2.1 사용재료

본 연구에 사용된 시멘트는 비중 3.13 g/cm³, 분말도 3,820 cm²/g인 1종 보통포틀랜드 시멘트(Sampyo Cement, Korea)를 사용하였다. 고로슬래그 미분말은 비중 2.93 g/cm³, 분말도 4,210 cm²/g인 고로슬래그 미분말 3종(Daehan slag, Korea)이 사용되었으며, 플라이애시의 경우 비중 2.21 g/cm³, 분말도 3,710 cm²/g인 플라이애시 2종(Dangjin Thermal Power Plant, Korea)을 사용하였다. 잔골재의 경우 비중 2.60 g/cm³, 조립률 2.45인 천연모래를 사용하였다. 무시멘트 복합체의 활성제는 결합재의 대체재로서 CaO, Ca(NO₃)₂ 및 NaOH(Daejung, Korea)가 사용되었다. Tables 1, 2는 본 연구에 사용된 시멘트와 고로슬래그 미분말 및 플라이애시의 화학적 특성과 잔골재의 물리적 특성을 나타내었으며, Table 3는 알칼리 활성제의 특성을 나타낸 것이다.

Fig. 1은 본 연구에 사용된 결합재의 성상과 SEM image를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 시멘트와 고로슬래그의 입자 형태는 큰 차이를 나타내지 않으며, 플라이애시의 입자 형태는 일반적으로 알려진 둥근 입형을 나타내고 있다. Fig. 2는 본 연구에 사용된 잔골재의 입도분포곡선을 나타낸 것으로 본 연구에 사용된 잔골재는 표준입도분포곡선 범위를 만족하는 것을 알 수 있다.

Fig. 1 Binder used in this study

Fig. 2 Particle size distribution of fine aggregates

2.2 실험방법

Table 4는 본 연구에 사용된 실험 배합표를 나타낸 것으로 물결합재비의 경우 유동성 및 소요의 압축강도를 확보하기 위해 다수의 사전실험을 통해 시멘트 복합체의 물결합재비는 56.5 %, 무시멘트 복합체의 경우 53.0 %로 고정하여 실험을 진행하였다. 시험체는 페이스트와 모르타르 샘플을 제작하였으며, 페이스트 샘플의 경우 P로 구분하여 P-CC, P-AC로 명칭하였다. 모르타르 샘플의 경우 M으로 구분하여 M-CC, M-AC로 명칭하였으며, 이때 CC(cement composite)는

시멘트 복합체, AC(alkali- activated composite)는 무시멘트 복합체를 의미한다. 무시멘트 복합체에 사용된 알칼리 활성제의 종류와 혼입량은 기존연구를 참고하여^{(Lee et al. 2024b, 2025)} CaO, Ca(NO₃)₂ 및 NaOH를 사용하였으며, 결합재 중량에 대하여 각 5 %를 혼입하였다.

시험체 제작은 가열 전･후 압축강도 및 단위중량을 평가하기 위하여 50 mm×50 mm×50 mm 큐빅형 시험체를 제작하였으며, 가열 후 시간 변화에 따른 내부 중심온도를 평가하기 위해 Ø100 mm×200 mm 원주형 시험체를 제작하였다. 시험체는 제작 48시간 이후 탈형하였으며 함수율의 영향을 최소화하기 위해 소요의 재령까지 온도 20 °C, 상대습도 60 %RH 환경인 대기 조건에서 양생을 진행하였다.

2.3 측정방법

유동성의 경우 KS L 5111[18]에 준하여 페이스트 및 모르타르 플로우 시험을 진행하였으며, KS F 2432^{(KATS 2017)}에 따른 컨시스턴시를 평가하였다. 압축강도는 KS L 5105^{(KATS 2019)} 시험방법에 따라 측정을 진행하였다. 단위용적질량은 기존문헌^{(KATS 2007)}을 참고하여 식 (1)과 같이 측정하였으며, $M$은 단위용적질량(kg/m³), $W$는 시료의 질량(kg), $V$는 용기의 용적(m³)을 나타낸다.

가열 후 시험체의 내부 중심 온도 측정은 기존문헌^{(Abed and Brito 2020; Kielė et al. 2023)}을 참고하였으며, Fig. 3(a)와 같은 Ø100 mm×200 mm 크기의 시험체를 제작하여 Fig. 3(b)와 같은 가열로를 통해 실험이 진행되었다. 가열 온도는 800 °C로 설정하였으며, 온도 도달 시간은 분당 10 °C/min으로 진행되었다. 목표 온도인 800 °C에 도달하는 시점인 80분 이후에는 약 120분동안 시험체를 고온에 노출시켰다. 노출 유지 시간인 120분 이후에는 가열을 종료하고 시험체를 24시간 동안 자연냉각한 후에 단위용적질량, 압축강도 및 표면성상을 평가하였다. 시험체의 내부 중심 온도 평가는 시험체를 제작할 때 경화하기 전에 열전대를 삽입하였으며, 시험체 내부의 온도는 데이터로거를 통해 모니터링 하였다.

Fig. 3 Fire resistance test

3.1 유동성

Fig. 4는 시멘트 및 CaO 활성 무시멘트 샘플의 유동성 변화를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 페이스트 플로우는 P-CC 샘플이 약 243 mm를 나타내었으며 무시멘트 페이스트인 P-AC는 약 248 mm로서 P-CC 샘플에 비해 소폭 증가한 것으로 나타났다. 모르타르 플로우의 경우에도 페이스트 플로우와 유사하게 M-AC의 모르타르 플로우가 약 255 mm로서 가장 높게 나타났으며 M-CC 샘플은 약 213 mm를 나타내어 M-AC 샘플에 비해 16.5 % 낮은 유동성을 나타내었다. 무시멘트 샘플의 플로우가 시멘트 샘플에 비해 높게 나타난것은 결합재로서 고로슬래그 미분말, 플라이애시 등을 사용한 무시멘트 샘플의 반응성이 시멘트 샘플보다 낮기 때문에 유동성이 증가한 것으로 사료된다^{(Xie et al. 2021)}. O-Lot를 통한 컨시스턴시 평가 결과의 경우 페이스트 샘플은 전부 시험관을 통과하였지만, 모르타르 샘플은 통과 중 잔골재가 시험관을 완전히 통과하지 못하여 시험관 내부가 막히는 현상이 발생함으로써 측정이 불가능하였다. 시험관을 완전히 통과한 페이스트 샘플의 경우 P-CC 샘플의 통과시간이 약 12.6초이며, P-AC 샘플은 약 18.0초를 나타내어 P-CC 샘플에 비해 상대적으로 느린 통과 시간을 나타내었다. 그러나, KS F 2432에서는 통과 시간 기준을 약 16~20초를 표준으로 하고 있어, P-AC 샘플의 통과 시간이 P-CC 샘플에 비해 느리게 나타났지만 KS F 2432^{(KATS 2019)}를 만족하는 것으로 나타났다.

Fig. 4 Paste and mortar fluidity

3.2 압축강도

Fig. 5는 재령별 압축강도 변화를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 모든 샘플의 압축강도는 재령이 지남에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 대기조건에서도 샘플들의 반응이 지속적으로 진행된 결과이다. 또한 압축강도는 모든 재령에서 시멘트 샘플이 무시멘트 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 그러나, 시멘트 샘플의 압축강도는 최대 약 14.5 MPa을 발현하여 낮은 수준을 보이고 있는데, 이는 본 연구에서 유동성 확보를 위해 적용한 높은 물결합재비와, 상온 조건에서 양생을 진행함에 따른 수분 증발 및 낮은 단위결합재량 등에 기인한 것으로 사료된다. 또한, 시멘트 복합체에 비해 압축강도가 낮게 나타난 무시멘트 복합체의 강도 발현은 습도의 영향이 가장 높은 것으로 보고되고 있으며^{(Arcía-Mejía and Chávez-García 2016; Lee et al. 2024)} 일부 문헌에서는 상온 조건에서 무시멘트 복합체의 반응 속도가 매우 느린 것으로 보고된 바 있다^{(Heah 2011)}.

본 연구에서는 내화성능에 다양한 영향을 미치는 함수율의 영향을 최소화하기 위해서 대기 중에서 양생을 진행하였으며, 이로인해 무시멘트 샘플의 반응 속도가 지연되며 압축강도 발현에 부정적인 영향을 미친 것으로 사료된다.

Fig. 5 Compressive strength

3.3 압축강도 잔존율

Fig. 6은 가열 후 압축강도 잔존율을 나타낸 것으로 대체적으로 무시멘트 복합체의 잔존율은 시멘트 복합체에 비해 낮게 나타난 것을 알 수 있다. 무시멘트 복합체의 잔존율은 페이스트에서 약 10~15 %, 모르타르에서는 약 11~14 %를 나타내어 페이스트와 모르타르 샘플간의 유의미한 차이는 발생하지 않았다. 시멘트 복합체의 잔존율은 페이스트에서 약 33~44 %, 모르타르에서는 약 27~32 %를 나타내었는데, 이는 가열 전 압축강도가 무시멘트 복합체에 비해 상대적으로 높았던 것에 기인한 것으로 사료된다. 또한 상온 양생을 진행하며 무시멘트 샘플의 중합반응이 지연됨에 따라 수화물의 안정성이 낮은 상태에서 고온에서의 열분해가 가속화된 결과로 판단된다. 따라서 향후 무시멘트 복합체의 가열 전 압축강도를 확보하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 6 Residual strength

3.4 가열 후 성상

Table 5는 가열 전･후 시험체의 성상을 나타낸 것으로 가열 전 성상의 경우 페이스트 샘플에서는 큰 차이가 발견되지 않았다. 모르타르 샘플의 경우 후면에서 다수의 공극이 발견되었으며, 시멘트 복합체의 균질성이 무시멘트 복합체에 비해 확연히 낮게 나타났다. 시멘트 혹은 무시멘트 복합체에서 발생하는 공극은 다양한 성능에 영향을 미치는 요인 중 하나로 알려져 있고^{(Jiang et al. 2024)}, 공극의 크기와 분포는 균열 전이에 상당한 영향을 미치게 된다^{(Nguten et al. 2017)}. 특히 공극 크기가 클수록 작은 공극에 비해 성능 감소폭이 커지는 것으로 보고된 바 있으며^{(Nambiar and Romamurthy 2007)}, 공극은 내화성능을 향상시키는 요인일 수 있지만, 투과성에 영향을 미칠 수 있고^{(Du et al. 2022)}, 이로인해 시험체 내부로의 열 유입이 증가할 수 있다. 이와 유사하게 가열 후 시멘트 모르타르 샘플의 상단 모서리 부분 일부에서 손상이 발생하였으며, 시멘트 페이스트 샘플은 균열과 시험체 형상의 변형이 관찰되었다. 반면 무시멘트 복합체의 경우 시험체 표면에 균열이 관찰되지 않았으며 시험체 형상의 변형 또한 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.

Table 5 Surface of sample after heating

3.5 단위용적질량

Figs. 7, 8은 가열 전･후 샘플의 단위용적질량 변화를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 무시멘트 복합체의 단위용적질량 감소율이 시멘트 복합체에 비해 상대적으로 높게 나타난 것을 알 수 있으며, 시멘트 복합체와 무시멘트 복합체에서 유사한 결과로 페이스트 시편의 감소율이 상대적으로 높게 나타났다. 또한 재령 28일 단위용적질량 감소율의 경우 시멘트 복합체에서는 재령 7일에 비해 약 1~3 % 감소하였으며 무시멘트 복합체의 단위용적질량은 재령 7일에 비해 최대 약 6 % 낮게 나타난 것을 알 수 있다.

Fig. 7 7-d unit weight

Fig. 8 28-d unit weight

3.6 가열 후 내부 온도

Fig. 9은 가열 후 내부 온도 변화를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 대체적으로 시험체의 내부 온도는 목표 온도인 800 °C에 도달하는 80분 이전까지는 온도 상승폭이 크지 않으며, 목표 온도 도달 시간인 80분 이후부터 급격히 상승하는 것으로 나타났다. CaO 활성 무시멘트 복합체의 경우 시멘트 복합체에 비해 내부 온도 상승 속도가 상대적으로 완만하게 나타나고 있으며, 이러한 결과는 페이스트 시험체인 P-AC 샘플에서 뚜렷하게 관찰되었다. 시멘트 페이스트 샘플인 P-CC 샘플의 경우 80분 이후 내부 온도가 급격히 상승하여 최대 온도는 749.8 °C를 나타내었으며, 모르타르 샘플인 M-CC 샘플에서도 최대 온도가 758.1 °C로 나타났는데, 이는 전체 샘플 중 가장 높은 온도이다.

반면, 무시멘트 페이스트인 P-AC 샘플의 경우 100분까지 온도 변화가 크게 나타나지 않으며 최대 온도는 554 °C를 나타내어 P-CC 샘플보다 약 22 % 높은 내화성능을 나타내었다. 모르타르 샘플인 M-AC 샘플의 경우에도 시멘트 샘플에 비해 확연히 낮은 최대 온도를 나타내고 있으며 P-AC 샘플과 유사하게 약 100분까지 온도 변화가 크지 않은 것을 알 수 있다.

Fig. 9 Temperature depending on heating time