2.1. 사용재료

실험에 사용된 OPC, GGBFS, URSC 그리고 CSA의 성분은 XRF분석을 통해 Table 1에 나타내었다. URSC는 안정도(KS L5107) 0.05%, 응결시간은(KS L5103) 초결 28분, 종결 32분, 3시간, 1일, 3일, 7일 그리고 28일 압축강도(KS F2405)는 33.7 MPa, 40.3 MPa, 45.1 MPa, 49.5 MPa, 그리고 54.7 MPa의 값을 가진다.

잔골재는 강모래를 사용하였으며 조립률(F.M) 2.61, 표면 건조포화상태 밀도 0.0026 g/mm³이다. 고유동 모르타르의 유동성을 조절하기 위해 사용된 혼화제(superplastilizer)는 Polycarboxylate계의 고성능 유동화제로 밀도는 0.00104±0.00005 g/mm³ (20°C기준), pH 5.0±1.5의 옅은 갈색의 액체이다.

2.2. 실험계획

시험체의 배합비는 OPC 100%를 컨트롤(control, P10) 배 합으로 하고 GGBFS를 OPC 중량에 대해 30%, 50% 그리고 70% 치환하였다. OPC의 중량비를 일정하게 유지하고, GGBFS 의 치환 비율을 조정하여 Ultra Rapid-Setting Cement(URSC) 를 10%와 20%, CSA를 10%와 20%의 두 가지 치환범위에서 조정하였다. URSC의 경우 20%를 초과하여 치환하면 유동성 저하와 응결의 조절이 어려워 작업이 곤란하여 최대 20%로 치환범위를 한정하였다. CSA는 선행 연구들을 바탕으로 유 동성, 응결, 팽창성과 함께 시험체에 균열을 유발시키지 않는 범위로써 최대 20%까지 치환하였다(^{Bae et al., 2017a}; ^{Bae et al., 2017b}).

물-결합재 비(W/B)는 0.35이며, 결합재 : 잔골재의 질량비 는 1 : 1이다. 상세한 결합재의 배합비는 Table 2에 나타내었 다. 여기서 시험체의 이름에서 “P”는 OPC를 의미하여 뒤에 숫자는 치환율을 나타낸다. “S”는 GGBFS를, “U”는 URSC를, “C”는 CSA를 의미하고 해당 문자 뒤에 숫자는 치환율을 의미 한다. 예를 들어 P5S4U1C0는 OPC 50% + GGBFS 40% + URSC 10% + CSA 0%를 의미한다.

각각의 치환비율과 치환율에 따라 재료를 준비하고 기본적 인 배합순서와 시간은 KS L 5109에 제시된 방법으로 수행하 고, 마지막 순서의 믹싱 후 저속으로 3분간 더 배합하였다. 이 는 혼합되는 결합재와 고성능 유동화제의 충분한 혼합을 통 해 균질한 배합을 얻기 위함이다.

배합 후 24 h 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 시 험체를 사용하였고, 건조수축은 40 mm × 40 mm ×160 mm 시 험체를 사용하였다. 응결시간 측정은 KS L 5103 방법으로 수 행하였다. 유동성 평가를 위해 미니슬럼프(mini slump) 시험 을, 재료분리 저항성 측정을 위해서는 V-funnel 유하시간 시 험을 수행하였으며 각 방법은 EFNARC(²⁰⁰²)와 EFNARC (²⁰⁰⁵)에 제시된 기기와 방법으로 수행하였다. 길이변화 측정 은 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 따라 수행하였고 길이 변화는 91일까지 측정하였다.

3.1. 유동성

Fig. 1은 각 배합에 따른 고성능유동화제(superplastilizer, 이하 SP)의 사용량과 V-funnel 시간을 측정한 결과이다. 각 배 합은 미니 슬럼프값을 기준으로 300±10 mm를 얻기 위해 사 용된 SP제의 사용량을 표시하였다. 우선 OPC 100%인 P1 배 합의 SP제 사용량은 결합재 중량의 0.35%이다. CSA 또는 URSC를 혼합하지 않은 시험체의 경우 GGBFS의 치환율이 증가할수록 유동성이 감소하여 SP제의 사용량도 감소한다. 이는 초기 수화반응성이 느린 GGBFS의 양이 증가하므로 (OPC는 감소) 유동성의 감소가 작다(^{Park et al., 2009}; ^{Lee et al., 2000}; ^{Han et al., 2010}; ^{Jang and Jee, 2013}; ^{Jeong et al., 2015}).

Fig. 1

Dosage of superplasticizer and V-funnel times (a) OPC 70%, (b) OPC 50%, (c) OPC 30%

Fig. 1(a)의 OPC 70% 시험체들은 목표 유동성을 얻기 위해 사용되는 SP제의 양은 URSC 또는 CSA의 치환율이 증가할 수록 증가하고 있다. 사용된 SP값은 URSC 또는 CSA를 치환 하지 않은 P7S3U0C0이 OPC 100%와 동일한 사용량이였고 나머지 배합은 모두 증가된 SP 사용량을 나타내었다. Fig. 1(b)도 URSC 또는 CSA의 치환율이 증가함에 따라 SP의 사 용량은 증가하였다. 그러나 OPC의 치환율이 50%로 감소함 에 따라 초기 수화반응이 감소하여 URSC 20%(P5S3U2C0)와 URSC 10% + CSA 10%(P5S3U1C1) 시험체를 제외한 나머지 시험체들은 OPC 70% 보다 낮은 SP제 사용량을 나타내었다. Fig. 1(c)의 OPC 30% 시험체들도 OPC 50%와 70% 시험체들 의 SP제 사용량과 유사한 경향성을 보인다. 모든 OPC 치환 배 합에서 URSC 또는 CSA의 치환율이 증가하면 초기 수화반응 이 촉진되어 유동성이 감소되기 때문에 목표 유동성을 확보하 기 위한 SP제의 사용량이 증가하고 있다(Péra and Ambroise, 2004; ^{Chaunsali and Mondal, 2016}; Bernard et al., 2006; ^{Bae et al., 2017a}; ^{Bae et al., 2017b}).

P1의 V-funnel 시간 값은 2.56 sec이였다. OPC 치환율 70%, 50% 그리고 30% 시험체들 중에 URSC와 CSA 치환이 없는 시험체(P7S2U0C0, P5S5U0C0, P3S7U0C0)와 CSA 10% 치 환 시험체(P7S2U0C1, P5S4U0C1, P3S6U0C1)들은 P1과 유 사한 V-funnel 값을 나타내었다. 나머지 시험체들은 URSC 또 는 CSA의 치환율이 증가함에 따라 V-funnel 시간이 증가하고 있다. GGBFS의 치환율 증가는 반죽의 항복응력(yield stress) 와 소성점도(plastic viscosity)를 감소시켜 V-funnel 유하시간 을 증가시킨다(^{Park et al., 2005}; Choi et al., 2009).

Fig. 1(a)에서 URSC 10% 시험체보다 20% 시험체의 V-funnel 유하시간이 증가하였다(P7S1U2C0 > P7S2U1C0). CSA 치환 시험체도 유사한 경향을 보인다. CSA 10% 보다 20% 치환 시 험체의 V-funnel 시간이 증가하였다(P7S1U0C2 > P7S2U0C1). 또한 CSA 10% 치환보다 URSC 10% 치환시험체가(P7S2U1C0 > P7S2U0C1), CSA 20% 보다 URSC 20% 치환 시험체의 V-funnel 시간이 증가하였다(P7S1U2C0 > P7S1U0C2). 이는 CSA의 급격한 초기수화 반응에 따른 영향이다(^{Bae et al., 2017a}; ^{Bae et al., 2017b}).

Fig. 1(b)의 OPC 50%와 Fig. 1(c)의 OPC 30% 시험체들도 OPC 70% 치환 시험체와 유사하게 CSA 또는 URSC 치환율 이 20%로 증가하면 유하시간도 증가하였다. 동일 치환율 시 험체에서 URSC 치환 시험체가 CSA 치환 시험체보다 더 긴 V-funnel 유하시간이 측정되었다. URSC와 CSA의 치환에 따 른 V-funnel 유하시간을 비교하면 상대적으로 URSC의 치환 이 유하시간 증가에 더 영향을 미치고 있다. 이는 CSA 보다 높은 URSC의 비표면적으로 나타나는 미립자들 때문에 수화 초기 급격한 반응성으로 인한 유동성 감소효과 때문이다. CSA는 URSC 다음으로 빠른 초기 수화반응으로 유동성 저하 에 의한 유하시간 증가에 영향을 미친다.

3.2. 응결시간

Fig. 2는 각 배합의 응결시간을 측정한 것이다. 응결시간은 시공시 초기 강도와 후속 작업 등에 영향을 미친다. OPC 100%인 P1 배합의 경우, 초결은 575분이고 초결에서 종결까 지 소요시간은 180분이다. CSA 또는 URSC를 치환하지 않은 시험체들의 경우 OPC가 감소할수록 초결과 종결은 증가하였 다(P3S7U0C0 > P5S5U0C0 > P7S2U0C0). OPC의 감소는 수 화반응물질이 감소하는 효과를 나타내며, 상대적으로 수화반 응이 느린 GGBFS의 양은 증가하므로 응결시간이 증가한다 (^{Jeong et al., 2015}; ^{Lee et al., 2000}; ^{Han et al., 2010}).

Fig. 2

Setting times (a) OPC 70%, (b) OPC 50%, (c) OPC 30%

Fig. 2(a)의 OPC 70%에서 URSC 또는 CSA를 치환하지 않 은 시험체(P7S3U0C0)의 초결과 종결은 모두 P1보다 증가하 였다. 이는 GGBFS 30%의 치환에 따른 OPC의 감소와 상대적 으로 낮은 GGBFS의 수화반응 때문이다. CSA 10% 치환 후 (P7S2U0C1) 초결과 종결은 P1의 초결과 종결에 유사한 값으 로 측정되었다. CSA의 치환율이 10%(P7S2U0C1)에서 20% (P7S1U0C2)로 증가하면 초결과 종결 모두 감소한다. URSC 도 10%(P7S2U1C0)에서 20%(P7S1U2C0)로 치환율이 증가 하면 초결과 종결이 감소한다. CSA와 URSC 모두 초기 수화 반응이 빠르게 일어난다(^{Bae et al., 2017a}; ^{Bae et al., 2017b}). OPC 50%의 Fig. 2(b)와 OPC 30%의 Fig. 2(c)에서도 유사한 경향성을 보인다. CSA 또는 URSC를 치환하지 않은 시험체 는 P1보다 긴 초결과 종결 시간을 나타냈다. 그러나 CSA 또는 URSC를 치환한 시험체는 응결시간이 감소하고 있으며, 10% 보다 20% 치환율의 시험체가 더 큰 응결시간 감소를 보인다. Fig. 2의 OPC 배합에서 CSA와 URSC를 혼합한 시험체의 경 우 응결시간은 CSA 또는 URSC만을 단독으로 혼합한 경우의 응결시간 값들의 중간범위의 응결특성을 보였다.

응결특성에서 URSC의 응결시간 감소효과가 상대적으로 CSA 보다 더 크게 나타났다. 이는 CSA 보다 URSC의 입자가 더 미립자하여 수화반응성이 높기 때문이다.

3.3. 압축강도

Fig. 3은 압축강도를 나타내고 있다. 우선 P1의 1일, 3일, 7일, 28일, 그리고 91일 압축강도 값은 각각 44.5 MPa, 63.1 MPa, 70.1 MPa, 78.5 MPa 그리고 88.0 MPa이다.

Fig. 3

Compressive strength (a) OPC 70%, (b) OPC 50%, (c) OPC30%

CSA 또는 URSC를 치환하지 않은 OPC 70%, 50% 그리고 30% 시험체의 1, 3, 7 그리고 28일 강도는 P1보다 작게 측정되 었다. 그러나 91일 강도는 OPC 70%(P7S3U0C0)는 89.1 MPa 로 P1의 91일 강도를 초과하였고, OPC 50%(P5S5U0C0)는 86.4 MPa로 조금 낮은 값을 나타내었다. OPC 30%(P3S7U0C0) 는 67.8 MPa 낮게 측정되었다. OPC의 비율이 높을수록 장기 강도가 P1에 근접하였다. 이는 GGBFS의 느린 수화반응에 의 한 장기강도 향상 효과 때문이다.

OPC 70%의 강도 결과를 보여주고 있는 Fig. 3(a)에서 CSA 10%에서 20% 치환율이 증가하면 1일 강도부터 91일 강도까 지 증가하고 있다(P7S1U0C2 > P7S2U0C1 > P7S3U0C0). URSC를 치환한 시험체는 재령에 따른 강도 경향이 CSA와 다르게 나타난다. 7일 강도까지는 URSC 20% 치환 시험체가 10% 시험체보다 더 높은 강도를 나타내었다(P7S1U2C0 > P7S2U1C0 > P7S3U0C0). 그러나 28일 이후에는 URSC 10% 시험체가 20%보다 더 높은 강도를 보인다. 특히 URSC 10%(P7S2U1C0) 시험체는 28일과 91일 강도가 P1보다 높게 측정되었다. URSC의 치환은 초기 재령의 강도 증가에는 효 과적이며, 치환율이 증가하면 초기강도도 증가한다. 그러나 장기강도에 미치는 영향은 상대적으로 크지 않다. 또한 URSC 20% 치환 배합은 GGBFS가 10%이며, URSC 10%는 GGBFS 가 20%로 28일 이후 수화반응에 의한 장기강도 증가에 영향 을 주어 상대적으로 높은 GGBFS의 URSC 10% 배합의 강도 가 더 크게 측정되었다. CSA의 치환은 초기와 장기 강도 모두 증가하는데, 이는 CSA의 초기 빠른 수화작용에 의한 초기강 도 향상효과와 이후 재령이 지남에 따라 완만하지만 지속적 인 수화반응에 의한 ettringite의 생성으로 강도 증가에 기여하 기 때문이다(^{Bae et al., 2017a}; ^{Bae et al., 2017b}). CSA와 URSC를 함께 치환한 배합은 CSA 또는 URSC만 치환한 각각 의 강도 중간범위의 강도값을 가진다.

OPC 50%의 Fig. 3(b)와 OPC 30%의 Fig. 3(c)에서도 유사 한 경향을 나타낸다. 즉, CSA의 경우 10%보다 20% 치환 시험 체의 강도가 모든 측정재령에서 크게 나타난다. URSC도 20% 치환은 7일까지의 강도가 10% 보다 더 크다. 그러나 28일과 91일은 URSC 10% 시험체가 더 크게 나타났다.

Fig. 3(c)에서 CSA와 URSC의 혼합 시험체는 URSC의 치 치환율이 증가할수록 7일 이하의 초기 및 28일과 91일의 장기 강도 모두 증가하고 있다(P3S4U2C1 > P3S4U1C2 > P3S5U1C1 > P3S7U0C0). 동일한 URSC 10%(P3S4U1C2, P3S5U1C1)치 환에서는 CSA가 20% 치환된 시험체의 강도가 10%보다 더 크게 나타나 URSC 존재하에서 CSA도 초기 및 장기강도 향 상에 효과를 미친다(P3S4U1C2 > P3S5U1C1).

CSA와 URSC 두 가지 모두 빠른 초기 수화반응으로 응결 시간이 빠르고, 초기 강도 향상에 효과적이다. 특히 CSA는 초 기와 장기 강도 모두에 영향을 미치며 URSC는 상대적으로 초기강도에 큰 영향을 미치고 28일 이후의 장기강도 미치는 영향은 작다.

3.4. 건조수축

Fig. 4는 배합에 따른 건조수축 결과를 28일과 91일 측정치 만을 나타내었다. OPC 100% 인 P1 배합은 28일 건조수축률 이 –0.17%이고, 91일은 –0.20%이다. P1은 28일 이후 건조수 축이 완만하게 수렴하는 형태를 보였다.

Fig. 4

Drying shrinkage (a) OPC 70%, (b) OPC 50%, (c) OPC 30%

Fig. 4에서 CSA 또는 URSC를 치환하지 않은 시험체들 (P7S2U0C0, P5S5U0C0, P3S7U0C0)은 28일과 91일 건조수 축률이 모두 P1 보다 증가하고 있다. 이는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 OPC는 감소하고, 느린 수화반응성의 GGBFS 에 의한 치밀한 반응생성물 형성이 늦어지면서 상대적으로 P1 보다 큰 건조수축을 나타낸다(^{Kim et al., 2015}).

Fig. 4(a)는 OPC 70% 시험체들의 건조수축을 나타내고 있 다. CSA의 치환율이 10%에서 20%로 증가함에 따라 건조수축 은 P1보다 감소한다(P7S3U0C0 > P1 > P7S2U0C1 > P7S1U0C2). 그러나 URSC의 경우 10%에서 20%로 치환율이 증가하면 건 조수축은 감소하지만 CSA 보다 낮은 건조수축 감소율을 보 인다. 또한 URSC 10%치환은 P1보다 큰 건조수축률을 보이 고 P7S3U0C0과 유사한 수축률을 나타내었다. URSC 20%도 P1과 P7SU0C0보다는 조금 감소한 건조수축률을 나타낸다. CSA와 URSC를 혼합한 시험체(P7S1U1C1)은 CSA 단독 치 환시험체의 건조수축률과 URSC 단독 치환 시험체의 건조수 축률의 중간 값의 범위에서 건조수축 감소률을 나타내었다.

Fig. 4(b)와 4(c)의 OPC 50%와 30% 시험체들의 건조수축 도 OPC 70%의 Fig. 4(a)의 건조수축률 경향과 유사하다. 즉, CSA 치환율이 증가하면 건조수축률 감소는 가장 크게 나타 난다. 그러나 URSC는 치환율이 증가해도 건조수축률 감소효 과는 크지 않고, CSA 보다 작은 감소효과를 나타낸다.

CSA는 초기 수화과정에서부터 ettringite를 생성하여 팽창 성을 나타낸다. 재령이 증가함에 따라 미수화 CSA 입자의 수 화반응이 이어지면서 팽창이 완만하게 지속되어 건조수축 감 소에 영향을 미친다. 그러나 URSC는 초기의 빠른 수화반응 효과가 커서 응결과 초기강도 향상에는 효과적이지만 건조수 축 감소효과는 작다. CSA와 URSC가 함께 혼합된 시험체들 의 경우 URSC의 치환율 증가는 건조수축률을 감소시키는 효 과를 증대시킨다(P3S5U1C1 > P3S4U1C2 > P3S4U2C1). 그 리고 CSA와 URSC의 혼합에 의한 건조수축은 모두 P1보다 낮은 건조수축률을 나타내어 CSA와 URSC의 혼합은 건조수 축 감소에 높은 효과를 나타내었다. 이는 URSC의 빠른 초기 수화반응으로 치밀한 조직 형성과 CSA의 팽창효과가 상호보 완 효과로 건조수축률을 감소시키는 것으로 판단된다.

전체적으로 CSA 또는 URSC의 종류와 치환율에 따른 건조 소축감소 효과와 함께 GGBFS의 치환율도 영향을 미친다. Fig. 4에서 CSA 또는 URSC의 치환율이 증가하면 상대적으 로 GGBFS의 치환율이 감소한다. 이는 OPC보다 느린 수화반 응성의 GGBFS 감소는 CSA 또는 URSC의 치환율 증가와 빠 른 수화반응에 의해 치밀한 반응생성물을 형성하여 건조수축 감소에 영향을 미친다.