셀룰로스 섬유와 팽창재를 이용한 초고강도 콘크리트의 자기수축 저감에 관한 연구

Abstract

The autogenous shrinkage of HPC is important in that it can lead the early cracks in concrete structures. The purpose of the present study is to explore the autogenous shrinkage of HPC with cellulose fiber and expansive additive and to derive a realistic equation to estimate the autogenous shrinkage model of that. For this purpose, comprehensive experimental program has been set up to observe the autogenous shrinkage for various test series. Major test variables were the quantity of expansive additive and cellulose fiber. Water-cement ratio is fixed with 13%. The autogenous shrinkage of HPC is found to decrease with increasing expansive additive and cellulose fiber. A prediction equation to estimate the autogenous shrinkage of HPC was derived and proposed in this study. The proposed equation shows reasonably good correlation with test data on autogenous shrinkage of HPC. The following present the conclusions of this paper. 1) The more amount of adding Cellulose Fiber and Expansive Additive, the more about 4% increase of compressive strength of concrete in cpmparision with plain concrete. 2) The more amount of adding Cellulose Fiber to concrete, the more decrease of Autogenous Shrinkage of concrete. When Cellulose Fiber is mixed to plain concrete about 1kg/㎥, Autogenous Shrinkage decrease about 27%. When it's adding percentage is 2kg/㎥, Autogenous Shrinkage decrease about 47%. 3) Concrete's test piece length adding Cellulose Fiber contract after age 1 day, and it expands at age 3day. After Cellulose Fiber of excellent absorption force secure free water in initial time, redistributionment of water occur in age 3 day. From redistributionment of water, it is judged that Autogenous Shrinkage of concrete decrease. 4) The more amount of adding Expansive Additive, the more decrease of Autogenous Shrinkage of concrete. Concrete expand in age 3～5 day. and after that time, concrete's test piece length contract due to autogenous shrinkage of concrete. When Expansive Additive is mixed to plain concrete about 10kg/㎥, Autogenous Shrinkage decrease about 21%. When it's adding percentage is 20kg/㎥, Autogenous Shrinkage decrease about 85%. When Expansive Additive in company with Cellulose Fiber are added, Autogenous Shrinkage decrease about 50% in comparison with plain concrete. 5) I presented a prediction equation to predict concrete's Autogenous Shrinkage adding Cellulose Fiber and Expansive additive through modify Tazawa prediction equation.; 최근 건축 구조물이 초고층화, 대형화 되어감에 따라 초고강도 콘크리트의 사용 실적이 차츰 증가하면서 요구되는 품질 또한 높아지고 있다. 이러한 초고강도 콘크리트의 실제 사용이 증가하면서 초기 균열의 원인 중의 하나인 자기수축에 대한 인식이 재고되기 시작하였다. 자기수축은 외부로부터의 수분 공급이 없고 일정한 온도 하에서 시멘트의 수화 반응에 의해 배합 시 사용된 배합수가 소비되면서 콘크리트 내부의 상대 습도가 감소하는 자기건조 현상이다. 일반적으로 콘크리트의 건조화는 모세관공극과 대기 중의 상대습도 불균형으로 인해 콘크리트 표면과 연결된 모세관 공극 속에 있던 수분의 일부가 증발되는 것을 말하며 수분이 외부로부터 증발하는 건조수축과 수화 반응에 의해 내부로부터 수분의 소비에 의해 발생하는 자기수축으로 구분할 수 있다. 콘크리트 건조화는 콘크리트 표면 주위의 매우 큰 공극과 모세관 공극 내에 있던 수분이 가장 처음 손실되며, 수분이 계속해서 증발함에 따라 크기가 작은 모세관 내에 메니스커스가 발생한다. 모세관공극 내에 발생한 모세관력은 모세관 직경에 반비례하며, 이러한 모세관력이 콘크리트의 인장 강도보다 작으면 콘크리트는 탄성적으로 수축하게 되지만 모세관력이 콘크리트의 인장 강도보다 크면 페이스트에 균열이 발생하게 된다. 보통 콘크리트의 경우, 건조수축에 비하여 자기수축이 매우 작아 균열제어 및 설계에서 고려의 대상이 되지 않았으나, 초고강도 콘크리트의 경우에는 공극이 아주 미세하고, 자기건조로 인한 탈수현상으로 표면에서의 건조화가 느리게 진행되어 건조수축의 변화량은 일반 콘크리트보다 적어지는 반면에 자기수축이 큰 부분을 차지하기 때문에 자기수축만으로도 균열이 발생하는 것이다. 자기수축으로 인해 발생한 균열은 외부로부터 염소이온, 이산화탄소 가스, 물 등의 유해한 물질의 이동 경로를 제공하여 콘크리트 구조물의 내구 성능을 저하시켜 구조물의 사용 수명이 단축된다. 따라서 초고강도 콘크리트를 보다 많은 구조물에 안정적으로 적용하기 위해서는 설계과정을 통해 균열 제어 측면에서 자기수축에 의한 변형을 고려할 필요성이 제기된다. 근래에 들어서 자기수축을 저감시키기 위한 방법으로 수축저감제를 첨가하여 콘크리트 경화체에 작용하는 간극수의 표면장력을 저감시키거나 팽창재를 첨가하여 이들의 팽창 작용으로 콘크리트 경화체의 수축을 보상하는 방법, 플라이애쉬나 고로슬래그 첨가를 통한 수축 저감 및 이를 예측하는 방법 등 다양한 연구가 진행되어 왔다. 이와 더불어 국외에서는 고강도 콘크리트에 폴리프로필렌, 셀룰로스 섬유 등을 혼입하여 자기수축을 효과적으로 저감 시키는 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있지만 국내에서는 아직 이에 관한 연구개발이 미흡한 실정이다. 또한 기존 연구의 콘크리트 자기수축 예측모델들은 20 W/B 이상의 한정된 범위에서만 제한적으로 적용 가능하기 때문에 오늘날 사용성이 높아지고 있는 낮은 W/B를 가진 150MPa급 이상의 초고강도 콘크리트의 자기수측 현상을 예측할 수 있는 새로운 예측 모델식이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 초고강도 콘크리트의 수축 저감 기술을 구축하는 연구의 일환으로써 셀룰로스 섬유 및 팽창재가 초고강도 콘크리트의 수축에 미치는 영향을 검토하였다. 또한, 자기수축 실험 결과를 다양한 자기수축 예측 모델 중에서 가장 합리적으로 판단되는 Tazawa모델과 비교·검토하였으며 이를 통해 셀룰로스 섬유 및 팽창재를 사용한 경우의 자기수축 예측 모델식을 제안하였다.