2.1.1 배합설계

본 연구의 배합은 선행연구에 따라 알칼리 용액/결합재비를 50%로 설정하였으며 알칼리 활성화제는 규산나트륨수용액과 수산화나트륨수용액을 1:1의 비율로 혼합하였다(Kim and Yang, 2018)⁽³⁾. 시멘트를 대체할 결합재로는 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 사용하였으며 2성분계와 3성분계에서 실리카 흄은 10, 20(%)로 혼입하여 배합하였다. 또한, 본 연구에서 사용된 배합수는 수산화나트륨 90kg/m³ 내에 존재하는 61.7kg/m³의 H₂O와 규산나트륨 90kg/m³ 내에 존재하는 56kg/m³의 H₂O가 사용되었다. 실험인자 및 평가항목과 배합설계는 Table 1, 2에서 나타내었다.

2.1.2 시편제작

본 연구의 비빔방법은 먼저 배합 24시간 전에 수산화나트륨과 규산나트륨 수용액을 혼합하였다. 배합 시, 결합재와 알칼리 활성화제를 콘크리트 믹서에 투입하여 2분간 혼합하였으며 그 후에 굵은 골재를 투입하여 3분간 저속비빔을 실시한 후 잔골재를 투입하여 3분간 고속비빔을 실시하였다. 배합 직후 모든 공시체는 ø 100mm⨯200mm로 원주형 공시체를 제작하였다. 또한, 타설 후 24시간 동안 실내에서 대기양생 한 후 탈형하여 온도 20 ± 3℃로 유지하여 수중양생을 실시하였다.

2.2.1 골재

본 연구에서 사용된 굵은 골재의 최대 입경은 25 mm 이하의 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 5 mm 이하의 강모래를 사용하였다. 해당 골재의 물리적 특성은 Table 3과 같다.

2.2.2 결합재

본 연구에서 사용된 무기결합재는 이산화규소와 산화알루미늄이 함유되어있는 실리카 흄, 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 사용하였으며 각 결합재의 물리적 특성 및 화학적 구성은 Table 4, 5와 같다.

2.2.3 알칼리 용액

본 연구에서 사용된 알칼리 용액은 수산화나트륨 분말과 액상의 규산나트륨(물유리)을 사용하였다. 알칼리 활성화제는 규산나트륨(SiO₂ 28.8%, Na₂O 9.0%, H₂O 62.2%)과 순도 98%이상의 수산화나트륨 분말을 사용하였으며, 수산화나트륨 분말의 분자량을 통해 10M의 수산화나트륨 수용액을 제조하여 액상의 규산나트륨과 1 : 1 비율로 혼합하여 24시간 동안 균일하게 섞이도록 하였다.

이때, 10M의 수산화나트륨 수용액 1kg은 0.314kg의 고형분(solid)과 0.686kg의 H₂O로 구성되어 있으며(Rangan, 2008)⁽⁶⁾ 규산나트륨 수용액 1kg은 0.378kg의 고형분과 0.622kg의 H₂O로 구성되어 있다.

2.2.4 감수제

본 연구에서 사용한 고성능 감수제는 폴리카르본산 계를 사용하였으며, 고성능 감수제의 물리적 특성은 아래 Table 6과 같다.

3.1.1 각 성분계에 따른 슬럼프

단일결합재를 사용한 1성분계의 슬럼프 측정결과는 Fig. 1과 같다. 1성분계의 슬럼프는 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 흄 순으로 높은 값을 나타내었다. 고로슬래그 미분말을 100% 치환한 경우 슬럼프는 120mm로 높은 값을 나타내었으나, 실리카 흄을 100% 치환한 경우는 65mm로 슬럼프가 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.

이는, 실리카 흄의 경우 분말도가 높아 중량 혼입에 따른 결합재의 양이 증가하게 되어 유동성 감소가 나타난 것으로 판단된다. 또한, 플라이애시는 구형 입자로 인한 볼베어링 영향에 의해 유동성이 향상되지만, 플라이애시가 100% 혼입된 경우 미연소탄소성분이 증가하여 AE제를 흡착함에 따라 점성이 커지게 되어(Lee, 2014)⁽⁵⁾ 슬럼프가 크게 증가하지 않은 것으로 판단된다. 고로슬래그 미분말이 100% 혼입된 경우, 고로슬래그 미분말의 표면에 유리질 피막이 형성되어 있어 흡수율이 낮기 때문에(Kim and Kim, 2016)⁽¹⁾ 슬럼프가 가장 높게 나타난 것으로 판단된다.

2성분계에서 플라이애시와 고로슬래그 미분말의 구성비율에 따른 슬럼프 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 플라이애시와 고로슬래그 미분말이 혼입된 2성분계의 경우 슬럼프의 범위는 85~105mm로 나타났다. 고로슬래그 미분말이 10% 혼입된 경우 슬럼프는 105mm이며, 고로슬래그 미분말의 구성비율이 증가할수록 슬럼프는 감소하였다. 하지만 고로슬래그 미분말을 70% 혼입하였을 경우 슬럼프가 다소 증가하며 이후 90%까지 100mm에 근접한 슬럼프를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

3성분계에서 실리카 흄 10, 20(%)를 혼입한 경우 플라이애시와 고로슬래그 미분말의 구성비율에 따른 슬럼프 변화를 Fig. 3에서 나타내었다. 실리카 흄 10% 혼입시 고로슬래그 미분말의 구성비율에 따른 슬럼프의 범위는 90∼105mm로 플라이애시와 고로슬래그 미분말의 구성비율에 따른 슬럼프 변화가 상대적으로 적은 것을 알 수 있었다. 하지만 실리카 흄 20% 혼입시 슬럼프의 범위는 70∼100mm로 고로슬래그 미분말의 구성비율 증가에 따라 슬럼프가 저하되며 70% 혼입되었을 때 슬럼프 값은 70mm로 고로슬래그 미분말 10% 대비 30mm 감소한 것을 알 수 있었다.

이를 통해 3성분계 무시멘트 콘크리트의 슬럼프는 실리카 흄과 고로슬래그 미분말의 구성비율이 증가할수록 유동성이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는, 실리카 흄의 높은 분말도 및 고로슬래그 미분말의 구성비율 증가에 따른 플라이애시 구성비율의 감소로, 볼베어링 영향이 감소하여 슬럼프가 감소한 것이라 판단된다.

Fig. 1. Slump of unary binder concrete

Fig. 2. Slump of binary binder concrete with the BS replacement ratios

Fig. 3. Slump of ternary binder concrete with the BS replacement ratios

3.1.2 슬럼프별 무기결합재의 구성비율

Fig. 4는 3성분계 무시멘트 콘크리트에서 무기결합재의 혼입비율에 따른 슬럼프의 변화를 각 구간별로 색을 통해 삼각조성도에 나타내었다. 2성분계에서 가장 낮은 슬럼프값인 80mm이하의 구간을 적색구간으로 나타내었다. 또한, 2성분계, 3성분계에서 실리카 흄 30%이상 혼입한 경우는 실험을 진행하지 않아 흰색의 영역으로 나타내었다.

이를 통해, 실리카 흄은 구성비율이 증가함에 따라 슬럼프는 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 고로슬래그 미분말은 구성비율과 관계없이 80mm이상의 슬럼프를 나타내었으며, 실리카 흄 0~20%, 플라이애시 60~100%, 고로슬래그 미분말 0~30%의 범위에서 혼입할 경우 슬럼프는 100mm보다 높은 값을 나타내는 청색구간에 위치해 있는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4. Ternary diagram of slump

3.2.1 재령에 따른 압축강도

1성분계 무시멘트 콘크리트의 재령별 압축강도 실험결과는 Fig. 5에서 나타내었다. 재령 28일 압축강도는 각각 고로슬래그 미분말 25.7MPa, 실리카 흄 23.1MPa, 플라이애시 15.5MPa로 나타났으며 1성분계 무시멘트 콘크리트의 압축강도 결과를 통해 각 결합재와 알칼리 활성화제의 반응성을 파악할 수 있었다. 실리카 흄을 100% 치환한 경우 재령 3일의 압축강도는 17.4MPa로 1성분계중 가장 높은 압축강도를 나타내었으나 이후 재령 28일까지의 압축강도 증진율이 감소하였다. 이는 실리카 흄의 높은 비표면적으로 인해 급격한 초기반응 후 반응성이 점차 낮아진 것이라 판단된다. 재령과 관계없이 플라이애시는 낮은 압축강도를 나타내었으며, 이는 플라이애시가 상온에서 다량

Fig. 5. Compressive strength of unary binder concrete

혼입될 경우 알칼리 활성화제와 직접적인 반응성이 낮아 강도발현이 저하되는 것으로 판단된다. 고로슬래그 미분말을 100% 치환한 경우 재령 3일에서의 압축강도는 11.7MPa로 재령 3일의 실리카 흄보다 5.7MPa 낮은 압축강도를 나타내었으나 재령 28일까지의 압축강도 증진율이 증가하였다. 이는 고로슬래그 미분말이 100% 치환된 경우 상온에서 잠재수경성으로 인해 조기재령에서는 강도 증진의 효과가 미비하지만 장기재령에서 더 활발한 반응을 일으켜 강도 증가가 나타난 것으로 판단된다.

실리카 흄이 혼입된 2성분계의 압축강도는 Fig. 6과 같다. Fig. 5에서 고로슬래그 미분말 100%를 치환한 경우, 재령 28일에서 25.7MPa의 압축강도를 나타내었으나 Fig. 6의 실리카 흄과 고로슬래그 미분말을 혼입한 시편의 재령 28일 평균 압축강도는 35MPa로 1성분계 대비 9.3MPa 높은 압축강도를 나타내었다. 이는, 고로슬래그 미분말은 다른 결합재와 혼입될 경우 상온에서 알칼리 활성화제와의 반응성이 높아져 조기재령에서부터 높은 압축강도를 나타내는 것으로 판단된다. 또한, 실리카 흄과 플라이애시를 혼입한 경우 플라이애시의 구성비율이 높을수록 압축강도는 낮게 나타났는데, 이는 상온에서 플라이애시의 Si, Al이온의 용출이 활발하지 않아 이에 따른 반응생성물이 감소로 인해 나타난 결과라 판단된다.

실리카 흄을 10, 20(%) 혼입한 3성분계 무시멘트 콘크리트의 재령 3, 28일 압축강도 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 재령 28일에서 실리카 흄 10%, 플라이애시 40%, 고로슬래그 미분말 50%를 혼입한 경우 압축강도 실험에서 가장 높은 강도인 43.9MPa을 나타내었다. 또한, 실리카 흄 20%, 플라이애시 30%, 고로슬래그 미분말 50%를 혼입한 경우 압축강도는 40.3MPa로, 실리카 흄 10%를 혼입한 경우보다 3.6MPa 낮은 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

이를 통해 3성분계 무시멘트 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 29.3~43.9MPa로, 모든 시편에서 1성분계의 최대 압축강도인 25.7MPa보다 높게 나타났으며, 고로슬래그 미분말 혼입비율 증가에 따라 압축강도는 증가하였다. 또한, 고로슬래그 미분말을 50% 혼입한 경우 재령 28일에서 40MPa 이상의 강도발현을 확인할 수 있었다. 이는, 고로슬래그 미분말의 혼입비율이 증가할수록 Ca2+함량이 증가하여 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H gel)의 생성이 활발해지며, 재령이 증가함에 따라 고로슬래그 미분말의 수화반응과 중합반응에 의해 플라이애시의 유리질피막이 깨지면서 Si와 Al 성분이 알칼리 활성화제와 중합반응을 하여 강도가 크게 향상된 것으로 판단된다(Ahn, 2017)⁽⁷⁾. 그러나 고로슬래그 미분말이 60% 이상 혼입될 시 압축강도는 감소하며, 다량 치환될 경우 균열 및 수축이 발생하여(Kwon, 2013)⁽²⁾ 고로슬래그 미분말의 적정 혼입비율은 50%인 것으로 판단된다.

Fig. 6. Compressive strength of binary binder concrete

Fig. 7. Compressive strength of ternary binder concrete with the BS replacement ratios

3.2.2 각 성분계에 따른 압축강도

1성분계, 2성분계, 3성분계에서 재령 28일 최대 압축강도를 발현한 시편에 대한 결과는 Fig. 8과 같다. 1성분계에서 고로슬래그 미분말 100%를 혼입한 경우, 재령 28일의 압축강도는 25.7MPa로 1성분계 중 가장 높은 압축강도를 나타냈다. 2성분계의 경우 실리카 흄 10%, 고로슬래그 미분말 90%를 혼입한 경우 재령 28일에서 35.7MPa의 압축강도를 나타냈으며 1성분계의 최대 압축강도 대비 38.9% 증가하였다. 3성분계는 실리카 흄 10%, 플라이애시 40%, 고로슬래그 미분말 50%를 혼입한 경우 재령 28일의 압축강도가 43.9MPa로 가장 높은 압축강도를 나타냈으며 1성분계의 최대 압축강도 대비 70.8% 증가하였다. 이를 통해 상온에서 양생할 경우 1성분계는 한가지 결합재의 다량 혼입으로 인해 반응성이 낮아 각 혼화재의 이온 용출을 촉진시키기 위해서는 고온양생이 필요하다고 판단된다.

또한, 3성분계는 재령 3일까지 2성분계와 비슷한 수준의 압축강도를 나타내었으나 재령 7일 이후 압축강도 발현율이 매우 높아지는 것을 확인할 수 있었다.

이는, 플라이애시가 40% 혼입됨에 따라 재령 3일의 압축강도는 높게 나타나지 않았으나 고로슬래그 미분말에서 용출되는 Ca2+이온과 플라이애시의 SiO₂ 및 Al₂O₃가 반응하게 되어 C-S-H 및 C-A-H가 생성되면서 장기재령의 강도발현에 기여한 것(Kim, 2017)⁽⁸⁾이라 판단된다.

Fig. 8. Maximum compressive strength

Fig. 9는 플라이애시와 고로슬래그 미분말이 혼입된 2성분계에서 실리카 흄을 10% 추가 혼입하였을 경우 압축강도 변화를 나타내고 있다. 플라이애시 50%와 고로슬래그 미분말 50%을 혼입한 2성분계의 재령 28일 압축강도는 24.1MPa로 나타났으며, 실리카 흄을 10% 추가 혼입한 3성분계의 경우 압축강도는 43.9MPa로 2성분계 대비 82.1% 증가하여 강도 증진율이 매우 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 모든 시편에서 3성분계가 2성분계에 비해 높은 압축강도를 나타냈으며 이를 통해 실리카 흄의 강도 증진효과를 확인할 수 있었다. 이는 초미립자의 구형인 실리카 흄이 소량 혼입될 경우 실리카 흄의 높은 분말도에 의한 공극 충전효과로(Kim, 2013)⁽⁹⁾ 공극 감소에 따른 치밀한 구조를 가진 것이라 판단된다.

Fig. 9. Compressive strength of binary and ternary binder concrete

Fig. 10. Ternary diagram of compressive strength

3.2.3 압축강도별 무기결합재의 구성비율

Fig. 10은 무시멘트 콘크리트의 압축강도별 무기결합재의 구성비율을 삼각조성도에 나타낸 것이며 재령 28일에서의 압축강도를 구간별로 나타내었다. 재령 28일의 압축강도가 35MPa 이상인 구간의 범위를 녹색 영역으로 나타내었으며 실리카 흄 5~20%, 플라이애시 20~60%, 고로슬래그 미분말 30~60% 범위에서 배합을 할 경우 재령 28일의 압축강도는 35MPa 이상으로, 2성분계보다 높은 압축강도를 발현할 것이라 판단된다. 또한, 삼각조성도를 통해 각 무기결합재가 적정비율로 혼입될 경우 높은 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 무시멘트 콘크리트 배합시 목표 압축강도에 대한 무기결합재의 적절한 구성비율을 예측할 수 있다.