[논문]유공유리분말 혼입 고강도 콘크리트의 물성에 관한 실험적 연구

윤섭; 이한용; 서태석

doi:10.5345/jkibc.2020.20.4.313

[국내논문] 유공유리분말 혼입 고강도 콘크리트의 물성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Material Properties of High Strength Concrete with Hollow Glass Powder 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.20 no.4, 2020년, pp.313 - 319

윤섭 (R&D Center, Sampyo Industry) , 이한용 (R&D Center, Sampyo Industry) , 서태석 (Technology Research Center, Hyundai)

초록
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본 연구에서는 70MPa급 고강도 콘크리트에서 유공유리분말(HGP)의 적용성을 확인하기 위하여 HGP 사용량에 따라서 프레쉬 상태와 경화 상태의 물성을 검토하였고, 그 실험결과는 다음과 같다. 유동 특성은 HGP의 사용량이 증가할수록 슬럼프플로가 약간 증가하는 하는 것으로 나타났고 T₅₀₀은 HGP의 사용량이 증가할수록 약간 단축되었으며, 철근 통과성은 HGP의 볼베어링 효과로 인해 개선되는 것으로 나타났다. 특히 사용량 1.0kg/㎥에서 통과성 0등급으로 가장 양호한 철근통과성을 발휘하였다. 레올로지 특성으로는 HGP 1.0kg/㎥에서 소성점도가 Plain 대비 40% 정도 감소하여 HGP가 고강도 콘크리트의 소성점도를 낮추는 효과가 있는 것으로 확인되었다. 하지만 HGP 2.0kg/㎥에서는 1.0kg/㎥보다 오히려 소성점도가 크게 나타났다. 실험을 통하여 HGP가 고강도 콘크리트의 작업성 향상에 도움이 되는 것을 확인할 수 있었으며 사용량 1.0kg/㎥ 이 가장 적절한 것으로 판단된다. 또한 HGP가 콘크리트 압축강도에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, in order to confirm the applicability of Hollow Glass Powder(HGP) in 70MPa-class high strength concrete, the fresh and hardened states were examined according to the amount of HGP, and the results are as follows. The flow characteristics showed that the slump flow increased slightly as the amount of HGP was increased, and the T500 was slightly shortened as the amount of HGP was increased, and the rebar passing ability was improved due to the ball bearing effect of HGP. In particular, it showed the best rebar passing ability at a usage of 1.0kg/㎥. The use of HGP 1.0kg/㎥ resulted in a 40% reduction in plastic viscosity, but the viscosity increased at 2.0kg/㎥. Through experiments, it was confirmed that HGP was helpful in improving the workability of high-strength concrete, and the usage of 1.0kg/㎥ is considered to be the most appropriate. It was confirmed that HGP does not affect concrete compressive strength.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Experiment factors and tests
표 Table 2. Mix proportions of the concrete
표 Table 3. Physical properties of cement
표 Table 4. Physical properties of ground granulated blast furnace slag
표 Table 5. Physical properties of fly ash
그림 Figure 1. Hollow Glass Powder(HGP)
표 Table 6. Physical properties of aggregates
표 Table 7. Physical properties of hollow glass powder
그림 Figure 2. J-ring test
그림 Figure 3. Slump flow according to HGP
그림 Figure 4. T₅₀₀ according to HGP
그림 Figure 5. J-ring flow according to HGP
표 Table 8. Passing ability criteria(ASTM C 1610)
그림 Figure 6. J-ring flow and slump flow according to HGP
그림 Figure 7. V-lot according to HGP(0, 60min)
그림 Figure 8. Plastic viscosity according to HGP
그림 Figure 9. SEM
그림 Figure 10. Compressive strength according to HGP

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 70MPa급 고강도 콘크리트를 대상으로 한 HGP 콘크리트의 프레쉬 상태의 유동 특성과 레올로지 특성을 검토하였으며 압축강도도 검토하여 향후,HGP가 고강도 콘크리트 분야에 적용될 수 있는 기초 자료를 제공하자고 한다.
본 연구에서는 70MPa급 고강도 콘크리트에서 HGP의 적용성을 확인하기 위하여 HGP 사용량에 따라서 프레쉬 상태와 경화 상태를 검토하였고, 그 실험결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 고강도 콘크리트의 작업성 개선을 위하여 70MPa급 콘크리트를 대상으로 HGP의 사용량을 변화시켜 실험하였는데, 그 실험계획은 Table 1과 같고, 배합사항은Table 2와 같다.
콘크리트의 작업성 개선을 위한 기존 기술의 문제점을 보완하고 콘크리트의 작업성을 향상시키기 위해 40MPa 콘크리트를 대상으로 유공유리분말(이하, HGP)을 혼입하여 실험적 연구[3]를 수행하였다.

제안 방법

사용된 분체는 3종 조강 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말, 플라이애시의 3성분계를 사용하였다. HGP가 고강도 콘크리트에 미치는 영향을 분석하기 위하여 그 사용량을 0, 0.5, 1,2kg/m^₃ 변화시켜 총 4수준으로 실험계획하였다. 이때,HGP를 사용하지 않은 Plain의 목표 슬럼프플로는 650±50mm, 공기량은 3.
J-ring flow의 측정은 Figure2와 같이 ASTM C 1621에 의거하였다. Ring안에 슬럼프콘을 놓고 슬럼프플로 시험과 동일한 방법으로 수행하여 콘크리트의 흐름이 멈춘 후 2방향으로 지름을 측정하여 평균으로 하였다. 평가 방법은 슬럼프플로 값과 비교하여 그 차이가 Table 8(통과성 등급)에 표현된 것과 같이 25mm이하 이면 우수한 철근 통과성을 갖는 것으로 평가한다.
5%로 설정하였다. 감수제사용량은 Plain 배합에서 설정된 값을 전 배합에 동일하게 적용하여 HGP가 유동성, 재료분리 저항성, 레올로지 및 압축강도에 미치는 영향을 분석하도록 하였다.
그리고 작업성을 정량적으로 표현하기 위하여 레올로지 값 중 소정점도값을 측정하였다. 경화 콘크리트특성으로 압축강도를 재령 18시간, 7일, 28일에서 측정하도록 하였다.
, J-ring flow, V-lot를 측정하였다. 그리고 작업성을 정량적으로 표현하기 위하여 레올로지 값 중 소정점도값을 측정하였다. 경화 콘크리트특성으로 압축강도를 재령 18시간, 7일, 28일에서 측정하도록 하였다.
실험사항으로는 굳지 않은 콘크리트의 작업성을 평가하기 위하여 슬럼프플로, 공기량, T₅₀₀, J-ring flow, V-lot를 측정하였다. 그리고 작업성을 정량적으로 표현하기 위하여 레올로지 값 중 소정점도값을 측정하였다.
Rhetribo는 굳지 않은 콘크리트의항복응력과 소성점도를 측정할 수 있는 시험기기이다. 측정방법은 직경 286mm인 용기에 굳지 않은 콘크리트를300mm 높이까지 채운 후 시험 기기의 날개판(직경, 높이127mm)을 용기 중앙에 배치하고 콘크리트의 점도를 일정하게 유지하기 위해 약 20초 동안 0.5rev/s의 속도로 회전시킨 후 30초 동안 회전속도를 0.5rev/s에서 0.05rev/s까지 감소시켜가며 날개판에서 발생하는 비틀림 모멘트 값을 5초마다 총 7회 측정하며, 측정된 값을 직선 회귀하여 얻어지는 직선 기울기로부터 소성점도를 산출하였다.

대상 데이터

굵은 골재는 충북 제천 지역에서 생산되는 20mm 석회암 골재를 사용하였으며, 잔골재는 경기도 화성 지역의 부순 모래와 인천 지역의 세척사를 사용하였다. 각각의 물리적 특성은 Table 6과 같다.
본 연구에 사용한 시멘트는 국내 S사의 3종 조강 포틀랜드 시멘트를 사용하였는데, 그 물리적 특성은 Table 3과 같다. 또한 고로슬래그 미분말과 플라이애시는 국내 S사에서 생산된 것을 사용하였고 그 물리적 특성은 Table 4, Table 5와 같다.
먼저, 70MPa 고강도 콘크리트 배합은 단위수량 160kg/m³와 분체량 560kg/m³을 사용하였다. 사용된 분체는 3종 조강 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말, 플라이애시의 3성분계를 사용하였다.
본 연구에 사용된 고성능 감수제는 폴리카본산계의 저점성 고성능감수제를 사용하였고 밀도는 1.06g/cm³이다. AE제는 물로 10배 희석하여 사용하였다.
본 연구에 사용한 시멘트는 국내 S사의 3종 조강 포틀랜드 시멘트를 사용하였는데, 그 물리적 특성은 Table 3과 같다. 또한 고로슬래그 미분말과 플라이애시는 국내 S사에서 생산된 것을 사용하였고 그 물리적 특성은 Table 4, Table 5와 같다.
을 사용하였다. 사용된 분체는 3종 조강 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말, 플라이애시의 3성분계를 사용하였다. HGP가 고강도 콘크리트에 미치는 영향을 분석하기 위하여 그 사용량을 0, 0.

데이터처리

콘크리트의 철근 통과성을 평가하기 위하여 J-ring test를 실시하였다. 굳지 않은 콘크리트의 점성 및 재료분리저항성은 철근 통과성에 영향을 준다.

이론/모형

HGP의 철근 통과성 개선 성능을 평가하기 위하여 J-ringflow를 측정하였다(Figure 5). 일반적으로 J-ring flow 값을 판단하는 기준으로 슬럼프플로의 값과 비교하여 J-ring flow의 값 차이가 25mm 이하이면 통과성 0등급으로(ASTM C1610) 통과성 우수한 콘크리트로 판단할 수 있다.
V-lot는 KSCE 2003-03의 “깔대기를 사용한 유하 시험방법”에 따라 실시하였다.
굳지 않은 콘크리트의 레올로지 측정은 Biel사의 Rhetribo를 사용하여 측정하였다. Rhetribo는 굳지 않은 콘크리트의항복응력과 소성점도를 측정할 수 있는 시험기기이다.
슬럼프 플로는 KS F 2594에 따라 실험하였다. T₅₀₀은 굳지 않은 콘크리트의 점성을 간접적으로 표현할 수 있는 방법으로 슬럼프플로 측정 중 500mm 도달할 때의 시간을 측정하는 것이다.

성능/효과

φ100×200mm 원주형 공시체를 대상으로 상, 중, 하로 나누어 콘크리트 내부에 HGP를 SEM으로 촬영하였는데,HGP의 특성 상 밀도가 낮기 때문에 콘크리트 상부로 떠오르는 현상이 심하게 발생되지 않을까 하는 예상도 했으나,SEM 촬영 결과 HGP가 전반적으로 고르게 분포하고 있는 것으로 판단되었다.
1) HGP를 사용하지 않은 Plain의 경우 슬럼프 플로 660mm인데 반해 HGP 2kg/m³에서는 슬럼프플로40mm 늘어난 700mm로 측정되었다.
2) HGP를 사용할 경우, 철근 통과성이 개선되는 것을 확인할 수 있는데, 특히 HGP 1kg/m³에서 철근 통과성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
3) V-lot 테스트 결과 0분에서는 유하시간의 큰 차이는 없었으나 60분 경시 이후에는 HGP 사용량이 많아질수록 시간이 단축되는 것으로 나타났다.
4) HGP 1kg/m³까지 소성점도가 40% 정도 감소하기는 하였지만 2kg/m3에서는 다시 상승하는 것으로 나타났다.
5) 실험을 통하여 HGP가 고강도 콘크리트의 작업성 향상에 도움이 되는 것을 확인할 수 있었으며 HGP 사용량 1kg/m³가 가장 적절한 것으로 판단 된다.
6) SEM 촬영 결과 HGP 가 콘크리트 내부에 전반적으로 고르게 분포하고 있는 것으로 판단되었다.
7) HGP가 콘크리트 압축강도에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
콘크리트의 작업성 개선을 위한 기존 기술의 문제점을 보완하고 콘크리트의 작업성을 향상시키기 위해 40MPa 콘크리트를 대상으로 유공유리분말(이하, HGP)을 혼입하여 실험적 연구[3]를 수행하였다. 그 결과 HGP의 소량 투입(0.5~1.0kg/m3)으로 콘크리트의 점성이 감소하고 유동성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. HGP는 소다 라임보로실리케이트 유리(Soda-lime-borosilicate glass)로 만들어진 고강도, 저비중의 미세한 분말 형태의 물질로 작업성 향상에 도움이 되므로 (점성 감소, 유동성 증가) 다양한 분야(도막재료, 플라스틱 사출 등)에 광범위하게 활용되고 있는 재료이다.
V-lot 유하시간은 고유동 콘크리트의 점성과 관련되어 점성이 높아지면 시간이 길어지고 점성이 낮아지면 시간이 짧아지는 특징이 있다. 실험결과, 초기 0분에서는 HGP을 사용할 때, 약간 유하시간이 짧아지는 것으로 나타났지만 큰 차이는 보이지 않았다. 60분 경시 이후의 V-lot 값은 HGP 사용량이 많아질수록 유하시간이 단축되는 것으로 나타났다.
Figure 3은HGP 사용에 따른 슬럼프플로의 변화를 나타낸 것이다. 실험을 시작하기 전에 예상했던 대로 슬럼프플로는 HGP의사용량이 증가할수록 함께 증가하는 것으로 나타났다.HGP를 사용하지 않은 Plain의 경우 슬럼프플로 660mm인데 반해 HGP 2kg/m³에서는 슬럼프플로가 40mm 늘어난 700mm로 측정되었다.
레올로지 특성 중 항복응력은 슬럼프플로 650mm 이상에서 30Pa 이하로 낮게 측정되므로 본 연구에서는 언급하지 않기로 하였다. 연구를 시작하기 전에 예상하기로는 HGP의 특성상 그 사용량을 계속 증가시키면 소성점도가 지속적으로 낮아질 것으로 판단하였으나, 실험결과에서는 HGP 1kg/m³까지 소성점도가 낮아지고 이후 2kg/m³에서는 다시 상승하는 것으로 나타났다. 이러한 형상은 실리카흄에도 나타나는데, 실리카흄을 5% 이하 범위에서는 소성점도가 낮아지나, 이 이상 사용하면 소성점도가 오히려 상승하는 경향이 있다.
Figure 6을 보면 Plain의 경우 슬럼프플로와 J-ring flow의 차이가 30mm로 통과성 1등급으로 철근 통과성이 약간 부족한 것을 알 수 있다. 하지만 HGP를 사용할 경우, 철근 통과성이 개선되는 것을 확인할 수 있는데, 특히 HGP 1kg/m³에서10mm로 철근 통과성이 가장 우수한 것으로 판단된다. HGP의 철근 통과성 개선 효과는 구형의 미세분말로 굵은 골재간의 간섭을 줄이기 때문인 것으로 예상된다[5].

후속연구

또한 이러한 특성은 레미콘 공장에서 생산할 때와 현장 도착 후 점성차이가 발생하여 콘크리트펌프 압송을 예측하는데 어려움이 따른다. HGP를 사용하게 되면 경시 이후에 굳지 않은 콘크리트의 점성 변화가 적어 콘크리트 펌프 압송에서 발생할 수 있는 문제점(토출량, 토출압력 손실 등)[6]을 최소화 시키는 데 도움이 될 것으로 판단된다.
HGP를 사용하지 않은 Plain의 경우 슬럼프플로 660mm인데 반해 HGP 2kg/m³에서는 슬럼프플로가 40mm 늘어난 700mm로 측정되었다. 따라서 HGP는 고강도 콘크리트의 작업성(폄프압송 및 다짐) 향상에 도움이 될 것으로 판단되며, 또한 동일 슬럼프플로로 배합 설계 하게 되면 단위수량이 낮아지는 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 형상은 실리카흄에도 나타나는데, 실리카흄을 5% 이하 범위에서는 소성점도가 낮아지나, 이 이상 사용하면 소성점도가 오히려 상승하는 경향이 있다. 이러한 현상은 HGP를 일정량 이상 사용하였을 때는 HGP의 볼베어링 효과로 인해 점성이 낮아지지만 일정량 이상 사용하게 되면 콘크리트 안에 미세한 입자가 증가하고 이 입자가물과 흡착하는 현상을 나타내어 소성점도가 오히려 증가되는 것으로 추정되며 이 부분에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고강도 콘크리트가 높은 점성을 갖는 이유는?	고강도 콘크리트와 같이 높은 분체량을 갖는 콘크리트는 경제성 확보를 위해서 단위수량을 낮게 사용하여 이로 인해 굳지 않은 상태에서 높은 점성을 갖는다. 이러한 높은 점성은 콘크리트의 재료분리 저항성을 향상시켜주지만 반대로 펌프압송 시, 압송 장비의 부하를 높이고 콘크리트가 압송관을 통과할 때, 압송관의 내벽과 콘크리트간의 마찰을 향상시켜 압송 후 유동성 손실을 발생시켜 작업성 하락및 심하게는 압송관의 폐색까지 발생할 수 있다.
	HGP는 무엇인가?	0kg/m3)으로 콘크리트의 점성이 감소하고 유동성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. HGP는 소다 라임보로실리케이트 유리(Soda-lime-borosilicate glass)로 만들어진 고강도, 저비중의 미세한 분말 형태의 물질로 작업성 향상에 도움이 되므로 (점성 감소, 유동성 증가) 다양한 분야(도막재료, 플라스틱 사출 등)에 광범위하게 활용되고 있는 재료이다.
	콘크리트의 점성을 낮추는 방법에 대한연구는 어떤 문제를 해결하기 위함인가?	고강도 콘크리트와 같이 높은 분체량을 갖는 콘크리트는 경제성 확보를 위해서 단위수량을 낮게 사용하여 이로 인해 굳지 않은 상태에서 높은 점성을 갖는다. 이러한 높은 점성은 콘크리트의 재료분리 저항성을 향상시켜주지만 반대로 펌프압송 시, 압송 장비의 부하를 높이고 콘크리트가 압송관을 통과할 때, 압송관의 내벽과 콘크리트간의 마찰을 향상시켜 압송 후 유동성 손실을 발생시켜 작업성 하락및 심하게는 압송관의 폐색까지 발생할 수 있다.

참고문헌 (6)

Lee JS, Jang KP, Park CK, Kwon SH. Verification on effect of external injection of activation agent for lubrication layer through full-scale concrete pumping test. Journal of the korea Concrete Institute. 2018 Dec;30(6):649-55. https://doi.org/10.4334/JKCI.2018.30.6.649

상세보기
M Nehdi A, S Mindess A, PC Aitcin B. Rheology of high-performance concrete: Effect of ultrafine particles. Cement and Concrete Research. 1998;28(5):687-97. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(98)00022-2

상세보기
Yoon S, Han MC. Effect of hollow glass powder on the self-compacting concrete. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2018 Apr;18(2):141-9. https://doi.org/10.5345/JKIBC.2018.18.2.141
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Yoon S, Han MC. Effect analysis of mix designing factors on work ability and rheological parameters of self-compacting concrete. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2018 Apr;18(3):235-42. https://doi.org/10.5345/JKIBC.2018.18.3.235
Kim GD, Han CG. An experimental study on the concrete pumping technology of high performance concrete for the high-rise building construction. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2015 Aug;15(4):375-81. https://doi.org/10.5345/JKIBC.2015.15.4.375

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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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