이재인
(Jae-In Lee)
1iD
김채영
(Chae-Young Kim)
2
윤주호
(Joo-Ho Yoon)
2
이호준
(Lee Ho-Jun)
3
최세진
(Se-Jin Choi)
4†
-
원광대학교 건축공학과 박사과정
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Wonkwang University, Iksan
54538, Rep. of Korea)
-
원광대학교 건축공학과 석사과정
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Wonkwang University, Iksan
54538, Rep. of Korea)
-
포스코 철강솔루션연구소 수석연구원
(Senior Researcher, POSCO, Steel Structure Resesarch Group, Incheon 21985, Rep. of
Korea)
-
원광대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Wonkwang University, Iksan 54538,
Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
알칼리 활성 복합체, 초기 경화 조건, 페로니켈슬래그 미분말, 압축강도, 염화물이온 침투 저항성
Key words
alkali-activated composite, initial curing condition, ferronickel slag powder, compressive
strength, chloride-ion penetrability
1. 서 론
건설산업에서 가장 다방면하게 사용되는 재료인 시멘트의 경우 건설산업의 발전에 큰 기여를 해온 재료이다(Lim et al. 2020). 그러나 시멘트의 경우 1 ton 생산 시 약 0.8 ton 수준의 이산화탄소가 발생하여 지구온난화를 가속화시키는 주요 원인으로 지적되고 있다(Shubbar et al. 2020; Ahmad et al. 2022; Lee et al. 2022). 이러한 시멘트 생산으로 인해 발생하는 이산화탄소 배출을 저감시키기 위하여 시멘트를 사용하지 않고 결합재로서 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 등의
산업부산물을 활용한 지오폴리머에 관한 연구가 다수 보고되고 있다(Prusty and Pradhan 2020; Reddy et al. 2018; Jagadesh et al. 2022).
지오폴리머의 경우 결합재로 산업부산물을 사용함으로서 일반 시멘트 콘크리트에 비해 약 60~80 % 감축된 이산화탄소 배출량을 나타내지만(Meng et al. 2019; Amer et al. 2023) 지오폴리머 연구에 대한 실험 조건이나 항목이 정확히 규명되어 있지 않은 실정이다(Mohajerani et al. 2019; Sitarz et al. 2020; Ojha et al. 2021).
지오폴리머에 대표적으로 사용되는 결합재인 고로슬래그 미분말, 플라이애시 등은 포졸란 반응을 하여 지오폴리머 콘크리트의 결합재 역할을 할 수 있으며(Gupta 2021; Chofore et al. 2022) 결합재로 사용할 경우 기존 시멘트 콘크리트에 비해 개선된 역학 및 내구성능이 관찰되었다는 연구가 보고되고 있다(Thaarrini and Dhivya 2016; Cevik et al. 2018; Chalee et al. 2021; Tersawy et al. 2023).
그러나 결합재로 사용되는 고로슬래그 미분말 및 플라이애시의 반응을 활성화시키기 위해 적절한 알칼리 활성화제의 혼입이 필요하며 최적의 성능발현을 위해
다양한 종류의 결합재와 알칼리 활성화제와의 반응성을 확인하여야 한다(Cho et al. 2017).
니켈-철 합금을 제련하는 과정에서 발생하는 부산물인 페로니켈슬래그는 다량의 SiO2가 함유되어 있다. 그러나, 페로니켈슬래그의 대부분은 콘크리트용 골재로 사용되며 최근들어 이를 미분쇄한 페로니켈슬래그 미분말을 결합재로서 시멘트 복합체에
적용한 연구가 보고되고 있다(Rahman et al. 2017; Kim et al. 2019; Choi et al. 2021). Rahman et al. (2017)의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 적용한 시멘트 페이스트의 응결시간 및 강도 활성 지수를 검토하였다. 검토 결과 페로니켈슬래그 미분말을 50 %까지
혼입하여도 응결 시간에 큰 영향을 미치지 않았으며 강도 발현 수준이 일반적으로 사용되는 플라이애시 등의 다른 보충 시멘트질 재료와 유사한 수준인 것으로
보고하였다. Choi et al. (2021)의 연구에서는 페로니켈슬래그 미분말 및 플라이애시를 함유한 모르타르의 역학 및 내구특성에 대하여 평가하였으며 평가 결과, 페로니켈슬래그 미분말의 혼입률이
증가할수록 유동성이 증가하고, 시멘트 복합체의 건조수축 및 탄산화 저항성에 긍정적인 효과를 미친다고 보고하였다. Kim et al. (2019)의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 혼입한 시멘트 복합체의 내구특성을 검토하였다. 검토 결과, 페로니켈슬래그 미분말의 혼입은 콘크리트의 염화물 및 황산염에
대한 내구성을 증가시키고 산업폐기물 사용을 통해 경제적 이익을 증대시킬 수 있다고 보고하였다.
이와 같이, 시멘트 복합체의 결합재로서 페로니켈슬래그 미분말을 사용할 경우 시멘트 복합체의 다양한 성능이 향상 될 수 있는 것으로 나타났다. 또한
이외에도 페로니켈슬래그 미분말은 높은 SiO2를 함유하여 지오폴리머 복합체의 Si-O-Si 결합을 위한 전구체로서의 사용도 가능할 것으로 판단되나, 이를 지오폴리머에 적용한 연구는 미미한 실정이다.
한편 지오폴리머의 경우 양생온도 및 기간에 따라 성능 발현이 상이한 것으로 알려져 있으며 일반적으로 고온에서 양생을 진행할 시 지오폴리머 중합반응을
가속화 함으로써 우수한 역학성능을 발현하는 것으로 알려져 있다(El-Feky et al. 2020; Mayhoub et al. 2021; Shumuye et al. 2021). 그러나 고온에서의 양생기간이 길어질 경우에는 수분 부족 및 공극 구조의 변화로 인해 오히려 강도의 저하가 발생하였다는 사례도 보고되고 있다(Heah et al. 2011; Cho et al. 2014). 따라서 지오폴리머의 최적의 성능발현을 위한 적정 양생온도 및 양생기간에 관한 문헌들이 보고되고 있다(Hui et al. 2014; Sajan et al. 2021; Bai et al. 2022). Bai et al. (2022)의 연구에서는 마이크로웨이브 방사, 열 가열 및 복합 경화 방법 등 다양한 경화 기술이 탄화 고티타늄 슬래그 기반 지오폴리머의 성능 발현에 미치는
영향에 관해 연구하였다. 연구 결과 60 °C에서 6시간 동안 가열한 후 210 W에서 15분 동안 마이크로웨이브 방사를 진행한 시편에서 가장 높은
압축강도를 발현하고, 이는 일반 상온 양생을 진행한 시편에 비해 약 172 % 높은 수준을 나타내었다고 보고하였다. Hui et al. (2014)은 양생온도와 시간이 메타카올린 기반 지오폴리머의 기계적 특성에 미치는 영향에 관해 연구하였으며 연구 결과 양생온도가 증가할 경우 지오폴리머화 반응의
용해, 중합, 재침전 과정을 가속화하고, 60 °C에서 7일간 양생할 경우 가장 높은 압축강도를 발현한다고 보고하였다. Sajan et al. (2021)은 알칼리 활성화제의 농도, 양생온도 및 양생기간이 플라이애시 기반 지오폴리머의 기계적 특성에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 연구 결과 60~80
°C에서 경화된 지오폴리머 샘플의 경우 상온양생을 진행한 샘플에 비해 상대적으로 적은 양의 알칼리 활성화제를 사용하고, 양생 기간이 짧을 경우에도
약 30 MPa의 압축강도를 발현하였다고 보고하였다.
이렇듯 다양한 결합재 및 양생온도 변화 등의 변수에 따른 지오폴리머 연구가 보고되고 있으나 페로니켈슬래그 미분말을 적용한 지오폴리머의 사전양생 온･습도에
따른 역학 및 내구특성에 관한 연구는 미미한 실정이다.
따라서 본 연구는 건설산업에서 발생하는 이산화탄소 저감을 위한 연구의 일환으로 페로니켈슬래그 미분말을 결합재로 0, 5 % 혼입한 고로슬래그 기반
지오폴리머 복합체의 사전양생 온도 및 습도에 따른 역학 및 내구특성을 비교･분석하였다.
2. 실험 계획 및 방법
2.1 사용재료
본 연구에 사용된 결합재의 경우 비중 2.93 g/cm3, 분말도 4,210 cm2/g의 고로슬래그 미분말 3종을 사용하였으며 고로슬래그 미분말 대체재로 혼입된 페로니켈슬래그 미분말의 경우 비중 3.09 g/cm3, 분말도 15,890 cm2/g인 것을 사용하였다. 알칼리 활성화제의 경우 결합재의 일부로 CaO, CaCl2 및 Ca(NO3)2를 사용하였다. 사용된 잔골재의 경우 비중 2.60 g/cm3, 조립률 2.45 및 흡수율 1.0 %인 국내 남원산 산모래를 사용하였다. Table 1 및 Table 2는 본 연구에 사용된 잔골재 물리적 특성과 결합재의 화학적 특성을 나타내었으며, Table 3는 본 연구에 사용된 알칼리 활성화제의 특성을 나타낸 것이다. Fig. 1 및 Fig. 2는 사용된 결합재의 성상 및 SEM image를 나타낸 것으로 고로슬래그 미분말과 페로니켈슬래그 미분말 입자는 유사한 형상을 띄고 있는 것을 확인할
수 있다. Fig. 3의 경우 KS F 2527(KATS 2022) 규격에 따라 0~5 mm 체를 사용하여 본 연구에 사용된 천연 잔골재의 입도분포곡선을 나타낸 것으로 본 연구에 사용된 천연 잔골재는 표준 입도분포곡선
범위를 만족하는 것을 알 수 있다.
Fig. 1 Binder used in this study
Fig. 2 SEM images of binder (2,000×)
Fig. 3 Particle size distribution of fine aggregates
Table 1 Physical properties of fine aggregate used for this study
|
Type
|
FM
|
Density
(g/cm3)
|
Water absorption
(%)
|
|
Natural sand (NS)
|
2.45
|
2.60
|
1.0
|
Table 2 Chemical composition of cementitious materials used for this study
|
Type
|
SiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
K2O
|
Blaine
(cm2/g)
|
Density
(g/cm3)
|
Manufacturer
|
|
Ground granulated blast furnace slag (GGBFS)
|
30.6
|
13.9
|
0.32
|
40.7
|
6.4
|
0.6
|
4,210
|
2.93
|
Daehan slag, Korea
|
|
Ground ferronickel slag (GFS)
|
48.8
|
2.8
|
13.7
|
1.1
|
30.6
|
-
|
15,890
|
3.09
|
Posco,
Korea
|
Table 3 Properties of alkali-activator
|
Type
|
pH
|
Density
(g/cm3)
|
After ignited
(%)
|
Manufacturer
|
|
CaO
|
-
|
3.3
|
97.5
|
Daejung. Korea
|
|
CaCl2
|
10.32
|
2.16
|
95
|
|
Ca(NO3)2
|
6
|
1.9
|
98.8
|
2.2 실험 방법
Table 4는 본 연구에 사용된 실험 배합을 나타낸 것으로 물결합재비는 40 %로 고정하였으며 페로니켈슬래그 미분말 혼입률의 경우 사전실험을 통해 가장 우수한
역학특성을 나타내었던 5 %를 혼입하였다. 알칼리 활성화제의 경우 기존문헌(Yum et al. 2020)을 참고하여 결합재 중량에 대하여 각각 5 % 혼입하였으며 사용된 알칼리 활성화제의 경우 CaO, CaCl2 및 Ca(NO3)2를 사용하였다. 또한 작업성의 확보를 위해 폴리카르본산계 고성능 AE감수제(SEONGBO NEXCO, Supex 100, Korea)를 결합재 중량에
대하여 약 0.3 % 혼입하였다. 시험체의 경우 압축강도 시험체는 50×50×50 mm 큐빅형 시험체, 쪼갬인장강도 시험체의 경우 Ø50×100 mm
원주형 시험체를 제작하였으며 초음파속도 및 건조수축 시험체의 경우 40×40×160 mm의 각주형 시험체를 제작하였다. 염화물이온 침투 저항성 시험체의
경우 Ø100×50 mm의 원주형 시험체를 제작하였으며 미세구조의 경우 압축강도 측정 후 시험체의 파편을 채취하여 Scanning Electron(SEM;
AIS1800C, SERON, Korea) 및 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDS; OXFORD INSTRUMENTS,
Xplore, U.K)를 통해 미세구조를 분석하였다.
시험체는 제작 후 각 배합별 초기경화조건에서 24시간 동안 사전양생을 실시하였다. 사전양생 시간은 고온 양생 기간이 증가 할 경우 고온 양생 효과가
감소하는 것으로 보고한 기존문헌(Durak et al. 2021)을 참고하였으며, 이때 사전양생 조건의 온도 및 습도는 20 °C, 30 % RH의 상온양생(room condition), 온도 60 °C, 0 %
RH의 건조양생(oven condition) 및 온도 60 °C, 100 % RH의 증기양생(steam condition)을 진행하였다. 사전양생
온도는 지오폴리머의 최적의 성능 발현을 위한 경화 온도가 60 °C인 것으로 보고한 기존문헌(Bakri et al. 2011)을 참고하였으며, 사전양생 이후 모든 샘플은 40 °C, 100 % RH의 증기양생챔버에서 증기양생을 실시하였다.
Table 4 Mixing proportions of mortars
|
Mix
|
W/B
(%)
|
Water
(kg/m3)
|
Binder
(kg/m3)
|
Unit weight (kg/m3)
|
AD
(B*%)
|
Initial curing condition
|
|
GGBFS
|
GFS
|
CaO
|
CaCl2
|
Ca(NO3)2
|
NS
|
|
BSG
(Rm)
|
40
|
136
|
340
|
289
|
0
|
17
|
17
|
17
|
764
|
0.3
|
Room
(20 °C, 30 % RH)
|
|
BSG
(Ov)
|
Oven
(60 °C, 0 % RH)
|
|
BSG
(Sm)
|
Steam
(60 °C, 100 % RH)
|
|
FSG
(Rm)
|
272
|
17
|
765
|
Room
(20 °C, 30 % RH)
|
|
FSG
(Ov)
|
Oven
(60 °C, 0 % RH)
|
|
FSG
(Sm)
|
Steam
(60 °C, 100 % RH)
|
|
BSG (GGBFS 100 %): Blast furnace slag based geopolymer, FSG (GGBFS 95 %+GFS 05 %):
Ferronickel slag blended geopolymer
|
2.3 측정 방법
모르타르 플로우 및 압축강도의 경우 KS L 5105(KATS 2017) 시험방법에 준하여 측정을 진행하였으며 미소수화열의 경우 Semiadiabatic Calorimeter(Calmetrix, F-Cal 8000, USA)를
사용하여 ASTM C 1753 (2021) 시험방법에 따라 48시간 동안의 미소수화열을 측정하였다. 쪼갬인장강도의 경우 KS F 2423(KATS 2011) 시험방법에 준하여 측정을 진행하였으며 초음파속도의 경우 Proceq(pundit, Switzerland)를 사용하여 KS F 2731(KATS 2023) 시험방법에 준하여 측정을 진행하였다. 염화물이온 침투 저항성의 경우 ASTM C 1202 (2019) 시험방법에 준하여 측정을 진행하였으며 건조수축의 경우 KS F 2424 (KATS 2015) “모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험 방법”에 준하여 측정을 진행하였다. 미세구조 분석의 경우 SEM 및 EDS를 통해 미세구조 분석을 진행하였다.
3. 실험결과
3.1 모르타르 플로우
Fig. 4는 모르타르 플로우를 나타낸 것으로 고로슬래그 미분말만을 혼입한 BSG 배합의 경우 약 189 mm의 플로우를 나타내었다. 페로니켈슬래그 미분말을
5 % 혼입한 FSG 배합의 경우에는 약 196 mm의 플로우로 BSG 배합에 비해 약 3.7 % 높은 플로우를 나타내었다. 이러한 결과는 페로니켈슬래그
미분말의 유리질 피막 특성에 의해 모르타르 플로우가 증가한 것으로 사료된다(You et al. 2019).
3.2 미소수화열
Fig. 5는 미소수화열 측정 결과를 나타낸 것으로 BSG 배합의 경우 1시간 이후 감소하는 수화열을 나타내었으나 약 20시간 이후 수화열은 지속적으로 증가하는
현상을 나타내어 약 45시간에 약 28.5 °C의 peak 온도를 나타내었다. FSG 배합의 경우 초기 수화열의 발현은 미미하였으나 BSG 배합과
유사한 경향으로 약 20시간 이후 수화열은 지속적으로 증가하였으며 약 48시간에 약 28.1 °C의 peak 온도를 나타내었다. 페로니켈슬래그 미분말을
혼입한 배합이 BSG 배합에 비해 상대적으로 낮은 온도를 나타내고 있는데, 이는 페로니켈슬래그 미분말의 경우 고로슬래그 미분말에 비해 상대적으로 반응성이
낮은 것에 기인한 것으로 판단된다(Nuruzzaman et al. 2023).
Fig. 5 Heat of micro-hydration
3.3 압축강도
Fig. 6은 재령별 압축강도 변화를 나타낸 것으로 재령 7일의 경우 BSG(Rm) 배합에서 약 27.9 MPa의 가장 낮은 압축강도를 발현하였으며 이후 사전양생
온도 및 습도가 증가함에 따라 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었다. BSG(Sm) 배합의 경우 약 35.2 MPa의 압축강도로 BSG 배합 중 가장
높은 압축강도를 발현하였으며 이는 BSG(Rm) 배합에 비해 약 26.2 % 높은 수준이다. FSG 배합의 경우에도 BSG 배합과 유사한 경향으로
FSG(Rm) 배합에서 약 29.3 MPa의 가장 낮은 압축강도를 발현하였다. 이후 사전양생 온도 및 습도가 증가함에 따라 압축강도는 증가하는 경향을
나타내어 FSG(Sm) 배합에서 약 36.0 MPa의 가장 높은 압축강도를 발현하였다. 동일한 사전양생 환경일 경우 페로니켈슬래그 미분말을 혼입한
FSG 배합이 BSG 배합에 비해 상대적으로 높은 압축강도를 발현하였는데, 이러한 경향은 본 연구에 사용된 페로니켈슬래그 미분말의 경우 분말도가 15,890
cm2/g으로 고로슬래그 미분말에 비해 상대적으로 미세하여 매트릭스 내부 공극을 충진하여 나타난 현상으로 판단된다(Kroehong et al. 2011). 또한 사전양생 조건이 60 °C, 100 % RH 환경인 Sm 배합에서 가장 높은 압축강도를 발현한 경향은 일반 상온양생에 비해 고온에서 양생을
진행할 시 지오폴리머의 중합반응이 더욱 가속화되어 초기강도 증진에 긍정적인 영향을 미친 것으로 사료된다(Khale and Chaudhary 2007; Shilar et al. 2022).
Fig. 6 Compressive strength
재령 28일 BSG 배합의 경우 BSG(Ov) 배합에서 약 41.1 MPa의 가장 낮은 압축강도를 발현하였으며 BSG(Sm) 배합에서 약 47.9
MPa의 가장 높은 압축강도를 발현하였다. FSG 배합의 경우에도 BSG 배합과 유사한 경향으로 FSG(Ov) 배합에서 약 40.5 MPa의 가장
낮은 압축강도를 발현하였으며 FSG(Sm) 배합에서 약 48.5 MPa의 가장 높은 압축강도를 발현하였다. 이러한 경향은 Ov 배합의 경우 온도 60
°C, 0 % RH 환경에서 사전양생을 진행함으로써 초기에는 지오폴리머 형성을 위한 충분한 수분이 존재하였으나, 이후 추가적인 지오폴리머화 및 강도
발달을 위한 충분한 수분이 존재하지 않은 것에 기인한 것으로 판단된다(Li et al. 2013; He et al. 2020).
재령 56일 BSG 배합의 경우 재령 28일과 유사한 경향으로 BSG(Ov) 배합에서 약 44.0 MPa의 가장 낮은 압축강도를 나타내었으며 BSG(Sm)
배합에서 약 50.1 MPa의 압축강도로 BSG (Ov) 배합에 비해 약 13.9 % 높은 수준을 나타내었다. FSG 배합의 경우에도 FSG(Ov)
배합에서 약 43.7 MPa의 가장 낮은 압축강도를 발현하였다. FSG(Sm) 배합의 경우 약 51.2 MPa의 압축강도로 전체 배합 중 가장 높은
압축강도를 발현하였으며 이는 가장 낮은 압축강도를 발현하였던 FSG(Ov) 배합에 비해 약 17.2 % 높은 수준이다.
3.4 쪼갬인장강도
Fig. 7은 재령 28일 쪼갬인장강도 변화를 나타낸 것으로 BSG 배합의 경우 BSG(Ov) 배합에서 약 3.3 MPa의 가장 낮은 쪼갬인장강도를 발현하였다.
BSG(Rm) 배합 및 BSG(Sm) 배합의 경우 약 3.6~3.7 MPa의 쪼갬인장강도로 유사한 수준을 나타내었다. FSG 배합의 경우 BSG 배합과
유사한 경향으로 FSG(Ov) 배합에서 약 3.2 MPa의 가장 낮은 쪼갬인장강도를 발현하였으며 FSG(Sm) 배합에서 약 3.6 MPa의 가장 높은
쪼갬인장강도를 발현하였다. BSG, FSG 배합에서 동일하게 사전양생 조건이 Ov인 배합의 쪼갬인장강도가 가장 낮은 경향은 압축강도의 경향과 유사하게
나타났으며 쪼갬인장강도의 경우 동일한 사전양생 조건일 경우 페로니켈슬래그 미분말 혼입에 따른 변화는 미미한 것으로 나타났다.
Fig. 7 Split tensile-strength
3.5 초음파속도
Fig. 8은 재령별 초음파속도를 나타낸 것으로 재령 7일의 경우 BSG(Rm) 배합에서 약 3,540 m/s의 초음파속도를 나타내었으며 이후 사전양생 온도
및 습도가 증가함에 따라 초음파속도는 증가하는 경향을 나타내었다. BSG(Sm) 배합의 경우 약 3,695 m/s의 초음파속도로 BSG 배합 중 가장
빠른 속도를 나타내었으며 이는 BSG(Rm) 배합에 비해 약 4.4 % 높은 값이다. FSG 배합의 경우에도 BSG 배합과 유사한 경향으로 FSG(Rm)
배합에서 약 3,421 m/s의 가장 느린 초음파속도를 나타내었으며 이후 사전양생 온도 및 습도가 증가함에 따라 초음파속도는 증가하는 경향을 나타내었다.
재령 7일 초음파속도의 경우 재령 7일 압축강도와 유사하게 가장 높은 압축강도를 발현하였던 Sm 배합에서 가장 빠른 초음파속도를 나타내었는데, 이는
압축강도가 증가할수록 공극구조가 적은 밀실한 내부가 형성되어 초음파속도가 증가한 것으로 사료된다(Lee and Choi 2023).
재령 28일의 경우 BSG 배합 중 BSG(Ov) 배합에서 약 3,782 m/s의 가장 느린 초음파속도를 나타내었으며 BSG(Sm) 배합에서 약 3,825
m/s의 가장 빠른 초음파속도를 나타내었다. FSG 배합의 경우에도 BSG 배합과 유사하게 FSG(Ov) 배합에서 약 3,749 m/s의 가장 느린
초음파속도를 나타내었으며 FSG(Sm) 배합에서 약 3,846 m/s의 가장 빠른 초음파속도를 나타내었다. 28일 초음파속도의 경우 페로니켈슬래그
미분말 혼입에 관계없이 Ov 배합에서 가장 느린 초음파속도를 나타내고 있는데, 이는 Ov 배합의 재령 28일 압축강도가 가장 낮은 것에 기인한 것으로
판단된다(Lee and Choi 2023).
초음파속도는 균열과 공극을 통과하지 못하기 때문에 초음파의 통과 속도가 빠를수록 내부가 밀실한 것으로 판단할 수 있다. 본 연구에서도 압축강도가 증가할수록
초음파속도가 증가하는 경향을 나타내고 있다.
Fig. 8 Ultrasonic pulse velocity
3.6 염화물이온 침투 저항성
Fig. 9는 재령별 통과전하량을 나타낸 것으로 재령 7일의 경우 BSG(Rm) 배합에서 약 3,817 C의 전체 배합 중 가장 높은 통과전하량을 나타내었다.
BSG(Ov) 배합 및 BSG(Sm) 배합의 경우 각각 약 916, 898 C의 통과전하량으로 BSG(Rm) 배합에 비해 약 76~76.5 % 낮은
값을 나타내었다. FSG 배합의 경우에도 FSG(Rm) 배합에서 약 3,221 C의 가장 높은 통과전하량을 나타내었으며, 이후 사전양생 온도 및 습도가
증가함에 따라 통과전하량은 점차 감소하는 경향을 나타내어 FSG(Sm) 배합에서 약 889 C의 가장 낮은 통과전하량을 나타내었다. 이러한 경향은
재령 7일 압축강도에서 사전양생 온도 및 습도가 증가할수록 압축강도가 증가한 경향에 따라 상대적으로 밀실한 내부가 형성되어 염화물이온 침투 저항성이
높은 것으로 판단된다(Choi et al. 2020). 또한 BSG(Ov), BSG(Sm) 및 FSG(Sm) 배합에서 약 889~ 916 C의 통과전하량을 나타내었는데, 이는 ASTM C 1202에서
제안한 “Very low”에 해당하는 값이다.
재령 28일 BSG 배합의 경우 BSG(Sm) 배합에서 약 298 C의 통과전하량으로 BSG 배합 중 가장 낮은 통과전하량을 나타내었으며 BSG(Ov)
배합의 경우 약 498 C의 통과전하량으로 BSG 배합 중 가장 높은 통과전하량을 나타내었다. FSG 배합의 경우에도 FSG(Ov) 배합에서 약 325
C의 가장 높은 통과전하량을 나타내었으며 FSG(Sm) 배합의 경우 약 208 C의 가장 낮은 통과전하량으로 FSG(Ov) 배합에 비해 약 36 %
낮은 수준을 나타내었다.
Fig. 9 Chloride-ion penetrability
3.7 건조수축
Fig. 10은 건조수축 변화를 나타낸 것으로 BSG 배합의 경우 BSG(Rm) 배합에서 약 0.118 %의 가장 높은 건조수축률을 나타내었다. BSG(Ov)
배합 및 BSG(Sm) 배합의 경우에는 약 0.077~0.081 %의 건조수축률로 BSG(Rm) 배합에 비해 상대적으로 낮은 건조수축률을 나타내었다.
FSG 배합의 경우에도 FSG(Rm) 배합에서 약 0.108 %의 가장 높은 건조수축률을 나타내었으며 FSG(Sm) 배합의 경우 약 0.079 %의
건조수축률로 FSG 배합 중 가장 낮은 건조수축률을 나타내었다. Ov 배합 및 Sm 배합의 경우 페로니켈슬래그 미분말 혼입에 관계없이 약 0.077~0.081
%의 건조수축률로 Rm 배합에 비해 상대적으로 낮은 수준을 나타내었다. 이러한 경향은 Sm 배합의 경우 온도 60 °C, 100 % RH 환경에서
사전양생을 진행함으로써 반응을 강화하고, 결합을 더 빠르게 만들며 매트릭스의 수분 함량을 유지하는 반면, Rm 배합의 경우 기건양생을 통해 반응이
느리게 발생하고 시간이 지남에 따라 수분 증발이 더 빠른 것에 기인한 것으로 판단된다(Chouksey et al. 2022). 또한 Ov 배합의 경우 온도 60 °C, 0 % RH 환경에서 사전양생을 진행함으로서 초기에 자유수가 손실되어 건조수축률이 상대적으로 낮은 것으로
판단된다(Wallah 2009; Kuenzel et al. 2012).
3.8 미세구조
Fig. 11은 재령 7일 샘플의 미세구조 분석 결과를 나타낸 것으로 BSG 배합의 경우 가장 낮은 재령 7일 압축강도를 발현하였던 BSG(Rm) 샘플에서 매트릭스
표면에 많은 미세균열이 발생한 것을 알 수 있다. BSG(Sm) 샘플의 경우 BSG(Rm) 샘플에 비해 상대적으로 미세균열이 적은 밀실한 구조를 나타내고
있으며, 매트릭스 표면에 다량의 수화물이 관찰되고 있는데, 이로인해 BSG 샘플 중 가장 높은 재령 7일 압축강도를 발현한 것으로 사료된다. FSG
배합의 경우에도 가장 낮은 재령 7일 압축강도를 발현하였던 FSG(Rm) 샘플에서 많은 공극과 미세균열이 관찰되어 매트릭스의 균질성이 낮게 나타났다.
반면 가장 높은 압축강도를 발현하였던 FSG(Sm) 샘플의 경우 FSG(Rm) 샘플에 비해 밀실한 매트릭스가 관찰되었다. 재령 7일 시험체의 SEM
분석 결과 BSG와 FSG 샘플의 매트릭스는 유사하게 관찰되었으며, 결합재의 종류보다는 사전양생 온도와 습도가 증가함에 따라 수화물이 다량 관찰되고,
압축강도가 높은 샘플의 매트릭스가 가장 균질한 것으로 나타났다. 또한, 각 배합 중 가장 높은 압축강도를 발현하였던 Sm 샘플의 EDS 분석 결과,
결합재로 고로슬래그 미분말만을 혼입한 BSG 샘플의 경우 Ca, C, Si, Al, K 순으로 성분이 검출되었으며 FSG 샘플의 경우 C, Si,
K, Al, Ca 순으로 성분이 검출되었다. 또한 BSG 샘플은 다량의 Ca가 포함되고 있으며 FSG 샘플은 Si가 다량 포함된 결과를 나타내고 있는데,
이러한 결과는 페로니켈슬래그 미분말의 SiO2 함량이 고로슬래그 미분말에 비해 높기 때문인 것으로 사료된다.
Fig. 11 SEM and EDS results of the samples (3,000×) (7-d)
Fig. 12 SEM and EDS results of the samples (3,000×) (56-d)
Fig. 12는 재령 56일 샘플의 미세구조 분석 결과를 나타낸 것으로 가장 낮은 56일 압축강도를 발현했던 Ov 샘플의 경우 균질성이 낮은 매트릭스가 관찰되었다.
가장 높은 재령 56일 압축강도를 발현하였던 Sm 샘플의 경우 Rm, Ov 샘플에 비해 상대적으로 공극 및 균열이 적은 밀실한 매트릭스가 관찰되었다.
EDS 분석 결과에 따르면 BSG(Sm) 샘플과 FSG(Sm) 샘플에서 모두 Ca, C, Si, Al 등의 유사한 원소가 검출되었으며 압축강도에 큰
영향을 미치는 것으로 알려져 있는 Ca 성분이 가장 많은 것으로 나타났다. 재령 56일 시험체의 SEM-EDS의 경우에도 재령 7일과 유사하게 결합재
종류에 따른 차이는 미미하였으며, 사전양생 온도와 습도의 따른 매트릭스의 균질성의 차이가 크게 관찰되었다. 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 페로니켈슬래그
미분말의 함량이 약 5 % 수준으로 한정되어 결합재 종류에 따른 차이가 미미하게 나타난 것으로 사료된다. 따라서 향후 페로니켈슬래그 미분말의 함량을
증가시켜 결합재 종류에 따른 지오폴리머 복합체를 구성하는 수화생성물의 차이와 그에 따른 역학 및 내구성능을 평가할 수 있는 추가적인 연구가 필요할
것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 페로니켈슬래그 미분말 혼입 고로슬래그 기반 지오폴리머의 미소수화열, 역학특성, 내구특성 및 미세구조를 비교･분석한 것으로 주요 결론은 다음과
같다.
1) 미소수화열의 경우 FSG 배합의 초기 수화열은 상대적으로 낮았으나, 이후 지속적으로 증가하여 약 48시간에 약 28.1 °C의 peak 온도를
나타내었다. 또한 FSG 배합 및 BSG 배합 사이의 peak 온도 차이는 미미하였다.
2) 압축강도의 경우, 동일한 양생 조건에서 FSG 배합의 재령 7일 압축강도는 BSG 배합에 비해 약 2.2~10.8 % 높게 나타났다. 상대적으로
반응성이 낮은 페로니켈슬래그 미분말을 혼입한 FSG 배합의 압축강도가 BSG 배합에 비해 높게 나타난 것은 분말도가 높은 페로니켈슬래그가 공극을 충전하여
나타난 현상으로 사료된다. 또한 증기양생 챔버에서 양생을 진행한 FSG(Sm) 배합의 56일 압축강도는 약 51.2 MPa로서 전체 배합 중 가장
높은 값을 나타내었다.
3) 염화물이온 침투 저항성의 경우, 실내조건에서 경화한 배합에 비해 고온양생을 진행한 배합에서 상대적으로 낮은 통과전하량을 나타내었다. 또한 동일한
양생 조건일 경우, FSG 배합이 BSG 배합에 비해 상대적으로 높은 염화물이온 침투 저항성을 나타내었다. 따라서 페로니켈슬래그 미분말의 사용은 고로슬래그
기반 지오폴리머 복합체의 염화물이온 침투 저항성을 향상시키는데 효과적인 것으로 판단된다.
4) 미세구조 분석 결과, 실내 조건에서 경화된 BSG(Rm) 및 FSG(Rm) 샘플의 표면에는 많은 미세균열이 관찰되었다. 반면 증기 양생을 진행한
BSG(Sm) 및 FSG(Sm) 샘플의 표면에는 치밀한 구조 및 다량의 수화물이 관찰되었는데, 다량의 수화물이 생성됨에 따라 지오폴리머 복합체의 내부가
밀실해지며 압축강도가 증가한 결과로 사료된다.
5) EDS 분석 결과, FSG(Sm) 샘플에서 BSG(Sm) 샘플에 비해 Si 성분이 상대적으로 많이 검출되었는데, 이는 페로니켈슬래그 미분말이
고로슬래그 미분말에 비해 SiO2가 다량 함유되어 나타난 결과로 사료된다. 또한, 결합재 종류에 따른 검출된 원소의 차이는 미미한 것으로 나타났는데, 이는 본 연구에서 적용한 페로니켈슬래그
미분말 혼입률이 5 %로 한정되어 나타난 결과로 판단된다.
감사의 글
This paper was supported by Wonkwang University in 2024.
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