AE제

3. 장점

AE제는 굳지 않은 콘크리트(신선 콘크리트)의 작업성(유동성)을 향상시켜 취급 및 펌핑을 용이하게 한다.^[7] 혼합 중에는 재료 분리(블리딩, 침강)를 방지하여 균질한 콘크리트를 얻을 수 있게 돕는다.^[8][9] AE제는 콘크리트 혼합물 내의 모든 골재 및 큰 모래 입자에 일종의 윤활제 역할을 하여 작업성을 향상시킨다. AE제는 굳지 않은 콘크리트에 혼합하여 콘크리트 내의 미세 기포를 감소시키는 혼화제^[19]이며, 이로 인해 유동성이 개선되고, 거푸집으로의 충전성이 향상되어 타설 불량이 감소한다.

경화 콘크리트에서는 동결 융해 저항성을 크게 향상시켜 내구성을 증진시킨다.^[8][9] 균열에 대한 저항력을 높이고, 화재 피해에 대한 내구성을 개선하며, 전반적인 강도를 향상시킨다.^[10]

공기 연행 콘크리트의 작은 공기 방울은 내부 쿠션 역할을 하여 충격 시 에너지를 흡수하고 충격 또는 진동과 같은 물리적 힘에 대한 저항을 증가시킨다. 또한 압력 완화 구역으로 작용하는 공극은 동결-융해 사이클 동안 내부 응력과 후속 균열을 유발하지 않고 물 또는 수분 팽창을 허용한다.^[2][8] 기포는 일반적으로 10um에서 500um의 직경을 가지며 촘촘하게 분포한다. 기포가 생성하는 공간은 약간 압축될 수 있으며, 얼음이 얼 때 발생하는 응력을 감소시키거나 흡수하는 역할을 한다.

4. 작용 원리

경화된 콘크리트는 겉보기에는 단단해 보이지만 실제로는 다공성을 띈다. 일반적인 콘크리트의 다공성은 대략 6~12 vol.% 정도이다. 콘크리트의 수화 반응에는 필요한 물보다 많은 물이 사용된다. 시멘트 입자가 모두 수화되려면 물과 시멘트의 비율(w/c)이 약 0.38 (시멘트 100파운드당 물 38파운드) 정도 필요하다. 그러나 실제로는 콘크리트의 작업성을 좋게 하고, 쉽게 흐르도록 하거나 점성을 낮추기 위해 더 많은 물을 사용한다. 대부분의 콘크리트는 타설 시 0.45~0.60의 w/c를 가지는데, 이는 시멘트와 반응하지 않는 상당한 양의 과잉수가 존재함을 의미한다.^[7]

이 과잉수는 증발하면서 미세한 모세관 기공을 남긴다. 이후 주변 환경의 물이 모세관 현상에 의해 이 기공들을 채운다. 동결-융해 과정에서 기공 속 물이 얼면서 부피가 팽창하고, 이로 인해 인장 응력이 발생하여 작은 균열을 일으킨다. 이 균열은 더 많은 물이 콘크리트 내부로 침투하게 하고, 균열을 더욱 확대시킨다. 결국 콘크리트는 박리 현상, 즉 덩어리가 떨어져 나가는 현상을 겪게 된다.^[8][9]

철근 콘크리트의 경우, 이러한 현상은 더욱 심각하게 나타난다. 수분이 철근에 닿아 녹을 발생시키고, 녹은 팽창하여 더 큰 균열을 유발한다. 이는 더 많은 물을 유입시켜 분해 과정을 가속화시킨다.^[7]

AE제, 즉 공기연행제는 콘크리트 내에 미세한 공기 방울을 생성하여 이러한 문제를 해결한다. 이 공기 방울들은 일종의 쿠션 역할을 하여 충격 시 에너지를 흡수하고, 물리적인 힘에 대한 저항력을 높인다. 또한, 공기 방울은 압력 완화 공간을 제공하여 동결-융해 과정에서 물의 부피 팽창으로 인한 내부 응력과 균열 발생을 줄여준다.^[2][8]

공기 연행은 자연적으로 발생할 수도 있지만, 이는 부적절한 혼합이나 불충분한 다짐 등으로 인해 발생하며, 공극의 크기와 배치가 일정하지 않아 콘크리트의 강도와 내구성을 저하시킬 수 있다. 따라서 공기 연행은 엄격하게 제어되어야 한다.^[11]

플라이 애시, 실리카 흄, 슬래그 시멘트, 왕겨 재, 메타카올린과 같은 재료들은 공기 연행 혼화제의 특성에 다양한 방식으로 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 플라이 애시는 보조 시멘트 재료로서 콘크리트의 흐름과 마감을 개선하며, Class F 플라이 애시는 Class C 플라이 애시에 비해 더 많은 양의 혼화제가 필요하다.^[12] 실리카 흄은 미세한 입자 크기와 매끄러움으로 인해 더 많은 양의 공기 연행 혼화제가 필요하다.^[12]

굳지 않은 콘크리트에 AE제를 혼합하면 콘크리트 내의 미세 기포를 감소시킬 수 있다.^[19] 이는 유동성을 개선하고, 거푸집으로의 충전성을 향상시켜 타설 불량을 줄이는 효과가 있다.

5. 종류 및 특성

AE제는 굳지 않은 콘크리트에 혼합하여 콘크리트 내의 미세 기포를 감소시키는 혼화제이다.^[19] 이로 인해 콘크리트의 유동성(워커빌리티)이 개선되고, 거푸집으로의 충전성이 향상되어 타설 불량이 줄어든다. AE감수제는 AE제와 감수제(물을 적게 사용하면서도 작업성을 유지하는 혼화제)의 기능을 모두 갖는 혼화제이다.

5. 1. 공기 연행에 영향을 미치는 요소

• 플라이 애시: 보조 시멘트 재료로서, 더 작은 입자로 인해 페이스트의 충전을 개선하여 콘크리트의 흐름과 마감을 더 좋게 한다.^[12] 낮은 비중으로 인해 일반 포틀랜드 시멘트보다 특정 물-시멘트 재료 비율(w/cm)에 대해 페이스트 함량을 증가시킨다. 화학 조성과 공기 손실 특성의 차이로 인해 다양한 유형의 플라이 애시는 공기 연행 혼화제 투여량 조절이 필요하다. 일반적으로 Class F 플라이 애시는 Class C 플라이 애시에 비해 원하는 연행 공기 수준을 유지하기 위해 더 높은 수준의 혼화제가 필요하다.^[12] 석탄 연소의 부산물로서 콘크리트 생산에 첨가제로 사용되는 것이 일반적인데, 이는 환경적 및 비용적 이점 때문이다. 그럼에도 불구하고 플라이 애시 내 잔류 탄소는 콘크리트의 작업성을 개선하고 동결 및 해동 조건에 대한 저항성을 높이기 위해 첨가되는 공기 연행제(AEA)^[13]와 간섭할 수 있다.^[14] 이러한 문제는 저NOx 연소 기술의 구현으로 더욱 두드러졌다. 잔류 탄소의 영향과 관련된 콘크리트 혼합물 내 AEA와 플라이 애시 간의 상호 작용 뒤에는 여러 메커니즘이 존재한다. 탄소의 양과 입자 크기 및 표면 화학과 같은 특성은 AEA의 흡착 능력에 영향을 미친다. 연소 시 사용되는 연료의 유형은 잔류 탄소의 양과 특성에 모두 영향을 미친다. 역청탄에서 얻은 플라이 애시는 일반적으로 아역청탄 또는 갈탄에서 생산된 플라이 애시보다 탄소 함량이 높지만, 탄소 질량당 AEA 흡착 능력은 더 낮다. 콘크리트 활용을 위해 플라이 애시 품질을 개선하기 위해 다양한 후처리 방법이 사용된다. 오존 처리, 열처리 및 물리적 세척과 같은 기술이 성능 향상에 효과를 보였다.^[15]

• 실리카 흄: 미세한 입자 크기와 매끄러움으로 인해 실리카 흄이 없는 기존 콘크리트보다 더 높은 용량의 공기 연행 혼화제가 필요하다.^[12]

• 슬래그 시멘트: 낮은 비중으로 인해 충전이 개선되고 페이스트 부피 분율이 증가한다.^[12]

• 천연 포졸란 (왕겨 재, 메타카올린 등): 미세도와 조성이 영향을 미치며, 이는 이러한 재료를 포함하는 혼합 콘크리트에서 공기 연행 혼화제의 필요 투여량에 더 영향을 미친다.^[12]

6. 포집된 공기 (Entrapped Air)

경화된 콘크리트는 의도적으로 연행된 공기 외에도 일정량의 포집된 공기를 포함하는 경우가 일반적이다. 포집된 공기는 더 큰 기포로, 벌집 구조로 알려진 더 큰 공극을 생성하며, 일반적으로 연행된 공기보다 덜 균등하게 분포되어 있다. 특히 벽 거푸집에서 포착된 공기를 제거하고 제자리에 정착시키기 위해 종종 '진동'을 포함하는 적절한 콘크리트 타설은 유해한 포착된 공기를 최소화하는 데 필수적이다.^[1]

7. 탄소 함유 플라이 애시의 영향

플라이 애시는 석탄 연소의 부산물로서 콘크리트 생산에 첨가제로 사용되는 것이 일반적인데, 이는 환경적 및 비용적 이점 때문이다. 그럼에도 불구하고 플라이 애시 내 잔류 탄소는 콘크리트의 작업성을 개선하고 동결 및 해동 조건에 대한 저항성을 높이기 위해 첨가되는 공기 연행제(AEA)^[13]와 간섭할 수 있다.^[14] 이러한 문제는 저NOx 연소 기술의 구현으로 더욱 두드러졌다. 잔류 탄소의 영향과 관련된 콘크리트 혼합물 내 AEA와 플라이 애시 간의 상호 작용 뒤에는 여러 메커니즘이 존재한다. 탄소의 양과 입자 크기 및 표면 화학과 같은 특성은 AEA의 흡착 능력에 영향을 미친다. 연소 시 사용되는 연료의 유형은 잔류 탄소의 양과 특성에 모두 영향을 미친다. 역청탄에서 얻은 플라이 애시는 일반적으로 아역청탄 또는 갈탄에서 생산된 플라이 애시보다 탄소 함량이 높지만, 탄소 질량당 AEA 흡착 능력은 더 낮다. 콘크리트 활용을 위해 플라이 애시 품질을 개선하기 위해 다양한 후처리 방법이 사용된다. 오존 처리, 열처리 및 물리적 세척과 같은 기술이 성능 향상에 효과를 보였다.^[15]

8. 미래 기술

고흡수성 수지(SAP)는 콘크리트에서 기존의 공기 연행제(AEA)를 대체할 가능성이 있어 연구되고 있다. SAP는 AEA와 유사하게 안정적인 기공 시스템을 만들어 동결융해 저항성과 내구성을 향상시킨다. SAP 입자는 혼합 과정에서 물을 흡수하여 콘크리트 내에 안정적인 물 주머니를 형성한다. 시멘트가 수화되면서 생기는 수축을 SAP 입자가 흡수했던 물을 방출하여 보상함으로써 균열 위험을 줄인다. SAP의 기공 시스템은 운송 시간, 온도 변화, 고성능 감수제 첨가, 배치 방법 등에 영향을 받는 AEA와 달리 일관되게 유지된다. 따라서 SAP는 콘크리트 구조물에서 제어된 공기 연행을 달성하기 위한 신뢰할 수 있는 대안이며, 건설 실무자는 AEA 대신 SAP를 사용하여 동결융해 저항성을 향상시킬 수 있다.^[18]

참조

_[1] 논문 Workability of air-entrained lightweight concrete from rheology perspective 2007
_[2] 논문 Mechanisms of air entrainment in concrete 2005
_[3] 논문 Effect of Air Entrainment on the Mechanical Properties, Chloride Migration, and Microstructure of Ordinary Concrete and Fly Ash Concrete 2018
_[4] 논문 Factors affecting air-entrainment and performance of roller compacted concrete 2020
_[5] 논문 Physical and functional characteristics of foam concrete: A review 2019
_[6] 논문 Effect of Air Entrainment on Compressive Strength, Density, and Ingredients of Concrete https://archive.org/[...] 2015
_[7] 논문 Air entrainment in fresh concrete with PFA 1996
_[8] 서적 Building Construction Methods and Systems 2024-03-01
_[9] 논문 The case for air-entrainment in high-performance concrete 2005
_[10] 논문 Air entrainment in fresh concrete and its effects on hardened concrete-a review 2021
_[11] 서적 Application of Super Absorbent Polymers (SAP) in Concrete Construction 2012
_[12] 논문 Review of supplementary cementitious materials with implications for age-dependent concrete properties affecting precast concrete 2023
_[13] 논문 Characteristic analysis of concrete air entraining agents in different media 2020
_[14] 논문 Freeze-thaw durability of air-entrained CSF concrete 1991
_[15] 논문 A review of the interference of carbon containing fly ash with air entrainment in concrete 2008
_[16] 논문 Air-Entrainment Problem in Self-Compacting Concrete 2009
_[17] 논문 Entrained Air in Concrete 1953
_[18] 논문 Guidelines for using superabsorbent polymers (SAP) in concrete construction 2023
_[19] 서적 新版 2級土木施工管理技士 受験用図解テキスト5 用語集 "" 1987