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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 18(6); 2018 > Article
샤르피 충격 실험에 의한 혼화제 포함 시멘트 페이스트의 내충격성 평가

Abstract

The objective of this study is to investigate the effect of admixtures on the impact resistance of hardened cement pastes. Latex polymer and silica fume were selected additives for this study. The specimens for cement pastes with silica fume were produced by replacing 5% and 10% (by weight) of cement contents with silica fume, while those with latex polymer were produced by adding as much as 5% and 10% (by weight) of latex polymer and reducing the water content by as much as twice the added latex polymer contents. All specimens were prepared with a water to binder ratio of 0.5. The impact resistance was determined through Charpy impact experiments, and the results showed enhanced impact resistances from both additives. Additionally, the influence of different dosage contents of latex polymer and silica fume were also clarified in this study.

요지

본 연구의 목적은 경화된 시멘트 페이스트의 내충격성에 혼화제가 미치는 영향을 실험적으로 평가하는 것이다. 혼화제로는 실리카퓸과 라텍스 폴리머가 사용되었다. 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트시편은 실리카퓸을 시멘트 무게의 5%와 10%로 대체하는 것으로 제작 하였다. 라텍스 폴리머를 혼합한 시멘트 페이스트 시편은 액상 라텍스 폴리머를 시멘트 무게의 5%와 10%로 추가하고 투입된 액상 폴리머 무게의 2배 만큼 물의 양을 감소하여 제작하였다. 모든 시편의 물 바인더 비는 0.5를 사용하였다. 내충격성은 샤르피 충격 실험으로 평가하였다. 실험 결과 라텍스 폴리머와 실리카퓸 혼합 시 내충격성이 향상되었고, 라텍스 폴리머와 실리카퓸의 혼합 양에 따른 내충격성의 차이도 확인할 수 있었다.

1. 서 론

콘크리트는 준취성(Quasi-brittle) 재료로써 충격 하중에 취약하다. 하지만, 유리와 같은 취성 재료보다는 어느 정도의 충격 저항성을 가진다. 이러한 내충격성은 콘크리트의 양생 조건, 배합비, 골재의 표면 특성, 바인더와 골재 사이의 결합과 같은 많은 요소에 의해 영향을 받는다. 습윤 상태 보다 건조 상태에서 양생 시 콘크리트의 에너지 흡수 능력이 높게 나타났으며(Green, 1964), 골재의 표면이 거칠수록 콘크리트의 충격 저항력이 증가하였다(Neville, 2005).
혼화제가 포함된 콘크리트의 에너지 흡수 능력에 대한 많은 연구가 있었으며, 콘크리트의 에너지 흡수 능력을 향상시키기 위해 실리카퓸과 라텍스 폴리머와 같은 혼화제를 사용하였다(Shaker et al., 1997; Rao, 2003). 콘크리트의 연성을 향상시킬 목적으로 라텍스 폴리머를 첨가하였으며(Shaker et al., 1997), 실리카퓸을 혼합하여 콘크리트의 강도를 향상시켰다. 콘크리트 강도 및 연성의 증가는 에너지 흡수 능력의 증가로 이어지며, 콘크리트의 내충격성이 향상 된다. 충돌에 대한 방호 콘크리트의 경우 내충격성 향상으로 인하여, 구조물의 파괴량 감소 및 파괴 콘크리트의 비산량, 비산거리 감소 효과를 얻을 수 있을 것이다.
콘크리트의 내충격성을 평가하기 위한 다양한 실험 방법이 있다. 충격원을 자유낙하 시키거나(KS F 4770-1 2015), 고속의 발사체를 사용하는 방법이 있다(Kang et al., 2016). 샤르피 충격 실험은 일반적으로 강재나 플라스틱의 충격 저항 측정을 위해 사용되는 실험 방법이지만, 시멘트 페이스트와 같은 준취성 재료의 내충격성 평가에도 적합한 실험 방법으로 알려져 있다(Vallens et al., 2001; Fracois and Pineau, 2002; Tahmasebinia, 2008).
본 연구의 목적은 라텍스 폴리머와 실리카퓸의 혼합량이 시멘트 페이스트의 내충격성에 미치는 영향을 실험적으로 평가하는 것이다.

2. 실험방법

2.1 재료

본 연구에서 사용 된 라텍스 폴리머의 총고체량(TSC)은 47%이며, 고체 입자의 평균 크기는 1600Å이다. 라텍스 폴리머의 pH는 9-11로 알칼리성이며, 비중은 1.09이다. 라텍스 폴리머의 재료 특성을 Table 1에 수록하였다. 실리카퓸의 경우 실리카(SiO2)의 함량이 90% 이상이며, 45 μm체의 잔류율은 1.5%이하이다. 실리카퓸의 재료 특성을 Table 2에 수록하였다.
시편의 제작을 위한 배합은 Table 3에 정리하였다. Table 3에서 C, W, P, SF는 각각 시멘트, 물, 라텍스 폴리머, 실리카퓸의 양을 의미한다. CP는 콘트롤 페이스트이고, 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트 시편(SF MCP)은 실리카퓸을 시멘트 무게의 5%와 10%로 대체하는 것으로 제작 하였다. 라텍스 폴리머를 혼합한 시멘트 페이스트 시편(Latex P MCP)은 액상 라텍스 폴리머를 시멘트 무게의 5%와 10%로 추가하고 라텍스 폴리머의 계면활성 작용을 고려하여 투입된 액상 폴리머 무게의 2배 만큼 물의 양을 감소하여 제작하였다. 모든 시편의 물 바인더 비는 최대 0.5를 사용하였다.
시편의 제작은 ASTM C305-14 (ASTM C305-14 2014)를 따라 수행되었다. 샤르피 실험을 위한 10 mm × 10 mm × 50 mm 프리즘 15개, 압축강도 실험을 위한 50mm × 50 mm × 50 mm 큐브 3개를 배합별로 제작하였다. 24 시간 후 탈형하여 수중 양생하였다. 샤르피 실험은 3일, 7일, 28일 양생 시편에 대하여 3개씩 수행하였으며, 압축강도 실험은 28일 압축강도를 측정하였다. 압축강도 시험은 ASTM C109/C109M (2016)에 따라 수행되었다.

2.2 샤르피 충격 실험

샤르피 충격 실험을 위한 시편은 ASTM D6110-10에 따라 Fig. 1에 보인 V노치를 가진 프리즘으로 제작하였다. V노치의 깊이 a는 2 mm이고, 2β = 450°, ρ = 0.25 mm, W = B = 10 mm, 시편 길이는 50 mm이다.
충격 실험은 Fig. 2에 보인 샤르피 충격 장치에 의해 수행되었다. 700 g의 펜덜럼 무게추를 43 cm 높이에서 낙하시켜 약 3J의 충격 에너지를 시편에 가한다. 시편의 파괴에 사용된 에너지를 제외한 에너지에 의해 반대편으로 올라가는 무게추의 높이가 결정될 것이며, 이로부터 시편의 파괴에 사용된 에너지를 구한다. 충격에너지의 일부는 장비의 진동과 파괴된 시편의 운동 에너지로도 사용되기 때문에 측정된 값이 모두 파괴에 관여한 에너지의 양은 아니다. 본 연구에서 사용된 샤르피 충격 장치는 이 수치를 자동으로 계산하여 화면에 나타낸다. 내 충격성은 시편의 파괴에 사용된 에너지를 시편의 파괴면으로 나눈 값을 사용하였다.

3. 결과 및 토의

3.1 내충격성

Table 4에 샤르피 충격 실험으로부터 얻어진 내충격성 결과를 정리하였다. 각각의 결과는 시편 5 개의 평균값이다.
Fig. 3에는 라텍스 폴리머를 혼합한 시멘트 페이스트와 혼합하지 않은 페이스트의 내충격성을 양생 기간에 따라 비교하였다. 라텍스 폴리머를 혼합한 시멘트 페이스트의 경우, 양생 3일에서는 내충격성이 일반 페이스트 보다 작았다. 양생 7일부터 라텍스 폴리머를 혼합한 시멘트 페이스트의 내충격성이 일반 페이스트보다 커지기 시작하였으며, 28일 양생 후에는 라텍스 폴리머 5%를 혼합한 시멘트 페이스트는 일반 페이스트의 1.38배, 10%를 혼합한 시멘트 페이스트는 1.42배의 내충격성을 나타냈다.
Fig. 4에는 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트와 혼합하지 않은 페이스트의 내충격성을 양생 기간에 따라 비교하였다. 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트의 경우도 라텍스 폴리머를 혼합한 경우와 마찬가지로, 양생 3일에서는 내충격성이 일반 페이스트 보다 작았다. 양생 7일부터 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트의 내충격성이 일반 페이스트보다 커지기 시작하였으며, 28일 양생 후에는 실리카퓸 5%를 혼합한 시멘트 페이스트는 일반 페이스트의 1.44배, 10%를 혼합한 시멘트 페이스트는 1.7배의 내충격성을 나타냈다.
실리카퓸은 시멘트의 수화반응으로 생성된 수산화칼슘과 반응하여 칼슘 실리케이트 수화물을 만들기 때문에, 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트는 일반 시멘트 보다 강도의 발현이 늦어진다. 3일 양생 시편에서 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트의 내충격성이 혼합하지 않은 시멘트 페이스트 보다 낮은 이유는 실리카퓸을 혼합한 시멘트 페이스트의 강도 발현이 늦어졌기 때문으로 판단된다(Neville, 2005; Bhalla et al., 2018).

3.2 압축강도

28일 압축강도 실험 결과를 Fig. 5에 보였다. 일반 시멘트 페이스트의 경우 압축강도는 28.9 MPa로 측정되었다. 라텍스 폴리머를 5%, 10% 혼합한 시편의 경우 압축강도는 각각 29.5MPa, 32.8MPa로 측정되었다. 라텍스 폴리머가 5% 포함된 시편의 경우에 압축강도는 증가하지 않았지만, 내충격성은 1.38배 증가하였다. 라텍스 폴리머가 10% 혼합된 경우에는 압축 강도는 1.18배 증가하였으며, 내충격성은 1.42배 증가하였다. 실리카퓸을 5%, 10% 혼합한 시편의 경우 압축강도는 각각 32.1MPa, 35.5MPa로 측정되었다. 실리카퓸이 5% 포함된 시편의 경우에 압축강도는 1.11배 증가하였으며, 내충격성은 1.44배 증가하였다. 실리카퓸이 10% 혼합된 경우에는 압축 강도는 1.23배 증가하였으며, 내충격성은 1.7배 증가하였다.
라텍스 폴리머를 혼합한 경우와 실리카퓸을 혼합한 경우 모두 내충격성의 증가 원인은 압축강도의 증가와 파괴 변형률의 증가일 것이다(Marar et al., 2001; Murali et al., 2014; Mosaberpanah and Eren, 2016). 특히, 라텍스 폴리머를 혼합한 경우는 파괴 변형률의 증가가 주된 원인일 것이며, 실리카퓸을 혼합한 경우는 압축강도의 증가가 주된 원인일 것이다.
Table 5에 28일 압축강도와 28일 내충격성을 비교하였다. 압축강도의 증가와 함께 내충격성도 증가하고 있다.
라텍스 폴리머와 실리카퓸의 혼합량에 따른 내충격성을 각각 Figs. 67에 도시하였다. 라텍스 폴리머의 혼합량에 따른 내충격성의 경우에 대하여 Fig. 6에 보인 것처럼 라텍스 폴리머의 증가에 비례하여 내충격성이 선형적으로 증가하지 않고, 그 증가세가 감소하고 있다. 라텍스 폴리머의 혼합량에 따른 내충격성의 증가는 선형회귀 R값이 0.8229인 반면, 실리카퓸의 혼합량에 따른 내충격성의 증가는 선형회귀 R값이 0.9978로 매우 선형적인 관계를 보이고 있다.

4. 결 론

본 연구는 라텍스 폴리머 또는 실리카퓸이 시멘트 페이스트의 내충격성에 미치는 영향을 확인하기 위한 실험적 연구이다.
라텍스 폴리머를 포함한 시멘트 페이스트는 내충격성이 향상 되었으며, 이는 시멘트 페이스트의 파괴 변형률을 향상시킨 결과에 기인하는 것으로 판단된다. 라텍스 폴리머를 5%포함한 시멘트 페이스트와 10% 포함한 시멘트 페이스트의 내충격성은 큰 차이를 보이지 않았다. 라텍스 폴리머의 함유량 증가가 시멘트 페이스트의 내충격성과 선형적으로 비례하지 않고, 일정값에 수렴하였다. 향후, 내충격성 향상을 위한 라텍스 폴리머의 최적 함유량이 도출될 수 있을 것이다.
실리카퓸을 포함한 시멘트 페이스트 또한 내충격성이 향상 되었다. 이는 시멘트 페이스트의 압축강도 증가에 기인한 것으로 판단된다. 실리카퓸을 5%포함한 시멘트 페이스트와 10% 포함한 시멘트 페이스트의 내충격성은 큰 차이를 보였으며, 실리카퓸의 함유량과 선형적으로 비례하였다.
본 연구에서 사용된 샤르피 충격 실험은 연성재료 뿐만 아니라 시멘트 페이스트와 같은 준취성 재료의 내충격성을 결정하는 데 효과적인 방법으로 사용될 수 있다. 또한, 일반 강도를 가지는 콘크리트의 경우에 충격에 의한 파괴 면은 시멘트 페이스트를 따라 발생한다. 그러므로 시멘트 페이스트의 내충격성은 콘크리트의 내충격성과 밀접한 관계를 가질 것이다. 향후 추가적인 실험을 통하여 이를 입증할 수 있을 것이다.

감사의 글

본 연구는 2018년도 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원(KAIA)의 지원을 받아 수행한 연구 과제 (17RTRP-B122273-02)입니다.

Fig. 1
Geometry and Dimension of Charpy V-notch Test Sample
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Fig. 2
The Charpy Impact Instrument
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Fig. 3
Effect of Latex Polymer to the Impact Resistance of Cement Paste
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Fig. 4
Effect of Silica Fume to the Impact Resistance of Cement Paste
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Fig. 5
Compressive Strength at 28 Days of the Fresh Paste and Modified Pastes
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Fig. 6
Relationship Between Latex Polymer Contents and Impact Resistance
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Fig. 7
Relationship Between Silica Fume Contents and Impact Resistance
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Table 1
Properties of JAPT 15202
Properties Unit Specification
TSC % 47.0
pH 9–11
Specific gravity 1.09
Average Particle size Å 1,600
Table 2
Properties of SF Grade 940-U
Properties Unit Specification
SiO2 % > 90
Retention on 453m sieve % < 1.5
H2O (when packed) % < 1.0
Density kg/m3 600
Table 3
Mixture Designs (kg/m3)
Label C W P SF
CP 1223 611.5
5% Latex P MCP 1310 524 65.5
10% Latex P MCP 1410 423 141
5% SF MCP 1152 606 60.6
10% SF MCP 1083 601.5 120.3
Table 4
Impact Resistance Result (J/m2)
age (Days) 3 7 28
Mixture design
Plain paste 7300 11208 10658
5% Latex P MCP 6950 11357 14798
10% latex P MCP 7285 11918 15111
5% SF MCP 3614 13548 15321
10% SF MCP 6565 16705 18211
Table 5
Impact Resistance and Compressive Strength at the Age of 28 Days Results
Mixture design Impact resistance (J/m2) Compressive strength (MPa)
Plain paste 10658 28.9
5% latex P MCP 14798 29.5
10% latex P MCP 15111 32.8
5% SF MCP 15321 32.1
10% SF MCP 18211 35.5

References

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