Fundamental Tests on Compressive Strength Development and Thermal Conductivity of Cement Pastes Including Fumed Silica

(1)

J. Korea Inst. Build. Constr. Vol. 18, No. 5 : 413-418 / Oct, 2018

https://doi.org/10.5345/JKIBC.2018.18.5.413 www.jkibc.org

흄드 실리카 첨가에 따른 시멘트 페이스트의 강도발현 및 열전도 특성에 대한 기초 연구

박 종 범¹ 윤 현 섭¹ 양 근 혁^2*¹⁾

Park, Jong-Beom¹ Yoon, Hyun-Sub¹ Yang, Keun-Hyeok^2*

Researcher, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University Graduate School, Seoul, 03746, Korea ¹ Professor, Department of Plant·Architectural Engineering, Kyonggi University, Suwon, 16227, Korea ²

Abstract

This fundamental study is to examine the significance and limitation of the fumed silica addition to enhance the early compressive strength gain and thermal conduction resistance of cement pastes. The fumed silica content varied from 0% to 1.6% of the cement content by wt% at an interval of 0.4%. Test results showed that the addition of fumed silica is favorable to enhancing the early strength gain of the cement pastes, indicating that 1-day compressive strength corresponded to 45% of the 28-day strength. This high-early strength gain rate is comparable to the trend commonly observed in steam-cured cement concrete. However, the addition of fumed silica little influenced the thermal conduction resistance of cement pastes.

Keywords : fumed silica, early strength, insulation, thermal conductivity

1. 서 론

프리캐스트 콘크리트(precast concrete, PC)는 공장에 서 증기양생 등을 통하여 초기강도를 확보함으로써 제품 모 듈화에 따른 대량생산과 품질향상, 인건비 절감, 시공의 편 의성 및 공기 단축 등의 많은 장점으로 건설에 있어 적용분야 는 계속해서 증가하고 있는 추세이다. 그러나 PC공법은 조 기 탈형을 위한 초기강도 확보를 위해 일정 시간 이상의 증기 양생 공정을 필요로 함으로서 생산성의 한계를 갖는다[1].

특히 최근에는 CO2저감을 포함한 지속가능성의 중요성이 증가함으로서 콘크리트의 증기양생 시간단축에 대한 중요성

Received : January 19, 2018 Revision received : March 6, 2018 Accepted : September 21, 2018

* Corresponding author : Yang, Keun-Hyeok [Tel: 82-31-249-9703, E-mail: [email protected]]

이 높아지고 있다[2]. 이와 같은 인식의 변화와 함께 PC 제품 의 초기강도 확보를 위한 방법으로 경화촉진제 등의 활용 가능성을 평가한 연구가 수행되어지고 있다[3]. 경화촉진제 는 일반적으로 알칼리 계열의 유기염계와 염화물 계열의 무 기염계로 구분 할 수 있다. Min et al.[4,5]은 유기염계 및 무기염계의 경화 촉진제를 사용하여 초기강도 발현에 대한 실험을 진행하였으며, 경화 촉진제를 시멘트 중량대비 1%

및 3% 첨가 하였을 때의 응결시간은 약 13∼50% 감소함을 보였다. 무기염계 경화촉진제는 가격이 저렴한 장점이 있으 나, 철근을 부식시킬 가능성이 크고, 국내의 경우 콘크리트 에 함유되어 있는 염화물량을 엄격히 규제하고 있어 사실상 실용성이 매우 제한적이다[6].

실리카퓸(silica fume, SF)과 같은 혼화재의 사용은 포졸 란 반응을 통해 콘크리트의 수화 초기부터 공극충전효과에 따른 강도증진의 효과를 나타낸다[7]. 이에 따라 1950년 대 부터, 북미 등에서 SF을 사용한 콘크리트 강도특성, 유동성 및 내구성 등에 대한 연구가 다양하게 수행되어 왔다[8].

(2)

근래에는 실리카퓸과 같이 규산질로 이루어진 나노실리카 (nano-silica)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[9]. 나 노실리카는 나노미터 크기의 입자와 나노미터 수준의 미세 구조 제어에 의하여 합성된 실리카를 말한다. 일반적으로 나노실리카는 매트릭스 내에 무수한 메소세공(mesopore) 을 가지는 특성으로 단열성능 향상의 장점 이외에도 시멘트 계 재료와 혼합시 높은 기계적 성질을 갖는다[10,11]. 특히, 나노실리카 계열에 속하는 흄드 실리카(fumed silica)는 높 은 순도를 지니고 있어 그 사용성이 기대되고 있지만[12], 이에 대한 기초 연구는 매우 부족한 실정이다.

본 연구의 목적은 흄드 실리카 첨가에 따른 시멘트 페이스트 의 초기강도 발현 및 열전도 저항성 향상을 평가하는 것이다.

실험결과를 기반으로 흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트 의 초기 압축강도 발현특성을 평가하였다. 흄드 실리카를 첨가 한 시멘트 페이스트의 결정구조는 미세구조 분석(scanning electron microscopy, SEM)을 통해 확인하였다.

2. 연구방법

2.1 사용재료

Figure 1에는 본 연구에서 사용된 흄드 실리카의 미세구 조를 나타내었다. 흄드 실리카는 12nm 수준의 1차 입자가 응집체를 형성하고, 응집체는 삼차원 가지형태로 연결되어 다수의 메소세공을 형성하고 있다. 흄드 실리카의 밀도 및 비표면적은 각각 0.05g/cm³및 200m²/g이다(Table 1). 흄 드 실리카의 입자 크기는 5∼24nm 수준으로 평균 0.1μm 의 입자 크기를 갖는 실리카 흄(silica fume, SF)에 비해 약 4∼20 배 작다(Figure 2). 일반적으로 흄드 실리카는 친수(hydrophilic) 또는 소수 (hydrophobic) 성질을 갖는 분말의 형태로 제조된다. 이 실험에 사용된 흄드 실리카는 친수성으로 1000℃ 이상의 고온의 불에서 산화된 산소와 수소로 형성된 사염화규소로 만들어진 순수한 이산화규소 (SiO2)이다. 흄드 실리카는 제조 과정 중 불꽃에서 만들어진 1차 입자(primary particles)가 표면이 녹아있는 상태로 서 로간의 충돌로 인해 연결되어 응집체(agglomerate)를 형성 하고 최종적으로 표면에 하이드록실기(hydroxyl group)가 존재하는 친수성의 흄드 실리카 분말이 만들어진다(Figure 3). 흄드 실리카는 표면에 하드이록실기가 존재함으로써 수 소결합이 가능하다. Figure 4에 흄드 실라카의 화학구조와 수소결합에 대한 메커니즘을 나타내었다. 여기서 친수성 흄

(a) Magnification(× 20,000) (b) Magnification(× 100,000) Figure 1. SEM image of fumed silica

0 5 10 15 20 25 30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Frequency (%)

Particle diameter (nm)

Figure 2. Particle size distribution of fumed silica

SiCl₄ H₂ & O₂

Primary particles Agglomerate Fumed silica Burner

Figure 3. Manufacturing process of fumed silica

O Si

Si Si

O Si O O

O O Si O

Si O O

O

O O

O

O Si

Si Si

O Si

O O

O O O Si

Si O O

O O O

O O

H H

O H

H

H H

Figure 4. Chemical structure of fumed silica

Density (g/cm³)

Specific surface area (m²/g)

SiO2

(%)

Primary particle size (nm)

0.05 200 99.8 12

Table 1. Properties of fumed silica

(3)

Specimens

Compressive strength (MPa) Apparent specific

density at 28 day (g/cm³)

Thermal conductivity at 28 day

(W/m·K)

1 day 3 days 7 days 28 days

F0 9.6 20.2 30.5 36.8 1.83 0.595

F0.4 19.7 27.5 38.9 47.1 1.85 0.730

F0.8 22.1 33.5 41.6 49.2 1.88 0.560

F1.2 24.4 37.9 46.8 56.0 1.89 0.590

F1.6 28.2 39.6 48.5 57.3 1.90 0.710

Table 3. Summary of test results

반응시키면 표면이 메틸기(methyl group)등의 유기물로 치 환되고 소수성 흄드 실리카가 제조된다.

2.2 실험계획 및 측정 방법

Table 2에는 흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트의 배합상세를 나타내었다. 모든 배합에서 물-시멘트비(W/C) 는 40%로 고정하였다. 시멘트 페이스트의 배합의 주요 변수 는 흄드 실리카의 시멘트 질량대비 치환율로서 0%, 0.4%, 0.8%, 1.2% 및 1.6%이다. 이들 값을 시멘트 부피대비로 환산하면 0%, 25%, 50%, 75% 및 100%에 해당한다. 흄드 실리카의 낮은 밀도를 고려하여 시멘트 단위용적중량에서 시멘트의 용적대비로 흄드 실리카를 첨가하였는데, 이는 중 량대비로 치환할 경우 흄드 실리카의 용적이 너무 커져서 물-결합재 비 제어가 어렵기 때문이다. 이에 따라 시멘트 중량 대비 흄드 실리카 치환율은 매우 낮게 있다. 흄드 실리 카를 첨가한 배합실험은 KS L 5109에 준하여 실시하였다.

각 배합의 압축강도는 KS L 5105에 따라 200 kN 용량의 만능재료시험기(universal test machine, UTM)을 사용하 여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였다. 흄드 실리카 첨가 에 의한 시멘트 페이스트의 초기강도 증진을 고려하여 장기 강도는 측정하지 않았다. 일반적으로 콘크리트의 열전도율 은 겉보기 밀도에 비례하여 비선형적으로 감소한다[13]. 이 에 따라 본 연구에서는 흄드 실리카 첨가에 따른 시멘트 페이 스트의 겉보기 밀도와 열전도율의 변화를 평가하였다. 시멘 트 페이스트의 겉보기 밀도는 KS F 2459에 따라 측정하였 으며, 열전도율은 ASTM C518에 따라 300×300×50mm 인 정방형 시험체를 제작하여 재령 28일에 측정하였다. 배합 별 미세구조 분석 및 수화생성물은 재령 28일에서 흄드 실리 카를 첨가한 시멘트 페이스트의 시료를 채취하여 SEM 및

3. 실험결과 및 분석

3.1 압축강도 발현

시멘트 페이스트의 재령별 압축강도는 재령에 관계없이 흄드 실리카의 첨가율이 0%에서 1.6%로 변화함에 따라 증 가하였다(Table 3). 흄드 실리카를 1.6% 첨가한 배합은 재 령 28일 압축강도가 57.3MPa로서 타 배합보다 높았다. 흄 드 실리카를 0.8% 첨가한 배합의 경우 재령 28일 압축강도 는 49.2 MPa로 흄드 실리카를 1.6% 첨가한 배합에 비해 약 14% 낮았다. 흄드 실리카를 첨가하지 않은 시멘트 페이 스트의 압축강도는 가장 낮았는데, 재령 28일 압축강도가 36.8MPa로 흄드 실리카를 1.6% 첨가한 배합에 비해 약 35% 낮았다. 이는 가용성의 SiO2를 다량 함유하고 있는 흄 드 실리카가 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 포졸란 반응을 일으켜 불용성의 칼슘실리케이트 수화물 (C-S-H gel)을 형성하고 내부 조직을 더욱 치밀하게 만들 어 강도가 증진된 것으로 판단된다[14].

흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트는 초기재령에서 일반 시멘트 페이스트에 비해 높은 강도 발현율을 나타내었 다. 각 배합에서 재령별 압축강도의 측정값을 재령 28일 압

Specimens W/C (%)

Fumed silica (by cement

weight, %)

Unit weight (kg/m³)

Water Cement

F0 40

0

557.5 1393.8

F0.4 0.4

F0.8 0.8

F1.2 1.2

F1.6 1.6

Table 2. Mixture proportions of cement pastes including fumed silica as cementitious materials

(4)

축강도로 무차원한 결과를 Figure 5에 나타내었다. 흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트의 재령 1일 압축강도 발현 율은 일반 콘크리트보다 높았다. 시멘트 페이스트의 재령 28일 대비 재령 1일에서의 압축강도 발현율은 흄드 실리카 를 첨가하지 않은 배합의 경우 26% 수준이었으며, 흄드 실 리카를 0.4% 치환한 배합의 경우는 42% 수준으로 증가하였 다. 반면, 흄드 실리카가 0.4%에서 1.6%로 변화할 때 재령 1일 압축강도 발현율은 42%∼49%로 변화하여 그 증가크기 가 비교적 미미하였다. 이러한 영향은 5∼24nm 크기의 미 세한 입자와 200m²/g의 높은 분말도를 갖는 흄드 실리카의 필러 효과에 의해 초기 강도 발현이 증진된 것으로 판단된다.

흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트의 재령에 따른 압 축강도 발현은 초기재령에서 급격한 기울기를 갖고 재령 7일 이후에는 발현속도가 완만해지는 포물선 형태를 보였다. 콘 크리트 구조기준[15]에서는 포물선 형태의 콘크리트의 강도 발현을 다음의 식으로 나타내고 있다.

_  exp_ ^^^_ ^^ --- (1)

여기서 _는 재령(t, 일)에서의 압축강도, _는 재령 28일 압축강도, _는 압축강도 발현 기울기를 결정하는 상 수이다.  값이 낮을수록 초기 강도발현율이 높다. 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트에서 _값은 습윤 양생 및 증기 양생의 경우 각각 0.35 및 0.15로 제시하고 있다. 흄드 실리 카를 첨가한 시멘트 페이스트의 재령 1일에서의 압축강도는 재령 28일 강도의 평균 45% 수준으로 비교적 높다. Figure 5에 나타낸 흄드 실리카 첨가 시멘트 페이스트의 실험결과를 이용하여 식 (1)의 _ 값을 결정하면 0.19를 얻을 수 있었

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 5 10 15 20 25 30

fck(t) / fck

Time (day)

F0F0.4 F0.8 F1.2 F1.6

Figure 5. Compressive strength gain rate of paste specimens

다. 즉, 흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트의 압축강도 발현속도는 습윤 양생된 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비해 높으며, 증기 양생된 보통 보틀랜드 시멘트 콘크리트와 유사한 수준으로 있음을 의미한다.

3.2 겉보기 밀도

시멘트 페이스트의 겉보기 밀도는 흄드 실리카의 첨가율 이 증가함에 따라 미미하게 증가하였다(Figure 6). 흄드 실 리카를 첨가하지 않은 시멘트 페이스트의 재령 28일 겉보기 밀도는 1.83g/cm³으로 가장 낮았다. 흄드 실리카를 1.6%

첨가한 시멘트 페이스트의 재령 28일 겉보기 밀도는 가장 높았는데, 1.90g/cm³으로 흄드 실리카를 첨가하지 않은 배 합에 비해 약 4% 높았다. 이는 0.05g/cm³의 매우 낮 은 밀도를 갖는 흄드 실리카의 첨가량은 시멘트 사용량의 1.6%

이하수준으로, 흄드 실리카의 첨가가 시멘트 페이스트의 겉 보기 밀도 증가에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 판단된다.

결과적으로 흄드 실리카의 첨가량이 0%에서 1.6%로 변화 할 때 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도 증가율은 1∼4%로 수준으로 비교적 미미하였다.

3.3 열전도율

측정결과 흄드 실리카의 첨가율이 0%에서 0.8%로 변화 할 때 시멘트 페이스트의 열전도율 변화는 일정한 경향을 나타내지 않았다(Figure 7). 흄드 실리카를 0.4% 첨가한 시험체의 열전도율이 0.73W/m·K로 가장 높게 나타났으 며, 흄드 실리카를 0.8% 첨가한 배합에서의 열전도율은 0.56W/m·K로 가장 낮았다. 반면, 흄드 실리카의 첨가율 이 0.8%에서 1.6% 변화할 때 시멘트 페이스트의 열전도율 은 증가하는 경향을 나타내었다. 흄드 실리카의 첨가율이

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

F0 F0.4 F0.8 F1.2 F1.6

Apparent specific density (g/cm3)

Specimens

Figure 6. Apparent specific density of paste specimens

(5)

0.59W/m·K 및 0.71W/m·K로, 흄드 실리카를 0.8% 첨 가한 배합에 비해 각각 5% 및 70% 증가하였다. 결과적으로, 흄드 실리카의 첨가를 통해 시멘트 페이스트의 열전도 저항 성 향상을 기대하였지만 이에 대한 뚜렷한 효과는 없었다.

이는 흄드 실리카의 첨가가 시멘트 페이스트의 밀도에 영 향을 미치지 않는 경향과 비슷하다. 더불어 시멘트 페이스트 상태에서 흄드 실리카질 사이 공극에 물과 시멘트 수화생성 물이 채워지게 되면서 열전도율 저감에 기여하지 못한 것으 로 판단된다.

3.4 미세구조분석

흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트의 미세구조 분석 결과를 Figure 8에 나타내었다.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

F0 F0.4 F0.8 F1.2 F1.6

Thermalconductivity (W/m·K)

Specimens

Figure 7. Thermal conductivity of paste specimens

(a) F0 (× 20,000) (b) F0.8 (× 20,000)

(c) F1.6 (× 20,000) (d) F1.6 (× 100,000) Figure 8. SEM image of cement pastes according to the fumed

silica content

Ca(OH)2및 C-S-H 겔이 관찰되었으며(Figure 8 a), 흄드 실리카를 0.8% 첨가한 시멘트 페이스트에서는 에트링가이 트(ettringite) 및 수산화칼슘 및 C-S-H 겔 등이 전반적으 로 관찰되었다(Figure 8 b). 흄드 실리카를 첨가한 배합의 경우 C-S-H 겔의 양은 흄드 실리카를 첨가하지 않은 배합 에 비해 더 많이 관찰되었다. 이는 SiO2성분으로 이루어진 흄드 실리카에 의한 포졸란 반응의 영향이라 판단된다. 또한 Figure 8 d에서 미세한 흄드 실리카 입자가 시멘트 수화물 사이사이를 채우고 있는 것을 확인 할 수 있었다. 시멘트 페이스트의 미세공극을 채우는 흄드 실리카의 필러효과는 Figure 5에 나타낸바와 같이 초기 압축강도 발현 증가에도 기여하고 있다고 판단된다.

4. 결 론

이 연구는 시멘트 페이스트의 초기강도 및 열전도 저항성 향상을 위한 흄드 실리카의 적용성을 평가한 기초 실험으로 서 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 흄드 실리카를 첨가한 시멘트 페이스트의 재령 1일에 서의 압축강도는 28일 대비 평균 45% 수준으로서 초 기 압축강도 발현 속도는 증기 양생된 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트와 유사한 수준이었다.

2) 흄드 실리카를 1.6% 첨가한 시멘트 페이스트의 28일 압축강도는 흄드 실리카를 첨가하지 않은 페이스트에 비해 약 35% 증가하였다.

3) 흄드 실리카의 첨가가 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도 및 열전도율에 미치는 영향은 미미하였다.

4) 흄드 실리카를 첨가는 콘크리트의 초기강도 확보 측면 에서 그 활용가능성이 높지만 열전도 저항성 확보를 위해서는 향후 재료 내부의 미세공극을 형성하는 등의 고도화 처리 기술이 보완될 필요가 있다.

요 약

이 기초 연구는 시멘트 페이스트의 초기강도 향상 및 열전 도율 향상을 위한 흄드 실리카의 첨가에 대한 적용성 및 문제 점을 평가하기 위한 것이다. 주요 변수인 흄드 실리카 는 시멘트 질량 대비 0%에서 1.6%까지 0.4% 간격으로 첨가

(6)

하였다. 실험결과, 흄드 실리카의 첨가는 시멘트 페이스트의 초기강도 발현에 효율적이었는데, 재령 1일 압축강도는 28 일 강도의 약 45%이었다. 이 높은 초기강도 발현율은 증기 양생 시멘트 콘크리트의 경우와 비슷한 수준이다. 하지만 흄드 실리카의 첨가가 시멘트 페이스트의 열전도 저항성 향 상에 미치는 영향은 무의미 하였다.

키워드 : 흄드 실리카, 초기강도, 단열, 열전도율

Acknowledgement

This research was supported by a grant(18CTAP -C132555-02) from Technology Advancement Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean Government and the Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA).

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