[논문]주차장바닥에서 혼화재료들을 사용한 누름콘크리트의 소성수축 균열저감

김영수; 이동운

doi:10.5762/kais.2019.20.11.416

주차장바닥에서 혼화재료들을 사용한 누름콘크리트의 소성수축 균열저감
Plastic Shrinkage Cracking Reduction of Press Concrete Using Admixtures in Basement 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.11, 2019년, pp.416 - 424

초록
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우리나라에서 지하층 누름콘크리트는 주로 무근 콘크리트를 사용하고 있다. 이러한 시스템에서는 건조수축이나 불규칙한 온도 분포로 인하여 바닥콘크리트의 균열이 빈번히 발생되고 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 과거에는 메탈라스, 섬유 등을 사용하였지만 균열을 제어하기에는 효과가 미비한 점이 있었다. 이에, 본 연구에서는 여러 가지 혼화 재료를 혼입한 지하층 누름콘크리트의 균열 저감 효과에 관하여 분석하였다. 혼화재료의 종류에 따른 균열저감 효과를 알아보기 위해 공기량 실험, 슬럼프 실험, 압축강도 실험, 소성수축 실험을 실시하였다. 공기량 실험결과, 혼화재료들을 혼입한 시편들은 Plain과 유사한 공기량(4.5±1.5%)을 나타내었으며, 슬럼프 실험에서는 고성능 감수제를 혼입한 시편들이 Plain에 비하여 가장 높게 나타내었지만, 폴리머를 혼입한 경우 Plain과 유사하게 나타났다. 압축강도 실험에서는 실리카 흄, 고성능 감수제 및 SBR을 혼입한 시편들이 Plain에 비하여 10-15% 높게 나타났다. 소성수축 실험결과 MC, 고성능 감수제, SBR를 혼입한 시편들이 Plain에 비하여 균열발생이 적었으며, 특히 MC섬유를 혼입한 시편은 균열이 발생하지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, press concrete in basements is mainly applied using plain concrete. This system has undesirable defects such as cracks caused by plastic shrinkage and irregular temperature distribution. To solve this problem, metal lath and fibers have been used in the past. However, they have not been effective in controlling cracks. This study analyzed the reduction of plastic shrinkage cracking for press concrete using various admixtures in a basement has been. In the air contents test, the specimens with various admixtures showed air contents similar to plain concrete (4.5±1.5%). The specimens using silica fume, super plasticizer agent, and SBR showed higher compressive strength by about 10-15% than plain concrete. Cracking decreased when the MC, super plasticizer, and SBR were added. When MC was used in the concrete, the plastic shrinkage did not occur.

주제어

표/그림 (22)

표 Table 1. Mixing Design of Concrete
표 Table 2. Experiment factor and assessment
표 Table 3. Chemical and Physical composition of Cement
표 Table 4. Chemical and Physical Composition of Aggregate
표 Table 5. Physical properties of Methyl Cellulose
표 Table 6. Physical properties of SBR
표 Table 7. Chemical and Physical properties of Fly Ash
표 Table 8. Chemical and Physical properties of Silica Fume
표 Table 9. Chemical and Physical properties of CSA
표 Table 10. Physical properties of Superplasticizer
그림 Fig. 1. Test Speciment of Plastic Shrinkage
그림 Fig. 2. The result of air contents test
그림 Fig. 3. The result of slump test
그림 Fig. 4. The result of slump test
그림 Fig. 5. Speciement of Plain
그림 Fig. 6. Speciement of FA
그림 Fig. 7. Speciement of SF
그림 Fig. 8. Speciement of CSA
그림 Fig. 9. Speciement of MC
그림 Fig. 10. Speciement of SBR
그림 Fig. 11. Speciement of SP
표 Table 11. Results of cracking time and crack width

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 화학적 혼화제 역시 감수효과에 의한 균열 저감을 기대하고자 고성능 감수제(이하 SP)를 사용하였으며, 팽창재(이하 CSA)의 경우 팽창에 의한 균열저감 효과를 파악하고자 본 실험에 사용하였다.
본 연구에서는 지하층 누름콘크리트의 배합에 있어 혼화재료들의 종류에 따른 소성수축저감 효과를 알아보고자 공기량, 슬럼프, 압축강도, 소성수축균열발생 실험을 진행하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
그리고 화학적 혼화제 역시 감수효과에 의한 균열 저감을 기대하고자 고성능 감수제(이하 SP)를 사용하였으며, 팽창재(이하 CSA)의 경우 팽창에 의한 균열저감 효과를 파악하고자 본 실험에 사용하였다. 이를 바탕으로 혼화재료들의 누름콘크리트 균열 저감 효과를 파악하여 그 데이터를 제시하고자 한다.
이에 본 연구에서는 지하주차장에 타설되는 누름콘크리트에 광물성 혼화재료 또는 화학적 혼화재료 등을 혼입하여 소성수축균열을 최소화 할 수 있는 최적 혼화재료 및 적정 혼입율 등을 알아보고자 한다.

제안 방법

그리고 모든 시편은 실제 현장 여건에 적합하도록 기건 양생시켰으며, 옥외 노출시켜 건조수축을 발생하도록 하였다.
그리고 시멘트만 사용한 배합을 Plain 으로 설정하였으며, 굳지않은 콘크리트의 특성의 경우 목표 슬럼프는 150 ± 25 mm이고 목표 공기량 4.5 ± 1.5 %로 계획하였다.
그리고 모든 시편은 실제 현장 여건에 적합하도록 기건 양생시켰으며, 옥외 노출시켜 건조수축을 발생하도록 하였다. 또한, 균열폭의 측정은 한 부위면에서 발견된 균열들 중 폭이 가장 큰 것에 대하여 버니어 켈리퍼스를 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 사용한 혼화재료들은 폴리머, 광물성 혼화재, 화학적 혼화제를 적정량을 혼입하여 실험을 진행 하였다. 폴리머 재료인 메틸셀룰로스(이하 MC)와 Styrene Butadience Rubber (이하 SBR)는 공기연행 및 감수효과가 나타나는 것으로 예상되기 때문에 선정하였으며, 광물적 혼화재의 경우 블리딩 감소 효과 및 강도증진효과가 예상되어 플라이애시(이하 FA) 및 실리카흄(이하 SF)을 선정하였다.
압축강도실험을 실시하기 위해 공시체는 KS F 2403 규정에 의거하여 Ø100×200 mm 의 원주형 공시체를 제작하였고, 양생은 각 실험요인에 따라 계획된 재령별로 실시하였다.
콘크리트의 소성수축 실험은 100 cm × 100 cm × 5cm의 아크릴판을 제작한 후 균열을 유도하기 위해 각 네모서리에 10 cm × 10 cm 크기의 스티로폼을 만들었다.
평가 항목은 누름콘크리트 현장 타설시 시공성을 파악하고자 굳지 않은 콘크리트에서 공기량, 슬럼프 등을 측정하였으며, 소성수축에 의한 균열을 파악하고자 굳은 콘크리트에서는 압축강도, 균열폭 및 균열발생시기 등을 측정하였다. 혼화재의 종류에 따른 소성수축균열 저감 효과를 파악하고자 MC, SBR, FA, SF, CSA, SP를 각각 0.
평가 항목은 누름콘크리트 현장 타설시 시공성을 파악하고자 굳지 않은 콘크리트에서 공기량, 슬럼프 등을 측정하였으며, 소성수축에 의한 균열을 파악하고자 굳은 콘크리트에서는 압축강도, 균열폭 및 균열발생시기 등을 측정하였다. 혼화재의 종류에 따른 소성수축균열 저감 효과를 파악하고자 MC, SBR, FA, SF, CSA, SP를 각각 0.35%, 15%, 20%, 5%, 10%, 1.5%로 설정하여 혼입하였다.

대상 데이터

굵은골재는 25mm 이하의 쇄석을 사용하였고, 잔골재는 5mm 이하의 강모래를 사용하였으며, 입도는 굵은골재와 잔골재 모두 표준입도분포곡선 안에 들도록 조정하여 사용하였다. 골재의 물리적 특성은 Table 4.
본 실험에 사용된 CSA 팽창재는 모르타르와 콘크리트의 균열방지를 위한 콘크리트용 팽창성 혼합재로서 시멘트, 물과 혼합하여 수화하게 되면 콘크리트의 수축을 보상하는 팽창이 발생되어 균열을 최소화 하는 것으로 알려져 있다. 본 실험에 사용된 팽창재의 물리적 성질 및 화학적 조성은 Table 9.
본 연구에 사용된 화학적 혼화제 중 고성능 감수제는 단위수량을 줄일 수 있어 블리딩을 줄이는 효과가 있기에 균열발생을 저감시킬 수 있는 재료이다. 본 실험에 사용된 고성능 감수제는 폴리카르본산계로서 이에 대한 물리적 특성은 Table 10.과 같다.
본 실험에 사용한 SBR은 Styrene과 Butadiene을 주원료로 하여 제조된 폴리머 라텍스로 폴리머 재료 중 가장 일반적으로 많이 사용되는 것이다.
본 실험에서 사용한 시멘트는 S사에서 제조된 국내산 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며 시멘트의 화학적 성분과 물리적 성질은 아래의 Table 3.에 자세히 나타내었다.
본 연구에 사용된 혼화재료 중 플라이 애시는 강도증진 및 공기연행효과가 있는 것으로 알려져 있으며 경상남도 S 화력발전소에서 발생된 것을 사용하였다. Table 7.
본 연구에서는 사용된 실리카흄은 강도증진 및 블리딩 감소효과가 있는 것으로 알려져 있으며, 노르웨이에서 제작된 응축 실리카흄을 사용하였으며, 물리·화학적 특성은 Table 8.과 같다.
본 연구에서는 사용한 혼화재료들은 폴리머, 광물성 혼화재, 화학적 혼화제를 적정량을 혼입하여 실험을 진행 하였다. 폴리머 재료인 메틸셀룰로스(이하 MC)와 Styrene Butadience Rubber (이하 SBR)는 공기연행 및 감수효과가 나타나는 것으로 예상되기 때문에 선정하였으며, 광물적 혼화재의 경우 블리딩 감소 효과 및 강도증진효과가 예상되어 플라이애시(이하 FA) 및 실리카흄(이하 SF)을 선정하였다. 그리고 화학적 혼화제 역시 감수효과에 의한 균열 저감을 기대하고자 고성능 감수제(이하 SP)를 사용하였으며, 팽창재(이하 CSA)의 경우 팽창에 의한 균열저감 효과를 파악하고자 본 실험에 사용하였다.

이론/모형

경화된 콘크리트의 역학적 특성을 파악하기 위하여 압축강도는 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험방법” 규정에 따라 측정하였으며, 인장강도는 KS F 2423에 의거하여 실시하였다.
굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 측정실험은 KS F 2402 "포틀랜드시멘트 콘크리트의 슬럼프 실험방법" 에 따라 슬럼프를 측정하였다.
굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 측정실험은 KS F 2402 "포틀랜드시멘트 콘크리트의 슬럼프 실험방법" 에 따라 슬럼프를 측정하였다. 그리고 굳지 않은 콘크리트의 공기량측정은 KS F 2421의 규정에 따라 측정하였다.

성능/효과

1) 공기량 실험결과 혼화재의 종류에 관계없이 전체적으로 목표공기량 4.5±1.5%를 만족하는 것으로 확인되었다.
2) 슬럼프 실험결과 혼화재를 혼입한 시편의 경우 종류에 따라 슬럼프가 Plain과 다소 차이가 나는 것으로 측정되었지만, 전 시편 모두 목표공기량을 만족하는 것으로 확인되었다.
3) 압축강도의 경우 재령 28일의 목표 압축강도인 18 MPa를 상회하였으나 강도증진의 경우 혼화재별로 다소 상이한 결과가 나타났다.
4) 소성수축균열의 발생유무는 Plain 및 다른 배합에서 미소하게 발생하였지만 이중 MC, SBR 및 SP를 사용할 경우 소성수축균열이 방지되는 것으로 나타났다.
에 나타내었다. 8주의 기간 동안 최대 균열폭을 나타내었으며, 균열발생 시기는 최초 균열발생시기를 나타내었다.
05mm로 작은 값을 나타내었다. MC, SBR 및 SP를 혼입한 3가지 시편들은 구조적 균열인 최대 균열폭이 0.3mm에 훨씬 못 미치는 것으로 확인되어 무근 콘크리트의 품질저하에 영향을 미치지 않는 균열이 발생하는 것으로 확인되어 균열저감 효과가 있는 것으로 판단된다.
SF, SP 및 SBR를 혼입한 시편이 Plain에 비하여 약 10∼15 % 정도 우수한 강도발현율을 나타내었다.
각 시편들의 옥외 노출양생을 실시한 결과 혼화재의 종류에 따라 균열 정도의 차이를 나타내며 균열이 발생하였다. 전체적인 균열의 상황을 살펴보면, 대부분 모서리와 가장자리를 중심으로 균열이 발생하였고 균열의 폭과 깊이가 크지 않은 잔균열이 많았다.
그리고 CSA를 혼입한 시편에서 균열의 발생 정도가 가장 심하게 나타났고, 최대 1mm 폭의 균열이 시편 전체에 걸쳐 관찰되었다. 이는 팽창재 혼입으로 초기 응결이 빨라짐에 따라 콘크리트 내부에 많은 수분이 존재하는 상태에서 소성수축이 시작되었기 때문인 것으로 사료된다.
따라서 표면에 발생하는 비구조적인 균열인 소성수축 균열의 경우 압축강도와 균열발생 정도와의 상관성이 적은 것을 확인할 수 있었다. 그리고 본 실험 결과로부터 공기량, 유동성, 압축강도 및 소성수축결과를 종합적으로 고찰한 결과 소성수축 저감 효과가 가장 뛰어난 혼화재료는 SBR 및 SP로 확인되었다.
3mm를 나타내었다. 그리고, FA와 SF를 혼입한 시편은 기준 균열폭인 0.3mm를 넘어서지는 않았지만, 그 최대 균열폭이 0.15mm로 나타나 보수가 필요한 것으로 확인되었다. 팽창재를 혼입한 CSA 시편의 경우는 최초 균열발생시기인 1주째에 이미 0.
3mm에 훨씬 못 미쳤던 MC, SBR 및 SP 시편은 균열의 발생 또한 적은 것으로 나타났다. 그리고, 균열폭이 0.3mm를 넘어서거나 이와 유사한 값을 나타낸 Plain, SP, SF, FA 시편들의 경우에서 균열발생은 비교적 많은 것으로 관찰되어, 균열폭에 따라 균열발생 정도 또한 증가함을 알 수 있다.
그러나 이는 구조적 균열인 건조수축 균열이 아닌 타설 초기에 발생하는 소성수축 균열로 확인되었다. 따라서 표면에 발생하는 비구조적인 균열인 소성수축 균열의 경우 압축강도와 균열발생 정도와의 상관성이 적은 것을 확인할 수 있었다. 그리고 본 실험 결과로부터 공기량, 유동성, 압축강도 및 소성수축결과를 종합적으로 고찰한 결과 소성수축 저감 효과가 가장 뛰어난 혼화재료는 SBR 및 SP로 확인되었다.
앞서 균열발생 정도와 균열폭 및 균열발생시기와의 비교분석을 통하여 얻은 결론은 균열폭이 상대적으로 작고, 최대 균열폭이 0.3mm에 훨씬 못 미쳤던 MC, SBR 및 SP 시편은 균열의 발생 또한 적은 것으로 나타났다. 그리고, 균열폭이 0.
이상의 실험결과를 종합하면 혼화재료들의 혼입으로 인하여 압축강도가 증가하였더라도 균열이 발생되는 것으로 확인되었다. 그러나 이는 구조적 균열인 건조수축 균열이 아닌 타설 초기에 발생하는 소성수축 균열로 확인되었다.
각 시편들의 옥외 노출양생을 실시한 결과 혼화재의 종류에 따라 균열 정도의 차이를 나타내며 균열이 발생하였다. 전체적인 균열의 상황을 살펴보면, 대부분 모서리와 가장자리를 중심으로 균열이 발생하였고 균열의 폭과 깊이가 크지 않은 잔균열이 많았다. 이것은 건조수축보다는 옥외 노출양생 시 바람 및 수분증발로 인하여 소성수축이 발생하였기 때문인 것으로 판단된다.
포졸란계 혼화재료인 FA와 SF를 혼입한 시편의 경우 균열발생 정도는 시멘트만을 배합한 Plain 시편과 큰 차이가 없거나 오히려 더 악화된 것으로 나타났다.
5 %를 만족하였다. 플라이 애시를 제외한 시편의 경우 공기량이 Plain과 유사하게 측정된 것으로 확인되어 FA 시편을 제외한 혼화재의 경우 공기량에 미치는 영향은 매우 미미한 것으로 확인되었다. 그러나 FA 시편의 경우 공기량이 감소하는 것을 확인 할 수 있었는데 미연소 탄소분에 의하여 공기를 흡착함에 따라 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다.
혼화재료에 관계없이 목표공기량 4.5±1.5 %를 만족하였다.
전 시편모두 재령 28일의 목표 강도인 18MPa이상로 확인되지만 혼화재료에 따라 상이한 결과가 나타났다. 혼화재중 SF 시편이 조기재령에서 재령 28일까지 가장 높은 압축강도를 나타내었으며, SP와 SBR 시편 역시 Plain에 비하여 높은 압축강도를 나타내었다. 그러나 MC, FA, CSA 시편의 경우 Plain에 비하여 낮은 압축강도가 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 균열을 두가지로 나눈다면?	일반적으로 지하주차장의 바닥 상부에 시공된 무근콘크리트는 표면부와 철근콘크리트 타설부위의 수축차이 및 시공시 발생하는 소성수축에 의하여 균열이 빈번히 발생한다. 이때 발생되는 콘크리트의 균열은 크게 구조적인 균열과 비구조적 균열로 나뉘게 된다.
	콘크리트의 균열을 줄이기 위한 방법은?	이러한 문제점을 해결하기 위해 누름콘크리트 타설 전에 와이어 메쉬를 설치하거나 누름콘크리트에 섬유를 혼입하여 균열을 저감시키는 방법을 사용하고 있다. 그러나 와이에 메쉬를 콘크리트 타설 전에 적정위치에 설치하기에는 작업상 어려움이 따르며, 섬유를 혼입하는 경우 섬유의 투입과 투입 후 분산의 문제 때문에 소성수축균열의 저감효과는 미미한 것으로 보고되고 있어 이를개선하기 위한 방법이 필요한 실정이다.
	구조적인 균열의 원인은?	구조적인 균열은 여러 환경에 의하여 다양하게 발생할 수 있으나 가장 많이 발생하는 것은 앞서 언급하였듯이 건조수축과 철근부식을 들 수 있다. 그리고 비구조적인 균열의 경우 콘크리트 타설 직후 경화초기에 발생하는 콘크리트 블리딩에 의한 소성수축을 들 수 있다.

참고문헌 (8)

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Banthia, N. Nandakumar, "Crack growth resistance hybrid fiber reinforced cement composites," Journal of Cement Concr Comp, Vol.25, No.1, pp. 3-9, Jan, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S0958-9465(01)00043-9

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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