[논문]α형 반수석고를 치환한 모르타르의 응결 및 압축강도, 건조수축 특성

이계혁; 김규용; 이보경; 신경수; 남정수

doi:10.11112/jksmi.2017.21.5.117

초록
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${\alpha}$형 반수석고는 생산방법이 복잡하고, 대량 연속 생산이 곤란하며, 재료 단가가 높기 때문에 건설재료로써 활용범위가 크지 않았으나, 최근 화력발전소의 배연탈황석고를 활용하여 경제적으로 ${\alpha}$형 반수석고를 제조하는 기술이 실용화되고 있다. 이에 본 연구에서는 응결 시작 시간이 빠르고 재령 초기 팽창변형이 발생하는 ${\alpha}$형 반수석고의 특징에 주목하여, ${\alpha}$형 반수석고를 10, 20, 30 wt.% 치환한 보통포틀랜드시멘트 및 고로슬래그시멘트 모르타르를 제조한 후 응결 및 압축강도 특성, 건조수축을 검토하였다. 실험 결과, ${\alpha}$형 반수석고의 치환율이 증가할수록 보통포틀랜드시멘트 모르타르 및 고로슬래그시멘트 모르타르의 초결시간이 빨라지는 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 보통포틀랜드시멘트 모르타르와 고로슬래그시멘트 모르타르 모두 ${\alpha}$형 반수석고의 치환율이 증가할수록 압축강도가 저하되는 경향을 보였으며, 보통포틀랜드 시멘트보다 고로슬래그시멘트에서 ${\alpha}$형 반수석고의 압축강도 발현이 유리한 것으로 나타났다. 한편, ${\alpha}$형 반수석고를 치환한 모르타르의 경우 ${\alpha}$형 반수석고의 혼입에 의해 생성된 에트링가이트 침상결정의 성장압에 의해 초기재령에서 수축변형이 저감되는 것을 확인할 수 있었으며, 초기 재령에서 수축변형의 억제 효과는 분명하지만, 재령이 지남에 따라 ${\alpha}$형 반수석고를 치환하지 않은 조건과 변형의 차이는 다시 감소하는 경향을 보였다. 따라서 ${\alpha}$형 반수석고를 모르타르에 적용할 경우 강도는 다소 저하하지만, 응결 촉진 및 수축변형 억제에 큰 효과가 있기 때문에 건설재료로써 활용 가치가 높을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, to evaluate the setting time, compressive strength and drying shrinkage of ordinary Portland cement and Portland blast-furnace slag cement mortar with 0, 10, 20, 30 wt.% alpha-calcium sulfate hemihydrate. As a results, as the replacement ratio of alpha-calcium sulfate hemihydrate incr...

In this study, to evaluate the setting time, compressive strength and drying shrinkage of ordinary Portland cement and Portland blast-furnace slag cement mortar with 0, 10, 20, 30 wt.% alpha-calcium sulfate hemihydrate. As a results, as the replacement ratio of alpha-calcium sulfate hemihydrate increased, the initial setting time of ordinary Portland cement and Portland blast-furnace slag cement mortar was faster. In addition, the compressive strength decreased with increasing replacement ratio of alpha-calcium sulfate hemihydrate in both ordinary Portland cement mortar and Portland blast-furnace slag cement mortar. The strength development of Portland blast-furnace slag cement mortar with alpha-calcium sulfate hemihydrate was effective than that of ordinary Portland cement mortar. On the other hand, in the case of the mortar with alpha-calcium sulfate hemihydrate, it was confirmed that shrinkage deformation was reduced at the early age by growth pressure of needle-shaped ettringite crystals produced by incorporation of alpha-calcium sulfate hemihydrate. However, the effect of inhibiting shrinkage deformation of mortar with alpha-calcium sulfate hemihydrate was not significant as the age passed. Therefore, it is considered that the alpha-calcium sulfate hemihydrate is useful as a construction material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

% 치환한 보통포틀랜드시멘트 및 고로슬래그시멘트 모르타르의 응결 및 압축강도 특성, 건조수축을 검토하였다. 본 연구는 α형 반수석고를 건설재료로 활용하기 위한 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 응결 시작 시간이 빠르고 재령 초기 팽창변형이 발생하는 α형 반수석고의 특징에 주목하여, α형 반수석고를 10, 20, 30 wt.% 치환한 보통포틀랜드시멘트 및 고로슬래그시멘트 모르타르의 응결 및 압축강도 특성, 건조수축을 검토하였다. 본 연구는 α형 반수석고를 건설재료로 활용하기 위한 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.

대상 데이터

본 연구의 실험계획을 Table 3에 나타냈다. α형 반수석고를 치환한 모르타르의 경화 특성 및 건조수축을 검토하기 위해 시멘트 종류와 α형 반수석고의 치환율을 실험변수로 설정하였으며, 시멘트의 종류는 보통포틀랜드시멘트, 고로슬래그시멘트의 2수준, α형 반수석고 치환율은 0, 10, 20, 30 wt.%의 4 수준에 대하여 실험을 수행하였다. 경화 특성을 검토하기 위해서 응결시간과 압축강도를 측정하였으며, 변형거동을 검토하기 위해 건조수축을 측정하였다.
05 g/cm³이며, 비표면 적은 3,500, 4,000 cm²/g이다. 본 연구에서 사용한 α형 반수석고는 배연탈황석고로부터 가압수용액법으로 제조된 것이며, 밀도는 2.72 g/cm³이며, 비표면적은 1,400 cm²/g이다. 잔골재는 ISO 표준사를 사용하였으며, 밀도는 2.
Table 1에 사용재료의 물리적 특성, Table 2에 사용재료의 화학조성을 나타냈다. 본 연구에서 사용한 시멘트는 KS L5201 ｢포틀랜드 시멘트｣의 1종 보통포틀랜드시멘트(ordinary Portland cement, OPC)와, KS L 5210 ｢고로슬래그 시멘트｣의 고로슬래그시멘트(Portland blast-furnace slag cement, PBC) 2종을 사용하였으며, 밀도는 각각 3.12, 3.05 g/cm³이며, 비표면 적은 3,500, 4,000 cm²/g이다. 본 연구에서 사용한 α형 반수석고는 배연탈황석고로부터 가압수용액법으로 제조된 것이며, 밀도는 2.

이론/모형

건조수축 측정은 KS F 2424 ｢모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법｣에 준하여 100×100×400 mm 크기의 시험체를 제작하였으며, 시험체 내부에 양단 플랜지형 변형률 게이지를 매립하였다. 시험체는 탈형 한 후 온도 20±1°C, 상대습도 60±3%의 항온·항습실에서 데이터로거를 활용하여 측정하였다.
압축강도는 KS L ISO 679 ｢시멘트의 강도 시험 방법｣에 준하여 40×40×160 mm의 시험체를 각 재령별로 3개씩 제작하였으며, 재령 1, 3, 7, 28일에 모르타르용 전용 지그를 이용하여 측정하였다. 측정 장치는 2 MN 용량의 만능재료시험기를 사용하였다.
응결시간 측정은 KS F 2436 ｢관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결 시간 시험방법｣에 준하여 측정하였으며, 회귀분석을 통해 관입저항이 3.5, 28.0 MPa가 될 때의 시간을 각각 초결시간과 종결시간으로 결정하였다.

성능/효과

1) α형 반수석고의 치환율이 증가할수록 보통포틀랜드시멘트 모르타르 및 고로슬래그시멘트 모르타르의 초결시간이 빨라지는 경향을 확인할 수 있었다. α형 반수석고를 30 wt.
2) 보통포틀랜드시멘트 모르타르와 고로슬래그시멘트 모르타르 모두 α형 반수석고의 치환율이 증가할수록 압축강도가 저하되는 경향을 보였다. 한편, α형 반수석고를 10 wt.
3) 보통포틀랜드시멘트 모르타르 및 고로슬래그시멘트 모르타르에 α형 반수석고를 치환할 경우 α형 반수석고의 혼입에 의해 생성된 에트링가이트 침상결정의 성장압에 의해 초기재령에서 수축변형이 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 초기 재령에서 수축변형의 억제 효과는 분명하지만, 재령이 지남에 따라 α형 반수석고를 치환하지 않은 조건과 변형의 차이는 다시 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다.
4) α형 반수석고는 용해도가 크기 때문에 일정 혼입률 이상으로 첨가할 경우 응결이 빨라지며, 에트링가이트 형성에 영향을 미치기 때문에 강도 저하 및 팽창변형을 발생시키는 특징이 있다. 이러한 이유로 모르타르에 적용할 경우 강도는 다소 저하하지만, 응결 촉진 및 수축변형 억제가 요구되는 건설재료로써 α형 반수석고의 활용가치가 높을 것으로 판단된다.

후속연구

한편, 초기재령에서 변형률의 차이는 크지만, 재령이 지남에 따라 변형률의 차이는 다시 감소하는 경향을 보이기 때문에 α형 반수석고를 치환한 모르타르의 장기적인 변형 거동에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	α형 반수석고를 주로 제조하는 방법의 단점은?	한편, α형 반수석고는 이수석고로부터 오토클레이브(autoclave)를 사용하는 가압수증기법, 가압수용액법과 오토클레이브(autoclave)를 사용하지 않는 상압수증기법, 상압수용액법의 방법으로 만들어지고 있다. 그러나 이러한 방법은 생산방법이 복잡하고, 대량 연속 생산이 곤란하며, 재료 단가가 높아지기 때문에 건설재료로써 활용가치가 낮았다. 그러나 최근 화력발전소에서 발생하는 배연탈황석고(flue gas desulfurization gypsum)를 활용하여 경제적으로 α형 반수석고를 제조하는 기술이 실용화되고 있다(Jiang, G.
	석고란?	석고는 온도 및 습도 등에 따라 결정수의 양이 달라지는 물질로써 무수석고(calcium sulfate anhydrite, CaSO4), 반수석고(calcium sulfate hemihydrate, CaSO4·1/2H2O),이수석고(calcium sulfate dehydrate, CaSO4·2H2O)의 세 종류로 구분된다(Hand,1997). 이를 세부적으로 나누면 반수석고는 α형, β형으로 구별되고, 무수석고는 I형, II형, III형으로 구별된다.
	반수석고가 어느 정도 이상의 첨가에서 과포화용액으로부터 곧바로 이수석고가 석출되고 응결되는 이유는?	이러한 반수석고의 경우 α형 반수석고(alpha-calcium sulfate hemihydrate), β형 반수석고(beta-calcium sulfate hemihydrate) 모두 주변의 수분에 의하여 쉽게 수화되는 가용성 석고이며, 주변에 수분이 있으면 흡수하여 이수석고로 재수화되면서 응결되는 특징이 있다. 반수석고는 무수석고나 이수석고보다 용해도가 크기 때문에 어느 정도 이상의 첨가에서는 과포화용액으로부터 곧바로 이수석고가 석출되고 응결한다. 반수석고는 앞에서 언급한 바와 같이, 가용성석고로써 주변의 수분을 쉽게 흡수하기 때문에 팽창 및 경화속도를 촉진시킨다.

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