2.1.1 시멘트

본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 H사의 밀도 3.15g/㎤, 분말도 3,318㎠/g의 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였다

2.1.2 실리카퓸 및 플라이애시

본 실험에서 pH저감 및 내구성능 개선을 목적으로 G사의 실리카퓸과 K사의 플라이애시를 사용하였으며 그 특성은 아래와 같다.

2.1.3 알파형 반수석고

본 실험에서 시멘트의 수화반응으로 인한 알칼리 저감을 목적으로 시멘트 코팅 효과가 있어 pH 저감효과가 있는 Y사의 알파형 반수석고를 사용하였으며, 그 특성은 아래와 같다^{(Jang et al., 2013)}.

2.1.4 잔골재

본 실험에서 국내에서 생산되는 S사의 입도 0.7~1.4mm의 인조규사를 사용하였으며 골재의 물리적 성질을 Table 4에 나타내었다.

2.1.5 혼화제

혼화제로는 시멘트 분리작용과 미세공기 연행으로 우수한 작업성과 안정성을 부여하고 초기 슬럼프 손실을 방지하는 국내 S사 제품의 고성능 유동화제(Super plasticizer)를 사용하였으며, 그 특성은 Table 5와 같다.

2.2.1 배합

인공어초 적용을 위한 모르타르의 pH저감 성능 및 역학적성능평가를 위해서 실리카퓸, 플라이애시, 알파형 반수석고를 사전실험에 의해 선택된 비율로 배합하여 시험하되, 모래/바인더비는 1.5, 반죽질기는 플로우 190±5%로 결정하였으며, 혼화제는 결합재량의 0.5%를 투입하였다. 이에 대한 배합표는 Table 6과 같다.

2.2.2 시험제 제작

공시체는 각 배합요인에 따라 40×40×160 mm의 공시체를 3개씩 제작하여 3시간동안 전양생을 실시한 후 온도 60℃, 습도 100% 조건으로 6시간동안 증기양생을 실시하였다.

2.3.1 압축 및 휨강도 시험방법

휨 및 압축강도 시험은 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험 방법)에 따라 1,000 kN 유압식 강도시험기를 사용하여 배합요인당 3회의 휨강도 시험과 6회의 압축강도 시험을 실시하여 평균값을 측정값으로 하였다.

2.3.2 pH 시험방법

현재 국내에서는 콘크리트의 pH측정을 위한 시험방법은 제시된 바 없다. 이에 본 연구에서는 폐기물공정시험기준 중 수소이온농도-유리전극법을 준용하여 시험을 하되, 해당 재령에서 압축강도 시험 후 파쇄된 모르타르 공시체를 무쇠절구를 이용하여 분쇄한 후 입경 0.06mm 체를 통과한 분말시료를 대상으로 pH를 측정하였다.

pH측정은 체를 통과한 시료 분말 10g과 증류수 25ml(pH 7~8)를 50ml Corning tube에 넣고 30분간 교반한 후 10분간 방치하여 그 현탁액을 여과지(7㎛)에 통과시켜 시료 용액으로 사용하였다. pH측정은 시료당 총 3회를 실시하여 평균값을 결과값으로 하였다.

2.3.3 염소이온 침투 저항성

시험체의 제작은 Ø 100 × 200mm 원주형 공시체를 제작하여 3시간동안 전양생을 실시한 후 온도 60℃, 습도 100% 조건으로 6시간동안 증기양생하였으며, 재령28일에 50mm길이로 4등분 절단하여 제작하였다. 제작된 시험체는 KS F 2711「전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험 방법」에 준하여 Fig. 2와 같이 실시하였다.

Fig. 2 Chloride ion penetration resistance test

2.3.4 길이변화 시험방법

시험체의 제작은 40×40×160 mm 각주형 공시체 양쪽 끝에 스터드를 매립하여 제작하여 3시간동안 전양생을 실시한 후 온도 60℃, 습도 100% 조건으로 6시간동안 증기양생을 실시하였다. 길이변화 측정은 KS F 2424(모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법)에 따라 콘텍트 게이지 방법으로 측정하였다.

Fig. 3 Length change test over time

2.4.1 압축강도 및 휨강도

인공어초 적용을 위한 저알칼리 모르타르의 강도 특성 평가결과는 Fig. 4 및 Fig. 5에 나타내었다. 보통포틀랜드시멘트만을 사용한 Plain의 경우, 28일까지 강도가 증가되어 46.8MPa까지 강도가 발현되었다. pH 저감을 목적으로 실리카퓸 및 플라이애시의 혼입에 따라서는 강도 발현이 Plain 대비 27.99~ 67.31%로 혼입량 증가에 따라 강도 감소경향이 뚜렷하였다. 특히, 실리카퓸 혼입에 따라 강도 감소경향이 더 커진 것으로 나타났다. 이는 동일 플로를 목표로 배합하였을 때, Plain 대비 분체량이 높은 배합에서 혼합수량 증가에 따라 강도가 감소된 것으로 판단된다.

알파반수석고는 시멘트와 초기에 결합하여 조기강도 확보가 유리한 것으로 보고되고 있다^{(Lee et al., 2016;Park et al., 2006;shin et al., 2019)}. 본 연구의 배합조건에서 동일 시멘트 대비 알파형반수석고 혼입량을 증가시켰을 때, 혼입량 증가에 따라 강도는 증가되는 것으로 확인되었다. 알파형반수석고를 혼입하지 않은 Nonα-A 대비 시멘트 비율을 30% 감소시킨 α-25, 35 배합에서 동등이상의 강도가 확보되는 것으로 확인되었다.

배합조건별 휨강도 특성은 압축강도와 유사한 경향을 나타내었으며, 실리카퓸, 플라이애시 및 알파형반수석고의 혼입이 휨강도 특성에 미치는 영향은 압축강도와 동일한 경향을 나타내었다.

해양구조물에 대한 압축강도 규정을 살펴보면 ‘항만 및 어항 설계기준ㆍ해설^{(MOF, 2017)}’에서 동결융해작용을 받지 않는 철근콘크리트의 해중환경하의 최소 설계기준압축강도는 27MPa 이상으로 제시하고 있고, ‘인공어초 표준설계 및 제작ㆍ설치 등에 관한 지침’에 따르면 콘크리트어초의 레미콘기준강도는 21MPa 이상으로 규정되어 있다.

따라서 이를 고려하였을 때 수중에 설치되는 인공어초의 압축강도는 최소 27MPa이상을 만족하는 것이 타당하므로, α-25, α-35배합은 인공어초용 모르타르로 적용 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 4 Result of Compressive strength test

Fig. 5 Result of Flexural strength test

2.4.2 pH 시험

인공어초용 콘크리트에서 pH 변화에 따른 해양식물의 생장성(뿌리 활착 및 영양소 흡수성)을 고려한다면 콘크리트 내·외부의 정확한 pH 측정 방법이 요구된다. 하지만 기존 연구에서 사용된 리칭법의 경우 수분과 접촉하는 콘크리트 외부의 pH 측정에 국한될 수 있으며^{(Lee et al., 2011; Kim et al., 2014)}, 시간의 지남에 따른 알칼리성분의 용출로 인한 pH 변화가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서 pH 측정은 콘크리트 내·외부의 균질한 pH 값을 측정하기 위해 KS F 2103 흙의 pH 값 측정방법에 따라 시료를 미분으로 분쇄 후 30 g을 채취하고 증류수 25 ml와 혼합하여 pH를 측정하였다.

알파형 반수석고 100% 페이스트의 pH는 재령에 관계없이 약 6.7수준으로 보고되고 있다. 이를 활용하면, 보통포틀랜드시멘트 만을 사용한 배합보다 우수한 pH 저감효과를 보일 수있을 것으로 판단한다.

시험결과는 Fig. 6에 나타내었으며, 재령의 경과와 상관없이 Plain 배합에서는 12이상의 pH를 나타내었다. 보통포틀랜드시멘트의 배합비율 감소를 위해 실리카퓸 및 플라이애시의 혼입율별 pH를 측정하였을 때, 일부 pH가 감소되는 경향을 나타내기도 하였지만, 대체적으로 11~12 정도의 pH를 나타내어 중성화는 되지 못하는 것으로 확인되었다. 알파형반수석고 혼입에 따른 pH변화량 분석결과, 재령의 경과에 따라 pH 감소 경향이 큰 것으로 나타났으며, 알파형 반수석고의 혼입량 증가에 따라서도 알칼리도가 감소되는 것으로 확인되었다. 이는 기존 연구결과와 유사한 경향으로서^{(Kim et al., 2007; Park et al., 2007)}, 시멘트 대체로 실리카퓸, 플라이애시를 혼입한 상태에서 알파형반수석고 사용시 수산화칼슘 생성이 억제되고 황산칼슘이 생성됨에 따라 pH가 감소된 것으로 판단된다.

Fig. 6 Result of pH variation

2.4.3 염소이온침투저항성

인공어초 제작용 모르타르의 알칼리저감을 위한 배합조건별 염소이온침투저항성 시험결과는 Fig. 7에 나타내었다.

시멘트 대체 혼화재를 혼합하지 않은 Plain 조건에서는 7620C의 높은 통과전하량 값을 나타내어 다소 높은 염소이온침투저항성을 나타내었다. 실리카퓸 및 플라이애시 혼입에 따른 염소이온침투저항성 값을 측정한 결과, 플라이애시의 비율이 조금 더 높은 경우에 통과전하량값이 상대적으로 낮게 나타났고, 실리카퓸의 혼입비율 48% 에서는 가장 높은 통과전하량을 나타내었다. 이는 블레인값이 높고 SiO$_{2}$ 함량이 높은 일반적인 실리카퓸을 적정량 사용시 콘크리트 내부 매트릭스를 치밀하게 하여 염소이온침투저항성을 높게 하지만, 일정사용량 이상의 혼입은 모르타르 믹싱시 혼합수의 증가를 야기 시키고, 본 연구에 적용한 저품질 실리카퓸의 경우 낮은 블레인값을 가지기 때문에 내구성이 낮은 경향을 나타낸 것으로 판단된다.

알파반수석고의 혼입량 증가에 따라서는 통과전하량 값이 낮아지는 경향을 나타내어 α-35 배합에서 3844C의 가장 우수한 염소이온침투저항성을 나타냈다. 이러한 결과는 압축강도 시험 결과와 유사한 경향으로서, 상관관계가 높은 것으로 판단된다.

Fig. 7 Result of chloride ion penetration resistance

2.4.4 길이변화

인공어초 제작시 적용되는 콘크리트의 pH저감을 목적으로 혼합되는 실리카퓸 및 플라이애시는 재령에 따른 건조수축이 발생되는 것으로 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 모르타르의 수축에 따른 보상을 위해 경화시 팽창특성을 나타내는^{(Lee et al., 2015)} 알파형 반수석고를 혼입하여 길이변화를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 8에 나타낸바와 같다.

모든 배합조건에서 초기 미세한 팽창을 나타낸 후 28일까지 급격한 수축을 나타내었으며 56일 이후에는 완만하게 수렴하는 것으로 나타나 기존 연구결과^{(Shin et al., 2019)}와 유사한 경향을 나타내었다.

보통포틀랜드시멘트를 단독으로 사용한 Plain배합 조건에서는 재령 56일에 254×10-6 의 수축이 발생되었으며, 실리카퓸 및 플라이애시 혼합시 268×10-6 ~ 384×10-6 의 수축을 나타내었다. 팽창특성을 가지는 알파형반수석고 혼입시 Pain보다 작은 수축량을 나타내어 124×10-6 ~ 159×10-6 정도로서 수축량이 감소됨에 따라 균열저감 성능도 우수할 것으로 판단된다.

Fig. 8 Result of Length change test over time