2.1. 재료

본 연구에 사용된 고로슬래그 미분말 (ground granulated blast furnace slag; GGBFS)는 포항의 K사 제품이며, 화학 성분은 XRF (X-ray fluorescence) 분석을 통해 Table 2에 나 타내었다. GGBFS의 Al/Mg 비는 4.97, Ca/Mg 비는 28.15인 것을 알 수 있으며, GGBFS의 염기도 (basicity) K_b= (CaO+MgO) / (SiO₂+Al₂O₃)는 1.47이다 (Table 2).

잔골재는 조립률 (fineness modulus, FM) 2.61, 표면건조 포화상태 밀도 0.0026 g/mm³, 흡수율은 1.25인 강모래를 사 용하였다. 알칼리 활성화제는 S사의 수산화칼륨 (potassium hydroxide; KOH, purity > 95.0%)이다. MgO (purity > 96.0%) 는 S사 제품이다. MgO는 소성온도가 1000~1500℃에서 소 성한 강열 (强熱, hard-burned MgO) 제품이다.

2.2. 배합 및 실험방법

MgO를 치환한 AAC의 특성을 살펴보기 위해 MgO의 치 환율을 결합재인 GGBFS 중량에 대해 2~16%까지 치환하였 다. MgO를 치환하지 않은 시험체를 비교군 (control)로 하여 MgO의 치환에 따른 특성을 살펴보고자 하였다. 치환비율은 기존의 국내외 light-burned MgO의 연구결과와 예비실험을 바탕으로 본 연구의 목적인 강도와 길이변화 특성을 검토할 수 있는 치환 범위를 선정하였다. 활성화제인 수산화칼륨 (KOH)의 농도는 여러 국내외 문헌의 유동성, 응결 및 플로 우 등의 특성변화를 고려하고, 예비 실험을 통해 본 연구에 사용된 고로슬래그 미분말의 알칼리 활성화에 따른 특성을 참고하여 2M과 4M로 정하였다. 수산화칼륨 (KOH)은 수용 액에서 강알칼리를 나타내는 물질로 기존의 선행 AAC 연구 에서 NaOH와 함께 강알칼리 활성화제로 사용되었던 재료이 다. ^{Haha et al. (2011)}의 선행 연구에서 NaOH는 물유리 (waterglass) 보다 MgO의 활성정도를 증가시킨다는 연구결 과도 참고하여 유사한 강알칼리성 활성화제인 KOH를 선정 하였다. 이는 기존의 MgO를 사용한 국내외 연구결과에서 KOH를 사용한 연구결과가 부족하여 본 연구를 통해 후속연 구에서 고려될 활성화제의 특성에 기초연구자료로 사용하고 자 선정하였다. KOH는 해당 농도에 맞춰 계량한 뒤 배합수 에 투입하여 혼합한 다음 6시간 정도 실내 실험실에 정치한 뒤 배합에 사용하였다.

모르타르 배합은 중량비로 고로슬래그 미분말 : 잔골재를 1.0 : 2.0로 하였고, 물/결합재 (W/B) 비는 0.5를 고려하였다. 배합 요소는 Table 3에 나타내었다.

각각의 배합에 따라 재료를 혼합한 후 압축강도 측정용 50×50×50mm 몰드에 타설하여 상대습도 (relative humidity; RH) 75±5%, 23±2℃항온항습기에 넣고 1일 (24h) 후 몰드 를 탈형하였다. 몰드 탈형 후 압축강도 측정일까지 항온항습 기 (23±2℃, RH 75±5%)에 양생하였으며, 길이변화 시험체 는 탈형 후 RH 50±5%, 20±2℃의 환경에서 측정재령일까지 보관하였다. 압축강도는 각 측정 재령 (1, 3, 7 및 28일)에서 3개의 시험체에 대해 측정하고 그 평균값을 사용하였다. 초 음파 속도 (ultrasonic pulse velocity; UPV)는 PROCEQ CCT-4 를 사용하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였다. 초음파 측정은 시험체의 오른쪽에 발진자를 왼쪽에 수신자를 접촉 시켜 속도를 측정하고, 동일 시험체에 대해 오른쪽에 수신자 를 왼쪽에 발진자를 두고 측정한 각각의 값을 평균하여 나타 내었다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법으 로 측정하였다. 길이변화 측정용 시험체는 40×40×160mm 몰 드를 사용하였고, 길이변화는 91일까지 측정하였다.

SEM (scanning electron microscopy)은 Hitachi FE-SEM S-4700 장비를 사용하였으며, 시편은 강도 측정 후 파쇄된 시험체 조각을 아세톤에 넣어 수화정지 시킨 다음 건조하여 측정하였다.

3.1. 압축강도

Fig. 1은 KOH의 농도와 MgO의 치환비율에 따른 AASC 의 압축강도 결과를 나타낸 것이다.

2M KOH 농도에서 1일 강도는 MgO를 치환하지 않은 시 험체보다 MgO를 치환한 시험체의 강도가 낮게 나타났지만, 3일 이후부터는 MgO를 치환하지 않은 시험체 보다 높은 강 도를 나타내었다 (Fig. 1(a)). 전체적인 강도 특성은 MgO 치 환율 4%까지는 강도 증가효과가 미미하였으나 4% 이후부터 8%까지는 다소 높은 강도증가가 나타났고 이후부터 강도 증 가 경향은 점차 둔화되었다.

Fig. 1.

Compressive strength of samples

4M KOH 농도에서 1일 강도는 MgO를 치환한 시험체와 MgO를 치환하지 않은 시험체의 강도 차이는 미미하였으나, 3일 이후 강도는 급격히 증가하고 있었다 (Fig. 1(b)). 4M KOH 농도의 MgO 치환 시험체는 MgO가 12% 치환율이 될 때까 지 급격한 강도 증가를 보이다가 12% 치환율 이후 강도는 다소 감소하는 경향을 나타내고 있었다. 2M와 4M KOH 농 도와 MgO의 치환율에 따른 시험체의 강도 특성에서 볼 때 MgO의 치환은 AASC의 강도 향상에 영향을 미치며, KOH 의 농도에 따라 최적 MgO의 치환율의 범위가 존재할 것으 로 판단된다.

2M KOH에서 8% MgO 시험체의 28일 강도가 34.1MPa 로 MgO를 치환하지 않은 시험체보다 33.2% 강도가 향상되었 고, 4M KOH에서는 12% MgO 시험체가 47.4MPa로 43.6% 의 강도 향상 효과가 나타났다. KOH의 농도와 MgO 치환율 의 차이에 따른 강도 특성은 OH-이온에 의한 수용액의 강알 칼리 환경에서 Mg²⁺ 이온의 반응성에 따른 영향으로 판단된다.

특히 1일 강도를 비교하면 상대적으로 농도가 낮은 2M KOH에서는 MgO의 치환율이 증가함에 따라 강도 저하가 나타났지만, 4M에서는 강도의 변화가 거의 없는 것으로 나 타났다. 이를 통해 2M KOH 농도는 4M KOH 농도에 비해 초기 수화과정에서 MgO를 활성화시켜 반응 생성물질을 만드 는 효과가 상대적으로 낮은 것으로 생각된다. 따라서 AASC 에서 MgO의 반응성을 증가시키기 위해서는 함께 사용하는 활성화제의 농도도 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.

압축강도 결과에서 ^{Haha et al. (2011)}은 MgO 함유율이 서로 다른 고로슬래그 3종류를 NaOH와 물유리 (waterglass) 로 활성화시키는 실험에서, 고로슬래그 자체의 MgO 함유율 이 8%에서 13%로 증가하면 NaOH에 의한 AASC의 강도가 감소하는 결과가 나타난다고 보고하였다. 또한 ^{Haha et al. (2011)}은 OPC-slag 시스템에서는 MgO의 추가가 강도 감소 를 가져오지만 AASC에서는 강도를 증가시킨다고 하였다. 따라서 적정 수준의 알칼리 환경이 MgO의 활성화를 증대시 켜 결합재와의 반응성을 향상시켜 강도에 영향을 미치는 것 으로 판단된다.

Fig. 2는 Al/Mg와 Ca/Mg 성분비에 따른 28일 압축강도값 의 분포를 나타내었다. Al/Mg와 Ca/Mg 성분비는 Table 2의 GGBFS 성분과 MgO의 치환에 따라 추가된 MgO의 양을 계산한 것이다. Fig. 2(a)에서 Al/Mg 비가 0.47~0.75범위에 서 KOH의 농도에 관계없이 상대적으로 높은 강도 발현이 나타나고 있다. Fig. 2(b)에서는 Ca/Mg 비가 2M KOH인 시 험체는 2.66~4.27범위에서 높은 강도가 발현되고 있고, 4M KOH는 2.66~3.58 범위에서 높은 강도가 발현되고 있었다. Fig. 2에 나타난 Al/Mg 그리고 Ca/Mg 비와 압축강도의 특 성을 통해 MgO의 치환에 따른 강도 향상 효과가 발현되는 GGBFS와 MgO 혼합에 따른 성분들의 일정 범위가 있을 것 으로 판단된다.

Fig. 2.

Compressive strength and Al/Mg ratio and Ca/Mg ratio

3.2. UPV (ultrasonic pulse velocity)

초음파 속도 측정 결과는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Ultrasonic pulse velocity (UPV)

2M KOH 농도의 시험체는 MgO의 치환율이 8%까지는 비슷한 초음파 속도값을 보이다가 MgO 8% 치환율에서 초 음파 속도가 증가한 뒤 다시 10%부터 감소하는 모습을 보이 고 있다 (Fig. 3(a)). 4M KOH에서도 MgO 10% 치환율까지 증가하던 초음파 속도가 10% 이후 값의 변동이 거의 없는 것으로 나타내고 있었다 (Fig. 3(b)).

이러한 초음파 속도의 결과는 이전에 언급한 압축강도 결과 와 상당히 유사한 변화특성을 나타내고 있다. 특히 4M KOH 의 경우 2M KOH 농도에서의 MgO 시험체들보다 초기재령 인 1일에서의 UPV가 상당히 높게 나타났다. 그러나 4M KOH 시험체의 3일과 7일에서의 UPV 증가량은 2M KOH 와 비교하여 상대적으로 증가정도가 낮았지만 28일에서의 UPV 증가량은 오히려 4M KOH가 2M KOH 농도에서 보 다 높은 경향을 나타내고 있었다. 이러한 초음파 속도의 증 가양상의 차이는 압축강도 특성과 비교하여 보면, 7일에서 28일 압축강도의 강도 증가율이 2M KOH 농도보다 4M KOH 농도에서 더 큰 것을 통해서도 나타난다.

따라서 2M KOH 보다 상대적으로 더 높은 농도인 4M KOH는 초기재령 (1일 및 3일)에서 MgO의 반응성을 향상 시키고, 28일에서 미반응 MgO의 수화반응에도 유효한 영향 을 미치는 것으로 판단된다.

3.3. 길이변화

Fig. 4에는 KOH의 농도와 MgO의 치환율에 따른 시험체 의 길이변화를 측정한 것이다. 2M KOH와 4M KOH 농도 모두에서 MgO의 치환율이 증가함에 따라 건조수축이 감소 하는 것을 볼 수 있었다.

Fig. 4.

Drying shrinkage

특히 4M KOH 농도에서 MgO의 치환에 따른 건조수축 저감은 2M KOH 농도 보다 상대적으로 높은 저감효과를 나 타내고 있었다. 4M KOH의 농도에서 MgO의 치환에 따른 건조조축은 MgO의 치환율이 증가함에 따라 초기 측정시점 에서부터 건조수축의 발생이 거의 없거나 상당히 적은 수축 특성을 나타내고 있었다. 이는 2M KOH 보다 상대적으로 높은 농도인 4M KOH에서 MgO가 Mg(OH)₂로의 변환을 촉진시켜 초기재령에서부터 팽창성이 발현되어 건조수축을 저감시키는 것으로 판단된다.

MgO의 치환율이 증가함에 따라 건조수축이 감소하는 경 향은 light-burn MgO를 사용한 ^{Jang et al. (2011)} 의 연구결 과와 유사함을 알 수 있다. 이는 소성온도가 다른 light-burned 와 hard-burned MgO의 건소수축 감소 경향은 서로 유사하 게 나타나는 것으로 판단된다. ^{Fang et al. (2011)}은 10%와 20% NaOH 농도에 lightly-burn MgO와 플라이애시 (fly ash) 를 치환한 AASC의 건조수축 실험결과에서도 MgO의 치환 율이 증가함에 따라 건조수축이 감소하고 있는 연구결과를 발표하였다.

Table 4는 KOH 농도와 MgO 치환율에 따른 각각의 시험 체의 91일 최종 건조수축율을 정리한 것이다. 특히 4% MgO 치환율부터 4M KOH의 농도에서 치환된 MgO의 건조수축 저감율이 2M KOH 보다 약 12.5~70% 정도 더 큰 감소효과 가 있었다. 이를 통해 상대적으로 높은 활성화제 농도에서 MgO의 활성화 반응이 증가하여 Mg(OH)₂로의 변화가 촉진 되고, 따라서 팽창성능의 발현이 향상되는 것으로 생각된다.

3.4. SEM (scanning electron microscopy)

Fig. 5는 2M과 4M KOH 농도에서 MgO를 치환하지 않 은 시험체와 강도발현이 가장 높은 시험체의 SEM/EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) 분석 이미지이다. MgO를 치환하 지 않은 시험체의 경우 관측부분 전체에 걸쳐 두께가 얇은 판상의 반응물질들이 다수 생성된 것을 관찰 할 수 있었다 (Fig. 5(a), 5(b)). 그러나 MgO를 치환한 시험체 중 최고 강도 가 발생한 시험체의 경우 (2M KOH + 8% MgO, 4M KOH + 12% MgO) 판상의 반응생성물질들은 거의 사라지고 치밀한 조직의 반응 생성물질들이 관찰되었다 (Fig. 5(c), 5(d)).

Fig. 5.

SEM micrograph and EDX analysis at 28 days

EDS분석을 통해 관찰된 MgO를 치환한 AASC의 수화 생 성물질들은 MgO를 치환하지 않은 시험체와 비교하여 상대 적으로 치밀한 조직을 구성하고 있는 것을 볼 수 있다. 이러 한 결과는 ^{Jang et al. (2011)}, Choi et al. (²⁰¹¹, ²⁰¹⁴)이 실 험한 lightly-burn MgO 분말을 치환한 OPC의 SEM/EDS에 나타난 것과 유사한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.