콘크리트 포장의 품질 보증 분야에서의 새로운 발전은 품질, 내구성, 하이브리드 설계 코드 준수에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.
콘크리트 포장 시공에는 긴급 상황이 발생할 수 있으며, 시공사는 현장 타설 콘크리트의 품질과 내구성을 검증해야 합니다. 이러한 상황에는 타설 과정 중 비에 노출되는 경우, 양생제 도포 후, 타설 후 몇 시간 이내에 발생하는 소성 수축 및 균열, 그리고 콘크리트 질감 및 양생 문제 등이 포함됩니다. 강도 요건 및 기타 재료 시험을 충족하더라도, 현장 타설 재료가 배합 설계 사양을 충족하는지 여부에 대한 우려로 인해 엔지니어가 포장 부품의 제거 및 교체를 요구할 수 있습니다.
이 경우, 암석학 및 기타 보완적(하지만 전문적인) 시험 방법은 콘크리트 혼합물의 품질과 내구성에 대한 중요한 정보를 제공하고 작업 사양을 충족하는지 여부를 확인할 수 있습니다.
그림 1. 0.40 w/c(좌상단)와 0.60 w/c(우상단)에서 콘크리트 페이스트의 형광 현미경 사진 예시. 좌측 하단 그림은 콘크리트 원통의 비저항 측정 장치를 보여줍니다. 우측 하단 그림은 체적 비저항과 w/c의 관계를 보여줍니다. Chunyu Qiao와 DRP, Twining Company
아브람의 법칙: "콘크리트 혼합물의 압축 강도는 물-시멘트 비율에 반비례합니다."
Duff Abrams 교수는 1918년에 처음으로 물-시멘트 비율(w/c)과 압축 강도의 관계를 기술했고[1], 지금은 Abram의 법칙이라고 불리는 "콘크리트의 압축 강도 물/시멘트 비율"을 공식화했습니다. 압축 강도를 제어하는 것 외에도 물-시멘트 비율(w/cm)은 포틀랜드 시멘트를 플라이 애시와 슬래그와 같은 보충 시멘팅 재료로 대체할 수 있다는 것을 인정하기 때문에 이제 선호됩니다. 또한 콘크리트 내구성의 핵심 매개변수입니다. 많은 연구에 따르면 w/cm가 ~0.45 미만인 콘크리트 혼합물은 제빙염이 있는 동결-융해 주기에 노출된 지역이나 토양에 황산염 농도가 높은 지역과 같은 공격적인 환경에서 내구성이 있는 것으로 나타났습니다.
모세관 기공은 시멘트 슬러리의 고유한 구성 요소입니다. 모세관 기공은 시멘트 수화 생성물과 한때 물로 채워졌던 수화되지 않은 시멘트 입자 사이의 공간으로 구성됩니다. [2] 모세관 기공은 연행 기공이나 포획 기공보다 훨씬 미세하므로 혼동해서는 안 됩니다. 모세관 기공이 연결되면 외부 환경의 유체가 페이스트를 통해 이동할 수 있습니다. 이 현상을 침투라고 하며 내구성을 보장하기 위해 최소화해야 합니다. 내구성 콘크리트 혼합물의 미세 구조는 기공이 연결되지 않고 분할되어 있다는 것입니다. 이는 w/cm2가 ~0.45 미만일 때 발생합니다.
경화된 콘크리트의 w/cm를 정확하게 측정하는 것은 매우 어렵지만, 신뢰할 수 있는 방법은 경화된 현장 타설 콘크리트를 조사하는 데 중요한 품질 보증 도구를 제공할 수 있습니다. 형광 현미경이 해결책을 제시합니다. 작동 원리는 다음과 같습니다.
형광 현미경은 에폭시 수지와 형광 염료를 사용하여 재료의 세부적인 부분을 조명하는 기술입니다. 이 기술은 의학 분야에서 가장 널리 사용되며, 재료 과학 분야에서도 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 이 방법을 콘크리트에 체계적으로 적용한 것은 약 40년 전 덴마크에서 시작되었습니다[3]. 이 기술은 1991년 북유럽 국가에서 경화된 콘크리트의 물-시멘트(w/c)를 평가하기 위해 표준화되었으며, 1999년에 업데이트되었습니다[4].
시멘트 기반 재료(즉, 콘크리트, 모르타르 및 그라우팅)의 w/cm를 측정하려면 형광 에폭시를 사용하여 두께가 약 25마이크론 또는 1/1000인치인 얇은 단면 또는 콘크리트 블록을 만듭니다(그림 2). 이 공정에는 콘크리트 코어 또는 실린더를 약 25 x 50mm(1 x 2인치) 면적의 평평한 콘크리트 블록(블랭크라고 함)으로 절단하는 것이 포함됩니다. 블랭크를 유리 슬라이드에 붙이고 진공 챔버에 넣은 다음 에폭시 수지를 진공 상태에서 주입합니다. w/cm가 증가함에 따라 연결성과 기공 수가 늘어나 더 많은 에폭시가 페이스트에 침투합니다. 특수 필터 세트를 사용하여 에폭시 수지의 형광 염료를 여기시키고 과도한 신호를 걸러내어 현미경으로 플레이크를 검사합니다. 이 이미지에서 검은색 영역은 골재 입자와 수화되지 않은 시멘트 입자를 나타냅니다. 둘의 다공성은 기본적으로 0%입니다. 밝은 녹색 원은 다공성(다공성이 아님)이며, 다공성은 기본적으로 100%입니다. 이러한 특징 중 하나는 얼룩덜룩한 녹색 "물질"이 페이스트 형태라는 것입니다(그림 2). 콘크리트의 w/cm와 모세관 다공성이 증가함에 따라 페이스트의 고유한 녹색 색상이 점점 더 밝아집니다(그림 3 참조).
그림 2. 응집된 입자, 공극(v), 그리고 페이스트를 보여주는 플레이크의 형광 현미경 사진. 수평 시야 폭은 ~ 1.5mm입니다. Chunyu Qiao와 DRP(트와이닝 회사)
그림 3. 플레이크의 형광 현미경 사진은 w/cm이 증가함에 따라 녹색 페이스트가 점차 밝아지는 것을 보여줍니다. 이 혼합물은 기포가 발생하고 비산재를 함유하고 있습니다. 트와이닝(Twining) 회사인 Chunyu Qiao와 DRP
이미지 분석에는 이미지에서 정량적 데이터를 추출하는 것이 포함됩니다. 원격 감지 현미경에서부터 다양한 과학 분야에 사용됩니다. 디지털 이미지의 각 픽셀은 본질적으로 데이터 포인트가 됩니다. 이 방법을 사용하면 이러한 이미지에서 보이는 다양한 녹색 밝기 수준에 숫자를 첨부할 수 있습니다. 지난 20년 정도 동안 데스크톱 컴퓨팅 성능과 디지털 이미지 수집의 혁명으로 이미지 분석은 이제 많은 현미경 전문가(콘크리트 암석학자 포함)가 사용할 수 있는 실용적인 도구가 되었습니다. 우리는 종종 이미지 분석을 사용하여 슬러리의 모세관 다공성을 측정합니다. 시간이 지남에 따라 다음 그림(그림 4 및 그림 5)에 표시된 것처럼 w/cm와 모세관 다공성 사이에 강력한 체계적인 통계적 상관관계가 있음을 발견했습니다.
그림 4. 박편의 형광 현미경 사진에서 얻은 데이터의 예. 이 그래프는 단일 현미경 사진에서 주어진 회색조에서의 픽셀 수를 나타냅니다. 세 개의 피크는 응집체(주황색 곡선), 페이스트(회색 영역), 그리고 공극(맨 오른쪽의 채워지지 않은 피크)에 해당합니다. 페이스트의 곡선을 통해 평균 기공 크기와 표준 편차를 계산할 수 있습니다. Chunyu Qiao 및 DRP, Twining Company 그림 5. 이 그래프는 순수 시멘트, 플라이애시 시멘트, 천연 포졸란 바인더로 구성된 혼합물에서 일련의 w/cm 평균 모세관 측정값과 95% 신뢰 구간을 요약한 것입니다. Chunyu Qiao 및 DRP, Twining Company
최종 분석에서는 현장 콘크리트가 배합 설계 사양을 준수하는지 확인하기 위해 세 가지 독립적인 시험을 실시해야 합니다. 가능한 한 모든 허용 기준을 충족하는 배치에서 코어 샘플을 채취하고, 관련 배치에서도 코어 샘플을 채취하십시오. 허용된 배치의 코어는 대조 샘플로 사용할 수 있으며, 관련 배치의 적합성을 평가하는 벤치마크로 활용할 수 있습니다.
저희 경험상, 이러한 시험에서 얻은 데이터를 기록한 엔지니어들은 일반적으로 다른 주요 엔지니어링 특성(예: 압축 강도)을 충족하는 경우 시공을 승인합니다. w/cm² 및 형성 계수의 정량적 측정값을 제공함으로써, 저희는 많은 작업에 대해 명시된 시험을 넘어 해당 혼합물이 우수한 내구성으로 이어질 수 있는 특성을 가지고 있음을 입증할 수 있습니다.
데이비드 로스스타인(David Rothstein, Ph.D., PG, FACI)은 트와이닝(Twining) 산하 DRP의 수석 리소그래피 기술자입니다. 그는 25년 이상의 전문 암석학자 경력을 보유하고 있으며, 전 세계 2,000개 이상의 프로젝트에서 10,000개 이상의 샘플을 직접 검사했습니다. 트와이닝 산하 DRP의 수석 과학자인 춘위 차오(Chunyu Qiao) 박사는 시멘팅 재료, 천연 및 가공 암석 제품 분야에서 10년 이상의 경력을 보유한 지질학자이자 재료 과학자입니다. 그의 전문 분야는 이미지 분석 및 형광 현미경을 활용한 콘크리트 내구성 연구이며, 특히 제빙염, 알칼리-규소 반응, 그리고 폐수 처리 시설의 화학적 손상에 중점을 두고 있습니다.
게시 시간: 2021년 9월 7일