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문제 정의
- 이 연구에서는 pH와 초기 수화반응에 의한 발열온도가 강도발현에 미치는 영향을 파악하고자 활성화제의 각 첨가량에 따라 페이스트의 pH와 온도를 측정하였다. 배합수의 초기 pH와 온도는 각각 7.
- 이 연구에서는 수산화나트륨과 탄산나트륨에 의해 활성화된 고로슬래그 기반 알칼리 활성 모르타르의 강도발현 특성에 대해 살펴보았다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- 10) 그 결과 강도의 측면에서 가장 우수한 성능을 나타낸 조합인 수산화나트륨과 탄산나트륨의 조합을 선택하여 이 실험을 진행하였다. 이 조합은 식 (2)에서 나타난 바와 같이 수산화나트륨을 탄산나트륨(Na2CO3)과 혼합해서 첨가할 경우 수산화나트륨 단독으로 첨가한 경우와는 달리 탄산 음이온이 생성된다.
- 고로슬래그 기반 알칼리 활성 모르타르는 원재료인 고로슬래그(GGBS)에 대한 산화나트륨(Na2O)의 첨가량과 함께 활성화제가 포함된 바인더의 분말도가 강도발현에 큰 영향을 미친다.4) 따라서 바인더의 구성요소인 활성화제의 첨가량과 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)에서와 마찬가지로 강도에 크게 영향을 미치는 골재율과 물-바인더비를 변수로 사용하였으며, 이 연구에서는 바인더의 분말도는 변수에서 제외하였다.
- 5) 활성화제의 첨가량 변화에 따른 강도의 영향을 나타내기 위하여 알칼리 품질계수의 개념을 도입하였다. 탄산나트륨에 포함된 산화나트륨의 양이 수산화나트륨에 포함된 산화나트륨보다 1.
- 6) 이 연구에서 제시한 알칼리 품질계수 및 변수들을 반영하여 28일 압축강도를 예측할 수 있는 식을 제안하였다. 각 변수를 반영하여 28일 압축강도를 예측한 결과와 실험 결과를 비교해보면, 약 ± 5% 오차범위 내에서 모두 만족하였다.
- 골재/바인더비의 변화에 따른 강도의 특성은 골재율이 증가함에 따라 높은 물-바인더비(W/B)를 적용할 경우 고른 배합이 어려울 것으로 사료되어 활성화제를 변수로 하는 배합보다 낮은 50%로 고정하였다. 활성화제의 첨가량은 물-바인더비의 변화에서와 마찬가지로 수산화나트륨 4% 그리고 탄산나트륨 6%로 고정하고 측정하였다.
- 따라서 초기 변수는 각 알칼리제의 첨가량으로 설정하여 Table 1의 예비 실험 결과를 토대로 강도가 높게 발현된 수산화나트륨의 첨가량을 3%와 4%로 고정하고 탄산나트륨을 4~8%까지 1%씩 조정하였다. 골재량은 KS L 5105에 따라 모르타르 제조 시 기준이 되는 2.45를 중심으로 2.05부터 2.85까지 0.2씩 변화를 주며 측정하였고, 물-바인더비(W/B)는 0.45~ 0.6까지 0.05단위로 조정하여 변수를 설정하였다.
- 45를 기준으로 서로 다른 특성을 나타낸다. 따라서 골재의 변화에 따른 강도를 예측하기 위해서 골재량에 관련된 변수는 기존의 연구에서 제시한 강도 예측식의 결과와 같이 2.5를 기준으로 분리하여 28일 압축강도 예측식에 적용하였다. 따라서 수산화나트륨과 탄산나트륨을 활성화제로 사용한 고로슬래그 기반 알칼리 활성 모르타르의 28일 압축강도는 고려된 모든 변수를 고려하여 예측해보면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
- 또한 바인더의 주요 구성성분에 따른 알칼리 품질계수(alkali quality coefficient, QA)를 정의하고 초기 플로우와 28일 압축강도 예측식을 제시하였다. 따라서 이 연구에서는 pH, 수화발열 온도, 활성화제의 첨가량, 물-바인더비 그리고 골재-바인더비의 변화에 따른 강도와의 상관관계를 살펴보고 알칼리 품질 계수(QA)의 개념을 적용하여 수산화나트륨과 탄산나트륨이 조합된 활성화제에 의한 모르타르의 28일 압축강도 예측식을 제시하였다.
- 서론에서 언급한 바와 같이 활성화제는 수산화나트륨과 탄산나트륨 조합을 사용하였다. 따라서 초기 변수는 각 알칼리제의 첨가량으로 설정하여 Table 1의 예비 실험 결과를 토대로 강도가 높게 발현된 수산화나트륨의 첨가량을 3%와 4%로 고정하고 탄산나트륨을 4~8%까지 1%씩 조정하였다. 골재량은 KS L 5105에 따라 모르타르 제조 시 기준이 되는 2.
- 따라서, 수산화나트륨을 단독으로 첨가한 경우에 발생하는 단점을 해결하고자 다양한 활성화제를 선택/분류하여 이들의 응결 여부를 판단하고, 더 나아가 활성화제의 혼합을 시도하였다.10) 그 결과 강도의 측면에서 가장 우수한 성능을 나타낸 조합인 수산화나트륨과 탄산나트륨의 조합을 선택하여 이 실험을 진행하였다.
- 12-14) 기존 연구11)에서는 분말형의 규산나트륨이 알칼리 활성화제로 사용된 모르타르를 물-바인더 비, 원재료의 분말도, 잔골재율 등에 따라 그 특성을 분석하였다. 또한 바인더의 주요 구성성분에 따른 알칼리 품질계수(alkali quality coefficient, QA)를 정의하고 초기 플로우와 28일 압축강도 예측식을 제시하였다. 따라서 이 연구에서는 pH, 수화발열 온도, 활성화제의 첨가량, 물-바인더비 그리고 골재-바인더비의 변화에 따른 강도와의 상관관계를 살펴보고 알칼리 품질 계수(QA)의 개념을 적용하여 수산화나트륨과 탄산나트륨이 조합된 활성화제에 의한 모르타르의 28일 압축강도 예측식을 제시하였다.
- 물-바인더비의 변화에 따른 강도발현 특성의 실험에서는 골재량의 변화에서와 마찬가지로 활성화제의 첨가량은 수산화나트륨 4%, 탄산나트륨 6% 그리고 골재량은 2.45로 고정하여 실험을 실시하였다.
- 연구에서는 활성화제로 사용된 수산화나트륨과 탄산나트륨 그리고 원재료인 고로슬래그를 구성하는 주요 성분들 중 강도에 영향을 미치는 요소를 파악하여 기존 연구에서 제안된 물-바인더비와 골재-바인더비에 따른 계수 및 알칼리 품질계수(QA)를 새롭게 정의하고 모르타르의 28일 압축강도 예측식을 제안하였다.
- 은 규산나트륨을 활성화제로 적용한 알칼리 활성 모르타르의 압축강도 모델을 제시하였다. 이때 강도모델을 유도하기 위하여 원재료인 고로슬래그 및 플라이 애쉬, 활성화제로 사용된 규산나트륨을 구성하는 주요 성분의 상관관계를 적용하여 알칼리 품질계수(QA)의 개념을 제안하였으며 원재료의 분말도, 잔골재율, 활성화제 첨가량, 물/바인더비 등을 변수로 하는 28일 압축강도 모델을 제시하였고 식 (3) 및 (4)와 같다.
- 재령별 시험체는 각각 3개씩 제작하여 온도 23 ± 5℃, 습도 70 ± 5%의 항온항습실에서 24시간 양생 후 몰드에서 탈형하고 동일 조건에서 기건양생을 실시하였다.
- 재료는 중량 비로 계량한 후 고로슬래그, 모래 그리고 활성화제를 30초 동안 건비빔을 실시하고 배합수를 혼입 후 30초 동안 5l 전동혼합기로 배합 후 모르타르 압축강도 측정용 금속몰드(50 × 50 × 50 mm)에 채워넣었다.
- 5℃였다. 측정 시간은 물을 혼입한 후 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30분에 측정하였다. 그 후는 페이스트가 점차 경화가 진행되어 측정을 중단하였다.
- 골재/바인더비의 변화에 따른 강도의 특성은 골재율이 증가함에 따라 높은 물-바인더비(W/B)를 적용할 경우 고른 배합이 어려울 것으로 사료되어 활성화제를 변수로 하는 배합보다 낮은 50%로 고정하였다. 활성화제의 첨가량은 물-바인더비의 변화에서와 마찬가지로 수산화나트륨 4% 그리고 탄산나트륨 6%로 고정하고 측정하였다.
대상 데이터
- 모래는 전라남도 해남에서 채취한 골재를 사용하였으며, KS 품질기준에 따라 물리적 성질 및 유해물질을 측정한 결과 모두 기준에 적합하였고, 표건 밀도는 2.58 kg/m3로 측정되었다.
- 서론에서 언급한 바와 같이 활성화제는 수산화나트륨과 탄산나트륨 조합을 사용하였다. 따라서 초기 변수는 각 알칼리제의 첨가량으로 설정하여 Table 1의 예비 실험 결과를 토대로 강도가 높게 발현된 수산화나트륨의 첨가량을 3%와 4%로 고정하고 탄산나트륨을 4~8%까지 1%씩 조정하였다.
- 알칼리 활성화제는 가성알칼리(caustic alkalis, MOH) 계열 즉, 수산화계열에 속하는 수산화나트륨과 비규산계약산염(non-silicate weak acid salts, M2CO3, M2SO3, M3PO4, MF등)계열인 탄산나트륨을 사용하였다. 활성화제는 모두 분말형의 95%이상의 순도를 갖는 제품을 사용하였다.
- 이 실험에서 사용한 고로슬래그는 KS F 2563 콘크리트용 고로슬래그 미분말 규정을 만족하는 국내 G사의 고로슬래그 미분말 3종 분말도(4,204 cm2/g)를 사용하였으며 비중은 2.93, 염기도는 1.81로 기준에 적합하였다. 그리고 화학조성은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 재령별 시험체는 각각 3개씩 제작하여 온도 23 ± 5℃, 습도 70 ± 5%의 항온항습실에서 24시간 양생 후 몰드에서 탈형하고 동일 조건에서 기건양생을 실시하였다. 이 실험에서는 KS F 2426에 의하여 압축강도 실험은 실시하였다.
- 이 연구에서는 모르타르의 기본적인 물리적 특성 중의 하나인 응결시간을 KS F 2436에 따라서 측정하였다. 규정에 따라 초결은 3.
성능/효과
- 1은 각 변수의 변화에 따른 플로우의 결과를 나타낸 그래프이다. (a)는 활성화제의 첨가량 변화에 따른 초기 플로우 실험 결과로 그림에서 보는 바와 같이 수산화나트륨이 3% 첨가되었을 때가 수산화나트륨 4% 첨가되었을 때보다 유동성이 더 좋은 것으로 나타났다. (b)는 물-바인더비의 변화에 따른 결과로 물의 첨가 비율이 증가할수록 유동성은 점차 선형으로 증가함을 알 수 있었다.
- (a)는 활성화제의 첨가량 변화에 따른 초기 플로우 실험 결과로 그림에서 보는 바와 같이 수산화나트륨이 3% 첨가되었을 때가 수산화나트륨 4% 첨가되었을 때보다 유동성이 더 좋은 것으로 나타났다. (b)는 물-바인더비의 변화에 따른 결과로 물의 첨가 비율이 증가할수록 유동성은 점차 선형으로 증가함을 알 수 있었다. 그리고 (c)는 골재-바인더비의 변화 따른 결과로 그림에서 보는 바와 같이 골재의 첨가 비율이 증가할수록 유동성은 점차 감소하였다.
- 1) 페이스트의 초기 pH 및 발열특성은 활성화제 첨가량의 변화뿐만 아니라 28일 압축강도와의 특정한 관계를 밝혀낼 수 없었다.
- 2) 활성화제의 첨가량에 따른 강도의 변화를 살펴보면, 수산화나트륨 첨가량이 일정할 경우 초기에는 탄산나트륨의 첨가량이 증가함에 따라 강도도 함께 증가를 하다가 탄산나트륨의 양이 일정 양을 초과하면 그 이후부터는 강도가 급격히 감소하기 시작한다. 이는 28일 압축강도뿐만 아니라 초기강도에서도 같은 현상이 발생한다.
- 3) 골재량 변화에 따른 강도변화를 살펴보면 골재량 2.45까지 압축강도가 증가한 이후 급격히 감소한다. 하지만 재령 3일까지의 초기강도의 감소보다는 7일에서 28일사이의 강도 감소율이 더욱 크게 나타났다.
- 4) 물-바인더비의 증가에 따라 28일 압축강도는 점차 감소한다. 하지만 다른 변수의 결과와는 달리 초기강도에서부터 28일 강도까지의 비율은 큰 영향을 끼치지 않는 것으로 확인되었다.
- 6) 이 연구에서 제시한 알칼리 품질계수 및 변수들을 반영하여 28일 압축강도를 예측할 수 있는 식을 제안하였다. 각 변수를 반영하여 28일 압축강도를 예측한 결과와 실험 결과를 비교해보면, 약 ± 5% 오차범위 내에서 모두 만족하였다.
- 동일한 활성화제 조합에서 물-바인더비 50%, 골재율 2.45 배합에서 28일 강도 대비 3일 강도 발현율과 37일 그리고 728일의 강도 증가율은 각각 70%, 10% 그리고 20%였다. 하지만 이 실험에서 7일에서 28일의 강도는 약 20%로 크게 변화가 없으나 28일 대비 3일 강도는 50~60%로 감소하며 7일에서 28일의 강도가 20% 정도로 증가하였다.
- 1배를 초과하면서부터 강도가 급격히 떨어진다. 따라서 이를 식에 반영한 결과 품질계수에 따른 28일 압축강도를 선형으로 나타낼 수 있었다.
- 7에 나타난 바와 같이 물-바인더비가 증가함에 따라 일정한 비율로 강도가 점차 감소함을 알 수 있다. 물-바인더비의 변화에 따른 측정 시기별 강도변화율을 보면, 28일 강도 대비 초기 3일의 강도 발현비율은 60~70% 정도이며, 재령 3일에서 7일 사이의 강도 발현율은 18~28%, 728일까지의 강도 증가율은 12~15% 정도로 모든 물-바인더비의 변화에 따라 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 또한 28일 압축강도는 탄산나트륨의 첨가량의 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 수산화나트륨을 4% 첨가한 배합에서는 탄산나트륨을 첨가하지 않고 단독으로 활성화된 시험체의 28일 강도에 비해 조합된 활성화제를 적용한 시험체가 전반적으로 40~70% 높게 나타났다. 조합된 활성화제를 적용한 배합의 경우, 탄산나트륨의 첨가량이 4~6%로 증가함에 따라 강도 역시 증가하는 경향을 나타냈으나 그 이후에는 탄산나트륨의 양이 증가함에 따라 강도가 점차 감소하였다.
- 수화발열 온도에 있어서는 수산화나트륨 3%와 4%에서 모두 활성화제 첨가량이 낮은 페이스트에서 가장 낮은 온도가 측정되었다. 그리고 수산화나트륨이 4% 첨가된 경우가 수산화나트륨 3% 첨가된 경우에 비해서 전반적으로 높은 pH와 수화발열이 측정되었다.
- 2%이다. 이 연구의 실험조건에 따른 결과를 살펴보면, 수산화나트륨과 탄산나트륨에 포함된 산화나트륨의 양이 아닌 두 화합물이 각각 포함하고 있는 산화나트륨의 양의 상호관계에 따라 강도가 영향을 받음을 알 수 있다. 따라서 이를 분석하면, 탄산나트륨에 포함된 산화나트륨의 양이 수산화나트륨에 포함된 산화나트륨의 양의 1.
- 이 조합은 식 (2)에서 나타난 바와 같이 수산화나트륨을 탄산나트륨(Na2CO3)과 혼합해서 첨가할 경우 수산화나트륨 단독으로 첨가한 경우와는 달리 탄산 음이온이 생성된다. 이때 발생된 탄산 음이온이 수소 양이온과 결합하여 새로운 음이온을 생성하여 수산화 음이온의 활동을 방해하는 요소를 제거함으로써 성능의 향상을 도모할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 수산화나트륨을 4% 첨가한 배합에서는 탄산나트륨을 첨가하지 않고 단독으로 활성화된 시험체의 28일 강도에 비해 조합된 활성화제를 적용한 시험체가 전반적으로 40~70% 높게 나타났다. 조합된 활성화제를 적용한 배합의 경우, 탄산나트륨의 첨가량이 4~6%로 증가함에 따라 강도 역시 증가하는 경향을 나타냈으나 그 이후에는 탄산나트륨의 양이 증가함에 따라 강도가 점차 감소하였다. 이 때, 28일 강도 대비 초기 3일강도 증분은 탄산나트륨의 첨가량이 4~6%까지 약 70% 정도의 발현율을 나타내다가 탄산나트륨의 첨가량이 7% 이상 증가하면서 3일 강도의 발현율도 60%정도로 약 10%정도 감소함을 알 수 있다.
- 수산화나트륨 3% 경우 탄산나트륨을 혼합하지 않고 단독으로 사용된 Table 1의 배합과 비교하였을 때 28일 압축강도는 탄산나트륨 8% 조합을 제외하고는 약 15~50% 높게 나타났다. 조합을 살펴보면 탄산나트륨 4%, 5%와의 조합에서는 28일 강도 대비 초기 3일 강도발현 비율이 72%와 65%이었으나, 탄산나트륨이 6%, 7%, 8% 첨가된 경우에는 각각 41%, 30% 그리고 28%로 급격히 감소하고 상대적으로 재령 3일부터 7일사이 강도가 증가하였다. 또한 28일 압축강도는 탄산나트륨의 첨가량의 증가함에 따라 점차 감소하는 경향을 나타냈다.
- 2의 (b), (c)를 살펴보면 수산화나트륨 3%가 첨가된 경우의 응결시간은 수산화나트륨이 단독으로 첨가된 경우에 비해서 탄산나트륨과 혼입된 경우에 응결시간이 더욱 단축됨을 알 수 있다. 하지만 탄산나트륨의 첨가량이 증가할수록 응결시간이 단축되지는 않고, 탄산나트륨이 4% 혼입된 경우보다 탄산나트륨이 6% 혼입된 경우에는 오히려 응결시간이 지연되는 현상이 나타났다. 수산화나트륨이 4% 첨가된 경우에서도 수산화나트륨 3% 첨가된 경우와 비슷한 경향을 나타내었다.
- 2와 같다. 활성화제를 조합하지 않고 수산화나트륨을 단독으로 첨가한 배합의 응결시간 측정 결과, 활성화제 농도에 따라 초결, 종결시간은 비례하여 변화하지 않고 5% 경우에는 4%에 비해 응결시간이 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 특성은 농도에 따라 압축강도가 증가하다가 어느 수준 이상에서 감소하는 Table 1의 결과와도 일치한다고 할 수 있다.
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