1. 소개
 ㅇ 친환경 건설에 대한 수요의 증가는 지속 가능하고 경제적인 건설자재를 개발하는 원동력이 되어왔음. 
ㅇ 개발에 영향을 미치는 가장 중요한 요인은 환경영향 측면뿐만 아니라 각기 다르고 특수한 사용자의 여건에 따른 재료의 성능임.
ㅇ 시멘트는 많은 에너지를 소비하며 온실가스를 대량으로 배출하는 제품임.
ㅇ 지오폴리머는 포틀랜드 시멘트와 비교하여 상대적으로 이산화탄소 배출이 적은 바인더(결합재)로서 점점 더 많은 관심을 얻고 있음.
ㅇ 지오폴리머는 또한 일반 시멘트와 비교하여 기술적으로 유사하거나 우위의 기술적 특성을 나타내고 있음. 
ㅇ (Wallah and Rangan, 2006) 보고서에 따르면 저칼슘 플라이애시를 기반으로 하는 지오폴리머 콘크리트는 압축강도, 황산염에 대한 저항성과 내산성이 뛰어난 것으로 알려졌음.
 
ㅇ (Davidovits, 2008)다비도비츠의 정의에 따르면 지오폴리머는 플라이 애쉬, 메타카오린, 고로슬래그 등과 같은 부산물 또는 다양한 알루미나 규산염 재료를 알칼리 반응으로 합성시킨 무기 알루미나 규산염 폴리머임.
ㅇ 중합과정에는 세 가지 차원의 중합 연결고리를 갖게 하는 알칼리 조건하에서 알루미노 규산염 광물질의 상당히 빠른 화학적 반응을 포함하고 있음. 
ㅇ 화학적 반응에는 다음과 같은 세 가지 기본적인 단계가 있음.
     1. 원료에서 규소와 알루미늄 원자를 분리
     2. 모노머(monomers) 속으로 화학재료(precursor) 이온이 응축 또는 배열
     3. 고분자 구조로 모노머(monomers)의 증축합(polycondensation)  (Duxson et al. 2007).
ㅇ 지오폴리머의 최종 제품은 원료의 화학적 성분과 알칼리 활성화제 등과 같은 많은 요소들에 의하여 영향을 받음. (Diaz et al. 2010; Duxson et al. 2007; Yip et al. 2008).

ㅇ 중합과정은 상온 보다 높은 온도를 가할 때 대체로 촉진됨.
ㅇ (Vijai et al. 2010)에 따르면 상온에서 생산된 플라이애시 기반의 지오폴리머는 가열 양생에 의한 샘플과 비교하여 초기에는 강도가 낮은 편임.
ㅇ 이러한 관점에서 원료에 칼슘을 함유하고 재료의 유익한 효과에 주목할 필요가 있음.
ㅇ 플라이애시 프리커서(precursor)에 산화칼슘(CaO) 함유량이 지오폴리머를 경화시키는데 큰 영향을 미친다는 사실을 알게 되었음. 
ㅇ (Granizo et al. 2002; Yip et al. 2008)에 의하면 산화칼슘을 추가하면 알루미노 규산염 지오폴리머 네트워크와 함께 규산칼슘 수화물(calcium silicate hydrates -CSH)과 같은 수화제품이 형성됨.
ㅇ (Diaz et al. 2010)에 따르면 산화칼슘의 함유량이 증가하면 강도는 증가하고 응결시간은 감소한다는 사실이 관찰되었음.
ㅇ (Yip et al. 2008)에 따르면 원료의 칼슘 성분과 활성화 용액의 알칼리도가 지오폴리머 중합과정에 영향을 미치기도 함.
ㅇ 최근에 실리카 퓸, 메타카오린 및 고로슬래그와 혼합한 플라이애시 기반의 지오폴리머의 적절성이 몇 명의 연구자에 의해 연구되었음.
ㅇ 그러나 대부분의 연구결과는 다양한 시간동안 가열양생에 의한 몰탈 및 페이스트 샘플에 대한 것이었음.

ㅇ 가열양생에 의하지 않고 생산된 지오폴리머 콘크리트는 PC 부재이외의 분야에서도 그 용도가 넓음. 
ㅇ 따라서 본 연구는 상온 상태에서의 양생에 적합한 지오폴리머 콘크리트를 생산하는 것을 목표로 하였음.
ㅇ 지상의 고로 슬래그는 지오폴리머 콘크리트의 응결시간, 시공연도 및 강도특성을 연구하기 위하여 저칼슘 플라이애시와 혼합되었음

2. 실험계획   
<재료>
ㅇ 지오폴리머 콘크리트는 ASTM C 618 기준에 따른 F등급의 플라이애시로 이루어졌음.
ㅇ 이와 같은 플라이애시는 서부호주 화력발전소와 같은 곳에서 구할 수 있음.
ㅇ 시중에서 구할 수 있는 지상의 고로 슬래그(ground blast furnace slag - GBFS)도 플라이애시와 함께 바인더(binder)로서 사용되어 왔음.

ㅇ 플라이애시와 GBFS의 화학성분은 표 1에 표시되어 있음.

ㅇ 알루미나 규산염 바인더는 수산화나트륨과 규산나트륨 용액의 혼합물에 의해 활성화 되어 왔음.
ㅇ 수산화나트륨의 적절한 농도는 순도 97-98%의 수돗물을 혼합하여 준비되었음.
ㅇ SiO2와 Na2O의 질량비가 2.69(SiO2 = 30.7%, Na2O = 11.4% and water = 57.9%)인 규산나트륨 용액이 사용되어짐.
ㅇ 잔 골재(모래)는 최대 규격 1.18mm의 자연산 모래가 사용되어졌음.
ㅇ 굵은 골재(자갈)은 호주 표준사양(AS 2758.1-1998)에 일치하는 최대규격 7, 10 및 20mm 규격의 화강암 쇄석이 사용되어졌음.
ㅇ 골재의 물리적 성분과 입도는 표 2에 제시되어 있음.

<지오폴리머 콘크리트의 제조>
ㅇ 혼합비율. 콘크리트 혼합재료는 플라이애시 기반의 지오폴리머 콘크리트(Hardjito, 2005)에 관한 이전 작업을 기초로 비례하여 혼합되었음.
ㅇ 알칼리 활성화 용액, 슬래그를 대체하는 플라이애시 및 규산나트륨(sodium silicate)과 수산화나트륨(sodium hydroxide) 용액의 비율(SS/SH) 등과 같은 다양한 혼합재료들이 있음
ㅇ 플라이애시는 전체 바인더 가운데 10~30%의 범위 안에서 GBFS로 대체되어졌음.
ㅇ SS/SH 비율은 1.5, 2.0 및 2.5로 다양했으며 수산화나트륨 용액의 농도는 모든 혼합물에 대해 일정(14M)했음.
ㅇ 물 또는 시공연도 촉진제는 추가되지 않았음.

ㅇ 본 연구에 적용된 8가지 혼합재료에 대한 배합비율은 표 3에 나타나있음.
ㅇ 혼합재료 GC1, GC2 및 GC3는 전체 바인더 가운데 알칼리 활성제 함유량이 각각 35%, 40% 및 45%로 다양하게 준비되었음.
ㅇ 이들 혼합재료는 전체 바인더 가운데 10%의 슬래그를 함유하고 있으며, SS/SH 비율은 2.5로 일정함.
ㅇ 혼합재료 GC4, GC2, GC5 및 GC6는 슬래그를 각기 0%, 10%, 20% 및 30%로 대체하는 플라이애시를 배합시켰음.
ㅇ 이 혼합재료들 속에는 40%의 알칼리 활성제와 함께 SS/SH 비율이 2.5로 일정한 상태로 사용되어졌음.
ㅇ 기타 나머지 2개의 혼합재료인 GC7과 GC8은 SS/SH 비율이 1.5와 2로 달리 준비되었으며 반면에 슬래그와 활성제 함유량은 각기 전체 바인더의 10% 및 40%로서 일정하게 유지되었음.
ㅇ 지오폴리머의 혼합재료 속에는 혼합재료별로 다양하게 지정되어졌음.
ㅇ 예를 들어, 전체 바인더 가운데 A40 S10 R2.5는 알칼리 활성화 용액(A)가 40%, 전체 바인더 가운데 슬래그(S) 10% 및 규산나트륨과 수산화나트륨 용액의 비율(R)이 2.5인 지오폴리머 혼합재료를 나타내는 것임.

ㅇ 지오폴리머 콘크리트 혼합재료의 응결시간이 해당 페이스트별로 시험이 이루어졌음.
ㅇ 페이스트 배합비는 골재를 제외시킨 콘크리트의 배합비와 유사함.

(표 1 : 플라이애시 및 GBFS의 화학성분)

(표 2 : 골재의 입도와 성분)

ㅇ 비빔 및 양생 : 용액의 반응성을 향상시키기 위해 실제 콘크리트 비빔 30분 전에 규산나트륨과 함께 수산화나트륨용액을 혼합하여 알칼리 활성제가 실험실에서 준비되었음.  콘크리트 재료는 실험실의 팬에서 비빔 작업이 이루어졌음. 표면건조 내부포화수상태(saturated surface dry condition)의 골재와 바인더(플라이애시 및 슬래그)가 믹서 내에서 충분히 건비빔 작업이 이루어졌음.  사전에 혼합한 알칼리 활성화 용액은 믹서내에 점진적으로 추가되었음.  비빔작업은 재료의 연도를 살피면서 4-6분 정도 계속되었음.  지오폴리머 콘크리트에 대한 실험용 공시체가 두 번에 나누어 채워지고 테이블 바이브레이터로 다짐작업을 하면서 만들어졌음.  공시체 몰드는 섭씨 20-23도로 관리된 상태에서 양생되었음.  시험체는 실험을 마칠때 까지 섭씨 20-23도의 대기 중에 노출시켰음.  

<실험>
ㅇ 지오폴리머 생 콘크리트의 시공연도는 슬럼프 테스트(AS 1012.3.3-1998)로 시험이 이루어졌음.
ㅇ 압축강도 실험은 재령 3, 7 및 28일에서 행하여졌음.  
ㅇ 시험체는 지름 100mm, 높이 200mm로 Controls MCC8 장비에 의해 0.33Mpa/s의 속도로 하중을 가하여 시험을 실시하였음.

ㅇ 지오폴리머 페이스트의 응결시간은 ASTM C 191-08에 따라 시험이 이루어졌음.
ㅇ 페이스트는 바인더와 수작업으로 사발에 담긴 알칼리 용액이 혼합되어 준비되었고 비캇 응결시험기의 원추형 몰드로 성형하였음.
ㅇ 비캇 바늘의 침투시험(지름의 1.00 ± 0.05 mm)은 일정한 간격으로 측정되었음.
ㅇ 25mm 침투에 소요되는 시간은 초기 응결시간을 나타내는 보간법으로 결정되었음.
ㅇ 페이스트의 최종 응결시간은 페이스트 표면에 바늘이 무시해도 좋을 정도일 때 까지 기록을 하였음. 
ㅇ 시험은 섭씨 21-23도의 온도에서 이루어졌음.

(표 3 : 지오폴리머 콘크리트 배합비(kg/m3)상세)

3. 실험결과        
ㅇ 상온에서 지오콘크리트의 응결시간과 압축강도에 관한 다양한 범주의 효과를 연구하기 위하여 총 8가지의 혼합재료가 준비되었음.
ㅇ 아래 그림 속의 결과들은 다음과 같은 3가지 그룹으로 구성되어 있음
     - 첫번째 그룹(GC1, GC2 및 GC3)은 바인더에 알칼리 활성화 용액의 비율의 효과를 나타냄.
     - 두번째 그룹(GC4, GC2, GC5 및 GC6)은 슬래그 함유량의 효과를 나타냄.
     - 세 번째 그룹(GC7, GC8 및 GC2)은 혼합재 별로 SS/SH 비율의 효과를 나타냄.

<생 콘크리트의 시공연도>
ㅇ 슬럼프 시험은 지오폴리머 콘크리트를 혼합한 직후 바로 시행되었음.
ㅇ 그림 1은 혼합재료별 평균 슬럼프 값을 나타냄.
ㅇ 일반적으로 콘크리트 혼합재료는 생 콘크리트 상태에서는 그 점성으로 인하여 슬럼프 값을 측정할 수가 없음.
ㅇ 비록 시공연도 촉진제 또는 여분의 물을 첨가하지 않아도 활성화 용액이 40% 이상 혼합될 경우에는 슬럼프 값은 200mm 이상임.
ㅇ 물의 함유량은 시공연도에 영향을 주는 중요한 매개변수임.
ㅇ 본 연구에서 사용된 모든 혼합재료는 H2O/Na2O 비율이 10~14 이내의 것으로서 이것은 “Hardjito (2005)”에 따른 지오폴리머 콘크리트에 적용이 가능한 수준으로 시행됨.
ㅇ 그러나 슬럼프 값은 골재의 습윤 상태, 상온의 변화, 바인더와 알칼리 용액 사이에 응축반응의 정도 및 비빔시간 등과 같은 기타 여러 요인들에 의해 영향을 받을 수 있음.

ㅇ 일반적으로 혼합시 활성화 용액을 증가시키면 슬럼프는 증가하였음.
ㅇ 슬럼프는 플라이애시를 첨가한 슬래그가 있을 때 영향을 받았음.
ㅇ 슬래그의 함유량에 따라서 슬럼프 값은 어느 정도 감소하였음.
ㅇ 혼합재료 속에 슬래그가 없는 지오폴리머 GC4 배합이 슬럼프 값이 가장 높았음.
ㅇ 지오폴리머 콘크리트의 연도(consistency)는 혼합재료 속의 SS/SH 비율의 변화에 따라서도 다양하였음.
ㅇ SS/SH 비율이 1.5에서 2.5로 증가되는 경우, 슬럼프 값은 약간 감소하였음.

      (그림 1. 지오폴리머 혼합재료 별 슬럼프에 관한 각기 다른 매개변수의 영향)

<지오폴리머 페이스트의 응결시간>
ㅇ 그림 2는 각기 다른 매개변수의 다양한 요인들로 인해 다양한 응결시간을 나타내고 있음.
ㅇ 응결시간을 체크하는 시험은 섭씨 21~23도의 맞춰진 공간에서 수행되어졌음.
ㅇ 이 상태에서 플라이애시 기반의 지오폴리머는 낮은 온도에서는 화학반응속도가 느리기 때문에 대체로 응결시간이 오래 걸림. 
ㅇ 본 연구에서는 응결이 시작되는 시간이 24시간 이상이 소요되는 바인더로서 단지 플라이애시만 포함된 혼합재료 GC4가 준비되었음.
ㅇ 지오폴리머 페이스트의 응결시간은 바인더로서 혼합재료 속에 슬래그가 포함된 경우 크게 개선되었음.
ㅇ 슬래그 함유량이 증가하면 초기 및 최종 응결시간 모두 감소하였음.
ㅇ 전체 바인더 재료 속에 10%의 슬래그를 포함하고 있는 GC2 혼합재료는 초기응결에 290분이 걸렸으며, 슬래그를 20% 및 30%를 포함하고 있는 GC5 및 GC6 혼합재료는 94분과 41분으로 각각 초기응결시간이 감소하였음.
ㅇ 페이스트에 슬래그 함유량이 증가하면 초기 및 최종 응결시간 사이의 차이도 감소함.
ㅇ 이것은 페이스트에 슬래그 함유량이 높아지면 질수록 응결속도도 점점 빨라진다는 것을 나타냄.
ㅇ 이 결과는 플라이애시 바인더의 일부로서 슬래그는 상온에서 지오폴리머 콘크리트의 응결시간을 확실히 단축한다는 것을 의미함.
           

(그림 2. 지오폴리머 페이스트의 응결시간에 관한 다양한 매개변수의 효과)

ㅇ 응결시간은 그림 2에 나타낸 바와 같이 알칼리 용액에 대한 SS/SH 비율 뿐만 아니라 알칼리 활성화 용액과 바인더의 비율에 의해서도 영향을 받음.
ㅇ 지오폴리머 페이스트는 알칼리 용액의 함유량이 혼합재료 속에 보다 많아지면 응결시간은 더 오래 소요됨. 
ㅇ 슬래그 함유량 10%을 가진 혼합재료 GC1, GC2 및 GC3는 알칼리 용액 함유량이 각각 35%, 40% 및 45% 별로 응결시간이 증가하는 추세를 나타내었음.
ㅇ GC1 혼합재료 보다 알칼리 용액이 5% 이상 더 포함하고 있는 GC2 혼합재료는 초기 응결시간이 70분 이상 더 소요되었고, 혼합재료 GC3는 알칼리 용액이 5% 이상 더 포함하고 있는 GC2 혼합재료보다 98분 이상 소요되었음.
ㅇ 알칼리 용액 함유량 증가가 w/s(물/잔골재) 비율을 보다 높이는 원인이 되었고 지오폴리머 중합반응의 응축 프로세스가 늦추어졌음.

ㅇ 응결시간에 관한 SS/SH 비율의 영향에 대해서는 혼합재료 GC7, GC8 및 GC2 페이스트를 가지고 조사되었음.
ㅇ 알칼리 활성화 용액의 양과 슬래그 양(전체 바인더의 40%와 10%씩 각각)이 일정하다면 알칼리 용액에 대한 SS/SH 비율이 증가하면 응결시간은 줄어들었음.
ㅇ 규산나트륨 양(SS/SH 비율이 1.5)이 제일 적은 혼합재료 GC7은 GC8과 GC2와 비교하여 응결시간이 좀 더 오래 걸렸음. 
ㅇ 혼합재료 속에 있는 Si(규소)의 비율을 나타내는 Si/Al 비율의 값이 감소되었기 때문임.
ㅇ 페이스트 속에 있는 Si(규소)의 양이 감소함으로서 중합 프로세스가 어느 정도 둔화됨.

<지오폴리머 콘크리트의 압축강도>  
ㅇ 지오폴리머 콘크리트 혼합재료 별 압축강도의 발현은 상온(섭씨 23도)에서 재령 28일 까지 측정되었음.
ㅇ 그림 3은 혼합재료별로 다양한 재령 28일 압축강도의 값을 보여주고 있음.
ㅇ 아래 그림에 나타난 그 결과는 시험 기간 중에 시험이 이루어진 3가지 시험편의 평균값임.
  

 
(그림 3. 지오폴리머 콘크리트에 대한 혼합재료 별 재령 28일 압축강도)

(그림 4. 각기 다른 GBFS의 비율을 갖는 지오폴리머 콘크리트 별 압축강도의 발현)

ㅇ 바인더로서 플라이애시만 포함하고 있는 지오폴리머 콘크리트(혼합재료 GC4)는 상온(섭씨 20~23도) 양생의 경우, 강도발현이 아주 느리게 반응하였음. 
ㅇ GBFS가 전체 바인더의 일부로서 알칼리 활성화제(40%) 및 SS/SH 비율 2.5인 혼합재료일 때 그 강도는 크게 증가되었음.
ㅇ 그림 4에 보여주는 바와 같이 콘크리트 속에 슬래그 함유량이 증가하면 초기 재령 3일의 강도는 증가하였음.
ㅇ GBFS로 대체된 10%, 20% 및 30%의 플라이애시를 각각 갖는 혼합재료 GC2, GC5 및 GC6는 지오폴리머 혼합재료 GC4(슬래그 없음)의  재령 28일 강도와 비교하여 각기 33%, 74% 및 110% 만큼 강도가 증가되었음.
ㅇ 즉, 슬래그 함유량을 각각 10% 증가하는 경우 재령 28일 압축강도는 10Mpa 만큼씩 증가하였음.   
ㅇ 플라이애시와 슬래그를 혼합한 지오폴리머 콘크리트의 강도가 증진되는 것은 알칼리 활성화 플라이애시와 슬래그에서 생산되는 반응제품인 바인더 속의 칼슘 화합물의 증가 때문임.  
ㅇ 그러나 혼합재료에 포함된 슬래그에 Si/Al 비율이 높아지면 질수록 경화가 빨리 일어나고 강도발현에 기여를 하였음.

ㅇ 압축강도는 혼합물 속의 알칼리 활성제의 양에 의해서 영향을 받았음.
ㅇ GC1, GC2 및 GC3 혼합재료의 결과와 비교하여 전체 바인더에서 활성화제 함유량을 35%~45%까지 증가시키면 강도가 감소한다는 것을 알 수 있었음. 
ㅇ Si/Al 비율이 전체 일정한 바인더에 대한 알칼리 활성제의 함유량이 증가할지라도 강도에 영향을 주는 것은 물과 고체의 비율(w/s)임.
ㅇ 물과 고체의 비율(w/s)이 증가, 즉 물의 함유량이 증가되면 강도는 감소하였음.

ㅇ 압축강도의 변화는 SS/SH 비율이 일정한 알칼리 활성화제(전체 바인더의 40%)와 슬래그 함유량(전체 바인더의 10%) 혼합재료 속에 있을 경우 크지 않았음.
ㅇ 그러나 SS/SH 비율이 1.5인 혼합재료는 SS/SH 비율이 보다 높은 2 및 2.5인 혼합재료보다 재령 28일 강도가 약간 더 높았음.
ㅇ Vargas et al. (2011)에 따르면 혼합재료 속에 Na2O/Si2O 비율이 증가하면 플라이애시를 기반으로 하는 지오폴리머 페이스트의 강도가 증가한다고 함.
ㅇ 그 결과는 현재 본 연구와 유사하나 본 연구 속의 혼합재료에는 지오폴리머 바인더에 영향을 미칠 수도 있는 90%의 플라이애시와 함께 10%의 슬래그를 함유한다는 것임.

4. 결론      
ㅇ 8가지 종류의 지오폴리머 혼합재료는 바인더 원료로서 플라이애시와 슬래그로 설계되었음.
ㅇ 상온에서 양생된 지오폴리머의 응결시간, 시공연도 및 압축강도는 슬래그의 함유량, 총 알칼리 활성화 용액과 규산나트륨과 수산화나트륨 용액의 비율에 따라 다양하게 비교되었음. 
ㅇ 그 결과는 다음과 같이 요약될 수 있음 :
     - 지오폴리머 혼합재료를 기반으로 하는 플라이애시 속의 슬래그 함유가 응결시간을 줄이고 압축강도를 증가시켰음.  전체 바인더 가운데 슬래그를 30% 이상 첨가하면 재령 28일에 압축강도가 55Mpa 이상이 달성되었음. 혼합재료 속에 슬래그의 양을 증가시킴으로서 응결시간이 급속히 감소하였음.  생 콘크리트의 슬럼프 값은 슬래그 함유량이 증가된 만큼 약간 감소하였음.
     - 혼합시 전체 바인더 가운데 35%에서 45%까지 알칼리 활성화 용액을 증가시키면 응결시간은 증가하고 압축강도는 감소하였음.  혼합재료 속의 알칼리 용액을 증가시키면 생 콘크리트의 슬럼프 값도 증가되었음.
     - SS/SH 비율 2.5인 알칼리 활성화 용액은 슬럼프 값과 응결시간을 1.5~2.0배 미만으로 감소시키는 결과를 낳았음.  콘크리트 압축강도의 변화는 혼합재료 속의 SS/SH 비율의 변화에 따른 것이었음.