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문제 정의
- 본 연구에서는 시멘트를 전혀 사용하지 않고 결합재로 플라이애시를 100% 사용한 콘크리트 개발을 하기 위한 예비단계로서 플라이애시 기반 모르타르를 대상으로 알칼리 자극제 및 양생방법에 대해 검토하였다.
- 본 연구에서는 시멘트를 전혀 사용하지 않은 지오폴리머 콘크리트를 개발할 목적으로 결합재로 플라이애시 100%를 사용한 알칼리 활성 모르타르의 강도에 미치는 알칼리 활성제와 양생조건의 영향에 대해 검토하였다. 그 결과, NaOH 몰농도가 증가함에 따라 강도가 향상되고, 몰 농도에 의해 강도를 제어할 수 있고, NaOH와 쇼듐실리케이트와는 1:1로 혼합하여 사용하는 경우가 강도발현이 가장 우수한 것으로 나타났다.
제안 방법
- 플라이애시의 중합반응은 이 유리질 피막을 깨고 내부의 반응 물질을 활성화시키기는 것으로 플라이애시 입자 주위에 강알칼리성 환경을 형성하거나 고온양생 등을 실시함으로써 유리질 피막이 깨지게 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 플라이애시를 활성화 시킬 수 있는 알칼리 자극제로 시약용으로 순도 98% 이상인 NaOH를 사용하였으며, 몰농도는 각각 6, 9 및 12M로 제조하여 반응성을 검토하였다. 또한 알칼리 자극제를 단독으로 사용하는 것보다 소듐실리케이트의 혼합사용이 중합반응을 더욱 활성화시키기 때문에 쇼듐실리케이트(Na2O=10%, SiO2=30%, 고형분=38.
- 본 실험에 사용된 지오폴리머 모르타르는 10리터 믹서기에 먼저 플라이애시와 잔골재를 넣어 30∼40 rpm 속도로 2분간 건비빔을 실시한 다음, 1일전에 제조된 알칼리 자극제와 소듐실리케이트 및 배합수를 넣어 다시 70∼80 rpm 속도로 3분간 믹싱하여 제조하였다.
- 양생온도 및 양생기간에 따른 영향을 알아보기 위하여 습도 65±10% R.H.가 유지되는 조건에서 30, 60 및 90℃로 각각 24, 48 및 72시간 동안 양생을 실시한 후 23±2℃의 상온에서 기건양생(습도 65±10% R.H.)과 수중양생을 시험재령까지 실시하였다.
- 이렇게 제작된 모르타르를 KSL 5105에 준하여 플로우 시험과 50×50×50 mm의 모르타르 공시체를 제작하여 재령 1, 3, 7 및 28일 압축강도를 측정하였다.
대상 데이터
- 25로 제조하여 사용하였다. 그리고 본 연구에서 사용한 배합비는 Table 4와 같이 콘크리트에서 굵은골재를 제외한 모르타르를 대상으로 하였다. 이와 같이 콘크리트 대신 모르타르 대상으로 배합을 설정한 이유는 양질인 골재를 사용한 경우에는 콘크리트와 모르타르 모두 골재가 강도발현에 미치는 영향은 크지 않고, 콘크리트의 강도를 포함한 품질에 지배적인 영향을 끼치는 것은 시멘트 결합체로 판단되어 기초연구로서 모르타르를 대상으로 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 플라이애시를 활성화 시킬 수 있는 알칼리 자극제로 시약용으로 순도 98% 이상인 NaOH를 사용하였으며, 몰농도는 각각 6, 9 및 12M로 제조하여 반응성을 검토하였다. 또한 알칼리 자극제를 단독으로 사용하는 것보다 소듐실리케이트의 혼합사용이 중합반응을 더욱 활성화시키기 때문에 쇼듐실리케이트(Na2O=10%, SiO2=30%, 고형분=38.5%)를 사용하였다. 잔골재는 6호 규사(SiO2=95%, 밀도=2.
- 본 연구에서 사용된 시멘트 대체 결합재로는 한국 보령 화력발전소에서 생산되는 플라이애시를 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질은 Table 2와 같다. 사용한 플라이애시는 산화규소(SiO2)와 산화알루미나(Al2O3)의 함유량이 81.
- 사용한 플라이애시는 산화규소(SiO2)와 산화알루미나(Al2O3)의 함유량이 81.1%로 반응성 산화물이 다량 포함되어 있다.
- 알칼리 활성화제의 혼합비를 검토하기 위해 9M의 NaOH와 쇼듐실리케이트의 비를 1.25:0.75, 1:1, 0.75:1.25로 제조하여 사용하였다. 그리고 본 연구에서 사용한 배합비는 Table 4와 같이 콘크리트에서 굵은골재를 제외한 모르타르를 대상으로 하였다.
- 5%)를 사용하였다. 잔골재는 6호 규사(SiO2=95%, 밀도=2.62 g/㎠)를 사용하였다.
성능/효과
- 5는 60℃와 90℃에서 양생기간이 압축강도에 미치는 영향이다. 24시간 동안 60℃에서 양생을 실시할 경우, 15 MPa 정도로 비교적 강도가 크게 나타났으며, 재령 7일까지 60℃의 양생기간이 길수록 강도가 증진되는 것으로 나타났다. 그리고 재령 7일과 재령 28일 사이에서 60℃에서 48시간과 72시간 동안 양생을 실시한 경우에는 강도가 상당히 크게 증가되어 압축강도 70 MPa 이상으로 초고강도를 나타내고 있다.
- 6은 고온양생 후 양생조건이 강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 각각 60℃와 90℃의 고온으로 48시간 양생한 후 기건양생과 수중양생을 동시에 실시한 결과이다. 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 재령 7일까지는 기건양생과 수중양생의 차이가 없는 것으로 나타났으나, 재령 28일에서 기건양생의 경우가 수중양생보다 강도차이가 28 MPa 정도로 상당히 큰 것으로 나타났다. 이것은 고온양생 후 양생조건에 따라 콘크리트 내부의 수분이 증발 정도에 의해 알칼리 환경의 차이가 작용한 것으로 판단된다.
- 즉 수중양생의 경우에는 콘크리트 내부의 수분이 빠져나가지 못하기 때문에 거의 일정한 pH를 유지하지만, 기건양생의 경우에는 건조에 의해 콘크리트 내부의 수분이 증발됨으로써 pH가 상승하였기 때문으로 사료된다. 90℃의 양생을 실시한 경우에는 재령 3일에서 양생조건에 따른 영향이 거의 없고, 재령 7일 이후에서는 기건양생이 수중양생에 비해 강도가 증진되는 것으로 나타났으나, 60℃에 비해 양생조건에 따른 영향은 작은 것으로 나타났다. 이것은 90℃에서 48시간 동안 양생을 할 경우에는 이 기간에 대부분 수분증발 등이 발생함으로써 그 이후의 양생조건에 따른 영향이 적은 것을 분석된다.
- 본 연구에서는 시멘트를 전혀 사용하지 않은 지오폴리머 콘크리트를 개발할 목적으로 결합재로 플라이애시 100%를 사용한 알칼리 활성 모르타르의 강도에 미치는 알칼리 활성제와 양생조건의 영향에 대해 검토하였다. 그 결과, NaOH 몰농도가 증가함에 따라 강도가 향상되고, 몰 농도에 의해 강도를 제어할 수 있고, NaOH와 쇼듐실리케이트와는 1:1로 혼합하여 사용하는 경우가 강도발현이 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고 재령초기에 고강도가 요구되는 콘크리트인 경우에는 양생온도가 높을수록 유리하나, 재령의 증가에 따른 강도 발현과 경제성을 고려할 경우에는 양생온도 60℃에서 48시간 정도 실시하여 기건양생을 실시한 것이 유리한 것으로 나타났다.
- 이와 같이 기건양생 조건에서 양생온도가 높을수록 강도가 향상되는 것은 콘크리트 내부의 수분감소를 유도하고 pH 상승으로 플라이애시가 활성화 시킬 수 있는 고알칼리 환경으로 변화되어 플라이애시의 중합반응이 가속화되었기 때문이다. 그리고 양생온도 90℃에서 재령 7일과 재령 28일 사이에서 강도 증진이 없는 것은 24시간 동안 90℃의 고온양생으로 재령 7일까지 콘크리트 내부의 수분 증발이 거의 이루어져 플라이애시의 잠재적 중합반응이 거의 발생함으로써 그 이후의 재령에서 강도가 증진되지 않은 것으로 분석된다. 이상의 결과로부터 재령초기에 고강도가 요구되는 콘크리트인 경우에는 양생온도가 높을수록 유리하나, 재령의 증가에 따른 강도 발현과 경제성을 고려할 경우에는 양생온도 60℃가 유리한 것으로 판단된다.
- 그리고 재령 7일과 재령 28일 사이에서 60℃에서 48시간과 72시간 동안 양생을 실시한 경우에는 강도가 상당히 크게 증가되어 압축강도 70 MPa 이상으로 초고강도를 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 시간은 48시간으로 추정된다. 따라서 60℃ 양생환경에서는 48시간 정도 양생을 실시하는 것이 강도발현에 적절한 것으로 분석된다.
- 그 결과, NaOH 몰농도가 증가함에 따라 강도가 향상되고, 몰 농도에 의해 강도를 제어할 수 있고, NaOH와 쇼듐실리케이트와는 1:1로 혼합하여 사용하는 경우가 강도발현이 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고 재령초기에 고강도가 요구되는 콘크리트인 경우에는 양생온도가 높을수록 유리하나, 재령의 증가에 따른 강도 발현과 경제성을 고려할 경우에는 양생온도 60℃에서 48시간 정도 실시하여 기건양생을 실시한 것이 유리한 것으로 나타났다. 또한 본 연구의 결과로부터 재령 28일에서 압축강도 70 MPa의 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.
- 그리고 재령초기에 고강도가 요구되는 콘크리트인 경우에는 양생온도가 높을수록 유리하나, 재령의 증가에 따른 강도 발현과 경제성을 고려할 경우에는 양생온도 60℃에서 48시간 정도 실시하여 기건양생을 실시한 것이 유리한 것으로 나타났다. 또한 본 연구의 결과로부터 재령 28일에서 압축강도 70 MPa의 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.
- 이상과 같이 NaOH 몰농도가 증가할수록 강도가 증가하는 것으로 나타났으나, 몰농도가 증가함에 따라 용액의 제조과정과 경제성 저하 등 문제점이 있다. 본연구의 결과로부터 NaOH의 몰농도에 따라 콘크리트의 강도를 제어 할 수 있을 것으로 사료되며, 또한 고강도 콘크리트 기준인 40 MPa 이상을 확보하는 데에는 NaOH 9M 정도를 사용하는 것이 적정한 것으로 판단된다.
- 재령 7일까지는 양생온도가 높을수록 압축강도가 향상되며, 재령 28일에서 양생온도 60℃와 90℃는 30℃에 비해 강도가 크게 나타났으나, 60℃와 90℃는 오히려 강도가 역전되는 결과가 나타났다. 양생온도 60℃에서는 재령 7일과 재령 28일 사이에 강도가 크게 증진되었으나, 양생온도 90℃에서는 강도증진이 거의 없는 것으로 나타났다. 이와 같이 기건양생 조건에서 양생온도가 높을수록 강도가 향상되는 것은 콘크리트 내부의 수분감소를 유도하고 pH 상승으로 플라이애시가 활성화 시킬 수 있는 고알칼리 환경으로 변화되어 플라이애시의 중합반응이 가속화되었기 때문이다.
- 이것은 90℃에서 48시간 동안 양생을 할 경우에는 이 기간에 대부분 수분증발 등이 발생함으로써 그 이후의 양생조건에 따른 영향이 적은 것을 분석된다. 이상과 같이 고온양생을 실시한 후 양생조건의 영향을 검토한 결과, 고온양생 후 기건양생을 실시한 것이 강도증진에 효과가 있으며, 특히 60℃에서 양생을 실시한 경우에는 그 효과가 현격히 발휘되는 것으로 나타났다.
- 따라서 혼합비 1:1의 경우, 알칼리 활성화제의 Na, Si 성분이 플라이애시의 Si, Al 성분과 반응성이 가장 우수한 결과로 판단된다. 이상의 결과로부터 NaOH와 쇼듐실리케이트의 혼합비율을 1:1로 알칼리 활성화제를 제조하여 사용하는 것이 강도에 가장 유리한 것으로 나타났다.
- 이상의 결과로부터 결합재로 플라이애시를 100%를 사용한 알칼리 활성 콘크리트 제조 시 초기강도가 요구되는 경우에는 90℃에서 24∼48시간 정도 실시하는 것이 적절한 것으로 분석된다.
- 그리고 양생온도 90℃에서 재령 7일과 재령 28일 사이에서 강도 증진이 없는 것은 24시간 동안 90℃의 고온양생으로 재령 7일까지 콘크리트 내부의 수분 증발이 거의 이루어져 플라이애시의 잠재적 중합반응이 거의 발생함으로써 그 이후의 재령에서 강도가 증진되지 않은 것으로 분석된다. 이상의 결과로부터 재령초기에 고강도가 요구되는 콘크리트인 경우에는 양생온도가 높을수록 유리하나, 재령의 증가에 따른 강도 발현과 경제성을 고려할 경우에는 양생온도 60℃가 유리한 것으로 판단된다.
- 지오폴리머 모르타르의 시공성을 분석하기 위해 플로우를 측정한 결과, 178∼183 mm로 알칼리 활성화제의 혼합비에 따른 영향이 작은 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 한국의 모든 산업분야에 걸쳐 온실가스를 감축하기 위해 노력을 하고 있으며, 마찬가지로 시멘트 산업에서도 소성온도를 낮추어 생산하거나 플라이애시, 고로슬래그 등의 혼합시멘트 사용하는 등 CO2를 저감하고자 노력을 하고 있다. 그러나 이런 방법으로 시멘트 생산 시 배출되는 CO2 가스를 획기적으로 저감시킬 수 없기 때문에 보다 강력한 대책이 강구되어야 할 것이다. 최근 이러한 배경으로부터 시멘트를 전혀 사용하지 않는 지오폴리머 콘크리트(geopolymer concrete)에 관한 연구가 주목을 받고 있다.
- 향후 결합재 및 알칼리 활성제 등의 종류 및 비율 등에 대한 배합 분석을 통해 다양한 지오폴리머 콘크리트와 이를 활용한 부재를 개발할 예정에 있다. 지오폴리머 콘크리트가 건설현장에 본격적으로 적용될 경우에는 시멘트 생산 시 배출되는 CO2 가스의 양을 저감하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 결합재 및 알칼리 활성제 등의 종류 및 비율 등에 대한 배합 분석을 통해 다양한 지오폴리머 콘크리트와 이를 활용한 부재를 개발할 예정에 있다. 지오폴리머 콘크리트가 건설현장에 본격적으로 적용될 경우에는 시멘트 생산 시 배출되는 CO2 가스의 양을 저감하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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