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문제 정의
- MgO를 치환한 AAC의 특성을 살펴보기 위해 MgO의 치환율을 결합재인 GGBFS 중량에 대해 2~16%까지 치환하였다. MgO를 치환하지 않은 시험체를 비교군 (control)로 하여 MgO의 치환에 따른 특성을 살펴보고자 하였다. 치환비율은 기존의 국내외 light-burned MgO의 연구결과와 예비실험을 바탕으로 본 연구의 목적인 강도와 길이변화 특성을 검토할 수 있는 치환 범위를 선정하였다.
- , 2011).본 연구에서는 AASC (alkali-activated slag cement)의 건조수축 저감에 관한 기초연구로써 기존의 light-burned MgO와 다른 소성온도에 의해 제조된 hard-burned MgO의 치환에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성에 관한 연구를 수행하였다.
- (2011)의 선행 연구에서 NaOH는 물유리 (waterglass) 보다 MgO의 활성정도를 증가시킨다는 연구결과도 참고하여 유사한 강알칼리성 활성화제인 KOH를 선정하였다. 이는 기존의 MgO를 사용한 국내외 연구결과에서 KOH를 사용한 연구결과가 부족하여 본 연구를 통해 후속연구에서 고려될 활성화제의 특성에 기초연구자료로 사용하고자 선정하였다. KOH는 해당 농도에 맞춰 계량한 뒤 배합수에 투입하여 혼합한 다음 6시간 정도 실내 실험실에 정치한뒤 배합에 사용하였다.
제안 방법
- MgO를 치환한 AAC의 특성을 살펴보기 위해 MgO의 치환율을 결합재인 GGBFS 중량에 대해 2~16%까지 치환하였다. MgO를 치환하지 않은 시험체를 비교군 (control)로 하여 MgO의 치환에 따른 특성을 살펴보고자 하였다.
- SEM (scanning electron microscopy)은 Hitachi FE-SEMS-4700 장비를 사용하였으며, 시편은 강도 측정 후 파쇄된시험체 조각을 아세톤에 넣어 수화정지 시킨 다음 건조하여 측정하였다.
- 각각의 배합에 따라 재료를 혼합한 후 압축강도 측정용 50×50×50mm 몰드에 타설하여 상대습도 (relative humidity; RH) 75±5%, 23±2℃항온항습기에 넣고 1일 (24h) 후 몰드를 탈형하였다.
- 몰드 탈형 후 압축강도 측정일까지 항온항습기 (23±2℃, RH 75±5%)에 양생하였으며, 길이변화 시험체는 탈형 후 RH 50±5%, 20±2℃의 환경에서 측정재령일까지 보관하였다.
- 몰드 탈형 후 압축강도 측정일까지 항온항습기 (23±2℃, RH 75±5%)에 양생하였으며, 길이변화 시험체는 탈형 후 RH 50±5%, 20±2℃의 환경에서 측정재령일까지 보관하였다. 압축강도는 각 측정 재령 (1, 3, 7 및 28일)에서 3개의 시험체에 대해 측정하고 그 평균값을 사용하였다. 초음파 속도 (ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQ CCT-4를 사용하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였다.
- 압축강도는 각 측정 재령 (1, 3, 7 및 28일)에서 3개의 시험체에 대해 측정하고 그 평균값을 사용하였다. 초음파 속도 (ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQ CCT-4를 사용하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였다. 초음파 측정은 시험체의 오른쪽에 발진자를 왼쪽에 수신자를 접촉시켜 속도를 측정하고, 동일 시험체에 대해 오른쪽에 수신자를 왼쪽에 발진자를 두고 측정한 각각의 값을 평균하여 나타내었다.
- 초음파 속도 (ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQ CCT-4를 사용하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였다. 초음파 측정은 시험체의 오른쪽에 발진자를 왼쪽에 수신자를 접촉시켜 속도를 측정하고, 동일 시험체에 대해 오른쪽에 수신자를 왼쪽에 발진자를 두고 측정한 각각의 값을 평균하여 나타내었다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법으로 측정하였다.
- MgO를 치환하지 않은 시험체를 비교군 (control)로 하여 MgO의 치환에 따른 특성을 살펴보고자 하였다. 치환비율은 기존의 국내외 light-burned MgO의 연구결과와 예비실험을 바탕으로 본 연구의 목적인 강도와 길이변화 특성을 검토할 수 있는 치환 범위를 선정하였다. 활성화제인 수산화칼륨(KOH)의 농도는 여러 국내외 문헌의 유동성, 응결 및 플로우 등의 특성변화를 고려하고, 예비 실험을 통해 본 연구에 사용된 고로슬래그 미분말의 알칼리 활성화에 따른 특성을 참고하여 2M과 4M로 정하였다.
- 치환비율은 기존의 국내외 light-burned MgO의 연구결과와 예비실험을 바탕으로 본 연구의 목적인 강도와 길이변화 특성을 검토할 수 있는 치환 범위를 선정하였다. 활성화제인 수산화칼륨(KOH)의 농도는 여러 국내외 문헌의 유동성, 응결 및 플로우 등의 특성변화를 고려하고, 예비 실험을 통해 본 연구에 사용된 고로슬래그 미분말의 알칼리 활성화에 따른 특성을 참고하여 2M과 4M로 정하였다. 수산화칼륨 (KOH)은 수용액에서 강알칼리를 나타내는 물질로 기존의 선행 AAC 연구에서 NaOH와 함께 강알칼리 활성화제로 사용되었던 재료이다.
대상 데이터
- MgO (purity > 96.0%)는 S사 제품이다.
- 길이변화 측정용 시험체는 40×40×160mm 몰드를 사용하였고, 길이변화는 91일까지 측정하였다.
- 본 연구에 사용된 고로슬래그 미분말 (ground granulated blast furnace slag; GGBFS)는 포항의 K사 제품이며, 화학 성분은 XRF (X-ray fluorescence) 분석을 통해 Table 2에 나타내었다. GGBFS의 Al/Mg 비는 4.
- 알칼리 활성화제는 S사의 수산화칼륨 (potassium hydroxide; KOH, purity > 95.0%)이다.
- 잔골재는 조립률 (fineness modulus, FM) 2.61, 표면건조 포화상태 밀도 0.0026 g/mm3, 흡수율은 1.25인 강모래를 사용하였다. 알칼리 활성화제는 S사의 수산화칼륨 (potassium hydroxide; KOH, purity > 95.
이론/모형
- 초음파 측정은 시험체의 오른쪽에 발진자를 왼쪽에 수신자를 접촉시켜 속도를 측정하고, 동일 시험체에 대해 오른쪽에 수신자를 왼쪽에 발진자를 두고 측정한 각각의 값을 평균하여 나타내었다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법으로 측정하였다. 길이변화 측정용 시험체는 40×40×160mm 몰드를 사용하였고, 길이변화는 91일까지 측정하였다.
성능/효과
- (1) MgO의 치환율이 증가할수록 강도는 증가하였다. 또한 MgO의 강도 향상 효과는 활성화제인 KOH의 농도가 2M에서 4M로 높아짐에 따라 더욱 증가하였다.
- (2) MgO의 치환은 AASC의 반응 생성물질들의 구조를 치밀하게 만들어 초음파 속도와 강도 향상에 영향을주는 것으로 생각된다. 재령의 증가에 따른 AASC의사용목적과 용도에 적합한 적정 수준의 MgO의 치환율을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 2M KOH 농도에서 1일 강도는 MgO를 치환하지 않은 시험체보다 MgO를 치환한 시험체의 강도가 낮게 나타났지만, 3일 이후부터는 MgO를 치환하지 않은 시험체 보다 높은 강도를 나타내었다 (Fig. 1(a)).
- 4에는 KOH의 농도와 MgO의 치환율에 따른 시험체의 길이변화를 측정한 것이다. 2M KOH와 4M KOH 농도 모두에서 MgO의 치환율이 증가함에 따라 건조수축이 감소하는 것을 볼 수 있었다.
- 4M KOH농도의 MgO 치환 시험체는 MgO가 12% 치환율이 될 때까지 급격한 강도 증가를 보이다가 12% 치환율 이후 강도는 다소 감소하는 경향을 나타내고 있었다. 2M와 4M KOH 농도와 MgO의 치환율에 따른 시험체의 강도 특성에서 볼 때 MgO의 치환은 AASC의 강도 향상에 영향을 미치며, KOH의 농도에 따라 최적 MgO의 치환율의 범위가 존재할 것으로 판단된다.
- 4M KOH 농도에서 1일 강도는 MgO를 치환한 시험체와MgO를 치환하지 않은 시험체의 강도 차이는 미미하였으나, 3일 이후 강도는 급격히 증가하고 있었다 (Fig. 1(b)).
- 1(b)). 4M KOH농도의 MgO 치환 시험체는 MgO가 12% 치환율이 될 때까지 급격한 강도 증가를 보이다가 12% 치환율 이후 강도는 다소 감소하는 경향을 나타내고 있었다. 2M와 4M KOH 농도와 MgO의 치환율에 따른 시험체의 강도 특성에서 볼 때 MgO의 치환은 AASC의 강도 향상에 영향을 미치며, KOH의 농도에 따라 최적 MgO의 치환율의 범위가 존재할 것으로 판단된다.
- 특히 4M KOH 농도에서 MgO의 치환에 따른 건조수축 저감은 2M KOH 농도 보다 상대적으로 높은 저감효과를 나타내고 있었다. 4M KOH의 농도에서 MgO의 치환에 따른 건조조축은 MgO의 치환율이 증가함에 따라 초기 측정시점에서부터 건조수축의 발생이 거의 없거나 상당히 적은 수축특성을 나타내고 있었다. 이는 2M KOH 보다 상대적으로 높은 농도인 4M KOH에서 MgO가 Mg(OH)2로의 변환을 촉진시켜 초기재령에서부터 팽창성이 발현되어 건조수축을 저감시키는 것으로 판단된다.
- M KOH에서 8% MgO 시험체의 28일 강도가 34.1MPa로 MgO를 치환하지 않은 시험체보다 33.2% 강도가 향상되었고, 4M KOH에서는 12% MgO 시험체가 47.4MPa로 43.6%의 강도 향상 효과가 나타났다. KOH의 농도와 MgO 치환율의 차이에 따른 강도 특성은 OH-이온에 의한 수용액의 강알칼리 환경에서 Mg2+ 이온의 반응성에 따른 영향으로 판단된다.
- MgO를 치환한 고로슬래그 미분말은 AASC 배합에서 건조수축을 감소시키는 효과가 나타났다. 특히 4M KOH의 AASC가 2M KOH 보다 건조수축 저감효과가 크게 나타났다.
- 기존의 OPC를 중심으로 한 light-burned MgO의 특성연구결과와 비교해 볼 때 KOH로 활성화된 AASC에서도 hard-burned MgO는 강도향상과 건조수축 저감효과가 있는 것을 알 수 있었다. 그러나 OPC와 달리활성화제의 종류와 농도에 따른 MgO의 활성화와 반응 생성물질의 차이 등을 고려할 필요가 있을 것으로판단된다.
- 따라서 2M KOH 보다 상대적으로 더 높은 농도인 4M KOH는 초기재령 (1일 및 3일)에서 MgO의 반응성을 향상시키고, 28일에서 미반응 MgO의 수화반응에도 유효한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- (2011)은 OPC-slag 시스템에서는 MgO의 추가가 강도 감소를 가져오지만 AASC에서는 강도를 증가시킨다고 하였다. 따라서 적정 수준의 알칼리 환경이 MgO의 활성화를 증대시켜 결합재와의 반응성을 향상시켜 강도에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 특히 4M KOH의 AASC가 2M KOH 보다 건조수축 저감효과가 크게 나타났다. 이를 통해 AASC에서 MgO는 초기와 장기 재령에서 건조수축 저감에 효과가 있음을 알 수 있었다. 또한 건조수축 저감율을 높이기 위해서는 일정수준 이상의 높은 활성화제 농도와 MgO의 치환율이필요할 것으로 판단된다.
- 1(a)). 전체적인 강도 특성은 MgO 치환율 4%까지는 강도 증가효과가 미미하였으나 4% 이후부터 8%까지는 다소 높은 강도증가가 나타났고 이후부터 강도 증가 경향은 점차 둔화되었다.
- Table 4는 KOH 농도와 MgO 치환율에 따른 각각의 시험체의 91일 최종 건조수축율을 정리한 것이다. 특히 4% MgO치환율부터 4M KOH의 농도에서 치환된 MgO의 건조수축 저감율이 2M KOH 보다 약 12.5~70% 정도 더 큰 감소효과가 있었다. 이를 통해 상대적으로 높은 활성화제 농도에서MgO의 활성화 반응이 증가하여 Mg(OH)2로의 변화가 촉진되고, 따라서 팽창성능의 발현이 향상되는 것으로 생각된다.
- 특히 4M KOH 농도에서 MgO의 치환에 따른 건조수축 저감은 2M KOH 농도 보다 상대적으로 높은 저감효과를 나타내고 있었다. 4M KOH의 농도에서 MgO의 치환에 따른 건조조축은 MgO의 치환율이 증가함에 따라 초기 측정시점에서부터 건조수축의 발생이 거의 없거나 상당히 적은 수축특성을 나타내고 있었다.
후속연구
- 이를 통해 2M KOH 농도는 4M KOH 농도에 비해 초기 수화과정에서 MgO를 활성화시켜 반응 생성물질을 만드는 효과가 상대적으로 낮은 것으로 생각된다. 따라서 AASC에서 MgO의 반응성을 증가시키기 위해서는 함께 사용하는 활성화제의 농도도 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 이를 통해 AASC에서 MgO는 초기와 장기 재령에서 건조수축 저감에 효과가 있음을 알 수 있었다. 또한 건조수축 저감율을 높이기 위해서는 일정수준 이상의 높은 활성화제 농도와 MgO의 치환율이필요할 것으로 판단된다.
- (2) MgO의 치환은 AASC의 반응 생성물질들의 구조를 치밀하게 만들어 초음파 속도와 강도 향상에 영향을주는 것으로 생각된다. 재령의 증가에 따른 AASC의사용목적과 용도에 적합한 적정 수준의 MgO의 치환율을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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