KR20220118760A - Method And Computer Program For Providing Optimal Mixture of Air entrained Fly Ash Blended Concrete Considering Carbonation Durability And Frost Durability - Google Patents

Method And Computer Program For Providing Optimal Mixture of Air entrained Fly Ash Blended Concrete Considering Carbonation Durability And Frost Durability Download PDF

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Abstract

According to the present invention, a program provides information on an air-infused fly ash mixed concrete composition which has the most inexpensive manufacturing costs and is eco-friendly due to small carbon dioxide generation in consideration of carbonation durability and frost durability considering the total costs and a climate change if inputted is information on a composition element mixture range of concrete, a composition element ratio range, compression strength-frost-workability, and carbonation durability, thereby having an advantage of designing air-infused fly ash mixed concrete with low costs and low carbon dioxide without profession knowledge about concrete.

Description

탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법 및 이의 컴퓨터 프로그램{Method And Computer Program For Providing Optimal Mixture of Air entrained Fly Ash Blended Concrete Considering Carbonation Durability And Frost Durability} TECHNICAL FIELD [0002] Method and Computer Program For Providing Optimal Mixture of Air entrained Fly Ash Blended Concrete Considering Carbonation Durability And Frost Durability

본 발명은 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법 및 이의 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.The present invention relates to a method for optimal design of an air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freeze-thaw and a computer program thereof.

화력 발전소의 부산물인 플라이 애시(fly ash)는 콘크리트 산업에서 시멘트를 부분 대체하기 위한 광물 혼합물로서 그 수요가 증가하고 있다. 콘크리트의 제조시 시멘트를 대체하여 플라이 애시를 첨가하게 되면 콘크리트의 작업성, 경화 콘크리트의 노후 강도, 콘크리트의 염화물 및 내산성이 향상시키는 장점이 있으나 콘크리트의 탄산화 내구성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서 콘크리트 제조에 플라이 애시를 사용하기 위해서는 플라이 애쉬의 첨가로 인한 콘크리트의 기계적 물성, 내구성, 지속 가능성 등의 다양한 측면을 종합적으로 고려해야한다(Petcherdchoo, 2018).Fly ash, a by-product of thermal power plants, is in increasing demand as a mineral mixture to partially replace cement in the concrete industry. When fly ash is added to replace cement in the manufacture of concrete, it has the advantage of improving the workability of concrete, the aging strength of hardened concrete, and the chloride and acid resistance of concrete, but has the disadvantage of lowering the carbonation durability of concrete. Therefore, in order to use fly ash in concrete manufacturing, various aspects such as mechanical properties, durability, and sustainability of concrete due to the addition of fly ash should be comprehensively considered (Petcherdchoo, 2018).

콘크리트의 지속 가능성은 콘크리트의 중요한 지표이므로 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있는 실정이다. 예를 들어, Kurda et al. (2019)은 재활용 콘크리트 골재와 플라이 애시와 혼합하게 되면 콘크리트의 제조비용과 콘크리트로 인한 환경 영향을 줄일 수 있다는 것을 보고한 바 있으며; Al-Ayish et al. (2018)은 염화물 환경에 노출되는 콘크리트의 제조에 플라이 애시와 슬래그가 추가하면 콘크리트의 제조로 인한 기후 영향을 효과적으로 감소시킬 수 있다는 것으로 보고한 바 있으며; Alnahhal et al. (2018)은 재활용 골재 콘크리트 제조시 시멘트의 30%를 보충 재료로 대체한 결과 재활용 골재 콘크리트의 이산화탄소 배출량이 약 29% 감소하였다는 것을 보고한 바 있다. 또한 Teixeira et al. (2019)는 콘크리트 제조시 석탄 플라이 애시(coal fly ash)와 함께 소량의 바이오매스 플라이 애시(biomass fly ash)가 혼합하면 이들의 결합 효과로 인하여 최상의 환경 성능을 달성 할 수 있다는 것을 보고한 바 있으며; Souto-Martinez et al. (2018)은 플라이 애쉬를 추가하면 초기 탄소 함량은 낮아지며 이산화탄소 격리가 감소한다는 것을 보고한바 있다. 또한 Tam et al. (2019)은 100% 재활용 된 거친 골재와 50% 플라이 애시를 혼합하게 되면 콘크리트의 환경 영향과 기계적 특성이 최적화된다는 것을 보고한 바 있으며; Liu et al. (2012)는 콘크리트 제조에 있어 최적의 바인더 함량은 338kg/m3이며 시멘트에 대한 플라이 애시의 최적 대체율은 50%인 것을 확인하였으며 그 결과 일반 콘크리트 대비 최적 조성물의 내재 에너지(embodied energy) 및 온실 가스 배출량이 각각 33% 및 35% 낮아졌다는 결과를 보고한 바 있다.Since the sustainability of concrete is an important indicator of concrete, many studies are being conducted on it. For example, Kurda et al. (2019) reported that mixing with recycled concrete aggregate and fly ash can reduce the manufacturing cost of concrete and the environmental impact of concrete; Al-Ayish et al. (2018) reported that the addition of fly ash and slag to the manufacture of concrete exposed to a chloride environment can effectively reduce the climatic impact of the manufacture of concrete; Alnahhal et al. (2018) reported that the carbon dioxide emissions of recycled aggregate concrete decreased by about 29% as a result of replacing 30% of cement with supplementary materials in the manufacture of recycled aggregate concrete. See also Teixeira et al. (2019) reported that mixing a small amount of biomass fly ash with coal fly ash in concrete production can achieve the best environmental performance due to their bonding effect. ; Souto-Martinez et al. (2018) reported that the addition of fly ash lowered the initial carbon content and reduced carbon dioxide sequestration. See also Tam et al. (2019) reported that mixing 100% recycled coarse aggregate with 50% fly ash optimizes the environmental impact and mechanical properties of concrete; Liu et al. (2012) confirmed that the optimal binder content for concrete production was 338 kg/m 3 and the optimal replacement rate of fly ash for cement was 50%. Emissions were reported to be 33% and 35% lower, respectively.

콘크리트의 지속 가능성에 대한 선행 결과 중 지속 가능한 콘크리트 조성물의 최적 설계에 대한 연구는 소수에 불과하다. 예를 들어 Yeh (2007, 2009)는 신경망과 평평한 단순 중심 방법(flattened simplex-centroid method) 또는 유전 알고리즘(genetic algorithm, GA)을 사용하여 콘크리트 조성물을 최적화한 결과를 보고한 바 있으며; Cheng et al. (2014)는 유전 알고리즘을 서포트 벡터 머신과 결합하여 재료비용이 가장 낮은 콘크리트의 최적 조성물을 설계한 결과를 보고한 바 있다. Young et al. (2019)은 기계 학습 방법(machine learning method)을 기반으로 콘크리트의 강도를 예측하고 MATLAB 최적화 도구 상자를 사용하여 콘크리트 조성물의 설계를 최적화한 결과를 보고한 바 있으며; 박 (2013)은 재활용 골재 콘크리트를 포함하는 콘크리트의 혼합 설계에 대한 유전 알고리즘을 제안하고 콘크리트에 원하는 기계적 및 내구성 특성을 고려하여 설계하는 방법을 보고한 바 있다. 또한 Rezaifar et al. (2016)은 부스러기 고무와 메타 카올린 혼합 콘크리트의 설계를 최적화한 결과를 보고한 바 있으며; Xuan et al. (2012)는 반응 표면 방법을 기반으로 시멘트 처리된 철거 폐기물과 재활용된 석재를 결합한 콘크리트 조성물의 최적화 방법을 보고한 바 있다.Among the preceding results on the sustainability of concrete, there are only a few studies on the optimal design of a sustainable concrete composition. For example, Yeh (2007, 2009) reported the results of optimizing a concrete composition using a neural network and a flattened simplex-centroid method or a genetic algorithm (GA); Cheng et al. (2014) reported the results of designing the optimal composition of concrete with the lowest material cost by combining a genetic algorithm with a support vector machine. Young et al. (2019) reported the results of predicting the strength of concrete based on machine learning methods and optimizing the design of concrete compositions using the MATLAB optimization toolbox; Park (2013) proposed a genetic algorithm for the mixing design of concrete containing recycled aggregate concrete and reported a design method considering the mechanical and durability characteristics desired for concrete. See also Rezaifar et al. (2016) reported the results of optimizing the design of crumb rubber and meta-kaolin mixed concrete; Xuan et al. (2012) reported a method for optimizing a concrete composition combining cemented demolition waste and recycled stone based on the reaction surface method.

그러나 상기 조성물 설계 방법은 하기와 같은 단점을 포함하고 있다.However, the composition design method has the following disadvantages.

첫째, 상기 선행연구의 최적화 설계 방법은 콘크리트의 압축 강도에 중점을 두고 있을 뿐 내구성에 대한 부분이 전혀 고려되지 않은 한계가 있다(Cheng et al., 2014; Rezaifar et al., 2016; Xuan et al., 2012; Yeh, 2007, 2009; Young et al., 2019). 플라이 애쉬 혼합 콘크리트에 있어서 탄산화 제한 조건(constraint)은 지속 가능한 콘크리트의 최적 조성물 설계를 위해 반드시 필요한 제한 조건이다. 플라이 애시 혼합 콘크리트와 일반 콘크리트가 동일한 압축 강도를 가지는 경우 플라이 애시 혼합 콘크리트의 탄산화 저항성(carbonation resistance)은 일반 콘크리트에 대비하여 낮은 특성이 있다. 따라서 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물을 압축 강도의 기준으로만 설계하게 되면 상기 조성물로 만들어진 콘크리트의 탄산화 내구성을 보장할 수 없게 된다(Thomas, 2013). First, the optimization design method of the preceding studies focuses on the compressive strength of concrete and has limitations in which durability is not considered at all (Cheng et al., 2014; Rezaifar et al., 2016; Xuan et al. ., 2012; Yeh, 2007, 2009; Young et al., 2019). Carbonation constraint in fly ash mixed concrete is a necessary constraint for optimal composition design of sustainable concrete. When the fly ash mixed concrete and the normal concrete have the same compressive strength, the carbonation resistance of the fly ash mixed concrete is lower than that of the general concrete. Therefore, if the fly ash mixed concrete composition is designed only on the basis of compressive strength, the carbonation durability of the concrete made of the composition cannot be guaranteed (Thomas, 2013).

둘째, 상기 선행연구의 최적화 설계방법은 콘크리트에 대한 지구 온난화의 영향이 전혀 고려되지 않은 한계가 있다(Cheng et al., 2014; Park, 2013; Rezaifar et al., 2016; Xuan et al., 2012; Yeh, 2007, 2009; Young et al., 2019). 대기 중 이산화탄소 농도와 온도가 증가하면 지구 온난화를 유발하며 이는 콘크리트의 탄산화율의 증가로 이어져 콘크리트의 내구성이 줄어들게 된다(Yoon et al., 2007; Papadakis et al., 2002; Papadakis 및 Tsimas, 2002). 따라서 플라이 애쉬 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계를 위해서는 지구 온난화와 결합된 탄산화의 제한 조건을 반드시 고려하여야하며 이를 통하여 지구 온난화 문제를 해결하고 내구성 높은 콘크리트를 생산하여야 한다.Second, the optimization design method of the preceding studies has limitations in that the effect of global warming on concrete is not considered at all (Cheng et al., 2014; Park, 2013; Rezaifar et al., 2016; Xuan et al., 2012). ; Yeh, 2007, 2009; Young et al., 2019). An increase in atmospheric carbon dioxide concentration and temperature causes global warming, which leads to an increase in the carbonation rate of concrete, which reduces the durability of concrete (Yoon et al., 2007; Papadakis et al., 2002; Papadakis and Tsimas, 2002). . Therefore, for the optimal design of the fly ash mixed concrete composition, the limiting conditions of carbonation combined with global warming must be taken into consideration, thereby solving the global warming problem and producing highly durable concrete.

셋째, 상기 선행연구의 최적화 설계방법은 공기 비혼입 콘크리트에 초점을 맞추었을 뿐 공기 혼입 콘크리트에 대한 연구는 제한적이다. 공기 혼입 콘크리트는 공기 비혼입 콘크리트에 대비하여 우수한 서리(frost) 저항 특성 및 해동 주기 저항특성을 가지므로 추운 지역에서 내구성 높은 콘크리트로서 많이 사용된다. Third, the optimization design method of the preceding study focused on air-free concrete, but studies on air-entrained concrete are limited. Concrete mixed with air has excellent frost resistance and thawing cycle resistance compared to concrete without air, so it is often used as durable concrete in cold areas.

따라서 상기 선행연구의 단점을 보완할 수 있는 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적화 설계 방법이 개발된다면 콘크리트 제조시 유발되는 이산화탄소의 양을 감소시켜 친환경적이면서도 지구 온난화 및 추위에 대응하여 우수한 내구성을 가지는 콘크리트를 제조할 수 있을 것으로 판단된다.Therefore, if an optimized design method for air-blended fly ash mixed concrete composition is developed that can compensate for the disadvantages of the preceding studies, it is environmentally friendly by reducing the amount of carbon dioxide induced during concrete production and has excellent durability in response to global warming and cold concrete. is considered to be able to manufacture.

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Young, B.A., Hall, A., Pilon, L., Gupta, P., Sant, G., 2019. Cement Concr. Res. 115, 379e388. Young, B. A., Hall, A., Pilon, L., Gupta, P., Sant, G., 2019. Cement Concr. Res. 115, 379e388. Zhang, P., Li, D., Qiao, Y., Zhang, S., Sun, C., Zhao, T., 2018. J. Mater. Civ. Eng. 30, 1e9. Zhang, P., Li, D., Qiao, Y., Zhang, S., Sun, C., Zhao, T., 2018. J. Mater. Civ. Eng. 30, 1e9.

본 발명은 전문적인 지식을 가지지 않은 사용자도 탄산화 및 동결융해를 고려하여 탄산화 내구성과 서리 내구성을 가지며 이산화탄소 배출량을 최소화하여 총 제조비용이 저렴한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물을 최적화하여 설계할 수 있는 방법 및 이의 컴퓨터 프로그램을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is a method that allows users without professional knowledge to optimize and design an air mixed fly ash mixed concrete composition that has carbonation durability and frost durability in consideration of carbonation and freeze-thaw, and minimizes carbon dioxide emissions and has a low total manufacturing cost and a computer program thereof.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention are set forth more specifically by the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명은 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법에 있어서, The present invention provides an optimal design method for an air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freeze thawing,

컴퓨터에서 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 프로그램이 실행되면, When the computer runs the program for optimal design of air-entrained fly ash mixed concrete composition,

상기 프로그램이 시멘트(kg/m3), 플라이 애쉬(kg/m3), 물(kg/m3), 굵은 골재(kg/m3) 및 잔골재(kg/m3)를 포함하는 구성 요소(component)의 배합 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit)을 입력할 수 있는 구성 요소 배합 범위 입력창; 물/바인더 비율, 플라이 애쉬/바인더 비율, 물/고체 비율, 골재/바인더 비율, 및 모래비율을 포함하는 구성 요소 비율의 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit)을 입력할 수 있는 구성 요소 비율 범위 입력창; 재령 28일의 설계 압축 강도값(MPa) 입력창, 설계 슬럼프값(㎜) 입력창, 및 공기 혼입량(%) 입력창을 포함하는 압축강도-서리-작업성 입력창; 서비스 수명값(년), 환경 온도값(℃), 상대 습도값(%), 이산화탄소 농도(%), 피복 깊이값(㎜), 및 기후 변화 시나리오인 대표 농도 경로(Representative Concentration Pathways, RCP)의 종류를 포함하는 탄산화 내구성 제한 조건을 입력할 수 있는 탄산화 내구성 조건 입력창; 시멘트(kg/m3), 플라이 애쉬(kg/m3), 물(kg/m3), 잔골재(kg/m3), 굵은 골재(kg/m3), 감수제(kg/m3), 및 공기 혼입제((kg/m3)를 포함하는 플라이 애쉬 혼합 콘크리트 조성물의 최적 함량을 출력하는 콘크리트 조성물 함량 출력창; 계산 실행 버튼; 및 저장 버튼;을 화면상에 제공하는 제 1 단계; Components ( _ _ _ a component mixing range input window for inputting a lower limit and an upper limit of the component); Component ratio where lower and upper limits of the component ratio can be entered, including water/binder ratio, fly ash/binder ratio, water/solid ratio, aggregate/binder ratio, and sand ratio range input window; Compressive strength-frost-workability input window including a design compressive strength value (MPa) input window at the age of 28 days, a design slump value (mm) input window, and an air mixing amount (%) input window; Service life value (years), environmental temperature value (℃), relative humidity value (%), carbon dioxide concentration (%), cover depth value (mm), and climate change scenarios of Representative Concentration Pathways (RCP) a carbonation durability condition input window capable of inputting a carbonation durability limit condition including a type; Cement (kg/m 3 ), fly ash (kg/m 3 ), water (kg/m 3 ), fine aggregate (kg/m 3 ), coarse aggregate (kg/m 3 ), water reducing agent (kg/m 3 ), and a concrete composition content output window for outputting an optimal content of a fly ash mixed concrete composition containing an air admixture ((kg/m 3 ); a calculation execution button; and a save button; a first step of providing on the screen;

상기 구성 요소 배합 범위 입력창, 구성 요소 비율 범위 입력창, 압축강도-서리-작업성 입력창, 탄산화 내구성 조건 입력창이 모두 입력되고 상기 계산 실행 버튼이 선택되어 계산이 실행되면, When the component mixing range input window, the component ratio range input window, the compressive strength-frost-workability input window, and the carbonation durability condition input window are all input and the calculation execution button is selected and the calculation is executed,

상기 프로그램이 목적 함수인 총비용을 계산하고, 상기 입력된 입력값을 이용하여 상기 압축강도 제한 조건, 작업성 제한 조건, 탄산화 내구성 제한 조건, 서리 내구성 제한 조건, 절대 부피 제한 조건, 구성 요소 배합 범위 제한 조건, 및 구성요소 비율 제한 조건을 만족하는 시멘트, 플라이 애쉬, 물, 잔골재, 및 굵은 골재의 함량과 감수제 및 공기 혼입제의 함량을 계산하되, The program calculates the total cost as an objective function, and uses the input value to limit the compressive strength limit, workability limit, carbonation durability limit, frost durability limit, absolute volume limit, component mixing range limit Calculating the content of cement, fly ash, water, fine aggregate, and coarse aggregate, and the content of water reducing agent and air entraining agent that satisfy the conditions and component ratio constraint conditions,

상기 시멘트, 플라이 애쉬, 물, 잔골재, 및 굵은 골재의 함량과 감수제 및 공기 혼입제의 함량은 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 상기 목적 함수가 최소값을 가지며 상기 압축강도 제한 조건, 작업성 제한 조건, 탄산화 내구성 제한 조건, 서리 내구성 제한 조건, 절대 부피 제한 조건, 구성 요소 배합 범위 제한 조건, 및 구성요소 비율 제한 조건을 만족하는 최적의 함량값을 산출하여 상기 콘크리트 조성물 함량 출력창에 출력하는 제 2 단계;를 포함하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법을 제공한다.The content of the cement, fly ash, water, fine aggregate, and coarse aggregate and the content of the water reducing agent and the air admixture have the minimum value of the objective function using a genetic algorithm, and the compressive strength limiting condition, workability limiting condition , carbonation durability limitation condition, frost durability limitation condition, absolute volume limitation condition, component mixing range limitation condition, and component ratio limitation condition are calculated and output to the concrete composition content output window It provides an optimal design method of an air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freeze thawing, including:

본 발명은 콘크리트의 구성 요소 배합 범위, 구성 요소 비율 범위, 압축강도-서리-작업성, 탄산화 내구성에 대한 정보만 입력하게 되면 프로그램이 총 비용, 기후변화가 고려된 탄산화 내구성 및 서리 내구성을 고려하여 제조비용이 가장 저렴하며 이산화탄소 발생이 적어 친환경적인 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물에 대한 정보를 제공하므로 콘크리트에 대한 전문 지식이 없어도 저비용, 저이산화탄소 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트를 설계할 수 있는 장점이 있다.In the present invention, if only information on the component mixing range of concrete, component ratio range, compressive strength-frost-workability, and carbonation durability is input, the program takes into account the total cost, carbonation durability and frost durability in consideration of climate change. It has the advantage of being able to design low-cost, low-carbon dioxide air-blended fly ash mixed concrete without concrete expertise as it provides information on the eco-friendly air mixed fly ash mixed concrete composition with the lowest manufacturing cost and low carbon dioxide emission. .

도 1은 본 발명의 계산에 대한 순서도를 보여준다.
도 2는 본 발명의 탄산화를 고려하지 않은 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 탄산화 깊이를 보여준다. 패널 (a)는 실시예 1-1(Mix 1)의 결과를 보여주며, 패널 (b)는 실시예 1-2(Mix 2)의 결과를 보여주며, 패널 (c)는 실시예 1-3(Mix 3)의 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 탄산화를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 탄산화 깊이를 보여준다. 패널 (a)는 실시예 2-1(Mix 4)의 결과를 보여주며, 패널 (b)는 실시예 2-2(Mix 5)의 결과를 보여주며, 패널 (c)는 실시예 2-3(Mix 6)의 결과를 보여준다.
도 4는 본 발명의 기후변화에 따른 탄산화 깊이의 증가를 보여준다. 패널 (a)는 RCP 6.0에서 시간에 따른 이산화탄소의 증가를 보여주며, 패널 (b)는 RCP 6.0에서 시간에 따른 온도의 증가를 보여주며, 패널 (c)는 기후변화(지구온난화)에 따른 탄산화 깊이의 증가를 보여준다.
도 5는 본 발명의 기후변화를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 탄산화 깊이를 보여준다. 패널 (a)는 공기 혼입량이 3.5%인 실시예 3-1(Mix 7)의 결과를 보여주며, 패널 (b)는 공기 혼입량이 5%인 실시예 3-2(Mix 8)의 결과를 보여주며, 패널 (c)는 공기 혼입량이 6%인 실시예 3-3(Mix 9)의 결과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 고강도 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트의 탄산화 깊이를 보여준다. 패널 (a)는 공기 혼입량이 3.5%인 실시예 4-1(Mix 10)의 결과를 보여주며, 패널 (b)는 공기 혼입량이 5%인 실시예 4-2(Mix 11)의 결과를 보여주며, 패널 (c)는 공기 혼입량이 6%인 실시예 4-3(Mix 12)의 결과를 보여준다.
도 7은 본 발명의 공기 혼입양 변화에 따른 총 비용의 변화를 보여준다. 패널 (a)는 공기혼입량 3.5%인 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트의 압축강도에 따른 총비용을 보여주며, 패널 (b)는 공기혼입량 5%인 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트의 압축강도에 따른 총비용을 보여주며, 패널 (c)는 공기혼입량 6%인 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트의 압축강도에 따른 총비용을 보여준다.
도 8은 본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 프로그램의 입력창에 입력값이 입력된 결과를 보여준다.
도 9는 본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 프로그램이 실행되어 계산된 결과값이 출력된 결과를 보여준다.
도 10은 본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 프로그램이 실행되어 계산된 결과값이 엑셀로 변환되어 출력된 결과를 보여준다.
1 shows a flow chart for the calculation of the present invention.
2 shows the carbonation depth of the air-entrained fly ash mixed concrete composition without considering carbonation of the present invention. Panel (a) shows the results of Example 1-1 (Mix 1), panel (b) shows the results of Example 1-2 (Mix 2), and panel (c) shows the results of Example 1-3 (Mix 3) shows the result.
3 shows the carbonation depth of the air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation of the present invention. Panel (a) shows the results of Example 2-1 (Mix 4), panel (b) shows the results of Example 2-2 (Mix 5), and panel (c) shows the results of Example 2-3 (Mix 6) shows the result.
Figure 4 shows the increase in the carbonation depth according to the climate change of the present invention. Panel (a) shows the increase in carbon dioxide over time in RCP 6.0, panel (b) shows the increase in temperature over time in RCP 6.0, and panel (c) shows carbonation due to climate change (global warming) shows an increase in depth.
5 shows the carbonation depth of the air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of climate change of the present invention. Panel (a) shows the results of Example 3-1 (Mix 7) with an air mixing amount of 3.5%, and panel (b) shows the results of Example 3-2 (Mix 8) with an air mixing amount of 5% and panel (c) shows the result of Example 3-3 (Mix 9) in which the air mixing amount was 6%.
6 shows the carbonation depth of the high-strength air-entrained fly ash mixed concrete of the present invention. Panel (a) shows the results of Example 4-1 (Mix 10) with an air mixing amount of 3.5%, and panel (b) shows the results of Example 4-2 (Mix 11) with an air mixing amount of 5% and panel (c) shows the result of Example 4-3 (Mix 12) in which the air mixing amount was 6%.
7 shows the change in the total cost according to the change in the amount of air entrained in the present invention. Panel (a) shows the total cost according to the compressive strength of air mixed fly ash mixed concrete with an air mixing amount of 3.5%, and panel (b) shows the total cost according to the compressive strength of air mixed fly ash mixed concrete with an air mixing amount of 5%. and panel (c) shows the total cost according to the compressive strength of air mixed fly ash mixed concrete with an air mixing amount of 6%.
8 shows the result of inputting the input value into the input window of the optimal design program of the air mixed fly ash mixed concrete composition of the present invention.
Figure 9 shows the output of the calculated result value by executing the optimal design program of the air mixed fly ash mixed concrete composition of the present invention.
Figure 10 shows the output result of converting the calculated result value to Excel by executing the optimal design program of the air mixed fly ash mixed concrete composition of the present invention.

본 발명은 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법에 있어서, 컴퓨터에서 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 프로그램이 실행되면, 상기 프로그램이 시멘트(kg/m3), 플라이 애쉬(kg/m3), 물(kg/m3), 굵은 골재(kg/m3) 및 잔골재(kg/m3)를 포함하는 구성 요소(component)의 배합 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit)을 입력할 수 있는 구성 요소 배합 범위 입력창; 물/바인더 비율, 플라이 애쉬/바인더 비율, 물/고체 비율, 골재/바인더 비율, 및 모래비율을 포함하는 구성 요소 비율의 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit)을 입력할 수 있는 구성 요소 비율 범위 입력창; 재령 28일의 설계 압축 강도값(MPa) 입력창, 설계 슬럼프값(㎜) 입력창, 및 공기 혼입량(%) 입력창을 포함하는 압축강도-서리-작업성 입력창; 서비스 수명값(년), 환경 온도값(℃), 상대 습도값(%), 이산화탄소 농도(%), 피복 깊이값(㎜), 및 기후 변화 시나리오인 대표 농도 경로(Representative Concentration Pathways, RCP)의 종류를 포함하는 탄산화 내구성 제한 조건을 입력할 수 있는 탄산화 내구성 조건 입력창; 시멘트(kg/m3), 플라이 애쉬(kg/m3), 물(kg/m3), 잔골재(kg/m3), 굵은 골재(kg/m3), 감수제(kg/m3), 및 공기 혼입제((kg/m3)를 포함하는 플라이 애쉬 혼합 콘크리트 조성물의 최적 함량을 출력하는 콘크리트 조성물 함량 출력창; 계산 실행 버튼; 및 저장 버튼;을 화면상에 제공하는 제 1 단계; 상기 구성 요소 배합 범위 입력창, 구성 요소 비율 범위 입력창, 압축강도-서리-작업성 입력창, 탄산화 내구성 조건 입력창이 모두 입력되고 상기 계산 실행 버튼이 선택되어 계산이 실행되면, 상기 프로그램이 목적 함수인 총비용을 계산하고, 상기 입력된 입력값을 이용하여 상기 압축강도 제한 조건, 작업성 제한 조건, 탄산화 내구성 제한 조건, 서리 내구성 제한 조건, 절대 부피 제한 조건, 구성 요소 배합 범위 제한 조건, 및 구성요소 비율 제한 조건을 만족하는 시멘트, 플라이 애쉬, 물, 잔골재, 및 굵은 골재의 함량과 감수제 및 공기 혼입제의 함량을 계산하되, 상기 시멘트, 플라이 애쉬, 물, 잔골재, 및 굵은 골재의 함량과 감수제 및 공기 혼입제의 함량은 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 상기 목적 함수가 최소값을 가지며 상기 압축강도 제한 조건, 작업성 제한 조건, 탄산화 내구성 제한 조건, 서리 내구성 제한 조건, 절대 부피 제한 조건, 구성 요소 배합 범위 제한 조건, 및 구성요소 비율 제한 조건을 만족하는 최적의 함량값을 산출하여 상기 콘크리트 조성물 함량 출력창에 출력하는 제 2 단계;를 포함하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법을 제공한다.The present invention relates to an optimal design method of an air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze - thaw, when the optimal design program of the air mixed fly ash mixed concrete composition is executed in the computer, the program is , Fly ash (kg/m 3 ), water (kg/m 3 ), coarse aggregate (kg/m 3 ) and fine aggregate (kg/m 3 ) The lower limit of the composition of the component (kg/m 3 ) and a component mixing range input window for inputting an upper limit; Component ratio where lower and upper limits of the component ratio can be entered, including water/binder ratio, fly ash/binder ratio, water/solid ratio, aggregate/binder ratio, and sand ratio range input window; Compressive strength-frost-workability input window including a design compressive strength value (MPa) input window at the age of 28 days, a design slump value (mm) input window, and an air mixing amount (%) input window; Service life value (years), environmental temperature value (℃), relative humidity value (%), carbon dioxide concentration (%), cover depth value (mm), and climate change scenarios of Representative Concentration Pathways (RCP) a carbonation durability condition input window capable of inputting a carbonation durability limit condition including a type; Cement (kg/m 3 ), fly ash (kg/m 3 ), water (kg/m 3 ), fine aggregate (kg/m 3 ), coarse aggregate (kg/m 3 ), water reducing agent (kg/m 3 ), and a concrete composition content output window for outputting an optimal content of a fly ash mixed concrete composition containing an air admixture ((kg/m 3 ); a calculation execution button; and a save button; a first step of providing on the screen; When the component mixing range input window, the component ratio range input window, the compressive strength-frost-workability input window, and the carbonation durability condition input window are all input and the calculation execution button is selected and the calculation is executed, the program is the objective function Calculate the total cost, and use the input values to limit the compressive strength, workability, carbonation durability, frost durability, absolute volume, component mixing range, and component ratio Calculate the content of cement, fly ash, water, fine aggregate, and coarse aggregate that satisfy the limiting conditions, and the content of the water reducing agent and air entraining agent, wherein the content of the cement, fly ash, water, fine aggregate, and coarse aggregate, and the water reducing agent and air The content of the admixture has a minimum value of the objective function using a genetic algorithm, and the compressive strength limiting condition, workability limitation condition, carbonation durability limitation condition, frost durability limitation condition, absolute volume limitation condition, component formulation A second step of calculating an optimal content value that satisfies the range limitation condition and the component ratio limitation condition and outputting it to the concrete composition content output window; It provides an optimal design method.

본 발명의 계산 결과를 산출하는 목적 함수와 제한 조건(constraint)을 설명하면 하기와 같다.The objective function and constraint for calculating the calculation result of the present invention will be described as follows.

본 발명의 목적 함수는 하기 수학식 1 내지 3:The objective function of the present invention is the following Equations 1 to 3:

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 COST는 콘크리트의 총 비용을 의미하며; COSTM은 콘크리트의 재료비용을 의미하며; COSTCO2는 콘크리트의 CO2 배출 비용을 의미한다.)(The above COST means the total cost of concrete; COST M means the material cost of concrete; COST CO2 means the cost of CO 2 emission of concrete.)

Figure pat00002
Figure pat00002

(상기 수학식 2의 COSTM은 콘크리트의 재료비용을 의미하며; mi는 시멘트, 비산회, 물, 잔골재, 조골재, 감수제 및 공기 혼입제의 질량을 의미하며; Pri는 콘크리트의 개별 구성 요소의 단가를 의미한다.)(COST M in Equation 2 means the material cost of concrete; m i means the mass of cement, fly ash, water, fine aggregate, coarse aggregate, water reducing agent and air-entraining agent; Pr i is the amount of individual components of concrete means the price.)

Figure pat00003
Figure pat00003

(상기 수학식 3의 COSTCO2는 콘크리트의 CO2 배출 비용을 의미하며; PrCO2는 CO2의 단가를 의미하며(PrCO2는 NT $885.496/ton으로 설정됨(Inc, 2019)) CO2i는 콘크리트의 개별 구성 요소의 CO2 배출량을 의미한다.)(COST CO2 in Equation 3 means the cost of CO 2 emission of concrete; Pr CO2 means the unit price of CO 2 (Pr CO2 is set to NT $885.496/ton (Inc, 2019)) CO 2i is concrete refers to the CO2 emissions of individual components of

:에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.: It is characterized in that it is calculated by .

상기 압축강도 제한 조건은 재령 28일의 설계 압축 강도값이 재령 28일의 실제 압축 강도값보다 크거나 동일한 것을 의미하며 상기 설계 압축 강도값은 하기 수학식 4:The compressive strength limitation condition means that the design compressive strength value at the age of 28 days is greater than or equal to the actual compressive strength value at the age of 28 days, and the design compressive strength value is the following Equation 4:

Figure pat00004
Figure pat00004

(상기 수학식 4의 fc는 압축 강도를 의미하며; W는 물의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다. 또한 상기 Vair는 혼입된 공기의 함량(Vair의 단위는 %이다)을 의미하며;

Figure pat00005
는 콘크리트의 효율적인 물/바인더 비율을 의미한다.)(f c in Equation 4 refers to compressive strength; W refers to the mass of water; C refers to the mass of cement; FA refers to the mass of fly ash. In addition, V air is the mixed air of (the unit of V air is %);
Figure pat00005
is the effective water/binder ratio of concrete.)

:에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.: It is characterized in that it is calculated by .

상기 작업성 제한 조건은 상기 설계 슬럼프값이 실제 슬럼프값보다 크거나 동일한 것을 의미하고 상기 슬럼프값은 하기 수학식 5:The workability limitation condition means that the design slump value is greater than or equal to the actual slump value, and the slump value is Equation 5:

Figure pat00006
Figure pat00006

(상기 수학식 5의 SD는 모래(sand)의 질량을 의미하며; CA는 조골재(coarse aggregate)의 질량을 의미하며; SP는 감수제(superplasticizer)의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다.

Figure pat00007
는 물/바인더 비율을 의미하며;
Figure pat00008
는 전체 골재에 대한 모래의 비율을 의미하며,
Figure pat00009
는 플라이 애쉬 대체 비율을 의미하며; 1+0.03Vair는 혼입된 공기로 인한 슬럼프 증가를 의미한다.)(SD in Equation 5 means the mass of sand; CA means the mass of coarse aggregate; SP means the mass of superplasticizer; C means the mass of cement and FA means the mass of fly ash.
Figure pat00007
means the water/binder ratio;
Figure pat00008
is the ratio of sand to total aggregate,
Figure pat00009
denotes the fly ash replacement ratio; 1+0.03V air means an increase in slump due to entrained air.)

:에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.: It is characterized in that it is calculated by .

상기 탄산화 내구성 제한 조건은 탄산화 깊이(carbonation depth)가 피복 깊이(cover depth)보다 작은 것을 의미하며 상기 탄산화 깊이는 하기 수학식 8 및 9:The carbonation durability limiting condition means that the carbonation depth is smaller than the cover depth, and the carbonation depth is the following Equations 8 and 9:

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

(상기 수학식 8 또는 9의 χc는 탄산화 깊이를 의미하며; D는 콘크리트의 이산화탄소 확산도를 의미하며; [CO2]0는 이산화탄소의 농도를 의미하며; t는 노출 시간을 의미하며; ρc는 시멘트의 밀도를 의미하며; ρw는 물의 밀도를 의미한다. 또한 상기 RH는 노출의 상대 습도를 의미하며; αH는 수화 정도(

Figure pat00012
)를 의미하며; β는 이산화탄소 확산의 활성화 에너지(β=4300)를 의미하며; Tref는 기준 온도(293K)를 의미하며; T는 환경 온도를 의미하며; (Vair-2)*0.01은 혼입된 공기로 인해 증가하는 콘크리트 다공성을 의미한다.)(χ c in Equation 8 or 9 means carbonation depth; D means carbon dioxide diffusivity of concrete; [CO 2 ] 0 means carbon dioxide concentration; t means exposure time; ρ c denotes the density of cement; ρ w denotes the density of water; RH denotes the relative humidity of exposure; α H denotes the degree of hydration (
Figure pat00012
) means; β denotes the activation energy of carbon dioxide diffusion (β=4300); T ref means the reference temperature (293K); T stands for environmental temperature; (V air -2) * 0.01 means concrete porosity increased due to entrained air.)

:에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.: It is characterized in that it is calculated by .

상기 서리 내구성 제한 조건은 동결과 해동의 반복으로 인해 발생하는 콘크리트의 손상이 상기 공기 혼입량(%) 입력창에 입력된 값에 따른 ACI 코드의 콘크리트 손상 정도보다 작으며 상기 압축강도 제한 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.The frost durability limit condition is that the damage to concrete caused by repeated freezing and thawing is smaller than the degree of concrete damage of the ACI code according to the value entered in the air mixing amount (%) input window, and the compressive strength limit condition is satisfied. characterized in that

상기 절대 부피 제한 조건은 콘크리트 구성요소의 부피합이 1m3에서 상기 공기 혼입량(%)을 뺀 값과 동일한 것을 의미하며 상기 절대 부피 제한 조건은 하기 수학식 10:The absolute volume limiting condition means that the sum of the volumes of the concrete components is equal to the value obtained by subtracting the air mixing amount (%) from 1m 3 , and the absolute volume limiting condition is the following Equation 10:

Figure pat00013
Figure pat00013

(상기 수학식 10의 mi는 구성 요소의 질량을 의미하며; ρi는 구성 요소의 밀도를 의미하며; Vair는 공기 혼입량(%)을 의미한다.)(m i in Equation 10 refers to the mass of the component; ρ i refers to the density of the component; V air refers to the amount of air mixed (%).)

:에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.: It is characterized in that it is calculated by .

상기 구성 요소 배합 범위 제한 조건은 상기 구성 요소의 첨가량이 상기 구성 요소 배합 하한값(lower limit)과 상한값(upper limit) 사이에 해당하는 것을 의미하며 상기 구성요소 비율 제한 조건은 구성 요소의 배합 비율이 상기 구성 요소 비율의 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit) 사이에 해당하는 것을 특징으로 한다.The component mixing range limiting condition means that the amount of addition of the component corresponds to between the component mixing lower limit and the upper limit, and the component ratio limiting condition is that the mixing ratio of the component is the It is characterized in that it falls between the lower limit and the upper limit of the component ratio.

상기 감수제의 함량은 하기 수학식 6:The content of the water reducing agent is the following Equation 6:

Figure pat00014
Figure pat00014

(상기 SP는 감수제의 질량을 의미하며; W는 물의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다.)(The above SP means the mass of the water reducing agent; W means the mass of water; C means the mass of cement; FA means the mass of fly ash.)

:에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.: It is characterized in that it is calculated by .

상기 공기 혼입제의 함량은 하기 수학식 7:The content of the air mixing agent is the following Equation 7:

Figure pat00015
Figure pat00015

(상기 AE는 공기 혼입제의 함량을 의미하며; 상기 Vair는 공기 혼입량(%)을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다.)(The AE means the content of the air admixture; the V air means the air content (%); C means the mass of cement; FA means the mass of fly ash.)

:에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.: It is characterized in that it is calculated by .

본 발명은 상기 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법을 컴퓨터로 실행시킬 수 있는 프로그램으로 기록한 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.The present invention provides a computer-readable recording medium characterized in that the optimum design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of the carbonation and freeze-thaw is recorded as a program that can be executed by a computer.

본 발명에서 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법을 수행하는 주체는 프로그램을 구동하는 제반 시스템일 수 있다. 상기 시스템은 프로그램을 구동하는 시스템 또는 장치를 전반적으로 제어하는 제어부나 프로세서(processor)일 수 있다. 따라서 본 발명의 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법은 일종의 소프트웨어인 프로그램으로 구성되며, 프로그램은 시스템, 컴퓨터 또는 프로세서(processor)에서 실행될 수 있다.In the present invention, the subject performing the optimal design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freezing and thawing may be an overall system running the program. The system may be a controller or a processor that generally controls a system or apparatus for driving a program. Therefore, the optimal design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freezing and thawing of the present invention is composed of a program that is a kind of software, and the program can be executed in a system, computer or processor.

본 발명에서 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법을 수행하는 주체는 제반 컴퓨터 장치일 수 있다. 상기 컴퓨터 장치는 컴퓨터, 컴퓨터의 제어부 또는 프로세서(processor)일 수 있다.In the present invention, the subject performing the optimal design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freeze-thaw may be various computer devices. The computer device may be a computer, a controller of the computer, or a processor.

하기에서 실시예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples.

실시예 Example

1. 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법1. Optimal design method of air-entrained fly ash mixed concrete composition

1) 목적 함수1) objective function

본 발명은 낮은 이산화탄소 배출량을 가져 제조비용이 저렴하고 친환경적이며 지구 온난화에 최적화 된 탄산화내구성을 가지며 추위에 강한 서리 내구성을 가지는 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물(air-entrained fly ash-blended concrete mixture)을 설계하는 것에 있다. 상기 이산화탄소의 배출에 대한 단위와 콘크리트의 제조비용에 대한 단위는 서로 상이하기 때문에 탄소에 대한 비용을 이산화탄소 배출 단위를 이용하여 변환하였다. 본 발명의 목적 함수(aim function)는 총 비용으로 설정되며, 상기 총 비용은 재료비용에 이산화탄소 배출 비용을 더한 값과 같다(수학식 1 참조).The present invention is an air-entrained fly ash-blended concrete mixture having low carbon dioxide emissions, low manufacturing cost, eco-friendly, carbonation durability optimized for global warming, and strong frost durability against cold It's about designing. Since the unit for the emission of carbon dioxide and the unit for the manufacturing cost of concrete are different from each other, the cost for carbon was converted using the unit of carbon dioxide emission. The aim function of the present invention is set as the total cost, and the total cost is equal to the material cost plus the carbon dioxide emission cost (refer to Equation 1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00016
Figure pat00016

상기 수학식 1의 COST는 콘크리트의 총 비용을 의미하며; COSTM은 콘크리트의 재료비용을 의미하며; COSTCO2는 콘크리트의 CO2 배출 비용을 의미한다.COST in Equation 1 means the total cost of concrete; COST M means the material cost of concrete; COST CO2 means the cost of CO2 emission of concrete.

상세하게는 상기 콘크리트의 재료 비용은 콘크리트 구성 요소의 개별 비용의 합계를 의미한다(수학식 2 참조).In detail, the material cost of the concrete means the sum of the individual costs of the concrete components (refer to Equation 2).

[수학식2][Equation 2]

Figure pat00017
Figure pat00017

상기 수학식 2의 mi는 시멘트, 비산회, 물, 잔골재, 조골재, 감수제 및 공기 혼입제의 질량을 의미하며; Pri는 콘크리트의 개별 구성 요소의 단가를 의미한다.m i in Equation 2 means the mass of cement, fly ash, water, fine aggregate, coarse aggregate, water reducing agent, and air mixing agent; Pr i means the unit price of individual components of concrete.

또한 본 발명의 CO2 배출 비용은 CO2 배출량에 CO2 단가를 곱한 값과 같다(수학식 3 참조).In addition, the CO 2 emission cost of the present invention is equal to the value obtained by multiplying the CO 2 emission by the unit price of CO 2 (see Equation 3).

[수학식3][Equation 3]

Figure pat00018
Figure pat00018

상기 수학식 3의 PrCO2는 CO2의 단가를 의미하며(PrCO2는 NT $885.496/ton으로 설정됨(Inc, 2019)) CO2i는 콘크리트의 개별 구성 요소의 CO2 배출량을 의미한다. 참고로 상기 PrCO2는 NT $885.496/ton으로 설정된다(Inc, 2019).Pr CO2 in Equation 3 means the unit price of CO 2 (Pr CO2 is set to NT $885.496/ton (Inc, 2019)), and CO 2i means CO 2 emissions of individual components of concrete. For reference, the Pr CO2 is set to NT $885.496/ton (Inc, 2019).

하기 표 1은 콘크리트 구성 요소의 단가 및 단위 CO2 배출량을 보여준다(Yang et al., 2015; Yeh, 2007).Table 1 below shows the unit cost and unit CO 2 emissions of concrete components (Yang et al., 2015; Yeh, 2007).

Figure pat00019
Figure pat00019

콘크리트 조성물의 설계에는 제한 조건(constraint)으로서 압축 강도(compressive strength), 작업성(workability), 탄화 내구성(carbonation durability), 서리 내구성(frost durability), 절대 부피(absolute volume), 구성 요소 범위(component range) 및 구성 요소 비율(component ratio)을 포함한다(Yeh, 2007; Young et al., 2019).The design of concrete compositions includes compressive strength, workability, carbonation durability, frost durability, absolute volume, component range as constraints. range) and component ratios (Yeh, 2007; Young et al., 2019).

하기에서 본 발명의 콘크리트 조성물에 대한 설계 방법의 제한 조건을 상세히 설명한다.Hereinafter, the limiting conditions of the design method for the concrete composition of the present invention will be described in detail.

2) 압축강도 제한 조건2) Compressive strength limiting conditions

본 발명의 압축 강도 제한 조건(compressive strength constraint)은 특정 재령(age)에서 실제 압축 강도(real compressive strength)가 설계 압축 강도(design compressive strength)보다 크거나 동일한 것을 의미한다. The compressive strength constraint of the present invention means that the real compressive strength at a specific age is greater than or equal to the design compressive strength.

콘크리트의 압축 강도는 성형 초기에 빠르게 형성되며 재령 28일 후에도 그 강도가 지속적으로 증가하나 수화 속도 및 강도 증가 속도가 매우 느린 특징이 있다. 본 발명에서는 설계 압축 강도로서 재령 28일의 압축 강도를 사용하였다.The compressive strength of concrete is rapidly formed at the beginning of molding and its strength continues to increase even after 28 days of age, but the hydration rate and strength increase rate are very slow. In the present invention, the compressive strength at the age of 28 days was used as the design compressive strength.

공기 혼입 콘크리트의 압축 강도는 혼입된 공기의 함량에 비례하여 감소하는 특징이 있다(A.M. Neville, 1996; Lam et al., 1998). 선행 연구결과에 따르면 다양한 물/바인더 비율(water-to-binder ratio), 플라이 애쉬 함량(fly ash content), 공기 함량(air content) 및 재령(curing age)을 가진 플라이 애쉬 혼합 콘크리트를 제조하고 이에 대한 압축 강도를 실험적으로 조사한 결과 최적의 물/바인더 비율, 플라이 애시 함량, 및 공기 함량은 각각 0.25 내지 0.70, 0 내지 55% 및 0 내지 8%인 것으로 확인되었다(Lam et al. (1998); Thomas (2013); Neville (1996)).The compressive strength of air-entrained concrete is characterized by a decrease in proportion to the amount of air mixed (A.M. Neville, 1996; Lam et al., 1998). According to the results of previous studies, fly ash mixed concretes with various water-to-binder ratios, fly ash content, air content and curing age were prepared and As a result of experimentally examining the compressive strength for the Thomas (2013); Neville (1996)).

상기 실험 결과를 바탕으로 재령 28일인 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트에 대한 압축 강도는 하기 수학식 4와 같이 결정될 수 있다.Based on the experimental results, the compressive strength of the air mixed fly ash mixed concrete having an age of 28 days may be determined as shown in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00020
Figure pat00020

상기 수학식 4의 fc는 압축강도를 의미하며; W는 물의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다. 또한 상기 Vair는 혼입된 공기의 함량(Vair의 단위는 %이다)을 의미하며;

Figure pat00021
는 콘크리트의 효율적인 물/바인더 비율을 의미한다. 상기 Vair의 계수 0.05는 혼입된 공기의 함량이 1% 증가하면 압축 강도가 5% 감소한다는 것을 의미한다(AMNeville, 1996; Mehta and Monteiro, 2014).f c in Equation 4 means compressive strength; W means the mass of water; C means the mass of cement; FA stands for the mass of fly ash. In addition, the V air means the content of the mixed air (unit of V air is %);
Figure pat00021
is the effective water/binder ratio of concrete. The coefficient of V air of 0.05 means that when the content of air mixed is increased by 1%, the compressive strength decreases by 5% (AMNeville, 1996; Mehta and Monteiro, 2014).

3) 작업성 제한 조건3) Workability Restrictions

본 발명의 작업성 제한 조건(workability constraint)은 콘크리트의 실제 슬럼프(real slump)가 설계 슬럼프(desired slump)보다 크거나 같아야한다는 것을 의미한다(Mehta and Monteiro, 2014). 선행 결과에 따르면 물/바인더 비율(water-to-binder ratio), 수분 함량(water ratio), 모래 비율(sand ratio), 플라이 애시 대체 수준(fly ash replacement level) 및 감수제 함량(superplasticizer content)이 서로 다른 플라이 애시 혼합 콘크리트 104 혼합 비율에 대한 슬럼프를 실험적으로 측정하였으며 슬럼프에 대한 공기 혼입제의 효과를 실험적으로 분석한 바 있다(Lim et al.(2004); Benazzouk et al. (2006); Li et al. (2013)).The workability constraint of the present invention means that the real slump of concrete must be greater than or equal to the design slump (Mehta and Monteiro, 2014). Previous results have shown that water-to-binder ratio, water ratio, sand ratio, fly ash replacement level and superplasticizer content are mutually exclusive. The slump was experimentally measured for different fly ash mixed concrete 104 mixing ratios, and the effect of the air admixture on the slump was experimentally analyzed (Lim et al. (2004); Benazzouk et al. (2006); Li et al. al. (2013)).

본 발명의 공기 혼입 플라이 애쉬 혼합 콘크리트에 대한 슬럼프는 상기 실험결과를 바탕으로 수학식 5에 의해 설명된다.The slump for the air mixed fly ash mixed concrete of the present invention is explained by Equation 5 based on the experimental results.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00022
Figure pat00022

상기 수학식 5의 SD는 모래(sand)의 질량을 의미하며; CA는 조골재(coarse aggregate)의 질량을 의미하며; SP는 감수제(superplasticizer)의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다.

Figure pat00023
는 물/바인더 비율을 의미하며;
Figure pat00024
는 전체 골재에 대한 모래의 비율을 의미하며,
Figure pat00025
는 플라이 애쉬 대체 비율을 의미하며; 1+0.03Vair는 혼입된 공기로 인한 슬럼프 증가를 의미한다.SD in Equation 5 means the mass of sand; CA means the mass of coarse aggregate; SP stands for the mass of superplasticizer; C means the mass of cement; FA stands for the mass of fly ash.
Figure pat00023
means the water/binder ratio;
Figure pat00024
is the ratio of sand to total aggregate,
Figure pat00025
denotes the fly ash replacement ratio; 1+0.03V air means increased slump due to entrained air.

선행결과에 따르면 물/바인더의 비율이 증가하면 감수제의 질량은 감소한다(Lim et al. (2004); Thomas (2013)). 따라서 본 발명의 감수제 질량은 물/바인더 비율로 결정될 수 있다(수학식 6).According to previous results, as the water/binder ratio increases, the mass of the water reducing agent decreases (Lim et al. (2004); Thomas (2013)). Therefore, the mass of the water reducing agent of the present invention may be determined by the water/binder ratio (Equation 6).

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00026
Figure pat00026

본 발명의 공기 혼입제의 질량은 공기 함량, 바인더 함량 및 플라이 애시 대체 비율의 함수로 결정된다. 선행결과에 따르면 바인더와 목표 공기의 함량이 증가하는 경우 공기 혼입제의 질량은 증가하게 되며 플라이 애쉬 함량이 증가함에 따라 공기 혼입제의 질량이 역시 증가한다는 것이 실험적으로 증명되었다(Young et al. (2019); Thomas (2013), Li et al. (2013); Zhang et al. (2018)).The mass of the air entrainer of the present invention is determined as a function of air content, binder content and fly ash replacement ratio. According to the previous results, it was experimentally proven that the mass of the air admixture increases when the content of the binder and target air is increased, and the mass of the air admixture also increases as the fly ash content increases (Young et al. (Young et al. (Young et al. 2019); Thomas (2013), Li et al. (2013); Zhang et al. (2018)).

상기 실험결과를 바탕으로 공기 혼입제의 질량은 하기 수학식 7과 같이 결정될 수 있다.Based on the experimental results, the mass of the air mixing agent may be determined as in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00027
Figure pat00027

상기 AE는 공기 혼입제의 함량을 의미하며; 상기 Vair는 공기 혼입량(%)을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다. 또한 상기 수학식 7의 0:00005*Vair*(C+FA)는 바인더와 공기 함량이 증가하는 경우 공기 혼입제의 함량이 증가한다는 것을 의미하며 상기

Figure pat00028
은 플라이 애시의 추가로 인한 공기 혼입 함량의 증가를 의미한다(Thomas, 2013).The AE means the content of the air entraining agent; The V air means the amount of air mixed (%); C means the mass of cement; FA stands for the mass of fly ash. In addition, 0:00005 * V air * (C + FA) in Equation 7 means that the content of the air admixture increases when the content of the binder and air increases, and the
Figure pat00028
indicates an increase in the air entrainment content due to the addition of fly ash (Thomas, 2013).

4) 탄산화 내구성 제한 조건4) Carbonation durability limiting conditions

콘크리트 조성물에 플라이 애시를 추가하게 되면 콘크리트의 탄산화 깊이는 증가하게 되고 이는 탄산화 내구성(carbonation durability)의 저하로 이어진다(Thomas, 2013). 따라서 본 발명에서는 상기 탄산화 내구성을 콘크리트 조성물 최적 설계 방법의 제한 조건으로 사용하였다. 본 발명의 탄산화 내구성 제한 조건은 콘크리트의 탄산화 깊이(carbonation depth)가 피복 깊이(cover depth)보다 낮아야 하는 것을 의미한다. Papadakis et al. (2002) 및 Papadakis와 Tsimas (2002)는 시멘트 대체 물질을 사용한 콘크리트 조성물의 대체 물질에 따른 탄산화 및 이의 노출 조건을 실험적으로 분석하여 플라이 애시 혼합 콘크리트의 탄산화 깊이에 대한 확산 기반 방정식을 하기 수학식 8 및 9와 같이 제안한 바 있다.The addition of fly ash to the concrete composition increases the carbonation depth of the concrete, which leads to a decrease in carbonation durability (Thomas, 2013). Therefore, in the present invention, the carbonation durability was used as a limiting condition for the optimal design method of the concrete composition. The carbonation durability limiting condition of the present invention means that the carbonation depth of the concrete must be lower than the cover depth. Papadakis et al. (2002) and Papadakis and Tsimas (2002) experimentally analyzed the carbonation and exposure conditions of a concrete composition using a cement substitute according to the substitute material, and calculated the diffusion-based equation for the carbonation depth of the fly ash mixed concrete by Equation 8 and 9 have been proposed.

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00029
Figure pat00029

[수학식9][Equation 9]

Figure pat00030
Figure pat00030

상기 수학식 8 또는 9의 χc는 탄산화 깊이를 의미하며; D는 콘크리트의 이산화탄소 확산도를 의미하며; [CO2]0는 이산화탄소의 농도를 의미하며; t는 노출 시간을 의미하며; ρc는 시멘트의 밀도를 의미하며; ρw는 물의 밀도를 의미한다. 또한 상기 RH는 노출의 상대 습도를 의미하며; αH는 수화 정도(

Figure pat00031
(Oh and Jang, 2004))를 의미하며; β는 이산화탄소 확산의 활성화 에너지(β=4300)를 의미하며; Tref는 기준 온도(293K)를 의미하며; T는 환경 온도를 의미하며; (Vair-2)*0.01은 혼입된 공기(공기 비혼입 콘크리트의 경우 포획된 공기의 함량을 2%로 가정함(Czarnecki and Woyciechowski, 2015; Heede et al., 2013; Wong et al., 2011))로 인해 증가하는 콘크리트 다공성을 의미한다. 상기 수학식 8 및 9에 따르면 공기 혼입량이 증가하게 되면 이산화탄소의 확산성과 콘크리트의 탄산화 깊이는 증가하게 되고 탄산화율 또한 이산화탄소 농도와 온도에 비례하여 증가하게 된다(Czarnecki and Woyciechowski, 2015; Wong et al., 2011).χ c in Equation 8 or 9 means carbonation depth; D means the carbon dioxide diffusivity of concrete; [CO 2 ] 0 means the concentration of carbon dioxide; t means exposure time; ρ c means the density of cement; ρ w means the density of water. Also, the RH means the relative humidity of the exposure; α H is the degree of hydration (
Figure pat00031
(Oh and Jang, 2004)); β denotes the activation energy of carbon dioxide diffusion (β=4300); T ref means the reference temperature (293K); T stands for environmental temperature; (V air -2) * 0.01 is entrained air (in the case of non-air-entrained concrete, the content of trapped air is assumed to be 2% (Czarnecki and Woyciechowski, 2015; Heede et al., 2013; Wong et al., 2011) )) due to increased concrete porosity. According to Equations 8 and 9, when the air mixing amount increases, the diffusivity of carbon dioxide and the carbonation depth of concrete increase, and the carbonation rate also increases in proportion to the carbon dioxide concentration and temperature (Czarnecki and Woyciechowski, 2015; Wong et al. , 2011).

5) 서리 내구성 제한 조건5) Frost Endurance Limitations

동결과 해동을 반복하게 되면 콘크리트의 표면 스케일링과 내부 균열이 확인되는데 이러한 현상에 대한 내구성을 서리(frost) 내구성이라 하며 상기 서리 내구성을 확인하기 위해서는 혼입 공기(entrained air)가 필요하다. 본 발명의 서리 내구성 제한 조건은 동결과 해동을 반복으로 인한 콘크리트의 손상이 규정된 사양보다 작아야 한다는 것을 의미한다. ACI 코드에 따르면 조골재(coarse aggregate)의 최대 크기가 19㎜인 경우 권장되는 혼입 공기의 함량은 경도 노출(mild exposure)의 경우 3.5%이며; 중등도 노출(moderate exposure)의 경우 5%이며; 심한 노출(severe exposure)의 경우 6%인 것으로 확인된다(Mehta 및 Monteiro, 2014; Thomas, 2013). 이를 바탕으로 본 발명의 서리 내구성은 콘크리트의 권장 혼입 공기 함량과 압축 강도를 만족하는지 여부에 따라 결정하였다.When freezing and thawing are repeated, surface scaling and internal cracking of concrete are confirmed. Durability against this phenomenon is called frost durability, and entrained air is required to confirm the frost durability. The frost durability limiting condition of the present invention means that the damage to concrete due to repeated freezing and thawing must be less than the specified specification. According to the ACI code, for a coarse aggregate maximum size of 19 mm, the recommended entrained air content is 3.5% for mild exposure; 5% for moderate exposure; It is found to be 6% for severe exposure (Mehta and Monteiro, 2014; Thomas, 2013). Based on this, the frost durability of the present invention was determined depending on whether the recommended air content and compressive strength of the concrete were satisfied.

6) 절대 부피 제한 조건6) Absolute Volume Constraints

본 발명의 절대 부피 제한 조건은 콘크리트 구성 요소 부피의 합이 1m3에서 혼입 공기의 부피를 뺀 값과 같다는 것을 의미한다. 절대 부피 제한 조건은 하기 수학식 10과 같이 표현된다.The absolute volume limiting condition of the present invention means that the sum of the concrete component volumes is equal to 1 m 3 minus the volume of entrained air. The absolute volume limiting condition is expressed as Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00032
Figure pat00032

상기 수학식 10의 mi는 구성 요소의 질량을 의미하며; ρi는 구성 요소의 밀도를 의미하며; Vair는 공기 혼입량(%)을 의미한다.mi in Equation 10 means the mass of the component; ρi means the density of the component; V air means the amount of air mixed (%).

7) 구성 요소 범위 제한 조건 및 구성 요소 비율 제한 조건7) Component Range Constraints and Component Ratio Constraints

본 발명의 구성 요소 범위 제한 조건(component range constraint)은 시멘트(cement), 플라이 애시(fly ash), 물(water), 잔골재(fine aggregate) 및 조골재(coarse aggregate)를 포함하는 콘크리트 조성물 구성 요소의 함량이 하기 표 2의 상한 및 하한 범위 내에 있어야 하는 것을 의미한다(표 2 참조). 또한 본 발명의 구성 요소 비율 제한 조건은 물/바인더 비율(water-to-binder ratio), 플라이 애시 대체 비율(fly ash-to-binder ratio), 모래 비율(sand ratio), 골재/바인더 비율(aggregate-to-binder ratio) 및 물/고체 비율(water-to-solid ratio)을 포함하는 콘크리트 조성물 구성 성분 간의 비율이 하기 표 2의 상한과 하한 범위 내에 위치하여야 하는 것을 의미한다(Thomas, 2013; Yeh, 2007, 2009).The component range constraint of the present invention is that of concrete composition components including cement, fly ash, water, fine aggregate and coarse aggregate. It means that the content should be within the upper and lower limits of Table 2 below (see Table 2). In addition, the component ratio constraint of the present invention is a water-to-binder ratio, a fly ash-to-binder ratio, a sand ratio, and an aggregate/binder ratio. -to-binder ratio) and the ratio between the components of the concrete composition including the water-to-solid ratio should be located within the upper and lower limits of Table 2 below (Thomas, 2013; Yeh) , 2007, 2009).

Figure pat00033
Figure pat00033

8) 제안 모델의 요약8) Summary of the proposed model

본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적화는 목적 함수와 제한 조건으로 구성된다. 상기 목적 함수는 콘크리트 재료 및 이산화탄소 배출 비용을 포함한 총 비용을 의미하며(수학식 1 내지 3 참조) 상기 제한 조건은 압축 강도(수학식 4 참조), 작업성(수학식 5 내지 7 참조), 탄산화 내구성(수학식 8 내지 9 참조), 서리 내구성, 절대 부피(수학식 10 참조), 구성 요소 범위 및 구성 요소 비율을 포함한다. 본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적화는 MATLAB (Mathworks, 2019)의 유전 알고리즘(generic algorithm, GA) 도구 상자를 사용하여 수행하였다. 상기 유전 알고리즘은 인공 지능 기술을 이용한 진화 컴퓨팅 알고리즘이다(Mathworks, 2019). 상기 유전 알고리즘은 생물학적 진화론을 모방한 것으로 생물이 환경에 적응하기 위해 유전자 형질을 부여하거나 삭제하고 이를 유지하는 것을 모방한 알고리즘이다. 상기 유전 알고리즘은 솔루션의 결정 및 최적화에 널리 사용되며 가장 중요한 단계에서 교차 및 돌연변이를 포함한다.The optimization of the air-entrained fly ash mixed concrete composition of the present invention consists of an objective function and a limiting condition. The objective function means the total cost including the cost of concrete material and carbon dioxide emission (refer to Equations 1 to 3), and the limiting conditions are compressive strength (refer to Equation 4), workability (refer to Equations 5 to 7), and carbonation durability (see Equations 8 to 9), frost durability, absolute volume (see Equation 10), component ranges and component ratios. The optimization of the air-entrained fly ash mixed concrete composition of the present invention was performed using a genetic algorithm (GA) toolbox of MATLAB (Mathworks, 2019). The genetic algorithm is an evolutionary computing algorithm using artificial intelligence technology (Mathworks, 2019). The genetic algorithm mimics the theory of biological evolution, and is an algorithm that mimics adding or deleting genetic traits and maintaining them in order to adapt to the environment. These genetic algorithms are widely used for the determination and optimization of solutions and include crossovers and mutations at the most critical steps.

도 1은 본 발명의 계산 순서를 보여준다. 유전 알고리즘 적합성 함수(fitness function)는 총 비용이며 상기 총비용은 재료 비용에 이산화탄소 배출 비용을 더한 값이다. 본 발명의 물성 평가 모델(property evaluation model)은 지구 온난화를 고려한 압축 강도 모델, 슬럼프 모델, 탄산화 모델을 포함한다. 본 발명의 제한 조건은 기계적 물성 제한 조건, 작업성 제한 조건, 서비스 수명 제한 조건, 절대 부피 제한 조건, 구성 요소의 제한에 대한 제한 조건 및 구성 요소 비율 제한 조건이 포함된다.1 shows the calculation sequence of the present invention. The genetic algorithm fitness function is the total cost, which is the cost of the material plus the cost of carbon dioxide emissions. The property evaluation model of the present invention includes a compressive strength model, a slump model, and a carbonation model in consideration of global warming. The limiting conditions of the present invention include mechanical property limiting conditions, workability limiting conditions, service life limiting conditions, absolute volume limiting conditions, constraint conditions for limiting components, and constraint conditions for component ratios.

본 발명에 제안된 방법은 다양한 종류의 플라이 애시를 포함하는 콘크리트에 적용될 수 있으며 이에 대한 세부 사항은 하기와 같다.The method proposed in the present invention can be applied to concrete containing various types of fly ash, and the details thereof are as follows.

첫째, 본 발명의 플라이 애시는 클래스 C형 및 클래스 F형 플라이 애시로 구분되며 상기 유형은 압축 강도, 작업성 및 탄산화 내구성과 같은 콘크리트의 기계적 물성에 영향을 미친다. 본 발명에서는 주로 저칼슘 플라이 애시에 해당하는 클래스 F형 플라이 애시를 포함하는 공기 혼입 콘크리트의 최적 설계에 관한 것이다. First, the fly ash of the present invention is divided into class C type and class F type fly ash, and the types affect mechanical properties of concrete such as compressive strength, workability and carbonation durability. The present invention relates mainly to the optimal design of air-entrained concrete containing class F fly ash corresponding to low calcium fly ash.

본 발명의 방법을 상기 클래스 C형 플라이 애쉬를 포함하는 콘크리트의 최적 설계에 적용하기 위해서는 압축 강도 모델(수학식 4), 작업성 모델(수학식 5 내지 7) 및 탄산화 모델(수학식 8 및 수학식 9)과 같은 성능 평가 모델을 클래스 C형 플라이 애쉬에 맞도록 수정하고 유전 알고리즘을 적용하여야 할 것으로 판단된다.In order to apply the method of the present invention to the optimal design of concrete containing the class C-type fly ash, a compressive strength model (Equation 4), a workability model (Equations 5 to 7), and a carbonation model (Equation 8 and Math It is judged that the performance evaluation model as in Equation 9) should be modified to fit the class C type fly ash and the genetic algorithm should be applied.

둘째, 본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적화 설계 방법을 다양한 유형의 플라이 애시에 대해 적용하는 경우 각 플라이 애쉬의 특성에 맞추어 압축 강도 모델, 작업성 모델, 탄산화 모델, 서리 내구성 요구 사항과 같은 성능 평가 모델을 수정하는 것만으로 최적 설계가 가능할 것으로 판단된다. 따라서 본 발명은 다양한 플라이 애쉬 유형을 포함하는 혼합 콘크리트의 최적 혼합 설계를 위한 일반적인 방법으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.Second, when the optimization design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition of the present invention is applied to various types of fly ash, the compressive strength model, workability model, carbonation model, frost durability requirements and It is judged that the optimal design is possible only by modifying the same performance evaluation model. Therefore, it is judged that the present invention can be applied as a general method for optimal mixing design of mixed concrete including various types of fly ash.

2. 실시예2. Examples

본 발명의 실시예에서는 탄산화 및 지구 온난화에 따른 다양한 종류의 공기 혼입량을 포함하는 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물을 설계한 결과가 제시된다. 조골재의 최대 크기는 19㎜로 가정하였으며 설계 코드에 따라 공기 혼입량을 하기와 같이 설정하였다. 본 발명의 경도 노출에 대한 권장 공기 혼입량은 3.5%이며; 중등도 노출에 대한 권장 공기 혼입량은 5%이며; 심한 노출에 대한 권장 공기 혼입량은 6%이다(Mehta and Monteiro, 2014; Mosley et al., 2012; Standardization, 2006).In an embodiment of the present invention, the results of designing a fly ash mixed concrete composition including various types of air mixed according to carbonation and global warming are presented. The maximum size of the coarse aggregate was assumed to be 19 mm, and the air mixing amount was set as follows according to the design code. The recommended air entrainment for the hardness exposure of the present invention is 3.5%; The recommended air entrainment for moderate exposure is 5%; The recommended air entrainment for severe exposure is 6% (Mehta and Monteiro, 2014; Mosley et al., 2012; Standardization, 2006).

본 발명은 탄산화 내구성 및 서리 내구성을 고려하여 최소 설계 강도로서 30MPa을 사용하였으며 피복 깊이를 25㎜로 가정하였다(Mehta 및 Monteiro, 2014; Standardization, 2006). 또한 설계 슬럼프(required slump)는 180㎜로 설정하였으며; 이산화탄소 농도는 0.038%로 설정하였고; 상대 습도는 65%로 성정하였으며; 온도는 15℃로 설정하였고; 수명은 50년으로 설정하였다.In the present invention, 30 MPa was used as the minimum design strength in consideration of carbonation durability and frost durability, and the covering depth was assumed to be 25 mm (Mehta and Monteiro, 2014; Standardization, 2006). Also, the required slump was set to 180 mm; The carbon dioxide concentration was set at 0.038%; Relative humidity was set at 65%; The temperature was set at 15° C.; Lifespan is set to 50 years.

하기 표 3은 본 발명의 실시예의 조건을 보여준다.Table 3 below shows the conditions of Examples of the present invention.

설계 압축 강도
(design compressive strength)
design compressive strength
(design compressive strength)
압축 강도
(compressive strength)
compressive strength
(compressive strength)
탄산화 내구성
(carbonation durability)
Carbonation Durability
(carbonation durability)
지구 온난화
(global warming)
Global Warming
(global warming)
실시예 1
(case 1)
Example 1
(case 1)
30MPa 30MPa YesYes NoNo NoNo
실시예 2
(case 2)
Example 2
(case 2)
30MPa 30MPa YesYes YesYes NoNo
실시예 3
(case 3)
Example 3
(case 3)
30MPa 30MPa YesYes YesYes YesYes
실시예 4
(case 4)
Example 4
(case 4)
45MPa 45 MPa YesYes YesYes YesYes

상기 실시예 1(case 1)은 압축 강도만을 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트에 대한 것이며; 상기 실기예 2(Case 2)는 압축 강도와 탄산화 내구성을 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트에 대한 것이며; 상기 실시예 3(Case 3)은 탄산화 및 지구 온난화가 적용된 압축 강도(30MPa)를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트에 대한 것이며; 실시예 4(Case 4)는 탄산화 및 지구 온난화가 적용된 고강도압축 강도(45MPa)를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트에 대한 것이다. 실시예 1 내지 3의 설계 압축 강도(design compressive strength)는 30MPa이었으며 실시예 4의 설계 압축 강도는 45MPa이었다. 네 종류의 실시예에 대하여 세 종류의 공기 혼입량이 적용된 총 12 종류의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물(실시예 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 2-2, 2-3, 3-1, 3-2, 3-3, 4-1, 4-2, 및 4-3)을 설계하고 이를 분석하였다. 상기 설계 압축 강도 30MPa는 설계 코드에 따라 선택되었으므로 적당한 습도에 노출된 콘크리트 구조물의 경우 탄산화 내구성 및 서리 내구성을 달성하기 위한 최소 설계 압축 강도는 30MPa 수준일 것으로 판단된다(Mosley et al., 2012; Standardization, 2006). 본 발명에서는 고강도 콘크리트의 대표값으로 설계 압축 강도 45MPa를 선정하였다. 상기 실시예는 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계에 대한 탄산화 내구성, 지구 온난화 및 설계 강도의 개별 효과를 보여주기 위한 것으로 실시예 1과 실시예 2을 비교분석하면 탄산화 내구성의 영향을 확인할 수 있으며; 실시예 2와 실시예 3을 비교분석하면 지구 온난화의 영향을 확인할 수 있으며; 실시예 3과 실시예 4를 비교분석하면 설계 압축 강도의 영향을 확인할 수 있다.The above Example 1 (case 1) is for air mixed fly ash mixed concrete considering only compressive strength; The practical example 2 (Case 2) relates to air mixed fly ash mixed concrete in consideration of compressive strength and carbonation durability; The above Example 3 (Case 3) is for the air mixed fly ash mixed concrete considering the compressive strength (30 MPa) to which carbonization and global warming are applied; Example 4 (Case 4) relates to air mixed fly ash mixed concrete considering high-strength compressive strength (45 MPa) to which carbonation and global warming are applied. The design compressive strength of Examples 1 to 3 was 30 MPa, and the design compressive strength of Example 4 was 45 MPa. A total of 12 types of air mixed fly ash mixed concrete compositions (Examples 1-1, 1-2, 1-3, 2-1, 2-2, 2- 3, 3-1, 3-2, 3-3, 4-1, 4-2, and 4-3) were designed and analyzed. Since the design compressive strength of 30 MPa was selected according to the design code, in the case of a concrete structure exposed to moderate humidity, it is determined that the minimum design compressive strength to achieve carbonation durability and frost durability is 30 MPa (Mosley et al., 2012; Standardization). , 2006). In the present invention, a design compressive strength of 45 MPa was selected as a representative value of high-strength concrete. The above example is to show the individual effects of carbonation durability, global warming, and design strength on the optimal design of the air mixed fly ash mixed concrete composition. By comparing Example 1 and Example 2, the effect of carbonation durability can be confirmed. there is; Comparative analysis of Example 2 and Example 3 can confirm the effect of global warming; Comparative analysis of Example 3 and Example 4 confirms the influence of the design compressive strength.

1) 탄산화 내구성을 고려하지 않은 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 설계1) Design of fly ash mixed concrete composition without considering carbonation durability

표 4는 탄산화 내구성을 고려하지 않은 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 혼합물의 조성을 보여주며 표 5는 실시예에 1-1, 1-2, 및 1-3의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트에 대한 성능 평가 결과를 보여준다. 상기 실시예 1-1, 1-2, 및 1-3의 공기 혼입량은 각각 3.5%, 5%, 및 6%이었다.Table 4 shows the composition of the air mixed fly ash mixed concrete mixture without considering the carbonation durability, and Table 5 shows the performance evaluation results for the air mixed fly ash mixed concrete of Examples 1-1, 1-2, and 1-3 shows In Examples 1-1, 1-2, and 1-3, the mixing amount of air was 3.5%, 5%, and 6%, respectively.

실시예 1-1
(Mix 1)
Example 1-1
(Mix 1)
실시예 1-2
(Mix 2)
Example 1-2
(Mix 2)
실시예 1-3
(Mix 3)
Examples 1-3
(Mix 3)
cement (kg/m3)cement (kg/m 3 ) 263.44263.44 280.87280.87 294.45294.45 fly ash (kg/m3)fly ash (kg/m 3 ) 87.8187.81 93.6293.62 98.1598.15 water (kg/m3)water (kg/m 3 ) 166.38166.38 163.78163.78 162.06162.06 fine aggregate (kg/m3)fine aggregate (kg/m 3 ) 691.42691.42 669.11669.11 653.27653.27 coarse aggregate (kg/m3)coarse aggregate (kg/m 3 ) 1037.131037.13 1003.671003.67 979.91979.91 superplasticizer (kg/m3)superplasticizer (kg/m 3 ) 0.850.85 2.202.20 3.113.11 air-entraining agent(kg/m3)air-entraining agent (kg/m 3 ) 0.110.11 0.170.17 0.220.22

실시예 1-1
(Mix 1)
Example 1-1
(Mix 1)
실시예 1-2
(Mix 2)
Example 1-2
(Mix 2)
실시예 1-3
(Mix 3)
Examples 1-3
(Mix 3)
compressive strength(MPa)compressive strength(MPa) 30.0030.00 30.0030.00 30.0030.00 slump(㎜)slump(mm) 207.39207.39 226.37226.37 239.58239.58 entrained air content(%)entrained air content (%) 3.53.5 55 66 carbonation depth(㎜)carbonation depth (mm) 28.3328.33 30.9530.95 32.4532.45 total cost($NT/m3)total cost($NT/m 3 ) 1338.531338.53 1417.661417.66 1476.711476.71 water to binder ratiowater to binder ratio 0.470.47 0.440.44 0.410.41 fly ash replacement ratiofly ash replacement ratio 0.250.25 0.250.25 0.250.25

실험결과에 따르면 실시예 1-1, 1-2, 및 1-3은 바인더 함량 및 총 비용은 증가하는 반면 물/바인더 비율은 감소하는 것으로 확인되며; 동일한 설계 압축강도와 실제 압축강도가 30MPa으로 동일한 것으로 확인되며; 실제 슬럼프 값(207.39㎜, 226.37㎜ 또는 239.58㎜)은 요구 슬럼프값(180㎜)보다 높은 값을 가지는 것으로 확인된다. 또한 플라이 애시/바인더 비율 또한 상한값인 0.25로 동일한 것으로 확인된다. 상기 비율의 상한값은 플라이 애시의 가격이 시멘트의 가격보다 훨씬 저렴한 이유로 설정된 것이며 실제 압축 강도(30MPa)가 고정된 경우, 혼입된 공기의 함량이 증가함에 따라 콘크리트 비용 또한 증가하는 것으로 판단된다.According to the experimental results, it was confirmed that in Examples 1-1, 1-2, and 1-3, the binder content and total cost increased, while the water/binder ratio decreased; It is confirmed that the same design compressive strength and actual compressive strength are the same as 30 MPa; It is confirmed that the actual slump value (207.39 mm, 226.37 mm, or 239.58 mm) has a higher value than the required slump value (180 mm). In addition, it is confirmed that the fly ash/binder ratio is also the same as the upper limit of 0.25. The upper limit of the ratio is set because the price of fly ash is much cheaper than that of cement, and when the actual compressive strength (30 MPa) is fixed, it is determined that the cost of concrete also increases as the content of air mixed increases.

도 2는 본 발명의 탄산화 모델을 기반으로 계산된 실시예 1-1, 1-2, 및 1-3의 탄산화 깊이를 보여준다. 공기 혼입량이 증가하면 콘크리트의 이산화탄소 확산성이 증가하게 되고 이는 탄산화 깊이의 증가로 이어진다. 서비스 수명 50년 후 탄산화 깊이는 커버 깊이(25mm)보다 큰 것으로 확인된다. 즉, 실시예 1-1, 1-2, 및 1-3는 탄산화 내구성 요구 사항을 충족 할 수 없는 조건이므로 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트의 혼합물을 설계 할 때 탄산화 내구성의 제한 조건을 반드시 고려하여야 한다. 본 발명의 결과는 Czarnecki와 Woyciechowski (2015)는 공기 혼입 콘크리트가 공기 니혼입 콘크리트보다 탄산화 깊이가 더 크다는 Czarnecki와 Woyciechowski (2015)의 결과에 의해 지지된다.2 shows the carbonation depths of Examples 1-1, 1-2, and 1-3 calculated based on the carbonation model of the present invention. As the amount of air mixed increases, the carbon dioxide diffusivity of the concrete increases, which leads to an increase in the carbonation depth. After 50 years of service life, the carbonation depth is found to be greater than the cover depth (25 mm). That is, Examples 1-1, 1-2, and 1-3 are conditions that cannot satisfy the carbonation durability requirements, so when designing a mixture of air mixed fly ash mixed concrete, the limiting conditions of carbonation durability must be considered. . The results of the present invention are supported by the results of Czarnecki and Woyciechowski (2015) by Czarnecki and Woyciechowski (2015) that Czarnecki and Woyciechowski (2015) found that air-entrained concrete has a greater carbonation depth than air-entrained concrete.

2) 탄산화 내구성을 고려한 플라이 애시 혼합 콘크리트 혼합물 설계2) Design of fly ash mixed concrete mixture considering carbonation durability

본 발명에서는 탄산화 내구성을 제한 조건으로 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물을 설계하였다.In the present invention, an air mixed fly ash mixed concrete composition was designed considering carbonation durability as a limiting condition.

표 6은 본 발명의 탄산화 내구성이 고려되고 유전 알고리즘으로 산출된 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물 실시예의 조성을 보여주며 표 7은 실시예 2-1, 2-2, 및 2-3의 성능 평가한 결과를 보여준다. 실시예 2-1, 2-2, 및 2-3의 공기 혼입량은 각각 3.5%, 5% 및 6%이었다.Table 6 shows the composition of the examples of the air mixed fly ash mixed concrete composition calculated by the genetic algorithm in consideration of the carbonation durability of the present invention, and Table 7 shows the performance evaluation results of Examples 2-1, 2-2, and 2-3 shows In Examples 2-1, 2-2, and 2-3, the air mixing amounts were 3.5%, 5%, and 6%, respectively.

실시예 2-1
(Mix 4)
Example 2-1
(Mix 4)
실시예 2-2
(Mix 5)
Example 2-2
(Mix 5)
실시예 2-3
(Mix 6)
Example 2-3
(Mix 6)
cement (kg/m3)cement (kg/m 3 ) 286.51286.51 325.52325.52 353.73353.73 fly ash (kg/m3)fly ash (kg/m 3 ) 95.5095.50 108.51108.51 117.91117.91 water (kg/m3)water (kg/m 3 ) 166.83166.83 163.85163.85 162.21162.21 fine aggregate (kg/m3)fine aggregate (kg/m 3 ) 679.11679.11 645.65645.65 622.39622.39 coarse aggregate (kg/m3)coarse aggregate (kg/m 3 ) 1018.661018.66 968.48968.48 933.58933.58 superplasticizer (kg/m3)superplasticizer (kg/m 3 ) 2.272.27 4.424.42 5.675.67 air-entraining agent(kg/m3)air-entraining agent (kg/m 3 ) 0.120.12 0.200.20 0.260.26

실시예 2-1
(Mix 4)
Example 2-1
(Mix 4)
실시예 2-2
(Mix 5)
Example 2-2
(Mix 5)
실시예 2-3
(Mix 6)
Example 2-3
(Mix 6)
compressive strength(MPa)compressive strength(MPa) 33.1633.16 35.7635.76 37.3037.30 slump(㎜)slump(mm) 218.28218.28 244.44244.44 260.58260.58 entrained air content(%)entrained air content (%) 3.53.5 55 66 carbonation depth(㎜)carbonation depth (mm) 25.0025.00 25.0025.00 25.0025.00 total cost($NT/m3)total cost($NT/m 3 ) 1442.461442.46 1606.191606.19 1717.571717.57 water to binder ratiowater to binder ratio 0.440.44 0.380.38 0.340.34 fly ash replacement ratiofly ash replacement ratio 0.250.25 0.250.25 0.250.25

실시예 2-1, 2-2, 및 2-3의 수분 함량은 상기 실시예 1-1, 1-2, 및 1-3과 유사한 것으로 확인 되었으며 바인더 함량은 상기 실시예 1-1, 1-2, 및 1-3보다 높은 것으로 확인되었다. 상기 실시예 2-1, 2-2, 및 2-3의 실제 압축 강도(33.16MPa, 35.76MPa, 37.30MPa)는 설계 강도(design strength) 및 실시예 1-1, 1-2, 및 1-3의 압축 강도(30MPa)보다 높은 것으로 확인된다. 상기 결과는 실시예 2-1, 2-2, 및 2-3의 조성물 설계에서 탄산화 내구성이 결정적인 요소로 작용하였다는 것을 의미한다. 도 3의 결과에 따르면 상기 실시예 2-1, 2-2, 및 2-3의 탄산화 깊이(25㎜)는 피복 깊이(25㎜)와 동일한 것으로 확인된다. 또한 실시예 1-1과 실시예 2-1은 동일한 공기 혼입량(3.5%)을 가지면서도 실시예 2-1의 압축 강도가 실시예 1-1의 압축 강도보다 더 큰 값을 가지는 것으로 확인된다.The moisture content of Examples 2-1, 2-2, and 2-3 was confirmed to be similar to that of Examples 1-1, 1-2, and 1-3, and the binder content of Examples 1-1, 1- 2, and higher than 1-3. The actual compressive strengths (33.16 MPa, 35.76 MPa, 37.30 MPa) of Examples 2-1, 2-2, and 2-3 are the design strength and Examples 1-1, 1-2, and 1- It is confirmed to be higher than the compressive strength of 3 (30 MPa). The above result means that carbonation durability acted as a decisive factor in the composition design of Examples 2-1, 2-2, and 2-3. According to the result of FIG. 3, it is confirmed that the carbonation depth (25 mm) of Examples 2-1, 2-2, and 2-3 is the same as the coating depth (25 mm). In addition, it is confirmed that Example 1-1 and Example 2-1 have the same air mixing amount (3.5%), but the compressive strength of Example 2-1 has a larger value than that of Example 1-1.

결과적으로 실시예 2는 실시예 1에 대비하여 압축 강도가 증가하였으며 비용 또한 증가한 것으로 판단된다. 고강도의 콘크리트는 일반 강도의 콘크리트에 대비하여 더 많은 바인더를 포함하므로 재료비용과 이산화탄소 배출 비용이 상승하게 된다(Yeh., 2007, 2009). 따라서 실시예 2-2 및 2-3의 비용은 각각 실시예 1-2 및 1-3의 비용보다 더 높을 것으로 판단된다. As a result, Example 2 has increased compressive strength compared to Example 1, and it is determined that the cost is also increased. High-strength concrete contains more binder than general-strength concrete, so material cost and carbon dioxide emission cost increase (Yeh., 2007, 2009). Therefore, the cost of Examples 2-2 and 2-3 is determined to be higher than the cost of Examples 1-2 and 1-3, respectively.

3) 지구 온난화 효과를 고려한 플라이 애시 혼합 콘크리트 혼합물 설계3) Design of fly ash mixed concrete mixture considering global warming effect

상기 실시예에서는 이산화탄소 농도가 제한 조건으로 추정되었다. 그러나 기후 변화에 관한 정부 간 패널(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)이 제안한 바에 따르면 이산화탄소 농도와 지구 온도는 매년 증가한다(IPCC, 2014). 이에 따라 IPCC는 기후 변화 시나리오로서 대표 농도 경로(Representative Concentration Pathways, RCP) 8.5, RCP 6.0, RCP 4.5 및 RCP 2.6을 제안하였다. 상기 RCP의 숫자가 클수록 지구 온난화의 심각성을 의미한다. 본 발명에서는 RCP 6.0 지구 온난화 시나리오를 적용하여 플라이 애시 혼합 콘크리트 혼합물 설계를 수행하였다. In the above example, the carbon dioxide concentration was estimated as a limiting condition. However, as suggested by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), carbon dioxide concentration and global temperature increase every year (IPCC, 2014). Accordingly, the IPCC proposed Representative Concentration Pathways (RCP) 8.5, RCP 6.0, RCP 4.5 and RCP 2.6 as climate change scenarios. As the number of the RCP increases, it means the severity of global warming. In the present invention, a fly ash mixed concrete mixture design was performed by applying the RCP 6.0 global warming scenario.

도 4는 본 발명의 RCP 6.0에서 증가하는 이산화탄소 농도와 지구 온도를 보여준다. 본 발명에서는 상기 기후 변화를 고려하기 위하여 시간 평균 이산화탄소 농도

Figure pat00034
와 시간 평균 온도 증가
Figure pat00035
를 사용하여 탄산화 깊이를 산출하였다(Wang and Luan, 2018). 도 4의 패널(c)는 기후 변화가 고려된 경우와 기후 변화가 고려되지 않은 경우의 탄산화 깊이를 산출결과를 보여준다. 상기 결과에 따르면 온도가 상승함에 따라 콘크리트의 이산화탄소 확산성이 증가하고 이는 탄산화율의 증가로 이어진다. 또한 이산화탄소 농도의 증가에 따라 이산화탄소의 가스농도 기울기가 증가하므로 탄산화 속도가 향상되는 것으로 확인된다. 따라서 본 발명의 RCP 6.0 시나리오가 고려된 콘크리트의 탄산화 깊이는 피복 깊이보다 높게 된다. 상기 결과는 이산화탄소 농도와 온도의 증가가 콘크리트의 탄산화 깊이를 증가시킨다는 선행연구결과에 의해 지지된다(Yoon et al. 2007). Figure 4 shows the increasing carbon dioxide concentration and global temperature in RCP 6.0 of the present invention. In the present invention, in order to consider the climate change, the time average carbon dioxide concentration
Figure pat00034
with time average temperature increase
Figure pat00035
was used to calculate the carbonation depth (Wang and Luan, 2018). Panel (c) of FIG. 4 shows the results of calculating the carbonation depth when climate change is considered and when climate change is not considered. According to the above results, as the temperature increases, the carbon dioxide diffusivity of concrete increases, which leads to an increase in the carbonation rate. In addition, it is confirmed that the carbonation rate is improved because the gradient of the gas concentration of carbon dioxide increases with the increase of the carbon dioxide concentration. Therefore, the carbonation depth of the concrete considering the RCP 6.0 scenario of the present invention is higher than the covering depth. This result is supported by the results of previous studies that an increase in carbon dioxide concentration and temperature increases the carbonation depth of concrete (Yoon et al. 2007).

본 발명의 탄산화 모델(수학식 9)은 탄산화 깊이에 대한 지구 온난화의 영향을 고려하며 본 발명의 유전 알고리즘은 기후 변화 시나리오 RCP 6.0에 대한 최적의 공기 혼입 플라이 애시 콘크리트 조성물을 결정한다. 표 8과 9에서 보는 바와 같이 기후 변화를 고려하면 콘크리트의 바인더 함량이 증가하여 압축 강도가 증가한다. 도 5의 결과에 따르면 실시예 3-1(Mix 7), 3-2(Mix 8) 및 3-3(Mix 9)의 탄산화 깊이는 피복 깊이와 동일한 것으로 확인된다. 이는 실시예 3-1, 3-2 및 3-3의 경우 상기 시나리오 따라 기후 변화가 일어나더라도 탄산화 내구성의 요구 사항을 충족한다는 것을 의미한다.The carbonation model of the present invention (Equation 9) takes into account the effect of global warming on carbonation depth and the genetic algorithm of the present invention determines the optimal air-entrained fly ash concrete composition for the climate change scenario RCP 6.0. As shown in Tables 8 and 9, when climate change is taken into account, the binder content of concrete increases and the compressive strength increases. According to the result of FIG. 5, it was confirmed that the carbonation depth of Examples 3-1 (Mix 7), 3-2 (Mix 8) and 3-3 (Mix 9) was the same as the coating depth. This means that in the case of Examples 3-1, 3-2, and 3-3, the requirement of carbonation durability is satisfied even if a climate change occurs according to the above scenario.

실시예 3-1
(Mix 7)
Example 3-1
(Mix 7)
실시예 3-2
(Mix 8)
Example 3-2
(Mix 8)
실시예 3-3
(Mix 9)
Example 3-3
(Mix 9)
cement (kg/m3)cement (kg/m 3 ) 303.25303.25 345.03345.03 375.30375.30 fly ash (kg/m3)fly ash (kg/m 3 ) 101.08101.08 115.01115.01 125.10125.10 water (kg/m3)water (kg/m 3 ) 166.40166.40 163.91163.91 162.29162.29 fine aggregate (kg/m3)fine aggregate (kg/m 3 ) 670.27670.27 635.52635.52 611.29611.29 coarse aggregate (kg/m3)coarse aggregate (kg/m 3 ) 1005.411005.41 953.29953.29 916.94916.94 superplasticizer(kg/m3)superplasticizer (kg/m 3 ) 3.163.16 5.215.21 0.210.21 air-entraining agent(kg/m3)air-entraining agent (kg/m 3 ) 0.130.13 0.210.21 0.280.28

실시예 3-1
(Mix 7)
Example 3-1
(Mix 7)
실시예 3-2
(Mix 8)
Example 3-2
(Mix 8)
실시예 3-3
(Mix 9)
Example 3-3
(Mix 9)
compressive strength(MPa)compressive strength(MPa) 35.4835.48 38.3238.32 40.0140.01 slump(㎜)slump(mm) 225.31225.31 250.45250.45 266.56266.56 entrained air content(%)entrained air content (%) 3.53.5 55 66 carbonation depth(㎜)carbonation depth (mm) 25.0025.00 25.0025.00 25.0025.00 total cost($NT/m3)total cost($NT/m 3 ) 1514.461514.46 1684.041684.04 1800.161800.16 water to binder ratiowater to binder ratio 0.410.41 0.360.36 0.320.32 fly ash replacement ratiofly ash replacement ratio 0.250.25 0.250.25 0.250.25

4) 고강도 플라이 애시 혼합 콘크리트 혼합물 설계4) Design of high strength fly ash mixed concrete mixture

상기 실시예에서는 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 설계 압축 강도를 30 MPa으로 한 결과 실제 압축 강도가 상기 설계 압축 강도보다 큰 것으로 확인되었으며 상기 설계에는 탄산화 내구성이 결정적인 요소로 작용한다는 것이 확인되었다. 이하 실시예에서는 다른 제한 조건은 동일하되 설계 압축 강도를 45MPa으로 하는 방법으로 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물 설계를 수행하였다. 상기 설계된 조성물은 다른 실시예와 동일하게 품질 평가 모델과 유전 알고리즘에 의해 결정되었으며, 플라이 애시 혼합 콘크리트에 대한 성능 평가를 수행하였다(표 10 및 11 참조). In the above example, as a result of setting the design compressive strength of the fly ash mixed concrete composition to 30 MPa, it was confirmed that the actual compressive strength was greater than the design compressive strength, and it was confirmed that carbonation durability acts as a decisive factor in the design. In the following examples, the fly ash mixed concrete composition design was performed in such a way that the design compressive strength was 45 MPa, except that the other limiting conditions were the same. The designed composition was determined by the quality evaluation model and genetic algorithm in the same manner as in other examples, and performance evaluation was performed on fly ash mixed concrete (see Tables 10 and 11).

실시예 4-1
(Mix 10)
Example 4-1
(Mix 10)
실시예 4-2
(Mix 11)
Example 4-2
(Mix 11)
실시예 4-3
(Mix 12)
Example 4-3
(Mix 12)
cement (kg/m3)cement (kg/m 3 ) 370.43370.43 395.22395.22 414.55414.55 fly ash (kg/m3)fly ash (kg/m 3 ) 123.48123.48 131.74131.74 138.18138.18 water (kg/m3)water (kg/m 3 ) 166.59166.59 164.10164.10 162.47162.47 fine aggregate (kg/m3)fine aggregate (kg/m 3 ) 635.39635.39 609.73609.73 591.24591.24 coarse aggregate (kg/m3)coarse aggregate (kg/m 3 ) 953.08953.08 914.60914.60 886.86886.86 superplasticizer(kg/m3)superplasticizer (kg/m 3 ) 5.915.91 6.876.87 7.527.52 air-entraining agent(kg/m3)air-entraining agent (kg/m 3 ) 0.160.16 0.240.24 0.300.30

실시예 4-1
(Mix 10)
Example 4-1
(Mix 10)
실시예 4-2
(Mix 11)
Example 4-2
(Mix 11)
실시예 4-3
(Mix 12)
Example 4-3
(Mix 12)
compressive strength(MPa)compressive strength(MPa) 45.0045.00 45.0045.00 45.0045.00 slump(㎜)slump(mm) 246.3246.3 263.80263.80 275.84275.84 entrained air content(%)entrained air content (%) 3.53.5 55 66 carbonation depth(㎜)carbonation depth (mm) 18.3218.32 20.3920.39 21.6021.60 total cost($NT/m3)total cost($NT/m 3 ) 1783.161783.16 1875.361875.36 1945.631945.63 water to binder ratiowater to binder ratio 0.340.34 0.310.31 0.290.29 fly ash replacement ratiofly ash replacement ratio 0.250.25 0.250.25 0.250.25

도 6은 본 발명의 고강도 플라이 애시 혼합 콘크리트의 탄화 깊이가 피복 깊이보다 낮다는 것을 보여준다. 선행연구에 따르면 고강도 플라이 애시 혼합 콘크리트는 탄산화성 물질 함량이 높고 이산화탄소 확산율이 낮아 탄산화 저항성이 강한 특징이 있다(Thomas, 2013). 따라서 압축 강도가 45MPa 수준인 고강도 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물 설계에 있어서 결정적인 요소로 작용하는 것은 탄산화가 아닌 압축 강도인 것으로 판단된다. 6 shows that the carbonization depth of the high-strength fly ash mixed concrete of the present invention is lower than the coverage depth. According to previous studies, high-strength fly ash mixed concrete has high carbonation resistance due to high carbonation content and low carbon dioxide diffusion rate (Thomas, 2013). Therefore, it is judged that compressive strength, not carbonation, acts as a decisive factor in designing a high-strength fly ash mixed concrete composition having a compressive strength of 45 MPa level.

도 7은 본 발명의 다양한 동반 공기 함량과 강도를 가진 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 비용을 보여준다. 일반적으로 특정 공기 혼입량의 경우 콘크리트 강도가 증가함에 따라 콘크리트 비용이 증가하는 것으로 확인되는데 이는 Lim et al., 2004 및 Yeh, 2007의 선행연구결과에 의해 지지된다.7 shows the cost of a fly ash mixed concrete composition with various entrained air contents and strengths of the present invention. In general, it is confirmed that the concrete cost increases as the concrete strength increases in the case of a specific air mixing amount, which is supported by the results of previous studies by Lim et al., 2004 and Yeh, 2007.

5) 토의5) Discussion

본 발명을 정리하면 하기와 같다.The present invention is summarized as follows.

본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적화 설계 방법은 콘크리트의 내구성에 대한 고려가 없는 종래의 혼합 설계 방법과 달리 콘크리트의 기계적 특성, 작업성 및 내구성을 고려한 특징이 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 일반적인 압축 강도에 해당하는 설계 압축 강도 30MPa의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물 설계에서는 탄산화 내구성이 결정적인 요소로 작용하며; 실제 압축 강도(real compressive strength)rk 설계 압축 강도(design compressive strength)보다 높게 되고; 지구 온난화를 고려하는 경우 실제 압축 강도와 바인더 함량을 향상시켜야 하는 것으로 확인된다.The optimization design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition of the present invention is characterized by considering the mechanical properties, workability and durability of concrete, unlike the conventional mixing design method without consideration of the durability of concrete. According to the embodiment of the present invention, carbonation durability acts as a decisive factor in the design of the air mixed fly ash mixed concrete composition having a design compressive strength of 30 MPa, which corresponds to a general compressive strength; The real compressive strength rk becomes higher than the design compressive strength; It is confirmed that the actual compressive strength and binder content should be improved when global warming is taken into account.

설계 압축 강도가 45MPa인 고강도 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트의 경우 결합재 함량이 높고 탄산화 저항성이 높기 때문에 강도가 설계의 결정적인 요소로 작용하는 것으로 확인된다. 본 발명의 최적화 설계 방법은 고유한 내구성 및 압축 강도 제어를 통해 설계 강도의 임계값을 결정하는 데 사용할 수 있다.In the case of high-strength air-entrained fly ash mixed concrete with a design compressive strength of 45 MPa, it is confirmed that strength is a decisive factor in the design because of its high binder content and high carbonation resistance. The optimization design method of the present invention can be used to determine a threshold value of design strength through inherent durability and compressive strength control.

플라이 애시를 콘크리트 혼합물에 첨가하면 플라이 애시의 가격이 시멘트 가격보다 낮으므로 콘크리트 총 비용이 절감된다는 장점이 있는 반면 플라이 애시의 강도 효율 계수가 시멘트보다 낮아 플라이 애시의 가격이 급격히 상승하게 된다면 강도를 유지하기 위하여 더 많은 양의 플라이 애시를 사용하여야 하므로 플라이 애시의 사용으로 인한 총 비용 절감효과가 사라지는 단점도 있다(Momtazia et al., 2016; Naibaho, 2018; Akhtar et al., 2019; Burciaga et al., 2019).Addition of fly ash to the concrete mix has the advantage of reducing the total cost of concrete because the price of fly ash is lower than that of cement, whereas the strength efficiency factor of fly ash is lower than that of cement, so if the price of fly ash rises rapidly, it maintains strength. There is also a disadvantage that the total cost savings from the use of fly ash disappears because a larger amount of fly ash must be used for this purpose (Momtazia et al., 2016; Naibaho, 2018; Akhtar et al., 2019; Burciaga et al. , 2019).

본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법은 서리 손상에 대한 평가 모델, 예를 들어 표면 스케일링 및 내부 균열에 대한 일반적인 예측 모델을 고려하기 위하여 설계 코드의 권장 강도와 혼입 공기를 사용할 때 콘크리트가 우수한 내한성을 나타내는 것으로 가정하였다. 후속연구를 통하여 서리에 노출된 콘크리트 혼합물을 설계하고 표면 스케일링 및 내부 균열에 대한 정밀한 평가 모델을 구축할 것이며 서리로 인한 탄화 내구성을 철저히 조사할 예정이다.The optimal design method of the air-entrained fly ash mixed concrete composition of the present invention is when using the recommended strength and entrained air of the design code to consider the evaluation model for frost damage, for example, a general predictive model for surface scaling and internal cracking. It was assumed that concrete exhibits excellent cold resistance. Through follow-up research, concrete mixtures exposed to frost will be designed, a precise evaluation model will be established for surface scaling and internal cracks, and the durability of carbonization due to frost will be thoroughly investigated.

6) 본 발명의 응용6) Application of the present invention

본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법은 다양한 환경에서 실용적인 응용이 가능할 것으로 판단된다. 이를 위하여 사용자는 목적 함수를 확인해야하며 적용하고자 하는 국가에서 확보 가능한 콘크리트 구성 요소의 단가 및 이산화탄소 배출량등에 대한 정보를 확인하고 이를 제한 조건에 적용하는 방법으로 현지화가 가능할 것으로 판단된다. It is judged that the optimal design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition of the present invention can be practically applied in various environments. For this, the user must check the objective function, and it is judged that localization is possible by checking the information on the unit price and carbon dioxide emission of concrete components that can be secured in the country to be applied and applying it to the restricted conditions.

사용자는 설계하고자하는 콘크리트의 기계적 물성(압축 강도), 작업성(슬럼프), 내구성 (탄산화 내구성 및 서리 내구성), 성분 범위, 및 성분비 등의 제한 조건을 확인해야하며 상기 압축 강도, 슬럼프, 탄산화 내주성 및 서리 내구성에 대한 자세한 방정식은 본 발명의 설계 코드를 통해 확인할 수 있다. 또한 사용자는 유전 알고리즘을 이용하여 현지 요구 사항을 충족하는 저비용 및 저-이산화탄소 콘크리트를 설계할 수 있다. 상기 압축 강도, 슬럼프, 탄산화 내구성 및 서리 내구성에 대한 특정 제한 조건 방정식은 국가마다 다를 수 있으나 상기 유전 알고리즘은 제한 조건이 서로 상이한 글로벌 최적화 결과를 결정하는 데 사용할 수 있는 일반적인 절차에 해당하므로 무리 없이 적용 가능할 것으로 판단된다.The user must check the limiting conditions such as mechanical properties (compressive strength), workability (slump), durability (carbonation durability and frost resistance), component range, and component ratio of the concrete to be designed, and the compressive strength, slump, and carbonation resistance Detailed equations for castability and frost resistance can be found through the design code of the present invention. Users can also use genetic algorithms to design low-cost and low-carbon dioxide concrete that meets local requirements. The specific constraint equations for compressive strength, slump, carbonation durability and frost resistance may vary from country to country, but the above genetic algorithm corresponds to a general procedure that can be used to determine global optimization results with different constraint conditions, so it is easy to apply It is considered possible

3. 결론3. Conclusion

본 발명은 탄산화 내구성 및 서리 내구성을 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법에 관한 것이다. 본 발명은 다음과 같은 특징이 있다.The present invention relates to an optimal design method of an air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation durability and frost durability. The present invention has the following characteristics.

본 발명은 지구 온난화에 따른 탄산화의 제한 조건을 고려한 혼합 콘크리트 설계가 가능하다. 본 발명을 통하여 다양한 강도를 가진 콘크리트의 혼합 설계에 있어서 결정적으로 작용하는 요인을 확인하였다. 본 발명은 실제 압축 강도와 설계 압축 강도 사이의 관계 및 차이점을 보여준다. 본 발명은 지속 가능성, 내구성 및 그로 인한 장점을 고려한 통합적 설계 방법을 제공한다. In the present invention, it is possible to design mixed concrete in consideration of the limiting conditions of carbonation due to global warming. Through the present invention, a decisive factor was identified in the design of mixing concrete with various strengths. The present invention shows the relationship and difference between actual compressive strength and design compressive strength. The present invention provides an integrated design method in consideration of sustainability, durability, and advantages thereof.

본 발명을 통해 제안된 설계 방법의 세부 사항을 살펴보면 다음과 같다. The details of the design method proposed through the present invention are as follows.

첫째, 혼합물의 최적화 방법은 목적 함수와 제한 조건의 두 부분으로 구성된다. 상기 목적 함수는 재료비용과 이산화탄소 배출 비용을 포함하는 총 비용을 의미한다. 참고로 상기 이산화탄소 배출 단위는 탄소 가격을 바탕으로 비용 단위로 변환되어 사용된다. 상기 제한 조건은 압축 강도, 작업성, 탄산화 내구성과 서리 내구성을 포함하는 내구성, 절대 부피, 구성 요소 범위 및 구성 요소 비율이 포함된다. 특히 탄산화 모델은 지구 온난화를 고려한다.First, the mixture optimization method consists of two parts: the objective function and the constraint condition. The objective function means the total cost including material cost and carbon dioxide emission cost. For reference, the carbon dioxide emission unit is converted into a cost unit based on the carbon price and used. The limiting conditions include compressive strength, workability, durability including carbonation durability and frost resistance, absolute volume, component range, and component ratio. In particular, carbonation models take into account global warming.

둘째, 본 발명은 유전 알고리즘을 사용하여 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물을 최적으로 설계한다. 본 발명에서는 총 12 종류의 실시예를 수행하였다. 본 발명의 실시예는 탄산화 내구성을 고려하지 않은 혼합물로서 경도 노출(3.5%), 중등도 노출(5%) 및 심한 노출(6%)에 해당하는 경우의 세 가지 실시예(실시예 1-1, 1-2, 1-3); 탄산화 내구성을 고려한 혼합물로서 경도 노출(3.5%), 중등도 노출(5%) 및 심한 노출(6%)에 해당하는 경우의 세 가지 실시예(실시예 2-1, 2-2, 2-3); 지구 온난화가 탄산화에 미치는 영향을 고려한 혼합물로서 경도 노출(3.5%), 중등도 노출(5%) 및 심한 노출(6%)에 해당하는 경우의 세 가지 실시예(실시예 3-1, 3-2, 3-3); 고강도 콘크리트로서 경도 노출(3.5%), 중등도 노출(5%) 및 심한 노출(6%)에 해당하는 경우의 세 가지 실시예(실시예 4-1, 4-2, 4-3)로 구성된다.Second, the present invention uses a genetic algorithm to optimally design an air-entrained fly ash mixed concrete composition. In the present invention, a total of 12 types of examples were performed. Examples of the present invention are three examples (Example 1-1, 1-2, 1-3); Three examples (Examples 2-1, 2-2, 2-3) in the case of mild exposure (3.5%), moderate exposure (5%), and severe exposure (6%) as a mixture considering carbonation durability ; Three examples (Examples 3-1 and 3-2) in the case of mild exposure (3.5%), moderate exposure (5%), and severe exposure (6%) as a mixture considering the effect of global warming on carbonation , 3-3); High-strength concrete consists of three examples (Examples 4-1, 4-2, 4-3) corresponding to hardness exposure (3.5%), moderate exposure (5%), and severe exposure (6%). .

셋째, 본 발명 결과를 분석한 결과 설계 압축 강도 30MPa 수준인 일반적인 강도의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트는 탄산화 내구성이 혼합물 설계의 결정적인 요소로 작용한다는 것이 확인되었다. 중등도 노출(5%)의 경우 실제 압축 강도(real compressive strength)는 35.76MPa로 설계 압축 강도(design compressive strength)인 30MPa보다 훨씬 높은 것으로 확인되었다. 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계시 지구 온난화를 고려하는 경우 실제 강도와 바인더 함량을 높여야하며 중등도 노출과 지구 온난화 후 실제 압축 강도는 38.32 MPa인 것으로 확인되었다.Third, as a result of analyzing the results of the present invention, it was confirmed that carbonation durability acts as a decisive factor in the design of the mixture of air mixed fly ash mixed concrete with a design compressive strength of 30 MPa. In the case of moderate exposure (5%), the real compressive strength was 35.76 MPa, which was found to be much higher than the design compressive strength of 30 MPa. When global warming is considered in the optimal design of the air-entrained fly ash mixed concrete composition, the actual strength and binder content should be increased, and the actual compressive strength after moderate exposure and global warming was found to be 38.32 MPa.

넷째, 설계 압축 강도 45MPa 수준인 고강도 콘크리트의 경우 탄화 깊이가 피복 깊이보다 낮은 것으로 확인되었다. 또한 상기 고강도 콘크리트는 결합재 함량이 높고 탄화 저항성이 높으므로 압축 강도가 조성물 설계의 결정적인 요소로 작용하는 것으로 확인된다. 다양한 공기 혼입량과 실제 강도를 가진 모든 조성물을 분석한 결과 공기 혼입량이 고정된 경우 콘크리트 강도가 증가함에 따라 콘크리트 비용이 증가하며 실제 강도가 고정되는 경우 공기 혼입량에 따라 콘크리트 비용이 증가하는 것이 확인된다.Fourth, in the case of high-strength concrete with a design compressive strength of 45 MPa, it was confirmed that the carbonization depth was lower than the covering depth. In addition, since the high-strength concrete has a high binder content and high carbonization resistance, it is confirmed that compressive strength acts as a decisive factor in composition design. As a result of analyzing all compositions with various air mixing amounts and actual strengths, it is confirmed that when the air mixing amount is fixed, the concrete cost increases as the concrete strength increases, and when the actual strength is fixed, the concrete cost increases according to the air mixing amount.

다섯째, 본 발명의 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법은 설계 코드에 따라 유용하고 다양하게 적용 될 수 있다. 상기 설계 코드는 기계적 물성(압축 강도), 작업성(슬럼프) 및 내구성(탄산화 내구성 및 서리 내구성)에 대하여 적절한 방정식이 적용 가능하다. 다만 유전 알고리즘은 특정한 제한 조건 방정식이 사용 될 수 있으나 상기 유전 알고리즘은 다양하게 적용한 절차로서 서로 상이한 제한 조건에서 전체적인 최적화 결과에 유용하게 사용될 수 있다.Fifth, the optimal design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition of the present invention can be useful and variously applied according to the design code. Appropriate equations can be applied to the design code for mechanical properties (compressive strength), workability (slump), and durability (carbonation durability and frost resistance). However, in the genetic algorithm, a specific constraint equation may be used, but the genetic algorithm is a procedure applied in various ways and can be usefully used for overall optimization results under different constraint conditions.

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. The specific examples described herein are meant to represent preferred embodiments or examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby. It will be apparent to those skilled in the art that modifications and other uses of the present invention do not depart from the scope of the invention as set forth in the claims herein.

Claims (11)

탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법에 있어서,
컴퓨터에서 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 프로그램이 실행되면,
상기 프로그램이 시멘트(kg/m3), 플라이 애쉬(kg/m3), 물(kg/m3), 굵은 골재(kg/m3) 및 잔골재(kg/m3)를 포함하는 구성 요소(component)의 배합 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit)을 입력할 수 있는 구성 요소 배합 범위 입력창; 물/바인더 비율, 플라이 애쉬/바인더 비율, 물/고체 비율, 골재/바인더 비율, 및 모래비율을 포함하는 구성 요소 비율의 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit)을 입력할 수 있는 구성 요소 비율 범위 입력창; 재령 28일의 설계 압축 강도값(MPa) 입력창, 설계 슬럼프값(㎜) 입력창, 및 공기 혼입량(%) 입력창을 포함하는 압축강도-서리-작업성 입력창; 서비스 수명값(년), 환경 온도값(℃), 상대 습도값(%), 이산화탄소 농도(%), 피복 깊이값(㎜), 및 기후 변화 시나리오인 대표 농도 경로(Representative Concentration Pathways, RCP)의 종류를 포함하는 탄산화 내구성 제한 조건을 입력할 수 있는 탄산화 내구성 조건 입력창; 시멘트(kg/m3), 플라이 애쉬(kg/m3), 물(kg/m3), 잔골재(kg/m3), 굵은 골재(kg/m3), 감수제(kg/m3), 및 공기 혼입제((kg/m3)를 포함하는 플라이 애쉬 혼합 콘크리트 조성물의 최적 함량을 출력하는 콘크리트 조성물 함량 출력창; 계산 실행 버튼; 및 저장 버튼;을 화면상에 제공하는 제 1 단계;
상기 구성 요소 배합 범위 입력창, 구성 요소 비율 범위 입력창, 압축강도-서리-작업성 입력창, 탄산화 내구성 조건 입력창이 모두 입력되고 상기 계산 실행 버튼이 선택되어 계산이 실행되면,
상기 프로그램이 목적 함수인 총비용을 계산하고, 상기 입력된 입력값을 이용하여 상기 압축강도 제한 조건, 작업성 제한 조건, 탄산화 내구성 제한 조건, 서리 내구성 제한 조건, 절대 부피 제한 조건, 구성 요소 배합 범위 제한 조건, 및 구성요소 비율 제한 조건을 만족하는 시멘트, 플라이 애쉬, 물, 잔골재, 및 굵은 골재의 함량과 감수제 및 공기 혼입제의 함량을 계산하되,
상기 시멘트, 플라이 애쉬, 물, 잔골재, 및 굵은 골재의 함량과 감수제 및 공기 혼입제의 함량은 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 상기 목적 함수가 최소값을 가지며 상기 압축강도 제한 조건, 작업성 제한 조건, 탄산화 내구성 제한 조건, 서리 내구성 제한 조건, 절대 부피 제한 조건, 구성 요소 배합 범위 제한 조건, 및 구성요소 비율 제한 조건을 만족하는 최적의 함량값을 산출하여 상기 콘크리트 조성물 함량 출력창에 출력하는 제 2 단계;를 포함하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.

In the optimal design method of the air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze-thaw,
When the computer runs the program for optimal design of air-entrained fly ash mixed concrete composition,
Components ( _ _ _ a component mixing range input window for inputting a lower limit and an upper limit of the component); Component ratio where lower and upper limits of the component ratio can be entered, including water/binder ratio, fly ash/binder ratio, water/solid ratio, aggregate/binder ratio, and sand ratio range input window; Compressive strength-frost-workability input window including a design compressive strength value (MPa) input window at the age of 28 days, a design slump value (mm) input window, and an air mixing amount (%) input window; Service life value (years), environmental temperature value (℃), relative humidity value (%), carbon dioxide concentration (%), cover depth value (mm), and climate change scenarios of Representative Concentration Pathways (RCP) a carbonation durability condition input window capable of inputting a carbonation durability limit condition including a type; Cement (kg/m 3 ), fly ash (kg/m 3 ), water (kg/m 3 ), fine aggregate (kg/m 3 ), coarse aggregate (kg/m 3 ), water reducing agent (kg/m 3 ), and a concrete composition content output window for outputting an optimal content of a fly ash mixed concrete composition containing an air admixture ((kg/m 3 ); a calculation execution button; and a save button; a first step of providing on the screen;
When the component mixing range input window, the component ratio range input window, the compressive strength-frost-workability input window, and the carbonation durability condition input window are all input and the calculation execution button is selected and the calculation is executed,
The program calculates the total cost as an objective function, and uses the input value to limit the compressive strength limit, workability limit, carbonation durability limit, frost durability limit, absolute volume limit, component mixing range limit Calculating the content of cement, fly ash, water, fine aggregate, and coarse aggregate, and the content of water reducing agent and air entraining agent that satisfy the conditions and component ratio constraint conditions,
The content of the cement, fly ash, water, fine aggregate, and coarse aggregate and the content of the water reducing agent and the air admixture have the minimum value of the objective function using a genetic algorithm, and the compressive strength limiting condition, workability limiting condition , carbonation durability limitation condition, frost durability limitation condition, absolute volume limitation condition, component mixing range limitation condition, and component ratio limitation condition are calculated and output to the concrete composition content output window Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freeze-thaw comprising;

제 1 항에 있어서, 상기 목적 함수는 하기 수학식 1 내지 3:
[수학식 1]
Figure pat00036

(상기 COST는 콘크리트의 총 비용을 의미하며; COSTM은 콘크리트의 재료비용을 의미하며; COSTCO2는 콘크리트의 CO2 배출 비용을 의미한다.)
[수학식 2]
Figure pat00037

(상기 수학식 2의 COSTM은 콘크리트의 재료비용을 의미하며; mi는 시멘트, 비산회, 물, 잔골재, 조골재, 감수제 및 공기 혼입제의 질량을 의미하며; Pri는 콘크리트의 개별 구성 요소의 단가를 의미한다.)
[수학식 3]
Figure pat00038

(상기 수학식 3의 COSTCO2는 콘크리트의 CO2 배출 비용을 의미하며; PrCO2는 CO2의 단가를 의미하며(PrCO2는 NT $885.496/ton으로 설정됨(Inc, 2019)) CO2i는 콘크리트의 개별 구성 요소의 CO2 배출량을 의미한다.)
:에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
The method of claim 1, wherein the objective function is Equations 1 to 3:
[Equation 1]
Figure pat00036

(The above COST means the total cost of concrete; COST M means the material cost of concrete; COST CO2 means the cost of CO 2 emission of concrete.)
[Equation 2]
Figure pat00037

(COST M in Equation 2 means the material cost of concrete; m i means the mass of cement, fly ash, water, fine aggregate, coarse aggregate, water reducing agent and air-entraining agent; Pr i is the amount of individual components of concrete means the price.)
[Equation 3]
Figure pat00038

(COST CO2 in Equation 3 means the cost of CO 2 emission of concrete; Pr CO2 means the unit price of CO 2 (Pr CO2 is set to NT $885.496/ton (Inc, 2019)) CO 2i is concrete refers to the CO2 emissions of individual components of
: Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze thawing, characterized in that calculated by
제 1 항에 있어서, 상기 압축강도 제한 조건은 재령 28일의 설계 압축 강도값이 재령 28일의 실제 압축 강도값보다 크거나 동일한 것을 의미하며 상기 설계 압축 강도값은 하기 수학식 4:
[수학식 4]
Figure pat00039

(상기 수학식 4의 fc는 압축 강도를 의미하며; W는 물의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다. 또한 상기 Vair는 혼입된 공기의 함량(Vair의 단위는 %이다)을 의미하며;
Figure pat00040
는 콘크리트의 효율적인 물/바인더 비율을 의미한다.)
:에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
The method of claim 1, wherein the compressive strength limiting condition means that the design compressive strength value at 28 days of age is greater than or equal to the actual compressive strength value at 28 days of age, and the design compressive strength value is expressed by the following Equation 4:
[Equation 4]
Figure pat00039

(f c in Equation 4 refers to compressive strength; W refers to the mass of water; C refers to the mass of cement; FA refers to the mass of fly ash. In addition, V air is the mixed air of (the unit of V air is %);
Figure pat00040
is the effective water/binder ratio of concrete.)
: Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze thawing, characterized in that calculated by
제 1 항에 있어서, 상기 작업성 제한 조건은 상기 설계 슬럼프값이 실제 슬럼프값보다 크거나 동일한 것을 의미하고 상기 슬럼프값은 하기 수학식 5:
[수학식 5]
Figure pat00041

(상기 수학식 5의 SD는 모래(sand)의 질량을 의미하며; CA는 조골재(coarse aggregate)의 질량을 의미하며; SP는 감수제(superplasticizer)의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다.
Figure pat00042
는 물/바인더 비율을 의미하며;
Figure pat00043
는 전체 골재에 대한 모래의 비율을 의미하며,
Figure pat00044
는 플라이 애쉬 대체 비율을 의미하며; 1+0.03Vair는 혼입된 공기로 인한 슬럼프 증가를 의미한다.)
:에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
The method of claim 1, wherein the workability limiting condition means that the design slump value is greater than or equal to the actual slump value, and the slump value is expressed by Equation 5:
[Equation 5]
Figure pat00041

(SD in Equation 5 means the mass of sand; CA means the mass of coarse aggregate; SP means the mass of superplasticizer; C means the mass of cement and FA means the mass of fly ash.
Figure pat00042
means the water/binder ratio;
Figure pat00043
is the ratio of sand to total aggregate,
Figure pat00044
denotes the fly ash replacement ratio; 1+0.03V air means an increase in slump due to entrained air.)
: Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze thawing, characterized in that calculated by
제 1 항에 있어서, 상기 탄산화 내구성 제한 조건은 탄산화 깊이(carbonation depth)가 피복 깊이(cover depth)보다 작은 것을 의미하며 상기 탄산화 깊이는 하기 수학식 8 및 9:
[수학식 8]
Figure pat00045


[수학식 9]
Figure pat00046

(상기 수학식 8 또는 9의 χc는 탄산화 깊이를 의미하며; D는 콘크리트의 이산화탄소 확산도를 의미하며; [CO2]0는 이산화탄소의 농도를 의미하며; t는 노출 시간을 의미하며; ρc는 시멘트의 밀도를 의미하며; ρw는 물의 밀도를 의미한다. 또한 상기 RH는 노출의 상대 습도를 의미하며; αH는 수화 정도(
Figure pat00047
)를 의미하며; β는 이산화탄소 확산의 활성화 에너지(β=4300)를 의미하며; Tref는 기준 온도(293K)를 의미하며; T는 환경 온도를 의미하며; (Vair-2)*0.01은 혼입된 공기로 인해 증가하는 콘크리트 다공성을 의미한다.)
:에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
According to claim 1, wherein the carbonation durability limiting condition means that the carbonation depth (carbonation depth) is smaller than the cover depth (cover depth), the carbonation depth is the following Equations 8 and 9:
[Equation 8]
Figure pat00045


[Equation 9]
Figure pat00046

c in Equation 8 or 9 means carbonation depth; D means carbon dioxide diffusivity of concrete; [CO 2 ] 0 means carbon dioxide concentration; t means exposure time; ρ c denotes the density of cement; ρ w denotes the density of water; RH denotes the relative humidity of exposure; α H denotes the degree of hydration (
Figure pat00047
) means; β denotes the activation energy of carbon dioxide diffusion (β=4300); T ref means the reference temperature (293K); T stands for environmental temperature; (V air -2) * 0.01 means concrete porosity increased due to entrained air.)
: Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze thawing, characterized in that calculated by
제 1 항에 있어서, 상기 서리 내구성 제한 조건은 동결과 해동의 반복으로 인해 발생하는 콘크리트의 손상이 상기 공기 혼입량(%) 입력창에 입력된 값에 따른 ACI 코드의 콘크리트 손상 정도보다 작으며 상기 압축강도 제한 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
According to claim 1, wherein the frost durability limiting condition is that the damage to the concrete caused by repeated freezing and thawing is smaller than the degree of damage to the concrete of the ACI code according to the value entered in the air mixing amount (%) input window, and the compression An optimal design method of an air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freeze thawing, characterized in that it satisfies the strength limiting conditions.
제 1 항에 있어서, 상기 절대 부피 제한 조건은 콘크리트 구성요소의 부피합이 1m3에서 상기 공기 혼입량(%)을 뺀 값과 동일한 것을 의미하며 상기 절대 부피 제한 조건은 하기 수학식 10:
[수학식 10]
Figure pat00048

(상기 수학식 10의 mi는 구성 요소의 질량을 의미하며; ρi는 구성 요소의 밀도를 의미하며; Vair는 공기 혼입량(%)을 의미한다.)
:에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
According to claim 1, wherein the absolute volume limiting condition means that the sum of the volumes of the concrete components is equal to the value obtained by subtracting the air mixing amount (%) from 1m 3 , and the absolute volume limiting condition is the following Equation 10:
[Equation 10]
Figure pat00048

(m i in Equation 10 refers to the mass of the component; ρ i refers to the density of the component; V air refers to the amount of air mixed (%).)
: Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze thawing, characterized in that calculated by
제 1 항에 있어서, 상기 구성 요소 배합 범위 제한 조건은 상기 구성 요소의 첨가량이 상기 구성 요소 배합 하한값(lower limit)과 상한값(upper limit) 사이에 해당하는 것을 의미하며 상기 구성요소 비율 제한 조건은 구성 요소의 배합 비율이 상기 구성 요소 비율의 하한값(lower limit) 및 상한값(upper limit) 사이에 해당하는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
According to claim 1, wherein the component mixing range limiting condition means that the amount of the component added is between the component mixing lower limit and the upper limit, and the component ratio limiting condition is the composition The optimal design method of an air mixed fly ash mixed concrete composition in consideration of carbonation and freeze thawing, characterized in that the mixing ratio of the elements corresponds between the lower limit and the upper limit of the ratio of the components.
제 1 항에 있어서, 상기 감수제의 함량은 하기 수학식 6:
[수학식 6]
Figure pat00049

(상기 SP는 감수제의 질량을 의미하며; W는 물의 질량을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다.)
:에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
According to claim 1, wherein the content of the water reducing agent is Equation 6:
[Equation 6]
Figure pat00049

(The above SP means the mass of the water reducing agent; W means the mass of water; C means the mass of cement; FA means the mass of fly ash.)
: Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze thawing, characterized in that calculated by
제 1 항에 있어서, 상기 공기 혼입제의 함량은 하기 수학식 7:
[수학식 7]
Figure pat00050

(상기 AE는 공기 혼입제의 함량을 의미하며; 상기 Vair는 공기 혼입량(%)을 의미하며; C는 시멘트의 질량을 의미하며; FA는 플라이 애시의 질량을 의미한다.)
:에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 탄산화 및 동결융해를 고려한 공기 혼입 플라이 애시 혼합 콘크리트 조성물의 최적 설계 방법.
According to claim 1, wherein the content of the air mixing agent is the following Equation 7:
[Equation 7]
Figure pat00050

(The AE means the content of the air admixture; the V air means the air content (%); C means the mass of cement; FA means the mass of fly ash.)
: Optimal design method of air mixed fly ash mixed concrete composition considering carbonation and freeze thawing, characterized in that calculated by
제 1 항 내지 10 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터로 실행시킬 수 있는 프로그램으로 기록한 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.A computer-readable recording medium in which the method of any one of claims 1 to 10 is recorded as a program that can be executed by a computer.
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