제8장 혼화재료 전체 콘크리트의 70-90%가 1종류 이상의 혼화재료를 사용하고 있다. 혼화재료는 계면활성제, 가용성 염류와 폴리머, 불용해성 광물에 이르기까 지 조성이 여러 가지이다. (3) 콘크리트의 워커빌리티 개선, 응결시간 촉진 및 지연, 강도 발현, 동결 작용 온도균열 제어, 알칼리골재반응 개선, 산과 황산염에 대한 저항성 증대

8.1 중요성 혼화재료 : 콘크리트 또는 모르타르의 성분으로 사용되며 비비기 직전 또는 비비기 중에 배치(batch)에 가해진 물, 골재, 수경성 시멘트 및 섬유보강재 이 외의 재료 (2) 혼화재료의 목적 : (a) 단위수량을 늘리지 않고 콘크리트의 Plasticity를 증가시키는 것 (b) 블리딩이나 재료분리를 저감시키는 것 (c) 응결시간을 지연시키거나 빠르게 하는 것 (d) 조기 재령에 대한 강도 발현 속도를 빠르게 하는 것 (e) 열의 발생 속도를 저감 시키는 것 (f) 특수 폭로 상태에 대한 콘크리트의 내구성을 높이는 것

8.2 용어, 규격 및 분류 혼화재료의 분류는, 표면 활성 혼화제, 응결 제어 혼화제, 광물질 혼화재로 분류한다. (2) ASTM C 494(콘크리트용 혼화제의 표준 규격) 감수제와 응결 조절제는 7가 지 타입으로 분류함, 타입 A : 감수, 타입 B : 지연, 타입 C : 촉진, 타입 D : 감수와 지연, 타입 E : 감수와 촉진, 타입 F : 고성능 감수, 타입 G : 고성능 감수와 지연 (3) 보통 감수제는 콘크리트 혼합물에 5% 감수, 고성능 감수제는 최소한 12% 감수 효과 발생 (4) 광물질 혼화재는 통상 콘크리트에 대량으로 첨가된다. (5) ASTM C 618(콘크리트용 혼화재) : 클래스 N, 클래스 F, 클래스 C (6) ASTM C 989(고로슬래그 분말 규격) : 등급(grade) 80, 100, 120으로 분류

8.3 표면 활성 혼화제/ 용어 및 조성 표면 활성 혼화제(계면 활성제) : 콘크리트 혼합물의 공기연행과 감수를 위 해 사용 (2) AE 혼화제 : 공기를 연행하는 목적을 위한 재료 (3) 감수 혼화제 : 주어진 반죽질기의 콘크리트를 만드는데 필요한 비빔용수의 양을 감소하기 위한 재료 (4) 표면 활성 혼화제는 긴 사슬(chain)의 유기분자로 구성되어 있는 데, 한 끝은 친수성이며 다른 한 끝은 소수성이다. (5) AE제 : 목재 수지, 석유산의 화학 세제로 구성 유동화 혼화제 : 리그닌술폰산, 수산화 카르복시, 다당류의 염 등의 혼합물 고유동화제 또는 고성능 감수제 : 멜라민술폰산염, 나프탈렌포름알데히드 축합물

8.3.2 작용 매커니즘 AE 계면 활성제 음이온 극성기는 공기-물 계면에서 표면장력을 저하시켜 기포 형성을 촉진 하고, 시멘트 표면을 소수성으로 하여 공기가 물 대신에 기포로서 고체 입자 에 붙어 남을 수 있다. (2) 감수 계면 활성제 물은 높은 표면 장력을 가지고 있고, 시멘트 입자는 밀집하던지 플록(flock) 을 형성하려는 경향이 있다. 친수성의 사슬을 가진 계면 활성제가 시멘트- 물의 계에 가해졌을 때, 물의 표면 장력을 저감하고, 시멘트 입자를 친수성 으로 하면서, 플록(flock)이 분산된다.

8.3.3 용도 AE제 콘크리트 혼합물이 동결융해에 저항하는 설계를 위한 것, 부가적인 효과는 워커빌리티가 개선된다. 지나치게 사용하면 시멘트의 수화를 극단적으로 지연하고, 강도 저하를 초래 한다. (2) 감수제 물의 사용량이 줄어 들어도 슬럼프를 증가시키고, 압축강도는 높이는 역할 을 한다. (3) 계면 활성제는 감수제와 동시에 응결 지연제의 역할을 한다. (4) 리그닌(lignin)으로 된 감수제는 공기 연행을 상당히 하기 때문에, 통상 소포 제를 함유하고 있다.

표 8.1 감수제 사용에 따른 이익 시험 시리즈 단위시멘트량(kg/m3) 물시멘트비 슬럼프 압축강도(MPa) 7일 28일 7일 28일 A : 기준콘크리트 300 0.62 50 25 37 적당량의 혼화제를 다음의 목적으로 첨가 B : 반죽질기 증가 C : 강도 증가 D : 시멘트 절약 270 0.56 100 26 34 25.5 38 46 37.5

8.3.4 고성능 감수제 고성능 감수제는 통상의 감수제와 비교하여 물을 3-4배 감소시킬 수 있다. 탄화수소의 결합 속에 많은 극기를 가진 긴 사슬(chain)의 고분자 음이온 계면 활성제로 이루어져 있다. 시멘트 입자상으로 흡착하면 계면 활성제는 강한 부의 전하를 준다. 이 부전하는 주위 물의 표면 장력을 상당히 작게 하 여 계의 활동성을 높인다. (3) 시멘트의 1% 정도를 사용하고, 슬럼프가 200-250mm 정도의 반죽질기에도 블리딩이나 응결지연이 발생하지 않는다. 이것은 고유동화된 콘크리트내에 서 콘크리트 내 블리딩 물의 지나가는 길을 막는 혼화제의 긴 사슬(chain) 입자의 콜로이드적 길이에 따른 것이다. (4) 물 속 시멘트의 뛰어난 분산은 수화속도를 촉진하기 때문에 슬럼프의 저하가 발생할 수 있으므로, 리그린술폰산염 또는 그 밖의 지연재료를 함유한다. (5) 통상의 감수제는 5-10% 감수가 가능하지만, 고성능 감수제는 콘크리트의 슬럼프를 줄이지 않고 20-25%이 범위에서 감수한다.

표 8.2 고성능 감수제 사용으로 가능하게 된 조기 고강도 예 시험 단위시멘트량(kg/m3) 물시멘트비 슬럼프(mm) 압축강도(MPa) 1일 3일 7일 28일 A : 기준콘크리트(혼화제 없음) B : 반죽질기 A 동일, 물은 적고, 시멘트중량의 2% 고성능 감수제 C : 물시멘트 비는 B 동일, 고성능감수제 사용 안함 360 0.60 0.45 225 30 10 20 16 21 25 28 32 43 37 45 55 52

8.4 응결 제어 혼화제/ 용어 및 조성 콘크리트의 응결 시간과 강도의 발현 속도를 조절하는 혼화제 몇 개의 화학 약제는 소량(시멘트 질량의 0.3%) 사용하면 지연제로 작용하 지만 다량으로 사용하면(시멘트 질량의 1%) 촉진제로서 작용한다.

8.4.2 작용 매커니즘 시멘트풀이 나타내는 굳음, 응결, 경화 등의 현상은 수화 생성물의 결정화가 진행하는데 유래하고 있다. 그러므로, 포틀랜드 시멘트-물 계에 가용성의 화학 혼화제를 첨가함으로써 시멘트 화합물의 이온화 속도 또는 수화 생성물 의 결정화 속도의 어디엔가에 영향을 줄 수 있다. (2) Joisel에 따르면, 포틀랜드 시멘트에 대한 응결 제어 혼화제의 작용은 주로 수화물의 결정화 보다도 오히려 무수 성분의 용해에 기인한다. 촉진혼화제는 시멘트에서 양이온과 음이온의 용해를 촉진하고 지연 혼화제 는 양이온과 음이온의 용해를 방해한다. (3) 시멘트 질량의 1-3%의 CaCl2가 무근 콘크리트에 대해서 가장 일반적으로 사용할 수 있는 촉진제이다. (4) 글루콘산(gluconic acid)과 리그닌술폰산염과 같은 표면 활성제는 수화생성 물간의 부착 형성을 지연시킴으로써 지연제로 작용한다.

8.4.3 용도 촉진제 (a) 겨울철 마무리 작업의 착수를 빨리 하기 위해 (b) 적절한 양생 및 보온에 요하는 시간 감소를 위해 (c) 거푸집 조기 탈형 및 조기 강도를 위해 (d) 수압으로 새는 것을 효율적으로 막기 위해 (2) 지연제 (a) 여름철 불리한 온도 조건에 대한 보상 (b) 적절한 콘크리트 치기와 마무리를 가능하게 하고 고온에 따른 손상과 촉진 영향을 극복하기 위해 사용 (c) 대용량 구조 단위에 대한 콜드 조인트나 불연속면의 형성을 제거하기 위해 중요하게 사용된다.

표 8.3 염화 칼슘 혼화제의 사용으로 콘크리트에 미치는 특성 기호 특성 일반적 효과 의견 1 응결 시작과 종결 양쪽의 감소 ASTM 기준에서는 응결과 종결시간이 1시간 정도 빠르게 되도록 규정되어 있다. 2 압축강도 초기 3일 양생에서 압축강도를 현저히 증가(30-100%증가) ASTM에서는 3일 양생에서 표준 콘크리트 보다 125%가 넘는 강도를 규정, 6-12개월의 규정은 90% 임 3 인장강도 28일에서 약간 감소 4 휨강도 7일에서 약 10% 감소 재료와 양생방법에 따라서 변한다. 28일에서 가장 감소가 크다. 5 수화열 24시간에 약 30% 증가 장기간의 전체 열량은 표준 콘크리트와 같다. 6 내황산염 감소 적당한 공기량을 연행하는 타입V 시멘트로 극복 가능 7 알칼리골재반응 악화 저알칼리시멘트 또는 포졸란의 사용으로 억제 가능 8 부식 이종 금속의 조합에 사용해서는 안된다. 철근콘크리트에 CaCl2의 사용은 인정하지 않는다. 9 수축과 크리프 증가 10 체적변화 0-15% 증가 11 내동결 유해손상 조기 저항성은 개선 장기재령에서 동결융해에 대한 저항성은 낮아진다. 12 수밀성 조기 재령에서는 개선 13 탄성계수 장기재령에서 표준 콘크리트와 거의 같다. 14 블리딩

표 8.4 응결 시간과 강도에 미치는 ASTM 타입 D 혼화제의 이용 효과 시멘트 중량당 혼화제 첨가량(l/kg) 응결시간(h) 물시멘트비 압축강도 시작 종결 3일 7일 28일 0.14 0.21 4.5 8 11.5 9 13 16 0.68 0.61 0.58 20.3 28.0 29.6 36.5 40.1 30.7 46.8 49.7

표 8.5 높은 주위 온도에 대한 반죽질기에 미치는 ASTM 타입 D 혼화제의 이용 효과 시험 주위온도(oC) 콘크리트 슬럼프(mm) 1시간 2시간 3시간 4시간 5시간 기준 콘크리트(혼화제 없음) 혼화제 콘크리트 20 127 89 76 114 57 102 38 70 32 43 7 25 19 13

8.5 광물질 혼화재/ 중요성 포틀랜드 시멘트의 20-100%의 범위에서 다량으로 사용되며, 미가공 또는 열로 인한 활성화 처리 후 포졸란이 전 세계에서 사용되며, 경제적인 이유로 산업부산물이 콘크리트의 혼화재의 주 원료가 되고 있다. (2) 공학적 이익 : 낮은 수화열로 인한 온도 균열에 대한 저항성 개선, 종국 강도 의 증가, 세공 개선에 따른 수밀성 증가, 황산염수와 알칼리골재 팽창과 같 은 화학작용에 대한 내구성 증가 (3) 포졸란질(저칼슘 플라이애쉬), 시멘트질(고로슬래그 미분말), 포졸란 및 시 멘트질(고칼슘 플라이애쉬) (4) 천연재료 : 포졸란의 생산을 위해 파쇄, 분쇄, 분급을 동반하고, 열에 따른 활성화를 동반한다. 부산물재료 : 공업 부산물을 혼화재로 사용하기 위해 가공처리(건조, 분쇄) 한 것

8.5.3 천연재료 규조토를 제외하고는 모든 천연 포졸란은 화산성의 바위와 광물에서 구한다 화산성 글라스 화산성 응회암 소성 점토와 혈암 : 화산 글라스와 응회암은 각각 포졸란 특성이 높으므로 열처리를 필요로 하지 않는다. 그러나, 점토와 혈암은 열처리로 광물의 결정 구조를 파괴하지 않으면 석회와 높은 반응성을 나타내지 않는다. (5) 규조토 : 비정질 실리카의 퇴적물로서 석회와의 반응성은 높지만 골격의 미 세구조가 많은 수량을 필요로 하므로 이 포졸란을 사용한 콘크리트는 강도와 내구성에 불리하게 작용한다.

8.5.4 부산물 재료 플라이애쉬 : 발전소 미분탄 연소중에 발생하는 재(ash), 칼슘의 함유량에 따라 10% 미만 CaO는 무연탄이나 역청탄 연소의 산물, 15-35% CaO 포함 은 갈탄이나 아역청탄 연소의 산물, 대부분의 플라이애쉬는 60-85%의 글라 스, 10-30%의 결정질 혼합물, 10% 미만의 미연소 탄소로 구성된다. (2) 고로 슬래그 : 주철 생산에서 슬래그가 고온에서 급냉각 되면 비결정 또는 글라스질의 상태가 된다. 10mm 이하의 슬래그는 조기 강도에 도움을 주고 10-45mm의 입자는 장기 강도에 도움을 주며, 45mm 이상의 입자는 수화가 곤란하다. (3) 실리카퓸 : 실리코 메탈이나 페로실리콘 합금 공업에서 유도전기로의 부산물 이며 마이크로실리카라고도 한다. 2000oC 까지의 온도에서 석영을 실리콘 으로 환원하면 SiO 증기가 발생한다. 저온 영역에서 산화 및 응축하면 비정질 실리카로 이루어지는 미세한 구상 입자이다. 재료의 평균지름이 0.1mm이다. (4) 왕겨재 : 벼를 탈곡할 때 나오는 겉껍질(왕겨)을 연소하여 재로 만든 것

8.5.5 용도 워커빌리티 개선 : 글라스상의 미분이 공극의 크기와 용적을 감소시켜 점성 과 워커빌리티를 높인다. 재료분리와 블리딩 감소의 효과도 있다. 감수효과 는 혼화재에 따라 차이가 있다. (2) 온도 균열에 대한 내구성 매스 콘크리트 구조물 속에 발생하는 수화열은 부어넣기 후 1주일 이내에 발생한다. 혼화재는 몇 일 사이에 상당한 정도까지 반응이 일어나지 않기 때문에 혼화재를 사용한 시멘트는 대략 절반 정도로 수화열을 감소시킨다. (3) 화학적 침식에 대한 내구성 혼화재로 인한 포졸란 반응은 공극을 줄이고, 투수성을 줄이기 때문에 화학 적 침식에 대한 내구성이 높아진다. 알칼리골재반응, 산 및 황산염 용액에 의한 침식 등, 왕겨재나 실리카퓸을 사용하면 불투성이 됨 (4) 고강도 콘크리트 제조 왕겨재, 실리카퓸, 감수제 등을 사용하여 70-80 MPa의 압축강도가 실용적 이다.

Report #4 문제 1. 혼화재와 혼화제의 종류와 특징을 기술하시오. 문제 2. 국내에 사용하는 유동화제의 종류와 특징을 기술하시오. 문제 3. 염화칼슘 혼화제가 콘크리트에 미치는 영향을 기술하시오. 문제 4. 왜 콘크리트에 포졸란 혼화재를 사용하는 것이 바람직한 것인가? 주요한 이유를 기술하시오.