2.1.1 사용 재료

1) 시멘트

본 연구에서 사용된 시멘트는 국내 S사에서 제조된 1종 보통포틀랜드 시멘트이다. 사용된 시멘트의 물리적 성질 및 화학 성분을 아래 Tables 1, 2에 나타내었다.

2) 천연포졸란

본 연구에서 사용된 천연포졸란 재료는 일본 후쿠시마 일대에 주로 분포하고 있는 퇴적암의 일종인 천매암을 미분쇄하여 만들었으며 화학조성을 보면 약 75 %의 이산화규소($Si O_{2}$)로 이루어져 시멘트 수화반응 시 수산화칼슘($Ca(OH)_{2}$)과 반응하여 부가적인 칼슘시리케이트수화물(C-S-H gel)을 생성한다. 본 연구에서 사용된 천연포졸란재료의 물리적 특성 및 화학 성분을 다음 Tables 3, 4에 나타내었다.

3) 플라이 애시 및 고로 슬래그 미분말

본 연구에서는 밀도 2.29 g/cm³이고 분말도 4,546 cm³/g인 삼천포 화력발전소에서 생산된 플라이 애시를 사용하였고, 밀도 2.96 g/cm³이고 분말도 3,825 cm³/g인 1종 고로슬래그를 사용하였다. 다음 Table 5 및 Table 6은 플래이 애시 및 고로 슬래그 미분말의 화학조성을 나타낸 것이다.

4) 골재

콘크리트 제조 시 사용된 잔골재는 밀도 2.52 g/cm³이고 흡수율은 1.39 %인 부순 잔골재를 사용하였다. 굵은 골재는 최대치수 25 mm, 밀도 2.55 g/cm³, 흡수율 1.07 %인 부순 굵은 골재를 사용하였다.

5) 화학혼화제

콘크리트 제조 시 화학혼화제는 폴리카르본산계 고성능감수제를 사용하였다. 또한 굳지 않은 콘크리트에서 공기함유량이 3~6 %가 되도록 비중 1.09±0.02인 비이온계 공기연행제를 사용하였다.

2.1.2 시험 배합

본 연구에서 검토된 콘크리트는 천연포졸란 재료를 혼입한 콘크리트, 플라이 애시와 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트로 구분된다. 천연포졸란재료 혼입비율은 부피비로 결합재의 2 %, 4 %, 6 %, 8 %로 구분하고 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말은 각각 20 % 및 50 % 혼입하여 콘크리트를 제조하였다.

2.1.3 시험 방법

1) 응결

천연포졸란 재료 혼입이 콘크리트의 응결에 미치는 영향을 확인하기 위하여 페이스트를 제작하여 응결시간을 비교하였다. 응결시간은 ^{KS L 5108} 「비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결 시간 시험 방법」의 규격에 따라 측정하였다.

2) 유동성

시멘트콘크리트와 천연포졸란 재료, 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트의 유동성 변화를 확인을 위하여 ^{KS F 2402} 「콘크리트 슬럼프 시험 방법」에 준하여 슬럼프를 측정하였다.

3) 압축강도

콘크리트 압축강도 공시체는 ∅100×200 mm의 크기로 제작하고 재령 3일, 7일, 28일, 56일 및 91일에 측정하였다.

압축강도 시험방법은 ^{KS F 2405} 「콘크리트의 압축강도 시험방법」에서 제시된 방법으로 수행하였다.

4) 건조수축

검토 배합의 건조수축 특성을 확인하기 위하여 ^{KS F 2424} 「모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험 방법」에서 제시한 세 가지 방법 중 다이얼게이지에 의한 방법에 준하여 콘크리트 길이변화를 측정하였다.

5) 흡수율

콘크리트 흡수율 시험의 경우 ^{ASTM C 642} 「Standard Test Method for Density, Absorption, and Voids in Hardened Concrete」에서 제시된 방법과 ^{Şahmaran et al.}(2008)의 연구에서 제시된 방법을 참고하여 수행하였다. 시험체는 ∅100×50 mm 크기의 재령28일의 콘크리트 공시체이고 공시체 하단부 3~5 mm 부분을 물에 침지하고 24시간마다 중량을 측정하였다. 중량변화가 0.5 % 미만이 되면 시험은 종료한다. 흡수율($C$)은 다음 식 (1)에 의해 계산한다.

여기서, A: 침지 전 공시체 무게

B: 최종 침지 후 공시체 무게

6) 염소이온침투저항성

시멘트콘크리트와 천연포졸란, 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 혼화재로 사용한 콘크리트에 대한 염소이온침투저항성을 확인하기 위하여 촉진염화물 확산시험을 실시하였다. 시험은 ^{NT Build 492}에서 제시된 방법으로 수행하였고 염화물 이온 확산계수(D)는 아래의 식 (2) 및 (3)에 의해 계산한다.

$D$ : 비정상상태의 염화물 확산계수(m²/sec)

$R$ : 기체상수(8.314 J/Kmol)

$T$ : 양극 용액의 초기, 최종온도 평균치(K)

$U$ : 적용전압의 절댓값(V)

$z$ : 이온의 원자가(염소이온의 경우 z=1)

$F$ : 패러데이 상수(96,481.04 J/Vmol)

$x_{d}$ : 염소이온의 침투깊이(mm)

$t$ : 실험지속시간(sec)

$L$ : 시편의 두께(mm)

$erf$ : 오차함수

$c_{d}$ : 질산은에 의해 변색된 부분의 염소이온 농도

$c_{0}$ : 음극 쪽 셀의 염소이온 농도(=2 N)

7) 자기치유 관찰

콘크리트의 자기치유 특성에 대해 검토하고자 ∅100×50 mm 크기의 공시체를 28일 양생 후 쪼개 인위적인 균열을 만들었다. 탄성이 있는 호스밴드를 이용하여 균열이 생긴 시험체를 고정하고 수중에 보관하여 자기치유를 유도하였다. 최초 균열의 폭은 1 mm 이내였고 이후 측정일마다 수중에서 꺼낸 후 곧바로 관찰하였다. 관찰기간은 35일간 관찰하였으며 관찰 시 사용한 장비는 줌 광학현미경(UKZ-TR-2)이다. 이때 확대 비율은 100배였고 다음 Fig. 1은 자기치유 관찰 시험을 도식화하여 나타낸 것이다.

2.2.1 응결

포졸란 재료의 혼입에 따라 변화하는 응결 영향을 검토하기 위하여 시멘트와 천연포졸란 재료를 혼입한 페이스트를 제조하고 각각의 응결시간을 측정하였다.

천연포졸란 재료를 혼입한 경우 시멘트 페이스트에 비해 응결이 빠르게 시작되었는데 천연포졸란 재료의 혼입에 따라 시멘트량이 감소하고 천연포졸란 내 비정질 CA계 광물을 포함하고 있었기 때문으로 판단된다.

2.2.2 유동성

시멘트콘크리트와 천연포졸란 재료, 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 굳지 않은 콘크리트의 응결시간을 Table 8에 표기하였고 공기함유량과 슬럼프를 Table 9에 표기하였다.

나타난 바와 같이 천연포졸란 재료의 혼입률이 증가할수록 슬럼프가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 경향은 시멘트에 비해 분말도가 높은 천연포졸란 재료의 혼입량이 많아질수록 콘크리트의 점성이 높아져 슬럼프가 낮아지는 것으로 사료된다. 한편 플라이 애시를 혼입한 경우는 시멘트 콘크리트와 비슷한 유동성을 보였고 고로슬래그 미분말을 혼입한 경우 슬럼프 값이 다소 커지는 것을 알 수 있었다.

2.2.3 압축강도

검토 콘크리트의 압축강도를 측정한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 초기재령에서 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트는 시멘트콘크리트와 천연포졸란 재료를 혼입한 콘크리트에 비해 다소 낮은 압축강도를 보였고 91일에서 반대로 높은 강도를 나타냈다. 이는 기존의 연구^{(Lee et al. 2020; Kim and Kim 2021)}와 유사한 경향을 보이는 것이다. 한편 천연포졸란 재료를 혼입한 콘크리트의 경우 혼입률이 가장 높았던 B08이 비교적 낮은 압축강도를 보였다. 이러한 결과를 보이는 이유는 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말의 경우 포졸란반응과 잠재수경성반응으로 인해 장기강도 개선에 영향을 주지만 천연포졸란 재료를 사용한 경우 외부에서 공급되는 수분의 영향에 의해 포졸란 반응이 점진적으로 작용하는 성질을 갖고 있기 때문에 비교적 강도증진이 낮은 것으로 사료된다. 이는 콘크리트 경화 후 외부수분의 유입이 수반되었을 때 반응성 물질이 생성되는 천연포졸란의 특징으로 외부 수분에 노출되고 이 수분이 내부까지 침투하는 시간이 필요했기 때문으로 사료된다.

2.2.4 건조수축

천연포졸란 재료, 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트의 건조수축 영향을 검토하기 위하여 다이얼게이지에 의한 방법으로 콘크리트 길이변화를 측정하였고 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 검토 결과 천연포졸란 재료를 혼입한 콘크리트는 시멘트콘크리트에 비해 수축량이 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과를 보이는 이유는 천연포졸란 재료의 혼입에 따라 시멘트의 사용량이 줄어들어 초기 수화에 의한 건조수축 영향이 작아졌기 때문으로 판단된다.

한편 플라이 애시를 혼입한 콘크리트는 시멘트콘크리트에 비해 낮은 건조수축을 보였으나 고로슬래그 미분말을 혼입한 경우는 시멘트 콘크리트와 유사한 경향으로 나타났는데 이러한 이유는 고로슬래그의 수화반응 기구에 따른 것으로 초기에 모세관 공극량이 증가함에 따라 건조 수축이 증가한 영향과 장기강도 증진 영향이 복합적으로 작용한 것으로 판단된다^{(Lee 1997; Moon et al. 2001; Ryu et al. 2012)}.

2.2.5 흡수율

Fig. 4에 나타낸 바와같이 콘크리트 흡수율을 측정한 결과를 살펴보면 모든 시험체의 흡수율은 약 9~13 % 범위로 나타났다. 천연포졸란 재료의 혼입량이 가장 많은 B8이 9.80 %로 가장 낮았고 OPC가 12.52 %로 가장 높았다. 천연포졸란 재료를 혼입함에 따라 흡수율이 낮아지는 이유는 콘크리트 표면에서 수분과 접촉함에 따라 포졸란 반응이 일어나 콘크리트가 밀실해져 흡수율을 낮췄으나 천연포졸란 재료의 량이 부족했던 B02~B06 시험체에서는 흡수율을 낮출 만한 반응이 부족했기 때문으로 판단된다.

고로슬래그 미분말 및 플라이 애시를 혼입한 콘크리트는 시멘트콘크리트에 비해 낮은 흡수율을 보였다. 이는 재령 28일의 시험체이므로 포졸란 반응에 의한 밀실도 증가가 현저하게 나타나지는 않아 미미한 감소만이 확인된 것으로 사료된다. 따라서 재령 91일 이후에는 포졸란 반응 및 잠재수경성 반응으로 인해 내부가 더욱 치밀해질 것으로 사료되며 이에 따라 흡수율이 보다 낮아질 것으로 판단된다.

2.2.6 염소이온침투저항성

염소이온 확산계수는 해양환경에서 염해 저항성을 나타내는 지표이다. 염소이온 확산계수가 낮을수록 염소이온 침투에 저항하는 성질이 우수함을 수치로 나타낸다. 본 연구에서는 염소이온의 침투저항성을 확인하기 위하여 재령 28일 시험체를 대상으로 ^{NT Build 492}에 준하여 평가하였고 Table 10에 염소이온 확산계수를 나타내었다. 천연포졸란을 혼입한 콘크리트와 시멘트 콘크리트는 유사한 염소이온 확산계수를 나타내었다. 이러한 이유는 앞서 설명한 바와 같이 천연포졸란의 늦은 반응성에 기인한 것으로 판단된다.

플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 경우는 시멘트 콘크리트에 비해 우수한 염소이온침투 저항성을 보였다. 특히 고로슬래그 미분말이 혼입된 경우 기존의 연구^{(Bae 2009; Kim et al. 2013)} 결과와 같이 가장 낮은 확산계수를 보였다.

2.2.7 자기치유 관찰

본 연구에서는 콘크리트에 균열을 발생시킨 후 줌 광학현미경으로 균열을 관찰하였고 관찰 개시 35일 후 사진을 나타낸 것이 Tables 12~13이고 Table 11은 균열관찰 결과를 요약한 것이다. 관찰 결과를 살펴보면 콘크리트 균열 관찰 종료 시까지 OPC는 균열 봉합을 확인할 수 없었고 전체 시료 중에서 최초 균열의 크기가 약 0.3 mm 정도였던 B08 시료는 균열이 봉합된 것을 확인할 수 있었다. 그 외 시료의 경우 최초 발생된 균열에서 큰 변화 없었고 내부 결정체 생성은 확인되지만, 균열을 메우기에 결정체량이 많지 않은 것으로 확인되었다. 이상의 결과를 종합해 보면 균열의 크기가 0.3 mm 이상으로 크거나 천연포졸란 재료의 혼입량이 적정한 수준 이하일 경우 균열의 자기치유를 기대할 수 없을 것으로 판단된다.