다.
본 연구에서는 시멘트 미세구조 변화에 따른 재료의 전기전도성 변화를 이용하여 유동화제 첨가에 따른 모르타르의 응결 및 경화 지연 현상 평가를 위한 실험적 연구를 수행하였다. 폴리카르본산계(PC) 유동화제 첨가량은 샘플의 유동성측정에 기반하여 결정되었으며, 총 9개의 조건으로 모르타르샘플을 준비하였다. 전기비저항 측정을 이용한 비파괴 평가법을 이용하여 유동화제 첨가량에 따른 모르타르의 전기비저항 변화를 24시간 모니터링 하였으며, 측정 결과는 동일 샘플의 관입저항시험 응결시점과 비교분석 하였다.
대상 데이터
실험에 사용될 모르타르 샘플은 비중 3.15의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 비중 2.6의 강사를 사용해 제작되었다. 샘플 제작에 사용된 시멘트의 물리적, 화학적 성분은 Table 1에 정리하였다.
측정에 사용된 전극은 지름 1.78mm의 HIV 2.5SQ로 총 길이 90mm 로 제작되었으며, 위 · 아래 15mm 피복을 벗겨 악어클립을 이용하여 측정 장비와 연결 할 수 있게 구성하였다.
데이터처리
7 과 같다. 각 배합 당 3개의 샘플 측정 평균 결과로부터 회귀분석을 실시하였으며, 얻어진 지수함수 예측식으로 초결(Initial setting time, 3.5MPa) 및 종결(Final setting time, 27.6MPa) 시점이 결정 되었다. 모든 샘플의 관입 저항 시험 결과에 따른 응결 평가 시점은 Table 3에 정리하였다.
전기비저항 측정 샘플과 동일한 양생 조건을 맞추기 위해 관입저항시험 역시 온도 20℃, 상대습도 40%의 항온항습기 내에서 측정되었다. 동일한 배합의 3개 샘플로 얻어진 관입 저항 측정 평균 결과의 지수함수 회귀분석을 통해 응결시점을 결정하였다.
폴리카르본산계(PC) 유동화제 첨가량은 샘플의 유동성측정에 기반하여 결정되었으며, 총 9개의 조건으로 모르타르샘플을 준비하였다. 전기비저항 측정을 이용한 비파괴 평가법을 이용하여 유동화제 첨가량에 따른 모르타르의 전기비저항 변화를 24시간 모니터링 하였으며, 측정 결과는 동일 샘플의 관입저항시험 응결시점과 비교분석 하였다. 또한 타설 24시간 후 동 탄성계수 및 압축강도 측정을 통해 유동화제 사용량에 따른 초기 경화 및 강도 발현 변화 추이를 분석하였다.
이론/모형
) 이다. 동 탄성계수 측정 후 KS L ISO 679에 따라 압축강도 측정을 실시하였다. 40*40mm 각주형 샘플의 종 방향 압축강도 측정을 위해 2400N/s ± 200N/s 의 가압판 속도로 하중을 증가시켜 시험을 실시하였으며, 시험 구성은 Fig.
본 연구에서는 굳지 않은 모르타르의 전기전도성 변화 측정을 위해 웨너의 4-전극법(Wenner, 1915)에 기반한 시멘트계 재료 내부 전기비저항 측정법을 사용하였다(Lee and Yim,2017; Yim et al., 2017). 전기비저항 측정을 위해서는 Fig.
성능/효과
2) 초기 전기비저항 값은 배합비율에 따른 샘플 내부 입자 분포, 입자 용적률, 공극 분포 등으로 결정되는데, 유동화제첨가에 따른 입자 분산성 증가에 따라 초기 전기비저항 감소로 나타났다.
3) 유동화제 첨가에 따른 모르타르 샘플의 관입저항시험 결과 초결, 종결 시점이 지연되는 현상이 나타났으며, 전기비저항 상승시기 역시 지연되는 경향을 나타내었다.
5h 이상 응결 시점이 지연되는 것으로 측정되었다. 또한 유동성을 급격히 증가시킬 수 있을 첨가량의 유동화제가 사용 될 경우 초결은 최대 4h 이상, 종결은 최대 5.5h 이상 지연되는 것으로 나타났다. 폴리카르본산계 유동화제 종류에 따른 응결 시점 비교 결과, 유사한 유동성을 발현할 수 있는 유동화제가 첨가되었을 시(Ether and Ester) 사용 유동화제의 기본구조에 큰 영향 없이 유사한 응결 지연 현상이 발생되는 것으로 판단된다.
전기비저항 측정법의 전기적 변수인 전기비저항 상승기울기의 적용성 검증을 위해 24h 전기비저항 측정 이후, 유동화제첨가에 따른 모르타르의 초기 물성 평가를 위해 측정된 동 탄성계수와 압축강도 측정결과는 Table 3에 정리하였다. 배합 당 3개 샘플의 평균 측정 결과에 따르면 유동화제 첨가에 따라 모르타르의 동 탄성계수는 22.41MPa 대비 최대 8.34MPa(Ether) 에서 9.95MPa(Ester) 까지 감소하는 것으로 나타났다. 이는 1일 양생 모르타르 샘플이 유동화제 사용에 따라 최대 37 ~ 44% 탄성계수 저하 가능성을 나타내며, 전기비저항 측정을 통해 평가가능할 것으로 확인된다.
배합 직후 샘플 내부 고체 입자 분포(size distributionof solid particles), 입자 용적률(solid volume fraction), 공극 분포(pore distribution) 등으로 결정되는 초기 전기비저항 값은 2.69Ω･m 로 측정되며, 이 결과는 유동화제 첨가에 따른 시멘트 입자 분산성 증가에 따라 Ref 샘플(3.11Ω･m) 대비 감소한 것으로 판단된다.
DLVO 이론은 시멘트 입자간의 반발력과 Van der Waals 포텐셜 에너지의 합으로 시멘트 입자의 확산, 분자의 안정성을 설명하고 있으며, 포텐셜 에너지 곡선의 모형 및 범위에 의해 시멘트 페이스트의 유동성을 모사할 수 있다. 시멘트 입자표면의 제타 포텐셜 에너지(zeta potential energy) 값이 작을수록 포텐셜 에너지는 큰 결과를 가지며, 이는 시멘트 입자의 분산이 크게 발생되어 유동성이 활성화 되는 결과를 나타낸다. 유동화제 첨가에 따른 시멘트 페이스트의 제타 포텐셜 에너지는 10 ~ 20mV 범위안에 변화되는 것으로 보고되고 있다.
3 에 나타내었다. 시험 결과에 나타나듯 유동화제 첨가량 0.05% 이하에서는 유동성이 크게 차이가 없으며, 0.1%이상 첨가 시 선형적으로 유동성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 유동화제 첨가량 0.
모든 샘플의 관입 저항 시험 결과에 따른 응결 평가 시점은 Table 3에 정리하였다. 유동화제를 첨가하지 않은 모르타르 샘플의(Ref) 초결 및 종결 시점은 각각 5.16h, 8.96h으로 평가 되었으며, 유동화제 첨가량에 따라 초결 및 종결 시점이 모두 지연됨을 확인 할 수 있었다. 모든 샘플의 관입 저항 시험에 따른 초결 및 종결 예측 결과는 Fig.
95MPa(Ester) 까지 감소하는 것으로 나타났다. 이는 1일 양생 모르타르 샘플이 유동화제 사용에 따라 최대 37 ~ 44% 탄성계수 저하 가능성을 나타내며, 전기비저항 측정을 통해 평가가능할 것으로 확인된다. 압축강도 측정 결과 역시 유동화제를 첨가하지 않은 모르타르의 1일 강도(12.
65Ω·m)를 나타내지만, 유동화제사용량 증가에 따라 상승시기 변화를 유발시킨다. 전기비저항 상승시기는 Ref 샘플(13.32h) 대비 A1: 12.76h, A2: 14.03h, A3: 14.75h, A4: 16.25h 로 결정되어, 유동화제 0.315 % 첨가시 최대 2.93h 응결이 지연되는 결과로 나타났다. Ester 유동화제 역시 Ref 샘플과 유사한 초기 전기비저항 값(2.
유동화 모르타르의 유동화제 배합비율 결정 및 유동화제 첨가량에 따른 샘플의 유동성 확인을 위해 미니 슬럼프 콘 시험(ASTM C230-08)을 수행하였다. 준비된 모르타르 샘플과 동일한 물-시멘트비의 시멘트 페이스트 (45%) 샘플에 유동화제 첨가량에 따른 미니 슬럼프 콘 시험 결과, 시멘트 중량대비 0.045%, 0.135%, 0.225%, 0.315%의 유동화제 첨가비율을 결정하였다. 슬럼프 플로우(slump flow) 측정 시험에 사용된 시험 몰드 규격은 Fig.
5h 이상 지연되는 것으로 나타났다. 폴리카르본산계 유동화제 종류에 따른 응결 시점 비교 결과, 유사한 유동성을 발현할 수 있는 유동화제가 첨가되었을 시(Ether and Ester) 사용 유동화제의 기본구조에 큰 영향 없이 유사한 응결 지연 현상이 발생되는 것으로 판단된다.
후속연구
4) 전기비저항 측정을 이용하여 유동화 모르타르의 초기물성(탄성계수, 강도) 발현 지연 현상을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
유동화제 첨가에 따라 전기비저항 상승기울기 역시 감소하는 유사한 결과를 확인 할 수 있었다. 즉 전기비저항 측정법을 통해 유동화제가 사용된 모르타르의 장기적 재료물성 발현까지 평가 할 수는 없으나, 재료 응결시점뿐 아니라 양생 정도에 따른 초기 물성(탄성계수, 강도) 발현을 평가할 지표로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
웨너의 4-전극법으로 어떻게 전기비저항을 측정하는가?
, 2017). 전기비저항 측정을 위해서는 Fig. 1과같이 일직선상의 동일한 간격으로 4개(전류전극 2개, 전압전극 2개)의 전극을 설치하여, 전류전극을 통해 콘크리트 내부전류(I)를 측정하고, 전압전극을 통해 두 전극 사이 유도 전압(V)을 측정한다. 측정결과를 옴의 법칙(V=IR)에 의해 접지저항으로 산출할 수 있으며, 전극 사이 간격 a 에 따른 콘크리트내부 전기비저항은 ρ=2πaR 을 통해 결정된다.
콘크리트에 사용되는 유동화제는 화학구조에 따라 어떻게 분류되는가?
고유동 콘크리트의 개발 및 사용 증가에 따라 요구 성능 확보를 위한 유동화제 사용이 필수적이다. 콘크리트에 사용되는유동화제는 화학구조에 따라 리그닌계, 멜라민계, 폴리카르본산계, 나프탈렌계(Kim et al., 2013) 등으로 구분되며, 유동화제 종류에 따라 그 첨가량이 결정된다. 그러나 유동성 확보를 위한 유동화제 과다 사용 시 배합실패에 따른 콘크리트 재료분리, 블리딩, 응결 지연 등 요구 성능 확보가 어려워 질수 있다.
유동화제 과다 사용시 문제점은?
, 2013) 등으로 구분되며, 유동화제 종류에 따라 그 첨가량이 결정된다. 그러나 유동성 확보를 위한 유동화제 과다 사용 시 배합실패에 따른 콘크리트 재료분리, 블리딩, 응결 지연 등 요구 성능 확보가 어려워 질수 있다. 따라서 대한토목학회 및 한국콘크리트학회에서는KSCE91-01 및 KCI-AD-101에 따라 유동화제 첨가에 따른 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 값 18 ~ 20cm 및 공기량 4.
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