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문제 정의
- 따라서 본 연구는 기존의 연구결과들을 바탕으로 GGBFS-FA-SF의 삼성분계 결합재를 활성화재로 활성화한 AAC에 KA를 일부 치환함으로써 그 활용 가능성을 검토하고자 하였다. KA를 일부 치환한 GGBFSFA-SF-KA 시험체의 특성 중 기초적인 강도와 건조수축에 관한 연구를 수행하였다.
- 그러나 상대적으로 별도의 소성처리과정을 거치지 않은 KA를 시멘트(OPC) 또는 AAC의 재료로 사용하는 연구는 아직까지 드문 실정이다. 따라서 본 연구는 기존의 연구결과들을 바탕으로 GGBFS-FA-SF의 삼성분계 결합재를 활성화재로 활성화한 AAC에 KA를 일부 치환함으로써 그 활용 가능성을 검토하고자 하였다. KA를 일부 치환한 GGBFSFA-SF-KA 시험체의 특성 중 기초적인 강도와 건조수축에 관한 연구를 수행하였다.
- 본 연구는 GGBFS-FA-SF를 혼합한 결합재를 기반으로 하는 AAC에 다양한 치환율을 가지는 카올린(kaolinite; KA)을 혼합한 다성분계 AAC에 대한 기초특성을 살펴보고자 한다. 지금까지의 AAC 연구결과들을 살펴보면 KA를 AAC의 주요 결합재로 사용한 연구는 드물었다.
- 본 연구는 KA의 치환에 따른 GGBFS-FA-SF 혼합 AAC의 강도와 건조수축 특성에 관한 실험이다. 시험체의 자세한 배합비는 Table 2에 나타내었다.
제안 방법
- 이는 별도의 소성과정 등의 전처리를 거치지 않은 KA의 낮은 활성화도에 의해 다른 결합재의 수화 반응에 거의 영향을 미치지 않기 때문이다.3) GGBFS-FA-SF 와 KA의 치환율에 따른 강도와의 관계를 살펴보기 위해 추가적인 강도 특성에 대한 분석을 수행하였다.
- 시험체의 자세한 배합비는 Table 2에 나타내었다. AAC 페이스트의 물-결합재 비(W/B)는 0.50이고 KA의 비율을 50%에서 10%까지 10% 단위로 치환하였으며, KA 치환율에 따라 GGBFA와 FA의 치환율을 변화시켰다. 또한 선행 다성분계 연구결과를 참고로 하여 모든 배합에 대해 SF 치환율은 10%로 고정 하였다.
- 50이고 KA의 비율을 50%에서 10%까지 10% 단위로 치환하였으며, KA 치환율에 따라 GGBFA와 FA의 치환율을 변화시켰다. 또한 선행 다성분계 연구결과를 참고로 하여 모든 배합에 대해 SF 치환율은 10%로 고정 하였다. 모든 배합은 시험체의 제작 및 재료분리 등을 고려하여 유동성은 180 ± 10 mm로 유지하기 위해 적정 수준의 고성능 유동화제를 사용하였다.
- 모든 배합은 시험체의 제작 및 재료분리 등을 고려하여 유동성은 180 ± 10 mm로 유지하기 위해 적정 수준의 고성능 유동화제를 사용하였다.
- 수화생성물 분석을 위해서는 XRD(X-ray diffeaction) 분석을 하였고, XRD는 압축강도 측정 후 파쇄된 시험체를 아세톤에 침지시켜 수화정지 시킨 후 분쇄하여 No. 200체를 통과하는 시료를 사용하여 분석하였다.
- 흡수율 시험은 KS F 2518 방법에 따라 재령 28일 시험체에 대해 수행하였다. 초음파속도(ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQ CCT-4를 사용하여 재령 28일 시험체에 대해 측정하였다. 측정은 시험체에 대해 수신자와 발진자를 좌우 교대로 측정한 값의 평균값으로 하고, 3개의 동일 배합의 시험체에 대해 측정한 UPV 값의 평균값을 사용하였다.
대상 데이터
- GGBFS는 국내 K사에서, FA는 G사에서, KA는 국내 C사에서 구입하였다. 각 재료는 XRD 분석을 통해 구성성분을 Table 1에 나타내었다.
- KA는 평균입경 5 μm의 분말성상이다. 알칼리 활성화제는 수산화나트륨(sodium hydroxide; NaOH, purity ≧ 98%)과 규산나트륨(sodium silicate; Na2SiO3 )을 사용하였고, 두 가지 모두 국내 S사 제품이다. 활성화제 농도는 기존의 선행 AASC 관련 연구들과 예비실험을 통해 본 연구의 목적에 적합하다고 판단되는 범위로 결합재(binder; GGBFS+FA+SF+KA) 중량의 10%로 하였다.
- 압축강도 시험은 50 mm × 50 mm × 50 mm 몰드를 사용하였고, 건조수축은 40 mm × 40 mm ×160 mm 몰드를 사용하였다.
데이터처리
- 초음파속도(ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQ CCT-4를 사용하여 재령 28일 시험체에 대해 측정하였다. 측정은 시험체에 대해 수신자와 발진자를 좌우 교대로 측정한 값의 평균값으로 하고, 3개의 동일 배합의 시험체에 대해 측정한 UPV 값의 평균값을 사용하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였고 길이변화는 재령 91일까지 측정하였다.
이론/모형
- 예를 들어 S2F2K5는 GGBFS 가 20%, FA가 20% 그리고 KA가 50%인 배합을 의미한다(모든 배합에 SF는 10%가 치환되어 있다). 각각의 배합비율에 따라 재료를 준비하고 KS L 5109에 따라 혼합하였다. 혼합 후 24h 동안 상대습도(relative humidity; RH) 85±5%, 온도 23 ± 2°C의 항온항습기에 보관하였다.
- 측정은 시험체에 대해 수신자와 발진자를 좌우 교대로 측정한 값의 평균값으로 하고, 3개의 동일 배합의 시험체에 대해 측정한 UPV 값의 평균값을 사용하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였고 길이변화는 재령 91일까지 측정하였다.
- 압축강도 시험은 50 mm × 50 mm × 50 mm 몰드를 사용하였고, 건조수축은 40 mm × 40 mm ×160 mm 몰드를 사용하였다. 흡수율 시험은 KS F 2518 방법에 따라 재령 28일 시험체에 대해 수행하였다. 초음파속도(ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQ CCT-4를 사용하여 재령 28일 시험체에 대해 측정하였다.
성능/효과
- 즉, FA 10% 치환 시험체의 경우(Fig. 2(a)), GGBFS 치환율이 30%(S3)에서 70%(S7)까지 증가할 때, KA는 50%(K5)에서 10%(K1)까지 감소함에 따라 모든 재령에 서의 강도가 점차 증가하고 있다. 이러한 강도 증가 현상은 20% FA(Fig.
- Fig. 4(a)에서 반응성이 낮은 FA와 KA의 강도 특성은 KA/FA관계를 볼 때 활성화 반응에 의한 수화생성물질 형성으로 강도 향상에 기여하는 것보다 충진효과(filler effect)가 큰 것으로 판단된다. Fig.
- 1) KA의 치환율에 따른 강도 특성은 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라(FA치환율이 감소함에 따라) 강도가 증가 되고 있었다. 이는 FA보다 상대적으로 활성화 정도가 높은 GGBFS 때문이며, KA를 혼합한 다성분계 시멘트의 경우 충분한 GGBFS의 치환율이 확보 되어야 할 것으로 판단된다.
- 10) 따라서 KA 치환에 따른 낮은 수준의 강도 향상은 KA의 수화반응으로 생성된 반응생성물질 때문에 조직이 치밀해진 것보다는 단순한 충진효과(filler effect)에 의한 것이다.13) KA를 NaOH 와 KOH를 활성화제로 사용한 지오폴리머 시험에서 소성처리를 하지 않은 KA는 알칼리 용액과 전혀 반응하지 않는다는 결과가 있었다.3) 또한 10% KA 치환율 시험체를 살펴보면 GGBFS와 FA의 치환양이 상대적으로 많아 KA가 거의 나타나지 않고 있다.
- 또한 KA의 치환율이 증가함에 따라 미반응 KA의 양도 증가하고 이는 KA가 흡수한 배합수의 양도 증가하게 되어 흡수율이 증가하였다.15) 동일한 KA 치환율에 대해 살펴보면 GGBFS의 치환율이 FA 치환율보다 클수록 흡수율이 감소하고 있다. 이는 GGBFS가 FA보다 상대적으로 활성화 반응이 높아 반응생성물질의 생성과 이에 따라 조직을 치밀하게 만들기 때문으로 판단된다.
- 지금까지의 국내외 연구결과를 보면 시험체 내부의 공극률, 공극의 크기와 분포 등이 건조수축에 영향을 미친다고 하였다.15-16) UPV와 흡수율의 결과를 통해 볼 때 전반적으로 KA의 치환율이 감소할수록 시험체 내부의 공극 또는 균열과 같은 결함이 상대적으로 감소함에 따라 건조수축이 감소하는 경향을 보이고 있다. 그러나 40% GGBFS 치환율보다 낮은 GGBFS 치환율의 시험체에서는 건조수축이 증가하고 있다.
- 2) 수분 흡수율과 건조수축의 결과에서 KA의 치환율이 증가함에 따라 흡수율이 커지고, 건조수축도 증가하는 결과를 나타내었다. 이는 KA의 입자구조가 육각의 판형으로 이루어진 층상구조로 되어 있어 층 사이에 수분을 함유할 수 있는 구조가 상대적으로 높은 흡수율과 건조수축에 영향을 미친 것으로 생각된다.
- GGBFS 50% 시험체의 경우(Fig. 3(d)) KA 치환율이 30%(S5F1K3)에서 10%(S5F3K1)로 감소함에 따라 강도도 점차 감소하고 있는데, 강도 감소율이 아주 완만한 선형으로 나타나고 있다. 다른 GGBFS 치환율에서도 유사한 경향을 보인다.
- 3(a))에서 50%(Fig. 3(d))까지 증가할 때, FA 치환율이 증가하고 KA 치환율 감소함에 따라 강도가 감소하고 있다. 특히 GGBFS의 치환율이 20%인 시험체들(Fig.
- 3) XRD 분석결과 반응 생성물은 KA의 치환율이 증가함에 따라 미반응 KA가 검출되었다. 또한 GGBFA의 치환율이 증가함에 따라 calcite/CSH가 증가하였다.
- 13) KA를 NaOH 와 KOH를 활성화제로 사용한 지오폴리머 시험에서 소성처리를 하지 않은 KA는 알칼리 용액과 전혀 반응하지 않는다는 결과가 있었다.3) 또한 10% KA 치환율 시험체를 살펴보면 GGBFS와 FA의 치환양이 상대적으로 많아 KA가 거의 나타나지 않고 있다.
- KA/GGBFS 비와 강도와의 관계를 보면(Fig. 4(b)), 각각의 KA 치환율에 대해서 KA/GGBFS 비가 증가함에 따라 강도가 감소하였다. KA 10% 치환 시험체의 경우 KA/GGBFS 비의 증가에 따른 강도 감소가 가파르게 감소하였고, KA의 치환율이 40%로 증가할수록 KA/GGBFS 비의 증가에 따른 강도 감소경향이 완만해지고 있다.
- FA/GGBFS 비와 강도와의 관계에서는(Fig. 4(c)) KA의 치환율이 10%에서 40%로 변화함에 따라 FA/GGBFS 비와 강도는 선형적으로 감소하는 경향을 보인다. 또한 KA의 치환율에 관계없이 강도 감소를 의미하는 직선의 기울기와 각 직선간의 간격이 서로 비슷하게 나타났다.
- 4) 본 연구의 배합범위와 결과로 살펴볼 때 소성처리를 하지 않은 KA를 사용한 다성분계 시멘트에서는 KA의 치환범위를 10% 이하로 낮게 하거나, 상대적으로 수화반응이 높은 GGBFS의 치환율을 높이는 방법이 필요하다.
- 8은 10%, 30% 그리고 50% KA를 치환한 시험체들 중일부에 대한 XRD 결과를 나타낸 것이다. 70% GGBFS를 치환한 S7F1K1에서 20% GGBFS를 치환한 S2F6K1까지 GGBFS 의 치환율이 감소함에 따라 calcite/CSH 피크가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 FA 보다 상대적으로 Ca를 다량 함유한 GGBFA의 치환율이 증가함에 따라 calcite/CSH가 증가하는 것으로 생각된다.
- Fig. 1에서 Fig. 4까지의 강도결과들을 통해 알칼리 활성화된 GGBFS-FA-SF 결합재에 KA를 일부 치환한 시험체의 강도는 FA/GGBFS 비가 감소하고, KA 치환율이 낮을 때 높은 강도가 나타났다. 이는 GGBFS가 상대적으로 FA 보다 활성화 효과가 높아 강도 향상에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 따라서 GGBFS 치환율이 낮아질 때 FA와 KA의 치환율이 높아지는데, FA와 KA는 GGBFS보다 상대적으로 느린 수화반응으로 인해 강도증가가 미미한 것으로 판단된다. Fig. 3의 결과들에서, GGBFS의 치환율이 높고 FA 치환율이 낮을수록 강도 향상효과가 크게 나타나고 있다. GGBFS 50% 시험체의 경우(Fig.
- 4(b)), 각각의 KA 치환율에 대해서 KA/GGBFS 비가 증가함에 따라 강도가 감소하였다. KA 10% 치환 시험체의 경우 KA/GGBFS 비의 증가에 따른 강도 감소가 가파르게 감소하였고, KA의 치환율이 40%로 증가할수록 KA/GGBFS 비의 증가에 따른 강도 감소경향이 완만해지고 있다.
- 7은 재령 28일, 63일 그리고 91일에 대한 각 시험체의 건조수축률을 측정한 것이다. 건조수축 측정결과를 살펴보면 KA의 치환율이 50%(K5)에서 10%(K1)로 감소할수록 건조수축은 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 KA의 치환율이 감소함에 따라 KA 입자가 흡수한 수분과 증발양이 감소하면서 건조수축 감소에 영향을 미치는 것으로 생각된다.
- 2(d))에서는 11 MPa ~ 30 MPa 로 강도 값들과 범위가 점차 낮아지고 있다. 그리고 각각의 FA 치환율에서 1, 3, 7일간의 강도 증가율보다 7일에서 28일 강도 증가가 상대적으로 크게 나타났다.
- 동일한 30% GGBFS 치환율의 시험체인 S3F5K1, S3F3K3그리고 S3F1K5의 세 종류의 시험체를 비교할 때 KA의 치환율이 증가함에 따라 KA의 피크가 선명하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 KA는 활성화 반응이 거의 이루어지지 않고 다수의 미반응 입자로 존재하는 것으로 생각된다.
- 따라서 KA의 치환율보다 GGBFS-FA의 혼합비율과 치환율이 강도증가에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 두 번째 원인은 재령 28일까지 측정한 강도 결과를 고려할 때 낮은 KA의 활성도에 의해 수화반응을 통해 반응생성물질을 생성하여 강도증가에 기여하는 것보다, 단순 filler 효과에 기인한 것으로 생각된다.13) 이는 Xu et al.
- 또한 강도 측정 재령인 1, 3, 7 그리고 28일간의 강도 증가율도 가장 낮게 나타났으며, GGBFS 50% 치환율의 시험체들이 각각의 측정 재령간 강도 증가율이 가장 크게 나타났다. 따라서 GGBFS 치환율이 낮아질 때 FA와 KA의 치환율이 높아지는데, FA와 KA는 GGBFS보다 상대적으로 느린 수화반응으로 인해 강도증가가 미미한 것으로 판단된다. Fig.
- 0까지 증가함에 따라 강도도 증가하지만 그 증가율(직선 그래프의 기울기)은 KA 10%와 비교하여 감소하였다. 따라서 KA/FA 비와 강도와의 상관관계를 살펴볼 때 KA 치환율이 40%에서 10%로 감소함에 따라 강도가 증가하는데, 이는 KA의 낮은 활성화 반응에 의해 수화 생성물질의 생성으로 인한 것보다 KA의 filler 효과에 의한 것으로 생각된다.13)
- 3의 모든 배합에서 동일한 GGBFS에 대해 FA가 증가하면 KA의 치환율에 관계없이 강도가 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서 KA의 치환율보다 GGBFS-FA의 혼합비율과 치환율이 강도증가에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 두 번째 원인은 재령 28일까지 측정한 강도 결과를 고려할 때 낮은 KA의 활성도에 의해 수화반응을 통해 반응생성물질을 생성하여 강도증가에 기여하는 것보다, 단순 filler 효과에 기인한 것으로 생각된다.
- 3) XRD 분석결과 반응 생성물은 KA의 치환율이 증가함에 따라 미반응 KA가 검출되었다. 또한 GGBFA의 치환율이 증가함에 따라 calcite/CSH가 증가하였다. 따라서 KA를 치환한 다성분계 시멘트의 제조시 활성화 정도가 상대적으로 뛰어난 GGBFS가 일정 치환율 이상 포함되어 있도록 배합비를 선택하는 것이 필요할 것으로 생각된다.
- 이는 동일한 배합조건에서 GGBFS가 FA와 비교하여 상대적으로 높은 활성화 반응으로 반응생성물질의 생성에 더 큰 효과를 발휘하기 때문으로 생각된다. 또한 KA를 혼합한 알칼리 활성화 다성분계 시멘트에서 GGBFS의 치환율이 FA와 KA 보다 강도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 10,14) 이는 시험체 내부에 KA가 함유한 다량의 수분에 의해 뒤에서 언급한 건조수축에도 부정적인 영향을 미치는 요인 중 하나로 생각할 수 있다. 또한 KA의 치환율이 증가함에 따라 미반응 KA의 양도 증가하고 이는 KA가 흡수한 배합수의 양도 증가하게 되어 흡수율이 증가하였다.15) 동일한 KA 치환율에 대해 살펴보면 GGBFS의 치환율이 FA 치환율보다 클수록 흡수율이 감소하고 있다.
- 3(b) ~ (d))과 비교하여 상대적으로 가장 낮은 강도 값들을 나타내었다. 또한 강도 측정 재령인 1, 3, 7 그리고 28일간의 강도 증가율도 가장 낮게 나타났으며, GGBFS 50% 치환율의 시험체들이 각각의 측정 재령간 강도 증가율이 가장 크게 나타났다. 따라서 GGBFS 치환율이 낮아질 때 FA와 KA의 치환율이 높아지는데, FA와 KA는 GGBFS보다 상대적으로 느린 수화반응으로 인해 강도증가가 미미한 것으로 판단된다.
- 4(a)), 각각의 KA 치환율에 대해 KA/FA비가 작을수록 큰 강도값을 나타내고 있다. 또한 동일한 KA의 치환율에서 KA/FA 비가 증가할수록 강도가 증가하였다. 예를 들어 KA 10% 치환한 시험체의 경우, KA/FA 비가 0.
- 이는 FA 보다 상대적으로 Ca를 다량 함유한 GGBFA의 치환율이 증가함에 따라 calcite/CSH가 증가하는 것으로 생각된다. 또한 동일한 시험체 제작과 양생 조건에서 GGBFS가 상대적으로 FA보다 활성화가 빠른 것을 생각할 때 GGBFS의 치환율이 높을수록 CSH의 생성도 증가하는 것으로 나타났다.
- 본 연구의 범위에서 살펴볼 때 GGBFS 40% 이상 시험체의 건조수축의 감소는 GGBFS 보다 상대적으로 느린 FA의 활성화 반응, 시험체 내의 KA 입자 분포의 균질성, 수분 저장이 용이한 KA의 육각형 다층 판구조 등의 복합적인 원인때문으로 판단된다. 다만, KA의 치환율이 적을 경우 일정부분 시험체 내의 공극 감소 등으로 치밀화에 효과를 나타낸다는 선행 연구결과가 있다.
- 또한 KA의 치환율에 관계없이 강도 감소를 의미하는 직선의 기울기와 각 직선간의 간격이 서로 비슷하게 나타났다. 즉, GGBFS와 FA의 혼합에서 GGBFS의 치환율이 증가하는 경우가(FA 치환율은 감소) 강도 증가에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 따라서 GGBFS-FA-SF의 다성분계 배합에서 GGBFS와 FA와의 배합비가 강도변화에 큰 영향을 미치기 때문에 KA 치환율과 함께 목표 강도를 확보하기 위한 적절한 FA/GGBFS 비의 범위를 선정해야 할 것으로 생각된다.
- UPV는 시험체 내부의 상태를 간접적으로 살펴볼 수 있는 방법 중 하나로 사용되고 있다. 측정결과를 보면 KA의 치환율이 K5(50%)에서 K1(10%)로 감소함에 따라 UPV가 점차 증가하고 있다. 이는 KA가 수화반응하여 반응생성물질의 형성으로 시험체 내부를 치밀한 구조로 만드는 것이 아니라 미수화 입자들의 단순한 충진효과(filler effect)로 인해 UPV를 증가시키는 것으로 판단된다.
- 알칼리 활성화제는 수산화나트륨(sodium hydroxide; NaOH, purity ≧ 98%)과 규산나트륨(sodium silicate; Na2SiO3 )을 사용하였고, 두 가지 모두 국내 S사 제품이다. 활성화제 농도는 기존의 선행 AASC 관련 연구들과 예비실험을 통해 본 연구의 목적에 적합하다고 판단되는 범위로 결합재(binder; GGBFS+FA+SF+KA) 중량의 10%로 하였다. 알칼리 활성화제는 10% NaOH와 10% Na2SiO3를 각각 준비하여 배합수에 동시에 혼합하여 사용한다.
- 5는 재령 28일 시험체의 흡수율 시험 결과이다. 흡수율 결과를 살펴보면 KA 치환율이 50%(K5)에서 10%(K1)로 감소함에 따라 흡수율도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 KA 입자의 형상이 수분을 저장할 공간이 많은 여러 겹의 육각 판구조로 되어 있어 다량의 수분을 함유하기 때문이다.
후속연구
- 몇몇 KA 연구 결과를 보면 여러 요인(양생조건, 양생온도, 활성화제 농도, 종류 등)과 함께 재령의 증가에 따른 KA의 활성화 특성을 언급한 연구결과도 있었다.8,11) 그러나 본 연구의 범위에서만 살펴볼 때 GGBFS 40% 이상의 높은 치환율에서 건조수축 감소에 대한 KA의 역할이나 GGBFS-FA의 혼합율 등에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 즉, GGBFS와 FA의 혼합에서 GGBFS의 치환율이 증가하는 경우가(FA 치환율은 감소) 강도 증가에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 따라서 GGBFS-FA-SF의 다성분계 배합에서 GGBFS와 FA와의 배합비가 강도변화에 큰 영향을 미치기 때문에 KA 치환율과 함께 목표 강도를 확보하기 위한 적절한 FA/GGBFS 비의 범위를 선정해야 할 것으로 생각된다.
- 또한 GGBFA의 치환율이 증가함에 따라 calcite/CSH가 증가하였다. 따라서 KA를 치환한 다성분계 시멘트의 제조시 활성화 정도가 상대적으로 뛰어난 GGBFS가 일정 치환율 이상 포함되어 있도록 배합비를 선택하는 것이 필요할 것으로 생각된다.
- 그러나 건조수축의 경우 GGBFS 40% 이상의 치환율에서는 건조수축이 감소하는 것으로 나타났는다. 이는 GGBFA, FA 그리고 SF와 다른 KA 입자의 층상형태의 구조적 특성, KA의 치환율 등의 영향에 따른 것으로 생각할 수 있으며, 이러한 건조수축 특성에 대한 명확한 원인 분석을 위한 후속연구가 필요하다.
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