1. 서론
콘크리트 건축물에 발생하는 균열은 대기 중의 탄산가스 또는 산성비 등이 침투하게 되는 통로로 작용하여 철근을 감싸고 있는 콘크리트의 부동태피막을 파괴하여 철근의 부식으로 인한 단면을 감소시킨다. 이는 결국에 하중을 받을 수 있는 내력을 저하시킴으로써 건축물의 안전성 및 수명에 직접적으로 영향을 끼치는 주요 하자의 원인으로 작용하게 된다.
이러한 콘크리트 건축물의 성능 저하 원인인 균열을 방지하기 위하여 현재까지 여러 가지 방법을 시도·적용되고 있는데, 수축량을 예측하여 초기 사전 팽창성을 부여함으로써 건조수축 보상을 실시하는 방법과 콘크리트의 단위 수량을 감소하여 건조수축량을 최소화하는 방법이 대표적이라 할 수 있다(Mehta and Monteiro 2006). 또한 최근에는 균열 발생 후 특정한 환경 조건을 부여할 경우 균열을 스스로 치유하는 자기치유 콘크리트의 연구도 선진외국을 중심으로 활발하게 이루어지고 있다(Jonkers et al 2010; Ahn and Kishi 2010).
이에 본 연구에서는 콘크리트 건축물에서의 균열발생을 저감하기 위하여 초기 건조수축 균열을 억제하고, 추가적으로 이미 발생된 균열이 스스로 균열을 복구할 수 있는 무수축 및 자기치유성이 부여된 콘크리트 배합을 제안하고 그 성능을 검증하고자 하였다.
이를 위하여, 무기계인 개질 CaO계 및 CSA계를 혼합한 균열 자기치유형 팽창재를 활용한 콘크리트 배합을 제시하였다. 무기계의 팽창반응은 Fig. 1.에서 나타낸 바와 같이 물과 무기계가 만나서 무기물질을 생성하는 과정에서 나타나는 데, 콘크리트에 추가적으로 투입된 경우, 콘크리트의 경화중에 발생되는 팽창 반응보다 먼저 발생함으로써 사전 팽창에 따른 건조수축이 억제되도록 작용된다. 또한 균열의 자기치유성능은 대기중인 이산화탄소와 콘크리트의 무기계 성분이 결합하여 석회성분이 석출하는 현상을 이용하여 부여하고자 하였다.
아울러, 본 연구에서 제시한 무수축 및 자기치유성이 부여된 콘크리트의 상용화 가능성을 확인하고자 기존의 상용화 제품인 일본의 무기계 팽창재를 활용한 콘크리트 시험체를 제작하여 성능을 비교·검증하였다.
2. 실험
콘크리트 건조수축 저감과 발생된 균열의 회복 성능을 확인하고자 1차적으로 시멘트 복합체를 제조하고 일정량의 시멘트를 대체한 모르타르를 대상으로 기본적인 물성을 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 팽창재는 기존의 CaO계 팽창재가 물과반응하여 수산화칼슘을 형성하는 원리와 CSA계 팽창재가 에트린자이트(ettringite)를 생성하는 재료의 반응성을 조절하여 1차적으로 안정적인 수화반응을 하고, 추가적으로 벤토나이트의 흡습조건에서의 수화반응을 유도할 수 있도록 고안되었다. 이를 위하여 석회계, 알루미나계 및 석고계 원료를 이용, 소성하여 CaO–3CaO·3Al2O3·CaSO4-CaSO4계 클링커를 제조한 후, 벤토나이트와 혼합 분쇄하여 팽창성능과 자기치유 성능을 가지도록 배합하였다.
아울러 본 연구에서 제안하는 배합의 향후 상용화 가능성을 확인하고자 일본에서 상용화중인 무기계 팽창재를 활용한 모르타르 및 콘크리트를 제조하여 각각의 성능을 비교·평가 하였다.
2.1 사용재료
본 실험에 사용한 포틀랜드 시멘트(이하, OPC로 표기)는 Table 1.과 같은 물리적 특성을 가진 국내 D사의 제품을 사용하였다. 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에서 규정하는 3종의 제품을 사용하였으며 물성은 Table 2.와 같다. 플라이 애시는 KS L 5405에 의거 1종의 제품을 사용하였고 Table 3.에 물성을 정리하였다.
Table 1
Properties of the Portland Cement.
| Density (g/cm3) | Fineness of Powder (cm2/g) | Setting Time(min.) | Compressive strength(MPa) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Initial | Final | 3days | 7days | 28days | ||
| 3.15 | 3.49 | 200 | 336 | 21.0 | 29.5 | 39.4 |
Table 2
Properties of the Blast Furnace Slag.
| Density (g/cm3) | Specific Surface Area (cm2/g) | Base (pH) | Contents of Chemical Component(wt%) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| MgO | SO3 | Cl | ig-loss | |||
| 2.92 | 4,432 | 1.92 | 6.23 | 1.49 | 0.002 | 0.88 |
Table 3
Properties of the Fly Ash.
| Density (g/cm3) | Specific Surface Area (cm2/g) | Contents of Chemical Component(wt%) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO2 | Fe2O3 | AL2O3 | TiO3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 | ||
| 2.42 | 2,653 | 50.8 | 6.2 | 18.3 | 0.47 | 8.1 | 2.2 | 1.6 | 1.1 | 0.8 |
본 연구에서 개발한 무수축 및 자기치유성이 부여된 팽창재와 성능 비교를 위한 2종의 일본 상용 팽창재 제품의 물리적 특성 및 화학 성분의 분포는 Table 4.와 같다. 여기서, 본 연구에서 개발한 팽창재는 T로 분류하였으며, 일본 상용화 제품 팽창재 2가지는 각각 제조회사의 이니셜을 적용하여 각각 D와 H로 표기하였으며 시험체 배합에서도 팽창재 종류를 구분하기 위하여 기 표기방식에 따라 구분하여 나타내었다.
Table 4
Properties of the Developed and Commercial Expansion Agent.
2.2 실험배합
2.2.1 모르타르
본 실험은 1단계로 시멘트 모르타르 공시체를 제작하여 물리적 성능을 측정하고 2단계로 콘크리트 실험체를 제작하여 당초의 목적인 건조수축 저항성과 균열 성능회복을 평가하고자 하였다.
이를 위하여 1단계의 모르타르 실험에서는 Series-C, W 2종의 시험체군을 제작하여 성능을 평가하였다.
Series-C에서는 Table 5.와 같이 개발재료 T를 전체 분체량 외비로 각각 4%, 5%, 6%를 첨가하였으며, 해외제품 D와 H는 각각 5%, 8%를 첨가한 경우에 대한 특성을 평가하기 위한 계획이다. 바인더(B): 모래(S) 혼합비는 1:3으로 하였으며 W/B 혼합비는 50%로 하여, 아무것도 첨가되지 않은 기준시험체 Plain과 각 제품의 첨가량에 따라 실험을 실시하였다.
Table 5
Mixing Design Table(Series-C).
| Specificity\Contents | W/B(%) | OPC(%) | B:S | AD(%) | Test Item |
|---|---|---|---|---|---|
| Plain | 50 | 100 | 1:3 | - | Flow, Compressive Strength (Aged 1,3,7,28days) |
| C-T4 | 4 | ||||
| C-T5 | 5 | ||||
| C-T6 | 6 | ||||
| C-D5 | 5 | ||||
| C-D8 | 8 | ||||
| C-H5 | 5 | ||||
| C-H8 | 8 |
Series-W에서는 Series-C와 동일하게 T와 해외제품 D와 H를 같은 조건하에 바인더를 OPC 70%. SP 15%, FA 15%를 혼합하여 사용하였다.
2.2.2 콘크리트
콘크리트 배합은 Table 7.과 같다. 시멘트 바인더를 OPC 70%, SP 15%, FA 15%를 혼합하여 사용하였으며, 바인더 외비로 T를 4%, 5%, 6%를 첨가하여 실시하였으며, 해외 사용제품 D사와 H사 2종을 각각 5%, 8%를 첨가하여 비교평가 하였다.
2.3 실험방법
2.3.1 모르타르
특성비교를 위한 실험사항으로는 모르타르에 대해 유동성 평가를 위해 플로우값을 측정하였으며, 경화된 모르타르 시험체는 양생재령(1, 3, 7, 28일)별로 압축강도를 측정하여 성능을 파악하였다.
2.3.2 콘크리트
(1) 건조수축
건조수축으로 인한 균열을 파악하기 위하여 데이터로거에 스트레인게이지를 부착하여 길이변화를 측정하였다.
(2) 균열회복 성능
균열복구 성능파악을 위하여 자체 투수시험을 실시하였다. 이를 위하여 균열콘크리트의 투수 경과일별 투수량 변화를 측정하였다.
투수장치는 물공급부, 수위유지용 물 배출구, 투수시험용 시험체, 투수량 측정용 용기로 구성되며 투수량 측정에 사용된 투수시험용 시험체 및 전체 투수시험장치는 Fig. 2.와 같다. 투수장치에 체결된 시험체에 물 투입 밸브를 부착하여 물의 유량조절을 가능하게 하여 물을 흐르게 하고 하단부로 투수되는 물을 5분간 받아 투수량을 3회 평균값을 측정하여 산출하였다.
실험체는 ∅100×200mm 크기의 실린더형 콘크리트 형태로 제작하였다. 7일간 표준양생조건(온도 20±2°C, 습도 95%이상)으로 제작된 콘크리트 시험체 측면에 가압판으로 압력을 가하여 시험체를 할렬하였다. 할렬된 시험체에 간격재를 부착하여 균열두께 0.1~0.3mm가 되도록 결합한 후, 실링하여 마무리하였다. 균열제어된 시험체에 물 공급실린더를 투수수위가 80(±5)mm를 유지할 수 있도록 부착하고 시험체와 물 공급실린더 부착면 또한 누수되지 않도록 실링하여 마감하였다. 전체 제작과정은 Fig. 3.에 정리하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 모르타르
시멘트와 혼합시멘트에 각 제품의 첨가량에 따른 유동성 평가를 위해 플로우를 측정하였다. 그리고 각각의 조건변화에 따른 특성비교를 위하여 첨가제를 대체하지 않은 기준시험체(plain)를 제작하여 특성을 비교하였다.
3.1.1 유동성
(1) Series-C
시멘트 외비 제품 T(4%, 5%, 6%), D(5%, 8%), H(5%, 8%) 첨가량에 따른 플로우를 Fig. 4.에 나타내었다. 제품 T, D, H의 함유량이 많아질수록 기준시험체 대비 플로우가 다소 낮아졌으나 플로우의 변화폭이 크지 않았으며 대체적으로 기준시험체와 유사한 수준의 플로우를 가지는 것으로 확인되었다. 이를 통해 시멘트 외비 제품 T, D, H를 첨가하여도 큰 변화는 없는 것으로 판단된다.
(2) Series-W
고로슬래그 외비로 제품 T(4%, 5%, 6%), D(5%, 8%), H(5%, 8%) 첨가량에 따른 플로우는 Fig. 5와 같다. 기준시험체보다 플로우가 약간 높거나 유사하게 측정되었다. 따라서 제품모두 유동성에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 사료된다.
3.1.2 압축강도
실험계획에 따라 시멘트, 혼합시멘트 바인더 외비 개발제품 T, 해외제품 D, 해외제품 H의 첨가량에 따른 압축강도 성능을 재령일별로 확인하였으며 각각의 조건에 대한결과는 다음과 같다.
(1) Series-C
모르타르 시험체의 압축강도 성능평가 결과는 Fig. 6과 같다. 시멘트 외비 T(4%, 5%, 6%), D(5%, 8%), H(5%, 8%)와 기준시험체 시험결과 재령 1일과 3일에서 제품이 들어간 시험체가 기준시험체에 비해 압축강도 성능이 다소 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 재령일이 증가함에 따라 기준시험체와 유사한 압축강도 분포를 나타내었다. 따라서 본 연구의 실험결과로부터 시멘트 외비로 T, 제품 D, 제품 H를 첨가하였을 때, 시멘트 모르타르의 초기재령 1일, 3일 압축강도 성능이 기준시험체에 비해 일부 증진된 것으로 확인할 수 있었으며, 28일 강도에서는 기준시험체와 거의 유사한 성능을 확보한 것으로 측정되었다.
(2) Series-W
Series-W 조건에서 재령일별 압축강도 성능을 비교한 결과는 Fig. 7.과 같다. 각각의 재령일에서 시험체들은 기준시험체의 값과 거의 유사한 값을 나타내었다. 따라서 Series-C 조건에서와 같이 제품 T, D, H를 첨가하여도 유사한 성능을 나타내었다.
3.2 콘크리트
3.2.1 건조수축률
압축강도 24MPa 콘크리트를 대상으로 2가지의 양생조건하에서 28일간 건조수축 성능평가를 실시하였다. 첫 번째 양생조건은 온도 20±2°C, 상대습도 60±5%의 기건양생이며, 두 번째 양생조건은 온도 20±2°C, 상대습도 90±5%으로 각각 항온항습조건에서 건조수축량을 측정하였다. 실험결과 제품별 바인더 외비 함유량에 따른 건조수축 성능은 각각 Fig. 8 및 9와 같다.
첫 번째 양생조건인 온도 20±2°C, 상대습도 60±5%의 기건양생에서는 팽창재가 혼입된 모르타르 시험체의 -100에서 -400×10-6 수축량의 분포를 나타내었다. 상대습도가 낮아 전반적으로 건조수축이 발생하지만, 기준시험체의 건조수축량이 1/2 수준으로 감소하였다. 팽창재의 혼입량이 증가함에 따라서 모든 시험체의 건조수축량이 비례적으로 감소하는 경향이 나타났다. 동일량(5%)의 팽창재를 혼입한 경우에 있어서는 거의 유사한 결과를 나타내었으나 미세하지만 개발제품이 가장 우수하였으며 T사 제품, D사 제품순으로 건조수축량의 감소률이 높았다.
두번째 양생조건인 온도 20±2°C, 상대습도 90±5%에서는 시험체 모두가 전반적으로 상대습도 60%에서의 결과보다 수축량이 현저히 감소하였 뿐만 아니라 약간의 팽창한 결과를 나내었다. 다만, 팽창량이 +200×10-6 이하로 미약한 pre stress를 주는 정도로 간주할 수 있으며 따라서 팽창으로 인한 균열 발생 가능성은 없는 것으로 사료된다. 상대습도가 낮아 전반적으로 수축이 발생하지만, 기준시험체에 비하여 수축량이 절반수준으로 감소하였고 팽창재의 혼입량이 증가함에 따라서 수축량이 비례적으로 감소하였다. 동일량(5%)의 팽창재를 혼입한 경우에 있어서는 거의 유사한 결과를 나타내지만 미세하지만 개발제품이 가장 우수한 성능을 발휘하였다. 일반적인 콘크리트의 건조수축 은 – 400 ~ 600×10-6범위이며, 팽창재를 과도하게 포함할 경우 수축 보다는 오히려 팽창만 발생하여 파괴되는 현상이 발생한다. 개질 CaO 첨가제의 사용량이 4~5% 범위의 제품이 0 ~ -200×10-6으로 안정적으로 나타났다. 특히 초기 과도한 팽창으로 인한 파괴가 일어나지 않아 장기적으로 안정적 구조를 가질 수 있을 것으로 판단되었다.
3.2.2 균열회복 성능
균열회복 성능은 균열이 제어된 시험체에 대해 물을 투수하고 투수경과일별로 투수저감율을 측정하고 경과일로부터 투수저감율의 변화된 값으로써 아래의 식을 사용하여 균열회복 성능을 추정하였다.
여기서, HA는 균열회복 성능(%), I는 초기 투수량(l), E는 측정시점 투수량(l)을 나타낸다.
성능평가 결과를 살펴보면 먼저 기준시험체가 재령 1일 경과 13.9%를 발현하였고 21일경과 38%의 성능을 나타내었다. 본 연구에서 제안한 배합 콘크리트는 1일경과 콘크리트 회복성능을 31.8% 기준시험체 대비 2배 이상의 균열회복 성능을 나타내었다. 21일 경과시 약 76%의 균열회복 성능을 나타내었다. 상용제품인 D와 H시험체는 1일경과시 균열회복 성능이 각각 20.1%, 19.1%로 기준시험체 대비 균열을 복구하는 성능이 뛰어났으며 21일 경과시 각각 약 51%, 44%를 나타내어 발생한 균열의 약 절반을 복구하는 성능을 발휘하였다. 실험결과로부터 본 연구에서 개발한 제품이 가장 탁월한 균열복구에 효과적인 것으로 나타났다. 즉, 기존 CaO 및 CAS계 팽창재의 경우, 미반응 팽창재의 수화반응에 의하여 수산화칼슘 또는 에트린자이를 생성하여 균열을 복구하지만, 본 연구에서 적용한 개질 CaO계 팽창재는 초기재령에서는 CaO계에 의한 안정적인 팽창반응과 중장기재령에서는 벤토나이트에 의한 흡습조건에서 수산화칼슘과 CSA, 석고 화합물간의 2차 수화반응에 의하여 균열회복성능을 발휘하였기 때문으로 판단된다.
4. 결론
콘크리트의 균열 발생을 억제하고 발생된 균열의 복구를 위하여 개질 CaO와 CSA를 주원료로하는 첨가제를 하용하여 팽창재를 제조한 후 부분적으로 결합재 치환재료를 첨가하여 모르타르와 콘크리트를 배합하여 성능을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 모르타르 공시체를 사용한 유동성과 압축강도 측정을 실시한 결과 본 시험배합과 CSA계 팽창재 첨가제품, CaO를 주성분으로 하는 팽창재 모두 동일한 수준의 압축강도와 유동성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
2) 콘크리트 공시체의 건조수축에 대한 시험결과 기준시험체인 일반 콘크리트에 비하여 건조수축량이 절반이하로 발생하였으며 미세하지만 본 연구에서 제안한 콘크리트 배합에서 가장 우수한 성능을 발휘하였다.
3) 균열회복 성능평가에서 본 연구에서 제안한 콘크리트 배합에서 재령 21일 경과시 발생한 균열의 약 75%를 회복한 것으로 나타나 기존의 상용제품에 비해서도 우수한 성능을 발휘하였다.
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