[논문]전력구 콘크리트 구조물 적용을 위한 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 역학적 특성

신경수; 김규용; 성길모; 우상균; 추인엽; 이보경

doi:10.5345/jkibc.2019.19.1.001

전력구 콘크리트 구조물 적용을 위한 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 역학적 특성
Mechanical Properties of Alpha-Calcium Sulfate Hemihydrate Replaced Concrete for Application to Box Culvert Power Transmission 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.1, 2019년, pp.1 - 7

신경수 (Corporate Research Institute, Yusung-tech Co., Ltd.) , 김규용 (Department of Architectural Engineering, Chungnam University) , 성길모 (Yusung-tech Co., Ltd.) , 우상균 (Korea Electric Power Corporation Research Institute) , 추인엽 (Korea Electric Power Corporation Research Institute) , 이보경 (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources)

초록
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본 연구에서는 전력구 콘크리트 구조물에서 발생하는 균열저감을 위해 알파형 반수석고를 치환한 콘크리트의 역학적 특성을 평가하였다. 알파형 반수석고의 치환율은 0, 6, 9, 12, 15%로 설정하여, 응결시간, 압축강도, 건조수축을 측정하였으며, 미세구조 및 결정구조의 분석을 실시하였다. 실험 결과, 알파형 반수석고의 치환율이 증가할수록 응결시간이 단축되었으며, 압축강도가 저하되는 경향을 확인하였다. 한편, 알파형 반수석고를 15% 치환할 경우 보통포틀랜드시멘트 콘크리트에 비해 건조수축이 약 60% 저감되는 효과가 나타났다. 따라서, 전력구 콘크리트 구조물에 알파형 반수석고를 치환한 콘크리트를 적용할 경우 균열저감 성능이 향상될 것으로 판단되며, 압축강도의 개선은 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluated the mechanical properties of the alpha-calcium sulfate hemihydrate replaced concrete to reduce the cracking in a box culvert power transmission. After setting the replacement ratio of alpha-calcium sulfate hemihydrate at 0, 6, 9, 12, and 15%, the setting time, compressive strength, and drying shrinkage were measured and the microstructure and crystal structure were analyzed. As a result, it was confirmed that as the replacement ratio of alpha-calcium sulfate hemihydrate increased, the setting time decreased and the compressive strength declined. On the other hand, when the alpha-calcium sulfate hemihydrate was set with 15% of replacement ratio, about 60% reduction in the drying shrinkage was shown compared to that of ordinary Portland cement. Therefore, it is thought that when the concrete replacing the alpha-calcium sulfate hemihydrate is applied to a box culvert power transmission, the cracking reduction performance will be improved, and the improvement of compressive strength will be required.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. SEM micrograph of alpha-calcium sulfate hemihydrate
표 Table 1. Physical properties of materials
표 Table 2. Chemical compositions of materials
그림 Figure 2. Particle size distribution of used materials
표 Table 3. Experimental plan
표 Table 4. Mix proportion of concrete
그림 Figure 3. Slump measurement results of alpha-calcium sulfate hemihydrate-replaced concrete
그림 Figure 4. Setting time measurement results of alpha-calcium sulfate hemihydrate-replaced concrete
그림 Figure 5. Compressive strength measurement results of alpha-calcium sulfate hemihydrate-replaced concrete
그림 Figure 6. Drying shrinkage measurement results of alpha-calcium sulfate hemihydrate-replaced concrete
$Figure 7. X-ray diffraction analysis$ 그림 Figure 7. X-ray diffraction analysis
그림 Figure 8. SEM micrographs (Age 7 days)
그림 Figure 9. SEM micrographs (Age 28 days)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전력구 콘크리트 구조물 적용을 위해 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 역학적 특성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 전력구 콘크리트 구조물에서 발생하는 균열저감을 목적으로 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 역학적 특성을 검토하였다.

제안 방법

슬럼프 시험은 KS F 2402 「콘크리트의 슬럼프 시험 방법」, 응결시간은 KS F 2436 「관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결 시간 시험방법」, 압축강도는 KS F 2405 「콘크리트의 압축강도 시험방법」에 준하여 실험을 진행하였다. 건조수축은 KS F 2424 「모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험방법」에 준하여 데이터로거를 활용하여 10분 간격으로 약 60일 동안 측정하였다.
01° 스텝, 스텝 당 1초의 조건으로 재령 7, 28일에 측정하였다. 또한, 시험체의 미세구조는 주사전자현미경을 활용하여 재령7, 28일에 측정하였다.
시험체의 결정구조는 X-선 회절 분석을 통해 회절 패턴을 분석하였다. 회절 패턴은 5∼70° 2θ 구간, 0.
39%이다. 알파형 반수석고를 치환한 콘크리트의 유동성 및 공기량 확보를 위하여 폴리카르본산계 고성능감수제 및 AE제를 첨가하였다.
전력구 콘크리트 구조물 적용을 위한 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위해 알파형 반수석고의 치환율을 실험변수로 설정하였으며, 치환율에 대한 실험수준은 0, 6, 9, 12,15%이다.
콘크리트의 비빔은 2축 강제식 믹서를 사용하였으며, 압축강도 및 건조수축 측정을 위한 시험체는 KS F 2403 「콘크리트 압축강도 시험체 제작방법」과 KS F 2424 「모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험방법」에 준하여 ∅100×200mm, ∅100×100×400mm로 제작하였으며, 온도 20±3℃, 상대습도 50±5%의 항온·항습 실에서 양생을 실시하였다.
평가항목은 응결시간, 압축강도, 건조수축을 측정하고, 결정구조와 미세구조의 분석을 위해 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)과 주사전자현미경(Scanningelectron microscope, SEM) 관찰을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 잔골재와 굵은 골재의 밀도는 각각2.56, 2.67g/cm³이고, 최대치수는 각각 5, 25mm이며, 흡수율은 각각 1.01, 1.39%이다. 알파형 반수석고를 치환한 콘크리트의 유동성 및 공기량 확보를 위하여 폴리카르본산계 고성능감수제 및 AE제를 첨가하였다.
Table 1에 사용재료의 물리적 성질, Table 2에 사용재료의 화학조성을 나타내었다. 시멘트는 KS L 5201「포틀랜드시멘트」의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 밀도3.15g/cm³, 분말도 3,500cm²/g인 것을 사용하였다. 알파형 반수석고는 전술한 바와 같이 화력발전소의 부산물인 배연탈황석고로부터 제조하였으며, 밀도 2.
15g/cm³, 분말도 3,500cm²/g인 것을 사용하였다. 알파형 반수석고는 전술한 바와 같이 화력발전소의 부산물인 배연탈황석고로부터 제조하였으며, 밀도 2.72g/cm³, 분말도1,400cm²/g인 것을 사용하였다. Figure 1에 알파형 반수석고의 미세구조를 나타내었다.
콘크리트 배합은 기존 전력구 콘크리트 구조물에 사용되고 있는 27MPa를 대상으로 하였으며, 목표슬럼프는 120±30mm, 물결합재비(W/B)는 49%, 잔골재율(S/a)은 48%로 설정하였으며, 단위수량은 168kg/m3로 설정하였다.

이론/모형

슬럼프 시험은 KS F 2402 「콘크리트의 슬럼프 시험 방법」, 응결시간은 KS F 2436 「관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결 시간 시험방법」, 압축강도는 KS F 2405 「콘크리트의 압축강도 시험방법」에 준하여 실험을 진행하였다. 건조수축은 KS F 2424 「모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험방법」에 준하여 데이터로거를 활용하여 10분 간격으로 약 60일 동안 측정하였다.

성능/효과

1) 알파형 반수석고의 치환율이 증가할수록 콘크리트의 응결시간이 빨라졌으며, 알파형 반수석고의 혼입으로 인해 응결시간의 단축 효과가 있어 응결시간의 조절이 가능할 것으로 판단된다.
2) 알파형 반수석고를 다량으로 치환한 A12, A15 시험체의 경우 압축강도가 급격히 감소하였으며, 재령이 경과할수록 큰 차이는 더 크게 나타났다. 따라서, 알파형 반수석고를 건설재료로 사용할 경우 압축강도에 대한 보완이 필요할 것으로 판단된다.
3) 알파형 반수석고의 사용으로 콘크리트의 수축변형이 감소하는 것을 확인하였으며, 재령 초기에 수축변형억제 효과가 큰 것으로 나타났다. 알파형 반수석고를15% 치환한 A15 시험체의 경우 수축변형은 OPC 대비 약 60% 저감되는 것으로 나타났다.
알파형 반수석고의 치환율이 증가할수록 압축강도가 저하하는 경향을 나타냈다. OPC 시험체의 경우 재령 3일 압축강도는 16.3MPa로 가장 높게 나타났으며, A6 시험체는 10.0MPa로 약 40% 감소하였다. 특히, 알파형 반수석고를 다량으로 치환한 A12, A15 시험체의 압축강도가 현저히 감소하였으며, OPC 시험체에 비해 약 50% 감소하는 경향을 나타내었다.
Figure 3은 알파형 반수석고의 치환율에 따른 콘크리트의 슬럼프 시험결과를 나타낸 것이다. 고성능 감수제 0.6%첨가에 의해 모든 시험체의 슬럼프는 135~140mm로 측정되어 목표슬럼프를 만족하였으며, 알파형 반수석고 치환율 증가에 따른 슬럼프의 차이는 크지 않은 것을 확인할 수 있었다.
한편, A6 시험체는 Ettringite가 작은 침상형태로 넓게 분포되어 있었으나, A15 시험체에서는 굵고 긴 형태의 Ettringite가 관찰되고 전체적으로 넓게 분포되어 있는 것을 확인하였다. 따라서, 알파형 반수석고를 보통포틀랜드시멘트에 치환할 경우 지속적으로 존재하는 Ettringite의 영향으로 압축강도 발현에는 불리하지만, 수축변형 억제에는 효과적인 것으로 판단된다.
5MPa로 측정되어 압축강도가 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 알파형 반수석고를 다량으로 치환한 A12, A15 범위에서도 OPC 시험체에 비해 압축강도가 현저히 감소하였으며, 특히 A15 시험체는 약 10.0MPa로 OPC시험체에 비해 약 65% 감소하였다.
알파형 반수석고를 6% 치환한 A6 시험체의 경우 측정일로부터 60일 지난 시점에서 수축변형 값이 약 587×10-6으로 측정되었으며, 이는 OPC 시험체에 비해 약 10% 감소하여 수축변형 억제에 큰 효과는 없는 것으로 나타났다.
3) 알파형 반수석고의 사용으로 콘크리트의 수축변형이 감소하는 것을 확인하였으며, 재령 초기에 수축변형억제 효과가 큰 것으로 나타났다. 알파형 반수석고를15% 치환한 A15 시험체의 경우 수축변형은 OPC 대비 약 60% 저감되는 것으로 나타났다.
Figure 6은 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 건조수축 측정결과를 나타낸 것이다. 알파형 반수석고의 치환율이 증가할수록 수축변형이 감소하는 경향을 나타내었다. OPC 시험체 경우 측정일로부터 20 일까지 급격한 수축변형이 발생하며, 이후에는 완만한 기울기로 변형이 감소하였다.
Figure 5는 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 압축강도 측정결과를 나타낸 것이다. 알파형 반수석고의 치환율이 증가할수록 압축강도가 저하하는 경향을 나타냈다. OPC 시험체의 경우 재령 3일 압축강도는 16.
Figure 4는 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 응결시간 측정결과를 나타낸 것이다. 알파형 반수석고의 치환으로 인해 응결시간이 빨라지는 경향을 보였으며, 알파형 반수석고를 15% 치환한 A15 시험체가 가장 빠른 것으로 나타났다. 특히, A15 시험체는 초결 시간이 1.
재령 28일 압축강도의 경우 OPC 시험체는 29.4MPa로 가장 높게 측정되었으며, 알파형 반수석고를 6% 치환한 A6 시험체의 경우 22.5MPa로 측정되어 압축강도가 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 알파형 반수석고를 다량으로 치환한 A12, A15 범위에서도 OPC 시험체에 비해 압축강도가 현저히 감소하였으며, 특히 A15 시험체는 약 10.
Figure 9는 알파형 반수석고를 치환 콘크리트의 재령 28일 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다. 재령 7일과 유사하게 OPC 시험체는 주로 C-S-H 등의 수화생성물이 관찰되는 것을 확인하였다. 한편, A6 시험체는 Ettringite가 작은 침상형태로 넓게 분포되어 있었으나, A15 시험체에서는 굵고 긴 형태의 Ettringite가 관찰되고 전체적으로 넓게 분포되어 있는 것을 확인하였다.
전체적으로, 알파형 반수석고의 치환율이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향을 보였으며, 재령이 경과함에 그 차이는 더 커지는 것으로 나타나 기존 연구 결과와 유사한 것을 확인할 수 있었다[7].
0MPa로 약 40% 감소하였다. 특히, 알파형 반수석고를 다량으로 치환한 A12, A15 시험체의 압축강도가 현저히 감소하였으며, OPC 시험체에 비해 약 50% 감소하는 경향을 나타내었다.
OPC 시험체 경우 측정일로부터 20 일까지 급격한 수축변형이 발생하며, 이후에는 완만한 기울기로 변형이 감소하였다. 한편, 알파형 반수석고를 치환한 시험체의 경우 재령 초기 팽창하는 특징을 보이며, A9, A12, A15 시험체의 변형은 OPC 시험체의 변형 값에 비해 크게 감소하는 것으로 나타났다. 특히, A15 시험체는 최고 91×10^-6의 팽창변형이 발생하다 측정일로부터 9일이 지난 시점부터 수축변형이 시작되었다.

후속연구

4) 향후 전력구 콘크리트 구조물 적용을 위해서는 알파형 반수석고 치환에 따른 압축강도 저하를 개선해야하며, 수축거동에 따라 실제 균열 저항성에 효과가 있는지 검토가 필요할 것으로 판단된다.
그러나, 수축변형과 압축강도의 관계를 고려하면 A9 시험체가 가장 적합할 것으로 판단되며, 알파형 반수석고를 9%이상 치환할 경우 압축강도가 약 60% 이상 감소하여 강도감소에 따른 균열 발생이 예상됨에 따라 장기재령에 대한 검토가 필요하다고 판단된다.
이는 알파형 반수석고가 주변의수분에 의하여 쉽게 수화되는 가용성 석고로서, 수분을 흡수하여 반수석고 및 이수석고로 재수화되면서 응결이 빨라진 것으로 판단된다[4]. 따라서, 알파형 반수석고의 혼입으로 인해 응결시간의 단축 효과가 있어 응결시간의 조절이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알파형 반수석고가 무엇인가요?	그러나, 기존 연구에서는 주로 알파형 반수석고를 활용한 콘크리트의 응결, 압축강도, 수축에 관한 내용이 주를 이루고 있으며, 미세구조 및 결정구조에 대한 분석은 연구가 부족한 실정이다. 일반적으로 알파형 반수석고는 화력발전소의 부산물인 배연탈황석고 등을 활용하여 상압 수용액 법, 가압수증기법, 가압 수용액 법, 마이크로웨이브법 등의 방법으로 제조되며, 필요한 양의 물을 혼입할 경우 시멘트와 같이 응결 및 경화하는 특징이 있다. 알파형 반수석고는 빠른 경화성능이 있지만 단독으로 사용할 경우 압축강도가 저하되는 현상이 발생한다.
	전력구 콘크리트 구조물의 보수가 중요한 이유는 무엇인가요?	또한, 전력 구 콘크리트 구조물의 경우 대규모 아파트 단지 및 산업단지 등이 증가하면서 계속적으로 증가하고 있으며, 재령초기부터 노후화 단계까지 균열이 지속적으로 발생하게 되는데 이로 인해 전력 구 내부에 지하수 등이 유입되어 큰 피해가 있으므로 보수가 중요하다[3].
	본 연구를 진행하기 위해 세운 실험계획은 무엇인가요?	Table 3에 실험계획을 나타내었다. 전력 구 콘크리트 구조물 적용을 위한 알파형 반수석고 치환 콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위해 알파형 반수석고의 치환 율을 실험변수로 설정하였으며, 치환 율에 대한 실험수준은 0, 6, 9, 12,15%이다.

참고문헌 (7)

Kevin J, Neal S. Properties of high-performance concrete containing shrinkage-reducing admixture. Cement and Concrete Research. 1997 Jul;27(9):1357-64.

상세보기
Woo SK, Chu IY, Kim KJ, Lee Y. Cracking behavior of concrete box culvert for power transmission due to drying shrinkage. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. 2016 Jan;20(1):1-8.
Kwon KJ, Oh SK. A performance test method of waterproofing system to evaluate the responsiveness to the movement of box culvert structure for underground electronic power facility(Mock-up test method of waterproofing layer to response 10mm movement of expansion joint). Magazine of the Korea Concrete Institute. 2008 Jul;20(4):57-62.
Lee KH, Kim GY, Lee BK, Shin KS, Nam JS. Setting time, compressive strength and drying shrinkage of mortar with alpha-calcium sulfate hemihydrate. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. 2017 Sep;21(5):117-24.
Lee KH, Kim GY, Lee BK, Kim RH, Shin KS. Evaluation of hardening properties and dry shrinkage of non-sintered binder based floor mortar utilizing alpha-hemihydrate gypsum. Journal of The Korean Institute of Building Construction. 2015 Aug;15(4):359-65.

원문보기 상세보기
Sung GM, Moon JH, Park MA. Manufacture and applications of the high strength ${\alpha}$ -calcium sulfate hemihydrate using FGD gypsum. Journal of The Korean Recycled Construction Resources Institute. 2009 Dec;4(4):50-3.
Lee KH, Yang KH. Evaluation of pH and compressive strength development of alpha-calcium sulfate hemihydrate-based binder. Journal of The Korean Institute of Building Construction. 2016 Feb;16(1):59-65.

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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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