3.1. 사용재료

Table 1에 사용재료의 물리적 특성, Table 2에 사용재료의 화학조성을 나타냈다. 본 연구에서 사용한 시멘트는 KS L 5201 ^｢포틀랜드 시멘트_｣의 1종 보통포틀랜드시멘트(ordinary Portland cement, OPC)와, KS L 5210 ^｢고로슬래그 시멘트_｣의 고로슬래그시멘트(Portland blast-furnace slag cement, PBC) 2 종을 사용하였으며, 밀도는 각각 3.12, 3.05 g/cm³이며, 비표면 적은 3,500, 4,000 cm²/g이다. 본 연구에서 사용한 α형 반수석 고는 배연탈황석고로부터 가압수용액법으로 제조된 것이며, 밀도는 2.72 g/cm³이며, 비표면적은 1,400 cm²/g이다. 잔골재 는 ISO 표준사를 사용하였으며, 밀도는 2.50 g/cm³이고 흡수 율은 1.00% 이다.

3.2. 실험계획

본 연구의 실험계획을 Table 3에 나타냈다. α형 반수석고를 치환한 모르타르의 경화 특성 및 건조수축을 검토하기 위해 시멘트 종류와 α형 반수석고의 치환율을 실험변수로 설정하 였으며, 시멘트의 종류는 보통포틀랜드시멘트, 고로슬래그시 멘트의 2수준, α형 반수석고 치환율은 0, 10, 20, 30 wt.%의 4 수준에 대하여 실험을 수행하였다. 경화 특성을 검토하기 위 해서 응결시간과 압축강도를 측정하였으며, 변형거동을 검토 하기 위해 건조수축을 측정하였다. 또한, 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy, SEM)으로 미세구조의 관찰 을 수행하였다.

Table 4에 모르타르 배합을 나타냈다. KS L ISO 679 ^｢시멘 트의 강도 시험 방법_｣에 준하여 물-결합재 비(W/B)는 0.5, 결 합재와 잔골재 비(B:S)는 1:3으로 설정하였다.

3.3. 실험 방법

응결시간 측정은 KS F 2436 ^｢관입 저항침에 의한 콘크리트 의 응결 시간 시험방법_｣에 준하여 측정하였으며, 회귀분석을 통해 관입저항이 3.5, 28.0 MPa가 될 때의 시간을 각각 초결시 간과 종결시간으로 결정하였다.

압축강도는 KS L ISO 679 ^｢시멘트의 강도 시험 방법_｣에 준 하여 40×40×160 mm의 시험체를 각 재령별로 3개씩 제작하 였으며, 재령 1, 3, 7, 28일에 모르타르용 전용 지그를 이용하 여 측정하였다. 측정 장치는 2 MN 용량의 만능재료시험기를 사용하였다.

건조수축 측정은 KS F 2424 ^｢모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법_｣에 준하여 100×100×400 mm 크기의 시험체 를 제작하였으며, 시험체 내부에 양단 플랜지형 변형률 게이 지를 매립하였다. 시험체는 탈형 한 후 온도 20±1°C, 상대습 도 60±3%의 항온·항습실에서 데이터로거를 활용하여 측정 하였다. 또한, 시험체의 미세구조 및 결정구조는 주사전자현 미경(SEM)을 활용하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV에서 관찰하였다. 측정은 OPC, PBC와 수축변형이 작은 시험체를 대상으로 하였으며, 재령 3일에 관찰하였다.

4.1. 응결시간

관입침에 의한 관입저항 측정결과를 Fig. 3, 회귀분석을 통 해 도출한 응결시간 측정결과를 Table 5에 나타냈다. OPC 모 르타르의 경우 α형 반수석고의 치환율이 증가할수록 초결시 간이 빨라지는 경향을 나타났다. 그러나 종결시간은 OPC-α 30이 가장 빠르게 나타났으며, 초결시간의 경향과 다르게 OPC에 비해 OPC-α10과 OPC-α20의 종결시간이 느려지는 경 향을 보였다. PBC 모르타르의 경우 OPC 모르타르와 유사하 게 α형 반수석고의 치환율이 증가할수록 초결시간이 빨라지 는 경향을 나타냈으며, 종결시간 또한 α형 반수석고 치환율의 증가에 따라 빨라지는 경향을 보였다.

Fig. 3

Penetration resistance measurement results of OPC mortar and PBC mortar

한편, OPC-α30과 PBC-α30의 결정계수는 각각 0.7818, 0.7640로 회귀분석을 통해 도출한 응결시간의 적합도가 다른 시험체에 비해 비교적 낮은 것으로 나타났으며, 이러한 원인 은 α형 반수석고의 다량 치환에 따른 급결현상 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 4에 α형 반수석고를 치환한 모르타르의 응결특성을 나 타냈다. α형 반수석고를 30 wt.% 치환한 OPC-α30과 PBC-α30 의 초결시간은 각각 6, 24분, 종결시간은 352, 344분으로 α형 반수석고를 치환하지 않은 OPC와 PBC에 비해 초결시간은 빨라지지만 초결에서 종결에 이르는 시간이 길어지는 특징을 확인할 수 있었다.

Fig. 4

Setting properties of OPC mortar and PBC mortar with alpha-calcium sulfate hemihydrate

4.2. 압축강도

Fig. 5에 α형 반수석고를 치환한 OPC 모르타르와 PBC 모 르타르의 압축강도 측정결과를 나타냈다. 본 실험의 범위에 서 OPC 모르타르와 PBC 모르타르 모두 α형 반수석고의 치환 율이 증가할수록 압축강도가 저하되는 경향을 보였다. OPC 모르타르의 경우 α형 반수석고의 치환율이 증가함에 따라 압 축강도의 차이는 크지 않았지만, PBC 모르타르의 경우 PBC- α10의 압축강도가 α형 반수석고를 치환한 다른 시험체에 비 해 비교적 크게 상승하였다.

Fig. 5

Compressive strength measurement results of OPC mortar and PBC mortar

α형 반수석고를 치환한 OPC 모르타르의 재령 1일 압축강 도는 OPC-α10, OPC-α20, OPC-α30 각각 10.4, 10.4, 10.0 MPa 로 측정되어, 17.6 MPa의 OPC 대비 약 56∼58 % 수준으로 나 타났다. 한편, α형 반수석고를 치환한 PBC 모르타르의 재령 1 일 압축강도는 PBC-α10, PBC-α20, PBC-α30 각각 8.6, 7.2, 6.4 MPa로 측정되어, 14.6 MPa의 PBC 대비 약 44∼59 % 수 준으로 나타났다.

Fig. 6에 OPC 모르타르와 PBC 모르타르의 재령 28일 압축 강도 발현율을 나타냈다. α형 반수석고를 치환한 OPC 모르타 르의 재령 28일 압축강도는 OPC-α10, OPC-α20, OPC-α30 각 각 22.3, 18.8, 17.8 MPa로 측정되어, 40.9 MPa의 OPC 대비 약 43∼54 % 수준으로 나타나 재령초기에 비해 압축강도 발현 율이 저하하는 것으로 나타났다. 한편, α형 반수석고를 치환 한 PBC 모르타르의 재령 28일 압축강도는 PBC-α10, PBC-α 20, PBC-α30 각각 27.9, 15.7, 15.5 MPa로 측정되어, 36.5 MPa 의 PBC 대비 PBC-α20, PBC-α30의 압축강도는 약 42∼43 % 수준이었으나 PBC-α10은 약 76% 수준으로 나타났다. 전체적 으로 PBC-α10을 제외하고 PBC 모르타르가 OPC 모르타르에 비해 압축강도가 저하하는 결과를 보이지만, PBC-α10은 본 실험에서 α형 반수석고를 치환한 실험수준 중 압축강도의 저 하가 가장 작은 것으로 나타났다.

Fig. 6

Strength development ratio of OPC mortar and PBC mortar

4.3. 건조수축

Fig. 7에 α형 반수석고를 치환한 OPC 모르타르와 PBC 모르 타르의 건조수축 측정결과를 나타냈다. α형 반수석고를 치환 하지 않은 OPC와 PBC는 초기재령에서 급격한 수축변형이 발 생한 후 변형률 곡선의 기울기가 완만해지는 반면에, α형 반수 석고를 치환할 경우 초기재령에서 OPC와 PBC에 비해 급격한 수축변형은 발생하지 않지만, 변형률 곡선의 기울기가 선형적 인 거동을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 원인은 α형 반수석 고의 혼입에 의해 생성된 에트링가이트 침상결정의 성장압에 의해 시멘트 입자 사이나 수화물 사이를 넓히기 때문에 재령 초기에 팽창 변형이 발생하는 것으로 설명할 수 있다.

Fig. 7

Drying shrinkage measurement results of OPC mortar and PBC mortar

전체적으로 OPC 모르타르에 비해 PBC 모르타르의 수축변 형률이 더 큰 것으로 나타났으며, 초기 재령에서 α형 반수석 고의 치환에 의한 OPC-α20이 수축변형이 가장 작은 것으로 측정되었다. 또한, PBC 모르타르의 경우 PBC-α10의 수축변 형률이 가장 작은 것으로 나타났다.

한편, 초기재령에서 변형률의 차이는 크지만, 재령이 지남 에 따라 변형률의 차이는 다시 감소하는 경향을 보이기 때문 에 α형 반수석고를 치환한 모르타르의 장기적인 변형 거동에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

4.4. 미세구조 분석

Fig. 8에 재령 3일에서 시험체의 주사전자현미경(SEM) 관 찰 결과를 나타냈다. α형 반수석고를 치환한 OPC-α20, PBC-α 10가 OPC, PBC에 비해 침상형의 에트링가이트가 광범위하 게 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8

SEM micrographs of OPC, OPC-α20, PBC, and PBC-α10 at age of 3 days

일반적으로 매트릭스 내부에 에트링가이트가 광범위하게 분포할 경우 에트링가이트에 의해 내부 조직이 팽창하기 때문 에 압축강도 발현에 불리해지며, 이러한 이유로 α형 반수석고 를 치환한 조건에서 급격한 압축강도의 저하가 발생한 것으로 판단된다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이 에트링가이트의 침상 결정의 성장압에 의해 시멘트 입자 사이나 수화물 사이를 넓히 는 현상이 발생하며, 이러한 이유로, α형 반수석고의 치환이 재 령 초기의 수축변형 억제에 효과적인 것으로 판단된다.

서론에서 언급한 바와 같이 α형 반수석고는 Aluminate상의 C3A와 α형 반수석고가 반응하여 생긴 에트링가이트 침상결 정의 성장압에 의해 시멘트 입자간이나 수화물 사이를 넓히 기 때문에 재령 초기에 팽창변형이 발생하게 된다. 즉, α형 반 수석고의 치환에 의해 OPC 및 PBC 모르타르에서 발생하는 수축변형을 억제시킬 수 있으며, 특히 재령 초기에 고로슬래 그시멘트에 α형 반수석고를 10 wt.% 치환한 PBC-α10의 수축 변형이 가장 작은 것으로 볼 때, 보통포틀랜드시멘트보다는 고로슬래그시멘트에서 재령 초기에 α형 반수석고 치환에 의 한 팽창 효과가 더 두드러진 것으로 판단된다.