Fundamental Study of Alkali Activated Cement Mortar for Evaluating Applicability of Partial-Depth Repair

ABSTRACT

PURPOSES : This study is to evaluate the feasibility of using the alkali activated cement concrete for application of partial-depth repair in pavement.

METHODS : This study analyzes the compressive strength of alkali activated cement mortar based on the changes in the amount/type/composition of binder(portland cement, fly ash, slag) and activator(NaOH, Na ₂ SiO ₃ , Na ₂ CO ₃ , Na ₂ SO ₄ ). The mixture design is divided in case Ⅰof adding one kind-activator and case Ⅱ of adding two kind-activators.

RESULTS : The results of case Ⅰ show that Na 2 SO ₄ based mixture has superior the long-term strength when compared to other mixtures, and that Na ₂ CO ₃ based mixture has superior the early strength when compared to other mixtures. But the mixtures of case Ⅰ is difficult to apply in the material for early-opening-to-traffic, because the strength of all mixtures isn’t meet the criterion of traffic-opening. The results of case Ⅱ show that NaOH-Na 2 SiO ₃ based mixtures has superior the early/long-term strength when compared to NaOH-Na ₂ CO ₃ based mixtures.

In particular, the NaOH-Na ₂ SiO ₃ based some mixtures turned out to pass the reference strength(1-day) of 21MPa as required for traffic- opening.

CONCLUSIONS : With these results, it could be concluded that NaOH-Na ₂ SiO ₃ based mixtures can be used as the material of pavement repair.

Keywords

alkali activated cement mortar, mineral admixture, fly ash, slag, partial-depth repair

도로포장 보수재 활용 가능성 평가를 위한 알칼리 활성 시멘트 모르타르 기초연구

Fundamental Study of Alkali Activated Cement Mortar for Evaluating Applicability of Partial-Depth Repair

전`성`일 Jeon, Sung IL 정회원·한국건설기술연구원 도로연구실 수석연구원·교신저자 (E-mail: [email protected]) 안`지`환 An, Ji Hwan 정회원·한국건설기술연구원 도로연구실 전임연구원 (E-mail: [email protected])

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

윤`경`구 Yun, Kyung Ku 정회원·강원대학교 공과대학 토목공학과 교수 (E-mail: [email protected])

1. 서론

일반적으로 포틀랜드시멘트는 수경성재료로 시멘트재 료가 물과 만나 화학성분이 용출되는 수화반응을 통해 수

화물을 형성하게 된다. 이에 반해 플라이애시, 고로슬래 그와 같은 비소성 무기결합재는 잠재수경성 재료로 물과 만나 일부 수분을 흡수할 뿐 화학적 반응을 통한 경화특

Corresponding Author : Jeon, Sung IL, Senior Researcher

Korea Institute of Construction Technology, 283, Goyangdae-Ro, Ilsanseo-Gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, 411-712, Korea Tel : +82.31.9100.542 Fax : +82.31.9100.161 E-mail : [email protected]

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

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

Int. J. Highw. Eng. Vol. 15 No. 3 : 1-8 June 2013 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2013.15.3.001

성이 전혀 나타나지 않는다. 그러나 알칼리도가 높아져 입자표면을 자극한다면, 이 입자의 화학성분이 용출되고 주변 성분들과 반응하여 경화특성을 나타낼 수 있다.

알칼리 활성 시멘트 콘크리트는 비소성 무기결합재와 알칼리 활성제를 사용하여 제조된 콘크리트를 의미하며, 알칼리 활성 슬래그 기반 콘크리트, 플라이애시 기반 지 오폴리머(geopolymer) 등을 포함하는 넓은 범주의 의미 로 사용된다. 비소성 무기결합재에는 플라이애시, 고로 슬래그, 메타카올린, 점토 등이 많이 사용되며, 최근에 성능향상을 위해 실리카흄을 일부 사용하기도 한다.

1930년에 Kuhl이 슬래그에 가성칼륨(potash)수용액 을 섞어 혼합물의 응결거동을 연구한 것이 최초의 연구사 례이며, 이후 많은 연구자들이 알칼리 활성 시멘트 콘크 리트에 대한 연구를 진행하였다(Caijun Shi et al, 2006). 최근, 여러 국가에서 알칼리 활성 시멘트 콘크리 트에 대한 관심을 보이고 있는데, 이는 포틀랜드 시멘트 에 비해 생산 시 에너지비용이 적게 들고, 고강도, 고내구 성의 성능을 발휘할 수 있기 때문이다. 알칼리 활성 시멘 트 콘크리트는 과거 소비에트연방, 중국 이외의 여러 국 가에서 다양한 구조물에 대한 상업적 생산이 이루어졌으 며, 여러 다양한 구조물에 적용되고 있다(Caijun Shi et al, 2006). 국내에서는 최근에 콘크리트 2차 제품에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다(양근혁 외 3인, 2011 ; 심 재일 외 1인, 2010). 그러나 Roy(1999)는 알칼리 활성 시 멘트 콘크리트의 여러 문제점을 지적하였는데, 특히 백화 (efflorescence)현상, 건조수축량 증가, 결합재의 품질변 동성, 기존 화학혼화제의 사용이 어려운 점 등을 얘기하 였으며, 앞으로 반드시 풀어야 할 숙제임을 강조하였다.

알칼리 활성 시멘트 콘크리트는 알칼리 활성제양에 따라 강도발현특성을 조절할 수 있는 장점이 있는데, 그 동안 이와 관련된 연구가 활발히 진행되지 못하였으며, 또한 도로포장분야에서 조기교통개방용 보수재료에 대 한 연구는 전무한 상태이다.

이에 본 연구에서는 알칼리 활성 시멘트 콘크리트의 보수재료로서의 활용이 가능한지 여부를 평가하기 위 해, 결합재와 알칼리 활성제의 타입 및 양을 조절하여 모르타르의 강도특성을 비교 분석하였다.

2. 실험계획 2.1. 실험개요

본 연구에서는 결합재와 알칼리 활성제의 반응성을 평가하기 위해 모르타르 배합실험을 진행하였다. 반응

성에 대한 평가는 재령별 압축강도 측정을 통해 비교하 였으며, 혼합물에 대한 유동성은 평가하지 않았다. 사용 된 결합재는 포틀랜드 시멘트, 플라이애시, 고로슬래그 를 사용하였다(결합재의 화학성분특성은 Table 1 참 조). 또한 물-결합재비는 0.485, 결합재와 모래 비는 1 : 2.45로 하였다. 모르타르 배합 시 사용된 모래는 ISO 표준사를 사용하였다. 압축강도실험은 재령 1일, 7일, 28일, 56일에 측정하였다.

2.2. 배합실험계획

본 연구에서는 두 가지 종류의 배합실험형태로 구분 하여 진행하였다. 1차 배합에서는 알칼리 활성제 1종류 만을 첨가하고, 2차 배합에서는 2종류를 첨가하여 압축 강도 특성을 평가하였다.

1차 배합에서는 Table 2에 나타낸 바와 같이 결합재의 혼합비에 따른(플라이애시와 고로슬래그는 각각 단독 치 환) 알칼리 활성제를 1종류만 첨가하였으며, 여기서 사용 된 알칼리 활성제는 NaOH, Na

₂

₃

₂

₃

₂

₄

2

3

₂

₃

Table 1. Chemical Components of Binders Unit Portland

Cement Fly Ash Slag

SiO

% 20.2 56.0 32.8

Al

O

% 5.7 23.1 14.4

Fe

O

% 2.8 6.37 0.55

CaO % 61.7 3.34 43.7

MgO % 3.4 1.47 5.24

SO

% 2.4 0.28 1.03

분말도 cm

/g 3,200 4,091 4,924

비중 g/cm

3.15 2.27 2.92

Equivalent Alkali Contents (Na

O+0.658K

O)

% 0.78 2.12 0.63

Loss Ignition % 2.7 5.3 0.0

리 활성 시멘트 콘크리트 연구에 많이 활용되고 있다.

2차 배합에서는 Table 3에 나타낸 바와 같이 결합재 의 혼합비에 따라(플라이애시와 슬래그를 비율별로 혼 용하여 치환) 알칼리 활성제를 2종류 첨가하였으며, 알 칼리 활성제는 NaOH-Na

₂

₃

₂

₃

₂

₃

이하로 제안한 이유는 이 이상 첨가할 경우 혼합물이 경 화가 되지 않아 강도특성을 확인할 수 없기 때문이다.

본 연구에서는 1차, 2차 배합에서 각각 72개, 총 144 개의 모르타르 배합실험이 수행되었다.

3. 실험결과

3.1. 1차 배합실험결과 및 분석

Fig. 1과 Fig. 2는 1차 배합실험에서의 압축강도 실험 결과를 나타내고 있다. 여기서 알칼리 활성제 Na

₂

₃

알칼리 활성제를 첨가하지 않은 배합에서는 플라이애 시 보다는 슬래그가 강도발현특성에 유리함을 알 수 있 으며, 특히 시멘트를 20%만 첨가한 배합에서는 재령 56일에 압축강도가 약 4배정도 차이가 남을 알 수 있 다. 이는 슬래그가 시멘트 양을 상당히 작게 하여도 충 분한 강도를 확보할 수 있음을 보여주고 있는 것이다.

NaOH 기반 배합에서는 결합재로 플라이애시만을 사 용한 경우 전혀 경화가 이루어지지 않았으나, 슬래그만 을 사용한 경우 일정한 강도가 확보됨을 알 수 있다. 또 한 플라이애시에 시멘트의 첨가량을 증가시킬 경우 강 도가 발현되는 특성을 나타내고 있으나, 그 값이 너무 작으며, 알칼리 활성제를 첨가하지 않은 배합 보다 압축 강도가 작게 나타난 것을 볼 때, 플라이애시가 NaOH와 만나 전혀 경화특성을 나타내지 못하는 것으로 판단된 다. 또한 슬래그에 시멘트의 첨가량을 증가시킬 경우, 오히려 강도가 감소하는 경향을 나타내며, 알칼리 활성 제를 첨가하지 않은 배합과 비교 시 압축강도가 전반적 으로 작게 나타나고 있다. 이는 NaOH 기반 배합에서 결합재로 슬래그와 시멘트를 사용할 때, 시멘트가 경화 특성을 나타내지 못하기 때문인 것으로 판단된다.

NaOH 기반 배합에서 결합재로 슬래그만을 사용할 경 우 재령 56일에 압축강도 약 30MPa 이상을 나타내고 있으나, 알칼리 활성제를 사용하지 않고 일정양의 시멘 트를 첨가한 배합에서는 재령 56일에 약 40MPa 이상 을 나타내고 있어, NaOH 기반 슬래그를 첨가한 배합이 경제성 측면에서 전혀 유리하지 않음을 알 수 있다.

NaOH 기반 배합에서는 재령 1일의 압축강도 21 MPa(교통개방 기준 강도)을 도달하지 못하여, 조기교 통개방용 재료로 활용이 불가능할 것으로 사료된다. 또 한 알칼리 활성제의 첨가량 증가에 따라 강도증진효과 가 전혀 나타나지 않고 있어, 첨가량을 이보다 더 증가 시킨다고 하여도 강도를 더 크게 증진시키기는 어려울 것으로 판단된다.

Na

2

4

₂

₄

Table 2. First Mixture Design

Activator 0%,10%,15%

Fly ash Slag

40 60 80 100 40 60 80 100

Cement 60 40 20 0

Table 3. Second Mixture Design

Activator 10%, 15%

(3:7, 5:5, 7:3) Na

SiO

-NaOH Na

CO

-NaOH

Fly Ash : Slag

60 80 100

3:7 5:5 7:3 3:7 5:5 7:3 3:7 5:5 7:3

Cement

40

20

0

이상을 나타내고 있어, 플라이애시에 비해 슬래그가 Na

2

4

2

4

₂

₄

2

4

₂

₄

Na

2

3

2

4

₂

₃

못하지만 다른 배합들과 비교해 압축강도가 가장 크게 나타났다. 특히 Na

2

3

본 연구결과는 Jiang(1997)의 결과와 많은 차이를 나 타내고 있다. Jiang(1997)은 시멘트와 슬래그를 각각 50%로 치환하고 본 연구와 마찬가지로 4가지 알칼리 활 성제에 대한 재령 14일에 압축강도를 비교하였는데, Na

2

3

₂

₄

2

4

전체적으로 알칼리 활성제 1종류만을 첨가하여서는 재령 초기에 충분한 교통개방 확보가 어려울 것으로 판 단된다. 또한 강도발현 측면에서 슬래그가 플라이애시 에 비해 알칼리 활성제 첨가유무에 관계없이 유리한 것 으로 나타났다.

Fig. 1 Compressive Strength of Non-Activated and NaOH Based Mixtures

Fig. 2 Compressive Strength of Na

SO

and Na

CO

Based Mixtures

3.2. 2차 배합실험 결과 및 분석

Fig. 3은 NaOH-Na

2

3

2

3

2

3

못하였으며, 시멘트 0%에 NaOH:Na

₂

₃

이와 같은 경향을 종합하여 보면, NaOH-Na

2

3

기반 혼합물에서는 시멘트 치환율이 감소할 때, 플라이 애시 보다는 슬래그 비율이 증가할 때, 알칼리 활성제 양을 증가시킬 때, 전체적으로 모르타르의 압축강도를 증진시킬 수 있는 것으로 나타났다. 특히 일부 변수에 서 재령 1일 압축강도가 약 21MPa 이상 확보되었으며, 이와 같은 결과는 NaOH-Na

2

3

Fig. 4는 NaOH-Na

2

3

2

3

배합의 재령별 압축강도를 비교한 것이다. 두 배합을 비 교하여 보면 초기강도/장기강도 측면 모두에서 NaOH- Na

2

3

₂

₃

₂

₃

Table 4는 NaOH-Na

₂

₃

축강도가 가장 크게 나온 시멘트 60%-슬래그 40% 배 합으로 하였다. Table에서 나타낸 바와 같이 NaOH- Na

2

3

2

3

이에 알칼리 활성 시멘트 콘크리트를 조기교통개방용 보수재료로 활용하기 위해서는 NaOH-Na

₂

₃

물론 실제 도로포장의 보수재료는 타설 후 3시간~6시 간 안에 교통개방이 이루어지는 재료가 많은데, 본 연구 에서는 알칼리 활성 시멘트 콘크리트가 보수재료로 활 용될 수 있는지에 대한 가능성을 평가하기 위해, 모르타 르의 압축강도를 분석한 기초연구로 분명 한계가 있다.

Fig. 3 Compressive Strength of NaOH-Na ₂ SiO ₃ Based Mixtures

Fig. 4 Strength Comparison of NaOH-Na 2 CO 3 and NaOH-Na 2 SiO 3 Based Mixtures

※ A3-7=NaOH 30%+Na2CO370% 또는 NaOH 30%+Na2SiO370%

그러나 알칼리 활성 시멘트 콘크리트의 경우 양생온도 를 증가시키면 강도발현을 크게 촉진시킬 수 있기 때문 에(Shi et al, 1991 : Anderson and Gram, 1987), 양 생온도에 대한 추가적 검토가 이루어진다면 속경성 재 료와 유사한 성능을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 알칼리 활성 시멘트 콘크리트가 조기 교통개방용 도로포장 보수재로 활용이 가능한지 여부를 평가하기 위해, 결합재 타입별, 알칼리 활성제 타입별 모르타르의 압축강도 특성을 비교 평가하였으며, 그 결 과는 아래와 같다.

1. 알칼리 활성제 1종류 첨가 경우

- 알칼리 활성제를 1종류만 첨가한 NaOH 기반 배합 에서는 결합재로 플라이애시만을 사용할 경우 경화 가 전혀 이루어지지 않았으며, 이에 반해 결합재로 슬래그를 사용할 경우 일정한 강도가 확보되는 것을 확인하였다. 그러나 알칼리 활성제를 첨가하지 않은 배합 보다 강도가 크지 않은 것으로 나타났다.

- Na

2

4

- Na

₂

₃

2

4

2

3

0.3 0.4 0.15 3 : 7 61 -55

0.7 0.2 0.1 3 : 7 169 -48

0.5 0.2 0.1 3 : 7 147 -52

0.3 0.2 0.1 3 : 7 123 -63

0.7 0.2 0.15 3 : 7 392 -20

0.5 0.2 0.15 3 : 7 339 -33

0.3 0.2 0.15 3 : 7 229 -36

0.7 0 0.1 3 : 7 -100 -65

0.5 0 0.1 3 : 7 -100 -51

0.3 0 0.1 3 : 7 -100 -78

0.7 0 0.15 3 : 7 657 5

0.5 0 0.15 3 : 7 490 7

0.3 0 0.15 3 : 7 191 -18

Table 4. Increase-Decrease Ratio of NaOH-Na ₂ SiO ₃ Based Mixtures

S/

(F+S) Cement Activator NaOH : Na

SiO

Increase-Decrease Ratio

1일 56일

0.7 0.4 0.1 7 : 3 75 -59

0.5 0.4 0.1 7 : 3 45 -68

0.3 0.4 0.1 7 : 3 6 -70

0.7 0.4 0.15 7 : 3 83 -50

0.5 0.4 0.15 7 : 3 48 -58

0.3 0.4 0.15 7 : 3 17 -64

0.7 0.2 0.1 7 : 3 134 -53

0.5 0.2 0.1 7 : 3 95 -63

0.3 0.2 0.1 7 : 3 58 -70

0.7 0.2 0.15 7 : 3 186 -41

0.5 0.2 0.15 7 : 3 106 -59

0.3 0.2 0.15 7 : 3 46 -70

0.7 0 0.1 7 : 3 153 -43

0.5 0 0.1 7 : 3 96 -55

0.3 0 0.1 7 : 3 6 -62

0.7 0 0.15 7 : 3 265 -32

0.5 0 0.15 7 : 3 219 -47

0.3 0 0.15 7 : 3 72 -61

0.7 0.4 0.1 5 : 5 40 -54

0.5 0.4 0.1 5 : 5 23 -61

0.3 0.4 0.1 5 : 5 -3 -62

0.7 0.4 0.15 5 : 5 108 -50

0.5 0.4 0.15 5 : 5 82 -56

0.3 0.4 0.15 5 : 5 57 -60

0.7 0.2 0.1 5 : 5 170 -48

0.5 0.2 0.1 5 : 5 130 -56

0.3 0.2 0.1 5 : 5 86 -65

0.7 0.2 0.15 5 : 5 266 -26

0.5 0.2 0.15 5 : 5 183 -39

0.3 0.2 0.15 5 : 5 120 -54

0.7 0 0.1 5 : 5 145 -32

0.5 0 0.1 5 : 5 25 -36

0.3 0 0.1 5 : 5 -100 -55

0.7 0 0.15 5 : 5 605 12

0.5 0 0.15 5 : 5 359 -14

0.3 0 0.15 5 : 7 121 -50

0.7 0.4 0.1 3 : 7 40 -50

0.5 0.4 0.1 3 : 7 16 -54

0.3 0.4 0.1 3 : 7 6 -58

0.7 0.4 0.15 3 : 7 112 -47

0.5 0.4 0.15 3 : 7 80 -53

※ S : Slag, F : Fly Ash,

※ Comparison Variable : Non-Activated Mixture(Activator 0%, Cement 60%, Slag 40%)

축강도 평가를 수행하지 못하였다.

- 전반적으로 알칼리 활성제를 1종류를 첨가한 경우 장기강도측면에서는 Na

2

4

2

3

2. 알칼리 활성제 2종류 첨가 경우

- NaOH-Na

₂

₃

- NaOH-Na

₂

₃

₂

₃

- 실제 도로포장의 보수재료는 타설 후 3~6시간 안 에 교통개방이 이루어지는 재료가 많다. 일반적으 로 알칼리 활성 시멘트 콘크리트의 경우 양생온도 를 증가시키면 강도발현을 크게 촉진할 수 있기 때 문에, NaOH-Na

₂

₃

- 이와 같은 결과는 결합재와 알칼리 활성제와의 반응 성을 평가하기 위한 목적으로 순수하게 강도적인 측 면만 고려하였으며, 콘크리트의 작업성, 워커빌리티 확보와 같은 추가적인 배합연구가 보강되어야 한다.

감사의 글

본 연구는 한국건설교통기술연구원의 국토해양기술 연구 개발사업인“저탄소 녹색 공항 포장 시공 및 유지관리 기법

개발” 의 연구지원으로 수행되었으며 이에 관계자분들께 감사

드립니다.

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( 접수일 : 2012. 9. 10 / 심사일 : 2012. 9. 12 / 심사완료일 : 2013. 4. 18 )