1. 서 론

장시간에 걸쳐 노후화가 진행된 콘크리트 구조물은 진동 및 충격, 하중작용 등 외부영향으로부터 균열발생에 취약하 며, 발생된 균열은 염화물과 탄산화의 이동을 촉진시켜 복합 열화에 의한 철근 부식과 콘크리트 체적팽창을 유발함으로서 종국에는 구조물의 내력 저하로 이어져 사용수명이 단축되게 된다(Kim et al., 2018).

국내 일부 도로의 경우 겨울철 재설제의 과용으로 인한 염 화칼슘이 구조물의 내구성을 저하시키는 피해사례가 증가되 고 있다. 특히, 대규모 산업단지 및 해안 구조물과 같이 생화 학적 침식환경에 노출된 콘크리트의 경우 내구성저하 문제로 인한 환경오염, 구조물 수명단축, 기술신뢰도 하락 등 부정적 영향이 표출되고 있어 이를 방지하기 위한 고기능성 보수재 료의 개발이 필요한 실정이다(^{Lee 2015}). 폴리머 시멘트 모르 타르는 혼합시멘트, 기능성 첨가제, 골재를 혼입시켜 고내구 성을 요하는 바닥재 및 포장재의 보수를 위해 널리 사용되 고 있다(^{Song et al., 2007}).

폴리머시멘트 모르타르에 칼슘설포알루미네이트(Calcium sulfo-aluminate, CSA)를 사용할 경우 에트링자이트의 생 성으로 조직은 치밀화 되고 건조수축은 저감되어 수밀성이 증대되는 것으로 보고되고 있다(^{Song H. S., 2005}).

최근에는 교통량이 많은 노후도로를 중심으로 3시간 이내 20~30 MPa의 압축강도 발현이 가능한 초속경 시멘트(Ultra rapid hardening cement, URHC) 폴리머복합체 공법이 각광받 고 있다(^{Hanet al., 2000}). 초속경시멘트는 급결재 종류에 따라 C₁₁ A₇·CaF₂를 주성분으로 하는 알루미나시멘트(Alumina cement, AC)계와 12CaO·7Al₂O와 CaSO₄를 주요 성분으로 하 는 비정질 알루미네이트(Armorphous aluminate, AL)계 그리 고 CSA를 주요성분으로 하는 아윈(Hauyne)계가 있다.

기존 URHC의 급결성 원료는 경제적․ 기능적 측면에서 AC 가 주로 이용되어져 왔으나, AC는 수화반응 후 발생되는 급 격한 생성물 전이로 인해 겨울철 제설제 사용 시 콘크리트 표 면이 쉽게 박리·박락되며, 특히 구조물의 인성을 위해 AC와 탄소섬유(carbon fiber)를 동시 사용할 경우 부식속도가 증가 되는 문제가 보고되고 있다 (Garces et al., 2012). 한편, 페로니 켈 슬래그 (Ferronickel Slag, FNS)를 천연골재에 치환시켜 촉 진 염분침투시험을 실시한 경우 천연골재를 사용한 시험체 보다 낮은 확산계수를 보이고 있어 염화물 이온 확산에 대한 억제효과가 있는 것으로 보고되고 있다(^{Ishikawa, 2010}). 또한 FNS골재 및 FNS미분말 사용을 통해 콘크리트의 점성개선 및 수축억제효과를 얻게 되는 것으로 보고되고 있다(^{Kim, 2013}).

최근 해양생태 환경의 보존의식 고취로 EEZ배타적 경제 수역을 관할하는 지자체의 바닷모래 채취중단으로 이어져 바 닷모래를 골재로 사용하는 건설현장의 경우 골재수급이 불안 정한 상태이다. 특히 시멘트와 잔골재를 주재료로 하는 모르 타르 제품의 경우 현장 품귀현상 마저 발생되고 있어 이에 대 한 대책마련이 시급히 요구되어지고 있다. 반면, 대규모 장치 산업인 국내 석탄화력 발전소 및 제강사업장의 경우 산업부 산물 발생량이 매년 급속히 증가되고 있어 이를 건설재료로 활용하고자 하는 다양한 연구가 오래전부터 진행되고 있다.

스테인레스강 생산 시 발생되는 FNS골재의 경우 2018년 KS F 2527 콘크리트용 골재 규격에 통합되어 그 품질이 천연 골재와 동등한 수준임을 인정받아 천연골재를 대체할 수 있 는 골재자원으로 부각되고 있으나 아직까지 일부 수요처의 폐자원 재이용이라는 선입관으로 그 이용사례는 토목용 성토 재 또는 노반재 등과 같이 한정적인 가운데 근래에 들어 FNS 골재 및 FNS미분말을 천연골재에 대체시켜 연구하는 사례가 많아지는 추세이다(^{Park, 2017}).

따라서 본 연구에서는 비정질 알루미네이트계 급결제와 CSA 급결성 원료가 사용된 초속경 시멘트와 천연잔골재 (Natural sand, NS)와 수쇄 폐로니켈 슬래그 FNS와 건설폐기 물 중간처리 과정에서 재생산된 순환 잔골재(Recycl ed Sand, RS)를 사용한 속경성 폴리머모르타르를 제조함으로서 잔골 재 종류와 치환율에 따른 재료적 특성과 염화물확산 억제 효 과를 분석하고자 하였으며, 또한, 주사전자현미경 관찰을 통 해 속경성 폴리머 모르타르의 미세구조와 결정구조를 분석하 였다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 사용재료

Table 1에는 실험에 사용된 초속경시멘트와 급결재 AL의 물리적 특성과 화학 조성비를 나타냈다.

Table 1

Physical & chemical properties of URHC

초속경시멘트는 국내 A사에서 생산되는 초속경시멘트로 서 급결(flash setting)성능을 위해 국내 C사의 비정질 알루미 네이트계 급결재 AL과 가사시간 확보를 위해 무수구연산 (Citric acid) 지연제를 사용하였다. AL은 고온에서 수 시간 동 안 생석회(CaO), 보크사이트(Al₂O₃·2H₂O)와 혼합․용융의 과 정에서 합성된 제품으로서 시멘트와 사용 시 기존 CA계 알루 미나시멘트 보다 높은 반응성과 수화열을 발산해 반응속도가 매우 빠른 것이 장점이다.

Table2는 본 실험에 사용된 잔골재의 성분분석 결과이다. 경기도 이천산 자연사 NA, 경남 하동 S사에서 입도를 개선시 킨 페로니켈 수쇄슬래그 잔골재 FNS 그리고 경기 파주 K사의 건설폐기물 처리과정에서 생산된 순환잔골재 RS의 입도분포 결과를 나타내고 있다. Table 3

Table 2

Chemical components of the sands used

Table 3

Mix proportions of polymer mortar

2.2 실험계획

Table 5에 본 연구의 실험계획을 나타내었다. 속경성 폴리 머모르타르에 사용된 잔골재는 FNS와 RS 총 2종의 순환 잔 골재를 천연잔골재 NS를 기준으로 0, 30, 50, 70 %로 치환시 켜 사용하였다. 결합재와 골재의 중량비(S/B)는 1:1.5로 하였 으며, 물-결합재비(W/B)는 17%로 고정하였다. 안정적 가사 시간 및 경화시간을 얻기 위해 무수구연산(Citric Acid) 지연 제와 비정질 알루미네이트계 급결재를 모르타르 중량대비 각 각 0.2%와 1.0%사용하였으며, 나프탈렌 설폰산염 PNS계 분 산제와 실리콘 계열 소포제, EVA계 폴리머수지를 혼입시킨 초속경 시멘트를 속경성 폴리머 모르타르에 사용하였다. Table 4

Table 4

Experimental program

Table 6은 본 실험에 사용된 속경성 폴리머모르타르의 배 합을 나타내었다. 잔골재 종류 및 치환율에 따른 폴리머 모르 타르의 재료적 특성을 평가하기 위하여 사용된 잔골재의 종 류는 자연사 NS, FNS잔골재 그리고 RS잔골재를 사용하였으 며, Fig 1과 같이 속경성 폴리머 모르타르에 사용된 잔골재는 KS F 2502 굵은 골재 및 잔골재 체가름 시험방법에 따라 입도 및 조립율을 평가하였다. 실험의 평가항목으로는 잔골재의 종류 및 치환율에 따른 속경성 폴리머 모르타르의 응결시간, 압축강도, 휨강도 및 부착강도를 측정하였으며, 속경성 폴리 머 모르타르의 NT-BU ILD 492법에 준하여 재령 7일과 28일 양생된 시험체의 시간경과에 따른 염소이온 확산계수를 측정 하여 속경성 폴리머 모르타르의 염화물 침투 억제성능을 평 가하였다.

Fig 1

Grading curve of used sands

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 1은 NS, FNS 및 RS의 잔골재 체가름 시험을 통한 입 도 및 조립률을 비교하여 나타낸 것이다. NS, FNS, RS의 조 립률은 각각 2.57, 3.30, 3.0으로 나타났으며, NS대비 FNS잔 골재를 30, 50, 70% 치환시킨 F3N7, F5N5, F7N3의 조립률은 각각 2.92, 3.07, 3.20으로 산출되며, 입도분포곡선의 비교결 과 F3N7과 F5N5만이 정규 입도범위에 만족되는 품질결과를 보였으나, FNS를 70%이상 치환한 F7N3의 경우 2.5 mm이상 의 입자 부족과 1.2 mm 이하의 입자가 많은 입도분포곡선 결 과를 보이고 있다. NS 대비 RS잔골재를 30, 50, 70% 치환시 킨 경우 조립률은 각각 2.80, 2.87, 2.94로 산출되며, KS F 2526 콘크리트용 잔골재로서 정규입도분포 곡선에 모두 도달 함에 따라 입도 및 조립율에 문제가 없는 것으로 판단된다.

Fig 2는 잔골재 종류 및 치환율에 따른 속경성 폴리머 모르타 르의 응결시간 측정결과를 나타내고 있다. Fig 2 (a)의 경우 FNS대체율이 증가할수록 응결시간이 늦어지는 것이 관찰되 고 있다. 초결시간의 경우 NS시험체 대비 F3N7, F5N5, F7N3 각각 1분30초, 1분, 2분53초 늦어지는 경향을 나타내고 있으 며, 종결시간의 경우 F3N7, F5N5, F7N3 각각 2분, 3분, 3분 30 초 지연되는 경향을 보이고 있으나 실험목표 기준 초결 15±5 분, 종결 25 ±5분에는 모두 만족하고 있는 수준이므로 FNS잔 골재 치환에 따른 응결성능의 문제는 없는 것으로 판단된다. Fig 2 (b)의 경우 RS 대체율이 증가할수록 응결시간이 빨라지 는 경향이 관찰된다. 초결시간의 경우 NS시험체 대비 R3N7, R5N5, R7N3 각각 30초, 1분10초, 2분10초 빨라지는 경향을 나타내고 있으며, 종결시간의 경우 C3N7이 1분20초 지연되 는 경우를 제외하고 R5N5, R7N3 각각 , 2분, 5분 앞당겨지는 경향을 보인다. FNS시험체와 동일하게 실험목표 기준 초결 15±5분, 종결 25 ±5분에는 도달하므로 RS잔골재 치환에 따른 응결성능의 문제는 없는 것으로 판단된다.

Fig 2

Setting time of mortar by Vicat needle

Fig 3에 잔골재 종류 및 치환율에 따른 속경성 폴리머 모르 타르의 압축강도 측정결과를 나타냈다. 전체 시험배합의 재 령 1, 3, 7, 28일 압축강도 값은 모두 NS대비 강도가 증가된 결 과를 보이고 있으며, Fig 3(a)의 경우 FNS잔골재 치환율이 50%이상 증가 될수록 강도는 감소되는 경향을 보이고 있으 며, 70%치환한 경우 강도 감소경향은 뚜렷하게 나타난다. 하 지만 NS를 기준으로 한 목표성능에는 모두 만족하는 강도결 과를 보이고 있다. Fig 3(b)는 RS를 치환한 속경성 폴리머모르 타르의 압축강도 값을 나타낸 것으로 모든 시험체가 1, 3, 7, 28일 재령에서 NS대비 2.7% ~ 3.9%의 강도 차이를 보이고 있 다. 그러나 치환율 증가에 따른 강도 30%와 50%, 70% 치환한 시험체 순으로 강도발현이 낮게 나타났다.

Fig 3

Compressive Strength for mortar

Fig 4는 잔골재종류 및 치환율을 달리한 속경성 폴리머 모 르타르의 휨강도 측정결과를 나타낸 것이다. Fig 4(a)는 FNS 골재를 치환한 시험체의 휨강도 측정결과로 FNS의 치환율이 증가할수록 휨강도가 감소되는 경향을 보이고 있다. Fig 4(b) 는 RS를 치환한 시험체의 휨강도 값을 나타낸 것으로 RS치환 율 30%의 R3N7시험체와 50%의 R5N5시험체에서 높은 강도 증가율을 보이는 반면 70%를 치환한R7N3시험체에서 강도 감소경향이 뚜렷하게 관찰되고 있다.

Fig 4

Flexural strength of mortar

Fig 5는 잔골재종류 및 치환율을 달리한 속경성 폴리머 모 르타르 시험체의 재령 28일 부착강도 측정 결과이다. 압축강 도 및 휨강도의 결과와 유사한 잔골재의 치환율 증가에 따른 강도 감소율이 크게 나타났으며, 이러한 경향은 FNS골재 보 다 RS잔골재를 사용한 시험체에서 크게 나타나며, RS잔골재 다량 포함된 0.08 ㎜이하 미립분이 부착강도 감소에 영향을 준 것으로 판단된다.

Fig 5

Adhesive strength for mortar

Fig. 6은 속경성 폴리머 모르타르의 잔골재 종류 및 치환율 변화에 따라 재령별 시험체의 염소이온 확산계수를 측정 하 였다. Fig.6(a)에서 NS의 경우 3.36×10^-12m²/sec에서 2.32×10^-12m²/sec로 감소하며, FNS잔골재가 사용된 F3N7은 2.67×10 -12m²/sec에서 1.85×10- 12m²/sec, F5N7은 2.98×10^-12m²/sec에 서 2.10×10^-12m²/sec, F7N3의 경우 2.98×10^-12m²/sec에서 2.98 ×10^-12m²/sec로 감소하였으며, RS골재를 사용한 경우 R3N7 은 3.32×10^-12m²/sec에서 2.11×10^-12m²/sec, Fig. 7(b)의 R5N7 은 3.72×10 -12m²/sec에서 2.87×10^-12m²/sec, R7N3의 경우 4.42 ×10^-12m²/sec에서 4.11×10^-12m²/sec로 감소하였다. 이는 기존 연구와 같이 EVA 폴리머 필름이 다수의 공극을 차단, 보수성 으로 인해 지속적인 수화반응을 촉진시켜 콘크리트 조직을 치밀하게 하기 때문이라 판단된다(Jo, 2009).

Fig. 6

Chloride coefficients of diffusion

Fig. 7

SEM micrographs of specimens

Fig. 7은 속경성 폴리머 모르타르의 잔골재 종류 및 치환율 변화에 따라 재령 7일 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것 이다. NS 시험체는 주로 C-S-H가 다량으로 나타난 반면, FNS 계열 시험체는 치환율이 증가 될수록 그물망 형태의 Co- Matrix 결정체가 넓게 분포하는 것으로 관찰되었다. RS계열 시험체 또한 수용성 Polymer의 가 그물망 형태로 넓게 분포되 어 있는 F5N5시험체와 R5N5시험체에서는 굵고 긴 형태의 Ettringite로 둘서 싸인 polymer 결합체가 전체적으로 넓게 분 포되어 있는 것을 확인하였다. 따라서, 속경성 폴리머모르타 르에 FNS잔골재와 RS잔골재를 치환할 경우 지속적으로 존 재하는 Ettringite의 영향으로 압축강도 발현과 수밀성 증대에 효과적인 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 속경성 폴리머 모르타르의 잔골재 종류 및 치환율 변동이 염화물이온 침투에 미치는 영향을 검토하였으 며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.