[논문]고분말도 시멘트와 플라이애시를 사용한 콘크리트의 물리적 특성

이영도; 하정수; 김한식

doi:10.5345/jkibc.2019.19.4.323

고분말도 시멘트와 플라이애시를 사용한 콘크리트의 물리적 특성
Physical Characteristics of Concrete Using High-Fineness Cement and Fly Ash 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.4, 2019년, pp.323 - 330

이영도 (Department of Architectural Engineering, Kyungdong University) , 하정수 (Department of Architectural Engineering, Dankook University) , 김한식 (Samsung C&T)

초록
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시멘트 산업은 온실가스 감축을 위한 주요 산업분야로 고려되고 있으며, 콘크리트에 시멘트를 대체할 수 있는 재료의 사용량을 증가시키는 것은 이산화탄소 감축을 위해 효과적인 방법으로 알려져 있다. 따라서 시멘트의 일부를 대체하여 사용할 수 있는 산업부산물을 다량으로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나 산업부산물의 혼합량을 증가시키지 못하는 큰 이유로 초기강도 저하와 응결지연에 대한 문제점이 있다. 따라서 이 연구에서는 보통 시멘트를 사용한 경우와 고분말도 시멘트를 사용한 경우에 대해 플라이애시의 사용량에 차이를 두고 물리적 특성을 검토하여, 시멘트의 사용량을 줄이고 산업부산물을 다량으로 사용하기 위한 방안으로서, 고분말도 시멘트를 활용한 결과에 대한 기초 자료를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cement industry is considered a major industry for reducing greenhouse gases, increasing the amount of binding materials that can replace cement in concrete is known as the most effective method for reducing carbon dioxide. Therefore, research is being carried out to utilize large quantities of by-products that can be used as alternatives to cement. However, there are problems with reduced strength at early age and retarded setting for major reasons that do not increase the amount of mixture of binders used to replace cement. Thus, in this study, normal cement and high-fineness cement were used and physical properties were reviewed by placing differences in fly ash usage depending on the type of cement. As a result, the characteristics of strength were similar, and the hydration temperature was the same level. Also, the durability test showed that the length change, carbonation resistance were better than those of normal cement. Therefore, it is confirmed that the use of high-fineness cement is effective to reduce the amount of cement used and using more by-products.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 2. Mix proportion of concrete
표 Table 1. Design of experiment
그림 Figure 1. Hydration heat measurement
표 Table 3. Test methods and standards of test items
표 Table 4. Result of slump and air content
그림 Figure 2. Temperature of concrete
그림 Figure 3. Compressive strength of concrete
표 Table 5. Result of compressive strength
그림 Figure 4. Length change of concrete
표 Table 6. Demolition time of form
그림 Figure 5. Carbonation depth of concrete
표 Table 7. Result of carbonation depth

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 플라이애시와 고로 슬래그와 같은 시멘트 대체재 사용량의 증가에 따르는 문제점은 초기강도 저하와 응결지연이 있으며, 이러한 문제점은 공사기간에 중대한 영향을 미치는 요소이다. 따라서 이 연구에서는 보통 시멘트보다 비표면적이 큰 고분말도 시멘트를 사용하고 플라이애시의 사용량을 증가시켜 물리적 특성을 검토하였다. 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
따라서 이 연구에서는 선행 연구결과를 바탕으로 보통 시멘트를 사용한 경우와 고분말도 시멘트를 사용한 경우의 플라이애시 치환율에 차이를 두어 설정하고, 강도발현 및 물리적 특성을 확인하였다. 이 연구로부터, 시멘트의 사용량을 줄이고 산업부산물인 플라이애시를 다량으로 사용하기 위한 방안의 일환으로서, 고분말도 시멘트를 활용한 결과에 대한 기초 자료를 제시하고자 한다.

제안 방법

고분말도 시멘트와 플라이애시를 사용한 콘크리트의 강도발현 및 내구특성 시험을 위한 시험 항목과 시험 방법 및 표준에 대하여 Table 3에 나타내었으며, 각 시험 항목별 KS 표준에 따라 시험을 수행하였다. 그리고 수화온도는 Figure 1에 나타낸 것과 같이 가로 260mm, 세로 260mm, 높이 250mm 스티로폼 박스의 내부 중심부에 T-type 열전대를 설치하여 타설 시점부터 10분 간격으로 측정하였다.
저자의 선행 연구에서 고분말도 시멘트를 사용함에 따라 물과 접촉하는 면적이 많아지기 때문에 초기에 강도 발현이 빠른 것을 확인하였다. 따라서 이 연구에서는 선행 연구결과를 바탕으로 보통 시멘트를 사용한 경우와 고분말도 시멘트를 사용한 경우의 플라이애시 치환율에 차이를 두어 설정하고, 강도발현 및 물리적 특성을 확인하였다. 이 연구로부터, 시멘트의 사용량을 줄이고 산업부산물인 플라이애시를 다량으로 사용하기 위한 방안의 일환으로서, 고분말도 시멘트를 활용한 결과에 대한 기초 자료를 제시하고자 한다.
배합에 사용한 N의 분말도는 3,000cm²/g이며, HF의 분말도는 4,200cm²/g이다. 또한 N을 사용한 배합의 경우 플라이애시(FA; Fly Ash)를 5% 치환하였다. 그리고 HF는 N에 비해 분말도가 높기 때문에, 빠른 수화반응으로, 강도 발현이 빠르고 초기에 수산화칼슘의 생성량이 많아서 FA의 포졸란 반응을 촉진시킬 수 있다.
5%로 설정하였다. 목표 슬럼프를 만족하기 위하여 사용한 혼화제의 경우 혼입률을 고정하고 N의 배합에는 감수율 18 %의 폴리카본산계 혼화제를, HF 배합의 경우 분말도가 높아 워커빌리티가 저하될 수 있음을 고려하여 감수율 22%의 폴리카본산계 혼화제를 사용하였다.
시멘트 종류 및 플라이애시 치환에 따른 콘크리트의 슬럼프와 공기량을 Table 4에 나타내었다. 실험 계획에서 언급한 것처럼 HF의 경우 분말도가 높은 것을 고려하여 혼화제 종류에 차이를 두어 혼입하고 시험을 수행하였다. 그 결과 모든 배합에서 목표 슬럼프 및 공기량으로 설정한 150±25mm와 4.
측정항목은 수화온도, 압축강도, 길이변화, 촉진탄산화 저항성이며, 각 항목에 대해 설정한 수준에 따라 측정하였다.

대상 데이터

고분말도 시멘트와 플라이애시를 사용한 콘크리트의 강도발현 및 내구특성 검토를 위한 실험 계획을 Table 1에, 콘크리트 배합을 Table 2에 나타내었다. 배합에 사용한 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(N; Normal portland cement)와 1종 보통 포틀랜드 시멘트보다 분말도가 높은 고분말도 시멘트(HF; High Fineness cement)이다. 배합에 사용한 N의 분말도는 3,000cm²/g이며, HF의 분말도는 4,200cm²/g이다.

이론/모형

고분말도 시멘트와 플라이애시를 사용한 콘크리트의 강도발현 및 내구특성 시험을 위한 시험 항목과 시험 방법 및 표준에 대하여 Table 3에 나타내었으며, 각 시험 항목별 KS 표준에 따라 시험을 수행하였다. 그리고 수화온도는 Figure 1에 나타낸 것과 같이 가로 260mm, 세로 260mm, 높이 250mm 스티로폼 박스의 내부 중심부에 T-type 열전대를 설치하여 타설 시점부터 10분 간격으로 측정하였다.

성능/효과

1) 수화열 측정결과, N을 사용하고 FA를 5 % 혼합한 일반 콘크리트와 HF를 사용하고 FA를 25 % 혼합한 콘크리트의 수화발열량은 동등한 수준인 것으로 나타났다.
2) HF를 사용한 경우 재령 1일 이전에서 강도발현이 빠르다가 이후에 느려지고, 재령 28 일에서 FA의 사용량이 적은 N을 사용한 배합과 유사한 수준까지 강도가 증진되었다.
3) HF를 사용함에 따라 시멘트의 사용량을 줄이고, FA의 치환율을 높여도 거푸집 탈형 시기에 따른 공사기간 지연의 문제는 없는 것으로 나타났다.
4) 길이변화 측정 결과, 재령 50 일에서 HF를 사용하고 FA를 25 % 혼합한 콘크리트가 N을 사용하고 FA를 5 % 혼합한 콘크리트에 비해 약 19.3 % 저감되는 결과를 나타내었다.
5) 시멘트의 사용량이 감소함에 따라 알칼리성의 저하로 탄산화 저항성이 낮아질 수 있으나, 복합적인 요인들에 의해 HF를 사용한 배합과 N을 사용한 배합의 탄산화 깊이가 큰 차이를 나타내지 않았다.
간이 수화열 측정결과, N을 사용하고 FA를 5 % 혼합한 일반 콘크리트와 HF를 사용하고 FA를 25 % 혼합한 콘크리트의 수화발열량은 동등한 수준인 것으로 나타났다. 따라서 수화열에 의한 온도균열 등의 악영향은 없을 것으로 판단된다.
그 결과 모든 배합에서 목표 슬럼프 및 공기량으로 설정한 150±25mm와 4.5±1.5%를 만족하는 결과를 나타내었다.
길이변화 측정결과를 Figure 4에 나타내었다. 길이변화 측정 결과, 재령 50일에서 HF를 사용하고 FA를 25 % 혼합한 콘크리트가 N을 사용하고 FA를 5 % 혼합한 콘크리트에 비해 약 19.3 % 저감되는 결과를 나타내었다. 일반적으로 포졸란 재료의 사용은 콘크리트의 단위수량을 증가시킴으로써 건조수축의 증가를 가져올 수 있다고 알려져 있다[19].
그러나 FA는 구상의 미립자로, 콘크리트 중에서 볼베어링과 같은 작용을 하므로 작업성을 개선하는 것으로 알려져 있다[15]. 따라서 HF에 의한 시멘트 입자간의 응집력 증가와 더불어 FA 치환율 증가에 의한 작업성 개선 작용이 복합적으로 이루어져 N을 사용한 배합과 HF를 사용한 배합의 슬럼프 결과에 차이를 나타내지 않은 것으로 판단된다.
공기량은 콘크리트의 재료 및 배합조건 등에 영향을 받으며, AE제의 사용량이 일정한 경우에 공기량이 감소하는 요인으로 시멘트의 분말도가 증가하는 경우, FA의 치환율이 증가하는 경우를 들 수 있다[13]. 따라서 N을 사용한 배합에 비해, 분말도가 높은 HF를 사용하면서 FA의 치환율을 증가시킨 배합에서 공기량이 약간 감소하는 결과를 나타내었다.
따라서 고분말도 시멘트를 사용하는 것이 시멘트의 사용량을 줄이고 산업부산물을 다량으로 사용하기 위한 방안의 일환으로서 유효한 것을 확인하였다.
HF를 사용한 배합의 경우 수직부재 측면 거푸집 해체 소요강도인 5MPa 이상에 도달하는 재령은 25-24-150, 25-27-150, 25-30- 150 규격에서 각각 18 h, 18 h, 15 h이며, N을 사용한 배합의 경우 1 d, 1 d, 18 h으로 HF를 사용함에 따라 약간 빨라지는 결과를 나타내었다. 또한 수평부재 밑면 거푸집 해체 소요강도인 14 MPa 이상에 도달하는 재령은 시멘트 종류나 규격에 관계없이 2 일 이내인 것으로 나타났다. 따라서 HF를 사용함에 따라 시멘트의 사용량을 줄이고, FA의 치환율을 높여도 거푸집 탈형 시기에 따른 공사기간 지연의 문제는 없을 것으로 생각된다.
또한 수화온도에서 재령 1 일까지는 HF를 사용한 배합이 약간 높고, 이후에 역전되는 현상이 이러한 결과를 뒷받침 한다고 생각된다. 또한 재령 3 일부터 재령 7 일까지는 HF를 사용한 배합이 N을 사용한 배합보다 약 10~15% 수준으로 강도가 낮다가 재령 28 일에서 5% 이내 수준으로 강도가 증진되는 결과를 나타내었다. 플라이애시는 시멘트가 수화 시 생성하는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 안정한 규산칼슘수화물 등을 생성하는 포졸란 활성 재료이다.
또한 초기 재령에서 N을 사용한 배합이 HF를 사용한 배합보다 수축이 크고, 이후에 유사한 비율로 유지되는 현상을 나타내었다. 이러한 결과는 수화반응의 정도가 영향을 준 것으로 생각되며, 압축강도 시험 결과에서도 나타났듯이 초기에 HF의 수화반응 속도가 빨라서 수분이 많이 수화반응에 사용되었고, 그만큼 건조될 수분의 양이 적기 때문인 것으로 판단된다[20].
촉진 탄산화에 의한 탄산화 깊이 측정 결과를 Figure 5와 Table 7에 나타내었다. 탄산화 깊이 측정 결과, 재령 26 주에서 HF를 사용하고 FA를 25 % 혼합한 콘크리트가 N을 사용하고 FA를 5 % 혼합한 콘크리트에 비해 약 4.3 % 작아지는 결과를 나타내었다. 시멘트의 수화 반응에서 생성되는 수산화칼슘은 강알칼리성을 나타내며 수화물 전체의 pH를 결정한다[21].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적으로 시멘트를 대체하여 사용하는 재료로 고로슬래그 미분말, 플라이애시 등이 있음에도 불구하고 혼합량을 증가시키지 못하는 이유는?	대표적으로 시멘트를 대체하여 사용하는 재료는 고로슬래그 미분말, 플라이애시 등과 같은 산업 부산물을 들 수 있다. 그러나, 혼합량을 증가시키지 못하는 큰 이유로 초기 강도 저하와 응결지연을 들 수 있다[8,9]. 따라서 이러한 문제를 해결하면서 시멘트 대체재를 다량으로 사용할 수 있는 기술개발이 요구된다.
	플라이애시란?	또한 재령 3 일부터 재령 7 일까지는 HF를 사용한 배합이 N을 사용한 배합보다 약 10~15% 수준으로 강도가 낮다가 재령 28 일에서 5% 이내 수준으로 강도가 증진되는 결과를 나타내었다. 플라이애시는 시멘트가 수화 시 생성하는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 안정한 규산칼슘수화물 등을 생성하는 포졸란 활성 재료이다. 그리고 FA를 20~30% 정도 치환하는 경우, 재령 56~91 일에서 보통 시멘트만 사용한 경우와 압축강도가 유사한 수준으로 발현되는 장기강도 발현 특성을 가지는 것으로 알려져 있다[15].
	석회석의 탈탄산은 CaCO3가 고온에서 분해되어 CaO가 생성되는 과정인데 이 때 발생하는 CO2감축을 위한 방법중 가장 효과적인 방법은?	석회석의 탈탄산은 석회석의 주성분인 CaCO3가 고온에서 분해되어 CaO가 생성되는 과정이며, 이 때 발생되는 CO2가 시멘트를 제조할 때 배출되는 전체 CO2 배출량의 59％에 해당된다[2]. 따라서 CO2 감축을 위한 방법 중 가장 효과적인 방법은 시멘트 대체재의 사용량을 증가시키는 것이다. 이에 따라 건설업계의 연구자들은 시멘트를 대체할 수 있는 재료들을 사용하여 온실가스 감축에 대한 세계적인 문제를 해결하기 위하여 노력하고 있다[4-6].

저자의 다른 논문 :

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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