[논문]단위중량 2,000kg/㎥급 고강도 시멘트 복합체 개발을 위한 기초연구

정연웅; 임귀환; 강용학; 정상화; 김주형

doi:10.14190/jrcr.2020.8.4.562

단위중량 2,000kg/㎥급 고강도 시멘트 복합체 개발을 위한 기초연구
Preliminary Study on Development of High Strength Cement Composites at 2,000kg/㎥ of Specific Weight 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.4, 2020년, pp.562 - 570

정연웅 ((재)한국건설생활환경시험연구원 건설기술연구센터) , 임귀환 ((재)한국건설생활환경시험연구원 건설기술연구센터) , 강용학 ((재)한국건설생활환경시험연구원 대구경북지원) , 정상화 ((재)한국건설생활환경시험연구원 영남본부) , 김주형 ((재)한국건설생활환경시험연구원 건설기술연구센터)

초록
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본 연구에서는 단위중량 2,000kg/㎥ 이하의 고강도 시멘트 복합체 제조기술 및 기초 물성을 탐구한다. 선행연구에서 제시한 초고성능콘크리트의 배합에서 잔골재를 경량 재료인 솔리드 버블과 경량잔골재로 치환하여 경량 고강도 시멘트 복합체를 제조기술을 제안한다. 솔리드 버블을 혼입한 시멘트 복합체는 밀도 2.0g/㎤ 이하에서 재령 28일 강도 116MPa~141MPa의 고강도 발현이 가능한 것으로 나타났다. 경량잔골재를 사용하는 경우 솔리드 버블을 혼입한 시멘트 복합체보다 역학적 성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 배합표상에서 계산된 단위용적중량과 경화된 시멘트 복합체의 밀도가 큰 차이를 보이지 않았으며, 이는 배합표상에서 계산된 단위용적중량을 통해 경화된 시멘트 복합체의 밀도를 추정할 수 있는 것을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study explores manufacturing technology and basic properties of high strength cement composites at 2,000kg/㎥ of specific weight. It is suggested that lightweight-high strength cement composites can be produced by substituting silica sand in ulta-high performance concrete mixture with lightweight materials such as solid bubbles and lightweight fine aggregates. The 28-day compressive strengths of cement composites with solid bubbles were from 116MPa to 141MPa at below 2.0g/㎤ of unit density while the cement composites with lightweight aggregates possessed lower compressive strength and higher unit density. The specific weight calculated from mixture proportions did not have significant difference with unit density of hardened cement composites, indicating that unit density of hardened cement composites can be estimated from the specific weight in mixture proportions.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Cumulative particle size distribution
그림 Fig. 2. XRD quantitative phase analysis of OPC
표 Table 1. Oxide chemical compositions of raw powder materials
그림 Fig. 3. Qualitative phase analysis of raw materials
그림 Fig. 4. Results of flexural strength tests
표 Table 2. Mixture proportions of cement composites
그림 Fig. 5. Results of compressive strength tests
그림 Fig. 6. Specific density of hardened cement composites
그림 Fig. 7. Moisture content of hardened cement composites

AI 본문요약
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가설 설정

따라서, LA를 사용하는 배합의 경우 결합재와 SP의 함량을 동일 비율로 감소시키며 배합표상의 단위용적중량을 2,000kg/m³이 되도록 구성하였다. 고강도 배합임을 감안하여 공기량은 1%로 가정하였으며, 물-결합재 비, 결합재-혼화제 비는 고정하였다. 구성한배합표는 Table 2와 같다.

제안 방법

측정된 회절 패턴은 X’pert HighScore Plus 소프트웨어와 ICSD (Inorgarnic Crystal Structure Database)를 이용하여 정성분석을 실시하였다. OPC의 샘플을 대상으로 X’pert HighScore Plus 소프트웨어를 이용하여 Rietveld 정량분석을 실시하였다.
이후 물과 PC를 투입하여 시멘트 복합체의 유동성이 확보될 때까지 기계식 믹서의 중속으로 배합을 실시하였으며, 유동성 확보이후 고속에서 1분, 저속에서 1분 추가배합을 실시하였다. 경량재료(SB 및 LA)를 포함하는 샘플의 경우 재료의 날림으로 인한 재료 손실 및 기계식 믹서에 의한 재료의 파손을 방지하기 위해 경량재료를 제외한 재료들을 우선 배합하고 유동성이 확보된 이후 경량재료를 투입하여 고속 1분, 저속 1분 추가배합을 실시하였다. SB는 절건상태, LA는 표건 상태의 재료를 사용하였다.
경화된 시멘트 복합체의 SSD 상태의 밀도와 절대건조 상태의 밀도를 이용하여 Fig. 7과 같이 시멘트 복합체의 함수율(moisture content)을 계산하였다. 경화된 시멘트 복합체의 함수율을 재령에 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 90℃에서 2일 고온 양생을 실시하는 경우 함수율은 크게 감소하는 것으로 나타났다.
2이고, 배합표 상의 단위용적중량은 2, 380kg/m³이다. 기준배합을 바탕으로 경량 고강도 시멘트 복합체 제조를 위해 배합표상의 단위용적중량이 2, 000kg/m3이 되도록 기준배합의 SS를 경량재료인 SB 및 LA로 치환하여 배합표를 구성하였다. SB의 경우 SS를 일부 치환하는 것만으로 단위 용적 중량 2,000kg/m³을 달성할 수 있는 반면, LA는 SS를 전부 치환하더라도 목표하는 단위용적중량을 도달하는 배합이 불가능하였다.
재령 2일, 4일, 14일, 및 28일 시멘트 복합체를 대상으로 휨 강도 실험을 실시하였으며, 휨강도 측정이 완료된 시편을이용하여 압축 강도 측정을 실시하였다. 동일 재령 시편의 표면건조포화상태 (saturated surface dry condition, SSD condition)에서의 중량을 측정하고, 동일 시편을 50℃ 건조기에서 24시간 건조 후 절대 건조상태의 중량을 측정하여 SSD 상태의 단위중량과 절대 건조상태의 단위 중량을 산출하였다.
배합이 완료된 시멘트 복합체는 KS L ISO 679에 따라 40×40×160mm3 몰드에 타설하여 20℃ 상대습도(RH) 99% 항온항습기에서 2일간 양생하였다. 재령 2일의 시멘트 복합체를 탈형 (demolding)하여 20℃ 상대습도 65% 및 90℃ 상대습도 99%에서 2일간 추가 양생을 실시하였으며, 이후 재령 14일 및 28일까지 2 0℃ 상대습도 65%의 항온항습실에서 양생을 실시하였다.
본 연구에서는 경량 고강도 시멘트 복합체 개발를 위해 UHPC 배합의 잔골재를 경량재료인 솔리드버블 및 경량골재로 치환하여 단위용적중량 2,000kg/m³ 수준의 시멘트 복합체를 제조한다. 시멘트 복합체의 역학적 성능을 확인하기 위해 휨강도 및 압축강도 실험을 실시하고, 제작한 시편의 밀도를 측정하였다.
본 연구에서는 솔리드 버블(SB) 및 경량골재(LA)로 초고성능 콘크리트(UHPC)의 실리카 샌드(SS)를 치환하여 고강도 경량 시멘트 복합체를 제조하고 휨강도, 압축강도 및 경화체의 밀도 측정을 통해 제조한 시멘트 복합체의 물성을 검토하였다. 본 연구에서의 결론을 요약하면 다음과 같다.
분말형 원재료의 입도분석을 위해 광회절 분석(Mal.,ern Instruments LTD., MS 3000)을 실시하였으며, 에탄올을 용매로 사용하여 분석을 진행하였다. 실리카 샌드 및 경량 골재의 입도 분포는 KS F 2502에 따라 체가름 시험으로 입도분석을 실시하였다.
수준의 시멘트 복합체를 제조한다. 시멘트 복합체의 역학적 성능을 확인하기 위해 휨강도 및 압축강도 실험을 실시하고, 제작한 시편의 밀도를 측정하였다.
, S8 TIGER)을 이용하였으며, 분말형 재료를 글래스 비드로 제작하여 측정을 진행하였다. 원재료의 광물상 분석을 위해 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD)(Rigaku Company, SmartLab)분석을 실시하였으며, 사용한 X-선의 파장은 λ=1.5418(Cu-Kα), 측정범위는 2θ = 5°∼70°, scanning stepe 0.02°, 및 scanning ratee 1°/min 이다. 측정된 회절 패턴은 X’pert HighScore Plus 소프트웨어와 ICSD (Inorgarnic Crystal Structure Database)를 이용하여 정성분석을 실시하였다.
원재료의 광물상 조성을 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD)로 조사하였으며, OPC의 광물상 정량분석 결과 및 분말형 재료의 광물성 정성분석 결과를 Fig. 2 및 Fig. 3에 나타내었다. 사용한 OPC 는 C₃S 51.
믹서에 투입하고 5분간 건비빔을 실시하였다. 이후 물과 PC를 투입하여 시멘트 복합체의 유동성이 확보될 때까지 기계식 믹서의 중속으로 배합을 실시하였으며, 유동성 확보이후 고속에서 1분, 저속에서 1분 추가배합을 실시하였다. 경량재료(SB 및 LA)를 포함하는 샘플의 경우 재료의 날림으로 인한 재료 손실 및 기계식 믹서에 의한 재료의 파손을 방지하기 위해 경량재료를 제외한 재료들을 우선 배합하고 유동성이 확보된 이후 경량재료를 투입하여 고속 1분, 저속 1분 추가배합을 실시하였다.
재령 2일의 시멘트 복합체를 탈형 (demolding)하여 20℃ 상대습도 65% 및 90℃ 상대습도 99%에서 2일간 추가 양생을 실시하였으며, 이후 재령 14일 및 28일까지 2 0℃ 상대습도 65%의 항온항습실에서 양생을 실시하였다. 재령 2일, 4일, 14일, 및 28일 시멘트 복합체를 대상으로 휨 강도 실험을 실시하였으며, 휨강도 측정이 완료된 시편을이용하여 압축 강도 측정을 실시하였다. 동일 재령 시편의 표면건조포화상태 (saturated surface dry condition, SSD condition)에서의 중량을 측정하고, 동일 시편을 50℃ 건조기에서 24시간 건조 후 절대 건조상태의 중량을 측정하여 SSD 상태의 단위중량과 절대 건조상태의 단위 중량을 산출하였다.
2일간 양생하였다. 재령 2일의 시멘트 복합체를 탈형 (demolding)하여 20℃ 상대습도 65% 및 90℃ 상대습도 99%에서 2일간 추가 양생을 실시하였으며, 이후 재령 14일 및 28일까지 2 0℃ 상대습도 65%의 항온항습실에서 양생을 실시하였다. 재령 2일, 4일, 14일, 및 28일 시멘트 복합체를 대상으로 휨 강도 실험을 실시하였으며, 휨강도 측정이 완료된 시편을이용하여 압축 강도 측정을 실시하였다.

대상 데이터

경량 고강도 시멘트 복합체 제조를 위해 선행연구(Kang et al. 2019a)에서 제시한 초고성능콘크리트(ultra-high performance concrete, UHPC) 배합을 기준배합(control)으로 선정하였다. 선정한 배합의 물-결합재(w/B) 비는 0.
본 연구에서는 A사에서 제조한 1종 포틀랜드 시멘트(OPC), E사의 실리카 흄(SF), S사의 실리카 샌드(SS) 및 실리카 분말(SP), M 사의 솔리드버블(SB) 4종, B사의 경량골재(LA) 2종 및 D사의 폴리카르본산계(polycarboxylate) 고성능감수제(superplastisizer, PC) 를 사용하였다. 사용한 분말형 재료 및 골재의 입도분포를 Fig.
3에 나타내었다. 사용한 OPC 는 C₃S 51.0%, β-C₂S 32.7%, C₄AF 9.0%, C₃A 2.6%, 석고 3.1%, 무수석고 1.7%의 조성을 갖고 있는 것으로 조사되었다. 일반적인 포틀랜드 시멘트와 비교하여 C₃A 함량이 다소 낮은 것으로 조사되었으나, Table 1의 원소분석 결과에서 OPC에 함유된 Al₂O₃의 함량이 낮은 것과 일치하는 경량을 갖는 것으로 조사되었다.

데이터처리

02°, 및 scanning ratee 1°/min 이다. 측정된 회절 패턴은 X’pert HighScore Plus 소프트웨어와 ICSD (Inorgarnic Crystal Structure Database)를 이용하여 정성분석을 실시하였다. OPC의 샘플을 대상으로 X’pert HighScore Plus 소프트웨어를 이용하여 Rietveld 정량분석을 실시하였다.

이론/모형

실리카 샌드 및 경량 골재의 입도 분포는 KS F 2502에 따라 체가름 시험으로 입도분석을 실시하였다. 분말형 원재료의 원소분석은 X-선 형광분석법(X-ray flourescence, XRF)(Bruker Co. Ltd., S8 TIGER)을 이용하였으며, 분말형 재료를 글래스 비드로 제작하여 측정을 진행하였다. 원재료의 광물상 분석을 위해 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD)(Rigaku Company, SmartLab)분석을 실시하였으며, 사용한 X-선의 파장은 λ=1.
, MS 3000)을 실시하였으며, 에탄올을 용매로 사용하여 분석을 진행하였다. 실리카 샌드 및 경량 골재의 입도 분포는 KS F 2502에 따라 체가름 시험으로 입도분석을 실시하였다. 분말형 원재료의 원소분석은 X-선 형광분석법(X-ray flourescence, XRF)(Bruker Co.

성능/효과

1. UHPC 배합에 SB 및 LA 등 경량재료를 치환하는 방식으로 경량 고강도 시멘트 복합체의 제조가 가능한 것을 확인하였다. SB를 사용한 시멘트 복합체의 경우 밀도 2.
2. 사용하는 원재료의 밀도를 이용하여 배합표에서 계산된 단위용적 중량과 경화된 시멘트 복합체의 밀도가 거의 유사하게 발현되는 것으로 나타났으며, 이는 배합설계시 계산된 단위 용적 중량을 통해 경화된 시멘트 복합체의 밀도를 추정할 수 있는 것을 보여준다. 다만, LA를 사용하는 경우 골재의 다공성 특성으로 표면건조포화상태 밀도 계산에 오차가 생겨 경화체 밀도와 단위용적 중량이 완전히 일치하지 않을 수 있다.
3. SB를 혼입한 시편의 경우 재령 초기 2일의 90℃ 양생을 통해 역학적 성능을 크게 개선할 수 있는 것으로 나타났으나, LA 를 혼입한 시편의 경우 초기 고온 양생으로 역학적 성능 개선이 발생하지 않는 것으로 나타났다.
4. 제조한 경량 고강도 시멘트 복합체의 휨강도 발현과 압축강도 발현은 사용하는 경량재료의 종류와 무관하게 동일한 경향을 갖는 것으로 나타났다.
SP는 quartz(SiO2)와 소량의 cristobalite(SiO₂)로 구성되어 있는 것으로 나타났으며, SF는 quartz 및 cristobalite와 함께 moissanite(SiC) 를 소량 포함하고 있는 비정질(amorphous)인 것으로 나타났다. 4종의 SB는 결정상(crystalline phase)을 포함하지 않는 비정질로 구성된 것으로 나타났으며, SB 종류에 따른 광물상 조성의 차이는 없는 것으로 나타났다.
5. LA를 혼입한 시멘트 복합체의 경우 고온양생을 하더라도 매우 높은 수준의 함수율을 갖는 것으로 조사되었으며, 이로 인해 골재와 시멘트 복합체 계면의 국부적인 물-시멘트 비증가로 시멘트의 추가 수화반응을 통한 계면 충진이 충분하지 못해 시멘트 복합체의 역학적 성능을 크게 높이지 못 하는 것으로 판단된다.
경량 재료를 혼입하였음에도 고강도 발현이 가능한 것으로조사되었다. LA를 혼입한 시편이 고온양생으로 추가적인 강도발현이 없는 반면, SB를 혼입한 시편의 경우 고온양생으로 재령 28 일 강도를 상당 수준 끌어 올릴 수 있는 것으로 나타났다. LA를 혼입한 시편의 경우 경량골재의 낮은 역학적 특성으로 경화된 매트릭스의 경도가 올라갈지라도 골재에서 파괴가 시작되어 추가적인 강도 발현이 어려운 것으로 판단된다.
UHPC 배합에 SB 및 LA 등 경량재료를 치환하는 방식으로 경량 고강도 시멘트 복합체의 제조가 가능한 것을 확인하였다. SB를 사용한 시멘트 복합체의 경우 밀도 2.0g/cm³ 이하에서 재령 28일 강도 116MPa∼141MPa 수준으로 기존의 경량 콘크리트 보다 매우 우수한 성능발현이 가능한 것으로 나타났다. LA를 사용한 경우 밀도 2.
0MPa 수준으로 고온양생으로 약 15% 정도의 강도가 증진되는 것으로 나타났다. SB를 포함하는 시편의 경우에도 2일간의 90℃ 양생으로 적게는 14.9%에서 많게는 28.2%까지 휨강도가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 20℃ 양생 시편의 경우 재령 2일에서 28일까지 휨강도가 재령일에 따라 점진적으로 증가하는 경향을 보이나, 90℃에서 2일간 양생하는 경우 양생 직후인 재령 4일에 강도가 큰 폭으로 상승하고 이후 미세하게 증가하는 경향을 갖는다.
Table 1에 나타낸 바와 같이 OPC 의 화학조성은 일반적인 포틀랜드 시멘트와 유사한 것으로 조사되었으나, Al₂O₃ 및 강열감량이 다소 낮은 것으로 나타났다. SF 및 SP는 순수한 SiO₂에 가까운 화학조성을 보였으며, SB 4종은 SiO2, CaO 및 Na₂O를 주요 원소로 갖는 것으로 나타났다. 다만, SB 종류에 따른 화학조성의 차이는 미비한 것으로 조사되었다.
일반적인 포틀랜드 시멘트와 비교하여 C₃A 함량이 다소 낮은 것으로 조사되었으나, Table 1의 원소분석 결과에서 OPC에 함유된 Al₂O₃의 함량이 낮은 것과 일치하는 경량을 갖는 것으로 조사되었다. SP는 quartz(SiO2)와 소량의 cristobalite(SiO₂)로 구성되어 있는 것으로 나타났으며, SF는 quartz 및 cristobalite와 함께 moissanite(SiC) 를 소량 포함하고 있는 비정질(amorphous)인 것으로 나타났다. 4종의 SB는 결정상(crystalline phase)을 포함하지 않는 비정질로 구성된 것으로 나타났으며, SB 종류에 따른 광물상 조성의 차이는 없는 것으로 나타났다.
또한, 4종의 SB는 종류에 무관하게 비슷한 수준의 입도를 갖는 것으로 조사되었다. 각 재료들의 단위 중량은 OPC 3, 150kg/m3, SF 2, 200kg/m³, SP 2, 650kg/m³, SS 2, 648kg/m³, SB1 420kg/m3, SB2 460kg/m³, SB3 600kg/m³, SB4 600kg/m³, 두 종류의 LA는 1, 700kg/m³으로 나타났다. LA의 흡수율은 Kim et al.
7과 같이 시멘트 복합체의 함수율(moisture content)을 계산하였다. 경화된 시멘트 복합체의 함수율을 재령에 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 90℃에서 2일 고온 양생을 실시하는 경우 함수율은 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 재령일 증가 및 고온 양생으로 인해 시멘트 복합체 내부의 자유수가 수화반응에 참여한 것에 기인한다.
(2019)의 선행연구의 결과와 유사한 것이나 나타났다. 고온양생을 실시하는 경우 재령 28일 강도는 175.5MPa 수준으로 휨강도실험 결과와 유사하게 고온양생으로 인해 재령 28일 강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 증가폭은 약 27% 수준으로 휨강도의 증가폭 보다 큰 것으로 나타났다.
4에 휨강도 실험결과를 나타내었다. 기준배합의 경우 2 0℃에서만 양생하는 경우 재령 28일에 13.9MPa 수준의 휨 강도를 갖는 것으로 나타났으며, 2일간 90℃ 양생을 실시하는 경우 휨 강도가 16.0MPa 수준으로 고온양생으로 약 15% 정도의 강도가 증진되는 것으로 나타났다. SB를 포함하는 시편의 경우에도 2일간의 90℃ 양생으로 적게는 14.
사용한 SF 및 SP는 OPC보다 입도가 낮은 것으로 조사되었으며, 4종의 SB는 OPC보다 잎도가 높은 것으로 조사되었다. 또한, 4종의 SB는 종류에 무관하게 비슷한 수준의 입도를 갖는 것으로 조사되었다. 각 재료들의 단위 중량은 OPC 3, 150kg/m3, SF 2, 200kg/m³, SP 2, 650kg/m³, SS 2, 648kg/m³, SB1 420kg/m3, SB2 460kg/m³, SB3 600kg/m³, SB4 600kg/m³, 두 종류의 LA는 1, 700kg/m³으로 나타났다.
1에 나타내었다. 사용한 SF 및 SP는 OPC보다 입도가 낮은 것으로 조사되었으며, 4종의 SB는 OPC보다 잎도가 높은 것으로 조사되었다. 또한, 4종의 SB는 종류에 무관하게 비슷한 수준의 입도를 갖는 것으로 조사되었다.
7%의 조성을 갖고 있는 것으로 조사되었다. 일반적인 포틀랜드 시멘트와 비교하여 C₃A 함량이 다소 낮은 것으로 조사되었으나, Table 1의 원소분석 결과에서 OPC에 함유된 Al₂O₃의 함량이 낮은 것과 일치하는 경량을 갖는 것으로 조사되었다. SP는 quartz(SiO2)와 소량의 cristobalite(SiO₂)로 구성되어 있는 것으로 나타났으며, SF는 quartz 및 cristobalite와 함께 moissanite(SiC) 를 소량 포함하고 있는 비정질(amorphous)인 것으로 나타났다.

후속연구

6. 본 연구의 결과는 2,000kg/m³급 고강도 시멘트 복합체를 대상으로만 연구가 수행되어져 추후 2,000kg/m³ 이하의 밀도를 갖는 고강도 시멘트 복합체 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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