A Study on the Pore Structure and Compressive Strength of Concrete using Metakaolin

콘크리트工學

第26卷 第5A 號·2006年 9月 pp. 927 ~ 934

메타카올린을 사용한 콘크리트의 공극구조와 압축강도에 관한 연구

A Study on the Pore Structure and Compressive Strength of Concrete using Metakaolin

여동구*·김남욱**·송준호***·배주성****

Yeo, Dong Ku ^· Kim, Nam Wook ^· Song, Jun Ho ^· Bae, Ju Seong

···

Abstract

According to the high demand of concrete structures with high performance, various studies have examined on the high per- formance concrete, especially high strength concrete. Various admixtures are required to produce high strength concrete and sil- ica fume has been the most popular admixture. Recently, however, metakaolin, which is similar to silica fume in properties but cheaper, has been introduced to high strength concrete. This study conducted XRD and SEM analyses on a cement paste spec- imens to clarify metakaolin’s performance in pozzolan. Additionally, a concrete specimens were fabricated to analyze its pore structure using Mercury Intrusion Porosimetry and its correlation to the compressive strength. In result, it was found that the average diameter of pore reduced and compressive strength increased as more metakaolin content was added. In addition, a regression analysis of 10 nm~10 µ m pore and compression strength revealed that these two factors had a high correlation of about 0.93 and 10~15% of metakaolin replacement was most appropriate.

Keywords : metakaolin, high strength concrete, pore structure, compressive strength

···

요 지

콘크리트 구조물의 고성능화가 요구됨에 따라 고성능 콘크리트에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔으며 , ^{특히 고강도 콘크}

리트에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다 . ^{고강도 콘크리트를 제조하기 위해서는 혼화재료의 첨가가 필수적이라 할 수 있}

으며 , 지금까지는 실리카 퓸을 주로 사용하여 왔으나 , 최근에는 실리카 퓸과 대등한 성능을 가지면서 실리카 퓸보다 저가인 메타카올린을 사용한 고강도 콘크리트에 관한 연구가 많이 진행되고 있다 . 본 연구에서는 메타카올린을 사용한 고강도 콘크

리트의 특성을 규명하기 위하여 시멘트 페이스트 시험체의 XRD ^및 SEM ^{분석을 통하여 메타카올린의 포졸란 반응을 고찰}

하였고 , 콘크리트 시험체를 제작하여 수은압입법으로 공극구조를 분석하여 압축강도와의 상관성을 도출하였다 . 그 결과 , 메타 카올린의 대체율이 증가할수록 평균 공극직경은 작아지고 압축강도는 증가하는 것으로 나타났으며 , 본 연구에서는 10

nm~10 µ m 의 모세관 공극량과 압축강도와의 회귀분석 결과 이들 사이의 결정계수는 약 0.93 정도의 높은 상관성이 있었고 ,

메타카올린의 적정 대체율은 10~15% ^{로 판단된다} .

핵심용어 : 메타카올린 , 고강도 콘크리트 , 공극구조 , 압축강도

···

1. 서 론

최근 콘크리트 구조물이 고층화, 대형화 및 특수화 됨에 따라 고강도 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

이러한 고강도 콘크리트의 제조에는 재료의 선택, 배합설계 및 시공방법 등 다양한 방법들이 있으며, 그중에서도 혼화재 료의 개발 및 이를 활용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

지금까지 플라이애쉬, 고로슬래그미분말 및 실리카 퓸 등 많은 혼화재료가 개발되어 콘크리트의 성능개선에 다양하게

활용되어 왔으며, 특히 고강도 콘크리트를 제조하기 위해서 는 일반적으로 실리카 퓸을 사용하여 왔으나 가격이 비싸 경제성이 지적되고 있다. 그러나 최근 들어 실리카 퓸과 대 등한 성능을 가지면서 저가인 메타카올린을 사용하여 콘크리 트를 고강도화 하려는 연구가 주목을 받고 있다(김용태 등, 2001).

메타카올린은 균일하게 성분 조합한 카올린(kaolin)을 열처 리한 후 일정한 입도로 미분화하여 얻어진 것으로 분말도가 높고 포졸란 반응성이 뛰어나 콘크리트에 사용할 경우 콘크 *

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리트 내부를 치밀하게 하여 압축강도 및 내구성을 향상시키 는데 큰 효과가 있으나 , 초기 높은 수화열과 유동성 저하 등 단점이 있는 것으로 알려져 있다 ( 안태호 등 , 2002).

본 연구에서는 메타카올린을 사용한 고강도 콘크리트의 특 성을 규명하고 메타카올린의 적정 대체율을 파악하기 위하 여 시멘트 사용중량의 5%, 10%, 15% 및 20% 를 메타카올 린으로 사용한 시멘트 페이스트와 보통포틀랜드시멘트 페이

스트의 XRD 및 SEM 분석을 통하여 메타카올린의 포졸란

반응을 고찰하였다 . 또한 초기 수화열 저감을 위하여 플라이 애쉬를 추가로 혼입한 콘크리트 시험체를 제작하여 ( 이상호 등 , 2005) 재령 7 일 , 28 일 및 56 일의 압축강도를 측정하였 으며 , 수은압입법으로 메타카올린이 콘크리트 매트릭스의 공 극구조에 미치는 영향을 분석하여 공극량 및 크기에 따른 압축강도와의 상관관계를 도출하였다 .

2. 콘크리트의 공극구조

콘크리트의 공극은 물이 차지하는 공극과 배합 시 공기가 연행되어 발생되는 기포로 분류한다 . ^{그 중 물이 차지한 공}

극은 시멘트 수화물에 의하여 그 크기가 계속 작아져 일반

적으로 겔 공극과 모세관 공극으로 분류된다 .

Table 1 은 Uchikawa 의 연구를 정리한 것으로 콘크리트 내부의 공극구조는 강도뿐만 아니라 내구성에도 깊은 영향 을 미침을 알 수 있다 (Uchikawa, 1990). Daimon 은 1.2 nm 이하를 층간 공극 (intracrystalite pore) 이라 하여 시멘트 수화물의 층간 공극에 해당한다고 하였다 (Daimon, 1991).

Metha 는 5 nm 이하를 겔 공극 , 5~100 nm 의 공극을 모세관 공극으로 분류하였으며 , 모세관 공극을 다시 5~50 nm 의 마

이크로 공극과 50~100 nm 의 매크로 공극으로 분류하였는데 ,

마이크로 공극은 시멘트 경화체의 건조수축 및 크리프에 영 향을 크게 미치며 , 매크로 공극은 강도와 이온의 침투성에 큰 영향을 미치는 것으로 보고하였다 .(Metha 등 , 1993) 마

지막으로 Mindess 는 콘크리트 수화물의 형성과 관련한 공극

평가를 제시하고 있으며 , 10 nm 이하를 겔 공극 , 10 nm~

10 µ m 를 모세관 공극으로 분류하였다 (Mindess 등 , 2003).

이처럼 공극크기의 분류는 연구자에 따라 다르지만 공극의 크기분포는 콘크리트의 물성에 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다 .

본 연구에서는 수은압입법 시험을 통해 측정되는 데이터 내에서 콘크리트의 겔 공극과 모세관 공극의 변화를 살펴보

기 위해 Mindess 의 분류기준을 적용하여 수은압입법의 한계

값인 3.0 nm 부터 10 nm 의 범위를 겔 공극 , 10 nm~10 µ m 를 모세관 공극으로 정의 하였으며 , 이들의 공극량과 총 공극량 ,

Uchikawa 와 Metha 가 압축강도에 영향을 미친다고 제시한

5 nm~2 µ m 의 공극량 , 50~100 nm 공극량 , 수은압입법 시험 결과에 따른 3 nm~30 nm 의 공극량 , 30 nm~10 µ m 의 공극 량 및 평균 공극직경과 압축강도와의 상관성을 도출하였다 . 3. 사용재료 및 배합

3.1 골재

본 연구에서 잔골재는 하천사를 , 굵은골재는 최대치수 25 mm 의 쇄석을 사용하였으며 이들의 물리적 특성은 Table 2

와 같다 .

3.2 시멘트 및 혼화재료

시멘트는 H 사의 1 종 보통포틀랜드시멘트 (OPC) 와 혼화재

Table 1. Summary of relationship between pore sizes and properties (Uchikawa, 1990)

properties factors

strength

pore size 5 nm~2 µ m increase: getting worse

30 µ m~1 mm increase: getting worse

freezing and thawing resistance

pore size 2 nm~6 nm increase: getting better

100 nm~1 µ m increase: getting worse

10 µ m~90 µ m increase: getting better

permeability of gas

pore size

several hundreds nm or over increase: getting better

volume of paste parts increase: getting worse permeability of ion total pore volume

increase: getting larger gel pore increase: getting smaller drying shrinkage

and creep

pore size 6 nm~60 nm increase: getting larger hydrates (C-S-H, C-A-H)

increase: getting larger

Table 2. Physical properties of aggregates aggregates density

(g/cm

) absorption

(%) max. size

(mm) F.M

fine aggregate 2.53 1.31 - 2.80

coarse aggregate 2.64 0.63 25 6.66

Table 3. Chemical composition and properties of materials

kinds composition (%) density

(g/cm

) blaine (cm

/g)

SiO

Al

O

Fe

O

TiO

CaO MgO Na

O+K

O

cement 21.4 5.1 2.99 0.32 64.0 1.6 0.79 3.15 3,360

fly ash 49.5 27.9 7.82 0.82 2.00 2.03 5.20 2.23 3,327

metakaolin 52.1 45.3 0.60 1.64 0.05 - 0.37 2.50 150,000

로 메타카올린 및 플라이애쉬를 사용하였으며 , ^{이들의 화학}

성분 및 특성은 Table 3 과 같다 .

3.3 배합

모든 콘크리트의 설계기준강도는 60 MPa 로 설정하였으며 ,

슬럼프는 15 ± 2 cm, 공기량은 3.0 ± 1.0% 로 일정하게 유지하 였다 . 또한 물 - 결합재비는 30%, 잔골재율을 40% 로 설정하였 다 . 혼화재료의 경우 , 메타카올린은 시멘트 사용중량의 5%, 10%, 15% 및 20% 를 대체하였으며 , 플라이애쉬는 결합재 중량 의 20% 를 일정하게 혼입하였다 . 또한 목표 슬럼프와 공기량 을 확보하기 위하여 소정의 PNS 계 고성능 AE 감수제

(HRMR) 를 사용하였으며 , 콘크리트의 배합표는 Table 4 와 같다 .

4. 시험방법

4.1 XRD 및 SEM 분석

메타카올린의 포졸란 반응을 분석하기 위하여 보통포틀랜

드시멘트 페이스트 (OPCP) 와 메타카올린을 각각 5%, 10%,

15% ^및 20% ^{사용한 시멘트 페이스트 시험체} (MK05P,

MK10P, MK15P, MK20P) 를 제작하여 XRD 및 SEM 분 석을 실시하였다 .

XRD(X-ray diffractometer) 분석은 Riguku D/MAX 2200

을 이용하였으며 2 θ , 10~40

까지 측정하였다 .

SEM(Scannng Electron Microscope) 분석은 JSM-6400 을

이용하여 OPCP 와 메타카올린을 사용한 시멘트 페이스트의

내부 형상을 확인하였다 .

4.2 압축강도 시험

콘크리트의 압축강도는 φ 100 × 200 mm 원주형 시험체를 제 작하여 온도 20 ± 2

C 의 수조에서 수중양생한 후 재령 7 일 , 28 ^{일 및} 56 ^일에 KS F 2405 ^{에 따라 실시하였다} .

4.3 수은압입법 시험

본 연구에서는 콘크리트의 공극구조를 분석하기 위하여 수 은압입법 (Mercury Intrusion Porosimetry : M.I.P) ^{을 이용하였}

으며 , 수은은 60 kpsi 까지 압입하였으며 공극 직경은 3 nm~

1 × 10

nm 까지 측정하였고 수은 접촉각은 130.0

로 하였다 .

시험편은 수중 양생한 재령 7 일 , 28 일 및 56 일 콘크리트

시험체를 파쇄한 후 ASTM D 4284 ^{에 의거 굵은 골재를 제}

외한 모르타르 부분 약 2.5 g 정도를 채취하여 105 ℃로 항량 건

조시킨 후 사용하였으며 , ^{수은의 압력과 압입량으로 부터 공}

극을 원통형으로 가정하고 식 (1) 로부터 공극의 직경을 산정 하였다 .

(1)

여기서 , φ : 공극의 직경 (cm)

P : 적용 압력 (kgf/cm

)

γ : ^표면장력 (dyne/cm)

θ : 접촉각 (radian)

한편 , 공극이 원통형이라 가정하면 총 표면적 (S

) 과 총 체적

(V

) ^{의 관계로부터 공극의 평균직경} (D

) ^{은 식} (2) ^{와 같다} . (2) 5. 시험결과 및 고찰

5.1 XRD 및 SEM 분석

재령 7 일 및 28 일의 각 시험체에 대한 XRD 분석결과는 각각 Fig. 2 와 Table 5 및 Fig. 3 과 Table 6 과 같다 .

메타카올린의 대체율이 증가할수록 수산화칼슘 (C-H) 의 결 정피크는 점점 감소하였으며 , 칼슘실리케이트 수화물 (C-S-H)

및 칼슘알루미네이트 수화물 (C-A-H) 의 결정피크는 증가하였 다 . 이러한 현상은 시멘트 성분 중 CaO 의 Ca

가 H

O 와 반응하여 초기재령에서 C-H 를 생성하고 , 생성된 C-H 는 메 타카올린의 주성분인 SiO

및 Al

O

와 반응하여 재령의 경 과에 따라 C-S-H 및 C-A-H 를 생성한 것으로 판단된다 . 따 라서 메타카올린의 대체율이 증가할수록 시멘트 페이스트 내

φ – 4 ^{⋅ ⋅ γ} cos θ --- P

=

D

4 V

S

---

=

Table 4. Mixing proportions of concretes

specimens W/B

(%) S/a

(%)

unit weight (kg/m

)

binder W S G HRMR

C FA MK

OPCC 30 40 464 116 0 174 603 943 10.9

MK05C 30 40 435 116 29 174 600 940 11.2

MK10C 30 40 406 116 58 174 598 936 11.6

MK15C 30 40 377 116 87 174 595 932 11.9

MK20C 30 40 348 116 116 174 593 928 12.4

Fig. 1 View of M.I.P apparatus

부에 SiO

와 Al

O

성분이 증가하여 포졸란 반응이 활발히 진행될 것으로 판단되나, 본 연구의 경우 메타카올린 대체율 이 15% 이상에서는 C-S-H 및 C-A-H 결정피크의 증가율이 대체율 10%인 경우에 비해서 둔화된 것으로 나타났다. 또한 재령 7일과 28일의 XRD 분석 결과가 유사함을 확인할 수 있는데, 이는 메타카올린의 포졸란 반응이 7일 이전에 거의

완료되었기 때문이라고 판단된다.

한편 재령 28일의 OPCP 및 MK10P의 표면을 SEM 촬 영한 결과는 각각 Fig. 4 및 Fig. 5와 같다. XRD 분석결 과와 마찬가지로 OPCP에서는 수화생성물인 C-H 결정을 확 인할 수 있었고, MK10P에서는 포졸란 반응으로 생성된 수 화물을 확인할 수 있었으며, OPCP보다 공극이 많이 충진 된 것으로 나타났다.

이상과 같은 XRD 및 SEM 분석결과 메타카올린 대체 시 메타카올린의 높은 분말도와 포졸란 반응이 콘크리트 매 트릭스의 공극을 감소시켜 조직을 치밀하게 함으로써 콘크 리트를 고강도화 하는 것으로 판단된다.

5.2 압축강도 시험

메타카올린 대체율과 재령에 따른 압축강도는 Fig. 6에 나 타내었다. 메타카올린을 사용한 콘크리트의 압축강도는 OPCC와 비교했을 때 초기강도의 발현이 커 재령 7일에서 MK20C의 경우 약 58 MPa 정도로 OPCC의 28일 강도수 준을 나타냈으나, 재령 28일 이후의 강도 증진율은 크게 둔 화되었는데 이는 초기에 포졸란 반응이 활발히 진행되었기 때문인 것으로 판단된다.

한편, 메타카올린의 대체율이 증가할수록 전반적으로 압축 강도가 증가하였으나 그 증가량은 메타카올린 대체율 15%

이상에서는 현저히 둔화됨을 알 수 있었다. 이는 메타카올린 의 대체율이 증가할수록 시멘트의 수화생성물인 C-H의 양은 상대적으로 작아지고 메타카올린의 주성분인 SiO

및 Al

O

양은 늘어나게 되므로 대체량에 비해 포졸란 반응이 상대적 으로 적게 나타난 현상으로 판단된다. 따라서 이와 같은 결 과로부터 압축강도의 증진에서는 메타카올린의 적정 대체율

Fig. 2 XRD analysis of cement pastes (7days) Table 5. Intensity of cement pastes (7days)

types C-H C-S-H C-A-H

OPCP 787 458 430

MK05P 534 540 474

MK10P 352 588 523

MK15P 275 595 552

MK20P 218 610 567

Fig. 3 XRD analysis of cement pastes (28days) Table 6. Intensity of cement pastes (28days)

types C-H C-S-H C-A-H

OPCP 740 467 497

MK05P 580 530 517

MK10P 397 580 558

MK15P 305 630 577

MK20P 220 653 593

Fig. 4 SEM image of OPCP

Fig. 5 SEM image of MK10P

은 10~15% 정도로 판단된다 .

5.3 수은압입법 시험

각 시험체의 재령별 수은압입법에 의한 분석결과 값은 각 각 Table 7, Table 8 및 Table 9 와 같고 이들을 각각 Fig.

7, Fig. 8 및 Fig. 9 에 나타내었다 . 이들 결과로부터 메타카 올린의 대체율 및 재령이 증가할수록 공극크기가 30 nm 이 상에서는 공극량이 감소하였고 , ^{그 이하에서는 공극량이 증}

가하는 경향을 보였다 . 이러한 현상은 메타카올린의 높은 분

말도 및 포졸란 반응으로 인해 30 nm 이상의 거대공극이

30 nm 이하의 여러 개의 작은 공극으로 분산되고 , 포졸란

반응물로 인해 충진된 것으로 판단된다 .

한편 , MK15C 와 MK20C 의 공극분포가 거의 유사하게 나

타나 메타카올린을 15% 이상 대체할 경우 콘크리트 매트릭 스의 공극분포에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다 .

이러한 현상은 압축강도에서 나타난 대체율이 15% 이상인 경우 압축강도의 증가량이 현저히 떨어지는 현상과 상관성 이 있음을 알 수 있었다 .

각 표로부터 총 공극량은 메타카올린의 대체율 증가에 따른 큰 변화는 없었고 , 콘크리트의 재령이 증가할수록 감소하는 경 향을 나타낸다 . 이는 위에서 언급한 거대기공의 미세기공화 현 상으로 인해 총 공극량의 변화는 없음을 알 수 있었다 .

다음으로 3~10 nm 의 겔 공극량과 3~30 nm 공극량은 메 타카올린의 대체율이 증가할수록 증가하였으나 , 재령과는 큰 상관성을 보이지 않았다 . 이는 겔 공극은 포졸란 반응물의 층간구조로 이루어지기 때문에 대체율이 증가할수록 포졸란 반응량이 많아져 증가하게 되나 , 재령 7 일 이전에 포졸란 반응이 거의 이루어져 재령과는 상관성이 미비한 것으로 나

타났다 . 이러한 현상은 XRD 분석 결과와 일치하였다 .

또한 10 nm~10 µ m 의 모세관 공극량과 5 nm~2 µ m 의 공 극량 , 50~100 nm 공극량 및 30 nm~10 µ m 의 공극량은 메 타카올린의 대체율 및 재령의 증가에 따른 감소현상이 비교 적 일정함을 확인할 수 있었다 . 이러한 현상은 압축강도 결 과와 일치하므로 이 범위의 공극크기에서의 공극량이 메타 카올린을 사용한 콘크리트의 압축강도에 상당한 영향을 미 치고 있는 것으로 판단된다 .

Fig. 6 Results of compressive strength Fig. 7 M.I.P analysis (7days)

Table 7. Pore analysis result of concretes (7days) types

factors OPCC MK05C MK10C MK15C MK20C

total pore volume (ml/g) 0.0948

(111.5) 0.0989

(116.4) 0.0855

(100.6) 0.0962

(113.2) 0.0900

(105.9) gel pore volume (ml/g) 0.0073

(59.3) 0.0085

(69.1) 0.0100

(81.3) 0.0197

(160.2) 0.0228

(185.4) capillary pore volume (ml/g) 0.0875

(120.5) 0.0905

(124.7) 0.0755

(104.0) 0.0764

(105.2) 0.0671

(92.4) 5 nm~2 µ m pore volume (ml/g) 0.0904

(117.6) 0.0925

(120.3) 0.0798

(103.8) 0.0857

(111.4) 0.0775

(100.8) 50~100 nm pore volume (ml/g) 0.0237

(230.1) 0.0230

(223.3) 0.0087

(84.5) 0.0046

(44.7) 0.0027

(26.2) 3~30 nm pore volume (ml/g) 0.0231

(82.2) 0.0267

(95.0) 0.0343

(122.1) 0.0572

(203.6) 0.0659

(234.5) 30 nm~10 µ m pore volume (ml/g) 0.0716

(125.8) 0.0722

(126.9) 0.0512

(90.0) 0.0390

(68.5) 0.0240

(42.2) average pore dia. (nm) 32.1

(145.2) 29.4

(133.0) 22.7

(102.7) 15.2

(68.8) 13.0

(58.8)

Fig. 8 M.I.P analysis (28days) Fig. 9 M.I.P analysis (56days)

Table 8. Pore analysis result of concretes (28days)

types

factors OPCC MK05C MK10C MK15C MK20C

total pore volume (ml/g) 0.0850

(100.0) 0.0827

(97.3) 0.0790

(92.9) 0.0897

(105.5) 0.0826

(97.2) pore volume (ml/g) gel 0.0123

(100.0) 0.0172

(139.8) 0.0183

(148.8) 0.0272

(221.1) 0.0304

(247.2) capillary pore volume (ml/g) 0.0726

(100.0) 0.0655

(90.2) 0.0608

(83.7) 0.0625

(86.1) 0.0523

(72.0) 5 nm~2 µ m pore volume (ml/g) 0.0769

(100.0) 0.0714

(92.8) 0.0681

(88.6) 0.0739

(96.1) 0.0677

(88.0) 50~100 nm pore volume (ml/g) 0.0103

(100.0) 0.0034

(33.0) 0.0035

(34.0) 0.0023

(22.3) 0.0017

(16.5) 3~30 nm pore volume (ml/g) 0.0281

(100.0) 0.0406

(144.5) 0.0454

(161.6) 0.0644

(229.2) 0.0688

(244.8) 30 nm~10 µ m pore volume (ml/g) 0.0569

(100.0) 0.0421

(74.0) 0.0336

(59.1) 0.0253

(44.5) 0.0138

(24.3)

average pore dia. (nm) 22.1

(100.0) 16.9

(76.5) 15.2

(68.8) 12.1

(54.8) 10.4

(47.1)

Table 9. Pore analysis result of concretes (56days)

types

factors OPCC MK05C MK10C MK15C MK20C

total pore volume (ml/g) 0.0815

(95.9) 0.0816

(96.0) 0.0813

(95.6) 0.0800

(94.1) 0.0675

(79.4) pore volume (ml/g) gel 0.0103

(83.7) 0.0152

(123.6) 0.0161

(130.9) 0.0254

(206.5) 0.0217

(176.4) capillary pore volume (ml/g) 0.0712

(98.1) 0.0664

(91.5) 0.0652

(89.8) 0.0547

(75.3) 0.0459

(63.2) 5 nm~2 µ m pore volume (ml/g) 0.0731

(95.1) 0.0711

(92.5) 0.0731

(95.1) 0.0660

(85.8) 0.0600

(78.0) 50~100 nm pore volume (ml/g) 0.0064

(62.1) 0.0030

(29.1) 0.0041

(39.8) 0.0020

(19.4) 0.0020

(19.4) 3~30 nm pore volume (ml/g) 0.0282

(100.0) 0.0407

(144.8) 0.0514

(182.9) 0.0619

(220.3) 0.0523

(186.1) 30 nm~10 µ m pore volume (ml/g) 0.0533

(93.7) 0.0409

(71.9) 0.0298

(52.3) 0.0182

(32.0) 0.0153

(26.9)

average pore dia. (nm) 23.8

(107.7) 16.5

(74.7) 15.5

(70.1) 11.3

(51.1) 11.4

(51.6)

마지막으로, 평균 공극직경은 메타카올린의 대체율에 따른 감소현상이 뚜렷하게 나타났다. 이러한 현상은 평균 공극직 경이 콘크리트 혼화재의 분말도에 의해 좌우되는 것으로 추 정된다.

이상의 결과로부터 메타카올린을 사용한 콘크리트의 공극 구조가 상당히 개선이 됨을 확인할 수 있었으며, 대체율이 15% 이상일 경우에는 콘크리트의 공극구조 개선정도가 미비

하게 나타나 콘크리트의 공극구조 개선에 요구되는 적정 대 체율은 10~15% 정도로 추정된다.

5.4 공극구조와 압축강도의 상관관계

본 연구에서 분류한 각 공극량 및 평균 공극직경과 압축 강도와의 상관도는 Fig. 10과 같다. 회귀분석 결과 각각의 결정계수를 알아보면 총 공극량-압축강도의 결정계수는 약

Fig. 10 Correlation with compressive strength and pore structure

0.75, 겔 공극량 - 압축강도의 결정계수는 약 0.76, 모세관 공 극량 - 압축강도의 결정계수는 약 0.93, 5 nm~2 µ m 의 공극량 -

압축강도의 결정계수는 약 0.89, 50~100 nm 의 공극량 - 압축 강도의 결정계수는 약 0.86, 3~30 nm 의 공극량 - 압축강도의 결정계수는 약 0.68, 30 nm~10 µ m 의 공극량 - 압축강도의 결

정계수는 약 0.87, 마지막으로 평균 공극직경과 압축강도 사

이의 결정계수는 0.87 로 나타났다 . 이들 결정계수로부터 메 타카올린을 사용한 콘크리트의 강도발현 원인이 기존 연구 자들이 제시했던 압축강도에 영향을 주는 특정 공극직경의 공극량이 줄어들어 발현되는 원인 보다는 메타카올린의 높

은 분말도 및 포졸란 반응물로 인하여 10 nm~10 µ m 의 모

세관 공극량이 전체적으로 감소되어 콘크리트가 고강도화 된 것으로 판단된다 .

이상과 같은 결과로 메타카올린을 사용할 경우 콘크리트의 공극구조가 개선되어 압축강도가 증진되는데 , 특히 10

nm~10 µ m 의 모세관 공극이 압축강도에 미치는 영향이 가장

큰 것으로 판단된다 . 6. 결 론

본 연구에서는 메타카올린의 대체율에 따른 콘크리트의 공 극구조와 압축강도의 상관성을 규명하기 위하여 XRD,

SEM, 수은압입법 분석 및 압축강도 시험을 실시하였으며 ,

그 결과를 비교분석하여 얻은 결론은 다음과 같다 .

1. XRD 및 SEM 분석결과로부터 메타카올린이 일반보통포

틀랜드시멘트 페이스트의 포졸란 반응을 활성화시켜 압축 강도 증진에 효과적임을 알 수 있었다 .

2. 메타카올린의 대체율이 증가할수록 콘크리트의 압축강도 가 증가되었으나 , 대체율이 15% 이상일 경우에는 압축강 도의 증가량이 미비한 것으로 나타나 압축강도 증진을 위

한 적정 대체율은 10~15% ^{정도로 판단된다} .

3. 수은압입법 시험결과 메타카올린의 대체율에 따라 콘크리 트 매트릭스의 공극구조가 개선됨을 확인할 수 있었으며 ,

대체율이 15% 이상일 경우에는 그 개선정도가 미비한 것

으로 나타나 공극구조 개선을 위한 적정 대체율은

10~15% 정도로 판단된다 .

4. 각종 공극량 및 공극크기와 압축강도와의 상관성을 분석

한 결과 , 10 nm~10 µ m 의 모세관 공극량과 압축강도와의

결정계수가 약 0.93 으로 가장 높은 상관성을 나타내었다 .

따라서 콘크리트의 고강도화를 위한 메타카올린의 적정 대 체율은 시멘트 사용중량의 10~15% 로 판단되며 , 메타카올린 을 사용한 콘크리트에서는 10 nm~10 µ m 의 모세관 공극량이 압축강도에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다 .

참고문헌

김용태 , 안태호 , 강범구 , 이정율 , 김병기 (2001) 콘크리트 혼화재료 로서의 메타카올린의 기초적인 특성 연구 , ^{한국콘크리트학회}

가을 학술발표회 논문집 , pp. 281-286.

문한영 , 김홍삼 , 최두선 (2003) 콘크리트 종류별 모세관공극 특성 과 전위차 염소이온 확산계수 대한토목학회논문집 , 대한토목 학회 , ^제 23 ^{권 제} 5A ^호 , pp. 969-976.

안태호 , ^김용태 , ^김병기 (2002) [ ^문헌조사 ] ^{시멘트 콘크리트 혼화}

재료로서의 메타카올린 응용 가능성 , ^{한국콘크리트학회지} ,

한국콘크리트학회 , Vol. 14, No. 4, pp. 118-127.

원종필 , 권연성 , 이존자 (2002) 고반응성 메타카올린을 사용한 고 성능 콘크리트의 특성 , 한국콘크리트학회 논문집 , ^{한국콘크리}

트학회 , 제 14 권 제 3 호 , pp. 349-356.

이상호 , 문한영 (2005) Metakaolin 혼합 고강도 콘크리트의 내구 특성 예측 , 한국구조물진단학회 논문집 , 한국구조물진단학회 ,

제 9 ^{권 제} 2 ^호 , pp. 173-180.

Yang, C.C., Cho, S.W., and Wang, L.C. (2006) The relationship between pore structure and chloride diffusivity from ponding test in cement-based materials, Materials Chemistry and Phys- Curcio, F., DeAngelis, B.A., and Pagliolico, S. (1998) Metakaolin ics.

as a pozzolanic microfiller for high-performance mortars, Cement and Concrete Research 29, pp. 997-1004.

Daimon, M. (1991) Journal of American Ceramic Society, Vol. 60, No. 3-4, pp. 110-114.

Moulin, E., Blanc, P., and Sorrentino, D. (2001) Influence of key cement chemical parameters on the properties of metakaolin blended cements, Cement Concrete Composites, 23, pp. 463- Saikia, N.J., Sengupta, P., Gogoi, P.K., and Borthakur, P.C. (2002) 469.

Cementitious of metakaolin-normal Portland cement mixture in the presence of petroleum effluent treatment plant sludge, Cement and Concrete Research 32, pp. 1717-1724.

Metha, P. K. and Moteiro, P. J. M. (1993) Concrete; structure, prop- erties, and materials, 2nd Ed. Prentice Hall.

Mindess, S., Young, J.F. and Darwin, D. (2003) concrete, Prentice Hall, New Jersey.

Uchikawa, H (1990) Gypsum and Lime, No. 229, pp. 497-505.

( ^접수일 : 2006.4.26/ ^심사일 : 2006.5.29/ ^{심사완료일} : 2006.6.21)