1. 서    론¹⁾

친환경콘크리트에 대한 사회적 관심이 높아지면서 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)를 대체할 결합재로서 플라이애시(Fly Ash, FA) 및 고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS)을 활용한 알칼리 활성화 결합재(Alkali -Activated Materials, AAM)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.^1,2)

AAM은 알루미나 규산염(Aluminosilicate)과 알칼리 용액과의 반응에 의해 응결·경화되는 재료를 말한다. AAM의 주재료로 FA를 사용하는 경우의 주된 반응은 식 (1)과 같이 지오폴리머 겔이라고 부르는 알칼리-알루미노실리케이트 겔(Alkali -aluminosilicate gel)이며, AAM의 주재료로 GGBFS를 사용하는 경우에는 식 (2)와 같이 포틀랜드 시멘트 수화생성물과 유사한 구조를 갖는 규산칼슘 수화물(Calcium Silicate Hydrate, C-S-H)이 주요 반응 생성물이다.^3-5)

 (1)

 (2)

AAM의 장점으로는 일반 콘크리트보다 내화학성이 우수한 것으로 보고되고 있다. 일반적으로 OPC는 황산염 수용액에 침지할 경우, 열화가 발생하고 재령에 따른 압축강도 저하가 보고되고 있다.^6-9) Lee, S. T¹⁰⁾에 의하면 OPC 모르타르는 5% 황산나트륨 수용액에서 침지 재령 28일 이후 압축강도가 선형적으로 저하하여 침지 재령 510일에는 압축강도가 약 64% 저하한다고 보고하고 있다. 반면, AAM은 수화반응물 중 결정 크기가 가장 큰 수산화칼슘(Calcium hydroxide, Ca(OH)₂)의 생성이 없기 때문에 내화학성이 우수한 것으로 보고되고 있다.^11,12)

그러나 선행연구에 의하면 AAM은 황산나트륨 수용액에서는 우수한 내화학성을 보유하고 있으나, 황산마그네슘 수용액에서는 침식에 따른 열화가 확인되었다. 결론적으로 AAM은 마그네슘 이온에 따라서 황산염 저항성이 크게 다르다는 것을 확인하였다.^13,14)

따라서 본 연구에서는 마그네슘 이온(Magnesium, Mg²⁺) 및 황산염 이온(Sulfate, SO₄^2-)의 영향을 명확하게 확인하기 위하여, 침지 용액의 조건을 설정하여 AAM 모르타르의 황산염 침식 저항성에 미치는 Mg²⁺ 및 SO₄^2- 이온의 영향을 평가하였다. 여기서 침지 용액의 조건을 설정하기 위하여 질산마그네슘(Magnesium nitrate, Mg(NO₃)₂), 염화마그네슘(Mag-nesium chloride(MgCl₂), 황산나트륨(Sodium sulfate, Na₂SO₄), 황산마그네슘(Magnesium sulfate, MgSO₄)을 복합 사용하였다.

Mg²⁺이온이 단독으로 존재하는 경우 및 Mg²⁺ 및 SO₄^2-를 복합 용해한 경우에서의 황산염 저항성을 평가하기 위하여 10%Mg(NO₃)₂, 10%[MgCl₂+Na₂SO₄], 10% [Mg(NO₃)₂+Na₂SO₄], 5%[Mg(NO₃)₂+Na₂SO₄]의 복합 수용액에서의 황산염 저항성을 평가하였다. 또한 Mg²⁺의 농도에 의한 영향을 명확하게 확인하기 위하여 5% 및 2.5% MgSO₄ 수용액에서의 저항성을 평가하였다. 저항성 평가를 위하여 침지기간에 따른 압축강도 변화, 길이 변화 및 질량 변화를 측정하였으며, X선 회절 분석(XRD)을 이용하여 시험체 내부 조성 변화를 확인하였다.

2. 황산마그네슘에 의한 콘크리트 열화 메커니즘

MgSO₄은 식 (3), (4), (5) 및 (6)과 같이 대표적 수화생성물인 수산화칼슘(Calcium hydroxide, Ca(OH)₂), 칼슘 알루미네이트 수화물(Calcium Aluminate Hydrate, CaO․Al₂O₃․H₂O, C-A-H), 규산칼슘 수화물(Calcium Silicate Hydrate, CaO․SiO₂․H₂O, C-S-H)과 우선적으로 반응하여 석고(CaSO₄․2H₂O, Gypsum) 및 수산화마그네슘(Magnesium hydroxide, (Mg(OH)₂, Brucite)을 생성한다. Brucite는 식 (7)과 같이 실리카 겔(S₂H)과 반응함으로써 C-S-H는 점진적으로 칼슘을 잃고 결합재로서의 성능이 없는 규산마그네슘 수화물(Magnesium Silicate Hydrate, non-cementitious M-S-H)로 전환된다. 이에 따라 다량 생성된 Gypsum 및 M-S-H가 표층을 연화시킨다고 알려져 있다.^15,16) 따라서 GGBFS 기반 AAM의 생성물인 C-S-H는 MgSO₄과 반응하여 열화현상을 발생하게 된다.^12,14)

 (3)

(4)

 (5)

 (6)

 (7)

3. 실험 개요

3.1 배합 재료

알칼리 활성화 결합재로서 KS L 5405 2종 FA 및 KS F 2563 3종 GGBFS를 사용하였으며, 본 실험에 사용한 FA 및 GGBFS의 물리적 성질 및 화학성분은 Table 1과 같다. Fig. 1의 XRD 결과 FA는 이산화규소(SiO₂, Quartz) 및 뮬라이트(Al₆Si₂O₁₃, Mullite)가 주성분으로 확인되었으며, GGBFS는 Anhydrite 및 Amorphous hump peak(회절각 2θ=30°부근)가 넓은 언덕 형태로 확인되었다. 또한, 잔골재는 KS L ISO 679를 만족하는 ISO 표준사를 사용하였으며, 알칼리 활성화제로는 순도 ≥ 98%인 수산화나트륨(Sodium hydroxide, NaOH) 및 액상 규산나트륨(SiO₂ 28.2%, Na₂O 9.3%, H₂O 65.5% Sodium silicate solution, Na₂SiO₃, Water glass)을 사용하였다.

Table 1 Physical properties and chemical composition of FA and GGBFS

Fig. 1

XRD patterns of FA and GGBFS

3.2 배합 설계

Table 2와 같이 배합하였으며, 모든 시험체는 KS L ISO 679에 따라서 물-결합재 비(W/B) 0.5, 결합재-잔골재비 1:3으로 모르타르 시험체를 제작하였다. 단, XRD 분석을 위한 페이스트 시험체는 W/B=0.4로 제작하였다. Task A는 GGBFS 비율을 30, 50 및 100%로 하고, 알칼리 활성화제인 산화나트륨(Sodium oxide, Na₂O)은 결합재 질량대비 4%, SiO₂와 Na₂O의 몰 비(SiO₂/Na₂O molar ratio, Ms)는 1.0, 1.5 및 2.0으로 배합하여, GGBFS 및 Ms에 따른 AAM의 특성을 파악하고, 10% MgSO₄ 및 Na₂SO₄ 수용액에서의 저항성을 파악하였다. Task B는 GGBFS 비율을 30%로 하고, Na₂O는 결합재 질량대비 4%, Ms는 2.0으로 고정하여 배합하여, Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재할 경우의 저항성을 파악하였다. 여기서, SO₄^2-가 단독으로 존재하는 조건은 Task A의 S30-2.0-10% Na₂SO₄와 같다. Task C는 Mg²⁺ 및 SO₄^2-화합물을 복합 혼합하였다. Task D는 MgSO₄농도를 10%, 5% 및 2.5%로 조정하였다. 여기서 10% MgSO₄은 Task A의 S30-2.0-10% MgSO₄과 같다. Task B, C 및 D에 사용한 시약은 수용성이 있는 질산(Nitrate, NO₃^-), 염소(Chloride, Cl^-) 및 황산(Sulfate, SO₄^2-) 이온 계열로 선정하였다.

Table 2 Mix properties of mortal specimens and sulfate solution conditions

*1: Task B=Mg2+ or SO42- solution *2: Task C=mixed solution with Mg2+ and SO42- *3: Task D=concentration of MgSO4

3.3 양생 조건

배합 후 몰드에 타설하고 온도 23°C, 상대습도(RH) 90%의 습기함에서 24시간 초기양생을 실시하였다. 24시간 초기양생 후 온도(20±2)°C, 상대습도(RH) (60±5)%의 항온항습실에서 28일 동안 양생을 실시한 후, 각 시험체를 수용액에 침지하고 항온항습실에서 보관․정치하였다.

3.4 실험 방법

3.4.1 압축강도

KS L ISO 679에 준하여 40×40×160mm 시험체를 제작하고 재령별로 압축강도를 측정하였다. 초기 28일 양생한 시험체를 기준강도로 하고, 이 후 수용액에 침지한 후 침지 재령에 따른 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정은 KS L ISO 679에 준하여 UTM(INSTRON1200kN)을 사용하여 하중속도 2,400±200N/s로 시험하였다. 압축강도 변화율은 식 (8)과 같이 산출하였다.

 (8)

여기서,  : 압축강도 변화율(%) : 침지 재령에서의 압축강도(MPa) : 재령 28일 압축강도(MPa)

3.4.2 질량변화

황산염 용액 침지 전 28일 양생한 40×40×160mm 시험체를 질량을 기준으로 하고, 이 후 수용액에 침지한 후 침지 재령에 따른 질량을 측정하였다. 질량변화율은 식 (9)와 같이 산출하였다.

 (9)

여기서, : 질량변화율(%)  : 침지 재령에서의 시험체 질량(g) : 재령 28일 시험체 질량(g)

3.4.3 길이변화

황산염 용액 침지 전 28일 양생한 40×40×160mm 시험체를 길이를 기준으로 하고, 이 후 수용액에 침지한 후 침지 재령에 따른 길이변화를 측정하였다. 측정은 KS F 2424:2015 ｢모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법｣의 4.2 콘택트 게이지 방법에 준하여 측정하였다. 길이변화율은 식 (10)과 같이 산출하였다.

 (10)

여기서, : 길이변화율(%)  : 침지 재령에서의 시험체 길이(mm) : 재령 28일 시험체 길이(mm)

3.4.4 X선 회절 분석(XRD)

황산염 침투에 따른 AAM 반응 생성물의 변화를 평가하기 위하여 페이스트 분말 샘플을 대상으로 MiniFlex 600 (Rigaku)을 이용하여 XRD를 측정하였으며, 측정조건은 CuKα:40kV, 15mA, Scanning speed:5°/min, 측정 범위는 5°∼65°/2θ로 하였다.

4. 실험 결과 및 고찰

4.1 압축강도

Fig. 2에 각각의 용액에 침지한 시험체의 침지 재령에 따른 압축강도를 나타내었다. 또한 Fig. 3에 압축강도 변화율을 나타내었다. Fig. 2(a), (b)와 같이 GGBFS 50%치환(S50)의 재령 28일 압축강도 결과를 보면, Ms가 1.0, 1.5 및 2.0으로 증가할수록 33.0MPa, 37.1MPa 및 57.2MPa로 증가하고 있다. 또한 GGBFS 치환이 30%, 50% 및 100%로 증가함에 따라 재령 28일 압축강도는 38.3MPa, 57.2MPa 및 52.0MPa의 결과가 나타났다. 단, GGBFS 100% (S100)의 경우에는 급결 현상이 발생함에 따라 워커빌리티 및 성형성이 저하되고 내부공극이 발생할 가능성이 높아져 압축강도가 S50보다 약 5.2MPa (=9.1%) 작은 것으로 생각된다.^17,18) 결론적으로 GGBFS 치환량 및 Ms비가 증가할수록 압축강도가 높은 경향이 나타났다. 이는, Ms비가 증가할수록 Water glass로부터 반응성 Si 공급량이 증가하고, OH^- 이온에 의해 GGBFS로부터 용출되는 Ca²⁺ 이온과 빠르게 반응하여 C-S-H의 생성량이 증가되기 때문으로 생각된다.^19,20)

Fig. 2

Compressive strength of mortars immersed in the solutions

Fig. 3

Compressive strength change in comparison to initial strength

황산염 용액 침지 결과를 보면 Fig. 2(a)와 같이 10% Na₂SO₄ 수용액에서는 모든 배합 조건의 시험체에서 침지 이후 지속적인 강도증진이 확인되었다. 반면, Fig. 2(b)와 같이 10% MgSO₄ 수용액에서는 모든 시험체에서 침지 이후 지속적인 강도저하가 나타났다. 따라서 AAM은 MgSO₄에 대한 저항성이 저조한 것으로 확인되었다.

또한 Fig. 3(a)와 같이 10% MgSO₄ 수용액의 경우 침지 재령 12개월의 압축강도 변화율은 GGBFS 50%치환(S50)에서 Ms비가 1.0, 1.5 및 2.0에 따라 -29.96% (33.0 MPa→24.1 MPa), -39.55% (37.1MPa→22.4MPa) 및 -64.57% (57.2MPa →20.2MPa)로 나타나, MgSO₄용액 침지 조건에서는 Ms비 증가에 따라 장기적으로 급격한 강도저하가 나타났다. 결론적으로 Ms비가 증가할수록 MgSO₄ 수용액에서의 저항성이 저하되는 경향이 있다고 말할 수 있다.

Task B와 같이 GGBFS 30%, Ms 2.0 (S30-2.0) 시험체를 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재하는 조건에서의 실험 결과는 Fig. 2(c) 및 Fig. 3(b)와 같다. 10% Na₂SO₄의 침지 재령 12개월의 압축강도 변화율은 54.44% (38.3MPa →59.2MPa)이고, 10% Mg(NO₃)₂의 침지 재령 12개월의 압축강도 변화율은 53.84% (36.5MPa→56.1MPa)로 압축강도가 증진되는 것을 확인하였다. 결론적으로, AAM 시험체는 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재하는 경우 열화가 발생하지 않는 것을 확인하였다.

Task C와 같이 S30-2.0 시험체를 Mg²⁺ 및 SO₄^2-의 개별 화합물을 복합 용해한 조건에서의 실험 결과는 Fig. 2(d)와 같다. 10%(MgCl₂+Na₂SO₄)의 침지 전, 침지 재령 4개월 및 6 개월의 압축강도는 35.0MPa, 48.6MPa 및 36.4MPa로 4개월 이후 급격히 압축강도가 저하하였다. Fig. 3(b)와 같이 재령 6개월의 압축강도 변화율은 3.77%이었다. 10% (Mg(NO₃)₂+Na₂SO₄)의 침지 전, 침지 재령 4개월 및 6개월의 압축강도는 35.0MPa, 45.4MPa 및 36.3MPa로 침지 재령 4개월 이후 급격히 압축강도가 저하하였다. Fig. 3(b)와 같이 재령 6개월의 압축강도 변화율은 3.61%이었다. 결론적으로, AAM 시험체를 Mg²⁺ 및 SO₄^2-의 개별 화합물을 사용하여 복합 용해한 경우에도 침지 재령이 경과함에 따라 시험체가 열화하였다.

Task D와 같이 S30-2.0 시험체의 MgSO₄ 농도에 따른 실험 결과는 Fig. 2(e)와 같다. 10% MgSO₄의 경우에는 침지 후부터 지속적인 압축강도 저하가 발생하여 침지 재령 12개월의 압축강도 변화율은 Fig. 3(b)와 같이 -87.68% (38.3MPa→4.7MPa)로 확인되었다. 5% MgSO₄의 침지 전, 침지 재령 2개월, 4개월 및 6개월의 압축강도는 35.0MPa, 54.2MPa, 44.0MPa 및 38.6MPa로 침지 재령 2개월 이후 압축강도가 저하하였다. 침지 재령 6개월의 압축강도 변화율은 10.08%이었다. 2.5% MgSO₄의 침지 전, 침지 재령 2개월, 4개월 및 6개월의 압축강도는 35.0MPa, 50.0MPa, 50.1MPa 및 41.7MPa로 침지 재령 4개월 이후 압축강도가 저하하였다. 침지 재령 6개월의 압축강도 변화율은 19.06%이었다. 결론적으로, AAM 시험체는 MgSO₄ 농도가 증가함에 따라 열화시점이 빨라지며, 열화현상이 극대화 되는 것을 확인하였다.

종합적으로 AAM은 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 공존하는 조건에서 압축강도 저하가 발생하는 것을 확인하였다.

4.2 질량변화

Fig. 4는 황산염 용액 침지 재령에 따른 질량변화 실험 결과이다. Fig. 4(a)와 같이 10% Na₂SO₄용액의 침지 재령 12개월의 질량변화율은 S50-1.0, S50-1.5, S50-2.0 및 S30-2.0에서 -0.15%, -0.23%, 0.59% 및 1.31%인 것과 비교해 MgSO₄용액의 침지 재령 6개월의 질량변화율은 6.38%, 6.34%, 7.14% 및 6.31%를 나타내고 있다. 여기서, MgSO₄용액에 침지한 모든 시험체는 재령 6개월 이후부터 시험체 열화․파손에 의해서 측정이 불가능한 상태가 되었다.

Fig. 4

Weight change of mortars immersed in the solutions

Task B와 같이 S30-2.0 시험체의 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재하는 조건에서의 실험 결과는 Fig. 4(c)와 같다. 여기서, H₂O의 침지 재령 6개월의 질량변화율은 1.36%로 측정되었다. 침지 재령 12개월에서의 10%Na₂SO₄ 및 10% Mg(NO₃)₂의 질량변화율은 1.31% 및 1.37%의 결과가 나타났다. 결론적으로 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재하는 경우에는 AAM 시험체의 질량변화는 나타나지 않았다.

Task C와 같이 S30-2.0 시험체를 Mg²⁺ 및 SO₄^2-의 개별 화합물을 복합 용해한 조건에서의 실험 결과는 Fig. 4(d)와 같다. 재령 6개월의 10% (MgCl₂+Na₂SO₄)의 질량변화율은 3.98%, 10% (Mg(NO₃)₂+Na₂SO₄)의 질량변화율은 3.10%로 확인되었다. 결론적으로, Mg²⁺ 및 SO₄^2-개별 화합물을 복합 용해한 경우에도 황산염에 의한 침식에 따라 시험체 질량이 증가하는 경향을 확인하였다.

Task D와 같이 S30-2.0 시험체의 MgSO₄농도에 따른 실험 결과는 Fig. 4(e)와 같다. 10% MgSO₄의 침지 재령 6개월의 질량변화율은 6.31%이고, 5% 및 2.5% MgSO₄의 침지 재령 6개월의 질량변화율은 각각 3.75% 및 1.37%로 확인되었다. 결론적으로, MgSO₄농도에 따라 시험체 질량이 증가하는 것을 확인하였다.

4.3 길이변화

Fig. 5는 시험체의 침지 재령에 따른 길이변화율 및 ASTM C1012에서 규정하고 있는 팽창한계를 보여주고 있다. ASTM C1012²¹⁾에서는 Sulphate resistance portland cement 및 GGBFS를 혼입한 모르타르를 5% Na₂SO₄용액에 침지한 조건에서 침지 재령 180일의 팽창률이 0.05% 이하를 가지고 있어야 한다고 규정하고 있다.

Fig. 5

Length change of mortars immersed in the solutions

Fig. 5(a), (b)와 같이 10% Na₂SO₄용액의 침지 재령 12개월의 길이변화율은 S50-1.0, S50-1.5, S50-2.0 및 S30-2.0에서 -0.017%, -0.013%, -0.007% 및 -0.030%의 결과가 나타난 것과 비교해 10% MgSO₄용액에 침지시킨 시험체의 재령 12개월의 길이변화율은 S50-1.0, S50-1.5 및 S30-2.0에서 0.029%, 0.014% 및 0.312%로 팽창하는 결과가 나타났다(S50-2.0은 3개월 이후 측정불가 상태). 결론적으로, AAM의 Na₂SO₄저항성은 ASTM 기준을 만족하나 MgSO₄저항성은 ASTM 기준에 현저히 못 미치는 결과가 나타났다.

Fig. 5(c)와 같이 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재하는 10% Na₂SO₄ 및 10%Mg(NO₃)₂에서의 침지 재령 12개월의 길이변화율은 -0.029% 및 -0.021%로 측정되었다. 여기서, H₂O에 침지한 시험체는 재령 6개월에서 -0.017%를 보이고 있다. 그러나 Fig. 5(d)와 같이 Mg²⁺ 및 SO₄^2-의 개별 화합물을 복합 용해한 10%(MgCl₂+Na₂SO₄) 및 10% (Mg(NO₃)₂+Na₂SO₄)에서의 침지 재령 6개월의 길이변화율은 0.094% 및 0.129%로 확인되었다. 결론적으로, Mg²⁺ 및 SO₄^2-개별 화합물을 사용하여 복합 용해한 경우에도 황산염에 의한 침식에 따라 시험체가 팽창하는 경향을 확인하였다. Fig. 5(e)와 같이 MgSO₄농도에 따른 길이변화율은 침지 재령 6개월의 10%, 5% 및 2.5% MgSO₄의 길이변화율이 0.312%, 0.138% 및 -0.003%로 확인되었다. 결론적으로, MgSO₄농도에 따라 길이변화율이 증가하는 것을 확인하였다.

4.4 X선 회절 분석(XRD)

XRD 측정 결과 침지 전인 재령 28일의 반응생성물은 FA로부터 기원하는 Quartz와 GGBFS로부터 생성된 C-S-H로서 모든 배합에서 동일하였다. 여기서, Fig. 6(a)는 H₂O에 침지한 재령별 XRD 결과로서 침지 전과 동일한 패턴이 침지 재령 6개월까지 지속적으로 측정되었다.

Fig. 6

XRD patterns of AAM (G: Gypsum (CaSO₄․2H₂O), B: Brucite (Mg(OH)₂), Q: Quartz(SiO₂), C: C-S-H)

Task A와 같이 10% Na₂SO₄ 및 10% MgSO₄에서의 재령별 XRD를 분석하였고 그 결과는 Fig. 6(b), (c)와 같다. 10% Na₂SO₄ 수용액에서는 침지 재령에 따른 조성 변화가 나타나지 않았다. 결론적으로, AAM의 주요 반응 생성물인 Alkali-aluminosilicate gel 및 C-S-H는 Na₂SO₄에 대한 저항성이 우수한 것을 확인하였다. 그러나, 10% MgSO₄ 수용액에서는 침지 재령이 경과함에 따라 11.5°/2θ와 29.0°/2θ부근의 Gypsum 및 20.5°/2θ부근의 Brucite 피크가 높아지는 것으로부터 이 2개의 생성물이 계속적으로 증가하는 것을 확인하였다.

Task B와 같이 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재하는 조건에서의 조성 변화를 확인하기 위하여 10% Na₂SO₄및 10% Mg(NO₃)₂에 침지하여 XRD 분석을 하였고 그 결과를 Fig. 6(b), (d)에 나타냈다. 양 조건 모두 XRD 분석 결과는 침지 전과 동일한 패턴이 지속적으로 측정되었다. 결론적으로, AAM 시험체는 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 단독으로 존재하는 경우에는 Mg²⁺ 및 SO₄^2-의 침투에 의한 생성물의 변화는 발생하지 않는 결과를 확인하였다.

Task C와 같이 Mg²⁺ 및 SO₄^2-의 개별 화합물을 복합 용해한 조건에서의 조성 변화를 확인하였고 그 결과는 Fig. 6(e), (f)와 같다. 10% (MgCl₂ + Na₂SO₄) 및 10% (Mg(NO₃)₂+Na₂SO₄) 모두 11.5°/2θ와 29.0°/2θ부근의 Gypsum 및 20.5°/2θ부근의 Brucite가 생성되는 것을 확인하였다. 결론적으로, AAM 시험체를 Mg²⁺ 및 SO₄^2- 의 개별 화합물을 사용하여 복합 용해한 경우에도 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 AAM의 열화를 촉진하는 것으로 판단된다.

Task D와 같이 MgSO₄농도에 따른 조성 변화를 확인하였고 그 결과는 Fig. 6(c), (g), (h)와 같다. 10% MgSO₄에서 11.5°/2θ와 29.0°/2θ부근의 Gypsum 및 20.5°/2θ부근의 Brucite가 가장 뚜렷하게 확인되었다. 또한 MgSO₄의 농도가 높을수록 해당 피크는 높아지고 침지 초기부터 피크가 발생하는 것을 확인하였다. 결론적으로, 이 2개의 생성물이 AAM의 팽창과 균열을 일으키는 주요 반응 생성물인 것으로 분석되었다.

상기 결과를 종합적으로 분석하면, MgSO₄용액에 침지한 경우 발생하는 강도저하 및 시험체 팽창 등의 열화 원인은 Gypsum 및 Brucite 생성에 기인하는 것을 확인하였다. 이 때 생성되는 Gypsum은 1.2∼2.2배의 체적팽창을 일으킨다고 보고되고 있다.²²⁾ 또한 SO₄^2-이온에 의한 반응생성물(Gypsum)뿐만 아니라 Mg²⁺이온에 의한 Brucite의 생성이 황산염 침식에 주요한 영향을 미치는 것이 입증되었다. 즉, SO₄^2-이온과 더불어 Mg²⁺이 C-S-H의 분해를 촉진하고, 용출된 Ca²⁺이온이 SO₄^2-용액과 반응하여 Gypsum을 생성하고 low solubility hydroxide인 Brucite를 지속적으로 생성함에 따라 C-S-H의 분해를 촉진시키는 순환이 계속되는 것으로 판단된다. 단, 식 (7)과 같이 Brucite가 S₂H와 반응하여 C-S-H가 M-S-H로 전환되는 것은 확인되지 않았다. 이는 추가 연구를 통하여 규명할 필요가 있다. 또한 Rietveld법을 이용한 XRD 정량분석을 통해 Gypsum 및 Brucite의 생성량을 확인하고, 2개의 생성량과 압축강도, 질량 및 길이변화의 상관과계를 분석하는 것이 필요하다고 판단된다. 이를 통해, Mg²⁺ 및 SO₄^2-이온의 몰 농도(molar concentration)에 따른 Gypsum 및 Brucite의 생성량을 추정하여 AAM의 황산염 저항성을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

5. 결    론

알칼리 활성화 결합재(Alkali-activated materials, AAM)의 황산염 저항성에 관한 실험 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

1)AAM의 압축강도는 GGBFS 치환량 및 Ms비[SiO₂/Na₂O]가 증가할수록 증가하였다. 이는, Ms비가 증가할수록 반응성 Si 공급량이 증가하여, OH^- 이온에 의해 GGBFS로부터 용출되는 Ca²⁺ 이온과 빠르게 반응하여 C-S-H의 생성량이 증가되기 때문으로 판단된다.

2)AAM은 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 개별로 존재하는 용액(Na₂SO₄ 및 Mg(NO₃)₂)에서는 압축강도 저하 및 팽창 등의 열화 현상이 나타나지 않았다. 결론적으로, AAM은 Na₂SO₄에 대해서 우수한 저항성을 갖고 있는 것을 확인하였다.

3)AAM은 MgSO₄ 수용액 및 Mg²⁺과 SO₄^2-를 개별 화합물로써 복합 용해한 조건(MgCl₂+Na₂SO₄, Mg(NO₃)₂+Na₂SO₄)에서는 압축강도 저하 및 팽창 등의 열화 현상이 나타났다. 결론적으로, AAM은 Mg²⁺ 및 SO₄^2-가 공존하는 경우에 열화 현상이 발생하였다.

4)MgSO₄에 의한 열화는 SO₄^2-이온과 더불어 Mg²⁺이 C-S-H의 분해를 촉진하고, 용출된 Ca²⁺이온이 SO₄^2-용액과 반응하여 Gypsum을 생성하고 low solubility hydroxide인 Brucite를 지속적으로 생성함에 따라 C-S-H의 분해를 촉진시키는 순환이 계속되는 것을 확인하였다. 또한 MgSO₄농도가 높아짐에 따라 열화 속도 및 열화도가 증가하는 것을 확인하였다.