1. 서    론

최근 국내외적으로 많은 연구가 진행되고 있는 알칼리 활성화 시멘트(alkali-activated cement; AAC)는 기존의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement; OPC)를 대체할 수 있는 시멘트 중 하나로 인식되고 있다. 특히, 고로 슬래그 미분말을 활성화 반응의 주요 재료로 하는 알칼리 활성화 슬래그 시멘트(alkali-activated slag cement; AASC)는 산업부산물의 재활용과 환경부하 저감 등의 특성에 의해 친환경 콘크리트의 개념으로 소개되어 많은 연구가 이루어지고 있다. AASC는 높은 초기강도, 높은 내구성 등의 장점을 나타내지만 급격한 유동성의 저하 또는 빠른 초기 응결과 OPC 보다 큰 건조수축(drying shrinkage) 등의 단점도 존재하고 있다. 이러한 단점들을 해결하기 위해 국내외 여러 학자들은 다양한 실험을 통해 그 원인과 대책에 대해 연구하고 있다.^1-5)

기존의 연구에서 AAC의 건조수축의 발생원인에 대해 다양한 원인을 설명하고 있지만(Melo Neto et al.,¹⁾ Collins and Sanjayan⁴⁾), 아직까지 명확한 건조수축 원인과 해결방안은 찾지 못하고 있다. 그러나 여러 실험요인을 고려한 건조수축의 특성 연구도 상당히 많이 연구되었다. Cengiz Duran Atis et al.²⁾는 활성화제의 종류에 따른 AASC의 건조수축 특성연구에서, 액상의 규산나트륨(liquid sodium silicate; LSS)은 OPC에 비해 6배, 수산화나트륨(sodium hydroxide; SH)은 3배의 높은 건조수축을 나타냈고, 탄산나트륨(sodium carbonate; SC)은 OPC와 거의 비슷하거나 낮은 건조수축을 나타냈다고 하였다. Krizan and Zivanovic³⁾은 다양한 종류의 LSS를 사용한 AASC 실험에서 OPC보다 높은 건조수축률을 보고하였다.

Collins and Sanjayan⁵⁾은 다공성 굵은골재(porous coarse aggregate)를 사용하여 건조수축을 감소시키는 결과를 보고하였다.

Palacios and Puertas⁶⁾는 다양한 종류의 혼화제(super-plasticizer)와 수축저감제(shrinkage-reducing admixture; SRA)를 사용하여 AASC의 건조수축 특성에 대해 연구하였다. 또한 Palacios and Puertas⁷⁾은 수축저감제를 사용하여 AASC의 건조수축을 감소시킨다고 보고하였다. Bilim C. et al.⁸⁾은 수축저감제, 혼화제 그리고 응결지연제(set-retarding admixture)등을 사용하여 AASC의 건조수축에 대한 연구를 하였다. 연구결과에서 수축저감제와 응결지연제가 건조수축을 감소시키는 결과를 나타내었다고 했다. Chang et al.⁹⁾은 석고(gypsum)의 혼합은 AASC의 건조수축을 감소시킨다고 하였다. Maochieh Chi¹⁰⁾는 활성화제인 LSS의 농도 및 시험체의 양생조건에 따른 AASC의 건조수축 특성에 대해 연구하였다.

De Schutter and Poppe¹¹⁾는 잔골재의 종류가 모르타르의 특성에 큰 영향을 미친다고 보고하였다. 특히, 입도곡선, 조립률, 표면적 등이 모르타르의 유동성과 건조수축에 영향을 미친다고 하였다. Redy and Gupta¹⁶⁾ 등은 OPC를 기반으로 한 모르타르의 시험에서 입도가 크고(coarse) 작은(fine) 잔골재들의 유동특성과 강도에 대해 연구를 하였다. V.G. Haach et al.¹⁵⁾ 등은 OPC 모르타르에서 잔골재의 입도에 따른 강도 특성에 대해 연구하였다. 그러나 OPC 기반의 모르타르에 대한 연구와 비교하여 AASC에서 잔골재의 영향에 관한 연구는 상대적으로 부족하다고 판단된다.

본 연구에서는 AASC에 대한 강도와 건조수축 메커니즘 규명과 특성 파악을 위한 기초연구로서, 잔골재의 입자 크기에 따른 AASC의 압축강도와 건조수축에 관한 영향을 살펴보고자 한다. 또한 잔골재의 입도에 따른 AASC의 건조수축과 강도의 관계를 알아보고자 하였다.

2. 실험계획

잔골재의 입자 크기에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성을 살펴보기 위해 강모래와 3종류의 입자크기를 가지는 규사(silica sand)를 혼합하여 모르타르를 제작하였다.

2.1 사용재료

본 연구를 위해 사용한 고로슬래그 미분말은 포항의 K사 제품을 사용하였으며, XRF에 의한 성분 분석 결과를 Table 1에 나타내었다.

잔골재는 강모래와 입도가 다른 3종류의 규사를 사용하였고, 규사는 물리-화학적 성질이 동일하도록 단일 채취장소에서 생산 가공된 제품을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 규사는 강원도에서 채취한 것으로 SiO₂가 97.12%로 구성되어 있고, 밀도는 0.0027 g/mm³, 흡수율은 0.23%이다. 표면적(surface area)은 강모래와 규사 입자가 모두 구형(spherical) 이라고 가정하고, 을 사용하여 계산하였다¹²⁾. 여기서 는 골재의 밀도이고, 은 골재의 평균입경을 의미한다. 그리고 강모래()와 규사()의 평균입경에 대한 비를 로 나타내었다. Table 2는 본 연구에 사용된 강모래와 3종류의 규사에 대한 특성을 나타내었다.

본 연구에서는 강모래와 3종류의 규사를 각각 혼합한 혼합 잔골재에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성을 살펴보기 위해 잔골재의 혼합을 평균입도비()에 따라 3가지 시리즈로 구분하였다. 첫째, 강모래와 SS1 규사를 0~100%까지 10% 단위로 치환하는 S1 시리즈(=6.818), 둘째는 강모래와 SS2 규사를 S1시리즈와 같은 비율로 치환하는 S2 시리즈(=3.363), 그리고 마지막으로 강모래와 SS3 규사를 동일 비율로 치환하는 S3 시리즈(=2.545)의 3가지로 구분하여 각각의 혼합 잔골재에 따른 AASC의 강도와 건조수축 특성을 살펴보고자 하였다.

Fig. 1는 강모래(RS)와 3종류의 규사(SS1, SS2, SS3)의 입도곡선을 나타낸 것이다.

강모래와 입도가 다른 규사를 혼합한 잔골재의 조립률(FM)과 표면적은 Fig. 2에 나타내었다. 조립률은 혼합된 잔골재에 대해 실제 측정한 값이고, 표면적은 이론계산에 의한 값이다. 이를 통해 표면적은 규사의 치환율이 높아질수록 감소하고 있으며, 조립률은 규사의 치환율이 높아질수록 증가하는 경향을 나타내고 있었다. 또한 조립률과 표면적은 규사의 치환율에 따라 서로 상반되는 경향을 나타내었다. 강모래와 비교하여 상대적으로 큰 규사 입자의 영향이 다양한 조립률과 표면적을 나타내도록 설계하였다.

2.2 배합 및 시편제작

실험을 위해 W/B는 0.50로 하고, 규사를 각각의 입자 크기별로 잔골재 중량의 0%에서 100%까지 10% 단위로 치환하였다. 모르타르 배합의 결합재와 모래의 중량비는 1 : 2이다. Table 3은 모르타르 배합에 사용된 재료의 중량비를 나타낸 것이다.

실험에 사용된 알칼리 활성화제는 S사의 수산화나트륨(sodium hydroxide; NaOH, purity > 98%)이다. 활성화제의 첨가량은 결합재(binder) 중량의 2M와 4M의 두 가지 농도를 사용하였다. 활성화제를 배합수에 해당 농도만큼 투입 후 잘 저은 다음, 6시간 정도 실내에 방치한 후 사용하였다. 배합은 KS L 5109에 따라 배합하였다. 배합 후 온도 23±2°C, 상대습도 75±5%의 항온항습기에 24시간 동안 보관 후 몰드를 제거한 다음 온도 23±2°C, 상대습도 75±5%의 항온항습기에 측정 재령일까지 보관하였다. 각 실험 Case와 고려요소는 Table 4에 나타내었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 플로우

Fig. 3은 혼합 잔골재의 플로우 측정 결과이다. 플로우는 KS L 5111의 규정에 따라 시험하였다. 활성화제의 농도가 증가하면 상대적으로 플로우가 감소하는 것이 관찰되었다. 활성화제의 농도가 증가하면 고로슬래그 미분말의 활성화 반응과 반응생성물질의 생성이 증가되어 응결과 경화 작용이 촉진되는 결과로 생각된다. 규사의 크기가 상대적으로 큰 S1 시리즈의 시험체가 가장 큰 플로우 값을 나타내었고, 그 다음이 S2와 S3 순서였다. 잔골재의 입자가 커짐에 따라 상대적으로 페이스트와의 부착면적이 작아지고, 페이스트의 유동에 대한 저항성이 감소하여 플로우 값이 증가하는 것으로 생각된다. 이러한 결과는 V.G. Haach¹⁵⁾와 Reddy and Gupta¹⁶⁾의 입도가 큰 잔골재를 사용한 모르타르의 플로우 값이 상대적으로 크게 측정된 연구결과와 유사한 결과를 나타내고 있다. 따라서 플로우를 통해 살펴본 AASC 모르타르의 유동특성은 잔골재 입자의 크기에 영향을 많이 받는 것으로 판단된다.

3.2 압축강도

Fig. 4는 혼합 잔골재의 압축강도 특성에 대한 결과를 나타내고 있다. 압축강도는 KS L5105 규정에 따라 측정하였으며, 3개의 시험체를 측정하여 그 평균값을 사용하였다.

압축강도 측정결과를 살펴보면, S1, S2 그리고 S3 시리즈 모두 특정 규사 혼합율에서 강도가 증가한 것으로 나타났다. 또한 3, 7, 28 그리고 91일의 모든 측정 재령에서 동일한 특정 규사 혼합율에서 강도가 증가하는 특성을 보이고 있었다. S1의 경우 활성화제 농도가 2M인 배합에서는 R5(RS 50% + SS1 50%)에서, 4M에서는 R5(RS 50% + SS1 50%)에서 최대 압축강도 값을 측정되었다. S2는 2M의 활성화제 농도에서는 R3(RS 70% + SS2 30%)에서, 4M일 때는 R4(RS 60% + SS2 40%)인 경우가 가장 큰 강도를 나타내었다. S3은 활성화제 농도가 2M인 경우에는 R2(RS 80% + SS3 20%), 4M일 때는 R3(RS 70% + SS3 30%)인 경우가 가장 큰 압축강도를 나타내었다. 각각의 혼합 잔골재 비에 따른 91일 최대 압축강도를 Table 5에 나타내었다.

활성화제의 농도에 따른 강도 특성은 세 시리즈가 다르게 나타나고 있다. 2M의 활성화제 농도에서 최고강도는 S3 시리즈에서, 4M의 활성화제 농도에서는 S1 시리즈에서 최고 강도가 발생하였다. 또한 최고강도가 발생한 혼합율을 보면, S1 시리즈는 2M와 4M 농도에서 모두 R5가, S2 시리즈는 2M에서 R3이, 4M의 농도에서는 R4, S3 시리즈에서는 2M 농도는 R2가 4M 농도는 R3으로 나타났다. 이러한 특성은 활성화제의 농도가 작을 때는 상대적으로 잔골재와 페이스트간의 부착력보다 골재입자간의 인터록킹(interlock)과 입자의 분포, 입자간 필러(filler)효과 등에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 G. A. Rao,¹¹⁾ S.K. Lim et al.,¹⁴⁾와 V.G Haach et al.¹⁵⁾ 등의 연구결과와 유사한 경향을 나타내고 있다. 그러나 활성화제의 농도가 증가하면 활성화 반응이 증대되어 반응 생성물질들의 생성이 촉진되고 잔골재와 페이스트 간의 부착력 증대와 함께 골재의 입도 차이에 따른 인터록킹 등의 영향이 복합적으로 작용하여 강도 증가에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이러한 결과를 볼 때 동일 W/B비와 잔골재를 사용한 AASC 모르타르에서 활성화제의 농도는 압축강도에 중요한 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 AASC 모르타르에서 활성화제의 농도와 잔골재의 입도사이에 강도에 영향을 미치는 상관관계가 있을 것으로 생각할 수 있다.

Fig. 5는 압축강도와 혼합 잔골재의 조립률과의 관계를 나타낸 것이고, Fig. 6은 압축강도와 혼합 잔골재의 표면적과의 관계를 나타낸 것이다.

조립률에 따른 강도 특성을 살펴보면 2M의 활성화제 농도에서 최고강도는 조립률이 2.4~3.5 범위에서 발생하고, 4M의 농도에서는 2.8~3.5의 조립률 범위에서 발생하고 있다. 또한 표면적을 보면 최고강도가 발생한 혼합잔골재의 표면적은 2M의 활성화제 농도에서는 2.3~3.6 m²/kg에서, 4M의 농도에서는 2.4~3.3 m²/kg 범위에서 발생하고 있다. 이러한 특정 조립률과 표면적 범위에서 최고 강도가 발생하는 것은 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 G. A. Rao¹²⁾가 연구한 결과에서와 유사한 경향을 나타내고 있다.

Fig. 7은 세 개의 시리즈에서 최고 강도가 발생한 혼합 잔골재의 조립률과 표면적의 관계를 나타낸 것이다. 최고 강도가 발생한 혼합 잔골재의 조립률과 표면적의 역수는 선형적인 상관관계를 나타내고 있음을 알 수 있다. 특히 활성화제의 농도에 관계없이 선형적인 상관관계가 나타나고 있다. 조립률과 표면적과의 상관관계를 통해 AASC의 배합에서 적정 수준의 높은 강도를 얻기 위해서는 배합전 사용될 잔골재의 조립률과 표면적 사이의 상관관계를 파악하고 적절한 조절이 필요할 것으로 판단된다.

3.3 건조수축

건조수축의 측정은 ASTM C490 규정에 의해 25×25×285mm 시험체를 제작하여 측정하였다. 건조수축의 측정은 ASTM C596에 제시된 방법을 따라 몰드에 타설 한 후 24시간 동안 23±2°C, 습도 75±5%의 항온항습기에 보관한다. 그다음 몰드를 제거하고 48시간 동안 23±2°C의 수중에 보관한 다음 시험체를 꺼내 초기 길이를 측정한다. 그 후 7일 단위로 시험체의 길이변화를 측정하여 건조수축율을 계산하였다. Fig. 8은 혼합 잔골재의 건조수축율을 나타낸 것이다. 건조수축 특성을 살펴보면, S1 > S2 > S3 순서로 건조수축 감소효과가 크게 나타난 것을 알 수 있었다. 건조수축의 감소효과는 치환하는 규사의 입자가 클수록 건조수축 감소효과도 더 크게 나타나고 있었다. 이러한 결과는 골재의 입자 크기에 따른 건조수축의 영향을 연구한 선행 연구의 결과와 유사한 경향을 나타낸다. G. A. Rao¹¹⁾는 OPC와 실리카 퓸(silica fume)을 혼합한 결합재에서 잔골재의 입자 크기가 커질수록 건조수축이 감소한다고 보고하였다. 따라서 본 연구에 사용한 혼합 잔골재의 건조수축 감소 경향은 OPC를 이용한 실험결과들과 유사함을 알 수 있었다.

Fig. 8에 나타난 결과를 살펴보면 잔골재의 평균입도비()에 따라 건조수축에 미치는 영향이 다른 것을 알 수 있다. 즉, 평균입도비가 큰 S1 시리즈의 경우 강모래와 비교하여 상대적으로 큰 입자의 규사가 혼합되어 건조수축감소 효과가 크고, S2와 S3 순서로 평균입도비가 감소함에 따라 건조수축이 감소하는 정도도 감소하고 있음을 알 수 있다. S.K. Lim¹⁴⁾는 잔골재의 입도가 작을수록 모르타르 내부에 수분을 저장하는 능력이 더욱 향상된다고 하였다. 이러한 입도가 작은 잔골재의 수분 저장능력 증가는 건조수축을 증가시키는 원인으로 생각할 수 있다. 따라서 강모래와 혼합되는 규사의 입도가 건조수축에 영향을 미치는 중요인자 중 하나라고 판단된다.

Table 6은 재령 182일에서의 최종 상대건조수축율을 정리하여 나타낸 것이다. S1에서 2M의 활성화제 농도에서 SS1의 치환율이 가장 높은 R10(RS 0% + SS1 100%)의 경우 R0(RS 100% + SS1 0%)에 비해 56.2% 건조수축 감소효과가 있었고, 4M의 경우에는 R10에서 44.0%의 감소효과가 있었다. S2의 2M 농도에서는 R10은 R0와 비교하여 17.5%, 4M에서는 23.6% 건조수축이 감소하였다. S3에서는 건조수축이 2M일 때 R10은 R0와 비교하여 8.8%, 4M인 경우에는 17.5% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 본 연구에서 고려한 입자의 크기가 다른 규사를 혼합한 혼합잔골재가 선행 연구들에 나타난 다양한 건조수축 감소방법과 비교하여도 효과적인 결과를 나타내고 있다고 판단된다.

Fig. 9은 각 시리즈에서 측정한 건조수축 중 182일 최대 건조수축율을 조립률과 표면적에 대해 나타낸 것이다. Fig. 9의 그래프에서 나타난바와 같이, 조립률은 증가하고 표면적은 감소할수록 건조수축이 감소하는 경향을 나타내는 것을 볼 수 있었다. 따라서 건조수축의 영향을 고려하기 위해서는 잔골재 가능한 범위 내에서 조립률을 크게 하고, 표면적은 작게 하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

잔골재의 종류와 혼합율에 따른 AASC 모르타르의 강도와 건조수축 특성은 기존의 OPC계 모르타르의 잔골재에 따른 특성과 유사한 것을 할 수 있다. 그러나 OPC계 모르타르와 다르게 AASC 모르타르는 활성화제의 농도에 따라 잔골재와 페이스트 간의 부착력 등에 영향을 미치고 이에 따라 강도와 건조수축 특성이 다르게 나타나는 것으로 판단된다. 따라서 잔골재의 특성과 함께 활성화제의 농도도 AASC 모르타르의 특성에 중요한 요인으로 고려되어야 할 것으로 판단된다.

4. 결    론

본 연구는 강모래와 3종류의 입자 크기가 다른 규사를 각각 혼합한 혼합잔골재에 따른 AAC의 강도와 건조수축에 관한 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

1)강모래와 혼합하는 규사의 크기와 치환율에 따라 조립률(FM)과 표면적(surface area)등이 변화하고 이러한 물리적 특성의 변화는 AAC 모르타르의 초기 유동성, 압축강도 그리고 건조수축에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

2)활성화제의 농도가 2M인 경우, 세 가지 시리즈에서 발생한 최고강도는 조립률이 2.4~3.5, 표면적인 2.3~3.6 m²/kg이고, 4M일 때는 조립률이 2.8~3.5, 표면적인 2.4~3.3 m²/kg의 범위에서 발생하였다. 따라서 혼합잔골재의 조립률과 표면적이 특정 범위에 있을 때 최고강도가 발생하고 있음을 알 수 있었다.

3)입도가 다른 잔골재를 혼합한 혼합잔골재의 특정 조립률과 표면적의 범위내에서 AASC의 압축강도가 향상되는 것을 알 수 있었다. 따라서 두 종류의 서로 다른 입도를 가지는 잔골재를 적정 범위의 조립률과 표면적이 되도록 조절하면 충분한 강도향상을 만들 수 있다고 생각된다.

4)혼합잔골재의 사용하여 AASC 시험체의 건조수축이 전반적으로 감소하고 있음을 알 수 있었다. 3종류의 규사 모두, 강모래에 대한 치환율이 증가함에 따라 건조수축이 감소하는 결과를 가져왔다. 따라서 기존의 선행 연구에서 나타난 다양한 건조수축 저감방법과 함께 본 연구에서 사용한 입자의 크기가 다른 잔골재를 혼합하여 건조수축을 감소시키는 방법도 효과적인 것으로 판단된다.

5)그러나 건조수축의 감소를 위해서는 평균입경비()가 커야하고 또한 규사의 치환율도 높아야 하는데, 강도 특성은 규사의 치환율이 특정 범위일 때 최고강도가 발생하고 있다. 따라서 건조수축과 강도에 대한 중요성을 고려하여 적절한 범위의 규사 치환율을 선정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

혼합잔골재를 통해 압축강도 향상과 건조수축의 저감이 적정수준 조절될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구결과를 바탕으로 추후 다양한 인자를 고려한 연구결과와 함께 체계적인 분석이 더 이루어진다면 AASC의 건조수축과 강도에 영향을 미치는 혼합잔골재에 대한 세부적인 사항이 밝혀질 것으로 판단된다.