3성분계 시멘트의 구성비 변화에 따른 페이스트 및 콘크리트의 내부온도특성에 관한 연구

Abstract

최근 도심지의 콘크리트 건축물이 점점 초고층화, 대형화 되어감에 따라 부재의 단면이 큰 매스콘크리트의 적용이 증가하고 있다. 매스콘크리트는 타설 후 양생초기에 수화열 축적으로 인한 내부 온도상승으로 중심부와 표면부의 온도차에 의해 온도응력이 발생하여 온도균열 발생 가능성을 증가시킨다. 실제 구조물 설계시 수화열에 의한 온도응력은 무시할 수 없는 정도의 영향을 미치며 이로 인해 발생되는 온도균열은 콘크리트의 내구성 및 수밀성을 저하시킬 수 있기 때문에 수화열을 저감하여 온도균열을 최소화할 필요가 있다. 매스콘크리트의 수화열 저감 방안으로는 단위시멘트량 저감, 저발열 시멘트 사용, 플라이애시나 고로슬래그 등과 같은 혼화재의 치환 등이 있다. 이중 혼화재 치환의 경우 플라이애시와 고로슬래그를 동시에 혼입한 3성분계 시멘트 적용 시 콘크리트 내부의 최고 온도를 저하시키는 효과가 현저하다는 보고 있다. 그러므로 3성분계 시멘트는 수화열 저감에 매우 효과적일 것이라 기대된다. 그러나 아직까지 3성분계 시멘트 사용에 의한 수화발열 특성에 관한 연구 및 적용사례는 드물고 플라이애시만을 혼입하는 경우가 주를 이루고 있어, 대형구조물의 내구성 증진과 수밀성 확보 차원에서 온도균열 저감 효과가 기대되는 3성분계 시멘트를 사용한 콘크리트의 내부온도특성에 관한 데이터 축적이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 3성분계 시멘트를 사용한 페이스트 및 콘크리트의 간이단열온도상승실험을 통해 배합비에 따른 내부온도 특성에 대해 비교·검토하고 이를 바탕으로 매스콘크리트 구조물의 수화열 저감 측면에서 3성분계 시멘트 적용의 활성화를 위한 기초자료를 제공하고자 한다. 본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며 각장의 내용은 다음과 같다. 제 1장에서는 본 연구의 목적, 연구의 방법 및 범위에 대하여 기술하였다. 제 2장에서는 결합재의 수화반응에 의한 수화열 및 수화열에 의한 온도균열 발생에 대하여 문헌고찰 하였다. 제 3장에서는 3성분계 시멘트 적용시의 내부온도 특성을 파악하기 위한 간이단열온도상승실험 및 실험방법에 대하여 기술하였다. 제 4장에서는 간이단열온도상승실험 결과 각 실험체의 최고온도 및 최고온도 도달시간, 온도상승속도 및 하강속도 등의 내부온도 특성을 비교·검토한 실험 결과에 대한 사항을 기술하였다. 제 5장에서는 각 실험수준에 따른 실험결과를 종합하여 결론을 도출하였으며 결론의 내용은 다음과 같다. (1) 페이스트 시험체별 최고온도는 결합재 단독사용시 OPC100 104.5℃, BFS100 36.7℃, FA100 30.3℃로 나타났다. 2성분계 시멘트 시험체의 경우, BFS보다 FA의 온도저감 효과가 우수하였으며 혼입률이 클수록 그 효과도 컸다. 3성분계 시멘트 시험체의 경우 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록 온도저감 효과가 컸다. 한편, 콘크리트 시험체별 최고온도는 3성분계 시멘트 사용의 경우가 OPC100시험체에 비해 약 8~11℃정도 저감되었으며 FA량이 많고 BFS량이 작을수록 낮은 온도를 나타냈다. (2) 최고온도 도달시간은 2성분계 페이스트 시험체의 경우 BFS와 FA의 지연효과가 치환율별로 모두 유사하였으나 OPC70BFS30은 약 3시간 정도 빠르게 나타났다. 3성분계 페이스트 시험체의 경우는 2성분계 시험체 보다도 효과가 있었으며 물결합재비에 따라서는 0.40, 0.45가 서로 유사하였고 0.35가 다소 빠르게 나타났다. 한편 3성분계 시멘트 콘크리트 시험체의 경우는 OPC100 시험체에 비해 약 12~15시간 정도 지연되었다. (3) 온도상승속도 및 하강속도는 2성분계 페이스트 시험체의 경우 BFS보다 FA에 의한 저감효과가 컸다. 3성분계 페이스트 시험체의 경우 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록, 물결합재비가 클수록 저감효과가 컸다. 콘크리트 시험체의 경우 OPC100 시험체에 대한 3성분계 시멘트 콘크리트 시험체의 저감효과는 매우 크게 나타났으며 결합재비율별로 모두 유사하였다. (4) 3성분계 시멘트 페이스트와 콘크리트의 온도특성 비교 결과 두 가지 시험체 모두 FA의 혼입률이 크고 BFS의 혼입률이 작을수록 낮은 온도를 나타냈으나 콘크리트 시험체에서는 그 차이가 매우 작았다. 이는 콘크리트 용적의 약 70%를 차지하는 골재의 영향으로 페이스트에 비해 현저히 낮은 온도를 나타내 결합재 중 BFS의 반응성이 작아져 결합재 비율에 따른 효과가 작아졌기 때문으로 사료된다.; Recently, the application of mass concrete having bigger sections is being increased as the concrete structures are getting higher and bigger in the cities. The thermal stress in mass concrete, which is accumulated heat of hydration at initial curing, is originated because of the temperature variation between internal and surface of concrete and the possibility of temperature crack may be increased. In fact, to design a structure, thermal stress by heat of hydration would cause temperature crack and decrease the durability and watertightness of concrete. So, heat of hydration for minimizing the temperature crack should need to decrease. To reduce the hydration heat of mass concrete, there are several ways such as reducing unit weight of cement, the use of lower exothermic cement, and replacement of admixture. In case of concrete used ternary system which is mixed all of cement, flyash and blast furnace slag had a marvelous effect to reduce maximum temperature of inner concrete from some reports. Hence, the application of ternary system cement is effectively expected to reduce hydration heat of hydration. However, so far, the study and the case of applied ternary system cement are rare and admixtures replacement that is mixed between cement and flyash is mainly used binary system. Therefore, it is required to make database to the properties of internal temperature of concrete used ternary system cement to increase durability and watertightness of larger structures. Finally, in this study, there are investigation about the properties of inner temperature as binder proportion through semi-adiabatic temperature rising test of paste and concrete used ternary system cement, and provide basic data for apply ternary system cement actively the viewpoint of reducing heat of hydration. This study is composed with five chapters and the contents of each chapter are following. In chapter 1, there are the purpose, method and ranges of this study. In chapter 2, the literature studying about heat of hydration by binder hydration and thermal crack origination is conducted. In chapter 3, the semi-adiabatic temperature rising test and the test methods are mentioned to know the properties of inner temperature of paste and concrete used ternary system cement. In chapter 4, there are results about maximum temperature, arrival time of maximum temperature, temperature rising velocity, and temperature descending velocity. In chapter 5, the conclusion are conducted from the result and the conclusions are as following. (1) The maximum temperatures of paste specimen by unary system cement are 104.5℃ of OPC, 36.7℃ of BFS, and 30.3℃ of FA, relatively. In the case of paste mixed binary system, temperature reduction effect of FA is better than that of BFS. In the case of paste mixed ternary system, the more FA is mixed and the less BFS is used, the lower the temperature is. On the other hand, the maximum temperature of concrete specimen used ternary system cement is reduced about 8~11℃ than OPC100 specimen. Moreover, the more FA is mixed and the less BFS is mixed the lower temperature is. (2) Arrival time for the maximum temperature of paste specimen used binary system cement appeared that all specimen was similar, but OPC70BFS30 specimen alone was faster than other speicimen. In the case of ternary system cement, it is more effectively than binary system cement. As the difference of water/binder ratio, 0.40 is similar to 0.45, 0.35 is faster than other specimen. In the case of concrete specimen used ternary system cement, it is retarded compared with OPC100 specimen. (3) Temperature rising velocity and descending velocity of paste specimen used binary system cement, the velocity reducing effect is FA better than BFS. In the case of paste mixed ternary system, the more FA is mixed, the less BFS is used and the more water/biner ratio, the higher the reducing effect is. Velocity reducing effect of concrete specimen used ternary system cement is remarkable compared with OPC100 concrete specimen, and appeared that all concrete specimen used ternary system cement is similar. (4) The result of comparison between concrete specimen and paste specimen used ternary system cement, the more FA is mixed and the less BFS is mixed, the lower the temperture is. But temperature difference is very small between concrete specimens. The result of this is because of reactivity of BFS which is become smaller by that temperature of concrete is notably lower than paste because temperature loss of concrete is much more than paste specimen according to aggregates.