조원정
(Won-Jung Cho)
1
안기용
(Ki-Yong Ann)
2*
-
한양대학교 건설환경시스템공학과 대학원생
(Graduate Student, Department of Civil and Environmental System Engineering, Hanyang
University, Ansan 15588, Rep. of Korea)
-
한양대학교 건설환경공학과 교수
(Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University,
Ansan 15588, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
산업부산물, 페로니켈슬래그, 플라이애시, 삼성분계, 기초물성
Key words
by-products, ferronickel slag, fly ash, ternary blended, fundamental properties
1. 서 론
시멘트 및 콘크리트는 건설 재료로서 우수한 경제성과 내구성을 지니고 있어 건설 산업에서 빼놓을 수 없는 중요한 구조재료로 주목받고 있다. 이러한 시멘트는
에너지 다소비업종으로 온실가스가 필연적으로 발생하는데, 배출량은 2001년 1,049만 톤에서 2041년에는 1,303만 톤으로 연평균 0.54 %가
증가할 전망이다(Noh 2005). 2000년대 들어 전 세계적으로 환경부하 및 온실가스 저감이 중요한 문제로 인식됨에 따라 건설 산업에서는 산업부산물
활용을 통한 시멘트 대체 결합재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는데(Kim et al. 2013; Kim et al. 2015), 플라이애시(fly
ash, FA) 및 고로슬래그미분말(ground granulated blast furnace slag, GGBS) 등이 주목받고 있다(Ferraris
et al. 2001). 그중 제철소에서 발생하는 고로슬래그미분말은 2000년대 초까지도 재활용률이 낮아 상당한 양의 재고가 쌓여 있었으나, 사용량이
급증함에 따라 재활용률이 100 %에 근접하게 되어 제철소의 추가 가동이 진행되고 있다(Koh and Ryu 2011). 화력발전소에서 발생하는 석탄회
중 하나인 플라이애시는 혼화재로 사용할 경우 작업성 개선, 공극 구조 개선으로 인한 수밀성 증진, 내구성 향상, 수화열 저감을 통한 콘크리트의 균열
감소 및 장기강도 증진 등의 효과가 있는 것으로 보고되고 있다(Bouzoubaa et al. 2001; De Belie et al. 2018; Yao
et al. 2015). 그러나, 최근 정부의 석탄화력발전소의 점진적 가동 중단 등으로 인해, 혼화재의 대체자원 확보에 어려움을 겪고 있으며 이에
따라 새로운 순환자원의 필요성이 대두되고 있다(Lee 2017a).
페로니켈슬래그(ferro-nickel slag, FNS)란 페로니켈을 생산하기 위해 원료로 사용된 니켈광석, 유연탄 등이 고온에서 용융되어 페로니켈과
분리된 후 얻어진 산업부산물로 내부식성, 내화학성 성질이 우수한 것으로 알려져 친환경 자원으로 콘크리트용 잔골재(KS F 2790(KATS 2009)),
주물사, 연마재, 사문암 대체재 등으로 활용되고 있다(Lee 2017a; Lee 2017b). FNS의 생산량은 국내 100만 톤(2010년)(Lee
et al. 2017b), 중국 3천만 톤(Huang et al. 2017), 일본 3만 톤(Sakoi et al. 2013)으로 추정되며 잔골재로의
사용뿐만 아니라, 혼화재로의 연구가 활발하게 진행되고 있다.
Huang et al.(2017) 등은 FNS를 결합재로 활용한 콘크리트의 압축강도 및 염소이온 침투저항성을 평가하였으며, 그 결과 FNS 혼입 콘크리트의
압축강도는 다소 저하되었지만, 내부 공극 개선으로 인해 이온침투 저항성은 증진된다고 보고하였다. Katsiotis et al.(2015)은 FNS를
혼입한 모르타르의 중금속 침출과 물리적 특성을 시험하였으며 그 결과 FNS는 환경적으로 유해하지 않으며, 포졸란 반응을 지니는 것으로 해석했다. Kim
et al.(2019)에서는 분말도 별 FNS 혼입에 따른 압축강도, 휨강도, 전단강도, 쪼갬인장강도를 측정하였다. 그 결과 고분말도 FNS(26,300
$\mathrm{cm}^{2}$/g) 혼입은 모든 강도에 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, FNS 내의 MgO 성분으로 인해 콘크리트 내에서 Hydrotalcite의
생성이 관찰되었다고 평가하였다. Cho et al.(2018); Lemonis et al.(2015)에서는 기존 시멘트 결합재와 FNS를 치환한 삼성분계
시멘트의 특성이 평가되었으며, 장기 강도 및 수밀성이 증진된다고 분석하였다.
앞서 서술한 바와 같이, FNS를 결합재로 활용한 기존 연구에서 치환율 및 분말도에 따른 콘크리트의 역학 성능에 관해선 다수 연구되고 있으며 새로운
순환자원으로서 콘크리트의 적용이 충분히 기대되고 있다. 그러나, FNS와 기존 결합재를 치환한 콘크리트에 관한 연구는 일부에 국한되어 있으며, 삼성분계
혼입에 따른 콘크리트의 기초물성에 관한 연구는 부족한 실정이다.
이에 본 연구에서는 FNS와 기존 결합재 혼입 시 수화 반응의 정도와 공극 구조 분석을 위해 FA와 FNS를 시멘트의 30 %까지 치환한 삼성분계
시멘트의 미세구조분석 및 수화 특성을 분석하고 기초물성 시험을 통해 그 특징에 대해 평가하였다.
2. 실험개요
2.1 실험계획 및 방법
본 연구에서는 FNS를 혼입한 삼성분계 혼합 모르타르의 기초 물성에 대한 평가를 수행하고자 한다. 이를 위해 XRD, MIP, SEM, 미소수화열
시험의 경우는 시멘트의 화학적 반응만을 고려하기 위해 페이스트 시편을 사용하였으며, 응결시간, 길이 변화율 및 압축강도의 경우는 모르타르를 사용하였다.
또한, 결합재 혼입으로 인한 재령별 변화를 확인하기 위해 미세구조 실험 시 재령 28일, 365일간 양생한 페이스트 시험편을 비교하였으며, 각 실험의
개요는 Table 1에 나타내었다.
Table 1. Experiments outline
|
Experiments
|
Age of measuring
(days)
|
Specimen
|
|
Micro structure
|
XRD
|
-
|
Binder
|
|
28, 365
|
Paste powder
|
|
MIP
|
28, 365
|
Paste
|
|
SEM
|
28, 365
|
|
Properties
|
Hydration heat
|
-
|
|
Setting time
|
-
|
Mortar
|
|
Length change
|
35
|
|
Durability
|
Compressive strength
|
1, 3, 7, 28, 91, 365
|
2.2 사용재료
실험에 사용된 결합재의 입자 형상은 Fig. 1과 같다.
2.2.1 시멘트(OPC)
본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 C사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 분말도 3,112 $\mathrm{cm}^{2}$/g 비중은 3.14이다.
시멘트 분말은 Fig. 1, 화학적 성질은 Table 2와 같다.
2.2.2 플라이애시(FA)
플라이애시는 Ca 함량이 낮은 F급을 사용하였으며, 분말도 3,850 $\mathrm{cm}^{2}$/g, 강열감량 1.0 이하이고 비중은 2.2이다.
플라이애시 미분말은 Fig. 2, 화학적 성질은 다음 Table 3과 같다.
2.2.3 페로니켈슬래그(FNS)
본 연구에서는 국내 P사에서 제조한 분말도 3,400 $\mathrm{cm}^{2}$/g, 비중 3.14의 페로니켈슬래그를 사용하였으며 미분말은 Fig. 3, 화학조성은 Table 4에 나타내었다.
Fig. 1. SEM image of binders
Table 2. Chemical properties of cement (%)
|
|
$\mathrm{CaO}$
|
$\mathrm{SiO}_{2}$
|
$\mathrm{Al}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{MgO}$
|
$\mathrm{Fe}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{SO}_{3}$
|
$\mathrm{K}_{2}\mathrm{O}$
|
$\mathrm{Na}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{TiO}_{2}$
|
|
OPC
|
66.98
|
17.43
|
3.97
|
1.60
|
4.16
|
3.41
|
1.23
|
0.33
|
0.27
|
Table 3. Chemical properties of fly ash (%)
|
|
$\mathrm{CaO}$
|
$\mathrm{SiO}_{2}$
|
$\mathrm{Al}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{MgO}$
|
$\mathrm{Fe}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{SO}_{3}$
|
$\mathrm{K}_{2}\mathrm{O}$
|
$\mathrm{Na}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{TiO}_{2}$
|
|
FA
|
3.93
|
65.48
|
18.48
|
0.64
|
5.81
|
0.80
|
1.45
|
1.29
|
1.12
|
Table 4. Chemical properties of ferronickel slag (%)
|
|
$\mathrm{CaO}$
|
$\mathrm{SiO}_{2}$
|
$\mathrm{Al}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{MgO}$
|
$\mathrm{Fe}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{SO}_{3}$
|
$\mathrm{K}_{2}\mathrm{O}$
|
$\mathrm{Na}_{2}\mathrm{O}_{3}$
|
$\mathrm{TiO}_{2}$
|
|
FNS
|
6.28
|
48.23
|
3.59
|
23.01
|
15.76
|
0.50
|
0.09
|
-
|
0.11
|
2.2.4 삼성분계 배합
시멘트의 사용량은 70 %로 하였고, 플라이애시를 시멘트량의 15, 30 % 치환하였으며, 삼성분계 배합에 따른 특성을 분석하기 위해 페로니켈슬래그
15 %와 플라이애시 15 %를 동시에 혼합하였다. 시멘트 매트릭스 내에서의 조직 변화 관찰을 위해 물-바인더비는 0.45로 하였으며, 배합표는 Table 5와 같다.
Table 5. Mix proportion ($\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$)
|
Type
|
OPC
|
FA
|
FNS
|
Sand
|
Water
|
|
Paste
|
OFA0
|
1268
|
-
|
-
|
-
|
571
|
|
OFA15
|
888
|
190
|
190
|
-
|
570
|
|
OFA30
|
888
|
380
|
-
|
-
|
570
|
|
Mortar
|
OFA0
|
571
|
-
|
-
|
1400
|
257
|
|
OFA15
|
400
|
85
|
85
|
1400
|
257
|
|
OFA30
|
400
|
171
|
-
|
1400
|
257
|
2.3 실험방법
배합 별로 혼합한 페이스트는 50×50×50 mm, 모르타르는 각 시험 규정에 맞는 몰드에 타설하고, 24시간 후 탈형하여 항온항습조건(온도 20
°C,습도 80 %)에서 보관하였다. 재령 별 비교 분석을 위해 각 28일, 365일에 에탄올을 사용한 용매치환법(Zhang and Scherer
2011)으로 페이스트의 수화반응을 정지시킨 후 건조로에 건조시켜 분쇄 및 절단하였으며, X선 회절분석(X-ray diffraction, XRD),
공극분포도(mercury intrusion porosimetry, MIP), SEM(scanning electron microscopy) 이미지 분석을
하였다.
2.3.1 X선 회절분석(XRD)
본 실험에서 사용된 결합재 및 재령 28일과 365일에 페이스트 시편을 분쇄한 미분말을 사용하여 XRD 분석을 진행하였으며, Cu-K$\alpha$,
2$\theta$=5-65°, 2(°)/min의 조건으로 측정하였다.
2.3.2 미세구조분석(MIP)
페이스트의 공극 구조분석은 ASTM D 4284(2007) 수은압입시험법에 따라 실시하였으며, 다음의 Washburn식을 (1)에 나타내었다.
2.3.3 SEM
재령 28일, 365일 절단된 삼성분계 페이스트 시편을 이용하여 SEM 이미지 분석을 하였다. 시험체는 해당 재령 일에 아세톤에 침지시켜 수화반응을
정지시킨 후 고온건조로에서 24시간 동안 건조시킨 다음 측정하였다.
2.3.4 미소수화열 측정
각 배합별 미소수화열 분석은 KS L 5121(KATS 2017b) 규정을 따랐으며, 분석장비 Three-point Multi-Purpose Conduction
Calorimeter를 사용하여 25 °C에서 72시간 동안 측정하였다.
2.3.5 응결시간 측정
배합별 모르타르의 응결시간을 측정하기 위해 KS F 2436 (KATS 2017c) 규정에 따라 실시하였다. 시험은 10분 간격으로 측정하여 초결과
종결을 확인하였으며 기기는 자동응결 시험기를 사용하였다.
2.3.6 길이 변화율 시험
길이 변화율 시편은 KS F 2586(KATS 2015b) 규정에 따라 40 mm×40 mm×160 mm 사각 몰드로 제작하였다. 제작된 시편은 시료로부터
수분 증발을 막기 위해 타설 후 노출 표면을 폴리에스테르 필름으로 덮어 온도 20 °C, 실내 습도 80 %에서 양생하였고, 3, 7, 14, 28,
35일 양생 시점에 길이 변화를 측정하였다. 길이 변화 측정은 KS F 2424(KATS 2015a) 시험방법에 따라 수행하였다.
2.3.7 압축강도
압축강도 시편은 50×50×50 mm 큐빅 몰드로 제작하였고, 탈형 후 온도 20±2 °C의 항온수조에서 수중양생을 실시하였다. 압축강도 시험방법
KS L 5105(KATS 2017a) 규정을 따랐으며 재령 1, 3, 7, 28, 91, 365일에 실시하였다.
3. 시험결과 및 분석
3.1 XRD 분석
3.1.1 사용재료 XRD 분석
본 실험에서 사용된 결합재의 XRD 패턴을 Figs. 2~4에 나타내었다. OPC의 경우 alite, belite, brownmillerite, FA의 경우 quartz, mullite, hematite 등이
주된 구성 성분임을 Figs. 2~3에서 확인할 수 있었다. Fig. 4에 따르면 FNS의 주된 구성물은 forsterite($\mathrm{Mg}_{2}\mathrm{SiO}_{4}$)와 fayalite($\mathrm{Fe}_{2}\mathrm{SiO}_{4}$)이다.
3.1.2 페이스트 XRD 분석
페이스트의 XRD 패턴 분석 결과를 Figs. 5~7에 나타내었다. Fig. 5에 따르면, OPC만 첨가한 OFA0의 경우 2$\theta$(°)의 17~19, 33~35 사이에서 portlandite 피크를 나타냈으며 주된
수화 생성물로는 portlandite과 ettringite이 관찰됨을 알 수 있다. 재령 별로 비교해보면 28일과 365일에 생성된 수화물 및 피크점이
큰 차이를 보이지 않았으며 이는 28일 이내에 충분한 수화가 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다. OFA15와 OFA30의 경우, 두 배합 모두 portlandite
피크 세기의 변화 외에 XRD 패턴의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 다만, FA를 혼입한 두 페이스트의 365일 XRD 패턴에서 측정된 portlandite의
피크가 28일에 비해 상당히 낮아진 것을 확인할 수 있는데, FA의 포졸란 반응 때문인 것으로 사료된다(Nath and Sarker 2011). 특히
FNS를 혼입한 Fig. 6의 경우 forsterite과 fayalite이 존재하였으며, 낮아진 portlandite 피크점이 Fig. 7보다 더 뚜렷하게 나타났다. 이는 FNS의 포졸란 반응이 기여했기 때문이라 판단된다.
Fig. 2. XRD curve of cement
Fig. 4. XRD curve of FNS powder
Fig. 5. XRD curve of OFA0 paste at 28 and 365 days of curing
Fig. 6. XRD curve of OFA15 paste at 28 and 365 days of curing
Fig. 7. XRD curve of OFA30 paste at 28 and 365 days of curing
3.2 MIP 시험 결과
공극 측정 결과는 Table 6과 같이 Mindess et al.(2003)을 참고하여 small mesopores(10~2.5 nm), large mesopores(50~10
nm), macropores(10~0.05 µm)로 나누어 Figs. 8~10에 나타내었다.
Fig. 8에 따르면 OFA0의 공극량은 재령이 증가함에 따라 공극량이 줄어들었지만, 재령 별로 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 28일 이내 gel pores
영역의 수화물이 생성되었음을 뒷받침하며, 페이스트 XRD 분석 경향과 일치하는 것을 알 수 있다. Fig. 9의 공극 경향을 살펴보면 OFA0에 비해 공극량은 높게 나타났지만, 공극 대부분이 작은 모세관 영역에 분포해있었다. 또한, 재령 일 증가에 따라 gel
pores 영역의 공극량은 변화가 미비하고, macropores 영역의 공극량은 감소하였는데, 이는 FNS의 분말도가 4,600 $\mathrm{cm}^{2}$/g으로
OPC보다 크고, 입자의 크기 자체도 약 1.8배 작아 공극 사이를 메워주는 역할을 하였기 때문에 나타나는 특성으로 보인다(Kim and Ann 2019).
Fig. 10의 경우 재령 일 증가에 따라 공극량이 미비하게 감소하였으며, large mesopores와 gel pores 영역의 공극량이 상당히 증가하는 경향을
나타내었다. 이러한 결과는 포졸란 반응에 의해서는 미세 공극이 증가하면서 공극 분포에 더 많은 영향을 주기 때문이다.
Table 6. Classification of pore size in hydrated cement pastes (Mindess et al. 2003)
|
Designation
|
Diameter
|
Description
|
|
Capillary pores
|
10~0.05 µm
|
Large capillaries
(macropores)
|
|
50~10 nm
|
Medium capillaries
(large mesopores)
|
|
Gel pores
|
10~2.5 nm
|
Small isolated capillaries
(small mesopores)
|
|
2.5~0.5 nm
|
Micropores
|
|
≤0.5 nm
|
Interlayer spaces
|
Fig. 8. Porosity of OFA0 at 28 and 365 days
Fig. 9. Porosity of OFA15 at 28 and 365 days
Fig. 10. Porosity of OFA30 at 28 and 365 days
3.3 SEM 이미지 분석
각 배합 별 수화물 형상을 알아보기 위해 SEM 이미지 분석을 하였으며 Figs. 11~13에 각각 나타내었다. Fig. 11은 100 % OPC만을 배합한 페이스트의 28일, 365일 재령에 따른 미세구조 형상이며, 재령 28일 페이스트 SEM 이미지 Fig. 11(a)에서는 시멘트의 주요 수화물인 portlandite가 다수 존재하는 것을 보여준다. Fig. 11(b)에 따르면 calcite 생성을 확인할 수 있었는데, 이는 장기 재령에 따른 이산화탄소 노출로 인한 탄산화 때문인 것으로 추측된다. Figs. 12~13(a) 두 이미지에서는 FA 미분말을 확인할 수 있었는데, OFA30의 경우 시멘트 페이스트 사이로 FA 미분말이 수화하는 것으로 보이며, OFA15의
경우 FA 미분말이 수화 반응을 더 활발하게 진행하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 재령 365일 OFA15의 미세구조 형상은 Fig. 12(b)와 같으며, FNS 분말 주변으로 C-S-H gel이 생성됨을 확인하였으며, 이는 FNS가 충전재로서의 특징도 가진다는 사실을 보여준다. OFA30의
재령 365일 페이스트 시험체는 Fig. 13(b)에서 보는 바와 같이 전체적으로 수화지연에 의해 portlandite와 미수화 FA 미분말이 존재하는 것으로 나타났으며, 시험제들의 내부는 대체로
치밀하지 않은 것으로 나타났다.
Fig. 11. SEM images of OFA0 paste
Fig. 12. Porosity of OFA15 at 28 and 365 days
Fig. 13. EM images of OFA30 paste
3.4 미소수화열 분석
Fig. 14는 세 배합에 대한 누적 발열량을 나타낸 결과이다. Fig. 14와 같이 72시간 이후 수화발열량 분석 결과 OFA0, 258.44 Joule/g, OFA15 180.61 Joule/g, OFA30 173.15
Joule/g으로 OFA0가 가장 높은 수화발열을 나타내었으며 FA 혼입이 높아질수록 수화열이 작아지는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 분말도에 비해
비표면적이 큰 시멘트는 수화반응이 빠르게 일어나지만, FA를 사용함에 따라 수화열 발생이 감소하였기 때문이다(Elsageer 2011; Poole
et al. 2010). 특히 FNS의 첨가에 따른 OFA15의 수화열 발생은 FA만을 혼입한 OFA30과 비교 시 큰 차이를 보이진 않았으나, 상대적인
수화열은 발생하는 것으로 나타났다. Fig. 15는 단위 시간당 수화열을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 OFA0와 OFA30은 초기 제1 피크와 제2 피크가 발생한 것에 비해 FA를 15
%와 FNS를 15 %를 혼입한 OFA15 배합의 경우 완만한 발열 피크를 보였으며, 24시간 경과 후부터는 발열량이 저하되어 OFA30과 동일한
발열량을 보였다. 이러한 결과는 FNS의 입자 형성은 비정형이지만(Fig. 1), 표면이 매끄러운 특성이 있으므로 수화 반응에 기여할 수 있는 자유수를 더 많이 내포하게 되어 상대적으로 완만한 발열 피크를 나타내는 것으로 판단된다.
Fig. 14. Cumulative hydration temperature curve
Fig. 15. Normalized hydration temperature curve
3.5 응결시간
응결시간 측정결과는 Fig. 16에 나타내었다. OFA0의 경우 초결 324분, 종결 462분으로 종결까지 약 138분이 소요되었으며, OFA15의 초결과 종결은 각각 372분,
540분으로 종결까지 약 168분이 소요되었고, OFA0보다 30분가량 더 지연되었다. OFA30의 경우 초결 432분, 종결 642분으로 초결부터
종결까지 약 210분이 소요되었고 OFA0에 비해 72분이 더 소요되었다. 특히, OFA30은 가장 느린 경화 시간을 나타내었으며, FA의 사용량이
증가할수록 응결시간이 지연되는 것을 알 수 있었다. 이는 치환으로 인해 C3S, C2S가 OFA0에 비해 적어짐에 따라 응결이 지연되었다고 판단된다.
동일한 치환율로 배합한 두 모르타르의 응결시간을 비교해보면 2성분계 모르타르 OFA30보다 FNS를 첨가한 3성분계 모르타르 OFA15가 초결 60분,
종결 102분의 차이로 응결시간을 단축했으며, 경화 반응이 더 활발한 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞선 실험 결과 분석에서 나타난 바와 같이 FNS의
혼입이 수화 반응에 기여하여 경화시간을 단축하는 것으로 판단된다.
Fig. 16. Setting time of mortar
3.6 길이 변화율 시험
배합 별 길이 변화율 시험결과를 Fig. 17에 나타내었다. 양생일 증가에 따라, 모든 모르타르에서 수축이 발생하였으나, 재령 7일 이후에는 변화 폭이 감소함을 알 수 있다. OFA0 모르타르의
경우 재령 35일 수축률 –0.156 %으로 가장 높은 결과를 나타내었으며 이는 3.4 미소수화열 시험 결과와 마찬가지로 OPC의 높은 수화발열에
의한 자기수축으로 판단된다. OFA15는 시험 결과 OFA0보다 –11 % 낮은 –0.145 %의 수축률을 보였으며 OFA30보다 –0.005 %
높았다. OFA30은 수축률 –0.140 %로 가장 낮은 결과값을 나타내었으며 OFA15와 미비한 차이를 보였다. 이러한 결과는 대체로 페로니켈슬래그미분말은
플라이애시와 유사한 건조수축 특성을 보이기 때문인 것으로 판단된다(Kim et al. 2018).
Fig. 17. Length change of mortar
3.7 압축강도
압축강도 시험결과는 Fig. 18에 나타내었다. 결과를 보면, 모든 재령에서 OPC만 혼입한 OFA0 모르타르가 가장 높은 강도 발현을 보였다. OFA15와 OFA30의 강도 발현은
각각 1일 1.67, 1.80 MPa, 91일 30.41, 32.86 MPa로 측정되었으며 OFA0에 비해 다소 저조했다. 특히, 초기 재령의 압축
강도 발현은 상당히 낮게 나타났는데 이러한 경향은 시멘트의 상당 부분을 화학 반응이 늦은 결합재로 치환하면서 발생하는 희석효과(dilution effect)에
기인한 것으로 보인다. 강도 발현 특성을 살펴보면, FNS를 혼입한 OFA15의 경우 재령 91일까지 OFA30에 비해 낮은 강도발현을 나타냈는데,
이는 Fig. 6에 나타난 바와 같이 페이스트 내에서 반응하지 않은 forsterite가 미수화물로 존재하기 때문에 FNS의 혼입이 밀실한 공극 구조에 기여하더라도
반응하지 않은 미수화물이 구조체의 강도 발현에 부정적인 영향을 끼치는 것으로 보인다(Kim et al. 2018). 재령 365일 OFA15와 OFA30의
최종 강도는 각각 33.4 MPa, 34.00 MPa로 재령 일이 증가할수록 삼성분계 모르타르의 압축강도도 증가함을 확인할 수 있었는데, 이는 초기
수화를 지연하고 장기강도 증진에 기여하는 FNS의 포졸란 반응 때문이다(Lemonis et al. 2015).
Fig. 18. Strength development of blended mortars
4. 결 론
본 연구에서는 페로니켈슬래그(FNS)와 플라이애시(FA)를 결합재로 사용한 삼성분계 시멘트의 기초 물성을 확인하였으며 다음과 같은 실험적 결론을 도출하였다.
1) XRD 분석을 통해 삼성분계 배합은 재령 일이 증가할수록 portlandite의 피크점이 뚜렷하게 낮아지는 것을 확인하였으며, 이는 FNS의
포졸란 반응에 기여한 것으로 나타났다.
2) 재령 28일, 365일 공극분포측정(MIP) 결과로부터 F NS의 혼입이 밀실한 공극 구조에 기여하는 것으로 확인되었으며 SEM 이미지 분석을
통해 채움재로서의 기능을 확인하였다.
3) FNS의 매끄러운 표면 특성 때문에 혼입 시 자유수를 더 많이 내포하게 되고 상대적으로 완만한 발열 피크를 나타내며 수화 반응에도 기여하여 경화시간을
단축시킴을 응결시간 측정을 통해 확인하였다.
4) 수화 반응으로 인한 발열로 모든 배합에서 건조수축이 발생하였으나, 재령 일이 증가할수록 FNS와 FA를 혼입한 배합의 수축률은 저감되었으며,
FNS는 FA와 유사한 건조수축을 보인다.
5) 치환 모르타르의 초기 재령 압축강도는 결합재 치환으로 발생하는 희석효과로 인해 저조한 강도 발현을 보였지만, 재령 일 증가에 따라 강도 증진을
보였다.
6) FNS 혼입 모르타르의 경우 반응하지 않은 미수화물이 구조체의 강도 발현에 부정적인 영향을 끼치며 따라서, FNS 혼입 시 치환율 설계가 필요할
것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2019년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수해된 연구임(2019 3210100050, 표층처분시설의
건설 구조체 및 장기 성능 감시 기술개발).
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