나노 인덴테이션을 통한 경량 고강도 콘크리트 Interfacial Transition Zone (ITZ)의 역학적 특성에 관한 연구 A Study on the Mechanical Properties of Interfacial Transition Zone (ITZ) of Lightweight High Strength Concrete Via Nanoindentation원문보기
Interfacial transition zone (ITZ)은 골재-시멘트 복합체 사이의 영역으로써, 콘크리트에서 가장 취약한 영역으로 알려져 있으며, 이는 점진적으로 변화하는 불균질한 상으로 이루어져 있다. 경량 고강도 콘크리트 개발을 위해 물-바인더 비가 낮은 고강도 시멘트 복합체와 경량골재 사이의 Interfacial transition zone (ITZ)의 역학적 특성 평가는 필수적이다. 하지만 ITZ는 복잡하고 다공성 구조를 가지고 있기 때문에, 이의 역학적 특성은 아직 명확하지 않다. 또한, 경량골재 ITZ는 일반골재보다 다양한 변수 (물-바인더 비, 골재의 흡수율, 양생조건 등)에 의해 변화한다. 따라서 본 연구에서 골재의 종류 및 크기에 따른 ITZ의 역학적 특성을 분석하고자 한다. 이를 위해 나노 인덴테이션 기법을 이용하여 물-바인더 비가 0.2인 고강도 시멘트 복합체와 표준사 및 최대치수가 각각 2mm, 5mm인 경량골재 ITZ의 탄성계수를 측정하였다.
Interfacial transition zone (ITZ)은 골재-시멘트 복합체 사이의 영역으로써, 콘크리트에서 가장 취약한 영역으로 알려져 있으며, 이는 점진적으로 변화하는 불균질한 상으로 이루어져 있다. 경량 고강도 콘크리트 개발을 위해 물-바인더 비가 낮은 고강도 시멘트 복합체와 경량골재 사이의 Interfacial transition zone (ITZ)의 역학적 특성 평가는 필수적이다. 하지만 ITZ는 복잡하고 다공성 구조를 가지고 있기 때문에, 이의 역학적 특성은 아직 명확하지 않다. 또한, 경량골재 ITZ는 일반골재보다 다양한 변수 (물-바인더 비, 골재의 흡수율, 양생조건 등)에 의해 변화한다. 따라서 본 연구에서 골재의 종류 및 크기에 따른 ITZ의 역학적 특성을 분석하고자 한다. 이를 위해 나노 인덴테이션 기법을 이용하여 물-바인더 비가 0.2인 고강도 시멘트 복합체와 표준사 및 최대치수가 각각 2mm, 5mm인 경량골재 ITZ의 탄성계수를 측정하였다.
The interfacial transition zone(ITZ) which is the boundary layer between cement composites and aggregates is considered to be the region of gradual transition, heterogeneous, and the weakest part of concrete. For the development of lightweight high strength concrete, it is essential to evaluate the ...
The interfacial transition zone(ITZ) which is the boundary layer between cement composites and aggregates is considered to be the region of gradual transition, heterogeneous, and the weakest part of concrete. For the development of lightweight high strength concrete, it is essential to evaluate the mechanical properties of ITZ between high strength concrete with low water-binder ratio and lightweight aggregates. However, the mechanical properties of ITZ are not well established due to its high porosity and complex structure. Furthermore, the properties of ITZ in concrete using lightweight aggregates are dominated by more various variations (e.g. water-binder ratio, water absorption capacity of aggregate, curing conditions) than normal-weight aggregate concrete. This study aims to elucidate the mechanical properties of ITZ in lightweight high-strength cement composites according to the types of aggregates and the aggregate sizes. Nanoindentation analysis was used to evaluate the elastic modulus of ITZ between high strength cement composites with the water-binder ratio of 0.2 and normal sand, lightweight aggregate with different aggregate siz es of 2mm and 5mm in this study.
The interfacial transition zone(ITZ) which is the boundary layer between cement composites and aggregates is considered to be the region of gradual transition, heterogeneous, and the weakest part of concrete. For the development of lightweight high strength concrete, it is essential to evaluate the mechanical properties of ITZ between high strength concrete with low water-binder ratio and lightweight aggregates. However, the mechanical properties of ITZ are not well established due to its high porosity and complex structure. Furthermore, the properties of ITZ in concrete using lightweight aggregates are dominated by more various variations (e.g. water-binder ratio, water absorption capacity of aggregate, curing conditions) than normal-weight aggregate concrete. This study aims to elucidate the mechanical properties of ITZ in lightweight high-strength cement composites according to the types of aggregates and the aggregate sizes. Nanoindentation analysis was used to evaluate the elastic modulus of ITZ between high strength cement composites with the water-binder ratio of 0.2 and normal sand, lightweight aggregate with different aggregate siz es of 2mm and 5mm in this study.
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문제 정의
본 연구에서는 경량 고강도 콘크리트의 역학적 특성을 이해하기 위한 기초적 자료 수집을 목표로, 골재의 종류 및 경량골재의 크기에 따른 ITZ의 역학적 특성 분석을 실시하였다. 표준사와 크기가 다른 두 가지 경량골재를 물-바인더 비가 0.
탄성계수를 도출하였다. 이를 통해 고강도 시멘트 복합체와 일반골재 및 경량골재 ITZ 특성의 차이점과 경량골재 입자 크기에 따른 ITZ 특성 변화에 대해 검토하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
진행하였다. SEM-EDS 분석을 바탕으로 ITZ 두께가 최대 50μm인 것을 고려하여 측정 위치를 설정하였으며, 골재-ITZ-고강도 시멘트 복합체 3가지 영역에 걸쳐 총 8개의 포인트로 설정하였으며, 각 포인트간의 간격은 10μm가 되도록 하였다(총 측정 거리 = 70μm). 또한, 골재 표면에 발생한 균열이 측정 위치가 되지 않도록 설정하였다.
SEM-EDS(S-4300, Hitachi, Japan, 1.5nm, 15kV) 분석은 위의 연마공정을 마친 시편을 이용하였으며, 별도 코팅 작업 없이 수행하였다. 측정 위치는 각 시편에 포함되어 있는 골재를 선정한 후, 골재-ITZ-고강도 시멘트 복합체에 걸친 영역의 Ca/Si 몰 비율을 얻어 골재 종류 및 크기에 따른 ITZ 두께 변화를 도출하였다.
하는 것이 중요하다. 각 시편은 다공성 재질인 콘크리트의 기공을 채우기 위해 에폭시 레진을 이용한 Cold mounting을 수행하였으며, 아래와 같이 총 9단계의 연마공정을 수행하였다. 차례대로 #400, #600, #800, #1200 SiC Paper를 사용하여 약 60 min 정도의 연마작업을 수행하였다.
제작한 시편은 온도 20℃, 상대습도 95% 환경에서 48시간, 온도 90℃, 상대습도 95% 환경에서 48시간 양생을 진행하였다. 그 후, 온도 25℃, 상대습도 65% 항온항습실에서 28일 양생을 실시하였다.
SEM-EDS 분석을 바탕으로 ITZ 두께가 최대 50μm인 것을 고려하여 측정 위치를 설정하였으며, 골재-ITZ-고강도 시멘트 복합체 3가지 영역에 걸쳐 총 8개의 포인트로 설정하였으며, 각 포인트간의 간격은 10μm가 되도록 하였다(총 측정 거리 = 70μm). 또한, 골재 표면에 발생한 균열이 측정 위치가 되지 않도록 설정하였다.
또한, 식 (3)에서 는 재료의 프와송비(Poisson’s ratio)이다. 본 실험에서 골재-ITZ-고강도 시멘트 복합체의 프와송비는 차례대로 0.15, 0.30, 0.25를 적용하였다(Li et al. 2019). 와 는 각각 압입자의 프와송비와 탄성계수를 나타내며, 각각 1141GPa, 0.
본 연구에서 SEM-EDS와 나노 인덴테이션 분석 기법을 통해종류 및 크기가 다른 골재와 고강도 시멘트 복합체 간 ITZ의 두께와 탄성계수를 도출하였다. 이를 통해 고강도 시멘트 복합체와 일반골재 및 경량골재 ITZ 특성의 차이점과 경량골재 입자 크기에 따른 ITZ 특성 변화에 대해 검토하였다.
본 연구에서는 최대 압입하중 250mN에 도달하였을 때, 최대압입깊이를 측정하여 나노 인덴테이션 분석을 진행하였다. SEM-EDS 분석을 바탕으로 ITZ 두께가 최대 50μm인 것을 고려하여 측정 위치를 설정하였으며, 골재-ITZ-고강도 시멘트 복합체 3가지 영역에 걸쳐 총 8개의 포인트로 설정하였으며, 각 포인트간의 간격은 10μm가 되도록 하였다(총 측정 거리 = 70μm).
수행하였다. 연마공정을 마친 시편은 원자간력 현미경(Atomic force microscopy, AFM)을 통해 표면거칠기를 확인하였다(Fig. 1). Fig.
수화반응에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 고성능 감수제(SP)는 동일한 양을 사용하였다. 제작한 시편은 온도 20℃, 상대습도 95% 환경에서 48시간, 온도 90℃, 상대습도 95% 환경에서 48시간 양생을 진행하였다. 그 후, 온도 25℃, 상대습도 65% 항온항습실에서 28일 양생을 실시하였다.
5nm, 15kV) 분석은 위의 연마공정을 마친 시편을 이용하였으며, 별도 코팅 작업 없이 수행하였다. 측정 위치는 각 시편에 포함되어 있는 골재를 선정한 후, 골재-ITZ-고강도 시멘트 복합체에 걸친 영역의 Ca/Si 몰 비율을 얻어 골재 종류 및 크기에 따른 ITZ 두께 변화를 도출하였다.
따른 ITZ의 역학적 특성 분석을 실시하였다. 표준사와 크기가 다른 두 가지 경량골재를 물-바인더 비가 0.2인 고강도 시멘트복합체와 배합하여 시편을 제작하였으며, 제작한 시편은 Scanning electron microscopy-Energy dispersive X-ray spectroscopy(SEM-EDS)를 통해 측정한 Ca/Si 값을 통해 각 3가지 골재 ITZ의 두께를 산출하고, 나노 인덴테이션 분석 기법을 통해 ITZ의 탄성계수를 측정하였다.
1μm, 0.25μm oil-based 다이아몬드 서스펜션을 이용하여 약 90 min 이상 마무리 연마작업을 수행하였다.
각 연마과정 중 표면에 있는 오염 물질을 제거하기 위해 ultrasonic-bath에서 약 10 min 정도 세정 공정을 수행하였다. 연마공정을 마친 시편은 원자간력 현미경(Atomic force microscopy, AFM)을 통해 표면거칠기를 확인하였다(Fig.
각 시편은 다공성 재질인 콘크리트의 기공을 채우기 위해 에폭시 레진을 이용한 Cold mounting을 수행하였으며, 아래와 같이 총 9단계의 연마공정을 수행하였다. 차례대로 #400, #600, #800, #1200 SiC Paper를 사용하여 약 60 min 정도의 연마작업을 수행하였다. 시편 냉각 용액 및 윤활제는 물에 대한 영향을 최소화하기 위해 isopropanol 용액을 사용하였다.
대상 데이터
경량 고강도 콘크리트 ITZ의 역학적 특성 분석을 위해 본 연구에서는, 표준사(Sand)와 골재 입경의 최대 치수가 각각 2mm 이하 (LWA2), 5mm 이하(LWA5)인 두 종류의 경량골재를 사용하였다. 표준사와 경량골재의 밀도는 각각 2.
차례대로 #400, #600, #800, #1200 SiC Paper를 사용하여 약 60 min 정도의 연마작업을 수행하였다. 시편 냉각 용액 및 윤활제는 물에 대한 영향을 최소화하기 위해 isopropanol 용액을 사용하였다.
7g/cm3 이다. 해당 골재들은 Table 1과 같이 물-바인더 비가 0.2인 고강도 시멘트 복합체와 혼합하여 Φ20 × 20mm 크기의 시편을 제작하였다. 수화반응에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 고성능 감수제(SP)는 동일한 양을 사용하였다.
성능/효과
6(a))와 LWA2(Fig. 6(b)) ITZ 역학적 특성을 분석한 결과, 경량골재 ITZ의 탄성계수는 Sand의 탄성계수보다 감소하였다. 본 연구 결과는 Huang et al.
6(b))와 LWA5 (Fig. 6(c))를 사용한 경우를 서로 비교한 결과, 입자크기가 커질수록 ITZ의 탄성계수는 감소하는 것을 확인하였다. 이는 일반골재의결과와 유사한 경향을 나타낸다(Li et al.
1.Sand, LWA2, LWA5 ITZ의 두께는 각각 12-15μm, 25-30μm, 35-40μm이며, LWA의 ITZ 두께가 Sand보다 증가하였다. 이는 경량골재가 Sand에 비해 흡수율이 높고, 골재 주변에 다량의 수분을 방출하기 때문이다.
2.입자크기가 대체적으로 비슷한 Sand, LWA2 ITZ 탄성계수값은 각각 50.1, 32.7GPa이다. 이를 통해 고강도 시멘트 복합체와 경량골재 간 ITZ의 역학적 특성은 Sand ITZ의 역학적 특성보다 감소한다.
3.크기가 다른 두 가지 경량골재 LWA2, LWA5 ITZ의 탄성계수는 각각 32.7, 24.5GPa으로 나타났다. 이를 통해 골재의 종류와 상관없이 골재의 입자크기가 증가할수록 ITZ 두께는 증가하는 반면, 탄성계수는 감소하는 것으로 확인되었다.
이를 통해 골재의 종류와 상관없이 골재의 입자크기가 증가할수록 ITZ 두께는 증가하는 반면, 탄성계수는 감소하는 것으로 확인되었다. 4.골재, ITZ, 고강도 시멘트 복합체 영역에 걸친 나노 인덴테이션 측정 결과, Sand ITZ는 시멘트 복합체와 유사한 탄성계수값을 보였으나, LWA2와 LWA5 ITZ는 시멘트 복합체의 60-80% 정도만 발현되는 것으로 확인되었다.
LWA2와 LWA5의 ITZ 두께 값 비교를 통해 경량골재의 크기가증가할수록 ITZ 영역이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 일반골재 크기와 ITZ 두께의 상관관계와 일치한다(Li et al.
2003). SEM-EDS 결과에나타난 바와 같이(Fig. 4), 골재의 종류와 상관없이 모두 입자의크기가 커질수록 ITZ의 두께는 증가하며, ITZ의 두께가 증가할수록 탄성계수는 감소하는 것을 확인하였다.
5GPa이다. SEM-EDS(§ 3.1)를통해 도출한 ITZ 두께와 역학적 특성의 상관관계를 분석한 결과, 기존 연구와 동일하게 ITZ 두께가 증가할수록 역학적 특성은 감소하는 것을 알 수 있었다.
6GPa로 유사한 값을 나타내었다. Sand의 ITZ는 시멘트 복합체와 거의 유사한 거동을 보였으며, LWA2 ITZ는 시멘트 복합체 탄성계수 값의 대략 80%이다. 또한, LWA5 ITZ는 시멘트 복합체의 탄성계수 값의 60% 정도로 측정되었다.
3에 표시된 각 골재 표면으로부터 80–100μm 떨어진 거리까지 Ca/Si 비율을 측정한 결과를 나타낸다. 각 골재 표면의 Ca/Si 비율은 6–15 의 범위로 측정되었으며, 골재 표면에서 멀어질수록 그 값이 감소하여 1–4까지 낮게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 골재와 가장 가까운 부분의 Ca/Si 비율은 기존 연구에서 보고한 물-시멘트 비가 0.
5는 나노 인덴테이션을 통해 얻은 Sand, LWA2, LWA5를 측정한 압입하중-변위 곡선을 나타낸다. 골재 자체의 탄성계수는 Sand, LWA2, LWA5 순서로 크게 나타났으며, 그 값은 각각 119.2, 80.6, 40.6GPa이다. 또한, 경량골재의 탄성계수 측정 시, 다공성의 재질로 인해 미끄러지는 현상이 발생하여 동일한 최대 압입 하중 적용 시 최대 압입깊이가 증가하여 측정 결과에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
나노 인덴테이션을 통해 측정한 Sand, LWA2, LWA5 내 고강도 시멘트 복합체의 탄성계수는 대략 38-50GPa로 나타났다. 각 시험체의 물-바인더 비는 동일함에도 불구하고, 시멘트 복합체 탄성계수는 골재 종류에 따라 차이가 발생하였다.
2003). 또한, 경량골재 ITZ는 Sand ITZ보다 넓어진 것을 알 수 있었다. 이는 경량골재의 흡수율이 Sand보다 높아 콘크리트 배합 시 생성되는 수막이 경량골재 표면에 더 두껍게 생성됨으로 인해 발생한 것으로 보인다.
6GPa이다. 또한, 경량골재의 탄성계수 측정 시, 다공성의 재질로 인해 미끄러지는 현상이 발생하여 동일한 최대 압입 하중 적용 시 최대 압입깊이가 증가하여 측정 결과에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. Fig.
또한, LWA5 ITZ는 시멘트 복합체의 탄성계수 값의 60% 정도로 측정되었다. 본 연구 결과에서 골재의 입자 크기가 작을수록, 경량골재보다 일반골재 ITZ의 탄성계수가 시멘트 복합체와 유사한 것을 확인하였다(Table 2).
5GPa으로 나타났다. 이를 통해 골재의 종류와 상관없이 골재의 입자크기가 증가할수록 ITZ 두께는 증가하는 반면, 탄성계수는 감소하는 것으로 확인되었다. 4.
6은 나노 인덴테이션을 통해 측정한 각시 편의 골재-ITZ-고강도 시멘트 복합체 3가지 영역에 탄성 계수를 나타낸다. 측정 결과에 의하면 Sand, LWA2, LWA5 ITZ의 평균 탄성계수 값은 각각 50.1, 32.7, 24.5GPa이다. SEM-EDS(§ 3.
이는 경량골재가 다공성이므로 골재 자체의 표면이 일정하지 않은 것으로 인해 나타나는 현상으로 보인다. 하지만 골재를 제외한 영역의 표면거칠기는 3가지 시편 모두 300nm 이하로써, 나노 인덴테이션 분석에 적합하다고 판단하였다.
후속연구
위의 결과들을 통해 경량골재가 경량 고강도 콘크리트 ITZ 역학적 특성에 미치는 영향을 추측할 수 있으며, 균질화 기법 (Homogenization method)을 이용해서 ITZ 역학적 특성에 따른 콘크리트 압축강도 변화에 대한 상관관계 도출이 가능할 것으로 사료된다. 이를 위해 보다 정확한 ITZ의 역학적 특성을 도출하고 자나노 인덴테이션 측정 위치 및 측정 횟수를 추가한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
이를 위해 보다 정확한 ITZ의 역학적 특성을 도출하고 자나노 인덴테이션 측정 위치 및 측정 횟수를 추가한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한, 물-바인더 비에 따른 골재 주변 상대습도 변화와 시멘트 복합체 상대습도 변화 측정도 필요한 것으로 사료된다.
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