2.1 사용재료 및 실험방법
지오폴리머 결합재는 플라이 애시와 고로 슬래그 미분말을 사용하고 결합재 사용 비율, 알칼리활성화제의 몰 농도 및 사용량을 달리하여 제작하였다. 지오폴리머
제작 시 플라이 애시 및 고로 슬래그 미분말은 각각 50:50, 75:25 비율로 혼입하였다.
펄라이트 및 질석을 각각 50:50 비율로 혼합한 경량 골재를 모르타르 전체 무게의 70, 80 및 90 % 혼입하여 플로우, 압축강도, 부착강도,
길이변화 및 열전도율을 검토하였다.
알칼리활성화제는 6몰 및 9몰의 수산화나트륨($Na OH$)과 규산나트륨($Na_{2}O ・ n Si O_{2}$)를 사용하여 0.4 및 0.6 비율로
사용하였다.
2.1.1 사용 재료
1) 시멘트
본 연구에서 사용된 시멘트는 KS L 5201(KATS 2021)에서 규정된 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. Tables 1~2에 시멘트의 물리・화학적 성질을 표기하였다.
Table 1 Physical properties of cement
Specific gravity
|
3.14
|
Fineness (m2/kg)
|
320 <
|
Setting time
(min)
|
Initial setting
|
152
|
Final setting
|
333
|
Table 2 Chemical composition of cement
Type
|
Chemical composition (%)
|
$Si O_{2}$
|
15.04
|
$Al_{2}O_{3}$
|
2.48
|
$F_{2}O_{3}$
|
2.62
|
$Ca O$
|
73.13
|
$Mg O$
|
2.00
|
$SO_{3}$
|
2.68
|
Ig. loss
|
2.05
|
2) 플라이 애시
본 연구에서 사용된 플라이 애시는 비중 2.2이고 분말도는 4,230 cm2/g이다. Table 3은 플라이 애시의 화학 성분을 나타낸 것이다.
Table 3 Chemical composition of fly ash
$Si O_{2}$
|
$Al_{2}O_{3}$
|
$F_{2}O_{3}$
|
$Ca O$
|
$Mg O$
|
$Ti O_{2}$
|
$Na_{2}O$
|
Ig. loss
|
58.06
|
18.16
|
8.11
|
3.54
|
1.25
|
0.93
|
0.38
|
2.2
|
3) 고로 슬래그 미분말
본 연구에서는 비중이 2.90이고 분말도가 3,854 cm2/g인 1종 고로 슬래그 미분말을 사용하였고 다음 Table 4에 화학 성분을 나타내었다.
Table 4 Chemical composition of blast furnace slag
$Si O_{2}$
|
$Al_{2}O_{3}$
|
$F_{2}O_{3}$
|
$Ca O$
|
$Mg O$
|
$SO_{3}$
|
Ig. loss
|
27.4
|
10.4
|
1.9
|
52.4
|
5.5
|
2.2
|
1.0
|
4) 경량 골재
본 연구에서 사용된 경량 골재는 펄라이트(perlite)와 질석(vermiculite)을 사용하였다. 펄라이트와 질석은 KS F 3701 펄라이트(KATS 2022a) 및 KS F 3702 질석(KATS 2022b) 규격에 적합한 재료를 사용하였고 다음 Tables 5~8에 물리적 성능 및 화학 성분을 나타내었다.
Table 5 Physical properties of perlite
Specific gravity
|
0.15
|
Porosity
|
About 90 %
|
Unit volume mass (kg/L)
|
0.03∼0.25
|
Usable temperature (°C)
|
-250∼+1,000
|
Fineness modulus
|
2.94
|
Thermal conductivity (W/m・K)
|
0.03∼0.05
|
Table 6 Chemical composition of perlite
Type
|
Chemical composition (%)
|
$Si O_{2}$
|
57.4
|
$Al_{2}O_{3}$
|
15.9
|
$F_{2}O_{3}$
|
9.05
|
$Ca O$
|
0.57
|
$Mg O$
|
9.01
|
$K_{2}O$
|
3.25
|
Table 7 Physical properties of vermiculite
Specific gravity
|
0.13
|
Porosity
|
About 90 %
|
Unit volume mass (kg/L)
|
0.07∼0.25
|
Usable temperature (°C)
|
-250∼+1,150
|
Fineness modulus
|
2.94
|
Thermal conductivity (W/m・K)
|
0.02∼0.054
|
Table 8 Chemical composition of vermiculite
Type
|
Chemical composition (%)
|
$Si O_{2}$
|
32.6
|
$Al_{2}O_{3}$
|
12.13
|
$F_{2}O_{3}$
|
8.85
|
$Ca O$
|
10.1
|
$Mg O$
|
26.8
|
$K_{2}O$
|
4.41
|
5) 수산화나트륨
본 연구에서 사용된 수산화나트륨은 순도 98.0 %인 D사 제품으로 KS M 8116 「수산화나트륨 (시약)(KATS 2000) 기준에 적합한 재료이다. 수산화나트륨 시약을 증류수에 용해시킨 후 몰 농도별 용액을 제작하여 알칼리활성화제로 사용하였다. 이때 수산화나트륨 용액은
혼합 후 평형상태 도달을 고려하여 24시간 후에 사용한다.
6) 규산나트륨
본 연구에서 사용된 규산나트륨은 K사의 KS-3종 액상 규산나트륨이다. KS-3종 규산나트륨은 투명하고 점성이 크며 유동성을 갖는 액체로 구성 성분은
$Na_{2}O$=9~10, $Si O_{2}$ =28~30이다. 밀도는 20 °C에서 1.380이고 $Si O_{2}/Na_{2}O$의 질량비는
약 3.0~ 3.11이다.
2.1.2 검토 배합
본 연구에서 검토된 모르타르 배합은 플라이 애시 및 고로 슬래그 미분말의 비율, 활성화제의 몰농도, 활성화제와 광물질 혼화재료의 비율, 경량 골재의
혼입비율을 구분하여 선정하였다. 경량 골재는 펄라이트와 질석을 1:1로 혼입한 것이고 24시간 수중에 함침한 후 표면의 수분을 제거하여 사용하였다.
시험체는 규정된 각 재령에 대하여 3개씩 제작하고 시험실 온도는 20±2 °C 습도는 50 % 이상, 양생수조는 20±1 °C로 유지하였다. 지오폴리머
제작 시 활성화제의 몰농도는 6M 및 9M이 적용되었다.
Table 9에 나타낸 배합표의 표기법은 다음과 같다. F50S50은 플라이 애시와 고로 슬래그 비율이 1:1임을 의미하고, 6A는 활성화제의 몰농도가 6몰,
9A는 활성화제의 몰농도가 9몰임을 의미한다. 이때 활성화제와 광물질 혼화재료의 비율이 0.4인 경우 A로 표기하고 0.6인 경우 B로 표기하였다.
한편 70은 경량 골재를 70 % 혼입하였음을 의미하는 것으로 본 연구에서는 70 %, 80 % 및 90 %로 구분된다.
Table 9 Experimental mixing ratios
Type
|
AA* to binder
|
AA* (NaOH)
mol
|
FA:SG
|
Mass ratio (%)
|
Cement
|
Fly ash
|
Blast furnace slag
|
Perlite
|
Vermiculite
|
Plain mortar 30-70
|
W/M=1.5
|
30
|
-
|
-
|
35
|
35
|
Plain mortar 10-90
|
10
|
-
|
-
|
45
|
45
|
F50S50-6A-70
|
0.4
|
6
|
50:50
|
-
|
15
|
15
|
35
|
35
|
F50S50-6A-80
|
10
|
10
|
40
|
40
|
F50S50-6A-90
|
5
|
5
|
45
|
45
|
F75S25-6A-70
|
75:25
|
22.5
|
7.5
|
35
|
35
|
F75S25-6A-80
|
15
|
5
|
40
|
40
|
F75S25-6A-90
|
7.5
|
2.5
|
45
|
45
|
F50S50-9A-70
|
9
|
50:50
|
15
|
15
|
35
|
35
|
F50S50-9A-80
|
10
|
10
|
40
|
40
|
F50S50-9A-90
|
5
|
5
|
45
|
45
|
F75S25-9A-70
|
75:25
|
22.5
|
7.5
|
35
|
35
|
F75S25-9A-80
|
15
|
5
|
40
|
40
|
F75S25-9A-90
|
7.5
|
2.5
|
45
|
45
|
F50S50-6B-70
|
0.6
|
6
|
50:50
|
15
|
15
|
35
|
35
|
F50S50-6B-80
|
10
|
10
|
40
|
40
|
F50S50-6B-90
|
5
|
5
|
45
|
45
|
F75S25-6B-70
|
75:25
|
22.5
|
7.5
|
35
|
35
|
F75S25-6B-80
|
15
|
5
|
40
|
40
|
F75S25-6B-90
|
7.5
|
2.5
|
45
|
45
|
Notes: F50S50-6A-70; Fly ash 50 % and slag 50 %; $Na OH$ 6 mol; Perlite+vermiculite
70 %
*AA: Alkaline activator
2.1.3 시험 방법
1) 열전도율
단열모르타르의 열전도율을 측정하기 위하여 한국산업규격에서 규정된 KS L 9106 「미네랄울 판상 단열재」(KATS 2015)의 시험방법을 준용하여 시험을 진행하였다. KS 규격에 준하는 N사의 평판 열류계법 열전도율 측정장비를 사용하였으며 열전도율을 측정하기 위한 시험체는
300 mm×300 mm×25 mm의 크기로 제작하였다.
열전도율 시험에 사용된 평판 열류계법 2매 열류계 방식은 시험체를 통과하는 열류량과 시험체의 온도차를 측정하여 열전도율을 산정하는 방법으로 식 (1)에 의해 열전도율을 계산한다.
여기서, $I$는 시험체의 두께(m)이고 $R_{c}$는 열저항($m^{2}・ K/W$), $\theta_{1}$, $\theta_{2}$는 고온
및 저온면 온도($K$)(°C), $q$는 단위면적당 열류량($W/m^{2}$), $K$, $K_{1}$, $K_{2}$는 열류계의 감도계수($W/m^{2}・
V$), $e$, $e_{1}$, $e_{2}$는 열류계의 출력(W)을 나타낸 것이다.
2) 길이변화율
단열모르타르의 길이변화는 KS F 4040 「단열모르타르」(KATS 2019)에서 규정된 길이변화 시험방법을 준용하여 수행하였다. 길이변화 시험체의 크기는 40 mm×40 mm×160 mm이고 재령 7일의 기준길이 측정 후
재령 28일에서 길이를 측정하여 길이변화율을 산출하였다.
3) 유동성
단열모르타르의 유동성 확인을 위하여 KS L 5105 「수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법」(KATS 2017)에서 규정된 방법에 따라 플로우를 측정하였다.
4) 압축강도
단열모르타르는 시공성능, 단열성능 뿐만 아니라 소요의 강도를 확보하여야 한다. 본 연구에서는 단열모르타르의 압축강도 측정을 위하여 50 mm×50
mm×50 mm의 몰드로 제작하여 재령 3, 7일 및 28일에 압축강도를 확인하였고, 이 때 KS L 5105 (KATS 2017)에서 규정된 방법을 준용하였다.
5) 부착강도
단열모르타르의 시공에서 중요한 물리적 특성은 부착력이라 할 수 있다. 본 연구에서 단열모르타르의 부착성능을 확인하기 위하여 KS F 4716 「시멘트계
바탕 바름재」에서 제시된 시험방법」(KATS 2016)을 준용하여 실험하였다. 먼저 콘크리트로 바닥판을 제조한 후 표면을 연마하여 바닥판 표면을 고르게 한 후 단열모르타르를 2 mm 두께로 평탄하게 시공하였다.
부착강도는 재령 28일 양생한 후 측정하였다.
2.1.4 실험결과
1) 열전도율
검토된 모르타르의 열전도율을 Table 10 및 Figs. 1~2에 나타내었다. 국내의 경우 한국산업규격 KS F 4040(KATS 2019)에서 1종의 경우 0.071 $W/m・K$, 2종의 경우 0.095 $W/m・K$, 3종의 경우 0.149 $W/m・K$이하로 나뉘어져 있다.
경량 골재만 70 % 혼입한 기준 모르타르(Plain)의 경우 열전도율이 0.27482 $W/m・K$로 나타나 단열모르타르로써 활용하는 것이 어려운
것으로 나타났다. 반면 경량 골재의 비율은 동일하지만 지오폴리머 모르타르의 경우 열전도율이 0.2524~0.2702 $W/m・K$로 나타나 기준모르타르에
비해 다소 낮아지는 결과를 보였다. 이는 기존 연구(Seo et al. 2013; Shim et al. 2016)에서 검토된 광물질 혼화재의 열전도율 감소 특성변화와 유사한 경향임을 알 수 있었다. 한편 경량 골재의 혼입량이 증가함에 따라 변화하는 열전도율 특성을
살펴보면, 80 %를 혼입한 경우는 열전도율이 0.189~0.1958 $W/m・K$로 낮아졌고, 90 %를 혼입한 경우는 0.1364~0.1423
$W/m・K$로 나타나 경량 골재의 혼입량이 70 %에서 80 %로 변화할 때 평균 0.06589 $W/m・K$(약 25.4 %), 80 %에서 90
%로 변화할 때 평균 0.0521 $W/m・K$(약 27.2 %) 감소함을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서는 경량 골재의 혼입률이 90 % 이상일
때 한국산업규격에서 규정하고 있는 3종 단열모르타르의 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.
Fig. 1 Thermal conductivity (F50S50 series)
Table 10 Thermal conductivity
Type
|
Thermal conductivity
(W/m・K)
|
Plain mortar 30-70
|
0.2782
|
Plain mortar 10-90
|
0.1613
|
F50S50
|
6A
|
70
|
0.2524
|
80
|
0.1890
|
90
|
0.1364
|
F75S25
|
70
|
0.2541
|
80
|
0.1913
|
90
|
0.1369
|
F50S50
|
9A
|
70
|
0.2578
|
80
|
0.1923
|
90
|
0.1378
|
F75S25
|
70
|
0.2702
|
80
|
0.1958
|
90
|
0.1478
|
F50S50
|
6B
|
70
|
0.2613
|
80
|
0.1936
|
90
|
0.1382
|
F75S25
|
70
|
0.2698
|
80
|
0.1902
|
90
|
0.1423
|
2) 길이변화율
검토된 모르타르의 수축 및 팽창 특성을 확인하기 위하여 길이변화를 측정하였다. 나타난 결과는 다음 Table 11에 나타내었다. KS F 4040(KATS 2019)에서는 ±0.5 % 이내로 수축・팽창이 제한되어 있다. 본 연구에서 검토된 모르타르의 경우 기준을 만족하는 것으로 확인되었으며 자세한 결과는 다음과
같다.
시멘트를 사용한 기준 모르타르는 같은 비율의 경량 골재를 혼입한 지오폴리머 모르타르에 비해 부피변화가 큰 것으로 확인되었다. 또한 지오폴리머에 사용된
슬래그의 양이 많을수록 경량 골재의 혼입률이 증가할수록 부피변화가 큰 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 시멘트에 비해 지오폴리머의 부피변화가 작은
특성에 의해 시멘트모르타르보다 지오폴리머모르타르의 부피변화가 작게 나타났다. 특히 사용량이 많은 경량골재에 따른 영향이 더 크게 작용했을 것으로 판단되는데,
본 연구의 경우 사용된 경량골재를 수침 후 사용하였기 때문에 골재가 가지고 있는 흡수율에 따른 영향이 크지 않았고 또한 양생과정에서 모르타르 내부에서
경량골재가 가지고 있는 수분의 공급이 이루어져서 부피변화가 크지 않았던 것으로 판단된다. 다만 본 연구의 경우 재령28일에서의 측정값으로 향후 장기적인
측정결과에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 2 Thermal conductivity (F75S25 series)
Table 11 Length change ratio
Type
|
Length change ratio (%)
|
Plain mortar 30-70
|
0.148
|
Plain mortar 10-90
|
0.163
|
F50S50-6A-70
|
0.088
|
F50S50-6A-80
|
0.114
|
F50S50-6A-90
|
0.139
|
F75S25-6A-70
|
0.062
|
F75S25-6A-80
|
0.106
|
F75S25-6A-90
|
0.165
|
F50S50-9A-70
|
0.045
|
F50S50-9A-80
|
0.053
|
F50S50-9A-90
|
0.089
|
F75S25-9A-70
|
0.040
|
F75S25-9A-80
|
0.063
|
F75S25-9A-90
|
0.079
|
F50S50-6B-70
|
0.068
|
F50S50-6B-80
|
0.098
|
F50S50-6B-90
|
0.102
|
F75S25-6B-70
|
0.054
|
F75S25-6B-80
|
0.093
|
F75S25-6B-90
|
0.098
|
3) 유동성
검토된 모르타르의 유동성을 확인하기 위하여 플로우 시험을 실시하였고 다음 Table 12에 결과를 나타내었다. 시멘트를 사용한 기준 모르타르에 비해 광물질 혼화재료와 활성화제를 혼입한 지오폴리머 모르타르의 유동성이 큰 것으로 나타났다.
특히 활성화제의 몰 농도가 높을수록, 첨가량이 많을수록 유동성은 감소하고 경량 골재의 혼입률이 증가할수록 유동성이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
다만 지오폴리머 모르타르가 점성이 높아짐에 따라 플로우 값이 증가하는 것만큼 작업성이 향상되었다고 보기는 어려웠다. 플로우 값은 알칼리활성화제 몰
농도가 6몰에서 9몰로 증가하였을 때 최대 5~15 mm 낮아졌고 이는 평균 5.2 % 정도의 유동성이 감소하는 결과이다. 알칼리활성화제의 첨가비율이
0.4에서 0.6으로 변화하면서 플로우는 5~30 mm 낮아졌고 이는 평균 10.2 %의 유동성이 감소하는 결과이며 이러한 결과는 Sathonsaowaphak et al. (2009)의 선행연구와 같이 수산화나트륨 몰 농도가 증가함에 따라 점성이 증가하여 유동성이 감소했던 결과와 동일한 경향을 나타내는 것이다.
한편 경량 골재 혼입비율이 증가함에 따라 저하되는 유동성은 70 %에서 90 %로 10 %씩 증가했을 때, 각각 11.4 % 및 6.7 % 증가하는
결과를 보였다.
Table 12 Flow
Type
|
Flow (mm)
|
Plain mortar 30-70
|
155
|
Plain mortar 10-90
|
190
|
F50S50-6A-70
|
180
|
F50S50-6A-80
|
195
|
F50S50-6A-90
|
205
|
F75S25-6A-70
|
175
|
F75S25-6A-80
|
190
|
F75S25-6A-90
|
195
|
F50S50-9A-70
|
165
|
F50S50-9A-80
|
185
|
F50S50-9A-90
|
195
|
F75S25-9A-70
|
160
|
F75S25-9A-80
|
185
|
F75S25-9A-90
|
190
|
F50S50-6B-70
|
150
|
F50S50-6B-80
|
170
|
F50S50-6B-90
|
195
|
F75S25-6B-70
|
155
|
F75S25-6B-80
|
175
|
F75S25-6B-90
|
190
|
4) 압축강도
검토된 모르타르의 압축강도를 나타낸 것이 Figs. 3~5이다. 나타난 바와 같이 알칼리활성화제의 몰 농도 변화에 따라 강도가 다르게 나타났다. 몰 농도가 6에서 9로 변화하면서 강도는 증진되었고 알칼리활성화제와
결합재의 비율이 0.4에서 0.6으로 변화하면서 강도가 증진되었다. 경량 골재의 혼입률의 경우 70 %에서 90 %로 증가할수록 강도는 낮아졌고,
70 %에서 80 %로 변화하였을 때 36.7 %, 80 %에서 90 %로 변화하였을 때 51.7 % 강도가 저하하는 것으로 기존 연구(Min et al. 2010; Bicer 2018; Song and Shin 2019)와 유사한 경향을 보였다.
지오폴리머 모르타르의 압축강도를 증진시키기 위해서는 플라이 애시 및 고로 슬래그 미분말과 같은 결합재의 양을 증가시키고 알칼리활성화제 농도 및 첨가량을
증가시키는 방법이 있을 수 있으나, 알칼리활성화제의 농도 및 첨가량이 적정범위를 초과하는 경우 용출과 백화 현상이 나타날 수 있어 내구성에 영향을
줄 것으로 판단된다. 본 연구에서도 일부 시험체에서 용출과 백화 현상을 확인할 수 있었으며 이러한 영향을 배제하기 위하여 알칼리활성화제의 몰 농도는
6~8몰, 알칼리활성화제와 결합재의 비율은 0.4가 적정할 것으로 사료된다.
한편 지오폴리머는 양생온도가 높은 환경에서 강도를 확보할 수 있다는 연구(Davidovits 1989)도 있으나 플라이 애시와 고로 슬래그 미분말을 혼합 사용한 경우 초기부터 소요강도를 확보했던 연구(Koh et al. 2011)도 있으며, 이러한 경우 고로슬래그 사용에 의한 영향이 큰 것으로 판단된다. 본 연구의 경우 단열모르타르로 필요한 강도를 확보한 것으로 판단된다.
Fig. 3 Compressive strength of geopolymer mortar substituted with 70 % lightweight
aggregate
Fig. 4 Compressive strength of geopolymer mortar substituted with 80 % lightweight
aggregate
Fig. 5 Compressive strength of geopolymer mortar substituted with 90 % lightweight
aggregate
5) 부착강도
검토된 지오폴리머 모르타르의 부착강도를 측정한 결과를 다음 Table 13에 나타내었다. 보이는 바와 같이 KS F 4040(KATS 2019)에서 제시하고 있는 부착강도 기준(0.1 N/mm2)을 만족하는 것으로 확인되었다.
부착강도는 경량 골재의 혼입량이 증가할수록 감소하였고 기준 모르타르의 경우 0.68~1.63 N/mm2로 나타났고 지오폴리머의 경우 경량 골재 혼입률 70 %에서 1.48~1.84 N/mm2, 경량 골재 혼입률이 80 %에서 0.71~1.33 N/mm2, 혼입률이 90 %인 경우 0.46~0.66 N/mm2로 나타났다. 이는 경량 골재 혼입률이 70 %에서 80 %로 10 % 증가할 때 평균 0.64 N/mm2(약 40 %), 80 %에서 90 %로 10 % 증가할 때 평균 0.41 N/mm2(약 41 %) 감소하는 것이다. 또한 알칼리활성화제 몰 농도가 6몰에서 9몰로 변화하면서 부착강도는 증가하는 것으로 나타나 압축강도의 결과와 유사한
경향을 확인할 수 있었다(Shekhawat 2019). 또한 기존의 보고를 살펴보면 부착강도는 압축강도의 약 1/10~1/13 정도 수준의 강도를 발현하는 것으로 보고되고 있고 경량 골재의 혼입률이
증가할수록 강도가 저하되는 영향도 압축강도 측정결과와 유사하였다.
Table 13 Adhesion strength
Type
|
Adhesion strength (N/mm2)
|
Plain mortar 30-70
|
1.63
|
Plain mortar 10-90
|
0.68
|
F50S50-6A-70
|
1.53
|
F50S50-6A-80
|
0.82
|
F50S50-6A-90
|
0.51
|
F75S25-6A-70
|
1.48
|
F75S25-6A-80
|
0.71
|
F75S25-6A-90
|
0.46
|
F50S50-9A-70
|
1.68
|
F50S50-9A-80
|
1.02
|
F50S50-9A-90
|
0.66
|
F75S25-9A-70
|
1.63
|
F75S25-9A-80
|
0.97
|
F75S25-9A-90
|
0.56
|
F50S50-6B-70
|
1.84
|
F50S50-6B-80
|
1.33
|
F50S50-6B-90
|
0.66
|
F75S25-6B-70
|
1.63
|
F75S25-6B-80
|
1.10
|
F75S25-6B-90
|
0.61
|