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문제 정의
- 기존의 연구에서는 혼화재료들의 배합비에 따른 다성분계 시멘트의 특성 연구가 상대적으로 미흡하다고 판단된다. 따라서 본 연구를 통해 혼합재료간의 상호 배합비에 따른 기초 특성 파악으로 추후 다성분계 친환경 콘크리트의 개발에 기초연구 자료로 적용하고자 한다.
- 본 연구는 다성분계 시멘트의 배합비에 따른 기초특성에 관한 연구이다. 본 연구에서는 다성분계 시멘트의 제조를 위해 OPC와 GGBFS, FA 그리고 SF의 세 가지 혼화재료를 GGBFS/FA 비와 SF의 혼합률에 따른 기초적인 특성을 파악하고자 한다.
- 본 연구는 다성분계 시멘트의 배합비에 따른 기초특성에 관한 연구이다. 본 연구에서는 다성분계 시멘트의 제조를 위해 OPC와 GGBFS, FA 그리고 SF의 세 가지 혼화재료를 GGBFS/FA 비와 SF의 혼합률에 따른 기초적인 특성을 파악하고자 한다. 기존의 연구에서는 혼화재료들의 배합비에 따른 다성분계 시멘트의 특성 연구가 상대적으로 미흡하다고 판단된다.
제안 방법
- (2008), Zhang et al.(2014) 등의 삼성분계 시멘트 관련연구들을 참고하여 본 연구에 사용된 장비와 목적에 적합하다고 판단되는 범위를 예비실험을 통해 설정하였다.
- 건조수축은 재령 63일까지 측정하였다. 63일 이후에 건조 수축 측정 중 일부 시험체의 심한균열과 부분 파손 등으로 더 이상의 계측이 어려웠고, 대부분의 시험체가 28일 이후 완만한 건조수축률을 나타내고 있어 63일까지의 건조수축률을 측정하였다.
- 미세구조 분석을 위해서는 XRD(X-ray diffeaction) 분석을 수행하였다. XRD는 압축강도 측정 후 파쇄된 시험체를 아세톤에 침지시켜 수화정지 시킨 후 분쇄하여 No. 200체를 통과하는 시료를 사용하여 분석하였다.
- 미세구조 분석을 위해서는 XRD(X-ray diffeaction) 분석을 수행하였다. XRD는 압축강도 측정 후 파쇄된 시험체를 아세톤에 침지시켜 수화정지 시킨 후 분쇄하여 No.
- 본 연구는 다성분계 시멘트의 배합비에 따른 기초 특성에 관한 연구로 다음과 같은 배합 및 시험계획을 수행하였다. 본 연구의 다성분계 시멘트는 OPC를 기반으로 하는 페이스트 배합으로 물-결합재 비(W/B)는 0.45이고, OPC를 50%, 40% 그리고 30%로 하고 나머지 50%, 60% 그리고 70%를 GGBFS, FA 그리고 SF를 혼합하였다. 예비실험에서 OPC가 30%인 배합은 일부 시험체의 응결지연, 균열, 시험체의 파손 등이 발생하여 실험이 수행될 수 없어 OPC의 비율을 50%와 40%의 두 종류로 하고 각 OPC 비율에 따라 나머지 결합재인 GGBFS, FA 또는 SF를 다양한 비율로 배합하였다.
- 45이고, OPC를 50%, 40% 그리고 30%로 하고 나머지 50%, 60% 그리고 70%를 GGBFS, FA 그리고 SF를 혼합하였다. 예비실험에서 OPC가 30%인 배합은 일부 시험체의 응결지연, 균열, 시험체의 파손 등이 발생하여 실험이 수행될 수 없어 OPC의 비율을 50%와 40%의 두 종류로 하고 각 OPC 비율에 따라 나머지 결합재인 GGBFS, FA 또는 SF를 다양한 비율로 배합하였다. 자세한 배합비는 Table 2에 나타내었다.
- 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
- 본 연구에 사용된 재료는 OPC, GGBFS, FA 그리고 SF의 네 종류를 사용하였다. 1종 보통 포틀랜드 시멘트는 국내 S사, GGBFS는 국내 K사, FA는 국내 G사, 그리고 SF는 E사의 제품이다. 각 재료의 성분은 XRF 분석을 통해 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 재료는 OPC, GGBFS, FA 그리고 SF의 네 종류를 사용하였다. 1종 보통 포틀랜드 시멘트는 국내 S사, GGBFS는 국내 K사, FA는 국내 G사, 그리고 SF는 E사의 제품이다.
- 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. 길이 변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였다.
이론/모형
- 각각의 배합비율에 따라 재료를 준비하고 KS L 5109에 따라 배합하였다. 배합 후 24h 동안 상대습도(relative humidity; RH) 80±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. 길이 변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였다.
- 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
- 1) 압축강도는 SF의 배합률이 5%에서 10%로 증가할수록강도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 반응 생성물질과 시험체 조직내에 공극을 메워주는 filler 효과와 일부 Si 성분의 C-S-H(calcium-silicate-hydrate)형성에 기여하면서 강도 향상에 긍정적인 효과를 나타내는 것으로 생각된다.
- 2) 흡수율과 UPV 결과는 SF 치환율이 증가할수록낮은 흡수율과 높은 UPV를 나타내었다. 또한 흡수율과 UPV 모두 GGBFS/FA비가 증가하고 SF 치환율이 증가할수록 시험체 내부 조직을 치밀하게 하여 강도향상에 긍정적인 효과를 미치는 것으로 나타났다.
- 3) 건조수축은 SF의 치환율이 증가함에 따라 증가하였다. 이는 SF의 높은 분말도와 관계있는 것으로 판단된다.
- 4) XRD 분석 결과 반응 생성물질은 GGBFS/FA의 비와 SF의 치환율에 따라 portlandite와 calcium carbonate 등의 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 SF를 사용한 경우 OPC, GGBFS 또는 FA와의 반응에 영향을 미치므로 배합되는 재료들의 특성이 충분히 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- 40% OPC 배합(V4 series)의 경우를 살펴보면, GGBFS의 치환율이 낮아질수록(FA 치환율이 높아질수록) 모든측정 재령에서 압축강도가 감소하고 있었다(1, 2, 3 <4, 5, 6 < 7, 8, 9 2 > 1, 6 > 5 > 4, 9 > 8> 7, 12 > 11 > 10).
- 2는 재령 28일에서의 압축강도와 GGBFS/FA 비(Table 2에서)와의 관계를 나타낸 것이다. SF의 배합 유무에 관계없이 모두 GGBFS/FA 비가 증가함에 따라 강도도 증가하는 선형적인 관계가 있는 것으로 나타났다. Fig.
- 8은 GGBFS/FA 비와 63일 건조수축 값의 관계를 나타낸 것이다. V4와 V5 시험체 모두 동일 SF 치환율에서 GGBFS/FA 비가 높을수록건조수축 값이 작게 나타나고 있었다. 따라서 건조수축 측정 결과를 보면, SF를 배합하지 않는 경우가 가장 낮은 건조수축을 나타내었고, SF를 배합할 경우는 GGBFS/FA 비가 높은 배합이 건조수축 감소에 효과가 있을 것으로 판단된다.
- 건조수축 측정 결과, 40% OPC(V4)와 50% OPC(V5) 모두 28일과 63일 건조수축 측정값은 V4 시험체가 상대적으로 크게 측정 되었다. 이는 OPC와 비교하여 GGBFS, FA 그리고 SF의 느린 수화반응으로 수화반응에 관여하지 못한 잉여수의 영향이 큰때문으로 판단된다.
- 50% OPC(V5 series) 시험체들의 압축강도 특성도 40% OPC 시험체와 유사한 경향을 나타내었다. 그러나 GGBFS의 치환율이 낮아짐에 따라(FA 치환율이 높아짐에 따라) V5 시험체들의 강도변화율이 V4 시험체들의 강도 변화율과 비교하여 상대적으로 크게 나타났다. 이러한 원인은 V5 배합이 V4에 비해 상대적으로 OPC의 양이 많아 반응성 재료들의 수화반응을 유도할 충분한 알칼리 환경을 조성하였기 때문으로 판단된다.
- 또한 10% SF 배합(3, 6, 9,12)이 5%(2, 5, 8, 11) 와 0% SF배합(1, 4, 7, 10) 보다 높은 UPV가 나타났다. 동일한 OPC 치환율에서 GGBFS의 치환율이 감소할수록(FA 치환율이 증가할수록) UPV가 감소하였다. UPV는 시험체 내부 상태를 나타내는 개략적인 방법으로 가장 널리 사용되고 있는 방법 중 하나이다.
- V4와 V5 시험체 모두 높은 GGBFS/FA 비에서 높은 UPV를 나타내고 있었다. 동일한 SF 치환율에서 GGBFS/FA 비가 높을수록 높은 UPV를 나타내었다. 두 배합 모두 UPV와 GGBFS/FA 비와의 관계를 나타내는 직선의 형상이나 기울기는 유사하게 나타났다.
- 공극감소는 흡수율 감소에 영향을 미치는 요소 중 하나이다. 따라서 OPC의 치환율과 SF의 치환율이 적정 범위에서 증가하고, GGBFS가 FA보다 일정 수준 많은 배합에서 시험체의 흡수율은 낮아지고, 이는 시험체 내부 조직이 치밀화 되는 것으로 생각할 수 있다.
- 따라서 OPC의 치환율이 높고(50% OPC > 40% OPC), SF가 적정 수준 배합되고(10% SF > 5% SF > 0% SF), GGBFS가 FA보다 높은 배합일 경우 상대적으로 시험체 내부 조직을 치밀화시켜 UPV가 증가하는 것으로 판단된다.
- V4와 V5 시험체 모두 동일 SF 치환율에서 GGBFS/FA 비가 높을수록건조수축 값이 작게 나타나고 있었다. 따라서 건조수축 측정 결과를 보면, SF를 배합하지 않는 경우가 가장 낮은 건조수축을 나타내었고, SF를 배합할 경우는 GGBFS/FA 비가 높은 배합이 건조수축 감소에 효과가 있을 것으로 판단된다. 그러나 10% SF 치환 시험체의 경우 V4와 V5 모두 GGBFS/FA 비에 따른 건조수축의 감소 경향이 뚜렷하게 나타나지 않았다.
- 또한 SF 치환율이 증가함에 따라 흡수율이 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 동일 SF 치환율에서는 GGBFS/FA 비가 높을수록 낮은 흡수율을 나타낼 것으로 판단된다. 그리고 SF의 치환율이 증가함에 따라 V4와 V5시험체들의 흡수율 기울기가 감소하고 있다.
- V4와 V5 시험체 모두 낮은 GGBFS/FA 비에서 높은 흡수율을 나타내고 있었다. 또한 SF 치환율이 증가함에 따라 흡수율이 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 동일 SF 치환율에서는 GGBFS/FA 비가 높을수록 낮은 흡수율을 나타낼 것으로 판단된다.
- portlandite(P), calcium carbonate(CC) 그리고 calcium carbonate silicate(CS) 등이 검출되고 있었다. 또한 SF의 치환율이 0%에서 10%로 증가함에 따라 CS가 감소하고 CC는 증가하는 경향성을 나타내고 있었다. 이러한 결과는 재령이 증가함에 따라 portlandite(P)가 소모되어 C-S-H와 같은 비정형의 반응생성물질을 만드는데 사용되어 감소하는 것으로 판단된다.
- 이는 배합되는 결합재 중에 OPC가 상대적으로 증가함에 따라 GGBFS, FA, 그리고 SF와의 활성화 반응을 증대시켜 반응생성물질 등의 생성 촉진에 영향을 미쳐 시험체 내부의 페이스트 조직을 치밀하게 만들었기 때문으로 판단된다. 또한 V5와 V4 시험체 모두 SF의 치환율이 10%인 시험체(3, 6, 9, 12)가 5%(2, 5, 8, 11) 또는 0%(1, 4, 7, 10)인 시험체 보다 낮은 흡수율을 나타내었다. 이는 SF가 반응생성물질 간의 공극을 메우는 filler 효과 등을 통해 상대적으로 낮은 공극률과 시험체 내부 조직의 치밀화에 기인한 것으로 생각된다(Khan et al.
- 이는 반응 생성물질과 시험체 조직내에 공극을 메워주는 filler 효과와 일부 Si 성분의 C-S-H(calcium-silicate-hydrate)형성에 기여하면서 강도 향상에 긍정적인 효과를 나타내는 것으로 생각된다. 또한 동일 SF 배합률에서 GGBFS/FA 비가 높을수록 압축강도는 큰 값을 나타내었다. 본 연구의 범위에서 볼 때 50% OPC 배합에서는 GGBFS/FA 비가 2.
- 2) 흡수율과 UPV 결과는 SF 치환율이 증가할수록낮은 흡수율과 높은 UPV를 나타내었다. 또한 흡수율과 UPV 모두 GGBFS/FA비가 증가하고 SF 치환율이 증가할수록 시험체 내부 조직을 치밀하게 하여 강도향상에 긍정적인 효과를 미치는 것으로 나타났다. 이러한 효과는 압축강도에서와 유사하게 SF의 filler 효과와 C-S-H(calcium-silicatehydrate)의 형성에 기여하는 등의 결과로 생각된다.
- 또한 동일 SF 배합률에서 GGBFS/FA 비가 높을수록 압축강도는 큰 값을 나타내었다. 본 연구의 범위에서 볼 때 50% OPC 배합에서는 GGBFS/FA 비가 2.0이상, 40% OPC 배합에서는 2.2 이상일 때 각 SF 배합률에서 높은 강도가 측정되었다.
- 본 연구의 범위에서 살펴볼때, GGBFS/FA의 비와 SF의 치환율에 따라 다성분계 시멘트의 기초특성이 다양하게 변화되고 있음을 알 수 있었다.
- 이는 동일한 시험조건에서 FA가 GGBFS보다 활성화하여 반응 생성물질을 만드는 효과가 상대적으로 늦기 때문으로 판단된다. 본 연구의 측정재령에서 볼때 재령 28일까지는 FA 보다는 GGBFS가 활성화 효과가 상대적으로 우수하여 반응생성물질의 형성과 조직의 치밀화에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다. 선행연구에서는 GGBFS 가 FA 보다 시험체 내부의 총공극률을 감소시키는데더 효과적이라는 연구결과가 있었다(Berodier and Scrivenet, 2015).
- 그리고 SF의 치환율이 증가함에 따라 V4와 V5시험체들의 흡수율 기울기가 감소하고 있다. 이는 SF의 치환이 각 배합에서 흡수율을 감소시키는 효과를 발휘하고, SF의 치환율이 증가할수록 GGBFS/FA비에 따른 흡수율 감소효과가 더욱 큰것으로 나타났다.
- Berodier and Scrivenet(2015)의 연구에서 GGBFS가 FA 보다 시험체 내부의 총공극률을 감소시키는데더 효과적이라는 연구결과가 있었다. 이를 바탕으로 GGBFS/FA 비가 높은 배합은 총공극을 감소시켜 낮은 흡수율, 높은 초음파 속도 그리고 건조수축의 감소에도 영향을 미치는 것으로 생각된다.
- 흡수율 결과에서 상대적으로 GGBFS의 치환율이 감소할수록(FA 치환율이 증가할수록) 흡수율이 증가하는 경향을 나타내고 있었다(1, 2, 3 <4, 5, 6 < 7, 8, 9 < 10, 11, 12).
후속연구
- 4) XRD 분석 결과 반응 생성물질은 GGBFS/FA의 비와 SF의 치환율에 따라 portlandite와 calcium carbonate 등의 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 SF를 사용한 경우 OPC, GGBFS 또는 FA와의 반응에 영향을 미치므로 배합되는 재료들의 특성이 충분히 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- 2(a)) 보다 GGBFS/FA의 비에 따른 강도 변화율을 의미하는 기울기가 더욱 급하게 나타나는 것을 볼수 있다. 이는 상대적으로 OPC의 치환율이 높은 배합의 경우, 동일한 SF 치환율에서 GGBFS/FA 비에 따라 강도 증가율에 미치는 영향을 추정할 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 강도에 영향을 미치는 요소 중 GGBFS가 FA와 비교하여 상대적으로 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
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