Hydration Characteristics of Natural Hydraulic Lime Depending on Silica Fume and Anhydrite Replacement

실리카흄 및 석고 혼입에 따른 천연수경성석회의 수화특성

문기연¹⁾· 최문관¹⁾· 조계홍¹⁾· 조진상¹⁾* · 홍창우²⁾· 권우택³⁾· 안지환⁴⁾

Hydration Characteristics of Natural Hydraulic Lime Depending on Silica Fume and Anhydrite Replacement

Ki-Yeon Moon, Moon-Kwan Choi, Kye-Hong Cho, Jin-Sang Cho

_*

(Received 20 September 2016; Final version Received 12 December 2016; Accepted 22 December 2016)

Abstract : In the present study, the effects of adding a inorganic admixture such as silica fume (SF) and anhydrite to natural hydraulic lime (NHL) on hydration properties were systematically investigated. NHL was produced using domestic low-grade limestone. The hydration properties of NHL pastes were then investigated as a function of the hydration time and mixing ratio of mineral admixture. Through an investigation of the hydration properties of NHL pastes mixed with SF and anhydrite, C-S-H compounds and CaCO

were observed. According to adding anhydrite, the formation of C-S-H hydrates was slightly delayed, but CaCO

was created more than other specimen. The compressive strength was increased by the mixing of the silica fume, and optimum mixing ratio was about 20%. The compressive strength was increased more higher than other mortars from curing 7 days by addition of anhydrite, it was increased to maximum 10.2 MPa at 28 days.

Key words : Natural hydraulic lime, Low-grade limestone, Silica fume, Anhydrite, Waste recycling

요 약 : 본 연구에서는 무기질 첨가재인 실리카 흄과 석고 첨가에 따른 천연수경성석회 (NHL)의 수화특성에 대해 연구를 수행하였다. 연구에서 사용된 천연수경성석회는 국내 저품위 석회석을 활용하여 제조하였다. 천연수경성석 회 페이스트의 수화특성은 무기질 첨가재의 혼합비 및 수화시간에 따라 조사되었다. 또한, EU 규격에 의한 방법으로 모르타르를 제작하여 압축강도 측정을 실시하였다. 실리카 흄과 석고를 혼합하여 제조한 천연수경성석회 페이스트 의 수화특성분석결과 실리카 흄과 Ca(OH)

와의 반응에 의해 생성된 칼슘실리케이트 수화물 및 Ca(OH)

의 탄산화반 응에 의한 CaCO

가 관찰되었다. 석고 혼합에 따라 칼슘실리케이트 수화물 생성은 다소 지연되었으나 CaCO

가 더 많 이 생성되었다. 압축강도 분석결과 실리카 흄 첨가에 따라 압축강도는 증가하였으며 적정 혼입율은 20% 정도였다.

석고 첨가에 따라 재령 7일부터 압축강도가 증가하여 재령 28일에서 최대 10.2 MPa까지 상승하였다.

주요어 : 천연수경성석회, 저품위 석회석, 실리카흄, 무수석고, 폐기물 재활용

1) 한국석회석신소재연구소 연구개발실

2) 한국교통대학교 토목공학과

3) 한국세라믹기술원 에너지환경소재본부

4) 한국지질자원연구원 탄소광물화적정기술사업단

*Corresponding Author( 조진상) E-mail; [email protected]

Address; Dept. of Research and Development, Korean Institute of Limestone and Advanced Materials, Danyang, Korea

서 론

천연수경성석회(Natural Hydraulic Lime, NHL)는 EU 규격에 준해 재령 28일의 압축강도에 따라 NHL 2, NHL 3.5, NHL 5 로 나뉜다(BS EN 459-1, 2015). 압축강도와 같

은 기계적 특성의 발현은 내 ․ 외부적인 여러 요인에 영향을 받지만 외부의 모든 환경이 일정하다고 가정했을 경우 NHL 구성 광물상의 종류와 함량에 의해 물성발현이 상이 하게 나타난다(Lawrence, 2006; Lanas et al., 2004). NHL 의 구성 광물상 중 C

S(2CaO ･SiO

), C

S(3CaO ･SiO

) 및 C

AH

화합물과 같은 수경성 광물상을 함유하는 정도에 따라 경화체의 초기강도 및 응결과 같은 물리적 특성에 1차 적으로 중요 요인으로 작용하며 초기 수화반응 후 Ca(OH)

의 탄산화 반응에 의해 2차적인 특성발현이 나타나게 된다 (Lawrence, 2006).

일반적으로 NHL은 잔골재와 혼합하여 모르타르 형태로

사용되는데 잔골재 배합비율 조정 및 유 ․ 무기질 첨가제 적

연구논문

Table 1. Chemical compositions of low-grade limestone

Raw materials

Chemical compositions (%, by weight)

MgO Al

O

SiO

CaO Fe

O

Low-grade

limestone 1.32 3.04 13.8 42.8 0.98 Silica fume 0.75 0.10 95.49 0.63 0.04 Anhydrite 0.61 0.31 1.37 42.20 0.18

Fig. 1. XRD patterns of raw materials: (a) low-grade limestone, (b) calcined limestone for 2 hours at 1,250°C, (c) NHL synthesized by a dry hydration.

용으로 발현되는 특성에 따라 접합재, 마감재, 내 ․ 외장재 등 적용형태의 폭이 넓어진다(Zhou, 2012; Hu and Wang, 2005; Winnefeld and Bottger, 2006). 현재 NHL을 사용하 는 대부분의 국가에서는 미세기공특성 등 NHL의 기본적 인 물성이 유지될 수 있는 범위 내에서 일정량의 혼화재를 혼합하여 사용하고 있으며 실제로 혼화재를 혼합한 NHL 제품이 EU 규격에 명시되어 있다(BS EN 459-1, 2015;

Maravelaki-Kalaitzakia et al., 2005; Elfordy et al., 2008).

혼화재의 종류는 유 ․ 무기질 재료들로서 섬유 및 오일계열 또는 포틀랜드시멘트를 포함한 무기질 혼화재들이 일반적 으로 사용된다(Elfordy et al., 2008; Naktode and Chaudhari, 2012). 무기질 혼화재를 사용할 경우 C-S-H, C-A-H

및 고 황산염 수화물

의 생성으로부터 강도특성 등이 향상되며 한정적 사용범위를 확대시킬 수 있다(Naktode and Chaudhari, 2012; Baltakys et al., 2007). 또한, 추가적인 수화물을 생성 시키는 것이 아닌 입자간 공극을 채워주는 역할로 혼입되 는 무기질 재료의 사용으로 NHL의 물성향상에 도움을 줄 수 있다.

따라서 본 연구에서는 국내 저품위 석회석으로 제조한 NHL 을 활용하여 무기질 혼화재로서 실리카 흄(Silica Fume, SF) 및 석고를 함량별로 혼합하였을 경우 나타나는 물리적 특성 변화를 확인하고자 하였으며 이에 따르는 혼화재 함 량별 페이스트를 제조하여 재령별 수화생성물의 발현 특성 에 대한 물리 ․ 화학적인 관계를 조사하고자 하였다.

실험방법

출발원료

국내 충북 북부지역에서 산출되어 나오는 저품위 석회석 을 이용하여 NHL을 제조하였으며, Table 1에 저품위 석회 석의 화학분석결과를 나타내었다. 수경성 광물상 생성에 필요한 SiO

함량이 13.8%이며, Al

O

와 CaO 함량은 각각 3.0% 와 42.8%로 NHL 제조가 용이할 것으로 판단되었다.

원료 소성을 위해 저품위 석회석을 10～20 mm 크기로 파 쇄하였으며, 소성온도 1,250°C에서 2시간 동안 전기로를 이용하여 소성을 실시하였다. 이후 수화, 건조, 분쇄공정을 거쳐 최종 제품을 제조하였다. Fig. 1은 XRD 분석결과로서 (a) 는 원료로 사용된 저품위 석회석, (b)는 저품위 석회석을 적정 소성조건으로 열처리 한 샘플, (c)는 소성 샘플을 수화 및 분쇄하여 제조 완료한 NHL의 분석결과이다. Fig. 1(a)

Al2O3와 같은 가용성분이 수경성 화합물인 C2S, C3S 등이 수화 할 때 생성된 Ca(OH)2와 서서히 반응하여 생성된 불용성 물질.

2) CaO-Al2O3-SO3의 복합적인 반응에 의해 생성된 물질로서, ettringite가 대표적임.

Fig. 2. XRD patterns of silica fume and anhydrite.

Table 2. Preparation condition of NHL paste

Sample Water content\

(%, by weight) Condition

Local Korean

NHL

60

SF content (%, by weight) : 10, 20, 30 anhydrite content (%, by weight) : 0, 3 curing condition : 20°C with 95%

of related humidity curing (day) : 1, 3, 7, 28

Table 3. Sample designation for NHL pastes according to SF and anhydrite mixing ratio

Sample

Anhydrite mixing ratio (%, by weight)

SF mixing ratio (%, by weight)

Sample designation

Local Korean

NHL

0

10 S.F 10

20 S.F 20

30 S.F 30

3

10 S.F

10+anhydrite

30 S.F

30+anhydrite 의 저품위 석회석의 XRD 분석결과 주요 구성광물상은 방

해석과 석영이며 그외 미량의 무스코바이트(muscovite), 돌로마이트(dolomite)임을 알 수 있었다. Fig. 1(b)의 온도 1,250°C 에서 2시간 소성한 샘플의 경우 주요 광물상은 CaO, 미반응 SiO

, C

S 및 C

S 임을 알 수 있었으며 Fig. 1(c) 의 제조 완료한 NHL의 주요 광물상은 Ca(OH)

, 미반응 SiO

, C

S, C

S, gehlenite(Ca

Al-(AlSiO

) 임을 확인할 수 있 었다. NHL의 물리적 특성은 탄산화반응에 의한 CaCO

의 생성과 C

S, C

S 와 같은 수경성 광물상의 수화반응으로 C-S-H 계 수화물이 생성되어 경화체 내부의 치밀화에 의해 발현된다(Lawrence, 2006). 국내산 저품위 석회석을 활용 하여 제조한 NHL의 광물상 분석결과로 보아 강도에 영향 을 주는 수경성 광물상이 적절히 생성되어 물리적 특성발 현에 문제가 없을 것으로 판단되었다.

Fig. 2 는 무기질 혼화재 SF와 석고의 광물상분석결과이 며 Table 1에 화학분석결과를 나타내었다. SF는 비정질의 광물상으로 존재하며, SiO

함량이 95.48%로 거의 모두 SiO

로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 석고는 대부분 무수 석고(CaSO

) 형태로 존재하였으며 일부 이수석고(CaSO

․ 2H

O) 와 quartz(SiO

) 가 포함되어 있었다. SiO

가 주성분 인 SF는 Ca(OH)

와 포졸란 반응(pozzolanic reaction)하여 일부 C-S-H gel 생성에 기여할 것으로 보이며 물성발현에 좋은 영향을 미칠 것으로 판단된다. 일반적으로 C-S-H와 같은 calcium silicate 계 수화물은 그물망 형태로 생성되어 장기적으로 경화체 내부의 공극을 치밀하게 한다(Lawrence, 2006; Callebaut et al., 2001). C

S 에 의한 C-S-H gel의 생 성은 초기강도에 영향을 미치는 특성을 나타내기도 하기만 NHL 자체 특성상 C

S 를 훨씬 더 많은 함량비로 보유하고 있기 때문에 초기강도 보다는 장기적인 강도에 더 우수한 특성을 보일 것으로 생각된다(Callebaut et al., 2001; Kadri et al., 2009).

페이스트 제작

무기질 혼화재 첨가에 따른 NHL의 수화특성을 확인하 고자 SF 및 석고를 혼합비별로 배합하여 페이스트를 제조 하였다. Table 2에 페이스트 제조 조건을 나타내었다. 일정 비율로 혼합한 페이스트를 시약접시에 5～8 mm 두께로 나누어 담아 항온 ․ 항습기에서 양생하였으며 각 재령 1, 3, 7, 28 일에서 해당 샘플을 아세톤으로 수화정지 후 유발로 분 쇄하여 분석용 시료로 활용하였다. 각 샘플은 XRD(D/max 2500V/P, Rigaku Co. Ltd., Japan), TG/DSC(STA 449C Jupiter, NETZSCH Co. Ltd Germany), SEM(S-4300, HITACHI Co. Ltd., Japan), 기공률(Auto Pore Ⅳ 9520, Micromeritics Co. Ltd, USA) 측정을 실시하였다. Table 3 에 SF 및 석고를 첨가한 페이스트의 샘플명을 나타내었다.

모르타르 제작

압축강도 측정을 위한 모르타르 배합은 BS EN 459-2 :

2015 에 준해 NHL(+혼화재) : Sand = 1 : 3으로 하였으며,

일정한 플로우에서 혼화재 혼합 비율에 따른 강도차이를

확인하고자 모르타르 플로우가 165 ± 3 mm가 되도록 물 배

합량을 조절하였다. 공시체의 크기는 40 × 40 × 160 mm 크

기로 하였으며, 2단으로 나누어 담아 진동 다짐기로 다짐한

후 온도 20°C, 상대습도 95%에서 양생하였다. 각 모르타르

Fig. 3. XRD patterns of NHL pastes containing silica fume with curing: (a) S.F 10, (b) S.F 20, (c) S.F 30.

Fig. 4. XRD patterns of NHL pastes containing silica fume and anhydrite with curing: (a) S.F 10+anhydrite, (b) S.F 30+anhydrite.

샘플은 재령 7일과 28일에서의 압축강도를 측정하였으며, 압축강도 측정 시 하중속도는 144 kN/min로 하였다. 모르 타르 배합비율과 각 샘플명은 페이스트 제작과 동일하게 하였다.

결과 및 고찰

SF 첨가에 따른 NHL 페이스트의 재령 별 XRD 분석결과 를 Fig. 3에 나타내었다. XRD 분석결과 주요광물상은

Ca(OH)

, CaCO

, SiO

, C

S, Gehlenite(Ca

Al(AlSiO

)) 및 C-S-H임을 알 수 있었으며 Ca(OH)

의 탄산화 반응에 의한 CaCO

생성은 시간이 경과함에 따라서 재령 28일 이 후 급격하게 증가하였다. 경화체의 물리적 특성을 좌우하 는 C-S-H 수화물은 모든 샘플에서 생성되었는데, 이는 NHL 페이스트 내 함유되어있는 Ca(OH)

와의 포졸란 반 응에 의한 것으로 SF의 혼합량 증가에 따라 C-S-H 생성도 많아지는 것을 알 수 있었다(El-Alfi et al., 2011). 일반적으 로 C-S-H 수화물은 화학조성이 일정하지 않고 XRD 분석 에서는 다른 피크들과 중첩되어 완만한 형태로 나타나기 때문에 생성량의 정도를 명확히 구분할 수 없었으며 (Grangeon et al., 2013; Hesse et al., 2009), SF 함량에 따른 C-S-H 의 정량적 분석은 Fig. 5의 열분석결과에서 확인할 수 있었다.

Fig. 4 는 SF와 석고를 첨가한 NHL 페이스트의 재령에 따

른 XRD 분석결과이다. Fig. 3의 석고를 첨가하지 않은 샘

플과 비교해 볼 때 전체적인 광물상에는 큰 차이가 없지만

석고를 첨가한 샘플에서 잔존하는 석고를 확인할 수 있었

다. 석고는 Al계 성분과 결합하여 수화생성물로서 ettringite

Fig. 6. DSC analysis of NHL pastes containing silica fume and anhydrite: (a) S.F 10+anhydrite and S.F 30+anhydrite after 28 days, (b) S.F 30+anhydrite with curing.

Fig. 5. DSC analysis of NHL pastes containing silica fume: (a) S.F 10 and S.F 30 after 28 days, (b) S.F 30 with curing.

및 monosulfate를 생성시킬 수 있으며 경화체의 초기강도 와 내구성 증진에 기여하게 된다(Kadri et al., 2009; Hesse et al., 2009). 그러나 Table 2에서와 같이 SF의 화학성분 중 Al

O

함량이 0.1% 정도로 ettringite 및 monosulfate와 같 은 고황산염 수화물을 생성시키기 어려워 초기 강도증진에 는 효과가 적을 것으로 판단된다.

Fig. 5 에 SF 첨가에 따른 NHL 페이스트의 재령 별 열분 석결과를 나타내었다. Fig. 5(a)의 SF 혼합량에 따른 열분 석결과에서 100°C 부근의 C-S-H상의 열분해에 의한 흡열 피크는 SF 혼합량 증가에 따라 크게 나타나고 있는데 이는 수화물의 생성이 화학적 반응속도뿐만 아니라 반응에 필요 한 용출 이온 양에도 영향을 받는 다는 것을 보여주는 것이 며, Fig. 3에서 예측할 수 있었던 결과와 유사한 경향을 나 타내었다. Fig. 5(b)의 SF 혼합량 30%를 기준으로 한 샘플 의 재령에 따른 열분석결과를 보면, 재령이 경과함에 따라 100°C 부근의 C-S-H에 의한 흡열피크와 800°C 부근의 CaCO

에 의한 피크는 증가하며, 500°C 부근의 Ca(OH)

결합수 분해에 의한 흡열피크는 감소하는 것을 알 수 있었 다. SF의 포졸란 반응으로 인해 수화초기부터 다량의

C-S-H 수화물이 생성됨에 따라 반응 후 남아있는 Ca(OH)

양이 빠르게 감소하여 재령 28일에서 Ca(OH)

에 의한 피 크는 거의 나타나지 않았으며 이러한 이유로 탄산화 반응 에 필요한 Ca(OH)

가 적어지기 때문에 생성되는 CaCO

함량도 낮아지는 것으로 생각된다(Cizer, 2009).

Fig. 6 은 SF와 석고를 첨가한 NHL 페이스트의 열분석결

과이다. Fig. 6(a)의 SF 혼합량에 따른 NHL 열분석결과

Fig. 5(a) 와는 다르게 100°C 부근의 C-S-H 분해에 의한 흡

열피크의 크기에 큰 차이가 없었다. Fig. 6(b)의 SF 30%와

석고를 첨가한 페이스트의 열분석결과 또한 Fig. 5(b)에 비

해 수화 7일까지 500°C 부근에서 잔존하는 Ca(OH)

흡열

피크가 더 크며 800°C 부근의 CaCO

의 분해에 의한 흡열

피크도 수화 7일부터 더 크게 나타났다. 이는 페이스트 내

부에 잔존하는 석고 때문으로 생각되는데 SF와 석고를 동

시에 혼합하였을 경우 석고에 의해 새로운 광물상이 생성

되진 않지만, 첨가된 석고가 페이스트 내부에 잔존하게 되

며 C-S-H 수화물의 생성속도를 지연시키는 것으로 판단된

다. 이로 인해 석고를 혼합하였을 경우 수화초기 C-S-H 수

(a) (b) (c) (d) Fig. 7. SEM images of NHL pastes containing silica fume 30% with curing: (a) 1 day, (b) 3 days, (c) 7 days, (d) 28 days.

(a) (b) (c) (d)

Fig. 8. SEM images of NHL pastes containing silica fume 30% and anhydrite with curing: (a) 1 day, (b) 3 days, (c) 7 days, (d) 28 days.

화물의 생성량이 적어지고 이 반응에 기여하는 Ca(OH)

의 상대적 손실률도 감소하여 수화시간이 경과함에 따라 탄산 화반응에 의한 CaCO

생성량이 증가하게 되는 것으로 생 각된다. 또한 SF는 비중이 작은 혼화재로서 혼합되는 함량 이 증가함에 따라 경화체 내부에 생성되는 모세관 공극을 채우는 micro filler 역할을 하게 되며 탄산화반응을 방해하 는 요소로 작용되는 것으로 생각된다.

Fig. 7 과 8은 SF 30% 및 석고를 첨가한 NHL 페이스트의 재령에 따른 SEM분석결과이다. SEM 분석결과 석고 첨가 여부에 따른 광물상의 큰 차이점을 확인할 수 없었다. Fig. 7 의 석고를 첨가하지 않았을 경우 수화초기 구형의 SF 입자 표면에서부터 포졸란반응이 서서히 일어나기 시작하여 재 령에 따라 C-S-H 수화물이 점점 많이 생성되어 뭉쳐지는 형상을 보였다. 재령 28일에서는 구형의 미반응 SF 입자가 확연히 감소하였으며 수화 생성물의 증가로 인해 재령이 길어짐에 따라 페이스트 내부가 치밀해지는 것을 알 수 있 었다. Fig. 8의 석고를 첨가하였을 경우 석고를 첨가하지 않 았을 경우에 비해 C-S-H 수화물 생성속도가 늦어지고 재령 증가에 따라 각진 모양의 CaCO

의 생성이 많아지는 것을 알 수 있었다. 이는 DSC 분석결과에서 유추할 수 있었듯이 잔존 석고가 수화반응을 지연시켜 탄산화반응이 상대적으 로 빠르게 진행되었기 때문에 석고를 첨가하지 않았을 때 보다 CaCO

입자가 다량으로 생성되고 수화반응 속도 감 소로 결정크기가 작은 C-S-H 수화물이 생성된 것으로 판단 된다.

Fig. 9 는 SF 및 석고 첨가에 따른 NHL 페이스트의 기공 분포 분석결과이다. Fig. 9(a)의 SF 함량에 따른 기공분포 분석결과 SF 30%를 첨가했을 경우 SF 10%를 첨가했을 때 보다 상당히 작은 기공들로 분포되어 있음을 알 수 있었다.

앞서 설명한 바와 같이 SF는 분말도가 매우 높은 재료로서

페이스트 경화체의 공극을 채우는 filler 역할을 하여 기공

크기가 작아지기 때문인 것으로 생각된다(Sounthararajan

et al., 2013). Fig. 9(b)의 SF 30% 첨가 시 재령에 따른 기공

분포 분석결과를 통해 재령에 따라 기공분포가 작은 쪽으

로 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 탄산화반응에 의

한 CaCO

의 생성과 C-S-H수화물이 생성되어 페이스트 내

부의 공극들을 서서히 채워가기 때문에 재령이 길어짐에

따라 기공크기가 작게 분포되는 것으로 보이며, 전체적인

기공률 또한 감소하고 있는 것을 알 수 있었다(Lawrence,

2006). Fig. 9(c) 의 SF 30%와 석고를 첨가한 페이스트의 재

령 28일에 대한 기공분포 분석결과 석고를 첨가했을 경우

석고를 첨가하지 않았을 때 보다 기공크기가 더 작은 쪽으

로 형성되는 것을 알 수 있었다. XRD 및 DSC 분석결과에

서 확인할 수 있었듯이 석고 첨가여부에 따라 생성되는 광

물상의 종류에는 차이가 없지만 잔존하는 석고로 인해 수

화반응이 다소 지연되며 상대적으로 탄산화반응이 빠르게

진행됨을 알 수 있었는데 기공분포 분석결과에서와 같이

생성된 CaCO

가 경화체 내부에 형성되어 있는 공극들을

더 치밀하게 채울 수 있기 때문에 전체적인 기공의 크기가

작아지는 것으로 생각된다. 또한, SEM 분석결과에서 확인

Fig. 9. Pore size distribution of NHL pastes containing silica fume and anhydrite. : (a) S.F 10 and S.F 30 after 28 days, (b) S.F 30 with curing, (c) S.F 30+anhydrite after 28 days

Fig. 10. Compressive strength of NHL mortars containing silica fume and anhydrite with curing. : (a) addition of SF, (b) addition of SF+anhydrite

할 수 있었듯이 석고를 첨가하였을 경우 각진 형태의 CaCO

가 작은 크기로 형성되어 있는 것을 알 수 있었다. 또 한, 혼화재 특성에 따라 형성되는 기공크기분포도는 다르 지만 형성되는 일정 크기의 기공들이 다량으로 분포하기 때문에 전체적인 기공률의 차이는 크게 나타나지 않는 것 으로 보인다.

SF 및 석고첨가에 따른 NHL 모르타르의 압축강도 측정 결과를 Fig. 10에 나타내었다. SF 및 석고 혼합에 따라 압

축강도가 증가하는 경향을 나타내었지만 석고를 첨가하지 않았을 경우 SF 혼합량 20%와 30%에서 재령 28일의 압축 강도가 각각 7.2 MPa, 7.7 MPa로 큰 차이를 보이지 않아 SF 의 적정 혼합량은 20% 정도임을 알 수 있었다. 석고를 첨가 하였을 경우 첨가하지 않았을 때보다 재령 7일부터 높은 강 도를 나타내었으며 S.F 30+anhydrite 샘플에서 28일 기준 최대 10.2 MPa의 높은 압축강도를 보였다. NHL은 수화반 응과 탄산화 반응이 복합적으로 발생하는 경화 메커니즘을 나타내는 재료로서 첨가물의 종류, 반응조건 및 반응시간 에 따라 물성발현에 관여하는 광물상들의 기여도가 상이하 다. 본 연구에서의 분석결과는 수화반응에 의한 C-S-H 생 성보다 탄산화 반응에 의해 생성된 CaCO

가 강도증진에 더 많이 기여한 것을 보여주었으며, 추가로 첨가된 석고의 자체 경화특성 및 내부 기공의 filler 역할로 강도향상에 영 향을 준 것으로 판단되었다.

결 론

국내 SiO

함유량이 높은 저품위 석회석을 이용하여 시

멘트 광물상이 포함된 NHL을 제조하였다. 제조된 NHL의 성능개선을 목적으로 SF와 석고를 첨가하여 물리･화학적 특성을 조사하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. NHL 에 SF 및 석고를 함량별로 첨가하여 페이스트를 제조하였다. SF를 함량별로 혼합한 경우 수화 초기부 터 C-S-H 수화물이 생성되기 시작하여 재령이 경과 함에 따라 증가하였으며 함량이 증가함에 따라 수화 물 생성율도 증가하였다. Ca(OH)

의 탄산화율은 수 화 7일부터 빠르게 진행되어 28일에서는 대부분 CaCO

로 전환되었다. 석고를 첨가한 경우 포졸란 반 응에 의한 C-S-H 수화물의 생성속도는 다소 지연되 어 CaCO

생성이 증가됨을 보였다.

2. SF 및 석고 첨가에 따른 NHL 페이스트 기공특성 분 석결과, SF 단독 첨가에 따라 0.1～1 µm 범위의 기공 들은 크게 감소하였으며 0.1 µm 이하 크기 기공들이 많이 생성되는 것을 알 수 있었다. 석고 첨가에 따라서 0.1 µm 이상의 기공분포가 작은 쪽으로 형성되고 0.01 µm 이하 기공이 다소 증가하여 전체적인 기공율이 감 소하였다.

3. 압축강도 측정결과 SF 혼합량이 증가함에 따라 압축 강도가 증가하였으며 적정 첨가량은 20% 정도였다.

석고 첨가에 따라 재령 7일부터 높은 강도를 나타내어 28 일 기준 최대 10 MPa이상의 강도 값을 보였다. SF 및 석고 첨가에 따라 더 많은 C-S-H 수화물과 CaCO

를 생성시키고 무기질 첨가재의 경화체 충진 효과로 인하여 물성향상에 영향을 주는 것을 확인하였다.

사 사

본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화사업 연 구개발사업의 연구비지원(15RDRP-B066780)에 의해 수 행되었습니다.

References

Baltakys, K., Jauberthie, R., Siauciunas, R. and Kaminskas, R., 2007, “Influence of modification of SiO

on the formation of calcium silicate hydrate,” Materials Science-Poland, Vol. 25, No. 3, pp. 663-670.

BS EN 459-1:2015, “Building lime, Part 1: definitions, specifi- cations and confirmity criteria,” British-Adopted European Standard, UK.

Callebaut, K., Elsen, J., Van Balen, K. and Viaene, W., 2001,

“Nineteenth century hydraulic restoration mortars in the Saint Michae’s Church(Leuven, Belgium): Natural hydraulic

lime or cement?,” Cement and Concrete Research, Vol. 31, No. 3, pp. 397-403.

Cizer, O., 2009, “Competition between carbonation and hydration on the hardening of calcium hydroxide and calcium silicate binders,” PhD dissertation, University of Leuven, BEL.

El-Alfi, E.A., Radwan, A.M. and Abu-El-Naga, H., 2011,

“Influence of substitution of ordinary portland cement by silica fume on the hydration of slag-portland cement pastes,”

Ceramics –Silikáty, Vol. 55, No. 2, pp. 147-152.

Elfordy, S., Lucas, F., Tancret, F., Scudeller, Y. and Goudet, L., 2008, “Mechanical and thermal properties of lime and hemp concrete (‘‘hempcrete’’) manufactured by a projection process,” Construction and Building Materials, Vol. 22, No.

10, pp. 2116-2123.

Grangeon, S., Claret, F., Linardb, Y. and Chiabergea, C., 2013,

“X-ray diffraction: a powerful tool to probe and understand the structure of nanocrystalline calcium silicate hydrates,”

Acta Crystallographica Section B, B69, pp. 465-473.

Hesse, C., Goetz-Neunhoeffer, F., Neubauer, J., Braeu, M. and Gaeberlein, P., 2009, “Quantitative in-situ X-ray diffraction analysis of early hydration of portland cement at defined temperatures,” International Centre for Diffraction Data, pp. 15-20.

Hu. J. and Wang, K., 2005, “Effects of Aggregate on Flow Properties of Mortar,” Proceedings of the 2005 Mid-Continent Transportation Research Symposium, pp. 1-8.

Kadri, E. -H., Aggoun, S. and De Schutter, G., 2009, “Interaction between C

A, silica fume and naphthalene sulphonate superplasticiser in high performance concrete,” Construction and Building Materials, Vol. 23, No. 10, pp. 3124-3128.

Lanas, J., Perez Beranl, J.L., Bello, M.A. and Alvarez Galindo, J.I., 2004, “Mechanical properties of natural hydraulic lime- based mortars,” Cement and Concrete Research, Vol. 34, No. 12, pp. 2191-2201.

Lawrence, R.M.H., 2006, “A Study of Carbonation in Non-hyd- raulic Lime Mortars,” PhD dissertation, University of Bath, UK.

Maravelaki-Kalaitzakia, P., Bakolasb, A., Karatasiosc, I. and Kilikoglou, V., 2005, “Hydraulic lime mortars for the resto- ration of historic masonry in Crete,” Cement and Concrete Research, Vol. 35, No. 8, pp. 1577-1586.

Naktode, P.L. and Chaudhari, S.R., 2012, “Supplementary Cementitious Materials for Rural Area,” International Conference on Emerging Frontiers in Technology for Rural Area (EFITRA), pp. 37-41.

Sounthararajan, V.M., Srinivasan, K. and Sivakumar, A.,

2013, “Micro Filler Effects of Silica-Fume on the Setting

and Hardened Properties of Concrete,” Engineering and

Technology, Vol. 6, No. 14, pp. 2649-2654.

문 기 연

현재 한국교통대학교 신소재공학과 박사과정 현재 한국석회석신소재연구소 연구개발실 연구원 (本 學會誌 第52券 第1号 參照)

조 계 홍

현재 한국석회석신소재연구소 연구개발실 실장 (책임연구원) (本 學會誌 第53券 第2号 參照)

홍 창 우

현재 한국교통대학교 토목공학과 교수 (本 學會誌 第52券 第1号 參照)

안 지 환

현재 한국지질자원연구원 탄소광물화적정기술사업단 단장 (本 學會誌 第53券 第2号 參照)

최 문 관

현재 한국교통대학교 신소재공학과 박사과정 현재 한국석회석신소재연구소 연구개발실 연구원 (本 學會誌 第52券 第1号 參照)

조 진 상

현재 한국석회석신소재연구소 연구개발실 선임연구원 (本 學會誌 第52券 第1号 參照)

권 우 택

현재 한국세라믹기술원 에너지환경본부 수석연구원 (本 學會誌 第53券 第2号 參照)

Winnefeld, F. and Bottger, K.G., 2006, “How clayey fines in aggregates influence the properties of lime mortars,”

Materials and Structures, Vol. 39, No. 4, pp. 433-443.

Zhou, Z., 2012, “Development of Bond Strength in Hydraulic

Lime Mortared Brickwork,” PhD dissertation, University of

Bath, UK.