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문제 정의
- 고로슬래그미분말 혼입 콘크리트의 재령 1일 및 3일의조기재령 압축강도를 높여 아파트와 같은 건축구조물 골조의 거푸집공사 조기 탈형을 통한 공사기간 단축은 건설 생산성 향상을 위하여 매우 중요한 과제이다. 본 연구에서는 우선 모르타르레벨에서 분말형 조강혼화재를 선정하기 위하여 기존 연구와 달리 각각 고로슬래그미분말및 시멘트를 자극시켜 강도를 발현하는 분말형 자극제선정 실험을 실시하였다. 그 후, 앞선 실험에서 자극제로서 최적 분말형 혼화제를 활용하여 고로슬래그미분말 혼입 시멘트모르타르의 압축강도 발현 실험을 실시하여 고로슬래그미분말 혼입 시멘트모르타르의 재령 1일 및 3일압축강도가 OPC 100%를 사용한 시멘트모르타르와 동등이상의 압축강도를 발현하도록 하는 분말형 조강혼화재개발에 관한 기초적 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이상의 배경으로, 본 연구는 건축구조체의 조기탈형을 통한 공사기간 단축을 위하여, 고로슬래그미분말을 혼화재로서 사용한 모르타르를 대상으로 재령 1일 및 3일에서 OPC 100%를 사용한 모르타르와 동등이상의 압축강도를 발현하는 분말형 조강혼화재를 개발하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 기존 연구와 달리 각각 고로슬래그미분말 및 시멘트를 자극시켜 강도를 발현하는 분말형 자극제의 선정 실험을 실시하고 이중에서 최적의 분말형 자극제를 선정하여 고로슬래그미분말 혼입 모르타르의 압축강도 발현 실험을 실시하였다.
제안 방법
- Series Ⅰ(BFS 100% 질량), Series Ⅱ(OPC 100% 질량) 및 Series Ⅲ(OPC 80% 질량, BFS 20% 질량) 배합에서 각 바인더(BFS, OPC, OPC+BFS)와 잔골재의 중량비율은 1:3으로 하였으며, 물바인더비(W/B)는 50%로 고정하였다. 모르타르 배합용량은 40mm×40mm×160mm 각주 3개에 맞추어 바인더 450g, 잔골재 1350g, 물 225g을사용하였다.
- 을 일정비율로 치환하였다. SeriesⅠ에서 BFS 100% 치환한 모르타르와 BFS에 대한 분말형 자극제를 치환율을 달리하여 강도 발현이 좋은 자극제를 찾기 위해 NaOH과 Ca(OH)2, 소석회는 각각 5%, 10%, 20%로 설정하였고, Na2SiO3는 5%, 7%, 10%, Na2CO3는 3%, 7%, 10%로 치환하였다.
- SeriesⅠ의 조기강도 혼화재로서 고로슬래그미분말에 조기강도 향상에 유효한 NaOH, Ca(OH)2, 소석회, Na2SiO3, Na2CO3을 일정비율로 치환하였다. SeriesⅠ에서 BFS 100% 치환한 모르타르와 BFS에 대한 분말형 자극제를 치환율을 달리하여 강도 발현이 좋은 자극제를 찾기 위해 NaOH과 Ca(OH)2, 소석회는 각각 5%, 10%, 20%로 설정하였고, Na2SiO3는 5%, 7%, 10%, Na2CO3는 3%, 7%, 10%로 치환하였다.
- 을 일정비율로 치환하여 실험을 실시하였다. SeriesⅡ는 OPC 100% 기준으로 NaSCN은 2%, 6%, 10% 치환하고, Ca(N03)2는 1%, 3%, 5%, Na2S2O3는 2%, 6%, 10%, TEA은 0.02%, 0.05%, 0.1% 마지막으로 CaCl2는 0.5%, 1%, 2%로 하여 OPC에 강도 발현이 좋은 자극제와 함유율을 찾기 위해 치환율을 달리하였다.
- SeriesⅡ에서는 시멘트 조기강도 향상에 효과가 있는 NaSCN, Ca(NO3)2, Na2S2O3, TEA, CaCl2을 일정비율로 치환하여 실험을 실시하였다. SeriesⅡ는 OPC 100% 기준으로 NaSCN은 2%, 6%, 10% 치환하고, Ca(N03)2는 1%, 3%, 5%, Na2S2O3는 2%, 6%, 10%, TEA은 0.
- SeriesⅢ에서는 SeriesⅠ과 SeriesⅡ를 먼전 실험을 실시하여 BFS와 OPC에 대하여 조기강도 발현율이 가장 좋은 분말형 자극제를 선정하여 실험을 실시하였으며, 최적의 배합을 찾기 위해 OPC 100%와 OPC(80%)+BFS(20%)를 기준으로 하여 CaCl2와 NaSCN, TEA는 OPC에 대하여 치환하고, Ca(OH)2, NaOH, 소석회는 BFS 20%에 대하여 치환하였다.
- 본 연구에서는 우선 모르타르레벨에서 분말형 조강혼화재를 선정하기 위하여 기존 연구와 달리 각각 고로슬래그미분말및 시멘트를 자극시켜 강도를 발현하는 분말형 자극제선정 실험을 실시하였다. 그 후, 앞선 실험에서 자극제로서 최적 분말형 혼화제를 활용하여 고로슬래그미분말 혼입 시멘트모르타르의 압축강도 발현 실험을 실시하여 고로슬래그미분말 혼입 시멘트모르타르의 재령 1일 및 3일압축강도가 OPC 100%를 사용한 시멘트모르타르와 동등이상의 압축강도를 발현하도록 하는 분말형 조강혼화재개발에 관한 기초적 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 압축강도 시험 재령은 SeriesⅠ, SeriesⅡ, SeriesⅢ에서 각각 재령 1일 및 재령 3일에서 실시하였으며 각 재령별 3개의 압축강도 평균값을 압축강도로 하였다. 또한, 조기강도 자극제가 모르타르의 플로우에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, SeriesⅢ에서만 KS L 5111에 규정하는 플로테이블, 플로우 콘 및다짐봉을 사용하여 타격플로우 시험을 실시하였다.
- 모르타르내의 OH- 농도가 높으면 고로슬래그미분말의 잠재수경성 및 시멘트수화반응을 촉진하기 때문에 각 시리즈 별로 기존 문헌을 참고하여 표 9와 같이 알칼리 자극제를 종류 및 사용량을 선정하였으며, TEA를 제외하고는 전부 분말형 자극제를 사용하였다.
- 본 연구에서는 그림 1에 나타낸 바와 같이 기존 연구와 달리 고로슬래그미분말을 자극시키는 분말형 자극제의 선정 실험(Series Ⅰ), 시멘트를 자극시키는 분말형 자극제의 선절 실험(Series Ⅱ)를 실시 한 후에, 최적의 자극제를 선정하고 이를 활용하여 고로슬래그미분말 혼입 모르타르의 조기강도 향상을 위한 분말형 자극제 선정실험(Series Ⅲ)을 실시하였다. 표 3∼5에 각 Series별로 배합표를 나타낸다.
- 양생방법은 그림 3과 같이 실험 재령 까지 20℃ 상온에서 밀봉양생을 실시하였다. 압축강도 시험 재령은 SeriesⅠ, SeriesⅡ, SeriesⅢ에서 각각 재령 1일 및 재령 3일에서 실시하였으며 각 재령별 3개의 압축강도 평균값을 압축강도로 하였다. 또한, 조기강도 자극제가 모르타르의 플로우에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, SeriesⅢ에서만 KS L 5111에 규정하는 플로테이블, 플로우 콘 및다짐봉을 사용하여 타격플로우 시험을 실시하였다.
- 이상의 배경으로, 본 연구는 건축구조체의 조기탈형을 통한 공사기간 단축을 위하여, 고로슬래그미분말을 혼화재로서 사용한 모르타르를 대상으로 재령 1일 및 3일에서 OPC 100%를 사용한 모르타르와 동등이상의 압축강도를 발현하는 분말형 조강혼화재를 개발하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 기존 연구와 달리 각각 고로슬래그미분말 및 시멘트를 자극시켜 강도를 발현하는 분말형 자극제의 선정 실험을 실시하고 이중에서 최적의 분말형 자극제를 선정하여 고로슬래그미분말 혼입 모르타르의 압축강도 발현 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 고로슬래그미분말은 KS F 2563 콘크리트용 고로슬래그미분말 규정을 만족하는 국내 A사의 고로슬래그미분말 3종을 사용하였다. 고로슬래그미분말의 분말도는 4,241 (cm2/g) 이였으며, 밀도는 2.
- 모르타르 배합용량은 40mm×40mm×160mm 각주 3개에 맞추어 바인더 450g, 잔골재 1350g, 물 225g을사용하였다.
- 보통포틀랜드시멘트(OPC)는 국내 B사의 1종 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였으며, 물리적 특성은 표 7과 같다.
- 잔골재는 KS F 4009 규정에 적합한 세척사를 사용하였으며, 그 물리적 특성은 표 8과 같다.
이론/모형
- 모르타르 배합용량은 40mm×40mm×160mm 각주 3개에 맞추어 바인더 450g, 잔골재 1350g, 물 225g을사용하였다. 또한, 모르타르 믹싱은 KS L ISO 679에 따라 그림 2와 같은 방법으로 실시하였다.
성능/효과
- 1) 고로슬래그미분말 조기강도향상을 위한 분말형 자극제 선정 실험(Series Ⅰ) 결과, 재령 1일 및 3일 강도가 가장 높게 나타난 것은 NaOH로서 혼입율을 5% 이며, 이는NaOH가 용해도가 높아 pH가 상대적으로 매우 높아 고로 슬래그미분말 자극 효율이 더 높기 때문이라고 판단된다.
- 2) 보통포틀랜드시멘트 조기강도향상을 위한 분말형 자극제 선정 실험(Series Ⅱ) 결과, OPC 100%를 사용한 경우의 압축강도와 비교하여 재령 1일 및 3일에서 동등 이상 의 압축강도를 나타낸 것은 시멘트 중량비율로 NaSCN 2% 혼입, TEA 0.02% 혼입, CaCl2 1% 혼입으로 나타났다.
- ) 혼입 콘크리트의 개발 연구는 매우 중요하다고 하겠다.2) 이러한, 고로슬래그미분말은 보통 포틀랜드(Ordinary Portland Cement 이하 OPC라 함.)과 비교하여 수화열이 낮고, 장기강도가 높으며, 내화학성이 우수한 품질적인 장점이 있다. 또한, FS 생산 소요 에너지는 OPC와 비교하여 매우 작을 뿐만이 아니라 CO2 원단위도 매우 적기 때문에 탄소저감형사회에서도 매우 적합한 콘크리트용 혼화재료로 판단된다.
- 3) 고로슬래그미분말 혼입 시멘트모르타르의 조기강도향상 실험(Series Ⅲ) 결과, BFS를 혼입한 시멘트모르타르의 경우에도, BFS를 자극시켜 압축강도를 향상하기 위해서는 NaOH의 사용이 매우 유효하다고 판단되며, 보통 포틀랜드시멘트를 자극시키기 위해서는 NaSCN과 CaCl2의 사용이 매우 유효하다고 판단된다.
- 3) 고로슬래그미분말 혼입 시멘트모르타르의 조기강도향상 실험(Series Ⅲ) 결과, BFS를 혼입한 시멘트모르타르의 경우에도, BFS를 자극시켜 압축강도를 향상하기 위해서는 NaOH의 사용이 매우 유효하다고 판단되며, 보통 포틀랜드시멘트를 자극시키기 위해서는 NaSCN과 CaCl2의 사용이 매우 유효하다고 판단된다.
- 02%, 1% 혼입 한 경우의 시멘트모르타르 재령 1일과 3일의 압축강도를나타낸 것이다. OPC 100%를 사용한 경우와 비교하여BFS를 20% 치환한 경우 재령 1일에서는 약 21.2% 강도 저하, 재령 3일에서는 15.3% 강도저하가 발생되어 특히BFS 혼입에 의하여 재령 1일에서의 압축강도 저하가 크게 나타나 재령 1일에서의 압축강도 향상이 매우 중요한것을 알 수 있었다. 한편, 재령 1일 및 3일에서 OPC100%를 사용한 경우의 압축강도와 동등 이상으로 압축강도가 발현되는 배합은 OBCN1(OPC 78.
- OPC 100%를 사용한 경우의 Flow값은 195mm를 나타내었으며, OBNC(OPC 79.92% + BFS 19% + NaOH 1% + CaCl2 0.08%) 에서 210mm로 OPC 100% 보다 큰 Flow를 나타낸 것 이외에 모든 타 배합에서는 Flow가 168mm∼190mm로OPC 100%와 비교하여 약 3%∼14%로 저하되었다.
- )을 사용한 모르타르의 재령 1일과 3일의 압축강도를 나타낸 것이다. OPC 100%를 사용한 경우의 압축강도와 비교하여 재령 1일 및 3일에서 동등 이상의 압축강도를 나타낸 것은 시멘트 중량비율로 NaSCN 2% 혼입, TEA 0.02% 혼입, CaCl2 1%혼입으로 나타났다. 특히, 재령 1일의 압축강도를 향상시키기 위해서는 NaSCN, TEA, CaCl2가 매우 유효한 자극제로 나타났다.
- 08%)으로 나타났다. 따라서, BFS를 혼입한 시멘트모르타르의 경우에도, BFS를 자극시켜 압축강도를 향상하기 위해서는NaOH의 사용이 매우 유효하다고 판단되며, 보통포틀랜드시멘트를 자극시키기 위해서는 NaSCN과 CaCl2의 사용이 매우 유효하다고 판단된다. 특히, CaCl2와 같이 사용한배합에서는 Ca(OH)2, NaOH, 소석회 모두 OPC 100% 사용한 것 보다 재령 1일 및 3일강도가 높게 나타났다.
- 따라서, BFS를 혼입한 시멘트모르타르의 경우에도, BFS를 자극시켜 압축강도를 향상하기 위해서는NaOH의 사용이 매우 유효하다고 판단되며, 보통포틀랜드시멘트를 자극시키기 위해서는 NaSCN과 CaCl2의 사용이 매우 유효하다고 판단된다. 특히, CaCl2와 같이 사용한배합에서는 Ca(OH)2, NaOH, 소석회 모두 OPC 100% 사용한 것 보다 재령 1일 및 3일강도가 높게 나타났다. 이는 CaCl2가 시멘트를 자극하여 조기강도가 향상되는 효과가 크기 때문으로 판단되나 CaCl2사용에 따른 과다한염소이온은 철근부식의 원인으로 되기 때문에 그 사용량에 있어 주의 할 필요가 있다고 판단된다.
- 02% 혼입, CaCl2 1%혼입으로 나타났다. 특히, 재령 1일의 압축강도를 향상시키기 위해서는 NaSCN, TEA, CaCl2가 매우 유효한 자극제로 나타났다.
- 3% 강도저하가 발생되어 특히BFS 혼입에 의하여 재령 1일에서의 압축강도 저하가 크게 나타나 재령 1일에서의 압축강도 향상이 매우 중요한것을 알 수 있었다. 한편, 재령 1일 및 3일에서 OPC100%를 사용한 경우의 압축강도와 동등 이상으로 압축강도가 발현되는 배합은 OBCN1(OPC 78.4% + BFS 19%+ Ca(OH)2 1% + NaSCN 1.6%), OBNC(OPC 79.92% +BFS 19% + NaOH 1% + CaCl2 0.08%), OBCC1(OPC 79.92% + BFS 19% + Ca(OH)2 1% + CaCl2 0.08%)으로 나타났다. 따라서, BFS를 혼입한 시멘트모르타르의 경우에도, BFS를 자극시켜 압축강도를 향상하기 위해서는NaOH의 사용이 매우 유효하다고 판단되며, 보통포틀랜드시멘트를 자극시키기 위해서는 NaSCN과 CaCl2의 사용이 매우 유효하다고 판단된다.
후속연구
- 5) 각 배합별 시멘트모르타르의 타격 Flow값은 OPC100%와 비교하여 약 3%∼14% 저하되었으며, 이러한 원인은 알칼리자극제에 의한 발열반응으로 모르타르의 유동성이 저하되었기 때문으로 판단되므로, 금후, BFS 혼입 시멘트모르타르의 조기강도향상을 위해서는 재령 1일및 3일의 압축강도 향상뿐만이 아니라 금후, 응결 및 Flow값의 경시변화 등 Fresh상태에서의 시공성을 고려한연구가 추가되어야 할 것으로 판단된다.
- 이러한 원인은 알칼리자극제에 의한 발열반응으로 모르타르의 유동성이 저하되었기 때문으로 판단된다. 따라서,BFS 혼입 시멘트모르타르의 조기강도 향상을 위해서는 재령 1일 및 3일의 압축강도 향상뿐만이 아니라 금후, 응결 및 Flow값의 경시변화 등 Fresh상태에서의 시공성을고려한 연구가 추가되어야 할 것으로 판단된다.
- 12로 나타나 OPC만을 사용한 것과비교하여 동등 이상 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 특히, 재령 1일과 3일에서의 활성도지수가 동일 배합에서도 차이가 나는 것을 고려해 보면 재령 1일에서의압축강도 향상에 초점을 맞추는 연구가 BFS 치환율 변화에 따라 중점적으로 추진되어야 한다고 판단된다.
- 또한, 조기강도 향상방법은 석고, 소석회, 석회석 등의 자극제 사용에 의한 고로슬래그미분말의 잠재수경성을 촉진하는 방법, 고로슬래그미분말의 분말도를 20,000 cm2/g으로 고분말화하여 반응성을 높이는 방법, CSA계 혼화재를 사용하여 에트린자이트의 생성을 촉진하는 방법, 조강형 폴리카르본산계의 혼화제를 사용하는 방법 등이 연구되고 있으나, 재령 1일에서의 조기강도 향상에 관한 연구는 거의 전무한 실정이다. 한편, 표 2에 나타낸 것과 같이 시멘트를 전혀 사용하지 않고 바인더로서 고로슬래그미분말을 100% 사용하고 자극제로서 수산화나트륨, 규산나트륨, 탄산나트륨, 황산나트륨 등의 알칼리자극 제를 혼입하는 지오폴리머에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 이것은 시멘트에 고로슬래그미분말을 혼화재로서 사용하여 제조하는 콘크리트의 조기강도향상에 관한 연구와는 차별화되며, 이의 메커니즘을 이용하여 고로 슬래그미분말 혼입 콘크리트의 조기강도향상을 도모할 수 있을 것이라고 판단된다.
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