제 2 장 콘크리트 구조 2.1 정의 / 중요성 / 복잡성 고체 중에 존재하는 상의 종류, 양, 크기, 형상 및 그 분포에 따라 어떤 고체의 구조가 정해진다 (3 가지 요소 : 골재, 시멘트풀, 천이대 ) (1) 거시적 구조 : 거시적 구조는 육안으로 볼 수 있는 물질의 구조 (1/5mm), 콘크리트의 거시적 구조는 다른 형태와 크기의 골재와 불규칙적으로 분포된 수화 시멘트풀로 이루는 집합체 (2) 미시적 구조 : 미시적 구조는 현미경으로 해명할 수 있는 물질의 구조 저배율 (200 배 ) – 고배율 (5000 배 ) 로 현미경 관찰 (3) 콘크리트 구조의 독특한 특징 (3 상 구조 ) - 천이대 : 굵은 골재와 수화 시멘트풀 사이의 경계 영역, 10-  m - 천이대는 다른 종류와 양의 고상, 공극, 공극의 불균일한 분포로 구성 - 수화 시멘트풀과 천이대는 시간의 경과, 주위의 온습도에 따라 변화

2.4 골재상 구조 (1) 골재상은 콘크리트의 단위 중량, 탄성계수, 치수 안정성과 같은 물리적 성질에 영향을 준다 ( 화학적 성질 보다 물리적 성질이 중요 ). (2) 굵은 골재의 형상, 공극률, 표면 조직도는 콘크리트의 성질에 영향을 줌 (3) 굵은 골재의 크기와 형상은 콘크리트의 강도에 간접적인 영향을 줌 ( 골재 는 시멘트풀과 천이대 보다 상대적으로 강도가 높기 때문 ) 콘크리트 골재가 커질수록, 세장 또는 편평한 골재 양이 많을수록, 내부 블리딩 물이 모이기 쉽고, 시멘트풀과 골재 사이에 있는 천이대 강도를 약하게 하는 수막이 골재 표면에 모이기 쉽다.

2.5 수화 시멘트풀의 구조 (1) 포틀랜드 시멘트 : 1  m 에서 50  m 의 모난 입자로 이루어진 회색가루 산화칼슘 (C=CaO), 실리카 (S=SiO 2 ), 알루미나 (A=Al 2 O 3 ), 산화철 (F=Fe 2 O 3 ) 을 고온에서 반응케 한 혼합물이 클링커인데 소량의 황산 칼슘을 더하여 분쇄한 것 (2) 중요한 클링커 광물의 화학조성 : C 3 S(45-60%), C 2 S(18-30%), C 3 A(6- 12%), C 4 AF(6-8%) (3) 포틀랜드 시멘트 + 물 -> 시멘트 수화로 칼슘이온, 황산이온, 알루미네 이트 이온, 수산화이온이 결합하여 -> 에트린가이트 생성 -> C-S-H 생성 (4) 시멘트가 물과 접촉하면 화학 반응으로 미시구조가 발달하고 경화 시멘트 풀의 미시구조 결정에 영향을 준다. (5) C-S-H : 1nm-100nm, CH : 1  m 육방정계의 큰 결정, C 4 ASH 18, 모세관 공극 : 10nm - 1  m ( 충분히 수화하면 100nm 보다 작다 )

2.5.1 수화 시멘트풀 속의 고체 수화 시멘트풀 속에 전자 현미경으로 분석할 수 있는 4 가지의 주요한 고체상 의 종류, 양, 성질은 다음과 같다. (1) 칼슘 실리케이트 수화물 (C-S-H) 수화된 포틀랜드 시멘트풀 속의 고체 용적의 50%-60%, 큰 표면적을 가진 층상구조 (2) 수산화 칼슘 (Ca(OH) 2 ) 수화된 포틀랜드 시멘트풀 속의 고체 용적의 20%-25%, 6 각형 프리즘을 가진 큰 결정 (3) 칼슘 술포 알루미네이트 (Calcium sulpho aluminate) 수화된 포틀랜드 시멘트풀 속의 고체 용적의 15%-20%, 에트린가이트 라고 하는 침상 프리즘 결정 -> 모노설페이트 수화물 (C 4 ASH 18 ) 로 변환 (4) 미수화 클링커 입자 시멘트의 클링커 입자는 1  m 에서 50  m 의 크기인데, 작은 입자 용해 후 큰 입자가 조금씩 작아진다.

2.5.2 수화 시멘트풀 속의 공극 (1)C-S-H 속의 층간 공극 C-S-H 구조 중에 층간 거리는 18A 로 추측하고, 28% 가 공극, 이 공극은 너무 작아서 강도와 투수성에는 무관하고, 이 공극 속의 수분은 건조 수축 과 크리프에 기여함 (2) 모세관 공극 수화 시멘트풀 가운데 고체 성분으로 채워져 있지 안은 부분으로, 시멘트 또는 수화 생성물로 차지하지 않은 공간이 모세관 공극 모세관 공극의 양과 크기는, 물 / 시멘트비와 시멘트의 수화 정도에 따라 결정됨, 충분히 수화된 시멘트풀에서 모세관 공극의 크기는 nm 50 nm 보다 큰 모세관 공극은 마크로포아로 강도와 투수성에 영향, 50 nm 이하는 미크로포아로 건조수축과 크리프에 매우 큰 영향을 줌 (3) 기포 모세관 공극은 형상이 불규칙하지만 기포는 일반적으로 구상이다. 혼화제 를 사용한 연행공기는 50  m 에서 200  m 범위이며, 연행 공기와 갇힌 공기는 모세관 공극 보다는 훨씬 크고, 강도와 투수성에 나쁜 영향을 줌

2.5.3 수화 시멘트풀 속의 물 수화 콘크리트 속에는 여러 형태의 물이 존재한다. 물을 제거할 때의 난이도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다. (1) 모세관 수 50A 이상의 공극에 존재하는 물 ( 자유수 50nm 이상, 5nm-50nm 의 모세관 수는 없애면 계가 수축함 ) (2) 흡착수 고체 표면 가까이에 존재하는 물, 상대 습도 30% 정도까지 수화 시멘트풀 을 건조하면 흡착수의 대부분을 잃게 된다. 건조수축 유발함 (4) 층간수 C-S-H 구조 내에 있는 물, 상대 습도 11% 이하이면 층간수를 잃게 되고, C-S-H 구조는 수축하게 된다. (5) 화학적 결합수 시멘트 수화 생성물 구조의 일부로 된 물이며, 건조로는 없어지지 않는다. 수화물이 가열되어 분해할 때에 나온다.

2.5.4 수화 시멘트풀의 구조와 성질 관계 (1) 강도 C-S-H 결정, 칼슘술포알루미네이트 수화물, 칼슘알루미네이트 수화물은 큰 표면적을 가지고 있어 점착력이 크다. 이 수화물은 서로 강하게 끌어 당길 뿐만 아니라 미수화 클링커 입자, 잔골재, 굵은골재 입자도 끌어당김 시멘트 1cm 3 는 2cm 3 의 수화물 생성 (2) 치수 안정성 포화된 시멘트풀은 그 치수가 안정하지 않다. 상대습도의 저하에 따라 손실 수량과 건조수축이 증가한다. (3) 내구성 내구성이라는 용어는 주어진 환경하에서 견디는 내용 기간, 수화 시멘트풀 에서 침투성은 대략 100nm 보다도 큰 공극의 양과 관계가 있음, 이보다 작 은 공극은 불연속임 (4) 침투성 : 유체가 고체 속을 통과하기 쉬운 것

2.6 콘크리트의 천이대 천이대의 중요성 (1) 콘크리트는 인장에 약하고 압축에 강한 이유는 ? (2) 콘크리트의 구성체는 붕괴하기 까지 탄성체인데, 콘크리트 그 자체는 비탄성 성질을 나타내는 이유는 ? (3) 모르타르가 콘크리트 보다 강도가 높은 이유는 ? (4) 굵은 골재의 최대치수가 늘어남에 따라 콘크리트의 강도가 감소하는 이유 ? (5) 콘크리트의 침투성이 그에 대응하는 시멘트풀의 침투성 보다 훨씬 큰 이유 ?

2.6.2 천이대의 구조 (1) 생콘크리트에서는 사이즈가 큰 굵은 골재 입자 주위에 수막이 형성된다. 이것은 큰 골재에 가까운 곳일수록 물 - 시멘트비가 크다는 것을 의미함 (2) 수화 시멘트풀 속의 황산칼슘과 칼슘알루미네이트 화합물이 용해하여 칼슘이온, 황산이온, 수산화이온, 및 알루미네이트가 결합하여 에트린 가이트 및 수산화 칼슘을 형성, 물 - 시멘트비가 높은 굵은 골재 주변에서 비교적 큰 결정으로 생성 ( 물시멘트비가 높기 때문에 결정 생성물의 사이 즈가 비교적 크고 시멘트풀 보다 거친 구조임 ) -> 작은 결정의 C-S-H, 수산화칼슘, 에트린가이트가 큰 결정 사이의 공극을 메움

2.6.3 천이대의 강도 (1) 천이대의 강도는 그 속에 존재하는 공극의 크기와 양으로 결정된다. (2) 콘크리트 천이대 속의 공극량과 크기는 모르타르 본체 속의 양보다 많고 그 치수도 크다. (3) 천이대 속의 수산화칼슘 결정은 표면적이 작고 반데르발스 힘이 작으며 그 결정 방향성 때문에 갈라지기 쉽다. (4) 두꺼운 수막이 굵은 골재 입자 주위, 특히 하면의 두꺼운 수막에서, 마이크로 크랙의 크기와 숫자가 많다. (5) 천이대 속의 공극과 마이크로크랙은 강성을 전달하지 못하기 때문에 탄성 계수가 압축강도보다 빨리 저하한다. (6) 콘크리트와 골재의 화학반응 결과, 후기 재령에서 천이대의 강도는 시멘트풀 본체 강도 보다 증진이 크다.

2.6.4 천이대가 콘크리트 성질에 끼치는 영향 (1) 사슬 (chain) 의 가장 약한 부분인 천이대는 콘크리트 강도의 지배상으로, 골재와 모르타르의 강도보다도 낮은 응력에서 파괴되는 것은 천이대 때문 (2) 천이대에는 이미 균열이 존재하므로 그 균열을 진전하는데 많은 에너지가 필요한 것이 아님, 극한 강도의 40%-70% 의 힘만 가해도 많은 변형 발생 (3) 응력이 극한 강도의 약 70% 보다 높아지면, 모르타르 매트릭스 중의 큰 공극에 응력이 집중되고 균열이 발생되어, 점차적으로 천이대의 균열과 연결된다. (4) 인장 하중하에서는 균열이 더욱 낮은 응력 수준에서 발생하여 좀 더 빨리 확장된다. (5) 골재 치수가 클수록 천이대의 국부적인 물 - 시멘트비가 높아진다. 따라서, 콘크리트 강도는 더 낮아지고, 투수성은 더 높아진다.

Report #2 문제 1. 충분히 수화된 포틀랜드 시멘트풀 속의 C-S-H, 수산화칼슘, 칼슘술포알루미네이트의 물리 화학적 특성에 대하여 설명하시오. 문제 2. 왜 천이대의 강도가 일반적으로 시멘트풀 본체의 강도 보다도 낮은지 설명하시오. 문제 3. 수화 시멘트풀 속의 수산화칼슘의 양을 줄이는 방법에 대하여 설명하시오. 문제 4. 콘크리트가 압축이 아니고 인장에 대해서 약하고 파괴되 는 이유를 설명하시오.

2. 실리카흄의 물리적 특성 Supplementary Cementing Materials(SCM) – a material that, when used in conjunction with Portland or blended cement, contributes to the properties of the hardened concrete through hydraulic or pozzolanic activity or both Examples of SCM’s: - Fly ash - Slag - Silica fume = microsilica - Natural pozzolans Volcanic ash Calcined shale Calcined clay(e.g. Metakaolin) Diatomaceous earth

- Small particles – average nm - High specific surface – 15,000 m 2 /kg - High content of reactive SiO 2 – 85%

Nature of Reaction of Different SCM’s PozzolanicHydraulic Silica FumeXXXXX Low-CaO Fly AshXXXX Moderate-CaO Fly AshXXXXX High-CaO Fly AshXXXXX SlagXXXXX

Hydration of Portland cement: Cement + Water -> C-S-H + CH + other phases Pozzolanic reaction: Pozzolan + CH -> C-S-H + other phases

Effects of using SCM on microstructure of cement paste: - Less CH --> more C-S-H - Refined pore structure Smaller pores Less connected More tortuous - Improved cement-aggregate interface - Lower alkalinity in pore solution - Lower permeability

Normal concreteSilica fume concrete