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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 28일 전후에도 팽창에 기여할 수 있고 장기 강도 발현에 효과적인 물질로, CA계 광물 중 12CaO·7Al2O3 (C12A7)을 주결정상으로 하는 바닥용 수축저감제 (열연슬래그와 정련슬래그)와 이를 사용한 수축저감제 및 모르타르를 개발하고자 하였다.
- 이때 플라이애쉬 및 고로슬래그 증량분은 시멘트에서 빼주었다. 즉 결합제로 사용된 시멘트 함량을 줄였을 경우, 각각의 조성비에서 수축저감제의 역할을 충분히 수행할 수 있는지 검토하였다.
제안 방법
- 각각의 배합비로 제조된 수축저감제를 시멘트, 모래 및 혼합수와 혼합하였다. 이때 결합제 (수축저감제+시멘트)를 100%로 고정한 후, 결합제 함량 기준 모래 264%, 혼합수 62%를 혼합하였다.
- 길이 측정용 모르타르 시편은 탈형 후 길이를 측정(1일)하였으며, 이후 20 ± 2oC 조건의 실험실에서 35일 동안 기중 양생하였다.
- )을 주결정상으로 하는 바닥용 수축저감제 (열연슬래그와 정련슬래그)와 이를 사용한 수축저감제 및 모르타르를 개발하고자 하였다. 또한 수축저감제 조성을 제어하기 위해, 석유 코우크스 연소재 9%, 열연슬래그는 6%로 고정한 후, 플라이애쉬와 고로슬래그 함량을 변화시켰다. 이때 플라이애쉬 및 고로슬래그 증량분은 시멘트에서 빼주었다.
- 모르타르 길이변화율을 평가하기 위해 4 × 4 × 16 cm의 시편을 제조하여 기건 양생하였으며, 3일, 5일, 7일, 14일, 28일 및 35일 재령에서 길이변화율을 측정하였다.
- 본 연구에서는 28일까지 압축강도를 측정하였으며, 이후 재령의 강도값은 아직 도출되지 않았다. 결과에서 도출된 초기 압축강도 상승은 C12A7과 석유코크스 연소재의 무수석고가 반응하여 에트링자이트를 생성했기 때문이다.
- 상기 슬래그 중, 본 연구에서는 열연슬래그를 사용하여 모르타르의 물리적 특성을 분석·평가하였다.
- 시멘트 수화반응이 종료될 때까지 시멘트 수화반응에 계속 기여할 수 있는, 즉 시멘트 수화 기간 동안 계속해서 팽창에 기여할 수 있는 C12A7계 광물인 산업폐기물 (열연슬래그, 정련슬래그 등)을 바닥용 모르타르 수축저감제로 사용 (수축저감제 및 모르타르 등)하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- C 조건의 실험실에서 35일 동안 기중 양생하였다. 양생기간 중 3일, 5일, 7일, 14일, 28일 및 35일까지 길이변화를 측정하였으며, 이들 값과 탈형 후 길이와의 차이로 길이변화율을 계산하였다(식 (1) 참조).
- 각각의 배합비로 제조된 수축저감제를 시멘트, 모래 및 혼합수와 혼합하였다. 이때 결합제 (수축저감제+시멘트)를 100%로 고정한 후, 결합제 함량 기준 모래 264%, 혼합수 62%를 혼합하였다. 혼합이 종료된 수축 저감 모르타르는 KS L 5201에 따라 플로우, 응결 및 압축강도 등을 측정하였다.
- 열연슬래그는 2 mm 체를 사용하여 체분리한 후, 2 mm under분만을 사용하였다. 최적의 수축저감제를 개발하기 위해 혼합재 함량을 달리하여, 각각의 원료들을 배합한 후 물성을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 화학분석을 통해 검토한 C12A7계 슬래그는 열연슬래그와 정련슬래그 등을 들 수 있다. 상기 슬래그 중, 본 연구에서는 열연슬래그를 사용하여 모르타르의 물리적 특성을 분석·평가하였다.
이론/모형
- 이때 결합제 (수축저감제+시멘트)를 100%로 고정한 후, 결합제 함량 기준 모래 264%, 혼합수 62%를 혼합하였다. 혼합이 종료된 수축 저감 모르타르는 KS L 5201에 따라 플로우, 응결 및 압축강도 등을 측정하였다. 모르타르 길이변화율을 평가하기 위해 4 × 4 × 16 cm의 시편을 제조하여 기건 양생하였으며, 3일, 5일, 7일, 14일, 28일 및 35일 재령에서 길이변화율을 측정하였다.
성능/효과
- 1) 그 일례로 공동주택의 바닥 모르타르 타설을 용이하게 하기 위하여 과다한 물을 사용하고 있으며, 이로 인한 모르타르의 급격한 건조 수축이 발생하여 내구성 및 열전도율을 저하시키며, 균열 보수 비용으로 공사비 증가를 초래하고 있다. 즉, 공동주택 바닥미장의 균열은 사용재료의 구성과 시공정도, 양생, 보양 방법에 따른 각 요인이 복합적으로 작용하여 발생된다.
- 1) 시멘트 수화 초기에는 석유 코크스 연소재의 CaO의 수화 및 CaSO4와 열연슬래그의 C12A7이 반응하여 에트링자이트를 형성함으로 수축 저감 효과를 가져왔다. 또한 C12A7이 C2AH8 및 C2ASH8 등으로의 수화물 전이는 강도 상승에 기여하였다.
- 2) 플라이애쉬와 고로슬래그의 첨가량이 증가할수록 유동성이 우수해지는 것으로 나타났으며, 고로슬래그보다 플라이애쉬의 첨가량이 증가함에 따라 더 큰 유동성 증가를 얻을 수 있었다.
- 3) 시멘트를 대체하여 플라이애쉬 및 고로슬래그의 함량을 증가시킬 경우, 수축량이 증가하는 역효과가 동반되었다. 그러나 장기 재령에서는 그 영향이 미미한 것으로 나타났다.
- 4) 플라이애쉬와 고로슬래그의 첨가량이 증가할수록 초기 재령에서는 강도가 낮게 발현되나 장기 재령에서는 높은 강도를 발현하였다. 일반적으로 플라이애쉬나 고로슬래그를 사용한 콘크리트는 초기강도 발현율이 일반 콘크리트에 비해 낮지만 장기강도 발현율은 우수하며 이러한 경향은 치환율이 증가할수록 현저한 것으로 나타났다.
- 7) 혼합재 영향을 살펴보면, 백토나 규조토 등이 함유되어 있을 경우에는 단위수량을 증가시켜 건조수축이 커진다. 플라이애시는 입형이 구형으로, 단위수량을 감소시켜 수축저감에 효과가 있다.
- 계 슬래그의 화학분석 결과를 Table 1에 나타내었다. Table 1에서와 같이 열연슬래그의 주성분은 CaO 43.4%, Al2O3 33.4%이었으며, 정련슬래그의 CaO 함량은 41.7%, Al2O3 함량은 37.4%이었다. 이외에도 소량성분으로 SiO2, Fe2O3 및 MgO 등이 존재하였다.
- 118%이었다. 고로슬래그의 치환율이 증가할수록 길이변화율도 증가하는 것으로 나타났으나 고로슬래그 10 ~ 15% 치환율에서는 그 영향이 미미한 것으로 나타났다. 그 이유는 슬래그 반응율이 낮은 초기에는 고로슬래그의 치환율이 증가함에 따라 모세관 공극량이 증가하여 건조수축률이 증가하는 경향이 있지만 수화가 진행됨에 따라 장기재령에서는 겔 공극량의 증가로 건조수축량이 크게 증가하지 않는 것으로 판단된다.
- 또한 C12A7이 C2AH8 및 C2ASH8 등으로의 수화물 전이는 강도 상승에 기여하였다. 그러므로 기존 석유 코크스 연소재와 C12A7계 슬래그 혼합물이 수축저감제와 이를 적용한 바닥용 모르타르로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
- 상기에서와 같이 플라이애쉬와 고로슬래그의 첨가량이 증가할수록 유동성이 우수해지는 것으로 나타났으며, 고로슬래그보다 플라이애쉬의 첨가량이 증가함에 따라 더 큰 유동성 증가를 얻을 수 있었다.
- 상기의 결과로부터, C12A7계 슬래그를 사용한 수축 저감제 및 모르타르에서 플라이애쉬와 고로슬래그로 기존 시멘트를 일부 대체할 경우에 수축량 저감 효과는 크지 않았지만 유동성 및 강도 발현에는 효과적이었다. 그러므로 현장에서 시멘트 사용량을 감소시키기 위해 플라이애쉬와 고로슬래그 및 C12A7계 슬래그의 적절한 배합이 필요함을 알 수 있었다.
- 이는 플라이애쉬 자체의 반응성이 낮고 플라이애쉬 첨가량이 증가할수록 초기 재령에서는 강도가 낮게 발현되나 장기 재령에서는 일반적으로 높은 강도를 발현하기 때문이다. 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘이 플라이애쉬의 가용성 실리카 및 알루미나와 화합하여 규산석회 및 알루민산삼석회 등의 수화물을 생성하고 이들이 장기강도의 증진에 큰 역할을 하는 것으로 판단된다. 이러한 플라이애쉬에 의한 장기강도의 증진효과는 시간이 지남에 따라 계속되는데 Lane과 Best는 플라이애쉬를 사용하지 않은 콘크리트는 1년 후에 30%의 강도증가를 보인 데 반해 플라이애쉬 콘크리트는 50%까지 증가되었다고 보고하였다.
- 6의 경우 1시간 15분 정도 지연되는 것으로 나타났다. 시험 결과 고로슬래그 사용량이 증가할수록 응결시간이 지연되는 것을 확인할 수 있었으며, 초결과 종결 시간의 차이는 약 1시간 30분 ~ 2시간이 소요되는 것으로 나타났다.
- 양생일 증가에 따라, 모든 모르타르에서 길이 수축현상을 관찰할 수 있었다. 그러나 14일 이후에는 수축율이 크게 감소하였으며, 28일 및 35일은 큰 차이가 나지 않았다.
- 4) 플라이애쉬와 고로슬래그의 첨가량이 증가할수록 초기 재령에서는 강도가 낮게 발현되나 장기 재령에서는 높은 강도를 발현하였다. 일반적으로 플라이애쉬나 고로슬래그를 사용한 콘크리트는 초기강도 발현율이 일반 콘크리트에 비해 낮지만 장기강도 발현율은 우수하며 이러한 경향은 치환율이 증가할수록 현저한 것으로 나타났다.
후속연구
- 그러므로 시멘트 수화반응이 대부분 종료될 동안, 시멘트 수화반응 및 습분 증발에 의한 수축을 보상해 줄 수 있는 계속적인 팽창이 동반된다면 수축은 크게 줄어들 것이다. 또한 산업부산물로 경제성까지 확보할 수 있다면 더욱 효과적일 것이다. 즉 시멘트 수화 기간 동안, 계속해서 수화·반응하여 팽창에 기여할 수 있는 물질 개발이 시급한 상황인 것이다.
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