[논문]고 흡수성 폴리머를 혼입한 콘크리트의 압축 강도 및 동결융해 저항성 평가

김일순; 최소영; 양은익

doi:10.11112/jksmi.2020.24.5.86

고 흡수성 폴리머를 혼입한 콘크리트의 압축 강도 및 동결융해 저항성 평가
Evaluation of Compressive Strength and Freeze-thaw Resistance Properties of Concrete using Superabsorbent Polymer 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.5, 2020년, pp.86 - 94

김일순 (강릉원주대학교 토목공학과) , 최소영 (강릉원주대학교 방재연구소) , 양은익 (강릉원주대학교 토목공학과)

초록
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고 흡수성 폴리머(SAP)가 콘크리트에 혼입되면 슬럼프가 급격하게 감소하여 시공성이 저하되며, 수분 흡수·방출 과정으로 내부 양생 효과를 얻을 수 있고, 콘크리트의 내부 공극을 증가시킨다. 본 연구에서는 감수제를 사용하여 시공성을 확보한 SAP 혼입 콘크리트의 압축강도 및 동결융해 저항성, 염화물 침투 저항성을 평가하여 내부 양생과 공극의 영향을 평가하였다. 또한 콘크리트의 양생 조건을 수중 양생과 봉함 양생으로 구분하여 SAP의 내부 양생 효과를 평가하였다. 실험 결과, SAP 혼입율이 증가할수록 감수제 사용량은 증가하였으며, 압축강도는 SAP 혼입율 1.5%가 가장 큰 압축강도를 나타냈다. 특히, 봉함 양생의 경우 수중 양생보다 큰 압축강도를 나타냈으며, 유효 물-시멘트 비 감소와 내부 양생 효과에 의해 압축강도가 증가한 것으로 판단된다. SAP를 1.0~1.5% 혼입하면 AE제를 혼입한 경우와 유사하게 동결융해 저항성이 개선되었으며, SAP를 1.0% 이상 사용하면 염화물 침투 저항성이 개선되었다. 최적의 SAP 혼입율은 1.5%이며, 2.0% 이상의 혼입율은 압축강도 및 동결융해 저항성에 악영향을 준다.

Abstract ▼ AI-Helper

When the Superabsorbent Polymer (SAP) is added into concrete, the slump decreases rapidly, deteriorating the workability, the internal curing effect can be obtained through the water absorption and discharge process, and the internal voids of the concrete are increased. In this study, the effects of internal curing and voids were evaluated by evaluating the compressive strength, freeze-thaw resistance, and chloride penetration resistance of SAP-adding concrete that secured workability using a water reducing agent. Also, the internal curing effect of SAP was evaluated by dividing the curing conditions of concrete into water curing and sealed curing. From the result, as the SAP adding ratio increased, the amount of water reducing agent increased, and as for the compressive strength, the SAP adding ratio of 1.5% showed the greatest compressive strength. In particular, in the case of sealed curing showed higher compressive strength than the water curing. It is considered that the compressive strength increased due to the reduction of the effective water-cement ratio and the internal curing effect. Adding 1.0~1.5% of SAP improved the freeze-thaw resistance similar to the case of adding the AE agent, and the addition of more than 1.0% of SAP improved the chloride penetration resistance. The optimal adding ratio of SAP is 1.5%, and the adding ratio of 2.0% or more adversely affects the compressive strength and freeze-thaw resistance.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Research Framework
표 Table 1 Test variables
표 Table 2 Mix proportions of concrete
그림 Fig. 2 Superabsorbent polymer (Atypical)
표 Table 3 Water absorptivity of the SAP
표 Table 4 Physical and chemical properties of the cement
표 Table 5 Physical properties of the aggregate
그림 Fig. 3 Dynamic youngs modulus meter
그림 Fig. 4 Chloride penetration resistance test (NT-Build 492)
그림 Fig. 5 Results of slump test
표 Table 6 Slump value according to adding of W.R.A
그림 Fig. 6 Results of compressive strength
그림 Fig. 7 Relative dynamic modulus of elasticity (W/C 40%)
표 Table 7 Weight change ratio (Water curing, %)
표 Table 8 Weight change ratio (Sealed curing, %)
그림 Fig. 8 Relative dynamic modulus of elasticity (W/C 50%)
그림 Fig. 9 Results of diffusion coefficient

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SAP를 혼입한 콘크리트의 동결융해 저항성을 평가하였다. 동결융해 저항성 시험은 KS F 2456(급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법) 기준에 준하여 실시하였으며, ∅100×200㎜ 크기의 실린더 시험체를 각 양생 방법에 따라 재령 14일간 양생 후 수행하였다.
본 연구에서는 SAP의 혼입에 따른 콘크리트의 특성을 평가하기 위해 슬럼프, 압축강도, 동결융해 저항성, 염화물 침투 저항성 시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 SAP는 비정형(Atypical)이며, 사용된 물-시멘트 비는 40, 50%이다.
본 연구에서는 SAP의 혼입율에 따른 염화물 침투 저항성을 평가하기 위해 급속 염화물 침투시험을 실시하였다. 급속염화물 침투시험은 NT Build 492 기준에 따라 수행하였으며, ∅100×200㎜ 크기의 콘크리트 시험체를 각 양생 방법에 따라 재령 28일간 양생한 후 두께 50±2㎜ 크기로 절단하여 사용하였다.
콘크리트의 양생은 수중 양생과 봉함 양생으로 구분하여 실시하였으며, 봉함 양생은 SAP의 내부 양생 효과에 의한 영향을 평가하기 위해 실시하였다. 수중 양생은 탈형 후 항온수조(20±3℃, RH 100%)에 침지하여 수행하였으며, 봉함 양생은 탈형 후 비닐소재로 밀봉하고 항온 항습실(20±3℃, RH 60%)에 보관하여 외부와 수분이동이 최대한 차단되도록 하였다.

제안 방법

SAP를 혼입한 굳지 않은 콘크리트의 특성을 평가하기 위해 슬럼프를 측정하였다. 슬럼프는 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프 시험방법) 기준에 따라 실시하였으며, SAP의 시간에 따른 흡수력에 대한 영향을 최소화하기 위해 슬럼프는 배합 후 동일한 시간에 측정하였다.
시험체를 이용하여 측정하였다. 각각의 양생 방법(수중 & 봉함 양생)에 따라 재령 28일간 양생한 후 만능재료 시험기 (UTM)를 사용하여 측정하였고, 시험체 3개의 평균 값을 사용하였다.
감수제를 사용하여 시공성을 확보한 SAP 혼입 콘크리트를 제작하였으며, 이에 따른 콘크리트의 특성 평가의 결론은 다음과 같다.
, 2020) 에서는 대부분 SAP의 혼입율에 따른 흡수력만큼 배합수를 추가하여 실험을 진행하고 있다. 그러나 본 연구에서는 시공성 확보를 위해 추가 배합수를 사용하지 않고 감수제를 사용하였다. 목표 슬럼프(120~180㎜)를 설정하고 모든 배합이 목표 슬럼프에 도달하도록 SAP 혼입율에 따라 감수제 사용량을 증가시켰다.
이 때, 동결융해시험은 B방법(기중 급속 동결 후 수중 융해 시험방법)으로 수행하였다. 동결융해 작용을 받은 시험체의 질량 변화와 상대동 탄성계수를 100, 200, 300 cycle 에 각각 측정하였다. 사용된 동 탄성계수 측정기를 Fig.
9% 이하는 콘크리트의 내구성 개선에 큰 효과가 없었다. 따라서 본 연구에서는 SAP의 혼입율을 0(Ref.), 1.0, 1.5, 2.0%로 결정하였으며, SAP를 혼입하지 않고 AE제를 혼입한 변수를 추가하였다. 이 때, SAP를 혼입하지 않은 배합을 기준 배합(Ref.
따라서 본 연구에서는 SAP의 혼입으로 인한 급격한 시공성 감소를 막기 위해 감수제를 사용하였고, SAP과 AE제를 각각 혼입한 콘크리트의 시공성 및 압축강도, 동결융해 저항성, 염화물 침투 저항성 평가를 실시하여 내부 양생 효과와 SAP 공극에 의한 영향을 평가하였다. 이 때, 내부 양생 효과를 평가하기 위한 양생 조건으로 수중 양생과 봉함 양생을 구분하여 실시하였다.
그러나 본 연구에서는 시공성 확보를 위해 추가 배합수를 사용하지 않고 감수제를 사용하였다. 목표 슬럼프(120~180㎜)를 설정하고 모든 배합이 목표 슬럼프에 도달하도록 SAP 혼입율에 따라 감수제 사용량을 증가시켰다.
평가하기 위해 실시하였다. 수중 양생은 탈형 후 항온수조(20±3℃, RH 100%)에 침지하여 수행하였으며, 봉함 양생은 탈형 후 비닐소재로 밀봉하고 항온 항습실(20±3℃, RH 60%)에 보관하여 외부와 수분이동이 최대한 차단되도록 하였다. 실험에 사용된 변수와 배합표를 각각 Table 1와 Table 2에 나타내었다.
의한 영향을 평가하였다. 이 때, 내부 양생 효과를 평가하기 위한 양생 조건으로 수중 양생과 봉함 양생을 구분하여 실시하였다. 연구 진행 개요는 Fig.
급속염화물 침투시험은 NT Build 492 기준에 따라 수행하였으며, ∅100×200㎜ 크기의 콘크리트 시험체를 각 양생 방법에 따라 재령 28일간 양생한 후 두께 50±2㎜ 크기로 절단하여 사용하였다. 이 때, 절단된 시험체는 내부 수분 상태에 따른 순간 흡수를 막기 위해 24시간 이상 수중 침지 후 염화물 침투 시험을 실시하였다. 시험체의 양극부(+)에는 0.

대상 데이터

5201)를 사용하였으며, 시멘트의 물리적, 화학적 특성을 Table 4에 나타내었다. 굵은 골재는 최대 치수 19㎜의 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 최대 치수가 5㎜인 모래를 사용하였다. 사용된 골재의 물리적 특성을 Table 5에 나타내었다.
본 연구에 사용된 SAP는 국내의 T사를 통해 유통되는 아크릴산(Acrylic acid)계 제품으로 비정형(Atypical)이다. SAP는 제조 방법에 따라 형태가 결정되는데 비정형은 겔 중합법에 의해 큰 덩어리로 제조되어 파쇄한 후 원하는 입도에 맞게 사용하는 제품이다.
시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 SAP는 비정형(Atypical)이며, 사용된 물-시멘트 비는 40, 50%이다. 이전 연구(Lee et al.
SAP는 제조 방법에 따라 형태가 결정되는데 비정형은 겔 중합법에 의해 큰 덩어리로 제조되어 파쇄한 후 원하는 입도에 맞게 사용하는 제품이다. 본 연구에 사용된 SAP는 입자 크기가 38~100㎛ 이며, 사용된 SAP를 Fig. 2에 나타내었다.
본 연구에 사용된 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(KS 1.5201)를 사용하였으며, 시멘트의 물리적, 화학적 특성을 Table 4에 나타내었다. 굵은 골재는 최대 치수 19㎜의 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 최대 치수가 5㎜인 모래를 사용하였다.
본 연구에 사용된 혼화제는 국내 R사의 제품인 AE제와 감수제(W.R.A)를 사용하였으며, 감수제는 폴리카본산계를 사용하였다.

이론/모형

3N 수산화나트륨 (NaOH) 수용액을, 음극부(-)에는 3% 염화나트륨 (NaCl) 수용액을 넣고 8시간 동안 30V의 전압을 가하였다. 급속 염화물 침투시험이 완료된 시험체는 할렬하여 질산은 변색법을 통해 염화물 침투 깊이를 측정하였고, NT Build 492에 제시된 염화물 확산계수 식을 이용하여 염화물 확산계수를 산정하였다.
급속염화물 침투시험은 NT Build 492 기준에 따라 수행하였으며, ∅100×200㎜ 크기의 콘크리트 시험체를 각 양생 방법에 따라 재령 28일간 양생한 후 두께 50±2㎜ 크기로 절단하여 사용하였다. 이 때, 절단된 시험체는 내부 수분 상태에 따른 순간 흡수를 막기 위해 24시간 이상 수중 침지 후 염화물 침투 시험을 실시하였다.
평가하였다. 동결융해 저항성 시험은 KS F 2456(급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법) 기준에 준하여 실시하였으며, ∅100×200㎜ 크기의 실린더 시험체를 각 양생 방법에 따라 재령 14일간 양생 후 수행하였다. 이 때, 동결융해시험은 B방법(기중 급속 동결 후 수중 융해 시험방법)으로 수행하였다.
본 연구에서 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법) 기준에 따라 ∅100×200㎜ 크기의 실린더 시험체를 이용하여 측정하였다. 각각의 양생 방법(수중 & 봉함 양생)에 따라 재령 28일간 양생한 후 만능재료 시험기 (UTM)를 사용하여 측정하였고, 시험체 3개의 평균 값을 사용하였다.
슬럼프를 측정하였다. 슬럼프는 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프 시험방법) 기준에 따라 실시하였으며, SAP의 시간에 따른 흡수력에 대한 영향을 최소화하기 위해 슬럼프는 배합 후 동일한 시간에 측정하였다.
동결융해 저항성 시험은 KS F 2456(급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법) 기준에 준하여 실시하였으며, ∅100×200㎜ 크기의 실린더 시험체를 각 양생 방법에 따라 재령 14일간 양생 후 수행하였다. 이 때, 동결융해시험은 B방법(기중 급속 동결 후 수중 융해 시험방법)으로 수행하였다. 동결융해 작용을 받은 시험체의 질량 변화와 상대동 탄성계수를 100, 200, 300 cycle 에 각각 측정하였다.

성능/효과

1. SAP 혼입율이 증가할수록 시공성 확보를 위한 감수제 사용량은 증가하였으며, 시공성 확보가 가능한 SAP의 최대 혼입율은 1.5% 이하이다.
2. 수중 양생의 압축강도는 SAP 혼입율 1.5%가 가장 큰 압축강도를 나타냈다. 이는 유효 물-시멘트 비 감소에 의한 강도 증가가 SAP 공극 증가로 인한 강도 감소보다 지배적으로 작용하여 강도가 증가한 것으로 판단된다.
3. 봉함 양생의 압축강도는 SAP 혼입율 1.5%가 가장 큰 압축강도를 나타냈으며, 특히 1.5% 이상의 SAP 혼입은 수중 양생보다 큰 압축강도를 나타냈다. 이는 유효 물-시멘트 비 감소와 내부 양생 효과에 의해 압축강도가 증가한 것으로 판단된다.
4. 동결융해 저항성 측정 결과, SAP를 1.0~1.5% 혼입하면 AE제를 혼입한 경우와 유사하게 동결융해 저항성이 개선되었다. SAP이 콘크리트 내부에서 공극을 형성하고, 이 공극이 연행공기 역할을 하여 동결융해 저항성을 개선시킨 것으로 판단된다.
5. 염화물 침투 저항성 측정 결과, SAP이 혼입되면 기준 배합보다 확산계수가 감소하였다. SAP의 내부 양생 효과에 의해 내부 조직이 치밀화되어 염화물 침투 저항성이 개선되는 것으로 판단된다.
봉함 양생의 경우(Fig. 6(a)), SAP 혼입율 1.5%가 가장 큰 압축강도를 나타냈으며, SAP를 1.0% 이상 혼입시에는 봉함 양생이 수중 양생보다 높은 압축강도를 나타냈다. 특히 SAP 혼입율 1.
상대 동 탄성 계수는 물-시멘트 비에 관계없이 유사한 경향을 나타냈으며, 양생 조건에 관계없이 300 cycle 후의 상대 동 탄성계수는 모두 92% 이상으로 나타나 콘크리트의 내구성 지수는 양호한 것으로 나타났다. SAP 혼입율 1.0, 1.5%와 AE제를 혼입한 경우의 상대 동 탄성계수가 상대적으로 높게 나타났으며, 기준 배합 (Ref.)과 SAP 혼입율 2.0%가 낮은 상대 동 탄성계수를 나타냈다. SAP를 1.
5%는 유효 물-시멘트 비 감소에 따른 강도 증가가 지배적으로 작용하여 압축강도가 가장 크게 나타난 것으로 판단할 수 있다. SAP 혼입율 2.0%는 1.5%보다 압축강도가 감소하였는데, 유효 물-시멘트 비보다 SAP 공극의 영향이 크게 작용한 것으로 판단된다. 따라서 압축강도를 기준으로 한 수중 양생의 SAP 최대 혼입율은 1.
기존 연구(Jensen, 2013)에서 물-시멘트비 45% 이상에서는 내부 양생 효과에 의한 영향이 미비하여 공극에 의한 콘크리트 강도 감소가 지배적이고, 물-시멘트 비 45% 이하에서 강도 증진을 기대할 수 있다고 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서도 물-시멘트 비 40%에서 SAP의 내부 양생 효과에 의한 강도 증가가 더 크게 나타났다.
)보다 낮은 확산계수를 나타내었다. 또한, 봉함 양생이 수중 양생보다 낮은 확산계수를 나타내 SAP에 의한 내부 양생 효과가 크게 작용한 것으로 판단된다. SAP의 혼입은 내부 양생 효과로 콘크리트 내부 조직을 치밀화하고 수밀성을 개선시켜 염화물 침투 저항성을 증가시킨 것으로 판단된다.
조건에 따라 Table 7~8에 나타내었다. 먼저, 수중 양생 콘크리트 시험체의 질량 변화율(Table 7)을 보면, 물-시멘트비에 관계없이 동결융해 주기가 증가할수록 질량이 감소하였으며, 물-시멘트 비가 높을수록 질량이 더 크게 감소하는 경향을 나타냈다. 물-시멘트 비가 높으면 상대적으로 압축강도 및 내구성이 저하되어 동결융해에 의해 질량이 더 크게 감소하는 것으로 판단된다.
본연구에서는 SAP 혼입율이 증가할수록 감수제 사용량이 증가하였다. 유사한 슬럼프를 얻기 위한 감수제의 사용량은 SAP 혼입율 1.
7~8에 나타내었다. 상대 동 탄성 계수는 물-시멘트 비에 관계없이 유사한 경향을 나타냈으며, 양생 조건에 관계없이 300 cycle 후의 상대 동 탄성계수는 모두 92% 이상으로 나타나 콘크리트의 내구성 지수는 양호한 것으로 나타났다. SAP 혼입율 1.
5에 나타내었다. 실험 결과, 모든 배합은 본 연구에서 설정한 목표 슬럼프(120~180㎜)에 도달하였으며, 물-시멘트 비에 따라 유사한 슬럼프 값을 나타내었다. 이는 목표 슬럼프에 도달하도록 배합별로 감수제를 다르게 사용하였기에 당연한 결과이다.
본연구에서는 SAP 혼입율이 증가할수록 감수제 사용량이 증가하였다. 유사한 슬럼프를 얻기 위한 감수제의 사용량은 SAP 혼입율 1.5%까지 선형적으로 증가하는 경향을 나타냈다. SAP 혼입율이 0.
5% 보다 낮은 압축강도를 나타냈다. 혼입율이 증가하면 내부 양생 효과가 증가하지만 SAP 공극 또한 증가하게 되므로, SAP를 2.0% 이상 혼입하면 SAP 공극의 영향이 더 지배적으로 작용하여 압축강도가 감소하는 것으로 판단된다. 따라서 봉함 양생의 경우, 압축강도 증가에 최적의 혼입율은 1.

후속연구

반면, SAP의 혼입으로 형성되는 공극(이하 SAP 공극)은 공극의 크기를 조절할 수 있고 내부 양생 효과로 강도를 증가시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한, SAP 공극이 연행 공기와 유사한 역할을 하여 콘크리트의 동결융해 저항성을개선시킬 가능성도 기대할 수 있다. 기존 연구에서 SAP를 혼입한 콘크리트의 표면 스케일링 시험 결과 동결 저항성이 개선된다고 보고되고 있다(Mönnig et al.

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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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