2.1. 사용재료

실험에 사용된 GGBFS, FA 그리고 CSA의 성분은 XRF분석 을 통해 Table 1에 나타내었다.

잔골재는 조립률(F.M) 2.61, 표면건조포화상태 밀도 0.0026 g/mm³의 강모래를 사용하였다. 활성화제는 Na₂SiO₃(sodium silicate, Ms = 2.0, liquid type)와 NaOH(sodium hydroxide, purity ≥ 98%, pellet type)를 혼합하여 사용하였다. 활성화제의 농도는 결합재(binder) 질량의 10%로 하였다(NaOH 10% + Na₂SiO₃ 10%). 활성화제는 배합 전에 배합수에 미리 일정 농도 를 계량하여 혼합한 뒤 실험실에 6시간 정치한 후 사용하였다. 본 연구에 사용된 혼화제(superplastilizer)는 Polycarboxylate계 의 고성능 유동화제로 밀도는 0.00104±0.00005 g/mm³(20°C기 준), pH 5.0±1.5의 옅은 갈색의 액체이다.

2.2. 실험계획

시험체의 배합비는 GGBFS 100%를 컨트롤(control, G10) 배 합으로 하고 FA를 GGBFS 질량의 10%, 20%, 30% 그리고 40% 까지 치환하였다. CSA는 GGBFS의 10%와 20% 그리고 30% 까지 질량 치환하였다. 물-결합재 비(W/B)는 0.4이며, 결합재 : 잔골재의 질량비는 1 : 1이다. 상세한 결합재의 배합비는 Table 2 에 나타내었다. 여기서 시험체 이름의 “G”는 GGBFS를 의미하 여 뒤의 숫자는 치환율을 나타낸다. “F”는 FA를, “C”는 CSA를 의미하고 해당 문자 뒤의 숫자는 치환율을 의미한다. 예를 들어 G7F2C1은 GGBFS 70% + FA 20% + CSA 10% 배합을 의미한 다. 여기서 G6F0C4 시험체는 40% CSA의 혼합에 의해 몰드 성 형 후 24시간 뒤에 과도한 팽창으로 시험체가 파손되어 측정 데 이터를 얻을 수 없었다.

각각의 치환비율과 치환율에 따라 재료를 준비하고 기본적인 배합순서와 시간은 KS L 5109에 제시된 방법으로 수행하고, 마 지막 순서의 믹싱 후 저속으로 3분간 더 배합하였다. 이는 혼합 되는 결합재와 고성능 유동화제의 충분한 혼합을 통해 균질한 배합을 얻기 위함이다.

배합 후 24 h 동안 상대습도(relative humidity; RH) 90±5%, 온도 23±2°C의 항온항습기에 보관하였다. 그 다음 몰드를 제거 하고 측정재령까지 동일한 습도와 온도 조건의 항온항습기에 보 관하였다. 압축강도 시험은 50 mm × 50 mm × 50 mm 시험체를 사용하였고, 건조수축은 40 mm ×40 mm ×160 mm 시험체를 사 용하였다. 응결시간 측정은 KS L 5103 방법으로 수행하였다. 유 동성 평가를 위해 미니슬럼프(mini slump) 시험을, 재료분리 저 항성 측정을 위해서는 V-funnel 유하시간 시험을 수행하였으며 각 방법은 EFNARC(2002)와 EFNARC(2005)에 제시된 기기 와 방법으로 수행하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424의 다이얼 게이지 방법에 따라 수행하였고 길이변화는 91일까지 측정하였 다. 흡수율 시험은 재령 28일 시험체에 대해 KS F2518에 따라 수행하였다.

3.1. 유동성

본 연구에서 고려하는 고유동 모르타르는 추후 균열 부 보수 보강, 철도 자갈도상의 콘크리트 도상화 등의 다양한 활용성을 고려하고자 하였다. 예비실험과 선행연구결과들을 참고하여 목 표 유동성을 미니슬럼프 기준으로 280 ± 10 mm가 되도록 하였 다. 이는 이어질 후속연구에 활용될 콘크리트 구조물의 파손 및 균열 부위의 보수보강, 자갈도상의 콘크리트 포장화 등에 적용 하는 경우를 고려하여 선정하였다. Fig. 1은 각 배합의 미니슬럼 프를 280 ± 10 mm로 유지하기 위해 사용된 혼화제의 양과 V-funnel 측정시간을 표시한 것이다.

Fig. 1.

Dosage of superplasticizer and result of V-funnel test

GGBFS의 치환율이 감소함에 따라(FA 치환율은 증가) 목표 슬럼프를 얻기 위해 고성능 유동화제의 양이 증가하고, V-funnel 값도 증가하고 있다. GGBFS 100%인 G10의 유동화제 사용량 은 결합재 중량의 0.2%이다. CSA를 치환하지 않은 G9F1C0, G8F2C0, G7F3C0 그리고 G6F4C0의 유동화제 사용량은 0.4%, 0.5% 0.8% 그리고 1.2%로 증가하였다. 또한 각 GGBFS 치환율 에서 CSA의 치환율이 증가함에 따라 유동화제의 사용량도 증가 하고 있다. 예를 들어 GGBFS 70% 치환한 G7 series의 경우 CSA의 치환율이 0%에서 30%로 증가함에 따라 0.8% (G7F3C0), 1.2% (G7F2C1), 1.5% (G7F1C2), 1.6% (G7F0C3)로 유동화제 사용량이 증가하고 있다. GGBFS90%, 80% 그리고 60%를 치 환한 나머지 배합에서도 유사한 경향성을 보인다. V-funnel 유 하시간의 경향성도 유동화제 사용량의 경향성과 상당히 유사한 경향성을 나타내었다. 즉, CSA의 치환율이 증가함에 따라 V-funnel 유하시간이 증가하고 있었다.

GGBFS의 양이 100%에서 60%까지 감소하면 감소한 양 만 큼 FA와 CSA가 치환된다. 이는 치환된 FA와 CSA의 특성이 유 동화제의 사용량과 V-funnel 값에 영향을 미치는 요인으로 작용 한다.

선행연구들을 살펴보면 GGBFS와 FA의 혼합 결합재의 활성 화 특성은 FA의 치환율이 증가함에 따라 유동성도 증가한다. Wang et al.(2015)의 연구에서는 활성화제의 농도가 다른 GGBFS-FA 배합에서 FA를 0%, 20%, 40%, 60% 치환한 paste 배합의 flow 결과에서 활성화제의 농도가 증가할 때 FA의 치환 율이 증가함에 따라 flow가 증가하는 결과를 보였다. Gao et al. (2015)의 연구결과도 FA의 치환율이 40%, 50%, 60%로 증가할 수록 유동성이 증가하는 경향을 보였다. GGBFS와 FA 혼합 배 합의 유동 특성은 배합비, 알칼리 활성화제 종류와 농도, W/B 비 등에 따라 달라지기 때문에 일관된 경향성을 보이는 것은 아니 다(^{Nath and Sarker, 2014}; ^{Wang et al., 2015}).

본 연구에서는 FA의 치환율이 증가하면 유동성이 감소하여 고성능 유동화제의 사용량이 증가하고 V-funnel 값도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 두 가지 원인을 생각해 볼 수 있다. 첫 번 째는 10% 고농도의 활성화제가 사용되었는데, 상대적으로 GGBFS의 양이 감소함에 따라 활성화제가 GGBFS를 활성화시 키는 효과가 증폭되었기 때문이다. 따라서 상대적으로 더 적은 양의 GGBFS에 고농도의 활성화제가 작용하는 효과로 인해 GGBFS의 수화작용이 촉진되었기 때문이다(Puiligilla and Mondal, 2013). 두 번째 원인은 CSA의 빠른 수화작용으로 인한 유동성 저하이다. GGBFS가 감소하는 만큼 CSA의 치환율도 증가하는 데, CSA는 팽창작용과 함께 빠른 응결 특성이 있다. 따라서 CSA의 치환율 증가는 초기 응결을 촉진하고, 이는 유동성 저하 를 유발하며 유동화제 사용량의 증가와 V-funnel 유하시간을 증 가시킨다.

FA와 CSA의 치환율이 증가함에 따라 GGBFS의 양이 감소 하고 그에 따라 고성능 유동화제의 양도 증가하고 V-funnel 유 하시간도 증가하고 있다. FA의 경우 입자의 형상이 구형에 가까 워서 볼 베어링 효과 등으로 유동성 향상에 도움이 될 것으로 생 각하였으나 다공성인 FA가 일부 고성능 유동화제를 흡수하여 유동화제 사용량이 증가하였다. 또한 CSA는 빠른 초기수화반 응으로 유동성 저하를 유발하여 고성능 유동화제의 사용량이 증 가하고 V-funnel 유하시간도 증가하였다. 이는 CSA를 사용한 배합들의 고성능 유동화제 사용량과 V-funnel 유하시간을 살펴 보면 확인할 수 있다. 즉, CSA의 혼합은 치환율이 증가함에 따라 유동성 측면에서는 고성능 유동화제의 사용량을 증가시키고 V-funnel 유하시간을 증가시킨다.

GGBFS의 치환율이 동일한 각각의 배합에서 CSA의 치환율 이 가장 높은 배합들에서 고성능 유동화제 사용량이 증가하고 V-funnel 유하시간이 증가한 것을 확인 할 수 있다.

3.2. 응결시간

Fig. 2는 배합에 따른 응결시간을 나타내고 있다. 알칼리 활성 화 슬래그 시멘트의 경우 응결시간에 영향을 미치는 요소는 다 양하다. 고로슬래그 미분말의 분말도, 구성성분, 활성화제의 종 류와 농도, 배합비, 물-결합재 비, 배합방법 및 시간, 양생온도, 혼화재 등 여러 요인들에 의해 영향을 받는다(^{Rashad, 2013}; ^{Pacheco-Torgal et al., 2008}; ^{Provis et al., 2015}; ^{Brough and Atkinson, 2002}; ^{Fernández-Jiménez et al., 1999}).

Fig. 2.

Setting time of different mixtures

GGBFS 100% 배합인 G10은 초결 110분, 종결이 270분이였 다. CSA를 치환하지 않은 GGBFS-FA로 이루어진 배합들 (G9F1C0, G8F2C0, G7F3C0, G6F4C0)은 FA 치환율이 증가함 에 따라(GGBFS 치환율은 감소) 초결과 종결의 응결시간이 증 가하고 있다. 이러한 결과는 동일 활성화제 농도에서 상대적으 로 FA가 GGBFS보다 활성화 정도가 낮아 반응생성물질의 생성 이 늦기 때문이다(^{Kumar et al., 2010}; ^{Jang et al., 2014}; ^{Lee and Lee, 2013}; ^{Nath and Sarker, 2014}; ^{Wang et al., 2015}; ^{Gao et al., 2015}).

그러나 CSA를 치환하면 응결이 빨라지고 있었다. Fig. 2에서 CSA 치환율이 증가함에 따라 응결시간은 점차 감소하고 있었 다. 70% GGBFS 시험체들의 경우(G7F3C0~G7F0C3) FA의 치 환율이 30%에서 0%로 감소하면 CSA의 치환율은 0%에서 30% 로 증가하는데 응결시간이 빠르게 감소하고 있다. 이는 초결과 종결 모두에서 발생한다. 즉, G7F3C0 < G7F2C1 < G7F1C2 < G7F0C3으로 감소한다.

G10보다 빠른 초결을 나타낸 시험체는 G7F0C3의 70분, G6F2C2의 110분과 G6F1C3의 75분이며 종결의 경우는 G8F0C2 의 235분, G7F1C2의 25분, G7F0C3의 150분과 G6F1C3의 150 분이다. 초결과 종결이 G10보다 빠른 배합은 FA의 치환율이 10%이하이고 CSA 치환율이 20% 이상인 배합이다. 따라서 GGBFS보다 상대적으로 활성화 반응이 늦은 FA의 치환율이 낮 고, 초기 수화반응성이 뛰어난 CSA의 치환율이 높을수록 응결 시간은 초결, 종결 모두 감소하였다.

3.3. 압축강도

Fig. 3는 각 고유동 모르타르 배합에 따른 압축강도 측정결과 를 보여주고 있다. G10의 1, 3, 7 그리고 28일 강도는 각각 17.6 MPa, 20.27 MPa, 29.39 MPa그리고 38.93 MPa이다.

Fig. 3.

Compressive strength of each mixtures

100% GGBFS 시험체인 G10와 비교하여 CSA를 치환하지 않은 G9F1C0, G8F2C0, G7F3C0, G6F4C0의 시험체들은 모든 측정 재령인 1, 3, 7 그리고 28일 강도가 감소하였다. FA의 치환 율이 10%에서 40%로 증가함에 따라 초기 1, 3일 및 28일 강도 모두 감소한 결과를 보여주고 있다. 따라서 FA를 혼합한 AASC 의 강도는 FA 치환율이 낮을수록 크게 나타난다(^{Kumar et al., 2010}; ^{Puertas et al., 2000}; ^{Jang et al., 2014}; ^{Marjanovié et al., 2015}; ^{Chi and Huang, 2013}; ^{Ismail et al., 2013}; ^{Nath and Sarker, 2014}; ^{Wang et al., 2015}; ^{Lee et al., 2014}; ^{Gao et al., 2015}; ^{Deb et al., 2014}). 이는 FA가 GGBFS 보다 낮은 활성화 반응성으로 인해 초기 수화반응이 낮기 때문에 치밀한 반응생성 물질을 형성하지 못한 때문이다(^{Puligilla and Mondal, 2013}).

또한 Fig. 3의 결과에서 FA와 CSA가 함께 치환된 배합에서 도 강도향상이 낮게 나타나고 있어 FA의 치환은 강도 저하에 큰 영향을 미치는 것으로 볼 수 있다. 따라서 FA의 치환율을 줄이고 GGBFS의 치환율을 증가시키면 강도는 향상되는 결과를 보여 주고 있다. 이러한 결과는 GGBFS의 치환율이 증가하면 GGBFS의 수화에 의한 치밀한 조직의 반응생성물질이 증가하 여 강도를 향상시킨다(^{Jang et al., 2014}; ^{Chi and Huang, 2013}).

그리고 FA는 Ca 이온이 풍부한 환경에서 수화반응성이 점차 향상되어 시험체의 역학적 성능이 향상된다(^{Temuujin et al., 2009}). GGBFS의 수화에 의해 용출된 Ca가 상대적으로 반응성 이 느린 FA의 활성화를 촉진하여 재령이 증가함에 따라 장기 강 도향상에 영향을 미친다(^{Kumar et al., 2010}; ^{Nath and Sarker, 2014}; ^{Puligilla and Mondal, 2013}).

G10 보다 높은 강도는 CSA가 가장 높은 치환율로 배합된 시 험체들에서 나타났다. Fig. 4에서 G9F0C1, G8F1C1, G8F0C2, G7F1C2, G7F0C3 그리고 G6F1C3이 대표적으로 G10보다 높 은 강도를 나타내었다. 이들은 FA 치환율이 10% 로 낮고 CSA 가 20%이상 치환된 배합들이다. 최고 강도를 나타낸 G9F0C1의 1, 3, 7 그리고 28일 강도 값은 각각 18.2 MPa, 22.8 MPa, 32.2 MPa 그리고 49.7 MPa 이다.

Fig. 4.

Water absorption

강도 결과를 통해 초기 재령에서 CSA의 치환율은 GGBFS의 수화작용을 촉진하여 강도 증진에 영향을 미친다. 이러한 초기 재령에서의 CSA 수화촉진 작용은 재령이 증가함에 따라 GGBFS의 수화작용에도 영향을 미쳐 강도향상에 기여한다. 본 연구의 범위에서 볼 때 100% GGBFS를 혼합한 AASC 보다 (G10) 높은 강도를 발현하기 위해서는 FA 10% 이하, CSA 20% 이상 치환한 배합이 효과적일 적으로 생각된다.

G10보다 높은 강도를 나타낸 G9F0C1, G8F0C2, G7F0C3, G6F1C3은 높은 고성능 유동화제 사용량과 V-funnel 유하시간 을 나타내었고(Fig. 1), 응결시간도 짧게 측정되었다(Fig. 2). 이 를 통해 CSA는 초기 유동성과 응결시간의 감소 그리고 강도의 증가에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 FA의 경우 초기유 동성과 응결시간의 증가 그리고 강도의 증가율 감소에 영향을 미치는 것으로 생각된다.

3.4. 흡수율

Fig. 4는 배합에 따른 흡수율이다. 흡수율 결과, GGBFS의 치 환율이 감소함에 따라 흡수율은 증가하고 있다. 이는 GGBFS의 치환율이 증가하면 수화반응이 촉진되어 더 많은 반응생성물질 이 치밀한 조직을 형성한다.

Fig. 4에서 G10의 흡수율인 13.7% 보다 낮은 흡수율을 나타 낸 배합은 G9F0C1, G8F1C1, G8F0C2 그리고 G7F0C3으로 11.2%, 13.5%, 12.1% 그리고 13.3%이다. 낮은 흡수율을 나타 낸 배합들은 CSA가 10% 이상 치환되고 GGBFS가 80% 70% 이상인 배합들이다. 따라서 높은 GGBFS 치환율과 CSA 치환율 은 치밀한 조직을 형성하여 내부 공극을 감소시켜 흡수율을 낮 추는 효과를 나타낸다(^{Chi and Huang, 2013}; ^{Lee et al., 2014}). 따라서 GGBFS와 FA를 혼합한 결합재를 활성화한 AAC에서 FA에 의한 반응조직은 GGBFS보다 더 공극이 많은 반응생성조 직을 형성한다(^{Ismail et al., 2013}).

또한 동일 GGBFS 치환율에서 CSA의 치환율이 증가함에 따 라 흡수율은 감소하고 있다. CSA의 팽창작용에 의해 내부에 존 재하는 공극을 충진하여 시험체 전체적인 공극을 감소시켜 흡수 율을 감소시키는 효과를 나타낸다.

3.5. 건조수축

Fig. 5는 각 시험체들의 91일까지 측정한 건조수축 결과 이다. 모든 건조수축은 GGBFS 100% 배합인 G10의 건조수축 결과와 함께 나타내어 상대적인 비교를 하였다.

Fig. 5.

Drying shrinkage

활성화된 슬래그 시멘트의 건조수축에 대한 영향은 여러 가지 가 있으며 그중 내부 공극양과 크기가 중요 영향요인으로 언급 되고 있다. 본 연구에서 GGBFS의 치환율이 증가하면 건조수축 이 감소하고 있는데, 이는 GGFBS를 활성화하면 시험체 내부의 모세관공극이 시간이 지남에 따라 활성화된 GGBFS의 수화반 응생성물질들에 의해 감소하기 때문이다(Kim et al., 2015). 또 한 FA와 GGBFS 혼합 AAC에서 GGBFS의 치환율이 증가하면 (FA 치환율이 감소하면) 흡수율이 낮아진다(^{Chi and Huang, 2013}). 이러한 낮은 흡수율은 반응생성물질에 의해 내부에 존재 하는 공극의 감소를 간접적으로 의미한다. 따라서 공극의 감소 는 건조수축의 감소와 일정수준 연관성이 있다고 알려져 있다 (^{Collins and Sanjayan, 2000}). Ismail et al. (2013)는 slag/fly ash 를 100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100의 배합에서 fly ash의 치환 율이 증가함에 따라 공극률(permeable voids)이 증가하는 실험 결과를 보였다. 공극률의 감소는 slag의 양이 증가함에 따라 slag 에 의한 C-S-H 또는 C-A-S-H와 같은 반응생성물질이 fly ash 보 다 더욱 촉진되어 조직이 치밀해 졌기 때문이다.

Fig. 5(a)에서 GGBFS 90% 배합(G9F1C0, G9F0C1) 시험체 들의 건조수축은 G10 보다 감소하였다. GGBFS 80% 배합 (G8F2C0, G8F1C1, G8F0C2)(Fig. 5(b)), GGBFS 70% 배합 (G7F3C0, G7F2C1, G7F1C2, G7F0C3)(Fig. 5(c)), GGBFS 60% 배합(G6F4C0, G6F3C1, G6F2C2, G6F1C3)(Fig. 5(d))에 서도 CSA의 치환율이 증가함에 따라(FA 치환율은 감소) 건조 수축은 감소하는 결과를 나타내고 있다.

Fig. 5(e)의 결과를 살펴보면, FA의 치환도 건조수축을 감소 시키는 효과가 있었다. 그러나 FA를 치환한 것보다 CSA를 치환 한 배합이 건조수축 감소효과가 더욱 큰 것으로 나타났다. 이는 Fig. 5(f)의 건조수축 결과를 통해 확인 할 수 있었다. 따라서 FA 와 CSA를 혼합하는 배합의 경우 건조수축 감소에 효과적인 것 으로 나타났다.

Fig. 5(e)는 GGBFS 100%인 G10와 CSA를 혼합하지 않은 GGBFS + FA 혼합 시험체들의 건조수축을 나타낸 것이다. FA 의 치환율이 증가함에 따라 건조수축은 감소하지만, 감소정도는 크지 않았다. 이와 유사한 선행 연구결과로는 ^{Marjanovié et al. (2015)}의 연구에서, FA-BFS의 치환율을 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100%의 5가지 배합에 따른 건조수축 시험을 하였다. 그 결과 FA와 BFS의 치환율에 따라 건조수축이 큰 영향을 받지 않는 것을 확인하였다.

Fig. 5(f)는 각각의 GGBFS+FA+CSA 배합에서 CSA를 가장 많이 혼합한 시험체들에 대한 건조수축을 비교한 것이다. CSA 의 치환율이 10%, 20%, 30%로 증가함에 따라 건조수축은 크게 감소하였다. 이는 CSA의 혼합은 팽창작용에 의한 내부 공극 충 진 등에 의해 치밀한 조직을 형성하여 건조수축을 감소시킨다.

본 연구의 범위에서 볼 때 GGBFS의 치환율이 높은 배합에서 FA보다 CSA의 치환율이 높은 시험체에서 건조수축의 감소효 과가 크다. 이는 GGBFS의 양과 함께 CSA의 팽창효과에 의한 내부 공극감소효과가 건조수축 감소에 영향을 미친 것으로 판단 된다.