2.1 실험 재료

2.2 배합 및 성형

2.3 실험 방법

2.3.2 알칼리 용출량 시험방법

모르타르 및 콘크리트의 알칼리용출량 측정을 위한 기준은 아직 국내에 제시된 바가 없으므로, 폐기물공정시험기준을 준용하여 pH를 측정하였다.

알칼리 용출량 측정을 위한 시료는 압축강도 시험 후 파쇄된 시료를 60℃로 24시간 건조한 후 이를 모두 분쇄하여 0.15 mm 체를 통과한 분말시료 10 g을 제조한 뒤 증류수 25 ml와 함께 50 ml 비커에 넣고 30분간 방치한뒤 비커의 상층액을 대상으로 사용하였다.

또한 pH측정은 각 시료당 최소 3회 이상을 실시하되 측정값이 0.05 이하의 차이를 보일 때까지 반복하여 측정한 후 이를 산술평균하여 최종 결과값으로 하였다.

Fig. 1 Compressive and flexural strength test

Fig. 2 pH test

2.3.3 동결융해시험방법

동결 융해 시험은 KS F 2456 ｢급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법｣에 준하여 시험하였다. 공시체는 100 × 100 × 400 mm 의 각주형 공시체를 각 배합별 3개씩 제작하여 20±5℃ 항온항습실에서 양생하고 재령28일에 동결 융해 시험기를 이용하여 공시체의 중심부 온도를 동결시 –18℃로 떨어지고 융해시 4℃까지 상승하는 것을 1cycle로 하였다. 300cycle 까지 반복 후 상대 동탄성계수 및 질량 감소율을 측정 하였다. 동결융해시험장치는 Fig. 3에 제시하였다.

Fig. 3 Freeze-thaw test

2.3.4 염소이온 침투 저항성

시험체의 제작은 Ø 100 × 200mm 원주형 공시체를 각 배합별 3개씩 제작하여 20±5℃ 항온항습실에서 양생하고, 재령28일에 50 mm길이로 3등분 절단하여 제작하였다. 제작된 시험체는 KS F 2711 ｢전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험 방법｣에 준하여 Fig. 4와 같이 실시하였다.

Fig. 4 Chloride ion penetration resistance test

3.1 압축 및 휨강도시험 결과

탄소저감형 모르타르의 압축 및 휨강도 시험 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5 Result of Compressive strength and flexural strength test

먼저 압축강도 시험결과를 살펴보면, 보통포틀랜트시멘트와 플라이애시, 실리카퓸만을 활용한 경우 단위시멘트량이 증가할수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타나, 단위시멘트 배합비율이 20%인 A-시리즈는 약 16.0∼17.2 MPa을 보였으나 30%인 B-시리즈는 약 24.1∼25.9 MPa의 압축강도를 나타내 A-시리즈보다 B-시리즈의 압축강도가 약 1.5배 높은 것으로 측정되었다.

또한 실리카퓸과 플라이애시가 동시에 혼입된 경우 각 재료의 혼입비율에 따른 결과를 비교해 보면 플라이애시의 혼입비율이 높은 A-1과 A-2 보다 실리카퓸의 혼입비율이 높은 A-2와 B-2가 약 7.5% 정도 높은 강도를 나타내는 것으로 나타나 강도 개선 효과는 플라이애시보다 실리카퓸이 다소 큰 것으로 판단된다.

고로슬래그 미분말의 혼입에 따른 압축강도 시험결과(C-1∼ C-4)를 살펴보면, 동일한 일반시멘트 배합비율에서 고로슬래그 미분말의 배합비율이 5%에서 8% 증가함에 따라 압축강도는 약 1.5∼3.2% 감소하는 것으로 나타났다.

또한 휨강도 시험결과는 압축강도 시험결과와 전체적으로 유사한 경향을 보였으며, 압축 및 휨강도의 시험결과를 전체적으로 살펴보면 S/B를 1.5으로 유지한 상태에서 전체 결합재의 65∼70%를 산업부산물로 대체하여도 24 MPa 이상의 압축강도를 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 다만, 경제성 측면에서 플라이애시나 실리카퓸 보다 고로슬래그 미분말의 활용성이 높다고 판단되나, 고로슬래그 미분말을 대량 활용을 위해서는 알칼리 활성화제 사용이 강제되므로 이에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 6 Result of pH variation

3.2 pH 실험 결과

아래 Fig. 2에 각 배합요인별 시험체의 분말시료를 이용한 수용액의 pH 시험결과를 나타내었고 시험결과를 살펴보면 전체적으로 9.80∼12.11의 pH 시험결과를 보였다. 선행시험결과 S/B 1.5의 시멘트 모르타르 시험체(Plane)의 pH는 12.28∼ 12.33의 결과를 보인 것에 비하면 다소 낮은 결과를 나타낸 것으로 이는 보통시멘트 배합비율보다 높은 산업부산물을 활용한 것에 기인한 것으로 판단된다.

특히 보통시멘트의 배합비율을 살펴볼때 pH저감에 가장 큰 요인은 단위시멘트량의 저감으로 판단되나, 산업부산물의 사용 측면에서 살펴보면 강도시험 결과와는 반대로 실리카퓸보다 플라이애시가 pH 저감에 효과적인 것으로 나타났다.

한편 콘크리트는 시멘트와 물의 수화과정에서 다량의 수산화칼슘이 만들어지기 때문에 보통 pH 12∼13의 강알칼리성을 가지게 되며 이러한 강알칼리성으로 인해 내부의 철근의 부식을 방지할 수 있게 되나 콘크리트의 수산화칼슘과 공기 중의 이산화탄소가 반응하면 탄산칼슘을 생성하여 점차 알칼리성을 잃게 되어 내부의 철근 부식이 촉진되므로 콘크리트의 알칼리성은 구조물의 내구성에 큰 영향을 미치게 된다.

하지만 생태계와 조화 및 공생에 적합한 형태의 콘크리트 라는 환경친화 콘크리트^{(JCI, 1995)}의 개념에서 생각하여 보면 높은 pH는 생물의 서식에 악영향을 미칠수 있으므로 에코콘크리트, 그린콘크리트, 식생콘크리트^{(Han, 2003; Shunsuke, 2001)} 등으로 명명되어 다양한 연구가 진행된바 있고 특히 생물에 적합한 서식환경 제공하기 위해서 콘크리트의 pH를 저감시키기 위한 연구도 진행된 바 있다^{(Sung et al., 2002)}.

이러한 생물의 서식환경에 적합한 콘크리트는 하천 사면에 설치되는 호안블록 및 경관 보도용 잔디블록 등의 녹화을 위한 환경 뿐만 아니라 수중의 인공어초 용도로 사용될 수 있으므로 플라이애시 및 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 등의 산업부산물을 다량 활용할 경우 탄소저감 효과와 더불어 친환경적인 콘크리크의 제조 측면에서도 장점을 가질 것으로 판단된다.

3.3 염소이온침투저항성

탄소저감형 모르타르의 배합조건별 염소이온침투저항성 시험결과는 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7 Result of chloride ion penetration resistance

단위시멘트량이 가장 낮은 A-시리즈 배합의 경우 통과전하량이 6,048∼6,999 범위로 측정되어 염소이온침투저항성이 가장 낮은 것으로 확인되었으며, 단위시멘트량이 비교적 높은 B-시리즈 배합의 경우 5,150∼6,450 범위로 측정되어 염소이온침투저항성이 다소 개선되었다. 이는 포졸란 반응에 필요한 Ca(OH)₂의 생성이 낮은 A-시리즈 배합조건에서 모르타르 내부의 매트릭스가 치밀해지지 못했기 때문으로 판단된다. 동일 시멘트 조건에서는 플라이애시 혼입량보다 실리카퓸의 혼입량이 많은 배합조건에서 미소하지만 침투저항성이 높아진 것으로 확인되었다. 고로슬래그 미분말 혼입조건에 따른 C-시리즈 배합에서는 고로슬래그 미분말의 혼입량 증가에 따라 통과전하량 값이 감소되는 경향을 나타내었으며, 같은 배합조건에서 A, B시리즈보다 시험체별 통과전하량의 표준편차가 감소 되는 것으로 확인되었다. 고로슬래그 미분말 5% 및 8% 대체 혼입시 통과전하량이 평균 최대 4,994에서 최소 4,148까지 약 850 C 정도 감소되는 것으로 나타났다. 이는 잠재수경성에 의해 생성된 C-S-H겔이 공극구조를 개선^{(KCI, 2016)}시켰기 때문에 수밀성이 향상되어 염소이온침투저항성이 개선된 것으로 판단된다. 동일 고로슬래그 미분말 혼입조건에서는 플라이애시 혼입량보다 실리카퓸의 혼입량이 많은 배합조건에서 미소하지만 침투저항성이 향상되는 것으로 확인되었다.

3.4 내동해성 평가

탄소저감형 모르타르의 배합조건별 내동해성에 미치는 영향을 분석하기 위해, 동결융해 사이클에 따른 상대동탄성계수 측정결과를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8 Results of relative dynamic modulus of elasticity

A 및 B-시리즈 배합의 경우, 저강도 모르타르로 제작되어 300사이클 기준 상대동탄성계수가 80% 이하로 측정되어 일반콘크리트 대비 낮은 동결융해저항성을 나타내었다. 하지만, 단위시멘트량이 높은 C-시리즈 배합의 경우, 80%이상의 상대동탄성계수를 나타내어 산업부산물이 혼입되어 초기 강도가 낮은 배합조건에도 일반콘크리트 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.

A-시리즈의 경우, 단위시멘트량이 가장 작은 배합조건으로서, 낮은 강도 경향과 유사한 동결융해저항성을 나타내어 300사이클 기준 66.0∼69.3%의 상대동탄성계수를 나타내었다. B-시리즈의 경우 100 사이클에서 일부 고로슬래그 미분말을 혼입한 C-시리즈보다 높은 상대동탄성계수를 나타내기도 했지만, 최종 300사이클에서는 80%보다 낮은 상대동탄성계수를 나타내었다. A, B-시리즈 모두 실리카퓸의 높은 혼입률에서 미소하지만 높은 상대동탄성계수를 나타내 플라이애시보다 높은 내동해성을 가지는 것으로 확인되었다. C-시리즈의 경우, 단위시멘트량 증대에 따라 초기강도 발현이 빨라져 내동해성이 개선된 것으로 판단된다. 하지만 고로슬래그 미분말 혼입에 따라서는 혼입량이 높은 C-3,4의 배합조건에서 낮은 상대동탄성계수를 나타내었는데. 이는 고로슬래그 미분말 혼입 모르타르의 초기강도 저하가 원인으로 판단된다.

3.5 탄소저감형 시멘트 모르타르 CO₂ 배출양 분석

콘크리트 생산시 CO₂ 배출량 평가를 위한 시스템의 경계는 원료채취에서부터 생산까지 전단계이며, 콘크리트 구조물의 전과정 CO₂ 배출 양의 평가를 위한 시스템 경계는 원료채취에서부터 폐기 및 재활용단계 까지이다. 본 절에서는 탄소저감형 시멘트 모르타르 제작시 배출되는 CO₂량을 평가하고자 하며, 재료 단계의 CO₂ 배출량을 배합조건별로 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9 CO₂ emissions

배합조건별 잔골재 및 물, 생산시의 CO₂ 발생량은 동일한 조건으로서, 배합조건에 따른 원료만의 CO₂ 배출량만을 평가하였으며, 기존 문헌에서 콘크리트 생산시 재료 운송에 따른 CO₂ 배출량은 재료의 1% 미만으로 제시되고 있어 배제하였다.

평가결과, 재료의 CO₂ 배출량은 모든 배합조건에서 시멘트가 98.5∼99.1% 를 차지하는 것으로 나타났다. 동일 결합재 조건에서 OPC로만 제작한 경우 CO₂ 배출량이 93.1 CO₂-kg/ton 인 경우와 비교하면, 20.3∼35.5% 정도로 배출량이 감소되는 것으로 나타났다.