Properties of the Alkali Activated Mortar According to Metakaolin Replacement Ratio

(1)

J. Korea Inst. Build. Constr. Vol. 16, No. 4 : 313-320 / Aug, 2016

http://dx.doi.org/10.5345/JKIBC.2016.16.4.313

www.jkibc.org

알칼리 활성화 모르타르의 메타카올린 치환율에 따른 특성

Properties of the Alkali Activated Mortar According to

Metakaolin Replacement Ratio

서 동 현

¹⁾

형 원 길

^*

Seo, Dong-Hyeon Hyung Won-Gi l

^*

School of Architecture, Yeungnam University, Gyeongsan, 38451, Korea

Abstract

The aim of this study is to look into the metakaolin replacement ratio of blast furnace slag based alkali activated slag mortar and its mechanical characteristics according to changes in stimulant concentration. Metakaolin has high fineness, and therefore the fluidity becomes lower as the replacement ratio becomes higher. So in this study, a sufficient value of mixing water was provided to secure fluidity for the characteristic experiment, and a different W/B was derived for each specimen in order to make the fluidity identical. A characteristic experiment was conducted according to the mol concentration of NaOH, which was used as the mixing water that affects fluidity. Additionally, compressive strength measurement, observation of inner microstructure through SEM, acid resistance experiment, and neutralization resistance was conducted. The results of this study revealed that for a high concentration NaOH solution to have even fluidity, a high W/B is necessary, and the functions were enhanced, not degraded.

Keywords : metakaolin, granulated blast furnace slag, NaOH, alkali activated slag mortar

1. 서 론

1.1 연구의 목적

최근 시멘트 산업에서는 환경부하 저감을 위해 산업부산 물을 혼화재로 사용한 콘크리트에 대한 연구가 활발하다.

시멘트 대체재로 사용 할 경우 CO2 배출 절감 효과는 물론, 건설비도 절감 할 수 있다. 이러한 혼화재로 많이 사용되는 산업부산물 중 하나가 바로 고로슬래그 미분말(Granulated Blast Furnace Slag; 이하 GBFS)이다.

고로슬래그는 수화발열량 감소, 수밀성 증가, 장기강도 개선, 염해저항성 및 동결융해 저항성 증가 등의 장점이 있 지만 치환율이 높아질수록 조기강도 저하가 나타난다[1,2].

Received : May 21, 2016

Revision received : June 21, 2016 Accepted : July 19, 2016

* Corresponding author : Hyung, Won-Gil [Tel: 82-53-810-2597, E-mail: [email protected]]

ⓒ2016 The Korea Institute of Building Construction, All rights reserved.

이러한 고로슬래그의 물성 개선을 위해 함께 사용된 혼화재 인 메타카올린(Metakaolin; 이하 MK)은 카올린을 고온에 서 소성한 후, 급랭시켜 조직을 비정질화 시킴으로써 잠재 수경성을 갖게 한 것을 말하는데, 600~850℃의 소성온도 를 가지기 때문에 1450℃의 소성온도가 필요한 시멘트에 비하여 좀 더 낮은 온도에서 소성과정이 이루어지며, 우수 한 품질을 얻기 위해서는 최대한 과열되지 않은 상태에서 거의 완전한 탈수(Dehydroxytlation)가 이루어 져야 한다 [3,4]. 메타카올린은 강도 및 내구성이 우수하고 경제적이 기 때문에 고성능 콘크리트 제조에 많이 쓰이는 실리카 흄 (Silica fume; 이하 SF)의 대체재로 주목받고 있다[5]. 실 리카 흄은 국내 생산량이 없고 전량 수입에 의존하기 때문 에 단가가 높지만, 메타카올린의 원료가 되는 카올린은 국 내 매장량이 많기 때문에 향후 지속적인 개발과 연구를 통 해 메타카올린의 단가 절감 및 사용량의 증대가 이루어질 수 있을 것으로 예상된다.

본 연구에서는 고로슬래그와 메타카올린이 주 결합재로 사용되었는데, 이러한 포졸란 반응성 물질에 알칼리 자극제

(2)

Properties of the Alkali Activated Mortar According to Metakaolin Replacement Ratio

를 사용하여 만든 모르타르를 알칼리 활성 슬래그 모르타르 (Alkali Activated Slag Mortar; 이하 AAS)라고 한다.

대표적인 잠재수경성 물질인 고로슬래그는 물과 접촉하면 수화반응을 억제시키는 ASH6막을 형성하기 때문에 수산화 나트륨(NaOH) 등과 같은 알칼리 자극제를 첨가하여 피막 을 파괴하여 Si4+, Al3+등의 이온을 용출시켜 수화반응을 시킨다. 이러한 AAS에 대한 연구는 이미 국내외에서 많이 진행되고 있다. 하지만 고로슬래그와 메타카올린을 혼합 사 용한 알칼리 활성 슬래그에 대한 연구는 미비한 수준이다.

기존 고로슬래그와 메타카올린을 혼합 사용한 연구에서는 고정된 수용액-결합재비(Solution-to-binder Ratio; 이 하 Ws/B)를 사용하였기 때문에 고로슬래그에 대한 메타카 올린의 치환율이 증가할수록 유동성 저하의 문제가 발생하 여 메타카올린을 충분히 치환시키지 못하였다[6].

1.2 연구의 방법 및 범위

본 연구에서는 시공성을 기준으로 변동 Ws/B를 가지고 고로슬래그를 메타카올린으로 치환한 알칼리 활성 슬래그 모르타르의 메타카올린 치환율과 알칼리 자극제 농도에 따 른 역학적 특성 및 내구성에 대한 분석을 통해 향후 메타카 올린의 활용성을 높이기 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

2. 실험 계획 및 방법

2.1 실험 계획

본 연구에서는 고로슬래그를 메타카올린으로 0%, 15%, 20%, 25% 치환한 결합재와 알칼리 자극제인 [6M]과 [8M]

NaOH 수용액을 혼합하여 제조한 모르타르를 사용하여 시 험체를 제작하고, 수중양생을 통해 3, 7, 28, 56, 91일 재령을 거친 다음 기초 물성에 대한 실험을 실시하였다.

이때 모든 시험체는 동일한 시공성을 가지게 하기 위하여, 테이블 플로우 범위(165±5mm)를 만족시키는 각기 다른 Ws/B로 설정하였다.

2.2 사용재료, 배합 및 양생

본 실험에서 사용된 재료로서, 잔골재(Sand; 이하 S)는 KS L 5100 규준에 맞는 국내산 표준사를 사용하였으며, 시멘트는 KS L 5201 규준을 따르는 국내 S사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement; 이하 OPC)를 사용하였고, 성분 조성비 및 물리적 특성은 Table

1과 같다. 고로슬래그는 KS F 2563을 만족하는 D사의 3종 고로슬래그 미분말을 사용하였고 각각의 성분 조성비 및 물리적 특성은 Table 2와 같다. 평균적으로 10,000(㎠/g) 의 높은 분말도를 갖는 메타카올린은 국내 C사의 제품을 사용하였고, 그 성분 조성비 및 물리적 특성은 Table 3과 같다. 알칼리자극제로는 가성알칼리 계열 활성화제인 NaOH를 사용하였으며 그 특성은 Table 4와 같고, 사용된 배합비 및 배합 방법은 Table 5, Figure 1과 같다. 양생은 수중양생으로 하였으며, 공시체 성형 후 표준양생(20℃, RH 50%)으로 24시간 양생 후 탈형하여 20±2℃의 수조에 서 재령 기간 동안 양생하였다.

OPC

Chemical composition(wt%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O SO3 LOI

22.0 5.3 3.4 61.5 2.8 0.9 2.3 1.8

Physical properties Density

(g/cm³) Blaine (cm²/g)

Setting time (min) Initial set Final set

3.15 3,460 210 285

Table 1. Chemical composition and physical properties of portland cement

GBFS

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O SO3 TiO2

32.6 13.2 0.69 46.1 3.68 0.47 2.08 0.58 Physical properties Chemical composition(wt%) Density

(g/cm³) Blaine

(cm²/g) Na2O P2O5 LOI

2.87 4,200 0.23 0.01 0.02

Table 2. Chemical composition and physical properties of granulated blast furnace slag

MK

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O TiO2 Na2O P2O5 LOI 52.1 45.3 0.6 0.05 0.16 1.64 0.21 0.1 0.51

Physical properties Density(g/cm³) Average

particle size(㎛) #325mesh sieve Residue under 1%

2.63 1 ∼ 2

Table 3. Chemical composition and physical properties of metakaolin

NaOH

Molecular weight (g/mol)

Density

(g/cm³) Solubility (Per water 100g)

39.997 2.13 0℃ - 42g

100℃ - 347g Properties

Strong deliquescence When dissolved in water, generating large amounts of heat.

Table 4. Properties of NaOH

(3)

Figure 1. Mixing of mortar

Types Ws/B

(%) OPC

(g) GBFS

(g) MK

(g)

SolutionNaOH

(g) S

6M 8M (g)

OPC 36

(W/B) 700 - - Water only

252

1050

[6M]PL 46 - 700 - 322 -

[8M]PL 48 - 700 - - 336

MK15[6M] 50 - 595

105 350 -

MK15[8M] 51 - 595 - 357

MK20[6M] 51 - 560

140 357 -

MK20[8M] 55 - 560 - 385

MK25[6M] 55 - 525

175 385 -

MK25[8M] 57 - 525 - 399

Table 5. Mix proportions of mortars

2.3 실험 방법

2.3.1 몰농도에 따른 NaOH 수용액 물성 실험

비커에 300∼400ml의 물을 채우고 각 몰농도에 맞게 NaOH 분말을 계량해서 넣고 용해시킨다. 어느 정도 용해 가 이루어졌을 때, 500ml 메스플라스크에 수용액을 넣은 다음 눈금에 맞게 물을 조금씩 넣어주고 마개를 막고 흔들 어 완전히 용해될 수 있도록 한다. 용해하는 과정에서 많은 열이 발생하여 부피가 팽창하였기 때문에 주변과 같은 온도 가 될 때까지 기다린 후 최종적으로 부피를 눈금에 맞춘다.

이후 [6M]과 [8M]을 제조할 때 사용한 물의 질량을 측정하 고, 500ml NaOH 수용액의 무게를 구해서 수용액의 단위 질량과 단위부피를 계산하였다.

2.3.2 압축강도 실험

본 실험에서는 KS L ISO 679 규준에 부합하는 만능 시험기(Universal Testing Machine; 이하 UTM)을 이용 하여 재령 3, 7, 28, 56, 91일의 압축강도를 측정하였다.

2.3.3 내부 미세구조 관찰(SEM)

AAS 모르타르의 수화 생성물 및 내부 미세구조의 관찰

아세트산 용액에 침지 시켜 수화반응을 정지시키고, 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 SEM) 을 이용하여 관찰하였다.

2.3.4 내산성 실험

내산성 실험은 ASTM C 267, 579에 의거하여 실시하였 다. 28일 재령 공시체를 양생 수조에서 꺼내 표면의 물기를 제거하고 중량을 측정한 뒤 5%의 황산(H2SO4) 수용액에 완전히 잠기도록 침지한 후 침지재령 14일, 28일, 56일, 90일에 침지 된 공시체를 꺼내어 흐르는 물로 표면에 붙어 있는 침전물들을 제거한 뒤 표면의 물기를 제거하고 중량을 측정하였다. 중량 측정이 끝난 공시체는 다시 새로운 황산 (H2SO4) 수용액에 침지 시켰다. 측정한 재령별 중량과 식 (1)을 통해 중량 감소율을 산출하였다.

중량감소율      

    

×   

   침지 재령에서의 공시체 중량

   침지 전의 공시체 중량

-- (1)

3. 실험 결과 및 분석

3.1 NaOH 수용액의 특성 실험

Table 6은 500ml NaOH 수용액의 농도별 특성을 나타 낸 것이다. Table 6을 보면 [6M]과 [8M] NaOH 수용액의 단위질량 및 단위부피가 다른데, 이는 NaOH 수용액의 농 도에 따라 수용액 중의 물이 차지하고 있는 중량이 다름을 뜻한다[7]. 본 연구에서는 NaOH 수용액을 수용액(Weight of solution; 이하 Ws)으로 지칭하며, NaOH 수용액 중에 서 녹아있는 NaOH 분말을 제외한 순수한 물을 실배합수 (Weight of water; 이하 Ww)로 지칭한다. 본 실험에서는 수용액을 바인더 대비 중량비로 사용하였기 때문에 Table 6을 통하여 각각의 배합에 사용된 Ws에서 Ww가 차지하고 있는 양에 대하여 대략적으로 계산해 볼 수 있다.

mole(M)

NaOH powder

(g)

Water (g)

NaOH solution

(g)

Unit weight

(g/L)

Unit volume (ml/Kg)

[6M] 120 493.53 602.64 1205.28 829.68

[8M] 160 487.79 631.18 1262.36 792.17

Table 7. NaOH solution(500ml)

(4)

식 (2), (3)은 [6M]과 [8M] NaOH 수용액에 포함되어있 는 Ww를 중량%로 나타낸 것이다. (단, 실험 중 발생한 기체는 전량 순수한 물이라고 가정한다.) 여기서 Wn(Weight of NaOH; 이하 Wn)는 분말 NaOH의 질량 (g)을 의미한다. 모든 배합에서 동일한 시공성을 가지게 하기 위해서 각기 다른 Ws/B를 사용하였는데 이는 Figure 2와 같고, Figure 3은 식 (2), (3)을 이용하여 Ww/B를 나타낸 것이다. Figure 2에서는 PL[8M]가 OPC에 비해서 Ws/B비가 12% 정도 더 높은 것을 볼 수 있지만, Figure 3을 보게 되면 Ww/B는 비슷함을 알 수 있다. 즉 PL은 Figure 2에서 높은 Ws/B를 갖지만 실제 사용되는 Ww는 OPC와 비슷함을 알 수 있다. 따라서 MK에서 Ws/B가 높 아지는 것은 고로슬래그가 아닌 메타카올린의 영향이라고 유추할 수 있다. MK는 치환율이 높아질수록 더 많은 Ww 를 필요로 하는데, 이는 메타카올린의 입자형태가 공극형 태이기 때문에 수분을 더 많이 흡수하여 상대적인 단위수량 을 감소시키기 때문으로 사료된다[8,9].

  

   

×    

   

×   ≒  - (2)

_{ }



  

×    

  ×   ≒ --- (3)

Figure 2. Ws/B(%)

Figure 3. Ww/B(%)

3.2 압축강도

Figure 4는 사용된 NaOH 수용액의 농도와 사용량을 통해 계산한 Na2O의 양을 그래프로 나타낸 것이다.(사용 된 결합재의 양은 모두 동일하므로 결합재와의 비율은 생 략) Na2O의 그래프는 전반적으로 압축강도의 모습과 유사 한 모습을 보여주었다. 각각 [6M]과 [8M]을 사용한 배합에 서 동일한 농도를 사용하였지만, 메타카올린의 치환율이 높아질수록 사용된 NaOH 수용액의 양이 많아졌고, 그로 인해 좀 더 높은 Na2O를 보여주었다. 따라서 이로 인하여 메타카올린의 치환율이 높은 배합에서 더 높은 강도 발현이 일어난 것으로 판단된다.

Figure 5, 6은 NaOH 농도별 재령 기간에 따른 압축강 도를 나타낸 그래프이다. PL 모르타르는 MK 모르타르에 비해서 낮은 강도를 보여주었는데, 이는 고로슬래그와 메 타카올린을 혼입하였을 때는 메타카올린이 Ca(OH)2를 빠 르게 소비하여 치밀한 C-S-H겔로 만들어주지만, 고로슬 래그를 단독으로 사용하였을 때는 Ca(OH)2의 소비가 느리 게 진행되기 때문이다[10,11].

PL[6M]과 PL[8M]을 비교해보면 전반적으로 PL[8M]이 더 높은 압축강도를 보여주고 있는데, 이는 높은 알칼리 자 극제의 농도로 인하여 고로슬래그 표면에 형성되어있는 부 정형의 피막 Al2O3·SiO2·6H2O(ASH6)이 빠르게 파괴되 어 Si⁴⁺및 Al⁴⁺이온 등의 용출이 활발해지고 수화반응이 촉 진되어 더 촘촘한 수화생성물을 생성하였기 때문이다[12].

또한 동일한 치환율에서 MK[6M]보다 MK[8M]이 더 우수 한 압축강도를 보여주었다. Figure 5를 보면 [6M] 농도의 모르타르들은 모두 전 영역에서 OPC보다 낮은 압축강도를 보여준 반면, Figure 6을 보면 [8M] 농도의 공시체들은 초기 3일, 7일 재령을 제외하고는 대부분 OPC보다 우수한 압축강도를 보여주었다. 즉, [6M]보다 [8M]에서 우수한 압 축강도를 보여주었는데, 그 이유는 [6M]의 농도가 알칼리 자극을 주기에는 충분하지 못했기 때문으로 판단된다.

메타카올린의 치환율에 따른 변화를 보면 메타카올린의 치환율이 높을수록 초기 강도가 낮아지는 경향이 있으나 초기 재령기간을 벗어나서부터는 높은 강도 증가율을 보여 주고 있으며, [6M] 농도보다 [8M] 농도에서 그 차이가 더 욱 더 뚜렷하게 드러난다. 메타카올린의 치환율이 낮은 배 합은 치환율이 높은 배합보다 상대적으로 고로슬래그의 양 이 많고 Ca(OH)2가 많이 생성되기 때문에 메타카올린과의 반응이 활발하게 일어나 초기 3일 강도가 우수하다[13].

(5)

터는 치환율이 낮은 배합은 반응하지 못하고 남은 Ca(OH)2로 인하여 강도 증가율이 떨어진다.

Figure 4. (Na

2

O/GBFS+MK)ratio

Figure 5. Compressive strength with age [6M]

Figure 6. Compressive strength with age [8M]

Figure 7. Rate of compressive strength increase between 3d and 28d

식(2)를 통해 나타낸 그래프이다.

압축강도 증가율   

  

× 

---- (2)

[6M]과 [8M]모두 메타카올린의 치환율이 높을수록 압 축강도 증가율의 증가가 나타났다. 또한 모든 치환율에서 [6M]보다 [8M]이 높은 압축강도 증가율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 하지만 Figure 5와 Figure 6을 보면 메타 카올린의 치환율에 따른 재령 91일 강도는 큰 차이를 보이 고 있지 않지만, 자극제의 농도에 따른 재령 91일 강도는 큰 차이를 보이고 있다. 따라서 메타카올린의 치환율의 경 우 강도 발현속도에 영향을 미치고, 자극제의 농도의 경우 강도 발현율에 영향을 주는 것을 알 수 있다.

3.3 미세구조 관찰 – SEM

Figure 8은 PL[6M]과 MK15[6M]의 재령 3, 7, 28일의 내부 미세 구조 촬영한 SEM 사진이다. MK15[6M]은 재령 3, 7일에서 수화반응 생성물인 C-S-H겔의 모습을 볼 수 있다. 하지만 C-S-H겔은 촘촘하지 못하고 공극을 많이 가 지고 있는데, 이는 [6M]의 농도가 원활한 수화반응을 일으 킬 만큼 충분하지 못했기 때문이다. 재령 28일에서는 NaOH 수용액을 사용하였을 때 발생하는 6각 판상의 C-A-H겔과 꽃송이 모양의 Tobermorite가 생성되어 촘촘하고 견고한 형태로 일체화되어 있는 것을 관찰할 수 있다.

Figure 9는 MK25[6M]과 MK25[8M]의 재령 3, 7, 28 일의 내부 미세 구조이다. MK25[6M]는 재령 3일에서는 C-S-H겔 생성량이 많지 않았으나. 재령 7일에는 C-S-H겔이 치밀하게 생성된 모습과 반응이 진행 중인 Ca(OH)2의 모습이 발견되었다. 재령 28일에는 재령 초 기에 생성된 C-S-H겔이 더욱 치밀해져 덩어리화 되어 가는 모습을 볼 수 있다. MK25[8M] 재령 3일에서는 수화반응이 일어나지 않은 Ca(OH)2의 모습이 보이는 데, 이는 MK25[8M]의 압축강도가 재령 3일에서 현저 하게 떨어지는 것의 원인으로 판단된다. 재령 28일에는 기존에 생성된 수화 생성물들이 치밀하게 결합되어 공 극 없이 밀실 해진 모습을 관찰할 수 있었다. 농도에 따른 수화 생성물을 비교해보면, 농도가 높은 경우 수화 생성물들 간의 결합이 이루어져 공극 없이 매끈한 모양

(6)

을 보여주는 반면 낮은 농도에서는 수화생성물사이의 공극이 많은 것을 알 수 있다. 동일한 농도에서는 메타카 올린의 치환율이 높을 때 더 촘촘한 형태의 수화물을 생성해내는 것을 확인할 수 있었다.

PL[6M] MK15[6M]

28d

7d

3d

Figure 8 SEM image (x15,000) OPC, MK15[6M]

MK25[6M] MK25[8M]

28d

7d

3d

Figure 9 SEM image (x15,000) MK25[6M], MK25[8M]

3.4 내산성

Figure 10은 각각의 공시체의 침지 전 중량과 5% 황산 (H2SO4) 수용액에 14, 28, 56, 91일간 침지 시킨 이후의 중량을 비교하여 중량 변화율을 나타낸 그림이다. OPC의 경우에는 중량 감소율이 재령의 경과에 따라 지속적으로 감소하였으며, 91일 침지 시킨 모르타르의 중량 감소율은 약 90% 정도로 취약한 내산성을 보여주는 것을 알 수 있다.

이는 내산성 실험에 사용된 황산(H2SO4) 수용액과 반응하 여 침식되기 쉬운 물질이 바로 Ca(OH)2이기 때문이다.

Ca(OH)2는 OPC의 주요 수화생성물로 재령에 따라 그 생 성량이 지속적으로 늘어나기 때문에 OPC는 내산성이 취약 한 것으로 나타난다. 반면 OPC를 제외한 모든 모르타르들 은 오히려 침지 기간이 길어짐에 따라 몰농도나 치환율에 관계없이 모두 중량이 증가하였다. 이는 OPC와는 다르게 Ca(OH)2의 생성량이 적고 메타카올린이 혼합된 모르타르 의 경우 Ca(OH)2을 빠르게 소비하기 때문이다.

Figure 11을 보면 PL은 큰 중량과 부피의 팽창을 보여주 고 있다. 황산에 대한 피해는 침식만 존재하는 것이 아니라 황산의 팽창에 의한 피해도 존재한다[16,17]. 황산과 수화 생성물이 결합하여 화학적 에너지가 역학적 에너지로 전환 되면서 결정작용을 거치며 팽창하는데 이러한 결정작용은 수화생성물인 Ca(OH)2와 황산(H2SO4)이 결합하여 석고 (CaSO4·2H2O)를 생성하여 표면에서 팽창을 일으키고 이 후 칼슘알루미네이트 수화물이 존재할 경우 팽창성의 ettringite를 생성하여 구조물의 내구성을 약화시킨다 [18,19]. 따라서 Ca(OH)2가 존재하는 PL[6M]과 PL[8M]

에서는 Ca(OH)2가 황산이 반응하여 석고가 생성되어 팽창 이 일어난 것으로 판단된다.

이에 반해 메타카올린은 치환율이 높아질수록 중량의 증 가율이 낮아지고 MK20[8M], MK25[6M], MK25[8M]의 경우 91일부터는 오히려 중량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 메타카올린을 혼입한 모르타르에서는 치환율이 상승 할수록 소모되는 Ca(OH)2가 많기 때문에 침식과 팽창이라 는 두 가지 측면에서 모두 우수한 성능을 보여준다. 또한 메타카올린의 치환율이 높아질수록, 사용된 자극제의 농도 가 높을수록 좀 더 우수한 내산성을 보여주었는데 이는 앞선 압축강도에서의 결과와 일치하는 것으로 치환율이 높고 자 극제의 농도가 높을수록 공극 구조 개선을 통해 더욱 치밀한 시험체를 만들기 때문이다[20]. Figure 12는 각각의 공시 체의 침지 기간에 따른 변화를 촬영한 것이다.

(7)

Figure 20. Mass change rate in sulfuric acid solution 

_



_



Figure 21. Mass change rate in sulfuric acid solution(H

2

SO

4

)[Except OPC]

[6M] [8M]

14d

28d

56d

91d

Figure 12. Mass change in sulfuric acid solution(H

²

SO

⁴

)

고로슬래그 미분말을 주재료로 메타카올린을 높은 치환 율로 혼입할 수 있도록 시공성을 높인 모르타르의 역학적 특성과 내구성에 대한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) NaOH 수용액의 몰 농도별 특성에 대해서 알아본 결 과, 높은 농도의 NaOH 수용액을 사용한 배합은 낮은 농도의 NaOH 수용액을 사용한 배합과 비교하여 동 일한 시공성을 얻기 위해서는 더 높은 Ws/B가 요구 되었다. 하지만 높은 Ws/B를 가지고 있음에도 일반 적인 시멘트 모르타르에서 나타나는 높은 W/C의 사 용으로 인한 성능 저하의 문제는 발생하지 않았다.

2) 메타카올린을 혼입한 모르타르의 강도는 치환율이 높 을수록 강도 발현 속도가 빠르고, [6M]보다는 [8M]

농도에서 최종 강도(재령 91일)가 더 높다.

3) 자극제의 농도가 높은 모르타르에서 수화생성물들 간 의 결합이 활발히 이루어져 공극 개선의 효과를 보여 주었으며, 동일한 농도에서는 메타카올린의 치환율이 높을 때 더 촘촘한 형태의 수화물을 생성하였다.

4) 메타카올린을 혼입한 모르타르에서는 OPC에 비해 Ca(OH)2의 생성량이 현저하게 낮게 나타나 우수한 내산성 특성을 보여주었다.

본 연구는 메타카올린의 치환율과 자극제의 농도를 다르 게 하여 기존 OPC를 사용한 모르타르보다 역학적, 내구적 특성에서 동등 혹은 그 이상의 성능을 보여주었으며, 메타 카올린의 치환율과 자극제의 농도의 변화에 따른 최종강도 발현율과 압축강도 증가율의 상관관계에 대하여 제시하였 다. 향후 메카타올린을 치환한 AAS모르타르의 추가적인 적용성 평가를 위하여 염해 저항성, 중성화 저항성, 공극 구조에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

요 약

본 연구의 목적은 고로슬래그 베이스 AAS 모르타르의 메타카올린 치환율과 자극제 농도의 변화에 따른 역학적 특성과 내구성에 대하여 알아보는 것이다. 메타카올린은 분말도가 높아서 치환율이 높아질수록 유동성이 많이 저하 되기 때문에 본 연구에서는 충분한 NaOH 수용액를 가하여 시공성을 확보한 상태에 실험을 진행하였다. 따라서 모든

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시험체의 시공성을 동일하게 하는 각기 다른 Ws/B를 도출 하였고, 이에 따라 시공성에 영향을 미치는 NaOH 수용액 의 몰 농도별 특성에 대한 실험을 진행하였다. 또한 압축강 도 측정실험, SEM을 통한 내부 미세구조 관찰, 내산성 실 험 실험을 진행하였다. 본 연구 결과 메타카올린 치환율이 높은 배합은 Ww가 많이 필요로 하였지만, 그에 따른 성능 저하는 나타나지 않으며 오히려 우수한 역학적·내구적 성 능을 보여주었다. 또한 [6M]보다 [8M]농도의 NaOH 자극 제를 사용했을 때 메타카올린 치환 효과가 극대화 되었다.

키워드 : 메타카올린, 고로슬래그, 수산화나트륨, 알칼리 활 성화 슬래그

Acknowledgement

This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and future Planning. (No.

2015R1A2A2A01005901)

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