2.1 개요

본 연구에서 원골재의 표면개질 처리재로서 사용되는 개질 페이스트는 고유동ㆍ고강도의 개념에 근거하여 낮은 물시멘 트비를 사용하여 가능한 한 얇고 견고하게 코팅하여, 천이대 개 선을 통한 골재간의 계면강도 증진과 더불어, 프레쉬상태에서 양호한 유동성 확보를 본 연구의 전제조건으로 한다. 이때, 유 동성 확보를 위해, 개질 페이스트는 골재 표면에 코팅될 때, 원 골재의 표면상태 및 굳지 않은 개질 페이스트의 점착력과 점도 에 의존되어 피막두께가 결정된다고 생각할 수 있다. 즉, Fig. 2 와 같이 기존의 보통 콘크리트 배합보다 높은 점성 및 유동성이 요구되어 이러한 피막두께의 정량적인 평가를 위해서는 굳지 않은 상태의 개질 페이스트의 유동특성이 매우 중요하다고 생 각할 수 있다. 여기에서는 Fig. 3과 같이 굳지 않은 상태의 콘크 리트를 연속체로 가정하여, 이것을 빙엄유체 (Bingham Fluid) 로 모델화 하여 해석ㆍ고찰하는 고유동 콘크리트의 유동학적 해석⁷⁾을 적용하기로 한다. 이후, 골재표면에서의 빙엄유체인 개질 페이스트의 피막두께 모델화를 통해, 개질 페이스트의 피 막두께 결정 메커니즘을 명확히 한다.

2.2 잉여 페이스트 이론에 근거한 개질 페이스트의 피막두께 모델

Miyake 등은 Fig. 4와 같이 ^{1940년의 C.T, Kennedy}의 잉여 페이스트의 피막두께 이론⁸⁾과 골재의 평균입경을 이용하여 굳지 않은 콘크리트 중의 액상을 페이스트, 고상을 골재로 구 분하는 경우, 콘크리트의 변형성을 평가하기 위한 지표는 ‘평 균 잉여 페이스트 피막두께 / 골재입자의 비표면적 평균 입경’ 으로 정의하고 있다⁹⁾. 이 때, 평균 잉여 페이스트의 피막두께 가 일정하며, 실제 잉여 페이스트의 평균 피막두께는 동일한 것으로 가정했다. 한편, 잉여 페이스트 피막두께는 골재 입자 간의 윤활효과에 기여하는 유효 페이스트의 피막두께와 골재 표면에 부착하여 골재 입자와 함께 거동하는 부착 페이스트 의 피막두께의 2종류로 정의하고 있다^8,9).

본 연구에서는 개질 페이스트에 의해서 원골재 표면을 코 팅 하는 것으로 Miyake 등이 제안한 평균 잉여 페이스트의 피 막두께 이론과 골재의 평균 입경을 이용하기로 한다. 이 때 C.T, Kennedy의 페이스트 피막이론에 근거하여 모든 입경의 원골재 및 개질 페이스트 입형을 구체로 가정⁸⁾하고, 개질 페 이스트의 피막두께는 Fig. 4(b)와 같이 유효 페이스트의 피막 두께를 제외한 부착 페이스트의 피막두께만을 원골재로에 피 복되는 개질 페이스트 피막두께로 정의한다.

한편, 원골재 표면에 피복되는 개질 페이스트의 피막두께는 유체역학과 도료의 유동학의 개념에 근거한 개질 페이스트 거 동 및 피막두께 형성에 의해 변동된다고 생각할 수 있다¹⁰⁾. 특 히, 도료의 유동학에 있어서, 유체의 항복치에 따라 뉴턴유체 의 특성을 가지는 흐름현상(도료가 선형으로 흘러내리는 현상, 이하 Curtaining 현상)과 비뉴턴 유체의 특성을 가지는 흐름현 상(도료가 파형으로 흘러내리는 현상, 이하 Sagging 현상)으로 구분할 수 있다⁶⁾. 여기서, 개질 페이스트의 정량적인 피막두께 를 계산하기 위해서 본문에 제시하고 있는 식　(1)에서 식　(4)와 같이 TEMPLE C.PATTON의 도료의 유동과 안료분산　(1971) 의 ‘Curtaining 현상’과 ‘Sagging 현상’의 관계를 적용한다¹⁰⁾. 따라서, 본　연구에서는 개질 페이스트의 피막두께를 계산하기 위해서, 먼저 뉴턴 유체의 유동으로 발생되는 ‘Curtaining 현상’ 에 대해 고찰한 후, 비뉴턴 유체인 개질 페이스트의 유동 특성 을 파악하여 개질 페이스트의 피막두께를 산정하기로 한다.

‘Curtaining 현상’의 유동학에서 균일한 두께 X의 습윤 피 막두께는 dx의 박막으로 구성되어 dx의 박막층이 수직면상 에 다량으로 겹쳐 있다고 생각할 수 있다. 따라서, Fig. ５와 같이 표면에 있는 1장의 dx의 박막층은 외측에 겹쳐 있는 다 량의 박막층에 의해 하부로 흘러 내리려는 성질을 가지고 있 다. 이 힘은 외측에 겹쳐있는 박막층의 총중량과 동일하게 되 고, 그 때에 뉴턴 유체에서는 용제의 증발이 없고 온도의 변화 도 없는 이상 조건이 적용된다. 여기서, 박막층의 길이를 L, 폭을 B로 하면, x보다 외측부분의 체적 V는 식(1)에서 나타 낼 수 있다.

이때, 유체의 밀도를 ρ라고 하면 이 위치로부터 하부로 움 직이려고 하는 힘 F는 식(2)로부터 요구할 수 있다.

이 힘에 저항하는 힘이 유체의 점성이며, 그것이 ‘Curtaining 현상’을 일으키게 된다. 한편, 점도에 관한 기본식으로부터 이 저항력　F ′은 식(3)에서 주어진다.

또한, ‘Curtaining 현상’을 크게 지배하고 있는 또 다른 중요 한 원인은 유체의 비뉴턴 성질이다. 일반적으로 대부분의 비 뉴턴 유체는 항복치가 있으며, 중력에 의한 전단응력이 그 유 체의 항복치를 넘지 않는 한 문제가 되는 ‘Curtaining 현상’은 발생하지 않는다. Fig. 5

그러나, 본 연구에서의 개질 페이스트는 시멘트계 재료의 페 이스트를 이용하는 것으로 비교적 항복치가 큰 유체로 분류할 수 있으며, 비뉴턴의 점성유체 (빙엄유체)로 생각하면, 원골재 의 수직평면에 비교적 두껍게 피복 했을 경우, ‘Sagging 현상’ 이 발생하게 된다. 즉, 어느 정도의 항복치를 가지고 있는 비뉴 턴 유체에서는 박막층 x의 위치에서 ‘Sagging 현상’이 발생한 다. 이 때, 발생하는 ‘Sagging 현상’은 식　(4)과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 만약 항복치가 충분히 큰 개질 페이스트일 경우 는 식　(4)에서의 x값은 X값과 동일하게 되고, 그 때는 개질 페 이스트의 하부로의 이동은 완전히 구속되게 된다.

따라서, 개질 페이스트의 피막두께는 Fig. 6과 같이 개질 페 이스트가 골재의 상부 90°지점으로부터 연속적으로 흐르는 경우, 도료의 유동학과 유체역학에 의한 수직항력의 관계를 통해서 계산할 수 있다. 즉, 각도 θ가 Ａ점으로부터　B점의 거 리까지 유동할 때, 피막두께는 x₁로부터 x₂로 변화하게 된다. 여기서, 개질 페이스트의 항복치에 의한 부착 페이스트의 피 막두께는 유체역학에 있어 중력에 의한 수직항력이 발생하 여, 이 때 각도 θ의 변화에 의해서 피막두께도 변화하게 되어, 식 (4)는 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 개질 페이스트의 피 막두께는 각도 θ가 90°인 지점에서 최대 피막두께를 가지고, 각도 θ가 0°인 지점에서 최소 피막두께를 가지게 된다.

한편, 본 연구에　있어서, 개질골재의 제작은 원골재를 강제 적으로 회전시키면서 골재의 표면을 개질 페이스트로 피복하 는 방법을 채택하고 있다. 따라서 개질골재의 피막두께는 원 골재의 수직면(90°)에 대한 피막두께만이 작용되어, 구형으 로 가정하고 있는 개질골재 전면의 피막두께는 원골재의 수 직면에 작용되는 개질 페이스트의 항복치와의 관계로부터 표 현할 수 있다.

따라서, 원골재의 전면에 코팅되는 개질 페이스트의 피막 두께는 Fig. 6의 MIN　(최소 피막두께) 만을 이용하여 Fig. 7의 (a) 및 (b)와 같이 나타낼 수 있다. 이 때의 개질골재의 피막두 께 계산은 식 (5)에서 cosθ가 수직인 면(90°)에 대해서만 작용 되기 때문에 식 (6)과 같이 나타낼　수 있다.

여기서, 중력에 의한 영향은 무시할　수　있으며, 항복치만 에 의해 피막두께가 결정되기 때문에 모델골재와 원골재의 표면상태가 동일하다고 가정하여, 회전방식에 의한 개질 골 재를 제작할 경우, 개질 페이스트는 모델골재와 원골재의 표 면에 모두 균일하게 피복되며, 이 때의 모델골재 및 원골재의 피막두께는 동일해진다고 생각할 수 있다.

2.3 개질 페이스트의 유동학 실험

이상의 논의를 기본으로, 본 연구에서 사용하고 있는 개질 페이스트의 유동학 실험을 실시했다. 실험은 회전 점도계를 이용하여 회전속도의 상승과정에 대한 전단응력을 측정했다. 여기서, 시멘트만의 개질 페이스트의 항복치는 4.05Pa, 최대 부착하중은 0.33N인 것을 확인했다.

따라서, 유동학 정수의 항복치를 식 (6)에 대입하면 구형으 로 가정한 골재표면에 피복되는 개질 페이스트의 x값을 요구 할 수 있으며, 그 피막두께는 0.14mm가 된다. 즉, 본 연구에서 이용되는 개질골재는 피막두께가 0.14mm로 일정한 개질 페 이스트가 원골재 표면전체에 코팅되어 있는 것으로 생각할 수 있다.

3.1 개요

전술한 모델에 의해 요구할 수 있는 개질 페이스트의 피막 두께 계산은 구형으로 가정한 원골재 표면에 균일하게 부착 하는 잉여 페이스트 이론의 부착 페이스트량을 의미한다. 하 지만, 실제의 원골재는 기하학적 형상을 가지고 있어, 일반적 으로 구형으로 가정할 경우에 비해, 비표면적은 크게 된다. 따 라서, 각각의 골재의 체적이 동일한 경우에도 실제의 원골재 에 개질되는 개질 페이스트의 양은 차이가 생기게 된다. 여기 서, 구형의 원골재와 기하학적인 형상을 가진 골재의 개질 페 이스트의 피막두께가 동일하다고 가정하여, 실제 다양한 골 재형상을 가진 원골재의 비표면적의 변화에 따른 개질 페이 스트의 증가량과 그 때의 피막두께에 대해 추가적으로 검증 한다. 본 연구에서 사용한 개질페이스트의 배합비를 Table 1 에 나타낸다.

3.2 원골재의 비표면적의 계산

개질골재에 있어서의 원골재의 비표면적은　Heywood의 연구¹¹⁾를 참고하여 요구했다. Fig. 8과 같이 불규칙한 형상를 가진 원골재에 대해 두께(T), 폭(B), 길이(L)의 3개의 변수로 서 나타내어, 더욱이, 형상 변수로서 편평도 (m)와 장단도 (n) 를 식 (7) 및 식 (8)과 같이 정의하여 투영 면적지름(D_p)과 치 수(D_o)와의 관계에 의해 식(9)를 얻을 수 있다¹¹⁾.

상기의 투영 면적지름을 이용하는 것으로 일반적으로 골재 의 체적(υ)과 표면적(s)은 식 (10) 및 식 (11)로부터 구할수 있 으며, 골재의 비표면적(S)은 식 (12)로부터 구할 수 있다. 여기 서, 체적 형상계수 (k) 및 면적 형상계수 (f)는 골재의 형상에 의한 정수이며, 구형의 경우에는 k= π, f = π/6이 되며, 이에 따라 f/k = 6으로 정의할 수 있다. 한편, 골재(천연 골재)의 경 우, 실험값에 의해 f/k의 값은 6.5정도, 쇄석골재의 경우 7.5 정도로 보고되고 있다¹²⁾.

여기서, 구형으로 가정한 원골재의 개질 페이스트 피막두 께 (x₀)는 모델화에 의해서 구할 수 있으며, 구형의 경우, 골재 의 형상 계수비 (f/k)가 6일 때, 개질 페이스트의 피막두께 (x₀)는 모델화에 의해 요구한 피막두께가 된다. 한편, 본 연구 에서 적용하고 있는 쇄석골재의 비표면적은 구형의 경우보다 커지게 되어, 그 때의 형상 계수비 (f/k)는 구형의 경우보다 1.5가 큰 7.5가 된다. 이에 따라 구형의 경우의 형상계수와 그 때의 개질 페이스트 피막두께의 관계에 의해 쇄석골재의 비 표면적의 증가에 따른 개질 페이스트 양의 증가분의 계산이 가능하다. 이러한 개질 페이스트의 증가분은 비표면적의 증 가에 의한 영향이며 개질되는 페이스트의 두께는 구형의 경 우와 동일해진다.

3.3 표면개질 골재의 피막두께에 관한 검증실험

쇄석골재를 대상으로 개질 페이스트의 균일한 피막두께의 형성을 검토하기 위해서 표면 개질 골재를 사용한 콘크리트 의 원주 시험체 (Ø100×200mm)를 제작하여, 랜덤 간격으로 절단한 후 검토를 실시했다. 시료는 원골재와 시멘트 매트릭 스 사이의 개질 페이스트의 육안 식별이 가장 용이한 개질골 재 (20-15mm)의 5개의 시료를 컷팅하여 평가했다. 또한, 모든　 시험체에　대해　개질골재 단면의 지름 (L)이 최대치가 되도록 절단면을 연마한 후, 고해상 디지털 카메라　 및 화상해석 프로 그램을 이용하여 화상해석을 실시했다. 화상해석은 원골재와 개질 페이스트의 부분이 명확하게 식별되도록 명도 및 색도 를 조정하여, 원골재와 개질 페이스트의 면적 및 피막두께를 측정했다.

Table 2에 화상해석 결과 및 Fig. 9에 일례로서 Case 1　시험 체의　개질골재 절단면 형상과 표면추출 화상을 나타낸다. 화 상해석의 결과로부터 모든　개질골재의 실제 피복두께는 모 델골재의 피막두께인 0.14mm과 비교해, 약 ±0.01mm정도의　 오차를　나타냈다. 여기서, 근소한 오차의 발생은 시험체 연마 에 따른 개질 페이스트와 시멘트 매트릭스의 경계가 다소 불 분명하게 된 것이 원인으로 생각할 수 있지만, 실제 개질 페이 스트의 피막두께는 모델골재와 상당한 근사범위에서 일치하 는 것을 확인할 수 있었다．