[논문]알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성에 미치는 Al2O3의 영향

김태완; 강충현

doi:10.4334/jkci.2016.28.2.205

알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성에 미치는 Al2O3의 영향
The Influence of Al2O3 on the Properties of Alkali-Activated Slag Cement 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.2, 2016년, pp.205 - 212

김태완 (부산대학교 공과대학 건설융합학부 토목공학전공) , 강충현 (부산대학교 지진방재연구센터)

초록
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본 연구는 고로슬래그 미분말(GGBFS)의 구성성분이 알칼리 활성화 슬래그 시멘트(AASC)에 미치는 영향에 관한 연구이다. 산화알루미늄($Al_2O_3$)을 고로슬래그 미분말 중량에 대해 2~16% 혼합하였다. 활성화제는 KOH를 사용하였고, 물-결합재 비는 0.5이다. 강도 향상은 $Al_2O_3$ 혼합률이 증가함에 따라 수화반응의 향상으로 나타난다. 재령 28일에서 가장 높은 강도는 2M KOH + 16% $Al_2O_3$와 4M KOH + 16% $Al_2O_3$일 때이고 각각 30.8 MPa과 45.2 MPa이였다. 재령 28일에서 2M KOH + 16% $Al_2O_3$의 강도는 2M KOH ($Al_2O_3$ 미첨가) 보다 46% 향상되었다. 또한 4M KOH + 16% $Al_2O_3$의 강도는 4M KOH ($Al_2O_3$ 미첨가) 보다 44% 향상되었다. 결합재에서 $Al_2O_3$ 혼합률이 증가함에 따라 모든 재령에서 강도가 증가하였다. AASC에서 초음파속도(UPV)는 강도와 유사한 경향을 나타내었지만 흡수율과 공극률은 $Al_2O_3$의 혼합률이 증가함에 따라 강도경향과 상반된 경향을 나타내었다. $Al_2O_3$ 혼합률이 높은 시험체에서 반응생성물질의 Al/Ca와 Al/Si가 증가하였다. SEM과 EDX 분석을 통해 $Al_2O_3$의 혼합은 더욱 치밀한 미세조직을 형성한 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research investigates the influence of ground granulated blast furnace slag (GGBFS) composition on the alkali-activated slag cement (AASC). Aluminum oxide ($Al_2O_3$) was added to GGBFS binder between 2% and 16% by weight. The alkaline activators KOH (potassium hydroxide) was used and the water to binder ratio of 0.50. The strength development results indicate that increasing the amount of $Al_2O_3$ enhanced hydration. The 2M KOH + 16% $Al_2O_3$ and 4M KOH + 16% $Al_2O_3$ specimens had the highest strength, with an average of 30.8 MPa and 45.2 MPa, after curing for 28days. The strength at 28days of 2M KOH + 16% $Al_2O_3$ was 46% higher than that of 2M KOH (without $Al_2O_3$). Also, the strength at 28days of 4M KOH + 16% $Al_2O_3$ was 44% higher than that of 4M KOH (without $Al_2O_3$). Increase the $Al_2O_3$ contents of the binder results in the strength development at all curing ages. The incorporation of AASC tended to increases the ultrasonic pulse velocity (UPV) due to the similar effects of strength, but increasing the amount of $Al_2O_3$ adversely decreases the water absorption and porosity. Higher addition of $Al_2O_3$ in the specimens increases the Al/Ca and Al/Si in the hydrated products. SEM and EDX analyses show that the formation of much denser microstructures with $Al_2O_3$ addition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

의 혼합률을 결합재인 GGBFS 중량에 대해 2~16%까지 2%단위로 모두 8종류의 배합을 선정하였다. Al₂O₃를 혼합하지 않은 시험체(control)도 제작하여 Al₂O₃에 의한 효과를 비교 검토하고자 하였다. 활성화제인 수산화칼륨(potassiumhydroxide; KOH)은 강알칼리성 물질로 국내외 선행연구에서 다수 사용되었던 재료로 수산화나트륨(sodium hydroxide; NaOH)과 유사한 재료이다.
활성화제인 수산화칼륨(potassiumhydroxide; KOH)은 강알칼리성 물질로 국내외 선행연구에서 다수 사용되었던 재료로 수산화나트륨(sodium hydroxide; NaOH)과 유사한 재료이다. 기존의 연구결과들을 참고하여 KOH의 농도는 2M (mole; M)과 4M의 두 가지로 고려하여 KOH의 농도 차이에 따른 특성도 함께 살펴보고자 하였다.
본 연구에서는 AASC의 특성에 영향을 미치는 GGBFS의 영향요인에 관한 기초연구로서 Al₂O₃의 외부혼합에 따른 AASC의 역학적 특성에 관한 연구이다. 이는 기존의GGBFS 자체가 함유하고 있던 Al₂O₃에 대한 영향의 연구를 벗어나 외부에서 추가적으로 Al₂O₃를 혼합하여 다양한 Al₂O₃ 함유량을 가지는 GGBFS를 기반으로 하는 AASC의 특성 파악을 위한 기초 연구이다.
AASC의 특성에 영향을 미치는 여러 요인들 중에 GGBFS의 특성에 관한 연구가 일부 연구자들에 의해 이루어졌다. 연구자들은 GGBFS를 구성하고 있는 주요 성분들의 구성비와 그에 따른 반응생성물에 주목하였다. 일부 연구자들에 의해서 GGBFS의 구성성분비에 대한 상호 관계를 분석한 결과가 다수 있었다.
의 외부혼합에 따른 AASC의 역학적 특성에 관한 연구이다. 이는 기존의GGBFS 자체가 함유하고 있던 Al₂O₃에 대한 영향의 연구를 벗어나 외부에서 추가적으로 Al₂O₃를 혼합하여 다양한 Al₂O₃ 함유량을 가지는 GGBFS를 기반으로 하는 AASC의 특성 파악을 위한 기초 연구이다. 이를 통해 AASC에서 Al₂O₃의 영향을 검토하고, AASC의 반응 메커니즘의 파악과 성능향상의 기초연구자료로 활용하고자 한다.
이는 기존의GGBFS 자체가 함유하고 있던 Al₂O₃에 대한 영향의 연구를 벗어나 외부에서 추가적으로 Al₂O₃를 혼합하여 다양한 Al₂O₃ 함유량을 가지는 GGBFS를 기반으로 하는 AASC의 특성 파악을 위한 기초 연구이다. 이를 통해 AASC에서 Al₂O₃의 영향을 검토하고, AASC의 반응 메커니즘의 파악과 성능향상의 기초연구자료로 활용하고자 한다.

가설 설정

본 연구에 고려된 모르타르의 유동성은 선행 예비실험, 본 연구의 목적과 시험체 제조 등을 종합적으로 고려하여 최저 유동성을 160 mm로 정하였다. 모든 배합은 최소 160±10 mm의 유동성을 확보하도록 고성능 감수제의 양을 조절하였다.

제안 방법

Al₂O₃를 혼합한 AASC의 특성을 살펴보기 위해 Al₂O₃의 혼합률을 결합재인 GGBFS 중량에 대해 2~16%까지 2%단위로 모두 8종류의 배합을 선정하였다. Al₂O₃를 혼합하지 않은 시험체(control)도 제작하여 Al₂O₃에 의한 효과를 비교 검토하고자 하였다.
6은 SEM 관찰 이미지를 나타낸 것이다. SEM은 각 KOH의 농도에 대해 Al₂O₃를 혼합하지 않은 비교군과 최고강도를 발생시킨 16% Al₂O₃ 혼합률의 시험체에 대해 측정하였다. SEM 분석결과 16%Al₂O₃혼합한 시험체(Fig.
또한 관찰 시험체에 대해 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)를 수행하여 반응생성물질의 구성요소에 대한 분석을 수행하였다. XRD 시험용 분말도 강도 측정후 파쇄된 시편을 수화정지 시킨 후 분쇄하여 No.200체를 통과하는 시료를 분석하였다.
측정 시편은 강도 특정 후 파쇄된 시험체 조각을 채취하여 아세톤에 48시간 침지시켜수화정지시킨 다음 온도 35±5℃, 상대습도 ≤ 50%의 건조기에서 48시간 건조시킨 후 측정을 준비하였다. 또한 관찰 시험체에 대해 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)를 수행하여 반응생성물질의 구성요소에 대한 분석을 수행하였다. XRD 시험용 분말도 강도 측정후 파쇄된 시편을 수화정지 시킨 후 분쇄하여 No.
압축강도의 측정은 50×50×50 mm 몰드에 타설하여 상대습도(relativehumidity; RH) 75±5%, 23±2℃의 항온항습기에 넣고 1일(24h) 후 몰드를 탈형하였다.
건조수축 측정은 ASTM C596(Standard Test Method for Drying Shrinkage of Mortar Containing Hydraulic Cement)에 제시된 방법에 따라 수행하였으며,시험체는 RH50±5%, 20±2℃의 환경에 91일까지 보관하였다. 압축강도의 측정은 각 측정 재령(1, 3, 7 및 28일)에서 3개의 시험체에 대해 시험을 수행하고 그 평균값을 사용하였다.
초음파속도(ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQCCT-4를 사용하여 측정하였다. 초음파 속도 측정방법은 시험체의 오른쪽에 발진자를, 왼쪽에 수신자를 두고 속도를 측정한 다음 동일 시험체에 대해 오른쪽에 수신자를 왼쪽에 발진자를 두고 측정하는 방식으로 서로 교대로 측정한 값의 평균을 사용하였다. 총 공극률은 재령 28일 시험체에 대해 ASTM C642 (Standard Test Method for Density, Absorption, and Void in Hardened Concrete)에 따라 실험하여 측정하였다.
측정 시편은 강도 특정 후 파쇄된 시험체 조각을 채취하여 아세톤에 48시간 침지시켜수화정지시킨 다음 온도 35±5℃, 상대습도 ≤ 50%의 건조기에서 48시간 건조시킨 후 측정을 준비하였다.

대상 데이터

SEM (Scanning electron microscopy)은 HITACHI FE-SEMS-4700 장비를 사용하였다. 측정 시편은 강도 특정 후 파쇄된 시험체 조각을 채취하여 아세톤에 48시간 침지시켜수화정지시킨 다음 온도 35±5℃, 상대습도 ≤ 50%의 건조기에서 48시간 건조시킨 후 측정을 준비하였다.
길이변화 측정용 시험체는 ASTM C490 (Standard Practice for Use of Apparatus for the Determination of Length Change of Hardened Cement Paste, Mortar, and Concrete) 규정의 25×25×285 mm를 사용하였다.
알칼리 활성화제는 C사의 수산화칼륨(potassiumhydroxide; KOH, purity > 98%)과 Al₂O₃ (purity > 96%)이다. 배합의 최저 유동성 확보를 위해 E사 폴리가르복실계(polycarboxylate)의 고성능 감수제(high-range water-reducing admixture)를 사용하였다. 고성능 감수제는 밝은 황색 액상(liquid)으로, 비중은 1.
본 연구를 위해 사용한 고로슬래그 미분말은 포항의 K사 제품을 사용하였으며, 성분은 XRF (X-ray fluorescence) 분석을 통해 Table 1에 나타내었다. GGBFS의 Si/Al 비는 2.
알칼리 활성화제는 C사의 수산화칼륨(potassiumhydroxide; KOH, purity > 98%)과 Al2O3 (purity > 96%)이다.
잔골재는 조립률(fineness modulus; FM) 2.61, 표면건조 포화상태 밀도 0.0026 g/mm³, 흡수율은 1.25인 강모래를 사용하였다. 알칼리 활성화제는 C사의 수산화칼륨(potassiumhydroxide; KOH, purity > 98%)과 Al₂O₃ (purity > 96%)이다.

이론/모형

각각의 배합에 따라 재료를 혼합한 후 KS L 5109 (수경성 시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합 방법)에 따라 배합하였다. 유동성 시험은 KS L 5111 (시멘트 시험용 플로 테이블)방법에 따라 시행하였다.
건조수축 측정은 ASTM C596(Standard Test Method for Drying Shrinkage of Mortar Containing Hydraulic Cement)에 제시된 방법에 따라 수행하였으며,시험체는 RH50±5%, 20±2℃의 환경에 91일까지 보관하였다.
각각의 배합에 따라 재료를 혼합한 후 KS L 5109 (수경성 시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합 방법)에 따라 배합하였다. 유동성 시험은 KS L 5111 (시멘트 시험용 플로 테이블)방법에 따라 시행하였다. 압축강도의 측정은 50×50×50 mm 몰드에 타설하여 상대습도(relativehumidity; RH) 75±5%, 23±2℃의 항온항습기에 넣고 1일(24h) 후 몰드를 탈형하였다.
초음파속도(ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQCCT-4를 사용하여 측정하였다. 초음파 속도 측정방법은 시험체의 오른쪽에 발진자를, 왼쪽에 수신자를 두고 속도를 측정한 다음 동일 시험체에 대해 오른쪽에 수신자를 왼쪽에 발진자를 두고 측정하는 방식으로 서로 교대로 측정한 값의 평균을 사용하였다.
초음파 속도 측정방법은 시험체의 오른쪽에 발진자를, 왼쪽에 수신자를 두고 속도를 측정한 다음 동일 시험체에 대해 오른쪽에 수신자를 왼쪽에 발진자를 두고 측정하는 방식으로 서로 교대로 측정한 값의 평균을 사용하였다. 총 공극률은 재령 28일 시험체에 대해 ASTM C642 (Standard Test Method for Density, Absorption, and Void in Hardened Concrete)에 따라 실험하여 측정하였다.

성능/효과

1) 활성화제의 농도에 관계없이 Al₂O₃의 혼합률이 증가할수록 초기(1, 3일) 및 장기강도(28일) 모두 증가하였다. 이는Al₂O₃의 혼합에 의해 반응생성물질 생성이 촉진되고, 시험체의 미세구조를 치밀하게 만들어 강도향상에 긍정적인 효과를 주는 것으로 판단된다.
2) Al₂O₃의 혼합률이 증가함에 따라 초음파 속도는 증가하였다. 또한 총공극률은 Al₂O₃의 혼합률이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
2M KOH와 4M KOH 모두Al₂O₃의 혼합에 따라 Ca/Si 비는 감소하고, Al/Si와 Al/Ca 비는 증가한 것을 알 수 있었다.
3) SEM과 EDS 분석결과 Al₂O₃의 혼합에 의해 치밀해진 조직을 확인할 수 있었다. 또한 KOH의 농도에 관계없이 Al₂O₃의 혼합에 의해 Ca/Si 비는 감소하고, Al/Si와 Al/Ca 비는 증가하였다.
4) 기존의 OPC와 AASC의 연구에서 GGBFS에 함유한 Al₂O₃의 효과와 비교하여 본 연구에서 적용한 Al₂O₃를 외부 혼합한 방식의 AASC에서는 강도향상과 미세조직의 치밀화 등의 긍정적인 효과를 나타낼 수 있는 것으로 판단된다.
Al₂O₃의 혼합률이 증가함에 따라 유동성이 감소하는 경향을 나타내었고, 이에따라 최소 유동성을 확보하기 위한 고성능 감수제의 첨가량도 증가하는 것으로 나타났다. 특히 2M KOH 시험체들보다 4M KOH 시험체들의 유동성이 상대적으로 감소하고 있는데, 이는 상대적으로 높은 활성화제의 농도가 GGBFS의 활성화를 촉진시키고 수화반응을 증대시켜 응결 작용과 반응생성물질의 생성을 가속화하기 때문으로 판단된다.
Haha¹⁵⁾ 등은 서로 다른 Al₂O₃의 함량을 가지는 GGBFS를 NaOH와 sodium silicate solution (waterglass; WG)으로 활성화시킨 AASC에 대한 연구를 수행하였다. 그결과 Al₂O₃의 함량이 증가할수록 GGBFS의 수화율은 천천히 감소하였고 Al₂O₃의 함량이 높을수록 초기강도는 낮다는 사실을 언급하였다.
^19-23)또한 반응생성물질의 생성이 촉진됨에 따라 일부 공극의 충진효과로 인하여 건조수축 감소에 영향을 미친 것으로 생각된다. 따라서 본 연구의 범위에서 살펴볼 때, Al₂O₃의 혼합은 건조수축 감소에 일정 부분 긍정적인 효과를 일으키는 것으로 나타났다. 이러한 건조수축 감소효과는 Fig.
를 첨가할 경우 초기강도 저하 등은 발생하지 않았다. 또한 강도향상에 영향을 미치는 Al₂O₃의 함량의 최적범위는 발견되지 않았고 Al₂O₃의 혼합률이 증가함에 따라 강도도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 GGBFS가 자체적으로 함유한 Al₂O₃의 경우 활성화제에 의해 GGBFS에 함유되어 있는 Al₂O₃ 성분의 용출까지 시간이 걸리고, 용출된 Al₂O₃ 성분이 반응생성물질을 만드는데 관여하는 정도 등에 따라 본 연구 결과와 다른 경향을 나타낸 것으로 판단된다.
의 혼합률이 증가함에 따라 초음파 속도는 증가하였다. 또한 총공극률은 Al₂O₃의 혼합률이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 Al₂O₃가 C-A-S-H와 ettringite 등의 반응 생성물 생성을 촉진하여 시험체의 미세조직을 치밀하게 만들고 일부 공극충진효과의 발생 때문으로 생각된다.
아직까지 AASC의 건조수축에 영향을 미치는 명확한 원인이 밝혀진 것은 아니지만, 본 연구에서는 총 공극률과 UPV 측정 결과를 바탕으로 건조수축에 미치는 영향을 함께 고려해 볼 때 Al₂O₃의 혼합은 일정수준의 범위에서 건조수축 감소에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

후속연구

AASC에서 Al₂O₃의 혼합에 따른 특성 파악을 위해 기존 연구들과 함께 미세구조와 반응메커니즘의 파악을 위한 후속 연구가 이어져야 할 것으로 판단된다.
Lin¹²⁾ 등은 Al₂O₃의 함유량이 높은 slag paste의 총 공극률(total pore)이 감소하는 경향의 결과를 언급하였다. 공극률에 대한 이러한 차이는 공극률을 측정하는 방법과 GGBFS 자체가 함유한 Al₂O₃와 함께 외부에서 추가로 공급된 Al₂O₃의 영향, OPC가 전혀 없는 100% GGBFS만으로 이루어진 결합재, 활성화재의 종류와 농도 등의 복합적인 영향을 고려하여야 할 것으로 판단된다.
7에서와 같이 고르게 분산되지 못한 Al₂O₃ 입자들이 발견되기도 하였다. 따라서 AASC에서 효과적인 Al₂O₃의 분산과 성능 향상을 위해서는 충분한 비빔시간과 적절한 혼화제의 선정 등이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알칼리 활성화 슬래그 시멘트는 무엇인가?	알칼리 활성화 슬래그 시멘트(alkali-activated slag cement;AASC)는 제철소 부산물인 슬래그 미분말을 사용한 시멘트로 기존의 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland cement;OPC)를 대체할 친환경 건설재료로 주목받고 있다.1-2) 국내외 많은 연구자들이 AASC의 특성을 밝히기 위해 다양한 연구와 결과들을 발표하고 있다.
	본문에서 소개된 AASC에 영향을 주는 요인은 무엇인가?	1-2) 국내외 많은 연구자들이 AASC의 특성을 밝히기 위해 다양한 연구와 결과들을 발표하고 있다. 현재까지의 연구결과에 따르면 AASC의 특성에 영향을 주는 인자는 다양한데, 예를 들어 고로슬래그 미분말(ground granulated blast furnace slag; GGBFS)의 물리-화학적 성질, 알칼리 활성화제의 종류와 농도, 배합방법, 양생온도와 양생방법, 혼화제의 종류, 혼화재료의 특성 등 여러 가지로 알려져 있다.1-5)
	서로 다른 Al2O3의 함량을 가지는 GGBFS를 NaOH와 WG로 활성화시킨 AASC에 대한 연구결과는?	Haha15) 등은 서로 다른 Al2O3의 함량을 가지는 GGBFS를 NaOH와 sodium silicate solution (waterglass; WG)으로 활성화시킨 AASC에 대한 연구를 수행하였다. 그결과 Al2O3의 함량이 증가할수록 GGBFS의 수화율은 천천히 감소하였고Al2O3의 함량이 높을수록 초기강도는 낮다는 사실을 언급하였다.

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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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