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문제 정의
- 본 연구에서는 알칼리 자극제의 종류 및 치환율이 고로슬래그 미분말의 압축강도에 미치는 영향을 평가하고자 하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 알칼리 자극제의 종류 및 치환율이 고로슬래그 미분말 모르타르의 압축강도에 미치는 영향에 대해 검토하였다.
제안 방법
- pH 측정시험은 pH메타/HI-8314N 측정기의 pH전극을 사용하였으며, 비빔 직후 비커에 모르타르를 채운 후 약 4cm 깊이로 관입하여 10분간의 값을 기록하였다.
- 또한 재령초기 고온에 대한 영향을 확인하기 위하여 약 1일 동안 고온양생(60℃) 후 28일까지 표준양생(20℃)을 실시하였다. 고온양생시간은 전치시간 4시간, 상승온도시간 3시간, 최고온도 유지시간 5시간, 하강온도시간 4시간으로 설정하였다. 평가항목으로 슬럼프 플로우, pH, 압축강도를 측정하였다.
- 5, 15%의 4수준으로 설정하였다. 또한 재령초기 고온에 대한 영향을 확인하기 위하여 약 1일 동안 고온양생(60℃) 후 28일까지 표준양생(20℃)을 실시하였다. 고온양생시간은 전치시간 4시간, 상승온도시간 3시간, 최고온도 유지시간 5시간, 하강온도시간 4시간으로 설정하였다.
- 본 연구에서는 알칼리 자극제에 의한 고로슬래그 미분말의 강도발현 특성을 평가하기 위해 Table 1에 나타난 바와 같이 물결합 재비는 50%로 설정한 후, 시멘트는 보통포틀랜트 시멘트를 사용하였다. 또한, 알칼리 자극제의 종류는 NaOH, Ca(OH)2 , Na2SO4, KOH의 4수준이며, 알칼리 자극제의 치환율은 각각 7.5, 10, 12.5, 15%의 4수준으로 설정하였다. 또한 재령초기 고온에 대한 영향을 확인하기 위하여 약 1일 동안 고온양생(60℃) 후 28일까지 표준양생(20℃)을 실시하였다.
- 압축강도 평가용 공시체는 KS L 5105 「수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법」에 준하여 40×40×160mm의 공시체를 각 재령별로 3개씩 제작하고, 제작된 공시체는 Vibrating table을 사용하여 기계다짐을 한 후 수중양생을 하였다.
- 고온양생시간은 전치시간 4시간, 상승온도시간 3시간, 최고온도 유지시간 5시간, 하강온도시간 4시간으로 설정하였다. 평가항목으로 슬럼프 플로우, pH, 압축강도를 측정하였다.
대상 데이터
- Table 2, 3은 사용재료의 물리･화학적 성질을 나타낸 것으로서 KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분말)의 고로슬래그 미분말 3종의 규정을 만족시키는 고로슬래그 미분말을 사용하였으며, 분말도는 4,500cm2/g이다.
- 본 연구에서는 알칼리 자극제에 의한 고로슬래그 미분말의 강도발현 특성을 평가하기 위해 Table 1에 나타난 바와 같이 물결합 재비는 50%로 설정한 후, 시멘트는 보통포틀랜트 시멘트를 사용하였다. 또한, 알칼리 자극제의 종류는 NaOH, Ca(OH)2 , Na2SO4, KOH의 4수준이며, 알칼리 자극제의 치환율은 각각 7.
- 압축강도 평가용 공시체는 KS L 5105 「수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법」에 준하여 40×40×160mm의 공시체를 각 재령별로 3개씩 제작하고, 제작된 공시체는 Vibrating table을 사용하여 기계다짐을 한 후 수중양생을 하였다. 압축강도 측정시 시험체는 표면건조상태가 되도록 물기를 닦고 이물질을 제거한 후에 모르타르용 전용 지그를 이용하였으며, 측정장치는 Shimadzu 사의 200ton 용량의 UTM을 사용하였다. 측정된 값은 식 2.
이론/모형
- 슬럼프 플로우 시험은 KS L 5111 「시멘트 시험용 플로 테이블」에 준하여 비빔 직후에 측정하였다.
- 잔골재의 물리적 성질은 KS L ISO 679 「시멘트의 강도 시험방법」에 준하여 사용하였으며, ISO 표준사(0.3∼0.85mm)를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 재령 28일의 압축강도는 KOH의 경우 22.1~24.0MPa, NaOH의 경우 15.4~21.9MPa, Ca(OH)2의 경우 14.2~17.1MPa, Na2SO4의 경우 2.2~10.3MPa로 나타나났다. 즉 KOH, NaOH, Ca(OH)2 , Na2SO4의 순서로 압축강도가 높게 나타났으며 KOH에 의한 고로슬래그의 수화촉진이 가장 우수한 것으로 판단된다.
- 2. KOH의 치환율이 증가할수록 압축강도가 증가하다가 15%에서 감소하였다. 특히 12.
- 3. Ca(OH)2의 치환율이 증가할수록 비슷한 수준의 압축강도를 보였다. Na2SO4의 경우 치환율이 증가할수록 압축강도가 증가하였지만 재령 1, 3일에서 압축강도 발현이 나타나지 않았으며 알칼리 자극제 중 압축강도 발현이 가장 낮았다.
- 4. 고온양생조건의 NaOH, Ca(OH)2 , KOH에 의한 재령 1일의 압축 강도는 각각 표준양생의 압축강도 대비 1.3~1.7, 12.8~18, 1.3~1.8의 범위로 나타났다. 재령 28일에서는 표준양생의 압축 강도와 비슷한 수준을 나타내 고온양생에 의한 압축강도 발현은 재령 1일에서 우수한 것으로 판단된다.
- 5. NaOH, Ca(OH)2, KOH의 경우 pH가 11.8~13.5의 높은 범위를 나타냈으며 압축강도도 14.2~24MPa로 높게 측정되었다. Na2SO4의 경우 낮은 알칼리성을 나타내 압축강도가 2.
- 6%의 플로우비를 나타냈다. Ca(OH)2를 사용한 경우 치환율이 증가할수록 플로우는 감소하였으며, OPC대비 93.8~97.4%의 플로우비를 나타냈다. 또한 Na2SO4를 사용한 경우도 치환율이 증가할수록 플로우가 감소하는 것으로 나타났다.
- 5%에서 OPC 대비 압축강도가 상회하는 것으로 나타났다. Ca(OH)2에 의한 슬래그 모르타르는 치환율에 관계없이 OPC 대비 압축강도가 아주 작은 수준으로 나타났으며, Na2SO4에 의한 슬래그 모르타르는 압축강도가 측정되지 않았다. 재령 28일에서의 경우, Na2SO4에 의한 슬래그 모르타르는 알칼리 자극제의 치환율이 증가함에 따라 OPC 대비 압축강도가 증가하는 경향을 나타냈지만 다른 종류의 알칼리 자극제에 의한 슬래그 모르타르보다 낮은 압축강도비를 나타냈다.
- KOH를 사용한 경우 다른 종류의 알칼리 자극제에 비해 알칼리 자극제의 치환율이 증가할수록 플로우도 증가하는 경향을 나타냈으며, OPC대비 약 110%~117%의 플로비를 나타냈다. 이러한 이유는 다른 3종류의 알칼리 자극제는 분말형이지만 KOH는 고체형으로 물에 녹여서 사용하여 알칼리 자극제의 비표면적이 커짐에 따라 수화활성이 증가하고 입자간의 구속수가 증가하면서 유동성에 영향을 주는 자유수 감소가 원인이 된 것으로 사료된다.
- 재령 1일에서의 경우, NaOH에 의한 슬래그 모르타르는 치환율이 증가할수록 OPC 대비 압축강도가 낮아졌다. KOH에 의한 슬래그 모르타르는 치환율이 증가할수록 OPC 대비 압축강도가 상승하다가 12.5%에서 OPC 대비 압축강도가 상회하는 것으로 나타났다. Ca(OH)2에 의한 슬래그 모르타르는 치환율에 관계없이 OPC 대비 압축강도가 아주 작은 수준으로 나타났으며, Na2SO4에 의한 슬래그 모르타르는 압축강도가 측정되지 않았다.
- KOH에 의한 슬래그 모르타르의 압축강도는 본 연구 범위에서 압축강도가 가장 높게 나타났으며, 표준양생조건에서 재령 1일의 KOH 치환율 12.5, 15%의 경우 OPC 대비 약 100% 이상의 압축강도 발현을 나타냈다. 또한, 알칼리 자극제의 치환율에 의한 강도의 변화는 큰 차이는 나타나지 않았으며, 양생온도에 있어서도 재령초기에 고온양생의 경우 표준양생에 비해 다소 증가하는 경향은 있으나 큰 차이는 나타나지 않았다.
- Na2SO4에 의한 슬래그 모르타르의 압축강도의 경우 표준 및 고온양생에서 재령 3일까지는 압축강도가 측정되지 않았고, 재령 28일에서는 알칼리 자극제의 치환율이 높을수록 압축강도가 다소 증가하는 것으로 나타났다. Na2SO4는 Na계열의 알칼리 금속 화합물이 물에 대한 용해도가 높아 백화현상이 발생하는 경향을 나타냈다.
- 5MPa 가장 높게 측정되었다. NaOH, Ca(OH)2, KOH는 Na2SO4 보다 pH가 높게 측정되었으며 압축강도도 높게 나타났다.
- 4%의 플로우비를 나타냈다. 또한 Na2SO4를 사용한 경우도 치환율이 증가할수록 플로우가 감소하는 것으로 나타났다.
- 표준양생조건에서 NaOH에 의한 슬래그 모르타르의 압축강도의 경우, 재령별 NaOH의 치환율이 증가할수록 압축강도가 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 재령 28일에서의 압축강도는 OPC 대비 40% 수준이었으며, 재령 28일에서 NaOH의 치환율이 증가함에 따라 약 21.9, 18.8, 17.7 15.4MPa로 나타났다. NaOH의 경우 재령 초기에 급결하여 시험체 제작에 다소 어려움이 있었다.
- 4로 낮아지는 경향을 나타냈으며, 압축강도도 낮아지는 경향을 나타냈다. 또한, Ca(OH)2의 치환율이 증가할수록 pH 및 압축강도가 높아지는 경향을 나타냈다. 그러나, Na2SO4의 경우 치환율이 증가할수록 pH는 다소 낮아지는 경향을 나타냈으며, 알칼리 자극제의 종류 중 가장 낮은 pH 값을 나타냈다.
- 에 의한 슬래그 모르타르의 재령 28일 압축강도는 OPC 대비 약 30~36%로 나타났으며, 재령 초기에는 치환율별로 약 4∼5MPa, 재령 28일에는 약 14~17MPa의 압축 강도를 나타내 강도 증진에 큰 효과가 없는 것으로 판단된다. 또한, 고온양생의 경우 재령 1일의 압축강도가 표준양생조건에서보다 높게 나타나 압축강도가 급속히 발현되는 것을 확인할 수 있었다. 재령 7일에 있어 치환율에 관계없이 약 10MPa의 압축강도를 나타냈으며, 재령 28일에 있어서는 표준양생에 비해 압축강도가 다소 저하하는 것으로 나타났다.
- 5, 15%의 경우 OPC 대비 약 100% 이상의 압축강도 발현을 나타냈다. 또한, 알칼리 자극제의 치환율에 의한 강도의 변화는 큰 차이는 나타나지 않았으며, 양생온도에 있어서도 재령초기에 고온양생의 경우 표준양생에 비해 다소 증가하는 경향은 있으나 큰 차이는 나타나지 않았다.
- 4는 표준양생 조건의 압축강도 대비 고온양생조건의 압축 강도를 나타낸 것이다. 전체적으로 표준양생 압축강도에 비해 고온양생 압축강도가 높거나 비슷한 것으로 나타났다. 특히, 1일 재령의 경우에는 고온양생의 압축강도가 표준양생의 압축강도에 비해 다소 높게 나타났으며 재령 28일의 경우에는 고온양생의 압축강도가 표준양생의 압축강도와 비슷하거나 다소 낮은 결과를 보였다.
- 3MPa로 나타나났다. 즉 KOH, NaOH, Ca(OH)2 , Na2SO4의 순서로 압축강도가 높게 나타났으며 KOH에 의한 고로슬래그의 수화촉진이 가장 우수한 것으로 판단된다.
- KOH의 치환율이 증가할수록 압축강도가 증가하다가 15%에서 감소하였다. 특히 12.5, 15%일 때의 압축강도는 각각 OPC의 압축강도의 108, 99%로 나타나 높거나 비슷한 수준으로 나타났다. NaOH의 경우 치환율이 증가할수록 압축강도도 감소하였다.
- 전체적으로 표준양생 압축강도에 비해 고온양생 압축강도가 높거나 비슷한 것으로 나타났다. 특히, 1일 재령의 경우에는 고온양생의 압축강도가 표준양생의 압축강도에 비해 다소 높게 나타났으며 재령 28일의 경우에는 고온양생의 압축강도가 표준양생의 압축강도와 비슷하거나 다소 낮은 결과를 보였다. 이는 재령초기 고온이력을 받을 경우 압축강도가 상승하지만 이후 재령에서는 압축강도의 발현이 크지 않은 것을 확인 할 수 있었다.
- 표준양생조건에서 Ca(OH)2에 의한 슬래그 모르타르의 재령 28일 압축강도는 OPC 대비 약 30~36%로 나타났으며, 재령 초기에는 치환율별로 약 4∼5MPa, 재령 28일에는 약 14~17MPa의 압축 강도를 나타내 강도 증진에 큰 효과가 없는 것으로 판단된다.
- 1과 2는 표준, 고온양생조건에서 알칼리 자극제의 종류와 치환율에 따른 압축강도를 나타낸 것이다. 표준양생조건에서 NaOH에 의한 슬래그 모르타르의 압축강도의 경우, 재령별 NaOH의 치환율이 증가할수록 압축강도가 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 재령 28일에서의 압축강도는 OPC 대비 40% 수준이었으며, 재령 28일에서 NaOH의 치환율이 증가함에 따라 약 21.
후속연구
- 그러나 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 초기강도발현 수준이 낮아 거푸집 제거 시기가 늦어질 수 있고 동절기에는 강도발현이 지연되어 공사기간이 연장되는 문제점이 있다. 또한, 양생 불충분시에는 균열과 동해가 발생할 수 있고 콘크리트의 알칼리 성분과 반응함으로써 중성화가 촉진되는 등 콘크리트의 품질저하와 공정･품질관리가 곤란하다는 문제점이 제기되고 있어 건설현장에서 실용화 및 상용화를 위해서는 초기 강도 발현요인 및 수준에 따른 체계적이고 종합적인 연구수행이 지속적으로 이루어져야 될 것으로 판단된다.
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