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KR101456024B1 - 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 균열 저감 시공법 - Google Patents

지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 균열 저감 시공법 Download PDF

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KR101456024B1
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오창원
안정찬
유종수
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현대산업개발 주식회사
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Abstract

본 발명은 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 결합재 전체 함량 100중량%에 대해 시멘트 30 내지 50중량%, 고로슬래그 미분말 30 내지 60중량% 및 플라이애쉬 10 내지 20중량%를 포함하며, 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 결합재 중량에 대해 0.5 내지 1.0중량%로 포함하여, 그 생산과정에서 다량의 CO2 가스를 발생시키는 시멘트의 사용량을 줄임으로써 궁극적으로 환경적 요구에 부응할 수 있는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물이면서도, 시멘트 사용량을 대폭 감소시킴에 따라 시멘트의 수화 진행이 상대적으로 지연되어 건설현장에서 공사 지연 등의 부작용이 발생되어 시멘트 사용량 감소에 따른 경제적, 환경 측면의 효과가 상쇄될 가능성이 높은 문제점을 효과적으로 해소할 수 있는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.

Description

지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 균열 저감 시공법{Eco-friendly concrete compostion used basement and shrinkage-reducing construction method using the same}
본 발명은 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 균열 저감 시공법에 관한 것이다. 지하구조물의 매트기초가 매스콘크리트로 시공되는 경우 매스콘크리트는 타설 후 양생초기 두꺼운 부재의 크기와 낮은 열도율 때문에 수화열이 축척되어 온도응력이 발생하고, 이러한 온도응력은 콘크리트의 온도균열의 원인이 되어 온도균열에 따른 콘크리트의 강도 및 내구성 저하에 영향을 주는 주요한 원인 중의 하나가 되고 있기 때문에, 본 발명은 콘크리트의 수화열 저감을 위하여 결합재 중의 시멘트 함량을 현저히 줄이고 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말과 같은 저발열 혼화재의 양을 늘리면서도 친환경적으로 콘크리트의 제반 품질 특성을 만족할 수 있도록 한 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 균열 저감 시공법에 관한 것이다.
현재 전 세계는 기술발달의 가속 및 경제규모의 거대화, 지구온난화 방지를 위해 전세계적 협력체계 구축 등 글로벌화가 심화되고 있다. 이에 발맞추어 건설분야에서도 글로벌화, 녹색건설 증대 및 기술혁신의 요구가 증대되고 있다.
여러 산업분야 중 건설교통분야에서 발생되는 온실가스 배출량이 매우 높은 비중을 차지하고 있으며, 특히 건설산업 분야의 경우 건설재료의 주요비중을 차지하는 시멘트, 철강 등에 있어서 대량의 이산화탄소 발생과 대량의 에너지소비를 요하는바, 건설분야의 탄소저감을 위해서는 시멘트 및 콘크리트, 철강 등에서의 온실가스 배출량을 감소시키는 것이 절실히 요구된다.
시멘트는 제조 과정에서 화석연료의 연소에 의한 소성 과정이 진행되고 기타 석고 등의 탈탄산 작용에 의해 CO2 가스가 다량 발생되며, 1톤의 시멘트 생산시 약 900kg의 CO2 가스가 발생된다. 콘크리트의 경우에는 시멘트의 사용에 따른 CO2 가스가 발생되고 있으며, 1㎥의 콘크리트 제조시 약 400kg의 CO2 가스가 발생되는 것으로 알려져 있다.
따라서 환경 측면에서 콘크리트의 친환경성을 확보하기 위해서는 시멘트의 사용을 최소화하는 것이 가장 효과적이라고 할 수 있으며, 특히 지하구조물에 사용하는 매스콘크리트는 콘크리트의 수화열에 의한 온도균열 발생이 가장 중요한 관리 항목이며, 수화열의 저감을 위해서는 저발열시멘트 또는 시멘트 대체재인 혼화재의 사용에 의한 수화열 저감이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.
시멘트의 혼화재로는 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬 등의 산업부산물과 석회석 미분말 등이 있다. 혼화재의 사용은 클링커 양의 저감에 따른 탄소 배출량 저감 뿐만 아니라 콘크리트의 수화열특성 개선 및 고밀도화를 통한 내화학성 및 염소이온침투 저항성 등의 내구성을 향상시키는 작용을 하며, 낮은 비중과 적절한 유변학적 특성으로 인하여 초유동 콘크리트 제조에도 적합하다. 그러나 고로슬래그미분말, 플라이애쉬와 같은 산업부산물은 실리카 성분이 석회와 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘과 반응하여 안정된 불용성화합물을 형성하나, 그 반응성이 상대적으로 매우 느려 다량으로 사용할 경우, 콘크리트의 초기강도 발현에 악영향을 미칠 수 있으며, Ca이온 공급원인 시멘트가 일정 수준 이하일 경우 포졸란 물질의 반응성을 활성화시키지 못해 콘크리트의 강도 및 내구성을 하락시키는 원인이 될 수 있다. 또한, 콘크리트 강도 발현을 위해 과도하게 결합재 사용량을 증가시키거나, 단위수량을 감소시킬 경우, 콘크리트 점성증가로 인한 작업성 불량 발생 및 콘크리트 원가 상승으로 인한 구조물의 경제성에 불리한 결과를 초래할 수 있다.
이에 기후변화협약에 능동적으로 대응하고, 향후 시멘트 산업의 경쟁력 제고를 위해 산업부산물 활용 증대를 통한 탄소저감형 친환경 시멘트 개발이 요구되고 있다.
이의 일예로, 국내특허공개 10-2013-0113190호에는 시멘트 5~20wt%, 고로슬래그미분말 30~70wt%, 플라이애쉬 10~30wt%, 고칼슘애쉬 5~15wt%, 이수석고, 무수석고 및 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 이루어진 활성화 결합재 3~7wt%를 포함하는 친환경 콘크리트용 결합재 조성물이 개시되어 있다.
이러한 결합재 조성물은 결합재 중 시멘트 함량을 최대한 낮추면서, 고칼슘애쉬, 플라이애쉬, 고로슬래그미분말 등 산업부산물을 다량 포함하고 있어 시멘트 제조시 발생하는 탄소 배출량을 저감시킬 수 있으며, 이러한 결합재가 콘크리트에 적용되는 경우에 고칼슘애쉬와 활성화 결합재인 석고가 Ca이온을 다량 공급하여, 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬의 잠재수경성의 활성화 및 포졸란 반응을 지속적으로 이루어지도록 할 수 있는 것으로 기재하고 있다.
본 발명은 시멘트 사용량을 저감하면서 혼화재를 다량 포함하여 콘크리트 시공에 따른 탄소 배출량과 온도균열을 저감시킬 수 있는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 시멘트의 사용량을 줄이고 저발열 혼화재의 양을 늘림에도 콘크리트의 경화속도가 적정 수준을 유지하고 균열을 저감할 수 있는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법을 제공하고자 한다.
본 발명은 단위수량 160 내지 170㎏/㎥, 단위결합재량 300 내지 390kg/㎥, 단위잔골재량 920 내지 960㎏/㎥ 및 단위굵은골재량 800 내지 910㎏/㎥이고, 물-결합재비(W/B)가 40 내지 56중량%이며, 잔골재율(S/a)이 40 내지 56중량%인 조성을 만족하되, 결합재 전체 함량 100중량%에 대해 시멘트 30 내지 50중량%, 고로슬래그 미분말 30 내지 60중량% 및 플라이애쉬 10 내지 20중량%를 포함하며, 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 결합재 중량 100중량부에 대해 0.5 내지 1.0중량부로 포함하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 지하구조물에 사용된 매스콘크리트의 양생에서 콘크리트 표면의 온도를 외기온도와 격리시키고, 수화열이 발생하는 내부와 외부의 온도차를 줄일 수 있는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 지하구조물 균열 저감 시공법을 제공한다.
본 발명은 그 생산과정에서 다량의 CO2 가스를 발생시키는 시멘트의 사용량을 줄임으로써 궁극적으로 환경적 요구에 부응할 수 있는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물이면서도, 시멘트 사용량을 대폭 감소시킴에 따라 시멘트의 수화 진행이 상대적으로 지연되어 건설현장에서 공사 지연 등의 부작용이 발생되어 시멘트 사용량 감소에 따른 경제적, 환경 측면의 효과가 상쇄될 가능성이 높은 문제점을 효과적으로 해소할 수 있다.
또한 지하구조물에 사용된 매스콘크리트의 양생에서 콘크리트 표면의 온도를 외기온도와 격리시키고, 수화열이 발생하는 내부와 외부의 온도차를 줄여 지하구조물의 균열 발생을 저감시키는 효과를 가져 온다.
도 1은 본 발명 실시예 2에 따른 알칼리 이온화 촉진제 종류에 따른 영향 확인 실험에 있어서, 알칼리 이온화 촉진제(TEA+PPA)의 배합비에 따른 재령별 모르타르 강도 발현 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명 실시예 2에 따른 알칼리 이온화 촉진제 종류에 따른 영향 확인 실험에 있어서, 간이 수화발열을 측정하기 위한 단열 용기의 개략적 설계도이고, 도 3은 TEA 0.003%에 대해 PPA를 0.001 내지 0.015%로 변량하면서 결과된 모르타르의 간이 수화발명 측정 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명 실시예 3에 따른 콘크리트 배합 물성 평가 결과에 있어서, 시멘트를 50중량%로 포함하는 I 시리즈의 콘크리트 배합 조성에 대해, 굳지않은 성상 중 목표 슬럼프를 만족시키는 설계 수량 대비 단위수량의 변동량을 나타낸 그래프이고, 도 5는 경과시간에 따른 슬럼프 및 공기량의 변동폭을 나타낸 그래프이다.
도 6은 I 시리즈 콘크리트 배합 조성에 대한 재령별 압축강도 발현특성을 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 8은 I 시리즈 콘크리트 배합 조성에 대한 재령 28일 및 재령 56일에서의 탄성계수 측정 결과 응결-변형 곡선을 각각 나타낸 것이고, 도 9는 탄성계수를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 12는 I 시리즈 콘크리트 배합 조성에 대한 내구성 평가에 있어서 촉진 탄산화 시험의 결과들로, 도 10은 촉진 재령별 중성화 깊이를, 도 11은 촉진 재령별 탄산화 속도 계수의 변화를, 도 12는 촉진 재령 8주 시험체를 나타낸 것이다.
도 13 내지 도 16은 I 시리즈 콘크리트 배합 조성에 대한 내구성 평가에 있어서 염화물 이온 침투 저항성 평가의 결과들로, 도 13은 침투 깊이를, 도 14는 비안정화 상태 이동 계수를, 도 15 및 도 16은 각각 재령 28일 및 56일에서의 염화물 이온 침투 시험 시험체를 나타낸 것이다.
도 17 내지 도 19는 I 시리즈 콘크리트 배합 조성에 대한 내구성 평가에 있어서 Mock-up test의 결과들로, 도 17은 경과시간에 따른 슬럼프 및 공기량의 저하 폭을, 도 18은 배합강도 대비 재령별 강도 발현율을, 도 19는 코아 공시체 압축강도 측정결과를 나타낸다.
도 20 내지 도 21은 I 시리즈 콘크리트 배합 조성에 대한 내구성 평가에 있어서 Mock-up test의 결과에서 수화열 측정 결과들로, 도 20은 중심부와 상부 최고 온도 차이 및 도달시간의 차이를, 도 21은 수화열 온도 곡선을 나타낸다.
도 22 내지 도 23은 시멘트를 30중량%로 포함하는 II 시리즈의 콘크리트 배합 조성에 대한 성능 평가 결과들로, 도 22는 경과시간에 따른 굳지 않은 성상의 유지성능을, 도 23은 재령별 압축강도 발현특성을 나타낸다.
도 24는 본 발명이 적용된 일 실시예의 시공법의 흐름도이고, 도 25 내지 도 26은 도 24가 적용된 시공과정도이다.
도 27은 본 발명이 적용된 다른 실시예의 시공법 흐름도이고, 도 28은 도 27이 적용된 단면도이다.
본 발명은 콘크리트 조성물 중 결합재 성분에 있어서, 전체 결합재 100중량%에 대하여 시멘트를 30중량% 내지 50중량%만 사용하고, 그 나머지 50 내지 70중량%를 혼화재로 치환시킨 콘크리트 조성물을 제공한다.
대한건축학회의 건축시방서에서는 혼화재료를 ‘혼합시키기 위해 필요에 따라 몰탈 또는 콘크리트에 성분으로써 가해지는 재료’라고 정의하고 있다. 또한 콘크리트학회의 ‘콘크리트 표준시방서’에 혼화재료는 시멘트, 물, 골재 이외의 재료로 타설을 행하기 전까지 ‘필요에 따라 시멘트 페이스트, 몰탈 또는 콘크리트에 가해지는 재료’라고 정의되어 있다. 혼화재료 중에서 사용량이 비교적 소량이어서 배합설계에 용적을 고려하지 않는 것을 ‘혼화제’로, 비교적 다량으로 사용되기에 배합설계에서 무시할 수 없는 것을 ‘혼화재’라고 부른다.
혼화재의 일예로 플라이애쉬와 같은 포졸란 재료는, 포졸란과 시멘트의 수화에 의해 생성된 Ca(OH)2와 반응하여 칼슘 실리케이트 수화물 등이 생성됨으로써, 콘크리트 품질 특성을 개선시킬 수 있다. 특히 플라이애쉬는 입자가 구형이기 때문에 작업성(workability)도 개선되지만, 재료 분리 등의 발생 가능성도 있다.
플라이애쉬를 단위시멘트량의 일부로 치환하거나 잔골재의 일부로 치환하여 콘크리트를 제조할 경우, 일반적으로 플라이애쉬 입자의 볼베어링 효과로 목표슬럼프를 확보하는데 필요한 단위수량을 감소시킬 수 있다. 또한 현장 품질관리에 있어서 시공성 및 점성을 개선할 수 있기 때문에 재료분리 및 블리딩 현상을 감소시킬 수 있으며 펌프압송성, 마감성 등의 개선이 가능하고 장기재령에서의 포졸란 반응성으로 인하여 장기강도의 개선 및 수밀성, 내구성 등을 확보할 수 있다. 특히 콘크리트의 응결을 지연시키는 특성이 있기 때문에 장거리 운반을 해야할 경우에는 슬럼프 유지효과가 우수하며, 매스콘크리트 및 시중콘크리트에 플라이애쉬를 사용할 경우에는 콘크리트의 수화열을 낮출 수 있기 때문에 수화열에 의한 온도균열을 제어하는데 효과적이다.
한편, 고로슬래그 미분말은 포졸란 재료와 달리 알칼리 자극에 의해 칼슘 실리케이트, 칼륨 알루미네이트 및 칼슘 아미노실리케이트 수화물 등을 생성하며, 이를 잠재수경성이라고도 한다. 포졸란 반응과 잠재수경성과의 차이는 포졸란 반응이나 잠재수경성은 Ca(OH)2와의 반응에 의한 외부 수화물로서 칼슘 실리케이트, 칼륨 알루미네이트 등을 생성한다. 다만, 그 자신도 입자의 주변에 수화물을 형성하는 것이 잠재수경성이며, 그 자체의 수화만으로는 수화생성물을 형성하지 않는 것이 포졸란 물질이라고 할 수 있다.
시멘트 콘크리트 제조 산업에 있어서 환경부하를 감소시키기 위해서 슬래그와 같은 산업부산물의 활용을 높이는 것은 무엇보다도 큰 효과를 나타낼 수 있다. 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 혼합 사용함으로써, 시멘트 제조에 필요한 크링커의 상대적 사용량을 줄이고, CO2의 저감효과를 얻는 등의 효과 이외에, 블리딩이 적고 유동성이 우수한 콘크리트를 얻을 수 있고, 무혼입 콘트리트와 같은 정도의 초기강도를 얻을 수 있으며, 고강도 콘크리트에도 적용할 수 있다. 또한 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하면 고로슬래그 미분말의 치환율을 크게 하는 것에 의해, 발열속도가 저감되는 것과 동시에 콘크리트의 온도상승이 억제될 수 있고, 장기강도는 무혼입 콘크리트보다 크고 그 효과 또한 크며, 내해수성, 내산성, 내황산염성에 대해 효과가 있다. 또한 치밀한 콘크리트가 얻어져 수밀성, 염분차폐성 등이 향상된다. 이외에도 사용하는 시멘트의 알칼리량에 따라 그 치환율을 조정하여 알칼리 실리카 반응을 억제하는 효과도 얻을 수 있다.
이러한 잇점에서 본 발명의 콘크리트 조성물은 결합재 중 시멘트 30 내지 50중량%에, 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말로 이루어진 혼화재 50 내지 70중량%를 포함한다.
구체적으로 고로슬래그 미분말은 전체 결합재 성분 중 30 내지 60중량%로, 플라이애쉬는 10 내지 20중량%로 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
시멘트의 사용량이 50중량%에 가까운 정도라면 플라이애쉬의 사용량을 15중량% 이상, 바람직하게는 15 내지 20중량%로 하고, 고로슬래그 미분말의 사용량은 30 내지 35중량% 정도인 것이 바람직할 수 있다.
반면 시멘트의 사용량이 30중량%에 가까운 정도라면 플라이애쉬의 사용량을 10 내지 20중량%로 하고, 고로슬래그 미분말의 사용량은 50 내지 60중량% 정도인 것이 바람직할 수 있다.
그런데 이와 같이 시멘트의 사용량을 감소시키게 되면 시멘트의 수화진행이 상대적으로 지연된다. 이 경우, 건설현장에서는 콘크리트의 경화 속도가 지연됨에 따라 공사 지연 등의 부작용이 발생되어, 시멘트 사용량 감소에 따른 경제적, 환경적 유리점을 상쇄시킬 수 있다.
따라서 콘크리트의 경화 지연을 최소화하기 위해 시멘트 사용량 감소에 따른 혼화재의 수화 반응을 촉진시킬 필요가 있다.
혼화재의 반응 활성화를 위해서는 단위수량을 감소시킴에 따른 물-결합재비를 저감시키거나, 혼화재의 수화반응을 촉진시키는 기능이 있는 기능성 혼화제의 적용 등의 방법을 고려할 수 있다.
이러한 견지에서, 본 발명의 콘크리트 조성물은 감수제로서 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 포함한다.
폴리카르본산계 고성능 AE감수제는 표준형 AE감수제인 리그노 설페이트계와 대비하여 비중이 작고, 고형분 함량이 적으며 감수율은 현저히 높다. 본 발명의 친환경 콘크리트의 경우 단위수량 및 물-결합재비가 일반 콘크리트와 대비하여 감소하기 때문에 감수효과가 우수한 폴리카르본산계 고성능AE감수제가 가장 바람직하다. 그런데 폴리카르본산계 고성능 AE감수제의 경우 리그노설페이트계의 AE감수제와 대비하여 초기 강도 지연이 발생될 수 있는바, 이를 고려하여 바람직하기로는 감수형 폴리카르본산계 고성능 AE감수제와 유지형 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 혼용하는 것이 바람직할 수 있다.
폴리카르본산계 고성능 AE감수제는 감수형과 유지형으로 구분되는데, 감수형인 고성능 AE감수제는 단위수량 절감효과가 우수하고, 경과시간에 따른 유지성능은 미약하나, 단위수량 저감 등에 기인한 수화 촉진 효과를 발현할 수 있고, 유지형인 고성능 AE감수제는 단위수량 절감 효과는 미약하나 경과시간에 따른 유지성능이 우수한 반면, 수화 촉진효과는 미흡하다. 이를 고려할 때 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 감수형인 것과 유지형인 것을 혼용하는 것이 바람직할 수 있다. 감수형의 배합비율이 높을수록 초기 슬럼프를 만족시키는 단위수량의 감소량은 상대적으로 소폭 증가하나, 경시변화에 있어서 슬럼프 관리 범위는 모두 만족시키지만, 유지형의 배합비가 높은 경우에 비해서는 경시변화가 상대적으로 클 수 있다. 강도 발현의 특성에 있어서는 감수형의 배합비가 높을수록 초기 재령에서의 강도 발현성은 소폭 향상되나, 장기재령에서는 배합비 차이에 따른 영향은 적다. 따라서 유지형과 감수형의 배합비가 유사한 수준인 것이 바람직할 수 있다. 이러한 점에서, 감수형 폴리카르본산계 고성능AE감수제와 유지형 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 배합비 3:7 내지 7:3중량비, 바람직하기로는 5:5 내지 7:3중량비로 혼용하는 것이 좋을 수 있다. 이러한 폴리카르본산계 고성능AE감수제의 함량은 결합재 중량 100중량부에 대해 0.5 내지 1.0중량부, 바람직하게는 0.7 내지 0.8중량부인 것이 단위결합재량과 물-결합재비를 고려할 때 좋을 수 있다.
그런데 시멘트의 사용량은 전체 결합재 중 30중량% 정도까지 낮추게 되면 혼화재의 수화 촉진을 위해서 상기한 폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 적용하여 단순히 수화 촉진 자극제의 역할을 하도록 하는 것 이외에, 수화가 활발히 진행될 수 있는 알칼리 환경을 조성해주는 것이 가장 효과적인 방법일 수 있다.
이에, 본 발명의 콘크리트 조성물은 알칼리 이온화 촉진제를 더 포함할 수 있다.
알칼리 이온화 촉진제로는 인산계 또는 아민계 등을 들 수 있는데, 본 발명의 콘크리트 조성물의 경우 아민계의 알칼리 이온화 촉진제를 포함한다. 특히 아민계 알칼리 이온화 촉진제 중 트리에틸아민 이외에 변성 아민계를 포함한다. 구체적인 일예로 알칼리 이온화 촉진제는 트리에틸아민(TEA), 이소프로필아민(IA) 및 페닐프로파놀아민(PPA) 중에서 선택된 적어도 1종의 것을 사용할 수 있다.
알칼리 이온화 촉진제로서 TEA를 사용하면 초기 재령에서의 강도 발현 촉진이 가장 우수하지만, 장기재령에서는 강도 발현이 다소 저하할 수 있고, PPA의 경우에는 초기 재령에서는 상대적으로 강도 발현이 다소 지연되지만, 장기재령에서는 강도 증가에 효과적일 수 있다. IA의 경우, 다른 아민계 알칼리 이온화 촉진제와 유사한 경향을 나타나지만, 상대적으로 강도 발현은 낮은 편이다.
이를 고려할 때, 알칼리 이온화 촉진제로 가장 좋기로는 트리에틸아민과 페닐프로파놀아민을 혼용하는 것일 수 있다. 알칼리 이온화 촉진제의 사용량은 단위결합재량 100중량부에 대해 약 0.01 내지 0.02중량부일 수 있고, 바람직하게는 TEA 0.002 내지 0.005중량부와 PPA 0.005 내지 0.01중량부를 혼용하는 것, 가장 바람직하게는 TEA 0.003중량부와 PPA 0.01중량부를 혼합 사용하는 것일 수 있다. PPA의 사용량이 과도할 경우에는 수화 지연에 따른 강도 저하 발생 가능성이 있을 수 있다.
상술한 것과 같은 성분들을 포함하는 콘크리트 조성물은 일반적인 매스콘크리트와 대비하여 단위결합재량, 단위수량, 물-결합재비, 잔골재율 등이 조절되는데, 구체적으로 단위수량은 160 내지 170㎏/㎥, 단위결합재량이 300 내지 390kg/㎥, 단위잔골재량 920 내지 960㎏/㎥ 및 단위굵은골재량 800 내지 910㎏/㎥이고, 물-결합재비(W/B)가 40 내지 56중량%, 잔골재율(S/a)이 40 내지 56중량%인 조성을 갖는 것이 바람직하다.
시멘트가 전체 결합재 중 30 내지 50중량% 범위에서 변량될 수 있음에 따라, 상기한 범위 내에서 단위결합재량, 단위수량, 물-결합재비, 잔골재율, 단위 굵은골재량 등도 시멘트 량에 따라 적의 조절되어야 함은 물론이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하는바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것이 아님은 물론이다.
< 실시예 >
본 발명에서 사용된 각 원료 성분의 구체적인 물성은 다음 표 1과 같다.
시멘트 포틀랜드시멘트 1종 (OPC) 국내 H사, 밀도 3.15, 분말도 3,454
혼화재 플라이애쉬 (FA) 보령화력, 밀도 2.19, 분말도 3,740
고로슬래그 미분말(BFS) 국내 S사, 밀도 2.90, 분말도 4,20
잔골재 세척사 (S) 밀도 2.60, 조립률 2.78 흡수율 1.0
굵은골재 부순골재 (G) 최대치수 25mm, 밀도 2.62 조립율 6.60,
흡수율 0.88
한편, 본 발명에서 사용된 폴리카르본산계 고성능 AE감수제와 표준적인 AE감수제의 물성을 대비하여 다음 표 2로 나타내었다.
종류 AE감수제 고성능AE감수제
Type 리그노-설페이트계 폴리카르본산계
비중 1.040
고형분 (%) 38 18
감수율 (%) 10~12 19이상
실시예 1: 폴리카르본산계 고성능 AE감수제 유형에 따른 영향 확인
콘크리트 조성물의 배합은 다음 표 3과 같다.
감수제의 함량은 결합재 중량에 대한 백분율, 즉 결합재 중량 100중량부에 대한 중량부이다.
W/B
(%)		 S/a
(%)		 중량배합 (kg/㎥)
W C BFS FA G S 고성능AE감수제
50.3 48 165 165 66 33 860 939 0.7중량%
주) 콘크리트 유동성 측면을 고려하여 목표 슬럼프는 180 ± 25 mm로 설정
상기 표 3의 배합비에 따르되, 고성능AE감수제를 감수형인 것과 유지형인 것을 일정 중량비로 혼용하면서 시험한 결과를 다음 표 4로 나타내었다.
강도
규격
(MPa)		 결합재 혼화제
타입별
배합비
(중량비)		 시험 결과
혼입율 (중량%) Slump
(mm)		 Air
(%)		 변동
수량 (kg)		 압축강도 (MPa)
OPC BFS FA 감수형 유지형 1 3 7 28
24 50 30 20 3 7 195 175 5.3 4.4 -0.8 2.0 12.3 21.2 37.6
5 5 195 170 5.2 4.2 -1.5 2.1 12.5 21.5 37.4
7 3 195 165 5.4 4.3 -2.2 2.7 12.7 20.9 37.0
주) ① 변동 수량은 목표 슬럼프 범위 확보시 설계 수량에 대한 실제 사용수량의 차이를 나타냄 ② 목표 슬럼프 : 180 ± 25 mm
상기 표 4의 결과로부터, 감수형 고성능AE감수재의 배합비율이 높을수록 초기 슬럼프를 만족시키는 단위수량의 감소량은 상대적으로 소폭 증가하는 것으로 나타났으나, 경시변화에 있어서 슬럼프 관리 범위 (180±25 mm)는 모두 만족시키지만, 유지형의 배합비가 높은 경우에 비해서는 경시변화가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 이는 경시변화에 효과적인 수량이 감수형 원자재의 사용비율이 증가함에 따라 목표 슬럼프를 만족시키는 단위수량이 감소하기 때문에 경시변화가 소폭 증가하는 것이라 할 수 있다. 강도 발현의 특성에 있어서는 감수형 고성능AE감수재의 배합비가 높을수록 초기 재령에서의 강도 발현성은 소폭 향상되는 것으로 나타났으나, 장기재령에서는 배합비 차이에 따른 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 친환경 콘크리트의 작업성 및 강도 발현성을 고려할 경우 유지형과 감수형의 배합비가 유사한 수준으로 설계하는 것이 가장 효과적일 것으로 판단되며, 실 사용시에는 원자재의 품질 상태에 따라 사전 품질 확인 후 배합비를 조정할 필요가 있음을 확인하였다.
실시예 2: 알칼리 이온화 촉진제 종류에 따른 영향 확인
콘크리트 조성물의 배합은 다음 표 5와 같다.
감수제(AD)의 함량은 결합재 중량에 대한 백분율, 즉 결합재 중량 100중량부데 대한 중량부이고, 이때 감수제는 유지형:감수형이 5:5중량비로 혼합된 고성능 AE감수제이다. 표 5에 있어서, ‘기준배합’은 OPC 50% 배합의 일예이다.
배합 W/B
(%)		 S/a
(%)		 중량배합 (kg/㎥)
W OPC BFS FA G S AD
기준배합 49.4 48.0 163 165 99 66 860 939 0.7%
OPC 30% 46.7 48.0 154 99 181 50 868 947
주) 콘크리트 유동성 측면을 고려하여 목표 슬럼프는 180 ± 25 mm로 설정
상기 표 5와 같은 콘크리트 배합에 있어서, OPC 30% 배합에는 단위결합재량에 대해 다음 표 6과 같은 조성으로 알칼리 이온화 촉진제 종류를 달리하여 모르타르 강도를 평가한 결과는 다음 표 6과 같다. 모르타르 강도 시험은 ‘KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험 방법’에 준하여 시험하였다. 하기 표 6에 있어서 알칼리 이온화 촉진제의 첨가율은 단위결합재량에 대한 백분율(즉 단위결합재량 100중량부에 대한 중량부)를 의미한다.
첨가율 (X10-3
중량%)		 TEA 1 3 5
PPA 1 5 10 15 1 5 10 15 1 5 10 15
압축
강도
(MPa)		 2일 8.4 7.1 7.0 6.2 9.7 9.5 8.9 7.2 10.8 10.5 8.8 7.6
3일 15.9 15.4 15.3 14.8 16.1 15.2 15.0 15.1 16.0 15.8 15.2 15.2
7일 31.4 32.0 31.8 32.5 34.2 34.9 35.1 34.5 32.5 34.1 33.8 33.9
28일 58.6 59.2 59.5 58.8 61.7 62.5 64.7 64.6 57.4 56.9 61.4 60.7
또한 재령별 모르타르 강도 발현 특성을 도 1로 나타내었다.
혼합 사용 방식에 따른 모르타르 압축강도 발현 특성은, TEA 0.003%의 경우가 가장 강도 발현이 양호한 것으로 나타났으며, 특히 PPA 0.01% 혼합한 경우가 모든 배합에서 가장 강도 발현이 양호한 것으로 나타났다. PPA 0.015% 혼합한 경우도 장기 강도 발현성은 우수하지만 초기 강도 발현이 상대적으로 지연되는 것으로 나타나서, TEA 0.003%와 PPA 0.01% 혼합 사용하는 것이 가장 효과적인 방법임을 알 수 있다.
한편, 도 2와 같은 단열 용기에 의한 간이 수화발열을 측정하여 알칼리 이온화 촉진제 혼용에 의한 수화 촉진의 효과를 수화발열로 평가하여 그 결과를 도 3으로 나타내었다. 도 3은 TEA 0.003%에 대해 PPA 0.001~0.015% 까지의 혼합된 알칼리 이온화 자극제를 사용한 모르타의 간이 수화발열 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3의 결과로부터, PPA의 사용량이 증가할수록 수화 발열이 지연되는 것으로 나타났으며, PPA 0.015%의 경우에는 최고 수화열도 소폭 저하하는 것으로 나타나, PPA의 사용량이 과도할 경우에는 수화 지연에 따른 강도 저하 발생 가능성이 있을 것으로 예측된다.
실시예 3
본 실시예 3의 전체적인 시험진행을 I 시리즈와 II 시리즈로 구분하고, 각각의 실험요인 및 성능 평가 항목을 요약하여 다음 표 7로 나타내었다.
다음 표 7로 요약한 것과 같이 Ⅰ시리즈에서는 FA 20%만 치환한 일반적인 저발열 콘크리트 적용 배합을 대상으로 OPC 50% 수준에 대해 BFS 및 FA를 혼합하여 배합강도 규격별 배합 성능을 비교하였다. 검토 항목으로서는 콘크리트 기초물성으로서 슬럼프, 공기량, 경시변화 및 압축강도, 탄성계수를 평가하였으며, 내구성으로는 염화물 이온 침투 저항성을 Nt-Build법에 준하여 실험을 진행하였고, ‘KS F 2525 콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법’에 준하여 콘크리트의 중성화 진행 정도를 평가하였다. 또한 친환경 콘크리트의 실생산성을 검토하고 저발열 콘크리트로서 가장 중요한 수화열을 비교평가하기 위해, 배합강도 규격별 기존에 사용되는 일반적인 저발열 콘크리트와 친환경 콘크리트에 대한 Mock-up 시험을 진행하였다.
Ⅱ시리즈에서는 OPC 30% 수준에 대한 친환경Ⅱ 저발열 콘크리트 배합에 대해 성능 평가를 진행하였다. 실험 진행 방법은 배합강도 규격별 Ⅰ시리즈에서 검토된 OPC 50% 수준 배합을 기준으로하여 OPC 30% 수준 설계 배합의 성능을 비교 평가하였다. 검토 항목으로서는, 슬럼프, 공기량, 경시변화, 압축강도를 평가하였다.
목표 슬럼프의 경우에는 대부분의 시험에서는 동일한 조건을 부여할 목적으로 180 ±25 mm로 하였으며, 다만 Mock-up 시험의 경우에는 실생산성을 검토하기 위해 진행한 것으로서 기존에 사용되던 일반적인 저발열 콘크리트의 목표 슬럼프를 150±25 mm, 친환경 콘크리트 배합들은 180±25 mm로 설정하여 성능평가를 진행하였다.
시험 진행 실험 요인 및 성능 평가 항목
Ⅰ
시리즈		 OPC 50% - 검토 규격 : 21, 24, 27, 30 MPa
- 배합 ① 기존배합 : FA 20% 대체 2성분계 콘크리트
② 친환경배합Ⅰ : OPC 50% 설계 (BFS 30%+FA 20%)
- 기초물성 ① 굳지않은 성상 : 슬럼프, 공기량, 경시변화 (60분)
② 경화 성상 : 압축강도 (1, 3, 7, 14, 28, 56일)
탄성계수 (28. 56일)
- 내구성 ① 촉진 탄산화 시험 (중성화 깊이 측정 : 1, 2, 4, 8주)
② 염화물 이온 침투 저항성 (NT-Build법 : 재령 28일)
- Mock-up : 콘크리트 기초물성, 수화열
Ⅱ
시리즈		 OPC 30% - 검토 규격 : 21, 24, 27, 30 MPa
- 배합 ① 친환경배합Ⅰ : OPC 50% 설계 (BFS 30%+FA 20%)
⇒ Ⅰ시리즈 검토 친환경배합Ⅰ을 기준배합으로 설정
② 친환경배합Ⅱ : OPC 30% 설계 (BFS 55%+FA 15%)
- 기초물성 ① 굳지않은 성상 : 슬럼프, 공기량, 경시변화 (60분)
② 경화 성상 : 압축강도 (3, 7, 14, 28, 56일)
시리즈별 배합 구분의 편의성을 위해 기존에 일반적으로 사용되던 FA 20% 치환 저발열 콘크리트를 기존배합(기존)으로, OPC 50% 수준의 3성분계 친환경 콘크리트 배합을 친환경배합Ⅰ(친환경Ⅰ)으로, OPC 30% 수준의 3성분계 친환경 콘크리트 배합을 친환경배합Ⅱ(친환경Ⅱ)으로 배합명을 구분하였다.
I 시리즈 적용 콘크리트 배합물의 구체적인 성분비를 다음 표 8로, II시리즈 적용 콘크리트 배합물의 구체적인 성분비를 다음 표 9로 나타내었다.
Ⅰ시리즈 적용 콘크리트 배합(OPC 50%)
배합 W/B
(%)		 S/a
(%)		 중량배합 (kg/㎥)
W OPC BFS FA S G AD 0.7 %
21 MPa 일반 56.7 49.5 173 244 　 61 888 913 2.1 지연형
친환경Ⅰ 55.3 49.7 166 150 90 60 903 921 2.1 PC계
24 MPa 일반 51.3 48.5 172 268 　 67 860 920 2.4 지연형
친환경Ⅰ 50.3 48.7 166 165 99 66 873 926 2.3 PC계
27 MPa 일반 46.5 47 172 296 　 74 819 931 2.6 지연형
친환경Ⅰ 45.8 47.2 165 180 108 72 835 942 2.5 PC계
30 MPa 일반 43.3 46 171 316 　 79 795 940 2.8 지연형
친환경Ⅰ 42.6 46.2 164 192 116 77 809 950 2.7 PC계
(주) 지연형: 표준형 리그노-설페이트계 AE감수제
PC계: 폴리카르본산계 고성능 AE감수제(유지형:감수형=5:5중량비)
Ⅱ시리즈 적용 콘크리트 배합(OPC 30%)
배합 W/B
(%)		 S/a
(%)		 중량배합 (kg/㎥)
W OPC BFS FA S G AD 0.7 %(PC)
21 친환경Ⅰ 55.3 49.7 166 150 90 60 903 921 2.1 일반형
친환경Ⅱ 53.7 161 90 165 45 909 927 알칼리
24 친환경Ⅰ 50.3 48.7 166 165 99 66 873 926 2.3 일반형
친환경Ⅱ 48.8 161 99 181 50 879 933 알칼리
27 친환경Ⅰ 45.8 47.2 165 180 108 72 835 942 2.5 일반형
친환경Ⅱ 44.4 160 108 198 54 842 949 알칼리
30 친환경Ⅰ 42.6 46.2 164 192 116 77 809 950 2.7 일반형
친환경Ⅱ 41.6 160 115 212 58 814 955 알칼리
(주) 일반형: 알칼리 이온화 촉진제 무첨가
알칼리: 알칼리 이온화 촉진제 첨가(TEA 0.003중량%와 PPA 0.010중량%, 단위결합재량에 대한 백분율)
I 시리즈 시험 결과
<콘크리트의 기초물성>
Ⅰ시리즈에서 기존배합 대비 친환경배합Ⅰ에 대한 콘크리트의 기초물성 측정 결과를 다음 표 10으로 나타내었다.
굳지않은 성상 중 목표 슬럼프를 만족시키는 설계 수량 대비 단위수량의 변동량을 도 4에, 경과시간에 따른 슬럼프 및 공기량의 변동폭을 도 5에 나타내었다.
단위수량의 변동량은 생산 시점에서 원자재의 특성, 특히 골재의 입도, 시멘트 분말도 등의 영향을 크게 받기 때문에 본 연구 범위에서는 임의로 목표 슬럼프를 만족시키기 위해 첨가된 수량을 의미한다. 배합 시험 결과, 배합에 따른 설계 수량 대비 단위수량 변동은 기존배합의 경우 설계수량에 비해 단위수량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 원 설계 배합의 목표 슬럼프가 150±25 mm인데 비해 본 연구범위에서는 초기 슬럼프 범위를 동일하게 설정하고자 임의로 목표 슬럼프를 180±25 mm로 상향시킴에 따라 단위수량이 증가한 것이다. 친환경배합Ⅰ의 경우 배합강도가 증가할수록 목표 슬럼프를 만족시키는 단위수량의 변동량은 감수가 되는 것으로 나타났으며, 이는 배합강도가 증가할수록 결합재 중 BFS 및 FA의 설계량에 의해 유동성이 증진된 효과로 판단된다. 경과시간에 따른 유지성능에 있어서는, 모든 배합강도에서 기존배합에 비해 친환경배합Ⅰ의 슬럼프 유지성능이 양호한 것으로 나타났다. 이는 혼화재의 사용량의 증가와 폴리카르본산계 고성능 감수제의 영향으로 판단된다. 공기량의 유지성능에 있어서는 대체적으로 친환경배합Ⅰ이 기존배합에 비해 공기량 저하 폭이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 사용된 혼화제의 성분 차이에 기인하는 것으로 사료된다.
Ⅰ시리즈 콘크리트 기초물성 측정 결과
21 MPa 24 MPa 27 MPa 30 MPa
기존 친환경Ⅰ 기존 친환경Ⅰ 기존 친환경Ⅰ 기존 친환경Ⅰ
굳지 않은 성상 제조 직후 mm 185 190 195 200 190 205 200 205
60 분 mm 135 165 155 180 145 180 170 185
제조 직후 % 5.7 4.5 5.5 4.5 4.8 4.6 5.6 6.0
60 분 % 4.4 30 4.4 3.6 3.7 3.4 4.2 4.3
설계 대비
변동 수량		 kg/m3 2.6 1.3 3.3 2.0 3.8 1.9 4.0 2.6
압축강도

MPa		 1 일 2.6 1.3 3.3 2.0 3.8 1.9 4.0 2.5
3 일 12.9 9.9 15 13 18.7 16.2 17.8 16.9
7 일 19.9 20.5 21.4 23.5 27.6 29.6 28.1 30.2
14 일 25.3 27.8 26.9 30.1 32.1 35.9 33.8 39.4
28 일 31.9 33.9 35.2 39.6 39.3 41.8 41.2 44.9
56 일 35.8 38.5 38.1 43.5 42.4 46.5 44.3 49.1
탄성계수
GPa		 28 일 25.6 27.4 26.8 28.0 28.5 28.7 28.8 30.4
56 일 27.5 29.6 29.5 30.7 29.7 30.5 30.5 30.7
재령별 압축강도 발현 특성을 도 6에 나타내었다.
배합강도별 배합 종류에 따른 강도 발현 특성에 있어서, 모든 배합강도에서 초기 재령에서는 기존배합이, 장기재령에서는 친환경배합Ⅰ의 강도 발현이 높게 나타나고 있다. 이는 설계 OPC의 양이 많은 기존배합이 초기에는 강도 발현 특성에 효과적이고, 혼화재 사용량이 많은 친환경배합Ⅰ은 장기재령에서의 강도 발현에 효과가 있기 때문으로, 혼화재의 사용이 증가할 경우, 물-결합재비를 저감시키는 등의 배합 설계 보정을 통해 초기 강도 지연을 최소화시켜야 한다. 본 실험 결과 친화경 콘크리트는 재령 14일 이후에는 기존배합과 동등 이상의 강도 발현을 하는 것으로 나타나, 타설 직후 소정의 양생을 확보한다면, 강도 발현 지연에 따른 공사진행의 지연 발생은 거의 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
재령 28일 및 재령 56일에서의 탄성계수 측정 결과 응결-변형 곡선을 도 7 및 도 8에, 탄성계수를 도 9에 나타내었다.
탄성계수 측정 결과 모든 배합강도에서 기존배합에 비해 친환경배합Ⅰ의 탄성계수가 증가한 것으로 나타났으며, 약 2 GPa 내외의 탄성계수 차이를 나타내고 있다. 측정 탄성계수와 압축강도에 대한 산출된 이론 탄성계수를 비교하면, 이론 탄성계수에 있어서도 기존배합에 비해 친환경배합Ⅰ의 탄성계수 값이 증가한 것으로 나타났으나, 실측 탄성계수에 비해 그 증가 폭은 소폭 감소하는 경향을 나타내고 있다(도 9(a)).
재령에 따른 탄성계수 측정 결과를 살펴보면, 재령 28일에 비해 재령 56일에서의 탄성계수는 모든 배합에서 증가한 것으로 나타났으며, 배합에 따른 특성에 있어서는 재령 28일에 비해 재령 56일에서는 기존배합과 친환경배합Ⅰ의 탄성계수 값 차이가 감소하는 경향을 나타내고 있다(도 9(b)).
<콘크리트의 내구성>
(1) 촉진 탄산화 시험
Ⅰ시리즈에서 기존배합과 친환경배합Ⅰ의 촉진 탄산화 시험 결과를 표 11에, 촉진 재령별 중성화 깊이를 도 10에, 촉진 재령별 탄산화 속도 계수의 변화를 도 11에, 촉진 재령 8주 시험체를 도 12에 나타내었다.
촉진 탄산화 시험은 시험체 제작 후 표준수중양생 4주, 항온대기양생 4주 후 상면을 제외한 나머지 면은 모두 에폭시 코팅을 하여 탄산가스의 침투를 최대한 억제하도록 조치 후 탄산가스 5% 대기중에 시험체를 양생시켜 중성화 깊이를 측정하는 것으로서, 촉진 양생 개시 시점에서의 콘크리트의 압축강도는 모든 배합강도 영역에서 기존배합에 비해 친환경배합Ⅰ이 높게 나타나고 있지만, 표준수중양생을 8주 진행한 표준수중양생 시험체에 비해서는 기존배합 및 친환경배합Ⅰ 모두 압축강도 발현이 소폭 감소하는 것으로 나타났다.
촉진 탄산화 시험 결과
21 MPa 24 MPa 27 MPa 30 MPa
기존 친환경Ⅰ 기존 친환경Ⅰ 기존 친환경Ⅰ 기존 친환경Ⅰ
압축강도
(MPa)		 탄산화 양생 34.1 36.7 35.5 41.2 40.9 45.1 43.2 47.9
표준수중양생 35.8 38.5 38.1 43.5 42.4 46.5 44.3 49.1
중성화
깊이
(nn)		 1 주 8.52 8.96 7.33 7.06 4.45 4.43 1.37 0.86
2 주 10.37 10.76 8.27 8.35 5.87 5.03 3.01 2.91
4 주 13.68 13.16 9.87 9.35 7.58 7.31 5.09 4.89
8 주 15.70 15.00 11.10 10.80 8.60 8.10 6.50 5.90
촉진 탄산화에 따른 콘크리트의 중성화 깊이의 변화를 살펴보면, 촉진 초기 재령에서는 OPC 사용량이 많은 기존배합이 친환경배합Ⅰ에 비해 중성화 깊이가 적은 것으로 나타났으나, 재령이 경과함에 따라 친환경배합Ⅰ의 중성화 깊이가 기존배합에 비해 적게 나타나고 있다. 이는 촉진 초기 OPC의 수화생성물인 수산화칼슘에 의한 콘크리트 알칼리 환경이 친환경배합Ⅰ에 비해 기존배합이 보다 양호하기 때문에 촉진 초기에는 중성화 깊이가 기존배합이 상대적으로 적게 나타나지만, 압축강도 발현 특성과 같이 친환경배합Ⅰ의 경우 내부 조직의 치밀도가 기존배합에 비해 높다고 할 수 있기 때문에 밀실도의 차이에 의해 장기재령에서 중성화의 진행 역전 현상이 나타나는 것으로 예측된다.
탄산화 속도 계수의 산출은 다음 식과 같다.
Figure 112014050471309-pat00001
상기의 식을 통해 탄산화 속도 계수를 구한 결과, 상대적으로 낮은 배합강도 영역인 21 및 24 MPa에서는 촉진 초기 재령의 탄산화 계수값은 기존배합이 친환경배합Ⅰ에 비해 낮은 것으로 나타났으나, 27 및 30 MPa의 경우에는 친환경배합Ⅰ이 기존배합에 비해 낮은 계수값을 나타내고 있으며, 이는 콘크리트 내부 조직의 치밀도와 상관성이 있는 것으로 판단된다.
재령의 경과함에 따른 탄산화 속도 계수의 변화는 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 장기 재령에서는 거의 일정한 수준의 계수값을 유지하는 것으로 나타났다. 배합에 따른 탄산화 속도 계수는 거의 유사한 수준으로 판단된다(도 11).
이상의 촉진 탄산화 시험 결과, 친환경 콘크리트는 혼화재의 사용량이 많이 때문에 콘크리트의 알칼리 환경 조성 정도는 기존에 사용되던 일반 저발열 콘크리트에 비해 친환경 콘크리트가 다소 저하하지만, 혼화재에 의한 내부 조직 치밀도 등은 친환경 콘크리트가 일반 저발열 콘크리트에 비해 우수하기 때문에 CO2 가스에 의한 탄산화의 심화 우려는 거의 없을 것으로 판단된다.
(2) 염화물 이온 침투 저항성
NT-Build 법에 의한 염화물 이온 침투 저항성 평가를 수행하였다.
NT-Build법은 염화물 이온 환경하에서 전기적 자극에 의해 염화물 이온의 침투 깊이를 측정하는 방법으로 염화물 이온 이동 계수의 산정방법은 다음과 같다.
Figure 112014050471309-pat00002
D nssm : 비안정화 상태 이동 계수, ×10-12m2/s ;
U : 적용 전압의 절대값, V ;
T : 양극 용액의 초기와 최종 온도의 평균값, ℃ ;
L : 시편의 두께, mm ;
χ d : 침투깊이의 평균값, mm ;
t : 시험유지기간, hour.
재령 28일 및 56일에서의 염화물 이온 침투 시험 결과를 표 12에, 침투 깊이를 도 13에, 비안정화 상태 이동 계수를 도 14에 나타내었으며, 재령 28일 및 56일에서의 염화물 이온 침투 시험 시험체를 도 15 및 도 16에 나타내었다.
염화물 이온 침투 저항성 시험 결과
배합
강도
(MPa)		 재령
(일)		 배합 전류 (mA) 온도(℃)　 시험체
두께
(mm)		 침투
깊이
(mm) 		이동계수
(10-12m2/s)
초기 최종 초기 최종
21 28 기존 59.1 50.8 23.3 21.1 52.3 27.8 13.64
친환경Ⅰ 48.4 58.3 22.5 26.3 49.4 28.3 11.35
56 기존 28.7 39.5 26.0 21.5 49.8 22.2 7.74
친환경Ⅰ 26.6 36.0 26.8 22.9 49.9 17.6 6.09
24 28 기존 40.4 37.0 23.4 20.3 51.2 21.7 10.24
친환경Ⅰ 42.9 49.1 21.5 26.3 49.9 23.2 9.31
56 기존 27.8 38.1 26.1 21.9 49.4 18.5 6.35
친환경Ⅰ 21.0 28.7 26.7 22.7 49.9 16.6 5.72
27 28 기존 45.1 39.2 23.4 20.1 50.4 19.5 9.01
친환경Ⅰ 43.0 50.8 22.7 26.4 49.2 20.7 9.50
56 기존 28.5 39.4 26.1 22.2 50.1 16.7 5.75
친환경Ⅰ 21.0 29.2 26.8 23.1 50.1 13.5 4.60
30 28 기존 45.0 41.7 23.4 20.0 52.3 17.0 8.05
친환경Ⅰ 39.2 44.5 22.0 26.3 50.3 18.2 8.45
56 기존 24.8 33.6 26.2 22.4 51.8 12.8 4.48
친환경Ⅰ 18.2 31.9 26.9 24.1 49.8 11.4 3.07
염화물 이온 침투 저항성 평가 결과, 측정 재령에 따른 염화물 이온 침투 깊이에 있어서는 재령 28일에서는 기존배합이 친환경배합Ⅰ에 비해 침투 깊이가 적은 것으로 나타났으나, 재령 56일에 있어서는 모든 배합강도 영역에서 변경배합이 기존배합에 비해 침투 깊이가 적은 것으로 나타났다. 이는 혼화재에 의한 지속적인 수화 반응이 진행되어 내부 조직의 치밀도가 친환경배합Ⅰ이 높아졌기 때문인 것으로 예측된다.
이동계수 산출 결과에서는, 재령 56일 측정 결과 모든 배합강도 영역에서 친환경배합Ⅰ이 기존배합에 비해 이동계수가 낮게 나타나고 있으며, 재령 28일의 경우에도 배합강도 21 및 24 MPa에서는 이동계수가 친환경배합Ⅰ이 낮게 나타나고 있다. 침투깊이의 경우에는 재령 28일에 21 및 24 MPa에서는 침투깊이가 친환경배합Ⅰ이 기존배합에 비해 깊은 것으로 측정되었지만, 시험체 두께, 측정 전류 및 온도 등을 고려한 이동계수에 있어서는 친환경배합Ⅰ이 기존배합보다 양호한 것으로 산출되었다. 따라서 혼화재의 사용을 통한 적정 강도 이상 확보할 경우에는, 염해에 대한 저항성이 향상되는 것으로 판단되며, 특히 혼화재를 다량 사용할 경우 혼화재에 의한 포졸란 반응이나 잠재수경성 반응을 통해 장기재령에서 더욱 효과가 클 것으로 판단된다.
(3) Mock-Up Test
기존 저발열 콘크리트와 친환경 콘크리트의 실생산성 및 수화발열 특성을 평가하기 위해 1m3 모의 부재를 제작하여 Batcher Plant에서 실생산 후 콘크리트 기초물성을 평가하고 수화열 측정을 위한 단열 부재에 콘크리트를 타설하였으며, 부재 제작 및 시험 진행을 하였다.
부재 시험의 경우에는 기존배합의 경우 목표 슬럼프를 원 규격인 150±25 mm로 하였으며, 친환경배합Ⅰ은 180±25 mm으로 관리 범위를 설정하였다. 부재시험 결과를 표 13에 경과시간에 따른 슬럼프 및 공기량의 저하 폭을 도 17에, 배합강도 대비 재령별 강도 발현율을 도 18에, 코아 공시체 압축강도 측정 결과를 도 19에 나타내었다.
Mock-up Test 결과
배 합 21 MPa 24 MPa 27 MPa 30 MPa
일반 친환경Ⅰ 일반 친환경Ⅰ 일반 친환경Ⅰ 일반 친환경Ⅰ
굳지 않은 성상 제조 직후 mm 140 195 165 180 155 205 155 195
60 분 mm 130 185 155 170 140 195 140 190
제조 직후 % 6.0 6.0 5.6 5.7 5.5 5.8 5.0 5.8
60 분 % 5.4 5.4 5.0 5.2 5.0 4.8 4.6 5.0
압축강도

MPa		 1 일 3.3 2.2 3.6 3.0 4.0 2.5 4.3 3.2
3 일 10.6 9.5 11.9 9.2 12.7 9.1 13.4 9.2
7 일 15.3 14.6 17.0 15.1 17.3 16.2 19.0 17.6
28 일 22.5 23.9 26.1 28.7 29.4 32.5 31.4 35.2
56 일 - - - - - - - -
코아 강도
MPa		 28 일 20.8 22.2 24.0 25.9 26.9 28.7 30.0 32.0
56 일 - - - - - - - -
경과시간에 따른 굳지않은 성상의 유지성능에 있어서는, 배합강도가 높을수록 슬럼프 유지성능에 있어서는 기존배합이 친환경배합Ⅰ에 비해 저하하는 것으로 나타났다. 이는 결합재량과 OPC양의 차이 외에도 혼화제의 성능 차이에 기인하는 것으로 판단되며, 일정 수준 이상의 결합재를 사용할 경우에는 가급적 혼화재의 사용량을 증가시켜 배합설계 하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
공기량의 경시변화에 있어서는 기준배합에 비해 친환경배합Ⅰ의 공기량 저하 폭이 더 큰 것으로 나타났다. 특히 배합강도가 증가할수록 공기량의 저하 폭은 증가하는 경향으로 나타났다.
표준양생 시험체에 대한 재령별 압축강도 측정 결과, 재령 7일까지는 기존배합이 친환경배합Ⅰ에 비해 강도 발현이 양호하지만, 재령 28일에는 모든 배합강도 영역에서 친환경배합Ⅰ이 기존배합에 비해 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 배합대비 강도 발현율을 살펴보면, 재령 7일까지는 배합강도가 저하할수록 강도 발현율이 증가하는 경향을 나타내지만, 재령 28일에서는 배합강도가 높을수 록 강도 발현율도 증가하는 경향이 나타나고 있다. 이는 기존배합과 친환경배합Ⅰ 모두 혼화재를 사용하고 있기 때문에 장기강도 증진의 효과로 판단된다.
수화열 측정 모의부재에 대한 코아공시체를 채취하여 강도 측정 결과, 코아 공시체의 압축강도 발현도 기존의 시험 데이터와 동일하게 기존배합에 비해 친환경배합Ⅰ의 압축강도가 높은 것으로 나타났으며, 친환경배합Ⅰ의 경우에는 배합강도를 모두 확보하는 것으로 나타났다. 모든 배합에서 표준수중양생한 시험체에 비해서는 강도 발현이 다소 저하하지만 이는 코아 채취 과정에서의 공시체에 진동을 미치기 때문에 미세한 균열이 발생될 가능성이 높고, 골재 등이 파쇄되어 강도가 다소 저하하는 것으로 판단되며, 일반적으로 코아 공시체의 강도는 일반 시험체의 약 85% 수준 이상이면 요구성능을 확보하는 것으로 인정되고 있어서, 본 실험에서의 강도 발현율을 고려하면 모의 부재 타설 콘크리트의 콘크리트 강도 수준은 요구 수준을 만족시키고 있는 것으로 판단된다.
모의 부재의 수화열 측정 결과, 배합에 따른 최고온도 및 최고온도 도달 시간을 표 14에, 중심부와 상부 최고 온도 차이 및 도달시간의 차이를 도 20에, 수화열 온도 곡선을 도 21에 나타내었다.
최고 온도 및 최고 온도 도달 시간
21 MPa 24 MPa 27 MPa 30 MPa
일반 친환경Ⅰ 차 일반 친환경Ⅰ 차 일반 친환경Ⅰ 차 일반 친환경Ⅰ 차
최고 온도 (℃) 60.2 55.9 4.3 62.5 57.0 5.5 66.9 60.5 6.9 71.2 62.3 8.4
도달 시간 (h) 37 46 9 39 47 8 40 46 6 40 47 7
중심부 최고온도는 배합강도가 증가할수록 온도도 증가하는 것으로 나타났으며, 최고 온도 도달시간에 있어서는 기존배합의 경우 최대 3시간 내외 지연되는 것으로 나타나고 있으나, 친환경배합Ⅰ의 경우에는 최대 1시간 정도의 차이밖에 나지 않고 거의 일정한 발현 속도를 나타내고 있다.
배합강도별 기준배합과 친환경배합Ⅰ의 최고온도 및 최고온도 도달시간의 차이는 배합강도가 증가할수록 최고온도 차는 증가하는 경향으로 나타났으며, 최고온도 도달시간의 차이는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 단위결합재량과 혼화재 배합비의 차이에 기인한 수화 특성으로 사료된다.
모의부재의 수화열 측정 위치에 따른 온도발현 특성에 있어서 중심부와 상부의 최고온도 차이와 도달시간의 차이는, 기준배합 및 친환경배합Ⅰ 모두 배합강도가 증가할수록 중심부와 상부의 온도 차이는 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 모든 배합강도 재령에서 중심부와 상부의 온도 차이는 기존배합에 비해 친환경배합Ⅰ이 다소 적은 온도차를 나타내고 있다.
온도이력 곡선에 있어서도 대부분의 배합강도 영역에 있어서, 기존배합의 상부 온도 이력과 친환경배합Ⅰ의 중심부 온도 이력이 유사한 수준으로 나타나고 있으며, 특히 친환경배합Ⅰ의 온도 이력 곡선은 기존배합에 비해 완만한 상승 및 하강의 곡선을 나타내고 있어서 혼화재의 사용량 증대에 따른 콘크리트 수화열 제어에 효과가 있음을 보여주고 있다.
매스 콘크리트는 콘크리트의 수화열에 의한 온도응력 발생으로 균열이 발생될 가능성이 있기 때문에 콘크리트의 수화열 제어가 매우 중요한 품질관리 항목으로서, 이상의 모의부재 시험을 통해 본 연구 범위에서 검토된 친환경 콘크리트는 기존의 저발열 콘크리트에 비해 수화발열량이 낮고, 특히 부재 중심부와 표면부의 온도차가 기존에 비해 낮은 수준으로 나타나 콘크리트의 수화열 제어에 보다 효과적으로 대응할 수 있을 것으로 판단된다.
Ⅱ시리즈 시험 결과
앞에서 검토한 친환경 콘크리트에 비해 OPC 사용량 30% 수준으로 더욱 낮춘 친환경Ⅱ 친환경 콘크리트의 성능 검토를 실시한 Ⅱ시리즈의 콘크리트 성능 평가 결과를 표 15에, 경과시간에 따른 굳지않은 성상의 유지성능을 도 22에, 재령별 압축강도 발현 특성을 도 23에 나타내었다.
Ⅱ시리즈 콘크리트 기초물성 측정 결과
21 MPa 24 MPa 27 MPa 30 MPa
친환경Ⅰ 친환경Ⅱ 친환경Ⅰ 친환경Ⅱ 친환경Ⅰ 친환경Ⅱ 친환경Ⅰ 친환경Ⅱ
굳지 않은 성상 제조 직후 mm 195 195 205 205 200 210 205 210
60 분 mm 170 175 180 190 180 185 190 195
제조 직후 % 4.9 6.0 4.4 4.3 4.8 5.0 5.0 5.2
60 분 % 3.8 4.8 3.1 3.0 3.6 3.9 3.6 4.0
설계 대비
변동 수량		 kg/m3 +1.0 -1.0 - -2.0 - -1.0 +3.0 +1.0
압축강도

MPa		 3 일 9.7 6.1 13.1 10.8 15.2 10.6 16.5 11.9
7 일 18.0 13.4 20. 20.6 23.7 21.9 24.8 21.4
14 일 23.2 19.8 25.2 24.5 31.5 31.2 34.6 33.1
28 일 28.9 29.1 33.9 35.5 38.9 40.5 40.6 43.8
56 일 35.1 36.8 39.3 41.6 43.7 46.5 46.5 48.7
목표 슬럼프를 만족시키는 설계 수량에 대한 변동 수량을 살펴보면, 설계수량에 비해 최대 3 kg/m3 내외의 차이를 나타내고 있으나, 제조 직후의 슬럼프를 고려할 경우 수량의 변동 없이도 목표 슬럼프 확보는 가능한 것으로 판단된다. 또한 OPC 50%를 사용한 친환경배합Ⅰ에 비해 OPC 30%만을 사용한 친환경배합Ⅱ의 경우 혼화재의 사용량이 증감함에 따라 유동성은 더욱 증가하는 것으로 나타났다.
경과시간에 따른 슬럼프 및 공기량의 유지성능에 있어서는, 대부분 친환경배합Ⅰ에 비해 친환경배합Ⅱ의 슬럼프 저하폭이 다소 적은 경향을 나타내지만, 큰 차이는 아닌 것으로 판단되며, 공기량 저하에 있어서는 배합강도가 증가할수록 친환경배합Ⅱ이 친환경배합Ⅰ에 비해서는 공기량 저하가 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 설계 FA량이 친환경배합Ⅰ에 비해 친환경배합Ⅱ이 5% 적게 설계되었기 때문으로 판단된다.
친환경배합Ⅱ의 압축강도 발현특성은 재령 14일까지는 친환경배합Ⅰ에 비해 압축강도 발현이 저하하지만, 재령 28일 이후에는 친환경배합Ⅰ에 비해 압축강도가 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 배합강도가 증가할수록 초기 재령에서의 강도 저하폭은 감소하는 경향을 나타내고 있다. 특히 24 MPa 이상의 강도 영역에서는 재령 7일에서의 강도 발현율이 90%를 상회고 있어서, 현장 시공시 비교적 배합강도가 큰 경우에는 친환경Ⅱ 친환경 콘크리트의 적용도 가능할 것으로 판단된다.
다음은 본 발명 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법(100)을 설명한다.
먼저, 도 24 내지 도 27에 도시된 바와 같이, 매트기초를 형성하도록 친환경 콘크리트 조성물로 형성된 콘크리트를 타설 및 탬핑하는데, 상기 탬핑은 타설된 콘크리트 내부를 균일하게 다지면서 콘크리트 내부의 공기를 제거하도록 하는 것이며, 탬핑된 콘크리트 상면을 마감부재(110)로 마감한다.
상기 마감부재(110)는 STF(Steel Trowel Finish) 마감재나 PE필름을 1겹 이상으로 보양하여 콘크리트 표면의 건조를 방지하게 된다.
또한, 마감부재(110) 상면에 버블시트(120) 한겹을 가로방향으로 단부가 중첩되도록 시공한 후, 다른 버블시트(130) 한겹을 세로방향으로 단부가 중첩되도록 시공한다.
이때, 상기 버블시트(120)(130)는 단부가 5cm 이상 중첩되고, 중첩된 부분은 테이프(T)로 밀봉하여 매트기초를 보양하여야 한다.
상기 버블시트(120)(130)에 의해 표면이 건조되지 않도록 콘크리트가 양생되면, 버블시트(120)(130)를 제거하여 매트기초를 형성한다.
상기 콘크리트의 양생시간은 상기 매트기초의 두께에 따라 다르나, 보통 1m 이하는 3일, 2m 이하는 5일, 2m 이상은 7일, 3m 이상은 9일 4m 이상은 12일간 양생한 후, 버블시트(130)(120)를 제거하는데, 상기 버블시트는 2겹을 한꺼번에 제거하지 않고, 세로 방향의 버블시트(130) 한겹를 제거하고, 다음날 가로 방향의 버블시트(120) 한겹을 한겹씩 제거하여 갑작스런 열충격을 받지 않도록 하는 것이 중요하다.
또한, 본 발명 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법(100‘)을 설명하면, 도 27 내지 도 28에 도시된 바와 같이, 매트기초를 형성하는 거푸집(140)을 설치하고, 상기 거푸집(140) 내측으로 방수턱(160)을 형성하는 각재(150)를 설치한다.
상기 거푸집(140) 내부에 친환경 콘크리트 조성물로 형성된 콘크리트를 각재(150) 저면까지 타설 및 탬핑하는데, 상기 탬핑은 타설된 콘크리트 내부를 균일하게 다지면서 콘크리트 내부의 공기를 제거하도록 하는 것이다.
상기 콘크리트가 탬핑되면, 거푸집(140)과 각재(150) 사이의 공간에 콘크리트를 타설하여 방수턱(160)을 형성한 후, 상기 각재(150)를 제거하지 않은 상태에서 콘크리트 상면에 물(170)을 담수한다.
이때, 상기 방수턱(160)의 높이는 5~15cm로 형성하여 물(170)을 담수함으로써, 급격한 누수나 온도변화를 방지할 수 있고, 담수시기는 타설된 콘크리트의 탬핑 후, 즉시 시행하는 것이 바람직하다.
상기 콘크리트 상면에 물(170)을 담수함으로써, 콘크리트 표면이 건조되지 않도록 하고, 콘크리트 표면이 건조되지 않은 상태에서 콘크리트가 양생되면, 각재(150) 및 방수턱(160)을 제거하여 담수된 물을 배출시키면서 매트기초를 형성할 수 있는 것이다.
100,100': 균열 저감 시공법 110: 마감부재
120,130: 버블시트 140: 거푸집
150: 각재 160: 방수턱

Claims (13)

  1. 단위수량 160 내지 170㎏/㎥, 단위결합재량 300 내지 390kg/㎥, 단위잔골재량 920 내지 960㎏/㎥ 및 단위굵은골재량 800 내지 910㎏/㎥이고, 물-결합재비(W/B)가 40 내지 56중량%이며, 잔골재율(S/a)이 40 내지 56중량%인 조성을 만족하고,
    결합재 전체 함량 100중량%에 대해 시멘트 30 내지 50중량%, 고로슬래그 미분말 30 내지 60중량% 및 플라이애쉬 10 내지 20중량%를 포함하고,
    폴리카르본산계 고성능 AE감수제를 결합재 중량 100중량부에 대해 0.5 내지 1.0중량부로 포함하며,
    알칼리 이온화 촉진제로서 트리에틸아민과 페닐프로파놀아민의 혼합물을 포함하되, 트리에틸아민을 단위결합재량 100중량부에 대해 0.002 내지 0.005중량부로 포함하고, 페닐프로파놀아민을 단위결합재량 100중량부에 대해 0.005 내지 0.01중량부로 포함하는, 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    결합제 전체 함량 100중량%에 대해 고로슬래그 미분말 30 내지 35중량%와 플라이애쉬 15 내지 20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    결합체 전체 함량 100중량%에 대해 고로슬래그 미분말 50 내지 60중량%와 플라이애쉬 10 내지 20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    폴리카르본산계 고성능 AE감수제는 감수형 폴리카르본산계 고성능 AE감수제와 유지형 폴리카르본산계 고성능 AE감수제가 5:5 내지 7:3중량비로 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항의 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법은,
    매트기초를 형성하도록 콘크리트를 타설 및 탬핑하는 단계와;
    타설된 콘크리트 상면의 표면건조를 방지하도록 마감부재로 마감하는 단계와;
    마감된 마감부재 상면에 버블시트 한겹을 가로방향으로 시공하는 단계와;
    가로방향으로 시공된 버블시트 한겹 상면에 세로방향으로 버블시트 한겹을 겹쳐 시공하는 단계와;
    상기 버블시트에 의해 표면이 건조되지 않도록 콘크리트가 양생되면, 버블시트를 제거하여 매트기초를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 마감부재는, STF(Steel Trowel Finish) 마감재인 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 마감부재는, PE필름인 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 버블시트는 단부가 5cm 이상 중첩되고, 중첩된 부분은 테이프로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항의 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법은,
    매트기초를 형성하는 거푸집을 설치하는 단계와;
    상기 거푸집 내측으로 방수턱을 형성하는 각재를 설치하는 단계와;
    상기 거푸집 내부에 콘크리트를 타설 및 탬핑하는 단계와;
    상기 거푸집과 각재 사이에 콘크리트를 타설하여 방수턱을 형성하는 단계와;
    상기 방수턱 내부의 콘크리트 상면에 콘크리트의 표면건조를 방지하는 물을 담수하는 단계와;
    방수턱 내부에 담수된 물에 의해 표면이 건조되지 않도록 콘크리트가 양생되면, 방수턱 내부의 물을 배수시키면서 거푸집을 해체하여 매트기초를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 방수턱의 높이는 5~15cm로 형성되는 것을 특징으로 하는 지하구조물에 사용하는 친환경 콘크리트 조성물을 이용한 균열 저감 시공법.
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