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Journal of the Korea Concrete Institute

J Korea Inst. Struct. Maint. Insp.

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Research article

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Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection

J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp. Vol. 30, No. 1, p.1-8

ISSN (print) :

2234-6937

ISSN (online) :

2287-6979

Received : 20 November 2025Revised : 01 December 2025Accepted : 04 December 2025

DOI :

10.11112/jksmi.2026.30.1.1

탄소위기 대응형 저온 소성 WPC를 적용한 보수용 모르타르의 접착 특성

Bonding Properties of Repair Mortar Using Low-Temperature Sintering ECO-Friendly WPC Developed in Response to the Carbon Crisis

박수현 (Su-Hyeon Park) ¹ 이병재 (Byung-Jae Lee) ² 김윤용 (Yun-Yong Kim) ³^*

정회원, ㈜ 유니온 기술연구소 연구원
정회원, 대전대학교 토목환경공학과 조교수
정회원, 충남대학교 토목공학과 교수, 교신저자

^*Corresponding Author yunkim@cnu.ac.kr Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Deajeon, 34134, Korea

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

초록

본 연구는 불소 함유 반도체 슬러지(FSS)를 광화제로 활용하여 WPC의 저온 소성 적용 가능성을 검토하고, 이를 적용한 보수 모르타르의 성능을 분석하였다. FSS를 첨가한 WPC는 기존 대비 50 °C 낮은 1,450 °C 조건에서도 동등 이상의 압축강도를 확보하여 저온 소성 공정의 실현 가능성을 입증하였다. 또한 FSS 첨가 보수 모르타르의 백색도, 초기 길이변화율, 보수율은 NF 첨가와 유사한 결과를 보이며 KS기준을 만족하였고, KS 타일 시멘트 규격(28일 1.3 MPa 이상) 역시 충족하여 적용성을 확인하였다. 특히 보수재의 핵심 성능인 인장부착강도는 28일 기준 KS 표준 품질기준인 1.0MPa을 상회하였으며, 전단접착강도와 인장부착강도 간의 상관도는 98% 이상으로 매우 높게 나타내었다. 이러한 결과는 FSS가 천연 형석을 대체하는 효과적인 광화제로서 에너지 절감 및 CO₂ 배출 저감에 기여할 수 있으며, 동시에 보수재료로서의 활용 가능성이 있음을 보여주었다.

Abstract

This study investigated the potential of utilizing Fluorine-based Semiconductor Sludge FSS as a mineralizer for the low-temperature sintering of White Portland Cement (WPC) in response to the carbon crisis by demonstrating that FSS-incorporated WPC achieves equivalent or superior compressive strength at a 1,450°C firing temperature (a 50°C reduction from conventional methods), while the resulting repair mortar confirms its applicability as a sustainable repair material by meeting KS standards for whiteness, dimensional stability, and bond performance, with the shear bond strength (1.90 times the tensile bond strength) showing a high correlation (>98 %) to the tensile bond strength.

핵심용어

WPC 모르타르, 저온 소성, 불소계 산업부산물, 시멘트 클링커, 탄소배출 저감

Keywords

WPC mortar, Low temperature sintering, Fluorine based industry by-product, Cement clinker, CO₂ emission reduction

1. 서 론

시멘트는 건설 산업에 있어서 다른 건설 재료에 비하여 경제적이고 우수한 물리적 특성과 내구성을 가지고 있어 빌딩, 도로, 교량, 댐 등 다양한 건축 및 토목 구조물에 적용하여 사용중인 재료이다. 하지만 이러한 시멘트는 연료 연소 과정(화석연료 사용)과 원료 소성 과정(탈탄산 과정)에서 많은 양의 CO₂를 배출하게 된다. 이러한 이유로 시멘트 분야에서 온실가스 배출량을 줄이기 위하여 석회석 원료의 비탄산염 원료 대체기술, 혼합재 종류 및 함량 증대 기술, 이산화탄소 반응 경화 시멘트 제조 기술, 시멘트 저온소성 가능 원료 대체 기술, 순환자원 활용 및 폐기물 재활용 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 원료 대체 기술 중 하나인 시멘트 저온소성 기술은 시멘트 제조 과정에서 시멘트 클링커 생성에 필요로 하는 열에너지인 소성 온도를 낮추면서도 유사한 성능의 시멘트 클링커를 생산할 수 있는 기술이다^{(Helmy et al., 2003;} ^{Tazuddin et al., 2020;} ^{Altun et al., 1999;} Klemm et al). 이를 통해 소성과정에서 화석 연료 사용량을 줄이고, 그에 따른 CO₂ 배출량을 효과적으로 감축시킬 수 있다. 백색 포틀랜드 시멘트(이하 WPC)의 소성온도는 일반적으로 약 1500∼1600℃로, 보통 포틀랜드 시멘트(이하_OPC)의 소성온도인 1450℃보다 높다. 시멘트 원료중 철분은 광물 생성에 있어 용융제로 작용하여 소성온도를 낮추는 역할을 하지만, WPC에서는 백색제조를 위하여 산화시 어두운 색을 발색하는 철분 함량이 제한되면서 이러한 효과가 줄어들게 된다. 이를 해결하기 위해 WPC 제조에 소성온도를 낮추기 위한 광화제로 천연 형석(CaF₂)이 사용되어 왔다^{(V.Johansen et al., 2011)}. 형석은 플루오린(F)성분을 함유하고 있어, 소성 과정에서 원료의 융점을 낮추는 역할을 하며 광물 생성 반응을 촉진하여 소성 효율을 개선할 수 있다^{(Kacimi et al., 2006;} ^{Teresa et al., 1981;} ^{Kakali et al., 1996)}. 또한 형석은 다른 용융제(철,마그네슘 등)와 달리 시멘트의 색상에 영향을 미치지 않고, 백색도 저하를 방지할 수 있다. 전 세계적으로 CaF₂는 광화제와 플럭스로 널리 사용되는 물질이며, 고체 상태 확산을 개선해 C₃S의 생성 온도를 낮춘다. 기존 연구에 따르면^{(Tristana et al., 2014)} CaF₂를 원료 혼합물에 0.8 wt% 첨가할 경우 소성성이 향상되는 것을 확인되었다. 이를 통해 C₃S 형성이 약 50∼100°C 낮은 온도에서 촉진된다는 것을 입증하였다^{(Gutt, W et al., 1970;} ^{Gutt W et al., 1968;} ^{Moir GK et al., 1982)}. 시멘트 소성공정에서 저온 소성을 가능하게 하는 광화제는 매우 유용한 해결책으로 평가받고 있으나^{(Choi J.W et al., 2020)} 전량을 수입에 의존하고 있어 경제성이 낮은 단점을 가진다.

한편, 반도체 제조 과정에서 발생하는 폐수 슬러지는 폐수 처리 시 생성되는 침전물로, 전체 반도체 폐기물의 절반 이상을 차지하고 있다. 이러한 폐수 슬러지는 처리 과정에서 생석회를 첨가하여 광물화시키고 CaF₂를 생성한다. 이후 필터프레스 공정을 거쳐 수분을 최대한 제거한 뒤, 타 산업에서 폐기물 또는 특정 용도에 맞게 활용된다. 반도체 폐수 슬러지는 CaF₂를 주성분으로 약 50∼60% 함유하고 있으며, 이는 형석의 주요 성분과 비슷한 특징을 가진다.

또한, 국내 사회기반시설물의 노후화에 따른 콘크리트 보수시장이 확대되어 단면보수 및 단면복구가 활발히 진행되고 있는데 WPC를 적용하면 보수 후 주변 구조물과의 미관적인 일체감을 확보하는 데 유리하다. 특히, 교량 등 외부 노출 콘크리트 구조물의 단면을 보수할 때, WPC의 중성적인 색상 바탕에 안료를 사용하여 기존 콘크리트와 동일한 색상으로 보수할 수 있어 심미적인 품질을 크게 향상시킬 수 있다.

따라서, 이 연구는 탄소위기 대응형 저온 소성 백시멘트의 콘크리트 구조물 보수재료 적용을 위하여 기존에 광화제로 사용되고 있는 천연 자원인 형석을 대체할 수 있는 반도체 산업부산물의 광화제 적용 가능성을 검토하고, 저온 소성 WPC 및 백시멘트 적용 모르타르의 특성을 분석하였다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

본 연구에서는 선행 연구를 ^{(Park et al., 2024)} 바탕으로 광화제의 종류 및 F 함량을 고려하여 총 F 첨가량을 설정하였다. F 함량이 36.6%인 천연형석을 0.5wt% 첨가한 NF0.5 샘플의 총 F 첨가량은 0.18%로 계산되었다. 이에 대응하여, F 함량이 0.18%인 반도체슬러지를 1.0wt% 첨가하여 NF0.5와 유사한 총 F 첨가량(0.18%)을 갖는 FSS1.0 샘플을 제조하였다. 시멘트 내 F 첨가량 변화에 따른 특성을 확인하기 위해, 반도체슬러지를 1.4wt% 및 1.8wt% 첨가한 FSS1.4 및 FSS1.8 샘플을 추가로 제조하였으며, 이들의 총 F 첨가량은 각각 0.25%와 0.33%로 계산되었다. 해당 샘플들은 시멘트 원료인 raw meal에 혼합 후, 실험실 규모의 박스형 전기로를 이용하여 1450°C에서 소성하여 클링커를 제조하였다. 특히, WPC우, 냉각방식이 백색도에 영향을 미칠 수 있으므로 모든 샘플은 수냉방식(water qnching)을 통해 급속 냉각하였다. 이후 클링커 96%와 석고 약 4%를 혼합하여 Ball mill(Pot mill)을 사용해 분쇄하였으며, 최종적으로 분말도 3800±200㎠/g 수준의 백색 포틀랜드 시멘트를 제조하였다. 석고의 특성은 아래 Table 1에 제시하였다. 제조된 시멘트는 응결 시간, 압축강도 등의 물성 평가를 실시하였으며, Fig. 1 은 박스형 고온 전기로를 사용한 소성 일정을 나타낸 것이다. 최종적으로 본 연구에서 개발된 저온소성 WPC 모르타르로 적용하여 그 특성을 분석하였다.

Table 1. Characteristics of gypsum

Chemical Composition(wt%)			Properties
CaO	SO₃	CaSO₄	Whiteness index (Hunter method)	Water content(%)
36.7	53.2	0.64	95±2	5±1

Fig. 1. Schedule of box furnace sintering

2.2 사용재료

2.2.1 시멘트 주원료

본 시험에서 사용한 주원료로 시멘트사(U사)에서 생산공정에서 채취한 조합원료(raw mix)를 사용하였다. 유연탄 연소재에 의한 화학변화 보정을 위하여 플라이애시를 1.3% 혼합하여 제조하였으며 Table 2에 화학조성 및 Modulus를 표시하였다. 화학조성은 X-Ray fluorescence(XRF)에 의해 산정하였으며, Bruker사 Lion S8 장비를 이용하였다.

Table 2. Characteristics of raw mix of cement

Chemical composition (wt%)							Modulus
CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	SO₃	LoI	LSF	SM
44.7	15.3	2.8	0.1	0.7	0.4	36	95±2	5±1

2.2.2 시멘트 광화제(천연 형석, 반도체 슬러지)

부원료로는 광화제 역할을 하는 천연 형석(Natural fluorite, 이하 NF) 및 불소 함유 반도체 슬러지(Fluorine based Semiconductor sludge, 이하 FSS)를 사용하였으며 겉모양은 Fig. 2에 나타내었다.

Table 3은 광화제인 천연 형석, 반도체 슬러지의 화학조성을 표시하였다.

반도체 슬러지는 수분 함량이 높아, 105℃에서 1시간 동안 건조한 후 유성볼밀을 이용하여 분말 형태로 샘플을 제작하였다. 또한 반도체 슬러지를 1,000℃에서 하소한 뒤 XRD 분석을 실시하였다. 천연형석과 반도체 슬러지의 XRD 분석 결과를 Fig. 3에 나타내었다. NF와 FSS에서 유사한 Major Peak가 확인되었으며, 이는 이들의 주성분이 광화제로서 중요한 역할을 하는 Fluorite(CaF₂)임을 나타낸다. 추가적으로 관찰된 Minor Peak는 Quartz(SiO₂), Anhydrite(CaSO₄)로 확인되었다.

Fig. 2. Photo of applied mineralizers

Table 3. Chemical compositions of mineralizers

	Chemical composition (wt%)
	CaO	SiO₂	Fe₂O₃	SO₃	Al₂O₃	P₂O₅	F	etc	LoI
NF	46.1	12.75	0.47	0.14	0.64	0.04	36.6	0.45	2.82
FSS	35.3	1.47	0.25	1.23	10.84	6.87	18.4	1.31	24.3

Fig. 3. The X-ray diffraction (XRD)

2.2.3 WPC 모르타르 재료

WPC 모르타르는 돌로마이트 계열의 부순 골재(6호, 7호)가 사용되었으며, 혼화제는 작업성 향상을 위해 소량의 증점제가 첨가되었다. 해당 배합표는 Table 4 에 나타냈었다. 또한 부순 골재의 형상은 Fig. 4 에 나타내었다.

Table 4. Mixing design of WPC mortar

Mix	W/C(%)	WPC mortar mix ration(%)
		WPC	Crushed aggregate		Additives
		WPC	No.6	No.7	Additives
None	73.3	30	52	17.6	0.4
NF 0.5
FSS 1.0
FSS 1.4
FSS 1.8

Fig. 4. Photo of crushed aggregate

2.3 시험방법

2.3.1 시멘트 클링커 백색도 평가

백색도 측정은 KS L 5113 표준에 따라 Hunter법을 적용하여 측정하였으며, 측정 장비는 Hunter Lab사의 Color Flex EZ 분광 측색계 (색차 분석기)를 활용하였다.

2.3.2 WPC 압축강도

WPC의 압축강도 시험은 KS L ISO 679 표준에 따라 40×40×160 mm 크기의 공시체를 제작한 후. 재령 1일, 3일, 7일, 28일에 걸쳐 강도를 측정하였다.

2.3.3 WPC 모르타르 압축강도

WPC 모르타르의 압축강도 시험은 KS L 5105 수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험방법 표준에 따라 50×50×50 mm 크기의 공시체를 제작한 후. 재령 3일, 7일, 28일에 걸쳐 강도를 측정하였다.

2.3.4 WPC 모르타르 전단접착강도

WPC 모르타르의 전단접착강도는 KS L 1592에 준하여 평가하였다. WPC 모르타르를 이용하여 세라믹 타일을 고정시키는 성능을 평가할 수 있는 항목으로서 WPC 모르타르의 보수 전단접착성을 간접적으로 손쉽게 평가할 수 있는 방법이다. 3 mm 두께의 WPC 모르타르를 타일 사이에 채워 시편을 제작하였고, 타일의 엇갈림 길이는 6 mm가 되도록 하였다. 이후 9.8 kN/min의 속도로 하중을 가하여 전단접착강도를 측정하였다. 최대하중을 타일의 접착면적으로 나누어 MPa로 계산하였다.

Fig. 5. Shear bonding strength test

2.3.5 WPC 모르타르 인장부착강도

부착강도 시험체는 KS F 4042 ‘콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르’ 에 준하여 시험체를 제작하였으며, 기건과 수중으로 구분하여 시험체를 제작하였다. 시험은 만능시험기를 이용해서 크로스벡터 속도 1 mm/min로 강제 축을 접착한 공시체의 인장접착강도 시험을 실시하였다.

Fig. 6. Tensile bonding strength test

2.3.6 WPC 모르타르의 초기재령 길이변화율과 보수율

초기재령 길이변화율 측정을 위하여 25.4×25.4×254 mm 크기의 WPC 모르타르 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 온도 20℃, 상대습도 90% 이상의 조건에서 3일 간 양생을 마친 후, 탈형하여 최초의 시편 길이를 측정한다. 그 이후, 온도 20℃, 상대습도 50% 이상의 조건에서 7일 경과 후 시편 길이를 재차 측정한다.

보수율의 경우, 유리판 위에 거름종이를 올리고 그 가운데에 반죽된 WPC 모르타르를 안지름 50 mm, 높이 10 mm의 황동 재질 원형 틀에 채운 뒤 뒤집어 준다. 이후 60분 후 거름종이에 흡수된 가장 큰 부분과 직각 방향 부분의 크기를 측정한다.

Fig. 7. Length change rate test

Fig. 8. Water replenishment rate test

3. 실험결과 및 분석

3.1 시멘트 평가

3.1.1 백색도

백색도는 백색 포틀랜드 시멘트에서 매우 중요한 항목이며, 이를 평가하기 위해 광화제를 적용하지 않은 None 샘플과 광화제를 적용한 백색 포틀랜드 시멘트의 백색도를 측정한 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 샘플명에 따라 None, NF 0.5, FSS1.0, FSS1.4, FSS1.8의 백색도는 각각 91.22, 91.52, 91.54, 91.01, 91.13으로 나타내었다. 소성온도 1450℃에서 광화제 첨가여부에 따른 백색도의 변화 경향은 관찰되지 않았다. 이는 광화제 내 백색도에 영향을 주는 미지시료가 매우 적으며 Fe를 포함한 중금속 함량이 극히 적기 때문으로 판단된다. 백색도에 가장 영향을 미치는 요인은 소성 후 시멘트 클링커의 냉각방식(water ququenching)으로 결정되는 것으로 보여진다.

Fig. 9. Cement whiteness by mineralizers application

3.1.2 압축강도

압축강도는 재령 1일, 3일, 7일, 28일에 걸쳐 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 10에 제시하였다. 광화제를 첨가하지 않은 None 샘플은 각각 18.0 ± 2.5, 41.0 ± 1.9, 48.4 ± 2.7, 56.9 ± 2.7 MPa의 압축강도를 나타내었다. 천연 형석을 0.5 wt% 첨가한 NF0.5는 18.6 ± 2.5, 39.8 ± 2.7, 46.9 ± 2.9, 56.9 ± 2.7 MPa로 측정되었다.

반도체 슬러지를 1.0 wt% 첨가한 FSS1.0은 각각 19.6 ± 1.5, 42.8 ± 1.5, 50.6 ± 2.9, 58.5 ± 2.1 MPa로 나타났으며, FSS1.4 (1.4 wt% 첨가)는 19.1 ± 2.2, 40.6 ± 2.3, 49.8 ± 3.2, 58.7 ± 2.2 MPa로 측정되었다. 가장 많은 양인 1.8 wt%의 슬러지를 첨가한 FSS1.8은 18.8 ± 2.3, 39.7 ± 2.9, 48.5 ± 3.8, 57.7 ± 2.9 MPa의 압축강도를 나타내었다.

재령 1일과 3일의 초기 강도에서는 NF0.5 및 FSS1.0∼1.8이 None 대비 명확한 증감 경향을 나타내지 않았으며, 전반적으로 유사한 수준의 강도를 보였다. 재령 7일과 28일의 후기 강도에서도 광화제 첨가군은 None 비교하여 뚜렷한 차이나 일정한 경향성을 보이지 않았다. 이러한 결과는 광화제 첨가로 인해 초기 C₃A 반응이 다소 감소하였음에도 불구하고, 이후 재령 1∼3일에 주로 진행되는 C₃S 수화와 재령 7∼28일에 지배적인 C₂S 수화 반응이 순차적으로 진행되면서 초기 강도 저하를 보완하였기 때문으로 해석된다. 즉, 수화 반응이 시간에 따라 진행되면서 초기의 낮은 반응성을 보완하였고, 그 결과 재령이 증가함에 따라 재령 28일에서 압축강도가 자연스럽게 회복된 것으로 판단된다.

한편, NF0.5 샘플은 None보다 C₂S 함량이 더 높음에도 불구하고 오히려 후기 강도가 다소 낮아지는 상반된 결과를 나타내었다. 이에 따라, 광물상 분석 시 Bogue 식만으로는 한계가 있으며, 보다 정밀한 분석을 위해 Rietveld 정량분석법 등의 활용이 필요할 것으로 판단된다.

또한, 1500℃에서 소성된 None 샘플과 1450℃에서 소성된 NF0.5, FSS1.0, FSS1.4, FSS1.8 샘플의 압축강도는 표준편차를 고려할 때 유사한 수준을 유지하였다. 이러한 결과는 반도체 슬러지를 광화제로 활용할 경우, 소성온도를 약 50℃ 낮추면서도 시멘트의 성능을 확보할 수 있는 가능성을 보여준다.

Fig. 10. Compressive strength

Fig. 11. Mineral composition of clinker

3.2. WPC 모르타르 평가

WPC 모르타르 평가의 경우, 기존 형석을 0.5% 첨가한 NF 0.5 샘플과 반도체 슬러지 각각 1.0%, 1.4%, 1.8%를 첨가한 FSS1.0, FSS1.4, FSS1.8을 비교하여 평가하였다. 실험 횟수는 12회로 설정하였으며, 그에 따른 평균과 표준편차를 산정하여 결과를 나타내었다.

3.2.1 압축강도

압축강도 측정 결과, NF0.5는 재령 7일에서 7.5 ± 0.5 MPa, 재령 28일에서 10.5 ± 0.5 MPa로 나타났으며, FSS1.0은 각각 7.7 ± 0.7 MPa, 10.2 ± 0.5 MPa로 측정되었다. F 함량이 증가된 FSS1.4와 FSS1.8의 경우, 재령 7일에서 각각 7.4 ± 0.5 MPa, 7.6 ± 0.3 MPa, 재령 28일에서는 10.8 ± 0.8 MPa, 10.6 ± 0.4 MPa로 확인되었다.

유사한 F 함량을 갖는 NF0.5와 FSS1.0은 재령 7일 및 28일 모두에서 유사한 압축강도를 나타내었으며, FSS1.4 및 FSS1.8 역시 전반적으로 유사한 수준의 강도를 보였다.

실험 횟수에 따른 평균 및 표준편차를 고려할 때, F 함량의 증가는 재령 7일 이상의 압축강도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 12. Compressive strength

3.2.2 전단접착강도

전단접착강도 측정 결과, NF0.5는 재령 7일에서 1.4 ± 0.1 MPa, 재령 28일에서 1.9 ± 0.3 MPa로 나타났으며, FSS1.0은 각각 1.5 ± 0.2 MPa, 1.7 ± 0.2 MPa로 측정되었다. FSS1.4는 재령 7일에서 1.4 ± 0.1 MPa, 28일에서 2.0 ± 0.4 MPa, FSS1.8은 각각 1.5 ± 0.2 MPa, 1.9 ± 0.2 MPa의 전단접착강도를 보였다.

실험 횟수를 통한 평균 및 표준편차를 고려할 때, 천연 형석이 첨가된 NF0.5와 반도체 슬러지가 첨가된 FSS1.0, FSS1.4, FSS1.8의 전단접착강도는 전반적으로 유사한 수준으로 판단된다. 또한 모든 샘플은 도자기질 접착용 타일시멘트 기준인 재령 7일 1.03 MPa 이상, 재령 28일 1.3 MPa이상에는 만족하였다.

Fig. 13. Shear bonding strength

3.2.3 인장부착강도

보수재로의 적용성 검토를 위하여 인장부착강도 측정 결과, NF0.5는 재령 7일에서 0.7 ± 0.1 MPa, 재령 28일에서 1.0 ± 0.2 MPa로 나타났으며, FSS1.0은 각각 0.8 ± 0.2 MPa, 0.9 ± 0.1 MPa로 측정되었다. FSS1.4는 재령 7일에서 0.7 ± 0.2 MPa, 28일에서 1.1 ± 0.2 MPa, FSS1.8은 각각 0.8 ± 0.1 MPa, 1.0 ± 0.1 MPa의 전단접착강도를 보였다. 시험 결과 두 데이간의 상관관계는 98% 이상의 높은 상관도를 나타내었으며, 전단강도가 인장강도의 약 1.90배로 나타나, 기존 문헌^{(Santos, V.B et
al., 2023)}에서 제시된 전단강도와 인장강도간의 강도비 2배와 유사한 것으로 확인되었다.

Fig. 14. Tensile bonding strength

3.2.4 초기재령 길이변화율

길이변화율 측정 결과, F 함량이 유사한 NF0.5와 FSS1.0은 각각 0.146 ± 0.012%, 0.142 ± 0.014%로 나타나 유사한 수치를 보였다. 또한, F 첨가량이 상대적으로 높은 FSS1.4와 FSS1.8의 길이변화율은 각각 0.145 ± 0.016%, 0.141 ± 0.014%로 측정되었다. 실험 횟수에 따른 평균과 표준편차를 고려할 때, NF0.5, FSS1.0, FSS1.4, FSS1.8의 초기 재령에서의 길이변화율은 전반적으로 유사한 수준으로 판단된다.

이와 같은 결과는 모든 샘플이 도자기질 접착용 타일시멘트의 기준인 0.2% 이하의 길이변화율 요구 조건을 만족함을 보여준다.

Fig. 15. Length change rate

3.2.5 보수율

보수율 측정 결과, F 함량이 유사한 NF0.5와 FSS1.0은 각각 82.67 ± 1.13%, 82.42 ± 0.69%로 나타나 유사한 값을 보였다. 또한, F 첨가량이 상대적으로 높은 FSS1.4와 FSS1.8은 각각 82.95 ± 0.96%, 82.58 ± 0.72%로 측정되었다. 실험 횟수에 따른 평균과 표준편차를 고려할 때, NF0.5와 FSS 시리즈 간 보수율은 전반적으로 유사한 수준으로 판단된다.

이러한 결과는 모든 샘플이 KS 기준(80∼95%)을 충족함을 나타내며, 종합적으로 평가할 때 반도체 슬러지는 천연 형석을 대체할 수 있는 광화제로서 충분한 역할을 수행할 수 있을 것으로 보여진다.

Fig. 16. Water replenishment rate

4. 결 론

본 연구는 불소 함유 반도체 슬러지(FSS)를 백색 포틀랜드 시멘트(WPC)의 저온 소성용 광화제로 활용하여 천연 형석(NF)을 대체할 수 있는 가능성을 검토하고, 이를 적용한 WPC 모르타르의 특성을 종합적으로 분석하였다.

1,450℃의 저온 소성 조건에서 제조된 시멘트 및 모르타르의 물성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 백색도 및 환경성: NF0.5와 FSS1.0∼1.8 모두 91 이상의 백색도를 유지하였으며, FSS 내 중금속 함량이 낮아 시멘트 색상에 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 이는 WPC 제조 시 FSS를 천연 자원 대체 및 산업 폐기물 재활용 측면에서 적용 가능성을 확인하였다.

2) 압축강도 및 저온 소성 효과: FSS를 첨가한 WPC 및 WPC 모르타르(FSS1.0, FSS1.4, FSS1.8)는 기존 소성 온도1,500℃에서 제조된 None 및 NF0.5와 비교하여 유사하거나 일부 조건에서 더 우수한 강도 특성을 나타내었다. 특히, FSS를 광화제로 활용할 경우 기존 소성 온도 대비 약 50℃ 낮은 1,450℃에서도 안정적인 시멘트 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다.

3) 접착 성능 및 보수재 적용성: 전단접착강도: FSS1.0∼1.8 샘플은 NF0.5와 유사한 성능을 보였으며, 모든 조건에서 도자기질 접착용 타일 시멘트 기준(재령 28일 1.3 MPa 이상)을 만족하였다. 인장부착강도와 상관관계: 인장부착강도 시험 결과, 전단접착강도와 인장부착강도 간의 상관도는 98% 이상의 높은 수준을 나타냈으며, 전단강도는 인장강도의 약 1.90배로 기존 문헌에서 제시된 강도비(2배)와 유사함을 확인하였다.

4) 보수재료로서의 적합성: 초기재령 길이변화율 및 보수율 또한 모든 샘플에서 KS 기준을 만족하였으며, F 첨가량 증가에도 물성 저하가 나타나지 않았다.

따라서, 반도체 슬러지를 1.0 wt%∼1.8 wt% 수준으로 첨가한 FSS는 천연 형석과 동등 이상의 광화제 역할을 수행하는 효과적인 대체제로서의 가능성을 확인하였다. 이는 WPC 제조 시 에너지 절감 및 CO₂ 배출 저감이라는 탄소 위기 대응 측면에서 유의미한 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다 . 또한, 보수재료로서의 적용가능성을 확인하여 추가 속경성 재료의 적용등의 검토가 필요한 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 2025년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아수행된 기초연구사업임. (No. NRF-RS-2025-00558913).

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탄소위기 대응형 저온 소성 WPC를 적용한 보수용 모르타르의 접착 특성

초록

Abstract

핵심용어

Keywords

1. 서 론

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

2.2 사용재료

2.2.1 시멘트 주원료

2.2.2 시멘트 광화제(천연 형석, 반도체 슬러지)

2.2.3 WPC 모르타르 재료

2.3 시험방법

2.3.1 시멘트 클링커 백색도 평가

2.3.2 WPC 압축강도

2.3.3 WPC 모르타르 압축강도

2.3.4 WPC 모르타르 전단접착강도

2.3.5 WPC 모르타르 인장부착강도

2.3.6 WPC 모르타르의 초기재령 길이변화율과 보수율

3. 실험결과 및 분석

3.1 시멘트 평가

3.1.1 백색도

3.1.2 압축강도

3.2. WPC 모르타르 평가

3.2.1 압축강도

3.2.2 전단접착강도

3.2.3 인장부착강도

3.2.4 초기재령 길이변화율

3.2.5 보수율

4. 결 론

감사의 글

References

Article Information (continued)

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2.2.2 시멘트 광화제(천연 형석, 반도체 슬러지)

2.2.3 WPC 모르타르 재료

2.3 시험방법

2.3.1 시멘트 클링커 백색도 평가

2.3.2 WPC 압축강도

2.3.3 WPC 모르타르 압축강도

2.3.4 WPC 모르타르 전단접착강도

2.3.5 WPC 모르타르 인장부착강도

2.3.6 WPC 모르타르의 초기재령 길이변화율과 보수율

3. 실험결과 및 분석

3.1 시멘트 평가

3.1.1 백색도

3.1.2 압축강도

3.2. WPC 모르타르 평가

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3.2.2 전단접착강도

3.2.3 인장부착강도

3.2.4 초기재령 길이변화율

3.2.5 보수율

4. 결 론

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