선택적 추출법을 이용한 시멘트 페이스트 내 고로슬래그 미분말의 반응도에 관한 연구

Abstract

최근 콘크리트 산업에서는 온실가스 증가와 산업폐기물, 자원고갈 등의 환경적 요인과 고강도 고성능 콘크리트 수요 증가에 따라 CO2 감축, 산업폐기물 재활용, 고강도·고성능 콘크리트 제조를 위한 혼화재 사용이 증가하고 있으며 일부 혼화재의 경우 보편적으로 사용되어지고 있다. 현재 대표적으로 사용되고 있는 혼화재로는 제철소에서 발생하는 슬래그, 화력발전소에서 발생되는 플라이 애시, 실리콘 및 규소 합금 제조 시 발생되는 실리카 퓸이 대표적이다. 특히 슬래그는 최근 3년간 약 7039만톤의 슬래그가 발생하였으며 평균 98.3%가 재활용되고 있다. 이 중 고로슬래그가 약 52%를 차지하고 있으며 시멘트와 토목용으로 81.9%를 소비하고 있다. 고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GGBFS)은 용광로에서 선철 제조 시 발생하는 용융상태의 고로슬래그에 가압수를 가해 급랭 시켜 유리질 상태의 고로수쇄슬래그를 건조 후 분쇄하여 필요에 의해 석고를 소량 첨가1)한 것으로 시멘트와 혼입하여 사용할 경우 원가절감, 수화발열량 감소, 내황산성, 잠재수경성으로 인한 장기강도 향상 등의 효과를 갖고 있다.2) 하지만 GGBFS를 혼입하지 않은 경우에 비해 조기강도 발현이 느리고 과다 사용 시 내구성 저하 등3)의 문제점이 있으며 환경적인 문제와 시멘트에 비해 비교적 저가인 이유로 무분별하게 사용되고 있다. 또한, 시멘트에 GGBFS를 혼입할 경우 기존의 시멘트 페이스트에 비해 시멘트량 감소, GGBFS의 수화반응 및 슬래그 반응으로 인해 압축강도, 수화생성물, 화학결합수, 수화열 등 GGBFS 혼입 시멘트 페이스트의 물리 화학적 특성이 달라지며 특히 시멘트 수화반응도뿐만 아니라 GGBFS의 반응도에 따라 큰 영향을 받게 된다.4-6) 이에 따라 GGBFS 혼입 시멘트 수화반응 모델4)뿐만 아니라 GGBFS 혼입에 따른 시멘트 페이스트의 특성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으나 시멘트 페이스트 내 GGBFS의 반응도에 관한 연구는 부족한 실정이며 특히, 국내에서는 전무하다. 따라서, 본 연구에서는 시멘트 페이스트 내 GGBFS의 반응도가 시멘트 페이스트의 물성에 끼치는 영향을 규명하고자 물 바인더 비, GGBFS 치환율, 양생온도에 따른 GGBFS 반응도 측정 실험을 실시하였으며 압축강도, 화학결합수 및 Ca(OH)2 량 측정 실험을 통하여 GGBFS 반응도 실험 결과와 비교분석하였다. 실험결과 치환율이 낮고 양생온도가 높을수록 GGBFS의 반응도, 압축강도, 화학결합수, Ca(OH)2 가 높게 측정되었으며 물바인더가 높을수록 압축강도를 제외한 GGBFS의 반응도, 압축강도, 화학결합수, Ca(OH)2 가 높게 측정되었다. 또한 GGBFS의 반응도는 0.238에서 0.380의 값에 수렴하였으며 알칼리자극, 치환율, W/B, 양생온도의 순서로 영향을 끼쳤으며 초기재령에서는 양생온도의 영향이 두드러졌다. 또한 W/B가 높을수록 GGBFS의 반응도가 높게 나타난 것을 통해 혼입된 재료의 단위 무게 당 첨가된 물의 양의 영향을 크게 받는 것으로 판단된다. 압축강도는 W/B가 높은 경우 상대적으로 시멘트 페이스트 내 GGBFS의 반응도가 높게 나타났으나 압축강도는 낮게 측정되는 것을 통해 압축강도는 GGBFS의 반응도보다 W/B의 영향을 크게 받는 것으로 판단된다. 또한 같은 W/B와 장기재령에서 GGBFS의 반응도가 증가함에 따라 압축강도에 미치는 영향이 두드러졌으며 GGBFS의 반응도를 초기에 5~10% 높일 수 있다면 GGBFS 혼입 시멘트의 초기 압축강도 발현에 효과적일 것으로 판단된다. 또한 화학결합수가 높게 측정되었다는 것은 수화반응이 활발했다는 말로 대체할 수 있는 것처럼 GGBFS의 반응도와 상당히 유사한 경향을 보였으며 Ca(OH)2량 측정 결과 W/B와 치환율이 높을 때 Ca(OH)2의 감소폭이 가장 두드러졌으며 GGBFS의 혼입율이 증가할수록 Ca(OH)2량이 적게 검출된 것은 슬래그의 포졸란 반응에 의한 것으로 판단된다. 또한 Ca(OH)2 정량분석과 감소량, GGBFS의 반응도 실험을 비교한 결과 GGBFS의 반응도는 알칼리성을 띄는 Ca(OH)2 의 알칼리 자극에 가장 큰 영향을 받는 것으로 판단되며 GGBFS의 반응도 실험결과를 통해 수화반응 모델을 검증할 수 있을 것으로 판단된다.