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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 시멘트를 전혀 사용하지 않고 결합재로서 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합 사용한 알칼리 활성 콘크리트를 개발할 목적으로 결합재의 혼합 비율, 양생온도가 알칼리 활성 모르터의 시공성 및 강도발현에 미치는 영향에 대해 검토하였다.
- 본 연구에서는 시멘트 대신에 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합한 무시멘트 알칼리 활성 콘크리트를 개발할 목적으로 결합재의 혼합비율, 양생온도가 알칼리 활성 모르터의 시공성 및 강도발현에 미치는 영향을 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 0톤의 CO2 가스를 배출하는 등 전 세계 CO2 가스 배출량의 7%를 차지할 정도로 심각하다3). 이에 시멘트 산업에서 소성온도를 낮추어 생산하거나 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말 등의 혼합 시멘트 사용하는 등 CO2를 저감하고자 노력을 하고 있다. 또한, 최근에는 이러한 환경문제로 인하여 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 ZERO 콘크리트 개발에 관한 연구가 주목을 받고 있다.
제안 방법
- 50×50×50 mm의 모르터 공시체를 제작하여 일정한 양생을 걸쳐 재령 1, 3, 7, 14, 28, 56, 91일에서 압축강도를 측정하였으며, 압축강도 값은 공시체 5개의 평균값이다.
- 그리고 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 50%씩 혼합한 결합재에 대해 알칼리 활성화제로 10M NaOH를 사용하고 25℃에서 양생한 경우, 재령 28일에서 50 MPa 정도의 강도가 발현되고, 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 혼합비가 강도발현에 중요한 인자로 작용한다는 것을 확인하였다14). C급 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합하고, 탈황석고, 수산화칼슘 등으로 구성된 활성화제를 사용한 결과, 결합재는 고로슬래그 미분말 70%, C급 플라이애쉬 18% 그리고 활성화제 2%로 구성된 것을 적정 혼합비로 선정하였다15). 이상과 같이 플라이 애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합한 알칼리 활성 콘크리트는 결합재의 성분·분말도·혼합비율, 알칼리 활성화제의 종류·양, 양생방법 등에 따라 다르게 나타날 것으로 판단되나, 이에 대해 체계적인 연구는 부족한 실정이다.
- Fig. 5는 양생온도가 압축강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 각각 20℃와 60℃에서 48시간 동안 양생한 후 정해진 재령에서 압축강도를 측정하였다.
- 또한 양생온도에 따른 영향을 검토하기 위하여 습도 65±10% R.H.가 유지되는 조건에서 각각 20℃와 60℃로 48시간 동안 양생을 실시한 후 23±2℃의 상온에서 기건양생(습도 65±10% R.H.)을 실시하였다.
- 본 실험에 사용된 알칼리 활성 모르터는 10리터 믹서에 먼저 플라이애쉬와 잔골재를 넣어 30∼40 rpm 속도로 2분간 건비빔을 실시한 다음, 1일 전에 제조된 알칼리 활성화제 및 배합수를 넣어 다시 70∼80 rpm 속도로 3분간 믹싱하여 제조하였다.
- 본 연구에서 사용한 배합비는 Table 2와 같이 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 혼합비율을 질량비로 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100으로 하였으며, 이 중에서 혼합비율 50:50에 대해서 알칼리 활성화제의 혼합비를 검토하는데 사용하였다. 본 연구에서 사용된 배합은 Table 2에 나타낸 콘크리트 배합에서 굵은 골재를 제외시킨 모르터 배합을 대상으로 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 배합비는 Table 2와 같이 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 혼합비율을 질량비로 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100으로 하였으며, 이 중에서 혼합비율 50:50에 대해서 알칼리 활성화제의 혼합비를 검토하는데 사용하였다. 본 연구에서 사용된 배합은 Table 2에 나타낸 콘크리트 배합에서 굵은 골재를 제외시킨 모르터 배합을 대상으로 하였다. 양질인 골재를 사용한 경우에는 일반 강도범위에서 콘크리트와 모르터 모두 골재가 강도 발현에 미치는 영향은 크지 않고, 콘크리트의 강도를 포함한 품질에 지배적인 영향을 미치는 것은 시멘트 결합체로 판단되어 기초연구로서 모르터를 대상으로 하였다.
- 본 연구에서 사용된 시멘트 대체 결합재로는 경남 하동 화력발전소에서 생산되는 플라이애쉬와 포항제철소에서 발생하는 고로슬래그 미분말을 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다. 플라이애쉬는 산화규소 (SiO2)와 산화알루미나(Al2O3)의 함유량이 81.
- 저자들은 기존 연구16)를 통하여 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 알칼리 활성화제로 반응성, 시공성 및 안정성 등을 고려하여 9M의 NaOH와 쇼듐실리케이트의 적정 혼합비로 1:1을제안한 바 있다. 실험에 사용된 NaOH는 시약용으로 순도 98% 이상인 것을 사용하였으며, 소듐실리케이트는 Na2O=10%, SiO2 =30%, 고형분=38.5%를 사용하였다. 잔골재는 6호 규사(SiO2 =95%, 밀도=2.
- 5%를 사용하였다. 잔골재는 6호 규사(SiO2 =95%, 밀도=2.62 g/㎠)를 사용하였다.
이론/모형
- 이렇게 제작된 모르터에 대해 유동성을 평가하기 위해 KS L 5105에 준하여 시간이 경과함에 따른 플로우의 변화를 측정하였다. 50×50×50 mm의 모르터 공시체를 제작하여 일정한 양생을 걸쳐 재령 1, 3, 7, 14, 28, 56, 91일에서 압축강도를 측정하였으며, 압축강도 값은 공시체 5개의 평균값이다.
성능/효과
- 1) 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합하여 사용한 알칼리 활성 모르터의 유동성은 제조 후 2시간이 경과하더라도 플로우가 170mm 정도로 충분한 작업성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 2) 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합한 모르터의 압축강도는 재령 초기에는 주로 고로슬래그미분말이 좌우하고 점차적으로 재령이 경과함에 따라 플라이애쉬가 강도발현을 좌우함으로써 단독으로 사용한 경우에 비해 강도가 향상되는 것으로 나타났다. 특히 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 50%씩 혼합한 경우에는 재령 1일에서 30 MPa, 재령 28일에는 65 MPa, 재령 91일에서 70 MPa 정도의 매우 높은 강도를 나타내고 있다.
- 3) 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합한 경우에는 양생온도의 영향을 크게 받지 않고 상온에서 충분히 고강도 무시멘트 콘크리트 제조가 가능한 것으로 나타났다.
- 결합재로 플라이애쉬만을 사용한 알칼리 활성 모르터 (FA:BS=100:0)는 20℃에서 양생을 실시한 경우에는 강도가 거의 발현되지 않았으나, 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 재령 1일에서 강도가 약 15 MPa 발현되고 재령 28일에서 43 MPa 정도로 양생온도가 강도발현에 미치는 영향을 상당히 큰 것으로 나타났다. 그리고 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 배합((FA:BS=0:100)은 FA:BS=100:0에 비해 양생온도에 따른 영향이 적게 나타났으나, 70% 이상의 강도 차이가 있는 재령 1일을 제외하더라도 재령에 따라 10~25% 정도로 양생온도에 따른 강도의 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 3은 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 혼합비가 시간경과에 따른 유동성을 평가한 결과이다. 그 결과, 플라이애쉬를 단독으로 사용한 경우에는 타설 후 2시간이 경과하더라도 유동성 손실이 거의 없이 200 mm의 플로우를 유지하고 있다. 그러나 고로슬래그 미분말의 혼입률이 높을수록 시간의 경과함에 따라 유동성 손실이 커지는 것으로 나타났다.
- 2는 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 혼합비율에 따른 유동성을 평가한 결과이다. 그 결과, 플라이애쉬를 단독으로 사용한 경우에는 플로우가 200 mm 정도로 높은 유동성을 나타내고 있으나, 고로슬래그 미분말의 혼합비가 증가함에 따라 유동성이 저하되어 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 경우에는 플로우가 150 mm 정도로 저하되는 것으로 나타났다. 이것은 플라이애쉬를 사용한 경우에는 반응이 거의 발생하지 않으나, 고로슬래그 미분말을 사용한 경우에는 반응이 급격히 발생하게 때문에 유동성의 저하가 크게 발생하는 것으로 판단된다.
- 플라이애쉬의 중합반응을 활성화시키기 위해 고온양생을 실시하거나, 물리적으로 유리질 피막을 파괴시키는 방법 또는 본 연구와 같이 반응성이 강한 결합재와 혼합하여 사용하는 방법을 사용할 수 있다. 그리고 결합재로 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 경우(FA:BS=0:100)에는 재령 1일에서도 27 MPa로 매우 높고 그 이후 재령 14일까지 강도가 증진되어 50 MPa 정도로 고강도가 발현되나, 그 이후 재령에서 강도증진이 거의 없는 것으로 나타났다.
- 결합재로 플라이애쉬만을 사용한 알칼리 활성 모르터 (FA:BS=100:0)는 20℃에서 양생을 실시한 경우에는 강도가 거의 발현되지 않았으나, 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 재령 1일에서 강도가 약 15 MPa 발현되고 재령 28일에서 43 MPa 정도로 양생온도가 강도발현에 미치는 영향을 상당히 큰 것으로 나타났다. 그리고 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 배합((FA:BS=0:100)은 FA:BS=100:0에 비해 양생온도에 따른 영향이 적게 나타났으나, 70% 이상의 강도 차이가 있는 재령 1일을 제외하더라도 재령에 따라 10~25% 정도로 양생온도에 따른 강도의 차이가 있는 것으로 나타났다. 이에 비해 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 50%씩 혼합한 FA:BS=50:50 배합에서 양생온도에 따라 26% 정도 차이가 있는 재령 1일을 제외하고 모든 재령에서 10% 이내로 온도의 영향이 상당히 작아지고 있는 것으로 나타났다.
- 이상과 같이 알칼리 활성 모르터에서 고로슬래그 미분 말과 플라이애쉬를 혼합하여 사용한 경우, 강도 증진에 효과 있으며, 각각 50:50 비율로 혼합하는 것이 적정한 것으로 판단된다.
- 이상과 같이 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합한 알칼리 활성 모르터(FA:BS=50:50)는 플라이애쉬 또는 고로 슬래그 미분말을 100%로 사용한 FA:BS=100:0과 FA:BS=0:100에 비해 양생온도의 차이가 없어 상온에서 충분히 고강도 콘크리트 제조가 가능한 것으로 나타났다.
- FA:BS=0:100과 25:75의 경우에는 각각 타설한 후 30분과 1시간이 경과 시 유동성을 거의 잃어 시편 제작이 불가능한 상태에 있었다. 이에 반해 FA:BS=75:25와 50:50으로 제조된 알칼리 활성 모르터는 타 설 후 2시간이 경과하더라도 플로우가 각각 170 mm와 156 mm로 타설 작업이 가능한 유동성을 유지하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 플라이애쉬의 경우에는 상온에서 Si-Al 성분과 직접적으로 반응하지 못하여 장시간 유동성이 유지되지만, 고로슬래그 미분말을 사용한 경우에는 알칼리 활성화제와의 반응속도가 빨라 급결이 일어나 유동성 손실이 일어나는 것으로 판단된다17).
- 그리고 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 배합((FA:BS=0:100)은 FA:BS=100:0에 비해 양생온도에 따른 영향이 적게 나타났으나, 70% 이상의 강도 차이가 있는 재령 1일을 제외하더라도 재령에 따라 10~25% 정도로 양생온도에 따른 강도의 차이가 있는 것으로 나타났다. 이에 비해 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 50%씩 혼합한 FA:BS=50:50 배합에서 양생온도에 따라 26% 정도 차이가 있는 재령 1일을 제외하고 모든 재령에서 10% 이내로 온도의 영향이 상당히 작아지고 있는 것으로 나타났다.
- 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말을 혼합한 모르터의 강도는 각각 단독으로 사용하는 경우에 비해 강도가 향상되는 것으로 나타났다. FA:BS=75:25의 배합에서 재령초기부터 강도가 발현되어 최종적으로 30 MPa 이상의 강도를 얻을 수 있었다.
후속연구
- . 그러나 2010년부터 제철소가 추가로 가동되면서 향후 고로슬래그 미분말의 발생 양은 계속 증가할 것으로 판단되므로 이에 대한 대책이 필요하다.
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