Influence of internal curing with superabsorbent polymer on properties of ultra-high performance concrete

Abstract

이 연구를 통해 고흡수성 수지 (SAP)를 이용하여 내부 양생된 초고성능 콘크리트 (UHPC)가 개발되었다. SAP은 뛰어난 흡수능력뿐만 아니라 가격 경쟁력에서의 장점 덕분에 낮은 물-시멘트 비 콘크리트의 수축저감제로서 주목 받고 있다. 개발된 콘크리트는 SAP과 같은 수분저장소를 자체적으로 포함하고 있기 때문에, 외부적인 양생(수중양생 또는 살수양생) 없이도 그것의 심각한 자기건조와 이로 인한 자기수축이 차단된다. 그러나, SAP은 물 또는 용액을 흡수하면서 체적이 건조상태 대비 각각 수백 또는 수십 배까지 증가한다. 따라서, 이러한 콘크리트 내부에는 수분저장소 뿐만 아니라, 강도감소의 원인이 되는 큰 공극들이 추가로 형성된다. 그럼에도 불구하고, 실제로 강도가 감소가 발생하지 않는다. 그 이유는 저장소로부터 방출되는 추가적인 수분에 의해 수화반응이 촉진되고, 이는 강도 증가에 기여하기 때문이다. 이러한 추가적인 수분방출은 이 콘크리트의 수분함량 또는 내부습도를 증가시키며, 이는 자기건조와 자기수축을 차단시키는 원인이다. 따라서, UHPC의 수축으로 인한 균열위험성은 제거될 수 있다. 그러나, 콘크리트의 높은 내부습도는 강도와 같은 역학적 성능감소에 기여하는 또 다른 요인이다. 이러한 요인에 의한 강도감소 역시 막을 수 있는데, 왜냐하면 SAP 혼입에 의해 바뀐 공극구조 때문에 내부수분이 건조되는 속도가 더 빨라지기 때문이다. 자기건조를 막기 위해 SAP과 함께 혼입되어야 하는 추가적인 물을 추가수라고 하며, 필요한 양은 기존 이론에 의해 설계될 수 있다. 그러나, 콘크리트의 유동성과 강도 손실 없이 균열위험성이 완전히 제거될 수 있는 이상적인 결과는, 콘크리트 내부에서 SAP이 정확히 설계된 추가수만을 흡수할 경우에만 가능하다. 다시 말해, 만약 SAP이 설계된 물 보다 더 적거나 더 많은 양의 물을 흡수한다면, 역학적 성능과 유동성이 각각 감소하는 상황으로 이어진다. 따라서, 먼저 기존 이론에 의해 추가수의 양이 설계된 상황에서, SAP 혼입율이 최적으로 결정되어야 하는데, 이것은 콘크리트 내부 환경에서 SAP의 흡수 및 수분 유지능력이 완벽히 이해 되어야 가능하다. 이것을 이해하는 것은 현재까지 충분히 설명되고 있지 않은, 낮은 물-시멘트 비 콘크리트 내부에서의 SAP의 흡수 및 수분방출 거동을 설명하기 위해서도 반드시 필요하다. 이번 연구를 통해 이러한 복잡한 거동들이 밝혀졌다. 이를 위한 첫 번째 단계로, 다양한 시멘트 기반 용액들 내부에 위치한 SAP의 흡수력을 측정할 수 있는 방법이 제안되었다. 이 방법은 원심분리 탈수법을 포함하고 있으며, 흡수력 결정에 있어 심각한 오차의 원인으로 기여하는 SAP 입자들 사이에 갇힌 물이 이 방법에 의해 제거될 수 있다. 일정한 2가 양이온 농도 조건에서, 1가 이온들의 농도에 의존하여 SAP의 흡수거동은 확실하게 변한다. 이러한 결과를 기반으로 SAP의 흡수력이 과소평가 될 수 있는 가능성을 제기하였다. 이 연구에서 제안한 흡수력 측정법과 시멘트 기반 용액들은 SAP의 혼입율을 결정하기 위한 예비실험에 합리적이고 효율적으로 활용 될 수 있다. 더욱이, 연구에서 확인된, 용액의 이온 환경에 의존하는 SAP의 흡수거동은 그것의 특성을 이해하는데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 콘크리트를 위한 전용 SAP 제품을 개발 하는데도 기여 할 수 있다. 이와 더불어, 시멘트 기반 용액의 이온 농도 및 조합에 의존하여 달라지는 SAP의 수분 유지능력도 체계적으로 조사되었다. 이온농도 이력과 SAP의 흡수력을 측정하여, 용액 속 칼슘 이온과 SAP 내부의 음이온간 비 가역 이온교환이 발생하는 것, 그리고 동시에 장기흡수력이 감소하는 현상이 검증되었다. 따라서, 칼슘이온 농도는 SAP의 흡수력뿐만 아니라 수분 유지능력에도 결정적인 영향을 미치는 주요 요인이다. 그러나, 캄슘 뿐만 아니라 나머지 1가 이온들의 농도 역시 흡수력과 수분유지능력에 중대한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 즉, 총 이온농도의 증가와 함께 수분유지 능력도 증가하였는데, 여기에는 1가 이온들의 농도 증가가 결정적으로 기여한다. 그리고 용액의 이온농도 증가는 SAP의 흡수 유발 요인인 삼투압을 감소시키므로, 최대흡수력과 함께 SAP으로 흡수되는 칼슘 이온농도가 감소된다. 따라서 결국 수분유지 능력은 향상된다. 이와 같은 검증 덕분에 시멘트 기반 용액의 이온구성에 의존하는 복잡한 SAP의 흡수거동이 이해 될 수 있다. SAP에 의해 내부 양생된 UHPC의 공극구조 특성이 수은압입법 (MIP)과 3차원 CT 해석에 의해 광범위하게 조사되었다. 우선, CT 해석에 의해 SAP 입자들에 의해 형성된 UHPC 내부의 공극들이 다른 공극들 (갇힌 공기, 연행된 공기 등)과 성공적으로 분리 되었다. 그 결과, SAP의 혼입 유무에 따라 UHPC의 총 공극률은 각각 6.0%와 2.5%로 확인되었고, 이는 추가로 형성된 큰 공극들에 의해 UHPC의 총 공극율이 극적으로 증가되는 것을 보여준다. 이러한 공극률 증가는 압축강도와 같은 역학적 성능 감소의 원인이 될 수 있다. 그러나, MIP 해석에 의해 이와 같은 강도감소 요인이 보상될 수 있는 가능성이 확인되었다. 즉, 내부양생에 의해 수화생성물이 추가로 발생하는데, 이것이 강도와 관계되는 모세관 공극률을 감소시켰다. 사용된 두 방법들이 공극률에 관해 서로 다른 결과를 보여준 이유는 각 방법에 의해 확인 될 수 있는 공극 크기가 서로 다르기 때문이다. 이러한 두 방법들을 사용함으로써, 내부양생에 의한 수화반응 촉진과, 물을 흡수하고 부푼 SAP 입자들에 의해 형성된 큰 크기의 공극들 모두가 확인될 수 있었다. 확인된 결과들 (SAP의 흡수거동 및 수분유지 능력, SAP을 이용한 내부양생이 수화반응 정도와 공극구조에 미치는 영향)을 기반으로 하여, 개발된 UHPC의 수화 반응성, 수축, 내부 습도 및 역학적 성능이 SAP 포함 여부를 주요 변수로 두고 조사되었다. 특히, UHPC의 현실적인 활용 현황을 고려하여 이와 같은 조사는 열처리를 포함하는 프리캐스트 UHPC와 그것을 포함하지 않는 현장타설 UHPC로 구분하여 진행되었다. 우선, 열처리된 UHPC의 수축특성이 밝혀졌고, 열처리 기간 동안의 수축균열 위험성이 내부양생으로 해결 될 수 있다는 사실을 확인하였다. 즉, 열처리 구간 동안의 고온양생 조건이 수화반응과 이로 인한 자기건조를 가속화 시키고, 따라서 자기수축 역시 급격하게 증가하였다. 그러나, SAP에 의한 수분방출은 열처리 기간 동안에도 유효하며, 따라서 이 기간 동안의 심각한 자기건조와 자기수축이 완화 되는 사실이 확인되었다. 이러한 새로운 검증 덕분에 SAP을 이용한 내부양생이 열처리된 UHPC의 수축저감 방법으로 활용 될 수 있다. 이 방법은 현장타설 UHPC의 수축 및 균열저감에도 역시 탁월한 효과를 보였다. 이러한 검증을 위해 콘크리트의 수화열, 내부습도 이력, 압축강도 및 수축변형이 시간에 따라 정확하게 측정되었다. 특히, 내부양생에 의존하는 UHPC의 내부습도가 이 실험에서 주요변수로 고려되었다. 실제로, 수화반응 촉진과 자기건조의 완화는 내부습도 이력과 밀접하게 연관된 것으로 확인되었다. 또한, 내부습도를 높게 유지하는 것이 강도감소의 요인이 되는 것을 확인하였다. 그러나, 이러한 강도감소 요인은 SAP을 포함하는 UHPC가 현장타설 조건에서 양생 될 경우 효력을 미치지 못했다. 그 이유는 SAP 혼입에 의해 변경된 공극 구조는 콘크리트 내부습도의 건조속도를 가속화 시켰기 때문이다. 내부습도에 의해 상반적인 영향을 받는 수축 및 강도 모두를 고려할 때, 합리적인 밀봉기간은 초기 7일로 제안되었다. 이 조건은 일반적으로 시방서에 명시된 현장타설 콘크리트의 양생조건과도 일치한다. UHPC의 심각한 수축과 이로 인한 균열위험성은 SAP을 이용한 내부양생을 이용하여 완전히 해결될 수 있다. 이 방법은 실용성과 가격경쟁력 모두에 있어 부정적인 영향을 미치지 않는다. 새롭게 제시된 실험방법들 (즉, 콘크리트 내부에서 SAP의 흡수거동, 고온양생을 포함하는 UHPC의 수축, 그리고 UHPC의 내부습도의 측정방법)은 다른 연구들의 새로운 실험결과 도출에도 기여할 수 있다. 또한, 최초로 발견된 실험결과들 (낮은 물-시멘트 비 콘크리트 내부에서 SAP의 흡수 및 수분유지 거동, 열처리 된 UHPC의 심각한 수축특성, SAP 혼입에 의해 가속화된 수분건조 속도 및 이로 인한 강도회복)은 실험적 증거로서, 콘크리트 분야에서 실제로 내부양생이 널리 활용 될 수 있도록 기여할 수 있다.