콘크리트에서 팽창제의 작용 메커니즘은 무엇입니까?

건설엔지니어링에서는 콘크리트 균열 및 물누출이 흔히 발생하며, 구조 균열은 미관에 영향을 미치거나 심한 경우 건물의 안전성에 영향을 미칠 수 있습니다. 시멘트 사용량 증가, 높은 강도 요구 사항, 시공 조건 및 부적절한 양생과 같은 요인으로 인해 콘크리트 구조물에 균열이 발생하는 것은 불가피합니다. 현재 엔지니어링에서 실행 가능한 유일한 접근 방식은 무해한 한계 내에서 균열을 제어하는 ​​것입니다.

콘크리트 균열의 원인

건설 프로젝트에서 콘크리트 균열이 발생하는 원인은 구조 설계, 건축 양생, 원자재 등 다양한 이유가 있습니다. 균열의 주요 원인은 콘크리트가 경화되는 과정에서 하중, 변형, 혼합 등을 겪을 때 발생하는 인장응력입니다. 균열은 내부 인장 응력이 콘크리트의 극한 인장 강도를 초과할 때 발생합니다. 이 중 변형에 의해 발생하는 비구조적 균열이 80%를 차지하며, 이러한 비구조적 균열의 대부분은 콘크리트 수축(자기수축, 소성수축, 건조수축, 열수축 등)에 의한 것입니다.

비구조적 균열을 제어하기 위한 상세한 기술 사양은 없으며 엔지니어링에 사용되는 일반적인 방법에는 신축 조인트 설계 또는 건설 중 "점핑 창고 방법"을 사용하는 것이 포함됩니다. 그러나 이러한 접근 방식은 공사 기간을 연장하고 청소 비용을 증가시킵니다. 광범위한 엔지니어링 적용을 통해 가장 효과적인 방법은 균열 제어를 위해 수축 보상 콘크리트를 사용하는 것임을 입증했습니다.

팽창제의 메커니즘 및 적용

콘크리트 팽창제는 콘크리트에 첨가될 때 콘크리트의 부피를 팽창시켜 콘크리트 수축을 보상하는 첨가제입니다. 팽창제는 팽창성분에 따라 칼슘설포알루미네이트형, CaO계, MgO계, 칼슘설포알루미네이트-산화칼슘, 칼슘-마그네슘 복합형 등으로 분류됩니다. 다양한 확장 구성 요소로 인해 확장 성능도 다양합니다. 팽창제의 가장 널리 받아들여지는 메커니즘에는 결정 성장 이론, 수분 흡수 팽윤 이론, 고상 부피 팽창 이론이 포함됩니다.

2.1 칼슘 설포알루미네이트계 팽창제

칼슘 설포알루미네이트계 팽창제의 팽창 효과는 주로 수화 과정에서 칼슘 에트린자이트(C3A-3CaSO4-32H2O)의 형성을 통해 달성됩니다. 기존 연구에서는 에트린자이트의 결정 성장 압력과 수분 흡수 팽윤력의 결합 효과가 팽창의 근본적인 원인이며, 수분 흡수 팽윤이 지배적인 요인인 것으로 나타났습니다. 이 이론에 따르면 에트린자이트의 수화반응에는 상당한 양의 물이 필요하므로 물-시멘트 비율이 낮은 고강도 콘크리트에는 적용이 제한됩니다. 또한, 칼슘 설포알루미네이트계 팽창제를 함유한 콘크리트는 엄격한 양생관리가 필요합니다. 부적절한 경화는 수축을 보상하지 못할 뿐만 아니라 균열 위험도 증가시킵니다. 더욱이 칼슘 에트린자이트는 습하고 뜨거운 환경에서 분해되어 강도와 내구성에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 엔지니어링에서 칼슘 설포알루미네이트계 팽창제를 사용할 경우 환경 온도에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

2.2 산화칼슘계 팽창제

산화칼슘계 팽창제의 팽창 메커니즘은 산화칼슘(CaO)의 수화를 통해 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 형성하는 것과 관련됩니다. 이 공정은 고상 부피를 증가시키고, 수화 생성물의 국부적 축적으로 기공 부피가 확대되어 페이스트의 부피 팽창이 발생합니다. 칼슘 설포알루미네이트계 팽창제에 비해 산화칼슘계 팽창제는 물이 덜 필요하고, 팽창 효율이 높으며, 가격도 저렴하여 널리 사용됩니다. 그러나 CaO는 물과 발열 반응을 하며 이는 콘크리트의 온도 균열을 제어하는 ​​데 해롭습니다. 또한 CaO의 빠른 수화 속도로 인해 콘크리트의 소성 단계에서 상당한 팽창이 소모되어 후기 단계의 수축을 보상하는 데 효과적이지 않습니다. CaO는 또한 환경 습도에 민감하므로 수분 흡수를 방지하기 위해 세심한 포장이 필요하므로 팽창 효과가 떨어질 수 있습니다. 또한, Ca(OH)2는 특정 수압 하에서 용해되기 때문에 수중 건설 프로젝트에 산화칼슘 기반 팽창제를 사용할 때는 주의가 필요합니다.

2.3 산화마그네슘 기반 팽창제

산화마그네슘계 팽창제의 팽창효과는 산화마그네슘(MgO)이 수화되어 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 형성함으로써 발생하며, Mg(OH)2의 수분흡수 팽윤력에 의해 부피 변화가 발생합니다. 수화의 초기 단계와 후기 단계에서 Mg(OH)2의 결정 성장 압력. 광범위한 연구 및 엔지니어링 적용에 따르면 산화마그네슘 기반 팽창제는 팽창 지연 및 긴 팽창 주기를 나타내며, 이는 냉각 및 건조 수축 중 온도 수축을 효과적으로 보상할 수 있습니다. 기계적 성질은 안정적이며 수화를 위해 물이 덜 필요합니다. 또한 산화마그네슘 기반 팽창제는 안정적인 수화 제품과 조절 가능한 팽창 특성의 장점을 갖고 있어 댐과 같은 대규모 콘크리트 프로젝트에 널리 적용할 수 있습니다. 실제로 고성능 콘크리트 균열방지제나 반응성이 다른(R형, M형, S형) 산화마그네슘 팽창제를 선택할 때에는 콘크리트 강도등급, 구조치수, 시공환경 등을 고려해야 한다. 콘크리트 수축을 보상하여 전체 주기 균열 제어를 달성하고 온도 제어 조치를 단순화합니다. 그러나 산화마그네슘계 팽창제의 경우 과량투입 시 과도한 팽창을 유발하여 용량 안정성이 저하될 수 있으므로 투여량에 주의가 필요하다.

2.4 이중 확장 소스 확장 에이전트

시중에 판매되는 일반적인 이중 팽창원 팽창제는 칼슘 설포알루미네이트-산화칼슘 기반 팽창제(예: HCSA, CSA, FQY 등) 및 칼슘-마그네슘 복합 팽창제를 포함합니다.

칼슘 설포알루미네이트-산화칼슘계 팽창제: 이들 제제의 팽창원은 ettringite와 Ca(OH)2입니다. 이러한 약제를 콘크리트에 사용하면 Ca(OH)2는 초기 수축을 보상하고 ettringite는 후기 단계의 수축을 보상합니다. 이러한 소스로부터의 팽창은 다양한 단계에서 발생하여 효과적인 수축 보상 효과를 얻습니다. 단일 팽창원 제제와 비교하여, 칼슘 설포알루미네이트-산화칼슘 기반 팽창제는 더 큰 팽창, 더 낮은 물 수요 및 더 빠른 안정 팽창 기간이라는 장점을 가지고 있습니다. 자체 방수 콘크리트 구조물, 초장 구조물의 심리스 시공 등의 프로젝트에 널리 사용됩니다.

칼슘-마그네슘 복합 팽창제: Ca(OH)2와 Mg(OH)2를 팽창원으로 하여 가볍게 연소된 산화마그네슘과 산화칼슘을 결합하여 만든 물질입니다. 이들 복합제의 팽창속도는 산화칼슘의 수화속도가 빠른 것과 산화마그네슘의 수화속도가 느린 것에 의해 조절된다. 이 조정을 통해 콘크리트 수축의 단계적 전체 주기 보상이 가능합니다. 또한, 칼슘-마그네슘 복합 팽창제는 단일 산화칼슘 기반 팽창제의 온도 민감도를 극복하므로 온도 제어 요구 사항이 덜 엄격한 프로젝트에 적합합니다.