2.1. 사용재료

2.1.1. 결합재

본 연구에서는 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC, fineness = 3,280 cm ² /g) 및 칼슘알루미네이트 시멘트(이하 CAC, fineness = 3,310 cm ² /g)를 결합재로 사용하였으며, OPC 및 CAC의 화 학성분은 Table 1과 같다. 한편, 본 연구에 사용된 CAC 분말 의 XRD 분석결과를 Fig. 1에 나타내었으며, CAC의 주요 성 분은 CA, C₄AF 및 C₁₂A₇임을 알 수 있다.

Fig. 1.

XRD pattern of CAC powder

Table 1

Chemical composition and physical properties of OPC and CAC

Chemical composition [%]	OPC	CAC
SiO2	21.7	4.3
Al2O3	5.7	39.2
Fe2O3	3.2	12.5
CaO	63.1	38.0
MgO	2.8	0.5
SO3	2.2	0.2
L.O.I	1.3	1.0

2.2. 배합 및 기초물성

본 연구에서는 CAC를 OPC에 대하여 각각 0, 60 및 100% 대체하여 모르타르 배합을 선정하였으며, C0, C6 및 C10으로 각각 명명하였다. 결합재(OPC and/or CAC)와 잔골재의 중량 비를 1:2, 물-결합재비(w/cm)가 0.50인 모르타르를 제조하여 21±3 °C의 포화 석회수용액(sat. Ca(OH)₂ solution)에 양생한 후, 소정의 재령에서 수화생성물 분석 및 역학적 특성 평가를 실시하였다. Table 3은 본 실험에서 사용한 모르타르 배합의 기초물성인 응결 및 플로우 실험을 KS L 5102 및 KS L 5105 에 준하여 측정한 결과를 나타낸 것이다.

2.3. 실험방법

2.3.2. 강도특성

포화 석회수용액에 양생한 50 mm 큐브 모르타르 공시체의 재령별 압축강도를 KS L 5105에 의하여 측정하였다.

또, 압축강도가 약 50 MPa인 바탕콘크리트(600×600×100 mm) 시험체를 제작한 후 모르타르를 5 mm 두께로 도포하여 재령별로 40×40 mm 크기의 어테치먼트(attachment)를 각각 3 개씩 부착하여 KS F 4042에 준하여 부착강도를 측정하였으 며, 그 평균값을 취하였다. Fig. 2는 부착강도 실험장치를 나 타낸 것이다.

Fig. 2.

Set-up for bond strength test

2.3.4. 표면전기저항성

모르타르의 표면전기저항값을 측정하기 위하여 ø100×200 mm 원주형 모르타르 공시체를 대상으로 Wenner법에 근거한 four-electrode resistivity 시험을 실시하였으며(Fig. 3 및 4), 표 면전기저항값(ρ)은 다음의 식 (3)으로 계산하였다.

Fig. 3.

Surface electric resistivity measurement

Fig. 4.

Schematic representation of surface electric resistivity by Wenner method

(3)

ρ Kohm ⋅ cm = 2 $pi$ aV I

여기서, a = 전극간격(cm), V = 전압강하량(V), I = 전류량 (A)이다.

3.1. XRD 분석

Fig. 5는 3종류 모르타르의 XRD 분석결과를 도시한 것으 로써, 사용한 결합재의 종류에 따라 수화생성물이 다르게 나 타남을 알 수 있다. 100% OPC를 사용한 C0 샘플에서는 시멘 트의 주요 수화물인 portlandite(CH)가 주피크로 검출되었으 며, ettringite 및 calcite의 피크도 관찰되었다. 또한, 잔골재의 영향으로 인하여 quartz 및 feldspar의 피크도 강하게 검출되 는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5.

XRD patterns of mortar samples (7 days) Fig. 6 Compressive strength development of mortars

한편, CAC를 사용한 C6 및 C10 모르타르의 수화생성물은 C0와는 다르게 나타났다. 특히, C6 모르타르의 경우, 소량의 portlandite 피크 이외에도 C₃AH₆가 검출된 반면, C10 모르타 르의 경우, C₂AH₈ 및 CAH₁₀이 주요 수화물로써 생성된 것을 확인할 수 있었다. 특히, ^{Mostafa et al.(2012)}의 연구결과에 따 르면, CAH₁₀는 상온에서 CAC가 수화시 생성되는 주요 수화 물로 보고되고 있다. 또한, C₂AH₈ 및 CAH₁₀는 다음 식 (5) 및 (6)의 화학반응으로 인하여 C₃AH₆를 생성하게 되며, 이는 상 전이(phase conversion)에 따른 CAC 경화체의 장기강도 감소 의 원인으로 보고되기도 한다(^{Matusinovic et al., 2003}).

이상과 같이, 모르타르의 주요 수화생성물이 배합에 따라 다르게 나타났으며, 이는 모르타르의 역학적 특성에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

3.2. 강도

Fig. 6은 CAC 함량에 따른 모르타르의 재령별 압축강도 발 현특성을 나타낸 것이다. 재령 28일까지 모르타르의 압축강 도를 측정한 결과, 60% CAC 및 40% OPC를 혼합한 C6 모르 타르의 압축강도는 재령에 관계없이 OPC만을 사용한 C0 모 르타르에 비하여 작게 나타났다. 이는 XRD 분석결과에 나타 났듯이, C6 모르타르 중 생성되는 수화물인 C₃AH₆의 생성량 과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 즉, Fig. 5의 XRD 분 석결과에 나타났듯이 CAC 경화체의 강도발현을 일으키는 주요 수화물인 CAH₁₀ 및 C₂AH₈이 C6 모르타르 중에서 C₃AH₆ 로 상전이됨에 따라 모르타르의 압축강도가 낮게 나타난 것 으로 판단된다(^{Lamour et al., 2001}).

Fig. 6.

Compressive strength development of mortars

한편, C10 모르타르는 초기재령부터 C0 및 C6 모르타르에 비하여 압축강도가 매우 크게 발현되는 특성을 나타내었다. 이는 C10 모르타르 중에 CAC 경화체의 강도발현에 지배적인 역할을 하는 수화물로 알려진 CAH₁₀ 및 C₂AH₈의 생성에서 기인되는 것으로 판단된다(^{Scrivener et al., 1999}). 예를 들면, 재령 1일에서 C10 모르타르의 압축강도는 29.7 MPa인 반면, C0 및 C6 모르타르의 압축강도는 각각 7.8 및 7.3 MPa로 나타 났으며, 재령 28일에서는 C0, C6 및 C10 모르타르의 압축강 도는 각각 37.9, 15.4 및 62.6 MPa인 것으로 조사되었다. 그러 나, 재령 28일의 C10 모르타르의 압축강도 발현은 재령 7일 (57.1 MPa)에 비하여 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 7은 3종류 모르타르의 재령별 부착강도를 도시한 것으 로써, 전체적으로 모르타르의 압축강도의 발현특성과 유사하 게 나타남을 확인할 수 있다. 특히, 초기재령부터 100% CAC 를 사용한 C10 모르타르의 부착강도 발현특성이 우수하였으 며, 재령 7일에서 3.2 MPa로 나타나 C0 및 C6 모르타르의 1.8 ~ 2.9배 정도 큰 부착강도 값을 보였다.

Fig. 7.

Bond strength development of mortars

한편, Fig. 8은 모르타르의 압축강도 및 부착강도와의 관계 를 도식적으로 나타낸 것으로써, 모르타르의 압축강도는 부 착강도와 좋은 상관관계를 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 모르 타르 중에 생성되는 수화생성물은 압축강도 뿐 만 아니라 부 착강도 특성에도 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Relationship between compressive and bond strength of mortars

3.3. 흡수율

시멘트 경화체의 공극특성은 결합재의 종류, 수화물량 및 종류, 배합조건, 양생방법 등과 같은 다양한 변수에 따라 달라 지게 되며, 시간 함수에 지배적인 영향을 받게 된다. 이러한, 시멘트 경화체의 공극특성은 투수성에 결정적인 영향을 미치 게 된다(^{Zain et al., 2000}).

본 연구에서는 3종류 모르타르의 표면투수 특성을 평가하 기 위하여 흡수율 실험을 수행하였으며, 모르타르 종류별 재 령 7일 및 28일에서 비교하여 Fig. 9와 같이 나타내었다. 이 그 림에서 나타났듯이 C10 모르타르의 흡수율 값은 재령에 관계 없이 나머지 모르타르에 비하여 다소 크게 나타났으며, 특히, 초기흡수율이 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 반면, CAC를 사용하지 않은 C0 모르타르의 흡수율은 재령 7일 및 28일에 서 상대적으로 안정된 경향을 나타내었다.

Fig. 9.

Results of absorption measurement of mortars

한편, Table 5는 ASTM C 1585에 준하여 산정된 모르타르 의 초기흡수계수(S_i : Initial absorption coefficient)를 비교하 여 나타낸 것이다. 3종류 모르타르의 Si 값은 재령의 증가와 더불어 감소하였으며, CAC 함량의 증가와 더불어 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, C10 모르타르의 Si는 C0 모르타르 에 비하여 약 10배정도 크게 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 Fig. 6 및 Fig. 7에 나타난 강도특성과는 상반된 결과임 을 알 수 있다.

3.4. 표면전기저항성

표면전기저항법을 사용하여 콘크리트의 역학적 성능, 공극 특성 및 내구성을 평가하기 위한 일련의 연구가 보고되고 있 다(^{Gastaldini et al., 2009}; ^{Kim and Moon, 2013}; ^{Sengul & Gjorv, 2009}). 특히, 4전극을 이용한 Wenner법이 일반적으로

사용되며, 4개의 전극을 동일간격으로 유지하여 외부 2개의 전극에 미소교류전류(I)를 발생시켜 내부 2개의 전극에 발생 하는 전위차(V)를 측정하므로써, 표면전기저항값(ρ)을 결정 하게 된다. ^{Ramezanianpour et al.(2011)}은 콘크리트의 표면 전기저항값을 이용하여 압축강도 및 염소이온침투 저항성과 의 관계를 규명하였으며, ^Sengul(2014)은 내구성 지표로써 표 면저항값의 유효성을 주장하였다. 또, ^{Presuel-Moreno et al. (2013)}은 양생조건에 따른 콘크리트의 표면전기저항 변화를 실험적으로 관찰하였다.

Fig. 10은 3종류 모르타르의 재령별 표면전기저항값을 나 타낸 것이다. 재령 28일에서 C10 모르타르의 경우, ASTM C 1760에 근거한 내구성 평가기준의 ‘Moderate’영역으로 나타 나 반면, C0 및 C6 모르타르는 ‘Very low’영역으로 나타남으 로써, C10의 표면전기저항성이 우수하게 나타남을 알 수 있 다. 또한, C6 모르타르의 표면전기저항값은 재령 7일 이후부 터 C0 모르타르와 거의 유사하게 나타났다.

Fig. 10.

Surface electric resistivity of mortars

3.5. 염소이온 침투저항성

Fig. 11은 ASTM C 1202 실험법에 준하여 측정한 모르타르 의 총통과전하량을 나타낸 것이다. 모르타르의 총통과전하량 은 결합재의 종류 및 재령에 따라 상이하게 나타났으며, C10 모르타르의 총통과전하량이 나머지 두 종류 모르타르에 비하 여 상대적으로 작게 나타남을 알 수 있다. 반면, C6 모르타르 는 재령 7일 및 28일에서 C0 모르타르에 비하여 다소 작은 총 통과저하량 값을 나타냄으로써 Fig. 10에서 제시된 표면전기 저항 경향과는 다소 다르게 나타남을 알 수 있다.

Fig. 11.

Total charge passed of mortars

한편, Fig. 12는 본 연구에서 조사된 모르타르의 표면전기 저항값과 총통과전하량과의 관계를 도식화한 것으로써, ^Sengul(2014)의 연구결과와 마찬가지로 지수함수(R ² =0.92) 의 관계를 나타냄을 확인할 수 있다.

Fig. 12.

Relationship between surface electric resistivity and total charge passed