본 연구의 목적은 고로슬래그 베이스 AAS 모르타르의 메타카올린 치환율과 자극제 농도의 변화에 따른 역학적 특성과 내구성에 대하여 알아보는 것이다. 메타카올린은 분말도가 높아서 치환율이 높아질수록 유동성이 많이 저하되기 때문에 본 연구에서는 충분한 NaOH 수용액를 가하여 시공성을 확보한 상태에 실험을 진행하였다. 따라서 모든 시험체의 시공성을 동일하게 하는 각기 다른 Ws/B를 도출하였고, 이에 따라 시공성에 영향을 미치는 NaOH 수용액의 몰 농도별 특성에 대한 실험을 진행하였다. 또한 압축강도 측정실험, SEM을 통한 내부 미세구조 관찰, 내산성 실험 실험을 진행하였다. 본 연구 결과 메타카올린 치환율이 높은 배합은 Ww가 많이 필요로 하였지만, 그에 따른 성능 저하는 나타나지 않으며 오히려 우수한 역학적 내구적 성능을 보여주었다. 또한 [6M]보다 [8M]농도의 NaOH 자극제를 사용했을 때 메타카올린 치환 효과가 극대화 되었다.
본 연구의 목적은 고로슬래그 베이스 AAS 모르타르의 메타카올린 치환율과 자극제 농도의 변화에 따른 역학적 특성과 내구성에 대하여 알아보는 것이다. 메타카올린은 분말도가 높아서 치환율이 높아질수록 유동성이 많이 저하되기 때문에 본 연구에서는 충분한 NaOH 수용액를 가하여 시공성을 확보한 상태에 실험을 진행하였다. 따라서 모든 시험체의 시공성을 동일하게 하는 각기 다른 Ws/B를 도출하였고, 이에 따라 시공성에 영향을 미치는 NaOH 수용액의 몰 농도별 특성에 대한 실험을 진행하였다. 또한 압축강도 측정실험, SEM을 통한 내부 미세구조 관찰, 내산성 실험 실험을 진행하였다. 본 연구 결과 메타카올린 치환율이 높은 배합은 Ww가 많이 필요로 하였지만, 그에 따른 성능 저하는 나타나지 않으며 오히려 우수한 역학적 내구적 성능을 보여주었다. 또한 [6M]보다 [8M]농도의 NaOH 자극제를 사용했을 때 메타카올린 치환 효과가 극대화 되었다.
The aim of this study is to look into the metakaolin replacement ratio of blast furnace slag based alkali activated slag mortar and its mechanical characteristics according to changes in stimulant concentration. Metakaolin has high fineness, and therefore the fluidity becomes lower as the replacemen...
The aim of this study is to look into the metakaolin replacement ratio of blast furnace slag based alkali activated slag mortar and its mechanical characteristics according to changes in stimulant concentration. Metakaolin has high fineness, and therefore the fluidity becomes lower as the replacement ratio becomes higher. So in this study, a sufficient value of mixing water was provided to secure fluidity for the characteristic experiment, and a different W/B was derived for each specimen in order to make the fluidity identical. A characteristic experiment was conducted according to the mol concentration of NaOH, which was used as the mixing water that affects fluidity. Additionally, compressive strength measurement, observation of inner microstructure through SEM, acid resistance experiment, and neutralization resistance was conducted. The results of this study revealed that for a high concentration NaOH solution to have even fluidity, a high W/B is necessary, and the functions were enhanced, not degraded.
The aim of this study is to look into the metakaolin replacement ratio of blast furnace slag based alkali activated slag mortar and its mechanical characteristics according to changes in stimulant concentration. Metakaolin has high fineness, and therefore the fluidity becomes lower as the replacement ratio becomes higher. So in this study, a sufficient value of mixing water was provided to secure fluidity for the characteristic experiment, and a different W/B was derived for each specimen in order to make the fluidity identical. A characteristic experiment was conducted according to the mol concentration of NaOH, which was used as the mixing water that affects fluidity. Additionally, compressive strength measurement, observation of inner microstructure through SEM, acid resistance experiment, and neutralization resistance was conducted. The results of this study revealed that for a high concentration NaOH solution to have even fluidity, a high W/B is necessary, and the functions were enhanced, not degraded.
본 연구에서는 시공성을 기준으로 변동 Ws/B를 가지고 고로슬래그를 메타카올린으로 치환한 알칼리 활성 슬래그모르타르의 메타카올린 치환율과 알칼리 자극제 농도에 따른 역학적 특성 및 내구성에 대한 분석을 통해 향후 메타카올린의 활용성을 높이기 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
AAS 모르타르의 수화 생성물 및 내부 미세구조의 관찰을 위해 압축강도 측정 시 파단면의 시편을 채취하여 1일간 아세트산 용액에 침지 시켜 수화반응을 정지시키고, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 SEM)을 이용하여 관찰하였다.
본 연구에서는 고로슬래그를 메타카올린으로 0%, 15%, 20%, 25% 치환한 결합재와 알칼리 자극제인 [6M]과 [8M] NaOH 수용액을 혼합하여 제조한 모르타르를 사용하여 시험체를 제작하고, 수중양생을 통해 3, 7, 28, 56, 91일 재령을 거친 다음 기초 물성에 대한 실험을 실시하였다. 이때 모든 시험체는 동일한 시공성을 가지게 하기 위하여, 테이블 플로우 범위(165±5mm)를 만족시키는 각기 다른 Ws/B로 설정하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 재료로서, 잔골재(Sand; 이하 S)는KS L 5100 규준에 맞는 국내산 표준사를 사용하였으며, 시멘트는 KS L 5201 규준을 따르는 국내 S사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement; 이하 OPC)를 사용하였고, 성분 조성비 및 물리적 특성은 Table 1과 같다. 고로슬래그는 KS F 2563을 만족하는 D사의 3종 고로슬래그 미분말을 사용하였고 각각의 성분 조성비 및 물리적 특성은 Table 2와 같다.
본 연구에서는 고로슬래그와 메타카올린이 주 결합재로 사용되었는데, 이러한 포졸란 반응성 물질에 알칼리 자극제를 사용하여 만든 모르타르를 알칼리 활성 슬래그 모르타르(Alkali Activated Slag Mortar; 이하 AAS)라고 한다. 대표적인 잠재수경성 물질인 고로슬래그는 물과 접촉하면 수화반응을 억제시키는 ASH6막을 형성하기 때문에 수산화나트륨(NaOH) 등과 같은 알칼리 자극제를 첨가하여 피막을 파괴하여 Si4+, Al3+등의 이온을 용출시켜 수화반응을 시킨다.
고로슬래그는 KS F 2563을 만족하는 D사의 3종 고로슬래그 미분말을 사용하였고 각각의 성분 조성비 및 물리적 특성은 Table 2와 같다. 평균적으로 10,000(㎠/g)의 높은 분말도를 갖는 메타카올린은 국내 C사의 제품을 사용하였고, 그 성분 조성비 및 물리적 특성은 Table 3과 같다. 알칼리자극제로는 가성알칼리 계열 활성화제인 NaOH를 사용하였으며 그 특성은 Table 4와 같고, 사용된 배합비 및 배합 방법은 Table 5, Figure 1과 같다.
성능/효과
1) NaOH 수용액의 몰 농도별 특성에 대해서 알아본 결과, 높은 농도의 NaOH 수용액을 사용한 배합은 낮은 농도의 NaOH 수용액을 사용한 배합과 비교하여 동일한 시공성을 얻기 위해서는 더 높은 Ws/B가 요구되었다. 하지만 높은 Ws/B를 가지고 있음에도 일반적인 시멘트 모르타르에서 나타나는 높은 W/C의 사용으로 인한 성능 저하의 문제는 발생하지 않았다.
2) 메타카올린을 혼입한 모르타르의 강도는 치환율이 높을수록 강도 발현 속도가 빠르고, [6M]보다는 [8M] 농도에서 최종 강도(재령 91일)가 더 높다.
3) 자극제의 농도가 높은 모르타르에서 수화생성물들 간의 결합이 활발히 이루어져 공극 개선의 효과를 보여주었으며, 동일한 농도에서는 메타카올린의 치환율이 높을 때 더 촘촘한 형태의 수화물을 생성하였다.
4) 메타카올린을 혼입한 모르타르에서는 OPC에 비해 Ca(OH)2의 생성량이 현저하게 낮게 나타나 우수한 내산성 특성을 보여주었다.
후속연구
본 연구는 메타카올린의 치환율과 자극제의 농도를 다르게 하여 기존 OPC를 사용한 모르타르보다 역학적, 내구적 특성에서 동등 혹은 그 이상의 성능을 보여주었으며, 메타카올린의 치환율과 자극제의 농도의 변화에 따른 최종강도 발현율과 압축강도 증가율의 상관관계에 대하여 제시하였다. 향후 메카타올린을 치환한 AAS모르타르의 추가적인 적용성 평가를 위하여 염해 저항성, 중성화 저항성, 공극 구조에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고로슬래그의 장단점은 무엇인가?
고로슬래그는 수화발열량 감소, 수밀성 증가, 장기강도 개선, 염해저항성 및 동결융해 저항성 증가 등의 장점이 있지만 치환율이 높아질수록 조기강도 저하가 나타난다[1,2].
메타카올린의 치환율이 높은 배합에서 더 높은 강도 발현이 일어난 것으로 판단된 이유는 무엇인가?
(사용된 결합재의 양은 모두 동일하므로 결합재와의 비율은 생략) Na2O의 그래프는 전반적으로 압축강도의 모습과 유사한 모습을 보여주었다. 각각 [6M]과 [8M]을 사용한 배합에서 동일한 농도를 사용하였지만, 메타카올린의 치환율이 높아질수록 사용된 NaOH 수용액의 양이 많아졌고, 그로 인해 좀 더 높은 Na2O를 보여주었다. 따라서 이로 인하여 메타카올린의 치환율이 높은 배합에서 더 높은 강도 발현이 일어난 것으로 판단된다.
메타카올린은 무엇인가?
이러한 고로슬래그의 물성 개선을 위해 함께 사용된 혼화재인 메타카올린(Metakaolin; 이하 MK)은 카올린을 고온에서 소성한 후, 급랭시켜 조직을 비정질화 시킴으로써 잠재 수경성을 갖게 한 것을 말하는데, 600~850℃의 소성온도를 가지기 때문에 1450℃의 소성온도가 필요한 시멘트에 비하여 좀 더 낮은 온도에서 소성과정이 이루어지며, 우수한 품질을 얻기 위해서는 최대한 과열되지 않은 상태에서 거의 완전한 탈수(Dehydroxytlation)가 이루어 져야 한다[3,4]. 메타카올린은 강도 및 내구성이 우수하고 경제적이기 때문에 고성능 콘크리트 제조에 많이 쓰이는 실리카 흄(Silica fume; 이하 SF)의 대체재로 주목받고 있다[5].
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