2.1 사용재료의 특성

결합재는 보통포틀랜드시멘트, 플라이애시 및 폴리머수지 를 이용하였다. 보통포틀랜드 시멘트는 분말도 및 밀도가 각 각 3,100 cm²/g와 3.15로서 KS (2013)에서 제시하고 있는 1 종을 이용하였다. 플라이애시는 100㎛이상의 분말이 제거 된 미분쇄된 플라이애시를 사용하였다. 미분쇄된 플라이애시 는 기존 플라이애시 보다 비표면적이 약 1.3배 높고 분쇄공 정에 의해서 입자의 유리질 피막이 물리적으로 개방되기 때 문에 포졸란 반응성이 우수하다(^{Cheong et al., 2012}; ²⁰¹³). Table 1에는 사용된 미분쇄된 플라이애시의 물리적 특성을 나타내었다. 주요성분은 SiO₂와 Al₂O₃로서 각각 52.8%와 28.6% 를 차지하고 있다. 이 성분의 비는 일반적으로 3,400 cm²/g 의 분말도를 갖는 플라이애시와 비슷한 수준이었다(^{Cheong et al., 2012}). 보수모르타르는 방수성 및 균열저항성을 향상 시키기 위해서 폴리머 수지와 섬유를 이용하였다. 폴리머 수 지는 Table 2에 나타낸 바와 같이 내수성인 아크릭계(제품명 Co)와 방수성인 하이브리드 폴리머(제품명 EVA)를 이용하 였다. 아크릭계 및 하이브리드 폴리머 수지의 밀도는 각각 0.54와 0.45이며, pH는 각각 6.5~8.5와 6~8이다. 사용된 섬 유는 PVA 종류로서 길이와 형상비가 각각 8 mm와 727이 다. 또한 PVA 섬유의 인장강도와 탄성계수는 각각 1,269 MPa와 27,640 MPa이다.

사용된 잔골재의 최대직경은 4 mm로서 KS기준에서 제시 하고 있는 표준입도분포곡선을 만족하는 건조모래를 사용하 였다(Fig. 1). 건조모래의 밀도 및 조립률은 각각 2.3과 2.88 이다.

Fig. 1.

Particle distribution curves of fine aggregate

2.2 배합설계

배합설계는 보수모르타르에 미분쇄된 플라이애시의 적용 가능성을 평가하기 위해 Table 3에 나타낸 바와 같이 3그룹 으로 구분하였다. 또한 보수모르타르는 시공 후 계절에 따라 양생온도가 달라지기 때문에 실용적인 연구 측면에서 동절, 표준기 및 하절기의 온도를 주요변수로 하였다. 첫 번째 그 룹은 하절기의 환경으로서 양생온도를 40℃로, 두 번째 그룹 은 표준환경으로서 20℃로, 세 번째 그룹은 동절기의 환경으 로서, 5℃로 설정하였다. 모든 배합에서 물-결합재비(W/B ) 와 잔골재-결합재비(S/B )는 각각 30%와 2로 고정하였다. 또한 아크릭계와 하이브리드계의 폴리머 수지는 결합재 대 비 각각 2.5%로 첨가하였다. 섬유의 혼입량은 800 g/m³로 고정하였다. 세 그룹에서 주요변수는 미분쇄된 플라이애시의 치환율이다. 일반적으로 기존 플라이애시의 치환율은 압축강 도 및 내구성 측면을 감안하여 볼 때 최대 35%로 보고되고 있다(^{Bae et al., 2003}; ^{Choi et al., 1998}). 따라서 배합설계 에서 미분쇄된 플라이애시의 치환율을 0%, 10%, 20%, 25%, 30% 및 35% 수준으로 변화하였다.

실험체명은 양생온도 및 미분쇄된 플라이애시의 치환율를 나타낼 수 있도록 두 부분으로 구분하였다. 첫 번째 부분에 서 알파벳인 ‘H’, ‘S’ 및 ‘L’은 각각 양생온도 40℃, 20℃ 및 5℃를 의미한다. 또한 두번 째 부분에서 알파벳인 ‘F’는 미분쇄된 플라이애시를, 숫자는 치환율을 의미한다.

2.3 배합 및 측정방법

배합은 100l용량의 강제식 믹서기를 이용하여 결합재를 투입한 후 약 1분 30초간 건비빔 하였다. 이때 PVA 섬유는 분산성을 확실히 부여하기 위해서 물에 미리 풀어 믹서기에 투입하였다. 믹서에 물이 투입된 후, 습비빔은 약 1분 30초 간 수행하였다.

굳지 않은 모르타르에서는 초기 및 30분 후의 플로우를 측 정하였다. 굳은 모르타르에서는 재령별 압축강도, 응력-변형 률 관계 및 탄성계수, 파괴계수 및 SEM 및 XRD를 측정하 였다. 재령별 압축강도는 1일, 3일, 7일, 28일, 56일 및 91일 에 50 mm × 50 mm × 50 mm의 큐빅몰드를 이용하여 측정 하였다. 응력-변형률 관계 및 탄성계수는 φ100 mm × 200 mm의 원형몰드를 이용하여 온도 20℃로 양생된 실험체에 서 재령 28일에 측정하였다. 탄성계수는 측정된 응력-변형률 관계에서 ASTM C 469(2014)에서 제시하고 있는 원점과 최 대응력의 40%의 점과 연결하는 직선의 길이로 산정하였다. 파괴계수도 온도 20℃로 양생된 450 mm × 450 mm × 550 mm의 몰드를 이용하여 재령 28일에 측정하였다. 이들 굳지 않은 모르타르 및 굳은 모르타르에서 평가된 실험들은 KS 기준 (2013)에 준하여 수행하였다. 수화생성물 및 미세구조 분석을 위한 SEM과 XRD는 1일, 3일 및 28일에서 온도 20℃ 로 양생된 페이스트를 이용하여 측정하였다.

양생은 각 그룹에 따라서 달리 하였는데, 온도 40℃인 첫 번째 그룹의 실험체들은 항온항습실에서, 20℃인 두 번째 그 룹에서는 항온항습실에서, 5℃인 세 번째 그룹에서는 저온 챔버에서 양생하였다.

3.1 즉시 및 30분 후 플로우

모든 배합에서 즉시 플로우는 100 mm ~ 135 mm 범위의 수 준에 있었는데, 미분쇄된 플라이애시 첨가율에 영향을 받았다. 즉시 플로우는 미분쇄된 플라이애시 첨가율이 20%까지 증가하 다가 이 이상의 첨가율에서 플로우가 더 이상 증가하지 않았다. 이는 미분쇄된 플라이애시도 기존 플라이애시와 동일하게 입자 들의 볼베어링 효과(^{Malhotra and Mehta, 2002})로 유동성을 증 가시킬 수 있음을 의미한다. 타설 후 30 분 후의 플로우는 평균 적으로 약 16%의 유동성 저하율을 보였다. 30분 후의 플로우 의 저하율도 미분쇄된 플라이애시 첨가율이 20%까지 증가하였 다. 이와 같이 미분쇄된 플라이애시 첨가율 증가에 따른 플로우 저하율의 증가는 결합재에서 시멘트 보다 미분쇄된 플라이애시 의 비표면적이 더 높기 때문이다(^{Jung, 2002}).

3.2 28일 압축강도

폴리머수지 기반 보수모르타르의 28일 압축강도는 양생온 도와 미분쇄된 플라이애시 첨가율에 의해 현저한 영향을 받 았다. 보수모르타르의 28일 압축강도는 첫 번째 그룹인 하절 기 양생온도 40℃에서 38.3 MPa ~ 50.4 MPa로 표준온도 20℃인 두 번째 그룹 보다 동일한 미분쇄된 플라이이애쉬 치환율에서 약 1.3배 ~ 1.6배로 높은 강도발현을 보였다. 반 면 세 번째 그룹인 동절기 양생온도 5℃의 28일 압축강도는 37 MPa ~ 32 MPa의 수준으로 첫번째 그룹인 온도 40℃로 양생된 실험체 보다 낮은 강도발현을 보였지만 미분쇄된 플 라이애시 치환율이 20%까지 표준온도로 양생된 두 번째 그 룹의 실험체와 비슷한 강도 발현을 보였다.

한편 보수모르타르의 28일 압축강도는 미분쇄된 플라이애 시 첨가율이 20% 또는 25%까지 증가하다가 이 이상의 첨가 율에서는 감소하는 경향을 보였다. 압축강도가 감소되는 시 점은 양생온도에 따라 영향을 받았다. 양생온도 40℃와 20℃ 인 첫 번째 및 두 번째 그룹은 미분쇄된 플라이애시 첨가율 이 20%를 기준으로 압축강도가 감소되지만, 양생온도가 5℃ 인 세 번째 그룹에서는 25%를 기준으로 감소되었다. 이와 같이 플라이애시 첨가율이 20% 또는 25%를 기준으로 증가 시점의 변화는 기존 실험결과와 비슷하였다(^{Lee et al., 2013}).

3.3 재령별 압축강도 발현율

Figure 2에는 폴리머수지 기반 보수모르타르의 재령별 압 축강도발현율(f_ck/f_{ck (t)} )을 나타내었다. 두 번째(양생온도 20℃) 및 세 번째 그룹(양생온도 5℃)의 1일 압착강도는 발 현미흡으로 측정이 불가능하였다. 반면 양생온도 40℃인 첫 번째 그룹에서 1일 압축강도는 8.5 MPa ~ 23.8 MPa 수준 이었다. 양생온도 20℃인 두 번째 그룹에서 3일 압축강도는 10 MPa ~ 17.7 MPa 수준으로 양생온도 5℃인 세 번째 그 룹 보다 평균적으로 약 1.5배 높았다. 하지만 미분쇄 플라이 애시 치환율이 20% 이상 첨가된 실험체의 재령 7일의 압축 강도는 두 번째 및 세 번째 그룹에서 비슷하였다. 이는 결합 재 대비 20% 이상의 미분쇄 플라이애시 치환율이 초기 압축 강도발현에 기여하였음을 의미한다(^{Cheong et al., 2012}; ²⁰¹³). 보수모르타르의 초기 재령 압축강도 발현율은 양생온 도에 관계없이 미분쇄 플라이애시의 치환율이 증가할 수록 낮았다. 또한 28일 이후의 장기재령에서 강도 발현율은 미분 쇄 플라이애시 치환율이 20~30%에서 가장 높았다.

Fig. 2.

The ratio of compressive development

^{ACI 209(1994)}는 콘크리트의 재령별 압축강도(f_{ck (t)} )를 예측하기 위해서 초기재령(A₁ )과 장기재령(B₁ )의 강도발현 계수를 포함하여 다음과 같이 제시하였다.

여기서, f_ck 는 재령 28일 압축강도를, t는 재령일을 나타 낸다. 초기재령 및 장기재령의 발현계수는 값이 낮을수록 발 현율이 높음을 의미한다. ^{ACI 209(1994)}는 보통포틀랜드 시 멘트에서 A₁ 과 B₁ 을 각각 4.0과 0.85로 제시하고 있다. Table 4에는 SPSS(statistics package for social science)통계 적 프로그램을 이용하여 보수모르타르의 강도발현에 대한 A₁ 과 B₁ 을 나타내었다. 보수모르타르의 A₁ 은 양생온도와 미분쇄된 플라이애시의 치환율에 의해 현저한 영향을 받았 다. 온도 40℃로 양생된 첫 번째 그룹의 A₁ 은 1.012 ~ 3.073로서 초기의 높은 강도 발현을 보였다. 반면, 온도 5℃ 로 양생된 세 번째 그룹의 A₁ 은 5.251 ~ 9.130으로서 ^{ACI 209(1994)}에서 제시하고 있는 보통포틀랜트 시멘트의 계수 보다 낮았다. 또한, 온도 20℃와 5℃로 양생된 그룹의 A₁ 은 미분쇄된 플라이애시 치환율이 증가함에 따라 감소하였다. 이는 표준온도와 동절기의 양생조건에서 미분쇄된 플라이애 시가 초기의 강도발현에 기여함을 의미한다(^{Yang, 2014}). 반 면, 보수모르타르의 B₁은 미분쇄된 플라이애수의 치환율 보 다는 양생온도에 현저한 영향을 받았다. 보수모르타르의 B₁ 은 양생온도 40℃에서 0.885 ~ 0.962이지만, 양생온도 5℃ 에서 0.615 ~ 0.754로 감소하였다. 이와 같이 양생온도 5℃ 에서 ^{ACI 209(1994)}에서 제시하고 있는 0.85 보다 낮은 수 치는 장기재령에서 미분쇄된 플라이애시가 강도발현에 기여 함을 의미한다. 위의 보수모르타르의 A₁ 과 B₁ 의 분석결과 를 기반으로 다음과 같은 함수로 일반화할 수 있었다(Fig. 3).

Fig. 3.

Generation of factor to strength development

여기서, R_f 는 미분쇄된 플라이애시의 치환율을, T 는 양생 온도를 나타낸다. 따라서 미분쇄된 플라이애쉬가 첨가된 보 수모르타르에서 재령별 압축강도는 식 (1)과 (2)를 이용하여 실용적으로 예측할 수 있다.

3.4 응력-변형률의 관계

양생온도 20℃인 두 번째 그룹의 응력-변형률 관계를 Figure 4에 나타내었다. 응력-변형률 관계에서 초기강성은 최대응력 의 40% 이전에서 선형적으로 거동하지만, 그 이후의 응력에 서 실험종료 시점까지 비선형적인 거동을 보였다. 한편, 최 대응력 시 변형률과 최대응력 이후의 거동은 미분쇄된 플라 이애시 치환율에 의해 미미한 영향을 받았다.

Fig. 4.

The relationships of stress-strain

3.5 탄성계수 및 파괴계수

보수모르타르의 탄성계수(E_c)와 파괴계수(f_r )는 루트승 재령 28일 압축강도 f ck 로 무차원화 하였다. Figure 5에 나타낸 바와 같이 온도 20℃에서 양생된 보수모르타르의 E_c/ f ck 는 4300 ~ 4822의 범위에 있었는데, 미분쇄된 플 라이애시 치환율에 의해 다소 영향을 받았다. 미분쇄된 플라 이애시가 첨가되지 않은 실험체 S-F0은 4409인 반면 미분쇄 된 플라이애시 치환율이 20%인 실험체 S-F20에서는 4822 로 약 10% 증가하였다. 한편, 보수모르타르의 E_c/ f ck 는 ^{ACI 318-11(2011)}의 설계기준인 4700 보다 낮았다. 이는 콘 크리트의 실험결과를 기반하고 있는 ^{ACI 318-11(2011)}과의 비교로부터 보수모르타르가 기존 콘크리트에 비해 탄성계수 의 저항성이 낮음을 의미한다(^{Hong et al., 2013}).

Fig. 5.

Elastic modulus normalized by f ck

Figure 6에는 미분쇄된 플라이애시 치환율에 따른 보수모르 타르의 f_r / f ck 를 나타내었다. 보수모르타르의 f_r / f ck 는 0.63 ~ 0.82의 범위에 있었는데, 미분쇄된 플라이애시 치 환율이 20% 까지는 다소 증가하였다. 한편 보수모르타르의 f_r / f ck 는 ^{ACI 318-11(2011)}의 설계기준 보다 높았다. 이 는 미분쇄된 플라이애시가 포졸란 반응성을 높이고, 첨가된 PVA 섬유의 가교현상으로 휨 저항성능을 향상시켰기 때문 이다(^{Whang, 2008}).

Fig. 6.

Modulus of rupture normalized by f ck

3.6 SEM과 XRD

Figure 7과 8에는 미분쇄된 플라이애시의 치환율에 따른 보수모르타르의 전형적인 XRD와 SEM을 나타내었다. 미분 쇄된 플라이애시가 첨가되지 않은 페이스트는 초기 재령 3 일에서 수화생성물을 나타내는 피크(peak)가 형성되었는데, 재령경과에 따라서 피크(peak)의 수와 피크의 강도(intensity) 는 변화되지 않았다. 또한 미분쇄된 플라이애시가 첨가되지 않은 페이스트의 SEM 분석결과에서 나타낸 바와 같이 재령 1일에 침상형의 조직구조가 관찰되었지만, 재령경과에 따른 조직구조의 변화는 없었다. 미분쇄된 플라이애시의 치환율이 10%와 20%인 페이스트도 초기재령 3일에 피크가 형성되는 데, 이 피크의 수와 강도는 재령이 경과할 수록 증가하였다. 또한 SEM 분석결과에서 나타낸 바와 같이 재령이 경과할 수록 플라이애시 입자들의 개수가 줄어듦과 동시에 입자주 변에 CSH 겔이 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 반면, 미 분쇄된 플라이애시의 치환율이 35%인 페이스트도 미분쇄된 플라이애시 치환율이 10%와 20%인 페이스트의 XRD와 SEM 의 분석결과와 유사하게 관찰되었지만, 재령경과에 따른 강 도가 다소 낮게 측정되었다. 특히 SEM 분석결과에서 나타 낸 바와 같이 미분쇄된 플라이애시의 치환율이 35%인 페이 스트는 재령 28일에 다량의 플라이애시 입자형상이 관찰되 는데, 이는 수화생성물에 반응하고 남은 여분의 입자들임을 확인할 수 있었다. 이와 같이 미분쇄된 플라이애시는 초기의 수화생성물에 밀접한 연관성을 가지고 있기 때문에 초기 강 도 발현에 효과적이다.

Fig. 7.

Typical SEM image according to replacement level of grinded fly-ash

Fig. 8.

Analysis of XRD