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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 강릉원주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수20
이 논문의 연구 히스토리 (3)
2021
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콘크리트를 구성하는 배합 재료 중 물은 중요한 요소이다. 물은 콘크리트의 유동성, 강도 발현 등에 많은 영향을 주고 있으며, 시멘트 수화 반응에 필수적으로 필요하다. 특히, 콘크리트 내부에 존재하는 물은 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성 확보와 밀접한 관련성을 갖고 있다. 따라서 콘크리트 내부의 물을 조절할 수 있다면 콘크리트의 역학적 성능과 내구성 개선에 큰 도움이 될 수 있다.
최근, 콘크리트 내부의 수분을 주변 환경에 따라 조절할 수 있는 혼화재료로 고흡수성 폴리머(Superabsorbent polymer, 이하 SAP)가 주목 받고 있다. SAP은 주변의 물을 흡수하여 내부에 저장할 수 있는 고분자 화합물로 자체 중량의 약 100∼400배의 물을 흡수하고 다양한 크기와 형태로 제조가 가능한 것으로 알려져 있다. SAP은 물을 흡수하여 팽창하였다가 건조한 환경이 되면 물을 방출하면서 수축하여 원래 상태로 돌아가는 특성을 가지고 있다.
본 연구는 SAP을 콘크리트의 혼화재료로 사용하기 위한 기초 연구로 SAP의 수분 흡수력 특성 및 SAP이 모르타르의 특성, 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성에 미치는 영향에 대해 평가해 보았다.
첫 번째로 SAP의 수분 흡수력을 측정하였다. 보완된 티백 방법, 여과 방법, 탈수 방법으로 실내 실험에서의 수분 흡수력을 측정하였고, 모르타르 플로 시험을 통하여 측정된 실제 배합 환경에서의 흡수력과 비교해 보았다. 또한, pH 환경에 따른 흡수력을 평가하기 위해 표준 완충 용액(pH 7, pH 11, pH 13)과 시멘트 여과수(pH 12.8)를 사용하였다.
실험결과에 따르면, 탈수 방법이 가장 낮은 수분 흡수력을 나타내었다. 수분을 흡수한 SAP은 강한 화학적 결합으로 인해 물리적인 외부 압력으로는 내부의 물이 쉽게 방출되지 않는다. 따라서 탈수 방법이 SAP의 표면수를 가장 효율적으로 제거하여 가장 낮은 수분 흡수력을 나타낸 것으로 판단된다. pH가 증가할수록 흡수력이 감소하는 경향을 나타냈으며, 시멘트 여과수에서 가장 낮은 흡수력을 나타내어 고 알칼리 환경에서 흡수력이 크게 감소하는 것을 확인하였다. 모르타르 플로 값을 통하여 계산된 SAP의 흡수력은 3.3∼4.4배로 나타났다. 이 값은 시멘트 여과수의 흡수력(SAP-B, 탈수 방법)에 비해 16.8∼22.4% 수준으로 나타나, 실내 실험에서의 흡수력과 큰 차이가 있었다. 이는 SAP 주변에 흡수 가능한 물의 양에 큰 차이가 있었기 때문이다. 따라서 모르타르 플로 값을 이용한 수분 흡수력이 실제 배합 환경을 반영한 것으로 판단되며, 실내 실험(탈수 방법)을 통하여 간접적으로 흡수력을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
두 번째로 SAP에 의한 내부 양생 효과와 SAP 공극에 의한 영향을 평가하기 위해 모르타르의 강도 특성 및 동결 융해 저항성을 평가하였다. 이 때, SAP의 내부 양생 효과를 평가하기 위해 양생 조건을 수중 양생과 기중 양생으로 구분하여 실시하였다.
실험결과에 따르면, 수중 양생의 경우 모르타르의 압축 강도와 휨 강도는 SAP 혼입률이 증가할수록 소폭 감소하였으며, 기중 양생의 경우는 강도가 증가하는 경향이 나타났다. SAP의 혼입으로 인한 강도의 증가 및 감소는 공극의 증가로 인한 강도의 감소와 내부 양생 효과로 인한 강도의 증가에 의해 결정될 수 있다. 모르타르의 동결 융해 저항성은 기준 배합과 큰 차이 없이 나타났다. 수중 양생은 유효 물-시멘트 비 감소와 수중 양생으로 강도가 발현되어 내부의 SAP이 동결 융해 시험 시 팽창압에 의한 영향을 크게 받지 못한 것으로 판단된다.
세 번째로 SAP이 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 이 때, SAP 혼입으로 인한 시공성 저하를 방지하고 추가 배합수의 영향을 배제하기 위해 감수제를 사용하였다. 또한 SAP과 AE제를 각각 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성을 평가하여 SAP이 콘크리트에 미치는 영향에 대해 평가하였다. SAP의 내부 양생 효과를 평가하기 위해 양생 조건은 수중 양생과 봉함 양생으로 구분하여 실시하였다.
실험결과에 따르면, SAP 혼입률이 증가할수록 시공성 확보를 위한 감수제 사용량은 증가하였으며, 시공성 확보가 가능한 SAP의 최대 혼입률은 1.5% 이하인 것으로 판단된다. SAP이 혼입된 콘크리트의 압축 강도는 혼입률 1.5%가 가장 큰 압축 강도를 나타냈으며, 1.5% 이상의 혼입은 봉함 양생이 수중 양생보다 큰 압축 강도를 나타냈다. 유효 물-시멘트 비 감소와 내부 양생 효과, SAP 공극 증가가 압축 강도에 영향을 준 것으로 판단된다. 동결 융해 저항성 측정 결과, SAP을 1.0∼1.5% 혼입하면 AE제를 혼입한 경우와 유사하게 동결 융해 저항성이 개선되었다. SAP이 콘크리트 내부에서 공극을 형성하고, 이 공극이 연행공기 역할을 하여 동결 융해 저항성을 개선시킨 것으로 판단된다. SAP을 혼입하면 300㎛ 이하의 공극이 기준 배합보다 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 사용된 SAP이 콘크리트 내부에서 약 3배 정도 팽창하여
300㎛ 수준의 공극을 증가시켰기 때문인 것으로 판단된다. SAP의 혼입률이 증가할수록 건조수축은 감소하는 경향을 나타냈다. SAP 혼입률 2.0%의 경우, 물-시멘트 비에 따라 기준 배합 대비 약 30∼40% 정도 감소하였다. 이는 SAP의 혼입으로 인한 유효 물-시멘트 비 감소, 자기수축 감소, 콘크리트 내부의 상대습도에 의한 영향이 복합적으로 작용하여 건조수축이 감소한 것으로 판단된다. 염화물 침투 저항성 측정 결과, SAP이 혼입되면 기준 배합보다 확산계수가 감소하였다. SAP의 내부 양생 효과에 의해 내부 조직의 수밀성이 개선되어 염화물 침투 저항성이 개선되는 것으로 판단된다.
감수제를 사용하여 시공성을 확보한 SAP 혼입 콘크리트는 유효 물-시멘트 비 감소와 내부 양생 효과로 역학적 특성 및 내구성이 개선되었으며, 낮은 물-시멘트 비에서 더 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 SAP은 콘크리트의 혼화재료로 사용가능하며, 물-시멘트 비, SAP 입자 크기, 혼입률 등을 고려하여 사용하여야 한다.
최근, 콘크리트 내부의 수분을 주변 환경에 따라 조절할 수 있는 혼화재료로 고흡수성 폴리머(Superabsorbent polymer, 이하 SAP)가 주목 받고 있다. SAP은 주변의 물을 흡수하여 내부에 저장할 수 있는 고분자 화합물로 자체 중량의 약 100∼400배의 물을 흡수하고 다양한 크기와 형태로 제조가 가능한 것으로 알려져 있다. SAP은 물을 흡수하여 팽창하였다가 건조한 환경이 되면 물을 방출하면서 수축하여 원래 상태로 돌아가는 특성을 가지고 있다.
본 연구는 SAP을 콘크리트의 혼화재료로 사용하기 위한 기초 연구로 SAP의 수분 흡수력 특성 및 SAP이 모르타르의 특성, 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성에 미치는 영향에 대해 평가해 보았다.
첫 번째로 SAP의 수분 흡수력을 측정하였다. 보완된 티백 방법, 여과 방법, 탈수 방법으로 실내 실험에서의 수분 흡수력을 측정하였고, 모르타르 플로 시험을 통하여 측정된 실제 배합 환경에서의 흡수력과 비교해 보았다. 또한, pH 환경에 따른 흡수력을 평가하기 위해 표준 완충 용액(pH 7, pH 11, pH 13)과 시멘트 여과수(pH 12.8)를 사용하였다.
실험결과에 따르면, 탈수 방법이 가장 낮은 수분 흡수력을 나타내었다. 수분을 흡수한 SAP은 강한 화학적 결합으로 인해 물리적인 외부 압력으로는 내부의 물이 쉽게 방출되지 않는다. 따라서 탈수 방법이 SAP의 표면수를 가장 효율적으로 제거하여 가장 낮은 수분 흡수력을 나타낸 것으로 판단된다. pH가 증가할수록 흡수력이 감소하는 경향을 나타냈으며, 시멘트 여과수에서 가장 낮은 흡수력을 나타내어 고 알칼리 환경에서 흡수력이 크게 감소하는 것을 확인하였다. 모르타르 플로 값을 통하여 계산된 SAP의 흡수력은 3.3∼4.4배로 나타났다. 이 값은 시멘트 여과수의 흡수력(SAP-B, 탈수 방법)에 비해 16.8∼22.4% 수준으로 나타나, 실내 실험에서의 흡수력과 큰 차이가 있었다. 이는 SAP 주변에 흡수 가능한 물의 양에 큰 차이가 있었기 때문이다. 따라서 모르타르 플로 값을 이용한 수분 흡수력이 실제 배합 환경을 반영한 것으로 판단되며, 실내 실험(탈수 방법)을 통하여 간접적으로 흡수력을 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
두 번째로 SAP에 의한 내부 양생 효과와 SAP 공극에 의한 영향을 평가하기 위해 모르타르의 강도 특성 및 동결 융해 저항성을 평가하였다. 이 때, SAP의 내부 양생 효과를 평가하기 위해 양생 조건을 수중 양생과 기중 양생으로 구분하여 실시하였다.
실험결과에 따르면, 수중 양생의 경우 모르타르의 압축 강도와 휨 강도는 SAP 혼입률이 증가할수록 소폭 감소하였으며, 기중 양생의 경우는 강도가 증가하는 경향이 나타났다. SAP의 혼입으로 인한 강도의 증가 및 감소는 공극의 증가로 인한 강도의 감소와 내부 양생 효과로 인한 강도의 증가에 의해 결정될 수 있다. 모르타르의 동결 융해 저항성은 기준 배합과 큰 차이 없이 나타났다. 수중 양생은 유효 물-시멘트 비 감소와 수중 양생으로 강도가 발현되어 내부의 SAP이 동결 융해 시험 시 팽창압에 의한 영향을 크게 받지 못한 것으로 판단된다.
세 번째로 SAP이 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 이 때, SAP 혼입으로 인한 시공성 저하를 방지하고 추가 배합수의 영향을 배제하기 위해 감수제를 사용하였다. 또한 SAP과 AE제를 각각 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성을 평가하여 SAP이 콘크리트에 미치는 영향에 대해 평가하였다. SAP의 내부 양생 효과를 평가하기 위해 양생 조건은 수중 양생과 봉함 양생으로 구분하여 실시하였다.
실험결과에 따르면, SAP 혼입률이 증가할수록 시공성 확보를 위한 감수제 사용량은 증가하였으며, 시공성 확보가 가능한 SAP의 최대 혼입률은 1.5% 이하인 것으로 판단된다. SAP이 혼입된 콘크리트의 압축 강도는 혼입률 1.5%가 가장 큰 압축 강도를 나타냈으며, 1.5% 이상의 혼입은 봉함 양생이 수중 양생보다 큰 압축 강도를 나타냈다. 유효 물-시멘트 비 감소와 내부 양생 효과, SAP 공극 증가가 압축 강도에 영향을 준 것으로 판단된다. 동결 융해 저항성 측정 결과, SAP을 1.0∼1.5% 혼입하면 AE제를 혼입한 경우와 유사하게 동결 융해 저항성이 개선되었다. SAP이 콘크리트 내부에서 공극을 형성하고, 이 공극이 연행공기 역할을 하여 동결 융해 저항성을 개선시킨 것으로 판단된다. SAP을 혼입하면 300㎛ 이하의 공극이 기준 배합보다 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 사용된 SAP이 콘크리트 내부에서 약 3배 정도 팽창하여
300㎛ 수준의 공극을 증가시켰기 때문인 것으로 판단된다. SAP의 혼입률이 증가할수록 건조수축은 감소하는 경향을 나타냈다. SAP 혼입률 2.0%의 경우, 물-시멘트 비에 따라 기준 배합 대비 약 30∼40% 정도 감소하였다. 이는 SAP의 혼입으로 인한 유효 물-시멘트 비 감소, 자기수축 감소, 콘크리트 내부의 상대습도에 의한 영향이 복합적으로 작용하여 건조수축이 감소한 것으로 판단된다. 염화물 침투 저항성 측정 결과, SAP이 혼입되면 기준 배합보다 확산계수가 감소하였다. SAP의 내부 양생 효과에 의해 내부 조직의 수밀성이 개선되어 염화물 침투 저항성이 개선되는 것으로 판단된다.
감수제를 사용하여 시공성을 확보한 SAP 혼입 콘크리트는 유효 물-시멘트 비 감소와 내부 양생 효과로 역학적 특성 및 내구성이 개선되었으며, 낮은 물-시멘트 비에서 더 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 SAP은 콘크리트의 혼화재료로 사용가능하며, 물-시멘트 비, SAP 입자 크기, 혼입률 등을 고려하여 사용하여야 한다.
목차
국 문 요 약··············································································································ⅰ영 문 요 약··············································································································ⅴ목 차 ·····················································································································ⅹ표 목 차··················································································································xiv그 림 목 차··············································································································xv제 1 장 서 론 ··········································································································11.1 연구배경 및 목적·······························································································11.2 연구범위···········································································································41.3 연구방법···········································································································7제 2 장 기존 연구에 대한 고찰 ··················································································82.1 고흡수성 폴리머·································································································92.1.1 고흡수성 폴리머의 흡수 메커니즘·····································································112.1.2 고흡수성 폴리머의 수분 흡수력········································································132.2 고흡수성 폴리머를 혼입한 시멘트 페이스트의 특성···············································162.3 고흡수성 폴리머를 혼입한 모르타르의 특성··························································202.4 고흡수성 폴리머를 혼입한 콘크리트의 특성··························································25제 3 장 고흡수성 폴리머의 수분 흡수력 평가·······························································293.1 개요··················································································································293.2 실험 재료···········································································································313.2.1 고흡수성 폴리머······························································································313.2.2 표준 완충 용액 및 시멘트 여과수······································································343.3 수분 흡수력 측정 방법························································································353.3.1 티백 방법 (Tea-bag method) ········································································353.3.2 여과 방법 (Filtration method) ·······································································383.3.3 탈수 방법 (Spin-dry method) ········································································403.3.4 모르타르 플로 방법 (Mortar flow method) ····················································423.4 수분 흡수력 측정 결과························································································453.4.1 시험 방법에 따른 흡수력··················································································453.4.2 표준 완충 용액에 따른 흡수력··········································································463.4.3 고흡수성 폴리머의 형태에 따른 흡수력·····························································473.4.4 모르타르 플로 결과에 따른 흡수력···································································56제 4 장 고흡수성 폴리머를 혼입한 모르타르의 특성····················································624.1 개요·················································································································624.2 실험 내용 및 방법······························································································634.2.1 실험 재료·······································································································634.2.2 실험 내용·······································································································644.2.3 압축 강도 및 휨 강도 시험················································································674.2.4 동결 융해 저항성 시험·····················································································674.3 실험 결과 및 분석······························································································694.3.1 압축 강도 및 휨 강도·······················································································694.3.2 동결 융해 저항성····························································································76제 5 장 고흡수성 폴리머를 혼입한 콘크리트의 특성·····················································815.1 개요··················································································································815.2 실험 내용 및 방법·······························································································835.2.1 실험 재료·······································································································835.2.2 실험 내용·······································································································855.2.3 굳지 않은 콘크리트 특성··················································································885.2.4 압축 강도 및 탄성 계수····················································································895.2.5 동결 융해 저항성 시험·····················································································905.2.6 공극 분포·······································································································915.2.7 건조수축········································································································925.2.8 염화물 침투 저항성 시험·················································································935.3 실험 결과 및 분석······························································································965.3.1 SAP 혼입 콘크리트의 슬럼프···········································································965.3.2 SAP 혼입 콘크리트의 공기량···········································································985.3.3 SAP 혼입 콘크리트의 압축 강도·······································································995.3.4 SAP 혼입 콘크리트의 탄성 계수·····································································1035.3.5 SAP 혼입 콘크리트의 동결 융해 저항성··························································1085.3.6 SAP 혼입 콘크리트의 공극 분포·····································································1145.3.7 SAP 혼입 콘크리트의 건조수축······································································1185.3.8 SAP 혼입 콘크리트의 염화물 침투 저항성·······················································121제 6 장 결론··········································································································123References ··········································································································127Curriculum Vitae ·································································································136
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