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문제 정의
- 본 연구에서는 ALC의 강도개선을 위해 SiO2 함량비가 다른 규석 분말과 석고를 활용하여 개선의 여부를 확인하고자 한다. 또한 원료로 사용되는 시멘트를 일정부분 대체하고 혼합재인 메타카올린이나 실리카퓸의 적용성에 대해 확인하였다.
- 이에 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 기존의 ALC 배합에 메타카올린, 실리카퓸 등의 혼화재와 규석 분말 및 석고의 혼입율 조절을 통해 물리적 특성을 개선 하는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
- ALC의 혼합은 생석회와 시멘트를 투입하여 1분간 건비빔을 실시한 후, 혼합수를 투입하여 30초간 비빔을 실시하고, 다시 규석 분말을 혼입한 슬러리와 혼화재를 각각 투입하여 30초간 비빔을 실시하였다. 그 후 알루미늄 분말을 투입한 후 다시 15초간 비빔을 실시하였다.
- 함량비가 다른 규석 분말과 석고를 활용하여 개선의 여부를 확인하고자 한다. 또한 원료로 사용되는 시멘트를 일정부분 대체하고 혼합재인 메타카올린이나 실리카퓸의 적용성에 대해 확인하였다. 물성 및 강도개선은 ALC의 기본 특성인 밀도와 강도로서 평가하였으며 내부구조에 대해 분석하였다.
- 메타카올린, 실리카퓸, 규석 분말 및 석고 혼입율을 조절하여 제작한 시험체의 물성 변화를 측정하기 위한 항목은 밀도, 압축강도, 비강도 및 마모율이다. 또한 제작한 시험체의 내부구조를 분석하기 위해 X-Ray diffraction(이하 XRD) 및 주사전자현미경(이하 SEM)에 의해 조직구조를 관찰하였다. 밀도, 압축강도, 비강도 측정을 위한 시험체는 100×100×100mm이며 각주의 형태로 절단하여 제작하였고 KS F 2701의 경량기포콘크리트 블록의 시험방법에 의거하여 시험을 실시하였다.
- 또한, 규석 분말은 결정성이 양호한 국내의 M규석과 D규석을 분쇄하여 사용하였다. 또한, 석고를 ALC의 물성개선에 사용하였고 석고의 혼입을 통해 ALC내의 SO3 함량을 조절하였으며 최종 시험체내에 4, 5, 6%가 되도록 배합하였다.
- 마모성능 평가는 40×40×40mm 각주의 시험체를 제작하고 7일간 기건양생을 실시한 후, KSF 2508의 로스앤젤레스 시험기에 의한 굵은 골재의 마모 시험방법에 의거하여 중량변화를 측정하였다.
- 마모성능 평가는 40×40×40mm 각주의 시험체를 제작하고 7일간 기건양생을 실시한 후, KSF 2508의 로스앤젤레스 시험기에 의한 굵은 골재의 마모 시험방법에 의거하여 중량변화를 측정하였다. 마모율은 2, 5, 10, 15분 간격으로 나누어 시험 전 후의 중량변화로서 마모율을 산정하였다. 또한 ALC의 중요 측정항목 중의 하나인 열전도율은 KS L 9016에 규정된 평판열류계 장치로서 측정하였다.
- 또한 원료로 사용되는 시멘트를 일정부분 대체하고 혼합재인 메타카올린이나 실리카퓸의 적용성에 대해 확인하였다. 물성 및 강도개선은 ALC의 기본 특성인 밀도와 강도로서 평가하였으며 내부구조에 대해 분석하였다.
- 밀도, 압축강도, 비강도 측정을 위한 시험체는 100×100×100mm이며 각주의 형태로 절단하여 제작하였고 KS F 2701의 경량기포콘크리트 블록의 시험방법에 의거하여 시험을 실시하였다.
- 시험체는 40∼50℃의 온도에서 5시간 동안 양생을 실시하였으며, 몰드에서 탈형 후 180℃에서 6∼8시간 동안 증기양생을 실시하였고 제작 및 배합순서는 Fig. 1과 같다.
대상 데이터
- 또한, 밀도의 증가도 혼화재 혼입시의 완만한 상승경향 보다는 초기부터 밀도가 급격하게 커졌으며 혼입율에 따른 차는 크지 않았다. 규석 분말 및 석고를 혼입한 시험체의 밀도는 0.63~0.66g/cm3의범위이며 가장 큰 폭의 증가를 보인 시험체는 규석 분말이 18% 혼입된 SM2 시험체이다.
- 성능개선을 위한 혼화재로는 메타카올린, 실리카퓸을 사용하였고, 국내의 K사의 제품이며 화학적 조성은 Table 2와 같다. 또한, 규석 분말은 결정성이 양호한 국내의 M규석과 D규석을 분쇄하여 사용하였다. 또한, 석고를 ALC의 물성개선에 사용하였고 석고의 혼입을 통해 ALC내의 SO3 함량을 조절하였으며 최종 시험체내에 4, 5, 6%가 되도록 배합하였다.
- ALC는 알루미늄 분말에 의해 발생한 기포가 개개의 공극을 형성하고 공극 내에 공기층을 형성하므로 단열성능이 우수하다. 본 실험에서도 알루미늄 분말에 의해 개개의 셀이 형성된 ALC를 제조할 수 있었다. 열전도율 측정 결과 시험체 모두 0.
- ALC의 물리적 성능개선을 도모하기 위한 사용재료 및 물리적 성질은 Table 1과 같다. 사용재료는 보통 포틀랜드시멘트, 규석 분말, 생석회이며 발포제로 알루미늄 분말을 사용하였다. 성능개선을 위한 혼화재로는 메타카올린, 실리카퓸을 사용하였고, 국내의 K사의 제품이며 화학적 조성은 Table 2와 같다.
- 사용재료는 보통 포틀랜드시멘트, 규석 분말, 생석회이며 발포제로 알루미늄 분말을 사용하였다. 성능개선을 위한 혼화재로는 메타카올린, 실리카퓸을 사용하였고, 국내의 K사의 제품이며 화학적 조성은 Table 2와 같다. 또한, 규석 분말은 결정성이 양호한 국내의 M규석과 D규석을 분쇄하여 사용하였다.
- 열전도율 시험체는 200×200×30mm의 평판형 시험체를 사용하였다.
이론/모형
- 마모율은 2, 5, 10, 15분 간격으로 나누어 시험 전 후의 중량변화로서 마모율을 산정하였다. 또한 ALC의 중요 측정항목 중의 하나인 열전도율은 KS L 9016에 규정된 평판열류계 장치로서 측정하였다. 열전도율 시험체는 200×200×30mm의 평판형 시험체를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 메타카올린과 실리카퓸을 혼입한 경우 혼입율의 증가에 따라 강도는 증가하며 혼화재의 종류에 따른 영향도 크게 받아 강도개선을 위해서는 메타카올린을 혼입하는 것이 유리하다.
- (2) 메타카올린의 혼입에 따른 강도증진은 공극 충전 효과에 의한 것으로 압축강도와 밀도, 마모성능만을 고려하는 경우 3∼5%를 혼입하는 것이 가장 적절하다.
- (3) 규석 분말의 혼입에 따른 강도증진은 혼입율이 18%인 것이 유리하며 SiO2의 함량이 95% 이상의 것을 사용하는 것이 유리하다.
- 8 에 나타내었다. XRD분석은 시험편의 패턴 분석을 통해 토버모라이트의 형성 및 다른 결정상의 존재여부를 파악하기 위한 것으로 토버모라이트와 쿼츠가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 시험편 모두 Plain 시험체로 측정한 결과와 혼화재를 혼입한 ALC의 피크가 일치함으로서 결정이 양호한 토버모라이트와 쿼츠가 형성되었음을 알 수 있었다.
- 즉 실리카퓸의 경우 비표면적이 약 200,000㎠/g 으로 메타카올린에 비해 작기 때문에 효율적으로 토버모라이트 구조체 사이를 충전하지 못하는 것으로 판단된다. 또한 석고의 혼입율이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 보였다. 특히 SM2 시험체의 강도증가가 현저하였는데 SM1보다 7%이상 증가하였으며, SM3보다 12%이상 증가하였다.
- XRD분석은 시험편의 패턴 분석을 통해 토버모라이트의 형성 및 다른 결정상의 존재여부를 파악하기 위한 것으로 토버모라이트와 쿼츠가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 시험편 모두 Plain 시험체로 측정한 결과와 혼화재를 혼입한 ALC의 피크가 일치함으로서 결정이 양호한 토버모라이트와 쿼츠가 형성되었음을 알 수 있었다.
- 이러한 결과는 규석 분말의 종류나 혼입율에 상관없이 동일한 경향을 보였다. 또한, 밀도의 증가도 혼화재 혼입시의 완만한 상승경향 보다는 초기부터 밀도가 급격하게 커졌으며 혼입율에 따른 차는 크지 않았다. 규석 분말 및 석고를 혼입한 시험체의 밀도는 0.
- ALC의 경우 경량성 및 단열성 등의 기타 성능과 강도를 고려한 시공성 확보측면에서 비강도가 높은 것이 유리하다. 메타카올린 및 실리카 퓸을 혼입한 시험체의 경우 Plain에 비해 메타카올린을 혼입한 시험체는 비강도가 높았으나 실리카퓸을 혼입한 경우는 비강도가 낮은 결과를 보였다. 석고 혼입율에 따른 비강도는 규석 분말이 15%, 18%인 경우가 가장 좋은 결과를 보였으며 SiO2 함량이 작은 SD1의 경우 Plain 시험체보다 작게 나타났다
- 2에 나타내었다. 메타카올린과 실리카퓸 등의 혼화재료를 혼입한 시험체의 경우 혼입율의 증가에 따라 밀도도 단계적으로 증가하는 경향을 보였다. Plain 시험체의 밀도는 약 0.
- 3에 나타내었다. 메타카올린및 실리카퓸을 혼입한 시험체는 Plain 시험체에 비해 약 10% 정도 압축강도가 증가하여 개선효과가 있었다. 특히, 메타카올린을 혼입한 경우가 실리카퓸을 혼입한 경우보다 증가 경향이 크게 나타났다.
- 실리카의 함량이 90%인 SD1 시험체의 경우 Plain 보다는 강도가 증가하였으나 SM 시험체보다 강도의 증가가 현저하게 작아 SiO2의 함량에 따른 강도의 차를 확인 할 수 있었다. 석고 혼입에 따른 강도변화는 SO3 함량이 5%일 때가 가장 높았으며 4%인 경우에 비해 강도가 4% 증가하였고 6%인 경우에 비해 강도가 2%이상 증가하는 결과를 보였다.
- 메타카올린 및 실리카 퓸을 혼입한 시험체의 경우 Plain에 비해 메타카올린을 혼입한 시험체는 비강도가 높았으나 실리카퓸을 혼입한 경우는 비강도가 낮은 결과를 보였다. 석고 혼입율에 따른 비강도는 규석 분말이 15%, 18%인 경우가 가장 좋은 결과를 보였으며 SiO2 함량이 작은 SD1의 경우 Plain 시험체보다 작게 나타났다
- 석고의 혼입율이 증가할수록 밀도도 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 규석 분말의 종류나 혼입율에 상관없이 동일한 경향을 보였다.
- 또한 SD1보다는 27%이상 압축강도가 증가하는 결과를 얻었다. 실리카의 함량이 90%인 SD1 시험체의 경우 Plain 보다는 강도가 증가하였으나 SM 시험체보다 강도의 증가가 현저하게 작아 SiO2의 함량에 따른 강도의 차를 확인 할 수 있었다. 석고 혼입에 따른 강도변화는 SO3 함량이 5%일 때가 가장 높았으며 4%인 경우에 비해 강도가 4% 증가하였고 6%인 경우에 비해 강도가 2%이상 증가하는 결과를 보였다.
- 본 실험에서도 알루미늄 분말에 의해 개개의 셀이 형성된 ALC를 제조할 수 있었다. 열전도율 측정 결과 시험체 모두 0.1w/m․k이하의 낮은 열전도율을 나타냈다. ALC의 열전도율은 밀도에 관계하여 밀도가 증가할수록 열전도율도 증가하는 경향을 보인다.
- 석고 혼입율에 따른 마모성능은 SO3가 5%일 때 가장 우수하였다. 전체적으로 시험체 모두 Plain 보다는 약간 좋은 성능을 보였으며 혼화재의 종류 및 혼입율에 따른 마모성능의 차는 크지 않았다. 이와 같은 결과는 압축강도 증진에 따라 마모성능도 향상되지만 ALC 자체가 공극을 구성하는 셀구조 구성되어 있기 때문에 근본적인 개선방법을 제시하기는 어렵지만 배합 및 제조법 등을 통해 이를 개선할 수 있는 연구가 필요하다7).
- ALC의 열전도율은 밀도에 관계하여 밀도가 증가할수록 열전도율도 증가하는 경향을 보인다. 제조된 ALC는 일반 콘크리트의 열전도율인 1.0W/m․k에 비하여 약 7~10%에 불과한 것으로서, ALC 특유의 독립적인 기공구조로 인한 단열성능의 우수함을 알 수 있었다.
- 또한 석고의 혼입율이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 보였다. 특히 SM2 시험체의 강도증가가 현저하였는데 SM1보다 7%이상 증가하였으며, SM3보다 12%이상 증가하였다. 또한 SD1보다는 27%이상 압축강도가 증가하는 결과를 얻었다.
- 혼화재, 규석 분말 및 석고 혼입에 따라 결정이 양호한 토버모라이트상과 C-S-H상(ettringite)의 발생(CSH(Ⅰ)이나 CSH(Ⅱ)상)과 C-S-H gel상이 나타나고 있음을 확인하였다.
후속연구
- (4) 강도증진을 위한 석고의 함량은 SO3 함량 기준으로 5%를 혼입하는 것이 적절하며 강도의 개선에 따라 밀도가 증가하므로 추후 밀도를 낮추면서 강도를 개선할 수 있는 배합이나 제조법에 대한 연구가 필요하다.
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