Fundamental Study of Alkali-Activated Concrete Properties based on Modified Slag

ABSTRACT

PURPOSES : This study set out to investigate the fundamental properties of alkali-activated concrete (AAC) using modified slag as the pavement maintenance material.

METHODS : The material properties of modified slag based alkali-activated concrete (MSAAC) were analyzed and evaluated against those of alkali-activated slag concrete (AASC). Several mix formulations were considered, including one MSACC and four AASCs. The main variables considered in the study were slump, air content, compressive strength, rapid chloride permeability test, scaling resistance, freeze-thaw test, XRD, SEM, and EDS.

RESULTS : MSAAC exhibits a compressive strength in excess of 21 MPa six hours after curing. Also, the charge passed of the MSACC was found to be less than 2000 coulombs after seven days and about 1000 coulombs after 28 days. The weight loss determined from a scaling test did not exceed 1 kg/cm

in the case of the MSACC, but that of the AASCs had already exceeded 1kg/cm

at the 10th cycle.

Based on the results of the freeze-thaw test, the relative dynamic modulus of every mix was found to be in excess of 90%. An energy dispersive spectroscopy(EDS) analysis found that the weight rate percentage of the calcium and aluminum in the MSAAC mix is twice that of the AASC mixes.

CONCLUSIONS : It was found that the MSAAC mix exhibits significantly better performance than AASC mixes, based on various fundamental properties.

Keywords

alkali-activated concrete, modified slag, concrete, pavement, XRD, EDS

개질 슬래그 기반 알칼리 활성 콘크리트의 기본 물성 연구

Fundamental Study of Alkali-Activated Concrete Properties based on Modified Slag

안`지`환 An, Ji-Hwan 정회원·한국건설기술연구원 전임연구원·교신저자 (E-mail : [email protected])`

전`성`일 Jeon, Sung-il 정회원·한국건설기술연구원 수석연구원 (E-mail : [email protected])`

권`수`안 Kwon, Soo-Ahn 정회원·한국건설기술연구원 선임연구위원 (E-mail : [email protected])`

1. 서론

건설재료로서 시멘트의 가치는 가격대비 훌륭한 재료 로 인정을 받고는 있다. 그러나 세계적으로 온실가스 저 감에 대한 국제사회의 요구가 지속되고 있는 상황이고 산업폐기물 매립에 의한 환경파괴를 줄이기 위한 노력

으로 플라이애시나 고로슬래그 같은 산업부산물을 일부 시멘트 치환재로 사용함으로서 시멘트 사용량이 점점 감소하고 있는 추세이다. 전체 발생되는 온실가스의 82%를 차지하는 이산화탄소(CO2)의 배출량 중 시멘트 생산과정에서 약 7%에 해당하는 양이 배출되고 있어서

Corresponding Author : An, Ji-Hwan, Research Specialist

Highway and Transportation Research Institute,

Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 283, Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu, Goyang-si, Gyeonggi-do, 411-712, Korea Tel : +82.31.910.0407 Fax : +82.31.910.0161

E-mail : [email protected]

International Journal of Highway Engineering http://www.ksre.or.kr/

ISSN 1738-7159 (print) ISSN 2287-3678 (Online)

Received Dec. 17. 2014 Revised Dec. 19. 2014 Accepted Mar. 24. 2015 Int. J. Highw. Eng. Vol. 17 No. 2 : 1-11 APRIL 2015 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2015.17.2.001

건설 분야에서도 시멘트 사용량을 줄이기 위한 연구들 이 지속적으로 이루어져왔다.

국내에서도 시멘트 사용량을 줄이기 위한 방법으로 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)의 일부를 고로슬래그나 플 라이애시와 같은 산업부산물로 대체하는 방법과 시멘트 를 전혀 사용하지 하는 알칼리 활성 콘크리트(Alkali- Activated Concrete, AAC)¹⁾에 대한 연구가 활발히 진 행되고 있는 실정이다.

보통 포틀랜트 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)의 일부를 산업부산물로 대체하는 방법은 어느 정 도 수준에 도달하였으며, 콘크리트 포장의 경우 이미 시 멘트의 일부를 플라이애시로 치환하여 사용하도록 제도 화 되어 있다. 게다가 고로슬래그의 경우 이미 시멘트 양의 30% 이상을 치환한 슬래그 시멘트로 사용되고 있 으며, 슬래그 시멘트 생산량은 지속적으로 증가하여 2013년을 기준으로 전체 시멘트 생산량의 약 21%를 차 지하고 있다(한국시멘트협회, 2014).

알칼리 활성 콘크리트는 비소성 무기결합재 표면을 알칼리 활성제가 자극을 한 후에 화학반응에 의하여 C- S-H, C-A-H, C-S-A-H 과 같은 반응생성물로 경화 된 콘크리트를 의미한다. 알칼리 활성 콘크리트(AAC) 는 슬래그 기반의 알칼리 활성 슬래그 콘크리트(Alkali Activated Slag Concrete)와 플라이애시를 결합재로 한 지오폴리머(Geopolymer) 등을 포함하는 넓은 범주 의 의미로 사용된다. 비소성 무기결합재로는 플라이애 시, 고로슬래그, 메타카올린, 점토 등이 많이 사용되며, 최근에 성능향상을 위해 실리카 흄을 일부 사용하기도 한다. 특히 고로슬래그를 결합재로 이용한 알칼리 활성 콘크리트는 상온양생에서도 강도발현이 우수하여 플라 이애시 기반의 알칼리 활성 콘크리트보다 현장적용성이 우수한 것으로 알려져 있다(Shi et al, 2006).

알칼리 활성 콘크리트의 가장 큰 장점 중의 하나는 알 칼리 활성제의 조절에 따라 강도발현특성을 조절할 수 있으며, 특히 조기에 강도발현을 할 수 있다는 것이다 (T. Bakharev et al, 2000).

반면에 백화(efflorescence)현상이나 건조수축량 증 가, 탄산화 진행, 결합재의 품질 변동성 및 기존 화학혼

화제 적용 한계 등이 알칼리 활성 콘크리트의 적용을 어 렵게 만드는 문제로 지적하였다(Roy, 1999).

알칼리 활성화를 이용한 무시멘트 콘크리트 구조성능 및 적용에서는 액상형과 분말형의 활성화제의 비교 결 과, 액상형의 활성화제가 강도발현에는 유리하지만 유 동성 손실이 매우 급격하며, 분말형의 활성화제를 사용 시 비교적 다루기 쉬우며 유동성 손실을 늦출 수 있다는 결과를 확인하였다. 그리고 붕산염 및 인산염이 알칼리 활성 콘크리트의 경화를 지연시키는데 효과적이기는 하 나 고강도 콘크리트에서는 그 효과가 매우 저하된다고 확인했으며, 현장 적용 시 내부 수분의 증발과 함께 알 칼리 성분들이 표면으로 용출되어 공기 중의 CO

2

특히 알칼리 활성 슬래그 콘크리트의 건조수축은 고 로슬래그의 분말도와 활성화제의 농도 및 투입량의 증 가와 함께 증가한다(Cho, 2011).

또한 알칼리 활성 콘크리트의 경우 OPC와 다르게 수 산화칼슘이 없고 C-S-H 구조가 취약하기 때문에 OPC보다 탄산화 속도가 빠르며 탄산화 이후 조직붕괴 로 인한 강도 손실이 발생한다고 하였다(Song, 2012).

이처럼 알칼리 활성 콘크리트에 대한 연구는 많이 이 루어지고 있으나 아직 도로포장 현장에 대규모 적용된 사례는 없는 실정이다. 게다가 도로포장 유지보수 재료 로서 알칼리 활성 콘크리트가 적용된 연구도 전무한 상 태이다.

본 연구에서 사용된 개질슬래그는 제강 슬래그를 에이 징(aging)처리하고 석고와 알칼리 활성제를 미리 pre- mix하여 개발된 재료이다. 이 재료를 이용하여 알칼리 활성 콘크리트의 적용 가능성을 검토하기 위하여 개질 슬래그 기반 알칼리 활성 콘크리트와 고로슬래그를 기 반으로 한 다양한 알칼리 활성 콘크리트 배합을 적용하 여 강도특성과 장기내구성 항목들을 비교₩분석하였다.

2. 재료 및 실험방법 2.1. 재료

Table 1은 본 연구에서 알칼리 활성 콘크리트 결합재 로 사용한 개질슬래그(Modified Slag), 플라이애시 (Fly ash), 고로슬래그(GGBS), 생석회(Lime) 및 실리 카 흄(Silica Fume)의 화학성분을 나타낸 것이다. 개질 슬래그 화학성분의 특징은 산화알루미늄(Al2O3) 비율이

1) 본 논문에서는 알칼리 활성 시멘트 콘크리트(Alkali-Activated Cement Concrete, AACC) 라는 용어대신에 알칼리 활성 콘크 리트(Alkali-Activated Concrete, AAC) 라는 용어를 사용하였 다. 실제로 시멘트를 사용하지 않는 무시멘트임에도 용어에 시멘 트라는 표현이 있어 명칭으로 인한 혼동을 사전에 예방하고자 하 였다.

고로슬래그에 비해서 높으며 플라이애시와 비슷한 비율 을 가지고 있으며 산화칼슘(CaO) 성분 비율은 고로슬 래그와 비슷하나 플라이 애시보다는 매우 높은 함량을 차지하고 있다. 고로슬래그는 KS F 2563에 정해진 3 종을 사용하였으며 플라이애시는 KS L 5405에 정해진 2종을 사용하였다. 알칼리 활성화제는 크게 가성 알칼 리 계열, 비 규산계 약산성, 규산염, 알루민산염, 알루 미나 규산염, 비 규산계 강산염의 6종으로 나눌 수 있으 며, 본 연구에서는 알칼리 계열의 액상형 수산화나트륨 (NaOH)과 규산염 계열의 액상형 규산나트륨(Na2SiO3) 을 사용하였다. 굵은 골재는 19mm 골재를 사용하였고 비중은 2.69이다.

2.2. 배합, 양생 및 실험방법 2.2.1. 배합 및 양생

Table 2는 결합재 구성비율에 따른 알칼리 활성 콘크 리트의 물리적 특성과 장기내구성을 비교₩분석하기 위 한 배합표이다. 적용된 배합 모두 목표공기량 4~7%와 목표 슬럼프 200mm 이상을 만족하기 위하여 고성능감 수제와 AE제를 해당 배합별로 적용하였다. 개질슬래그 와 플라이애시 조합의 경우 급결을 예방하고자 개질슬 래그 중량대비 3%의 지연제를 적용하였다.

물-시멘트비는 45%, 잔골재율은 50%, 단위 결합재 량은 450㎏/m³으로 하였다.

알칼리 활성화제 함량은 기존 선행연구에서 검토한 내용을 바탕으로 액상형 수산화나트륨(NaOH)과 액상 형 규산나트륨(Na2SiO3)을 5:5 비율로 섞었으며, 배합 시 결합재 중량 대비로 3~15%의 최적함량을 적용하였

다(Jeon, 2013).

양생의 경우 시편제작 후 24시간동안 상온에서 양생 하였으며, 이후에 탈형하여 20±1℃에서 수중양생을 실 시하였다.

2.2.2. 실험방법

공기량은 KS F 2421에 따라 실험을 수행하였으며, 슬 럼프는 KS F 2401에 따라 실험을 실시하였다. 압축강도 는 KS F 2405에 따라 재령 4시간, 6시간, 1일, 3일, 7 일, 28일에 실험하였다. 열팽창계수 측정은 AASHTO T 336(Standard Method of Test for Coefficient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete)에 따라 28일 이후 충분한 양생이 되었다고 판 단되는 시점에서 측정하였다. 염소이온 침투 저항성 시험 은 KS F 2711(전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험방법)에 따라 재령 7일, 28일에 측정하 였다. 표면박리저항성 시험은 ASTM C 672(Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exposed to Deicing Chemicals)에 따라 매 5 Cycle마다 박리량과 표면 육안조사를 실시하였다. 동 결융해저항성 시험은 KS F 2456(급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법)의 A방법을 이용하여 30 Cycle 간격으로 상대동탄성계수를 측정하였다.

3. 시험결과 및 분석

3.1. 공기량 및 슬럼프 시험결과

공기량 시험결과 모든 배합들이 목표로 하는 공기량 4~7% 이내에 들어왔으며 개질슬래그+플라이애시 배

Table 1. Chemical Composition of Binder (% by mass)

Modified

slag Fly ash GGBS Lime Silica fume

SiO

15.2 56.0 32.8 1.5 88.1

Al

O

22.1 23.1 14.4 0.45 0.4

Fe

O

1.12 6.37 0.55 0.31 0.99

CaO 44.5 3.34 43.7 90.68 0.60

MgO 5.66 1.47 5.24 1.98 1.44

SO

10.3 0.28 1.03 - 1.38

Fineness

(cm

/g) 5,121 4,091 4,924 2,973 over 150,000 Specific

gravity (g/cm

)

2.90 2.27 2.92 3.28 2.17

Loss

ignition 0.18 5.3 0.0 4.15 3.27

Table 2. Details of Concrete Mixes

Mixture

Component ratio, % (by total binder 450kg/m

)

Acti- vator (by binder)

SP (by binder)

AE (by binder)

Retarder (by modified

slag) GGBS Fly

ash Modified

slag Lime Silica fume Modified

slag + Fly ash

20 80 3% 1% 0.003% 3%

Slag + Fly ash +

Lime

70 10 20 15% - 0.01% -

Slag + Fly ash + Silica fume

70 25 5 15% - 0.01% -

Slag + Lime + Silica fume

70 25 5 15% - 0.01% -

합의 경우 다른 배합에 비해 AE제 사용량이 적음에도 공기량 확보가 가능하였다. 이는 개질슬래그가 기존의 고로슬래그에 비해 AE제 성능발현에 유리한 것으로 판 단된다(Fig. 1).

슬럼프 시험결과 4개 배합 모두 200mm 이상으로 나 타나 본 연구에서 목표로 하는 유지보수 재료로서 필요 한 작업성을 만족하는 것으로 나타났다(Fig. 2).

3.2. 압축강도 시험결과

압축강도 시험은 재령 4시간, 6시간, 1일, 3일, 7일, 28일에 측정을 하였는데, 개질슬래그+플라이애시 배합 의 경우 6시간에 21MPa 이상을 확보하였으며, 나머지 알칼리 활성콘크리트 배합의 경우 1일에 21MPa 이상을 확보한 것으로 나타났다. 그러나 3일 이후 압축강도에 서는 개질슬래그+플라이애시 배합보다 고로슬래그를 사용한 배합이 강도발현이 큰 것으로 나타났다.

압축강도 시험 결과만을 두고 비교해보면, 교통차단 시간이 짧아 조기 강도 발현이 필요한 경우에는 개질슬 래그+플라이애시 배합이 조기 교통개방강도를 확보하

여 사용하기에 유리하다. 그러나 1일 이상의 양생시간 이 주어질 수 있는 조건이라면 고로슬래그를 활용한 알 칼리 활성 콘크리트 배합들도 적용 가능하다.

3.3. 염소이온 침투저항성 시험결과

염소이온 침투저항성시험(Rapid Chloride Perme- ability Test, RCPT)은 초기내구성과 장기내구성을 비 교하기 위하여 재령 7일과 28일에 시험을 실시하였다.

Fig. 4는 각 배합별, 재령별 시험결과를 나타내었다.

통과전하량은 개질슬래그+플라이애시 배합일 때 가장 낮은 것으로 나타났으며, 모든 배합들은 재령이 지날수 록 통과전하량이 낮은 것을 알 수 있다. 일반적으로 포 장용 콘크리트 배합 재료의 통과전하량은 3,000~

4,000 쿨롱 정도 나타나는 것으로 알려져 있으며, 유지 보수용 도로포장 콘크리트 재료의 통과전하량은

Fig. 1 Air Content Test Result

Fig. 2 Slump Test Result

Fig. 3 Compressive Strength Test Result

Fig. 4 RCPT Test Result

Modified Slag+FlyAsh Slag+FlyAsh+lime Slag+FlyAsh+SiliscaFume Slag+Lime+SilicaFume

Air Content, %

Modified Slag+FlyAsh Slag+FlyAsh+lime Slag+FlyAsh+SiliscaFume Slag+Lime+SilicaFume

Slump, cm

2,000~1,000 쿨롱 수준 또는 그 이하를 요구하기도 한 다. 재령기간이 짧은 경우에는 개질슬래그를 이용한 배 합은 유지보수용 재료 기준에서 요구하는 통과전하량 기준을 만족할 수 있으나, 고로슬래그를 포함하는 배합 에서는 만족하기는 어렵다. 그러나 충분한 양생시간이 주어진 경우라면 고로슬래그+플라이애시+실리카 흄 배 합은 유지보수용 통과전하량 기준에 만족할 수 있다.

3.4. 표면박리 저항성 시험결과

Fig. 5는 표면박리 시험에 따른 시편 표면박리의 시 각적 평가를 위한 표면 상태이다.

개질슬래그+플라이애시 배합에서는 표면 일부에서 골재가 보이는 정도로 표면박리가 진행되었으나, 나머 지 고로슬래그를 포함하는 배합에서는 전 표면에 걸쳐 골재가 보이는 5등급으로 나타났다.

Fig. 6은 실험 사이클별 단위 박리량을 나타낸 것 으로 개질슬래그+플라이애시 배합에서는 박리량이 최종적으로 1kg/m³가 넘지 않는 것으로 나타나 스케 일링에 대한 저항성이 우수한 것으로 나타났다. 그러 나 고로슬래그를 포함하는 나머지 알칼리 활성 콘크 리트 배합들에서는 이미 초기 10사이클 내에 박리량 이 매우 많은 것으로 나타났다. 이러한 원인에 대해서 는 다양한 이유가 있을 수 있으나, Shi et al.(2006) 에 따르면 일반적으로 알칼리 활성 콘크리트의 경우 건조상태에서 탄산화가 빠르게 진행되며, 탄산화로 인하여 건조수축(shrinkage)이 발생되고, 이로 인해 표면에 균열이 발생되는 것으로 알려져 있다. 결국 탄 산화로 인한 표면 균열로 인해 표면박리량이 증가하 는 것으로 판단된다.

3.5. 동결융해 저항성 시험 결과

Fig.7은 동결융해 시험 결과를 나타낸 것으로 300cycle까지 시험을 수행하였다. 시험결과 모든 배합 의 상대동탄성계수가 90% 이상으로 나타났다. 이는 시 험 시편이 모두 충분한 공기량을 확보했기 때문에 동결 융해에 대한 저항성이 충분한 것으로 판단된다.

0 Cycle 50 Cycle

(a) Modified Slag+Fly ash

(b) Slag+Fly ash+Lime

(c) Slag+Fly ash+Silica fume

(d) Slag+Lime+Silica fume

Fig. 5 Surface Photo by Scaling Resistance of Concrete Surface Test

Fig. 6 Scaling Test Result

Fig. 8은 동결융해 시험에 따른 시편 표면상태를 시 각적으로 평가하기 위한 표면상태 사진이다. 상대동탄

성계수로 판단할 때는 동결융해에 대한 저항성은 높은 것으로 나타났으나 육안으로 시편상태를 관찰할 경우 역시 표면박리가 나타났음을 알 수 있다. 특히 고로슬래 그가 포함된 알칼리 활성 콘크리트 배합들(b, c, d)에서 는 대부분의 골재가 노출되는 표면박리가 진행되었다.

그러나 개질슬래그+플라이애시 배합(a)의 육안조사에 서는 일부에 골재가 노출되는 수준이었다. 이러한 결과 는 표면박리 저항성 시험에서 육안조사에 의한 골재 박 리량 결과 Fig. 5와 유사한 것으로 나타났다. 알칼리 활 성 콘크리트를 이용한 동결융해 시험에서는 상대동탄성 계수값 측정 외에도 시편의 육안 상태 조사가 같이 병행 되어야 보다 정확한 장기내구성을 판단하는데 참고가 될 것으로 판단된다.

3.6. X선 회절(X-ray Diffractiometry, XRD) 분석

XRD 분석은 미지의 시료 속에 있는 결정상들의 정성 및 정량분석이 가능한 장비이다. 단색 X선을 시료에 조 사하면 X선은 Bragg 법칙에 따라 각 결정상에서 고유 한 각도를 갖고 회절되며 이때 결정상의 종류에 따라 X 선이 검출되는 각도와 세기는 고유한 값을 갖게 된다.

이 측정 자료로부터 미지의 결정구조를 판별할 수 있다.

하지만, 결정상이 아닌 비정질 또는 반정질구조를 가진 물질은 XRD를 통해 정확히 식별하기가 불가능하다 (Song, 2012).

XRD 결과인 Fig. 9의 회절 각 피크를 분석하면, 개 질 슬래그+플라이애시 배합에서 Ettringite계 수화물, Quartz (SiO

2

2

6

2

2

3

3

나머지 고로슬래그를 포함하는 배합에서는 공통적으 로 Calcite(CaCO

3

이외로는 Cuspidine(Ca

4

2

7

2

2

+2

+3

3

13

2

Fig. 7 Freezing-Thaw Test Result

30 Cycle 300 Cycle

(a) Modified Slag+Fly ash

(b) Slag+Fly ash+Lime

(c) Slag+Fly ash+Silica fume

(d) Slag+Lime+Silica fume

Fig. 8 Freezing-Thaw Test Specimens Views

3.7. 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석

알칼리 활성 콘크리트의 미시구조를 시각적으로 비교하 기 위하여 저진공 전계방사형 주사전자현미경(VP-FE- SEM, Variable Pressure Field Emission Scanning Electron Microscopy)을 이용하여 촬영하였다.

Fig. 10은 각 배합별 전자현미경 분석 사진이다. 개질 슬래그를 이용한 배합은 알칼리 활성반응을 일으키면서 슬래그 입자표면과 그 주변으로 반응물이 생성된 것을 알 수 있다. 또한 공극 내부에서는 침상형태의 반응물질 이 생성된 것으로 나타났으며 침상구조 주변으로는 판 상형태 반응물이 나타났다. 이러한 침상형 구조들은 일 반적으로 알려진 트리칼슘알루미네이트(tricalcium

(a) Modified Slag+Fly ash

(b) Slag+Fly ash+Lime

(c) Slag+Fly ash+Silica fume

(d) Slag+Lime+Silica fume

Fig. 9 XRD Diffraction Patterns

(a) Modified Slag+Fly ash

(b) Slag+Fly ash+Lime

(c) Slag+Fly ash+Silica fume

(d) Slag+Lime+Silica fume

Fig. 10 VP-FE-SEM Images (×5,000)

aluminate, C

3

고로슬래그+플라이애시+생석회 배합에서는 표면에 반응물질들이 생성되었으나 조직이 치밀하지 않고 공극 이 많은 것으로 나타났다.

고로슬래그+플라이애시+실리카 흄 배합사진은 고로 슬래그+플라이애시+생석회 배합사진과 표면 형상에 있 어 크게 차이는 나지 않는다. 다만 실리카 흄이 첨가되 어 표면에 반응하지 않은 입자가 관찰되었다.

고로슬래그+생석회+실리카 흄 배합에서는 결정질 구 조의 생성물이 발견되었으며 일부 사진에서는 고로슬래 그+플라이애시+생석회 배합과 유사하게 조직이 치밀하 지 않은 생성물도 관측되었다.

3.8. EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석

원소의 정량분석 장비 중 하나인 EDS를 이용하여 생 성 수화물에 대한 성분을 분석하였다. EDS는 X-Ray에 너지를 이용해 고유 원소를 측정할 수 있으나 이러한 원 소를 구성하는 물질명은 알 수가 없다. 하지만 각각 배합 별 반응생성물에 대한 구성성분 차이는 파악할 수 있다.

Fig. 11은 개질슬래그+플라이 애시 배합에 대한 EDS 분석결과이다. 각 반응생성물 위치별로 분석을 실시하였 다. A지점은 플라이애시에 대한 원소 분석으로 산소를 제 외하고 탄소(Carbon)와 규소(Silicon)가 주요 성분이며 알루미늄(Aluminium)과 칼슘(Calcium)도 검출되었다.

B지점과 C지점은 알칼리 활성 반응 후 생성된 부분으 로 주요성분은 칼슘과 알루미늄으로 되어 있으며 특이하 게도 기존 A지점에서는 없던 황(Sulfur)이 검출되었다.

A지점과 B, C지점에서 검출된 원소 성분 중량비를 비 교해 보면 반응 전에 미량에 불과했던 알루미늄과 칼슘의 양이 반응 후에는 중량비율이 매우 높아졌다는 사실이다.

또한 황(Sulfur) 성분이 반응 후 검출된 것으로 보아 이 성분들이 재료 물성에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

이러한 판단 근거로는 X선 회전 분석에서 Bentorite (Ca

6

2

4

3

12

2

monosulfate((Ca

2

6

0.5

2

2

3

3

Fig. 11 EDS Image & Element Component

(Modified Slag+Fly ash)

Fig. 12~Fig. 14는 고로 슬래그가 포함된 배합에 대 한 EDS 분석결과이다. 고로 슬래그가 포함된 3개 배합 의 주요 반응생성물은 규소(Silicon)와 칼슘(Calcium)

으로 구성되어 있고 일부 배합에서는 알루미늄과 마그 네슘도 검출되었다.

실리카흄이 첨가된 고로슬래그+플라이애시+실리카 흄 배합과 고로슬래그+생석회+실리카 흄 배합에서는 실리카 흄이 첨가되지 않은 배합에 비해서 반응생성물 성분 중 규소(Silicon)성분 비율이 상대적으로 높은 것 으로 나타났다.

또한 생석회(lime)가 포함된 고로슬래그+플라이애시 +생석회 배합과 고로슬래그+생석회+실리카 흄 배합은 생석회가 포함되지 않은 배합에 비해서 칼슘성분 비율 이 높은 것으로 나타났다.

Fig. 12 EDS Image & Element Component (Slag+Fly ash+Lime)

Fig. 13 EDS Image & Element Component

(Slag+Fly ash+Silica fume)

Fig. 15는 배합별 주요 원소 성분의 중량비율을 나타 낸 것이다.

배합별 주요 원소 성분 중량비를 살펴보면 개질 슬래그 를 사용한 알칼리 활성 콘크리트 배합의 칼슘(Calcium) 과 알루미늄(Aluminium) 성분비율이 다른 고로슬래그 를 포함하는 배합에 비하여 2배 이상 높은 것으로 나타 났다.

일반적으로 알루미네이트 성분은 실리케이트 성분보 다 빨리 수화반응하는 것으로 알려져 있으며, 특히 초기 경화 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Metha, 2006).

그러므로 알루미늄 성분 중량비가 높은 것이 조기강

도를 발현시키는데 중요한 역할을 한 것으로 판단된다.

왜냐하면 Fig. 10(a)에 보이는 공극 내 에트링자이트와 같은 침상구조물질이 존재하기 때문이다.

4. 결론

본 논문에서는 도로포장 유지보수 재료로서 개질슬래 그를 이용한 알칼리 활성 콘크리트의 적용 가능성을 파 악하기 위해 개질슬래그가 포함된 배합과 고로슬래그가 포함된 다양한 배합들을 이용하여 콘크리트의 물리적인 특성과 장기내구성 항목을 비교₩분석하였다. 이를 위해 개질슬래그 기반 1개 배합과 3가지의 고로슬래그 기반 배합들을 적용하여 시험체를 제작하였고, 양생일별 압 축강도, 염소이온 침투저항성 시험, 표면박리저항성 시 험, 동결융해저항성 시험 및 SEM, EDX 분석을 실시하 였으며, 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 개질슬래그 기반 배합의 경우 6시간 이내에 교통개방 강도인 21MPa 이상의 강도가 발현되었으며, 고로 슬래그를 포함하는 배합들의 경우 1일에 교통개방강 도를 만족하는 압축강도가 발현되었다.

2. 개질슬래그 기반 알칼리 활성 콘크리트 배합의 통과 전하량은 7일이라는 짧은 양생기간에도 콘크리트 포 장 유지보수 재료 기준에 부합하는 수준이며, 고로 슬래그가 포함된 알칼리 활성 콘크리트 배합들의 경 우 일부 배합에서만 충분한 양생이 이루어진 후에야 통과전하량이 만족하는 것으로 나타났다.

3. 스케일링 시험결과, 고로슬래그가 포함된 알칼리 활 성 콘크리트 배합들은 초기에 이미 많은 표면박리가 나타나 스케일링에 대한 개선이 필요한 것으로 나타 났다.

Fig. 14 EDS Image & Element Component (Slag+Lime+Silica fume)

Fig. 15 Comparison of Unit Weight about Element Component

Modified Slag+Flyash Slag+FlyAsh+lime Slag+Flyash+SiliscaFume Slag+Lime+SilicaFume

Unit Weight, %

4. 동결융해시험의 경우 충분한 공기량을 확보한다면 배합에 관계없이 우수한 상대동탄성계수를 확보할 수 있다. 그러나, 배합별로 시편의 표면에 나타나는 박리 정도가 다르므로 알칼리 활성 콘크리트의 동결 융해시험 시 상대동탄성계수 측정 외에 시편의 육안 조사도 같이 실시하여 비교할 것을 제안한다.

5. XRD 분석결과 개질슬래그 배합에서는 일반슬래그 배합에서 나타나지 않은 Bentorite와 Kuzelite- monosulfate 결정구조가 존재하였다. 이 결정구조 들은 구성성분 중에는 삼산화황(SO

3

6. SEM 분석에서 개질슬래그를 포함한 알칼리 활성 콘 크리트에서 공극 내 에트링자이트와 유사한 침상구 조와 모노설페이트와 유사한 판상구조를 발견할 수 있었으나 다른 배합에서는 찾을 수 없었다. 침상 주 변의 판상형 수화물은 XRD 분석에서 나타난 Kuzelite-monosulfate로 판단된다.

7. EDX 분석결과 칼슘과 알루미늄 원소 성분비율이 일 반슬래그 알칼리 활성 콘크리트 배합보다 개질 슬래 그 기반의 알칼리 활성 콘크리트 배합에서 높은 것으 로 나타났으며, 이런 구성 성분비율 차이로 인해 조 기강도발현이 높은 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 국토 해양기술 연구개발사업인“저탄소 녹색 공항 포장 시공 및

유지관리 기법개발” 의 연구지원으로 수행되었으며 이에 감사

드립니다.

XRD, SEM 및 EDS분석은 한국기초과학지원연구원에서 하였습니다.

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