JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERS, SEP. 2008, pp. 39-50
라텍스개질 콘크리트의(LMC)의 강도특성 및 배합인자 결정방법
Strength Properties and Determination Method of Mix Proportion Factor of Latex Modified Concrete
박성기*†․원종필**․박찬기***
Park, Sung Ki*†․Won, Jong Pil**․Park, Chan Gi***
Abstract
This study are decided the mix proportion method of latex modified concrete for agricultural concrete structures from the results of workability and strength test with mix proportion factor. For mix proportion factor, this study are selected the water-cement ratio, unit cement amount and latex content. Also, this study were performed the slump, compressive strength test and microstructure analysis using the scanning electron microscope(SEM). The strength and slump of LMC are dependent with unit cement amount, latex content, and water-cement ratio. Especially, the strength of LMC are not controlled by single mix proportion factor but effected by combined mix proportion factor. Microstructure investigation are showed the LMC are reduced the internal pore volume and enhanced the transition zone between cement paste and aggregate interface. This effect get by consist of latex films in the concrete. Also, this study were recommended the mix proportion method for LMC. These mix proportions method are estimated the mix design for satisfied the target performance which are applied the agricultural concrete structure.
Keywords : Agricultural concrete structure, Internal pore volume, Life cycles, Latex modified concrete, Mix proportion method , Microstructure, Transition zone
I. 서 론*
농업용 콘크리트 구조물은 환경적 요인에 의하여 내구성 감소와 파괴가 조기에 찾아오는 경향이 있다.
* (주) 승화이엔씨 기술연구소
** 건국대학교 사회환경시스템공학과
*** 공주대학교 지역건설공학전공
† Corresponding author. Tel.: +82-2-2262-6392 Fax: +82-2-2277-7368
E-mail address: [email protected] 2008년 1월 3일 투고
2008년 9월 9일 심사완료 2008년 9월 10일 게재확정
현재 국내에서 농업용 콘크리트 구조물의 설계 내구 년한에 대한 규정은 1982년 농업토목핸드북, 1998 년 농어촌진흥공사의 농촌용수계획 설계편람, 1967 년 농수산부의 농업토목설계편람에 제시되어 있으며, 각 구조물 및 기준에 따라 어느 차이를 보이고 있지 만 대부분의 농업용 콘크리트 구조물은 내구년한을 30년에서 100년 정도로 규정하고 있다(Ministry of agriculture and forestry, 1991, 1999, 2000, 2005).
그러나 실제적으로 농업용 콘크리트 구조물의 경우 사용 내구년한이 평균 18년에 불과한 것으로 추정되 고 있어 목표 내구년한과는 큰 차이를 보여주고 있 다(Ministry of agriculture and forestry, 2005).
Table 1 Physical and chemical properties of cement Physical
properties
Fineness modulus (cm2/g)
Density (g/mm3)
Stability (%)
Setting time (Min) Compressive strength (MPa)
Initial Final 3 days 7 days 28 days
3,200 3.15 0.02 220 400 20 30 38
Chemical properties
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Ig.Loss
19.85 4.90 3.16 61.61 2.93 2.85 1.5
이는 농업용 콘크리트 구조물의 경우 열악한 환경조 건에 노출되지만 이에 사용되는 콘크리트의 경우 충 분한 강도 및 내구성을 확보하지 못하기 때문이다 (Won 등, 2007a, b). 현재 콘크리트분야에서는 고성 능콘크리트가 개발되어 적극적으로 적용이 검토되고 있으나 아직까지 농업용 콘크리트의 경우 연구 및 적용이 미비한 실정이다. 본 연구에서는 농업용 콘크 리트 구조물 특히 농업수리 구조물과 같이 물과 직 접적으로 접촉해 있어 수밀성이 요구되는 구조물의 내구성능을 향상시키기 위하여 라텍스를 첨가한 라 텍스 개질 콘크리트(Latex modified concrete: LMC) 의 농업용 구조물의 적용을 검토하였다. LMC는 일 반 교량의 교면포장, 수리 구조물의 수로라이닝 등 수밀성이 요구되는 콘크리트 구조물에 적용된 연구 사례가 미국 및 캐나다 등 북미지역에서 다수 존재 한다(NCHRP, 1992, Soroushian 등, 1998, Leo 등, 1994). 국내에서는 주로 교량에서의 표면에 침투되 는 수분 등에 의해서 바닥판 콘크리트 보호를 목적 으로 시공되는 교면포장에 주로 적용되고 있으며 최 근 들어 농업용 콘크리트 구조물의 보수보강, 터널라 이닝 및 수로 라이닝의 숏크리트 등으로 최근 연구 가 진행되고 있다(Won 등, 2007 a, b). 지금까지의 LMC에 대한 주요 연구방향은 교면포장에 적용하기 위한 연구가 대부분으로 단위시멘트량과 라텍스 첨 가비를 고정한 상태에서 결합재 및 혼화제 사용에 따른 영향을 평가하는 것이다. 즉 LMC에 대한연구 는 교면포장 콘크리트에 적용하기 위하여 요구되는 성능 기준을 만족하도록 연구를 중점적으로 실시하 였다(NCHRP, 1992). 따라서 농업용 콘크리트 구조 물과 같은 교면포장 이외의 구조물에 LMC를 적용하 기 위해서는 배합인자에 따른 영향을 검토할 필요가 있다. 하지만 지금까지 LMC의 배합설계 시 단위시 멘트량을 변화시킨다거나 라텍스 첨가량을 변화시켰
을 때 LMC 특성의 변화에 대한 많은 연구가 이루어 져 있지 않기 때문에 교면포장을 제외한 LMC 배합 을 결정하는데 많은 어려움이 있다. 특히 LMC의 배 합이 라텍스의 변화에 따른 물성 변화가 매우 크기 때문에 농업용 콘크리트에 적용하기 위해서는 배합 인자에 따른 특성의 평가가 이루어져야 한다.
본 연구에서는 LMC를 사용한 농업용 콘크리트 구 조물을 제작하기 위하여 단위시멘트량, 라텍스 첨가 비 및 물-시멘트비를 배합인자로 하여, 배합인자의 변화에 따른 작업성과 강도 특성 및 미소구조 분석 을 실시하였다. 또한, 본 연구에서는 분석결과를 이 용하여 농업용 콘크리트 구조물을 포함한 수리구조 물의 목표강도 및 성능을 확보할 수 있는 LMC의 배 합설계 결정방법을 제시하였다.
II. 실험계획
1. 재료
가. 시멘트 및 골재
시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같 다.
LMC 배합에 사용된 굵은 골재는 최대치수 13mm 의 쇄석골재를 사용하였으며, 잔골재는 비중 2.53의 강모래를 사용하였다. 본 시험에 사용된 골재의 물리 적 특성은 Table 2와 같다.
Table 2 Physical properties of aggregate Type of
aggregate
Maximum size (mm)
Density Absorption (%)
Abrasion
(%) F.M
Corse agg. 13 2.65 0.35 28.45 6.92
Fine agg. - 2.53 0.67 - 2.99
Table 4 Mix proportions of LMC
No. of mix W/C (%) LS/C (%) S/a (%) (kg/㎥)
C W S G Latex
1
33
15
55
400
64 887 760 128
2 10 87 914 783 85
3 5 109 941 807 43
4
39
15 88 853 731 128
5 10 111 881 755 85
6 5 133 908 778 43
7
45
15 112 820 703 128
8 10 135 847 726 85
9 5 157 874 749 43
10
33
15
350
56 942 807 112
11 10 76 966 828 74
12 5 96 990 848 37
13
39
15 77 913 782 112
14 10 97 937 803 74
15 5 117 960 823 37
16
45
15 98 883 757 112
17 10 118 908 778 74
18 5 138 931 798 37
19
33
15
300
48 997 855 96
20 10 65 1,018 872 64
21 5 82 1,038 890 32
22
39
15 66 972 833 96
23 10 83 993 851 64
24 5 100 1,013 868 32
25
45
15 84 947 812 96
26 10 101 968 829 64
27 5 118 988 847 32
나. 라텍스
라텍스는 SB 라텍스로 Styrene 모노머와 Butadiene 모노머 및 소포제 등의 첨가제가 혼합된 것을 사용 하였으며, 라텍스의 물리적 특성은 Table 3과 같다.
Table 3 Physical properties of Latex Concentration
(%)
Specific gravity pH
Surface tension (dyne/cm)
Particle size
(A)
Viscosity (cps)
46.9 1.02 10.55 30.565 1793 44.33
2. 배합설계
LMC의 슬럼프 및 강도에 영향을 미치는 배합인자 에 대한 평가를 목적으로 필요한 변수를 선정하였다.
단위시멘트량에 대한 검토를 위하여 단위시멘트량을 400kg/㎥과 350kg/㎥와 300kg/㎥인으로 변화시켰 다. 이와 함께 라텍스 첨가비에 따른 각 배합의 특 성을 평가하기 위하여 라텍스 첨가비를 변수로 고려 하였다. 일반적으로 라텍스 첨가비는 교면포장의 경 우 시멘트 함량에 대하여 고형분으로 15%를 사용하 고 있다. 그러나 농업용 콘크리트 구조물에 현재 사 용되고 있는 라텍스첨가비를 그대로 적용하는 것은
재료비 상승으로 나타나기 때문으로 본 연구에서는 라텍스 첨가비를 감소시킴으로써 경제성을 확보하고 자 하였으며, 따라서 15%를 기준으로 이보다 작은 15%, 10%와 5%에 대하여 검토하였다. LMC의 경 우 단위시멘트량과 라텍스 첨가비에 따라 배합상태 가 매우 큰 차이를 나타내기 때문에 적합한 작업성 을 얻는 배합을 얻기 위해서는 물-시멘트비를 조절 해서 목표로하는 작업성을 얻는 배합을 설정해야 한 다. 따라서 단위시멘트량 및 라텍스 첨가비와 함께 물-시멘트비를 33%, 39%, 45%로 변화시켰다. 각 배합인자에 대하여 설계된 배합비는 Table 4와 같다.
3. 시험방법
가. 슬럼프
각 배합인자에 따른 LMC 배합의 작업성을 평가하 기 위하여 KS F 2402에 따른 슬럼프시험을 실시하 였다.
나. 압축강도
각 배합에 대한 배합인자의 영향을 평가하기 위하 여 압축강도 실험을 실시하였다. 재령 7일, 28일, 56일 및 91일 강도를 측정하기 위하여 ∅10×20cm 원주형 공시체를 이용하였다. 압축강도 측정용 공시 체는 폴리머 콘크리트에 대한 양생 방법에 준하여 재령일까지 기중양생을 실시하였다.
다. 미소구조 분석
LMC 내부의 미소공극 및 라텍스 필름의 형성과 같은 콘크리트의 내구구조를 분석 및 평가하기 위하 여 주사현미경(Scanning electron microscope: SEM) 을 이용한 미소구조분석을 실시하였다.
III. 실험결과 및 고찰
1. 배합인자에 따른 슬럼프
본 연구에서 배합인자로 고려한 단위시멘트량, 물- 시멘트비, 및 라텍스 첨가비에 따른 슬럼프 시험결과 는 Fig. 1과 같다. 시험결과 동일한 단위시멘트량 및
Fig. 1 Slump test results
물-시멘트비에서 라텍스 첨가비가 증가할수록 슬럼 프가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 기존 연구결 과에서도 알 수 있듯이 라텍스의 첨가는 라텍스 필 름을 형성시키고 윤활유와 같은 작용을 하여 콘크리 트의 워커빌리티를 향상시키기 때문이다(Adnan, 2005).
따라서 라텍스의 첨가는 일정 수준의 워커빌리티를 얻기 위하여 요구되어지는 단위 수량을 감소시킨다 는 것을 알 수 있다. 그러나 10% 이상의 라텍스가 첨가된 배합에서는 물-시멘트비가 33%인 경우를 제 외하고는 물-시멘트비가 높아질수록 배합에서의 재 료분리 현상이 심하게 발생하는 결과를 나타내었다.
따라서 라텍스의 첨가에 따라 물-시멘트비와의 관계 를 고려하여 첨가비를 제한하는 배합을 설정해야 할 것이다. 교면포장용 LMC의 경우 단위수량을 150kg/
㎥ 이하로 제한하고 있다. 단위수량의 제한을 두는 이유는 라텍스의 첨가가 낮은 물-시멘트비에서는 작 업성의 증진효과를 얻을 수 있지만 물-시멘트비가 적정수준 이상으로 높아질 경우는 재료분리 현상을 발생시키기 때문이다(Barluenga 등, 2003). 또한 물 -시멘트비가 39% 이상의 배합에서 슬럼프가 22cm 를 초과하는 경우에는 재료분리가 심하게 발생하였 다. 단위시멘트량에 따라 라텍스 첨가비가 작고 물- 시멘트비가 낮을 경우 작업성 확보가 불가능한 배합 이 발생하였다(슬럼프 8cm 미만). 따라서 본 연구에 서는 적정한 슬럼프 값의 범위를 8～22cm로 선정 하였으며, 선정된 슬럼프 범위내에 있는 배합비를 이 용하여 강도 및 미소구조 분석 등을 실시하였다.
2. LMC의 압축강도
가. 단위시멘트량에 따른 강도 특성
Fig. 2는 동일한 물-시멘트비 및 라텍스 첨가비일
(a) W/C =33%, LS/C=15% (b) W/C =39%, LS/C=15%
(c) W/C =39%, LS/C=10% (d) W/C =45%, LS/C=10%
Fig. 2 Compressive strength with unit cement amount 때 단위시멘트량 변화에 따른 강도시험결과와 단위
시멘트량과 물-시멘트비가 동일할 경우 라텍스 첨가 비의 변화에 따른 강도시험결과를 비교하여 나타낸 그림이다. Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 단위시멘트 량이 400kg/㎥인 배합(No. 1)과 350kg/㎥인 배합 (No. 10)은 단위시멘트량이 많은 배합에서 강도가 높게 나타났다. 물-시멘트비가 39%인 경우에는 Fig.
2(b)와 Fig. 2(c)에서와 같이 단위시멘트량이 많은 배합에서 강도가 낮게 나타나고 있다. 또한 물-시멘 트비가 45%인 Fig. 2(d)의 경우에서는 단위시멘트량 차이에도 불구하고 강도의 차이가 크지 않은 것으로 나타나고 있다. LMC의 경우 라텍스 첨가비가 동일 할지라도 첨가량에 따라 영향을 받는다. 단위시멘트 량의 변화는 첨가비가 일정하더라도 라텍스의 첨가 량은 변화하게 된다. 따라서 강도에는 복합적인 요인 에 의해서 영향을 미친다. 교면포장용 LMC에서는 단위시멘트량을 400kg/m3으로 하고 물-시멘트비가 0.33일 때 시멘트 중량에 대한 라텍스의 고형분 첨
가비는 LS/C는 15%일 때 최적의 성능을 발휘하는 것으로 제시하고 있다. 본 연구에서도 상기와 같은 조건에서 가장 우수한 압축강도 특성을 나타내는 것 을 볼 수 있다. 이는 라텍스의 첨가비가 증가하면 폴리머 재료의 특성상 공기량이 증가하고, 라텍스 첨 가비가 적으면 물-시멘트비가 작을 때 충분한 유동 성이 확보되지 않아 비빔에 영향을 미치게 된다 (Biswas 등, 1994). 그리고 물-시멘트비가 어느 정 도 큰 경우 라텍스의 첨가비가 크면 유동성의 증가 와 더불어 재료분리 현상이 발생하게 된다. 따라서 라텍스 첨가비를 결정할 때는 단위시멘트량, 물-시 멘트비 등을 전체적으로 고려하여야 한다. 그러나 지 금까지는 LMC가 국내외적으로 교면포장으로 널리 사용되었기 때문에 단위시멘트량을 400kg/m3, 물- 시멘트비를 33%, 라텍스의 첨가비를 라텍스 고형분/
시멘트 중량비(LS/C) 15%일로 하여 거의 고정적으 로 적용하였다. 따라서 단위시멘트량과 물-시멘트비, 라텍스 첨가비의 변화가 강도에 미치는 영향은 크게
(a) C=400 kg/㎥, W/C=33% (b) C=400 kg/㎥, W/C=39%
(c) C=350 kg/㎥, W/C=39% (d) C=300 kg/㎥, W/C=45%
Fig. 3 Compressive strength with latex amount 부각되지 않았다(Fig. 2(a)). 본 연구결과와 같이 물
-시멘트비 33%, LS/C가 15%일 때는 단위시멘트량 이 400kg/m3일 때 350kg/m3에 비하여 강도가 크 다. 단위시멘트량이 증가하면 라텍스 첨가비도 증가 하여 공기량을 증가시켜 강도가 감소할 가능성이 있 지만 물-시멘트비가 작기 때문에 라텍스 첨가비 증 가로 유동성이 증가하여 재료가 잘 혼합되는 효과가 커 단위시멘트량를 통한 강도 증가효과를 나타냈다.
그러나 물-시멘트비가 39%로 증가하면 라텍스 첨가 에 따른 유동성 증가로 재료의 혼합효과가 상대적으 로 라텍스 첨가비가 작을 때와 비교하여 크지 않고, 라텍스 첨가비 증가에 따른 공기량 증가가 크기 때 문에 강도증가 효과가 크지 않아 단위시멘트량이 큰 배합이 강도가 저하되는 결과를 초래하였다(Fig. 2(b), (c)). 동일한 LS/C비에서 물-시멘트비가 39%에서 45% 정도로 증가하면 단위시멘트량의 증가에 관계 없이 거의 동일한 강도를 나타내고 있다(Fig. 2(d)).
물-시멘트비가 39%일 때는 라텍스 첨가비에 관계없
이 단위시멘트량이 큰 배합이 강도가 감소하는 결과 를 보여주었다(Fig. 2(b), (c)). 그러나 물-시멘트비 가 45%일 때는 단위시멘트량에 관계없이 거의 비슷 한 강도를 보여주는데 이는 물-시멘트비가 큰 상황 에서 라텍스의 첨가는 재료 분리를 발생시키고 공기 량의 증가도 크기 때문이다.
상기와 같은 결과에서 LMC는 물-시멘트비, 단위 시멘트량, 라텍스 첨가비가 복합적으로 강도에 영향 을 미침을 알 수 있다. 따라서 농업용 콘크리트 구 조물을 포함한 수리구조물에 적용하기 위해서는 LMC 배합시 전체적으로 배합인자를 변수로하여 목표 성 능에 맞게 배합비를 결정할 필요가 있다.
나. 라텍스 첨가비에 따른 강도 특성
Fig. 3은 물-시멘트비와 단위시멘트량이 일정할 때 라텍스 첨가비에 따른 LMC의 강도 특성을 보여 준다. 단위시멘트량이 400kg/㎥이고 물-시멘트비가 동일한 배합에서 라텍스 첨가비가 10%에서 15%로
(a) LMC (C= 400kg/㎥) (b) LMC (C=350 kg/㎥)
(c) LMC (C=300 kg/㎥) (d) Plain concrete (C=400 kg/㎥) Fig. 4 SEM investigation of LMC and plan concrete
증가하여도 강도의 변화는 크지 않다는 것을 보여준 다(Fig. 3(a)). 이와 같은 결과는 라텍스 첨가비가 10%에서 15%로 증가함에 따라 공기량이 증가하여 강도의 감소가 예상되지만 유동성의 증가로 인하여 10%일 때 보다 재료의 배합이 원활하게 되기 때문 이다. 그러나 물-시멘트비가 39%로 증가하면 라텍 스의 첨가에 의한 재료의 유동성이 증가하여 분산효 과와 이를 통한 강도 증가가 상대적으로 33%일 때 보다 작아져 라텍스 첨가량이 많아질수록 강도가 감 소하는 결과를 보여주었다. 이와 같은 결과는 물-시 멘트비 39% 및 45%에도 동일하게 나타났다.
상기와 같은 결과를 볼 때, LMC의 강도는 라텍스
의 첨가비에 따라 영향을 받으며 이는 어떠한 일정 한 경향을 나타내는 것이 아니라 물-시멘트비 및 단 위시멘트량과 결합하여 복합적으로 나타남을 알 수 있다. 따라서 LMC의 배합설계를 결정할 때 수리구 조물을 포함한 농업용 콘크리트 구조물의 목적에 따 라 물-시멘트비, 단위시멘트량 및 라텍스 첨가비를 변수로하여 목표 성능에 맞는 배합을 결정해야 한다.
3. LMC의 미소구조
LMC 내부미소구조의 특성을 평가하기 위하여 주 사전자현미경(Scanning Electronic Microscope)을
이용한 분석을 실시하였다. Fig. 4(a)～(c)는 LMC의 SEM 사진이며, Fig. 4(d)는 일반 콘크리트의 SEM 사진을 나타낸 것이다(촬영배율: ×1,000). SEM 사 진을 통해 나타난 LMC의 내부미소구조 특성은 내부 에 라텍스에 의한 필름 형성으로 표면이 매끄러운 상태를 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 또한 단위 시멘트량에 따라 미세한 공극의 차이가 발생하는 것 을 알 수 있다. Fig. 4(a)는 단위시멘트량 400 kg/m3 이고, LS/C가 15%이며 물-시멘트비가 33%일 때로 내부의 공극체적이 매우 작고, 골재와 시멘트 페이스 트 사이의 천이대(transition zone)가 작고 강하게 연결되어 있음을 알 수 있다. 그러나 단위시멘트량이 350 kg/m3이고 LS/C가 15%이며 물-시멘트비가 33%
일 때는 내부 공극체적이 400 kg/m3일 때와 비교하 여 약간 증가하기 시작하고 침상구조가 형성되며, 천 이대 연결고리가 약간 약해지는 것을 알 수 있다 (Fig. 4(b)). Fig. 4(c)는 단위시멘트량이 300 kg/m3 으로 물-시멘트비가 39%, LS/C가 15%일 때를 보 여준다. Fig. 4(a)와 (b)와 비교하여 미소공극이 증 가하고, 골재와 시멘트 사이의 천이대가 약한 연결고 리를 형성하고 있다. 그러나 라텍스를 첨가하지 일반 콘크리트(Fig. 4(d))와 비교해보면 미소공극의 양은 많지 않고, 천이대의 연결고리 역시 강하게 연결되어 있다. Fig. 4(d)의 일반콘크리트의 내부미소구조로 크기가 서로 다른 미소공극과 크기가 큰 공극이 다 량 존재하고, 천이대 부분에도 공극이 형성되어 골재 와 시멘트 페이스트가 약한 연결고리 구성되어 있음 을 알 수 있다. SEM 분석을 통한 결과로 볼 때 라 텍스는 콘크리트의 내부공극을 감소시키고, 천이대를 강화시킴으로써 콘크리트의 내부구조를 밀실화하는 데 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
IV. LMC 배합인자 결정 방법
본 연구에서는 LMC의 강도에 영향을 미치는 배합 인자의 영향을 평가하기 위하여 물-시멘트비, 단위 시멘트량 및 라텍스 첨가비에 따른 압축강도 특성을 평가하였다. 시험결과 LMC의 압축강도는 어느 한 배 합인자에만 영향을 받는 것이 아니라 물-시멘트비,
단위시멘트량 및 라텍스 첨가비가 복합적으로 작용 하여 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 특히, 농 업용 콘크리트 구조물은 수리구조물이 대부분을 형 성하고 있어 라텍스와 같은 폴리머 재료가 적용되면 투수저항성의 향상 등의 효과를 얻을 수 있다. 따라 서 농업용 콘크리트 구조물에 LMC의 적용은 큰 효 과를 얻을 수 있다. 그러나 농업용 콘크리트 구조물 은 방조제를 포함한 해양구조물, 일반 수리구조물 등 다양한 목적과 용도의 구조물이 많기 때문에 이를 고려할 수 있는 배합이 필요하다. 따라서 이와 같은 배합인자의 복합적인 영향을 고려한 LMC의 배합설 계 결정방법을 제안하였다.
1. 폴리머 콘크리트의 배합 결정 방법 LMC의 경우 일반적으로 교량상판의 덧씌우기 포 장으로 적용되기 때문에 표면의 마찰저항을 높이기 위한 처리가 필요하고, 교량의 경사가 심한 경우에서 의 재료분리를 방지시키고 블리딩을 감소시키기 위 하여 잔골재율이 높은 배합을 사용하고 있다(NCHRP, 1992, Ohama, 1995, Chandra 등, 1994). 또한, 물 -시멘트비는 슬럼프가 10~18cm인 범위 내에서 0.4 이하가 일반적인 SB 라텍스의 배합에서 적용되고 있다. 폴리머 콘크리트의 합리적인 배합 설계 방법은 Ohama에 의해 제안되었다(Ohama 등, 1981a, b).
그는 SB 라텍스를 사용한 매우 많은 종류의 배합에 대한 실험결과를 바탕으로 슬럼프 조절 인자(τ), 바 인더-공극 비(α), 그리고 압축강도(f' c) 사이의 관 계를 제안하였다. Ohama의 연구결과에 의하면 슬럼 프 조절 인자(τ)와 바인더-공극 비(α)는 각각 식 (1)과 식(2)와 같이 정의 하였다.
τ = Vp+Vw (1)
α = Vc+ Vp
Va +Vw (2)
where, Vp = Volume of polymer for polymer concrete
Vw = Volume of water for polymer concrete
Vc = Volume of cement for polymer concrete
Va = Volume of air for polymer concrete
실험결과를 바탕으로 라텍스 개질 콘크리트의 슬럼 프는 압축강도와 잔골재율로부터 식(3)에 의해 결정 될 수 있다고 보고하였다.(Ohama 등, 1981a)
S = Aτ - B( 1 - Fp) (3) 그리고 압축강도는 폴리머-시멘트비로부터 식(4)에 의해 예측이 가능하다.
f'c= C α + D (4)
where, Fp = Sand/aggregate ratio A,B,C,D = Constant
2. LMC의 배합 결정 방법의 제안
본 연구에서는 Ohama의 배합결정 방법과 시험에 이용하였던 배합인자를 종합적으로 고려하여 요구되 는 작업성을 확보할 수 있는 범위 내에서 가장 적합 한 배합을 결정할 수 있는 방안을 제시하였다. 시험 에 사용된 배합에서 단위시멘트량과 라텍스 첨가비 및 물과 공기량이 차지하는 체적을 계산하고, 계산된 결합재 체적(바인더 체적)을 α'로 나타내었다. 결합 재 체적 α'는 식(5)를 이용하여 산정하였다.
α' = Vc+Vp+Va+Vw (5) where, Vp = Volume of polymer for polymer
concrete
Vw = Volume of water for polymer concrete
Vc = Volume of cement for polymer concrete
Va = Volume of air for polymer concrete
계산된 결합재 체적과 슬럼프와의 관계, 그리고 단 위시멘트량과 결합재 체적과의 관계로부터 요구되는
특성을 만족하는 LMC의 배합을 설정하기 위한 단계 는 다음과 같이 결정이 가능하다.
가. 목표 슬럼프 및 물-시멘트비 결정
물-시멘트비에 따른 슬럼프와 결합재 체적 사이의 관계를 나타낸 Fig. 5에서 목표로 하는 슬럼프를 설 정했을 때 결합재 체적은 물-시멘트비가 낮을수록 낮게 나타나고 있다. 따라서 요구되는 슬럼프 값을 설정하여 적합한 물-시멘트비를 설정하고 이로부터 해당하는 결합재 체적을 산정할 수 있다.
Fig. 5 Relationship between W/C and binder volume
Fig. 6 Relationship between slump and binder volume
Fig. 7 Relationship between unit cement amount and binder volume
Fig. 8 Relationship between compressive strength and binder volume
나. 단위시멘트함량의 결정
Fig. 6은 시멘트량에 따른 슬럼프와 결합재 체적 사이의 관계를 나타내고 있다. 단위시멘트량이 많을 수록 결합재 체적은 증가하게 되고 확보 가능한 슬 럼프의 범위가 넓게 나타나고 있다. 반대로 단위시멘 트량이 감소할수록 결합재 체적의 감소와 함께 확보 할 수 있는 작업성의 범위가 줄어드는 것으로 나타 나고 있다. 따라서 Fig. 5로부터 목표로 하는 슬럼프 를 설정한 후 물-시멘트비를 결정하고 그에 해당하 는 결합재 체적을 산정하게 되면, Fig. 6으로부터 요
구되는 배합 특성을 만족하기에 필요한 단위시멘트 량 범위의 설정이 가능하다.
다. 라텍스 첨가비의 결정
Fig. 7은 라텍스 첨가비별 단위시멘트량과 결합재 체적 사이의 관계를 나타내고 있다. 동일 단위시멘트 량에서 라텍스 첨가비가 많을수록 결합재 체적이 증 가하는 결과를 얻을 수 있다. 또한 동일 결합재 체 적에서 라텍스 함량이 증가할수록 단위시멘트 함량 도 증가되어야 동일한 결합재 체적을 얻을 수 있었 다. 이러한 관계로부터 Fig. 6 및 Fig. 7에서 결정된 슬럼프, 물-시멘트비, 단위시멘트 함량을 통해 목표 로 하는 특성을 만족하는 배합을 얻기 위한 라텍스 첨가비의 범위 결정이 가능하다.
마지막으로 배합설정 시 강도에 대한 결과도 고려 할 필요가 있다. 따라서 라텍스 첨가비별 압축강도와 결합재 체적의 관계를 나타낸 Fig. 8로부터 압축강 도 결과를 이용할 수 있다. 압축강도의 경우 배합에 대한 슬럼프 시험 시 작업이 불가능하거나 재료 분 리가 심한 배합에 대하여 제외하여 제작된 시편에 대한 시험결과를 참고하였기 때문에 설정된 배합에 서의 강도를 방조제(배수갑문 포함) 등 해양구조물과 저수지 여수로, 콘크리트 개거 등 수로구조물 등과 같은 농업용 콘크리트 구조물의 적용분야 및 목적에 맞도록 배합 설정 시 고려될 수 있다.
V. 결 론
본 연구의 목적은 농업용 콘크리트 구조물을 포함 한 콘크리트 수리구조물 등의 성능 향상을 위하여 라텍스개질 콘크리트에 대한 성능평가 및 배합설계 선정방안을 제시하는데 있다. 이를 위하여 단위시멘 트량, 라텍스 첨가비 및 물-시멘트비의 변화에 대한 슬럼프 및 강도특성, 미소구조를 평가하였으며 시험 결과를 이용하여 LMC의 배합비 선정 방안을 제시하 였으며, 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 라텍스 첨가비, 물시메트비 및 단위시멘트량을 변 수로 27개 LMC배합을 선정한 후 슬럼프 시험을 실시한 결과 유동화제 등 작업성을 향상시키기
위한 혼화제를 첨가하지 않은 상태에서 슬럼프 값이 22cm 이상이 되면 재료분리가 극심하게 발 생하였으며 슬럼프 값이 8cm 이하가 되면 작업 성 확보가 불가능하였다. 따라서 LMC 배합에서 적용될 수 있는 적정 슬럼프의 범위는 8～22cm 로 결정하여 이를 만족시키는 배합을 선정하였다.
2. LMC의 강도는 라텍스 첨가비, 물-시멘트비 및 단위시멘트량의 세 가지 배합변수 중 어느 한 가 지 변수에 의하여 압축강도가 증가하거나 감소하 는 등의 경향이 나타나지 않고 세 가지 배합변수 가 복합적으로 작용하여 강도에 영향을 미쳤다.
따라서 농업용 콘크리트 구조물에 적용하기 위하 여 필요한 목표 강도를 만족시키는 배합을 선정 하기 위해서는 세 가지 배합변수를 복합적으로 고려하여 결정하여야 한다.
3. LMC의 미소구조분석결과 라텍스의 첨가는 골재 와 시멘트 사이의 라텍스 필름의 형성으로 골재 와 시멘트 페이스트의 계면의 부착성능을 향상시 키는 등의 효과를 발휘하여 콘크리트 내부의 공 극을 감소시키는 동시에 골재와 시멘트 사이의 천이대를 강화시켜 콘크리트의 내부구조를 밀실 화 하는데 효과가 있다는 것을 확인할 수 있었 다.
4. 농업용 콘크리트 구조물의 적용분야 및 요구특성 을 만족하는 LMC 배합을 얻기 위하여 배합의 결 합재가 차지하는 체적을 산정하여 그로부터 배합 을 설정하는 방안을 제시하였다. 이러한 배합설계 방법은 주어진 물-시멘트비에 따른 슬럼프 실험 결과로부터 결합재 체적을 산정하고, 산정된 결합 재 체적으로부터 해당되는 슬럼프를 만족할 수 있는 배합의 단위시멘트량을 결정하였다. 이로부 터 단위시멘트량과 결합재 체적으로부터 라텍스 첨가비를 결정할 수 있다.
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