2.1. 재료

시멘트는 KS L 5201에 적합한 밀도 3.14 g/cm³, 분말도 3,250 의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용 하였다. GGBS는 국내 P사에서 생산된 제품을 사용하였으며, KS F 2563 콘크리 트용 고로슬래그 미분말의 품질기준을 만족하였다. GGBS의 밀도는 2.89 g/cm³, 분말도 4,330이다. 사용된 시멘트 및 GGBS 의 화학성분 및 물리적 성질은 다음 Table 1에 나타내었다. 화 학분석은 XRF 기기분석을 통하여 산정한 결과이며, 사용된 기기는 RIGAKU ZSX Primus이다. XRF 기기분석에 의한 시 멘트 화학조성(Table 1참조)를 기반으로 Bouge식에 의해 계산 된 OPC의 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF의 구성비는 중량비로 각각 55.3%, 17.9%, 7.1%, 10.7%이다. GGBS의 분말도에 따른 HVGGBS의 수화특성 및 압축강도 발현 특성을 살펴보기 위 해 동일한 화학성분의 GGBS(Table 1참조)를 대상으로 볼밀을 이용하여 4가지의 분말도(4,330 cm²/g, 5,320 cm²/g, 6,450 cm²/g, 7650 cm²/g)의 미분말을 제조하였다(Fig. 1의 B1, B2, B3, B4). Fig. 1은 OPC와 GGBS의 입도분포를 나타내고 있다.

2.2. 배합 및 실험방법

OPC 중량 대비 GGBS를 다량 치환한 하이볼륨 슬래그 시 멘트 페이스트의 수화 및 역학적 특성을 살펴보기 위해 GGBFS 의 치환율을 35%, 50%, 65%, 80%로 하였다. 또한 각각의 혼 입율에 대해 Fig. 1에서 보는 바와 같이 B1, B2, B3, B4의 GGBS의 분말도가 다른 4종류의 GGBS를 Table 2와 같은 배 합비에 의해 페이스트를 제작하였다. 물-바인더 비는 모든 변 수에 대해 0.2로 고정하였으며, 적절한 플로우를 얻기 위해 화 학혼화제를 바인더 중량비로 약 0.53% 정도 적용하였다. 폴 리카르복실계 화학혼화제를 사용하였다.

하이볼륨 슬래그 시멘트 페이스트의 응결시간(setting time) 은 ISO 9597에 따라 ACMEL사 PA8 automatic setting tester를 사용하여 초결과 종결 시간을 측정하였다. 원재료의 입자크 기 분포는 레이저 회절법에 의한 Beckman Coulter LS 230 장 비를 이용하여 측정하였다.

페이스트 시험체의 압축강도 측정은 ISO 679에 따라 각 실 험 재령 3, 7, 28, 56, 91, 365일에 실시하였다. 재령별로 크기 40×40×160 mm의 시험체 3개의 강도를 측정하고, 그 평균을 결과 값으로 사용하였다. 바인더의 수화열(heat flow of hydration) 측정을 위해 사용된 등온열량계는 8채널의 TAM Air 장비를 사 용하였다. 각 실험 변수별 배합비에 따라 바인더와 증류수를 혼 합하여 페이스트를 제작하였다. 페이스트 혼합 후 약 4g의 페 이스트를 20 ml 유리 앰플병에 넣고 등온열량계에 투입하였다. 등온열량계의 온도 조건은 23°C로 설정하고, 3일간 측정하였다.

3.1. 응결

GGBS의 혼입률 및 분말도에 따른 하이볼륨 슬래그 시멘트 페이스트의 응결시간을 Table 3에 나타내었다. GGBS 치환율 이 35%, 50%까지 증가한 경우, 예상한 것과 같이 초결 및 종 결 모두 약간의 증가를 보였다. 하지만 GGBS의 분말도 증가 에 따라 초결 및 종결시간은 뚜렷한 경향을 보이지 않았다.

GGBS의 혼입률이 65%, 80%인 경우, 혼입률의 증가에 따 라 종결시간은 전체적으로 상당히 증가하는 경향을 보였다. 이러한 특성은 GGBS의 혼입량 증가에 따라 초기에 수화반응 에 관여하는 시멘트의 양이 절대적으로 부족하여 발생된 현 상으로 볼 수 있다. 하지만 GGBS 혼입율이 65% 이상인 경우 초결시간은 예상과 다르게 나타났으며, 특히 GGBS 혼입율이 80%인 경우 초결시간이 가장 작았다. 이러한 현상은 Table 2 에서 제시된 배합은 물-바인더 비가 상당히 작고, 화학혼화제 가 일반적인 배합보다 많이 첨가된 고강도 페이스트 배합으 로 점성(viscosity)이 크다. 비카침에 의한 응결시간 측정은 시 간에 따라 침투되는 깊이를 바탕으로 초결과 종결시간을 측 정하는데, 초기 높은 점성으로 인해 침이 침투하는데 저항하 여 침투깊이가 작게 나온 것으로 판단되다. 이런 이유와 더불 어 적은 시멘트 양에 따른 느린 경화속도로 인해 초결시간은 작게, 종결시간은 상당히 크게 나타난 것으로 판단된다.

3.3. 미소수화열

GGBFS 혼입 페이스트의 수화발열 특성을 GGBS 치환율 GGBS 분말도에 따라서 대해 미소수화열 분석을 수행하였다. Fig. 2∼3는 GGBS 치환율에 따른 시간별 수화반응열과 누적 반응열을 나타내고 있다. GGBS의 혼입량이 증가 할수록 발 현 피크 높이는 감소하며, 발현 시기는 증가하는 것을 알 수 있 다. 다음 그림에서 알 수 있듯이 발열량의 두 번째와 세 번째 피크 발현 시기는 GGBS의 혼입량이 증가할수록 늦어지는 경 향을 보이고 있다.

Fig. 3에서와 같이 두 번째 피크 이후, 감속기(deceleration period) 동안 “shoulder”가 관찰되었다. 이는 황산칼슘(calcium sulphate)의 소모와 연관되며, 두 번째 알루민산염 반응의 결 과로 생긴 에트린자이트(ettringite) 또는 AFm 상으로 판단된 다(^{Yilmaz and Olgun, 2008}). 이러한 “shoulder” 효과는 OPC 보다 GGBS가 혼입된 경우, 더 뚜렷하게 나타나다. 이는 OPC 수화물에 대한 충진재 표면의 추가적인 핵 생성처를 제공하 는 충진효과(filling effect)와 시딩효과(seeding effect)와 관계 가 있다. GGBS를 치환율이 커질수록 두 번째 피크의 값은 OPC의 사용량에 비례하여 감소하지 않았다. 이는 GGBS의 시딩효과가 규산염 반응(silicate reaction)보다는 알루민산염 반응(aluminate reaction)에 영향을 준 결과이다.

누적 발열량은 GGBS의 치환율이 커짐에 따라 감소하는 추 세를 보이고 있다. 전반적으로 GGBFS 치환율에 상관없이 분 말도가 클수록 발열량이 큰 경향을 나타내지만, 본 연구에서 는 B3를 사용한 경우, 발열 피크의 크기가 가장 큰 것을 확인 할 수 있었다. 이는 비표면적이 시멘트와의 최적 충진에 의해 시멘트의 수화도를 가장 크게 촉진한 결과라 판단된다. Fig. 2 에서 알 수 있듯이 GGBS 치환율 35%의 경우 누적 수화발열량 에 큰 차이가 나지 않지만, 50%이상의 치환율에서는 GGBS의 분말도에 따라 누적 수화발열량에 차이가 나는 것을 확인 할 수 있다.

3.2. 플로우 및 압축강도

Table 4는 GGBS 치환율 및 분말도에 따른 압축강도 시험 결과를 나타내고 있다. 전반적으로 압축강도 발현은 GGBS의 분말도에 크게 영향을 받지 않는 결과를 나타냈다. GGBS 치 환율 35% 경우에는 고로슬래그 미분말 B1의 경우가 가장 큰 압축강도 발현이 나타났다. 또한 3, 7일 정도의 초기 재령에서 B2, B3, B4가 B1보다 높은 압축강도를 나타내고 그 후에는 유 사한 압축강도를 보이는 것으로 나타났으며, GGBS의 분말도 는 조기강도에만 영향을 미치며 28일 이후 장기강도에서는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 이는 높은 비표면적으로 인 한 초기 높은 pH 상태에서 고로슬래그 미분말의 빠른 반응에 기인한 결과로 판단된다.

Figs. 4, 5는 GGBS B1, B4에 대해 GGBS 치환율에 대한 압 축강도 결과를 나타내고 있다. 3일 이전의 압축강도 결과는 OPC 100% 사용한 Plain에 비해 낮은 압축강도를 나타냈지만 그 후 장기강도에서는 전체적으로 GGBFS 혼입 페이스트가 더 높은 강도를 나타내고 있는 것으로 나타났다.

이는 GGBFS 혼입한 경우 OPC를 사용하는 경우보다 유동 성이 향상되어 페이스트 내부의 갇힌 공기가 외부로 좀 더 빠 져나와 압축강도가 향상 된 것으로 판단된다.

Figs. 6, 7은 압축강도 실험결과로부터 재령 28일 기준에 의 한 압축강도 발현특성을 검토하였다. 또한 콘크리트 구조설 계기준(KSCDC, 2007)에 의한 일반 OPC 콘크리트의 압축강 도 발현 곡선과 비교하였다, 콘크리트 구조설계기준에 의한 콘크리트 압축강도 발현 특성은 다음과 같다.(1)(2)(3)

여기서, β_sc =0.35(1종 시멘트 습윤양생), 0.15(1종 시멘트 증기양생), 0.25(3종 시멘트 습윤양생), 0.12(3종 시멘트 증기 양생), 0.4(2종시멘트)이다.

분말도 B1의 GGBS를 사용한 페이스트의 압축강도 발현특 성은 Fig. 6에서 보는 바와 같이 β_sc가 0.12∼0.4의 범위에 있 는 것을 확인할 수 있었다. Plain의 경우 β_sc가 0.12 정도이며, GGBS 혼입률 35%와 50%는 β_sc의 값이 0.2에 가까웠다. GGBS 혼입률 65%, 80%의 경우는 일정한 값을 나타내지 않 고 0.12와 0.4 범위에 있는 것으로 나타났다.

분말도 B4의 GGBS를 사용한 페이스트의 압축강도 결과는 분말도 B1의 GGBS를 사용한 페이스트 압축강도 결과와 유 사한 경향을 나타내고 있다. 하지만, 초기 3, 7일에서의 압축 강도 발현이 더 높아 전반적으로 β_sc의 값이 0.12∼0.2 사이에 있는 것으로 나타났다.