2.1 재료

원심성형 콘크리트에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 적합 한 시멘트로 밀도 3.18g/㎤, 분말도 3,880cm ² /g의 1종 보통 포 틀랜드 시멘트(OPC)를 사용하였다. GGBS는 KS L 2563 콘 크리트용 고로슬래그 미분말의 품질기준을 만족하였다. GGBS의 밀도는 2.87g/㎤, 분말도 4,280cm ² /g이다. 사용된 시 멘트 및 GGBS의 화학성분 및 물리적 성질은 다음 Table 1에 나타내었다. 화학분석은 XRD 기기분석을 통하여 산정한 결과이며, 사용된 기기는 LA-960, HORIBA이다. XRD 기기 분석에 의한 OPC 및 GGBS 화학조성(Table 1참조)을 기반으 로 OPC의 주요광물인 C3S, C2S, C3A, C4AF의 구성비는 중량 비로 각각 62.0%, 16.1%, 2.5%, 12.1%이다. Fig. 1은 OPC와 GGBS의 입도분포를 나타내고 있다. 강도 증진용으로 사용 되는 PC600은 SiO₂와 Al₂O₃의 함량이 OPC보다 높다.

Fig. 1

Particle size distributions of raw material used.

2.2 Darcy flow

Darcy의 법칙은 다공성 매질을 통과하는 유체의 흐름에 대 하여 관찰을 통해 얻은 경험식으로부터 유도된 법칙으로 투 수계수가 유출수량과 시편의 두께에 비례하고, 시편의 단면 적과 수위 차 및 측정시간에 대해 반비례 한다는 이론이다.

여기서, Q 는 유출량 (mL), l 은 시편의 두께 (m), A 는 투수 되는 시편의 단면적 (mm ² ), h 는 수두 (mm), t 는 유출시간 (s), K 는 투수계수 (mm/s)이다.

식 (1)에서 투수되는 시편의 단면적 대신 균열길이 (mm)를 사용하기 위해 식을 변형하여 변형 투수계수를 다음과 같이 표현할 수 있다.

2.3 Poiseuille flow

Poiseuille의 흐름은 가는 둥근 관에 단위시간에 흐르는 유 량이 관의 압력차와 관의 반지름에 4제곱에 비례하고 유체점 성과 길이에 대해 반비례한다는 이론이다. 콘크리트 시편 내 부를 가는 둥근 관으로 가정할 경우 Poiseuille 이론을 식 (2)와 같이 변형하여 균열 콘크리트에서 유출량을 예측할 수 있다.

여기서, Q 는 유출량 (mL), Δ P 는 유입 균열면과 유출 균열 면의 수압차 (N/mm ² ), b 는 균열길이 (m), w 는 균열 폭 (m), η 는 유체의 점성계수 (N⋅s/mm ² ), d 은 시편의 두께 (m), ξ 는 균 열면에 대한 감소계수이다.

식 (3)은 유출량이 균열면의 수압차와 균열폭의 세제곱에 비례하며, 유체의 점성계수와 시편의 두께에 반비례한다. 이 에 균열폭과 균열면에 대한 감소계수가 중요한 인자가 되며 ξ , Δ P , b , η , d 를 특정값으로 결정하게 되면 상수( α )로 나타낼 수 있다.

2.4 배합 및 실험방법

Table 2는 원심성형 콘크리트에 대한 배합을 나태나고 있 다. 콘크리트의 균열 자기치유 성능평가를 살펴보기 위해 GGBS의 치환율을 30%와 Anhydrite, Na₂SO₄, 탈황석고 등으 로 이루어진 CA를 사용하였다. 또한 모든 배합에서 강도 증 진용으로 사용되는 PC600를 사용하였다. 적절한 플로우를 얻 기 위해 화학혼화제를 바인더 중량비로 약 0.8% 적용하였으 며, 고성능 감수제를 사용하였다.

원심성형 콘크리트를 제작하기 위해서 기존 원심성형 전신 주 제조공정을 기반으로 한 배합이므로 고로슬래그 미분말과 자기치유 혼합재가 첨가되는 경우 성형공정이 수정되어야 한 다. 원심성형 콘크리트 제작 시 회전속도(RPM) 및 회전시간 (min)이 중요한 조건이 되며, 실험변수에 대한 원심성형 조건 을 Table 3과 같은 조건에 의해 제작하였다.

제작된 원심성형 콘크리트를 콘크리트용 코어 절단기를 이 용하여 곡률이 있는 100 mm × 40 mm 시험체로 제작하였다. 제작된 시험체의 투수시험을 위하여 Rilem TC 221에서 제시 된 시험방법을 기반으로 하였다. 균열은 Fig. 2와 같이 할렬인 장 시험방법을 이용하여 인장균열을 유도한 후 시험체를 완 전히 두 조각으로 분리한 뒤 균열 면에 직경 약 0.1 mm 구리선 을 균열 사이에 삽입하여 균열 간격을 유지시킨 후 다시 합치 는 방법으로 균열 폭을 제어하였다. 실험 중 균열 폭의 변동을 방지하기 위해 고무링에 시험체를 넣고 강철 클램프로 고정 한 후 투수시험을 수행하였다. 시편의 균열 폭은 광학현미경 을 이용하여 측정하였으며, 측정된 시험체의 초기 균열폭의 평균은 약 250㎛로 측정되었다.

Fig. 2

Specimen for permeability test

투수시험은 Nishiwaki et al.의 실험 방법을 참고하여 Fig. 3 과 같이 수행하였으며, 균열을 생성한 시편은 에폭시를 이용 하여 시편의 겉부분을 코팅하여 수분의 누수 (leakage)가 발생 하지 않도록 하였다. 투수시험에 사용한 물은 Ca(OH)₂ 수용 액을 이용하였으며, 실험을 수행하는 동안 수온을 20°C로 유 지하였다. 수두는 220mm로 일정하게 하였다.

Fig. 3

permeability test set-up

3.1 초기 균열폭과 유출량의 상관관계

초기 균열폭과 유출량의 상관관계를 도출해 내기 위해서 유출량, 시편의 크기, 수두차, 유출시간 등 동일한 조건이 아 닌 경우에서 실험한 데이터를 이용하였다. 먼저, 연구를 통해 실시한 페이스트 투수시험 결과와 M.Roig Flores et al. 2016 의 논문에서 수행된 투수시험 결과를 사용하였다. 논문에 사 용된 그래프의 값들을 추출해 내기 위해 Graph Data Extractor 프로그램을 이용하였고 추출한 데이터를 이용하여 x 축은 초 기 균열 폭 (mm) y 축은 단위 균열길이 (mm)당 투수량 (mL/min)으로서 식 (을 도출하였다. 측정데이터와 회귀 식 사이의 상관도)를 이용하여 그래프로 나타내었다.

Fig. 4와 같이 초기 균열폭-균열 길이당 투수량 그래프를 나 타내었다. 연구를 통해 얻은 데이터는 초기 균열폭이 0.05∼ 0.30mm와 균열 길이당 투수량이 0∼0.024mL/mm/min의 범 위에서 분포하고 있는 것을 확인하였다. 이에 데이터 범위에 서 균열 폭이 작음에도 투수량이 큰 데이터는 겉보기 균열 폭 은 작은 것으로 나타났지만 시편 내부에서의 균열 폭이 커 투 수량이 크게 나온 것으로 판단된다. 또한 ^{M.Roig Flores et al. 2016} 논문에서 데이터는 초기 균열폭이 0.05∼0.55mm와 균 열 길이당 투수량이 0∼0.12mL/mm/min의 범위에서 분포하 고 있는 것을 확인하였다. 따라서 균열 폭이 다소 작고 투수량 이 적은 구간에서 연구를 통해 얻은 데이터가 많이 분포하고 있었지만 균열 폭과 투수량이 넓은 범위에서 분포하고 있는 M.Roig Flores et al. 2016 논문과 통합하여 경향을 나타낸 결 과, 균열 폭의 세제곱의 함수로 나타낼 수 있었다. 또한, 초기 균열폭과 단위균열당 투수량의 데이터를 power 함수에 대한 회귀분석 결과로부터 α 값을 도출하였다. 측정데이터와 회귀 식 사이의 상관도는 0.5 정도로 나타났다. 산출된 α 값은 평균 1.4이었으며, 표준편차는 0.4이다.

Fig. 4

Crack width-Ke result

3.2 시간과 균열길이당 투수량의 상관관계

Fig. 5는 원심성형 콘크리트에 대한 투수시험 결과를 나타내 고 있다. 측정된 투수량을 식 (2)를 통해 변형 투수계수를 시간 에 따라 나타내었다. Plain 배합과 S30 배합에 대한 그래프 분석 결과, 변형 투수계수의 경향은 비슷하였으며, 균열 후 치유시간 28일에서 변형 투수계수가 0.004mL/mm/sec 로 유사하게 나타 났다. S30A5NS3의 경우 재령 약 2일에서 변형 투수계수가 급격 하게 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 재령 14일에서 투수계수 가 0에 근접하여 균열이 완전히 치유된 것으로 판단된다.

Fig. 5

Time-Ke results (Plain, S30, S30A5NS3)

3.3 치유 시간에 따른 균열 폭

앞 절에서 분석한 결과를 바탕으로 α 값은 1.4로 사용하여 식 (3)을 이용하여 시간에 따른 단위 균열길이당 투수량을 예 측하였다. 시간-균열 폭에 대한 그래프를 Fig. 6에 나타내었 다. 실선은 α 값을 이용하여 평균값에 대한 그래프로 나타내 었고 점선은 평균값에 대한 오차범위를 설정하여 상한선 및 하한선을 그래프에 나타내었다(평균 ± 표준편차). Plain 및 S30 에서는 시간에 따른 변형 투수계수의 경향이 유사하게 나 타났으며, 치유 재령 28일에서 균열 폭이 각각 0.143mm, 0.136mm로 0일에 비해 약 각각 68%, 67%까지 감소하는 것으 로 나타났다. S30A5NS3 배합에서는 치유 재령 28일에서 균 열 폭이 0.052mm로 0일에 비해 약 87%까지 감소하는 것으로 나타났다. Plain과 S30 배합에 비해 S30A5NS3배합에서 뚜렷 하게 균열 폭이 감소하는 것을 볼 수 있었고, 치유 재령 28일 에서 균열 폭이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 6

Time-Crack width results (Plain, S30, S30A5NS3)