2.1 재료

본 연구에서는 바인더로 보통포틀랜드시멘트(OPC)와 GGBFS, 무수석고를 사용하였다. GGBFS는 국내 P사에서 발생하는 부산물 을 활용하였다. Table 1은 OPC와 GGBFS, 무수석고의 화학성분 및 분말도, 밀도를 나타낸다. Fig. 2는 레이저 회절분석에 의한 OPC 및 GGBFS의 입도분포를 나타낸다. OPC, GGBFS의 평균 입자 크기는 17.8, 14.0 μm로 나타났다.

Table 1

Chemical compositions and physical properties of binders

Fig. 2

Particle diameter of binders

잔골재로는 ISO 679의 규격품인 표준사를 사용하였다. 표 준사의 SiO₂ 함량은 98% 이상이며, Table 2는 ISO 표준사의 입도 분포를 나타낸다.

Table 2

Particle size distribution specification of ISO sand

2.2 배합비

Table 3는 실험에 사용한 모르타르 숏크리트의 배합표를 나타낸다. 본 연구에서 사용한 배합비는 도로공사 표준시방 서에서 제시하고 있는 배합비를 기준으로 굵은 골재를 잔골 재로 100% 치환하여 사용하였다. GGBFS의 혼입에 따른 영 향을 분석하기 위해서 OPC의 30%를 GGBFS로 치환하였으 며, GGBFS 혼입에 따라 초기 강도 감소 및 건조 수축 증가를 방지하기 위해 무수석고를 OPC의 5%만큼 치환하였다. Plain 을 제외하고는 GGBFS와 무수석고를 치환한 배합을 이용하 였다. 폴리머는 바인더의 1, 2 %를 치환하는 방법으로 사용하 였으며, 유동화제와 급결제는 바인더의 0.2%와 5%를 사용하 였다. 폴리머는 재유화형 분말 수지를 사용하였다. 급결제는 OPC 대비 5% 사용 시 초결, 종결이 각각 5분, 15분 이내에 나 타나는 알루미네이트 계 액상 급결제를 사용하였다. 또한 폴 리카르복실산계 고강도 숏크리트용 유동화제를 사용하였다. 모르타르 숏크리트의 물-바인더 비 (W/B ratio)는 모든 시편 이 동일하도록 0.47로 하였다.

Table 3

Mixture proportion

2.3 실험 방법

3.1 역학적 특성

재령 1, 28일 압축강도 측정 결과는 Fig. 3과 같다. 재령 1일 의 경우 GGBFS 및 폴리머를 혼입하지 않은 Plain이 17.1 MPa 로 가장 높았으며, GGBFS, 무수석고 혼입 시 강도가 감소하 는 것으로 나타났다. 또한 폴리머의 혼입율이 증가함에 따라 강도가 감소하여 S30A5RP2는 1일 강도가 9.1MPa로 나타나 숏크리트 품질 기준인 1일강도 10MPa를 만족하지 못하는 것 으로 나타났다. 재령 28일의 경우 GGBFS를 치환한 S30A5가 44.8 MPa로 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 GGBFS의 잠재 수경성으로 인한 것으로 판단된다. 폴리머 혼입율이 증가할 수록 28일 압축강도 또한 1일 압축강도와 마찬가지로 감소하 였다. 하지만 모든 시편이 숏크리트 강도 기준인 21MPa 이상 인 것으로 나타났다. 폴리머 혼입율이 1%인 S30A5RP1의 경 우 이는 폴리머 혼입에 의한 연행공기 발생 및 수화과정에서 강도에 기인하지 않는 폴리머 필름의 형성으로 인한 결과로 판단된다.

Fig. 3

Compressive strength

재령 28일 부착강도 측정 결과는 Fig. 4와 같으며, S30A5 배합 을 제외한 나머지 배합은 KS 부착강도 기준인 1.0 MPa를 만족하 였다. 폴리머를 혼입하지 않은 Plain 및 S30A5는 약 1 MPa로 유 사한 경향을 나타냈으나 폴리머를 혼입한 S30A5RP1 및 S30A5RP2의 경우 각각 1.44, 1.57 MPa로 Plain 대비 약 1.5배 증가한 것으로 나타났다. 폴리머의 혼입율이 증가함에 따라 부 착 강도도 증가하였으나, 혼입율에 따라 증가하지는 않는 것으 로 나타났다. 폴리머 혼입시 모르타르의 큰 공극에 폴리머 필름 을 형성하게 됨으로써 큰 공극의 감소 및 접착계면에서의 폴리 머 필름의 형성으로 인하여 모체 및 시험체의 부착력이 증진된 것으로 판단된다.

Fig. 4

Bond Strength

3.2 유동성

숏크리트 배합의 점성은 점도계를 이용하여 배합 이후 1시 간 동안 측정하였으며, Fig. 5와 같이 나타났다. 점성 변화 측 정은 잔골재를 사용하지 않은 페이스트를 이용하여 점성 변 화를 측정하였으며, 급결제는 사용하지 않았다. 그래프를 보 면 약 15분까지는 배합에 관계없이 점성이 비슷한 것으로 나 타났으나, 15분이 지난 이후부터 Plain 배합의 점도가 급격하 게 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 5

Rheology measurement result

GGBFS와 무수석고를 각각 30%, 5% 치환한 시편의 경우 배합 이후 1시간까지 점성 변화가 거의 없었으며, 폴리머 혼 입에 따른 영향도 나타나지 않았다. 이는 GGBFS와 무수석고 가 바인더의 초기 수화 반응에 참여하지 않기 때문으로 판단 된다. 따라서 GGBFS와 무수석고를 사용하는 경우 OPC만 사 용한 시편에 비해 배합 이후 장기간에 걸친 숏크리트 타설이 가능하다.

3.3 건조수축

건조수축은 90일간 측정하였으며, Fig. 6은 건조수축 측정 결과를 나타낸다. 그래프를 보면 GGBFS, 무수석고로 OPC를 치환한 S30A5의 경우 건조수축이 증가하는 것을 확인할 수 있다. GGBFS는 수화과정에서 OPC의 수화과정에서 생성되 는 Ca(OH)₂와 반응하여 C-S-H를 생성하기 때문에 건조수축 이 증가하는 경향을 나타낸다(^{Shariq et al. 2016}). 이로 인해 S30A5의 건조수축이 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 6

Drying shrinkage

폴리머를 혼입한 S30A5RP1과 S30A5RP2는 건조수축이 감소하였으며, Plain과 유사하게 나타났다. 폴리머 혼입율에 따른 영향은 나타나지 않았다. 폴리머 혼입 시 모르타르의 큰 공극에 폴리머 필름을 형성하게 됨으로써 수축을 감소한 것 으로 판단된다.

3.4 탄산화

촉진 탄산화 시험에 따른 탄산화 깊이 평가 결과는 Fig. 7과 같으며, 탄산화 깊이는 7, 28, 56일에 측정하였다. 그래프를 보면 재령에 관계없이 Plain의 탄산화 깊이가 가장 작은 것으로 나타 났으며, GGBFS와 무수석고를 사용한 S30A5의 탄산화 깊이가 가장 높은 것으로 나타났다. Plain의 경우 초기에는 탄산화 진행 속도가 빠르게 나타났지만, 28일 이후에는 탄산화 진행이 감소 하였는데, S30A5의 경우에는 28일 이후에도 유사한 속도로 탄 산화가 진행된 것으로 나타났다. GGBFS는 수화 과정에서 OPC 의 수화에 의해 생성되는 Ca(OH)₂를 소모하기 때문에 공극내 Ca(OH)₂가 감소하고 pH가 감소하여 탄산화에 취약하게 된다. 폴리머를 혼입한 S30A5RP1과 S30A5RP2의 경우에는 S30A5 에 비해 탄산화가 깊이가 감소하였다. 탄산화 기간이 28일인 경 우까지는 폴리머 혼입에 따른 영향은 없었으나, 56일의 탄산화 깊이는 폴리머 혼입이 증가함에 따라 감소하였다.

Fig. 7

Carbonation depth

3.5 등온선 열량측정법

GGBFS, 무수석고 및 폴리머 사용에 따른 초기 재령에서의 수화 특성을 확인하기 위해 등온선 열량측정법를 통해 수화 발열량을 측정하였다. 배합 직후부터 48시간 통안 측정하였 으며, 수화 발열량 측정 결과는 Fig. 8-9와 같다. 그래프로부터 Plain의 초기 발열량이 가장 높은 것을 확인할 수 있다. GGBFS는 잠재수경성 재료로 OPC의 수화로 인해 pH가 증가 하고, Ca(OH)₂가 생성되면 수화반응을 시작하기 때문에 OPC 에 비해 수화반응 속도가 느리다. 이로 인해 GGBFS를 치환한 만큼 발열량이 감소한 것으로 판단된다. 또한 폴리머 혼입 시 발열량이 감소하는 것으로 나타났는데, 폴리머 혼입량이 증 가함에 따라 발열량이 감소하는 것으로 확인되었다. Fig. 3의 압축강도 측정 결과에서도 GGBFS, 무수석고 및 폴리머를 사 용하는 경우 강도가 저하되는 것으로 나타났는데, 초기 수화 반응이 저하되어 초기 강도가 감소한 것으로 볼 수 있다.

Fig. 8

Heat flow

Fig. 9

Normalized heat