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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 시멘트를 전혀 사용하지 않고 결합재로서 플라이애시를 100% 사용한 콘크리트를 개발할 목적으로 알칼리 자극제의 종류와 농도, 알칼리 자극제와 쇼듐실리케이트(sodium silicate)의 혼합비, 고온양생 온도와 기간 그리고 고온양생 후 양생조건 등에 대해 검토하였다.
- 본 연구에서는 시멘트를 전혀 사용하지 않고 결합재로서 플라이애시를 100% 사용한 콘크리트 개발을 목적으로 알칼리 활성화제와 양생조건 등이 모르타르의 압축강도에 미치는 영향을 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 12. Influence of curing condition after the curing temperature 90℃ on compressive strength.
제안 방법
- 이렇게 제작된 모르타르를 KS L 5105에 준하여 플로우 시험과 50x50x50 mm의 모르타르 공시체를 제작하여 재령 1, 3, 7 및 28일 압축강도를 측정하였다";
- 플라이애시의 중합반응은 이 유리질 피막을 깨고 내부의 반응 물질을 활성화시키는 것으로 플라이애시 입자 주위에 강알칼리성 환경을 형성하거나 고온양생 등을 실시함으로써 유리질 피막이 깨지게 되는 것으로 알려져 있다. 12)따라서 본 연구에서는 플라이애시를 활성화 시킬 수 있는 알칼리 자극제를 시약용으로 순도 98% 이상인 NaOH, KOH를 사용하였으며, 몰농도는 각각 6, 9 및 12M로 제조하여 반응성을 검토하였다. 또한 알칼리 자극제를 단독으로 사용하는 것보다 소듐실리케이트의 혼합사용이 중합반응을 더욱 활성화시킨다는 기존의 연구17)를 토대로 쇼듐실리케이트(NaQTO%, SiO2=30%, 고형분 =40%)를 사용하였다.
- Fig. 6은 양생온도가 압축강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 30, 60 및 90℃에서 24시간동안 양생을 실시하여 정해진 재령에서 압축강도를 측정하였다. 재령 7일까지는 양생온도가 높을수록 압축강도가 향상되는 것으로 나타났으며, 재령 28일에서 양생온도 60℃와 90℃는 30℃에 비해 강도가 크게 나타났으나, 60℃와 90℃는 오히려 강도가 역전되는 결과가 나타났다.
- 따라서 동일한 양에서 알칼리 자극제의 종류에 따른 압축강도를 분석하기 위해 알칼리 자극제를 360 g을 사용하여 압축강도를 평가하였다. 그 결과를 Fig.
- 또한 양생온도 및 양생기간에 따른 영향을 알아보기 위하여 습도 65±10% R.H.가 유지되는 조건에서 30, 60 및 로 각각 24, 48 및 72시간동안 양생을 실시한 후 23±2℃의 상온에서 기건양생(습도 65±10% R.H.) 과 수중양생을 시험재령까지 실시하였다.
- 이와 같이 콘크리트 대신 모르타르 대상으로 배합을 설정한 이유는 양질인 골재를 사용한 경우 골재가 콘크리트의 강도발현에 미치는 영향은 크지 않고, 콘크리트의 강도를 포함한 품질에 지배적인 영향을 끼치는 것은 결합재의 경화체로 판단되어 기초연구로서 모르타르를 대상으로 하였다. 배합 중에서 Mix No.2를 통해 알칼리자극제의 종류와 몰농도의 영향, 양생온도 및 양생기간 등에 대해 검토하기 위해 사용하였고, Mix No.l 과 Mix No3은 NaOH와 소듐실리케이트의 혼합비를 검토하기 위해 사용하였다.
- 본 연구에서는 Table 2와 같이 알칼리 활성화 제의영향 및 양생온도, 양생조건에 따라 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 그러나 KOHS 수용액으로 제조할 경우에는 급격한 반응으로 끓는 현상이 발생하는 등 제조하는데 어려움이 있으며, 경제성 측면에서도 KOH가 다소 불리하기 때문에 결합재로 플라이애시를 100% 사용한 알칼리 활성 콘크리트인 경우에는 알칼리 자극제로 NaOH을 사용하는 것이 적정한 것으로 판단된다. 따라서 이후 실험에서는 알칼리 자극제로 NaOH를 사용하였다.
- 12)따라서 본 연구에서는 플라이애시를 활성화 시킬 수 있는 알칼리 자극제를 시약용으로 순도 98% 이상인 NaOH, KOH를 사용하였으며, 몰농도는 각각 6, 9 및 12M로 제조하여 반응성을 검토하였다. 또한 알칼리 자극제를 단독으로 사용하는 것보다 소듐실리케이트의 혼합사용이 중합반응을 더욱 활성화시킨다는 기존의 연구17)를 토대로 쇼듐실리케이트(NaQTO%, SiO2=30%, 고형분 =40%)를 사용하였다. 잔골재는 6호 규사(SiC)2=95%, 밀도=2.
- 본 실험에 사용된 시멘트 ZERO 모르타르는 10리터 믹서기에 먼저 플라이애시와 잔골재를 넣어 30-40 rpm 속도로 2분간 건비빔을 실시한 다음, 1일 전에 제조된 알칼리 자극제와 소듐실리케이트 및 배합수를 넣어 다시 70-80 rpm 속도로 3분간 믹싱하여 제조하였다.
- 본 연구에서 사용된 시멘트 대체 결합재로는 보령 화력발전소에서 생산되는 플라이애시를 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다. 본 연구에서 사용한 플라이애시는 산화규소(SiO2, 와 산화알루미나 (AIM)의 함유량이 81.
- 본 연구에서 사용한 배합비는 Table 3과 같이 콘크리트에서 굵은골재를 제외한 모르타르를 대상으로 한다. 이와 같이 콘크리트 대신 모르타르 대상으로 배합을 설정한 이유는 양질인 골재를 사용한 경우 골재가 콘크리트의 강도발현에 미치는 영향은 크지 않고, 콘크리트의 강도를 포함한 품질에 지배적인 영향을 끼치는 것은 결합재의 경화체로 판단되어 기초연구로서 모르타르를 대상으로 하였다.
- 및 물리적 성질은 Table 1과 같다. 본 연구에서 사용한 플라이애시는 산화규소(SiO2, 와 산화알루미나 (AIM)의 함유량이 81.1 %로 반응성 산화물이 다량 포함되어 있다. 이 성분들은 2장에서 설명한 바와 같이 알칼리 활성제 사용과 고온양생으로 Al-Si 중합반응이 발생하여 콘크리트의 강도를 발현시킨다.
- 또한 알칼리 자극제를 단독으로 사용하는 것보다 소듐실리케이트의 혼합사용이 중합반응을 더욱 활성화시킨다는 기존의 연구17)를 토대로 쇼듐실리케이트(NaQTO%, SiO2=30%, 고형분 =40%)를 사용하였다. 잔골재는 6호 규사(SiC)2=95%, 밀도=2.62g/㎠)를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 알칼리 자극제로는 제조상의 안정성 및 경제성을 고려할 경우, KOH를 사용하는 것보다는 NaOH이 유리하며, NaOH 몰농도가 증가함에 따라 강도가 향상되며, 몰 농도에 따라 강도를 제어할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고 NaOH와 쇼듐실리케이트와는 l:l(Na2O/ SiO2의 몰비 1.
- 이와 같이 양생 온도가 높을수록 강도가 향상되는 것은 콘크리트 내부의 수분감소를 유도하고 pH 상승으로 플라이애시가 활성화 시킬 수 있는 고알칼리 환경으로 변화되어 플라이애시의 중합반응이 가속화되었기 때문이다.19)그리고 양생온도 90℃에서 재령 7일과 재령 28일 사이에서 강도 증진이 없는 것은 24시간 동안 90℃의 고온양생으로 재령 7일까지 콘크리트 내부의 수분 증발이 이루어져 플라이애시의 잠재적 중합반응이 대부분 진행됨으로써 그 이후의 재령에서 강도가 증진되지 않은 것으로 분석된다. T.
- 2) 재령초기에 고강도가 요구되는 콘크리트인 경우에는 양생온도가 높을수록 유리하고, 일반콘크리트의 설계기준 재령인 28일에서 높은 강도가 요구가 되는 경우에는 양생온도 60℃에서 48시간 정도 실시하는 것이 적절한 것으로 나타났다. 그리고 고온양생 후 콘크리트 내부의 수분배출로 pH 상승을 유도할 수 있으므로 수중 양생보다는 기건양생을 실시하는 것이 강도증진에 효과적이며, 특히 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 그 효과가 현격히 발휘되는 것으로 나타났다.
- 8은 60에서 양생기간이 압축강도에 미치는 영향이다. 24시간 동안 60℃에서 양생을 실시할 경우, 15MPa 정도로 비교적 강도가 크게 나타났으며, 재령 7 일까지 60℃의 양생기간이 길수록 강도가 증진되는 것으로 나타났다. 그리고 재령 7일과 재령 28일 사이에서 60。(2에서 48시간과 72시간 동안 양생을 실시한 경우에는 강도가 상당히 크게 증가되어 압축강도 70MPa 이상으로 비교적 고강도를 나타내고 있다.
- 3) 이상의 결론으로부터 재령 28일에서 압축강도 70MPa의 고강도 알칼리 활성 모르타를 제조하기 위해서는 9M NaOH과 쇼듐실리케이트를 1:1의 비율로 제조한 알칼리 활성화제를 사용하고, 60℃에서 48시간 동안 양생을 한 다음 기건양생을 실시하는 것이 적절한 것으로 분석된다.
- 7은 30℃에서 24, 48, 72시간 동안 양생한 후기건양생을 통하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 압축강도를 측정한 결과이다. 30℃에서 2일 동안 양생을 실시하더라도 강도가 거의 발현이 되지 않았으며, 재령 3일이 경과되면서 강도가 5 MPa 정도 발현되었으며, 재령 7 일에서 13 MPa 정도로 비교적 강도가 낮은 것으로 나타났다. 그리고 재령 28일에서 일반콘크리트의 강도 범위인 21~25MPa의 강도가 발현되었다.
- 10은 양생온도별 재령 28일에서 SEM 분석을 실시한 결과이다. 30℃에서 양생을 실시한 경우에는 플라이애시의 둥근 입자 주위에 중합반응 생성물이 생성되기 시작되어 있으나, 양생온도 60℃와 90℃인 경우에는 플라이애시의 입자가 중합반응으로 거의 사라지고, 막대모양의 중합반응 생성물이 다량으로 생성되는 것으로 나타났다. 그리고 중합반응의 생성물을 확대해 보면 크기가 다른 막대모양의 생성물이 다량으로 보이고, 생성물 표면이 건조에 의해 미세한 균열이 보이고 있다.
- 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 재령 7일까지는 기건양생과 수중양생의 차이가 없는 것으로 나타났으나, 재령 28일에서 기건양생의 경우가 수중양생보다 강도 차이가 28MPa 정도로 상당히 큰 것으로 나타났다. 이것은 고온양생 후 양생조건에 따라 콘크리트 내부의 수분이 증발 정도에 의한 중합반응의 차이가 작용한 것으로 판단된다.
- 90℃의 양생을 실시한 경우에는 재령 3일에서 양생 조건에 따른 영향이 거의 없고, 재령 7일 이후에서는 기건양생이 수중양생에 비해 강도가 증진되는 것으로 나타났으나, 60℃에 비해 양생조건에 따른 영향은 작은 것으로 나타났다. 이것은 9(TC에서 48시간 동안 양생을 할 경우에는 이 기간에 대부분 수분증발 등이 발생함으로써 그 이후의 양생조건에 따른 영향이 적은 것을 분석된다.
- 15는 각각 고온양생 후 양생 조건별로 강도와 적산온도의 관계를 나타내었다. 고온양생 후 기건 양생을 실시한 경우에는 재령 7일까지 해당하는 적산온도에서 양생온도가 높을수록 고강도를 얻을 수 있는 것으로 나타났으며, 재령 28일에 해당하는 적산온도에서는 60℃에서 48시간과 72시간 동안 양생을 실시한 경우가 가장 강도가 높은 것으로 나타났다. 그리고 고온양생 후 수중양생을 실시한 경우에도 기건양생을 실시한 경우와 유사한 강도를 발현하는 것으로 나타났으나, 전체적으로 강도가 낮고, 재령 28일에 해당하는 적산온도에서 60P와 9(TC의 양생온도의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 2의 배합으로 NaOH와 KOH를 각각 9M로 제조한 알칼리 자극제를 사용하여 모르타르를 제조한 다음 6℃에서 24시간 고온양생을 실시한 후 기건양생을 통하여 1, 3, 7 및 28일에서 강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 모든 재령에서 NaOH를 사용한 경우보다는 KOH* 사용한 경우가 강도가 더 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 NaOH와 KOH의 몰 농도가 동일하더라도 NaOH의 경우 1M당 40 g, KOH 의 경우 1M당 56 g을 사용하기 때문에 동일 몰 농도를 적용할 경우 알칼리도가 더 높아지게 되기 때문으로 사료된다.
- 고온양생 후 기건 양생을 실시한 경우에는 재령 7일까지 해당하는 적산온도에서 양생온도가 높을수록 고강도를 얻을 수 있는 것으로 나타났으며, 재령 28일에 해당하는 적산온도에서는 60℃에서 48시간과 72시간 동안 양생을 실시한 경우가 가장 강도가 높은 것으로 나타났다. 그리고 고온양생 후 수중양생을 실시한 경우에도 기건양생을 실시한 경우와 유사한 강도를 발현하는 것으로 나타났으나, 전체적으로 강도가 낮고, 재령 28일에 해당하는 적산온도에서 60P와 9(TC의 양생온도의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 것으로 나타났다. 그리고 고온양생 후 콘크리트 내부의 수분배출로 pH 상승을 유도할 수 있으므로 수중 양생보다는 기건양생을 실시하는 것이 강도증진에 효과적이며, 특히 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 그 효과가 현격히 발휘되는 것으로 나타났다.
- 그리고 재령 7일과 재령 28일 사이에서 60。(2에서 48시간과 72시간 동안 양생을 실시한 경우에는 강도가 상당히 크게 증가되어 압축강도 70MPa 이상으로 비교적 고강도를 나타내고 있다. 그리고 재령 28일에서 양생기간 48시간이 72시간보다 강도가 약간 증진이 되는 것으로 나타났으며, 이 결과로부터 60℃의 환경에서 플라이 애시의 중합반응이 활성화를 유도할 수 있는 콘크리트 내부의 수분 증발에 필요한 시간은48시간으로 추정된다. 따라서 60℃ 양생환경에서는 48 시간 정도 양생을 실시하는 것이 강도발현에 적절한 것으로 분석된다.
- 즉 수중양생의 경우에는 콘크리트 내부의 수분이 빠져나가지 못하여 중합반응이 활발히 발생하지 않을 가능성이 높지만, 기건양생의 경우에는 건조에 의해 콘크리트 내부의 수분이 증발됨으로써 중합반응이 활발하게 발생할 가능성이 높기 때문으로 사료된다. 또한 Fig. 13과 같이 SEM을 분석한 결과, 수중 양생의 경우 중합반응이 많이 발생하지 않아 플라이애시 입자의 둥근 형태가 많이 보이나, 기건양생을 한 경우 둥근 입자의 플라이애시가 거의 보이지 않고 중합반응의 생성물인 막대모양의 조직이 다량으로 발견된 것을 알 수 있다.
- 본 연구의 결과로부터 NaOH의 몰농도에 따라 콘크리트의 강도를 제어 할 수 있을 것으로 사료되며, 또한 일반콘크리트의 고강도 콘크리트 기준18)인 40 MPa 이상을 확보하는 데에는 NaOH 9M 정도를 사용하는 것이 적정한 것으로 판단된다.
- 이상과 같이 고온양생을 실시한 후 양생조건의 영향을 검토한 결과, 고온양생 후 기건양생을 실시한 것이 강도 증진에 효과가 있으며, 특히 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 그 효과가 현격히 발휘되는 것으로 나타났다.
- 이상과 같이 적산온도를 적용하여 강도특성을 분석한 결과, 초기에 고강도가 요구되는 상황에서 90℃에서 양생을 실시한 것이 적절하고, 장기적으로 고강도가 요구되는 상황에서 60P에서 고온양생을 실시한 후 기건 양생을 실시하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
- 이상의 결과로부터 재령초기에 고강도가 요구되는 콘크리트인 경우에는 양생온도가 높을수록 유리하고, 일반 콘크리트의 설계기준 재령인 28일에서 높은 강도가 요구가 되는 경우에는 양생온도 60℃가 적정한 것으로 판단된다.
- 이와 같이 본 연구범위에서 NaOH와 쇼듐실리케이트를 1:1로 혼합하여 제조한 한 경우, 즉 Na2O/SiO2 몰비가 1.12일 때 플라이애시의 Si, Al 성분과 반응성이 가장 커 강도발현이 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 이와 같은 결과는 NaOH의 몰농도가 증가함에 따라 알칼리가 높아 플라이애시의 유리피막이 파괴되어 내부의 Si와 A1 성분과 반응이 활성화되었기 때문으로 분석된다.16)그리고 재령 7일까지 재령에 따른 영향이 거의 없었으나, 재령 7일과 재령 28일 사이에서 NaOH 몰농도와 관계없이 강도가 크게 증가하는 것으로 나타났는데, 이것은 고온양생 후기건양생을 통해 배합수가 모르타르 외부로 배출되고 알칼리성이 높아져 반응이 활성화되었기 때문으로 사료17) 되고, 본 연구에서는 재령 28일까지 강도를 측정하였으나 향후 연구에서는 보다 장기재령에서 강도와 질량 변화, pH 등을 측정하여 이들의 관계를 분석할 예정이다.
- 노력을 하고 있다. 그러나 이런 방법으로는 현재 연간 약 6, 300만톤의 시멘트를 생산으로 배출되는 약 5, 700 만 톤의 CO2를 대폭적으로 저감시킬 수 없기 때문에 보다 강력한 대책이 강구되어야 할 것이다. 최근 이러한 환경문제로 인하여 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 ZERO 콘크리트 개발에 관한 연구가 주목을 받고 있다.
- Bakharev의 연구17)에서도 본 연구와 비슷하게 양생온도가 고온인 경우에는 초기재령에서 강도발현이 급격히 발생하다가 재령이 증가함에 따라 강도발현이 서서히 감소하고, 양생온도가 비교적 낮은 경우에는 초기 재령에서 강도발현이 천천히 일어나다가 재령이 증가함에 따라 강도발현이 활발해지는 것으로 나타났다. 이런 결과의 원인은 아직 밝혀지지 않았지만, 향후 연구에서 양생 온도와 재령에 따른 경화체의 조직변화를 분석하여강도발현 메카니즘을 규명할 예정이다.
- 향후 결합재 및 알칼리 활성제 등의 종류 및 비율 등에 대한 배합 분석, 그리고 시공성, 강도특성, 내구성, 구조성능에 대해 검토하여 다양한 시멘트 ZERO 콘크리트 및 이를 활용한 구조부재를 개발할 예정이다.
- 이런 건조에 의해 균열이 발생한 생성물이 강도에 악영향을 미칠 수 있으나, 아직까지 해명되지 않았다. 향후 양생온도, 고온양생 기간, 양생조건 그리고 재령 등을 종합적으로 고려하여 검토할 예정이다.
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