[논문]혼합 잔골재의 입자 크기에 따른 알칼리 활성화 슬래그 모르타르의 강도와 건조수축 특성

김태완

doi:10.4334/jkci.2015.27.3.273

혼합 잔골재의 입자 크기에 따른 알칼리 활성화 슬래그 모르타르의 강도와 건조수축 특성
The Strength and Drying Shrinkage Properties of Alkali-Activated Slag Mortars as the Particle Size of Blended Fine Aggregate 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.27 no.3, 2015년, pp.273 - 281

초록
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본 연구는 세 종류의 서로 다른 규사와 강모래의 조합이 알칼리-활성화 슬래그(AASC) 시멘트의 압축강도와 건조수축 특성에 주는 영향에 대한 것이다. 모래의 특성은 알칼리 활성화 시멘트의 특성에 중요한 영향을 미친다. 세 종류의 규사 (S1, S2 그리고 S3)와 강모래 (RS)를 사용하였다. 또한 세 종류의 혼합 모래에대해 실험을 수행하였다. 첫 번째 시리즈 (S1)는 강모래(RS)와 규사1 (SS1)을, 두 번째 시리즈 (S2)는 강모래(RS)와 규사2 (SS2)를, 세 번째 시리즈(S3)는 강모래 (RS)와 규사3 (SS3)을 서로 다른 비율로 혼합하였다. 그 결과 혼합 모래는 AASC 모르타르의 특성에 특이할만한 영향을 주는 것으로 나타났다. 모래의 입자크기와 혼합율의 관계에 따른 압축강도와 건조수축은 혼합된 모래의 조립률(FM)과 상대 표면적이 충분히 고려되어야 한다. 모래의 종류와 혼합비율은 AASC 모르타르의 배합 설계에 중요하게 고려되어야 할 요소이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the performance of alkali-activated slag cement (AASC) is assessed in terms of compressive strength and drying shrinkage, using three different types of silica sand and river sand. The sand type has an important influence on the properties of AASC mortar. Three silica sands (SS1, SS2 and SS3) and river sand (RS) were considered. Three series of blended sands have been tested. A first series (S1) with RS and SS1, a second series (S2) with RS and SS2 and third series (S3) with RS and SS3 with a different blended ratios. The result shows a very significant influence of the blended sand on the AASC mortar properties. The compressive strength and drying shrinkage related with the particle sizes and blended ratios of sands are investigated considering blended sand properties like fineness modulus (FM) and relative specific surface. The type and blended ratio of sand seems to have very significant and important consequences for the mix design of the AASC mortar.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 AASC에 대한 강도와 건조수축 메커니즘 규명과 특성 파악을 위한 기초연구로서, 잔골재의 입자 크기에 따른 AASC의 압축강도와 건조수축에 관한 영향을 살펴보고자 한다. 또한 잔골재의 입도에 따른 AASC의 건조수축과 강도의 관계를 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 AASC에 대한 강도와 건조수축 메커니즘 규명과 특성 파악을 위한 기초연구로서, 잔골재의 입자 크기에 따른 AASC의 압축강도와 건조수축에 관한 영향을 살펴보고자 한다. 또한 잔골재의 입도에 따른 AASC의 건조수축과 강도의 관계를 알아보고자 하였다.

가설 설정

23%이다. 표면적(surface area)은 강모래와 규사 입자가 모두 구형(spherical) 이라고 가정하고, 6/ρd_mean을 사용하여 계산 하였다¹²⁾. 여기서 ρ는 골재의 밀도이고, d_mean은 골재의 평균입경을 의미한다.

제안 방법

본 연구에서는 강모래와 3종류의 규사를 각각 혼합한 혼합 잔골재에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성을 살펴보기 위해 잔골재의 혼합을 평균입도비(dr)에 따라 3가지 시리즈로 구분하였다. 첫째, 강모래와 SS1 규사를 0~100%까지 10% 단위로 치환하는 S1 시리즈(dr=6.
실험을 위해 W/B는 0.50로 하고, 규사를 각각의 입자 크기별로 잔골재 중량의 0%에서 100%까지 10% 단위로 치환하였다. 모르타르 배합의 결합재와 모래의 중량비는 1 : 2이다.
잔골재의 입자 크기에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성을 살펴보기 위해 강모래와 3종류의 입자크기를 가지는 규사(silica sand)를 혼합하여 모르타르를 제작하였다.
본 연구에서는 강모래와 3종류의 규사를 각각 혼합한 혼합 잔골재에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성을 살펴보기 위해 잔골재의 혼합을 평균입도비(dr)에 따라 3가지 시리즈로 구분하였다. 첫째, 강모래와 SS1 규사를 0~100%까지 10% 단위로 치환하는 S1 시리즈(dr=6.818), 둘째는 강모래와 SS2 규사를 S1시리즈와 같은 비율로 치환하는 S2 시리즈(dr=3.363), 그리고 마지막으로 강모래와 SS3 규사를 동일 비율로 치환하는 S3 시리즈(dr=2.545)의 3가지로 구분하여 각각의 혼합 잔골재에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성을 살펴보고자 하였다.

대상 데이터

본 연구를 위해 사용한 고로슬래그 미분말은 포항의 K사 제품을 사용하였으며, XRF에 의한 성분 분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
잔골재는 강모래와 입도가 다른 3종류의 규사를 사용하였고, 규사는 물리-화학적 성질이 동일하도록 단일 채취장소에서 생산 가공된 제품을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 규사는 강원도에서 채취한 것으로 SiO₂가 97.12%로 구성되어 있고, 밀도는 0.0027 g/mm³, 흡수율은 0.23%이다. 표면적(surface area)은 강모래와 규사 입자가 모두 구형(spherical) 이라고 가정하고, 6/ρd_mean을 사용하여 계산 하였다¹²⁾.
실험에 사용된 알칼리 활성화제는 S사의 수산화나트륨(sodium hydroxide; NaOH, purity > 98%)이다. 활성화제의 첨가량은 결합재(binder) 중량의 2M와 4M의 두 가지 농도를 사용하였다.
잔골재는 강모래와 입도가 다른 3종류의 규사를 사용하였고, 규사는 물리-화학적 성질이 동일하도록 단일 채취장소에서 생산 가공된 제품을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 규사는 강원도에서 채취한 것으로 SiO₂가 97.

이론/모형

건조수축의 측정은 ASTM C490 규정에 의해 25×25×285mm 시험체를 제작하여 측정하였다. 건조수축의 측정은 ASTM C596에 제시된 방법을 따라 몰드에 타설 한 후 24시간 동안 23±2°C, 습도 75±5%의 항온항습기에 보관한다.
활성화제를 배합수에 해당 농도만큼 투입 후 잘 저은 다음, 6시간 정도 실내에 방치한 후 사용하였다. 배합은 KS L 5109에 따라 배합하였다. 배합 후 온도 23±2°C, 상대습도 75±5%의 항온항습기에 24시간 동안 보관 후 몰드를 제거한 다음 온도 23±2°C, 상대습도 75±5%의 항온항습기에 측정 재령일까지 보관하였다.
4는 혼합 잔골재의 압축강도 특성에 대한 결과를 나타내고 있다. 압축강도는 KS L5105 규정에 따라 측정하였으며, 3개의 시험체를 측정하여 그 평균값을 사용하였다.
3은 혼합 잔골재의 플로우 측정 결과이다. 플로우는 KS L 5111의 규정에 따라 시험하였다. 활성화제의 농도가 증가하면 상대적으로 플로우가 감소하는 것이 관찰되었다.

성능/효과

1) 강모래와 혼합하는 규사의 크기와 치환율에 따라 조립률(FM)과 표면적(surface area)등이 변화하고 이러한 물리적 특성의 변화는 AAC 모르타르의 초기 유동성, 압축강도 그리고 건조수축에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
2) 활성화제의 농도가 2M인 경우, 세 가지 시리즈에서 발생한 최고강도는 조립률이 2.4~3.5, 표면적인 2.3~3.6 m²/kg이고, 4M일 때는 조립률이 2.8~3.5, 표면적인 2.4~3.3 m²/kg의 범위에서 발생하였다. 따라서 혼합 잔골재의 조립률과 표면적이 특정 범위에 있을 때 최고강도가 발생하고 있음을 알 수 있었다.
3) 입도가 다른 잔골재를 혼합한 혼합잔골재의 특정 조립률과 표면적의 범위내에서 AASC의 압축강도가 향상되는 것을 알 수 있었다. 따라서 두 종류의 서로 다른 입도를 가지는 잔골재를 적정 범위의 조립률과 표면적이 되도록 조절하면 충분한 강도향상을 만들 수 있다고 생각된다.
4) 혼합잔골재의 사용하여 AASC 시험체의 건조수축이 전반적으로 감소하고 있음을 알 수 있었다. 3종류의 규사 모두, 강모래에 대한 치환율이 증가함에 따라 건조수축이 감소하는 결과를 가져왔다. 따라서 기존의 선행 연구에서 나타난 다양한 건조수축 저감방법과 함께 본 연구에서 사용한 입자의 크기가 다른 잔골재를 혼합하여 건조수축을 감소시키는 방법도 효과적인 것으로 판단된다.
4) 혼합잔골재의 사용하여 AASC 시험체의 건조수축이 전반적으로 감소하고 있음을 알 수 있었다. 3종류의 규사 모두, 강모래에 대한 치환율이 증가함에 따라 건조수축이 감소하는 결과를 가져왔다.
5) 그러나 건조수축의 감소를 위해서는 평균입경비(dr)가 커야하고 또한 규사의 치환율도 높아야 하는데, 강도 특성은 규사의 치환율이 특정 범위일 때 최고강도가 발생하고 있다. 따라서 건조수축과 강도에 대한 중요성을 고려하여 적절한 범위의 규사 치환율을 선정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
9의 그래프에서 나타난바와 같이, 조립률은 증가하고 표면적은 감소할수록 건조수축이 감소하는 경향을 나타내는 것을 볼 수 있었다. 따라서 건조수축의 영향을 고려하기 위해서는 잔골재 가능한 범위 내에서 조립률을 크게 하고, 표면적은 작게 하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
3종류의 규사 모두, 강모래에 대한 치환율이 증가함에 따라 건조수축이 감소하는 결과를 가져왔다. 따라서 기존의 선행 연구에서 나타난 다양한 건조수축 저감방법과 함께 본 연구에서 사용한 입자의 크기가 다른 잔골재를 혼합하여 건조수축을 감소시키는 방법도 효과적인 것으로 판단된다.
3) 입도가 다른 잔골재를 혼합한 혼합잔골재의 특정 조립률과 표면적의 범위내에서 AASC의 압축강도가 향상되는 것을 알 수 있었다. 따라서 두 종류의 서로 다른 입도를 가지는 잔골재를 적정 범위의 조립률과 표면적이 되도록 조절하면 충분한 강도향상을 만들 수 있다고 생각된다.
3 m²/kg의 범위에서 발생하였다. 따라서 혼합 잔골재의 조립률과 표면적이 특정 범위에 있을 때 최고강도가 발생하고 있음을 알 수 있었다.
혼합잔골재를 통해 압축강도 향상과 건조수축의 저감이 적정수준 조절될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구결과를 바탕으로 추후 다양한 인자를 고려한 연구결과와 함께 체계적인 분석이 더 이루어진다면 AASC의 건조수축과 강도에 영향을 미치는 혼합잔골재에 대한 세부적인 사항이 밝혀질 것으로 판단된다.

후속연구

5) 그러나 건조수축의 감소를 위해서는 평균입경비(dr)가 커야하고 또한 규사의 치환율도 높아야 하는데, 강도 특성은 규사의 치환율이 특정 범위일 때 최고강도가 발생하고 있다. 따라서 건조수축과 강도에 대한 중요성을 고려하여 적절한 범위의 규사 치환율을 선정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
그러나 OPC계 모르타르와 다르게 AASC 모르타르는 활성화제의 농도에 따라 잔골재와 페이스트 간의 부착력 등에 영향을 미치고 이에 따라 강도와 건조수축 특성이 다르게 나타나는 것으로 판단된다. 따라서 잔골재의 특성과 함께 활성화제의 농도도 AASC 모르타르의 특성에 중요한 요인으로 고려되어야 할 것으로 판단된다.
혼합잔골재를 통해 압축강도 향상과 건조수축의 저감이 적정수준 조절될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구결과를 바탕으로 추후 다양한 인자를 고려한 연구결과와 함께 체계적인 분석이 더 이루어진다면 AASC의 건조수축과 강도에 영향을 미치는 혼합잔골재에 대한 세부적인 사항이 밝혀질 것으로 판단된다.
특히 활성화제의 농도에 관계없이 선형적인 상관관계가 나타나고 있다. 조립률과 표면적과의 상관관계를 통해 AASC의 배합에서 적정 수준의 높은 강도를 얻기 위해서는 배합전 사용될 잔골재의 조립률과 표면적 사이의 상관관계를 파악하고 적절한 조절이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 많은 연구가 진행되고 있는 알칼리 활성화 시멘트의 인식은?	최근 국내외적으로 많은 연구가 진행되고 있는 알칼리 활성화 시멘트(alkali-activated cement; AAC)는 기존의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement; OPC)를 대체할 수 있는 시멘트 중 하나로 인식되고 있다. 특히, 고로 슬래그 미분말을 활성화 반응의 주요 재료로 하는 알칼리 활성화 슬래그 시멘트(alkali-activated slag cement; AASC)는 산업부산물의 재활용과 환경부하 저감 등의 특성에 의해 친환경 콘크리트의 개념으로 소개되어 많은 연구가 이루어지고 있다.
	알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 장단점은?	특히, 고로 슬래그 미분말을 활성화 반응의 주요 재료로 하는 알칼리 활성화 슬래그 시멘트(alkali-activated slag cement; AASC)는 산업부산물의 재활용과 환경부하 저감 등의 특성에 의해 친환경 콘크리트의 개념으로 소개되어 많은 연구가 이루어지고 있다. AASC는 높은 초기강도, 높은 내구성 등의 장점을 나타내지만 급격한 유동성의 저하 또는 빠른 초기 응결과 OPC 보다 큰 건조수축(drying shrinkage) 등의 단점도 존재하고 있다. 이러한 단점들을 해결하기 위해 국내외 여러 학자들은 다양한 실험을 통해 그 원인과 대책에 대해 연구하고 있다.
	알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성은?	최근 국내외적으로 많은 연구가 진행되고 있는 알칼리 활성화 시멘트(alkali-activated cement; AAC)는 기존의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement; OPC)를 대체할 수 있는 시멘트 중 하나로 인식되고 있다. 특히, 고로 슬래그 미분말을 활성화 반응의 주요 재료로 하는 알칼리 활성화 슬래그 시멘트(alkali-activated slag cement; AASC)는 산업부산물의 재활용과 환경부하 저감 등의 특성에 의해 친환경 콘크리트의 개념으로 소개되어 많은 연구가 이루어지고 있다. AASC는 높은 초기강도, 높은 내구성 등의 장점을 나타내지만 급격한 유동성의 저하 또는 빠른 초기 응결과 OPC 보다 큰 건조수축(drying shrinkage) 등의 단점도 존재하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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