1.소개

 

콘크리트는 모든 유형의 건설에 가장 흔하게 사용되는 재료이며, 시멘트는 일차적인 구성성분이다. 한 혼합물의 시멘트 함량은 일반적으로 콘크리트의 강도를 조절하는 것으로 인식되어 있다. 이러한 인식을 근거로, 최소한의 시멘트 함량은 희망하는 강도와 내구성을 달성하는데 필요한 양을 초과할 수 있다는 것을 종종 명시하고 있다. 이러한 초과량은 비용과 다음과 같은 이유들에 대한 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

- 시멘트는 콘크리트에서 가장 비싼 구성성분이다.

- 시멘트는 콘크리트 혼합물의 이산화탄소(CO₂)부담률의 약 80퍼센트를 기여한다.

- 시멘트 생산으로 전 세계 CO₂의 대략 5퍼센트를 방출하고 세계 에너지의 약 5%를 소비한다.

 

이전의 사례연구에서는 혼합물에서 시멘트 함량 증가가 강도 증가에 반드시 기여하는 것은 아니다(Wasserman 외 2009, Popovics 1990). 게다가, 높은 시멘트 함량은 그 혼합물을 끈적이게 하는 원인이 될 것이며 수축과 균열문제의 위험을 증가시킬 수 있다. 그러므로 시멘트 함량은 이러한 문제의 위험성을 최소화 하면서 요구된 성능을 달성하기 위해 균형이 잡혀져야 할 것이다. 출판된 사례연구와 문서자료에도 불구하고, 혼합물 설계에서 시멘트 함량을 더 늘린 것이 더 좋은 성능을 가진 혼합물을 의미한다는 잘못된 개념이 계속 존재하고 있다.

시멘트 함량을 늘리는 것은 위축과 결과적인 균열위험성을 증가시킴으로써 성능과 내구성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 시멘트 함량을 증가시킴으로써 작업성이 증가된다 할지라도, 그것은 처리과정을 마무리하고 양생하는 동안 콘크리트에서 더 높은 내부온도를 일으킨다. 콘크리트 혼합물에서 초과 시멘트 함량 감소는 비용 뿐 만 아니라 시멘트 제조와 관계있는 환경적 및 에너지 영향을 감소시키는데 도움을 준다. 이 연구에서는 강도와 내구성에 대한 시멘트 함량과 반죽 량의 변화 효과를 조사한다.

 

연구 목표 및 목적

이 프로젝트의 목표는 콘크리트 산업체가 주어진 작업성, 강도, 내구성 요구조건을 충족시키기 위해 적합한 물시멘트(w/c)비나 물시멘트계 재료(w/cm)비로 맞는 시멘트의 양을 사용하도록 돕는 것이며, 그래서 이산화탄소 방출, 에너지소비, 비용을 최적화하는 것이다. 이 연구 뒤의 가설은 다른 매개변수가 변하지 않고 계속 유지될 때, 강도 및 내구성과 같은 콘크리트 특성은 어떤 확실한 최소한의 시멘트 함량이 사용된 후에 시멘트를 더 추가함으로써 크게 향상되지는 않을 것이라는 것이다. 그림 1은 이러한 가정을 설명한다.

 

그림 1. 콘크리트 압축강도에 대한 시멘트 함량의 효과

 

 

이 연구의 범위는 여러 w/cm과 다양한 결합재를 사용하고 있는 시멘트계 재료를 배합한 콘크리트 혼합물의 성능에 대한 지표로서 강도, 염화물 침투성, 공기투과도를 조사하는 것이다. 또한 슬럼프(굳지 않은 콘크리트의 반죽질기), 응결시간, 공기함량과 같은 프레시 콘크리트(굳지 않은 콘크리트) 특성도 시험한다.

 

 

2. 문헌검토

 

이 부문에서는 4가지 주요 영역에 초점을 맞추고 있는 문헌검토를 제시한다.

- 작업성

- 강도

- 내구성

- 수축

각각의 콘크리트 특성은 그것이 혼합물 배합에 의해 영향을 받을 때 논의된다.

다루어진 5가지의 혼합물 특성은 다음과 같다.

- 시멘트 함량

- 물시멘트계 재료 비(w/cm)

- 골재

- 혼합재료

- 보충 시멘트계 재료(SCM)

이 연구의 목적이 시멘트를 더 효과적으로 사용하기 위한 방법을 조사하는 것이기 때문에 지속가능성에 대한 부문 또한 제공되어 있다.

콘크리트의 내구성은 최소 시멘트 함량, 최소 강도, 최대 w/c(Arachchige 2008)를 정의함으로써 흔히 명시되어 있다. w/c는 w/c의 감소가 강도의 증가를 초래하는 콘크리트 강도에 영향을 미치는 일차적인 요소이다. 그러나 또한 많은 현역 전문종사자들은 콘크리트 강도가 시멘트 함량에 의해서 조절된다고 믿고 있다. 이러한 믿음을 근거로, 많은 표준시방서에서는 최소한의 시멘트 함량을 요구하고 있다.

혼합물 설계결정의 효과에 관한 문헌의 정보는 다음 부문에서 논의된다.

 

 

3. 재료와 방법

 

이 부문에서는 이 연구에서 사용된 재료와 방법을 검토한다. 첫 번째 세부 항목에서는 재료, 시험변수, 표본준비, 실험 작업에 이어 전체적인 연구 설계를 설명한다.

 

연구 설계

이 실험 프로젝트의 목적은 요구된 작업성, 강도, 콘크리트 포장 혼합물에 대한 내구성 요구조건의 결과를 초래하는 주어진 w/cm 대비 최소한의 시멘트계 재료의 함량을 확인하는 것이다.

 

변수

전체적인 콘크리트 거동에 관한 효과를 결정하기 위해서, 시멘트계 혼합물, 시멘트계 재료의 함량, w/cm이 변수로서 선택되었다.

일부 변수의 범위가 이러한 극한으로 가는 효과를 명확히 보여주기 위해서 그 극한을 포함시키기 위해 선택되었다. 따라서 다음과 같은 것을 변수로 선택하였다.

- 4가지 시멘트계 재료의 함량 - 평방 야드(pcy) 당 400, 500, 600, 700

- 4가지 w/cm - 0.35, 0.40, 0.45, 0.50

- 4가지 시멘트계 혼합물 - 포틀랜드 시멘트(P), 20 퍼센트 등급 F 플라이 애시(F), 20 퍼센트 등급 C 플라이 애시(C), 40 퍼센트 슬래그 시멘트(S).

그 실험적 프로그램에서, 충분한 계수 실험설계 항복 64개의 혼합이 실행되었다. 그 혼합의 판별은 3개의 변수에 근거한다. 예를 들면, 35P700은 플레인 포틀랜드 시멘트 700pcy와 0.35의 혼합을 말한다. 고성능감수제는 작업성을 향상시키기 위한 좀 더 건조된 혼합물에 사용되었다. 슬럼프 값이 기록되었다.

 

고정 매개변수

잔골재 대 총 골재 비는 혼합골재 계조 차트에서 나온 데이터를 근거로 0.42로서 고정되었다. 잔골재 대 총 골재 비의 시험방법과 선택은 골재부문에서 상세하게 논의된다. 이것은 실험적 측정기준에서 온 변수로서 골재등급을 제거하기 위해 행해졌다. 어떤 공기 연행제도 그 혼합물에 첨가되지 않았다.

 

재료

시멘트계 재료

유형 I 포틀랜드 시멘트 각각의 단일 배치, 등급 F 플라이 애시 및 슬래그 시멘트를 획득했다.

시멘트계 재료의 화학적 조성이 표 3에 제시되어 있다.

 

표 3. 시멘트계 재료의 화학적 조성

	포틀랜드시멘트	등급 F 플라이 애시	등급 C 플라이 애시	슬래그
	질량에 의한 %
이산화규소(SiO2)	20.22	49.71	36.71	37.20
산화알루미늄(AL2O3)	4.43	15.29	19.42	9.48
산화제이철(Fe2O3)	3.19	7.16	6.03	0.47
산화칼슘(CaO)	62.71	15.66	25.15	40.10
산화마그네슘(MgO)	3.51	5.29	4.77	10.99
삼산화황(SO3)	3.24	0.87	1.97	1.11
산화칼륨(K2O)	0.69	2.17	0.46	0.41
산화나트륨(Na2O)	0.08	1.73	1.64	0.26
등가알칼리(Na2Oeq)	0.54	3.16	1.94	0.53
강열감량	-	0.09	0.33	0.00

* 다른 배치 출처 샘플분석.

 

골재

지방 골재가 그 연구에 사용됨- No.4 천연사와 1 인치 쇄석 석회암.

모든 혼합물에 변함없는 혼합골재시스템의 공극분율을 유지하기로 결정했다.

골재비의 선택은 다음과 같은 3개의 입도 차트의 평가를 근거로 했다.

- 0.45 동력곡선. 스프레드시트 상의 “수치해석”기능은 가능한 한 최적 0.45플롯에 가까운 입도를 제공하는 잔골재 대 총 골재의 비를 결정하는데 사용되었다. 이 작업을 근거로, 선호된 비는 0.45로 결정되었다(그림 11a를 보시오).

- Shilstone 작업성 요인 차트. 잔골재 대 총 골재는 작업성 요인차트 상의 Zone Ⅱ내이거나 거기에 가까운 결합시스템 데이터 포인트의 위치에 따라 다양했다(그림 11b를 보시오). 이것을 근거로, 선호되는 비는 0.42로 결정되었다.

- 특정 표면 접근. 골재의 특정 표면 값은 잔골재 대 총 골재 비를 결정하기 위해 2인치에서#200 정밀표준망체까지 사용되었다(그림 11c를 보시오). 이 작업을 근거로, 선호된 비는 0.39로 결정되었다.

 

위에서 결정된 3가지 값을 근거로, 0.42라는 값이 위에서 언급한 것의 평균이기 때문에 선택되었다.

 

실험 작업

각 혼합물에서 15개의 실린더가 준비되었다. 수행된 시험은 표 5에 주어져 있다. 혼합물은 ASTM C192에 따라 준비되었다. 실린더에 준비된 표본은 ASTM C31에 따라 준비되고 그 샘플이 24시간 후에 탈형 될 때까지 플라스틱 판자 아래에 저장되며 ASTM C 192에 따라 분무실에서 양생되었다. 실험할 때까지 샘플을 분무실에 두었다.

 

표 5. 시험 매트릭스

	방식	시험표본의 #	노화(일수)
프레시 콘크리트 특성
슬럼프/ 슬럼프 유동	ASTM C 143/ ASTM C 1161	1	-
기공분율	ASTM C 231	1	-
응결시간	ASTM C 403	1	-
경화 콘크리트 특성
압축강도	ASTM C	2 per age	1, 3, 28, 90
급속 염화물 침투	ASTM C	2 per age	28, 90
공기 투과도	케이프타운 대학 방식	2 per age	1, 3. 28, 90

 

슬럼프, 응결시간 및 기공분율이 조절 매개변수로서 평가되지 않았다 할지라도, 그들은 콘크리트 거동에서 변수의 효과를 평가하기 위해 측정되었다. 슬럼프가 8인치 이상이었을 때, 그 슬럼프 유동이 결정되었다. 초기 노화에서, 급속 염화물 침투 샘플은 비등경향을 나타내어서 시험은 28일 후에 겨우 수행되었다. 공기투과도시험 또한 그림 11에서 보여주고 있는 장비를 사용한 케이프타운 대학 공기투과법을 사용해서 1, 3, 28, 90일에 혼합물 당 두 가지 표본에 대해 수행되었다(Alexander 외. 1999, 2007).

 

그림 11. 공기투과 셀

 

 

4. 결과와 토론

 

시험결과가 다음과 같은 카테고리 하에서 제시되었고 논의되었다.

- 작업성

- 응결시간

- 강도

- 염화물 침투

- 공기투과도

 

많은 데이터가 그림에서 제시되고 있는데 그 안에서 수평축은 골재시스템에서 공극의 양에 의해 배분된 반죽의 양이다(Vp/Vvoid). 이것은 혼합물의 특성이 반죽의 양과 반죽의 품질에 의해 지배되기 때문이다. 골재입자 사이의 모든 공극을 채우기에 반죽이 불충분하다면, 성능이 제대로 발휘되지 못할 가능성이 있다. 공극을 채우고 골재입자를 코팅하기에 충분한 반죽이 제공된다면, 반죽의 품질은 그 추세를 지배해야 할 것이다. 그 작업의 목표는 이러한 변화가 발생하는 곳을 조사하는 것이다.

 

요약

이 작업에서 논의된 모든 매개변수에 대한 반죽 층의 두께의 효과에 고려사항이 주어졌다. 반죽두께지수(PTI)는 모든 골재입자가 구 모양이고 일정한 두께 층으로 입혀졌다는 가정을 근거로 계산되었다. 이러한 가정이 사실이 아니라 해도, 그 접근방법은 합리적인 비교요점을 제공한다. PTI와 Vp/Vvoid 비 사이에 선형관계가 있다는 사실이 밝혀졌다. 따라서 결론에는 변화가 없다.

 

PTI 값의 범위는 100에서 250㎛ 까지 이다. 이것은 천이영역(ITZ)이 두께가 일반적으로 40에서 50㎛로 보고되었기 때문에 흥미를 끌고 있으며 (Prokopski와 Halbiniak 2000), 그것은 명목상의 반죽두께의 중요한 비율이다. 반죽의 약 3분의 1에서 2분의 1이 기능적으로 ITZ이면, ITZ의 품질을 수정하는 접근방법은 시스템 성능에 대한 현저한 효과를 가질 것이다.

일반적으로, 두 가지의 다른 경향이 관찰되었다. 모든 경우에서, 매우 낮은 반죽함량은 혼합물의 성능을 저하시켰다. 어떤 확실한 한계값 위에서, 성능은 변함이 없거나 약간 저하되었다. 성능저하는 일반적으로 반죽을 증가시킨 침투성 시험에서 관찰되었는데, 그것은 반죽의 침투성이 골재의 침투성보다 더 낮기 때문에 예상되는 것이다. 강도와 같은 다른 매개변수는 반죽증가로 보통 일정했다. 한계값은 시험들 사이에서 그리고 결합재 시스템 사이에서 다양했다. 표 8에서 이러한 것을 요약해 놓았다.

 

표 8. Vp/Vvoid 퍼센트로서 표현된 성능을 위해 요구된 필수적인 최소 반죽

결합시스템
특성	일반 시멘트	40% 슬래그	20% C 애시	20% F 애시
작업성	150	125	125	150
응결시간	200	225	200	225
압축강도	150	175	150	175
API	175	200	125	175

 

샘플을 통합하기 위한 능력이 지배적이었다는 사실을 알았기 때문에 RCP에 값을 제공하지 않았고, 충분한 반죽이 이것을 달성하기 위해 제공되자마자, 성능이 반죽함량증가로 저하되었다.

넓은 의미에서, 결합된 골재입자들 사이의 공간보다 약 1.5에서 2배 더 많은 반죽이 필요하다. 이것은 모든 공간이 채워진다는 것을 보장하고 혼합물이 섞이고 있을 때 프레시 콘크리트에 윤활제를 제공하여 모든 골재입자를 코팅하는 것이며, 경화상태에서 함께 그 입자들을 접착하는 것이다. 이것은 여기서 시험된 단일 골재시스템에 해당된다. 이러한 수치들이 다른 골재형태(부순 석회암에 반대되는 강자갈)와 계조에 변화를 줄 수 있다는 것이 가능하다.

 

 

5. 결론

 

이 연구의 목표는 콘크리트 혼합물에서 주어진 작업성, 강도, 내구성 요구조건을 만족시키고, 이산화탄소 방출, 에너지 소비, 비용을 감소시키기 위해 적합한 물시멘트계 비(w/cm)를 필요로 하는 최소한의 시멘트계 재료를 조사하는 것이었다.

이 연구를 뒷받침 했던 가설은 어떤 확실한 결합재 조합을 위해서, 다른 매개변수가 일정하게 유지되었을 때, 요구된 시멘트계 함량에 이른 후에, 강도, 염화물 침투, 공기투과도와 같은 콘크리트 특성이 결합재 함량을 증가시킴으로써 향상되지는 않을 것이라는 것이었다. 압축강도시험결과가 그 가설을 증명했다 할지라도, 결과는 시멘트 함량 증가가 염화물 침투와 공기투과도를 상승시킨다는 사실을 보여준다.

다음과 같은 결론이 그 결과를 바탕으로 내려졌다.

 

- 최소한의 작업성을 얻기 위해서 골재사이의 공극에 필요한 반죽보다 약 1.25에서 1.5배 더 많은 반죽을 요한다. 이 값 이하로, 물을 감소한 혼합물은 도움이 되지 않는다. 그 후 반죽증가는 작업성을 증가시켰다.

- 높은 시멘트 함량에 대해서, w/c의 감소는 시멘트 입자가 서로 더 가깝게 있기 때문에 응결시간이 줄고, 그 시간의 감소는 수화물이 상호 연결되기 위해 필요했다.

- 주어진 w/cm에 대해서, 시멘트계 함량의 증가로 결정적인 최소한도가 제공되었을때 압축강도가 현저하게 향상되지 않는다. 그 결정적이 값은 골재시스템의 공극율의 약 두 배이다.

- 주어진 w/cm에 대해서, 반죽함량증가는 염화물 침투를 상승시킨다.

- 주어진 w/cm에 대해서, 시멘트함량증가는 공기투과도를 상승시킨다.

 

 

 

▣ 원문제목 : Optimizing Cementitious Content in Concrete Mixtures for Required Performance

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

 

1. 소개

2. 문헌 검토

3. 재료와 방법

4. 결과와 토론

5. 결론

-참고문헌