2.1 초속경 시멘트

본 연구에 사용된 시멘트는 초속경 시멘트를 사용하였으 며, 물리적 성질은 Table 1과 같다.

Table 1

Physical Properties of Ultrarapid-Hardening Cement

2.2 메타카올린

메타카올린은 단기적으로는 에트린자이트(Ettringite)의 생 성과 시멘트 주요 광물인 알라이트(Alite)의 활성화로 초기강 도를 증가시킨다. 중·장기적으로는 시멘트의 수산화칼슘과 의 포졸란 반응으로 콘크리트 조직이 치밀하게 되어 강도 및 내구성을 향상시키며, 특히 고강도용 콘크리트에 큰 효과를 발휘한다. Fig. 1은 메타카올린의 성능 개선 메커니즘을 나타 낸 것이다. 메타카올린의 주요 반응은 물의 존재 하에서 수 산화칼슘과 Al₂O₃와 SiO₂의 반응이다. 즉, 비결정질의 알루 미나와 실리카 성분이 수화생성물과 반응하여 C-A-H 및 C-S-H 수화물을 추가로 생성하여 치밀한 조직을 만들기 때문에 초기에 에트린자이트의 생성과 C₃S의 활성화를 가 져와 조기강도를 증가시키고, 이후 포졸란 반응으로 강도 및 내구성을 향상시킨다. 본 실험에 사용된 메타카올린의 물리적 성질은 Table 2와 같다.

Fig. 1

Performance Improvement of Metakaolin Mechanism

Table 2

Physical Properties of Metakaolin

2.3 골재

본 실험에 사용된 잔골재 및 굵은 골재는 부순모래 및 쇄석 을 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 3과 같다.

Table 3

Physical Properties of Aggregates

2.4 시멘트 혼화용 라텍스

시멘트 혼화용 라텍스는 아크릴 에멀젼과 폴리메틸아크릴 레이트를 혼입한 라텍스를 사용하였다. 또한 라텍스에 대해 실리콘계 소포제를 0.9 % (질량비) 첨가하였다. 라텍스의 성 질은 Table 4와 같다.

Table 4

Properties of Latex

3.1 시험체의 제작

KS F 2403 (콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 준하여 단위 시멘트량 320 kg/m³ , 폴리머-결합재비 (P/B)를 0, 5, 10, 15 및 20 % (질량비), 메타카올린 첨가량(Metakaolin content)을 0, 3, 4, 5 및 6 % (시멘트 대비, 질량비), 물-결합재 비 (W/B)를 38 %로 고정하여 Table 5와 같은 배합으로 시험 체를 제작한 후, 2일 습윤양생(20 ℃, 80 % RH), 26일 건조양 생(20 ℃, 60 % RH)을 실시하여 시험체를 제작하였다.

Table 5

Mix Propotions of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

3.2 강도

초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축, 휨 및 부착강도 시 험을 각각 KS F 2405 (콘크리트의 압축강도 시험 방법), KS F 2408 (콘크리트의 휨강도 시험방법) 및 KS F 2762 (콘크리트 보수·보호재의 접착강도 시험방법)에 의하여 건조 재령 4시 간 및 28일에서의 강도 시험을 실시하였다.

3.3 수밀성 시험

KS F 2476 (폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 준하여 건조양생 후, 80 ℃의 건조로에서 48시간 건조시킨 시험체의 질량을 측정하고, 20 ℃의 맑은 물 안에서 48시간 동안 침지한 후 질량을 측정하여 흡수율을 식(1)에 의해 산출하였다.

여기서,

3.4 건조수축 시험

KS F 2424 (모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법)에 준하여 건조 재령 28일에서의 길이변화율을 측정하였다.

3.5 염화물 이온 침투 저항성 시험

염소이온 침투저항성 시험은 KS F 2711 (전기 전도도에 의 한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험 방법)에 준하여 수 행하였다. 염소이온 침투저항성 시험방법은 28일간 수중 양 생한 시험체에서 직경 10 cm 코어를 채취하여 높이가 5 cm가 되도록 절단하고 실험을 수행하기 전까지 상대습도 95 % 이 상 유지시킨 후 A.V. Cell에 고정하여 전하량을 산정하였다.

3.6 탄산화 시험

탄산화 시험은 KS F 2476 (폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)에 규정된 방법에 의해 실시하였다. 탄산화 깊이 시험에 사용하는 시험체를 양생 종료 3일 전에 시험체의 양 끝부를 KS M 6030에 규정하는 6종 또는 이것과 같은 정도의 성능을 가진 에폭시 수지 도료로 밀봉시키고, 시험체를 온도 (30±2) ℃, 상대 습도 (60±10) %, 이산화탄소 농도 5.0 %의 이산화탄 소 환경조 내에 거치시킨다. 정치 개시 시부터 28일 경과한 후 에 시험체를 꺼내서 다시 온도 (20±2) ℃, 상대 습도 (60±10) %로 24시간 정치 후에 이분할 하였다. 그 단면에 페놀프탈레 인 1 % 알코올 용액을 분무하여 빨갛게 변하지 않은 부분이 탄산화 영역으로 탄산화 깊이를 측정하였다.

3.7 동결융해 시험

동결융해시험은 동결융해시험용 시험체를 대상으로 KS F 2456 (급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법)에 준 하여 수중 급속 동결융해시험을 하였으며, 이때 시험체의 온도 는 동결시 -18 ℃, 융해시 4 ℃가 되게 하였고, 동결융해의 1사 이클은 2시간 40분이 소요되었다. 시험기간 동안 매 50사이클 간격으로 중량감소, 초음파진동속도, 상대 동탄성 계수를 측정 하였고, 동결융해의 반복이 300사이클이 되었을 때 시험을 완 료하였으며, 이때 식(2)에 의하여 내구성 지수를 산출하였다.

여기서,

4.1 압축강도

Fig. 2는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축강도와 폴 리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 메타카올린 첨가량 에 관계없이 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축강도는 폴리머-결합재비가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으 나, 폴리머-결합재비 20 %에서는 감소하는 경향이 나타났다. 이는 폴리머 시멘트 콘크리트는 동일한 슬럼프 값을 기준으 로 할 경우, 폴리머-결합재비가 증가할수록 물-결합재비가 감소하고 소포제 첨가량 증가로 공극량이 줄어들어 압축강 도가 증가한다. 그러나 동일한 물-시멘트비 조건에서는 폴리 머-결합재비가 증가할수록 압축강도는 감소하는 경향을 나타 낸다. (^{Ohama, 1995}). 이는 탄성계수가 매우 낮은 폴리머 필름 의 형성률이 높기 때문이라 판단된다(^{Su, 1995}) 즉 폴리머-결 합재비 20 %에서 압축강도가 감소한 것은 폴리머-결합재비 15 %와 동일한 물-시멘트비에서 폴리머-결합재비가 증가했 기 때문이라 판단된다. 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 의 압축강도는 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타카올린 첨 가량 5 %까지는 증가하다가 6 %에서는 감소하는 경향을 보 였다. 이것은 메타카올린 첨가량 5 %까지는 초속경 시멘트의 에트린자이트의 생성과 시멘트의 C₃S의 활성도를 촉진시켰 기 때문이라고 판단되며, 첨가량 6 % 에서 강도가 감소한 것 은 과다한 양의 메타카올린의 첨가로 인해 초기에 높은 수화 열을 억제시켜 초기강도발현과 함께 미소공극을 충전시켜 조 직을 치밀하게 하는 칼슘알루미늄 모노설페이트 수화물이나 에트린자이트의 생성을 방해했기 때문으로 사료된다(^{Moon et al., 2005}(a)). 또한, 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 압축 강도는 재령이 경과됨에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이것 은 재령이 경과함에 따라 시멘트의 수산화칼슘과 메타카올린 의 포졸란 반응으로 C-S-H 수화물 또는 C-A-H 수화물을 생성 하여 경화 페이스트 조직을 치밀하게 하고, 미세한 입자가 마 이크로 충전 효과의 역할을 함으로써 콘크리트 내부조직이 치밀하게 되었기 때문이라 판단된다(^{Khatib and Wild, 1996}).

Fig. 2

Polymer-Binder Ratio Versus Compressive Strength of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

Fig. 3은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 휨강도와 폴리 머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 메타카올린 첨가량에 관계없이, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 휨강도는 폴리 머-결합재비의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이 같은 휨 강도의 발현은 폴리머-결합재비가 증가할수록 물-결합재 비가 감소하기 때문이고, 수지의 필름막 형성에 의한 시멘트 페이스트와 골재 사이의 부착력 향상과 폴리머 입자의 미세 공극 충전효과에 따라 강도가 개선된 것으로 판단된다 (^{Hwang and Ko, 2008}). 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 의 휨강도는 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타카올린 첨가 량 5 %까지는 증가하다가 6 %에서는 감소하는 경향을 보였 다. 이것은 압축강도 발현효과와 마찬가지로 칼슘알루미늄 모노설페이트 수화물이나 에트린자이트의 생성을 방해했기 때문으로 사료된다(^{Moon et al., 2005}(b)). 또한, 초속경 폴리 머 시멘트 모르타르의 휨강도는 재령이 경과됨에 따라 증가 하는 경향을 보였다. 이것은 Photo. 1에 보이는 바와 같이 초속 경 폴리머 시멘트 콘크리트 내부에 형성된 폴리머 필름이 치 밀하게 형성되기 때문이라 판단된다.

Fig. 3

Polymer-Binder Ratio Versus Flexural Strength of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

Photo 1

Micro Structures of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

Fig. 4는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 접착강도와 폴 리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 메타카올린 첨가량 에 관계없이, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 접착강도는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이 같은 접착 강도의 발현은 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 접착 계면에 형성된 폴리머 필름에 의해 모재와 초속경 폴리 머 시멘트 모르타르간의 치밀한 조직이 형성되고, 초속경 폴 리머 시멘트 모르타르의 우수한 보수성에 의한 바탕 모르타 르에서 모재에의 흡수가 감소하여 드라이 아웃 (Dry out)이 저 지되었기 때문이라 판단 된다(^{Kim, 2006}). 한편, 초속경 폴리 머 시멘트 콘크리트의 접착강도는 폴리머-결합재비에 관계없 이, 메타카올린 첨가량 5 %까지는 증가하다가 6 %에서는 감 소하는 경향을 보였다. 이는 압축 및 휨강도 발현효과와 마찬 가지로 칼슘알루미늄 모노설페이트 수화물이나 에트린자이 트의 생성을 방해했기 때문이라고 사료된다(^{Moon et al., 2005}(c)).

Fig. 4

Polymer-Binder Ratio Versus Adhesion in Tension Strength of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

4.2 수밀성

Fig. 5는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율과 폴리 머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 폴리머-결합재비의 증가에 따라서 감소 하는 경향을 나타냈다. 또한 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 의 흡수율은 보통 초속경 시멘트 콘크리트에 비해 약 1/3정도 로 매우 우수한 내수성을 나타났다. 또한, 초속경 폴리머 시멘 트 콘크리트의 흡수율은 메타카올린 첨가량 5 %까지나 감소 하다가 6 %에서는 다소 증가하는 경향을 보였다. 이처럼 초 속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율이 작아지는 것은 콘 크리트 중에 형성된 균일한 폴리머 필름에 의한 수밀성 확보 와 폴리머의 혼입에 따른 시멘트와 골재간의 접착력이 개선 되어 치밀한 내부조직이 형성되기 때문인 것으로 판단된다 (^{Kim et al., 1994}). 또한, 메타카올린 첨가량 5 %까지는 마이 크로 충전효과로 흡수율이 저하되는 것이라 판단된다.

Fig. 5

Polymer-Binder Ratio Versus 48h Water Absorption of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

4.3 건조수축

Fig. 6은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 건조수축과 폴 리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘 트 콘크리트의 건조수축은 폴리머-결합재비의 증가에 따라서 감소하는 경향을 나타냈다. 수지를 혼입한 폴리머 시멘트 모 르타르에 관한 연구들에서 건조수축은 폴리머-결합재비가 증 가함에 따라 물-결합재비가 감소하고, 폴리머 시멘트 콘크리 트의 내부에 폴리머 필름 형성에 의한 보수성 향상으로 증발 수량이 감소하기 때문인 것으로 판단된다(^{Lee and Joo, 2003}). 또한 폴리머 혼입에 의하여 모세관 중의 물의 표면장력이 적 어지고, 물의 주곡률 반경(Meniscus)이 커져 모세관에 발생하 는 압력이 저하되기 때문이라 사료된다(^{Kim, 1998}(a)). 또한, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 건조수축은 메타카올린 첨 가량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이것은 플라 이애쉬와 마찬가지로 메타카올린 첨가량이 증가할수록 초속 경 시멘트의 수화열을 낮춰 초기팽창과 수축을 줄이기 때문 이라 판단된다(^{Choi, 2010}).

Fig. 6

Polymer-Binder Ratio Versus Drying Shrinkage of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

4.4 염화물 이온 침투 저항성

Fig. 7은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 염화물 이온 침 투 저항성과 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속 경 폴리머 시멘트 콘크리트의 염화물 이온 침투 저항성은 폴 리머-결합재비의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이것 은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 중에 형성된 폴리머 필름 이 다수의 공극을 차단하고 폴리머 시멘트 모르타르의 보수 성으로 인해 지속적인 수화반응을 촉진시켜 콘크리트 조직을 치밀하게 하기 때문이라 판단된다(^{Jo, 2009}). 한편, 초속경 폴 리머 시멘트 콘크리트의 염화물 이온 침투 저항성은 폴리머- 결합재비에 관계없이, 메타카올린 첨가량 5 %까지는 감소하 다가 6 %에서는 증가하는 경향을 보였다. 이것은 초기 에트린 자이트의 생성과 마이크로 충전효과에 의해 감소하다가 칼슘 알루미늄 모노설페이트 수화물이나 에트린자이트의 생성을 방해하기 때문으로 사료된다(^{Moon et al., 2005}(d)).

Fig. 7

Polymer-Binder Ratio Versus Chloride ion Penetration Resistance of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

4.5 탄산화

Fig. 8은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 탄산화 깊이와 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시 멘트 콘크리트의 탄산화 깊이는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이것은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 중에 형성된 불투기성 폴리머 필름의 양이 증가하 여 이산화탄소의 침투 및 확산이 억제되었기 때문이라 판단 된다(Bae and Hwang, 2013). 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘 크리트의 탄산화 깊이는 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타 카올린 첨가량 5 %까지는 감소하다가 6 %에서는 증가하는 경향을 보였다. 이것은 메타카올린과 같은 포졸란 재료는 콘 크리트 중의 CaOH₂과 포졸란 반응에 의해 수화생성물인 C-S-H 및 C-A-H를 생성함으로써 콘크리트 중의 CaOH₂을 소 요하게 되어 알칼리도가 감소하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 8

Polymer-Binder Ratio Versus Carbonation Depth of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concrete

4.6 동결융해 저항성

Fig. 9는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 내구성 지수와 폴리머-결합재비와의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 내구성 지수는 폴리머-결합재비의 증가 에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 또한, 초속경 폴리머 시멘 트 콘크리트의 내구성 지수는 메타카올린 첨가량의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이러한 동결융해 저항성의 개 선효과는 물-시멘트비의 감소, 폴리머 필름 형성에 의한 미세 한 공극의 충전 및 폴리머와 계면활성제에 의한 공기연행의 상승효과에 기인하기 때문이라 판단되며(^{Kim, 1998}(b)), 메 타카올린이 콘크리트 내부의 큰 공극은 줄이는 대신 상대적 으로 0.02 ㎛ 이하의 미세 공극의 비율이 늘어나기 때문이라 판단된다.

Fig. 9

Polymer-Binder Ratio Versus Durability Factor of Ultrarapid-Hardening Polymer-Modified Concretes