나노슬래그와 알칼리 자극제를 활용한 비소성 시멘트 콘크리트의 역학적 특성에 관한 연구 = (A) study on mechanical properties of non-sintered cement concrete using nanoslag and alkali activator

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 정부의 ‘저탄소 녹색성장’ 기조에 부응하고자 CO2 배출이 매우 큰 분야로 알려져 있는 시멘트 산업의 온실가스 발생을 저감시킬 목적으로, 기존의 시멘트를 사용하지 않는 즉, 클링커가 포함되지 않은 비소성 시멘트의 이화학적 및 역학적 특성을 검토하고 이의 활용 가능성을 살펴보았다.
비소성 시멘트 콘크리트의 개발을 위해 대표적인 산업부산물로 매립에 의존하고 있는 고로슬래그를 나노화하여 이를 초미분말(나노슬래그)로 만들고, 이 나노슬래그에 전통적인 비소성 시멘트 제조에 활용되었던 알칼리 자극제를 더함으로써 클링커가 함유되지 않은 비소성 시멘트 콘크리트를 개발하는 것이 본 연구의 주된 목적이다.
아울러, 이의 실용화 가능성 검토를 위해 기존의 시멘트에 비해 비교적 고가인 알칼리 자극제의 사용량을 감소시키고자 적합한 알칼리 자극제의 종류와 이의 적정 사용량 도출을 위해 이화학적 분석, 모르타르 및 콘크리트 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 선행 연구문헌을 통한 이론적 고찰에 의하면, 비소성 시멘트의 기술은 크게 Geo-Polymer와 Alkali Activated Slag로 구분 할 수 있으며, 산업화를 감안한다면 국내 생산량이 큰 AAS분야에 더욱 유리할 것으로 판단된다.
비소성 시멘트 기술이 상용화 된다면, 시멘트 기술 분야 대비 80% 정도 CO2 저감이 가능할 것으로 판단되나 제조상의 문제, 경제적인 측면과 함께 초기강도 확보 등 다양한 문제들에 대한 해결이 요구된다.

2. 나노슬래그 및 알칼리 자극제의 이화학적 특성과 이를 배합 시 발생하는 수화반응을 화학적으로 분석하기 위해 BET, XRD, EDS, SEM, TEM 실험을 실시하였다.
나노슬래그의 경우, 기존 고로슬래그 1종 대비 분말도가 증가함에 따라 XRD 최대 피크점이 향상되어 비소성 시멘트 기술의 문제점으로 지적되어 온 초기강도 확보가 가능 할 것으로 판단된다. 알칼리 자극제 종류별 물리적 특성의 차이는 있었으나, Na, K, Ca의 순으로 용해도가 높고 나노슬래그와의 액상 융합 능력이 큰 것으로 나타났다.

3. 국내에서 시판되는 다양한 알칼리 자극제 별 나노슬래그 비소성 시멘트 모르타르의 유동특성을 고찰 하였다.
이화학적 분석결과와 마찬가지로 Na, K, Ca, Al 순으로 유동성이 큰 것으로 관찰되었다. 치환율이 증가됨에 따라 유동성은 감소하는 것으로 측정되었으나, 치환율 14%이내의 조건에서는 대부분 OPC대비 10% 내외의 유동특성이 관찰됨에 따라 적정 치환시, 시공성을 감안한 비소성 시멘트 콘크리트의 제조가 가능 할 것으로 판단된다.

4. 다양한 알칼리 자극제 별 나노슬래그 비소성 시멘트 모르타르의 역학적 특성을 살펴본 결과, 수산화 이온족이 규산염 및 황산 이온족에 비하여 높은 역학적 특성이 관찰되었다.
응결시간 시험 및 단열 온도측정 결과에서도 동일하게 관찰되어 나노슬래그에 가장 적합한 알칼리 자극제는 수산화 이온족인 NaOH, KOH, CaOH인 것으로 나타났다.

5. 선행 검토된 이론적 고찰, 이화학적 분석 및 모르타르 실험을 통한 도출 결과를 바탕으로 나노슬래그와 알칼리 자극제를 활용한 비소성 시멘트 콘크리트의 역학적 특성을 고찰하였다.
재령 3일에서는 OPC 대비 강도가 다소 낮은 것으로 측정되었으며, 알칼리 자극제 치환율 16%이상의 조건에서 일부 강도가 저하되었으나, 재령 28일에서는 강도를 회복하여 OPC와 유사한 강도특성이 관찰되었다. 특히, NaOH의 조건에서는 OPC를 상회하는 것으로 측정되어 강도적 측면에서는 비소성 시멘트 콘크리트의 활용이 가능할 것으로 판단된다.

6. 비소성 시멘트 콘크리트의 내구성 검토를 위해 NT Build 492에 준하여 염화물 확산계수를 측정하였다.
수산화칼슘 치환의 조건을 제외한 전 조건에서 OPC 대비 우수한 염화물 확산계수가 확인되었으나, 강도특성 및 고로슬래그의 특성인 염화물 확산저항성에 비하여는 낮은 수치가 관찰되었다.
이는 비소성 시멘트의 특성상, 기존 시멘트 수화기구 대비 미수화 물질의 발생가능성이 높고 구조적 치밀성이 낮은 것이 염화물 확산계수에 영향을 미친 것으로 판단되며, 이러한 공극 내 초미립자인 나노슬래그가 미세공극충전효과(Micro Filler effect)에 기인하여 강도적 보상을 하게 됨에 따라 강도 대비 낮은 염화물 확산계수가 나타난 것으로 보인다.

7. 비소성 시멘트 콘크리트의 장기 내구성능을 검토하기 위해 동결융해 및 동탄성 계수를 측정하였다.
초기 동탄성 계수는 OPC 대비 우수한 것으로 측정되었으나, 장기적인 동탄성 계수는 OPC 대비 낮은 것으로 측정되었다. 이는 전술한 바와 같이 기존 OPC 대비 치밀하지 못한 수화 구조물에 기인한 것으로 판단되어 비소성 시멘트 콘크리트의 장기적 유지보수를 감안한다면, 내구성 증진을 위한 추가적 연구가 수반되어야 할 것으로 판단된다.

나노슬래그와 알칼리 자극제를 활용한 비소성 시멘트 콘크리트에 대한 경제성을 분석한 결과는 다음과 같다.
현재 알칼리 자극제의 단가가 고가인 편이어서 본 연구에서 도출한 적정 치환율인 10∼20% 수준의 알칼리 자극제를 사용하는 경우, 기존 시멘트에 비해 현재 수준에서는 경제성이 떨어지는 것이 사실이다. 하지만, 앞으로는 다음과 같은 이유로 현재까지 단점으로 지적되고 있는 경제성 문제가 해소될 수 있을 것으로 보인다.

1. 글로벌 온실가스 감축의무와 관련하여 온실가스 감축에 기여하는 경우 인센티브 제공이 기대되는 반면, 현재와 같은 CO2 다배출 시스템을 특별한 조치 없이 이어갈 경우, 역으로 온실가스 감축에 기여하지 못함으로 인한 패널티 및 이를 해결하기 위한 추가적인 노력과 비용 부담이 예상된다.

2. 고로슬래그의 경우, 제철소에서는 환경오염의 문제로 인해 이의 처리가 더 큰 부담으로 작용될 것이기에, 이를 대량으로 활용할 방법이 생긴다면 현재의 단가보다 훨씬 유리한 가격으로 입수가 가능할 것으로 판단된다.

3. 알칼리 자극제의 경우, 그 사용범위가 확대되고 수요가 급증하게 된다면 이에 따른 가격 또한 현재의 가격 대비 현저히 낮아질 것으로 기대된다.

끝으로, 나노슬래그와 알칼리 자극제를 활용한 비소성 시멘트 콘크리트를 보다 폭넓게 적용하기 위해서는 나노슬래그에 대한 표준화 추진이 반드시 수반되어야 하겠다. 아울러, 본 연구의 실용화에 대한 추가적인 연구를 통하여 국제 공동연구로 확대·발전시켜 나갈 필요가 있겠다.