2.1 실험계획

본 연구에서는 지오폴리머의 결합재인 고로슬래그를 분쇄 할 때 석고의 혼입 여부, 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비 율과 수축저감제 첨가 여부를 변수로 하여 실험을 계획하였 다. 굳지 않은 상태에서는 슬럼프플로우를 측정하여 작업성 을 파악하고자 하였으며, 굳은 상태에서는 압축강도 및 휨강 도를 측정하여 역학적 성능을 파악하고자 하였다. 또한 건조 수축에 의한 길이변화량을 측정하여 실험변수에 따른 건조수 축의 변화를 파악하고자 하였다.

2.2 사용재료

2.2.1 고로슬래그

본 연구에 사용된 고로슬래그는 분쇄시 석고를 혼입한 A-type과 석고를 혼입하지 않고 분쇄한 B-type의 고로슬래그 이다. 단위중량은 2.9 g/㎤, 분말도는 4200 ㎠/g의 값을 가지며 3종 고로슬래그이다.

2.2.2 플라이애시

플라이애시로는 단위중량 2.2 g/㎤, 분말도 3300 ㎠/g인 국 내 Y사의 2종 플라이애시를 사용하였다.

2.2.3 규사

사용한 규사는 파쇄 가공을 하지 않았으며, SiO₂ 함량이 70 % 이상이고 점토분이 2 % 미만인 18∼30 매쉬(0.7∼1.2 mm) 의 천연규사로 흔히 쓰이는 샌딩사를 사용하였다.

2.2.4 칼리활성화제

지오폴리머 결합재의 잠재수경성 활성화를 위해 사용한 알 칼리활성화제는 수산화나트륨(NaOH, 순도 98%) 12 M농도 로 하여, 공업용 규산나트륨 (Na₂O·SiO₂·H₂O, 37.8%)과 중량 비로 희석하여 사용하였다.

2.2.5 혼화제

지오폴리머의 건조수축을 저감시키기 위하여 글로클즈계 액상 수축저감제를 사용하였다.

2.3.1 실험 방법

굳지 않은 상태의 슬럼프플로우 측정은 KS L 5111을 준용 하였으며, Fig. 1은 슬럼프플로우를 측정하는 모습을 보여준 다. 모르타르 압축강도는 KS L 5105(시멘트모르타르의 압축 강도시험)에 따라 한 변이 50.8 mm인 입방체를 제작하여 측 정하였다. 휨강도 측정을 위해 KS F 2477에 준하여 40×40×160 ㎜ 공시체를 제작하였으며 KS F 2408에 따라 측 정하였다(Fig. 2 참조). 시험체는 20℃에서 양생하였으며, 재 령 3, 14, 28일에 강도를 측정하였다.

Fig. 1

Slump flow measurement

Fig. 2

Flexural strength measurement

건조수축은 Fig. 3과 같이 버니어캘리퍼스를 이용하여 KS F 2424에 준하여 14일간 측정하여 구하였다.

Fig. 3

Shrinkage measurement

2.3.2 실험 배합

실험 배합표는 Table 1과 같다. 물-결합재비는 모든 배합에 동일하게 25 %를 적용하였다. 분쇄시 석고를 혼입한 고로슬 래그의 배합을 A1∼A4로 표현하였으며, 석고를 혼입하지 않 은 고로슬래그 배합은 B5∼B8로 표현하였다. A1, A3, B5, B7 배합은 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비율이 8:2이고, A2, A4, B6, B8 배합은 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비율이 5:5인 경우이다. 또한 A3, A4 배합과 B7, B8 배합에서는 수축 저감제를 결합재 대비 1.5 %를 첨가였다. 지오폴리머 결합재 의 잠재수경성 활성화를 위해 사용한 알칼리활성화제는 결합 재 대비 30 %를 사용하였다.

Table 1

Mix proportions

배합의 비빔은 KS L 5109에 따라 약 5 리터 전동식 혼합기를 사용하였다. 먼저 혼합수와 액상 혼화제를 용기 안에 넣고 결합 재를 혼입하여 저속으로 15초간 혼합한 후 모래를 넣고 15초간 비빔하였다. 그리고 혼합기를 정지하여 15초간 용기에 묻은 페 이스트를 전부 긁어모아 중속으로 60초간 다시 혼합하였다.

3.1 분쇄시 석고를 혼입한 고로슬래그

분쇄할 때 석고를 혼입한 고로슬래그를 사용한 배합 A1∼ A4의 슬럼프플로우는 Fig. 4와 같다. 수축저감제 혼입 여부에 관계 없이 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비율이 8:2인 경 우(A1, A3)보다 5:5인 경우(A2, A4)의 슬럼프플로우가 큰 것 을 알 수 있다. 이는 플라이애시의 형상이 구형의 미립자로 이 루어져 있어 구형의 미립자가 결합재 간의 엉킴을 방지하는 볼베어링과 같은 역할을 하여 작업성(workability)을 개선하 기 때문인 것으로 여겨진다(^{Hwang 2011}). 따라서 고로슬래그 와 플라이애시 혼합시, 플라이애시 치환양이 많아질수록 슬 럼프플로우가 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 4

Slump flow with gypsum

Fig. 5에 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비율에 따른 지 오폴리머의 압축강도 변화를 나타내었다. Fig. 5에서 보는 바 와 같이 수축저감제의 첨가 여부에 관계 없이 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비율이 8:2인 경우의 압축강도가 혼합비율 이 5:5인 경우보다 큰 것을 알 수 있다. 일반적으로 플라이애 시는 콘크리트의 유동성을 확보하기 위해 많이 사용하는데, 알칼리성을 낮추는 효과가 있기 때문에 초기강도발현을 저하 시키는 원인이 된다. 하지만 플라이애시의 포졸란 활성반응 으로 인하여 장기강도는 증가하게 된다. 따라서 플라이애시 의 치환양이 많을수록 초기강도는 저하되지만 장기강도는 증 가하게 된다. 고온양생을 하면 내부의 수분이 감소하고 pH 상 승으로 플라이애시가 활성화하여 강도가 커지는 것으로 알려 져 있다(^{Koh et al. 2012}). 하지만 본 연구에서는 20℃에서 양 생하였기 때문에 플라이애시 치환양이 커질수록 압축강도가 작아지는 경향을 보였다.

Fig. 5

Compressive strength with binder ratio

Fig. 6에 수축저감제 첨가 여부에 따른 압축강도의 변화를 나타내었다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 고로슬래그와 플라이 애시의 혼합비율에 관계 없이 수축저감제를 첨가하면 압축강 도가 저하되는 것을 알 수 있다. 수축저감제를 혼입하면 압축 강도가 저하되는 것으로 보아, 수축저감제가 지오폴리머 압 축강도 발현에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 6

Compressive strength with shrinkage reducing agent

Fig. 7과 Fig. 8은 각각 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비 율과 수축저감제 첨가 여부에 따른 지오폴리머의 휨강도의 변화를 나타낸다. Fig. 7과 Fig. 8에서 보는 바와 같이 압축강 도에서 나타나는 경향이 휨강도에서도 비슷하게 나타나고 있 음을 알 수 있다.

Fig. 7

Flexural strength with binder ratio

Fig. 8

Flexural strength with shrinkage reducing agent

Fig. 9는 지오폴리머의 건조수축 변화를 보여준다. 결합비 율이 8:2인 A1, A3 배합보다 5:5인 A2, A4 배합의 건조수축이 작았다. 지오폴리머의 반응 메커니즘은 재령 초기에 고로슬 래그의 미분말의 수화반응이 강도발현을 주도하고, 재령이 증가하면 중합반응을 구성함으로써 플라이애시가 강도발현 을 좌우하는 것으로 알려져 있다. 플라이애시를 단독으로 사 용하고 상온에서 양생하면 초기에 강도 발현이 작아 플라이 애시 사용량이 많을수록 초기강도는 작다(^{Koh et al. 2013}). 따라서, 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비율이 5:5인 경우 가 8:2인 경우보다 강도는 작으며 건조수축도 작게 나타난다. 이는 8:2 비율의 경우가 상온에서 고로슬래그 사용량이 많아 응결이 촉진되어 강도 발현에 효과적이지만 건조수축은 증가 되는 것으로 판단된다. 일반적으로 지오폴리머는 알칼리활 성화제로 인한 표면 활성효과로 보통 시멘트 배합에 비해 낮 은 물-결합재비를 이용하기 때문에, 알칼리활성화제의 종류 와 양에 큰 영향을 받을 뿐만 아니라 급결현상이 나타나는 단 점이 있다. 이로 인해 고로슬래그는 알칼리활성화제에 의해 상온에서도 양생이 가능하고 초기 수화반응이 빠르게 나타나 므로 고로슬래그 치환양이 많을수록 건조수축은 커질 것으로 판단된다.

Fig. 9

Shrinkage with gypsum

Fig. 9에서 보는 바와 같이 수축저감제를 혼입한 A3, A4의 경우가 수축저감제를 혼입하지 않은 A1, A2보다 건조수축이 적어, 수축저감제 혼입이 건조수축의 감소에 효과적임을 알 수 있었다. 수축저감제는 보통 시멘트페이스트에서 작용하는 간극수의 표면장력을 저감시켜 수축을 저감시키는데 효과적 인 혼화제로 알려져 있다.

3.2 석고를 혼입하지 않은 고로슬래그

석고를 혼입하지 않은 고로슬래그를 사용한 지오폴리머 (B5∼B8)의 슬럼프플로우는 Fig. 10과 같다. 석고를 혼입한 고로슬래그를 사용한 지오폴리머(A1∼A8) 결과와 같이 수축 저감제 혼입 여부에 관계 없이 고로슬래그와 플라이애시의 혼합비율이 5:5인 경우(B6, B8)가 8:2(B5, B7)인 경우보다 슬 럼프플로우가 커지는 경향을 보였다.

Fig. 10

Slump flow without gypsum

Fig. 11에 석고를 혼입하지 않은 경우의 압축강도의 변화를 나타내었다. 석고를 혼입한 경우에서와 마찬가지로 수축저감 제의 첨가 여부에 관계 없이 고로슬래그와 플라이애시의 혼 합비율이 8:2인 경우의 압축강도가 혼합비율이 5:5인 경우보 다 큰 것을 알 수 있다. 그리고 석고를 혼입한 경우에서와 마찬 가지로 수축저감제를 첨가하면 압축강도가 저하되는 것을 알 수 있다.

Fig. 11

Compressive strength without gypsum

Fig. 12는 석고를 혼입하지 않은 경우의 휨강도의 변화를 보여주는데, 휨강도도 압축강도에서 나타나는 경향과 비슷한 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다.

Fig. 12

Flexural strength without gypsum

Fig. 13은 석고를 혼입하지 않은 경우의 건조수축을 나타낸 다. 석고를 혼입한 경우에서 마찬가지로 혼합비율이 8:2인 B5, B7 배합보다 5:5인 B6, B8 배합의 건조수축이 작다. 또한 수축저감제를 혼입한 B7, B8의 경우가 수축저감제를 혼입하 지 않은 B5, B6보다 건조수축이 적어, 수축저감제 혼입이 건 조수축의 감소에 효과적임을 알 수 있다.

Fig. 13

Shrinkage without gypsum

3.3 석고 혼입 여부에 따른 비교

석고를 혼입한 경우와 혼입하지 않은 경우의 슬럼프플로우 비교는 Fig. 14와 같다. 석고를 혼입한 경우의 슬럼프플로우 가 석고를 혼입하지 않은 경우에 비해 큰 값을 보였다. Hahm and Kim (²⁰¹²)의 연구에 따르면, 알칼리활성화제 농도와 관 계없이 석고 혼합률이 증가할수록 유동성이 증가하는 경향이 있다. 하지만 이러한 경향은 석고의 혼합비율, 고로슬래그의 성분, 알칼리활성화제의 종류 및 농도 등에 따라 다양하게 영 향을 받기도 한다.

Fig. 14

Comparison of Slump flow

압축강도와 휨강도의 비교는 각각 Fig. 15∼Fig. 16과 Fig. 17∼Fig. 18과 같다. 알칼리활성화제인 수산화나트륨(NaOH) 이 고로슬래그 미분말과 석고 혼합물의 수화반응을 촉진시켜 에트링게이트(3CaO・Al₂O3・CaSO₄・32H₂O)를 생성시키 고(^{Hahm and Kim 2012}), 고로슬래그와 플라이애시는 잠재수 경성으로 물과 직접적으로 반응하지 않고 알칼리활성화제와 수화반응을 하며, Si-O-Al-O 결합체의 폴리머화 과정을 연속 적으로 가지게 되며 강도발현을 한다. 따라서 석고를 혼입하 면 지오폴리머의 압축강도와 휨강도가 증가하는 것으로 알려 져 있다. 그러나 본 연구에서의 실험결과, 석고를 혼입한 경우 보다 석고를 혼입하지 경우의 압축강도와 휨강도가 모두 크 게 나타났다. Hahm and Kim(²⁰¹²)의 연구에서는 석고를 혼 입할 경우, 초기 고로슬래그의 활성화 반응에 영향을 주어 응 결촉진과 강도발현에 효과적이지만, 일정 석고 혼입률 이상 이 되면 압축강도가 저하될 수 있으며, 알칼리활성화제의 농 도 등에 따라 그 강도발현의 정도는 달라질 수 있음을 언급하 였다. 본 연구에서는 알칼리활성화제인 수산화나트륨의 농도 가 12 M로 높으며, 높은 농도에 인하여 고로슬래그 미분말과 석고 혼합물의 수화반응이 증가되어 과도한 응결촉진의 의해 압축강도와 휨강도가 저하된 것으로 판단된다.

Fig. 15

Comparison of compressive strength with binder ratio

Fig. 16

Comparison of compressive strength with shrinkage reducing agent

Fig. 17

Comparison of flexural strength with binder ratio

Fig. 18

Comparison of flexural strength with shrinkage reducing agent

Fig. 19와 Fig. 20은 석고의 혼입여부에 따는 건조수축의 변 화를 보여준다. 석고를 혼입하지 않은 경우가 혼입한 경우보 다 건조수축이 작게 발생함을 알 수 있다.

Fig. 19

Comparison of shrinkage without shrinkage reducing agent

Fig. 20

Comparison of shrinkage with shrinkage reducing agent