2.1 사용재료

Table 1은 사용재료의 물리적 성질, Table 2는 사용재료의 화학조성을 나타낸 것이다. 시멘트는 KS L 5201 ｢포틀랜드 시멘트｣의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 알파형 반수석고는 밀도 2.72$g/cm^{3}$, 분말도 1,400$cm^{2}/g$인 것을 사용하였고, 실리카퓸은 밀도 2.32$g/cm^{3}$, 분말도 250,600$cm^{2}/g$인 것을 사용하였다. Fig. 1은 알파형 반수석고 및 실리카퓸의 입도분석을 나타낸 것이다. 알파형 반수석고의 경우 분말도가 작은 영향으로 10㎛~100㎛ 정도의 입도가 큰 사이즈들이 주를 이루고 있으나, 실리카퓸은 높은 분말도로 인해 입도가 아주 작은 입자들이 분포하는 것을 알 수 있다. Fig. 2는 알파형 반수석고 및 실리카퓸의 미세구조를 나타낸 것이다. 또한, 콘크리트의 유동성 확보를 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다.

Fig. 1. Particle size distribution of used materials

Fig. 2. SEM micrograph

2.2 실험계획

Table 3은 실험계획을 나타낸 것으로 알파형 반수석고를 활용한 콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위해 시멘트 사용량은 동일하게 고정한 상태에서 알파형 반수석고의 사용량을 9% 첨가하였다. 또한, 알파형 반수석고의 압축강도 저하 현상을 개선하기 위해 단위수량을 감소시키고자 2번 배합에서는 감수제를 추가로 사용하였으며, 3번 배합에서는 실리카퓸을 3% 치환하여 압축강도의 영향을 검토하고자 하였다. 평가항목은 슬럼프, 응결시간, 압축강도, 건조수축이며, 분석을 위해 미소수화열, TGA, DSC를 측정하였다. 또한, 결정구조는 X-선 회절 분석(XRD), 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을 통해 분석하였다. Table 4에 콘크리트 배합을 나타내었다. 콘크리트 배합은 기존 전력구 콘크리트 구조물에 사용되고 있는 27MPa이며, 목표슬럼프는 120±30mm, 물결합재비(W/B)는 49%, 잔골재율(S/a)은 48%로 설정하였으며, 단위수량은 168$kg/m^{3}$로 설정한 후 감수제의 사용량에 따라 조절하였다.

2.3 시험체 제작 및 실험방법

콘크리트의 비빔은 2축 강제식 믹서를 사용하였으며, 슬럼프 시험은 KS F 2402 ｢콘크리트의 슬럼프 시험 방법｣, 응결시간은 KS F 2436 ｢관입 저항침에 의한 콘크리트의 응결 시간 시험방법｣, 압축강도는 KS F 2405 ｢콘크리트의 압축강도 시험방법｣에 준하여 진행하였다. 압축강도 시험체는 KS F 2403 ｢콘크리트 압축강도 시험체 제작방법｣에 준하여 ∅100×200mm로 제작하였고, 건조수축 시험체는 KS F 2424 ｢모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험방법｣에 준하여 □100×100×400mm로 제작하여 온도 20±3℃, 상대습도 50±5%의 항온·항습실에서 양생을 실시하였다.

미소수화열은 A사의 미소수화열 측정기를 이용하여 페이스트에 대한 수화발열 특성을 분석하였으며, TGA(Thermo gravimetric analyzer)는 열무게 측정 분석으로 온도변화에 따른 시료의 무게변화를 측정하였고, DSC(Differential scanning calorimetry)는 물질의 열적특성을 측정하는 기기로서, 시료의 열무게 분석 및 열적특성 측정, 물질의 반응열(흡열, 발열)의 열용량, 결정의 변형을 측정하였다. 시험체의 결정구조는 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)으로 회절 패턴은 5∼65° 2θ 구간, 0.01° 스텝, 스텝당 1초의 조건으로 재령 7, 28일에 샘플을 채취하여 분말형태로 제조 후 전처리 과정을 거쳐 측정하였다. 미세구조는 주사전자현미경(Scanning electron microscope)을 활용하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV에서 관찰하였다.

Fig. 3. Slump measurement results of concrete

3.1 슬럼프 및 응결시간

Fig. 3은 알파형 반수석고를 활용한 콘크리트의 슬럼프 시험결과를 나타낸 것이다. OPC의 경우 고성능 감수제 0.6% 첨가에 의해 슬럼프는 140mm로 측정되었다. A9 시험체는 고성능 감수제를 0.9% 사용하여 단위수량의 사용량을 감소시켰으며, 슬럼프는 150mm로 측정되었다. A9+SF3 시험체는 A9 시험체와 동일하게 고성능 감수제를 0.9% 사용하여 단위수량을 감소시켰으며, 슬럼프는 145mm로 측정되었다. 실리카퓸의 사용으로 슬럼프에 영향을 준 것으로 판단된다.

Fig. 4. Setting time measurement results of concrete

Fig. 5. Compressive strength measurement results of concrete

Fig. 4는 알파형 반수석고를 활용한 콘크리트의 응결시간 측정결과를 나타낸 것이다. 알파형 반수석고의 치환으로 인해 응결시간이 빨라지는 경향을 보였으며, OPC 시험체에 3.2시간A9 시험체는 초결시간이 2.65 시간, A9+SF3 시험체는 초결시간 2.60으로 OPC 시험체에 비해 단축되는 것을 확인하였다. 특히, A9+SF3 시험체는 실리카퓸의 영향으로 초결시점부터 영향을 주어 응결시간이 가장 빠른 것으로 확인되었다. 또한, 종결시간에서도 OPC 시험체 7.5시간, A9 시험체 7.3시간, A9+SF3 시험체 7시간으로 측정되어 OPC 시험체에 비해종결시간이 가장 빠른 것으로 나타났으며, 배합 중 A9+SF3 시험체가 가장 빠른 것으로 나타났다. 알파형 반수석고는 재령 초기 높은 수화열을 나타내며, 1시간 이내에 경화하는 속경성의 특징을 갖고 있다. 이로 인해 소량의 첨가로 응결시간에 영향을 준 것으로 판단된다.

3.2 압축강도

Fig. 5는 재령별 콘크리트의 압축강도 시험결과를 나타낸 것이다. OPC 시험체의 경우 재령 3일 압축강도는 15.2MPa, A9 시험체는 15.5MPa, A9+SF3 시험체는 16.1MPa로 측정되어 A9+SF3 시험체가 가장 높은 압축강도를 나타내었다. 또한, 재령 7일에서도 OPC 22.1MPa, A9 23.7MPa, A9+SF3 시험체는 24.3MPa로 OPC에 비해 동등 이상의 수준의 압축강도를 나타내었다. 재령 28일 압축강도의 경우 OPC 시험체는 30.1MPa로 측정되었으며, 알파형 반수석고를 9% 치환한 A9 시험체의 경우 30.5MPa로 측정되어 압축강도가 OPC에 비해 동등이상으로 측정된 것을 확인하였다. 또한, A9+SF3 시험체의 압축강도는 32.2MPa로 OPC에 비해 약 6% 증가하는 것으로 나타났다. 기존 연구결과에서는 알파형 반수석고를 단독으로 9% 치환시 압축강도가 현저히 감소하는 경향을 보였으나(Shin et al., 2019), 알파형 반수석고를 치환이 아닌 첨가로 하였고, 감수제의 사용량을 0.3% 증가시켜 단위수량의 사용량이 약 18kg 감소하면서 압축강도에 영향을 준 것으로 판단된다. 또한, 실리카 퓸의 사용으로 인한 압축강도는 큰 효과가 없는 것으로 나타났다.

3.3 건조수축

Fig. 6은 재령에 따른 콘크리트의 건조수축 시험결과를 나타낸 것이다. 기존연구결과와 같이 알파형 반수석고의 사용으로 인해 수축이 저감되는 특징을 보였다. OPC 시험체 경우 측정일로부터 10일까지 급격한 수축변형이 발생하며, 이후에는 완만한 기울기로 변형이 감소하였다. 재령 60일이 경과한 시점에서의 변형 값은 -857×10-6를 나타내 변형이 상당히 큰 것으로 확인되었다. 한편, 알파형 반수석고를 활용한 시험체의 경우 재령 초기 약간의 팽창변형이 일어나는 것을 알 수 있으며 이로 인해 OPC 시험체보다는 완만한 기울기가 수축변형이 발생하고 있다. 특히, A9 시험체의 수축변형은 재령 60일에서 -583×10-6으로 OPC에 비해 약 33% 감소하였으며, A9+SF3 시험체도 -611×10-6으로 OPC에 비해 약 30% 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 알파형 반수석고를 콘크리트에 적용시 기존 연구결과와 같이 수축변형에 있어 효과가 있을것으로 판단된다(Lee et al., 2019).

3.4 미소수화열

Fig. 7 및 Fig. 8은 시험체의 경과시간에 따른 미소수화열 측정결과를 나타낸 것이다. 초기 3시간의 미소수화열을 측정한 결과 알파석고를 9% 적용한 A9+SF3 시험체의 경우 ettringite의 생성을 유도하는 $C_{3}A$의 급격한 수화반응에 의해 초기 1시간 내 수화발열량이 약 12cal/hrg로 급격히 증가하는 패턴을 보이고 있다. 또한, 10시간 이후부터는 OPC의 수화발열량이 증가하는 경향을 나타냈으며, 24시간 이후부터는 유사한 수화발열량을 나타내었다. 그러나, 전체적인 누적 수화발열량은 12시간까지 알파석고가 적용된 A9+SF3 시험체가 높은 경향을 나타내다. 12시간 이후부터는 OPC의 수화발열량이 높은 것으로 확인되었다. 이는 재령 초기에 ettringite의 생성반응이 활발히 일어나는 것을 반증하는 결과라고 판단된다.

Fig. 6. Drying shrinkage measurement results of concrete

Fig. 7. Heat of microhydration (24hours)

Fig. 8. Heat of microhydration (cumulative total)

따라서, 알파형 반수석고는 물과 접촉시 약 1시간 이내에 대부분의 반응이 완료되며, 10시간 이후에는 이수석고 결정 간의 재결정화로 발열피크나 나타나는 것을 알 수 있다. 그러나, OPC의 경우 재령 초기 반응은 수화발열량은 낮지만 10시간 이후에도 지속적으로 반응하여 누적 수화발열량은 가장 높아지는 특징을 보였다.

3.5 TGA, DSC

Fig. 9는 콘크리트 시험체 샘플의 TGA 분석결과를 나타낸 것이다. 50℃∼200℃ 구간의 기울기가 급격한 것은 시료의 질량이 급격히 감소한 것을 뜻하며, 기존 연구 결과와 같이 C-S-H의 $H_{2}O$ 손실에 의한 것으로 판단된다(Lee et al., 2019). OPC의 경우 450℃ 구간에서는 6.5515mg으로 98.1886%를 나타냈으며, 750℃에서 6.3274mg으로 94.8302%를 나타냈다. A9 시험체는 450℃ 구간에서 시료의 질량은 6.9637mg으로 98.8550%, 700℃에서 6.7514mg으로 95.8402%를 나타내었다. A9+SF3는 450℃ 구간에서 시료의 질량은 6.3954mg으로 98.4846%, 750℃ 구간에서 6.1766mg으로 95.1150%를 나타내어 알파형 반수석고를 적용한 경우 온도증가에 따른 질량 감소가 작은 것으로 나타났다. 또한, 알파형 반수석고를 적용한 시험체는 OPC와 달리 $C_{3}A$와 알파형 반수석고의 급격한 반응에 의한 약 300℃ 부근에서 자유수가 탈착되고, 400℃ 부근에서 미반응 알파형 반수석고의 결정수 탈착이 방생하였다. 또한, 600℃부근에서는 $C_{3}S$와 수화반응 지연으로 수화반응의 척도인 $C_{a}(OH)_{2}$로의 전이반응이 서서히 진행되는 것으로 판단되어 알파형 반수석고 적용 시 OPC와는 다른 거동의 열중량분석 패턴을 보이는 것으로 판단된다.

Fig. 10은 콘크리트 시험체 샘플의 DSC 분석결과를 나타낸 것이다. OPC의 경우 흡열반응 패턴을 보이고 있으며, 흡열반응 시점은 75.79℃, 최고정점은 99.87℃과 시점은 440.45℃,최고정점 467.57℃에서 일어나고 있다. A9의 경우는 OPC와는 다르게 흡열반응이 더 많이 발생하고 발열반응도 일어나고 있다. 흡열반응은 크게 시점 77.01℃, 최고정점 103.39℃와 시점 124.24℃, 최고정점 141.68℃, 시점 240.05℃, 최고정점 262.40℃, 시점, 445.50℃, 최고정점 457.02℃에서 나타나고 있으며, 발열반응은 시점 310.58℃, 최고정점 314.92℃에서 발생하고 있다. 따라서, 알파형 반수석고를 적용한 시험체는 자유수가 초기에 $C_{3}A$와 반응으로 생성된 ettringite에 소비됨에 따라 흡열량이 작아지는 특징을 보이고 있으며, C2S, $C_{3}S$와의 수화반응 지연으로 $C_{a}(OH)_{2}$의 생성량이 지연되어 흡열량이 적은 것으로 판단된다.

Fig. 9. TGA measurement results of concrete

Fig. 10. DSC time measurement results of concrete

3.6 X-선 회절 분석(XRD)

Fig. 11은 알파형 반수석고를 활용한 콘크리트의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 것이다. 재령 7일에서 OPC 시험체의 경우 C-S-H, Portlandite 피크가 주로 나타났다. 한편, 알파형 반수석고를 치환한 A9 시험체는 OPC 시험체에 비해 ettringite, Gypsum의 피크가 크게 증가하는 경향을 보였다. A9+SF3 시험체에서도 A9와 유사한 경향을 나타냈으며, C-S-H는 OPC에 비해 감소하는 특징을 보였다. 전체적으로 알파형 반수석고를 치환한 시험체에서는 Gypsum 피크가 관찰되는 특징을 보였다. Gypsum 피크는 1/2 $H_{2}O$를 결정수로 갖는 알파형 반수석고가 수화작용에 의해 결정체로 전환되어 화합수의 생성에 따른 것으로 판단된다. 또한, 재령 28일에서도 재령 7일과 유사한 패턴을 보였으며, 수화반응의 시간이 지남에 따라 발생되는 피크는 상대적으로 감소하는 특징을 보였다. OPC의 경우 C-S-H 피크는 증가한 경향을 보였으며, Portlandite는 다소 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 11. X-ray diffraction analysis measurement results of concrete

또한, 알파형 반수석고를 활용한 시험체에서 C-S-H 피크는 증가하는 경향을 보였으며, Portlandite는 증가하는 경향을 보였다. 특히, A9+SF3 시험체에서는 실리카퓸의 영향으로 $C_{a}(OH)_{2}$과 반응하는 포졸란 반응으로 인해 압축강도에 영향을 준 것으포 판단된다.

3.7 주사전자현미경 관찰 (SEM)

Fig. 12는 알파형 반수석고를 활용한 콘크리트의 주사전자현미경 관찰결과를 나타낸 것이다. OPC 시험체의 경우 대부분의 수화생성물은 C-S-H가 분포하고 있지만, 알파형 반수석고를 활용한 A9, A9+SF3 시험체는 C-S-H 이외에 작은 침상형태의 ettringite가 부분적으로 발달한 것을 확인할 수 있으며, 굵은 막대형태의 석고 결정이 관찰되고 있다. 또한, 전체적으로 다량의 수화생성물들이 많은 것을 알 수 있다. 특히, 알파형 반수석고를 활용한 시험체의 경우 C-S-H 겔이 ettringite를 감싸며 재령이 경과함에 따라 수화생성물의 양이 지속적으로 증가함에 따라 시험체의 내부공극을 충전시켜 압축강도가 향상되는 것이라 판단된다. 또한, A9+SF3 시험체는 실리카퓸의 사용으로 시멘트 입자 주변의 공극을 충전하여 치밀한 구조를 만들고 골재와 결합재 간의 부착력의 증가에 영향을 준 것으로 판단된다.

Fig. 12. SEM micrographs of concrete (7days)