[논문]삼각조성도를 통한 3성분계 무시멘트 콘크리트의 압축강도 특성 연구

정유진; 김영수

doi:10.11112/jksmi.2020.24.2.41

삼각조성도를 통한 3성분계 무시멘트 콘크리트의 압축강도 특성 연구
A Study on the Compressive Strength Properties of the Ternary Blended Non-Cement Concrete using Ternary Diagram 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.2, 2020년, pp.41 - 49

정유진 (부산대학교 대학원) , 김영수 (부산대학교 건축공학과)

초록
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상온에서 발생하는 1, 2성분계 무시멘트 콘크리트의 강도저하 문제를 개선하기 위해 시멘트를 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말로 치환한 3성분계 무시멘트 콘크리트의 슬럼프와 압축강도 특성을 통해 비교분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 3성분계 무시멘트 콘크리트는 2성분계에 비해 높은 압축강도를 나타냈으며 실리카 흄을 10% 혼입한 경우 슬럼프 감소가 적은 것으로 나타났다. 또한, 삼각조성도를 통해 슬럼프 및 압축강도 수준별 각 무기결합재의 적정 구성비율 범위를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To improve the problem of strength reduction of unary and binary blended non-cement concrete that occur at room temperature, comparative analysis was conducted based on the slump and compressive strength properties of ternary blended non-cement concrete in which cement was replaced with silica fume, fly ash, and blast furnace slag, and the following conclusions were drawn. The ternary blended non-cement concrete showed higher compressive strength than binary binder concrete, and the slump reduction was less when 10% silica fume was mixed. In addition, the appropriate composition ratio range of each by-product was suggested according to slump and compressive strength level based on ternary diagram.

주제어

표/그림 (17)

표 Table 2 Mixing design of concrete
표 Table 1 Experiment factor and assessment
표 Table 3 Physical properties of Aggregate
표 Table 4 Physical properties of binder
표 Table 5 Chemical composition of binder
표 Table 6 Physical properties of superplasticizer
표 Table 7 The result of slump and compressive strength
그림 Fig. 1 Slump of unary binder concrete
그림 Fig. 2 Slump of binary binder concrete with the BS replacement ratios
그림 Fig. 3 Slump of ternary binder concrete with the BS replacement ratios
그림 Fig. 4 Ternary diagram of slump
그림 Fig. 5 Compressive strength of unary binder concrete
그림 Fig. 6 Compressive strength of binary binder concrete
그림 Fig. 7 Compressive strength of ternary binder concrete with the BS replacement ratios
그림 Fig. 8 Maximum compressive strength
그림 Fig. 9 Compressive strength of binary and ternary binder concrete
그림 Fig. 10 Ternary diagram of compressive strength

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 사용한 3성분계 무시멘트 콘크리트에서 무기결합 재의 종류 및 구성비율에 따른 시너지 효과를 슬럼프와 압축강도 특성을 통해 분석하고, 3성분계 무시멘트 콘크리트의 배합에 관한 기초적 자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 시멘트를 무기결합재로 100% 치환한 1성분계, 2성분계, 3성분계 무시멘트 콘크리트에 대한 슬럼프와 압축강도 특성을 파악하고, 삼각조성도를 통해 슬럼프 및 재령 28일의 압축강도 수준별 각 무기결합재의 구성비율 범위를 제시한다.
본 연구에서는 이산화탄소 배출의 원인이 되는 시멘트를 3 가지 무기결합재로 100% 치환한 3성분계 무시멘트 콘크리트의 슬럼프와 압축강도 특성을 알아보았다. 또한, 슬럼프와 압축강도의 수준별 무기결합재의 구성비율 범위를 도출한 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

또한, 타설 후 24시간 동안 실내에서 대기양생 한 후 탈형하여 온도 20 ± 3℃로 유지하여 수중양생을 실시하였다.
본 연구의 비빔방법은 먼저 배합 24시간 전에 수산화나트륨과 규산나트륨 수용액을 혼합하였다. 배합 시, 결합재와 알칼리 활성화제를 콘크리트 믹서에 투입하여 2분간 혼합하였으며 그 후에 굵은 골재를 투입하여 3분간 저속비빔을 실시한 후 잔골재를 투입하여 3분간 고속비빔을 실시하였다. 배합 직후 모든 공시 체는 ø 100mm⨯200mm로 원주형 공시체를 제작하였다.
본 연구의 배합은 선행연구에 따라 알칼리 용액/결합재비를 50%로 설정하였으며 알칼리 활성화제는 규산나트륨수용 액과 수산화나트륨수용액을 1:1의 비율로 혼합하였다(Kim and Yang, 2018). 시멘트를 대체할 결합재로는 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 사용하였으며 2성분계와 3성분계에서 실리카 흄은 10, 20(%)로 혼입하여 배합하였다.
본 연구의 비빔방법은 먼저 배합 24시간 전에 수산화나트륨과 규산나트륨 수용액을 혼합하였다. 배합 시, 결합재와 알칼리 활성화제를 콘크리트 믹서에 투입하여 2분간 혼합하였으며 그 후에 굵은 골재를 투입하여 3분간 저속비빔을 실시한 후 잔골재를 투입하여 3분간 고속비빔을 실시하였다.
본 연구의 배합은 선행연구에 따라 알칼리 용액/결합재비를 50%로 설정하였으며 알칼리 활성화제는 규산나트륨수용 액과 수산화나트륨수용액을 1:1의 비율로 혼합하였다(Kim and Yang, 2018). 시멘트를 대체할 결합재로는 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 사용하였으며 2성분계와 3성분계에서 실리카 흄은 10, 20(%)로 혼입하여 배합하였다. 또한, 본 연구에서 사용된 배합수는 수산화나트륨 90kg/m³ 내에 존재하는 61.

대상 데이터

시멘트를 대체할 결합재로는 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 사용하였으며 2성분계와 3성분계에서 실리카 흄은 10, 20(%)로 혼입하여 배합하였다. 또한, 본 연구에서 사용된 배합수는 수산화나트륨 90kg/m³ 내에 존재하는 61.7kg/m³의 H₂O와 규산나트륨 90kg/m³ 내에 존재하는 56kg/m³의 H₂O가 사용되었다. 실험인자 및 평가항목과 배합설계는 Table 1, 2에서 나타내었다.
본 연구에서 사용된 굵은 골재의 최대 입경은 25 mm 이하의 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 5 mm 이하의 강모래를 사용하였다. 해당 골재의 물리적 특성은 Table 3과 같다.
본 연구에서 사용된 무기결합재는 이산화규소와 산화알루미늄이 함유되어있는 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 사용하였으며 각 결합재의 물리적 특성 및 화학적 구성은 Table 4, 5와 같다.
본 연구에서 사용된 알칼리 용액은 수산화나트륨 분말과 액상의 규산나트륨(물유리)을 사용하였다. 알칼리 활성화제는 규산나트륨(SiO₂ 28.
본 연구에서 사용된 알칼리 용액은 수산화나트륨 분말과 액상의 규산나트륨(물유리)을 사용하였다. 알칼리 활성화제는 규산나트륨(SiO₂ 28.8%, Na₂O 9.0%, H₂O 62.2%)과 순도 98%이상의 수산화나트륨 분말을 사용하였으며, 수산화나트륨 분말의 분자량을 통해 10M의 수산화나트륨 수용액을 제조하여 액상의 규산나트륨과 1 : 1 비율로 혼합하여 24시간 동안 균일하게 섞이도록 하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용한 고성능 감수제는 폴리카르본산 계를 사용하였으며, 고성능 감수제의 물리적 특성은 아래 Table 6 과 같다.

성능/효과

1) 3성분계 무시멘트 콘크리트의 슬럼프는 실리카 흄과 고로슬래그 미분말의 구성비율이 증가할수록 유동성이 감소하였으나 실리카 흄 10%를 혼입한 경우 큰 유동성 감소는 발생하지 않았다.
7MPa로 1성분계 중 가장 높은 압축강도를 나타냈다. 2 성분계의 경우 실리카 흄 10%, 고로슬래그 미분말 90%를 혼입한 경우 재령 28일에서 35.7MPa의 압축강도를 나타냈으며 1성분계의 최대 압축강도 대비 38.9% 증가하였다. 3성분계는 실리카 흄 10%, 플라이애시 40%, 고로슬래그 미분말 50%를혼입한 경우 재령 28일의 압축강도가 43.
2) 3성분계 무시멘트 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 고로슬래그 미분말의 혼입율이 50%일 경우 40MPa이상의 고강도를 나타냈으며, 고로슬래그 미분말을 60%이상 혼입할 경우 강도는 저하되었다.
3) 각 성분계의 압축강도를 비교한 결과, 재령 28일에서 2성분계 무시멘트 콘크리트의 최대 압축강도는 1성분계의 최대 압축강도 대비 38.9% 증가하였으나 3성분계의 최대 압축강도는 1성분계 대비 70.8% 증가하여 압축강도 증진율이 매우 높은 것을 알 수 있었다.
9% 증가하였다. 3성분계는 실리카 흄 10%, 플라이애시 40%, 고로슬래그 미분말 50%를혼입한 경우 재령 28일의 압축강도가 43.9MPa로 가장 높은 압축강도를 나타냈으며 1성분계의 최대 압축강도 대비 70.8% 증가하였다. 이를 통해 상온에서 양생할 경우 1성분계는 한가지 결합재의 다량 혼입으로 인해 반응성이 낮아 각 혼화재의 이온 용출을 촉진시키기 위해서는 고온양생이 필요하다고 판단된다.
4) 삼각조성도를 통해 슬럼프와 압축강도 수준별 적정 구성비율을 조사한 결과, 35MPa 이상의 압축강도는 실리카 흄 5~20%, 플라이애시 20~60%, 고로슬래그 미분말 30~60%의 범위에서 나타났다.
1성분계의 슬럼프는 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 흄 순으로 높은 값을 나타내었다. 고로슬래그 미분 말을 100% 치환한 경우 슬럼프는 120mm로 높은 값을 나타 내었으나, 실리카 흄을 100% 치환한 경우는 65mm로 슬럼프가 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.
이를 통해, 실리카 흄은 구성비율이 증가함에 따라 슬럼프는 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 고로슬래그 미분말은 구성비율과 관계없이 80mm이상의 슬럼프를 나타내었으며, 실리카 흄 0~20%, 플라이애시 60~100%, 고로슬래그 미분말 0~30%의 범위에서 혼입할 경우 슬럼프는 100mm보다 높은 값을 나타내는 청색구간에 위치해 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 3성분계는 재령 3일까지 2성분계와 비슷한 수준의 압축강도를 나타내었으나 재령 7일 이후 압축강도 발현율이 매우 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
1% 증가하여 강도 증진율이 매우 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 모든 시편에서 3성분계가 2성분계에 비해 높은 압축강도를 나타냈으며 이를 통해 실리카 흄의 강도 증진효과를 확인할 수 있었다. 이는 초미립자의 구형인 실리카 흄이 소량 혼입될 경우 실리카 흄의 높은 분말도에 의한 공극 충전효과로(Kim, 2013) 공극 감소에 따른 치밀한 구조를 가진 것이라 판단된다.
재령 28일의 압축강도가 35MPa 이상인 구간의 범위를 녹색 영역으로 나타내었으며 실리카 흄 5~20%, 플라이애시 20~60%, 고로슬래그 미분말 30~60% 범위에서 배합을 할 경우 재령 28일의 압축강도는 35MPa 이상으로, 2성분계보다 높은 압축강도를 발현할 것이라 판단된다. 또한, 삼각조성도를 통해 각 무기결합재가 적정 비율로 혼입될 경우 높은 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 무시멘트 콘크리트 배합시 목표 압축강도에 대한 무기결합재의 적절한 구성비율을 예측할 수 있다.
9MPa을 나타내었다. 또한, 실리카 흄 20%, 플라이애시 30%, 고로슬래그 미분말 50%를 혼입한 경우 압축강도는 40.3MPa로, 실리카 흄 10%를 혼입한 경우보다 3.6MPa 낮은 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
이는, 고로슬래그 미분말은 다른 결합재와 혼입될 경우 상온에서 알칼리 활성화제와의 반응성이 높아져 조기재 령에서부터 높은 압축강도를 나타내는 것으로 판단된다. 또한, 실리카 흄과 플라이애시를 혼입한 경우 플라이애시의 구성비율이 높을수록 압축강도는 낮게 나타났는데, 이는 상온에서 플라이애시의 Si, Al이온의 용출이 활발하지 않아 이에 따른 반응생성물이 감소로 인해 나타난 결과라 판단된다.
실리카 흄 10% 혼입시 고로슬래그 미분말의 구성비율에 따른 슬럼프의 범위는 90∼105mm로 플라이애시와 고로슬래그 미분말의 구성비율에 따른 슬럼프 변화가 상대적으로 적은 것을 알 수 있었다.
이를 통해 3성분계 무시멘트 콘크리트의 슬럼프는 실리카 흄과 고로슬래그 미분말의 구성비율이 증가할수록 유동성이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는, 실리카 흄의 높은 분말도 및 고로슬래그 미분말의 구성비율 증가에 따른 플라이애시 구성비율의 감소로, 볼베어링 영향이 감소하여 슬럼프가 감소한 것이라 판단된다.
이를 통해 3성분계 무시멘트 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 29.3~43.9MPa로, 모든 시편에서 1성분계의 최대 압축강 도인 25.7MPa보다 높게 나타났으며, 고로슬래그 미분말 혼입 비율 증가에 따라 압축강도는 증가하였다. 또한, 고로슬래그 미분말을 50% 혼입한 경우 재령 28일에서 40MPa 이상의 강도발현을 확인할 수 있었다.
이를 통해, 실리카 흄은 구성비율이 증가함에 따라 슬럼프는 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 고로슬래그 미분말은 구성비율과 관계없이 80mm이상의 슬럼프를 나타내었으며, 실리카 흄 0~20%, 플라이애시 60~100%, 고로슬래그 미분말 0~30%의 범위에서 혼입할 경우 슬럼프는 100mm보다 높은 값을 나타내는 청색구간에 위치해 있는 것을 알 수 있었다.
5에서 나타내었다. 재령 28일 압축강도는 각각 고로슬 래그 미분말 25.7MPa, 실리카 흄 23.1MPa, 플라이애시 15.5MPa로 나타났으며 1성분계 무시멘트 콘크리트의 압축 강도 결과를 통해 각 결합재와 알칼리 활성화제의 반응성을 파악할 수 있었다. 실리카 흄을 100% 치환한 경우 재령 3일의 압축강도는 17.
10은 무시멘트 콘크리트의 압축강도별 무기결합재의 구성비율을 삼각조성도에 나타낸 것이며 재령 28일에서의 압축강도를 구간별로 나타내었다. 재령 28일의 압축강도가 35MPa 이상인 구간의 범위를 녹색 영역으로 나타내었으며 실리카 흄 5~20%, 플라이애시 20~60%, 고로슬래그 미분말 30~60% 범위에서 배합을 할 경우 재령 28일의 압축강도는 35MPa 이상으로, 2성분계보다 높은 압축강도를 발현할 것이라 판단된다. 또한, 삼각조성도를 통해 각 무기결합재가 적정 비율로 혼입될 경우 높은 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 무시멘트 콘크리트 배합시 목표 압축강도에 대한 무기결합재의 적절한 구성비율을 예측할 수 있다.
9는 플라이애시와 고로슬래그 미분말이 혼입된 2성분 계에서 실리카 흄을 10% 추가 혼입하였을 경우 압축강도 변화를 나타내고 있다. 플라이애시 50%와 고로슬래그 미분말 50%을 혼입한 2성분계의 재령 28일 압축강도는 24.1MPa로나타났으며, 실리카 흄을 10% 추가 혼입한 3성분계의 경우 압축강도는 43.9MPa로 2성분계 대비 82.1% 증가하여 강도 증진율이 매우 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 모든 시편에서 3성분계가 2성분계에 비해 높은 압축강도를 나타냈으며 이를 통해 실리카 흄의 강도 증진효과를 확인할 수 있었다.
하지만 실리카 흄 20% 혼입시 슬럼프의 범위는 70∼100mm로 고로슬래그 미분말의 구성비율 증가에 따라 슬럼프가 저하되며 70% 혼입되 었을 때 슬럼프 값은 70mm로 고로슬래그 미분말 10% 대비 30mm 감소한 것을 알 수 있었다.

후속연구

또한, 본 연구는 건설현장에 주로 사용되는 3가지 무기결합재를 사용하였기 때문에 실리카 흄을 대체할 수 있는 레드머드와 메타카올린 등을 혼입한 3성분계 무시멘트 콘크리트 배합에 대한 연구의 수행이 필요하며, 다량 치환된 무기결합재의 화학적 특성에 의한 내구성 문제를 검토하기 위한 연구가 필요하다고 판단된다.
이상의 결과로부터 3성분계 무시멘트 콘크리트는 각 성분계의 비교분석을 통해 상온에서 1, 2 성분계보다 높은 압축강도를 나타낸다는 결론을 얻었으며, 삼각조성도를 통해 압축 강도와 슬럼프에 대한 혼입비율을 결정하는 지표로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무시멘트 콘크리트의 무기결합재 종류 및 특징?	무시멘트 콘크리트는 무기결합재의 종류, 알칼리 활성화제의 혼합방법, 양생온도에 따라 특성이 크게 달라진다. 기존 연구에 따르면 무시멘트 콘크리트의 무기결합재로는 왕겨재, 실리카 흄, 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 시멘트 킬른 더스트 등이 사용되고 있으며 무기결합재의 종류에 따라 기초적 특성이 크게 달라진다(Kwon, 2013). 또한, 알칼리 활성화제는 수산화나트륨과 규산나트륨을 1:1의 비율로 혼합하게 될 경우 높은 슬럼프와 압축강도를 나타냈으며(Kim and Yang, 2018), 무시멘트 콘크리트는 양생온도가 높을수록 강도가 증진되지만 상온양생에서는 강도발현이 저하되는 것으로 나타났다(Ryu et al.
	무시멘트 콘크리트의 특징은?	무시멘트 콘크리트는 무기결합재의 종류, 알칼리 활성화제의 혼합방법, 양생온도에 따라 특성이 크게 달라진다. 기존 연구에 따르면 무시멘트 콘크리트의 무기결합재로는 왕겨재, 실리카 흄, 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 시멘트 킬른 더스트 등이 사용되고 있으며 무기결합재의 종류에 따라 기초적 특성이 크게 달라진다(Kwon, 2013).
	한가지 결합재의 다량혼입으로 인한 초기강도 저하 및 응결 지연문제를 어떻게 해결할 수 있나?	이러한 문제점을 개선하기 위해 초기강도가 낮고 장기강도가 높은 플라이애시, 고로슬래그 미분말과 초기강도발현이 우수한 실리카 흄을 혼입한다면, 특성이 다른 각 무기결합재의 장점을 극대화시켜 시너지효과가 나타날 것이라 예상된다. 그러나 무기결합재의 종류 및 구성비율에 따라 특성이 크게 달라지므로 각 무기결합재의 특성을 파악하고 적절한 비율로 혼입하여야 한다.

참고문헌 (9)

Kim, S. H. and Kim, Y. S. (2016), A Study on the Alkali-Silica Reaction of Binary Blended Geopolymer Mortar, Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, 32(6), 43-46.
Kwon, Y. H. (2013), A Study on Fundamental Properties of Alkali-activated Cement free Concrete using Industrial by-product, Dongyang University master's thesis, 45-80.
Kim, H. J., and Yang, J. G. (2018), A Study on Early Age Strengths of Geopolymer Mortar with Alkali-Activator Mixing Rate, Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference, 30(1), 569-570.
Ryo, G. S., Koh, K. T., Lee, J. H. (2013), Strength Development and Durability of Geopolymer Mortar Using the Combined Fly ash and Blast-Furnace Slag, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 1(1), 35.

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Lee, S. K. (2014), A Study on the Strength Properties of Binary Blended Geopolymer Concrete with Red-mud, Pusan National University master's thesis, 1-52.
Rangan, B. V. (2008), Fly ash-based geopolymer concrete, Curtin University of Technology, 7.
Ahn, K. H. (2017), Optimal Mix Proportions and Characteristics of Alkali-Activated Geopolymer Mortar and Concrete Cured in Ordinary Temperature, Inha University doctorate thesis, 48.
Kim, J. H.,(2017), A Study on the Effects of Crystalline Change of FA-BFS System Geopolymer Ceramics to Thermal Properties, Kangwon National University dotorate thesis, 16.
Kim, T. W.,(2013), Influence of Silica Fume on Strength Properties of Alkali-Activated Slag Mortar, Journal of Korea Concrete Institute, 25(3), 308.

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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