2.1. 사용재료

본 연구에 사용된 고로슬래그 미분말은 포항의 K사 제품 을 사용하였으며, 성분은 XRF 분석을 통해 Table 1에 나타 내었다.

잔골재는 강모래를 사용하였고, 조립률 (FM) 2.62, 밀도 0.0026 g/mm³, 흡수율 1.32이다. 본 연구에 사용된 알칼리 활성화제는 수산화나트륨 (NaOH)이며, 사용된 시약은 국내 S사의 제품으로 고순도 (extra pure)시약이다. 또한 고성능 감수제는 폴리카르본산계로 C사에서 판매하는 것으로, 갈색 분말 성상의 밀도 0.0021g/mm³인 제품을 사용하였다.

2.2. 배합 및 실험방법

배합방법에 따른 AASC의 기초적인 특성을 알아보기 위한 배합요인은 다음과 같이 선정하였다. 우선 활성화제인 수산 화나트륨의 농도는 여러 국내외 문헌의 유동성, 응결 및 플 로우 등의 특성변화를 고려하고, 예비 실험을 통해 본 연구 에 사용된 고로슬래그 미분말의 알칼리 활성화에 따른 특성 을 참고하여 2M과 4M로 정하였다. 수산화나트륨 (sodium hydroxide; NaOH)은 기존의 선행 알칼리 활성화 시멘트에 관한 연구에 다수 사용되었던 재료이고, 지금까지 많은 연구 결과가 발표되어 있다.

모르타르 배합은 중량비로 고로슬래그 미분말 : 잔골재를 1.0 : 2.0으로 하였고, 물-결합재 (W/B) 비는 0.4 (W1), 0.5 (W2)의 두 경우를 고려하였다. 모든 배합은 고로슬래그 미 분말의 중량은 일정하게 유지하고 배합수의 양만을 조절하 여 W/B 비를 맞추었다. 이때 W/B=0.4의 모든 배합에는 고 성능 감수제 (SP)를 결합재 중량의 0.3%만큼 혼합하여 원활 한 작업을 위한 최소 유동성인 120±10mm 이상을 유지할 수 있도록 하였다. 배합비는 Table 2에 나타내었다.

배합은 잔골재의 투입시기가 달라짐에 따라 고로슬래그 미분말과 알칼리 활성화제를 미리 투입하여 제작된 알칼리 배합수를 혼합한 AASC 페이스트 상태가 지속되는 시간 등 에 따른 영향을 고려하고자 하였다. 본 연구에서 사용한 배 합방법은 KS L 5109 규정에 제시되어있는 모르타르 배합방 법 (N0)을 기준으로 잔골재의 투입순서 또는 배합 시간 등을 변형시킨 N1~N4의 방법을 선정하였다.

N1방법은 배합수와 고로슬래그 미분말 그리고 잔골재를 미리 배합용기에 동시에 모두 투입하여 N0와 동일한 시간으 로 배합하는 방법이다. N2방법은 배합수와 고로슬래그 미분 말을 투입 후 저속으로 30초 혼합 후 다시 저속으로 30초 혼 합하면서 잔골재를 투입하고 중속으로 30초를 배합하고 정 지시간을 60초로 조정하여 전체 배합시간을 다른 배합과 동 일하게 맞추었다. N3방법은 N0와 같은 시간의 저속과 중속 후, 혼합 정지시간을 60초로 한 후 저속으로 30초 혼합하는 동안 잔골재를 투입하고 중속으로 60초를 배합하는 방법이 다. N4방법은 N0와 같은 배합속도와 시간으로 정지시간 90 초까지 배합 후 저속 30초 동안 잔골재를 투입하고 중속으로 30초를 배합한 뒤 마무리 하는 방법이다. 즉, 각 배합방법의 차이점은 잔골재의 투입 시기인데, 잔골재의 투입시기에 따 라 잔골재를 투입하기 전까지 페이스트 상태가 유지되는 시 간, 그리고 잔골재 투입 시기에 따른 모르타르의 특성을 알 아보고자 하였다. 배합 시간 및 방법의 개요를 Table 3에 나 타내었다.

각각의 배합 방법에 따라 재료를 혼합한 후 압축강도 측정은 50×50×50mm 몰드에 타설하고, 휨강도 측정은 40×40×160mm 몰드에 타설하여 상대습도 70±5%, 23±2℃항온항습기에 넣 고 1일 (24h) 후 몰드를 탈형한 뒤 측정일까지 수중 양생하 였다. 압축강도는 각 측정 재령 (1, 3, 7 그리고 28일)에서 3 개의 시험체를 실험하고 그 평균값을 사용하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법으로 측정하였다. 길이변화 측정용 시험체는 40×40×160mm 몰드를 사용하였 고, 길이변화는 182일까지 측정하였다.

3.1. 플로우 (flow)

잔골재의 투입 시점에 따른 AASC 모르타르의 특성에 관 한 연구에서 초기 유동특성은 플로우를 측정하였다.

Fig. 1은 유동성 측정 결과이다. Fig. 1에서, N0와 비교하 여 전반적으로 잔골재를 투입하는 시점이 늦어질수록 플로 우 값은 대체적으로 감소하고 있는 것을 알 수 있었다. 특히 배합의 마지막 단계에 잔골재를 투입하는 N4의 경우, 모든 배합 중 가장 낮은 유동성을 나타내었다. 이는 한정된 배합 시간에서 잔골재의 투입이 늦어지면 알칼리 활성화 페이스 트와 잔골재의 균질한 배합을 이루기 위한 혼합 시간이 충분 하지 않아서 발생하는 것으로 판단된다.

Fig 1.

Flow test

3.2. 강도 특성 (strength properties)

배합에 따른 압축강도 특성은 Fig. 2~Fig. 3에 나타내었다. 재령 28일 까지 측정한 압축강도의 특성은 두 W/B 비 모두 에서 활성화재의 농도가 2M에서 4M로 증가하면 강도가 증가 한 것을 알 수 있었다. 이는 기존의 AASC 논문들에서도 관찰 된 보편적인 현상 (^{Vladimir Živica, 2007}; ^{Fernandez-Jimenez and Puertas, 2003})으로 활성화제의 농도가 증가함에 따라 고로슬래그 미분말의 반응성이 촉진되었기 때문으로 판단된다.

Fig 2.

Compressive strength of curing ages

Fig 3.

Compressive strength of mixing method

Fig. 2에서 W/B 비와 활성화제의 농도에 관계없이 잔골재 의 투입시점이 늦어질수록 압축강도는 증가하는 것으로 나 타났다.

Fig. 3은 압축강도의 변화를 배합방법의 차이에 따라 나타 낸 것이다.

W/B 비가 0.4인 경우 배합방법에 따른 압축강도의 차이는 W/B 비가 0.5인 경우에 비해 상대적으로 적게 나타났다. 이 는 W/B 비가 낮은 AASC의 배합에서는 잔골재의 영향보다 활성화된 고로 슬래그 페이스트의 화학적 반응에 의한 페이 스트의 영향이 강도에 지배적인 것으로 판단된다. W/B 비가 0.5인 경우는 활성화제의 농도가 4M일 때가 2M일 때보다 강도변화가 크게 나타났다. 따라서 W/B 비가 큰 경우 AASC 의 압축강도는 활성화제의 농도와 잔골재의 투입시점에 따 른 배합방법의 차이가 강도에 영향을 미치는 영향이 상대적 으로 더 큰 것으로 판단된다.

W/B 비에서 잔골재의 투입시점을 달리한 배합방법에 따 른 28일 압축강도를 N0의 28일 압축강도에 대한 상대적인 비로 나타내어 정리한 것이 Table 4이다.

두 W/B 비 모두에서 N0와 N1의 배합방법에 따른 강도차 이는 3% 이내의 미미한 차이를 보였다. 그러나 잔골재의 투 입시점이 늦어지는 N4의 경우 10.8~15.1%의 강도가 증가하 는 것을 볼 수 있었다. 이는 잔골재의 투입시기가 늦어질수 록 활성화제와 고로슬래그 미분말의 접촉시간이 증가하고, 이에 따라 활성화 반응이 촉진되어 알칼리 활성화 고로슬래 그 페이스트의 반응생성물이 증가하였기 때문으로 판단할 수 있다. 이러한 결과를 볼 때 활성화된 고로 슬래그 페이스 트 상태가 유지되는 일정시간이 AASC 모르타르의 강도 특 성에 영향을 미치는 요인 중 하나로 판단된다. 활성화된 고 로 슬래그 페이스트는 페이스트-페이스트의 결합력과 페이스 트-잔골재 간의 부착력에 영향을 미치는데, 이러한 페이스트 의 활성화 정도가 증가하면 결합력과 부착력이 증가하여 강 도 증가에도 효과적인 결과를 나타내는 것으로 생각된다. 이 는 Fig. 4에 나타난 배합방법에 따른 휨강도 결과를 통해서 살펴볼 수 있다. Fig. 4에 나타난 바와 같이, 페이스트 상태 를 유지하는 시간이 길어지면 (잔골재의 투입 시점이 늦어지 면), 휨강도도 서서히 증가하고 있는 것을 알 수 있었다. 이 러한 결과는 압축강도의 특성과 유사한 경향을 나타내었다.

Fig 4.

Flexural strength of mixing method

3.3. XRD 분석 (XRD)

재령 28일에서 시험체의 XRD 분석 결과를 Fig. 5에 나타 내었다. 활성화제인 수산화나트륨의 농도가 2M에서 4M로 증가한 경우와 물-결합재 비 (W/B)가 0.5에서 0.4로 감소할 때 반응물질의 생성이 많은 것을 관찰할 수 있었다. 또한 배 합방법에 따른 특성을 보면 잔골재의 투입시점이 늦어질수 록 활성화 반응이 증대되어 반응생성물질들이 증가하고, 그 에따라 강도의 증가가 이루어지는 것으로 판단된다. 따라서 AASC 모르타르의 배합에서 잔골재의 투입시점을 늦게 하 는 것은 알칼리 활성화제와 고로슬래그 미분말이 혼합된 페 이스트 상태의 활성화 반응을 증대시켜 반응생성물질의 생 성을 촉진시키고 이를 통해 강도 증대에 기여하는 것으로 판 단된다. 본 연구 결과를 통해 기존의 AASC의 특성에 영향 을 주는 영향인자들 중에 배합시 고려사항으로 잔골재의 투 입시점 또는 페이스트 상태를 유지하는 시간도 함께 고려되 어야 할 것으로 생각된다. 이는 추후 AASC를 활용한 프리 캐스트 부재의 제작이나 2차 제품의 개발, 나아가서는 건설 현장에서 현재의 포틀랜드 시멘트를 대체한 건설재료로써 사용할 수 있는 배합과 배합 방법의 연구에 기초적인 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig 5.

XRD analysis at 28 days

3.4. 길이변화 (length change)

Fig. 6은 잔골재의 투입 시점을 변화시킨 배합방법에 따른 길이변화를 측정한 결과이다.

Fig 6.

Length change

잔골재의 투입시점을 달리한 배합방법에 따른 길이변화의 특성을 살펴보면, N0, N1, N2의 배합들의 건조수축경향은 W/B 비에 관계없이 거의 유사한 값들과 경향을 나타내었다. 그러나 N3과 N4의 경우는 다른 배합들과 달리 건조수축이 증가한 것을 볼 수 있었다. 본 연구의 잔골재 투입 시점에 따른 배합방법에 의한 차이가 건조수축에 미치는 영향은 잔 골재의 투입시점이 늦은 N3와 N4의 경우를 제외하고는 나 머지 배합에서는 그 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. Table 5는 7, 28, 91, 182일 재령에서의 길이변화를 측정하 여 정리한 것이다. 최종 측정인 182일에서의 길이변화를 보 면 N0와 비교하여 N4의 길이감소율은 0.031~0.83% 정도 크게 나타나고, N3은 0.013~0.018% 정도의 감소를 나타내 었다. 이러한 결과는 알칼리 활성화제와 고로슬래그 미분말 을 혼합한 페이스트의 배합시간이 길어짐에 따라 활성화 반 응이 증가한 것과, 잔골재의 투입이후 페이스트와의 배합시 간이 충분하지 않아 잔골재가 건조수축을 억제하는 효과가 충분히 발현되지 않았기 때문으로 판단된다.

알칼리 활성화 시멘트의 건조수축 발생 원인은 아직까지 명확하지 않지만, 많은 연구자들에 의해 다양한 연구결과를 발표하고 있다. 본 연구의 결과를 통해 살펴본 건조수축의 특성은, 알칼리 활성화 슬래그 페이스트의 활성화 정도, 잔 골재의 투입시점과 잔골재 투입 후의 혼합시간 등이 건조수 축에 영향을 주는 요인으로 생각된다.