2.1.1 사용 재료

1) 시멘트

본 연구에서 사용된 시멘트는 KS L 5201^{(KATS 2021)}에서 규정된 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. Tables 1~2에 시멘트의 물리･화학적 성질을 표기하였다.

2) 플라이 애시

본 연구에서 사용된 플라이 애시는 비중 2.2이고 분말도는 4,230 cm²/g이다. Table 3은 플라이 애시의 화학 성분을 나타낸 것이다.

3) 고로 슬래그 미분말

본 연구에서는 비중이 2.90이고 분말도가 3,854 cm²/g인 1종 고로 슬래그 미분말을 사용하였고 다음 Table 4에 화학 성분을 나타내었다.

4) 경량 골재

본 연구에서 사용된 경량 골재는 펄라이트(perlite)와 질석(vermiculite)을 사용하였다. 펄라이트와 질석은 KS F 3701 펄라이트^{(KATS 2022a)} 및 KS F 3702 질석^{(KATS 2022b)} 규격에 적합한 재료를 사용하였고 다음 Tables 5~8에 물리적 성능 및 화학 성분을 나타내었다.

5) 수산화나트륨

본 연구에서 사용된 수산화나트륨은 순도 98.0 %인 D사 제품으로 KS M 8116 ｢수산화나트륨 (시약)^{(KATS 2000)} 기준에 적합한 재료이다. 수산화나트륨 시약을 증류수에 용해시킨 후 몰 농도별 용액을 제작하여 알칼리활성화제로 사용하였다. 이때 수산화나트륨 용액은 혼합 후 평형상태 도달을 고려하여 24시간 후에 사용한다.

6) 규산나트륨

본 연구에서 사용된 규산나트륨은 K사의 KS-3종 액상 규산나트륨이다. KS-3종 규산나트륨은 투명하고 점성이 크며 유동성을 갖는 액체로 구성 성분은 $Na_{2}O$=9~10, $Si O_{2}$ =28~30이다. 밀도는 20 °C에서 1.380이고 $Si O_{2}/Na_{2}O$의 질량비는 약 3.0~ 3.11이다.

2.1.2 검토 배합

본 연구에서 검토된 모르타르 배합은 플라이 애시 및 고로 슬래그 미분말의 비율, 활성화제의 몰농도, 활성화제와 광물질 혼화재료의 비율, 경량 골재의 혼입비율을 구분하여 선정하였다. 경량 골재는 펄라이트와 질석을 1:1로 혼입한 것이고 24시간 수중에 함침한 후 표면의 수분을 제거하여 사용하였다. 시험체는 규정된 각 재령에 대하여 3개씩 제작하고 시험실 온도는 20±2 °C 습도는 50 % 이상, 양생수조는 20±1 °C로 유지하였다. 지오폴리머 제작 시 활성화제의 몰농도는 6M 및 9M이 적용되었다.

Table 9에 나타낸 배합표의 표기법은 다음과 같다. F50S50은 플라이 애시와 고로 슬래그 비율이 1:1임을 의미하고, 6A는 활성화제의 몰농도가 6몰, 9A는 활성화제의 몰농도가 9몰임을 의미한다. 이때 활성화제와 광물질 혼화재료의 비율이 0.4인 경우 A로 표기하고 0.6인 경우 B로 표기하였다. 한편 70은 경량 골재를 70 % 혼입하였음을 의미하는 것으로 본 연구에서는 70 %, 80 % 및 90 %로 구분된다.

2.1.3 시험 방법

1) 열전도율

단열모르타르의 열전도율을 측정하기 위하여 한국산업규격에서 규정된 KS L 9106 ｢미네랄울 판상 단열재｣^{(KATS 2015)}의 시험방법을 준용하여 시험을 진행하였다. KS 규격에 준하는 N사의 평판 열류계법 열전도율 측정장비를 사용하였으며 열전도율을 측정하기 위한 시험체는 300 mm×300 mm×25 mm의 크기로 제작하였다.

열전도율 시험에 사용된 평판 열류계법 2매 열류계 방식은 시험체를 통과하는 열류량과 시험체의 온도차를 측정하여 열전도율을 산정하는 방법으로 식 (1)에 의해 열전도율을 계산한다.

여기서, $I$는 시험체의 두께(m)이고 $R_{c}$는 열저항($m^{2}･ K/W$), $\theta_{1}$, $\theta_{2}$는 고온 및 저온면 온도($K$)(°C), $q$는 단위면적당 열류량($W/m^{2}$), $K$, $K_{1}$, $K_{2}$는 열류계의 감도계수($W/m^{2}･ V$), $e$, $e_{1}$, $e_{2}$는 열류계의 출력(W)을 나타낸 것이다.

2) 길이변화율

단열모르타르의 길이변화는 KS F 4040 ｢단열모르타르｣^{(KATS 2019)}에서 규정된 길이변화 시험방법을 준용하여 수행하였다. 길이변화 시험체의 크기는 40 mm×40 mm×160 mm이고 재령 7일의 기준길이 측정 후 재령 28일에서 길이를 측정하여 길이변화율을 산출하였다.

3) 유동성

단열모르타르의 유동성 확인을 위하여 KS L 5105 ｢수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법｣^{(KATS 2017)}에서 규정된 방법에 따라 플로우를 측정하였다.

4) 압축강도

단열모르타르는 시공성능, 단열성능 뿐만 아니라 소요의 강도를 확보하여야 한다. 본 연구에서는 단열모르타르의 압축강도 측정을 위하여 50 mm×50 mm×50 mm의 몰드로 제작하여 재령 3, 7일 및 28일에 압축강도를 확인하였고, 이 때 KS L 5105 ^{(KATS 2017)}에서 규정된 방법을 준용하였다.

5) 부착강도

단열모르타르의 시공에서 중요한 물리적 특성은 부착력이라 할 수 있다. 본 연구에서 단열모르타르의 부착성능을 확인하기 위하여 KS F 4716 ｢시멘트계 바탕 바름재｣에서 제시된 시험방법｣^{(KATS 2016)}을 준용하여 실험하였다. 먼저 콘크리트로 바닥판을 제조한 후 표면을 연마하여 바닥판 표면을 고르게 한 후 단열모르타르를 2 mm 두께로 평탄하게 시공하였다. 부착강도는 재령 28일 양생한 후 측정하였다.

2.1.4 실험결과

1) 열전도율

검토된 모르타르의 열전도율을 Table 10 및 Figs. 1~2에 나타내었다. 국내의 경우 한국산업규격 KS F 4040^{(KATS 2019)}에서 1종의 경우 0.071 $W/m･K$, 2종의 경우 0.095 $W/m･K$, 3종의 경우 0.149 $W/m･K$이하로 나뉘어져 있다.

경량 골재만 70 % 혼입한 기준 모르타르(Plain)의 경우 열전도율이 0.27482 $W/m･K$로 나타나 단열모르타르로써 활용하는 것이 어려운 것으로 나타났다. 반면 경량 골재의 비율은 동일하지만 지오폴리머 모르타르의 경우 열전도율이 0.2524~0.2702 $W/m･K$로 나타나 기준모르타르에 비해 다소 낮아지는 결과를 보였다. 이는 기존 연구^{(Seo et al. 2013; Shim et al. 2016)}에서 검토된 광물질 혼화재의 열전도율 감소 특성변화와 유사한 경향임을 알 수 있었다. 한편 경량 골재의 혼입량이 증가함에 따라 변화하는 열전도율 특성을 살펴보면, 80 %를 혼입한 경우는 열전도율이 0.189~0.1958 $W/m･K$로 낮아졌고, 90 %를 혼입한 경우는 0.1364~0.1423 $W/m･K$로 나타나 경량 골재의 혼입량이 70 %에서 80 %로 변화할 때 평균 0.06589 $W/m･K$(약 25.4 %), 80 %에서 90 %로 변화할 때 평균 0.0521 $W/m･K$(약 27.2 %) 감소함을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서는 경량 골재의 혼입률이 90 % 이상일 때 한국산업규격에서 규정하고 있는 3종 단열모르타르의 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.

2) 길이변화율

검토된 모르타르의 수축 및 팽창 특성을 확인하기 위하여 길이변화를 측정하였다. 나타난 결과는 다음 Table 11에 나타내었다. KS F 4040^{(KATS 2019)}에서는 ±0.5 % 이내로 수축･팽창이 제한되어 있다. 본 연구에서 검토된 모르타르의 경우 기준을 만족하는 것으로 확인되었으며 자세한 결과는 다음과 같다.

시멘트를 사용한 기준 모르타르는 같은 비율의 경량 골재를 혼입한 지오폴리머 모르타르에 비해 부피변화가 큰 것으로 확인되었다. 또한 지오폴리머에 사용된 슬래그의 양이 많을수록 경량 골재의 혼입률이 증가할수록 부피변화가 큰 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 시멘트에 비해 지오폴리머의 부피변화가 작은 특성에 의해 시멘트모르타르보다 지오폴리머모르타르의 부피변화가 작게 나타났다. 특히 사용량이 많은 경량골재에 따른 영향이 더 크게 작용했을 것으로 판단되는데, 본 연구의 경우 사용된 경량골재를 수침 후 사용하였기 때문에 골재가 가지고 있는 흡수율에 따른 영향이 크지 않았고 또한 양생과정에서 모르타르 내부에서 경량골재가 가지고 있는 수분의 공급이 이루어져서 부피변화가 크지 않았던 것으로 판단된다. 다만 본 연구의 경우 재령28일에서의 측정값으로 향후 장기적인 측정결과에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다.

3) 유동성

검토된 모르타르의 유동성을 확인하기 위하여 플로우 시험을 실시하였고 다음 Table 12에 결과를 나타내었다. 시멘트를 사용한 기준 모르타르에 비해 광물질 혼화재료와 활성화제를 혼입한 지오폴리머 모르타르의 유동성이 큰 것으로 나타났다. 특히 활성화제의 몰 농도가 높을수록, 첨가량이 많을수록 유동성은 감소하고 경량 골재의 혼입률이 증가할수록 유동성이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.

다만 지오폴리머 모르타르가 점성이 높아짐에 따라 플로우 값이 증가하는 것만큼 작업성이 향상되었다고 보기는 어려웠다. 플로우 값은 알칼리활성화제 몰 농도가 6몰에서 9몰로 증가하였을 때 최대 5~15 mm 낮아졌고 이는 평균 5.2 % 정도의 유동성이 감소하는 결과이다. 알칼리활성화제의 첨가비율이 0.4에서 0.6으로 변화하면서 플로우는 5~30 mm 낮아졌고 이는 평균 10.2 %의 유동성이 감소하는 결과이며 이러한 결과는 ^{Sathonsaowaphak et al. (2009)}의 선행연구와 같이 수산화나트륨 몰 농도가 증가함에 따라 점성이 증가하여 유동성이 감소했던 결과와 동일한 경향을 나타내는 것이다.

한편 경량 골재 혼입비율이 증가함에 따라 저하되는 유동성은 70 %에서 90 %로 10 %씩 증가했을 때, 각각 11.4 % 및 6.7 % 증가하는 결과를 보였다.

4) 압축강도

검토된 모르타르의 압축강도를 나타낸 것이 Figs. 3~5이다. 나타난 바와 같이 알칼리활성화제의 몰 농도 변화에 따라 강도가 다르게 나타났다. 몰 농도가 6에서 9로 변화하면서 강도는 증진되었고 알칼리활성화제와 결합재의 비율이 0.4에서 0.6으로 변화하면서 강도가 증진되었다. 경량 골재의 혼입률의 경우 70 %에서 90 %로 증가할수록 강도는 낮아졌고, 70 %에서 80 %로 변화하였을 때 36.7 %, 80 %에서 90 %로 변화하였을 때 51.7 % 강도가 저하하는 것으로 기존 연구^{(Min et al. 2010; Bicer 2018; Song and Shin 2019)}와 유사한 경향을 보였다.

지오폴리머 모르타르의 압축강도를 증진시키기 위해서는 플라이 애시 및 고로 슬래그 미분말과 같은 결합재의 양을 증가시키고 알칼리활성화제 농도 및 첨가량을 증가시키는 방법이 있을 수 있으나, 알칼리활성화제의 농도 및 첨가량이 적정범위를 초과하는 경우 용출과 백화 현상이 나타날 수 있어 내구성에 영향을 줄 것으로 판단된다. 본 연구에서도 일부 시험체에서 용출과 백화 현상을 확인할 수 있었으며 이러한 영향을 배제하기 위하여 알칼리활성화제의 몰 농도는 6~8몰, 알칼리활성화제와 결합재의 비율은 0.4가 적정할 것으로 사료된다.

한편 지오폴리머는 양생온도가 높은 환경에서 강도를 확보할 수 있다는 연구^{(Davidovits 1989)}도 있으나 플라이 애시와 고로 슬래그 미분말을 혼합 사용한 경우 초기부터 소요강도를 확보했던 연구^{(Koh et al. 2011)}도 있으며, 이러한 경우 고로슬래그 사용에 의한 영향이 큰 것으로 판단된다. 본 연구의 경우 단열모르타르로 필요한 강도를 확보한 것으로 판단된다.

5) 부착강도

검토된 지오폴리머 모르타르의 부착강도를 측정한 결과를 다음 Table 13에 나타내었다. 보이는 바와 같이 KS F 4040^{(KATS 2019)}에서 제시하고 있는 부착강도 기준(0.1 N/mm²)을 만족하는 것으로 확인되었다.

부착강도는 경량 골재의 혼입량이 증가할수록 감소하였고 기준 모르타르의 경우 0.68~1.63 N/mm²로 나타났고 지오폴리머의 경우 경량 골재 혼입률 70 %에서 1.48~1.84 N/mm², 경량 골재 혼입률이 80 %에서 0.71~1.33 N/mm², 혼입률이 90 %인 경우 0.46~0.66 N/mm²로 나타났다. 이는 경량 골재 혼입률이 70 %에서 80 %로 10 % 증가할 때 평균 0.64 N/mm²(약 40 %), 80 %에서 90 %로 10 % 증가할 때 평균 0.41 N/mm²(약 41 %) 감소하는 것이다. 또한 알칼리활성화제 몰 농도가 6몰에서 9몰로 변화하면서 부착강도는 증가하는 것으로 나타나 압축강도의 결과와 유사한 경향을 확인할 수 있었다^{(Shekhawat 2019)}. 또한 기존의 보고를 살펴보면 부착강도는 압축강도의 약 1/10~1/13 정도 수준의 강도를 발현하는 것으로 보고되고 있고 경량 골재의 혼입률이 증가할수록 강도가 저하되는 영향도 압축강도 측정결과와 유사하였다.