2.1 시험재료

본 연구에서는 분말도 4,660 cm²/g, 비중 3.05의 페로니켈 슬래그 미분말(이하 FNS)을 분말도 3,240 cm²/g, 비중 3.14인 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC)에 혼입하여 사용하였다. Fig. 1에 FNS와 OPC 입도분포를 나타내었으며, FNS의 평균 반지름은 3.39 µm로 측정되었고 OPC의 평균 반지름은 FNS의 약 1.8배에 달하는 6.16 µm로 측정되었다.

Fig. 1. Particle size distribution of FNS and OPC

사용한 FNS와 OPC 원재료의 주요 화학 조성을 Table 1에 나타내었다. FNS의 주요 성분으로는 MgO가 40.45%, SiO₂가 40.46%로 매우 높게 나타났고, CaO는 6.6%로 매우 적게 포함되어 있음을 알 수 있다.

2.2 시험편 제작

2.2.1 배합 종류

응결시간 측정에 사용된 굳지않은 모르타르 이외의 모든 시험편은 페이스트로 제작되었으며, 배합비율을 Table 2에 나타내었다. 시험편은 믹서기를 사용하여 1분간 건비빔하고 배합수를 투입해 3분간 고속으로 혼합하였다. 물-결합재 비율은 0.45로 동일하게 하였다. 모든 시험에 대해서는 미분말의 치환율을 10%, 30%, 50% 로 두고, FNS를 혼입하지 않은 OPC 100%와 비교하여 4종에 대하여 시험하였다. 다만, SEM-SE, EDX분석에서는 FNS 30% 와 50% 2종에 대해서만 수화물 이미지를 분석하였다.

2.2.2 양생 조건 및 전처리

모든 시험에 사용된 시편은 명시된 양생기간 동안 기건(25 ± 2 °C)으로 양생하였으며, 전처리 과정을 거쳐 아세톤에 24시간 동안 담가 수화 정지시켰다. 수화 정지된 시편은 상대습도 30%, 온도 25 ± 2 °C의 진공 데시케이터에서 48시간 이상 건조 시킨 후 시험하였다.

XRD 시험에는 각 7일, 1년간 양생한 페이스트 시험편을 분쇄하여 분말의 입도가 지름 100 µm 이하가 되도록 체에 걸러 준비하였다.

SEM-SE, EDX 시험을 위한 시편은 10 × 10 × 10 mm 페이스트로 제작하여 각 7일, 1년 양생 후 폴리싱 과정을 거쳐 분석하였다. 400∼1,200 grit 크기의 사포를 작은 순서대로 사용하여 폴리싱하였다. 폴리싱 기기의 작동속도는 150 rpm, 압력은 10 Pa로 하였다.

수화도 분석(SEM-BSE)과 미세공극구조 분석(MIP)을 위한 시험에는 28일 양생한 시편을 사용하였다. SEM-BSE 측정을 위한 시편 전처리는 상기 SEM-SE 시편 준비와 동일하게 하였으며, MIP 시험편은 양생 후 5 × 5 × 5 mm 정도의 크기로 절단하여 5 g 가량 준비하였다.

2.3 실험방법

본 연구에서 수행된 실험은 FNS의 수화물 파악, FNS의 수화도 분석, FNS의 공극분포 파악을 위하여 고안되었으며, 각 단계에 따라 실시한 실험에 대한 개요도를 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2. Outline of the performed experiment

2.3.1 XRD, SEM-SE, EDX

FNS의 수화 생성물을 확인하기 위해 결정상에 대한 분석이 가능한 XRD 분석을 수행하였다. 채취한 분말 약 1 g을 스캔각도 5∼65°, 측정속도 2.0°/min의 조건으로 측정하였다. 측정된 피크는 소프트웨어인 PDXL로 분석하여 존재하는 물질들을 확인하였다. 각기 달리 채취한 시료를 3회 측정하여 반복 시험하였으며 대푯값을 본문에 나타내었다.

XRD 분석을 통해 확인된 FNS 수화물 중 OPC의 수화물에서는 발견되지 않는 수화물과 FNS 미수화물에 대해서 가시적으로 미세구조를 확인하기 위해 SEM-SE(secondary electron) 모드로 x 2,000, x10,000 배율의 이미지를 촬영하였다. 시험편은 배합 별로 3개씩 준비하여 랜덤하게 이미지를 촬영하였다. 기기 작동 시 부가 전압은 20 kV였으며, 측정 거리는 12.3 mm로 두어 초점거리를 맞추었다.

SE 모드로 얻은 이미지에서 해당 수화물의 화학적 조성을 알아보기 위하여 EDX(energy dispersive X-ray spectroscopy)를 수행하였다. EDX 분석 데이터로부터 해당 물질을 구성하고 있는 원소를 정량적으로 분석할 수 있고, 화합물의 형태를 유추해볼 수 있다.

2.3.2 응결시간

FNS 모르타르의 응결시간 측정은 KS F 2436(Korean Standards Association 2017)에 의거하여 원형공시체(Ø150 × 150 mm)에 타설 후 온도 20 ± 2 °C, 상대습도 60 ± 5%의 실험실 대기 조건에서 실험하였다. 관입저항침을 사용하여 압력을 측정하고 침의 면적으로 나눈 저항값이 3.5 MPa일 때를 초결, 28 MPa일 때를 종결 시간으로 산정하였다. 3회씩 측정한 평균값을 각 배합의 응결시간으로 산정하였다.

2.3.3 수화도: SEM-BSE 이미지 분석

FNS의 치환량에 따른 시멘트 페이스트의 수화도를 비교하기 위해 BSE 모드로 SEM 이미지를 촬영하고 MATLAB으로 분석하였다. 시편은 배합종류에 따라 3개를 준비하였다. 500배로 촬영한 BSE 이미지는 전체영역에 대해서 MATLAB을 이용하여 gray scale(255 scale)로 segment 하였는데, 임계점을 79, 119, 140으로 두어 나뉘는 구간에 따라 공극, 겔 수화물, 결정질 수화물, 미수화물로 구분하고, 각 영역이 차지하는 면적을%로 계산하였다. 임계점은 Kocaba et al.(2012⁽⁹⁾)에서 제시한 슬래그 시멘트의 gray scale 히스토그램을 기반으로 각 영역을 구분할 수 있는 점을 선정하였다. 랜덤하게 얻은 BSE 이미지를 30장씩 MATLAB으로 분석하여 구간별 평균값이 수렴할 수 있도록 하였다. Fig. 3에 FNS 30% 시편의 BSE 이미지를 MATLAB을 통해 구간 별로 mapping한 예시를 나타내었다. BSE 원 이미지에 대한 각 픽셀의 gray scale 값을 임계점을 기준으로 나눠 각 영역에 해당하는 픽셀만을 검정색으로 표현한 것을 Fig. 3(b)에 나타내었다.

Fig. 3. Mapping of FNS hydration product from BSE image using MATLAB: transform grayscale to binarization mapping: original BSE image (left), binary image (right)

2.3.4 공극분포

FNS 페이스트의 공극구조는 MIP 시험을 통해 배합별로 3회 분석하고 대푯값을 본문에 나타내었다. 페네트로미터가 가득 찰 수준으로 약 4∼5 g의 시편을 담아 진공상태가 되도록 밀봉하고 소수점 넷째 자리까지 무게를 측정한 후 기기를 작동하였다. 수은의 침투 압력은 저압 0.51 psia부터 고압 33,000 psia까지 높여 측정하였다. 침투 압력에 따른 공극의 지름은 다음의 Washburn 식을 이용해 구해진다.

여기서, d는 공극 지름 (m), $\gamma$는 표면장력 (N), $\theta$는 수은과의 접촉각, P는 가압된 압력 (MPa)을 의미한다.

Midness et al. (2003⁽¹³⁾)은 공극의 크기에 따라 그 종류를 다음과 같이 분류하였다: 매크로공극(macropore: >10 µm); 큰 모세관(large capillary: 0.5∼10 µm); 작은 모세관(small capillary: 0.01∼0.5 µm); 겔(gel: <0.01 µm). 본문에서도 이 분류에 따라 공극의 종류를 구분하여 표기하기로 한다.

3.1 FNS의 수화생성물

3.1.1 XRD 분석

FNS 페이스트의 수화특성을 알아보기 위한 XRD 커브 분석에 앞서, FNS 미분말 원재료에 대한 XRD 커브를 분석하여 수화물로 검출 가능한 원소를 추려냈다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 FNS 미분말의 대부분을 구성하고 있는 것은 forsterite (Mg₂SiO₄)와 iron silicate(Fe₂SiO₄)였다. Q-XRD를 통한 정량분석 시 forsterite가 약 93%, iron silicate가 약 6% 정도로 나타났기 때문에 forsterite의 수화반응이 FNS의 주된 수화반응일 것이라고 판단된다. Forsterite는 pH가 낮은 환경에서도 M-S-H (magnesium silicate hydrates, or forsterite hydrous: Mg₂SiO₄(OH)0.5)를 생성하나 상온에서는 반응이 매우 느려 완전한 반응에는 2년까지도 소요된다(Bernard 2017⁽²⁾). Forsterite를 구성하고 있는 MgO와 SiO₂는 C-S-H와 맞닿은 환경에서 C-S-H(calcium silicate hydrates)의 칼슘 성분을 탈락시키고 M-S-H를 형성한다. 이 탈칼슘화(decalcification)는 보통 1개월 이내에 시작되며 1년이 지나면 대부분의 C-S-H가 M-S-H로 바뀌게 되는데, 이때 생성된 M-S-H 상의 Mg/Si 비율은 0.8-1.3으로 나타났다(Bernard et al. 2017⁽²⁾, 2018⁽¹⁾). 문헌은 합성한 물질에 대한 연구였기 때문에 유기체로 존재하는 시멘트 페이스트 내 환경을 고려하면 Ca 계열 수화물이 다량 존재하고 SiO₂가 충분한 환경에서는 매우 느린 반응이지만 M-S-H가 계속해서 생성될 수 있음을 시사한다. M-S-H는 다음 식(2)의 수화반응을 통해 생성된다.

Fig. 4. XRD curve of FNS raw material (F: Fe₂SiO₄, M: Mg₂SiO₄)

초기 재령인 7일 차에 측정된 경화된 FNS 페이스트의 XRD 커브를 Fig. 5, 장기 재령인 1년 차에 측정한 것은 Fig. 6에 나타내었고, 물질의 주요 피크를 Table 3에 나타내었다. 문헌에 따르면 MgO를 포함하고 있는 페이스트의 수화물에는 hydrotalcite, K-struvite, Mg(OH)₂, M-S-H 등이 나타난다고 하나(Hong et al. 2013⁽⁵⁾), 본 연구에서 수행된 XRD 시험에서는 다음과 같은 결과가 나타났다. OPC와 FNS에 수화물 형태가 공통으로 나타난 것은 Ca(OH)₂ (이하 CH), C-S-H, Ca₆(Al(OH)₆)₂ (SO₄)₃(H₂O)₂₆) (ettringite)였으며, 미수화물형태가 나타난 것에는 CaSO₄ (gypsum),Ca₃SiO₅ (이하 C3S)가 있었다. FNS에만 존재하는 물질은 미수화물인 forsterite (Mg₂SiO₄)와 forsterite에 OH가 붙어 생성된 M-S-H 수화물이 발견되었다. XRD 커브에서는 간섭으로 인해 Si, H, O가 포함되어 있는 여러 물질의 피크가 중첩되곤 하는데(Durdziński et al. 2017⁽⁴⁾), forsterite와 M-S-H, C3S의 회절 패턴이 유사하여 중첩되어 나타났다. 그러나 7일 양생 시편에서는 M-S-H가 나타내는 피크의 세기가 매우 낮아 거의 나타나지 않았고 1년 양생 시편에서는 forsterite와 M-S-H의 피크가 모두 높게 중첩되어 나타났다.

Fig. 5. XRD curves of FNS paste at 7 days curing

Fig. 6. XRD curves of FNS paste at 1-year curing

**Marks in Fig. 5, 6 indicate: ★: Ca(OH)₂ ◆: Ca₃SiO₅ ●: CaSO₄ ▲: Mg₂SiO₄ △: M-S-H ■: C-S-H ○: Ca₆(Al(OH)₆)₂ (SO₄)₃(H₂O)₂₆)

재령과 치환율에 따라 주요 피크인 17.29, 22.98, 35.6, 36.45°(2θ)에서의 M-S-H와 forsterite, 18.02, 34.06°(2θ)에서의 CH, 29.03°(2θ)에서의 C3S와 gypsum의 CPS 차이가 가장 두드러지게 나타났다. 먼저 시멘트 경화체의 수화 척도로 삼을 수 있는 CH의 피크는 7일 차에서 FNS 치환율과 관계없이낮은 CPS를 보였다. 1년 차에서는 OPC 함량이 많을수록 CH의 피크가 매우 높게 측정되었다. FNS 50%의 경우는 OPC의 CH 피크보다 1/4 수준으로 낮게 측정되었다. 미수화물인 C3S와 gypsum은 7일차 시편에서는 OPC 를 많이 함유할수록 높은 피크를 보였고, 1년 차에서도 치환량에 따른 경향은 같지만 CH, C-S-H, ettringite 등의 반응물을 생성함에 따라 전체적인 피크는 7일 차보다 FNS 함량이 많을수록 7일 차와 1년차 모두에서 높은 피크를 보였다. 이는 forsterite의 반응성이 낮아 함유량이 많으면 수화반응에 참여한 물질이 적어지게 되기 때문이다. Forsterite와 대부분의 피크가 동일하게 나타나는 M-S-H의 경우 1년 차 시편에서 두드러지게 나타났으며, 중첩되지 않은 피크를 보았을 때 FNS 30% 이상 치환할 경우에 많이 생성된 것을 볼 수 있다. 문헌에 따르면, CH와 C-S-H는 MgO 계열 반응물이 있을 때 Mg(OH)₂와 M-S-H (magnesium silicate hydrates) 겔을 생성한다(Sonat et al. 2018⁽¹⁸⁾). XRD에서는 Mg(OH)₂가 나타나지 않았기 때문에 SEM 분석에 대하여 수화가 되지 않은 forsterite와 M-S-H에 대해 집중적으로 이미지를 분석하였다.

3.1.2 SEM과 EDX 분석

Forsterite는 Si를 중심으로 Mg와 O가 120° 각도로 정사면체 형태의 결합을 하고 있기 때문에 결정은 각진 형태를 하고 있으며 수화가 이뤄지면 OH 이온이 결합 레이어 층 사이에 끼어 판상형이 여러 겹 겹쳐진 형태로 보인다(De Souza et al. 2013⁽³⁾). 따라서 SEM을 사용하여 이와 비슷한 형태를 띤 물질의 이미지를 얻고, 해당 물질에 대하여 EDX를 통해 원소 분석을 실시하여 미수화물을 확인해 보았다. FNS 시편에서 나타날 수 있는 미수화물은 공통되므로 FNS 30%에 대해서만 고배율 이미지를 분석하였다. Fig. 7은 SEM 이미지에서 forsterite로 추정되는 물질에 대해 EDX를 측정하여 아래에 피크를 나타낸 것이다. 맨 왼쪽은 여러 겹의 판상이 겹쳐진 M-S-H이며 가운데 이미지는 C-S-H가 운집해 있는 부분에 존재하는 M-S-H, 맨 오른쪽의 물질은 반응을 하지 않아 각진 형태를 유지하고 있는 forsterite이다. 해당 물질에 대해 EDX를 통해 원자 중량 퍼센트를 얻어 Mg/Si 몰분율을 계산한 결과 왼쪽부터 각 0.78, 0.68, 0.97로 나타났다. 그 값이 1보다 작을수록 Ca가 함께 얽혀 있는 것을 알 수 있으며 이를 통해 C-S-H와 M-S-H 사이에 2가 금속이온의 교환이 일어날 수 있음도 추정할 수 있다. 또한 forsterite가 반응을 안 할수록 Mg/Si 몰분율이 1에 가까운 값이 나옴을 확인할 수 있다. Fig. 8(a)는 FNS 30%의 재령 1년째의 수화된 모습으로, M-S-H와 미수화 forsterite 가 C-S-H에 둘러싸여 있는 것을 볼 수 있다. Pokrovsky and Schott (2000⁽¹⁵⁾)의 연구에 의하면 정사면체구조의 forsterite는 염기성 용매 내에서Mg²⁺ 이온이 가수분해된다. FNS가 혼입된 시멘트 페이스트의 수화 과정에서 가수분해가 일어난Mg²⁺ 이온이 C-S-H의 Ca²⁺ 이온과 치환되어 M-S-H가 생성될 수 있음을추정할 수 있다. 그러한 이유로 SEM 이미지에서도 M-S-H가 C-S-H에 둘러싸여 존재하고 있을 것이다. 결과적으로 Ca²⁺ 이온이 있던 자리에Mg²⁺ 이온이 결합하게 되면서 결합길이가 달라지기 때문에 페이스트 부분의 밀도가 높아지고 FNS 콘크리트의 외부 이온에 대한 침투 저항성이 향상될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 8(b)의 FNS 50%를 보면 2000배율로 넓은 영역을 찍었음에도 FNS를 다량 치환하였을 경우 수화가 거의 되지 않은 것을 볼 수 있다. 반응하지 못한 forsterite 주변이 C-S-H로 덮여 있을 뿐 다른 수화물은 거의 보이지 않는다. 다만 FNS 미수화물이 존재하는 곳에는 공극이 거의 보이지 않는다는 점에서 치환율이 높은 페이스트 내의 공극이 조밀할 수 있음을 의미한다.

Fig. 7. SEM image of Mg-based substance in FNS 30% paste at 1-year curing (different phase of forsterite-Mg₂SiO₄ and forsterite hydrous-Mg₂SiO₄(OH)0.5)

Fig. 8. SEM image of M-S-H hydrates in 1-year cured paste of: (a) FNS 30% and (b) FNS 50%

3.2 FNS 치환량에 따른 초기 및 중장기 수화도

3.1에서 FNS 페이스트의 수화생성물과 반응성을 살펴보았다면, 본 단락에서는 FNS의 치환량에 따른 초기 수화 특성을 응결시간을 통해 알아보고, 중장기적으로 생성되는 수화물의 양과, 공극도는 어떻게 나타나는지 BSE 분석을 통해 알아보았다.

관입저항침을 이용해 저항 값이 3.5 MPa일 때의 시간을 초결, 28 MPa일 때의 시간을 종결이라고 두고 시험하였을 때 나타난 OPC와 FNS 모르타르의 응결시간 시험 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 외기 온도가 20 ± 2 °C였기 때문에 다소 낮은 온도에서 배합이 되었으며 따라서 OPC의 초결과 종결이 360분과 537분으로 서중 배합일 때보다는 길게 측정되었다. FNS 모르타르의 초기 수화를 확인하기 위해 초결과 종결을 이에 비교해 보았을 때, 초결은 FNS 치환량이 많아질수록 최대 55분까지 수화가 지연되는 것을 볼 수 있었다. 반면 종결은 전반적으로 OPC의 종결과 큰 차이가 벌어지지 않았다. 10%, 30% 치환시에는 10분 내외로 지연되었고, 50% 치환시에는 30분이 지연되었다. 응결은 초기 수화 시 수화열에 민감하게 영향을 받기 때문에 C2S, C3S 양이 기존 OPC 배합에 비해 현저히 낮은 FNS에서는 초기 반응성이 매우 떨어지고 수화열이 적게 발생해 응결이 지연되었다고 생각할 수 있다. 초기강도를 높게 필요로 하는 구조물에 대해서는 보강 가능한 적절한 배합을 제시해야 할 것으로 생각된다. 그러나 레미콘 배합 작업 시 작업 시간의 확보 측면에서는 FNS 10%와 30%는 OPC에 비해 초결은 2-30분 지연되나 종결에 큰 차이가 없어 오히려 더 유리할 것으로 생각되며, FNS 50%의 경우라도 초결 415분, 종결 567분은 효과적인 시간 운영이 가능한 범위라고 생각된다.

Fig. 9. Setting time of FNS fresh mortar (Initial set: 3.5 MPa, final set: 28 MPa)

중장기 수화에 있어서는 SEM-BSE 이미지의 gray-scale 색상영역을 임계점 세 곳으로 나누어 계산된 결정질 수화물과 겔 수화물 영역의 합을 해당 물질의 수화도로 보았다. 각기 다른 수화물의 종류를 구별할 수는 없으나 수화물 (결정질과 겔의 합)과 미수화물, 공극의 구분은 명확히 할 수 있다는 점에서 수화도를 비교적 정확히 예측할 수 있다. OPC만을 사용했을 때 나타나는 수화물이 아닌 MgO 계열 수화물이 포함되어 있다고 하더라도 해당 물질이 존재하는 위치에서 나타내는 에너지의 산란 정도는 비슷한 수준일 것으로 판단되며, 따라서 색상 발현도 결정질 수화물의 해당 범위 내에 나타났을 것으로 생각된다.

Fig. 10의 전반적인 경향을 살펴보았을 때, FNS의 혼입량이 많아질수록 생성된 결정질 수화물의 양이 많아지고 겔 수화물의 양이 다소 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러나 동시에 미수화물의 양이 증가하고 공극이 줄어드는 것을 볼 수 있다. OPC만 사용한 페이스트의 경우 공극은 12.43%로 다소 높게 나타났지만, 수화도는 약 70%로 나타났고 미수화물은 약 18%로 적게 나타났다. 그에 비해 FNS는 60∼66%의 수화도를 보였으며, 미수화물은 치환율이 높을수록 증가하여 약 25∼32%까지 증가한 것으로 나타났다. 공극 측면에서는 FNS를 많이 혼입할수록 적은 공극량을 보였다. FNS를 10%, 30%를 혼입한 경우라도 공극은 7% 대로 매우 낮아졌고 50%까지 혼입하면 4.6%가량으로 낮게 나타났다. 이는 FNS 미분말의 반응속도가 OPC에 비해 매우 늦기는 하나 입자 사이즈가 작아 시멘트 매트릭스 내를 조밀하게 만들어주어 공극률을 줄일 수 있는 역할을 하는 것임을 명료하게 보여준다. 그러나 중장기 수화도가 FNS를 다량 혼입할 경우 매우 낮아진다는 점에서 강도 발현의 측면에서는 FNS를 30% 이상으로 다량 사용할 경우 부정적이며, 미수화물이 골고루 펼쳐진 상태에서는 박리나 스케일링 등의 열화 현상이 발생할 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 10. Hydration degree and porosity of FNS at 28 days using 30 frame of mapped BSE images with replacement ratios of 0% (OPC), 10%, 30% and 50%

3.3 FNS 치환량에 따른 미세공극분포 특성

FNS의 치환량에 따른 미세공극의 분포와 총 공극량(수은이 압입된 총량)을 Fig. 11에 나타내었다. d_c로 표기된 공극의 크기는 임계공극반지름으로, 수은이 저압에서 고압으로 공극의 크기 별로 관입됨에 따라 분포를 나타낼 때 매크로포어가 아닌 영역에서 가장 급격하게 관입량이 많아지는 때의 공극 크기를 나타낸 것이다. d_c가 작을수록 페이스트를 구성하고 있는 주된 공극의 크기가 작은 것으로 볼 수 있고, 공극이 조밀하게 구성되어 있다고 생각할 수 있다. Fig. 11을 보면 OPC의 경우에는 d_c 값이 0.835 µm로, 큰 모세관 영역에 공극량이 집중되어 있고, 작은 모세관과 겔까지 넓은 범위로 분포되어 있어 총 공극량은 0.188 mL/g으로 높게 나타났다. 반면 FNS를 혼입한 경우에는 d_c 값이 모두 작은 모세관 영역에 속해 있고, 치환량이 많아질수록 그 수치가 매우 작게 나타난 것을 볼 수 있다. FNS 10%, 30%, 50%의 d_c값은 각각0.433 µm, 0.088 µm, 0.062 µm 순으로 나타났다. 분포를 보면 FNS 페이스트는 공극 대부분이 작은 모세관 영역에 분포해 있음을 알 수 있고, 치환량이 많아질수록 공극이 분포하고 있는 평균적인 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 반면 겔 영역은 오히려 OPC보다도 적게 포함하고 있음을 볼 수 있다. 총 공극량은 FNS 10%의 경우 0.174 mL/g으로 OPC의 총 공극량보다 많이 감소하지 않았지만, FNS 30%의 경우 0.140 mL/g으로 OPC보다 약 25% 감소한 것을 볼 수 있다. FNS 50%는 혼화재의 절반이 FNS로 치환된 것이기 때문에 급격한 차이가 나타나는데, d_c값도 매우 작게 나타났고, 총 공극량은 0.104 mL/g으로 약 45%가 줄어든 것을 알 수 있다. 본 연구의 3.2 BSE 이미지 분석에서도 치환량이 증가함에 따라 공극도가 매우 줄어든 것을 볼 수 있었는데, 이는 이미지를 2차원적으로 해석한 것이기 때문에 그 절대적인 양의 비교만으로 공극의 분포를 알 수 없었으나, MIP 분석을 통해서 부피에 대한 3차원적인 분석을 할 수 있었다. MIP 분석을 통해 FNS를 혼입할 경우 공극 사이를 메워주는 역할을 하여 모세관 영역 중에서도 작은 모세관 영역으로 공극의 크기를 줄여줄 수 있음이 확인되었다. 이는 FNS의 분말도가 4,600 cm²/g으로 OPC보다 크고, 입자의 크기 자체도 약 1.8배 작기 때문에 나타날 수 있는 특성이다. 보통 충전재 역할로 사용하는 실리카 흄의 경우 이보다 적게는 2.5배에서 많게는 10배까지 높은 분말도임을 생각하면, 분쇄를 위해 필요한 비용을 아낄 수 있는 장점이 매우 뛰어난 것을 알 수 있다. 그러나 FNS 페이스트 내에서 forsterite가 거의 반응하지 않고 미수화물로 존재하기 때문에 공극은 채워졌을지라도 반응하지 않은 미수화물의 강도가 수화물에 비해 현저히 낮아 구조체의 강도 발현에 부정적인 영향을 끼친다. 따라서 충전재 역할을 할 정도로만 10∼20% 치환 배합을 설계하여 사용하는 것이 FNS를 혼화재로서 효과적으로 사용할 수 있는 방안으로 판단된다.

Fig. 11. Pore size distribution and total pore volume of FNS at 28 day of curing using MIP analysis: (a) OPC, (b) 10%, (c) 30%, and (d) 50%