[논문]제올라이트 시멘트 모르타르의 재료적 특성에 관한 기초 연구

조병완; 강석원; 박승국; 최지선

doi:10.4334/jkci.2011.23.2.203

문제 정의

따라서 이 논문에서는 포틀랜드 시멘트의 주 원료인 석회석을 사용하지 않는 신개념의 건설소재를 개발하기 위해, 자연 상태에서 원적외선을 방출하여 인체에 유익하고 대량 공급이 가능한 천연 제올라이트를 이용하여 시멘트 모르타르를 제작하고 재료적 특성을 연구하고자 하였다.
천연 제올라이트의 물리적 · 화학적 특성을 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하고, 알칼리 경화 제올라이트 시멘트 모르타르의 강도 특성, 반응 생성물 및 경화 메커니즘을 구명하고자 하였다. 또한 알칼리 경화 제올라이트 시멘트 모르타르 제작 방법, 재령 및 화학적 반응에 따른 압축강도 등을 바탕으로 제올라이트 시멘트 모르타르를 토목, 건축 구조 분야에 실용화하기 위한 기초 자료를 제시하고자 하였다.
시멘트 산업에서 CO₂배출로 인한 지구 온난화 문제와 배합시 혼합수로 인한 수화열과 건조수축의 문제점을 해결하기 위한 방법으로써 제올라이트와 알칼리 활성제를 사용하여 신개념 건설 소재의 개발을 위한 실험을 하였다. 제올라이트 시멘트의 물리적·화학적 특성 및 모르타르의 역학적 특성을 시험을 통해 살펴 보았고 그 결론은 다음과 같다.
제올라이트 시멘트의 안정도를 측정하기 위해서 시멘트의 팽창도를 측정하며 KS L 5107(시멘트의 오토클레이브 팽창도 시험 방법)에 의하여 실시하였다. 시멘트에 있는 CaO, MgO 또는 이 두 가지 성분으로 인한 잠재적으로 지연되어 있는 팽창의 지표를 알아보기 위하여 실시하였다. 제올라이트 시멘트의 안정도 시험은 표준주도의 시멘트 풀로 만든 시험체(25.
이 연구에서는 제올라이트 시멘트를 사용하였으며, 또한 기존의 수화 반응과는 달리 알칼리 활성제를 이용하여 경화시키고자 하였다.
천연 제올라이트의 물리적 · 화학적 특성을 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하고, 알칼리 경화 제올라이트 시멘트 모르타르의 강도 특성, 반응 생성물 및 경화 메커니즘을 구명하고자 하였다.

가설 설정

적정 실험 배합비 도출을 위해서 3단계의 실험 과정을 수행하였다. KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험 방법)를 근거로 바인더, 알칼리 활성제, 골재를 고정시켜 적정의 혼합수의 양을 가정하였다.⁹⁾그리고 가정된 혼합수의 양을 바탕으로 알칼리 활성제 및 골재의 양을 변화시켜가면서 적정의 압축강도를 찾는 1차 배합을 Table 6과 같이 설계하였다.

제안 방법

10) 양생 온도를 확인하기 위해 최고 강도 발현 배합비를 사용하여 30℃에서 120℃까지 30℃씩 증가하여 4단계로 나누어 실시하였다. 또한 배합시 온도 변화에 따른 강도 차이를 측정하기 위해 30℃에서와 90℃에서의 배합 후 각각 강도 차이를 비교 분석하였다.
6) 이 연구를 통하여 시멘트 모르타르의 주원료인 시멘트가 아닌 제올라이트를 주원료로 사용하여 재료적 특성을 파악하였다. 물 대신 알칼리 활성제(NaOH)를 사용하여 압축강도 시험 등을 통한 재료의 역학적 특성을 일반 시멘트 모르타르의 특성과 비교 분석한 결과, 제올라이트 분말과 알칼리 활성제를 통한 특정한 물성을 갖는 결합재를 얻을 수 있어서 시멘트 대체 건설소재로써의 사용이 가능할 것으로 판단된다.
¹⁰⁾양생 온도를 확인하기 위해 최고 강도 발현 배합비를 사용하여 30℃에서 120℃까지 30℃씩 증가하여 4단계로 나누어 실시하였다. 또한 배합시 온도 변화에 따른 강도 차이를 측정하기 위해 30℃에서와 90℃에서의 배합 후 각각 강도 차이를 비교 분석하였다.
비카트 침에 의한 응결 시험은 1 mm의 초결 비카트 침을 표준 반죽 질기의 시멘트 시료에 25 mm의 침입도를 얻을 때까지의 시간을 초결 시간으로, 5 mm의 종결침이 시료 위에 흔적을 나타나지 않을 때를 종결 시간으로 측정하였다. 또한 알칼리 황성제와 제올라이트 시멘트이 비를 각각 0.7~1.4까지 각각 0.2씩 증가시키면서 초결 및 종결 시간을 측정하였으며, 경화 온도와의 관계를 확인하기 위하여 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 90℃, 120℃로 증가시키며 제올라이트 시멘트의 초결 및 종결 시간을 측정하였다.
또한 이 연구에서 제올라이트 시멘트의 응결 시험은 KS L 5108(비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결 시간 시험 방법)에 의해서 실시하였다. 비카트 침에 의한 응결 시험은 1 mm의 초결 비카트 침을 표준 반죽 질기의 시멘트 시료에 25 mm의 침입도를 얻을 때까지의 시간을 초결 시간으로, 5 mm의 종결침이 시료 위에 흔적을 나타나지 않을 때를 종결 시간으로 측정하였다. 또한 알칼리 황성제와 제올라이트 시멘트이 비를 각각 0.
실험 변수에 따라 Table 6과 같이 각각의 배합비에 대해 각주형 공시체(50 × 50 × 50 mm)를 12개씩 제작하여 재령 3, 7, 14, 28일에 대한 압축강도를 KS F 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험 방법)에 의해 측정하여 제올라이트 시멘트 모르타르 적정 배합비를 결정하였다.
이 연구에서는 양생 온도 뿐만 아니라 배합 온도도 알칼리 활성화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단하여 상온 및 고온에서 1시간 배합 후의 강도를 비교하였다. 상온에서의 배합 및 고온(90℃)에서의 배합 후 강도 특성은 Table 9와 같다.
제올라이트 시멘트 모르타르에 NaOH 첨가량에 따른 7일 강도를 측정하였다. 강도 측정 결과는 Fig.
제올라이트 시멘트의 물리적·화학적 특성 및 모르타르의 역학적 특성을 시험을 통해 살펴 보았고 그 결론은 다음과 같다.
제올라이트 시멘트의 안정도 시험은 표준주도의 시멘트 풀로 만든 시험체(25.4 × 25.4 × 25.4 mm)를 증기압 2 MPa인 오토클레이브 속에 3시간 둔 뒤, 상온에서의 냉각 후 길이의 변화를 측정하였다.
최고 강도 발현 배합비를 구하기 위하여 혼합수의 양을 Table 4에서와 같이 제올라이트 시멘트의 12%에서 50%까지 각각 4%씩 증가하여 제올라이트 시멘트의 모르타르를 제작하여 7일 압축강도 측정 실험을 하였다. 압축강도 측정 결과는 Fig.

대상 데이터

성분을 가진 석영 알갱이로 된 잔골재를 사용하였다. 국내 K사의 제품으로서 최대 입경이 0.6 mm인 잔골재를 사용하였다. 사용된 잔골재의 물리적 성질은 Table 5와 같다.
이 실험에서는 경북 감포산을 사용하였으며 물리적 성질 Table 1과 입도 분석 기기에 분쇄한 천연 제올라이트의 크기는 Fig. 1과 같다. 제올라이트 시멘트의 평균 입경은 5.
이 연구에서는 모르타르 제작에 필요한 잔골재로 무수규사인 SiO₂ 성분을 가진 석영 알갱이로 된 잔골재를 사용하였다. 국내 K사의 제품으로서 최대 입경이 0.

이론/모형

또한 이 연구에서 제올라이트 시멘트의 응결 시험은 KS L 5108(비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결 시간 시험 방법)에 의해서 실시하였다. 비카트 침에 의한 응결 시험은 1 mm의 초결 비카트 침을 표준 반죽 질기의 시멘트 시료에 25 mm의 침입도를 얻을 때까지의 시간을 초결 시간으로, 5 mm의 종결침이 시료 위에 흔적을 나타나지 않을 때를 종결 시간으로 측정하였다.
제올라이트 시멘트의 안정도를 측정하기 위해서 시멘트의 팽창도를 측정하며 KS L 5107(시멘트의 오토클레이브 팽창도 시험 방법)에 의하여 실시하였다. 시멘트에 있는 CaO, MgO 또는 이 두 가지 성분으로 인한 잠재적으로 지연되어 있는 팽창의 지표를 알아보기 위하여 실시하였다.

성능/효과

1) 이 연구에서 사용한 감포산 천연 제올라이트의 입경은 평균 5.39 µm 정도이며, 비중은 2.16, 비표면적은 885,500 cm2/g로 나타났으며, 화합물 성분 비율을 살펴보면 SiO2, Al2O3, CaO 순으로 그 함량이 많으며, 제올라이트 분말 모양은 불규칙한 형상도 있으나 대부분 크기가 다른 구형 입자를 가지는 것을 알 수 있다.
2) 제올라이트 시멘트 모르타르는 기존의 수화 반응이 아닌 알칼리 활성화 반응을 사용하여 경화시켰으며, 제올라이트와 지오폴리머 결합 형태의 결정질 경화생성물이 성장을 통하여 소요 강도를 발현하는 것으로 판단된다.
3) 제올라이트 시멘트 모르타르는 혼합수, 알칼리 활성제 및 골재량에 의해 강도의 변화를 나타냈으며, 각 변화에 따른 압축강도 변화를 통해 제올라이트시멘트 180 g, NaOH(50%) 171 g, 골재 565 g일 때 7일 압축강도가 42.3 MPa을 발현하는 최고 강도 발현 배합비를 도출하였다.
4) 양생 온도가 증가할수록 압축강도가 증가하는 것을 알 수 있으며, NaOH가 50℃이상에서 알칼리 반응이 활발히 일어나기 때문에 양생 온도가 90℃일 때 강도 증진에 유리할 것으로 판단되며, 양생 온도가 90℃이상일 경우에는 강도 증가는 더 이상 일어나지 않는 것을 알 수 있었다. 또한 배합과정 중에 온도를 고온(90℃)으로 상승시켜줄 경우 45.
5) 재령에 따른 강도 발현은 재령이 증가함에 따라 압축강도가 증가하였고, 초기 재령 7일에서 압축강도는 재령 28일 압축강도의 90%정도로 초기에 높은 압축강도를 가지는 것으로 나타났다.
2에서 나타나듯이 불규칙한 형상의 입자도 있으나 대부분 크기가 다른 구형 입자를 가지는 것을 알 수 있다.⁶⁾Fig. 3에서 제올라이트 시멘트는 입자의 최대 및 최소 크기의 치수 차이가 작아져 입경이 균등하게 일정함을 알 수 있다.
골재량의 변화에 따른 7일 압축강도 결과는 Fig. 10과 같았으며, 제올라이트 분말의 비율에 2~4배로 증가시키면서 측정하였으며, ZC-G3과 같이 제올라이트 시멘트와 골재의 비율이 약 1:3일 때 가장 높은 압축강도를 발현하는 것으로 판단된다. 이는 제올라이트 시멘트 자체가 힘을 받는 것보다는 골재와 골재 사이를 접착시켜 골재가 힘을 받도록 하는 역할이 더 크게 작용하는 것으로 판단된다.
또한 온도가 높을수록 분자의 운동 속도가 증가하여 확산 속도도 빨라진다. 그 결과 제올라이트 분말 입자로부터 용출된 반응 이온들이 더 멀리 운동하여 반응 생성물을 생성하고, 더 치밀한 내부구조를 얻을 수 있다고 판단된다. 하지만 적정 온도 이상에서는 초기 강도의 증가폭은 크지만 최종 강도의 변화는 크게 일어나지 않은 것으로 보아 온도에 의한 이온의 운동성에는 한계가 있는 것으로 판단된다.
상온에서의 배합은 기존의 배합 방법과 강도 차이를 보이지 않았으며 배합 시간은 강도에 영향을 주지 않는 것으로 판단된다. 또한 고온(90℃)에서의 1시간 배합 후의 강도 측정 결과는 3일 강도 및 7일 강도가 각각 43.2 MPa, 45.5 MPa을 나타내었으며, 이는 기존 배합 방법과 10 MPa이상 큰 강도 차이를 나타냈다. 제올라이트 분말 내부구조가 실리카-알루미나 glassy-chain은 알칼리 활성제에 의해서 에너지를 받을 경우 끊어지게 되어있다.
이와 같은 결과는 제올라이트 시멘트의 경우 모르타르 내부에서는 수화열이 거의 발생하지 않고 30℃에서는 알칼리 활성화반응이 활발하지 않기 때문에 외부에서 더 높은 에너지가 공급된 모르타르가 더 활발한 알칼리 활성화 반응을 유도하여 높은 강도를 가진다고 판단된다. 또한 높은 양생 온도에서 알칼리 활성화시킨 제올라이트 시멘트 모르타르는 낮은 양생 온도에서 알칼리 활성화시킨 모르타르보다 높은 강도를 가지는 것으로 보아 높은 온도에서 제올라이트 시멘트 내부 구조가 실리카-알루미나 glassychain이 분리될 수 있는 환경으로 변하여 SiO₂, Al₂O₃등의 많은 반응성 물질들이 제올라이트 분말 입자로부터 용출되어 반응과 경화가 진행된다고 판단되다. 반응하기 위해서는 활성화 에너지 이상의 에너지를 가지고 있어야하는데, 온도가 높아짐에 따라 이 활성화 에너지 이상의 에너지를 갖는 분자 수가 증가한다.
4) 양생 온도가 증가할수록 압축강도가 증가하는 것을 알 수 있으며, NaOH가 50℃이상에서 알칼리 반응이 활발히 일어나기 때문에 양생 온도가 90℃일 때 강도 증진에 유리할 것으로 판단되며, 양생 온도가 90℃이상일 경우에는 강도 증가는 더 이상 일어나지 않는 것을 알 수 있었다. 또한 배합과정 중에 온도를 고온(90℃)으로 상승시켜줄 경우 45.5 MPa로 기존 배합보다 더 큰 압축강도를 얻을 수 있었다.
상온에서의 배합은 기존의 배합 방법과 강도 차이를 보이지 않았으며 배합 시간은 강도에 영향을 주지 않는 것으로 판단된다. 또한 고온(90℃)에서의 1시간 배합 후의 강도 측정 결과는 3일 강도 및 7일 강도가 각각 43.
또한 90℃ 이상의 양생 온도에서는 90℃에서의 압축강도와 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 실험 결과에서 나타난 것과 같이 양생온도는 제올라이트 시멘트의 알칼리 활성화에 중요한 요인이며, 특히 초기의 양생 온도가 중요하며, 양생 온도로 90℃가 가장 적당한 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 제올라이트 시멘트의 경우 모르타르 내부에서는 수화열이 거의 발생하지 않고 30℃에서는 알칼리 활성화반응이 활발하지 않기 때문에 외부에서 더 높은 에너지가 공급된 모르타르가 더 활발한 알칼리 활성화 반응을 유도하여 높은 강도를 가진다고 판단된다.
5 MPa로 나타났다. 이 결과에 따르면 초기 3일 강도가 28일 강도의 약 90%에 이르며, 초기의 높은 압축강도 증가율에 비하여 재령이 증가할수록 압축강도 증가율이 떨어진 점에 비추어 볼 때 이 실험에서 제올라이트 분말의 공시체의 반응은 초기에 대부분의 경화 반응이 일어난다고 판단된다. 또한 14일 이후의 강도증가는 거의 일어나지 않는 것으로 보아 2주 안에 대부분의 경화 반응이 끝나는 것으로 조기 강도를 필요로 하는 조강 콘크리트로의 활용도 가능할 것이라고 판단된다.
이 실험에 사용된 제올라이트 시멘트의 평균 입경은 5.39 µm로 일반 포틀랜드 시멘트의 입경보다 작거나 거의 비슷한 수준이며, 비중과 비표면적이 각각 2.16, 885,500 cm2/g으로 측정되었으며, 보통 포틀랜드 시멘트의 3.15, 3,112 cm2/g과 비교하여 비표면적이 285배 증가한 것으로 나타났으며, 이는 제올라이트 시멘트의 입자가 작아져 비표면적이 증가하여 골재 주위에 수화 또는 경화 생성물이 더 많이 생성될 것이고, 공극의 크기도 작아져 전체적으로 치밀하게 구성되어 압축강도 및 역학적 특성의 향상을 가지고 올 것이라고 판단된다.
이 연구에서 제올라이트의 주요 성분은 SiO₂, Al₂O₃ 등으로써, 화학적으로 안정한 상태를 가진 결정형 규산 알루미늄염(alumino-silicate)으로 일정한 크기의 미세 기공과 규칙적인 배열을 가진 것으로 판단된다. 이러한 실리카-알루미나 glassy chain이 견고하여 반응이 일어나기 위해서는 이 결합을 분해하여 내부의 반응 물질을 노출시켜야 한다.
제올라이트 분말에 대해서 알칼리 활성제, 골재 및 혼합수의 비는 95%, 314%, 0%에서 2일, 7일 압축강도가 각각 38.5 MPa, 45.5 MPa을 나타내며, 매우 우수한 성능을 나타내는 것으로 판단된다. 이 실험에서 실제로 첨가하는 혼합수의 양이 없지만 알칼리 활성제로 사용한 NaOH의 경우 50%의 수용액을 사용하므로, 첨가한 알칼리 활성제가 포함한 수분이 제올라이트 시멘트의 47%정도 첨가되어지며, 실제로 47%의 물-시멘트 비를 가지고 있는 것과 같은 효과를 내는 것으로 판단된다.
제올라이트 분말에 혼합수, 알칼리 활성제, 골재의 양 및 양생 온도를 변화시켜 가며 실험한 결과 최고강도 발현 배합비를 결정할 수 있었다. 이 실험에 의해서 제올라이트 시멘트 모르타르의 최고강도 발현 배합비는 Table 8과 같이 나타낼 수 있다.
제올라이트 시멘트의 원소 성분 비율을 살펴보면 O, Si, Al, Ca, Na 순으로 그 함량이 많으며, 화합물 성분비율을 살펴보면 SiO₂, Al₂O₃, CaO 순으로 그 함량이 많으며, 일반 포틀랜드 시멘트의 화학 성분에 비하여 CaO 성분이 극히 적은 것으로 나타났다. 즉 화학 성분 비율을 살펴 볼 때 SiO₂, Al₂O₃ 성분이 주를 이루고 있으며, 이는 포졸란 활성에 기여하는 성분으로 알려져 있다.
1과 같다. 제올라이트 시멘트의 평균 입경은 5.39로 일반 포틀랜드 시멘트의 입경보다 작거나 거의 비슷한 수준이며, 비중과 비표면적이 각각 2.16, 885,500 cm²/g으로 측정되었으며, 보통 포틀랜드 시멘트의 3.15, 3,112 cm²/g과 비교하여 비표면적이 285배 증가한 것으로 나타났다.
한편 90% 이상의 고농도 알칼리 활성제를 사용할 경우 보다 활발한 강도 발현을 유도하고 수분의 양을 최소한으로 하여 경화 후의 문제점을 최대한 해결할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 강알칼리성을 띄고 있는 알칼리 활성제의 특성상 부주위로 인한 피해를 높일 수 있는 등 사용성 문제 및 경제성을 고려하였을 때 이 연구에서 사용되어진 50% 농도의 알칼리 활성제의 사용이 적합할 것으로 판단된다.
이는 알칼리 반응에 필요한 이온 이외의 과잉 이온은 공시체 속에 잔류하여, 시간이 경과함에 따라 구조체 밖으로 용출되어 미관 및 사용성에 문제를 줄 것으로 판단된다. 한편 90% 이상의 고농도 알칼리 활성제를 사용할 경우 보다 활발한 강도 발현을 유도하고 수분의 양을 최소한으로 하여 경화 후의 문제점을 최대한 해결할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 강알칼리성을 띄고 있는 알칼리 활성제의 특성상 부주위로 인한 피해를 높일 수 있는 등 사용성 문제 및 경제성을 고려하였을 때 이 연구에서 사용되어진 50% 농도의 알칼리 활성제의 사용이 적합할 것으로 판단된다.
그림에서 보는 바와 같이 알칼리 활성제의 양에 따른 영향은 응결 시간은 초결 시간이 22분±3분, 종결 시간이 약 27분±3분 정도로써 그 영향이 크지 않는 것으로 나타났다. 한편, 양생 온도에 따른 영향을 살펴보면, 양생 온도가 30℃일 때는 초결 시간이 약 230분, 종결 시간이 약 540분 정도였으나, 60℃ 이후에는 급격히 시간이 줄어드는 현상을 살펴볼 수 있었으며, 90℃로 양생한 경우, 초결 시간이 약 22분, 종결 시간이 약 30분 정도로써, 초기 응결 시간의 경우 약 1/10, 종결 시간은 약 1/18로 짧아짐을 볼 수 있었다. 이는 기존의 보통 포틀랜드 시멘트의 초결 시간과 종결 시간이 각각 약 210분 및 300분과 비교하여 초결 시간은 약 1/7, 종결 시간은 1/10로 짧아졌다.

후속연구

이 결과에 따르면 초기 3일 강도가 28일 강도의 약 90%에 이르며, 초기의 높은 압축강도 증가율에 비하여 재령이 증가할수록 압축강도 증가율이 떨어진 점에 비추어 볼 때 이 실험에서 제올라이트 분말의 공시체의 반응은 초기에 대부분의 경화 반응이 일어난다고 판단된다. 또한 14일 이후의 강도증가는 거의 일어나지 않는 것으로 보아 2주 안에 대부분의 경화 반응이 끝나는 것으로 조기 강도를 필요로 하는 조강 콘크리트로의 활용도 가능할 것이라고 판단된다.
6) 이 연구를 통하여 시멘트 모르타르의 주원료인 시멘트가 아닌 제올라이트를 주원료로 사용하여 재료적 특성을 파악하였다. 물 대신 알칼리 활성제(NaOH)를 사용하여 압축강도 시험 등을 통한 재료의 역학적 특성을 일반 시멘트 모르타르의 특성과 비교 분석한 결과, 제올라이트 분말과 알칼리 활성제를 통한 특정한 물성을 갖는 결합재를 얻을 수 있어서 시멘트 대체 건설소재로써의 사용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 건설 분야 응용을 위해서는 보다 많은 연구가 수행되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시멘트는 무엇인가?	시멘트는 석회질 원료와 점토질 원료를 약 1,500oC에서 고온 소성하여 상의 변화에 따른 칼슘 실리케이트(C3S, C2S)가 생성되어, 물과 반응하여 수화 생성물인 에트린자이트와 C-S-H 겔(gel)로 경화되는 수경성 재료로서,1,2,5) 수화 반응을 통한 건조수축 및 균열 등의 결함3)과 강알칼리성 및 Cr6+ 같은 유해 물질로 인해 새로운 차원에서 신 개념의 건설 소재 개발에 대한 논의가 필요한 시점이다.
	제올라이트 시멘트의 원소 성분 비율은 어떤 순으로 그 함량이 많은가?	제올라이트 시멘트의 원소 성분 비율을 살펴보면 O, Si, Al, Ca, Na 순으로 그 함량이 많으며, 화합물 성분비율을 살펴보면 SiO2, Al2O3, CaO 순으로 그 함량이 많으며, 일반 포틀랜드 시멘트의 화학 성분에 비하여 CaO 성분이 극히 적은 것으로 나타났다. 즉 화학 성분 비율을 살펴 볼 때 SiO2, Al2O3 성분이 주를 이루고 있으며, 이는 포졸란 활성에 기여하는 성분으로 알려져 있다.
	시멘트 산업에서 CO2배출로 인한 지구 온난화 문제와 배합시 혼합수로 인한 수화열과 건조수축의 문제점을 해결하기 위한 방법으로써 제올라이트와 알칼리 활성제를 사용하여 신개념 건설 소재의 개발을 위해 실험한 결과는 어떠한가?	1) 이 연구에서 사용한 감포산 천연 제올라이트의 입경은 평균 5.39 µm 정도이며, 비중은 2.16, 비표면적은 885,500 cm2/g로 나타났으며, 화합물 성분 비율을 살펴보면 SiO2, Al2O3, CaO 순으로 그 함량이 많으며, 제올라이트 분말 모양은 불규칙한 형상도 있으나 대부분 크기가 다른 구형 입자를 가지는 것을 알 수 있다. 2) 제올라이트 시멘트 모르타르는 기존의 수화 반응이 아닌 알칼리 활성화 반응을 사용하여 경화시켰으며, 제올라이트와 지오폴리머 결합 형태의 결정질 경화생성물이 성장을 통하여 소요 강도를 발현하는 것으로 판단된다. 3) 제올라이트 시멘트 모르타르는 혼합수, 알칼리 활성제 및 골재량에 의해 강도의 변화를 나타냈으며, 각 변화에 따른 압축강도 변화를 통해 제올라이트시멘트 180 g, NaOH(50%) 171 g, 골재 565 g일 때 7일 압축강도가 42.3 MPa을 발현하는 최고 강도 발현 배합비를 도출하였다. 4) 양생 온도가 증가할수록 압축강도가 증가하는 것을 알 수 있으며, NaOH가 50oC이상에서 알칼리 반응이 활발히 일어나기 때문에 양생 온도가 90oC일 때 강도 증진에 유리할 것으로 판단되며, 양생 온도가 90oC이상일 경우에는 강도 증가는 더 이상 일어나지 않는 것을 알 수 있었다. 또한 배합과정 중에 온도를 고온(90oC)으로 상승시켜줄 경우 45.5 MPa로 기존 배합보다 더 큰 압축강도를 얻을 수 있었다. 5) 재령에 따른 강도 발현은 재령이 증가함에 따라 압축강도가 증가하였고, 초기 재령 7일에서 압축강도는 재령 28일 압축강도의 90%정도로 초기에 높은 압축강도를 가지는 것으로 나타났다. 6) 이 연구를 통하여 시멘트 모르타르의 주원료인 시멘트가 아닌 제올라이트를 주원료로 사용하여 재료적 특성을 파악하였다. 물 대신 알칼리 활성제(NaOH)를 사용하여 압축강도 시험 등을 통한 재료의 역학적 특성을 일반 시멘트 모르타르의 특성과 비교 분석한 결과, 제올라이트 분말과 알칼리 활성제를 통한 특정한 물성을 갖는 결합재를 얻을 수 있어서 시멘트 대체 건설소재로써의 사용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 건설 분야 응용을 위해서는 보다 많은 연구가 수행되어야 할 것이다.

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제올라이트 시멘트 모르타르의 재료적 특성에 관한 기초 연구
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