· 다비도비츠(Davidovits)는 고대 건축구조물에 사용된 콘크리트가 알칼리 활성화 알루미노 실리케이트 바인더(Alkali-Activated Alumino-Silicate Binders)라는 것을 발견했으며, 중합(polymerization) 반응 때문에 그 이름을 지오폴리머 콘크리트(Geopolymer Concrete)라고 하였다.

 · 지오폴리머 바인더는 무기재료이며 좋은 건설재료가 될 수 있는 잠재력이 있는 것으로 보고되었다.

 · 서호주의 커틴 종합대학 연구작업결과 LCFG(저칼슘 플라이애쉬 지오폴리머, Low Calcium Fly Ash Geopolymer) 콘크리트가 기존 콘크리트에 비해 환경적으로 큰 장점을 가지고 있는 것으로 나타났다.

 · LCFG 콘크리트의 빠른 강도발현의 메커니즘은 스팀양생 또는 건조실양생과 같은 온도를 올려서 하는 양생에 의존하지만 대기 중의 양생은 적절한 혼화재를 필요로 한다. 그러한 혼화재의 사용은 콘크리트의 온도를 증가시켜 낮은 대기의 영향을 상쇄시키려는 것이다.

 · 견고한 도로 시설물로 사용시 비구조용 LCFG 콘크리트의 등급은 40MPa가 일반적으로 사용된다. 다음으로 소요 초기강도를 위해 대기 중의 양생방법은 현장타설용인 경우에 필수요건 중의 하나이다.

 · 철근콘크리트의 내구성을 위해 철근과 콘크리트의 일체화는 필수이지만, LCFG 콘크리트에서 철근을 보호하는 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 철근 LCFG 콘크리트가 일반포틀랜드시멘트(OPC, Ordinary Portland Cement)콘크리트의 지속가능한 대안으로 가능성이 있는 것으로 나타나고 있다.

 · 이러한 용도로 본 보고서에서 슬래그를 기반으로 하는 LCFG콘크리트의 예비연구결과를 제공한다.

2. 실험 작업

 · 연구에서 지오폴리머 혼합구성은 시멘트계의 결합 재료와 비활성의 잔골재와 굵은골재로 구성되었다.

 · 지오폴리머 결합재의 주요 성분은 저칼슘 플라이애쉬(F급)와 OPC콘크리트와는 다른 알칼리용액이다.

2.1 플라이애쉬

 · 연구에 사용된 플라이애쉬는 서호주의 콜리발전소에서 공급되었다.

 · X-레이 형광분석에 의한 플라이애쉬의 화학성분은 표 1에 요약하였다. 표 1은 Hardijito등(2005)의 “Developement and Properties of Low Calcium Fly Ash-Based Geopolymer Concrete"의 연구보고서에 제시된 내용이다.

<표 1 : 플라이애쉬의 화학성분>

2.2 알칼리 용액

 · 알칼리 용액은 나트륨규산염 용액과 수산화나트륨 용액이 혼합되어 있다.

 · 나트륨규산염 용액(Grade A53)은 14.7%의 Na2O, 29.4%의 SiO2, 물 55.9%로 구성되었다.

 · 수산화나트륨 용액은 물속에서 98%의 순 재료를 혼합하여 준비되었다.

 · 두 용액은 사용 전 최소 24시간 이내에 혼합되었다.

2.3 유동화제

 · 감수제인 유동화제가 지오콘크리트의 시공연도를 개선하기 위해 플라이애쉬의 1.5% 비율로 혼화제로 사용되었다.

2.4 골재

 · 골재는 현재 서호주 지역 콘크리트 업체에서 사용되는 것이 사용되었다.

 · 잔골재 및 굵은골재 모두 표면건조 내부포수상태의 것이 사용되었다.

 · 골재는 14mm 체에 30%, 10mm 체에 38%, 세사 32%로 구성되었다.

3. 혼합비

3.1 스팀양생 혼합

 · LCFG 콘크리트 G40(40MPa), G50(50MPa) 및 OPC 콘크리트 S40(40MPa), S50(50MPa) 및 기공차단 첨가제를 넣은 OPC 콘크리트 Sx40(40MPa) 이상 5가지 종류가 본 연구에 채택되었다.

 · 이들 5가지의 샘플에 대한 양생조건(OPC 콘크리트는 습윤양생, 지오폴리머 콘크리트는 60OC에서 24시간 스팀양생) 및 압축강도는 아래 표 2에 표시되었다.

<표 2 : 지오폴리머 콘크리트와 OPC 콘크리트 샘플 조견표>

 · 과거의 연구에서는 100% 플라이애쉬 결합재의 LCFG 콘크리트가 대기상태에서의 양생 시 초기강도는 20MPa 이었고 점차 시간이 지나면서 강도가 증가되었음(대략 4주에 40MPa, 12주에 50MPa).

 · 이것은 높은 초기강도와 4주 이내에 강도발현이 주요 필요요건이 아닌 곳에서는 조강제를 넣지 않은 LCFG 콘크리트가 타당성이 있다는 것을 표시하는 것이다.

3.2 LCFG 콘크리트 (대기 중 양생과 스팀양생)

 · 아래 표 3에 표기된 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트는 대기 중 양생으로 40MPa 이상의 초기강도를 발현하는 현장타설 LCFG 콘크리트를 위해 연구되었다.

 · 슬래그의 칼슘은 약 42%, 저칼슘 플라이애쉬는 1.5% 각각 포함되었다.

 · 결합재의 혼합비가 플라이애쉬 95%, 슬래그 5%일 때, 플라이애쉬 결합재 칼슘은 3.5%로 증가되었다.

 · 저칼슘플라이애쉬 결합재에서 칼슘양은 증가되었으나 Class F는 변경되지 않음(Class F - 저칼슐 플라이애쉬의 칼슘양은 10 미만임)

<표 3 : 지오폴리머 콘크리트 샘플 조견표>

4. 실험결과

 · 슬래그 5%를 포함하는 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트의 압축강도는 대기상태의 양생으로 50MPa를 달성한 것으로 알려졌다.

 · 고농도 활성화제 용액으로 활성화된 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트의 재령 7일 압축강도는 대기상태의 양생으로 66MPa이었다.

 · 실린더 공시체는 5일 후에 탈형되었으며 7일째 압축강도가 시험되었다.

 ·  슬래그 기반의 LCFG 콘크리트의 대기상태 양생시 초기에 급격한 습윤 손실을 막기 위해 5~7일 동안 폴리에틸렌 쉬트로 감싸줄 필요가 있는 것으로 나타났다.

 · 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트의 초기 7일 압축강도는 8M 알칼리 용액으로 활성화된 100% 저칼슘 플라이애쉬를 포함한 대기상태 양생의 LCFG 콘크리트 보다 3배 높았다.

 · 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트의 이러한 강도발현 증가는 Frantistek 등(2006)의 조사결과와 같은 결과를 나타낸 것이다.

 · 60oC의 높은 온도로 24시간 양생시킨 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트는 55.5MPa의 약간 낮은 강도를 발현한 것으로 추론되어졌다.

 · 이것은 중합과정과 관련이 있는 CSH (Calcium Silicate Hydrate) 제품의 생성 때문인 것으로 보인다.

 · 고농축 알칼리 활성화제 용액(16M-수산화나트륨)은 혼합 구성성분이 합성되는 동안 CSH제품의 형성에 이은 중합과 겔화 및 빨리 소멸될 가능성이 있는 중합과정이 먼저 진행되게 하면서 초기간섭을 감소시키는 경향이 있다.

 · 대기상태 하의 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트의 보다 높은 강도는 그 내구성의 간접적인 표시이다.

 · 알칼리 활성화 중합반응 LCFG 콘크리트에 CSH의 형성은 기공구조의 비틀림이 증가하는 경향이 있다.

 · 연구결과 LCFG 콘크리트 속성 - 압축강도와 투과공극이 OPC 콘크리트와 유사하며 과거연구 결과와도 같은 것으로 밝혀졌다.

 · 아래 그림 1과 2는 이러한 속성의 경향을 보여주고 있다.

<그림 2 : 실험실 샘플의 침투공극량>

5. 지속가능성의 근거

 · 산업체의 부산물인 저칼슘 플라이애쉬는 이산화탄소를 줄일 수 있기 때문에 환경적으로 큰 장점이 있다.

 · LCFG 콘크리트는 OPC 콘크리트 보다 이산화탄소 배출이 80% 낮다.

 · 본 설명 다음에 지속가능한 LCFG 콘크리트의 잠재력에 대해 설명할 예정이다.

 · 커틴 종합대학과 1.2 X 1.2 X 0.6M 크기의 LCFG 콘크리트 암거를 생산하는 지역 PC업체와 협력하여 "Main Road"에 의해 시행된 최근의 연구결과 LCFG 콘크리트가 OPC 콘크리트로 만드는 PC 콘크리트 제품과 같은 건설재료로 타당하다는 것이 밝혀졌다.

5.1 LCFG 콘크리트의 지속가능성 잠재력

 · 아래 그림 6은 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트가 도로환경을 저해하지 않으면서 도로구조물 및 철도사업에 사용되는 예를 보여주고 있다.

 · 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트는 이러한 사용용도로 인하여 큰 환경적 장점을 제공할 수 있다.

 · 이 지속가능한 LCFG 콘크리트의 적용 잠재력을 입증하는 그림은 그림 6에 표시되어 있다.

 · 표 4는 LCFG 콘크리트를 지속가능한 잠재적 용도(표 4의 Item 참고)로 사용했을 경우, 이산화탄소 배출 저감 정도를 요약한 것이다.

  <그림 6 : LCFG 콘크리트의 적용 범위>

<표 4 : 이산화탄소 배출 예상 저감량 요약>

6. 결론

 · 예비 연구결과는 LCFG 콘크리트의 물리적 특성이 더 좋은 편이며 많은 부분에서 OPC 콘크리트와 비교가 될 만 했다.

 · LCFG 콘크리트의 마이크로 구조와 공극구조 특성은 다른 특성에 추가하여 OPC 콘크리트 보다 더 기계적으로 안정성이 있는 것으로 나타났다(압축강도, 침투공극량).

 · 도로 환경에 손색이 없는 도로시설물에 슬래그 기반의 LCFG 콘크리트의 적용은 크나큰 환경적 장점이 있을 수 있다.