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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 기존의 AASC에 주로 사용되었던 활성화제와 비교하여 아직 활용이 미흡한 비규산계 강산염인 황산나트륨(Na2SO4)과 황산칼슘(CaSO4)을 가성알칼리계의 수산화나트륨(NaOH)에 혼합하여 AASC의 강도 특성을 알아보고자 한다. 또한, 본 연구에서는 Na2SO4과 CaSO4을 각각 단독으로 사용한 경우와 NaOH 수용액에 혼합하여 사용한 경우에 대한 비교 분석을 통하여 AASC에 NaOH 사용의 효과와 혼합 활성화제의 효과에 대한 기초연구자료를 제공하고자 한다.
- )을 가성알칼리계의 수산화나트륨(NaOH)에 혼합하여 AASC의 강도 특성을 알아보고자 한다. 또한, 본 연구에서는 Na2SO4과 CaSO4을 각각 단독으로 사용한 경우와 NaOH 수용액에 혼합하여 사용한 경우에 대한 비교 분석을 통하여 AASC에 NaOH 사용의 효과와 혼합 활성화제의 효과에 대한 기초연구자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 5 및 10%로 치환하여 컨트롤(control) 배합으로 하였다(Table 2). 4가지의 컨트롤 배합에서 2M 및 4M의 NaOH 용액을 물 대신에 배합수로 사용하여 배합을 하였다. 총 24가지의 배합조건을 적용하여 시험체를 제작하였다.
- UPV는 2개 시험체 측정값의 평균값을 사용하였다. UPV의 측정값은 한 개의 시험체에 대해 첫 측정시 발진자를 시험체의 왼쪽면에 수신자를 오른쪽면에 접촉하여 측정하고, 발진자와 수신자의 위치를 서로 바꾸어서 측정하여 그 평균값을 해당 시험체의 UPV 값으로 하였다. UPV는 황산염계 활성화제를 단독으로 사용한 경우보다 NaOH에 혼합되어 사용된 경우가 상대적으로 높은 UPV를 나타내고 있었다.
- 2)에 적용하였다. XRD 분석은 압축강도 시험 후 파쇄된 시편 조각을 미분쇄하여 수화 정지를 시킨 다음 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 8에 나타내었다. XRD 패턴에서 반응생성물들의 대표적 피크에 대해서만 표기하여 나타내었다.
- 24시간 후 몰드를 제거하고 온도 23±2°C, 상대습도(RH) 75±5%의 항온항습기에서 측정 재령일까지 보관하였다. 경화된 시험체에 대해 압축강도, 휨강도, 초음파속도(ultrasonic pulse velosity, UPV), 흡수율 및 X선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)을 실시하였다.
- 5로 하여 페이스트(paste)로 제작되었다. 먼저, Na2 SO4 및 CaSO4의 각각의 활성화제를 결합재(GGBFS) 중량의 2.5, 5.0, 7.5 및 10%로 치환하여 컨트롤(control) 배합으로 하였다(Table 2). 4가지의 컨트롤 배합에서 2M 및 4M의 NaOH 용액을 물 대신에 배합수로 사용하여 배합을 하였다.
- 본 연구에서는 경화된 시험체에 대해서 재령 28일에 대한 휨강도를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 휨강도는 Figs.
- 초음파속도(UPV)는 여러 연구자들에 의해 콘크리트의 내부 상태를 개략적이고 간편하게 추정하는데 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 재령 28일 시험체에 대해 UPV를 측정하였으며, Fig. 4에 그 결과를 나타내었다. UPV는 2개 시험체 측정값의 평균값을 사용하였다.
- 본 연구에서는 재령 28일 시험체에 대해 흡수율을 측정하였으며, 측정값은 2개 시험체의 평균값으로 나타내었다. Fig.
- 본 연구에서는 재령 28일에 대한 강도 시험결과에서 최고 강도를 나타낸 시험체에 대해서 X선 회절분석(XRD)을 실시하였는데, CS 활성화제를 사용한 경우는 7.5% CS, 2M NaOH + 5.0% CS, 4M NaOH + 5.0% CS의 시험체(Fig. 1)에 그리고 SS 활성화제를 사용한 경우는 10% SS, 2M NaOH + 7.5% SS, 4M NaOH + 2.5% SS 시험체(Fig. 2)에 적용하였다. XRD 분석은 압축강도 시험 후 파쇄된 시편 조각을 미분쇄하여 수화 정지를 시킨 다음 실시하였으며, 그 결과는 Fig.
- 본 연구에서는 재령 3, 7 및 28일에 대해 압축강도를 측정하였으며, 각 측정값은 3개의 시험체에 대한 평균값을 나타내었다. 각 재령에 대한 압축강도는 Figs.
- 총 24가지의 배합조건을 적용하여 시험체를 제작하였다. 사용된 NaOH의 농도는 기존의 연구결과와 예비실험을 통해 본 연구의 목적에 적합하다고 판단되는 2M과 4M로 결정하여 적용하였다. NaOH 수용액은 실험실내 실온에서 약 6시간 정치한 뒤 배합에 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 GGBFS은 포항의 K사 제품을 사용하였으며, X-ray fluorescence(XRF) 분석을 통한 화학적 구성성분 및 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다. Table 1의 GGBFS 구성성분을 통해 GGBFS의 염기도(basicity) Kb =(CaO+MgO) / (SiO2+Al2O3)가 0.
- 시험체는 물-결합재 비(W/B)를 0.5로 하여 페이스트(paste)로 제작되었다. 먼저, Na2 SO4 및 CaSO4의 각각의 활성화제를 결합재(GGBFS) 중량의 2.
- 제작된 시험체의 압축강도는 50×50×50 ㎣의 정육면체 몰드를 사용하였고, 휨강도는 40×40×160 ㎣의 몰드를 사용하였다.
- 4가지의 컨트롤 배합에서 2M 및 4M의 NaOH 용액을 물 대신에 배합수로 사용하여 배합을 하였다. 총 24가지의 배합조건을 적용하여 시험체를 제작하였다. 사용된 NaOH의 농도는 기존의 연구결과와 예비실험을 통해 본 연구의 목적에 적합하다고 판단되는 2M과 4M로 결정하여 적용하였다.
- 활성화제는 국내 S사의 제품의 Na2SO4, CaSO4 및 NaOH(purity > 98 %)를 사용하였다.
데이터처리
- 4에 그 결과를 나타내었다. UPV는 2개 시험체 측정값의 평균값을 사용하였다. UPV의 측정값은 한 개의 시험체에 대해 첫 측정시 발진자를 시험체의 왼쪽면에 수신자를 오른쪽면에 접촉하여 측정하고, 발진자와 수신자의 위치를 서로 바꾸어서 측정하여 그 평균값을 해당 시험체의 UPV 값으로 하였다.
이론/모형
- 시험체는 KS L 5109 방법에 따라 배합 후 몰드에 타설하고 온도 23±2°C, 상대습도(RH) 75±5%의 항온항습기에 보관하였다.
성능/효과
- 1) 황산칼슘(calcium sulfate; CS)과 황산나트륨(sodium sulfate; SS)을 단독 활성화제로 사용한 경우보다 NaOH와 혼합 사용한 경우에 강도향상 효과가 더욱 큰 것으로 나타났다. 따라서 고알칼리 수용액 환경에서 황산염은 GGBFS의 수화 반응을 촉진하여 강도향상을 유도하는 것으로 판단된다.
- 2) 시험체의 개략적인 내부구조 특성은 초음파속도(UPV)와 흡수율을 측정 결과를 통해 알 수 있었다. 초음파속도가 증가하고 흡수율이 낮은 치밀한 조직은 높은 강도를 나타낸 시험체에서 나타났다.
- CS 또는 SS를 단독 활성화제로 사용한 경우 치환율이 증가함에 따라 흡수율이 감소하고 있었다. 2M NaOH 수용액에 CS를 혼합 사용한 경우(2M NaOH + CS)는 2.5% CS 치환율에서 2.3% 정도의 흡수율을 나타냈으며, 5.0% CS 치환율에서는 1.4% 정도의 흡수율로 감소한 다음 7.5% CS 치환율부터는 다시 조금씩 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만 4M NaOH 수용액에 CS를 혼합 사용한 경우(4M NaOH + CS)는 CS 치환율에 따라 비슷한 흡수율을 나타내고 있었다.
- 하지만 4M NaOH 수용액에 CS를 혼합 사용한 경우(4M NaOH + CS)는 CS 치환율에 따라 비슷한 흡수율을 나타내고 있었다. 2M NaOH 수용액에 SS를 혼합 사용한 경우(2M NaOH + SS)에 흡수율은 SS의 치환율에 상관없이 비슷한 흡수율 값을 나타내고 있었고, 4M NaOH 수용액에 SS를 혼합 사용한 경우(4M NaOH + SS)에는 SS의 치환율이 증가함에 따라 흡수율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히, 4M NaOH + 7.
- 3) XRD 분석을 통해 황산염과 NaOH 혼합 활성화제를 사용한 시험체 내의 반응생성물질은 주로 ettringite, CSH 및 silicate계 수화물인 것으로 나타났다.
- 4) 황산염과 NaOH의 혼합 사용은 황산염의 단독 사용의 경우와 비교하여 일정 수준의 농도범위에서 강도를 향상시키고 조직을 치밀화시키는 등의 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 본 연구결과를 바탕으로 황산염의 종류와 혼합되는 강알칼리 활성화제의 혼합 농도 등의 추가적인 연구가 가능할 것으로 판단된다.
- 4로부터 UPV의 측정결과에서도 전술한 강도 결과와 유사한 경향을 나타내고 있었다. CS 활성화제 경우는 CS, 2M NaOH + CS, 4M NaOH + CS에 대해 각각 7.5, 5.0 및 5.0%의 치환율에서 높은 UPV가 측정되었고, SS 활성화제의 경우는 SS, 2M NaOH + SS, 4M NaOH + SS에 대해 각각 10.0, 7.5 및 2.5%에서 높은 UPV를 나타내었다.
- 1 및 2의 압축강도 경향과 유사한 경향을 나타내고 있다. CS 활성화제 경우는 CS, 2M NaOH + CS, 4M NaOH + CS에 대해 최고 휨강도는 각각 7.5, 5.0 및 5.0%의 치환율에서 나타났으며, SS 활성화제의 경우는 SS, 2M NaOH + SS, 4M NaOH + SS에 대해 각각 10.0, 7.5 및 2.5%에서 나타났다. 최 고 휨강도를 나타내는 치환율과 최고 압축강도를 나타내는 치환율이 일치함을 알 수 있었다.
- 1 및 2와 같다. CaSO4(calcium sulfate, 이하 CS)로 치환된 시험체의 경우, CS가 단독 활성화제로 사용된 시험체는 GGBFS 중량에 대해 7.5%로 치환된 시험체의 강도가 29.8 MPa로 가장 높게 나타났다. 2M 및 4M NaOH를 CS와 혼합한 시험체에 대해서는 두 경우(2M NaOH + CS, 4M NaOH + CS) 모두 CS가 5%로 치환된 시험체에서 각각 33.
- UPV와 흡수율 결과를 살펴보면 황산염계를 단독 활성화제로 사용한 경우와 비교하여 황산염계와 NaOH 수용액의 혼합은 활성화 반응 증대와 반응 생성물질들의 생성을 촉진함으로써 치밀한 AASC 페이스트 조직을 만드는 것으로 판단된다. 압축강도 경향과 마찬가지로 흡수율과 UPV의 향상에 영향을 미치는 황산염계의 최적 치환범위가 존재할 것으로 판단된다.
- XRD 분석결과, CS를 단독 또는 NaOH 수용액에 혼합하여 제작된 시험체 내에서는 ettringite, CSH, sodium sulfate hydrate, calcium silicate, calcium sulfate 및 calcium aluminum silicate 등의 반응물들이 생성된 것을 알 수 있었다(Fig. 8(a)).
- UPV의 속도 증가는 AASC 페이스트의 내부 구조가 치밀해짐에 따른 것으로 생각할 수 있다. 따라서 황산염을 단독 활성화제로 사용한 시험체 보다 황산염을 NaOH 수용액에 혼합하여 사용된 시험체가 반응 생성물질에 의해 상대적으로 AASC 페이스트 내부 조직을 더 치밀하게 만드는 것으로 판단된다.
- 0% 치환율에서는 2M NaOH 수용액에 혼합된 경우보다 강도가 저하된 것으로 나타났다. 따라서, SS는 NaOH를 혼합한 수용액 환경에서 CS보다 높은 해리성을 나타내어 반응생성물질 형성을 촉진하고 강도향상에도 CS보다 효과적인 것으로 판단된다. 재령 28일 강도를 비교하면 SS를 단독 활성화제로 사용한 경우의 최고 강도보다 2M 및 4M의 NaOH에각각 혼합된 경우 14.
- CS와 SS 모두 단독 활성화제로 사용한 경우의 강도 결과는 기존 연구결과들과 유사한 경향을 나타내고 있었다. 본 연구에서 고려한 황산염계와 NaOH의 혼합 활성화제 영향은 CS 와 SS의 단독 활성화제로 사용한 경우보다 강도 향상효과가 증가하는 것을 알 수 있었다.
- (2015)는 CS와 SS를 혼합한 하이볼륨(high-volume) 슬래그 시멘트에서 두 종류의 황산염 모두 치환량이 증가함에 따라 강도가 감소하는 것으로 보고하고 있다. 본 연구에서는 황산염계 활성화제를 NaOH 수용액과 혼합하면 CS를 단독 활성화제로 사용했을 때보다 적은 양의 CS만으로 강도 증진 효과가 나타났고, 강도의 최고 값도 커지는 것을 알 수 있었다. 이는 NaOH 수용액의 혼합에 의해 배합수가 강알칼리 환경으로 바뀌고, 강알칼리 환경의 배합수에서 일부 CS의 Ca2+ 이온 해리를 가속화시키고, 해리된 Ca2+ 이온은 CSH 또는 ettringite 등의 반응 생성물질을 형성하여 강도 향상에 영향을 미치는 것으로 생각된다.
- 그러나 일정비율 이상의 황산염의 혼합은 강도저하를 유발하므로 강도 향상에 영향을 주는 적정 수준의 혼합비율이 존재할 것으로 생각된다. 본 연구의 범위에서 강도향상에 긍정적인 효과를 주는 황산염의 혼합 범위는 황산칼슘의 경우는 단독 사용시 7.5%, 2M 또는 4M NaOH와 혼합 사용시는 5.0%이고, 황산나트륨의 경우 단독 사용시는 10.0%, 2M NaOH에서는 7.5%, 4M NaOH에서는 2.5%의 범위였다.
- 5는 재령 28일에서의 압축강도와 UPV의 상관관계를 나타낸 것이다. 재령 28일 압축강도와 UPV는 두 종류의 황산염(CS 및 SS)과 2M 및 4M NaOH 수용액의 혼합을 고려하여 나타낸 관계는 선형관계로 나타났다. 이는 압축강도의 증가는 AASC 페이스트 내부조직의 치밀화에 의한 UPV의 증가로 강도향상을 설명할 수 있는 요인 중 하나로 판단된다.
- 5%에서 나타났다. 최 고 휨강도를 나타내는 치환율과 최고 압축강도를 나타내는 치환율이 일치함을 알 수 있었다.
- 2M NaOH 수용액에 SS를 혼합 사용한 경우(2M NaOH + SS)에 흡수율은 SS의 치환율에 상관없이 비슷한 흡수율 값을 나타내고 있었고, 4M NaOH 수용액에 SS를 혼합 사용한 경우(4M NaOH + SS)에는 SS의 치환율이 증가함에 따라 흡수율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히, 4M NaOH + 7.5% SS 치환율과 4M NaOH + 10.0% SS 치환율의 경우는 오히려 SS를 단독으로 사용한 경우보다 흡수율이 높은 것을 알 수 있었다. SS 활성화제의 경우 치환율이 높아짐에 따라 과도한 SO42-에 의해 수화되지 못하는 GGBFS 입자가 증가하고, 이는 조직의 일부를 치밀하게 만들지 못하고 불안정한 구조를 생성하여 외부에서 공급되는 수분에 의해 조직의 일부가 붕괴되어 공극이 증가한 때문으로 판단된다.
- 최근 국내외 시멘트에 대한 연구 분야에서 알칼리 활성화 슬래그 시멘트(alkali-activated slag cement, AASC)는 기존 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)를 대체할 수 있는 차세대 친환경 시멘트로 주목받고 있다. 현재까지의 연구결과들을 통해 AASC는 고로슬래그미분말(ground granulated blast furnace slag, GGBFS)의 성분, 분말도, 활성화제의 종류와 농도, 배합방법과 시간, 양생방법 및 혼화제 등에 따라 다양한 결과가 나타남을 알 수 있다. 하지만 아직까지도 AASC의 반응 메커니즘 규명을 위해 많은 연구결과가 발표되고 있다(Pachco-Torgal et al.
후속연구
- 4) 황산염과 NaOH의 혼합 사용은 황산염의 단독 사용의 경우와 비교하여 일정 수준의 농도범위에서 강도를 향상시키고 조직을 치밀화시키는 등의 긍정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 본 연구결과를 바탕으로 황산염의 종류와 혼합되는 강알칼리 활성화제의 혼합 농도 등의 추가적인 연구가 가능할 것으로 판단된다.
- UPV와 흡수율 결과를 살펴보면 황산염계를 단독 활성화제로 사용한 경우와 비교하여 황산염계와 NaOH 수용액의 혼합은 활성화 반응 증대와 반응 생성물질들의 생성을 촉진함으로써 치밀한 AASC 페이스트 조직을 만드는 것으로 판단된다. 압축강도 경향과 마찬가지로 흡수율과 UPV의 향상에 영향을 미치는 황산염계의 최적 치환범위가 존재할 것으로 판단된다.
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