강충현
(Choonghyun Kang)
1iD
김태완
(Taewan Kim)
2†iD
ⓒ2018 by Korea Concrete Institute
Key words (Korean)
알칼리 활성화 슬래그 시멘트, 고로슬래그 미분말, 염기도, 수화계수
Key words
alkali-activated slag cement, ground granulated blast furnace slag, basicity, hydraulic modulus
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1. 서 론
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2. 재료 및 실험
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2.1 재료
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2.2 시험체 제작
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3. 결과 및 토의
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3.1 압축강도
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3.2 반응생성물 분석
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3.3 공극 분석
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3.4 미세구조 분석
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4. 결 론
1. 서 론
고로슬래그 미분말을 주요 결합재로 하는 알칼리 활성화 슬래그 시멘트(alkali-activated slag cement, AASC)는 친환경 시멘트로
많은 연구가 이루어지고 있다(Pacheco-Torgal et al. 2008a; Pacheco-Torgal et al. 2008b; Rashad 2013;
Provies et al. 2015).
AASC의 특성에 영향을 미치는 요소는 다양하며, 여러 연구자들에 의해 계속해서 AASC의 특성이 밝혀지고 있다. AASC의 특성에 영향을 미치는
요인들로는 GGBFS의 성분(Haha et al, 2011; Saoût et al. 2011; Haha et al. 2012), 다양한 알칼리 활성화제(Fernández-Jiménez
et al. 1999; Esclante-García et al. 2003; Bellmann and Stark 2009; Yang et al. 2012),
알칼리 활성화제 농도(Nadoushan and Ramezanianpour 2016), 양생방법(Živica 2007), 양생온도(Altan and
Erdoğan 2012; Rashad et al. 2016) 등이다. 그 결과 강도(Chang et al. 2005; Rashad et al. 2012),
건조수축(Neto et al. 2008; Atiş et al. 2009), C-(A)-S-H와 같은 반응생성물(Brough and Atkinson
2002; Fernández-Jiménez and Puertas 2003; Puertas et al. 2004; Lecomte et al. 2006;
Puertas et al. 2011; Zhang et al. 2016), 탄산화(Bernal et al. 2010), 알칼리 실리카 반응(Fernández-Jiménez
and Puertas 2002), 공극구조(Collins and Sanjayan 2000), 내구성능(Chi 2012) 등에 대한 특성이 밝혀졌다.
그러나 많은 연구결과는 단일 GGBFS를 기초 결합재로 하는 AASC에 관한 것이다. GGBFS의 품질은 항상 일정하게 유지될 수 없다. 따라서 GGBFS의
품질변동에 따른 AASC의 특성을 고려한다는 것은 어려운 일이다. 이를 위해 본 연구는 서로 다른 두 종류의 GGBFS를 혼합한 결합재를 사용하여
AASC의 특성에 대해 연구하고자 한다. 이는 서로 다른 구성성분비, 분말도를 가지는 두 종류의 GGBFS를 다양한 비율로 혼합하여 AASC의 결합재로
사용가능한가에 대한 타당성을 검토하고자 하는데 목적이 있다. 또한 현재 KS F2563에 분류된 “콘크리트용 고로슬래그 미분말”의 분류를 벗어난(품질기준을
만족하지 않는) GGBFS를 일반 콘크리트용이 아닌 AASC로 활용하는 것에 대한 기초연구도 병행하고자 한다. 동일한 제철소에서 발생된 두 종류의
서로 다른 구성성분비를 가지는 GGBFS를 11가지의 혼합비율로 혼합하여 압축강도, MIP, XRD 그리고 SEM/EDS 분석을 수행하였다.
2. 재료 및 실험
2.1 재료
두 종류의 GGB FS는 모두 KRT사(경남 포항)의 제품이며 각 GGBFS의 구성성분은 XRD 분석을 통해 Table 1에 나타내었다. 두 종류의
GGBFS (GGBFS-A와 GGBFS-B로 구분) 모두 KS F2563의 콘크리트용 고로슬래그 미분말의 1종에서 3종의 품질기준에서 제시하고 있는
삼산화황(SO3)의 성분비율을 4.33과 4.18로 기준값 4.0을 초과한다. 본 연구는 일반 콘크리트가 아닌 AASC에 관한 연구이며, 연구 목적에도 밝힌바와
같이, KS의 품질기준을 만족하지 못한 GGBFS의 AASC로 적용 가능성도 검토하고자 하는 목적도 함께 하고 있다.
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Table 1. The chemical properties of different ground granulated furnace blast slag
(GGBFS)
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Laser Diffraction Particle Size Analyzer(LS I3 320)를 사용하여 각 GGBFS의 입도를 분석한 결과를 Fig.
1에 나타내었다. 알칼리 활성화제는 sodium hydroxide(NaOH, purity ≥ 98 %, pellet type)와 sodium silicate(Na2SiO3, Ms= 2.0, liquid)로 모두 C 사의 제품을 사용하였다.
Fig. 1
Particle analysis of each slag
Fig. 1은 GGBFS의 입도 시험 결과이다. 실험에 사용된 두 종류의 GGBFS는 성분비의 차이에 따른 효과만을 검토하기 위해 볼밀(ball mill)을
사용하여 가능한 같은 입도가 되도록 시행오차를 거쳐 입도를 조정하였다. GGBFS-A의 median dia-meter(d50)는 11.15 µm, mean diameter(dmean)는 18.75 µm이고 GGBFS-B의 d50은 10.67 µm, dmean은 18.10 µm이다. 두 슬래그 모두 동일한 제철소에서 생산되었다.
Fig. 2는 두 슬래그의 염기도(basicity) Kb = (CaO + MgO)/(SiO2 + Al2O3)와 수화계수(hydraulic modulus)(Caijun et al. 2006) HM = (CaO + MgO + Al2O3)/SiO2)를 Table 1의 성분비와 Table 2의 혼합비를 바탕으로 계산한 것을 나타낸 것이다. R0(100 % GGBFS- B)와 R10(100 %
GGBFS-A)의 염기도 차이는 0.28이고, 수화계수의 차이는 0.38이다. 염기도와 수화계수 모두 R0에서 R10으로 두 종류의 GGBFS 혼합률이
변함에 따라 선형적으로 증가한다.
Fig. 2
Basicity modulus and hydraulic modulus for diffe-rent replacement ratios
2.2 시험체 제작
시험체는 물-결합재 비가(w/b) 0.45인 paste이다. 알칼리 활성화제의 농도는 결합재(binder) 중량의 5 %와 10 %의 두 가지로 하고,
5 % activator는 5 % NaOH + 5 % Na2SiO3로, 10 % activator는 10 % NaOH + 10 % Na2SiO3로 정의한다. 각각의 5 % activator와 10 % activator를 계량한 뒤 계산된 수량만큼 배합수를 붓고 잘 저은 다음 실험실내 실온에서
6시간 정치한 후에 믹싱에 사용하였다. GGBFS는 각각 GGBFS-A와 GGBFS- B로 구분한다. 두 종류의 GGBFS를 혼합하는 방법은 GGBFS-
B에 대해 중량의 10 %씩 GGBFS-A로 치환하여 최종적으로는 100 %까지 혼합하는 것이다. 따라서 R0은 GGBFS-B가 100 %인 배합이고,
R1~R9는 GGBFS-A와 GGBFS-B가 10 % 단위로 혼합되고 R10은 GGBFS-A가 100 % 인 배합이다. 자세한 배합비는 Table
2에 나타내었다.
두 종류의 GGBFS는 미리 해당 비율만큼 무게를 측정하여 2분간 건비빔을 시행한 다음 믹싱하였다. 압축강도 측정은 50 mm × 50 mm × 50
mm 몰드를, 건조수축은 25 mm × 25 mm × 285 mm 몰드를 사용하였다. 각각의 배합비율에 따라 재료를 준비하고 KS L 5109에 따라
배합하였다. 배합 후 24h 동안 상대습도(relative humidity, RH) 85 ± 5 %, 온도 23 ± 2 °C의 항온항습기에 보관하였다.
그 다음 몰드를 제거하고 측정재령까지 동일한 습도와 온도 조건의 항온항습기에 양생하였다.
미세구조 분석을 위해서는 XRD(X-ray diffeaction) 분석을 하였고, XRD는 압축강도 측정 후 파쇄된 시험체를 아세톤에 침지시켜 수화
정지시킨 후 분쇄하여 No. 200체를 통과하는 시료를 사용하여 분석하였다. 또한 재령 28일 시험체를 MIP시험을 수행하여 시험체 내부 공극의 특성에
대해 살펴보았다.
3. 결과 및 토의
3.1 압축강도
Fig. 3은 압축강도 결과이다. Fig. 3(a)에서 보여지듯이 5 % activator의 시험체들은 두 종류의 GGBFS 혼합비율에 관계없이 상당히
유사한 값을 나타낸다. 이는 1, 3, 7, 그리고 28일 모든 강도 측정 시점에서 비슷한 경향을 보이고 있다. 그러나 Fig. 3(b)에서 10
% activator 시험체들은 R0에서 R10으로 혼합률이 변함에 따라 점차 강도가 증가하고 있다.
Fig. 3
Compressive strength of various mix ratios
알칼리 활성화제의 농도는 강도에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나이며, 알칼리 활성화제의 농도가 증가하면 강도도 증가한다(Fernández-Jiménez
et al. 1999; Atiş et al. 2009; Chi 2012; Rashad et al. 2016). 특히 GGBFS-A를 100 % 사용한
R0에서 GGBFS-B를 100% 사용한 R10으로 혼합률이 변해감에 따라 강도도 점차 증가하는 경향을 보인다. 이는 5 % activator 시험체에서는
나타나지 않았던 강도 특성이다. 두 종류의 GGBFS를 혼합한 시험체들의 강도 특성은 혼합되는 GGBFS의 혼합률 뿐만 아니라 알칼리 활성화제의 농도에도
영향을 받는 것으로 나타났다.
Fig. 4는 재령 28일에서 R0의 강도를 기준으로 한 상대적인 강도값의 변화를 나타낸 것이다. 5 % activator 시험체들의 경우 R0의
강도와 비교하여 5.0 % 이하의 범위에서 강도의 변화가 나타나고 있어 GGBFS의 치환율에 따른 강도 변화가 작았다. 10 % activator의
강도 변화는 R0~R4까지는 5 % 이하의 강도 값의 증가가 나타고 있지만, R5 시험체부터는 5 % 이상의 강도 증가가 나타났다. 특히 R10의
경우 R0와 비교하여 20.9 % 강도가 향상되었다. 이러한 결과는 상대적으로 낮은 알칼리 활성화제 농도에서는 종류가 다른 두 GGBFS의 여러 혼합비에
따른 강도 특성에 큰 차이가 없었다. 그러나 알칼리 활성화제의 농도가 5 %에서 10 %로 2배 이상으로 증가하면 GGBFS의 혼합비에 따른 강도
증가율이 차이가 발생하고 그 차이는 GGBGS의 치환율에 따라 큰 변화폭을 보이고 있다. 예를 들어 10 % activator 시험체들에서 GGBFS-B의
혼합률이 상대적으로 큰 R1~R4은 5 % 이하의 강도 증가율을 나타내지만, GGBFS-A의 혼합률이 커지는 R5부터 R9까지는 5.8~17.1 %의
강도가 증가한다. 따라서 두 종류의 GGBFS를 혼합한 AASC에서 알칼리 활성화제의 농도와 두 종류의 GGBFS 혼합률은 압축강도 값에 영향을 미치는
중요 요인 중 하나가 된다.
Fig. 4
Relative ratio of strength at age of 28 days
또한 Song et al.(2012)의 연구결과에서처럼 CaO를 추가하여 인위적으로 조정된 염기도 높은 일부 GGBFS의 경우 강도가 향상되었다고
하였다. 본 연구에서는 인위적인 염기도 조정이 없는 GGBFS를 사용하였는데, 10 % activator에서 염기도가 높은 R10의 강도가 가장 크게
나타나 선행 연구결과와 유사한 특성을 보였다. 그러나 5 % activator는 염기도의 차이에 따른 강도 증가현상이 관찰되지 않았다. 따라서 염기도에
의한 강도 변화도 GGBFS의 수화작용이 충분히 이루어질 수 있는 일정 농도 이상의 알칼리 활성화제의 농도가 있을 것으로 판단된다.
Fig. 5는 참고문헌들의 GGBFS 성분비를 본 연구에서 적용한 염기도와 수화계수로 계산한 값과 28일 강도사이의 관계를 나타난 것이다. AASC의
강도에 영향을 미치는 요소는 w/b 비, 알칼리 활성화제 종류와 농도, 양생 온도 등 다양하기 때문에 일관된 경향성을 언급하기는 부족하다. 그러나
Fig. 5의 그래프에서 볼 때 동일 GGBFS에서 염기도와 수화계수에 따른 강도는 NaOH 보다 waterglass(Na2SiO3)를 알칼리 활성화제로 사용한 경우가 높은 강도를 나타내었다(Atiş et al. 2009; Haha et al. 2011; Haha et al.
2012). Haha et al.(2011)는 염기도와 수화계수가 증가함에 따라 강도도 증가하는 경향성을 언급하였지만, Haha et al.(2012)의
연구에서는 뚜렷한 경향성이 나타나지 않았다. 그리고 Song et al.(2012)는 염기도를 조정한 AASC 실험에서 염기도가 높을수록 AASC
모르타르 강도는 향상된다고 하였다. 즉, 현재까지의 연구결과를 바탕으로 볼 때, 염기도 또는 수화계수와 강도 사이의 명확한 관계를 언급하기에는 다른
특성과 함께 추가적인 후속 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
Fig. 5
Relationship of basicity and hydraulic modulus with compressive strength
염기도와 수화계수에 의한 강도와의 상관관계는 아직까지 명확하지 않지만, Fig. 3에서 5까지의 결과에서, 낮은 염기도와 수화계수를 가진 GGBFS가
높은 농도의 알칼리 활성화에 의해 높은 강도를 나타내고 있다. 따라서 두 종류의 GGBFS를 혼합하여 AASC를 배합할 경우 알칼리 활성화제의 농도뿐만
아니라 염기도와 수화계수도 고려할 수 있도록 하여야 한다.
다만, 추가적인 연구를 통해 두 종류의 GGBFS를 혼합한 결합재를 사용한 AASC에서 알칼리 활성화제의 농도 등의 다른 여러 요인들과 함께 염기도와
수화계수도 강도 특성을 추정해 볼 수 있는 자료 중 하나로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
3.2 반응생성물 분석
Fig. 6은 5 %와 10 % activator 시험체들 중 R0, R5, 그리고 R10의 재령 28일에서 XRD를 측정한 결과이다. Fig. 6(a)의
5 % activator 시험체의 경우 알칼리 활성화제의 사용에 의해 GGBFS-A와 GGBFS-B는 반응 생성물질인 Calcium hydroxide
(Ch), Hydrotalcite(Ht) 그리고 C-S-H(CSH) 등을 형성한다. 이는 기존의 여러 GGBFS 기반의 AAC 연구에서 나타난 반응생성물질과
같다(Brough and Atkinson 2002; Fernández-Jiménez and Puertas 2003; Haha et al. 2011;
Puertas et al. 2011; Haha et al. 2012; Aydın and Baradan 2012; Yang et al. 2012; Zhang
et al. 2016). R0에서 R10으로 GGBFS-A와 GGBFS-B의 혼합률이 변화함에 따라 Calcium hydroxide(Ch), Calcium
Carbonate(Cc) 그리고 Akermanite(A)는 감소하고 Quartz(Q) 등은 증가하였다. 이러한 반응생성물질의 변화는 Fig. 6(b)의
10 % activator 시험체에서도 유사하게 나타나고 있다. 5 % activator와 10 % activator 시험체의 반응생성물질을 비교하면
10 % activator에서 Calcium hydroxide(Ch), Quartz(Q), Calcium Carbonate (Cc)등은 작게 나타났다.
또한 상대적으로 10 % activator 시험체들은 5 % activator 보다 미수화 GGBFS 입자들의 양이 적은 것으로 관찰되는데, 이는
XRD 패턴에서10 % activator 시험체들의 피크가 GGBFS-A와 GGBFS-B와 겹치는 부분이 적은 것으로부터 확인할 수 있다. 이는 높은
알칼리 활성화제 농도가 GGBFS의 수화반응을 더욱 촉진하여 반응생성물질을 만드는데 기여하기 때문이다(Fernández-Jiménez et al.
1999; Atiş et al. 2009; Chi 2012; Rashad et al. 2016).
Fig. 6
X-ray diffraction patterns with specimens and GGBFS. Ch : Calcium hydroxide, A :
Akermanite, Cc : Cal-cium Carbonate, CSH : C-S-H, Ht : Hydrotalcite, St : Strä-tlingite,
Ah : Anhydrite, Q : Quartz, Et : Ettringite
Song et al.(2012)의 연구에서 CaO를 추가하여 인위적으로 염기도가 조정된 GGBFS를 사용한 연구에서, 염기도가 높을수록 portlandite의
생성이 증가한 XRD 결과를 보였다. 그러나 본 연구에서는 인위적으로 염기도를 조정하지 않은 GGFBS를 사용하였고, 상대적으로 염기도가 높은 R10(GGBFA-A)의
XRD 결과에서도 높은 portlandite peak는 관찰되지 않았다. 이러한 차이는 인공적인 조정에 의한 염기도가 아닌 GGBFS 자체의 염기도에
의한 반응과 사용한 알칼리 활성화제의 차이 등 여러 요인에 의한 차이로 판단된다.
두 종류의 서로 다른 구성성분비의 GGBFS를 혼합한 AASC의 경우, 반응생성물질의 양등에도 영향을 미친다. 뿐만 아니라 두 종류의 GGBFS를
혼합할 때 혼합률과 함께 알칼리 활성화제의 농도도 GGBFS의 수화반응과 반응물질의 형성에 영향을 미친다.
Fig. 7은 각각의 알칼리 활성화제 농도에서 XRD 결과를 비교하여보았다. Fig. 7(a)에 보여진 5 % activator 시험체의 경우 R0,
R5 그리고 R10은 거의 일치하는 것으로 나타나 두 종류의 GGBFS가 비슷한 수화반응 정도를 나타내고 있다. 따라서 상대적으로 낮은 농도의 알칼리
활성화제에 의한 GGBFS의 수화반응은 GGBFS의 구성성분비에 의한 차이가 뚜렷하지 않았다. 이러한 결과에 의해 5 % activator 시험체들의
강도는 R0에서 R10까지 유사한 값들을 나타내고 있었다.
Fig. 7
Comparison of XRD patterns for different dosages and GGBFS mix ratios
그러나 10 % activator 시험체들의 경우 XRD 그래프간의 차이가 명확히 나타나고 있다. Fig. 7(b)에서 R10 > R5 > R0 순서로
비결정질(amorphous phase)이 감소하고 있다. 이는 GGBFS-A의 양이 증가할수록 알칼리 활성화제에 의한 수화반응이 증가하여 GGBFS
표면의 유리질의 비결정질 반응생성물질이 감소하고 있다(Burciaga-Díaz and Escalante-García 2013). 비결정질의 증가는
알칼리 활성화제의 농도 증가에 영향을 받으며, 비결정질의 감소는 GGBFS의 수화반응이 증가하는 사실을 뒷받침한다.
3.3 공극 분석
Fig. 8은 5 %와 10 % activator의 R0, R5 그리고 R10에 대한 MIP 시험결과이다. 알칼리 활성화제 농도에 따른 공극률 특성은
5 % activator 시험체보다 10 % activator 시험체의 공극크기가 더 작고 공극량도 작다. 이는 알칼리 활성화제의 농도가 증가함에
따라 GGBFS의 수화반응이 증가하여 반응생성물질이 치밀한 구조를 형성하기 때문이다(Fernández-Jiménez et al. 1999; Neto
et al. 2008; Atiş et al. 2009; Chi 2012; Rashad et al. 2016). 혼합률에 따른 특성을 살펴보면 5 %
activator과 10 % activator 모두 R0에서 R10로 혼합률이 변화함에 따라 공극의 크기와 공극률이 감소하고 있다. 이러한 공극률과
공극 크기의 감소는 앞에서 언급한 강도 특성과 관련이 있다. 강도 특성에서 R0보다 R10으로 배합이 변화함에 따라 강도가증가하고 있었다. 즉, GGBFS-A의
치환율이 증가할수록 공극률이 감소하고 강도 증가 하였다.
Fig. 8이 보여주는 공극의 분포를 통해 10 % activator 시험체들이 5 % activator 시험체들 보다 높은 압축강도를 가지고 있다.
Fig. 8의 (a)와 (c)를 비교하면 50 nm 이하의 공극은 10 % activator 시험체들이 상당히 작은 것으로 나타나 상대적으로 치밀한
조직을 형성한 것을 확인할 수 있었다. 총 공극률은 5 % activator R0, R5 그리고 R10은 32.88 %, 32.74 % 그리고 32.48
%이고 10 % activator의 R0, R5 그리고 R10은 22.06 %, 21.67 % 그리고 21.33 %이다. 총 공극률도 5 % activator
보다 10 % activator 시험체들이 작게 나타났다. 또한 R0에서 R10으로 두 종류의 GGBFS 혼합률이 변화함에 따라 총 공극률이 감소하고
있다. 5 % activator 와 10 % activator의 총 공극률과 공극크기의 분포 차이는 GGBFS의 활성화 반응 차이 때문이다. AASC의
선행연구들은 알칼리 활성화제의 농도가 높을수록 GGBFS의 활성화를 통한 수화계수는 증가하는 것으로 알려져 있다(Fernández-Jiménez et
al. 1999; Atiş et al. 2009; Chi 2012; Rashad et al. 2016). 따라서 알칼리 활성화제의 농도의 증가에 따른
GGBFS의 반응성이 증가하여 조직이 치밀해져 공극이 감소한 것을 MIP 결과에서도 확인할 수 있다. 동일한 알칼리 활성화제 농도에서 GGBFS의
혼합률에 따른 총 공극률과 공극의 분포가 다르게 나타났다. R0보다 R10의 혼합률이 증가할수록 총 공극률이 감소하고 공극의 크기도 감소하고 있다.
10 % activator 시험체들은 R0에서 R10으로 변화함에 따라 강도가 점차 증가하고 있지만 5 % activator은 강도차이가 미미하였다.
따라서 동일한 농도의 알칼리 활성화제 조건에서 GGBFS의 종류에 따라 반응생성물질의 치밀함에 영향을 미쳐 공극의 크기와 분포에도 나타난다. 이러한
경향성은 염기도와 수화계수가 상대적으로 높은 GGBFS-A(R10)이 낮은 공극률과 공극의 크기를 나타낸다.
3.4 미세구조 분석
Fig. 9는 시험체 중 MIP와 XRD를 수행한 R0, R5 그리고 R10 시험체에 대한 SEM 이미지이다. 동일한 activator 시험체의 경우
두 종류의 슬래그 치환율에 따른 반응생성물질과 슬래그 입자 등은 차이가 거의 없었고 유사한 형상을 관찰할 수 있었다. 즉 GGBFS-A와 GGBFS-B의
혼합률 변화에 따른 반응생성물질의 시각적 차이는 크게 나타나지 않고 유사한 모습을 보이고 있었다.
Fig. 9
SEM-micrographs of activated specimens at 28days
Fig. 9의 관측 시험체의 표면에서 임의의 반응생성물 지점을 선정하여 EDS 분석을 통해 Ca/Si 비를 Table 3에 나타내었다. 5 % activator
시험체의 경우 Ca/Si비는 R0에서R5와 R10으로 GGBFS의 치환율이 변화함에 따라 0.893에서 1.195로 증가하고 있다. Al/Si 비는
0.240에서 0.218로 감소한다. 10 % acti-vator 시험체도 1.021에서 1.557로 증가하는 유사한 경향성을 보였다. 또한 Al/Si
비도 0.266에서 0.235까지 감소하였다. GGBFS를 기본 결합재로 하는 AASC의 반응생성물질인 C-S- H 중의 Ca/Si 와 Al/Si
비는 다양한 값의 범위를 나타낸다(Brough and Atkinson 2002; Haha et al. 2011; Haha et al. 2012; Walkely
et al. 2016). 이는 GGBFS의 특성, 활성화재의 종류와 농도, 양생조건 등에 따라 달라진다.
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Table 3 Atomic ratios in the hydrate phases obtained by EDS analysis
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반응생성물질의 Ca/Si 성분비를 통해 다음과 같은 설명을 할 수 있다. 반응생성물질인 C-S-H의 Ca/Si 비가 낮을수록 밀도가 작아지는데 이는
C-S-H가 함유한 결합수량이 증가하기 때문이다(Richardson 2004). 따라서 C-S-H의 밀도 감소는 반응생성조직의 치밀함을 감소시켜 강도감소를
유발한다.
Table 4를 참고하면 C-S-H의 종류에 따른 Ca/Si 비가 다르다. Ca/Si 비가 작을수록 C-S-H가 가진 결합수량의 양도 많아지고 밀도도
작아진다. 또한 Strätlingite와 Hydrotalcite는 C-S-H보다 약 2배에 가까운 물을 가진 구조이며 밀도도 작다. Table 3에서
5 % activator과 10 % activator 시험체 모두 R0에서 R10으로 GGBFS의 치환율이 변함에 따라 Ca/Si 비가 증가하고 있다.
이는 밀도가 높은 치밀한 C-S-H의 생성으로 반응생성물질의 구조가 치밀해지고 이에따라 강도가 증가하는데 영향을 준다. 특히 10 % activator
시험체들은 상대적으로 GGBFS의 활성화가 촉진되어 5 % activator의 Ca/Si 보다 높게 측정되었다. 높은 농도의 알칼리 활성화제를 사용한
배합은 GGBFS의 수화작용에 촉진시켜 더욱 치밀한 반응생성물질인 C-S-H를 생성한다(Fernández-Jiménez et al. 1999; Atiş
et al. 2009; Chi 2012; Rashad et al. 2016).
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Table 4 Theoretical water content and density of C-S-H, strätlingite, and hydrotalcite
(Haha et al. 2012)
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R10은 R0와 비교하여 상대적으로 높은 염기도와 수화계수 값을 가진다(Table 1, Fig. 3). 이는 고농도의 알칼리 활성화제에 의해 GGBFS의
활성화사 더욱 촉진될 수 있음을 알 수 있다. 그 결과 5 %와 10 % activator 시험체 모두 R10에 가까워질수록 높은 강도를 나타내었다(Figs.
3, 4).
또한 XRD 결과에서 R0와 R5에서 확연하게 측정된 Strät-lingite도 높은 물 함량과 낮은 밀도로 강도저하에 영향을 미친다. 이는 GGBFS-B(R0)가
GGBFS-A(R10)보다 Al2O3의 함량이 많으므로 Strätlingite 생성도 GGBFS-B의 치환율이 높은 R0~R5 배합에서 선명한 피크로 관측되었다. 이와 반대로 Al2O3의 함량이 낮은 GGBFS-A(R10)의 함량이 높은 R6~R10 배합의 Strätlingite가 적게 검출되었다. 그리고 5 %와 10 % activator의
R0에서 관찰된 Hydrotalcite도 높은 수분 함량과 낮은 밀도로 강도저하에 영향을 미친다. 결국 GGBFS-B의 치환율이 높은 R0~R5까지의
배합은 반응생성물질들의 밀도가 낮은 것들로 구성되어 강도가 낮게 측정되었다. 따라서 구성 성분비가 다른 두 종류의 GGBFS를 혼합하여 AASC를
만들 경우 GGBFS의 구성성분비에 따라 반응생성물질의 종류와 성질이 달라진다. 또한 알칼리 활성화제의 농도도 GGBFS의 수화작용에 영향을 미쳐
조직과 강도에 영향을 미친다.
4. 결 론
두 종류의 서로 다른 GGBFS를 다양한 비율로 혼합한 AASC의 강도 특성에 따른 연구를 수행하였다. 본 연구의 범위 내에서 다음과 같은 결론을
얻었다.
1)성분비가 다른 두 종류의 GGBFS를 혼합한 결합재의 AASC는 강도의 차이를 보였다. 5 % activator(5 % NaOH + 5 % Na2SiO3)에서는 두 종류의 GGBFS 혼합비율에 관계없이 강도의 차이가 5.0 % 이하의 변화를 나타내었다. 그러나 알칼리 활성화제의 농도가 10 %로 증가하면(10
% NaOH + 10 % Na2SiO3) GGBFS의 혼합비에 따른 강도 차이가 20.9 %까지 났다. 따라서 두 종류의 성분비가 다른 GGBFS를 혼합한 결합재로 AASC를 사용할 경우
알칼리 활성화제의 농도와 혼합비율에 따른 강도 차이가 발생할 수 있다.
2)두 종류의 GGBFS를 구성하는 성분비를 염기도와 수화계수로 구분하여 강도 차이의 경향성을 파악하였다. 본 연구의 범위에서는 10 %의 높은 알칼리
활성화제 농도에서는 염기도와 수화계수가 증가함에 따라 강도가 증가하는 경향성을 보였다. 그러나 5 % 농도의 알칼리 활성화제에서는 그러한 경향성이
나타나지 않았다. 또한 참고문헌들과 결과를 비교할 때 염기도와 수화계수가 강도에 영향을 미칠 수 있는 요인으로 고려될 수 있지만, 알칼리 활성화제의
종류, 농도, GGBFS의 분말도, 양생조건 등 다양한 변수에 의해 일관된 결과를 얻을 수는 없었다. 따라서 염기도와 수화계수는 두 종류의 GGBFS를
혼합한 AASC의 강도 특성을 파악하기 위한 자료로 활용하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
3)5 %의 낮은 알칼리 활성화제 농도보다 10 %의 알칼리 활성화제 농도에서 비결정질(amorphous phase)의 차이가 확연히 나타났다. 따라서
서로다른 두 종류의 GGBFS를 혼합한 AASC에서, GGBFS의 반응성을 증대시키기 위해서는 상대적으로 높은 농도의 알칼리 활성화제가 필요하였다.
이는 5 %보다 10 % 알칼리 활성화제로 배합한 시험체의 공극률과 공극의 크기가 감소하고 있는 결과에서도 충분히 확인 할 수 있었다.
4)SEM/EDS 분석을 통해 5 % 알칼리 활성화제 보다 10 % 알칼리 활성화제 농도에서 Ca/Si 비가 높은 반응생성물질 만들어졌다. 이는 GGBFS의
알칼리 활성화제에 의한 반응성 증대 결과이며, 이러한 반응성은 GGBFS의 구성성분비에 따라 차이가 나타나고 있었다. 반응성이 높은 GGBFS의 경우,
동일한 알칼리 활성화제 농도에서 Ca/Si 비가 높고 밀도가 큰 치밀한 반응생성물질을 만들어 강도 향상에 영향을 준다.