2.1. 사용재료

실험에 사용된 OPC와 GGBFS 그리고 CSA의 성분은 XRF 분석을 통해 Table 1에 나타내었다. 잔골재는 조립률(F.M) 2.64, 표면건조포화상태 밀도 2.61 g/cm³의 강모래를 사용하였다.

또한 GGBFS의 수화작용을 촉진하기 위해 사용된 활성화제 는 Na₂SiO₃(sodium silicate, Ms = 2.0, liquid type)이다. 활성화 제는 배합 전에 배합수에 미리 일정 농도를 계량하여 혼합한 뒤 사용하였으며, 농도는 결합재(binder) 질량의 2%와 4%이다. SCC mortar의 적용시 과도한 건조수축으로 인한 균열 등을 방 지하기 위해 Ca계 팽창제인 Calcium Sulfoaluminate(이하 CSA)를 사용하였다. 본 연구에 사용된 혼화제(superplastilizer) 는 Polycarboxylate계의 고성능 유동화제로 밀도는 1.04 ± 0.05(20°C기준) g/cm³, pH 5.0±1.5의 옅은 갈색의 액체이다.

2.2. 실험계획

OPC의 질량에 대해 GGBFS를 40%, 60% 그리고 80% 치환 하였으며, CSA를 혼합하는 경우 OPC의 질량에 대해 2.5%와 5.0% 치환하였다. 결합재와 잔골재는 질량비로 1 : 1의 비율 로 하였다. 물결합재 비(W/B)는 0.35로 하였다. 자세한 배합 비는 Table 2에 나타내었다.

본 연구에서는 GGBFS가 OPC의 질량에 대해 40%, 60% 그 리고 80% 치환되는 배합이다. 따라서 GGBFS의 수화작용을 촉진시키기 위한 방법 중 활성화제를 사용한 방법을 선정하 고 Na₂SiO₃를 활성화제로 투입하였다(^{Atiş et al., 2012}; ^{Bilim and Atiş, 2012}). 또한 기존의 두 가지 이상의 재료를 혼합한 결 합재를 사용한 SCC 배합에서 사용되지 않았던 CSA를 사용 하여 건조수축과 OPC-GGBFS의 수화반응을 촉진시키는 역 할을 하고자 하였다. CSA의 경우, 선행 예비실험을 강도, 응 결 등의 특성을 측정하여 5%이하의 혼합 범위를 선정하였다.

CSA 또는 Na₂SiO₃가 혼합되지 않고 단지 OPC와 GGBFS 만 혼합된 배합(S0, S4, S6, S8)을 비교군으로써 control로 하 였다. 각각의 치환비율과 혼합률에 따라 재료를 준비하고 기 본적인 배합순서와 시간은 KS L 5109에 제시된 방법으로 수 행하고, 마지막 순서의 믹싱 후 저속으로 3분간 더 배합하였 다. 이는 혼합되는 결합재와 고성능 유동화제의 충분한 혼합 을 통해 균질한 배합을 얻기 위함이다.

배합 후 24h 동안 상대습도(relative humidity; RH) 90±5%, 온도 23±2°C의 항온항습기에 보관하였다. 그 다음 몰드를 제 거하고 측정재령까지 동일한 습도와 온도 조건의 항온항습기 에 보관하였다.

압축강도 시험은 50 mm×50 mm×50 mm 몰드를 사용하였 고, 건조수축은 40 mm×40 mm×160 mm 몰드를 사용하였다. 응결시간 측정은 KS L 5103 방법으로, 미니슬럼프(mini slump)와 V-funnel 유하시간 시험은 ^EFNARC(2002)에 제시 된 기기와 방법으로 수행하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424 의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였다. 길이변화는 배합 에 따른 초기 건조수축 경향을 파악하기 위해 63일까지만 측 정하였다. Fig. 1은 본 연구에 사용된 미니슬럼프와 V-funnel 측정 장치이다.

Fig. 1

Shape of Mini slump and V-funnel

3.1. 유동화제 사용량

본 연구에서는 SCC mortar를 기본 배합으로 하고 있으며 이 는 추후 균열부 보수보강, 철도 자갈도상의 콘크리트 도상화 등 의 다양한 활용성을 고려하고자 하였다. 예비실험과 선행연구결 과들을 참고하여 목표 유동성을 미니슬럼프 기준으로 280±10 mm가 되도록 하였다. 이는 콘크리트 구조물의 파손 및 균열 부 위의 보수보강, 자갈도상의 콘크리트 포장화 등의 활용성을 고 려하여 선정하였다. Fig. 2은 각 배합의 미니슬럼프를 280±10 mm로 유지하기 위해 사용된 혼화제의 양을 표시한 것이다.

Fig. 2

Dosage of superplasticizer for each mixture

모든 배합에서 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 목표 슬 럼프를 얻기 위한 유동화제의 사용량이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 OPC가 감소하고, 증가된 GGBFS는 OPC와 비교하여 상대적으로 느 린 수화반응으로 인해 유동화제의 사용량이 감소하는 것으로 판단된다(^{Park et al., 2009}). ^{Jang and Jee (2013)}의 실험에서 GGBFS를 0, 15 그리고 30% 치환한 고유동 콘크리트에서 동 일 W/C비와 고성능 AE감수제를 혼합한 배합에서 GGBFS의 치환율이 증가하면 슬럼프 플로우도 증가하는 경향의 결과를 보였다. 또한 ^{Jeong et al. (2015)}의 대량치환 슬래그 시멘트에 대한 연구에서도 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 플로우 값이 증가하는 결과를 보였고 이러한 결과는 슬래그 입자의 형상이 비정형이지만 표면이 매끄러운 특성을 가지고 있어서 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 유동성이 향상된 다고 하였다.

Han et al. (2009), ^{Lee et al. (2000)}, ^{Han et al. (2010)}은 활성 화제를 사용하지 않은 대량치환슬래그 콘크리트의 플로우는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 증가하는 유사한 경향을 보고하였다. 따라서 GGBFS의 치환율 증가는 상대적으로 단 위부피당 OPC가 감소하여 수화반응이 낮아지는 효과와 GGBFS 입자의 형상에 따른 효과로 유동성이 증가한다.

CSA만 혼합한 시험체들과 CSA와 Na₂SiO₃를 함께 혼합한 시험체들 모두 control 시험체 보다 유동화제의 사용량이 증 가하였다. 또한 CSA만 치환한 시험체들에서 CSA 치환율에 대 한 유동화제 혼합양은 2.5% 보다 5.0% 치환한 시험체들이 목 표 슬럼프를 얻기 위해 더 높은 유동화제 사용량을 나타내었다.

CSA와 Na₂SiO₃를 함께 혼합한 시험체들에서 동일 CSA 치 환율에 대해 Na₂SiO₃ 혼합률이 2%에서 4%로 높아짐에 따라 유동화제 혼합양의 증가가 유사한 경향성을 보였다. 이는 CSA와 Na₂SiO₃의 혼합으로 인해 GGBFS의 수화작용이 향상 되고, OPC의 응결도 촉진되었기 때문이다(^{Atiş et al., 2012}; ^{Bilim and Atiş, 2012}).

특히 CSA 5.0% + Na₂SiO₃ 4% 시험체가 가장 높은 유동화 제 사용량을 나타내었다. 따라서 OPC-GGBFS 배합에서 CSA 와 Na₂SiO₃를 동시에 혼합할 경우 유동성저하가 크게 일어나 상대적으로 다량의 유동화제 사용이 필요하였다.

3.2. V-funnel 유하시간

Fig. 3은 V-funnel 유하시간 측정 결과이다. 유하시간 측정 결과 CSA 또는 Na₂SiO₃를 혼합하지 않은 control 배합의 경우 GGBFS의 치환율이 40%, 60% 그리고 80%로 높아짐에 따라 점차 유하시간이 감소하고 있다. 이는 GGBFS의 치환율이 증 가함에 따라 상대적으로 OPC의 양이 감소하고 이는 수화반 응이 늦어지고 반응생성물질의 양이 감소함에 따라 유하시간 도 줄어든 것으로 판단된다.

Fig. 3

Time of V-funnel test

Park et al. (2005)의 연구에서도 GGBFS의 치환율이 증가 함에 따라 배합의 항복응력(yield stress)와 소성점도(plastic viscosity)가 감소한 결과를 보였다. 또한 Choi et al. (2009)의 연구에서 SG(blast furnace slag)의 혼합률이 높아질수록 slump flow가 다소 증가하고 V-funnel은 감소한다고 하였다. control 배합의 경우 선행 연구자들의 결과와 유사한 경향을 보인다.

그러나 CSA 또는 CSA + Na₂SiO₃를 혼합한 시험체들의 경 우 GGBFS 치환율이 증가함에 따라 점차 유하시간이 증가하 고 있었다. 이는 CSA와 Na₂SiO₃가 GGBFS를 활성화하여 초 기 수화반응을 증가시켜 모르타르의 점성을 증가시키기 때문 이다. 특히 Na₂SiO₃는 GGBFS의 수화작용 촉진하는 효과가 있다(^{Atiş et al., 2012}; ^{Bilim and Atiş, 2012}).

CSA의 치환율이 2.5%에서 5.0%로 증가하고, Na₂SiO₃가 2%에서 4%로 증가하면 유하시간이 증가하였다. 특히 CSA만 사용한 배합보다 CSA + Na₂SiO₃의 배합들이 유하시간이 가 장 길게 측정되었다. 따라서 GGBFS의 치환율이 높은 대량치 환 슬래그 시멘트 모르타르의 초기 유동특성은 GGBFS의 활 성화에 따라 조절할 수 있을 것으로 생각된다.

3.3. 응결시간

Fig. 4는 응결시간을 나타내고 있다. control 시험체의 경우 OPC 100%인 S0 배합보다 증가한 초결과 종결 시간을 나타내 었다. 또한 GGBFS의 치환율이 증가할수록 초결과 종결 시간 은 점차 증가하였다. 그러나 CSA를 2.5%를 혼합한 시험체들 은(Fig. 4(a)) 초결과 종결은 control보다는 감소하였지만 S0 와 비교하여 초결은 유사하고 종결은 증가하였다. CSA 5.0% 는(Fig. 4(b))은 S8의 종결만 S0 종결보다 다소 증가하였을 뿐 응결시간이 감소한 것으로 나타났다. CSA + Na₂SiO₃를 혼합 한 시험체들(Fig. 4(c)∼(f))은 모든 GGBFS 치환율에서 control 과 S0보다 짧은 응결시간이 측정되었다. 이는 CSA와 가 GGBFS 의 활성화를 촉진하여 수화반응을 증대시켜 반응생성물질의 생성이 증가하였기 때문이다(^{Atiş et al., 2012}; ^{Bilim and Atiş, 2012}).

Fig. 4

Results of setting time

^{Jeong et al. (2015)}, Han et al. (2009), ^{Lee et al. (2000)}, ^{Han et al. (2010)} 등은 활성화제를 사용하지 않은 대량치환 슬래그 시멘트의 연구에서 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가하면 응결시간이 증가하는 결과를 나타내었다. 활성화제를 사용한 대량치환슬래그 시멘트에 관한 선행연구에서 ^{Moon et al. (2015)} 은 경석고와 황산나트륨을 활성화제로 사용한 대량치환슬래 그 시멘트의 수화특성 연구에서 활성화제의 사용에 따라 응 결시간이 감소한 결과를 보였다. 따라서 활성화제는 GGBFS 의 수화반응을 촉진시켜 응결시간을 단축시키는데 효과적이 지만 GGBFS 치환율, 적절한 농도의 활성화제 그리고 목표 유 동성을 확보하기 위한 양질의 고성능 유동화제와 적정 양등 의 종합적인 고려가 필요하다.

3.4. 압축강도

Fig. 5은 압축강도 측정결과를 보여주고 있다. 모든 시험체 들의 압축강도는 GGBFS 치환율, CSA와 Na₂SiO₃의 혼합에 관계없이 S0보다 작게 측정되었다. GGBFS의 치환율이 증가 함에 따라 CSA와 Na₂SiO₃의 혼합양에 관계없이 모든 측정재 령에서 강도가 점차 감소하고 있다. CSA만을 혼합한 시험체 들(Fig. 5(a))에서 CSA 2.5%에서 CSA 5.0%로 증가할 때 강도 증가율과 비교하여 CSA + Na₂SiO₃를 혼합한 시험체들의 (Fig. 5(b), (c )) CSA 2.5%와 CSA 5.0% 간의 강도증가율이 더 크게 나타나고 있었다. 이는 Na₂SiO₃가 CSA와 함께 GGBFS의 활성화 작용에 일부 기여하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 5

Compressive strength of each mixtures

특히 Fig. 5(b)와 (c)에 나타난 CSA + Na₂SiO₃의 시험체들 은 1일 강도와 3일 강도의 차이가 CSA만 혼합한 시험체(Fig. 5(a))보다 크게 나타나고 있다. 따라서 CSA와 Na₂SiO₃를 혼합 하여 사용할 경우 강도 증가가 초기 3일까지가 가장 크게 나 타났다. 활성화제를 사용하지 않은 경우 대량치환슬래그 시 멘트의 강도는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 감소한다.

^{Moon et al. (2015)}은 경석고와 황산나트륨을 활성화제로 사용한 대량치환슬래그 시멘트의 수화특성 연구에서 활성화 제의 사용에 의해 강도가 증가한 결과를 언급하였다. Bilim and Atiş (2012)는 GGBFS를 OPC 질량에 대해 0%, 20%, 40%, 60%, 80% 그리고 100% 치환한 시멘트를 액상 규산나트륨 (liquid sodium silicate)으로 활성화한 연구에서 동일 활성화 제 농도에서 GGBFS의 치환율이 증가하면 초기에는 강도가 감소하지만 재령이 증가함에 따라 강도가 증가하는 경향을 보였다. ^{Acevedo-Martinez et al. (2012)}은 GGBFS 치환율을 0%, 30%, 50%, 80%, 그리고 100%를 가지는 OPC-GGBFS 시 멘트의 배합에서 활성화제로 Na₂SiO₃를 사용한 강도결과에 서 활성화제를 사용하지 않은 경우는 GGBFS의 치환율이 증 가함에 따라 강도는 감소하였고, 모든 치환율에서 OPC 100% 시험체 보다 작았다. 그러나 활성화제를 사용한 경우는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 점차 강도가 증가하고 있 었다. 이는 활성화제의 농도가 높을수록 재령이 증가할수록 그 리고 GGBFS의 치환율이 80% 이상일수록 확연히 나타나고 있 었다.

그러나 본 연구에서는 ^{Bilim and Atiş(2012)}와 ^{Acevedo-Martinez et al. (2012)}의 결과처럼 재령 28일에서의 GGBFS 치환율의 증가에 따른 강도 증가는 나타나지 않았는데, 이는 본 연구에 적용된 Na₂SiO₃ 농도가 선행연구들보다 낮았기 때문이다.

3.5. 건조수축

Fig. 6는 각 시험체들의 63일까지 측정한 건조수축 결과 중 최종 63일에 측정된 건조수축만을 나타낸 것이다. 건조수축 정 결과 control의 경우 OPC 100%인 S0의 63일 최종건조수축 은 –0.0031%였다. GGBFS를 치환한 모든 시험체들은 S0보다 작은 건조수축률이 측정되었다.

Fig. 6

Ultimated drying shrinkage

또한 CSA를 혼합한 시험체들의 건조수축이 감소한 결과도 확인할 수 있었다. 이는 CSA의 팽창작용에 의한 것으로 CSA 2.5%보다 CSA 5.0% 시험체들의 건조수축 감소가 더 크고, Na₂SiO₃를 함께 혼합한 시험체들도 CSA의 치환율이 높을수 록 건조수축의 감소가 더 크게 나타나고 있다. 따라서 CSA와 같은 팽창제를 일부 치환한다면 GGBFS의 치환율이 40% 이 상인 대량치환 슬래그 시멘트에서도 건조수축률을 충분히 감 소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

활성화제를 사용하지 않은 대량치환슬래그 콘크리트의 경 우 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 건조수축은 증가한다 (^{Kim et al., 2015}). 그러나 장기재령을 갈수록 GGBFS의 치환 율이 높을수록 건조수축이 감소하는데 이는 GGBFS의 공극 체움효과로 수분증발이 어려워졌기 때문으로 판단하였다 (^{Kim et al., 2015}).

활성화된 슬래그 시멘트의 건조수축에 대한 영향은 여러 가지가 있으며 그중 내부 공극양과 크기가 중요 영향요인으 로 언급되고 있다. 본 연구에서 GGBFS의 치환율이 증가하면 건조수축이 감소하고 있는데, 이는 GGFBS를 활성화하면 시 험체 내부의 모세관공극이 시간이 지남에 따라 활성화된 GGBFS의 수화반응생성물질들에 의해 감소하기 때문이다 (^{Kim et al., 2015}).