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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국내산 천연제올라이트와 알칼리 활성제(NaOH)를 사용한 콘크리트의 강도특성과 슬럼프시험, 공기량시험 및 응결시험 등을 하였으며 그 결과를 고찰하였다.
- 그러나 시멘트나 콘크리트가 지닌 건설재료로서 여러 장점에도 불구하고 최근 건설 산업의 위축과 천연자원의 고갈 및 온실가스 배출 등의 환경문제가 대두됨에 따라 신개념의 건설자재의 개발의 필요성에 직면해 있다. 이 때문에 여러 가지의 콘크리트용 재료와 제조방법이 개발되어 왔는데 여기서는 최근에 새로이 검토되고 있는 재료로서 제올라이트에 관하여 알아보고자 한다.
제안 방법
- 다짐은 봉다짐과 진동 다짐기를 병행하였다. 각 배합에 따라 제작된 공시체는 3, 7, 14, 28일에 대하여 압축강도, 할렬인장강도, 정탄성 계수 측정 실험을 실시하였다.
- 관입저항 시험시료는 굳지않은 콘크리트를 습식체가름 하여 얻어진 모르타르 ∅150×150mm의 금속용기에 넣어 다진후 시료위에 젖은 천을 덮어 수분 증발을 억제한 상태에서 6회 이상의 시험을 실시하여 관입저항이 35kgf/cm2일 때를 초결, 관입저항이 280kgf/cm2일 때를 종결로 하여 시험 실시하였다.
- KS F 2425(시험실에서 콘크리트 시료를 만드는 방법)를 참조하여 비빔 방법을 결정하였다. 다짐은 봉다짐과 진동 다짐기를 병행하였다. 각 배합에 따라 제작된 공시체는 3, 7, 14, 28일에 대하여 압축강도, 할렬인장강도, 정탄성 계수 측정 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서 제시한 배합표에서 ZC-CN2를 사용하였으며, 건조수축 변형률 측정용 콘크리트 공시체를 제작한 후 건조수축 변형률 다이얼 게이지를 사용하여 측정한 것을 Fig. 11에 나타냈다.
- 본 연구에서는 모든 배합비에 대하여 할렬인장강도 공시체를 각각 3개씩 제작하여 재령 28일에 할렬인장강도를 측정한 결과는 Fig. 8과 같다.
- 실험 배합비 도출을 위해서 본 연구에서는 2단계의 실험과정을 수행하였다. 알칼리 활성화 제올라이트 시멘트 모르타르의 배합비를 근거로 제올라이트 시멘트의 중량 대비 알칼리 활성화제 사용량과 잔골재율을 변화시켜 가면서 적정의 압축강도를 찾는 실험을 시행하였다. 알칼리 활성화제 사용량을 380~460 kg/m3까지 20 kg/m3씩 5단계로, 잔골재율을 30~42%까지 3%씩 5단계로 증가시키며 실험하였다.
- 알칼리 활성화 제올라이트 시멘트 모르타르의 배합비를 근거로 제올라이트 시멘트의 중량 대비 알칼리 활성화제 사용량과 잔골재율을 변화시켜 가면서 적정의 압축강도를 찾는 실험을 시행하였다. 알칼리 활성화제 사용량을 380~460 kg/m3까지 20 kg/m3씩 5단계로, 잔골재율을 30~42%까지 3%씩 5단계로 증가시키며 실험하였다. 배합비는 Table 6과 같다.
대상 데이터
- 이러한 실리카-알루미나 결정질이 견고하여 반응이 일어나기 위해서는 이 결합을 분해하여 내부의 반응 물질을 노출시켜야 한다. 따라서 실리카-알루미나 결합을 분해하기 위해 Table 4의 강알칼리성 물질인 NaOH를 사용하였다.
- 본 실험에서는 경상북도 경주 인근지역인 감포에서 채취하여 분쇄한 천연제올라이트를 사용하였으며, 그의 비중은 2.16이고 화학조성은 Table 1에 나타냈다. 입도분석기기에 분쇄한 천연제올라이트의 입도분석결과 천연제올라이트 시료의 중간 입경은 5.
- 본 연구에서는 잔골재로 국내 K사의 제품으로서 최대입경이 0.6 mm 무수규사인 SiO2 성분을 가진 석영 알갱이로 된 잔골재를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 10 mm인 것을 사용하였다. 일반 포틀랜드 시멘트의 경우 압축강도, 휨강도, 크리프와 건조수축 등의 이유로 20~45 mm의 골재를 사용하나, 본 실험에서 사용한 제올라이트 분말의 크기를 고려해 볼 때 10 mm가 적합하다고 판단하였다.
- 실험 변수에 따라 Table 6과 같이 각각의 배합비에 대해 KS F 2403(콘크리트의 강도시험용 공시체 제작 방법)에 준하여 ∅10×20 cm 크기의 압축 시험용 공시체를 제작하였다.
이론/모형
- 실험 변수에 따라 Table 6과 같이 각각의 배합비에 대해 KS F 2403(콘크리트의 강도시험용 공시체 제작 방법)에 준하여 ∅10×20 cm 크기의 압축 시험용 공시체를 제작하였다. KS F 2425(시험실에서 콘크리트 시료를 만드는 방법)를 참조하여 비빔 방법을 결정하였다. 다짐은 봉다짐과 진동 다짐기를 병행하였다.
- 콘크리트 슬럼프 시험은 KS L 2402(콘크리트의 슬럼프 시험)의 규정에 따라 시행하였으며, 공기량 측정은 KS F 2401(굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기함유량 시험방법)에 의한 방법으로 측정하였다. 또한 콘크리트의 응결시험은 KS F 2436(관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결시간 시험방법)에 따라 실시하였다.
- 블리딩 측정은 KS F 2414(콘크리트의 블리딩 시험방법)에 의해 측정하였다.
- 콘크리트 슬럼프 시험은 KS L 2402(콘크리트의 슬럼프 시험)의 규정에 따라 시행하였으며, 공기량 측정은 KS F 2401(굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기함유량 시험방법)에 의한 방법으로 측정하였다. 또한 콘크리트의 응결시험은 KS F 2436(관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결시간 시험방법)에 따라 실시하였다.
성능/효과
- (1) 슬럼프 값의 범위는 13~27 cm로 실험변수에 따라 제올라이트 분말-알칼리 활성제비와 잔골재율이 증가할수록 슬럼프가 증가하였다. 제올라이트 분말은 구형의 형상을 가져 골재와의 접촉면에서 마찰저항이 감소하고 유동성이 증진하여 양호한 슬럼프를 가지는 것으로 판단되어진다.
- (2) 전체적인 공기량의 범위는 3.2~4.2%의 범위로 제올라이트 분말-알칼리 활성제비의 증가에 따라 증가하는고 잔골재량이 증가할수록 공기량이 감소하는 것으로 나타났다.
- (3) 블리딩 특성은 알칼리 활성제의 양이 증가 할수록 많이 발생하였다. 특히 초기에 급격하게 증가하는 것은 초기에 알칼리 활성제에 포함된 알칼리 이온만이 결정질을 녹이는데 사용되고 나머지 잉여수는 초기에는 빠르고 쉽게 올라와 블리딩이 많이 증가되어지나 후에 지오폴리머 결합에서 수분의 사양이 급증하므로 블리딩이 감소되는 것으로 판단되어진다.
- (4) 제올라이트 콘크리트의 압축강도는 알칼리 활성제의 반응성이 커서 초기에 거의 대부분의 강도를 발현하는 것으로 파악되어지며, 알칼리 활성제 양이 증가할수록 초기의 강도증가폭은 감소하였다.
- (5) 건조수축 변형률은 297~597×106으로 나타났으며, 90℃의 건조로 공시체의 경우 25℃의 공시체보다 건조수축 변형률이 2배 이상 증가하였으며, 5일 안에 28일 건조수축 변형률의 91%의 수준을 보여주고 있어 초기의 변형이 매우 빠르게 일어나는 것으로 판단되어진다.
- Fig. 11에서와 같이 알칼리 경화 제올라이트 콘크리트의 건조수축 변형률은 297~597×106으로 나타났으며, 일반 콘크리트의 건조수축 변형률은 400~700×106이고모르타르는 이 값의 약 3배, 시멘트 페이스트는 수배로 증가하며, 제올라이트 콘크리트와 비교했을 때 일반 콘크리트의 건조수축 변형률과 비슷한 변형률을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 각 변수별 알칼리 활성화 제올라이트 콘크리트의 공기량 변화는 Fig. 3과 같이 나타났으며, 전체적인 공기량의 범위는 3.2~4.2%의 범위로 제올라이트 분말-알칼리 활성제비의 증가에 따라 증가하는 추이를 나타내고 있으며, 잔골재량이 증가할수록 공기량이 감소하는 것으로 나타나고 있다. 공기량이 적당히 분포하고 있어 워커빌리티 등 작업성과 강도면에서도 적당하다고 판단되어진다.
- 7에서와 같이 제올라이트 콘크리트는 초기에 강도변화가 크게 나타나고 있는데 이는 알칼리 활성제의 반응성이 매우 커서 초기에 거의 대부분의 강도를 발현하는 것으로 파악되어진다. 또한 Fig. 7에서와 같이 NaOH량이 증가할수록 초기의 강도증가폭은 줄어드는 것을 확인할 수 있는데 이는 잉여 NaOH들이 초기에 이온화 되어지지 못하고 입자와 입자 사이에 머물며 강도증진에 저해가 되지만 소비되어지는 이온을 보충해주는 역할을 하며 장기 강도에서 다소 증가폭이 커지는 것으로 판단되어진다.
- 실험결과에서 나타나듯이 잔골재량이 적정수준에 도달하였을 경우 가장 큰 압축강도를 나타내는 것으로 보아 제올라이트 입자들이 굵은 골재와의 접합보다는 잔골재와의 결합력이 더 우수한 것으로 파악되어지며, 적정수준이상으로 잔골재의 양이 많아 질 경우에는 제올라이트 분말의 양이 감소하여 골재와 골재사이를 결합해주는 기능이 약화되는 것으로 파악된다. 또한 대체적으로 알칼리 활성제의 양이 증가할수록 강도 또한 증가하는 것으로 나타났으며, 적정 알칼리 활성제 이상을 사용할 경우 오히려 강도 감소가 나타나고 있다. 이것은 알칼리 활성제가 알칼리 경화에 가장 중요한 요소로 작용하며, 많은 알칼리 이온들이 증가하여 알칼리 반응을 촉진하므로 강도가 증가하지만, 경화 후 경화하고 남은 알칼리 이온들이 구조체 표면으로 올라와 시멘트의 백화현상과 비슷한 현상이 발생할 뿐만 아니라 알칼리 활성제 자체가 구조체 속에서 남아서 공극을 형성하므로 적정량 이상을 사용하는 것은 바람직하지 않은 것으로 판단되어진다.
- 각 배합은 알칼리 활성제만을 사용하여 NaOH수용액 상태의 수분이외에 첨가되어지는 것이 없기 때문에 자유수가 적고 블리딩도 적게 나타났다. 먼저, 제올라이트 분말-알칼리 활성제비 변화에 따른 블리딩 특성은 알칼리 활성제의 양이 증가 할수록 많이 발생하는 것을 알 수 있었고, 특히 초기에 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 초기에 알칼리 활성제에 포함된 알칼리 이온만이 결정질을 녹이는 데 사용되어지고 나머지 잉여수는 초기에는 빠르고 쉽게 올라와 블리딩이 많이 증가되어지나 후에 수화물을 구성하면서 수분의 사용양이 급증하므로 블리딩이 감소되는 것으로 판단되어진다.
- 98 MPa의 값을 보이고 있다. 본 연구에서 실행하였던 압축강도 측정값을 이용하여 압축강도와 할렬인장강도의 비를 계산한 결과 8.47~10.16의 분포를 나타냈다. 일반적인 콘크리트의 할렬인장강도는 압축강도의 1/9~1/13 수준이며, 알칼리 경화 제올라이트 콘크리트의 할렬인장강도는 일반 콘크리트의 할렬인장강도와 유사한 결과를 나타내어 인장력에 취약한 특성을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 제올라이트의 주요 성분은 SiO2, Al2O3 등으로써, 화학적으로 안정한 상태를 가진 결정형 규산 알루미늄염(Alumino-Silicate)으로 일정한 크기의 미세기 공과 규칙적인 배열을 가진 것으로 나타났다. 이러한 실리카-알루미나 결정질이 견고하여 반응이 일어나기 위해서는 이 결합을 분해하여 내부의 반응 물질을 노출시켜야 한다.
- 슬럼프 값의 범위는 13~27 cm로 실험변수에 따라 제올라이트 분말-알칼리 활성제비가 증가할수록 슬럼프가 증가하였으며, 잔골재율이 증가할수록 슬럼프 또한 증가하는 것을 확인하였다. 특히 알칼리 활성제로 사용한 NaOH의 증가 폭에 따른 슬럼프의 증가폭은 감소하는 데 이것은 NaOH수용액에 들어있는 수분에 의한 영향보다 NaOH의 점성에 의해 슬럼프가 감소되어지는 영향이 더욱 크게 미치기 때문이라고 판단되어진다.
- Table 7에서 대부분의 실험체들은 40 MPa 이상으로 보이고 있어 구조용 부재로의 실용 가능한 수준으로 나타났다. 실험결과에서 나타나듯이 잔골재량이 적정수준에 도달하였을 경우 가장 큰 압축강도를 나타내는 것으로 보아 제올라이트 입자들이 굵은 골재와의 접합보다는 잔골재와의 결합력이 더 우수한 것으로 파악되어지며, 적정수준이상으로 잔골재의 양이 많아 질 경우에는 제올라이트 분말의 양이 감소하여 골재와 골재사이를 결합해주는 기능이 약화되는 것으로 파악된다. 또한 대체적으로 알칼리 활성제의 양이 증가할수록 강도 또한 증가하는 것으로 나타났으며, 적정 알칼리 활성제 이상을 사용할 경우 오히려 강도 감소가 나타나고 있다.
- 16의 분포를 나타냈다. 일반적인 콘크리트의 할렬인장강도는 압축강도의 1/9~1/13 수준이며, 알칼리 경화 제올라이트 콘크리트의 할렬인장강도는 일반 콘크리트의 할렬인장강도와 유사한 결과를 나타내어 인장력에 취약한 특성을 알 수 있었다.
- 제올라이트 콘크리트의 블리딩량은 기존 시멘트 블리딩 값의 10~20%수준에도 미치지 못하는 아주 작은 양이며, 이에 알칼리 경화 제올라이트 콘크리트는 재료 분리의 저항성이 크며 우수한 건설재료로서 활용방안이 넓은 것으로 판단되어진다.
- 천연 제올라이트의 화학성분 비율을 살펴보면 SiO2, Al2O3, K2O, CaO 순으로 그 함량이 많으며, 일반 포틀랜드 시멘트의 화학성분에 비하여 CaO 성분이 극히 적은 것으로 나타났다. 즉 화학성분 비율을 살펴 볼 때 SiO2, Al2O3의 성분이 주를 이루고 있으며, 이는 포졸란 활성에 기여하는 성분으로 알려져 있다.
후속연구
- 일반 시멘트 콘크리트에서 압축강도로부터 탄성계수를 추정할 수 있는 것과 같이 알칼리 경화 제올라이트 콘크리트의 탄성계수도 압축강도가 증가할수록 증가하지만, 알칼리 활성제의 종류 및 제올라이트 분말의 성질에 의해서 탄성계수가 밀접한 관계가 있는 것으로 판단되어지기 때문에 그에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되어진다.
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