2.1. 실험계획

본 연구에서는 구조용으로 사용이 가능한 단열성능 향상 콘크리트를 제조하기 위해 사전 예비실험을 진행하였으며 단열성능 개선효과가 높은 액상 형태의 마이크로기포제와 분체 형태의 규조토 미분말, 경량골재를 선정하였다. 혼입 및 치환방법으로 마이크로기포제는 시멘트 중량 대비 혼입 하였으며, 규조토 미분말은 전체골재 용적에서 치환하였고 경량골재를 사용한 배합은 보통골재를 대상으로 용적에서 전량 치환하였다.

목표 압축강도는 24 MPa, 목표슬럼프는 200±15 mm로 설정하였다. 예비 배합실험을 통해 각 재료의 특성을 고려하 여 치환율 (또는 혼입율), 물시멘트비, 잔골재율을 결정한 최 적배합을 선정하고 그에 따른 특성을 분석하였다.

2.2. 사용재료

2.2.2. 골재

잔골재는 KS F 2526, 굵은골재는 KS F 2527 규격에 적 합한 세척사와 쇄석을 사용하였다. 경량골재는 미국 S사 제 품이며 팽창점판암을 주 원료로 로터리 킬른에서 1,200℃로 소성시켜 생산된 KS F 2534 규격에 만족하는 비조립형 골 재를 사용하였다. 골재 표면과 내부 형상을 파악하기 위해 현미경 촬영을 실시하였으며 그 결과 폐쇄형 공극구조를 지 닌 것으로 분석되었다.Photo 1

Photo 1

Surface and internal pore of Lightweight aggregate

2.2.4. 혼화제

마이크로기포제는 미국 G사 제품으로 콘크리트 내부에 마 이크로 크기의 미세기포를 생성시키며, 고점성으로 인해 내· 외부 영향에 의한 소포가 적은 것이 장점이다. Perkin Elmer 사의 Spotlight 400을 사용하여 마이크로기포제의 FT-IR 분 석을 실시한 결과, 약 3,400 cm^-1의 파수에서 –OH의 결합이 관찰되었고 약 1,700 cm^-1의 파수에서 C=O 관능기가 관찰 되어 아크릴을 기초로 한 수용성 아크릴 고분자 화합물로 분 석되었다.Photo 2

Photo 2

SEM images of calcined diatomite powder

마이크로기포제와 더불어 사용된 혼화제는 국내 G사의 폴 리카르본산계열의 고성능AE감수제와 경화촉진제를 사용하 였다.Table 8

Table 8

Property of Micro foam cell admixture

Density (g/cm3)	pH	Viscosity (CPS)	Residue ratio (%)	Color
1.03	6.97	80	15.6	White

2.3. 실험방법

본 실험에서는 강제식 1축 실내믹서를 사용하였으며 규조 토 미분말과 경량골재를 사용한 배합은 일반콘크리트와 동 일한 방법으로 믹서에 투입하였고, 마이크로기포제를 사용한 Fig .1배합은 Fig. 2에 나타낸 방법으로 믹서에 투입하였다. 마이 크로기포제는 믹서에서 혼합 시 골재와 마찰에 의해 충분히 혼합될 경우 마이크로기포셀 (Micro foam cell)이 생성된다.

Fig. 2.

Mixing method

Fig. 1.

Infrared spectrum testing result of micro foam cell admixture

굳지 않은 콘크리트의 특성을 알아보기 위한 실험은 슬럼 프, 공기량, 단위용적질량을 KS 규격에 따라 측정하였으며 0, 30, 60분에 경시변화를 측정하였다. 또한 굳은 콘크리트 의 특성은 재령 3, 7, 28일에 압축강도 시험을 KS 규격에 따 라 측정하였고 열전도율은 미국의 Anter사의 QuickLine 30 을 이용하여 ASTM C 1113 ‘Standard test method for thermal conductivty of refractories by hot wire’ 규격에 따 라 비정상 열선법으로 측정하였다. 동결융해 저항성은 ASTM C 666 규격에 따라 300 싸이클까지 측정하였으며, 길이변화 율과 탄산화 저항성은 KS규격에 따라 측정하였다.

압축강도 공시체는 측정일까지 수중양생을 실시하였고 열 전도율 측정 시험체는 7일간 수중양생 후 온도 20±2℃, 습 도 60±5% 조건의 항온항습실에서 21일간 기건양생하였다.Table 9

3.1. 슬럼프

슬럼프 시험결과는 Fig. 3과 같다. Plain 배합의 경과시간 에 따른 슬럼프 변화는 0분에서 190 mm, 30분에 190 mm, 60분에 180 mm로 나타났으며 경과시간에 따른 슬럼프 변화 는 미미한 것으로 나타났다. 마이크로기포제를 사용한 M4, M4L, M4D10, M4D10L 배합에서는 경과시간에 따른 슬럼 프 저하가 관찰되지 않았으며 비빔 직후와 유사한 슬럼프를 나타내었다. 이와 같은 결과는 콘크리트 내부에 연행된 마이 크로기포셀의 형상으로 인해 유동성이 개선된 것으로 판단 되었다. 반면에 규조토 미분말을 사용한 D10, D10L 배합은 경과시간에 따른 슬럼프 저하가 관찰되었다. D10 배합은 경 과시간에 따라 195, 175, 150 mm를 나타내었으며 D10L은 215, 190, 160 mm를 나타내었는데 이는 고분말의 규조토 미분말 사용으로 인해 비표면적이 증가됨에 따라 유동성이 저하되는 것으로 판단되었다.

Fig. 3.

Slump of concrete according to elapsed time

3.2. 공기량

공기량 시험결과는 Fig. 4와 같다. 마이크로기포제를 사용 한 배합에서는 10% 이상의 공기량을 나타내었으며 경과시 간에 따른 공기량 감소는 나타나지 않았다. 규조토 미분말을 사용한 배합에서는 경과시간에 따라 공기량이 다소 감소하 는 결과를 나타내었는데 이는 고분말의 규조토 미분말 사용 에 따른 결과로 판단되었다.

Fig. 4.

Air contents of concrete according to elapsed time

3.3. 단위용적질량

단위용적질량 시험결과는 Fig. 5와 같다. 단열성능 향상 재료를 사용한 배합은 Plain 대비 단위용적질량이 감소되는 결과를 나타내었다. Plain은 2,311 kg/m³로 측정되었으며 D10은 2,191 kg/m³, D10L은 1,833 kg/m³로 측정되었다. 규 조토 미분말을 사용한 두 배합은 Plain 대비 5.2, 20.7% 감 소된 단위용적질량을 나타내었고 마이크로기포제를 사용한 M4, M4L, M4D10, M4D10L은 1,982, 1,653, 1,844, 1,501 kg/m³로 측정되었으며, Plain 대비 14.2, 28.5, 21.0, 35.0% 감소된 단위용적질량을 나타내었다.

Fig. 5.

Unit weight test results

3.4. 압축강도

재령 별 압축강도 시험결과는 Fig. 6과 같다. Plain배합의 압축강도는 재령 3일에 19.8 MPa, 7일에 26.4 MPa, 28일에 38.9 MPa로 나타났다. 규조토 미분말을 사용한 D10은 Plain 대비 재령별로 85.4, 85.6, 78.9%의 수준을 보였으며, D10L 은 71.7, 82.6, 71.5% 수준을 나타내었다. D10L은 D10보다 다소 낮은 압축강도를 나타내었으며, 이는 경량골재의 낮은 파쇄강도가 영향을 미친 것으로 판단되었다.

Fig. 6.

Compressive strength test results

마이크로기포제를 사용한 M4 배합은 재령별로 19.9, 26.9, 28.3 MPa로 나타났으며 M4L은 18.0, 23.2, 27.1 MPa로 나타 났다. M4D10은 14.4, 22.9, 28.5 MPa로 나타났으며, M4D10L 은 12.7, 18.4, 24.1 MPa로 나타났다.

단열성능 향상 재료의 사용으로 인해 압축강도가 감소하 는 경향을 나타내었으나, 모든 배합이 목표강도인 24 MPa을 만족하는 결과를 나타내었다.Table 10

3.5. 열전도율

열전도율 시험결과는 Fig. 7과 같다. Plain은 1.98 W/mk 의 결과를 보였으며 규조토 미분말을 사용한 D10, D10L 배 합은 1.45, 1.15 W/mk의 결과를 보여 Plain 대비 26.8, 41.9% 개선된 것으로 나타났다. 마이크로기포제를 사용한 M4, M4L, M4D10, M4D10L은 1.27, 0.85, 0.93, 0.85 W/mk의 결과를 보였으며 Plain 대비 약 35.9, 57.1, 53.0, 57.1% 개선된 것 으로 나타났다.

Fig. 7.

Thermal conductivity test results

3.6. 동결융해 저항성

동결융해 저항성 시험결과는 Fig. 8과 같다. 모든 배합에 서 300 싸이클까지 상대동탄성계수의 저하가 나타나지 않아 내동해성이 우수한 것으로 판단되었다. 일반적으로 콘크리트 내부에 존재하는 공극은 각종 열화물질의 이동통로가 되어 내구성 저하의 주요 원인이 되기도 하지만 동결융해 작용을 받는 구조물의 경우 연행공기층이 확보되면 동결에 의한 팽 창압이 해소되어 높은 내구성을 갖는 것 (^{Choi, 2012})으로 알려져 있다. 본 실험에 사용된 3종의 단열성능 향상 재료는 콘크리트 내부에 다량의 공극을 분포시키게 하는 역할을 하 고 있으며 이에 따라 내동해성이 우수하게 나타난 것으로 판 단되었다.

Fig. 8.

Freezing and thawing test results

3.7. 길이변화율

길이변화 시험결과는 Fig. 9와 같다. Plain 배합의 길이변화는 재령에 따라 44×10^-6, 130×10^-6, 286×10^-6, 473×10^-6, 641×10^-6 로 나타났으며, 전체적으로 단열성능 향상 재료를 사용한 배 합이 Plain보다 길이변화율이 증가된 결과를 나타내었다. 특 히 M4 배합은 가장 높은 길이변화율을 나타내었는데 이는 마이크로기포제를 사용한 M4L, M4D10, M4D10L에 비해 물시멘트비가 8.5% 높은 원인에 의해 건조수축을 가속화시 키고 길이변화율을 증가시킨 것으로 판단되었다. 이를 개선 하기 위해 감수율이 보다 높은 고성능AE감수제를 사용하여 단위수량을 감소시키는 방안과 수축저감제의 사용이 검토되 어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Length variation test results

3.8. 탄산화 저항성

촉진탄산화 시험결과는 Fig. 10와 같다. Plain 배합은 재령 1, 2, 4주에 탄산화 깊이를 측정한 결과 1.15, 4.89, 5.89 mm 로 나타났으며, D10은 1.28, 5.01, 5.79 mm, D10L은 1.39, 5.29, 5.81 mm로 나타났다. D10, D10L 배합의 촉진깊이는 Plain보다 재령1주에 0.13, 0.24 mm 높았으며 2주는 0.12, 0.40 mm, 4주는 Plain과 유사한 촉진깊이를 나타내었다. 이 는 규조토 미분말의 미세분말로 인해 콘크리트 내부에 공극 을 충전시켜 기체 확산에 대한 영향을 덜 받은 것으로 판단 되었다.

Fig. 10.

Carbonation depth according to exposure time

마이크로기포제를 사용한 배합에서 M4는 재령별로 1.33, 5.47, 6.24 mm, M4L은 1.48, 5.89, 6.75 mm, M4D10은 1.51, 6.13, 6.67 mm, M4D10L은 1.71, 6.41, 6.94 mm로 나 타났다. 마이크로기포제를 사용한 4배합은 Plain 대비 재령 4주 탄산화 촉진 깊이는 Plain보다 0.35, 0.86, 0.78, 1.05 mm 증가된 결과를 나타내었다. 일반적으로 콘크리트의 공극률이 증가하면 기체확산이 증가 (^{Oh et al., 2003})하게 되는데, 마 이크로기포제 사용으로 인해 발생된 마이크로기포셀이 이산 화탄소 확산에 기여하는 것으로 판단되었다.

골재 종류에 따른 탄산화 촉진 깊이 차이를 살펴보면 경량 골재를 사용한 배합이 보통골재를 사용한 배합보다 촉진깊 이가 높게 나타났다. D10L 배합은 D10보다 0.02 mm 높았 으며 M4L은 M4보다 0.51 mm, M4D10L은 M4D10보다 0.27 mm 높게 나타났다. 이는 경량골재의 내부 공극과 골재 조직이 치밀하지 않은 다공성이기 때문에 기존 콘크리트보 다 탄산화가 촉진된 결과 (^{Hamada, 1969})를 나타내었다. 보 통콘크리트보다 미미하게 증가된 결과는 공동주택 외벽면 도장시공으로 탄산화 진행속도를 저하시키는 등의 내구성 보완이 필요할 것으로 판단된다.