Influence of the Filler's Particle Size on the Mechanical Properties of Ultra High Performance Concrete(UHPC)

콘크리트工學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第4A 號·2008年 7月 pp. 573 ~ 580

충전재의 입경 크기가 초고성능 콘크리트의 역학적 특성에 미치는 영향

Influence of the Filler's Particle Size on the Mechanical Properties of Ultra High Performance Concrete(UHPC)

강수태*·박정준**·류금성***·김성욱****

Kang, Su Tae

·

Park, Jung Jun

·

Ryu, Gum Sung

·

Kim, Sung Wook

···

Abstract

In this paper, we estimated the effect of the siliceous filler’s particle size on the performance of Ultra High Performance Con- crete (UHPC). Filler's particle diameters considered in this paper were about 2, 4, 8, 14, 26

μ

m and the performance was eval- uated by testing fluidity in fresh concrete, compressive strength, ultimate strain, elastic modulus and flexural strength in hardened concrete. We also carried out XRD and MIP tests to analyze the relationship between the mechanical properties and microstructure. Test results showed that the smaller filler's particle size improves flowability and strength properties. MIP results revealed that the smaller size of filler decreased the porosity and thus increased the strength of UHPC. From XRD anal- ysis, we could find out there were little influence of filler's particle size on chemical reactivity in UHPC.

Keywards : filler, high performance concrete, particle size, porosity, microstructure

···

요 지

본 연구에서는 초고성능 콘크리트(Ultra High Performance Concrete, UHPC)에서 석영질 충전재의 입자크기가 콘크리트 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 본 연구에서 고려한 충전재의 입경은 각각 2, 4, 8, 14, 26 μ

^m

이며, 평가항목으로는 굳 지 않은 상태에서의 유동성과 압축강도, 극한변형률, 탄성계수 및 휨강도를 평가하였다. 또한 UHPC의 역학적 특성과 미세 구조의 관계를 규명하기 위해 XRD, MIP 시험을 수행하였다. 실험을 통해 충전재의 입자크기가 작을수록 유동성 및 강도 특성이 향상됨을 알 수 있었다. MIP 분석을 통해 충전재 입자크기가 작을수록 공극률이 감소하고, 따라서 UHPC의 강도가 증가함을 알 수 있었다. 그리고 XRD 분석을 통해 UHPC에서 충전재 입자크기에 따른 화학적 반응의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.

핵심용어

:

충전재, 초고성능 콘크리트, 입자크기, 공극률, 미세구조

···

1.

서 론

본 연구에서의 초고성능 콘크리트(Ultra High Performance

Concrete, UHPC)

는 압축강도 180MPa 이상을 확보하며, 콘

크리트의 압축강도와 더불어, 고강도 콘크리트에서 일반적으 로 문제가 되는 연성과 인성을 증가시키기 위하여 강섬유를 혼입 보강함으로써 휨강도와 인장강도가 크게 향상된 특징 을 보인다. UHPC는 구성입자 중 가장 큰 입경을 가지는 모래의 평균입경이 약 0.5 mm 이하일 정도로 아주 작은 입경의 입자들로 구성되어 있으며, 주요 배합구성은 모래, 시 멘트, 실리카퓸, 충전재, 강섬유 및 고성능감수제로 구성된다.

UHPC

는 매우 낮은 배합수량에서도 최적으로 조밀한 미세구

조를 형성하는데, 다음과 같은 영향에 의한 것이다. 첫째는 물리적 최적화로서 가는 입자들의 높은 충전밀도에 의한 것 이고, 둘째는 화학적 최적화로서 반응성 미세입자들의 수화 반응과 포졸란반응에 의한 것이며, 셋째는 부착 최적화로서 시멘트 매트릭스와 골재 사이의 천이영역(ITZ, Interfacial

Transition Zone)

의 역학적 특성 향상에 의한 것이다

(Richard et al., 1995; Cheyrezy et al., 1995; Zanni et al., 1996).

일반적으로 충전재는 시멘트 일부를 충전재로 치환하여 사 용할 경우, 초기재령에서의 강도 향상 및 내구성 증진 효과 가 있으며 생태학적으로는 시멘트 제조과정에서 발생하는 이 산화탄소나 산화질소의 배출량을 줄일 수 있고, 에너지 절감

*정회원·교신저자·한국건설기술연구원구조재료연구실연구원 (Email : [email protected])

**정회원·한국건설기술연구원구조재료연구실연구원 (Email : [email protected])

***정회원·한국건설기술연구원구조재료연구실연구원 (Email : [email protected])

****정회원·한국건설기술연구원구조재료연구실책임연구원 (Email : [email protected])

효과와 함께 화석연료나 광물자원을 보존하는 효과가 있어 유럽 여러 나라와 일본 등에서는 일반적으로 사용하고 있다.

UHPC

의 배합구성 중 충전재(Filler)는 수십 내지 수 마이 크로미터 크기의 석영질 입자로, 시멘트 입자크기와 비슷하 거나 작은 값을 가지며 실리카퓸보다는 큰 입자크기를 가진 다. Klaus Droll(2004)의 연구에서는 초고성능 콘크리트에서 석영질 충전재를 10% 내외로 사용했을 때 공극률을 최소화 할 수 있다고 밝히고 있으며, 일반적으로 시멘트의 약 10-

15%

사용된다.

석영질 충전재는 일정크기 이상의 공극을 충전함으로써 물 리적 성능개선의 효과가 있으며 또한 높은 SiO

²

함량을 가지 므로 고온 또는 고압의 양생조건에서 시멘트 수화물과의 화 학반응을 통해서도 성능 향상효과가 있는 것으로 알려져 있 으며, 화학적 효과에 비해 물리적 효과가 상대적으로 훨씬 크기 때문에 일반적으로 충전재는 화학적으로 비반응성 물 질로 취급하기도 한다.

Menzel(1934)

의 연구결과에 따르면 석영질의 충전재는 고

온양생을 하게 될 경우 입경이 약 5

μm

에서 25

μm

의 범 위일 때 가장 큰 반응성을 가진다. F. De Larrard et al.

(1994)

은 시멘트, 실리카퓸, 모래 및 충전재로 구성된

UHPC

에 대해 충전모델(Packing Model)을 이용하여 이론적 으로 최적의 입자구성을 도출하였으며, 충전재의 평균입경이

10 μ^m

일 때 가장 효과적이라고 밝히고 있다. 이러한 기존 의 연구결과를 근거로 지금까지의 초고성능 콘크리트에서는 평균입경이 약 10

μm

인 충전재를 주로 사용하여 왔으며, 입경크기가 초고성능 콘크리트의 특성에 미치는 영향에 대 한 실험적 연구는 지금까지 많이 이루어지지 않고 있다.

충전재의 입경 크기에 따른 물리적, 화학적 영향에 관한 연구는 거의 없다. 최근 Wenshong Zhu et al.(2005)는 석 회석 미분말을 충전재로 사용한 SCC에서 충전재의 종류 및 분말도가 고성능감수제 사용량 및 강도특성에 어떻게 영향 을 미치는지에 관한 연구를 수행한 바 있다. 따라서 본 연 구에서는 상압, 90

^oC

증기양생 조건에서 충전재의 입자크기 가 초고성능 콘크리트의 역학적 특성에 어떠한 영향을 미치 는지에 대해 알아보고자 하였으며, 평가항목으로는 굳지 않 은 상태에서의 유동성과 압축강도, 극한변형률, 탄성계수 및 휨강도를 평가하였다.

2.

미분말 충전재의 특성 및 효과

일반적으로 충전재는 주로 그 입자의 크기와 형상이 콘크 리트에 영향을 미치는 재료이다. 입자의 충전성을 향상시키 고, 굳지 않은 콘크리트의 성질을 향상시키며, 강도를 저하 시키지 않고 콘크리트 내의 시멘트의 양을 줄일 수 있다.

콘크리트에 사용되는 미분말 충전재는 대부분이 석회석 미분 말(limestone powder)이나 석영질 미분말(siliceous powder)이다.

충전재는 물리적인 충전효과가 대부분을 차지하지만 시멘 트 페이스트 또는 콘크리트의 화학 구조에 간접적으로 영향 을 미치며, 그 영향은 긍정적으로 작용한다. 큰 표면적을 가 진 미세한 입자들이 수화생성물이 자리 잡을 수 있는 매체 로서의 역할을 하며, 페이스트를 조밀하게 하고 균질하게 하 는 역할을 한다. 그리고 충전재는 일반적으로 화학적으로 반 응성이 없는 것으로 고려하지만, 실제로는 약간의 화학적 반 응이 있다. 석영질 미분말의 경우는 SiO

2

의 함유량이 대부분 이므로 시멘트의 1차 수화물과 포졸란 반응을 일으킬 수 있 으며, 고온 고압 상태일수록 반응성이 증가한다. 석회석 미 분말의 경우에는 CaCO

³

의 함유량 대부분으로 시멘트 수화 물과 CaCO

3

가 에트린가이트와 반응하여 모노설페이트보다 안정적 구조를 가진 모노카보네이트를 생성하게 된다.

Goldman A. et al.(1993)

에 따르면 콘크리트 강도에 미세

입자의 충전재가 미치는 영향에 관한 연구에서 강도증진 효 과를 수화반응에 의한 효과, 충전효과, 그리고 포졸란 반응 에 의한 효과로 구분하였으며, 수화반응에 의한 효과는 약 전체 강도의 약 50~60%이고, 충전효과는 약 30~40%, 그리 고 포졸란 반응에 의한 효과는 10% 이내라고 밝히고 있다.

일반적으로 자기충전 콘크리트(Self Compacting

Concrete, SCC)

에서는 충전재를 보편적으로 사용하고 있다.

SCC

에서는 높은 유동성과 재료분리저항성을 확보하기 위해 작은 입자들의 사용 비율이 매우 높으며, 이로 인해 수화과 정에서 발생하는 수화열이 상대적으로 크게 발생한다. 충전 재를 사용하게 되면 경화되는 동안에 발생하는 수화열을 저 감시키는 효과를 얻을 수 있다. A. M. Poppe(2006)은

SCC

에서 충전재를 다량 함유한 결합재의 수화모델에 관한 연구에서 석회석 미분말과 석영질 미분말의 영향을 고려하 였으며, 두 종류의 충전재는 시멘트 수화반응과 관련하여 반응성이 없는 것으로 고려되지만, 실험결과에 따르면 수화 과정에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 반응속도, 수화반응 메커니즘, 새로운 수화 피크점의 형성 등에 대해 등온전도 열량분석을 통해 현재 통용되는 수화모델을 시멘트-충전재 혼합 결합재에 대해 수정된 수화모델을 제안하였다. 그의 연구결과에 따르면 석영질 미분말을 대체 혼합 사용한 경우 에는 석회석미분말을 사용한 경우와는 달리 잠복기 기간, 새로운 수화 피크점의 출현 등의 변화가 나타나지 않는다고 한다.

3.

실험계획

3.1

사용재료 및 배합

3.1.1

시멘트 및 반응성 분체

본 연구의 실험에서 사용한 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘 트(OPC)이며 반응성 분체는 실리카퓸(S. Fume)을 사용하였다.

이들의 물리화학적 성질은 표 1과 같다.

표

1.

시멘트와 실리카퓸의 물리·화학적 성질

Specific Surface Area

(cm³/g)

Density (g/cm³)

Ig.loss (%)

Chemical Composition(%)

SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO SO₃

OPC 3,413 3.15 1.40 21.01 6.40 3.12 61.33 3.02 2.3

S. Fume 200,000 2.10 1.50 96.00 0.25 0.12 0.38 0.1 -

3.1.2

골재

잔골재는 밀도 2.62 g/cm

³,

평균입경이 0.5 mm이하의 모 래를 사용하였고, 굵은 골재는 사용하지 않았다.

3.1.3

고성능 감수제

고성능 감수제는 폴리칼본산계의 고성능 감수제(밀도 1.01

g/cm³,

암갈색)를 사용하였다.

3.1.4

충전재

충전재로는 석영질 미분말을 사용하였다. 입자들의 평균 크 기를 30

μm

이하 범위 내에서 크기에 따라 5가지로 분류 하여 각각 평균입경 2.2, 4.2, 8.2, 14.1 및 26.6

μm

를 사 용하였고, 물리화학적 성질은 표 2와 같으며, 그림 1은 각각 의 평균입경을 가진 충전재의 입도분포를 나타낸 것이다. 표

2

에서 F2, F4, F8, F14, F26는 각각 평균입경 2.2, 4.2,

8.2, 14.1

및 26.6

μm

의 충전재를 의미한다. 그리고 D

10,

D50, D95, D97

은 각각 전체 중량의 10%, 50%, 95%, 97%

가 통과하는 입자의 최대입경을 나타낸다. 그림 2는 평균입 경에 따라 구분된 각각의 충전재에 대한 SEM 촬영 사진을 나타낸 것이다.

3.1.5

강섬유

강섬유는 인장응력 및 휨응력이 작용할 때 인성향상을 목 적으로 사용되는 고탄성용 강섬유(밀도 7.8 g/cm

³,

길이 13

mm,

직경 0.2 mm, 인장강도 2,500 MPa)를 사용하였으며, 콘크리트 체적에 대해 2% 비율로 혼입하였다. 일반적으로 강섬유보강 콘크리트에서는 인장보강효과와 섬유 뭉침현상 등을 고려하여 약 2% 부피비의 섬유를 혼입하여 사용하고 있다.

그림

1.

충전재의 입경에 따른 입도분포

표

2.

충전재의 물리·화학적 성질

Notation F2 F4 F8 F14 F26

Physical Properties

D₁₀ 1.1 1.5 1.9 1.9 11.6

D50 2.2 4.2 8.2 14.1 26.6

D₉₅ 5.0 11.5 22.9 52.5 60.3

D97 5.8 13.2 26.3 60.3 69.2

Bulk Density(g/cm³) 0.56 0.73 0.87 0.95 1.15 Specific Gravity 2.65 2.65 2.65 2.65 2.65

Moisture(%) below 0.1

Chemical Properties

SiO₂ 99.47 99.50 99.76 99.80 99.91

Fe2O3 0.05 0.04 0.02 0.02 0.02

Al₂O₃ 0.4 0.38 0.18 0.14 0.05

TiO2 0.04 0.04 0.02 0.02 0.01

CaO 0.01 0.01 0.006 0.004 0.003

MgO 0.009 0.007 0.004 0.003 0.002

Na₂O 0.008 0.005 0.003 0.003 0.001 K2O 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002

그림

2.

입경별 충전재의

SEM

촬영 사진

3.1.6

배합

본 연구의 실험에서 사용한 배합은 표 3과 같다. 물결합 재비는 0.2이며, 여기서 결합재는 시멘트와 실리카퓸을 의미 한다. 각 구성재료의 배합구성은 시멘트에 대한 상대질량비 로 나타내었으며, 섬유의 배합은 전체 부피에 대한 강섬유의 부피비로 표현하였다.

3.2

실험방법

충전재의 입경크기에 따른 유동성 평가는 KS L 5105에 따라 이루어졌으며, 시멘트 페이스트의 이동이 멈춘 후 퍼진 최대직경과 이에 수직한 방향의 직경을 측정하여 두 직경의 평균치를 플로우 값으로 정의하였다. 압축실험은 최대용량

5,000 kN

의 UTM을 사용하여 실험을 수행하였다.

ϕ100

mm×200 mm

크기의 원주형 공시체를 사용하였으며 제어방

법은 변위제어방식으로 하였으며, 5

με^/sec

의 재하속도로 실 험을 실시하였다. 탄성계수를 측정하기 위하여 재하방향으로

120^o

등간격으로 세 개의 LVDT를 설치하였다. 휨실험은

100 mm×100 mm×500 mm

크기의 시험체에 대해 이루어

졌으며, 중앙단면에 높이의 1/3만큼 노치를 내고 지간이 400

mm

가 되도록 하여 3점 재하방법을 사용하였고, 250 kN

UTM

을 사용하여 실험을 수행하였으며, 재하속도는 0.4

mm/min

로 하였다. 실험 시 처짐을 측정하기 위해 LVDT를

설치하였다.

충전재의 평균입경 변화에 따른 UHPC의 공극분포 측정은

AUTOPORE IV 9500

시험장비를 이용하여 수은압입법에

의해 측정하였다. 그리고 XRD 분석은 RIGAKU RINT

2200

시험장비을 이용하였으며, 시험방법은 KS M 0043에

따라 이루어졌다.

4.

실험결과

4.1

굳지 않은 상태에서의 콘크리트 특성

충전재의 입자크기에 따른 유동성 평가실험의 결과는 그림

3

과 같다. 입경이 가장 작은 F2와 F4의 경우에는 플로우 값이 약 200 mm로 비슷하게 나타났으며, 이보다 큰 입경 에 대해서는 입경이 클수록 플로우 값이 작게 나타나는 경 향을 보였다. 따라서 충전재 입경이 작을수록 유동성은 더 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

일반적으로 미세 입자들로 배합구성을 할 경우, 상대적으 로 큰 표면적을 가지므로 더 많은 배합수를 필요로 하는 것 으로 알려져 있다. 하지만 고성능감수제를 사용할 경우에는 이와 다른 양상을 보인다. 시멘트 입자는 상대적으로 큰 표 면적 때문에 더 많은 배합수를 필요로 하는 것이 아니라, 표면장력이 굵은 입자에서보다 미세 입자에서 더 크게 작용 하기 때문이다. 고성능감수제는 시멘트 입자표면에 전기적 또는 물리적 작용을 통해 표면장력을 감소시키는 역할을 하 고 배합수량은 입자간의 작용력보다는 내부밀도와 더욱 관 련성이 크게 된다. 따라서 미세입자로만 구성된 경우보다는

넓은 범위의 입경분포를 가진 입자구성에서 보다 높은 충전 밀도를 가지게 되므로 입자사이를 메울 소요수량을 감소시 킨다. Yudenfreund 등(1972a, 1972b)과 Odler 등(1972c)은 실험을 통해 이와 같은 내용을 밝힌 바 있다.

충전재에 고성능감수제를 첨가하게 되면 미세 크기의 충전 재 표면에 전기 이중층(electiric double layer)을 형성하여 충전재의 분산을 돕고 시멘트 입자 사이를 채우는데 훨씬 효과적으로 작용하게 되고, 그 결과 시멘트 페이스트의 유동 성이 증가하게 된다. Nehdi(1998)의 연구결과에 따르면 가장 조밀한 입자구성에서 작업성이 가장 좋은 것으로 나타났는데 이와 같은 결과는 흡수된 물이 공극을 메울 뿐만 아니라, 입자 주위의 흡착수층 두께를 증가시켜 점성을 감소시키고 유동 특성을 향상시키기 때문이라고 밝히고 있다.

이와 같은 기존의 연구결과는 본 연구에서 수행한 실험결 과와 잘 일치함을 확인할 수 있으며, 평균입경 4

μ^m

이하의 표

3.

배합표

(

질량비

)

Wate/Binder Cement Silica Fume Sand Filler Superplasticizer Steel Fiber(Vol.%)

Mass Ratio 0.2 1 0.25 1.1 0.3 0.018 V_f =2%

그림

3.

충전재 입경에 따른 유동성 평가

그림

4. F4

의 응력

-

변형률 곡선

입경에 대해서는 크게 차이가 없는 것으로 나타났다.

4.2

굳은 상태에서의 콘크리트 특성

표 4는 충전재의 입자크기에 따른 굳은 콘크리트의 압축 강도, 극한변형률, 탄성계수 및 휨강도 실험결과를 나타낸 것 으로, 충전재의 평균입경에 따라 각각 5개로 나누어 영향성 을 평가하였다. 그림 4는 압축실험에서 구한 응력-변형률 관 계를 F4의 경우에 대해 나타낸 것으로 파괴 시까지 거의

선형거동을 보이는 것을 알 수 있으며, 모든 실험체에서 동 일한 형태의 압축거동을 나타내었다. 그림 5는 충전재의 입 자크기와 압축강도와의 관계를 나타내며, 그림 6은 충전재 입경에 따른 극한변형률의 변화를 나타낸 것이다. 그림 5와 그림 6에서는 보는 바와 같이 압축강도와 극한변형률은 충 전재 입경에 따른 변화가 거의 동일한 경향을 보이며, F2의 경우에 압축강도 및 극한변형률이 가장 크게 나타났으며,

F4, F8

까지는 충전재 입자크기가 증가할수록 강도 및 변형

표

4.

충전재의 입자크기에 따른 실험결과

Mean Diameter

(

μ

^m)

Compressive strength (MPa)

Ultimate strain (×10⁻⁶)

Modulus of elasticity (MPa)

Flexural strength (MPa) Mean Standard

deviation Mean Standard

deviation Mean Standard

deviation Mean Standard deviation

F2 2.2 198.6 8.50 5,120 120 43,560 773 30.76 4.06

F4 4.2 186.2 6.76 4,980 105 43,260 755 27.85 3.01

F8 8.2 168.5 4.46 4,250 106 41,340 650 24.47 2.48

F14 14.1 164.6 4.75 4,420 93 40,530 675 24.71 2.16

F26 26.6 166.9 4.50 4,040 101 42,830 612 26.10 2.48

그림

5.

충전재 평균입경과 압축강도 관계

그림

6.

충전재 평균입경과 극한변형률 관계

그림

7.

충전재 평균입경과 탄성계수 관계

그림

8.

충전재 평균입경과 휨강도 관계

률이 감소하는 경향을 보이다가 그 이상의 입경에 대해서는 거의 비슷하게 나타났다. 그림 7과 그림 8은 각각 충전재의 입자크기에 따른 탄성계수와 휨강도의 변화를 보여주고 있 다. 그림 7에서는 충전재의 입경이 가장 작은 F2의 경우에 탄성계수가 가장 크게 나타나고 입경이 커질수록 그 값이 감소하는 경향을 보이다가 F26에서 다시 탄성계수가 증가하 는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 경향은 휨강도 실험결과에 서도 동일하게 나타나고 있다.

충전재의 평균입경 크기와 UHPC의 강도와의 관계를 명확 히 규명하기 위해서는 충전재의 물리적 효과와 화학적 효과 를 구분하여 파악할 필요가 있으며, 이러한 목적으로 미세구 조를 파악하기 위한 MIP와 XRD분석을 동시에 수행하였다.

표 5 및 그림 9, 10은 충전재의 평균입경 변화에 따른

UHPC

의 공극분포 측정결과를 나타낸 것이다. 표 5에서 보 는 바와 같이 공극율은 F2가 가장 작게 나타났으며, 충전재 의 입경이 커짐에 따라 증가하다 F8 이상의 입경에서는 거 의 비슷하게 나타났다. 그리고 공극의 평균입경은 사용 충전 재의 입경이 클수록 공극의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 그림 9에서 보는 바와 같이 F2에서는 입경

0.01 μm

크기의 작은 공극이 상대적으로 많은 것으로 나타

난 반면, 이 보다 큰 공극은 상대적으로 가장 작은 것으로 나타났다. 그리고 주목할 점은 약 0.02

μ^m

이상의 큰 공극 의 분포가 F8일 때가 가장 많은 것으로 나타났으며 F14의 경우는 F8과 거의 유사하게 나타났고 F26의 경우에는 더 적게 나타났다.

일반적으로 콘크리트의 강도는 밀도, 겔-공극비 또는 공극

률 등과 밀접한 관련이 있으며 약 5 nm이하의 겔공극은 강 도에 영향을 미치지 않는 반면, 약 5 nm에서 5

μ^m

크기 의 모세관 공극과 그 이상 크기의 공극이 강도와 탄성계수 에 영향을 미친다(Mehta et al., 2006). 그리고 모세관 공극 률과 콘크리트의 압축강도는 음의 상관관계를 가진다(Sersale

et al., 1991).

따라서 MIP 분석을 통해 얻은 공극분포(3

nm

이상) 및 공극률 결과는 강도시험을 통해 얻은 실험결과 와 잘 일치함을 알 수 있다.

그림 11은 각각 F2, F8 및 F26에 대한 XRD 분석 결과 를 나타낸 것이다. 피크점은 대부분 SiO

2

를 나타내며, F2와

F4

에서는 일부 Al

2O3

가 확인되었다. 이것은 앞의 표 4에서 보는 바와 같이 충전재 본래의 화학적 성분구성에 기인하는 것으로 판단된다. XRD 분석결과에 따르면 수화생성물인

Ca(OH)2

또는 에트린가이트, CSH 겔 등은 상대적으로 너무

소량이어서 확인할 수 없었다. 기 수행한 연구결과(KICT,

2005)

에 따르면 90

^oC

고온양생을 실시하기 전에는 UHPC

내에 생성된 에트린가이트, CaSO

4, Ca(OH)₂

및 CaSO

4

·

2H2O

의 피크점를 확인할 수 있었으나 고온양생 후에는 이와 같은 생성물의 피크점을 확인할 수 없었는데 이와 같은 결 과는 고온에서 수화반응 및 1차수화생성물의 포졸란반응이 활성화되어 Ca(OH)

²

및 에트린가이트 등이 소모되었기 때문 이며, 고온양생에 따른 포졸란반응 활성화는 NMR(Nuclear

Magnetic Resonance)

분석을 통해 입증하였다. 본 연구에서

충전재의 입경변화에 따른 수화생성물의 변화를 XRD분석을 통해 확인하였으나 대부분의 충전재가 비반응 상태로 존재 하고 수화생성물의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.

표

5.

충전재의 평균입경에 따른

UHPC

의

MIP

측정결과

Total Intrusion

Volume (mL/g)

Total Pore Area (m²/g)

Median Pore Dia. (

μ

m)

Average Pore

Dia. (

μ

m) Porosity (%)

F2 0.0402 5.892 0.0034 0.0273 8.5832

F4 0.0449 4.873 0.0034 0.0368 9.3358

F8 0.0571 3.667 0.0036 0.0623 11.6346

F14 0.0577 4.482 0.0036 0.0515 12.0400

F26 0.0565 2.854 0.0040 0.0791 11.5487

그림

9.

공극분포 측정 결과 그림

10.

공극율 및 공극크기의 변화

실험결과를 종합적으로 살펴보면, 충전재의 입경변화에 따 른 효과는 물리적인 충전효과가 대부분이고, 고온양생 조건 에서의 포졸란 반응의 활성화, 토버모라이트의 생성 등으로 인한 화학적 효과는 거의 없는 것으로 나타났다. 충전재는 작은 입경을 사용할수록 충전재 사용으로 인한 물리적 효과 가 절대적으로 커서 강도특성을 향상시키는 데 효과적인 것 으로 나타났다.

5.

결 론

본 연구에서는 충전재의 입경크기가 초고성능 콘크리트의 유동성 및 강도특성에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였 으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1.

충전재의 입경크기의 영향은 약 2

μ^m

에서 26

μ^m

까지의 범위에서 고려하였으며, 입경 크기가 작을수록 유동성이 향상되고 압축강도, 극한변형률, 탄성계수 및 휨강도의 강 도특성도 향상됨을 확인하였다.

2. MIP

분석을 이용하여 충전재의 물리적 효과를 정량적으로

평가하였으며, 그 결과 모세관공극 및 공극률은 충전재의 입경이 작을수록 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 공극 률이 작을수록 강도가 증가하는 상관관계를 확인하였다.

3.

충전재의 화학적 효과는 XRD 분석을 통해 확인하였으며 그 결과, 대부분의 충전재가 비반응 상태로 남아 있었으며 평균입경 변화에 따른 화학적 효과는 거의 없는 것으로 나타났다.

4.

충전재 입경크기 변화에 따른 UHPC의 유동성 및 강도실

험과 미세구조 분석결과를 종합적으로 판단할 때, 충전재 의 입경크기에 따른 UHPC의 역학적 특성 변화는 대부분 공극 충전에 의한 물리적 효과에 의한 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 2008년도 한국건설기술연구원의 기관고유사업 인 ‘하이브리드 사장교용 초고성능 콘크리트 개발’에 관한 일련의 연구로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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그림

11.

충전재의 평균입경에 따른

XRD

분석 결과

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(

접수일: 2008.2.25/심사일: 2008.4.27/심사완료일: 2008.6.27)