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영린 왕
4 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 4 pp , ISSN / eissn 박종필 1*, 정용욱 2 1 동남기업 ( 주 ) 중앙연구소, 2 계명대학교첨단건설재료실험센터 Performance Improvement of High Performance Shrinkage Reducing Agent using Early Strength Improving Agent Jong-Pil Park 1*, Yong-Wook Jung 2 1 Dept. of Dongnam Research & Development, 2 Advanced Construction Materials Testing Center, Keimyung University 요약콘크리트의내구성저하로인한균열의보수및보강에소요되는비용은콘크리트구조물의유지비용증대로연결되어균열발생저감에대한연구가요구되고있다. 특히, 전력공급용시설인전력구의경우지하매설물이므로보수및보강은경제적으로큰부담이된다. 그러므로지하매설전력구의경우효과적인균열저감방안이설계초기단계부터요구되어진다. 본연구는전력구용저수축콘크리트제조를위한수축저감제개발의일환으로수축저감제사용콘크리트의초기강도개선을위해 TEA를검토하였다. 검토결과, TEA를수축저감제의 3% 사용할경우조기강도가크게개선되었으며, 수축저감효과도우수한것으로확인되었다. 또한, TEA 3 % 에수축저감제 2.0 % 혼합하여적용하였을경우압축강도특성및건조수축길이변화실험결과에서가장우수한것으로나타나수축저감제로서의가능성을확인하였다. 추후수축저감제의범용적인적용성검토를위하여수축저감제의사용재료변화등에대한다양한재료변수요인검토를통하여수축저감제의성능검토가필요할것으로사료된다. Abstract Studies aimed at reducing the occurrence of cracks by the shrinkage of concrete are in demand because the repair and reinforcement for cracks caused by declining concrete durability costs the user to maintain the concrete structure. In particular, in underground power facilities for power transmission, the cost is a heavy burden to repair and reinforce. For this reason, underground power facilities demanded effective methods for crack reduction at the engineering design step. This study, as a part of the development of shrinkage reducing agent for low shrinkage concrete on underground power facilities, investigated TEA to complement the shrinkage reducing agent to improve the early strength of concrete. In the case of TEA 3% as a shrinkage reducing agent, the early strength was improved significantly, and the shrinkage reducing effect was excellent. In addition, TEA 3.0 % and the shrinkage reducing agent 2.0 % showed excellent shrinkage property and compressive strength. On the other hand, more study of shrinkage reducing materials, including performance reviews on the shrinkage reducing materials with variable factors and type of materials, will be needed to generalize these results. Keywords : Crack, Durability, Drying shrinkage, Shrinkage reducing agent, Shrinkage reducing materials 1. 서론 한국전력공사에서는발전소에서만든전기를산업시 설이나개인가정등전력공급을목적으로송전탑을축조하여활용해왔으나토지이용의효율성떨어지고고압전류송전에따른위험등의문제로지중화한전력구 본논문은전력산업융합원천기술개발 ( 과제번호 : ) 연구비지원에의해수행되었음 * Corresponding Author : Jong-Pil Park(Dongnam Research & Development) Tel: pjp0523@dongnamad.co.kr Received January 13, 2016 Accepted April 7, 2016 Revised (1st March 24, 2016, 2nd April 5, 2016, 3rd April 6, 2016) Published April 30,

2 의활용이높아지고있는추세이다. 전력구는콘크리트가주요재료인공동구형태의지하터널구조물로송전탑축조에의한위험방지및토지이용의효율성을증대하는차원에서효과적으로작용하지만전력구내부의고압전력케이블을사용함에따라내부온도가상승하고콘크리트를급격하게건조시켜균열을유발하는문제점을가지고있으며, 지하에매설된전력구구조물은구조상한정된보수 보강공법이적용됨에따라고가의인력소모및비용이발생하게되어재료적측면에서콘크리트자체의건조수축을저감시킬수있는대안이필요한실정이다 [1, 2, 3]. 콘크리트의건조수축을저감시키기위한대표적인방법으로는팽창재와수축저감제를활용하는방법등이있는데이중팽창재를활용한건조수축저감방법은콘크리트의수축량을미리예측하여초기에콘크리트를팽창시켜수축량을보상하는방식으로적절한콘크리트의팽창은건조수축을저감시키는데효과적이나, 초기팽창량을제어하기가어려울뿐만아니라팽창량과다로인한팽창성균열을유발하는단점을가지고있다. 수축저감제를활용한건조수축저감방법은건조수축저감에효과적인장점을가지고있으나국내에적용되는대부분의제품들은국외에서수입한것으로고가의비용이발생하고, 콘크리트의강도가떨어지는문제점을가지고있다 [4, 5, 6]. 이에본선행연구를통하여콘크리트의건조수축저감에효과적인수축저감제국산화개발을목적으로모세관장력이론을바탕으로수축저감물질을선정하여건조수축저감에매우효과적인글리콜계수축저감제를개발하였으나, 글리콜적용시수축저감물질을적용하지않은것과압축강도를비교하였을경우약 80 % 내외의낮은강도발현을하였다. 이는콘크리트내부의가수분해과정에서 Ca 2+ 이온과반응하여초기콘크리트의 Ca 2+ 농도에영향을주어강도가저하되는것을확인할수있었다. 따라서본연구에서는개발된수축저감제의성능개선을목적으로조강물질을활용한콘크리트의제반특성분석을통하여성능개선형고성능수축저감제를개발하고, 개발된고성능수축저감제의최적사용량을토출함에따라전력구구조물적용을위한기초자료로활용하고자한다. 2.1 실험계획 2. 실험계획및방법 본실험계획으로우수한수축저감효과를나타낸글리콜계의수축저감물질에조기강도를개선을목적으로콘크리트의응결촉진및조강제로주로사용되고있는 NaNO 3(NN), Tri-ethanol amine(tea), Calcium Formate(CF) 3종류를수축저감물질에대해질량비로 1, 3, 및 5 (%) 각각적용하여총 10배치를 Table 1과같이실험계획하였고, Table 3은배합사항으로굳지않은콘크리트에서슬럼프및공기량을, 경화콘크리트에서재령별압축강도를측정하는것으로하였다. Table 2는개발된고성능수축저감제의성능확인및최적사용량을도출하기위한실험계획으로수축저감제를사용하지않는수준을 Plain 으로설정하고결합재에대한질량비로 0.5, 1.0, 2.0 및 4.0 (%) 으로총 5배치를실험계획하였다. 실험사항으로굳지않는콘크리트에서슬럼프및공기량을측정하는것으로하였고, 경화콘크리트에서는재령별압축강도및건조수축길이변화량을측정하는것으로하였다. 콘크리트배합사항은 Table 4 와같다. Table 1. Experimental design of concrete for improving early strength Experimental factors Experimental level W/B(%) S/a(%) Unit quantity of water ( kg / m3 ) Replacement Ratio of admixture(%/b) 1 FA(10) Slump ( mm ) 1 180±25 Air content(%) 1 4.5±1.5 Shrink reducing materials Early strength materials Type 1 Glycol Amount (%/B) Type 3 Amount (%/SR) NaNO 3(NN) Tri-ethanol amine(tea) Calcium Formate(CF) 4 0(Plain) Fresh concrete 2 Slump Air Hardened concrete 1 Compressive strength 297

3 한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 Table 2. Experimental design of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent Experimental factors Experimental level W/B (%) S/a (%) Unit quantity of water ( kg / m3 ) Replacement Ratio of admixture (%/B) 1 FA(10) Slump ( mm ) 1 180±25 Air content (%) 1 4.5±1.5 Shrink Type 1 Glycol reducing Amount 0(Plain) materials (%/B) Fresh concrete 2 Slump Air Hardened concrete 2 W/B (%) S/a (%) Compressive strength Drying shrinkage length change Table 3. Mix design of concrete for improving early strength Unit weight (kg/ m3 ) AD (%/B) W B C FA SR 1) S G ) SR : shrink reducing materials(use replacement unit quantity of water) Table 4. Mix Design of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent item W/B S/a Unit weight (kg/ m3 ) AD (%) (%) W B C FA SR S G 25 (%/B) Plain - DN DN DN DN Table 5. Properties of material Material Ordinary portland cement Fly ash Fin aggregate Coarse aggregate Admixture Properties Density : 3.15 Blaine : 3,265 cm2 /g, Ignition : 2.15 Density : 2.20 Blaine : 3,850 cm2 /g, Ignition : 2.50 River sand : 5.0 mm F.M 2) : 2.62 SG 3) : 2.65 River sand : 25.0 mm F.M : 6.55 SG : 2.63 Polycarboxylic acid based ph : , SG : 1.04 Shrinkage reducing agent Glycol acid based ph : , SG : 0.98 NaNO 3 ph : 7.48, SG : 1.29 Tri-ethanol amine ph : 5.23, SG : 1.47 Calcium Formate ph : 7.2, SG : ) F.M : fineness modulus, 3) SG : specific gravity 2.2 사용재료 Table 5는본연구에사용된각재료의물리 화학적특성을나타내었다. 시멘트는국내 A사의 1종포틀랜트시멘트를사용하였고, 플라이애시보령산으로국내 D사의분급정제된재료를사용하였다. 잔골재는표건밀도 2.62, 흡수율 1.42 % 인세척사를사용하였고굵은골재는 25 mm 골재를사용하였다. 사용된화학혼화제는국내산으로폴리카르본산계고성능감수제를사용하였다. 본실험에사용된수축저감물질은표면장력감소에우수한특성이있는글리콜계를사용하였다. 조기강도개선제는유기염계와무기염계두가지로구분할수있다. 아민류의경우석고와의반응을통해서 Ettringite를형성하고생성된수화물중 Ettringite가 mono sulfate로의반응진행을촉진시켜수화촉진작용을한다. 무기염계중칼슘포메이트계열은 C 3S의수축반응을촉진시켜시멘트겔 (C-S-H Gel) 등의수화생성물의석출을매우활발하게촉진시켜조기강도를발현시키게된다 [7]. 따라서조기강도개선에가장대표적인물질인 NaNO 3(NN), Tri-ethanol amine(tea), Calcium Formate(CF) 액상을동일한고형분으로고정하여실험에각각적용하였다. 2.3 실험방법콘크리트의실험방법으로슬럼프시험은 KS F 2402, 공기량은 KS F 2421의공기실압력법에의한공기량함유량시험방법에의거하여실시하였다. 압축강도시험체제작은 KS F 2403에의거하여 Ø mm의원주형공시체를이용하여제작하였고, 소정기간양생이끝난후 KS F 2405의규정에준하여최대 300 MPa UTM을사용하여각각재령 3일, 7일, 28일압축강도를측정하였다. 콘크리트건조수축길이변화량시험은 KS F 2424에준하여 mm의각주형몰드중앙에매립형스트레인게이지를설치하여콘크리트를타설하였다. 제작된공시체는온도 20±1 의실내에서 1일간양생한후탈형하였다. 탈형한공시체는온도 20±3, 상대습도 60±5 % 조건의항온항습기에재령 56일까지양생시켜데이터로거를사용하여길이변화량을측정하였다. 298

3. 실험결과및고찰 3.1 조기강도개선을통한고성능수축저감제의개발조강물질종류및사용량변화에따른콘크리트유동성및공기량시험을진행한결과는 Fig. 1, 2와같다. 슬럼프실험결과 Plain 뿐만아니라 CF 5 % 를제외한대부분의수준에서목표슬럼프 180±25 mm 범위를만족하였고조강물질에의한영향으로인해사용량이증가할수록유동성이감소하는경향을나타내고있는것을알수있다.

유동성및공기량결과를종합하면 CF는굳지않은콘크리트의슬럼프와공기량모두에영향을미치는것으로확인되었으며, NN은공기량에는영향을미치지않으나유동성이저하하는경향을보였다. 반면, TEA은그영향이미비하여가장우수한성능을나타내었다. Fig.

4 3. 실험결과및고찰 3.1 조기강도개선을통한고성능수축저감제의개발조강물질종류및사용량변화에따른콘크리트유동성및공기량시험을진행한결과는 Fig. 1, 2와같다. 슬럼프실험결과 Plain 뿐만아니라 CF 5 % 를제외한대부분의수준에서목표슬럼프 180±25 mm 범위를만족하였고조강물질에의한영향으로인해사용량이증가할수록유동성이감소하는경향을나타내고있는것을알수있다. TEA의경우전사용량모두 Plain과유사한결과를나타내어수축저감물질의유동성에는큰영향을미치지않는것으로나타냈으며, 가장널리사용되는조강물질인 NN은모두목표범위를만족시켰으나 TEA의성능에는못미치는것으로확인되었다. 공기량측정결과유동성결과와는반대로조강물질의사용량이증가할수록공기량이소폭증가하는경향을나타내었으나그차이는크지않는것으로확인되었다. 유동성및공기량결과를종합하면 CF는굳지않은콘크리트의슬럼프와공기량모두에영향을미치는것으로확인되었으며, NN은공기량에는영향을미치지않으나유동성이저하하는경향을보였다. 반면, TEA은그영향이미비하여가장우수한성능을나타내었다. Fig. 3은조강물질의종류및사용량에따른콘크리트의압축강도측정결과를나타낸것으로조강물질을사용하지않는 Plain의재령 1, 3, 7 및 28일압축강도는각각 3.4, 10.4, 19.2 및 34.7 MPa로측정되었고, 조강물질을사용한경우모든수준에서강도가증가하는것으로나타났다. 조강물질사용량별압축강도는조강물질사용량 1 % 의경우초기 1일재령에서 Plain 대비 NN은 0.2 MPa, TEA은 0.8 MPa, CF는 0.3 MPa의강도증진이발생하였으며, 28일에는각각 0.5, 2.5 및 1.2 MPa의강도증가를나타내었다. TEA 사용시 Plain에비해약 120 % 이상의높은강도증진효과를나타내었는데이는 TEA 사용량에따른수화촉진에기인한것으로강도개선에우수한효과를보인것으로판단된다. 사용량 3 % 에서도 TEA은 1일에 2.0 MPa, 3일에 3.9 MPa, 7일에 6.7 MPa, 28일에 4.7 MPa의강도증가를확인할수있었다. 반면, NN와 CF에서도약간의강도 증진효과는있었으나 TEA에비하여효과가떨어지는것으로나타났다. Fig. 1. Slump test result of concrete for improving early strength Fig. 2. Air content test result of concrete for improving early strength 조강물질사용량 5 % 에서는사용량 3 % 에비하여강도증진효과가크지않는것으로나타나조강물질 5 % 의사용은슬럼프및공기량변동의우려와경제적비용상승에비해그효과는크지않는것으로판단되어, 고성능수축저감제의강도개선을위한물질은 TEA 3 % 의추가수준에서최종결정하여고성능수축저감제를개발하였다. 3.2 고성능수축저감제의사용량에따른콘크리트특성개발된고성능수축저감제의성능검증과최적사용 299

한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 Fig. 3. Compressive strength of concrete(early strength material of 1 5 %) 량결정을위하여개발수축저감제의사용량을변화시켜콘크리트의슬럼프및공기량특성을검토실험결과는 Fig. 4, 5와같다. 고성능수축저감제사용량에따른슬럼프실험결과 1.

5 한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 Fig. 3. Compressive strength of concrete(early strength material of 1 5 %) 량결정을위하여개발수축저감제의사용량을변화시켜콘크리트의슬럼프및공기량특성을검토실험결과는 Fig. 4, 5와같다. 고성능수축저감제사용량에따른슬럼프실험결과 1.0 % 까지 Plain과유사한결과를나타내었으나, 2.0 및 4.0 % 에서는유동성이소폭저하되는결과를나타내었다. 이는액상의수축저감제를사용량에따라단위수량에치환사용되는배합수의양이감소하여유동성이저하한것으로판단되며고성능수축저감제 2.0 % 이상사용시에는단위수량보정이나감수제의추가사용이필요할것으로판단된다. Plain의경우 0.5 % 로공기량을만족하였고, 수축저감제의사용량변화에따라공기량이소폭감소하지만모든사용량에서목표공기량 4.5±1.5 % 범위를만족하였다. 수축저감물질이콘크리트에미치는영향검토에서확인된바와같이고성능수축저감제의사용으로인해공기량이소폭감소하는경향을보이는데이는콘크리트의점성저하에의한경향으로사료되며, 그영향은사용량의변화와는큰관계가없는것으로판단된다. Fig. 6은개발수축저감제의사용량변화에따른압축강도실험결과를나타낸것으로선행실험에서글리콜계의수축저감물질단독사용시압축강도는사용량 2.0 % 를기준으로 Plain 대비약 80 % 내외의낮은강도발현을나타내었다. 하지만강도증진물질인 TEA을결합한고성능수축저감제의경우초기재령에서도 90 % 이상의양호한강도발현을나타내었으며, 장기재령에서는 Plain과유사한강도발현을나타내었다. 이는앞서얘기한 C 3A 또는석고와반응하여빠르게수화를촉진함으로써강도증가에기여한것으로판단된다. 고성능수축저감제의사용량변화에따른영향은사용량이증가할수록소폭의강도저하가발생하였고, 초 기 3일재령에서는사용량 0.5, 1.0, 2.0 및 4.0 % 에서각각 97, 95, 90 및 87 % 의강도발현율을나타내었다. 초기재령이후강도의편차는감소하기시작하여재령 28 일에서는각각 98, 98, 99 및 93 % 의강도발현율을나타내어 2.0 % 까지는강도저하가거의없는것으로확인되었다. 반면, 사용량 4.0 % 의경우에서는약간의강도저하현상을나타내었으나, 조기재령에서 87 % 의강도발현율을나타내었고, 장기재령에서는 90 % 이상의강도를확보할수있는것으로확인되었다. 그러나강도가중요시되는현장에서는 4.0 % 이상사용시충분한검토가필요할것으로판단되며, 2.0 % 이하의사용량에서는강도에대한고려없이사용할수있을것으로판단된다. Fig. 7은개발수축저감제의사용량변화에따른건조수축길이변화실험결과를나타낸것으로 Plain은선행실험과유사한경향을나타내었으며, 재령 40일전후에수렴되는경향을나타내어, 재령 56일에약 의건조수축량을나타내었다. 반면, 고성능수축저감제사용시초기재령에서 Plain 에비해수축량이감소하는것으로나타났고, 고성능수축저감제의사용량이증가할수록콘크리트의수축량은감소하여, 0.5 % 사용시에도재령 56일콘크리트의건조수축량은 로약 20 % 정도감소시키는것으로나타났다. 고성능수축저감제 2.0 % 사용은 Plain에비해 40 % 내외의수축저감효과를확인할수있었고, 사용량이많을수록수축저감효과는증가하였으나, 압축강도및기초물성의저하가발생할가능성이있으므로 2.0 % 를넘지않는수준에서사용해야할것으로판단된다. 300

Fig. 4. Slump of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent Fig. 7. Drying shrinkage length change of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent 5.

6 Fig. 4. Slump of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent Fig. 7. Drying shrinkage length change of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent 5. 결론 본연구에서는글리콜계수축저감제의성능개선을목적으로조강물질을활용한콘크리트의제반특성분석을통하여성능개선형고성능수축저감제를개발하고, 개발된고성능수축저감제의최적사용량을토출함에따른콘크리트특성평가및성능을검토한것으로결론을요약하면다음과같다. Fig. 5. Air content of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent 1) 고성능수축저감제의강도개선방안인 Tri-ethanol amine 3 % 의경우 Plain 대비초기재령 1일 158 %, 7일에는 135 %, 28일에는 113 % 의강도향상을확인할수있었다. 2) 고성능수축저감제의사용량이증가할수록콘크리트의수축량은감소하는것으로나타났으며, 고성능수축저감제 2.0 % 사용시에는 Plain 대비약 40 % 내외의우수한수축저감제효과를확인할수있었다. 2.0 % 의경우에서가장큰폭으로수축저감효율이증가하였으며 4.0 % 에서는효율성이 2.0 % 보다는증가폭이낮아수축저감제 2.0 % 의사용이콘크리트의건조수축저감에가장효과적인것으로판단된다. Fig. 6. Compressive strength of concrete corresponding to contents shrinkage reducing agent 수축저감제의범용적으로적용하기위해서는강도개선효과가있는 Tri-ethanol amine 3 % 에글리콜계수축저감제 2.0 % 를콘크리트에적용시압축강도및수축에 301

Han, Shrinkage mechanisms and role of water, Journal of Korea Concrete institute, 3(2), pp. 46-52, 1991. [3] Z. P. Bazant, S.

7 한국산학기술학회논문지제 17 권제 4 호, 2016 우수하여콘크리트의내구성을크게개선시켜콘크리트용수축저감제로사용이가능할것으로판단된다. References [1] W. Hansen, Drying shrinkage mechanisms in portland cement paste, Journal of the American Ceramic Society, 70(5), pp , DOI: [2] M. Y. Han, Shrinkage mechanisms and role of water, Journal of Korea Concrete institute, 3(2), pp , [3] Z. P. Bazant, S. Baweja, Creep and shrinkage prediction model for analysis and design of concrete structures; Model B3, Materials and structures, 29(2), pp. 126, DOI: [4] S. H. Lee, "Properties of Reducing Drying Shrinkage by Using Shrinkage Reducing Agent", Journal of Korean society of civil engineers, 16(1-4), pp , [5] N. C. Han, Estimation of the Auto genous Shrinkage of the High Performance Concrete Containing Expansive Additive and Shrinkage Reducing Agent, Journal of Korea institute of building construction, 7(3), pp , [6] I. S. Hwong, N. C Han, C. G Han, Properties of Drying Shrinkage of Concrete with Unit Water and Contents of Shrinkage Reducing Admixtures, Journal of Architectural institute of korea, 20(6), pp , [7] T. B. Min, I. S. Cho, H. S. Lee, Experimental Study on the Early Strength Development Mechanism of Cement Paste Using Hardening Accelerator and High-Early- Strength Cement, Journal of Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 18(1), pp , DOI: 정용욱 (Yong-Wook Jung) [ 정회원 ] 1999년 2월 : 계명대학교토목공학과 ( 공학석사 ) 2004년 8월 : 계명대학교토목공학과 ( 공학박사 ) 2004년 12월 ~ 2011년 8월 : 계명대학교첨단건설재료실험센터책임연구원 2011년 9월 ~ 현재 : 계명대학교첨단건설재료실험센터조교수 < 관심분야 > 콘크리트구조, 건설재료 박종필 (Jong-Pil Park) [ 정회원 ] 2013 년 2 월 : 국립한밭대학교건축공학과졸업 ( 석사 ) 2012 년 12 월 ~ 현재 : 동남기업 ( 주 ) 중앙연구소주임연구원 < 관심분야 > 건설재료, 건설시공 302

10(3)-10.fm

10(3)-10.fm w y wz 10«3y 259~264 (2010.12.) Journal of Korean Society of Urban Environment w gj p p y Á Á½k * w m œw Á* w y œw (2010 9 28, 2010 10 12 k) Characteristics of Antiwashout Underwater Concrete for Reduction