콘크리트 혼화재 - 고로 슬래그, 플라이 애시, 실리카 퓸

콘크리트 등에 특별한 성질을 주기 위해 반죽 혼합 또는 반죽 혼합 중에 가해지는 시멘트, 물, 골재, 섬유질재 이외의 재료를 총칭해서 혼화 재료(Admixture)라고 합니다. 혼화 재료에 대한 자세한 설명은 다음을 참고하시기 바랍니다.

■ 콘크리트의 혼화제(Chemical admixture) - AE제(공기연행제)
■ 콘크리트의 혼화제(Chemical admixture) - 감수제

여기서는 혼화 재료 중 사용량이 비교적 많은 혼화재(Mineral admixture)에 대해 살펴보겠습니다.

 

포졸란 특성

고로 슬래그, 풀라이 애시, 실리카 퓸은 모두 고온 상태의 실리카질(SiO₂)을 냉각시켜서 제조하는데, 이 활성 실리카는 포졸란 특성이 있습니다. 포졸란 특성(Pozzolan reaction/ Property)은 그 자체에 수경성은 거의 없으나 포틀랜드 시멘트의 수화 생성물인 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 화합물을 만드는 특성을 말합니다.

활성 실리카는 물과 섞여도 그 상태로는 반응을 하지 않습니다. 활성 실리카가 반응을 하려면 수산화칼슘이 있어야만 합니다. 즉 실리카 + 물 + 수산화칼슘, 이렇게 섞으면 반응을 하고 물에 녹지 않는 불용성 화합물을 만들어 냅니다. 화학식으로 간단히 표시하면 이렇게 됩니다.

2S + 3CH → C₃S₂H₃

※ 시멘트의 화학성분은 보통 약자로 나타냅니다. CaO → C, SiO₂ → S, Al₂O₃ → A, Fe₂O₃ → F로 나타내는데 C₃A라고 하면 3CaO·Al₂O₃를 의미합니다.

시멘트가 물과 만나 수화반응을 하면 강도를 발현하는 규산칼슘수화물 뿐 아니라 수산화칼슘도 만들어집니다.

■ 시멘트의 수화반응(Hydration)

따라서 시멘트를 조금 덜어내고 고로 슬래그를 섞어서 쓴다면 고로 슬래그는 반응을 하지 않습니다. 그런데 시멘트가 수화반응을 하면서 점점 수산화칼슘의 양이 많아지면 고로 슬래그가 반응을 하게 됩니다. 그래서 고로 슬래그나 플라이 애시를 섞어서 쓰면 초기보다는 을 보이게 됩니다. 실리카 퓸은 입자가 매우 작아서 초기부터 반응을 하는 특성이 있습니다.

위 그림을 보시면 보통포틀랜드 시멘트는 수화반응이 진행되면서 점점 수산화칼슘 양이 많아지는 것을 볼 수 있습니다. 그런데 고로 슬래그를 첨가한 시멘트의 경우 이 수산화칼슘과 반응을 해서 불용성 화합물을 형성하기 때문에 수산화칼슘 양이 줄어드는 것을 볼 수 있습니다.

다음 표는 혼화재의 특성을 정리한 것입니다. 대부분 활성 실리카로 구성되어 있습니다. 실리카 퓸의 입자 크기가 매우 작다는 것과 플라이 애시의 입자 형태가 구형이라는 점을 잘 기억해 두시기 바랍니다.

 

고로 슬래그

고로 슬래그는 용광로 방식의 제철 작업에서 나오는 부산물입니다. 원료인 철광석에서 선철을 뽑아내려면 용광로에 연료인 코크스와 석회석을 철광석과 함께 번갈아 쌓은 후 열풍을 불어넣어 고온으로 녹여서 뽑아냅니다. 이렇게 선철을 뽑아내고 나면 슬래그가 남게 되는데 이 용융상태의 고온 슬래그를 물, 공기 등으로 냉각시켜 입상화한 것이 고로 슬래그 입니다.

고로 슬래그는 선철 1톤 당 약 200kg∼350kg 정도의 고로 슬래그가 만들어집니다. 냉각 방법에 따라 고로 슬래그의 결정상태나 품질이 달라지는데 KS 기준과 관련해서는 다음을 참고하시기 바랍니다.

■ 고로 슬래그 시멘트

이 고로 슬래그는 포졸란 특성(잠재수경성)이 있기 때문에 초기에는 강도 발현이 완만하지만 장기강도가 크게 나타납니다. 따라서 수화반응에 따른 수화열의 발생속도를 늦출 수 있습니다. 수화열이 문제가 되는 매스콘크리트에 적용할 수 있습니다.

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이 외에도 포졸란 특성으로 콘크리트의 공극을 메워주는 공극충진효과가 좋아서 수밀성이 높은 콘크리트를 제조할 수 있습니다.

또 염소이온 등이 콘크리트에 침투하는 것을 막아주는 효과가 있어 해수 및 황산염에 대한 화학적 저항성을 높일 수 있습니다.

이와 같은 효과는 고로 슬래그의 미분말의 분말도, 사용량, 석고 첨가의 유무, 사용하는 시멘트의 성질, 및 단위결합재량 등에 따라 많은 차이를 보이게 됩니다. 또 온도에 민감하기 때문에 저온에서 보호하는 등 정성들여 시공하는 것이 필요합니다.

 

플라이 애시

플라이 애시(Fly ash)는 화력발전소 등에서 미분탄을 사용한 보일러를 사용할 때 걸러내는 것인데, 연소 배기 가스 중에 포함된 미세한 석탄재를 집진기로 포집한 것입니다. 플라이 애시의 품질은 미분탄의 품질, 보일러의 연소 방법, 포집 방법에 따라 달라집니다.

플라이 애시도 포졸란 특성이 있기 때문에 수화열로 인한 온도 상승을 낮출 수 있고, 장기 재령의 강도가 커지는 특징이 있습니다.

플라이 애시는 입자가 구형이기 때문에 콘크리트의 워커빌리티를 높이는 효과가 있습니다. 유동성이 증가하기 때문에 단위수량을 줄일 수 있고 워커빌리티가 좋아집니다.

그 외에서 수밀성이나 화학적 침식에 대한 내구성을 개선시키고 알칼리골재 반응을 억제하는 효과도 있습니다.

실리카 퓸

실리카 퓸(Silica fume)도 플라이 애시와 비슷한 배기 가스의 일종입니다. 실리콘이나 페로 실리콘 등의 규소 합금을 전기로에서 제조할 때 나오는 배출 가스에 섞여 부유하여 발생하는 초미립자 부산물을 포집한 것입니다.

이 실리카 퓸은 담배 연기 정도의 매우 미세한 초미립자입니다. 입경이 1㎛ 이하이고 평균 입경이 0.1㎛ 정도입니다. 따라서 수화반응 초기부터 포졸란 반응을 하게 됩니다. 초미립자인데다 초기부터 반응을 하게 되면 워커빌리티가 나빠지기 때문에 시멘트 입자 사이에 분산되도록 고성능 감수제를 같이 쓸 수도 있습니다.

실리카 퓸을 사용하면 재료분리가 잘 되지 않고 블리딩이 적으며, 미세한 입자가 공극을 채우기 때문에 강도가 현저하게 증가하게 됩니다. 따라서 고강도, 고내구성 콘크리트를 효과적으로 만들 수 있습니다.

혼화 재료에 대한 내용들입니다.

■ 콘크리트의 혼화제 - AE제(공기연행제)

■ 콘크리트의 혼화제 - 감수제

 

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