[논문]비소성 시멘트 모르타르의 증기양생 후 열처리에 따른 물리적 특성

나형원; 형원길

doi:10.5345/jkibc.2021.21.2.097

비소성 시멘트 모르타르의 증기양생 후 열처리에 따른 물리적 특성
Physical Properties of Non-sintered Cement Mortar with Heat Treatment after Steam Curing 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.21 no.2, 2021년, pp.97 - 104

나형원 (School of Architecture, Yeungnam University) , 형원길 (School of Architecture, Yeungnam University)

초록
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본 연구에서는 산업부산물을 전량 활용하여 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 비소성 시멘트 개발을 목표로 하였다. 이를 위해 고로슬래그 미분말과 F급 플라이애시, C급 플라이애시를 사용하여 양생방법에 따른 비소성 시멘트 모르타르의 물리적 특성에 대해 파악하였다. 연구 결과, 증기양생 후 열처리 과정을 통해 강도성능과 흡수율이 향상되는 것으로 나타났다. 결정상 분석을 통해 열처리 후 수화물의 촉진을 확인하였으며, 결합재는 치밀한 내부구조를 형성하게 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to develop non-sintered cement that can replace the Portland cement by utilizing industrial by-products. As a suggestion, the physical properties of non-sintered cement mortar depending on the curing method were investigated with ground granulated blast furnace slag, class C fly ash, and class F fly ash. As a result of the study, it was found that the strength performance and absorption rate were improved through the heat treatment process after steam curing. It was confirmed through crystal phase analysis that the hydration was accelerated after heat treatment, and the bonding material formed a dense internal structure.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. XRD patterns of (a) GGBFS and (b) FFA, (c) CFA raw materials
표 Table 1. Chemical composition of raw materials
표 Table 2. Mix proportions of mortars
표 Table 3. Curing regime
표 Table 4. Evaluation Items
그림 Figure 2. Flexural strength for mortar
그림 Figure 3. Compressive strength of mortar
그림 Figure 4. Water absorption of mortar
$Figure 5. X-ray diffraction analysis of specimens in 7 days$ 그림 Figure 5. X-ray diffraction analysis of specimens in 7 days
그림 Figure 6. SEM image of form removal
그림 Figure 7. SEM image of specimens in 7 days

AI 본문요약
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문제 정의

나타낸 것이다. 강도와 흡수율은 PC제품의 출하 시기를 고려하여 설정한 것으로 재령 14일을 기준으로 전후 성능을 파악하고자 하였다. 또한 열처리 이후 재령 7일의 NSC 모르타르의 결정상을 분석하기 위해 양생조건과 배합비에 따라 X선 회절 분석(X-ray Diffraction; 이하 XRD)을 실시하였고 수화생성물을 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, 이하 SEM) 관찰을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 OPC와 알칼리 활성화제를 사용하지 않은 비소성 시멘트(Non-Sintered Cement; 이하 NSC) 모르타르를 개발하여 활용도가 높은 저강도의 콘크리트(Precast Concrete; 이하 PC)제품군에 적용하고자 하였다. 이를 위해 온도 의존성이 높은 사용재료의 특성[1]을 고려하여 열처리를 실시한 NSC 모르타르의 물리적 특성을 파악하였다.
이를 위해 온도 의존성이 높은 사용재료의 특성[1]을 고려하여 열처리를 실시한 NSC 모르타르의 물리적 특성을 파악하였다. 또한 적정배합조건과 양생조건을 도출함으로써 산업부산물의 사용성 확대와 품질확보에 기여할 수 있는 방안에 대해 검토하였다.

제안 방법

NSC 모르타르의 SEM 관찰은 강도 측정 시, 채취한 시료를 분말 형태로 제조하여 1일 동안 아세톤 용액에 침지시킨 후주 사형 전자 현미경(Hitachi, S-4800)을 이용하여 관찰하였다. 결정구조는 X선 회절 분석기(Diatome, MPD for bulk) 를 이용하여 40kv, 30mA, angle 10°∼70°조건에서 측정하였다.
NSC 모르타르의 휨강도 및 압축강도 시험은 UTM (Hansin Kumpung, HST-50CS)을 사용하여 탈형 강도와 재령 3, 7, 14, 28, 56일 강도를 측정하였다.
NSC 모르타르의 흡수율 시험은 온도 100±5℃ 조건에서 24시간 건조시킨 절대건조 상태의 무게를 측정한 후, 온도 20±5℃ 조건의 맑은 물 안에서 24시간 경과한 후 표면 건조상태의 질량을 측정하였다. 각 공시체의 흡수율은 수식 (1) 에대입하여 파악할 수 있다.
결정구조는 X선 회절 분석기(Diatome, MPD for bulk) 를 이용하여 40kv, 30mA, angle 10°∼70°조건에서 측정하였다.
강도와 흡수율은 PC제품의 출하 시기를 고려하여 설정한 것으로 재령 14일을 기준으로 전후 성능을 파악하고자 하였다. 또한 열처리 이후 재령 7일의 NSC 모르타르의 결정상을 분석하기 위해 양생조건과 배합비에 따라 X선 회절 분석(X-ray Diffraction; 이하 XRD)을 실시하였고 수화생성물을 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, 이하 SEM) 관찰을 실시하였다.
StepⅡ는 열처리 단계로, 증기양생을 통해 경화된 공시체를 100℃와 250℃에서 24시간동안 열처리하였다. 열처리한 공시체는 서서히 냉각시킨 후 온도 20±2℃, 상대습도 60±5% 조건의 항온·항습실에서 양생을 실시하였다.
따라서 CFA는 단독으로 사용할 수 없으며 CFA를 사용한 결합재의 안정화를 도모하기 위해 F급 플라이 애시(Type F Fly Ash; 이하 FFA)와 혼합하여 사용할 것을 「KS L 5405 플라이애시」에서 권장하고 있다. 이를 바탕으로 CFA와 FFA의 치환 비율을 1:3, 1:1, 3:1 로 설정하였으며 혼합사용 시 적정 비율을 도출하고자 하였다.
이하 PC)제품군에 적용하고자 하였다. 이를 위해 온도 의존성이 높은 사용재료의 특성[1]을 고려하여 열처리를 실시한 NSC 모르타르의 물리적 특성을 파악하였다. 또한 적정배합조건과 양생조건을 도출함으로써 산업부산물의 사용성 확대와 품질확보에 기여할 수 있는 방안에 대해 검토하였다.

대상 데이터

GGBFS을 기반재료로 사용하였으며, 잠재수경성인 GGBFS의 수화반응을 촉진시키기 위해 C급 플라이 애시 (Type C Fly Ash; 이하 CFA)를 사용하였다. CFA를 사용하는 경우, 다량의 CaO, SO₃ 등의 성분을 함유하고 있으므로초기 수화반응 촉진과 수화물에 의한 팽창을 유발할 수 있다.
4로 고정하여 진행하였다. NSC 모르타르의 비빔은 원재료를 계량한 후 배합수를 가하여 모르타르혼합기를 사용하였다. 혼합 후에는 강제식 3연 몰드를 사용하여 제작하였다.
본 실험에서는 NSC 모르타르의 물리적 특성을 대조해 보기 위해「KS L 5201 포틀랜드 시멘트」의 규정을 만족하는 보통 포틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였으며, 「KS F 2563 콘크리트용 고로슬래그 미분말」의 규정을 만족하는 고로슬래그 미분말(GGBFS)을 사용하였다. Table 1과 Figure 1은 원재료의 화학조성과 결정상을 나타낸 것이다.

성능/효과

1) 양생방법에 따른 NSC 모르타르의 강도 시험 결과, 적정온도의 열처리를 통해 강도는 향상되는 것으로 나타난다. 열처리 후 강도는 일시적으로 저하되지만 재령이 지남에 따라 안정화된다.
그러나 열처리 후 NSC 모르타르의 흡수율은 변화폭이 급격하게 낮아지는 경향을 보인다. 100℃ 열처리 이후 Plain 모르타르의 흡수율은 휨강도 저하시기에 소폭 증가되는 반면 NSC 모르타르의 흡수율은 열처리 이후에 대폭 낮아지고 이 시기에 강도가 증가되는 것을 확인할 수 있다. 250℃ 열처리 이후 재령 3일에는 모든 배합에서 흡수율이 다소 높게 나타나는데, 이를 통해 250℃ 조건에서는 충분한 내부구조를 형성하지 못한 것으로 볼 수 있다.
2) 열처리 후 NSC 모르타르의 강도 발현은 CFA 치환 비율이 높을수록 빠르게 반응하였다. PC 제품 적용 시 유리한 양생조건과 배합비를 도출하면 100℃ 열처리 조건에서 C₁₅F5 배합임을 알 수 있다.
3) 양생방법에 따른 NSC 모르타르의 흡수율 시험 결과, 열처리를 통해 강도가 향상되는 시기에 흡수율 성능도 크게 개선되는 것으로 나타난다. 이는 반응성이 촉진되어 흡수율 성능이 개선된 것으로 볼 수 있다.
4) 양생방법에 따른 NSC 모르타르의 XRD 분석 결과, 열처리 이후 Alumino Silicate 생성이 촉진된다. 이와 같은 수화물이 촉진되는 시기에 강도의 저하를 유발하지만 이후 강도 성능은 향상된다.
5) 양생방법에 따른 NSC 모르타르의 SEM 관찰 결과, 열처리 이후 밀실해진 내부구조를 형성함에 따라 강도와 흡수율 성능이 개선된 것으로 판단할 수 있다.
보인다. C₅F15 배합의 압축강도는 열처리 이후 증기양생 측정값보다 크게 향상되어 나타났다. C₁₀F10 배합은 100℃ 열처리 후일 정하게 상승하는 경향을 보이지만, 250℃ 열처리 후에는 재령 14일 강도저하가 나타난다.
이를 통해 적정 온도의 열처리를 통해 NSC 모르타르의 압축강도는 향상되는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로, 실험에 사용된 비소성의 원재료는 온도의존성이 높기 때문에 수화반응촉진을 위해 적정 온도의 열처리는 필수적이며 NSC 모르타르는 PC제품 적용가능성이 높은 것으로 판단된다.
블록」의 품질기준을 만족해야 한다. 본 연구에서 제시한 배합조건과 양생이력을 통해 NSC 모르타르는 앞서 제시한 PC제품의 품질기준을 만족하는 것으로 나타났다. 다만 강도시험 결과와 함께 NSC 모르타르의 흡수율 또한 고려할 필요가 있으며 성능발현 시기를 고려하여 PC제품의 출하 시기를 설정할 필요가 있다.
이를 통해 NSC 모르타르는 고온의 양생 조건에서 침상구조 사이에 수화물을생성함으로서 일체화되고 안정적인 성능 확보가 가능한 것으로 사료된다. 양생방법에 따른 NSC 모르타르의 SEM 관찰 결과, 다양한 형상의 수화생성물을 관찰할 수 있으며 열처리 후 내부구조는 밀실해지는 것으로 나타났다.
양생방법에 따른 NSC 모르타르의 흡수율 시험 결과, 증기양생 실시 후 열처리를 통해 NSC 모르타르의 흡수율은 향상되며 적정 열처리 온도는 100℃로 도출할 수 있다. 적정 배합비는 PC제품 종류에 따라 흡수율 기준이 상이하므로 이를 고려하여 도출할 필요가 있다.
다만 100℃ 조건에서 보다 낮은 흡수율을 나타내므로 좀 더 밀실한 내부구조를 관찰할 수 있다. 이를 통해 NSC 모르타르는 고온의 양생 조건에서 침상구조 사이에 수화물을생성함으로서 일체화되고 안정적인 성능 확보가 가능한 것으로 사료된다. 양생방법에 따른 NSC 모르타르의 SEM 관찰 결과, 다양한 형상의 수화생성물을 관찰할 수 있으며 열처리 후 내부구조는 밀실해지는 것으로 나타났다.
열처리 이후 일부 배합에서 강도 저하는 나타나지만 이후 점차 안정화되며 강도는 다시 상승된다. 이를 통해 적정 온도의 열처리를 통해 NSC 모르타르의 압축강도는 향상되는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로, 실험에 사용된 비소성의 원재료는 온도의존성이 높기 때문에 수화반응촉진을 위해 적정 온도의 열처리는 필수적이며 NSC 모르타르는 PC제품 적용가능성이 높은 것으로 판단된다.
나타난다. 적정 온도의 열처리를 통해 NSC 모르타르의 반응성은 향상되며, 100℃ 열처리 후 C₁₅F5 배합이 가장 안정적으로 휨강도를 발현하였다.
결과를 나타낸 것이다. 증기양생 실시 후 모든 배합의 압축강도는 재령이 지남에 따라 상승하는 것을 확인할 수 있다.
결과를 나타낸 것이다. 증기양생 실시 후, 모든 배합의 휨강도는 재령이 지남에 따라 상승하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

본 연구 결과, 열처리 과정을 거친 NSC 모르타르를 PC 제품에 적용한다면 초기강도 보완이 가능하고, 산업부산물의 사용성 확대에도 기여할 수 있을 것이다.
다량의 CFA는 내부구조의 팽창 및 공극을 유발할 수 있으므로 흡수율이 높게 나타나는 원인으로 작용한 것으로 보인다. 이러한 경향은 SEM 관찰 결과를 통해서 확인할 수 있으나 추후 공극 구조를 파악하는 시험을 통해 정확도를 보완할 필요가 있을 것으로 사료된다.

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