[논문]EIS를 활용한 경량골재 종류별 시멘트 경화체의 계면특성 분석

김호진; 정용훈; 배제현; 박선규

doi:10.14190/jrcr.2020.8.4.498

EIS를 활용한 경량골재 종류별 시멘트 경화체의 계면특성 분석
ITZ Analysis of Cement Matrix According to the Type of Lightweight Aggregate Using EIS 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.4, 2020년, pp.498 - 505

김호진 (목원대학교 건축공학과) , 정용훈 (목원대학교 건축공학과) , 배제현 (충남대학교 분석과학기술대학원) , 박선규 (목원대학교 건축공학과)

초록
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골재는 콘크리트 체적의 약 70~85%를 차지하며, 콘크리트의 건조수축을 저감시켜주는 필수요소이다. 하지만 고층건축물 건설시 천연골재의 높은 하중으로 인해 문제점으로 작용한다. 고층 건물 건설시 하중이 커지게 되면 크리프가 발생하고 지반이 침식될 우려가 있으므로 기초를 크게 설계하고 암반층까지 깊게 내린 지정이나 파일등을 설치해야 하므로 공사비 및 재료비가 늘어 경제적 문제점이 있다. 콘크리트의 하중을 줄이기 위해 골재의 경량화를 진행하고 있다. 하지만 인공경량골재는 천연 골재에 비해 높은 흡수율과 낮은 부착강도로 인해 골재와 페이스트 사이의 계면에 영향을 주고 콘크리트 전체 강도에 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 천연골재와 경량골재 종류별 계면을 파악하기 위해 비파괴 실험인 EIS측정 장비를 활용하여 전기저항을 측정하는 방식을 채택하였고, 경량골재 겉면을 고로슬래그 코팅을 통해 계면상태의 변화를 실험하였다. 실험결과, 골재 종류별 및 코팅유무에 따른 압축강도의 차이를 보였고, 경량골재 종류별 임피던스 값과 위상각의 차이를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Aggregate occupies about 70-85% of the concrete volume and is an important factor in reducing the drying shrinkage of concrete. However, when constructing high-rise buildings, it acts as a problem due to the high load of natural aggregates. If the load becomes large during the construction of a high-rise building, creep may occur and the ground may be eroded. Material costs increase and there are financial problems. In order to reduce the load on concrete, we are working to reduce the weight of aggregates. However, artificial lightweight aggregates affect the interface between the aggregate and the paste due to its higher absorption rate and lower adhesion strength than natural aggregates, affecting the overall strength of concrete. Therefore, in this study, in order to grasp the interface between natural aggregate and lightweight aggregate by type, we adopted a method of measuring electrical resistance using an EIS measuring device, which is a non-destructive test, and lightweight bone. The change in the state of the interface was tested on the outside of the material through a blast furnace slag coating. As a result of the experiment, it was confirmed that the electric resistance was about 90% lower than that in the air-dried state through the electrolyte immersion, and the electric resistance differs depending on the type of aggregate and the presence or absence of coating. As a result of the experiment, the difference in compressive strength depending on the type of aggregate and the presence or absence of coating was shown, and the difference in impedance value and phase angle for each type of lightweight aggregate was shown.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. EIS sine waves of impedance
표 Table 1. Density of aggregate
그림 Fig. 2. Cement matrix test piece
그림 Fig. 3. Test piece immersion of aqueous nacl solution
그림 Fig. 4. Measurement method of EIS
그림 Fig. 5. EIS Measuring equipment
그림 Fig. 6. Compressive strength by type of aggregate(1week)
표 Table 2. Measurement range
그림 Fig. 7. EIS of cement matrix mixed with natural aggregate and light weight aggregate in dry condition
그림 Fig. 8. EIS of cement matrix mixed with Expanded Clay and BFS(Blast Furnace Slag) coating Expanded Clay aggregate in dry condition
그림 Fig. 9. EIS of cement matrix mixed with waste glass and BFS coating waste glass aggregate in dry condition
그림 Fig. 10. EIS of cement matrix mixed with natural aggregate and light weight aggregate in immersion of NaCl solution
그림 Fig. 11. EIS of cement matrix mixed with expanded clay and BFS coating expanded clay aggregate in Immersion NaCl solution
그림 Fig. 12. EIS of cement matrix mixed with waste glass and BFS coating waste glass aggregate in immersion NaCl solution

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고성능 콘크리트용 경량골재의 개발을 위한 일련의 연구로써 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 활용한 경량골재 종류별 시멘트 경화체의 계면특성을 분석하기 위한 실험적 연구를 실시하였다. 즉 경량골재의 종류별 ITZ특성차이를 확인하기 위해 EIS장비를 활용해 AC임피던스를 통한 전지저항을 측정하고, 압축강도와의 상관관계를 확인하였다.

제안 방법

배합하였다. EIS측정을 용이하게 하기 위하여 Fig. 2와 같이 40*40*160mm 크기의 공시체를 50mm 간격으로 절단하였다. 시멘트 및 골재 등은 부도체로서 멀티미터를 통해 자체 저항을 측정하면 저항이 너무 높아 정확한 저항치가 측정되지 않는 부분이 있다.
5에 나타낸 시험 기구를 이용하여 실험을 진행하였다. Table 2에 나타낸 시험 조건을 적용하여 흑연시트 전극에 10mV 를 인가하고 5MHz∼0.1Hz의 주파수 범위에서 EIS를 측정하였다. 시험체 내부에 전기전달을 위한 전극을 삽입하지 않으므로, 외부 2전극 시스템을 통하여 전류를 인가해 측정하였다.
골재 종류별 시멘트 경화체의 AC임피던스를 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 흑연시트(Graphite Sheet) 1T사이즈를 재단하여 절단하고 시험체에 부착한 후 Fig. 5에 나타낸 시험 기구를 이용하여 실험을 진행하였다. Table 2에 나타낸 시험 조건을 적용하여 흑연시트 전극에 10mV 를 인가하고 5MHz∼0.
폐유리골재의 최대 골재 치수가 약 10mm정도 이므로, 골재의 입도를 5∼10mm로 제한해 사용하였다. 골재와 페이스트 사이의 계면특성 차이를 확인하기 위한 실험이므로 잔골재는 따로 혼입하지 않고 시멘트 페이스트에 굵은 골재만을 혼입하여 실험을 진행하였다. 경량골재 콘크리트의 유동성 및 역학적 특성은 사용되는 경량골재의 함수율에 영향을 받는다.
이 부분을 고려하여 배합 전 경량골재에 24시간 프리웨팅(pre-wetting)을 실시하고 표면건조 및 내부포화상태를 형성하였다. 또한 경량골재의 계면을 개질하기 위해 경량골재 표면에 물/고로슬래그비 50%로 표면 코팅을 진행하여 실험을 진행하였다.
시멘트와 골재의 부피 비는 1:2, 물/시멘트비는 50%로 고정하고 골재들 간의 밀도가 다르기에 부피 배합을 통해 골재의 체적을 동일시하게 배합하였다. EIS측정을 용이하게 하기 위하여 Fig.
1Hz의 주파수 범위에서 EIS를 측정하였다. 시험체 내부에 전기전달을 위한 전극을 삽입하지 않으므로, 외부 2전극 시스템을 통하여 전류를 인가해 측정하였다.
경량골재 콘크리트의 유동성 및 역학적 특성은 사용되는 경량골재의 함수율에 영향을 받는다. 이 부분을 고려하여 배합 전 경량골재에 24시간 프리웨팅(pre-wetting)을 실시하고 표면건조 및 내부포화상태를 형성하였다. 또한 경량골재의 계면을 개질하기 위해 경량골재 표면에 물/고로슬래그비 50%로 표면 코팅을 진행하여 실험을 진행하였다.
시멘트 및 골재 등은 부도체로서 멀티미터를 통해 자체 저항을 측정하면 저항이 너무 높아 정확한 저항치가 측정되지 않는 부분이 있다. 이를 개선하기 위해 Fig. 3에 나타난 것처럼 NaCl 3.5% 전해질 수용액에 24시간 전해질 침지를 통해 공시체 내부 공극에 전해질을 흡수 시켜 측정을 진행하였다.
실험적 연구를 실시하였다. 즉 경량골재의 종류별 ITZ특성차이를 확인하기 위해 EIS장비를 활용해 AC임피던스를 통한 전지저항을 측정하고, 압축강도와의 상관관계를 확인하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 천연골재와 밀도가 서로 다른 팽창점토를 소성해 만든 팽창점토 골재, 폐유리분말을 혼입해 만든 폐유리 골재로 3가지 종류를 사용하였다. 특히 폐유리 골재는 밀도가 약 0.

성능/효과

12는 전해질 침지 시 폐유리골재와 고로슬래그로 표면을 코팅한 폐유리 골재의 임피던스 절대 값과 위상각을 나타낸 것으로, 코팅한 폐유리 골재와 코팅되지 않은 폐유리 골재는 Fig. 12의(a)에 나타낸 바와 같이, 고주파 영역 대 에선 코팅된 폐유리 골재의 임피던스 값이 증가 하고, 저주파 영역 대 에선 코팅되지 않은 폐유리 골재의 임피던스 값이 증가하는 것을 알 수 있었다. 코팅한 폐유리 골재와 코팅되지 않은 폐유리 골재는 Fig.
1) 압축강도 측정결과 경량골재의 밀도에 따른 강도 저하가 발생하였고, 고로슬래그로 코팅한 경량골재는 천연골재와 비슷한 강도발현을 보이거나 그 이상의 강도증가를 보였다. 이는 코팅을 통해 힘의 전달이 골재를 통과하지 않고 골재 외부를 타고 흘러가기 때문으로 판단된다.
2) 기건 상태의 팽창점토 골재에서 위상각이 급변하는 모습을 보였는데, 전해질 침지 시에도 급변하는 형태가 유지되는 경향을 보였다. 팽창점토 골재의 위상이 급변하는 모습을 보이지만 주파수대별 임피던스 절댓값이 측정 장비의 범위를 벗어나지 않으므로 팽창점토 골재의 인공물성으로 판단된다.
3) 경량골재 표면 코팅 시 고주파 영역 대에서 위상각이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 경량골재 표면 코팅 시 전류 속도의 영향을 주는 리액턴스 성분 중 캐패시턴스 성분보다 인덕턴스 성분이 많이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
따라서 골재의 종류별 EIS측정 시 시료별 서로 다른 특성을 보이며, 경량골재 표면 코팅 시 강도증진 및 리액턴스 값의 변화를 확인할 수 있었다. 하지만 코팅한 폐유리골재의 위상각이 저주파영역에서 감소하는 것을 보아 골재별 성분에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
6은 경량골재 종류별 시멘트 경화체의 1주차 압축강도를 나타낸 것으로, 골재의 밀도가 낮음에 따라 강도 값이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 또한 경량골재의 겉면을 물/고로슬래그 50% 페이스트로 코팅한 경우, 폐유리 골재는 천연골재를 혼입한 시멘트 경화체에 달하는 강도 값을 보였고 팽창점토 골재는 그 이상의 강도를 보였다. 이는 경량골재를 고로슬래그로 코팅 한 경우 골재표면이 개질되어, 힘의 전달이 골재를 통과하지 않고 골재표면을 타고 지나가는 것으로 판단된다.
이는 경량골재 표면 코팅 시 전류 속도의 영향을 주는 리액턴스 성분 중 캐패시턴스 성분보다 인덕턴스 성분이 많이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 팽창점토 골재 표면코팅 시 폐유리 골재의 표면코팅에 비해 고주파 영역대의 위상각이 큰 폭으로 상승하는 것으로 확인하였다. 이를 통해 인덕턴스 성분의 증가는 경량골재 표면을 코팅한 시멘트 경화체의 압축강도 증가와 관계가 있는 것으로 판단된다.
10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 밀도가 낮아 기건 상태에서 임피던스 값이 가장 낮은 값을 보인 폐유리 골재가 전해질 침지 상태 시 가장 높아짐을 볼 수 있다. 이는 전체적으로 약 90%가량의 전기 저항이 감소함에 있어서 폐유리골재의 전기 저항감소량이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
8과 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 임피던스 값이 상승하는 것을 볼 수 있다. 이는 코팅 후 경량골재 표면의 저항값과 전류속도에 영향을 주는 리액턴스값이 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만 저주파영역에서 코팅을 하지 않은 경량골재의 임피던스 절댓값이 코팅한 경량골재의 임피던스 값과 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다.
8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 코팅하지 않은 팽창점토 골재와 비교 시 위상각이 변하기 때문에 인공물성이 변화 하는 것을 알 수 있다. 팽창점토 골재 코팅 시고주파영역대의 위상각이 상향되고, 100∼20hz사이를 지난 후 위상각이 코팅하지 않은 팽창점토 골재에 비해 낮아지는 것을 알 수 있었다. 이는 팽창점토 골재 코팅 시 리액턴스 성분 중 고주파영역 대에서 인덕턴스의 양이 높아지고, 저주파 영역 대에서 캐패시턴스의 양이 낮아지는 것으로 사료된다.

후속연구

수 있었다. 하지만 코팅한 폐유리골재의 위상각이 저주파영역에서 감소하는 것을 보아 골재별 성분에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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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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