시멘트 및 건설산업은 그 제조과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하기 때문에 지구온난화 문제를 가속화시키고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 이러한 시멘트를 대체할 수 있는 재료 개발에 많은 연구가 이루어지고 있으며, 철강산업 부산물인 고로슬래그 미분말은 그 중 하나의 재료라 할 수 있다. 고로슬래그 미분말은 물과 직접 반응하지 않으나 알칼리 환경하에서는 물과 반응하여 CSH 수화물을 생성하게 된다. 본 연구에서는 알칼리 자극제를 첨가한 경우의 무시멘트 경화체에 대한 강도 및 수화 특성에 대하여 분석하고자 하였다.
동절기에 콘크리트를 시공할 경우 초기동해와 강도발현이 지연되는 문제가 있으며, 이를 방지하기 위해서는 콘크리트가 동결하기 이전에 시멘트의 수화반응이 일정수준 이하 진행되는 것이 중요하다. 이에 본 연구는 저온에서도 수화열이 높게 발생되는 $Al_2O_3$성분이 함량이 높은 CSA, 알루미나시멘트를 OPC에 치환하여 물성평가를 수행하였다. 그 결과 CSA, 알루미나시멘트를 사용하여 $-5^{\circ}C$의 저온환경에서 초기에 수화반응이 빠르게 진행되며, 급결현상 및 유동성저하현상이 발생되었고, 석고를 사용하여 응결시간을 지연하며 유동성을 확보하여 작업성을 개선하였다. 또한 단열양생공법을 적용하여 모르타르의 동결시간을 지연하였으며 수축보상효과를 증진시켰고 3일, 7일 강도가 증진되었다. 따라서 본 연구 결과 저온환경에서 CSA, 알루미나시멘트 및 석고를 사용하여 조기에 강도발현 증진효과가 우수하였으며, 석고 및 단열양생공법을 적용하여 작업성, 동결저항성, 조기강도 발현 성능이 개선되어 초기동해를 방지하는데 효과가 있을 것으로 판단된다.
시멘트는 현대 건설 산업에서 주된 재료로써 활용되지만 생산 시 발생하는 이산화탄소로 인해 지구온난화의 주된 원인으로 지목되고 있다. 이에 따라 시멘트 대체재로서 산업부산물을 활용하는 연구가 진행 중이며, 이 중 제철소에서 생산되는 고로슬래그가 대표적이다. 하지만 고로슬래그는 시멘트 대체재로써 사용 시 초기 강도 저하의 문제점을 지니고 있는데, 이는 고로슬래그 생산과정에서 만들어지는 입자 표면의 유리질 피막이 원인이다. 일반적인 수화반응에서 피막은 시멘트의 수화반응에서 생성되는 수산화칼슘이 경화체 내부 알칼리 환경을 조성하게 되고 이를 통해 파괴되는 것으로 알려져있다. 따라서 본 연구에서는 고로슬래그의 사용성능 개선 및 초기 강도 저하의 문제점을 해결하기 위하여, 기존에 고로슬래그 입자 표면의 막을 제거하기 위해 사용되어지는 알칼리 자극제 대신 전기분해를 통해 생성한 알칼리 수를 배합수로 활용하기 위한 연구를 진행하였다. 실험 결과, 고로슬래그와 알칼리 수를 활용한 시멘트 경화체에서 일반적인 배합수에 비해 높은 강도 발현 및 수화물 생성을 보였으며, 공극분석 결과 내부 공극률 및 공극분포에서 더욱 밀실한 구조를 지니고 있는 것으로 확인되었다.
지연제는 수화열 저감에 이용될 수 있다. 대표적 지연제로는 설탕 및 포도당이 존재하는데, 이들은 응결시간의 지연효과가 너무 강해 조심하여 사용해야만 한다. 이러한 지연제의 효과적인 사용을 위해서는 지연효과를 상쇄시킬만한 기술의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 촉진제로 물시멘트비 5의 수화시멘트 분말을 사용하였으며, 이를 지연제와 함께 사용하면 시멘트 페이스트의 최고 수화온도를 저감하면서 수화반응을 촉진할 수 있을 것으로 판단된다.
매스 콘크리트 구조물에서는 콘크리트의 타설후 시멘트의 수화반응에 의해 발생하는 수화열로 인하여 적지 않은 크기의 인장응력이 유발되어 균열이 발생할 가능성이 크다. 토목분야에서 통용되고 있는 많은 범용구조해석 프로그램들은 유한요소법을 이용하여 수화열에 의한 온도분포해석 및 열응력해석을 수행할 수 있는 기능을 내장하고 있다. 그러나, 다른 모든 구조해석들이 그러하듯이 수화열 해석 역시 해석자가 적절한 입력자료를 프로그램에 제공하지 않았을 경우 예상과는 다른 결과를 산출할 수 있다.(중략)
최근 순환골재의 활용에 관한 필요성이 증대되고 있으나, 순환골재의 강알칼리성으로 인해 다양한 문제들이 발생되고 있다. 순환골재의 강알칼리성은 대부분 골재 표면에 완전히 제거되지 못한 시멘트 페이스트에 의해 발현되는 것으로써 이를 해결하기 위해 이산화탄소를 활용하여 순환골재의 pH를 저감하기 위해 노력이 지속되어왔다. 그러나 기존의 이산화탄소를 이용한 처리 방법에 의해 중성화 처리된 순환골재는 시간이 지남에 따라 pH가 다시 회복된다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 반응성이 뛰어난 초임계이산화탄소의 활용을 제안하며, 이를 위해 초임계상의 이산화탄소와 수화된 시멘트 페이스트간의 반응 메커니즘을 분석하였다. 그 결과 입자 형태 및 $scCO_2$ 주입량에 따라 중성화 반응정도가 현저하게 달라지는 것으로 나타났다. 특히 powder 형태 시험체에서 $scCO_2$ 주입량이 많은 고온 고압 상태에서 중성화 반응은 활발하게 이루어졌다. 이때 시멘트의 높은 pH를 주도하는 portlandite가 대부분 calcite와 aragonite의 형태로 변환되었으며, ettringite, hemicarbonate 및 monocarbonate와 같은 calcium aluminate 수화물 또한 안정적으로 존재하지 못하고 분해된 것으로 나타났다. 반면, 10mm 크기의 수화된 시멘트 페이스트는 $scCO_2$가 시험체 내부깊이 침투하지 못하고 표면에서만 반응하여, 반응 후에도 내부에 portlandite와 calcium aluminate 수화물이 잔존한다. 이로 인해 시간이 경과할수록 내부의 portlandite가 점차 용출되어 pH가 다시 상승하는 것으로 나타났다.
최근 고로슬래그 미분말의 사용량이 증가함에 따라 고로슬래그 미분말 혼입 시멘트의 수화반응 모델뿐만 아니라 압축강도, 수화생성물, 수화열 등 고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트의 물성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 고로슬래그 미분말 혼입 시멘트 페이스트의 물성에 큰 영향을 끼치는 고로슬래그 미분말의 반응도에 대한 연구는 세계적으로도 부족하며 특히 국내에서는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구는 선택적 추출법을 이용하여 시멘트 페이스트 내 고로슬래그 미분말의 반응도를 정량분석하고 물 바인더비, 치환율, 양생온도에 따라 압축강도, 화학결합수, $Ca(OH)_2$을 측정하여 비교 분석 하였다. 실험결과 시멘트 페이스트 내 고로슬래그 미분말의 반응도, 화학결합수, $Ca(OH)_2$은 치환율이 낮고 물 바인더비와 양생 온도가 높을수록 높게 나타났으며 특히 고로슬래그 미분말의 반응도는 최종적으로 약 0.3~0.4 값에 수렴하는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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