박기준
(Gi-Joon Park)
1*
홍세희
(Se-Hee Hong)
2
문훈
(Hoon Moon)
2
이남곤
(Nam-Kon Lee)
3
박정준
(Jung-Jun Park)
4
-
정회원, 한국건설기술연구원 구조연구본부 전임연구원, 교신저자
-
정회원, 한국건설기술연구원 구조연구본부 박사후연구원
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정회원, 한국건설기술연구원 구조연구본부 수석연구원
-
정회원, 한국건설기술연구원 구조연구본부 연구위원
Copyright ⓒ 2026 by The Korea institute for Structural Maintenance and Inspection
Keywords
Ultra-high-strength cementless concrete, Calcium hydroxide, Calcium oxide, Flowability, Mechanical properties
핵심용어
초고강도 무시멘트 콘크리트, 수산화칼슘, 산화칼슘, 유동성, 역학적 특성
1. 서 론
최근 건설산업에서는 탄소중립 실현과 온실가스 배출 저감을 위해 시멘트 사용량을 저감하거나 완전히 대체할 수 있는 저탄소 건설재료에 대한 관심이 증가하고
있다. 포틀랜드 시멘트는 콘크리트 제조에 가장 널리 사용되는 결합재이나, 클링커 소성 과정에서 다량의 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 발생한다는 한계를
가진다. 특히 초고강도 콘크리트는 높은 강도와 치밀한 내부 구조를 확보하기 위해 일반 콘크리트보다 많은 결합재량을 필요로 하므로, 시멘트 사용에 따른
환경부하가 상대적으로 클 수 있다. 이에 따라 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카흄 등 산업부산물을 결합재로 활용하여 시멘트를 대체하려는 연구가
활발히 수행되고 있다(Yang and Song, 2007;
Provis and van Deventer, 2014;
Provis et al., 2015;
Yoo et al., 2024).
알칼리 활성화 재료(Alkali-activated materials, AAMs)는 알루미노실리케이트계 전구체와 활성화제의 반응을 통해 경화체를 형성하는
결합재 시스템으로, 포틀랜드 시멘트 기반 재료를 대체할 수 있는 저탄소 건설재료로 주목받고 있다. 특히 고로슬래그 기반 알칼리 활성화 재료는 Ca
함량이 높은 전구체 특성으로 인해 C-(A)-S-H계 반응생성물을 형성할 수 있으며, 적절한 활성화 및 양생 조건에서 높은 역학적 성능을 확보할 수
있다(Provis et al., 2015). 또한 실리카흄은 높은 SiO2 함량과 미세입자 특성을 가지므로, 칼슘계 활성화제에 의해 공급되는 Ca2+ 및 알칼리 환경에서 포졸란 반응을 통해 C-S-H 또는 C-(A)-S-H계 반응생성물 형성에 기여할 수 있다. 따라서 고로슬래그와 실리카흄을 함께
활용한 무시멘트 결합재에서는 고로슬래그의 잠재수경성 및 알칼리 활성화 반응과 실리카흄의 포졸란 반응이 복합적으로 작용하여 강도 발현에 영향을 미칠
수 있다.
최근에는 알칼리 활성화 결합재를 초고성능 콘크리트에 적용하기 위한 연구도 확대되고 있다. Yoo et al. (2024)은 산업부산물을 활용한 무시멘트 UHPC가 높은 역학 성능과 CO2 배출 저감 가능성을 가질 수 있음을 보고하였으며, Hong et al. (2025)은 Ca(OH)2를 활성화제로 사용한 고로슬래그-실리카흄 기반 초고강도 무시멘트 콘크리트에서 100 MPa 이상의 압축강도 발현이 가능함을 제시하였다. 다만 무시멘트
결합재의 탄소저감 효과는 시멘트 대체 여부뿐만 아니라 활성화제의 종류, 사용량 및 제조공정에 따라서도 달라질 수 있다. 특히 CaO 및 Ca(OH)2와 같은 석회계 활성화제는 제조 과정에서 석회석 소성 및 관련 CO2 배출을 수반할 수 있으므로, Ca계 활성화제를 활용한 무시멘트 콘크리트에서는 역학적 성능과 시공성뿐만 아니라 활성화제 사용량 최적화 및 전과정 탄소배출
평가도 함께 고려될 필요가 있다.
일반적으로 알칼리 활성화 콘크리트에는 NaOH, Na2SiO3 등 Na계 활성화제가 널리 사용되어 왔다. 이러한 활성화제는 높은 알칼리도를 바탕으로 고로슬래그 입자의 용해를 촉진하고 초기 강도 발현에 효과적일
수 있으며, 고로슬래그계 모르타르의 플로, 응결시간, 수화열 및 초기 압축강도 역시 활성화제 종류에 따라 영향을 받는 것으로 보고되었다(Moon and Shin, 2005). 그러나 Na계 활성화제는 높은 pH에 따른 취급성 문제, 급격한 응결, 수축 증가, 백화 및 작업성 저하 등의 한계가 지적되고 있다(Tao et al., 2024). 특히 초고강도 무시멘트 콘크리트는 낮은 물-결합재비, 높은 분체량 및 강섬유 혼입을 특징으로 하므로, 활성화제에 의한 유동성 손실과 응결 제어
문제는 제조 및 시공성 확보에 중요한 변수로 작용한다. 이에 따라 Na계 활성화제의 대안으로 Ca(OH)2와 CaO 등 Ca계 활성화제를 활용하려는 연구가 수행되고 있다(Kang et al., 2022;
Rashad, 2023;
Dahal et al., 2023).
Ca(OH)2와 CaO는 모두 Ca계 활성화제로 사용할 수 있으나, 반응 방식에는 차이가 있다. Ca(OH)2는 배합수에 일부 용해되어 OH−와 Ca2+를 공급하는 반면, CaO는 물과 먼저 반응하여 Ca(OH)2를 형성하고 이 과정에서 수화열을 발생시킨다(Richardson et al., 2002;
Rashad, 2023). 기존 연구에서는 hydrated lime, CaO, calcium formate 등을 활용한 무시멘트 UHPC의 제조 가능성이 보고되었다(Kang et al., 2022;
Dahal et al., 2023;
Oh et al., 2026). 그러나 대부분의 연구는 특정 활성화제를 단독으로 사용하거나 보조 활성화제와 함께 사용한 경우에 집중되어 있으며, 동일한 활성화제 총량에서 Ca(OH)2와 CaO의 비율을 조절한 연구는 부족하다. 특히 Ca(OH)2-CaO 비율 변화가 초고강도 무시멘트 콘크리트의 유동성, 응결시간, 압축 및 휨성능, 열분해 특성에 미치는 영향을 함께 검토한 연구는 제한적이다.
따라서 본 연구에서는 Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 재료 특성을 비교하고, 초고강도 무시멘트 콘크리트에 적합한 Ca계 활성화제 조성을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 Ca(OH)2와 CaO의 질량비를 10:0, 6:4, 3:7 및 0:10으로 변화시킨 초고강도 무시멘트 콘크리트를 제조하고, 이에 따른 재료 특성을 실험적으로
평가하였다. 각 배합에 대해 슬럼프 플로, 공기량, L-Box, 응결시간, 압축강도, 휨거동 및 열중량 분석(TG/DTG)을 수행하였으며, 평가 항목을
종합한 성능지수를 산정하여 배합별 성능을 비교하였다. 이를 통해 칼슘계 활성화제 조성 변화가 초고강도 무시멘트 콘크리트의 초기 유동성, 철근 통과성,
응결 특성, 역학적 성능 및 열분해 특성에 미치는 영향을 규명하고, Ca계 활성화제 기반 초고강도 무시멘트 콘크리트 배합 설계를 위한 기초자료를 제시하고자
한다.
2. 실험 조건 및 방법
2.1 사용재료 및 배합
본 연구에서는 초고강도 무시멘트 콘크리트를 제조하기 위해 고로슬래그 미분말, 실리카흄, 잔골재, 충전재, 강섬유, 고성능 감수제 및 칼슘계 활성화제를
사용하였다. 결합재로는 밀도 2.90 g/cm3, Blaine 분말도 4,120 cm2/g의 3종 고로슬래그 미분말(GGBFS)과 평균 입경 0.208 µm, 비표면적 20.8 m2/g, SiO2 함량 95.70%의 실리카흄(SF)을 사용하였다. 잔골재는 평균 입경 0.344 mm 및 SiO2 함량 99.3% 이상의 규사를 사용하였으며, 충전재는 평균 입경 3.97 µm 및 SiO2 함량 99.1% 이상의 규사 미립분을 적용하였다. 또한 인성 및 균열 제어 성능을 향상시키기 위해 평균 인장강도 2,942 MPa, 직경 0.20
mm, 길이 19.5 mm의 직선형 강섬유를 혼입하였고, 낮은 물-결합재비 조건에서 유동성을 확보하기 위해 고형분 30.0%, 밀도 1.062 g/cm3의 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다.
칼슘계 활성화제는 Ca(OH)2와 CaO를 조합하여 사용하였으며, 두 재료의 물리⋅화학적 특성은 Table 1 및 Fig. 1에 나타내었다. Ca(OH)2와 CaO는 모두 고로슬래그계 결합재의 반응을 촉진하기 위한 활성화제로 적용되었으나, 밀도, 분자량, 결정상, BET 비표면적, 산화물 조성 및 입도
특성에서 차이를 보였다. CaO의 밀도는 3.30 g/cm3로 Ca(OH)2의 2.24 g/cm3보다 높아, 동일 질량 치환 조건에서 CaO 치환율이 증가할수록 활성화제가 차지하는 실제 고체 체적은 감소할 수 있다. 또한 CaO는 Ca(OH)2보다 분자량이 낮기 때문에 동일 질량 기준에서 상대적으로 많은 몰수의 Ca계 반응 단위를 포함할 수 있다.
Table 1 Physical and chemical properties of Ca(OH)2 and CaO
|
Properties
|
Density (g/cm3)
|
Molecular weight (g/mol)
|
Product purity (%)
|
Main crystalline phase
|
BET specific surface area (m2/g)
|
XRF oxide composition (wt%)
|
L.O.I by TGA (%)
|
|
CaO
|
SiO2
|
MgO
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
Na2O
|
SO3
|
|
Ca(OH)2
|
2.24
|
74.09
|
95
|
Portlandite
|
26.7
|
98.85
|
0.177
|
0.393
|
0.056
|
0.032
|
0.285
|
0.057
|
28.1
|
|
CaO
|
3.30
|
56.08
|
97
|
Lime
|
0.92
|
96.15
|
1.440
|
0.801
|
0.301
|
0.330
|
0.267
|
0.404
|
12.4
|
Fig. 1 XRD patterns, TG curves, particle size distributions, and SEM images of Ca(OH)2 and CaO
XRF 분석 결과, Ca(OH)2와 CaO의 주요 산화물 환산 성분은 각각 CaO 98.85 wt% 및 96.15 wt%로 나타나 두 재료 모두 높은 Ca 함량을 갖는 것으로 확인되었다.
다만 XRF 결과는 산화물 환산 조성으로 표현된 값이며, CaO 시료는 Ca(OH)2 시료에 비해 SiO2, MgO, SO3, Fe2O3 및 Al2O3 등의 부성분 함량이 상대적으로 높게 나타났다. Fig. 1(a)의 XRD 분석 결과, Ca(OH)2 시료의 주요 결정상은 Portlandite로, CaO 시료의 주요 결정상은 Lime으로 확인되었다. 이에 따라 Ca(OH)2는 배합수에 일부 용해되어 OH− 및 Ca2+를 공급하는 반면, CaO는 물과 반응하여 Ca(OH)2를 형성한 후 배합 내 알칼리도와 Ca2+ 공급 조건을 변화시킬 수 있다.
원재료의 열적 질량감소 특성을 검토하기 위해 Ca(OH)2와 CaO 분말에 대한 TGA를 수행하였으며, 상온부터 900 ℃까지의 총 질량감소율을 L.O.I로 산정하였다. 그 결과 Ca(OH)2와 CaO의 L.O.I는 각각 28.1% 및 12.4%로 나타났다. Fig. 1(b)의 TG 곡선에서 Ca(OH)2 시료는 약 400∼500 ℃ 구간에서 Portlandite의 탈수산화 반응과 관련된 질량 감소가 나타났으며, 600 ℃ 이상에서도 추가적인 질량
감소가 관찰되어 일부 탄산염계 성분이 존재할 가능성을 보였다. CaO 시료 역시 400∼500 ℃ 부근에서 질량 감소가 확인되어, 보관 또는 취급
과정에서 일부 CaO가 Ca(OH)2로 수화되었을 가능성이 있다. 다만 본 연구에서 제시한 L.O.I는 TGA 총 질량감소율에 기반한 값으로, Portlandite 또는 탄산칼슘의 정량적
함량을 직접 의미하지는 않으며, 원재료의 수산화물 및 탄산염계 성분을 해석하기 위한 보조 지표로 활용하였다.
Fig. 1(c)의 입도분포 분석 결과, Ca(OH)2의 Dv10, Dv50 및 Dv90은 각각 1.16, 4.40 및 21.9 µm였으며, CaO는 각각 14.5, 39.6 및 78.2 µm로 나타났다.
즉, Ca(OH)2는 CaO보다 작은 입자 크기 영역에 분포하였으며, 미세입자 비율이 높은 분말 특성을 보였다. Span은 Ca(OH)2와 CaO가 각각 4.719 및 1.610으로 나타나, Ca(OH)2는 상대적으로 넓은 입도분포를 보인 반면 CaO는 비교적 균일한 입도분포를 나타냈다. BET 비표면적은 Ca(OH)2와 CaO가 각각 26.7 및 0.92 m2/g으로 측정되어, Ca(OH)2가 CaO보다 현저히 큰 표면적을 갖는 것으로 확인되었다. Fig. 1(d)의 SEM 이미지에서도 Ca(OH)2는 미세입자가 응집된 형태를 보인 반면, CaO는 상대적으로 조립화된 입자 형상을 나타냈다.
이러한 물리⋅화학적 차이는 Ca(OH)2-CaO 치환율 변화에 따른 유동성, 응결 거동 및 역학적 성능에 영향을 미칠 수 있다. 특히 Ca(OH)2는 높은 BET 비표면적과 미세입자 특성으로 인해 배합수 흡착 및 입자 간 응집에 영향을 줄 수 있는 반면, CaO는 낮은 BET 비표면적과 높은
밀도로 인해 동일 질량 조건에서 활성화제의 체적 및 표면적 부담을 감소시킬 수 있다. 다만 CaO는 수화 과정에서 배합수 소비와 수화열 발생을 동반하므로,
초기 유동성, 응결 및 강도 발현에 복합적인 영향을 미칠 수 있다.
본 실험의 배합은 고로슬래그 미분말의 질량을 기준으로 환산하여 Table 2에 나타내었다. 실리카흄은 고로슬래그 미분말 대비 0.25, 칼슘계 활성화제의 총량은 0.125로 고정하였으며, Ca(OH)2와 CaO의 질량비만을 주요 변수로 설정하였다. W/B는 0.22로 동일하게 유지하였고, 이때 바인더(B)는 GGBFS, SF, Ca(OH)2 및 CaO를 포함하는 전체 결합재로 정의하였다. 또한 고성능 감수제는 고형분 기준으로 0.024의 비율로 동일하게 적용하였다. CaO 치환율은 0%,
40%, 70% 및 100%로 설정하였으며, 이에 따라 배합명은 각각 CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100으로 표기하였다.
CH100과 CO100은 각각 Ca(OH)2 및 CaO를 단독으로 사용한 배합을 의미하며, CH60-CO40과 CH30-CO70은 Ca(OH)2와 CaO의 질량비가 각각 6:4 및 3:7인 배합을 의미한다. 모든 배합에서 잔골재, 충전재, W/B, 고성능 감수제 및 강섬유의 비율은 동일하게
적용하여, 활성화제 조성 변화가 초고강도 무시멘트 콘크리트의 재료 특성에 미치는 영향을 비교하고자 하였다.
Table 2 Mix proportions of UHSCC (mass ratio)
|
Mix ID
|
GGBFS
|
SF
|
CH
|
CO
|
Silica sand
|
Filler
|
W/B
|
SP
|
Steel fiber
|
|
CH100
|
1
|
0.25
|
0.125
|
-
|
1.4
|
0.38
|
0.22
|
0.024
|
0.23
|
|
CH60-CO40
|
1
|
0.25
|
0.075
|
0.05
|
1.4
|
0.38
|
0.22
|
0.024
|
0.23
|
|
CH30-CO70
|
1
|
0.25
|
0.038
|
0.087
|
1.4
|
0.38
|
0.22
|
0.024
|
0.23
|
|
CO100
|
1
|
0.25
|
-
|
0.125
|
1.4
|
0.38
|
0.22
|
0.024
|
0.23
|
Fig. 2 Preparation process of UHSCC
초고강도 무시멘트 콘크리트의 제조 과정은 Fig. 2에 나타내었다. 혼합은 20 L 용량의 호바트형 믹서를 사용하여 수행하였으며, 균질한 배합을 확보하기 위해 고로슬래그 미분말, 실리카흄, 칼슘계 활성화제,
잔골재 및 충전재를 먼저 투입하여 건비빔을 실시하였다. 이후 배합수와 고성능 감수제를 사전에 혼합한 액상 재료를 투입하여 습식 혼합을 진행하였으며,
최종적으로 강섬유를 투입하여 섬유가 균일하게 분산되도록 추가 혼합하였다.
강도 평가용 시험체는 KS F 2403(2024) 및 KS F 2566(2024)에 따라 제작하였다. 압축강도 시험체는 원주형 공시체(Ø100 × 200 mm)로, 휨강도 시험체는 각주형 시험체(100 × 100 × 400 mm)로
제작하였다. 시험체 성형 시에는 고무망치를 이용하여 각 층별 다짐을 실시하였으며, 성형 후 표면을 평탄하게 마감하였다. 제작된 시험체는 Ca(OH)2-CaO 비율에 따른 초기 응결 특성을 고려하여 몰드 내에서 3일간 기건 양생(20 ± 2 ℃, RH 60 ± 10%)을 실시한 후 탈형하였다. 이후
모든 배합에 대해 90 ℃ 조건에서 3일간 고온 증기양생을 실시하였다. 증기양생 종료 후 시험체는 급격한 온도 변화의 영향을 줄이기 위해 상온까지
서서히 온도를 낮춘 뒤 성능평가를 실시하였다.
2.2 실험방법
본 연구에서는 Ca(OH)2-CaO 비율 변화가 초고강도 무시멘트 콘크리트의 재료 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 굳지 않은 상태 특성, 응결 거동, 역학적 성능 및 열중량
분석을 수행하였다. 각 시험은 배합별 동일한 조건에서 실시하였으며, 슬럼프 플로, L-Box, 공기량, 응결시간, 압축강도, 휨강도 및 열중량 분석에
사용된 주요 시험 장비와 시험 전경은 Fig. 3에 나타내었다.
Fig. 3 Test methods for evaluating fresh, mechanical, and thermal properties of UHSCC
2.2.1 굳지 않은 콘크리트 특성 평가
콘크리트의 유동성은 KS F 2594(2021)에 따라 슬럼프 플로 시험을 통해 평가하였다. 슬럼프 콘을 수직으로 들어 올린 후 확산된 콘크리트의 최대 직경과 이에 직교하는 직경을 측정하였으며,
두 측정값의 평균을 슬럼프 플로 값으로 산정하였다. 공기량은 KS F 2421(2021)에 따라 압력법으로 측정하였다.
철근 통과성 및 충전성능은 BS EN 12350-10(2010)에 따른 L-Box 시험을 통해 평가하였다. 경계판을 개방한 후 콘크리트가 철근 장애물을 통과하여 수평부로 흐르도록 하였으며, 흐름이 정지한 후 수직부
높이(H1)와 수평부 끝단 높이(H2)를 측정하였다. 이후 H2/H1을 이용하여 통과성 비율(passing ability ratio, PL)을 산정하였으며, 콘크리트 선단이 수평부 500 mm 지점에 도달하는 시간(T500)을 측정하여 배합별 흐름 저항을 비교하였다.
응결 시간은 ASTM C191(2021)을 준용하여 자동 비카트 시험기(VICAMATIC-3)로 평가하였다. 응결시험에는 강섬유에 의한 관입 방해를 배제하기 위해 Table 2의 배합에서 강섬유만 제외한 시료를 사용하였다. 본 연구의 시료는 잔골재 및 충전재를 포함하므로, 비카트 침의 관입 깊이는 결합재의 경화 상태뿐만
아니라 시료 내부 입자 배치 및 관입 위치의 영향을 받을 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 ASTM C191(2021)을 절대적인 응결시간 산정보다는 Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 배합 간 상대적인 응결 특성을 비교하기 위한 방법으로 준용하였다.
Ca(OH)2와 CaO의 비율 변화가 초기 반응성 및 경화 진행에 미치는 영향을 비교하기 위해 시간 경과에 따른 비카트 침의 관입 깊이 변화를 측정하였다. 비카트
침의 관입 깊이가 25 mm에 도달하는 시점을 초결 시간으로, 0.5 mm 이하로 감소한 시점을 종결 시간으로 정의하였다. 슬럼프 플로, 공기량,
L-Box 및 응결시간 시험은 재현성 확보를 위해 각 배합별 3회 반복 수행하였다. 각 결과는 3회 측정값의 평균으로 나타내었으며, 그래프의 오차막대는
표준편차를 의미한다.
2.2.2 역학적 특성 평가
압축강도는 KS F 2405(2022)에 따라 3,000 kN급 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 측정하였다. 압축강도 시험에는 Ø100
mm × 200 mm 원주형 공시체를 사용하였으며, 시험체는 고온 증기양생 종료 후 급격한 온도 변화의 영향을 방지하기 위해 상온까지 서서히 온도를
낮춘 뒤 시험에 사용하였다. 재하 전 시험체의 가압면 상태를 확인하고, 하중이 시험체 중심축을 따라 균일하게 전달될 수 있도록 UTM의 가압판 중앙에
시험체를 배치하였다. 재하 속도는 0.6 MPa/s의 하중 제어 조건으로 설정하였으며, 시험 중 측정된 최대하중을 시험체 단면적으로 나누어 압축강도를
산정하였다. 배합별 압축강도는 5개의 시험체에서 얻은 결과의 평균값과 표준편차로 나타내었다.
휨강도는 KS F 2566(2024)에 따라 300 kN급 UTM을 이용하여 4점 휨 가력 방식으로 평가하였다. 휨강도 시험에는 100 mm × 100 mm × 400 mm 각주형 시험체를
사용하였으며, 시험체 상부에는 2개의 가력 지점을, 하부에는 2개의 지지점을 배치하였다. 시험체 중앙 하단에는 변위계(LVDT)를 설치하여 재하 중
하중-변위 곡선을 측정하였다. 휨 시험은 0.4 mm/min의 변위 제어 조건에서 수행하였으며, 시험 중 측정된 최대하중을 이용하여 휨강도를 산정하였다.
또한 ASTM C1609/C1609M(2024)의 처짐기준을 참고하여 하중-변위 곡선에서 L/600 및 L/150 처짐까지의 면적을 산정하고, 이를 배합별 휨인성 비교에 사용하였다. 여기서 L은
휨 시험의 지간 길이를 의미하며, 본 연구에서는 300 mm로 설정하였다. 모든 휨 시험은 배합별 5개의 시험체를 대상으로 수행하였으며, 그 평균값과
표준편차를 사용하여 결과를 분석하였다.
2.2.3 열중량 분석
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 결합수 및 반응생성물의 열분해 특성을 평가하기 위해 열중량 분석(TGA)을 수행하였다. 분석에는 열중량분석기(TGA N-1000,
SCINCO M&T)를 사용하였다. 분석용 시료는 3일간의 고온 증기양생이 종료된 경화체 내부에서 채취하였으며, 외부 표면부의 영향을 최소화하기 위해
시편 중심부를 대상으로 하였다. 채취한 시료는 분말화한 후 300 mesh 체를 통과시켜 분석 시료의 입도를 균질하게 조정하였다.
분말화된 시료는 이소프로필알코올(IPA)에 침지하여 잔여 수화반응을 정지시켰으며, 이후 진공 건조를 통해 잔류 용매와 자유수를 제거하였다. 건조된
시료는 질소 분위기에서 상온부터 900 ℃까지 10 ℃/min의 승온 속도로 가열하였다. 온도 증가에 따른 질량 변화는 TG 곡선으로 나타냈으며,
TG 곡선을 미분하여 질량 감소속도 변화를 나타내는 DTG 곡선을 도출하였다.
본 연구에서는 TG 및 DTG 곡선을 이용하여 온도구간별 열분해 특성을 비교하였다. 약 50∼200 ℃ 구간의 질량 감소는 자유수, 흡착수 및 일부
수화생성물의 탈수와 관련된 영역으로 검토하였으며, 약 400∼500 ℃ 구간은 잔존 Ca(OH)2의 탈수산화 반응과 관련된 영역으로 해석하였다. 또한 약 600∼800 ℃ 구간의 질량 감소 및 DTG 피크는 탄산염계 생성물의 탈탄산 반응과 관련된
열분해 거동으로 검토하였다. 다만 TG/DTG 분석만으로 각 반응생성물의 절대 함량을 명확히 산정하기에는 한계가 있으므로, 본 연구에서는 온도구간별
질량 감소 경향과 DTG 피크의 상대적 차이를 중심으로 Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 배합 간 반응 특성을 비교하였다. 알칼리 활성화 슬래그계 결합재의 TG/DTG 분석은 시료 전처리 조건에 따라 응답특성이
달라질 수 있으므로, 모든 배합에 동일한 수화정지 및 건조 조건을 적용하였다(Bílek et al., 2025).
2.2.4 종합 성능지수 평가
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 배합별 성능을 종합적으로 비교하기 위해 슬럼프 플로, L-Box 통과성, 압축강도, 휨인성 및 응결시간을 이용하여 종합
성능지수를 산정하였다. 본 연구에서는 경제성 항목을 제외하고, 초고강도 무시멘트 콘크리트의 제조 및 적용성에 직접적으로 영향을 미치는 재료 성능 중심으로
배합을 비교하였다.
성능지수 산정 시 슬럼프 플로, L-Box 통과성, 압축강도 및 휨인성은 값이 클수록 유리한 지표로 보아 각 항목의 최대값을 기준으로 정규화하였다.
휨인성은 L/150 처짐까지의 하중-변위 곡선 면적을 기준으로 하였으며, 응결시간은 종결 시간을 기준으로 평가하였다. 응결시간의 경우, 본 연구에서는
초고강도 무시멘트 콘크리트의 과도한 지연 응결을 개선하는 관점에서 짧을수록 유리한 지표로 보아 역정규화하였다.
각 성능항목은 초고강도 무시멘트 콘크리트의 제조 및 적용성 확보에 모두 중요한 요소로 판단되므로, 본 연구에서는 동일 가중치를 적용하여 종합 성능지수를
산정하였다. 다만 실제 시공에서는 운반, 타설 및 마감 시간 확보가 필요하므로 응결시간이 무조건 짧을수록 유리하다고 볼 수 없다. 따라서 본 성능지수는
본 연구에서 설정한 평가 항목과 동일 가중치 조건에서 배합 간 상대적 성능을 비교하기 위한 지표로 해석하였다.
여기서 $N_{SL}$는 슬럼프 플로 정규화 값, $N_{PL}$는 L-Box 통과성 정규화 값, $N_{CS}$는 압축강도 정규화 값, $N_{FT}$는
L/150 기준 휨인성 정규화 값, $N_{ST}$는 종결시간 역정규화에 대한 값이다. $X_{i}$는 각 배합의 해당 성능 값, $X_{i,\text{max}}$는
해당 성능항목의 최대값, $X_{ST}$는 각 배합의 종결 시간, $X_{ST,\text{min}}$은 전체 배합 중 가장 짧은 종결시간을 의미한다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 유동성 및 공기연행 특성
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 초고강도 무시멘트 콘크리트의 슬럼프 플로 및 공기량 시험 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 슬럼프 플로는 CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합에서 각각 655, 689, 722 및 746 mm로
측정되었으며, CaO 치환율이 증가할수록 점진적으로 증가하였다. CO100 배합의 슬럼프 플로는 CH100 배합보다 91 mm 증가하여, CaO 치환이
혼합 직후 초기 유동성 향상에 긍정적으로 작용한 것으로 나타났다.
Fig. 4 Slump flow and air content according to Ca(OH)2-CaO ratio
이러한 유동성 증가는 Ca(OH)2와 CaO의 물리적 특성 차이와 관련된 것으로 판단된다. Table 1에 나타낸 바와 같이 CaO는 Ca(OH)2보다 밀도가 높고 BET 비표면적이 낮으며, 평균 입경이 상대적으로 크다. 따라서 동일 질량 치환 조건에서 CaO 치환율이 증가할수록 활성화제가 차지하는
고체 체적과 표면적 부담이 감소하고, 배합 내 입자 간 간섭 및 흐름 저항이 완화되었을 가능성이 있다. 반면 Ca(OH)2는 미세입자 비율과 BET 비표면적이 높아 배합수 흡착 및 입자 간 응집에 더 크게 영향을 미칠 수 있으므로, CH100 배합에서 상대적으로 낮은
슬럼프 플로가 나타난 것으로 해석된다.
공기량은 CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합에서 각각 2.77, 2.75, 2.40 및 2.40%로 측정되었다.
슬럼프 플로는 CaO 치환율 증가에 따라 증가한 반면, 공기량은 증가하지 않고 오히려 소폭 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 공기량 증가는 콘크리트의
유동성에 영향을 줄 수 있으나, 본 연구에서는 슬럼프 플로가 증가한 배합에서 공기량이 함께 증가하지 않았다. 따라서 본 연구에서 관찰된 슬럼프 플로
증가는 공기량 증가에 따른 효과라기보다는 활성화제의 밀도, BET 비표면적 및 입도 특성 차이에 더 크게 기인한 것으로 판단된다.
다만 CaO는 물과 반응하여 Ca(OH)2를 형성하는 과정에서 배합수를 소비하고 수화열을 발생시킬 수 있으므로, CaO 치환에 따른 유동성 변화를 단일 요인으로 설명하기에는 한계가 있다.
본 연구의 슬럼프 플로 결과는 혼합 직후 초기 유동성에 대한 비교 결과이며, 시간 경과에 따른 유동성 유지 성능은 별도의 경시 변화 평가가 필요하다.
종합하면, CaO 치환율 증가에 따라 공기량은 소폭 감소하였음에도 슬럼프 플로는 증가하였으며, 이는 CaO의 낮은 BET 비표면적, 높은 밀도 및
조립화된 입자 특성이 초기 흐름성 확보에 유리하게 작용했기 때문으로 판단된다.
3.2 철근 통과성 및 충전성능
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 L-Box 시험 결과를 Fig. 5에 나타내었다. L-Box 시험은 콘크리트가 철근 장애물을 통과한 후의 최종 충전 높이와 흐름시간을 함께 평가할 수 있는 시험으로, 본 연구에서는
통과성 지표인 PL과 500 mm 도달시간(T500)을 이용하여 배합별 철근 통과성 및 충전성능을 비교하였다.
Fig. 5 L-Box test results according to Ca(OH)2-CaO ratio
PL은 CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합에서 각각 0.85, 0.93, 0.93 및 0.93으로 측정되었다. CH100
배합도 비교적 양호한 통과성을 보였으나, CaO를 40% 이상 치환한 배합에서는 PL이 0.93으로 증가하여 철근 통과 후 최종 충전 높이가 향상된
것으로 나타났다. 이는 CaO 치환이 단순한 자유 흐름 조건뿐만 아니라 철근 장애물이 존재하는 제한 흐름 조건에서도 충전성능 개선에 긍정적으로 작용할
수 있음을 의미한다.
T500은 CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합에서 각각 7.97, 5.43, 4.68 및 3.93 s로 나타났다. CaO
치환율이 증가할수록 T500은 지속적으로 감소하였으며, CO100 배합은 CH100 배합 대비 약 50.7% 짧은 도달시간을 보였다. 이는 CaO 치환에 따라 L-Box 내부에서의
흐름 저항이 감소하고, 철근 장애물을 통과한 이후의 초기 이동성이 향상되었음을 보여준다.
한편 CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합의 PL은 모두 0.93으로 동일하였으나, T500은 CaO 치환율 증가에 따라 계속 감소하였다. 따라서 CaO를 일정 수준 이상 치환할 경우 최종 충전 높이비는 유사한 수준에 도달하지만, 흐름시간
측면에서는 CaO 치환율에 따른 차이가 더 명확하게 나타나는 것으로 판단된다. 즉, 본 연구의 L-Box 결과에서는 CaO 치환이 최종 통과성 개선뿐만
아니라 철근 장애물 통과 과정에서의 흐름 저항 감소에 더 뚜렷한 영향을 미친 것으로 평가된다.
3.3 응결 특성
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 초결 및 종결 시간 측정 결과를 Fig. 6에 나타내었다. CH100 배합의 초결 및 종결 시간은 각각 27.3 h 및 28.2 h로 가장 길게 나타났다. 반면 CH60-CO40 배합은 22.3
h 및 23.0 h, CH30-CO70 배합은 17.0 h 및 17.5 h, CO100 배합은 11.8 h 및 12.0 h로 측정되었다. 즉, CaO
치환율이 증가할수록 초결과 종결 시간이 모두 뚜렷하게 단축되었다.
Fig. 6 Setting times according to Ca(OH)2-CaO ratio
이러한 결과는 CaO의 수화반응 특성과 관련된 것으로 판단된다. Ca(OH)2는 배합수에 일부 용해되어 OH−와 Ca2+를 공급하는 반면, CaO는 물과 먼저 반응하여 Ca(OH)2를 형성하고 이 과정에서 수화열을 발생시킨다. 이에 따라 CaO 치환율이 증가할수록 배합 내 알칼리도와 Ca2+ 공급 조건이 변화하고, 고로슬래그계 결합재의 초기 반응이 촉진되어 비카트 침의 관입 저항이 빠르게 증가한 것으로 판단된다. 이러한 경향은 CaO가
알칼리 활성화 재료의 수화반응, 알칼리도 및 응결시간에 영향을 미칠 수 있다는 기존 연구 결과와도 관련된다(Rashad, 2023;
Tao et al., 2024).
또한 CaO 치환율이 증가함에 따라 초결과 종결 사이의 시간 차이도 감소하는 경향을 보였다. CH100 배합에서는 초결과 종결의 차이가 약 0.9
h였으나, CO100 배합에서는 약 0.2 h로 감소하였다. 이는 CaO 치환율이 높은 배합일수록 응결이 시작된 이후 경화가 비교적 빠르게 진행되었음을
의미한다. 따라서 CaO 치환은 초고강도 무시멘트 콘크리트에서 장시간 지연되는 응결 특성을 개선하는 데 효과적으로 작용할 수 있다.
다만 본 연구에서는 배합 내부의 온도 이력이나 수화열을 직접 측정하지 않았으므로, CaO 수화열에 따른 온도 상승 효과는 응결시간 단축의 가능한 원인으로
해석하였다. 또한 본 연구의 응결시험은 잔골재와 충전재를 포함한 시료를 대상으로 ASTM C191(2021)을 준용한 결과이므로, 절대적인 응결시간보다는 Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 배합 간 상대적인 응결 경향으로 해석할 필요가 있다.
3.4 역학적 성능
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 압축강도 결과를 Fig. 7에 나타내었다. CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합의 압축강도는 각각 130.9, 129.2, 127.2 및 94.8
MPa로 측정되었다. CH100, CH60-CO40 및 CH30-CO70 배합은 모두 127 MPa 이상의 높은 압축강도를 나타냈으며, CaO를 70%까지
치환하더라도 압축강도 저하는 제한적인 수준이었다. 반면 CO100 배합은 94.8 MPa로 다른 배합에 비해 뚜렷하게 낮은 압축강도를 보였다.
Fig. 7 Compressive strength according to Ca(OH)2-CaO ratio
이러한 결과는 CaO 치환이 일정 수준까지는 초고강도 무시멘트 콘크리트의 압축강도 확보에 큰 불리함을 주지 않지만, CaO 단독 사용은 강도 발현에
불리하게 작용할 수 있음을 의미한다. CaO는 물과 반응하여 Ca(OH)2를 형성하므로, CaO 치환율이 증가할수록 배합 내 Ca(OH)2 환산량은 증가할 수 있다. 그러나 생성된 Ca(OH)2가 고로슬래그 및 실리카흄과의 후속반응에 충분히 소비되지 못하고 잔존할 경우, C-(A)-S-H계 수화생성물 형성에 기여하는 비율은 오히려 감소할
수 있다. 따라서 CO100 배합의 낮은 압축강도는 Ca계 활성화제의 부족 때문이라기보다는, CaO 수화로 생성된 Ca(OH)2가 강도 발현에 기여하는 반응생성물로 충분히 전환되지 못한 데 따른 것으로 판단된다. 이러한 해석은 후술하는 TG/DTG 분석에서 CaO 치환율이
높은 배합에서 잔존 Ca(OH)2와 관련된 열분해 특성이 확인되는 결과와도 연관된다.
휨강도-처짐 곡선은 Fig. 8에 나타내었다. 본 연구에서는 휨성능을 정량적으로 비교하기 위해 최대 휨강도와 하중-처짐 곡선 면적으로 산정한 휨인성을 함께 평가하였다. CH100,
CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합의 최대 휨강도는 각각 32.7, 35.8, 30.3 및 21.9 MPa로 측정되었다. CH60-CO40
배합은 전체 배합 중 가장 높은 최대 휨강도를 나타냈으며, CH100 배합보다 약 9.5% 높은 값을 보였다. 반면 CH30-CO70 배합은 CH100
배합 대비 약 7.3% 낮은 값을 나타냈고, CO100 배합은 CH100 배합 대비 약 33.0% 감소하여 가장 낮은 최대 휨강도를 보였다.
Fig. 8 Flexural strength–deflection curves according to Ca(OH)2-CaO ratio
Fig. 9에는 L/600 및 L/150 처짐까지의 하중-처짐 곡선 면적으로 산정한 휨인성 결과를 나타내었다. L/600 기준 휨인성은 CH100, CH60-CO40,
CH30-CO70 및 CO100 배합에서 각각 37, 39, 37 및 30 J로 나타났으며, L/150 기준 휨인성은 각각 193, 208, 178
및 125 J로 측정되었다. CH60-CO40 배합은 두 기준에서 모두 가장 높은 휨인성을 나타냈으며, 이는 CaO를 40% 치환한 조건에서 에너지
흡수능력이 가장 우수했음을 의미한다. 반면 CO100 배합은 L/150 기준 휨인성이 CH100 배합 대비 약 35.2% 감소하여, CaO 단독 사용이
휨인성 확보에도 불리하게 작용한 것으로 나타났다.
Fig. 9 Flexural toughness at L/600 and L/150 according to Ca(OH)2-CaO ratio
최대 휨강도와 휨인성 결과를 종합하면, CH60-CO40 배합은 휨성능 측면에서 가장 우수한 성능을 보였다. CH30-CO70 배합은 CH100 배합과
유사한 압축강도를 확보하였으나, 최대 휨강도와 L/150 기준 휨인성은 CH100 및 CH60-CO40 배합보다 낮게 나타났다. 한편 CO100 배합에서는
압축강도, 최대 휨강도 및 휨인성이 모두 감소하였다. 따라서 역학적 성능 확보 측면에서는 CaO를 단독으로 사용하는 것보다 Ca(OH)2와 CaO를 혼합하여 사용하는 것이 더 적절한 것으로 판단된다.
3.5 열분해 특성
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 TG 및 DTG 분석 결과를 Fig. 10에 나타내었다. TG 곡선에서 모든 배합은 온도 증가에 따라 질량이 점진적으로 감소하였으며, DTG 곡선에서는 온도구간별 열분해 특성 차이가 확인되었다.
일반적으로 약 50∼200 ℃ 영역의 질량 감소는 자유수, 흡착수 및 C-(A)-S-H계 반응생성물의 결합수 손실과 관련되며, 약 400∼500 ℃
영역은 잔존 Ca(OH)2의 탈수산화 반응과 관련된다. 또한 약 600∼800 ℃ 영역에서 나타나는 질량 감소는 탄산염계 생성물의 탈탄산 반응에 기인한 것으로 판단된다(McCaslin and White, 2021).
Fig. 10 TG/DTG curves of UHSCC according to Ca(OH)2-CaO ratio
배합별 TG/DTG 결과를 비교하면, CaO를 포함한 배합에서 약 400∼500 ℃ 부근의 Ca(OH)2 탈수산화 반응 관련 피크가 확인되었다. 이는 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)2를 형성하였으나, 생성된 Ca(OH)2의 일부가 고로슬래그 및 실리카흄과의 후속 반응에 모두 소비되지 못하고 잔존했을 가능성을 시사한다. 특히 CaO 치환율이 높은 배합에서는 동일 질량의
활성화제 조건에서 Ca(OH)2 환산량이 증가할 수 있으므로, 후속 반응에 참여하지 못한 잔존 Ca(OH)2가 증가할 가능성이 있다.
반면 강도 발현에 주로 기여하는 C-(A)-S-H계 반응생성물은 단순히 Ca(OH)2 생성량이 많다고 해서 비례적으로 증가하는 것은 아니다. C-(A)-S-H계 반응생성물의 형성은 Ca 공급뿐만 아니라 고로슬래그와 실리카흄으로부터
용출되는 Si 및 Al 성분, 배합수 조건, 반응속도 및 양생 조건의 영향을 함께 받는다. 따라서 CaO 단독 사용 조건에서는 Ca(OH)2 생성량은 증가하더라도, 이 중 일부가 C-(A)-S-H계 반응생성물 형성에 충분히 기여하지 못할 수 있다. 이러한 경우 잔존 Ca(OH)2는 증가하지만, 치밀한 매트릭스 형성에 필요한 결합상 형성 효율은 낮아질 수 있다.
CO100 배합에서 압축강도와 휨성능이 가장 낮게 나타난 결과는 이러한 TG/DTG 해석과도 관련된다. 즉, CO100 배합의 낮은 역학적 성능은
Ca계 활성화제가 부족했기 때문이라기보다는, CaO 수화로 생성된 Ca(OH)2가 강도 발현에 기여하는 C-(A)-S-H계 반응생성물로 충분히 전환되지 못한 결과로 해석할 수 있다. 또한 CaO의 빠른 수화반응은 응결시간 단축에는
효과적으로 작용하였으나, 과도한 CaO 사용 조건에서는 반응생성물의 균질한 형성과 치밀한 매트릭스 발달에는 불리하게 작용했을 가능성이 있다.
다만 TG/DTG 분석만으로 C-(A)-S-H계 반응생성물, 잔존 Ca(OH)2 및 탄산염계 생성물의 정량적 함량을 명확히 구분하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 온도구간별 질량 감소와 DTG 피크의 상대적 차이를 바탕으로
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 열분해 특성을 비교하였으며, 잔존 Ca(OH)2와 역학적 성능 간의 관계는 향후 XRD 정량분석, 공극구조 분석 및 미세구조 관찰을 통해 추가적으로 검토할 필요가 있다.
3.6 종합 성능지수 분석
Ca(OH)2-CaO 비율 변화에 따른 배합별 종합 성능지수 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 종합 성능지수는 슬럼프 플로, L-Box 통과성, 압축강도, L/150 기준 휨인성 및 종결시간을 이용하여 산정하였으며, 각 성능항목에는
동일 가중치를 적용하였다. 그 결과 CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합의 종합 성능지수는 각각 4.16, 4.43,
4.48 및 4.33으로 나타났다.
Fig. 11 Integrated performance index of UHSCC according to Ca(OH)2-CaO ratio
CH100 배합은 압축강도와 L/150 기준 휨인성 측면에서는 우수하였으나, 슬럼프 플로와 L-Box 통과성이 상대적으로 낮고 응결시간이 가장 길어
전체 배합 중 가장 낮은 성능지수를 보였다. 반면 CO100 배합은 슬럼프 플로, L-Box 통과성 및 응결시간 측면에서는 유리하였으나, 압축강도와
휨인성이 크게 감소하여 종합 성능지수 향상에는 한계가 있었다. 이는 CaO 단독 사용 조건에서 시공성 관련 지표는 개선될 수 있으나, 역학적 성능
저하가 종합 성능 평가에 크게 반영되었기 때문이다.
CH60-CO40 및 CH30-CO70 배합은 각각 4.43 및 4.48로 비교적 높은 종합 성능지수를 나타냈다. 두 배합은 CO100 배합에 비해
압축강도와 휨인성을 안정적으로 확보하면서도, CH100 배합보다 유동성, 통과성 및 응결시간을 개선하였다. 특히 CH30-CO70 배합은 CH60-CO40
배합보다 압축강도와 휨인성은 다소 낮았으나, 슬럼프 플로가 더 크고 종결시간이 짧아 동일 가중치 조건에서 가장 높은 종합 성능지수를 나타냈다.
다만 CH30-CO70 배합과 CH60-CO40 배합의 성능지수 차이는 0.05로 크지 않았다. 따라서 CH30-CO70 배합을 모든 조건에서 절대적으로
우수한 배합으로 해석하기보다는, 본 연구에서 설정한 평가 항목과 동일 가중치 조건에서 가장 균형 잡힌 성능을 보인 배합으로 해석하는 것이 적절하다.
또한 본 연구에서는 과도한 지연 응결을 개선하는 관점에서 응결시간이 짧을수록 유리한 지표로 설정하였으나, 실제 시공에서는 운반, 타설 및 마감 시간
확보가 필요하므로 응결시간이 무조건 짧을수록 유리하다고 볼 수는 없다. 따라서 본 성능지수는 배합 간 상대적 성능을 비교하기 위한 지표로 활용되어야
한다.
4. 결 론
본 연구에서는 Ca(OH)2-CaO 비율 변화가 초고강도 무시멘트 콘크리트의 유동성, 철근 통과성, 응결 특성, 역학적 성능 및 열분해 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한
각 성능항목을 정규화하여 종합 성능지수를 산정하고, Ca계 활성화제 조성에 따른 배합별 성능을 비교하였다. 본 연구의 범위에서 도출된 결론은 다음과
같다.
1) CaO 치환율이 증가할수록 슬럼프 플로는 CH100 배합의 655 mm에서 CO100 배합의 746 mm까지 증가하였다. 반면 공기량은 2.77%에서
2.40%로 소폭 감소하였다. 따라서 본 연구에서 관찰된 슬럼프 플로 증가는 공기량 증가에 따른 효과라기보다는, CaO의 높은 밀도, 낮은 BET
비표면적 및 상대적으로 조립화된 입자 특성에 따른 배합 내 흐름 저항 감소와 관련된 것으로 판단된다.
2) L-Box 시험 결과, CH100 배합의 PL은 0.85로 나타났으나, CaO를 40% 이상 치환한 CH60-CO40, CH30-CO70 및
CO100 배합의 PL은 모두 0.93으로 향상되었다. 또한 T500은 CaO 치환율 증가에 따라 7.97 s에서 3.93 s로 감소하였다. 이는 CaO 치환이 혼합 직후의 초기 유동성뿐만 아니라 철근 장애물이 존재하는
제한 흐름 조건에서의 통과성 및 충전성능 개선에도 긍정적으로 작용했음을 의미한다.
3) CaO 치환율이 증가함에 따라 초결 및 종결 시간은 각각 27.3 h 및 28.2 h에서 11.8 h 및 12.0 h로 단축되었다. 이는 CaO가
물과 반응하여 Ca(OH)2를 형성하고, 이 과정에서 알칼리도, Ca2+ 공급 조건 및 수화열 발생이 변화하여 고로슬래그계 결합재의 초기 반응을 촉진했기 때문으로 판단된다. 따라서 CaO 치환은 Ca(OH)2 기반 배합에서 나타날 수 있는 장시간 지연 응결을 개선하는 데 효과적인 것으로 나타났다.
4) 압축강도는 CH100, CH60-CO40 및 CH30-CO70 배합에서 각각 130.9, 129.2 및 127.2 MPa로 나타나, CaO를
70%까지 치환하더라도 높은 압축강도를 안정적으로 확보할 수 있었다. 반면 CO100 배합의 압축강도는 94.8 MPa로 크게 감소하였다. 이는 CaO
단독 사용이 초고강도 무시멘트 콘크리트의 강도 발현에 불리하게 작용할 수 있음을 보여준다.
5) 휨성능 평가 결과, CH60-CO40 배합은 최대 휨강도 35.8 MPa 및 L/150 기준 휨인성 208 J로 가장 우수한 휨성능을 나타냈다.
반면 CO100 배합은 최대 휨강도 21.9 MPa 및 L/150 기준 휨인성 125 J로 가장 낮은 값을 보였다. 따라서 CaO를 적정 수준으로
치환하는 것은 휨성능 확보에 불리하지 않으나, CaO 단독 사용은 압축강도뿐만 아니라 휨강도와 에너지 흡수능력 측면에서도 불리한 것으로 판단된다.
6) TG/DTG 분석 결과, CaO 치환율이 높은 배합에서는 잔존 Ca(OH)2의 탈수산화 반응과 관련된 열분해 특성이 확인되었다. 이는 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)2를 형성하였으나, 생성된 Ca(OH)2의 일부가 고로슬래그 및 실리카흄과의 후속 반응에 충분히 소비되지 못했기 때문으로 판단된다. 즉, CO100 배합의 낮은 역학적 성능은 Ca계 활성화제의
부족 때문이 아니라, CaO 수화로 생성된 Ca(OH)2가 강도 발현에 기여하는 C-(A)-S-H계 반응생성물로 충분히 전환되지 못한 결과와 관련될 수 있다. 다만 TG/DTG 분석만으로 반응생성물의 정량적
함량을 명확히 구분하기에는 한계가 있으므로, 향후 XRD 정량분석, 공극구조 분석 및 미세구조 관찰을 통한 추가 검토가 필요하다.
7) 종합 성능지수는 CH100, CH60-CO40, CH30-CO70 및 CO100 배합에서 각각 4.16, 4.43, 4.48 및 4.33으로
나타났다. CH30-CO70 배합은 동일 가중치 조건에서 가장 높은 성능지수를 보였으며, 유동성, 통과성, 응결시간 및 역학적 성능의 균형이 가장
우수한 배합으로 평가되었다. 다만 CH60-CO40 배합과의 차이가 크지 않고, 응결시간은 실제 시공 조건에 따라 요구 수준이 달라질 수 있으므로,
CaO 치환율은 목표 성능과 시공 조건을 함께 고려하여 결정할 필요가 있다.
감사의 글
이 연구는 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원연구개발사업의 지원을 받아 수행된연구임(과제번호RS-2025-02306285, 과제명: 고강도
무시멘트 콘크리트 재료 및 설계⋅시공 기술개발).
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