한재도
(Jae-Doh Han)
1
이윤수
(Yun-Su Lee)
2
이한승
(Han-Seung Lee)
3†
-
정회원. 한양대학교 건축시스템공학과 석사과정
-
정회원, 한양대학교 건축시스템공학과 박사과정
-
정회원, 한양대학교 ERICA 공학대학 건축학부 교수
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
칼슘 알루미네이트, 프리델염, 칼슘 알루미네이트 시멘트
Key words
Calcium dialuminate, Friedel’s salt, Calcium aluminate cement
1. 서 론
철근콘크리트 구조물의 내구성 저하에 영향을 주는 대표적인 열화 요인 중 하나로 염해가 있다. 고염분의 환경에서는 콘크리트 내부로 염소이온이 침투함에
따라 철근의 부식 및 팽창이 발생하며, 이는 내구성 저하로 이어진다 (Tuutti, 1982; Saremi, 2002)(1,2). 이러한 문제를 해결하기 위해 콘크리트 내부로 침투하는 염소이온을 물리･화학적으로 고정하여 침투를 억제하는 것에 관한 연구가 진행되고 있다 (Söylev,
2008; Dhir, 1996; Raki, 2004)(3-5).
일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트 (ordinary Portland cement, OPC) 결합재 내에서는 C3A나 C4AF와 같은 칼슘 알루미네이트 클링커가 염소이온 고정에 크게 기여하는 것으로 알려졌다 (Glasser, 1999)(6). OPC 내 C3A나 C4AF는 aluminoferrite-mono (AFm) 상과 같은 층상 구조 물질의 생성에 기여하며, 양전하를 띠는 이 층상 구조의 층 사이에는 OH-,
CO32-, SO42-, Cl-와 같은 다양한 음이온이 결합하여 존재할 수 있다 (Ishida 2008)(7). Fig. 1은 AFm 상의 구조를 도식화한 것이다. AFm 상의 음이온 구성은 온도, 습도, 주변 음이온의 농도 및 구성비에 따라 다르게 나타날 수 있고, 이러한
특성은 고염분의 환경에서 시멘트 계 재료의 염소이온 고정특성과 밀접한 관련이 있다. 염소이온농도가 높은 환경에서의 염소이온은 AFm 상의 층 사이로
대부분 흡착되는데, 이렇게 층 사이가 대부분 염소이온으로 구성된 AFm 상은 프리델 염 (Friedel’s salt)으로 불린다 (Rives, 1999;
Balonis, 2010; Matschei, 2007)(8-10).
OPC와 달리 저열 시멘트의 경우, 수화열을 낮추기 위한 목적으로 C3A의 함량이 적기 때문에, AFm상의 생성이 적게 나타나 염해에 취약한 특성을 보여준다 (Tabara, 2011)(11). 이러한 문제를 해결하기 위해 제시되고 있는 칼슘 알루미네이트계 클링커로 CA2(CaAl4O7)가 있다. CA2는 칼슘 알루미네이트 시멘트 (CAC)의 클링커중 하나로서 수화열이 매우 낮고 느린 수화반응성을 가지고 있다 (Klaus, 2013)(12). 수화열이 낮고, 높은 Al2O3량을 함유하고 있는 CA2를 저열시멘트 에 적용하였을 때 염해 내구성 평가에 대한 연구는 최근 일본에서 진행 되어왔으며 염소이온 고정 및 침투 억제가능하다는 연구결과를 보여주고
있다. (Shinsugi, 2017)(13). 또한, 최근에는 보통 포틀랜드 시멘트와 혼입하여 사용하였을 때, CA2가 AFm상 생성을 촉진하여 염소이온 침투고정능력 향상에 기여한다고 연구된 바 있다(Lee, 2018). 하지만, CA2는 합성하는 과정에서 수반되는 CA(CaAl2O4)의 생성으로 인해 순도 높은 CA2를 합성하는데 어려움이 있어 CA2만 사용하는 것은 경제적인 이유로 단점을 가지고 있다. 따라서 상용되고 있는 CAC를 활용하여 CA2를 적용하는 것이 하나의 방법이 될 수 있다. CAC는 유해이온에 대한 높은 저항성과 빠른 조기강도를 발현하기 때문에 보통 특수한 환경에서 주로 사용이
되고 있으며 50∼85%의 높은 Al2O3 함량을 가지고 있고 포틀랜드 시멘트 내 Al2O3 함량을 증가시켜 염소이온 고정능력을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다. CAC의 주요 클링커는 CA와 CA2이며 제품에 따라 그 비율이 다르게 나타난다. 일반적으로 CA2는 Al2O3의 비율이 높기 때문에 CA 보다 콘크리트 내 염소이온 고정능력 향상에 도움이 될 것 이라고 기대된다. 하지만, CA와 CA2의 수화속도와 수화열에 차이가 크며 상호영향을 주기 때문에 단순하게 CA2 함량이 높은 CAC를 사용하는 것이 염소이온고정에 효과적이라고 할 수는 없다. 따라서 본 연구에서는 포틀랜드 시멘트 모르타르에 칼슘 알루미네이트
클링커를 혼입한 경우, CA-CA2비율에 따른 물리화학적 특성과 염소이온고정능력을 평가하였다.
2. 사용 재료 및 실험 방법
2.1 사용 재료
본 연구에서 시멘트 페이스트와 모르타르 실험체 제작을 위해 S사의 보통 포틀랜드 시멘트, U사의 칼슘 알루미네이트 시멘트 (CAC), 직접 합성한
CA2가 사용 되었다. CAC와 합성된 CA2는 실험체 내 CA-CA2 비율의 변수 제어를 위하여 혼합되어 사용되었다. Table 1과 2는 각각 사용된 시멘트의 화학조성과 물리적 특성을 나타낸다. CA2는 CaO와 Al2O3을 몰비 1:2.08 로 혼합하여 고온전기로에서 승온 속도 10℃/min으로1550℃에서 1시간동안 유지 후 자연 냉각하여 합성되었다. 합성된 CA2는 150 μm이하로 체가름 되어 사용되었다. 합성된 CA2는 Profex 프로그램을 활용한 XRD분석 (X-ray diffraction analysis, Rigaku D/Max-2500)으로 물질 조성에
대한 정량 분석을 실시하였다 (Döbelin, 2015)(15). Fig. 2는 Profex를 통해 Rievtveld refinement 진행한 합성된 CA2의 XRD 결과이다. 결과적으로, CAC의 물질 조성(wt.%)은 약 56%의 CA와 43%의 CA2로 합성된 CA2의 물질 조성은 약 13%의 CA와 86%의 CA2로 구성되었다. 시멘트 모르타르 실험체의 잔골재는 ISO 679 표준사를 사용하였다.
Fig. 2. XRD pattern of synthesized CA2
Table 1. Chemical composition of OPC and CAC.
|
Cement
type
|
Oxide composition (wt.%)
|
|
SiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
SO3
|
|
OPC
|
19.47
|
5.24
|
2.69
|
61.8
|
3.72
|
2.87
|
|
CAC
|
0.4
|
69.5
|
0.05
|
28.9
|
0.2
|
0.09
|
Table 2. Physical properties of materials.
|
Cement type
|
Density (g/cm3)
|
Blaine (cm2/g)
|
|
OPC
|
3.15
|
3578
|
|
CAC
|
3.04
|
4,000
|
2.2 실험체 제작
시멘트 모르타르 실험체는 KS L ISO 679에 따라 40 mm × 40 mm × 160 mm의 크기로 제작되었고, 시멘트 수화물 분석을 위해서
50 mm × 50 mm × 50 mm의 시멘트 페이스트 실험체가 제작되었다. Table 3는 시멘트 페이스트의 실험체의 배합을 나타낸다. 시멘트 모르타르 실험체의 경우 페이스트 배합에서 결합재와 잔골재비 1:3으로 배합되었다. 실험체 별
CA-CA2의 비율은 CAC와 합성 CA2를 혼합하여 L, H, M 세 가지 수준으로 설정하였으며 비율은 L (56:43), M (39:60), H (13:86)로 혼합물이 제작 되었다.
혼합된 칼슘알루미네이트 클링커 혼합물은 포틀랜드 시멘트에 치환하여 사용 되었으며, 실험체의 치환율은 0, 5, 10%로 제작 되었다. 직접 합성한
CA2를 포함하는 M과 H 실험군의 경우에만 5% 치환된 실험체를 제작하였다. 혼입비의 경우, CAC의 상변화현상에 의한 강도발현 저하를 통제하기 위해
10% 이하 범위에서 진행하였다 (Cements, 1996; Ahn, 2014; Florea, 2012)(16-18). 실험체는 타설 24시간 후 탈형하여 28일 동안 수중양생 진행되었다.
Table 3. Mix proportioning of specimens.
|
Name
|
W/B
|
Binder (wt.%)
|
|
Cement
|
CAC
|
CA2
|
|
OPC
|
0.5
|
100
|
-
|
-
|
|
L10
|
90
|
10
|
-
|
|
M5
|
95
|
2.5
|
2.5
|
|
M10
|
90
|
5
|
5
|
|
H5
|
95
|
-
|
5
|
|
H10
|
90
|
-
|
10
|
2.3 실험 방법
2.3.1 압축강도
시멘트 모르타르 실험체를 양생일자별로 1, 3, 7, 28일로 나누어 UTM(Universal Test Machine)을 사용하여 압축강도 테스트가
진행되었다. 모든 실험수준별로 KS L ISO 679에 따라 3개 시편씩 테스트하여 평균값을 산정하였다.
2.3.2 공극구조
28일 수중 양생된 시멘트 모르타르 실험체는 다이아몬드 커팅기로 절단되었다. 표면을 제외한 실험체를 2.7 g씩 계량하여 24시간동안 acetone에
침지하여 수화정지하고 24시간동안 항온·항습챔버 (20±2℃, 10% RH)에서 건조 후 사용하였다. 수분이 완전히 제거된 실험체는 수은 압입법 (Mercury
intrusion porosimetry)를 통해 공극 분석 진행되었다.
2.3.3 수화물 분석
실험체의 수화물 분석은 시멘트 페이스트 실험체를 통해 진행되었다. 28일 양생된 실험체는 분쇄되어 입도 0.595 ~ 2.56 mm로 체가름 되어
28일 동안 증류수환경과 0.5 mol/L NaCl 수용액환경에 각각 침지되었다. 수용액 내 수산화칼슘을 포화시켜 pH를 유지하였다. 침지 후 실험체는
분쇄되어 직경 150 μm이하로 체가름 되어 분석에 사용되었다. 수화물의 정량분석을 위해 TGA (Thermogravimetric analysis)분석이
진행되었다. 분석은 20℃부터 1000℃까지 승온 속도 10℃/min로 진행되었으며 온도별 수화물의 질량손실에 따라 그 양을 파악하였다. 또한, 수화물의
상 분석을 위해 XRD분석이 진행되었다. 5˚~70˚ 범위에서 스캔속도 5˚/min로 측정되었다.
2.3.4 염소이온 고정능력 평가
28일 수중 양생된 시멘트 페이스트 실험체는 분쇄되어 입도 0.595 ~ 2.56 mm로 체가름 되어 사용되었다. 분쇄된 실험체는 수준별로 4 g씩
계량하여 28일 동안 수산화칼슘을 포화한 NaCl수용액 40 ml에 침지되었으며 염소이온농도수준은 0.1, 0.3, 0.5, 1 mol/L로 설정되었다.
침지 28일후 염소이온수용액 1 ml 계량되어 150 ml의 증류수에 희석되어 사용되었으며, 질산은 전위차 적정법을 이용해 잔류염소이온농도를 측정하였다.
측정된 잔류염소이온농도를 통해 고정염화물량이 식(1)을 통해 계산되었다.
여기서, $w_{s}$는 고정염화물량 (g/g), $V$ 는 염소이온 수용액부피 (L), $m$은 침지된 시멘트페이스트실험체 질량 (g), $C_{0}$는
초기염소이온농도 (mol/L), $C_{e}$는 반응 후 염소이온농도 (mol/L)이다.
계산된 고정염화물량과 자유염화물량를 토대로 Langmuir isotherm를 이용하여 실험체의 염소이온 고정능력이 평가되었다. 일반적으로 고정염화물량과
잔류염소이온농도의 등온흡착선은 Langmuir isotherm혹은 Freundlich isotherm으로 나타내는데 시멘트 계열 재료와 그 다양한
수화생성물이 각기 다른 염소이온 고정량을 나타내기 때문에 실험체들의 AFm상에 의한 염소이온고정능력을 평가하기 위해 본 연구에서는 Langmuir
isotherm만을 선택해서 실험에 적용하였다.
여기서, $C_{bound}$는 고정염화물량 (g/g), $C_{free}$는 자유염소이온농도 (mol/L), $\alpha$와 $\beta$는 고정능력상수를
나타낸다.
또한, 염소이온침투고정특성을 파악하기 위하여 28일 양생된 시멘트 모르타르 실험체의 침투면을 제외한 5면에 에폭시를 도포한 후 각각 28일 동안 실험체의
10배 체적의 3 wt% NaCl수용액에 침지하였다. 침지 28일후 실험체는 미세커팅기로 절단되어 EPMA (Electron probe micro
analysis)를 통해 침투깊이에 따른 고정염화물농도 매핑분석이 진행되었다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 압축강도
Fig. 3는 실험수준별 1, 3, 7, 28일차의 압축강도실험 결과이다. 1일차의 경우, OPC가 26.41 MPa로 가장 높고 M5, M10, H5, H10
실험군이 유사하였다. 3일와 7일차의 경우 또한, OPC가 가장 높은 압축강도를 나타냈으며 M5 실험체이 OPC와 가장 유사한 강도를 발현했다. 28일차
압축강도결과 H5실험체가 OPC보다 다소 높은 압축강도를 나타냄과 동시에 L10을 제외한 실험수준에서 압축강도 차이가 최대 6%미만으로 크지 않음이
확인되었다. L10 실험체의 경우 전 구간에서 가장 낮은 압축강도를 발현하였다. CAC만 치환한 L10의 경우, 비교적 많은 CA의 영향으로 초결은
30분 내외로 급속도로 진행되었지만, 강도발현이 초기부터 장기강도까지 낮다는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, CA2만 치환한 H5, H10의 실험체의 경우에는 급결 현상이 나타나지 않았으며 강도 저하가 크게 나타나지 않았다. 시멘트 모르타르 실험체의 압축강도 경향성은
이후에 MIP를 이용한 공극구조 분석을 통해 추가적으로 서술한다.
3.2 공극 구조
Fig. 3. Compressive strength of cement mortar
수은 압입법에 의한 28일 수중양생한 시멘트 모르타르 실험체의 칼슘 알루미네이트 클링커 조성비에 따른 공극구조 분석결과는 Fig. 4에 나타냈다.
칼슘 알루미네이트 클링커 치환율에 따른 실험체의 누적공극량 및 총 공극량 분석 결과, 총 공극량의 경우 OPC, H5, M5, M10, H10, L10
순으로 적게 나타났으며 본 결과는 압축강도 데이터와 같은 경향성을 나타낸다. 하지만 그 차이가 크지 않고 L10을 제외한 실험군에서 미세공극직경범위가
일치하여 재령 28일차 압축강도에서 큰 차이를 보이지 않은 것이라고 판단된다. 칼슘 알루미네이트 클링커 치환율에 따른 실험체의 공극크기분포 분석결과,
L10의 경우 다른 실험군과 달리 직경 50 ~ 1000 nm의 조대공극이 형성됨을 확인할 수 있다. 이를 통해 L10의 압축강도저하의 원인은 조밀성
부족에 의한 현상이며 양생과정에 파악된 L10실험체의 급결 현상에 의한 결과라고 판단된다. 따라서 칼슘 알루미네이트 클링커를 25%미만 혼입하였을
때 준안정물질생성이 제어되어 압축강도발현을 유지하는 것과는 별개로 10%이상 CAC를 혼입하였을 때 급결에 의한 강도저하를 가져올 수 있다고 판단된다.
L10 이외에 모든 실험체는 50 nm미만의 미세공극만 생성되어 조밀한 공극구조를 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 칼슘 알루미네이트 클링커 치환율이
증가할수록 시멘트 매트릭스의 밀실함이 감소한다고 일반적으로 판단된다.
Fig. 4. Pore size distribution of cement mortar
3.3 XRD
침지환경에 따른 수화생성물의 생성 및 소모 또한 상변화를 파악하기 위해 XRD분석을 진행하였다. Fig. 5는 각각 증류수환경과 0.5 mol/L NaCl수용액환경에서 침지한 모든 시멘트 페이스트 실험체의 XRD 결과를 나타낸다. Fig. 5(a)를 보면 증류수환경 내 모든 실험체에서 Ca(OH)2 피크와 10° ∼ 11.8°사이에서의 AFm상 피크가 생성되었으며 그 차이를 확인할 수 있다.
(Matschei, 2007; Balonis, 2010)(9,10). 11.6°과 10.7°에서의 피크는 각각 monocarboaluminate(Mc) 와 hemicarboaluminate (Hc)를 나타낸다. AFm상
피크는 치환율이 증가함에 따라 증가하는 경향성을 나타냈다. 또한, ettringite(AFt)와 monosul- fate(Ms)의 경우 OPC와 5%치환한
실험군에서 AFt가 나타났고, Ms피크는 발견되지 않았으며 10% 치환한 실험군에서만 AFt 피크가 나타나지 않고 Ms 피크가 나타났다. Ca(OH)2
피크는 H10, M10, L10이 유사한 강도로 피크가 가장 낮게 확인되며, H5, M5가 유사하고 OPC가 가장 높게 나타난다.
Fig. 5. XRD patterns of cement paste in each environment.
이러한 결과는 칼슘알루미네이트 클링커의 치환율이 증가할수록 C3S와 C2S가 감소하기 때문이라고 예상되지만 일반적으로 AFm상을 생성하는데 수반되는
Ca(OH)2의 소모도 기인한다고 판단되었다 (Tabara, 2013). Fig. 5(b)에서도 염소이온 수용액환경에서 증류수환경과 마찬가지로 칼슘 알루미네이트 클링커 치환율이 증가함에 따라 Ca(OH)2 피크가 감소하고 AFm상 피크가
증가하는 경향성을 나타냈다. 모든 실험체에서 AFt와 Ms의 피크가 나타나지 않았고 Cl-AFm피크가 크게 나타났다. Fig. 6는 각각 증류수환경과 염소이온 수용액환경에서 실험체의 AFm상 피크의 차이를 나타낸다. 염소이온수용액환경에서 침지한 실험체의 경우 증류수환경에서 나타난
AFm상 피크가 11°로 이동하여 피크가 나타난다. 이는 고농도의 염소이온 수용액 환경에서 AFm상에 음이온이 염소이온으로 치환됨에 따라 프리델 염
(Cl-AFm)이 생성된 것이다 (Matschei, 2007)(10). CA와 CA2 피크가 모든 실험체에서 발견되지 않아 모두 용해되었다고 판단하였다.
3.4 TGA
Fig. 7과 8은 증류수환경과 0.5 mol/L 염소이온수용액환경에 침지한 시멘트 페이스트 실험체의 TG(Thermogravimetry)와 DTG(Derivative
thermogravimetry) 분석 결과이다. Fig. 7(a)을 보면, 칼슘 알루미네이트 클링커를 혼입량이 증가함에 따라 110℃ ~ 240℃ 사이에서 피크가 크게 나타남을 확인 할 수 있다.
Fig. 6. XRD patterns between 8° and 13°
칼슘 알루미네이트 클링커 치환율증가에 따른 C3S와 C2S의 감소는 C-S-H 감소와 해당 피크의 감소를 야기할 것이라는 예상과 달리 나타났다. 이러한
결과는 치환율이 증가할수록 상대적으로 AFm상 생성이 증가하였기 때문이다. 또한, 430℃ ∼ 480℃ 사이에서 Ca(OH)2의 피크가 칼슘 알루미네이트
클링커 치환율이 증가할수록 감소함이 나타났다 (Mesbah, 2011; Birnin-Yauri, 1998)(21,22). 이는 XRD 분석결과의 경향성과 일치한다. 증류수 환경에서 침지한 실험체 중 U10이 AFm상을 가장 많이 생성했다.
염소이온수용액환경에 실험체를 침지시켰을 경우 프리델염이 생성됨이 나타났다. 110℃ ~ 240℃와 430℃ ~ 480℃ 사이에 나타난 피크는 증류수침지와
같은 경향성을 나타냈으며, 300℃ ~ 330℃에서 나타나는 프리델 염 피크가 칼슘 알루미네이트 클링커를 혼입한 실험체의 경우에서만 나타났다 (Mesbah,
2011; Birnin-Yauri, 1998)(21,22). 기본적으로 OPC내 C3A와 같은 칼슘 알루미네이트상이 프리델 염을 생성하지만 눈에 띄는 피크를 보이지 않아 그 양이 비교적 현저히 작은 것으로 판단되었다. 10% 치환한
실험체들의 경우 피크가 눈에 띄게 나타났지만 5% 치환한 실험체의 경우에서는 다소 피크가 작게 나타났다. H10이 L10과 M10에 비해 AFm상
피크가 작게 나타났는데 실험체 내 Al2O3의 양에 비례하여 AFm상 및 프리델 염 생성이 증가할 것이라는 예상과 다른 상이한 경향성을 나타냈다. 결과적으로, 본 실험 범위 내에서 치환율이
높을수록 Al2O3양이 증가함에 따라 염소이온 고정량이 증가한다고 판단되지만 동일한 치환율 범위 내에서 고정염화물의 생성은 Al2O3의 절대량에 의존하지 않다고 판단된다.
3.5 염소이온 고정능력 평가
Fig. 7. DTG curves of cement paste in each environment
본 실험에서 고정염화물량은 28일 동안 실험체를 0.1, 0.3, 0.5, 1 mol/L의 NaCl 수용액에 침지한 이후 잔류염소이온농도를 식(1)을 통해 계산된 값으로 한다. Fig. 9은 모든 실험체의 염소이온 고정능력을 나타낸다. 자유염소이온 농도에 따른 실험체 내 고정염화물량을 도시하였으며 Langmuir 등온선으로 곡선 피팅한
결과이다. Table 4는 Langmuir isotherm으로 피팅한 회기그래프의 파라미터 결과를 나타낸다. 시멘트 모르타르 실험체의 염소이온고정능력은 수화물 분석 결과와
일치한 경향성을 나타내었다. L10, M10, H10 실험군이 M5, H5 실험군보다 염소이온고정능력이 우수 하였으며 OPC는 가장 낮았다. 칼슘
알루미네이트 클링커를 치환한 실험체의 경우 치환율이 높을수록 고정염화물 생성이 증가하는 경향성을 나타냈다. 또한, 10% 치환된 실험군에서는 L10,
M10, H10 순으로 염소이온 고정능력이 우수하게 나타났다.
Fig. 10는 Al2O3양에 따른 염소이온수용액 농도수준별 실험체의 고정염화물량을 나타낸다. 대조군 대비 칼슘 알루미네이트 클링커를 혼입한 실험군이 고정염화물량이 증가하였다.
칼슘 알루미네이트 클링커 치환율이 증가함에 따라 Al2O3의 절대량이 증가하고 고정염화물량이 증가하였다. 5% 치환한 실험군에서 Al2O3양이 많은 H5가 M5보다 고정염화물이 증가했다.
Fig. 8. TG curves of cement paste in each environment
하지만 10% 치환된 실험군의 고정염화물량은 농도에 따라 다소 차이를 나타냈지만 L10이 고정염화물량이 가장 많았고 CA2 비율이 증가함에 따라 고정염화물량이 감소하는 경향성을 나타냈다. 수화물분석 및 염소이온고정능력평가결과, Al2O3의 절대량 뿐 만 아니라 CA-CA2비율에 따라 AFm상 형성에 차이가 나타나며 시멘트 매트릭스의 물리화학적 염소이온 고정능력이 영향을 받는다고 판단된다. 또한, 5% 치환된 실험군의
경우, CA2 비율이 높은 H5가 M5에 비해 고정염화물량이 높았기 때문에 전체 치환율 범위에 따라 CA-CA2 비율의 영향이 차이가 있다고 판단된다. 농도에 따른 차이는 있지만 본 연구 범위 내에서 실험체의 고정염화물량은 치환율 5% 수준에서 Al2O3양이 증가할수록 증가하였으며, 10% 수준에서는 CA 비율이 증가할수록 증가하였다. 결과적으로, 치환율과 CA-CA2 비율에 따른 실험체 내 CaO-Al2O3 비율 변화로 인해 염소이온 고정량에 차이를 가져온다고 판단된다 (Wang, 2019)(23).
Fig. 9. Chloride binding capacity fitted by Langmuir isotherm
Fig. 10. Bound chloride contents of specimens by Al2O3 amount
Fig. 11. Cl- mapping data by EPMA
Fig. 11은 EPMA를 통한 시멘트 매트릭스 내 고정염화물농도 매핑분석 진행한 결과이다. 칼슘 알루미네이트 클링커 치환율이 증가함에 따라 실험체 표면에서 고정염화물농도가
높게 나타나고 침투가 비교적 높은 농도에서 종결하는 것을 확인할 수 있었다. 침투깊이의 경우 M10실험체가 OPC대비 14%로 침투깊이가 가장 크게
감소하는 것으로 확인되었다. L10의 경우 염소이온 고정능력이 가장 우수 하였지만 조대공극의 형성에 의한 조밀성저하로 인해 염소이온 침투깊이 제어가
비교적 저하된 것으로 나타났다.
Table 4. Parameter of Langmuir isotherm
|
Name
|
Parameter
|
|
R2
|
α
|
β
|
|
OPC
|
0.99313
|
0.04343
|
1.35014
|
|
L10
|
0.91705
|
0.24689
|
7.03218
|
|
M5
|
0.99081
|
0.07379
|
1.9146
|
|
M10
|
0.97723
|
0.13592
|
3.25044
|
|
H5
|
0.93129
|
0.09065
|
2.58289
|
|
H10
|
0.97450
|
0.16693
|
4.58109
|
4. 결 론
본 연구에서는 시멘트 내 칼슘 알루미네이트상 비율에 따른 염소이온고정 및 침투억제능력평가를 위한 물리·화학적 특성 분석과 침지실험을 진행하였다. 칼슘
알루미네이트 비율 조성은 칼슘 알루미네이트 시멘트와 합성 CA2를 통해 진행하였으며 압축강도 및 수은 압입법을 이용한 재료의 조밀성과 강도발현을 파악하고 수화물분석과 고정염화물량 측정을 통해 화학적 염소이온고정능력을
분석하였다. 이에 따른 본 연구의 결과는 다음과 같이 서술한다.
1) 재령 일에 따른 칼슘알루미네이트 클링커를 혼입한 모르타르의 압축강도실험 결과, 클링커 치환율이 증가함에 따라 실험체의 강도발현이 다소 감소하는
것을 확인 할 수 있었다. L10실험체의 경우 초기강도발현저하가 크게 나타났으며. 공극구조분석결과, L10의 빠른 초기 경화에 의한 조대공극 형성으로
판단된다. L10을 제외한 모든 실험군에서 최대 강도 감소율이 6%미만으로 나타났기 때문에 칼슘 알루미네이트 시멘트를 10% 이하로 혼입하여 사용할
경우, 클링커조성이 CA 34%미만 일 때 강도발현능력 저하에 의한 구조재료로써 사용 제한이 없을 것이라고 판단된다.
2) 증류수환경과 염소이온수용액환경 침지 진행한 실험체의 수화물 분석결과, 칼슘 알루미네이트 클링커 치환율이 증가할수록 AFm상 및 프리델 염 생성이
증가함을 확인할 수 있었다. 모든 실험체는 분쇄되어 침지되었으며 CA 및 CA2 XRD패턴이 나타나지 않아 모두 수화됐다고 판단되었다. 하지만, 5% 치환 수준에서 프리델 염의 생성이 Al2O3양에 의존하고, 10% 치환 수준에서 CA비율에 의존하는 상이한 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 실험체 내 CaO-Al2O3 비율이 프리델 염 생성에 중요한 요인이며 치환수준에 따라 CaO-Al2O3 비율에 차이를 가져오기 때문이라고 판단되었다.
3) 등온흡착실험을 통한 실험체의 염소이온 고정능력 평가 결과, L10, H10, M10, M5, H5, OPC순으로 고정능력이 좋았다. 수화물 분석결과와
같은 경향성을 나타내며 칼슘 알루미네이트 클링커 혼입량이 증가함에 따라 증가했다. 염소이온침투깊이는 M10이 OPC대비 14%감소로 침투억제능력이
가장 뛰어났으며 5% 혼입한 실험군에 비해 10% 혼입한 실험군에서 고정염화물의 농도가 표면에서 상대적으로 높게 나타났다. 본 실험수준 내에서 CA
39%, CA2 60% 내외 범위에서 염소이온 침투억제능력이 가장 우수하다고 판단된다.
본 연구결과, 칼슘알루미네이트 클링커 치환율이 증가함에 따라 일반적으로 염소이온 고정능력이 향상함을 파악할 수 있었고, CA-CA2비율에 따라 초기경화속도와 수화반응성에 차이가 있어 공극구조와 AFm생성량에 따른 염소이온고정능력 및 염소이온침투억제능력에 차이를 보임을 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 건설기술연구사업의 연구비지원(19S CIP-B111531-05)에 의해 수행되었습니다.
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