KR101815913B1 - 콘크리트 내한촉진제 - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2103/00—Function or property of ingredients for mortars, concrete or artificial stone
- C04B2103/10—Accelerators; Activators
- C04B2103/14—Hardening accelerators
Abstract
본 발명은 동절기 콘크리트 공사에 있어서, 골조 공사의 적정 공기유지 및 가열양생의 효율화를 위한 방안으로 가열양생기간을 단축할 수 있는 콘크리트 조강제 및 가열양생을 최소화할 수 있는 내한촉진제에 관한 것이다.
본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 5~15wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 10~25wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.3~2.0wt%; 를 포함하여 조성된 콘크리트 조강제』를 제공한다.
또한 본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG) 30~60wt%; 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 2~10wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 5~10wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.1~1.0wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 내한촉진제』를 함께 제공한다.
본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 5~15wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 10~25wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.3~2.0wt%; 를 포함하여 조성된 콘크리트 조강제』를 제공한다.
또한 본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG) 30~60wt%; 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 2~10wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 5~10wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.1~1.0wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 내한촉진제』를 함께 제공한다.
Description
본 발명은 동절기 콘크리트 공사에 있어서, 골조 공사의 적정 공기유지 및 가열양생의 효율화를 위한 방안으로 가열양생기간을 단축할 수 있는 콘크리트 조강제 및 가열양생을 최소화할 수 있는 내한촉진제에 관한 것이다.
건설현장에서 적정한 공기관리 및 공기단축은 핵심적인 요소이며, 수주단계에서도 제시 공기가 수주 성패를 좌우하고 있어, 공기단축을 위한 기술이 필요한 상황이다.
특히, 건축구조물 중 공동주택이나 오피스 등과 같이 다층으로 계획된 콘크리트구조물의 경우 층당 공사 사이클을 적정하게 관리하는 것이 전체 골조공사의 공기관리 및 공기단축에 있어서 주요한 항목이라고 할 수 있다.
국내에서는 하절기나 춘추절기의 경우 콘크리트의 강도 발현 등에 문제가 없어, 층당 사이클의 적정한 관리가 가능하지만, 동절기의 경우 온도의 영향으로 콘크리트의 강도 발현이 지연되고, 이는 공기지연의 요인이 될 수 있다.
반대로 층당 사이클을 동절기에도 다른 절기와 동등한 수준으로 유지할 수 있게 되면, 기상조건에 따른 공기지연을 막을 수 있어, 공기단축에 상당히 효과적이라고 할 수 있다.
한편, 국내 건설현장에서는 일반적으로 콘크리트표준시방서의 규정에 따라 일평균기온이 4℃ 이하인 조건에서 한중콘크리트로 시공이 진행되고 있다. 콘크리트표준시방서에서는 구조체가 보통의 노출상태에 있는 경우 초기동해 방지를 위한 최소강도인 압축강도 5MPa 도달시까지 콘크리트의 양생온도를 5℃ 이상으로 유지하도록 하고 있으며, 5℃ 및 10℃에서 양생할 경우 약 3~5일 정도의 표준적인 양생일수를 제시하고 있다.
그러나 실제 건설현장에서는 콘크리트 타설 부위의 환경조건에서 양생한 관리용 공시체를 활용하여 소요 압축강도가 도달되는 것을 확인하는 방법을 적용하고 있으며, 이를 통해 콘크리트표준시방서에 제시된 표준양생일수에 비해 조기에 콘크리트의 양생을 종료하고 있는 것이 일반적이다.
이를 위해 현장에서는 갈탄 난로 또는 열풍기 등과 같은 히터류를 활용하여 콘크리트의 양생온도를 높게 관리하거나, 동절기 배합으로 콘크리트의 강도 규격을 상향시키는 방법 등을 활용하여 콘크리트의 초기강도를 확보하고자 하고 있다.
그러나 최근 갈탄 난로의 경우 탄산가스 발생에 따른 주변 민원, 작업자 안전 등의 문제로 사용이 지양되고 있는 상황이며, 열풍기의 경우 연료비용 등에 기인하여 충분한 양생온도 및 양생기간의 확보가 곤란한 문제가 제기되고 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 국내에서도 콘크리트의 초기강도를 확보 위한 방안으로 레미콘 규격을 상향시켜 단위시멘트량을 증가시키거나, 조강형 혼화제, 조강시멘트를 적용하는 방안 등이 개발·적용되고 있다.
그러나 상기와 같은 방법 중 단위시멘트량을 증가시키게 되는 경우 촉진형 고성능감수제와 병용되면서 비용이 과도하게 증가될 수 있으며, 조강시멘트를 적용하는 방안은 레미콘플랜트의 설비 조건에 따라 적용 가능한 곳이 한정적인 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 동절기 콘크리트 공사에 있어서, 골조 공사의 적정 공기유지 및 가열양생의 효율화를 위한 방안으로 가열양생기간을 단축할 수 있는 조강제 및 가열양생을 최소화할 수 있는 내한촉진제를 개발하고자 하였다.
콘크리트용 조강제는 촉진 효과에 따라 응결 촉진제와 경화 촉진제로 구분하고 있으며, 이는 아래의 [참고도 1]과 같이 시멘트와 물의 반응에 따른 발열 특성으로 개념을 정리하고 있다.
[참고도 1] - 조강제의 촉진 효과에 따른 발열 특성
그러나 일반적으로 조강제로 적용되는 원료는 응결 및 경화를 모두 촉진하는 것으로 알려져 있으며, 조강제 원료의 사용량에 따라 상기와 같은 촉진 효과에 차이가 있는 것으로 보고되고 있다.
시멘트의 응결 및 경화를 촉진시킬 수 있는 조강제로 검토되거나, 알려져 있는 재료를 크게 분류하면, 아래의 [참고표 1]과 같이 알칼리 및 알칼리 토금속의 수용성 무기염과 수용성 유기염으로 구분할 수 있다.
[참고표 1] - 콘크리트 조강제 원료 분류
이와 같은 조강제 재료 중 수용성 무기염은 시멘트 광물 중 C3S의 수화를 촉진시키는 것이며, 유사한 몰농도 조건에서는 아래와 같은 순서로 음이온 및 양이온의 효과가 높은 것으로 알려져 있다.
○ 음이온 : Cl- > SCN- > I- > NO3 - > ClO4 -
○ 양이온 : Ca2 + > Sr2 + >Li+ > K+ > Na+ > Rb+
위와 같은 효과를 고려하면 CaCl2의 촉진 효과가 가장 우수할 것으로 기대되며, 과거에 촉진용 재료로 널리 활용되었던 사례도 있다. 그러나 CaCl2는 철근의 부식을 촉진시키는 것으로 알려지면서, 철근콘크리트구조물에서는 더 이상 적용되지 못하고 있다.
이에 최근 촉진용 원료로 가장 널리 사용되고 있는 것은 NO3 -, NO2 - 또는 SCN-의 Na 또는 Ca염으로 알려져 있다.
[참고도 2]는 전도열량계에 의해 각종 칼슘(Ca)염의 발열량을 측정한 연구결과를 나타낸 것으로, 전술한 바와 같이 CaCl2의 발열량이 가장 높게 나타났고, 나머지 칼슘염의 경우 상대적으로 효과가 낮은 것을 알 수 있다.
기존 연구자료에 따르면 Ca(NO3)2는 적은 농도에서도 응결을 촉진하는 효과가 있으나, 초기강도 발현에는 크게 효과가 없으며, CaCl2 보다 β-C2S 수화 촉진에 효과적인 것으로 보고되고 있다.
[참고도 2] - 칼슘염 종류에 따른 발열량 측정 결과
또한, Ca(NO3)2는 사용량이 높을 경우 Cl-에 의한 철근의 부식을 저감시킬 수 있는 효과가 있는 것으로 알려져 있어, 다른 촉진제 원료와 복합 사용시 효과적일 것으로 판단되고 있다.
한편, Ca(NO2)2는 1960년대 이후, 미국에서 무염화형 응결 촉진제 원료로 가장 대중적으로 사용되고 있으며, 방동제 원료로도 널리 사용되고 있고, 철근의 방청 효과도 우수한 것으로 보고되고 있다. 그러나 최근 인체 및 환경 유해성 논란에 따라 사용을 지양하고 있는 추세이며, 국내에서도 사용을 금지하고자 하고 있는 상황이다.
수용성 유기염으로서 카르복실산으로는 칼슘포메이트나 아세테이트 등이 촉진제 재료로 잘 알려져 있으며, 알카놀아민류로는 TEA가 가장 일반적으로 사용되는 원료로 알려져 있다.
칼슘포메이트의 경우 OPC의 응결 및 포졸란 재료를 사용한 시멘트페이스트의 응결시간을 촉진시킬 수 있는 것으로 보고되고 있다. 이에 국내에서도 칼슘포메이트를 경화촉진제로 사용하기 위한 연구가 진행된 바 있으며, 프리캐스트 콘크리트 제조시 증기양생 공정을 실시하지 않고, 상온에서 조기강도를 발현시키기 위한 목적으로 3종 조강시멘트와 칼슘포메이트를 조합한 조강콘크리트 제조 기술이 제안된 바 있다.
또한, TEA의 경우 국내에서 활용되고 있는 조강형 고성능감수제에서 촉진제 원료로 가장 일반적으로 적용되고 있는 것으로 파악되고 있으나, 기존 실험결과를 나타낸 [참고도 3]에서 보는 바와 같이, 소량 적용시 응결 및 경화 촉진성능이 있지만, 일정량을 초과하여 사용할 경우 오히려 응결 및 경화를 지연시키는 특성이 있는 것으로 보고되고 있다.
[참고도 3] - TEA 혼입률에 따른 응결 및 초기강도 발현 시간
이는 TEA의 경우 C3A의 수화를 촉진시키지만, C3S의 수화를 지연시키는 효과가 있기 때문이며, 이에 많은 혼화제 제조업체에서 TEA는 조강제 원료뿐만 아니라, 응결지연제로도 일반적으로 활용되고 있는 상황이다.
이상과 같은 촉진형 원료를 사용하여 상용화된 콘크리트용 조강제 제품들을 기존의 검토자료를 참고로 하여 정리하여 [참고표 2]에 나타냈다.
[참고표 2]에서 보는 바와 같이 제조사에 따라 주요 원료의 구성에 다소 차이는 있으나, 조강제 제품에 적용되고 있는 주요 원료는 전술한 촉진제 원료의 범위에서 크게 벗어나고 있지 않으며, 이들 원료의 종류 및 사용 비율 등에 따라 제품의 차이가 있는 것을 알 수 있다.
[참고표 2] - 상용화된 콘크리트용 조강제 제품 검토
한편, 콘크리트용 방동제는 내한제라고도 불리며, 콘크리트내 수분의 동결점을 저하시키고, 시멘트의 수화반응을 촉진시켜 동절기에 타설하는 콘크리트의 초기동해를 제어할 목적으로 개발된 재료를 말한다.
방동제에 관련된 연구 또는 활용은 1950년대 염화칼슘(Calcium chloride)이나 염화나트륨(Sodium chloride)를 다량으로 사용하는 방식으로 보고된 바 있으며, 이는 이후 내부 철근의 부식이 발견되면서 문제가 되었고, 이에 따라 1970년대 중반 이후에는 콘크리트 내부 수분의 동결점을 저하시킬 수 있는 염의 형태로 검토가 진행되었다.
이와 같은 연구를 토대로 1988년 RILEM에서 [참고표 3]과 같이 한중콘크리트용 방동제에 관한 제안이 있었으나, 실제 현장을 통한 검증은 부족한 상황이었으며, 이에 현장 적용 전 방동제 원료에 대한 검토를 하도록 권장하였다.
[참고표 3] - 한중콘크리트용 방동제에 관한 RILEM 제안(1988)
[참고표 4] - 기존 문헌자료에 기초한 방동제 원료별 특성
[참고표 4]는 기존의 연구자료를 기초로 하여, 방동제 원료별 특성을 나타낸 것이며, 이와 같은 기존 데이터를 기초로 하여 물의 동결점을 낮출 수 있는 방동제 원료를 요약하면 [참고표 5]와 같다.
[참고표 5] - 방동제 주요 원료 및 원료별 철근 부식 영향
위와 같은 방동제 원료별 특성을 살펴보면, 양생온도 조건이 -5℃인 경우 압축강도가 재령 28일에서 표준양생 시험체의 약 80%까지 발현할 수 있으며, 양생온도 -10℃ 이하에서는 압축강도 발현율이 50% 이하로 저하되는 것을 알 수 있다. 이후 장기재령에서는 강도가 발현되어, 필요로 한 강도를 확보할 수 있는 것으로 나타나고 있으며, 이에 방동제 적용시에도 온도조건을 고려하여 설계기준강도 확보에 필요한 관리재령을 증가시킬 필요가 있을 것으로 판단된다.
위의 [참고표 5]에는 방동제 원료로 적용되는 재료를 대상으로 하여 콘크리트 내부 철근의 부식에 미치는 영향을 검토한 결과가 나타나 있다. 염화칼슘 및 염화나트륨의 경우 부식을 촉진시키는 요인이며, 철근콘크리트 구조물에는 적용이 곤란한 것을 알 수 있다.
또한, 방동제 원료 중 암모니아(Na4OH) 및 요소(CO(NH2)2)의 경우 콘크리트 경화 후에도 암모니아 가스를 발생시키는 것으로 보고되고 있어, 적용시 주의가 필요한 것으로 제시되고 있다.
일본 및 중국의 경우 방동제에 관련된 연구결과를 토대로 하여 [참고표 6] 및 [참고표 7]과 같이 내한촉진제 품질기준을 제시하고 있으며, 일본의 경우 1999년 "내한제를 사용한 한중콘크리트 시공지침"이 제시된 바 있고, 2005년에는 국토기술연구센터에서 내한제 운용 매뉴얼을 제시하였다.
[참고표 6] - 일본의 내한촉진제 품질기준
[참고표 7] - 중국의 내한촉진제 품질기준
국내 건설현장에서 방동제 또는 내한촉진제의 현장 적용 사례로는, 일본 및 중국의 내한촉진제 제품을 검토한 후, 2001년말 외기온 평균 -2℃ 조건에서 주상복합현장의 3개층에 시험적용한 사례가 있다. 현장 적용결과 표면의 간단한 비닐보양만으로 초기동해에 피해없이 관리재령에서 소요의 품질을 확보하였으며, 일반적인 보양방법에 비해 약 7% 정도 공사비용이 절감된 것으로 보고된 바 있다.
또한, 2010년도에는 파주지역에서 50MPa 강도의 콘크리트를 대상으로 -5℃ 조건에서 GRACE사의 Polarset라는 제품을 적용하였던 사례가 보고된 바 있다.
그러나 실제 현장 적용 담당자와의 면담 결과, 초기동해 제어는 가능하였지만, 내한촉진제의 사용에 따른 콘크리트의 물성 변동이 심하여, 현장 적용시 어려움이 많았으며, 이에 따라 이후 현장 적용이 확대되지 못한 것으로 파악되었다.
국내 건설현장에서 방동제 또는 내한촉진제의 적용이 확대되지 못한 요인으로서는 제품의 단가가 높아, 실제적으로 원가절감 효과가 크지 않으며, 기존의 동절기 보양방법에 비해 실적이 많지 않아, 제품의 성능에 대한 불확실성이 제기되고, 또한 현장 적용시 콘크리트의 물성 변화가 크게 발생하였던 점 등이 거론되고 있다.
이에 내한촉진제의 현장 상용화를 위해서는 경제성, 콘크리트 물성 안정성 및 성능에 대한 확실성 확보가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
1. 김영진, 이상수, 원철, 박상준, 「정온 및 변온조건하에서 내한촉진제를 혼합한 모르터의 강도특성」, 한국콘크리트학회논문집(2002)
2. 박상준, 원철, 이상수, 「내한촉진제를 사용한 한중콘크리트의 현장적용」, 한국건축시공학회 학술발표대회 논문집 제3권 1호(2003. 5.)
3. 원철, 「내한촉진제를 사용한 콘크리트의 공학적특성 및 현장적용」, 청주대학교 박사학위논문(2004)
국내 동절기 콘크리트의 시공 현황을 조사한 결과, 한중콘크리트 시공시 양생온도 확보를 위해 평균 약 2일 정도 보양을 하는 것으로 파악되었으며, 이때 양생온도는 평균 약 10~13℃ 수준인 것으로 나타났다.
이에 본 발명에서는 국내 건축현장에서 가장 많이 적용되고 있는 설계기준강도인 21~27MPa 수준의 콘크리트를 대상으로 하여, 양생온도 10℃의 조건에서 24시간에 초기동해 방지강도인 5MPa를 확보할 수 있는 조강제를 개발하는 것을 목표로 설정하였다.
이를 위하여 기존에 21~27MPa 수준에 적용되고 있는 단위결합재량 및 양생온도에 따른 초기 강도 발현 특성을 검토함으로써 현재 적용되고 있는 콘크리트의 현황을 파악한 후, 콘크리트의 초기 강도를 개선할 수 있는 방안으로 시멘트의 응결 및 경화를 촉진시킬 수 있는 조강제 종류에 따른 성능을 검토하였다. 이후, 조강제의 적용에 따른 유동성 유지성능 및 염화물량을 검토하고, 현장 관리용 공시체의 보관(양생)조건에 따른 성능을 검토함으로써, 최종적으로 동절기 콘크리트의 양생기간을 단축시킬 수 있는 조강제 및 적정 배합을 제시하고자 하였다.
또한, 본 발명은 동절기 콘크리트의 가열양생을 최소화하고 초기동해를 제어하기 위한 내한촉진제를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
동절기 적용 콘크리트는 일평균 기온이 4℃ 이하로 예상되는 기간으로 콘크리트표준시방서에 한중콘크리트 관리 기준이 명시되어 있고, 일반적으로 이 규정에 따라 시공이 진행되고 있다. 또한 소요의 압축강도가 확보될 때까지 콘크리트의 온도는 5℃ 이상을 유지하도록 하고 있다.
이에 따라 5℃ 이하의 조건에서 양생온도 및 단위결합재량에 따른 콘크리트 강도 발현 특성을 검토하고, 현재 국내 방동제 성능 수준 및 내한촉진제 원료에 따른 성능을 검토하여 동절기에 효과적으로 초기동해를 제어할 수 있는 내한촉진제 사용 최적 배합을 도출하고자 하였다.
2013~2014년 한중콘크리트 적용 대상인 일평균온도 4℃ 이하를 나타내는 기간 중 일평균기온이 -5℃ 이상인 기간이 95% 이상으로 조사되었으므로, 콘크리트 내한촉진제는 양생온도 -5℃ 조건에 중심으로 두어 연구를 진행하였다.
전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 5~15wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 10~25wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.3~2.0wt%; 를 포함하여 조성된 콘크리트 조강제』를 제공한다.
상기 소디움 티오시네이트의 전부 또는 일부는 칼슘 티오시네이트(Calcium thiocynate) 또는 칼륨 티오시네이트(Kalium, KSCN)로 치환할 수 있고, 상기 디에탄올아민의 전부 또는 일부는 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)으로 치환할 수 있다.
또한, 굳지 않은 콘크리트의 유동성 유지를 위해 제3인산나트륨(Na3PO4) 0.5~3.0wt%를 더 포함하여 조성할 수 있다.
본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG) 30~60wt%; 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 2~10wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 5~10wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.1~1.0wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 내한촉진제』를 함께 제공한다.
상기 소디움 티오시네이트의 전부 또는 일부는 칼슘 티오시네이트(Calcium thiocynate) 또는 칼륨 티오시네이트(Kalium, KSCN)로 치환할 수 있고, 상기 디에탄올아민의 전부 또는 일부는 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)으로 치환할 수 있다.
또한, 굳지 않은 콘크리트의 유동성 유지를 위해 제3인산나트륨(Na3PO4) 0.5~3.0wt%를 더 포함하여 조성할 수 있다.
본 발명이 제공하는 콘크리트 조강제는 단위시멘트량 300~360kg/㎥; 슬럼프값 150±25mm 또는 180±25mm; 및 공기량 4.5±1.5vol%; 조건의 콘크리트 조성물에 시멘트 100wt% 대비 0.5~1.5wt% 첨가될 때, 온도 10℃ 이상 조건에서 양생 시 재령 24시간 내에 압축강도 5MPa 이상이 발현되도록 한다.
또한, 본 발명이 제공하는 콘크리트 내한촉진제는 단위시멘트량 300~360kg/㎥; 슬럼프값 180±25mm; 및 공기량 3~6vol%; 조건의 콘크리트 조성물에 시멘트 100wt% 대비 1.2~3.0wt% 첨가될 때, 온도 -5℃ 이상 조건에서 양생 시 재령 72시간 내에 동결없이 압축강도 5MPa 이상이 발현되도록 한다.
본 발명은 동절기 콘크리트의 가열양생을 최소화하고 초기동해를 제어하기 위한 콘크리트 조강제 및 내한촉진제에 관한 것이다.
동절기에는 저온조건에서 콘크리트의 강도발현이 지연되고, 이를 위한 가열양생 등이 필요함에 따라 하절기나 춘추절기에 비해 건축물의 층당 시공 사이클이 지연되는 것이 일반적이다.
따라서 동절기에도 층당 사이클을 일반적인 절기와 유사한 수준으로 유지할 수 있으면, 적정한 공기관리에 효과적일 것으로 판단된다.
본 발명에서는 국내 건축현장에서 가장 많이 적용되고 있는 설계기준강도인 21~27MPa 수준의 콘크리트를 대상으로 하여, 양생온도 10℃의 조건에서 24시간에 초기동해 방지강도인 5MPa를 확보할 수 있는 조강제를 개발하는 것을 목표로 설정하였다.
이를 위하여 기존에 21~27MPa 수준에 적용되고 있는 단위결합재량 및 양생온도에 따른 초기 강도 발현 특성을 검토함으로써 현재 적용되고 있는 콘크리트의 현황을 파악한 후, 콘크리트의 초기 강도를 개선할 수 있는 방안으로 시멘트의 응결 및 경화를 촉진시킬 수 있는 조강제 종류에 따른 성능을 검토하였다.
이후, 조강제의 적용에 따른 유동성 유지성능 및 염화물량을 검토하고, 현장 관리용 공시체의 보관(양생)조건에 따른 성능을 검토함으로써, 최종적으로 동절기 콘크리트의 양생기간을 단축시킬 수 있는 조강제 및 적정 배합을 제시하고자 하였다.
이에 본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 5~15wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 10~25wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.3~2.0wt%; 를 포함하여 조성된 콘크리트 조강제』를 제공한다.
상기 소디움 티오시네이트의 전부 또는 일부는 칼슘 티오시네이트(Calcium thiocynate) 또는 칼륨 티오시네이트(Kalium, KSCN)로 치환할 수 있고, 상기 디에탄올아민의 전부 또는 일부는 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)으로 치환할 수 있다.
위와 같은 콘크리트 조강제는 단위시멘트량 300~360kg/㎥; 슬럼프값 150±25mm 또는 180±25mm; 및 공기량 4.5±1.5vol%; 조건의 콘크리트 조성물에 시멘트 100wt% 대비 0.5~1.5wt% 첨가될 때, 온도 10℃ 이상 조건에서 양생 시 재령 24시간 내에 압축강도 5MPa 이상이 발현되도록 한다.
상기 콘크리트 조강제에는 굳지 않은 콘크리트의 유동성 유지를 위해 제3인산나트륨(Na3PO4) 0.5~3.0wt%를 더 포함시킴으로써, 조강성 확보에 따른 슬럼프 로스율을 최소화할 수 있다.
상기 콘크리트 조강제는 분말 형태의 칼슘브로마이드, 소디움 티오시네이트 또는 칼슘 티오시네이트 또는 칼륨 티오시네이트, 디에탄올아민 또는 트리에탄올아민, 제3인산나트륨 등의 각 성분을 액상에서 용해시킨 것이므로 다시 쉽게 결정화되지 않도록 하기 위해 적정 함량이 제한되어야 한다. 또한, 염화물량, 경제성, 목표 성능 발현 등도 함께 고려해야 한다. 전술한 칼슘브로마이드 5~15wt%; 소디움 티오시네이트 또는 칼슘 티오시네이트 또는 칼륨 티오시네이트 10~25wt%; 디에탄올아민 또는 트리에탄올아민 0.3~2.0wt%, 제3인산나트륨 0.5~3.0wt% 등은 전술한 고려 사항을 토대로 수많은 실험을 통하여 도출해낸 적정 함량으로써, 콘크리트 조강제 전체를 100wt%라 할 때의 함량을 나타낸 것이다. 본 발명이 제공하는 콘크리트 조강제 중 위에서 열거된 성분들 이외에는 모두 물(H2O)이다.
한편, 일평균 기온이 4℃ 이하인 동절기에는 콘크리트표준시방서 상 한중콘크리트 관리 기준에 따라 시공을 진행해야 한다. 한중콘크리트 관리 기준에는 소요의 압축강도가 확보될 때까지 콘크리트의 온도는 5℃ 이상을 유지하도록 되어 있다.
본 발명에서는 5℃ 이하의 조건에서 양생온도 및 단위결합재량에 따른 콘크리트 강도 발현 특성을 검토하여 동절기에 효과적으로 초기동해를 제어할 수 있는 내한촉진제를 도출하고자 하였다.
이에 본 발명은 『물을 기반으로 제조되며, 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG) 30~60wt%; 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 2~10wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 5~10wt%; 및 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.1~1.0wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 내한촉진제』를 함께 제공한다.
상기 소디움 티오시네이트의 전부 또는 일부는 칼슘 티오시네이트(Calcium thiocynate) 또는 칼륨 티오시네이트(Kalium, KSCN)로 치환할 수 있고, 상기 디에탄올아민의 전부 또는 일부는 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)으로 치환할 수 있다.
위와 같은 콘크리트 내한촉진제는 단위시멘트량 300~360kg/㎥; 슬럼프값 180±25mm; 및 공기량 3~6vol%; 조건의 콘크리트 조성물에 시멘트 100wt% 대비 1.2~3.0wt% 첨가될 때, 온도 -5℃ 이상 조건에서 양생 시 재령 72시간 내에 동결없이 압축강도 5MPa 이상이 발현되도록 한다.
상기 콘크리트 내한촉진제에는 굳지 않은 콘크리트의 유동성 유지를 위해 제3인산나트륨(Na3PO4) 0.5~3.0wt%를 더 포함하여 조성함으로써, 조강성 확보에 따른 슬럼프 로스율을 최소화할 수 있다.
상기 콘크리트 내한촉진제는 분말 형태의 칼슘브로마이드, 소디움 티오시네이트 또는 칼슘 티오시네이트 또는 칼륨 티오시네이트, 디에탄올아민 또는 트리에탄올아민, 제3인산나트륨 등의 각 성분을 액상에서 용해시켜 액상의 에틸렌글리콜과 혼합한 것이므로 다시 쉽게 결정화되지 않도록 하기 위해 적정 함량이 제한되어야 한다. 또한, 염화물량, 경제성, 목표 성능 발현 등도 함께 고려해야 한다. 전술한 에틸렌글리콜 30~60wt%, 칼슘브로마이드 2~10wt%; 소디움 티오시네이트 또는 칼슘 티오시네이트 또는 칼륨 티오시네이트 5~10wt%; 디에탄올아민 또는 트리에탄올아민 0.1~1.0wt%, 제3인산나트륨 0.5~3.0wt% 등은 전술한 고려 사항을 토대로 수많은 실험을 통하여 도출해낸 적정 함량으로써, 콘크리트 내한촉진제 전체를 100wt%라 할 때의 함량을 나타낸 것이다. 본 발명이 제공하는 콘크리트 조강제 중 위에서 열거된 성분들 이외에는 모두 물(H2O)이다.
이하에서는 전술한 콘크리트 조강제 및 내한촉진제를 도출해 내기 위한 과정을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서의 슬럼프 시험은 KS F 2402 『콘크리트의 슬럼프 시험 방법』에 따라 실시하였고, 공기량 시험은 KS F 2421 『압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법』에 따라 실시하였다.
콘크리트의 염화물량 평가는 KS F 4009에서는 전위차적정법, 흡광광도법, 질산은적정법 및 정밀도가 확인된 간이 염화물 측정기를 사용할 수 있도록 규정되어 있다. 이 중 본 연구에서는 상기 KS F 4009 기준에 맞는 D사의 간이 시험장치, 질산은적정법의 원리를 채용한 드라이케미스트리 시트법 및 일본 A사의 전위차적정법 시험장치를 병용하였다.
경화 콘크리트의 압축강도 측정은 KS F 2043 『콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법』에 준하여 시험체를 제작한 후, KS F 2405 『콘크리트 압축 강도 시험 방법』에 따라 실시하였다.
1.
양생기간
단축을 위한
조강제
개발
본 발명의 발명자는 조강제 개발을 위해 6단계의 실험·연구를 진행하였다. 이하에서는 각 실험·연구 단계를 상세히 설명한다.
(1) 1-1단계(
양생온도
및
단위결합재량에
따른 성능 검토)
본 연구의 1-1단계에서는 현재 건축현장에 적용되고 있는 21~27MPa 수준을 고려하여, 일반적인 단위결합재량 수준을 설정한 후, 양생온도 10~20℃ 범위에서 초기강도 발현 특성을 검토하고자 하였다.
1-1단계의 실험내용은 아래의 [표 1-1-1]에 정리된 바와 같으며, 양생온도별 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 1-1-2]에 나타난 바와 같다.
[표 1-1-1]
[표 1-1-2]
[표 1-1-3]은 단위결합재량에 따른 굳지 않은 콘크리트의 시험결과를 나타낸 것이다. AD 감수제 사용량은 단위결합재량의 0.7wt%로 동일하게 사용하였으며, 슬럼프는 Plain 300이 195mm, 그 외의 경우 모두 190mm로 측정되어, 단위결합재량에 관계없이 동일한 혼화제 비율의 혼화제 사용시 유동성은 유사한 수준인 것으로 나타났다.
또한, 공기량의 경우 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 혼합한 Plain 300에 비해 OPC만을 단독으로 사용하였을 경우 AE제 첨가량이 감소하였음에도 불구하고, 공기량이 다소 증가되는 것으로 나타났으며, 이는 플라이애시 등에 의한 AE제의 흡착에 기인한 것으로 판단된다. 그러나 금번 검토된 배합 수준에서는 단위결합재량에 관계없이 KS F 4009의 기준인 공기량 3~6vol% 수준을 모든 만족하고 있어, 굳지 않은 콘크리트의 물성은 크게 차이가 없는 것으로 판단되었다.
[표 1-1-3]
[도 1-1-1] 단위결합재량에 따른 슬럼프 및 공기량
아래의 [표 1-1-4]는 단위결합재량 및 양생온도 변화에 따른 초기재령 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다.
양생온도가 낮아짐에 따라 콘크리트의 초기강도는 낮게 발현되었으며, 양생온도가 20℃에서 15℃로 저하시 초기강도 발현이 지연되는 폭이 상대적으로 큰 것으로 나타났다.
또한, 양생온도가 낮을수록 초기강도 발현이 지연됨에 따라, 양생온도 10℃의 경우 초기 재령인 24h에서는 본 연구에 적용된 범위의 단위결합재량 조건에서는 강도발현 차이가 나타나지 않았으며, 36h 이후부터 단위결합재량에 따른 강도발현에 차이가 나타났다.
단위결합재량에 따른 초기 강도를 살펴보면, 단위결합재량이 증가할수록 초기 강도가 높게 발현되었으며, 이는 양생온도가 높을수록 뚜렷한 경향이 나타났다.
한편, 단위결합재량별로 살펴보면, 24시간에서는 단위결합재량 345kg/㎥, 양생온도 20℃ 조건에서만 초기동해 제어 강도인 5MPa 확보가 가능하였으며, 36시간에서는 양생온도 15℃ 이상에서 1종 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 단독으로 사용할 경우 300kg/㎥ 이상에서는 5MPa 확보가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 48시간에서는 양생온도 10℃ 이상, OPC 단독 사용 300kg/㎥ 이상에서 5MPa가 확보되었다.
고로슬래그 미분말과 플라이애시를 혼합(총 30wt%)하여 사용한 Plain 300의 경우 양생온도를 15℃ 이상으로 유지한 상태에서 48시간이 경과되어야 5MPa 확보가 가능한 것으로 나타났다.
이상과 같은 시험 결과를 고려할 때, 동절기 콘크리트 공사시 가열양생에 의한 평균 양생온도를 10℃ 수준으로 가정할 경우, 48시간 이내에 초기 동해 제어 강도 확보 및 거푸집 탈형 작업을 수행하기 위해서는 콘크리트 배합 설정시 단위시멘트량은 300kg/㎥이상 적용할 필요가 있으며, 현재 국내 현장에서 적용되고 있는 레미콘 배합을 고려할 경우 호칭강도 기준으로 24~27MPa 이상이 적용되어야 할 것으로 판단되었다.
[표 1-1-4]
[도 1-1-2] 단위결합재량 및 양생온도에 따른 초기재령 압축강도
국내 콘크리트 관련 시방서에서는 초기동해 제어 및 수직 거푸집의 탈형 가능 강도를 5MPa로 제시하고 있다. [도 1-1-3]은 금번 검토에 적용된 배합의 실험 결과로부터 단위결합재량에 따른 5MPa 도달시간을 검토하기 위하여, 적산온도방식을 활용하여 적산온도에 따른 압축강도 발현 특성을 분석하여 나타낸 것이다.
[도 1-1-3] 적산온도에 따른 압축강도 발현 특성
본 연구에 적용된 배합의 경우 초기동해 제어가 가능한 강도인 5MPa를 확보하기 위한 적산온도는 Plain 300의 경우 1171℃·h, OPC 300은 829℃·h, OPC 330은 736℃·h, OPC 345는 703℃·h로 분석되었으며, 이상과 같은 결과로부터 양생온도별 5MPa 도달시간을 정리하면 [표 1-1-5]와 같다.
양생온도 20℃에 비교하여 양생온도 10℃에서는 5MPa 강도 발현 시기가 약 12시간 이상 지연되는 것으로 분석되었으며, 양생온도 5℃에서는 약 2배 정도 강도 발현 시기가 지연될 수 있는 것으로 나타났다.
한편, 적산온도 방식을 활용한 강도발현 시기 예측 방법의 적용성 검토를 위하여 [표 1-1-5]에서 제시된 압축강도 5MPa 도달시간과 실측 데이터를 추세한 데이터를 비교하여 [도 1-1-4]에 나타냈다,
양생온도 20℃의 경우 적산온도 방식과 실측 데이터의 차이가 1시간 이내로 비교적 일치하는 것으로 나타났으나, 15℃의 경우 적산온도 방식이 약 4시간 정도 지연되는 것으로 예측되고, 10℃의 경우 약 5시간 이상 빠르게 강도가 발현되며, 특히 Plain 300의 경우 약 16시간 정도 강도가 빠르게 발현되는 것으로 예측되어, 양생온도가 낮을수록 적산온도 방식 적용시 오차가 크게 발생되는 것으로 나타났다.
[표 1-1-5]
[도 1-1-4] 적산온도 방식과 실측 데이터의 강도발현 시간 차이
이와 같이 각 양생온도별 실험결과를 통합하여 적산온도로 변환하였을 경우 편차가 크게 발생하였으나, 각각의 양생온도별로 적산온도를 산출할 경우 실측 데이터와 적산온도에 의한 예측시간은 1시간 이내의 차이를 보이는 것으로 나타났다.
이에 상대적으로 양생온도가 낮게 설정되는 한중콘크리트의 특성을 고려할 때, 건설현장에서 동절기 초기동해 제어를 위한 가열양생계획 설정시 적산온도 방식 적용을 위해서는 사전에 현장에 사용하고자 하는 콘크리트의 온도 특성에 대한 파악 후, 적용이 필요할 것으로 판단된다.
이상과 같이 적산온도 방식을 활용하여 초기 재령에서의 강도 발현시기를 검토한 결과, 현재 국내 현장에서 적용되고 있는 21~27MPa 수준의 단위결합재량 또는 단위시멘트량을 고려할 때, 별도의 촉진형 재료없이 본 발명에서 목표로 하는 양생온도 10℃ 조건에서 5MPa/24h 확보는 어려운 것을 알 수 있었다.
(2) 1-2단계(혼화제 종류별 성능 검토)
1-1단계 실험을 통하여 국내 건설현장에서 일반적으로 적용되고 있는 21~27MPa 호칭강도의 레미콘 배합 수준으로는 양생온도 10℃ 조건에서 5MPa/24h 확보가 곤란한 것을 확인하였으며, 이에 1-2단계 실험에서는 현재 국내 건설시장에서 적용되고 있는 조강형 혼화제 적용시 강도 발현 특성을 검토하였다.
1-2단계에서는 콘크리트에 적용되는 혼화제의 종류에 따른 콘크리트의 초기 강도 발현 특성을 검토하기 위하여, 혼화제 종류를 일반감수제, 일반PC 및 조강PC로 설정하고, 조강PC를 적용한 경우 조강제 원료가 상이한 2종의 제품을 설정하였다(* 본 명세서에서 'PC'는 폴리카르본산계 제품을 의미함).
1-2단계의 실험내용은 아래의 [표 1-2-1]에 정리된 바와 같으며, 양생온도별 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 1-2-2]에 나타난 바와 같다.
[표 1-2-1]
[표 1-2-2]
[표 1-2-3]은 단위시멘트량 및 혼화제 종류에 따른 굳지 않은 콘크리트 시험 결과를 나타낸 것이다.
금번 검토에서는 비빔직후의 목표 슬럼프를 180±25mm 수준으로 계획하였으며, 이를 확보하기 위한 혼화제 첨가율은 단위시멘트량에 관계없이 일반 감수제에 비해 조강PC에서 증가되는 경향이 나타났다. 이는 조강PC의 경우 혼화제를 구성하는 고형분 중 조강형 원료가 추가되어 있어, 분산제 등의 비율이 감소된 것에 기인한 것으로 판단된다.
금번 검토 범위에서는 혼화제 종류에 따라 목표 슬럼프를 확보하기 위한 첨가량은 다소 변화되었으나, 콘크리트의 슬럼프는 유사한 수준이었으며, 육안관찰에 의한 유동성도 유사한 수준인 것으로 나타났다.
또한, 공기량의 경우 단위시멘트량에 관계없이 동일한 AE제를 사용한 조건에서도 일반 감수제에 비해 조강PC를 사용한 경우 비빔 직후의 공기량이 다소 감소되는 것으로 나타났다. 그러나 단위시멘트량 및 혼화제 종류에 관계없이 KS에 제안된 공기량 범위인 3~6vol%을 만족하는 것으로 나타나, 금번 검토된 단위시멘트량 범위 및 혼화제 조건에서는 공기량 확보에는 문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.
[표 1-2-3]
[도 1-2-1] 단위시멘트량 및 혼화제 종류에 따른 슬럼프
[도 1-2-2] 단위시멘트량 및 혼화제 종류에 따른 공기량
[표 1.2-4]는 단위시멘트량 및 혼화제 종류에 따른 초기재령의 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다.
조강PC의 경우 A제품은 조강형 원료로 질산나트륨(NaNO3), TEA 및 황산나트륨(Na2SO4)가 적용된 것이며, B제품은 황산나트륨을 제외한 대신에 질산나트륨의 사용량을 늘리고, TEA를 적용한 것을 사용하였다.
금번 검토 범위에서 일반감수제에 비해 폴리카르본산계 고성능감수제를 적용한 경우 상대적으로 초기 재령에서 강도 발현이 양호하였으며, 조강형 원료를 적용할 경우 초기 강도 발현 성능은 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
혼화제 종류별로는 양생온도 10℃ 조건에서 일반감수제의 경우 단위시멘트량 360kg/㎥에서도 36시간까지 5MPa를 확보할 수 없는 것으로 나타났다.
[표 1-2-4]
[도 1-2-3] 단위시멘트량 및 혼화제 종류에 따른 초기 재령 압축강도
한편, 일반PC의 경우 단위시멘트량 360kg/㎥에서 36시간에 5MPa를 확보할 수 있는 것으로 나타났으며, 조강PC의 경우 단위시멘트량 330kg/㎥ 이상에서는 36시간에 5MPa를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 조강PC 중에서는 B제품이 A제품에 비해 상대적으로 초기 강도 발현 성능이 우수한 것으로 나타나, 조강형 원료 중에서는 황산나트륨에 비해 질산나트륨의 효과가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
그러나 금번 검토 범위에서도 본 연구에서 목표로 하고 있는 10℃ 조건에서 5MPa/24시간의 확보는 불가능한 것으로 나타났으며, 초기 강도 확보를 위해서는 단위시멘트량을 증가시키거나, 조강형 원료에 관한 추가 검토가 필요할 것으로 판단되었다.
[표 1-2-5]
[도 1-2-4] 단위시멘트량 및 혼화제 종류 변화에 따른 강도발현율 변화
[표 1-2-5]는 단위시멘트량 300kg/㎥의 일반감수제 사용 조건의 강도를 기준으로 단위시멘트량 및 혼화제 종류 변화에 따른 강도발현율을 나타낸 것이다.
혼화제 변화에 따른 강도 개선 효과는 단위시멘트량이 증가할수록 크게 나타났으며, 36시간보다는 24시간에 우수한 것으로 나타나, 조강형 원료의 적용은 초기에 효과적인 것을 확인할 수 있었다([도 1-2-4]의 (a) 참조).
또한, 재령 24시간에서 일반감수제에 비해 조강PC의 경우 약 200~300% 정도 초기 강도 개선 효과가 있는 것으로 나타났다.
혼화제 종류별로는 조강PC가 일반감수제에 비해 단위시멘트량 증가에 따른 초기강도 개선 효과가 우수한 것으로 나타났으며, 단위시멘트량 변화의 경우 재령 24시간과 36시간의 개선 효과에는 크게 차이가 없는 것으로 나타났다([도 1-2-4]의 (b) 참조).
또한, 동일한 혼화제 종류에서 단위시멘트량 300kg/㎥과 비교하여 60kg/㎥ 단위시멘트량을 증가시킨 경우 초기 강도 개선 효과는 약 110~160% 수준인 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터 초기 재령에서의 강도 발현 성능을 향상시키는 측면에서는 단위시멘트량의 증가보다는 응결 및 경화를 촉진시킬 수 있는 조강형 재료를 사용하는 것이 효과적인 것을 알 수 있었으며, 이에 3단계 검토에서는 다양한 조강제 원료의 초기 강도 개선 효과를 검토하는 것으로 방향을 설정하게 되었다.
(3) 1-3단계(
조강제
원료에 따른 조기강도 발현 특성 검토)
1-1, 1-2단계의 실험을 통하여 현재 국내 현장에서 적용되고 있는 배합 수준 및 조강형 혼화제 제품으로는 본 발명에서 목표로 하는 양생온도 10℃ 조건에서 5MPa/24시간의 확보가 곤란한 것이 확인되었으며, 초기 재령에서의 강도 발현을 촉진시키는 효과는 단위시멘트량을 증가시키는 것에 비해 조강형 원료를 사용하는 것이 효과적인 것으로 파악되었다.
이에 1-3단계 실험에서는 기존 기술자료를 참고로 하여 시멘트의 응결 및 경화를 촉진시킬 수 있는 원료들을 대상으로 조기강도 발현 특성을 검토하였다.
1-3단계에서는 콘크리트의 초기 강도 발현 개선을 위한 조강제 원료를 선정하기 위하여, 양생온도 10℃, 단위결합재량 330kg/㎥ 조건에서 기존 검토 자료를 기초로 하여 조강제 원료를 무기염 5종, 유기염 3종을 대상으로 성능을 검토하고자 하였다.
1-3단계의 실험내용은 아래의 [표 1-3-1]에 정리된 바와 같으며, 양생온도별 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 1-3-2]에 나타난 바와 같다.
[표 1-3-1]
[표 1-3-2]
아래의 [표 1-3-3]은 조강제 원료 종류에 다른 콘크리트 물성 시험 결과를 나타낸 것이다.
고성능감수제를 결합재 대비 1wt%(B×1%)로 동일하게 사용하였을 경우, 조강형 원료를 사용하였어도, 1-2단계에서 실험했던 결과와 유사하게 목표 슬럼프인 180±25mm를 확보하는데 문제가 없는 것으로 나타나, 금번 검토에 적용한 조강형 원료의 경우 콘크리트의 비빔 직후 유동성에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 판단된다.
단, 조강형 원료 중 C_ni 및 S_a의 경우 동일한 고성능감수제 적용 조건에서도 슬럼프가 다소 저하되는 것으로 나타났으며, C_f의 경우 슬럼프가 증가되는 것으로 나타나, 조강형 원료 종류에 따라서 비빔직후의 유동성의 차이가 발생될 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 공기량의 경우 AE제를 동일하게 적용한 조건에서 조강제 원료 종류에 관계없이 4~5% 수준으로 유사한 수준을 보이고 있으며, KS 기준인 3~6% 범위를 만족하고 있어, 금번 검토된 조강제 원료는 공기량에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.
[표 1-3-3]
[도 1-3-1] 조강제 원료 종류에 따른 슬럼프 및 공기량
[도 1-3-2]는 조강제 원료 종류에 따른 24, 36, 48시간의 압축강도를 나타낸 것으로, 경화촉진제의 적용에 의해 1-1, 1-2단계에서 검토된 결과와 비교하여 초기재령의 강도는 향상되는 것으로 나타났다.
[도 1-3-2] 조강제 원료 종류에 따른 초기 재령 강도
조강제 원료 종류별로는 24시간에서는 S_t > C_b > P_t > C_ni > S_ni > C_na > S_a > TEA > S_na > C_f의 순서, 36 및 48시간에서는 C_b > P_t > S_t > TEA > S_ni > C_ni > S_na > C_f > S_a > C_na의 순서로 재령 24시간까지는 S_t, 재령 36~48시간에서는 C_b의 촉진효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.
금번 검토한 조강제 원료 중 수용성 무기염의 경우 초기강도 발현은 시멘트 광물 중 C3S의 수화를 촉진시키는 효과에 의한 것이며, 유사한 몰농도 조건에서는 아래와 같은 순서로 음이온 및 양이온의 효과가 높은 것으로 알려져 있다.
○ 음이온 : Cl- ≒ Br-> SCN- > I- > NO3 - > ClO4 -
○ 양이온 : Ca2 + > Sr2 + >Li+ > K+ > Na+ > Rb+
이와 같은 효과를 고려하면 CaCl2의 경화촉진 효과가 가장 우수할 것으로 기대되지만, 전술한 바와 같이 철근의 부식 문제로 철근콘크리트구조물에서는 적용이 곤란한 문제점이 있다.
금번 검토에서도 초기재령에서 강도 발현 촉진효과가 우수한 수용성 무기염은 Br-와 Ca2 +의 조합인 C_b, K+ 및 Na+와 SCN-의 조합인 P_t 및 S_t로 나타나, 기존의 기술자료와 유사한 결과를 확인할 수 있었다.
그러나 검토 결과에서 알 수 있는 바와 같이 C_b, S_t 및 P_t의 효과가 나타나는 시점에서는 다소 차이가 있는 것으로 나타났으며, 이와 같은 특성을 고려하여 조강제 원료의 조합에 관한 검토가 필요할 것으로 판단되었다.
한편, 본 검토에서 수용성 유기염 중 경화촉진 효과가 우수하게 나타난 TEA의 경우 시멘트 광물 중 C3A의 반응을 촉진시키며, 일정 사용량 이상에서는 C3S의 수화반응을 지연시키는 것으로 알려져 있으나, 금번 실험에서는 상대적으로 단위시멘트량에 대한 TEA의 비율이 낮아 수화반응의 지연효과는 나타나지 않았던 것으로 판단된다.
이상과 같은 검토 결과, 금번 검토에 적용한 원료 중 수용성 무기염이 수용성 유기염에 비해 상대적으로 초기재령의 강도 발현 촉진 효과가 우수하게 나타났으며, 응결뿐만 아니라, 초기재령에서의 강도 발현 촉진 측면에서는 C3S의 수화 반응을 촉진시키는 것이 효과적인 것으로 판단되었다.
[도 1-3-3]은 조강제 원료 종류별로 압축강도 5MPa 도달시간 추정을 위하여, 재령에 따른 강도 변화를 나타낸 것이며, 촉진제 종류별 강도 발현 추세식을 정리하여 [표 1-3-4]에 나타냈다.
[도 1-3-3]
[표 1-3-4]
금번 검토 결과 단위시멘트량 330kg/㎥, 양생온도 10℃ 조건에서는 본 연구에서 검토된 조강형 원료를 사용하여도 24시간에서 초기동해 제어 강도인 5MPa를 확보할 수는 없는 것으로 나타났다.
또한, 조강형 원료 중 초기재령 강도 발현 촉진 효과가 우수한 것으로 나타난 S_t의 경우에도 5MPa를 확보하기 위해서는 약 28시간이 소요되며, C_b 및 P_t의 경우도 약 30~31시간이 소요되는 것으로 분석되었다.
이에 본 연구에서 목표로 하고 있는 양생온도 10℃ 조건에서 24시간 이내에 5MPa를 확보하기 위해서는 금번 검토된 조강형 원료의 사용량 조정, 복합 사용에 의한 효과 확인 등이 추가로 필요할 것으로 판단되었으며, 이를 위한 주요 조강제 원료는 S_t 및 C_b로 설정하고, 추가적으로 조강형 혼화제에 적용되는 질산나트륨, 질산칼륨, DEA, TEA 등 과의 복합사용 및 조강제 원료 첨가량에 따른 강도 발현 특성을 검토하는 것으로 설정하게 되었다.
(4) 1-4단계(
조강제
원료 복합사용 및 첨가량에 따른 특성 검토)
1-4단계 실험에서는 최적의 조강제를 도출하기 위하여, 1-3단계에서 검토된 조강제 원료 중 상대적으로 성능이 우수한 것으로 확인된 재료들을 복합하여 사용하고, 이 중 최적의 조합을 대상으로 사용량에 따른 초기 강도 발현 특성을 검토하고자 하였다.
1-4단계의 실험내용은 아래의 [표 1-4-1]에 정리된 바와 같다.
[표 1-4-1]
양생온도별 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 1-4-2]에 나타난 바와 같다. 설계기준강도 21~27MPa 수준 및 경제성 등을 고려하여 단위시멘트량을 300~360kg/㎥로 변화를 주어 조강제를 사용한 콘크리트의 단위시멘트량에 따른 강도 발현 특성을 검토하기 위한 것이다.
[표 1-4-2]
아래의 [표 1-4-3]은 조강제 원료의 복합사용 및 첨가량에 따른 콘크리트 물성 시험 결과를 나타낸 것이다.
이중 시리즈 Ⅰ은 단위시멘트량 360kg/㎥ 조건에서 조강제 원료 복합 종류에 따른 슬럼프 및 공기량을 나타낸 것으로, 동일한 고성능감수제 사용량 조건에서 조강제 종류에 관계없이 본 연구에서 목표로 한 슬럼프 180±25mm를 모두 만족하는 것으로 나타나, 금번 검토된 조강제 원료 복합 사용 범위에서는 콘크리트의 유동성에 미치는 영향이 크지 않은 것을 알 수 있었다([도 1-4-1] 참조) .
[도 1-4-1] 조강제 원료 복합 사용에 따른 슬럼프 및 공기량
또한, 공기량의 경우에도 동일한 AE제 사용량 조건에서 모두 KS의 규정 범위인 3~6% 수준을 만족하는 것으로 나타나, 금번 검토된 조강제 적용시 공기량 확보에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
단, 유의할만한 수준은 아니지만, 질산칼슘이 적용된 A-1 및 A-4의 경우 Plain에 비해 상대적으로 공기량이 낮게 나타났으며, 질산나트륨이 적용된 A-3 및 A-5의 경우 상대적으로 공기량이 높게 나타나고 있어, 조강제 원료 조성에 따라 AE제를 사용한 콘크리트의 공기량에 영향을 다소 미치는 것으로 나타났다.
시리즈 Ⅱ는 조강제 원료 복합사용 결과, 효과가 가장 우수했던 A-2 및 A-6 조강제를 대상으로 단위시멘트량을 300, 330, 360kg/㎥, 첨가율을 B×0.5%, B×1.5%로 변경하여, 조강제 첨가량에 따른 슬럼프 및 공기량을 평가한 결과를 나타낸 것이다([도 1-4-2] 참조).
[도 1-4-2] 조강제 첨가량에 따른 슬럼프 및 공기량
동일한 고성능감수제 사용량 조건에서 조강제 A-2 및 A-6의 적용에 따른 콘크리트 슬럼프의 유의할만한 경향은 나타나지 않았으며, 본 검토에서 목표로 하는 슬럼프를 모두 만족하는 것으로 나타나, 금번 검토 범위에서는 A-2 및 A-6 조강제가 콘크리트의 유동성에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.
한편, 공기량의 경우 Plain과 비교하여 조강제 A-2는 금번 첨가량 범위에서는 크게 영향이 없는 것으로 나타났으나, 조강제 A-6의 경우 첨가량이 증가할수록 공기량이 감소되는 경향을 보이고 있어, 첨가량 증가시 AE제 사용량 증가 등이 필요할 수 있을 것으로 판단되었다. 그러나 금번 검토 범위 내에서는 조강제 A-2 및 A-6 모두 공기량 3~6vol% 범위를 확보하는데 문제가 없는 것으로 나타났다.
[표 1-4-3]
위 [표 1-4-3]의 시리즈 Ⅰ에는 조강제 원료 복합 종류에 따른 초기 재령의 압축강도는 단위시멘트량 360kg/㎥, 양생온도 10℃ 조건에서 조강제 원료를 복합 사용함에 따라 본 연구에서 목표로 한 재령 24시간에서 5MPa를 확보할 수 있는 것으로 나타났다([도 1-4-3] 참조).
[도 1-4-3] 조강제 원료 복합 사용에 따른 초기 재령 압축강도
조강제 복합 형태별로 살펴보면 재령 24시간에서는 A-6 > A-2 > A-3 > A-4 ≒A-5≒A-1≒A-7의 순서로 강도 발현 촉진 효과가 우수한 것으로 나타나, 1-3단계 시험에서 도출되었던 조강제 원료 중 CaBr2 및 NaSCN의 효과가 우수한 것이 다시 확인되었으며, 이를 복합할 경우 가장 효과가 우수한 것을 알 수 있었다.
A-1, A-3, A-4, A-5, A-7의 경우 CaBr2에 조강형 원료를 복합하였으나, 강도 발현 촉진 효과는 오히려 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 응결 및 경화 촉진 측면에서 조강형 원료별로 특성은 상이하지만, 금번 추가로 검토된 조강형 원료가 CaBr2에 비해 전반적으로 응결 및 경화 촉진 효과가 낮았으며, 이에 오히려 CaBr2의 촉진 효과를 감소시키는 결과를 초래한 것으로 판단된다.
한편, 1-3단계 시험에서 24시간 이내의 촉진 성능이 가장 우수한 것으로 나타난 NaSCN과 24~48시간의 촉진 성능이 가장 우수하였던 CaBr2를 복합 사용한 경우 초기 재령 강도의 발현 촉진 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 금번 검토에서는 A-2 및 A-6 조강제를 대상으로 단위시멘트량 변화 및 조강제 첨가량 변화에 따른 콘크리트 성능을 평가하는 것으로 방향을 설정하게 되었다.
위 [표 1-4-3]의 시리즈 Ⅱ는 조강제 첨가량에 따른 초기 재령 압축강도를 나타낸 것으로, 단위시멘트량 360kg/㎥, 양생온도 10℃ 조건에서 조강제 A-6를 1.5% 사용한 콘크리트만 본 연구에서 목표로 하는 5MPa/24시간을 만족하는 것은 것으로 나타났다(도 1-4-4] 참조).
[도 1-4-4] 조강제 첨가량에 따른 초기 재령 압축강도
이는 조강제 원료 복합 사용에 관한 검토시 진행한 시험결과에 비해 초기 재령 강도가 재령 24시간에서 약 1.2MPa 정도 저하된 것으로, 이는 시험에 사용한 1종 시멘트의 생산 로트 변화 등에 기인한 것으로 판단되며, 향후 실용화를 위해서는 원재료의 변동에 따른 품질 특성에 관하여 사전 검토 후, 적용이 필요할 것으로 판단된다.
한편, 단위시멘트량을 330kg/㎥로 감소시킨 경우 금번 검토된 모든 조강제 조건에서 24시간에서 5MPa를 확보할 수 없는 것으로 나타났으며, 조강제 A-6만 27시간에서 5MPa를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 단위시멘트량 300kg/㎥ 수준에서는 30시간 이내에 5MPa를 확보할 수 없는 것으로 나타났다.
조강제 종류 및 첨가량별로 살펴보면, 조강제 종류에 관계없이 첨가량이 증가할수록 초기 재령의 압축강도 발현은 촉진되는 것으로 나타났다.
또한, 조강제 A-6의 경우 단위시멘트량 300kg/㎥를 제외하면, 재령 27시간까지는 첨가량이 0.5%인 조건에서도 A-2에 비해 강도발현 촉진 효과가 크게 나타나, 본 연구에서는 조강제의 프로토타입을 A-6 형태로 가져가는 것이 효과적일 것으로 판단되었다.
(5) 1-5단계(유동성 유지성능 및 염화물 측정 특성 검토)
1-5단계에서는 1-4단계까지의 실험적 검토를 통해 도출된 조강제 프로토타입인 A-6을 사용한 콘크리트에서 유동성의 유지성능 및 국내 현장에서 사용하고 있는 장비에 의한 염분 측정량의 영향을 검토하고, 현장 적용에 문제가 없는 범위를 설정하기 위하여, 유지제 종류, 염분 측정방법에 따른 성능을 검토하고자 하였다.
1-5단계의 실험내용은 아래의 [표 1-5-1]에 정리된 바와 같으며, 양생온도별 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 1-5-2]에 나타난 바와 같다.
[표 1-5-1]
[표 1-5-2]
[표 1-5-3]은 본 단계 시험에서의 굳지 않은 콘크리트 물성 시험 결과를 나타낸 것이다.
[표 1-5-3]
[도 1-5-1]은 조강제 A-6에 유지제로 시트르산(C6H8O7)을 적용하여, 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별로 경과시간에 따른 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 변화를 나타낸 것이며, [도 1-5-2]는 경과시간에 따른 슬럼프 로스 비율을 나타낸 것이다.
동일한 고성능감수제 사용량 조건에서 조강제를 사용한 콘크리트의 비빔직후 슬럼프는 조강제를 사용하지 않은 Plain과 유사하게 목표 슬럼프 180±25mm를 확보할 수 있었다.
[도 1-5-1] 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별 경과시간에 따른 슬럼프 변화
[도 1-5-2] 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별 경과시간에 따른 슬럼프 로스 비율
한편, 슬럼프 로스 비율을 나타낸 [도 1-5-2]에서 보는 바와 같이 조강제를 적용한 경우 Plain에 비해 슬럼프 로스가 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 이는 단위시멘트량이 작을수록 크게 발생하는 경향이 나타났다.
금번 검토에서는 유지제로 시트르산을 적용하였음에도 불구하고, 단위시멘트량 300kg/㎥에서 조강제를 사용한 경우 비빔직후 슬럼프에 비해 경과시간 60분에서는 45% 이상 슬럼프가 저하되는 것으로 나타났다.
그러나 단위시멘트량 360kg/㎥에서 조강제를 B×1.5% 첨가한 경우 Plain과 유사한 수준으로 슬럼프 로스가 발생되었으며, 이는 단위시멘트량 증가 및 조강제 첨가율 증가에 따라 유지제의 절대량이 증가되었기 때문으로 판단된다.
이에 조강제 적용시 슬럼프 유지성능을 확보하기 위해서는 유지제 사용량을 증가시키거나, 유지제 종류의 변경이 필요할 것으로 판단되었다.
본 연구에서 검토된 유지제는 구연산(C6H8O7)과 제3인산나트륨(Na3PO4)인데, 조강제에 구연산을 첨가한 경우 굳지 않은 콘크리트에서 약 16~33%의 슬럼프 로스율을 보이는 반면, 제3인산나트륨을 사용한 경우에는 3~12%의 슬럼프 로스율을 나타내, 제3인산나트륨이 경시 변화율(슬럼프 로스율)을 낮추는데 적합한 것으로 파악된다.
[도 1-5-3]은 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별 경과시간에 따른 공기량 변화를 나타낸 것으로, 슬럼프와는 달리 단위시멘트량이 증가할수록 공기량의 감소가 크게 나타났다.
[도 1-5-3] 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별 경과시간에 따른 공기량 변화
또한, Plain에 비해 조강제를 사용한 콘크리트의 경우 공기량이 다소 감소되는 것으로 나타났으며, 이는 1-4단계 실험에서의 결과와 유사한 것으로, 조강제 원료 중 NaSCN에 기인한 것으로 추정된다.
그러나 공기량의 경우 슬럼프와 달리 경과시간 60분에서도 KS에 규정된 공기량의 범위인 3~6vol% 수준을 만족하고 있어, 실제 현장 적용시 문제가 되지는 않을 것으로 판단되었다.
[도 1-5-4]는 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별로 염화물량 측정방법에 따른 염화물량 측정값의 변화를 나타낸 것이다.
[도 1-5-4]
금번 검토에서 염화물량 측정방법은 D사의 경우 이온전극법의 원리를 채용한 간이 시험장치이며, Q사의 경우 질산은적정법의 원리를 채용한 드라이케미스트리 시트법, A사의 전기량적정법을 채용한 시험장치를 활용하였다.
본 연구를 통해 도출된 조강제의 경우 철근의 부식 우려 등을 고려하여 Cl- 이온을 전혀 사용하지 않았고, 기존 연구자료를 통해서도 철근의 부식에 영향을 미치지 않는 것으로 알려진 원료를 사용하였다.
D사의 측정장치에 의한 측정결과, 조강제를 첨가하는 경우 모두 KS의 염화물량 규정치인 0.3kg/㎥를 크게 초과하는 것으로 판정되었으며, 단위시멘트량 330kg/㎥ 및 360kg/㎥의 조건에서는 규정치의 15배 이상을 초과하는 것으로 판정되었다.
또한, 조강제를 사용하지 않은 Plain에서도 단위시멘트량 360kg/㎥에서는 KS 규정치를 초과하는 것으로 판정되었다.
이와 같이 이온전극법을 활용한 간이 시험장치의 경우 금번 검토된 조강제에 포함되어 있는 원료를 Cl- 이온으로 판정하는 오류가 있으며, 더욱이 콘크리트에 첨가된 사용량보다 약 10배 이상의 양으로 판정되는 문제가 있는 것으로 나타났으며, 또한, 측정이 반복될 경우 염화물량을 높게 판정하는 오류도 있는 것이 확인되었다.
한편, D사 및 A사의 측정방법의 경우 조강제 원료를 Cl- 이온으로 판정하는 오류는 있지만, 첨가된 조강제의 사용량과 유사한 수준에서 염화물량으로 판정되는 것으로 나타났으며, 측정횟수에 관계없이 유사한 수준으로 판정하는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이 현재 간이시험법으로 건설현장에서 적용할 수 있는 염화물량 측정방법들은 모두 Cl- 이온 외에도 이온화 경향이 큰 이온들을 Cl- 이온으로 판정하는 문제가 있는 것으로 나타났으며, 특히 국내 대부분의 건설현장에서 사용하고 있는 D사 시험장치의 경우 Cl- 이온에 비해 오히려 높은 값으로 판정하는 오류가 있는 것으로 나타나, 조강형 재료의 적용을 위해서는 이에 대한 개선이 필요할 것으로 판단되었다.
단, 건설현장에서 보편적으로 사용되고 있는 D사 시험장치의 개선에는 일정 기간이 소요될 것으로 판단되며, 이에 본 연구에서 개발 목표인 조강제의 현장 실용화를 위해서는 조강제 첨가량 수준에서 염화물량으로 인식하는 Q사 및 A사 등의 시험장치를 활용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
이를 위하여 시리즈 Ⅱ에서는 조강제의 첨가량을 감소시키고, 염화물량 측정을 D사 및 Q사의 방법을 활용하여 진행함으로써, 현재 시점에서 현장 실용화를 위한 최적의 첨가량 및 평가방법을 도출하고자 하였다.
[도 1-5-5] 조강제 종류별 경과시간에 따른 슬럼프 및 슬럼프 로스 비율
[도 1-5-6] 조강제 종류에 따른 염화물량
시리즈 Ⅱ에서는 조강제 적용시 유동성 유지를 위한 유지제로 제3인산나트륨을 적용하였으며, 조강제 종류별 경과시간에 따른 슬럼프 및 슬럼프 로스 비율을 검토해 보면, 단위시멘트량 330kg/㎥ 조건에서 시리즈 Ⅰ에 비해 유지성능이 개선된 것을 알 수 있으며, 금번 검토된 조강제 사용량 B×0.8%에서는 현장 적용시 유동성 유지성능 확보가 가능한 것으로 판단되었다([도 1-5-5] 참조).
또한, D사 시험방법에 따른 염화물량 측정 결과 조강제 종류를 변경하였어도 염화물량이 KS 기준치보다 상당히 높게 판정되었으나, Q사 시험방법을 적용할 경우 D사의 Plain과 유사한 수준 또는 그 이하의 값으로 판정되었으며, 모두 KS의 기준치를 만족하는 것으로 나타났다([도 1-5-6] 참조).
이에 조강제에 적용되는 원료에 대한 별도의 시험방법의 규정되기 이전 단계에서는 금번 검토된 조강제의 적용시 Q사의 시험방법을 적용 하고, 조강제의 사용량은 B×0.8% 수준으로 적용할 필요가 있을 것 으로 판단된다.
[표 1-5-4]
[도 1-5-7] 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별 초기재령 압축강도 변화
위의 [표 1-5-4] 및 [도 1-5-7]은 단위시멘트량 및 조강제 첨가량별 초기재령 압축강도의 변화를 나타낸 것으로, 1-3, 1-4단계 시험에서는 단위시멘트량 360kg/㎥, 조강제 사용량 1.5% 조건에서 24시간에 5MPa을 확보하였으나, 금번 시험에서는 재령 24시간에 5MPa를 확보할 수 없는 것으로 나타났다.
이는 조강제를 사용한 콘크리트의 유동성 유지성능 확보를 위하여 적용한 유지제에 기인한 것으로, 유지제 사용에 따라 응결지연이 다소 발생되어 기존 시험결과에 비해 약 6시간 정도 초기재령 강도 발현이 지연된 것으로 판단된다.
이에 이를 개선하고, 전술한 바와 같이 국내 건설현장에서 활용되고 있는 시험장비에 의한 염화물량 과다 판정의 문제에 대한 대응방안으로 시리즈 Ⅱ에서는 유지제 종류를 변경하고, 조강제 첨가량을 B×0.8%로 설정하였으며, 조강제 원료로 NaSCN 대신 KSCN을 적용한 조강제(A-8)에 대해서도 검토를 진행하였다.
조강제 종류에 따른 초기재령 압축강도는, 단위시멘트량 330kg/㎥, 양생온도 10℃ 조건에서 A-6 및 A-8의 경우 30시간에서 5MPa 수준을 확보하는 것으로 나타나, 시리즈 Ⅰ 검토 결과에 비해서는 조강제의 성능이 개선된 것을 확인할 수 있었다([도 1-5-8] 참조). 그러나 본 연구의 목표인 5MPa/24시간의 확보는 곤란한 것으로 나타나, 초기재령 압축강도 확보를 위한 양생방법 등의 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단되었다.
[도 1-5-8] 조강제 종류에 따른 초기재령 압축강도 변화
(6) 1-6단계(관리용
공시체
양생방법에
다른 강도 발현 특성 검토)
1-6단계에서는 최종적으로 도출된 조강제 제품을 대상으로, 실제 현장 적용시 구조체 강도 관리용 공시체의 보관(양생) 조건에 따른 강도 발현 특성을 검토함으로써, 최적의 배합 및 조강제 제품 적용 방안을 도출하고자 하였다.
국내 건축공사표준시방서에서는 한중콘크리트 시공시 압축강도 관리용 공시체는 봉함양생을 실시하도록 되어 있으나, 국내 건설현장에서는 일반적으로 콘크리트 타설 부위에서 별도의 조치없이 기건상태로 양생을 진행하고 있다. 그러나 공시체의 특성상 용량이 작아 실제 타설된 부재에 비해 강도발현이 지연되는 문제점이 있다.
이에 금번 검토에서는 양생온도 10℃ 조건에서 건설현장에서 일반적으로 이루어지고 있는 기건양생과 이를 부직포로 덮어서 양생하는 방법, 그리고 건축공사표준시방서에 준하여 봉함양생하는 방법으로 관리용 공시체의 양생방법을 변경하여, 이에 따른 초기재령 강도 발현 특성을 검토하였다.
1-6단계의 실험내용은 아래의 [표 1-6-1]에 정리된 바와 같다.
[표 1-6-1]
양생온도별 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 1-1-2]에 나타난 바와 같다.
금번 검토에서는 단위시멘트량 330㎏/㎥ 배합에서 5단계까지 검토를 통해 도출된 조강제 A-6 및 A-8을 대상으로 기존 시험 결과의 재현성도 검토함으로써, 최종적으로 조강제 적용안을 도출하고자 하였다.
[표 1-6-2]
[표 1-6-3] 및 [표 1-6-4]는 관리용 공시체의 양생방법에 따른 초기강도 발현 특성 검토를 위한 콘크리트 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
조강제 종류별 경과시간에 따른 슬럼프 변화는, 제3인산나트륨을 유지제로 적용함에 따라 금번 검토에 적용된 조강제는 종류에 관계없이 Plain과 유사한 수준의 유동성 확보가 가능한 것을 확인할 수 있었다([도 1-6-1] 참조).
[표 1-6-3]
[도 1-6-1] 조강제 종류별 경과시간에 따른 슬럼프 변화
조강제 종류별 경과시간에 따른 공기량은, 조강제 종류에 관계없이 Plain과 동등한 수준의 공기량 확보가 가능한 것으로 나타났으며, 경과시간 60분에서도 KS의 공기량 범위를 만족하고 있어, 금번 검토된 조강제는 현장 적용시 공기량 확보에는 문제가 없을 것으로 판단된다([도 1-6-2] 참조).
[도 1-6-2]
조강제 종류별 측정방법에 따른 염화물량은 D사의 측정방법으로는 조강제를 적용하였을 경우 염화물량이 KS의 기준치를 크게 초과하는 것으로 판정되었으나, Q사의 측정방법에 의한 평가결과, 염화물량은 0.3kg/㎥ 이하를 만족하는 것으로 나타났다([도 1-6-3] 참조).
[도 1-6-3]
관리용 공시체의 양생방법에 따른 초기재령 압축강도 평가 결과는 5단계까지의 시험 결과와 유사하게, 단위시멘트량 330kg/㎥ 조건에서 일반양생(N)의 경우 30시간이 되어야 5MPa 확보가 가능한 것으로 나타났다([도 1-6-4] 참조).
[표 1-6-4] 경화 콘크리트 압축강도 시험 결과
[도 1-6-4] 관리용 공시체 양생방법에 따른 초기재령 압축강도
또한, 부직포로 표면을 덮은 경우(F)에도 일반양생과 유사한 수준으로 강도가 발현되는 것으로 나타났다.
그러나 건축공사표준시방서에 준하여 봉함양생을 실시한 경우, 조강제 A-6 및 A-8을 사용한 콘크리트는 재령 24시간에서 5MPa 확보가 가능한 것으로 나타났다. 기존 검토자료에 따르면 봉함양생의 경우 구조체 콘크리트에 비해서는 압축강도 발현이 다소 지연되지만, 일반적인 양생에 비해서는 구조체 콘크리트의 강도 발현과 유사한 수준인 것으로 알려져 있으므로, 이를 고려할 경우 금번 도출된 조강제의 적용시 양생온도 10℃ 조건에서 24시간 이내에 5MPa 확보가 가능할 것으로 판단된다.
이에 건설현장에서 관리용 공시체의 양생방법을 건축공사표준시방서에 준하여 봉함양생으로 관리할 경우, 본 연구를 통해 도출된 조강제(A-6, A-8)의 적용시 기존의 일반적인 레미콘을 사용하는 경우에 비해 가열양생기간을 단축시킬 수 있을 것으로 판단되며, 일반절기에서도 콘크리트의 조기강도 확보를 위한 요소기술로도 활용이 가능할 것으로 기대된다.
2.
초기동해
제어를 위한
내한촉진제
개발
본 발명의 발명자는 초기동해 제어를 위한 내한촉진제 개발을 위해 7단계의 실험·연구를 진행하였다. 이하에서는 각 실험·연구 단계를 상세히 설명한다.
(1) 2-1단계(
양생온도별
압축강도 발현 특성 검토)
2-1단계에서는 저온조건에서의 양생온도 변화에 따른 콘크리트의 초기 압축강도 발현특성을 검토하기 위해 5℃에서부터 -7.5℃까지 2.5℃씩 온도 변수를 주어 단위결합재량 360kg/㎥을 기준으로, 혼화제는 일반 준PC를 사용한 경우에 대해 실험을 하였다.
2-1단계의 실험내용은 아래의 [표 2-1-1]에 정리된 바와 같으며, 양생온도별 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 2-1-2]에 나타난 바와 같다.
[표 2-1-1]
[표 2-1-2]
[표 2-1-2]의 콘크리트 조성물에 대한 양생온도별 슬럼프, 공기량 및 압축강도 발현특성은 아래의 [표 2-1-3]에 나타난 바와 같다. 슬럼프 및 공기량은 굳지 않은 콘크리트를 대상으로 측정하였는데, 양생조건 변수에 따라 다소의 차이가 있으나, 슬럼프 195~215㎜, 공기량 4.4~5.0vol%의 범위로 허용 오차 범위 내에서 유사하게 나타났다([도 2-1-1] 참조).
[표 2-1-3]
[도 2-1-1] 슬럼프 및 공기량
[도 2-1-2] 양생온도 변화에 따른 5MPa 도달 시간
초기 재령(24~72시간)에서의 압축강도는 양생온도가 낮아짐에 따라 낮게 발현되었으며, 특히 양생온도 0℃ 이하에서는 재령 72시간(3일) 후에도 압축강도가 5MPa에 도달하지 못하는 것으로 나타났다([도 2-1-2] 참조).
이는 [표 1-1-4]의 단위결합재량에 따른 5MPa 도달 시간의 결과와 연관시켜 분석해 보면 [도 2-1-2]에 나타낸 바와 같이 20℃의 표준양생인 경우 25시간으로 약 1일은 경과해야 하는 것으로 나타났고, 10℃ 양생의 경우에는 5MPa에 도달하는 시간이 37시간으로 약 1.5일 소요되었으며, 5℃ 양생은 48시간으로 약 2일, 0℃ 양생에서는 약 3일의 시간이 확보되어야 거푸집 탈형강도를 만족하는 것으로 나타났다.
이는 양생온도가 5℃ 저하할 때마다 5MPa의 압축강도를 발현하는데 필요한 시간은 최초 4시간에서 약 두배 가량씩 증가하는 것으로 영하의 조건에서는 더욱 두드러지게 나타날 것으로 예상된다.
이와 같은 결과는 동절기 콘크리트를 적용함에 있어 동해 방지를 위한 배합이나 원재료적인 요인도 중요하지만 초기 재령에서의 양생 조건이 거푸집 탈형시기를 결정하는 주요 인자로 작용할 것으로 판단된다.
(2) 2-2단계(기존
방동제
성능 검토)
2-2단계에서는 기존의 방동제 성능을 검토하기 위해 현재 일반적으로 판매되고 있는 약 3가지 방동제를 비교하고, 그 원재료에 대해 분석하였다.
2-2단계의 실험내용은 아래의 [표 2-2-1]에 정리된 바와 같으며, 기존 방동제 검토를 위한 콘크리트 배합은 아래의 [표 2-2-2]에 나타난 바와 같다.
[표 2-2-1]
[표 2-2-2]
아래의 [표 2-2-3]은 [표 2-2-2]의 콘크리트 조성물을 대상으로 영하(-5℃)의 양생 조건에서 일반적으로 사용되고 있는 3가지 방동제의 성능을 검토한 실험 결과이다.
먼저, 굳지 않은 콘크리트에서 슬럼프는 목표 범위 이내에서 방동제1, 방동제2, 방동제3으로 갈수록 미소하게 증가하는 것으로 나타났고, 공기량도 허용오차범위 이내에서 증가하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 슬럼프와 공기량의 차이는 굳지않은 콘크리트 물성에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다([도 2-2-1] 참조).
[표 2-2-3]
[도 2-2-1] 슬럼프 및 공기량
재령 변화에 따른 압축강도를 보면, 먼저, 방동제를 첨가하지 않은 경우(330_무혼입)는 압축강도가 재령 48시간에 약 3.5MPa로 발현되나, 재령 72시간에는 오히려 2.3MPa로 저하하는 것으로 나타났다. 이와 같은 경향은 방동제3을 사용한 경우(330_방동제3)도 동일하게 나타났으며, 방동제1 및 방동제2를 사용한 경우는 오히려 방동제를 첨가하지 않은 경우보다 재령 48시간 압축강도가 낮게 나타났다.
하지만 영하의 조건에서 유사한 실험을 수차례 진행해 본 결과, 방동제를 혼입하지 않은 콘크리트는 초기 동결 현상이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 실험에서처럼 -5℃ 양생 조건에서 측정 시간에 맞추어 탈형한 직후 압축강도를 측정하게 되면 저온 환경의 영향으로 콘크리트의 수화반응은 지연되지만 시험체가 동결된 상태이기 때문에 압축강도가 발현되는 것처럼 측정되고, 재령 72시간 이후에는 양생온도 -5℃ 조건이라 해도 수화가 완전히 정지된 상태는 아니기 때문에 서서히 수화가 진행되어 압축강도가 발현되는 것으로 판단된다.
이에 따라 이후 진행되는 2-3단계 실험부터는 압축강도 측정시 동결에 의한 영향을 받지 않도록 시험체 별로 2시간 동안 외기(20℃)에 노출시킨 후 압축강도를 측정하는 것으로 계획하였고, 2-3단계 실험시 방동제는 본 단계에서 가장 양호한 성능을 나타낸 방동제1을 사용하였다.
(3) 2-3단계(단위시멘트량 변화에 따른 특성 검토)
위의 2-1단계 실험을 통하여 국내 건설현장에서 일반적으로 사용되고 있는 24~27MPa급 콘크리트 배합을 사용할 경우 영하의 기온 조건에서는 1종 보통포틀랜드 시멘트를 100% 사용하여도 재령 3일에 5MPa의 확보는 어려울 것으로 판단되었다. 또한 2-2단계 실험에서 단위시멘트량 330kg/㎥, 양생조건 -5℃인 경우에는 방동제를 사용하더라도 3일에 5MPa의 확보는 어려울 것으로 판단되었다.
이에 따라 본 2-3단계 실험에서는 영하(-5℃) 양생 조건에서 결합재량(시멘트량) 변화에 따른 콘크리트의 압축강도 발현 특성을 검토하기 위해 단위결합재량(단위시멘트량)을 330, 360, 400 및 450kg/㎥ 4가지 수준으로 변화시켜 실험을 진행하였다. 이때, 혼화제는 조강 준PC를 사용하고, 방동제는 2단계 실험을 통해 가장 양호한 성능을 나타내는 것을 사용하였다.
본 2-3단계의 실험내용은 아래의 [표 2-3-1]에 정리된 바와 같으며, 단위시멘트량 변화에 따른 특성 검토를 위한 콘크리트 배합은 [표 2-3-2]에 나타난 바와 같다.
[표 2-3-1]
[표 2-3-2]
아래의 [표 2-3-3]은 굳지 않은 콘크리트에 대한 슬럼프 및 공기량 실험 결과를 나타낸 것이다. 먼저, 슬럼프는 단위시멘트량 증가에 따라 다소 감소하는 경향이었으나 허용오차범위 이내인 것으로 나타났고, 공기량 역시 슬럼프 증감에 따라 감소 및 증가하는 경향이었으나 큰 차이는 아닌 것으로 판단된다.
또한 일반 준PC를 사용한 일반 배합을 제외한 조강 PC 적용 배합에 대해서는 방동제를 첨가하였는데, 방동제에 의한 슬럼프 및 공기량의 영향은 나타나지 않았다.
[표 2-3-3]
[도 2-3-1] 단위시멘트량 변화에 따른 슬럼프 및 공기량
아래의 [표 2-3-4]는 단위시멘트량 변화에 따른 초기 재령(재령 24~72시간)에서의 압축강도 실험 결과를 나타낸 것이다.
[표 2-3-4]
[도 2-3-2] 단위시멘트량 변화에 따른 압축강도
먼저, 일반 준PC를 사용한 배합(360_일반준PC)과 단위시멘트량을 30kg/㎥ 감소시킨 배합(330_조강PC)을 비교하면 330_조강PC 배합이 조강 PC 및 방동제의 영향으로 초기재령에서의 압축강도가 미비하지만 증가하는 것으로 나타났다. 이는 동절기 콘크리트 적용시 강도 배합 규격을 21MPa에서 24MPa로 또는 24MPa에서 27MPa로 1단계 높이는 것보다 조강형 감수제 및 방동제를 첨가하는 것이 콘크리트 품질 관리상 유리함을 나타낸다.
또한, 목표 강도인 재령 3일 거푸집 탈형 강도 5MPa을 상회하는 시험예는 단위시멘트량 450kg/㎥의 1수준에서만 만족하는 것으로 나타났는데, 450kg/㎥의 단위시멘트량은 약 35~40MPa 이상의 높은 강도 규격으로 기본 24MPa급의 단위결합재량에 비해 약 3~4등급 높은 규격의 단위시멘트량이 필요로 되는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과도 재령 3일에서야 발현하여 동절기 초기 동해 방지뿐 아니라 초기 압축강도 발현을 촉진시키기 위한 내한촉진제 개발을 목표로 연구 방향을 설정하게 되었다.
(4) 2-4단계(조강형 첨가재료 검토)
2-4단계 검토에서는 초기 재령 압축강도 발현에 중점을 두고, 첨가재료를 검토하고자 하였다. 아세트산나트륨, 칼슘포메이트, 티오요소 등의 경화촉진제를 첨가하는 방법과 시멘트 중 일부를 초속경 시멘트로 치환하는 방법에 대해 검토하였다.
이에 따른 단위결합재량은 24~27MPa 수준의 360kg/㎥ 배합과 3단계 검토에서 재령 3일에 압축강도 5MPa 이상이 발현된 450kg/㎥ 배합을 선정하였다.
2-4단계의 실험내용은 아래의 [표 2-4-1]에 정리된 바와 같으며, 조강형 첨가재료 검토를 위한 콘크리트 배합은 [표 2-4-2]에 나타난 바와 같다. 조강형 첨가재료는 그 종류에 따라 일반적으로 알려져 있는 적정 혼입량을 적용하였다.
[표 2-4-1]
[표 2-4-2]
아래의 [표 2-4-3]은 굳지 않은 콘크리트에 대한 슬럼프 및 공기량 측정 결과를 나타낸 것이다.
조강형 첨가재료의 변화에 따라 슬럼프는 차이를 나타내었는데, 단위시멘트량 360kg/㎥ 배합에서 아세트산나트륨을 첨가한 경우(360_SA)는 360_P 배합과 슬럼프값 및 공기량이 유사하게 나타났다. 그러나 시멘트의 10wt%를 초속경 시멘트로 치환한 360_URHC 배합의 경우 360_P 배합에 비해 슬럼프 및 공기량 수치가 현저하게 낮아지는 것으로 나타났다. 반면, 칼슘포메이트를 첨가한 360_CF 배합 및 티오요소를 첨가한 360_Th 배합은 유동성이 증가하는 것으로 나타났는데, 이 영향으로 공기량은 다소 감소하는 경향을 나타내었다.단위시멘트량 450kg/㎥의 경우도 360kg/㎥의 경우와 유사한 경향을 나타내어 결합재량 변화에 따른 경향보다는 조강형 첨가재료 변화에 따른 굳지 않은 콘크리트의 물성 변화가 큰 것을 확인하였다([도 2-4-1] 참조).
[표 2-4-3]
- SA(Sodium Acetate, CH3CO2Na) - CF(Calcium Formate, C2H2CaO4)
- Th(Thiourea, CH4N2S)
[도 2-4-1] 슬럼프 및 공기량
[도 2-4-1_계속]
[표 2-4-4]는 조강형 첨가재료 검토를 위한 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다.
먼저 단위시멘트량 360kg/㎥ 콘크리트 배합에서의 초기 재령 압축강도 발현은 360_URHC, 360_SA, 360_CF, 360_P, 360_Th의 순으로 나타났으며, 재령 72시간에 압축강도 5MPa을 상회하는 배합은 없었다.
[표 2-4-4]
[도 2-4-2] 첨가제 변화에 따른 초기 재령 압축강도
[도 2-4-2_계속]
단위시멘트량 450kg/㎥ 콘크리트 배합에서도 초기 재령 압축강도 발현은 450_URHC, 450_SA, 450_CF의 순으로 나타났다. 특히, 450_URHC는 재령 3일 압축강도 7.4MPa로 5MPa을 크게 상회하였고, 450_SA의 경우도 재령 3일 압축강도 5.2MPa이 발현되었다.
그러나, 일반적으로 사용되는 24~27MPa 배합의 단위시멘트량으로는 -5℃ 양생 조건에서 재령 3일에 5MPa 이상의 압축강도 발현은 어려울 것으로 판단되었다.
[도 2-4-3]은 첨가제 변화에 따른 재령 7일 이후 28일까지의 압축강도(양생조건 -5℃에서 3일간 양생한 후 측정 재령까지 20℃의 수중양생 조건에서 표준양생) 및 표준 양생 조건(공시체 제작 단계부터 표준조건에서 양생)에서의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
먼저, 360_P의 경우 초기에 -5℃ 조건에 3일간 양생한 시험체는 표준양생 조건에 비해 약 76%의 압축강도 발현율을 나타내었다. 반면, 조강형 첨가재료를 혼입한 경우는 360_SA의 경우를 제외하고는(표준양생 조건에 비해 96%의 압축강도 발현) 모든 변수에서 오히려 표준양생 조건 보다 압축강도가 상회하는 것으로 나타났다.
이에 따라 -5℃ 양생온도 조건에서 방동제 및 조강형 첨가재료를 첨가하지 않은 경우 장기 재령에서의 콘크리트 압축강도가 저하하는 것을 확인하였고, 결국 초기 동해에 대한 방안을 마련하지 않은 상태에서 일반콘크리트를 적용할 경우 종국의 압축강도는 저하할 것으로 판단되었다.
[도 2-4-3] 첨가제 변화에 따른 압축강도
[도 2-4-3_계속]
(5) 2-5단계(
방동제
원료 검토)
본 2-5단계에서는 2-3, 2-4단계의 실험결과를 바탕으로 양호한 방동제 및 첨가제를 선정하여 각 재료들을 복합 사용함에 따른 최적 방동제 조합을 도출하고자 하였다.
2-5단계의 실험내용은 아래의 [표 2-5-1]에 정리된 바와 같으며, 방동제 원료 검토를 위한 콘크리트 배합은 [표 2-5-2]에 나타난 바와 같다.
[표 2-5-1]
[표 2-5-2]
아래의 [표 2-5-3]은 방동제 원료에 따른 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프, 공기량 및 재령별 압축강도 시험 결과를 나타낸 것이다. 방동제는 6종류 원료(EG, PG, NaNO2, Ca(NO3)2, NaNO3, CF)를 조합한 3가지 타입을 적용하였다(AFP-1 : EG+NaNO2+Ca(NO3)2, AFP-2 : EG+PG+NaNO3, AFP-3 : EG+PG+NaNO3+CF).
[표 2-5-3]
- EG(Ethylene Glycol, HOCH2CH2OH) - PG(Propylene Glycol, C3H8O2)
- CF(Calcium Formate, C2H2CaO4)
굳지 않은 콘크리트 물성으로 슬럼프는 방동제 AFP-1, AFP-2, AFP-3으로 갈수록 다소 증가하는 경향을 나타냈으나, 오차범위 이내인 것으로 판단되고, 공기량 역시 유사하게 나타났다([도 2-5-1] 참조).
[도 2-5-1] 방동제 변화에 따른 슬럼프 및 공기량(단위결합재량 360kg/㎥)
[도 2-5-1_계속]
초기 재령에서의 압축강도는 모든 변수에서 재령 1일에는 압축강도가 0.5MPa 이하를 나타내고 있어, 이때에는 방동제 첨가에 따른 영향을 확인할 수 없었다.
재령 2일에는 미비하지만 AFP-1 > AFP-3 > AFP-2의 순서로 압축강도가 발현되었으며, 재령 3일에는 AFP-1 > AFP-2 > AFP-3의 순서로 압축강도가 발현되었다. 이에 따라 초기 재령에서의 압축강도 결과는 AFP-1 조합의 방동제가 가장 양호한 성능을 나타내었는데, 이는 AFP-1을 구성하고 있는 성분 중 아질산칼슘(Ca(NO3)2)의 영향인 것으로 판단된다. 하지만, 1~4단계의 실험 결과와 비교하였을 때, 오히려 본 실험에서의 압축강도가 낮게 나타나고 있는데, 이는 방동제로 사용되는 원료가 오히려 초기 수화를 방해하는 요인으로 작용한 것으로 추측된다([도 2-5-2] 참조).
[도 2-5-2] 방동제 변화에 따른 초기 재령 압축강도
[도 2-5-2_1 계속]
한편, 방동제 변화에 따른 재령 7일 이후 28일까지의 압축강도(양생조건 -5℃에서 3일간 양생한 후 측정 재령까지 20℃의 수중양생 조건에서 표준양생) 및 표준 양생 조건(공시체 제작 단계부터 표준조건에서 양생)에서의 압축강도를 비교해보면, 먼저, 360_P의 경우 초기에 -5℃ 조건에서 3일간 양생한 시험체는 표준양생 조건에 비해 약 53%의 압축강도 발현율을 나타내었다[도 2-5-3] 참조).
이는 2-4단계 실험의 플레인 배합에 비해 23% 더 낮게 압축강도가 측정된 결과로써, 초기 동해를 입을 경우 일정한 강도 저하율이 나타나지 않고 동일 온도 조건이더라도 동해 피해 수준에 따라 장기재령의 압축강도는 현저한 차이가 나타나는 것으로 판단된다.
또한, 표준양생 공시체 대비 초기 재령시 저온 환경(-5℃) 노출에 따른 압축강도 발현율은 방동제 첨가에 따라 360_AFP-1 배합은 72~73%, 360_AFP-2 배합은 86~90%, 360_AFP-3 배합은 98~105%로 나타났다. 이는 초기 재령에서의 압축강도 발현 성상과는 반대의 경향으로 AFP -3을 적용한 경우가 초기 강도 발현은 다소 미비하지만 초기 동해를 제어하기에는 가장 유리 한 것으로 판단된다.
이와 같이 방동제를 사용한 콘크리트의 압축강도를 측정해 본 결과 방동제 원료는 초기 강도 발현에는 효과가 없으며, 오히려 초기강도 발현을 저하 시키는 경향이 있는 것으로 나타났다. 하지만, 초기 동해 방지 및 장기 강도 발현을 위한 내한 촉진제 구성 원료로는 꼭 필요할 것 으로 판단되었다.
[도 2-5-3] 방동제 변화에 따른 압축강도
[도 2-5-3_계속]
(6) 2-6단계
2-6단계에서는 2-5단계에서 도출된 방동제 및 선행 연구를 통해 도출된 조강제를 혼합사용하여 -5℃ 조건에 대한 최적 내한촉진제 조합 비율을 도출하고자 하였다.
2-6단계의 실험내용은 아래의 [표 2-6-1]에 정리된 바와 같으며, 내한촉진제 도출을 위한 콘크리트 배합은 [표 2-6-2]에 나타난 바와 같다.
[표 2-6-1]
[표 2-6-2]
아래의 [표 2-6-3]은 굳지 않은 콘크리트 물성 실험 결과를 나타낸 것이다.
[표 2-6-3]
본 단계에서의 조강제 및 유지제는 선행 연구에서 도출된 A-6의 조강제(DEA 대신 TEA 적용) 및 제3인산나트륨을 사용하였고, 일체형인 내한촉진제에는 선행 연구에서 도출된 조강제 타입에 EG를 추가하여 초기 동해를 방지하고자 하였다.
아래의 [도 2-6-1]은 조강제 및 내한촉진제 혼입률 별 굳지않은 콘크리트의 물성 시험값을 나타낸 그래프이다. 조강제 및 내한촉진제의 첨가 비율에 상관없이 유동성 및 유지성능의 확보가 가능한 것으로 판단된다.
[도 2-6-1] 조강제 및 내한촉진제 혼입률에 따른 슬럼프
[도 2-6-1_계속]
공기량은 60분 경시변화에 따라 1% 이하의 감소율을 나타내고 있으며, 조강제 및 내한촉진제 변화에 따른 큰 영향은 나타나지 않았고, 모두 목표 공기량을 만족하였다([도 2-6-2] 참조).
[도 2-6-2] 조강제 및 내한촉진제 혼입률에 따른 염화물량
[도 2-6-2_계속]
한편, 조강제 및 내한촉진제 혼입률 별 염화물량 측정 결과는 330_A-6 1.2 배합을 제외하고는 모두 KS 기준치를 만족하는 것으로 나타났다. 조강제인 A-6는 0.8% 이하가 적정 첨가량인 것으로 판단되며, 내한촉진제인 AFP의 경우는 3%까지 첨가하여도 염화물량 KS 기준치를 만족하는 것으로 나타났다([도 2-6-3] 참조).
[도 2-6-3] 조강제 및 내한촉진제 혼입률에 따른 염화물량
[도 2-6-3_계속]
아래의 [표 2-6-4]는 조강제 및 내한촉진제 혼입률에 따른 초기 재령 압축강도 결과를 나타낸 것이다.
[표 2-6-4]
먼저, 330_Plain의 경우는 재령 3일에 2.8MPa을 발현하여 목표강도인 5MPa에는 크게 미치지 못하였고, 초기 동해 피해를 입어 장기강도가 발현되지 않았다. 조강제를 사용한 경우는 조강제의 혼입률이 증가함에 따라 초기 압축강도 발현에 양호한 성능을 나타내어, 330_A-6 0.4, 330_A-6 0.8, 330_A-6 1.2 배합 모두 약 66~68 시간에 5MPa에 도달하는 것으로 나타났으며, 조강제 사용량이 증가함에 따라 장기 강도 회복이 향상되는 것으로 나타났다([도 2-6-4] 참조). 그러나 330_A-6 1.2의 경우 염화물량 측정에서 KS 기준치를 상회하므로 적정 사용량은 0.4~0.8%로 판단된다.
[도 2-6-4] 조강제 및 내한촉진제 혼입률에 따른 초기 재령 압축강도
[도 2-6-4_계속]
[도 2-6-5]는 조강제 및 내한촉진제 혼입률에 따른 7일 및 28일 압축강도 결과를 나타낸 그래프이다. 먼저, 330_Plain의 경우는 선행 연구에서와 마찬가지로 초기 동해의 피해를 입어 장기강도가 발현되지 않는 것으로 판단된다.
조강제를 사용한 경우 본 연구 범위에서는 330_A-6 0.4 < 330_A-6 0.8 < 330_A-6 1.2의 순으로 조강제의 사용량이 증가함에 따라 장기 강도 회복은 향상되는 것으로 나타났다. 하지만, 330_A-6 1.2의 경우 염화물량 측정에서 KS 기준치를 상회하는 것으로 나타나므로 적정 사용량은 0.8% 수준이 되어야 할 것으로 판단된다.
[도 2-6-5] 조강제 및 내한촉진제 혼입률에 따른 압축강도
[도 2-6-5_계속]
내한촉진제를 사용한 경우도 72시간 이내에 5MPa 이상의 압축강도를 확보하였는데, 330_AFP 1.2의 경우 약 63시간, 330_AFP 3.0 약 60시간, 360_AFP 1.2의 경우 약 58시간에 5MPa을 확보하는 것으로 분석되었고, 이 경우에도 장기 압축강도가 회복되어 재령 28일에서는 약 25~29MPa의 압축강도를 발현하였다.
이에 따라 본 연구에서 도출한 조강제 및 내한촉진제를 사용할 경우, 보다 안정적으로 초기 동해를 제어할 수 있을 것으로 판단되지만, 28일 재령의 압축강도는 예상되는 배합강도보다 다소 낮게 측정된 것으로 판단되어, 다음 2-7단계에서는 구조체 관리용 공시체의 양생방법에 대해 검토하고자 하였다.
(7) 2-7단계
마지막 2-7단계에서는 도출된 조강제 및 내한촉진제를 양생조건 변화에 따른 적정 첨가율을 검토하기 위해 5~-10℃ 조건에서의 실험을 계획하였고, 각 온도에서 구조체 강도 관리용 공시체의 양생조건에 따른 강도 발현 특성을 검토하기 위해 일반, 부직포, 봉함양생의 3수준으로 양생조건을 변화시킨 후 압축강도 발현 특성을 검토하였다.
국내 건축공사표준시방서에서는 한중콘크리트 시공시 압축강도 관리용 공시체는 봉함양생을 실시하도록 되어 있으나, 국내 건설현장에서는 일반적으로 콘크리트 타설 부위에서 별도의 조치없이 기건상태로 양생을 진행하고 있다. 그러나 관리용 공시체의 특성상 용량이 작아 열손실이 크기 때문에 실제 타설된 부재에 비해 강도발현이 지연되는 문제점이 있다. 실재 부재와 공시체 조건의 차이는 온도가 낮을수록 더 크게 나타나며 특히, 영하의 조건에서는 동해의 피해가 발생할 수 있기 때문에 더욱 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
따라서, 본 2-7단계 검토에서는 5, 0, -5, -10℃의 각 온도 조건에서 건설현장에서 일반적으로 이루어지고 있는 기건양생과 이를 부직포로 덮어서 양생하는 방법, 그리고 건축공사표준시방서에 준하여 봉함양생하는 방법으로 관리용 공시체의 양생방법에 대해 검토하고, 양생방법에 따른 압축강도 발현 특성을 검토함으로써 각 양생 온도에 따른 조강제 및 내한촉진제의 사용, 적정 사용 비율 및 관리용 공시체 양생방법을 도출하고자 하였다.
2-7단계의 실험내용은 아래의 [표 2-7-1]에 정리된 바와 같으며, 양생온도별 관리용 공시체 양생방법 검토를 위한 콘크리트 배합은 [표 2-7-2]에 나타난 바와 같다.
[표 2-7-1]
[표 2-7-2]
[표 2-7-3] 및 [표 2-7-4]는 양생온도별 관리용 공시체 양생방법 검토를 위한 2-7단계 실험에서의 콘크리트 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 2-7-3]
[표 2-7-4]
양생온도 조건에 따라 5℃ 양생의 경우는 선행 연구로 도출된 조강제를 0.8% 첨가하였고, 0℃ 이하의 양생 조건에서는 선행 연구를 통해 도출된 내한촉진제를 사용하였는데, 0℃에서 0.8%, -5℃에서 1.2%, -10℃에서 3.0%를 각각 첨가하였다.
양생온도 조건별 경과시간에 따른 슬럼프 및 공기량은 조강제 및 내한촉진제 사용에 따라 다소 차이는 있으나, 전반적으로 목표 물성을 만족하였고, 60분 경시 후에도 10%이내의 경시변화율을 나타내어 현장 적용이 가능할 것으로 판단되었다([도 2-7-1] 참조).
[도 2-7-1] 양생온도 조건별 경과시간에 따른 슬럼프 및 공기량
[도 2-7-1_계속]
양생온도 조건별 콘크리트 염화물량은 선행 연구 결과에서와 같이 D사의 측정 장비는 과다하게 측정되는 것으로 나타났고, Q사의 측정 방법에 의한 평가 결과, 염화물량은 각 양생온도 조건별 조강제 및 내한촉진제 첨가율 변화에 따라 차이를 나타내기는 하지만 KS 기준치인 0.3kg/㎥ 이하를 만족하는 것으로 나타났다([도 2-7-2] 참조).
[도 2-7-2] 양생온도 조건별 콘크리트 염화물량
위의 [표 2-7-4]는 양생온도 조건별 양생방법 변화에 따른 초기 재령 콘크리트 압축강도를 나타낸 것이다. 먼저, 5℃에서 일반 양생한 경우는 단위시멘트량 330kg/㎥의 조건에서 약 48시간이 되어야 5MPa 확보가 가능한 것으로 나타났다. 부직포로 표면을 덮은 경우(F)에도 일반양생(N)과 유사한 수준으로 강도가 발현되는 것으로 나타났다. 하지만 봉함양생(S)을 실시한 경우는 재령 24시간에서 5MPa의 확보가 가능한 것으로 나타났다([도 2-7-3] 참조).
[도 2-7-3] 양생온도 조건별 초기재령 압축강도
[도 2-7-3_계속1]
[도 2-7-3_계속2]
[도 2-7-3_계속3]
영하의 기온에서 양생한 경우는 각 양생온도에 따라 압축강도 발현 속도에는 차이가 있었지만, 전반적으로 일반 양생 및 부직포로 양생을 한 경우는 48시간에도 5MPa을 확보하기 어려웠다. 하지만, 봉함양생을 실시한 경우는 모두 24시간에 5MPa 이상을 나타내어 건설현장에서 관리용 공시체의 양생방법을 건축공사표준시방서에 준하여 봉함양생으로 관리할 경우, 본 연구에서 도출된 조강제 및 내한촉진제의 적용시 5℃ 이하에서의 구조체 관리에 있어서 가열양생기간을 단축시키거나 생략할 수 있을 것으로 기대된다.
양생온도 조건별 양생방법 변화에 따른 28일 압축강도의 경우, 양생온도 5℃ 및 0℃에서는 본 연구에서 도출된 조강제 및 내한촉진제를 사용하면 초기 재령에서의 압축강도 발현을 단축하면서 28일 압축강도도 문제없이 발현하는 것으로 나타났다([도 2-7-4] 참조).
[도 2-7-4] 양생온도 조건별 재령 28일 압축강도
하지만, -5℃ 및 -10℃에서는 일반 양생의 경우 초기 동해를 입어 28일 압축강도가 현저하게 낮게 나타났다. 이에 따라 -5℃, -10℃의 온도 조건에서는 콘크리트를 타설할 경우 내한촉진제를 사용하여도 공시체 조건에서의 초기 동해 피해를 막기는 힘들 것으로 판단되었다. 단, 부직포 양생이나 봉함양생을 할 경우 공시체의 자체 수화열에 의해 초기 동해가 방지될 수 있는 것으로 나타났다.
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- 물을 기반으로 제조되며, 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG) 30~60wt%; 칼슘브로마이드(Calcium bromide, CaBr2) 2~10wt%; 소디움 티오시네이트(Sodium thiocynate, NaSCN) 5~10wt%; 디에탄올아민(diethanolamine, DEA) 0.1~1.0wt%; 및 제3인산나트륨(Na3PO4) 0.5~3.0wt%; 를 포함하여 조성되어,
단위시멘트량 300~360kg/㎥; 슬럼프값 180±25mm; 및 공기량 3~6vol%; 조건의 콘크리트 조성물에 시멘트 100wt% 대비 1.2~3.0wt% 첨가될 때, 온도 -5℃ 이상 조건에서 양생 시 재령 72시간 내에 동결 없이 압축강도 5MPa 이상이 발현되도록 하는 콘크리트 내한촉진제.
- 제5항에서,
상기 소디움 티오시네이트의 전부 또는 일부를 칼슘 티오시네이트(Calcium thiocynate, CaSCN) 또는 칼륨 티오시네이트(Kalium, KSCN)로 치환하여 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 내한촉진제.
- 제5항에서,
상기 디에탄올아민의 전부 또는 일부를 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA)으로 치환하여 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 내한촉진제.
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