2.1 사용재료

본 연구에서 CEC 제조에 사용된 재료는 제강 슬래그 중 전기로 아크에서 생성된 부산물인 전기로 슬래그를 활용하였다. 전기로 산화 슬래그(Electric Arc Furnace Oxidizing Slag, EOS)를 잔골재로 활용하였으며, 전기로 환원 슬래그(Electric Arc Furnace Reducing Slag, ERS)는 결합재로 활용되었다. 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트로서 비표면적 3,660 cm²/g이며, ERS는 비표면적 1,610 cm²/g으로 CEC의 결합재로서 사용되었다. 시멘트와 슬래그 재료의 화학 성분 표는 Table 1과 같다. 탄산화된 콘크리는 생석회(CaO)와 CO₂의 반응생성물인 탄산칼슘(CaCO₃)의 생성으로 인해 조기 강도 증진에 기여한다(Wang et al., 2017). 탄산화 반응에 가장 중요한 역할을 하는 생석회(CaO) 함량은 시멘트의 경우 63.0%이며, ERS의 생석회(CaO) 함량은 39.3%이다. EOS를 잔골재로 활용할 경우 팽창성 평가를 수행하여야 하며, 염기도(CaO/SiO2)가 2.0을 초과할 경우 콘크리트의 길이 변화율이 크게 증가하는 것으로 평가된다(Lee et al., 2011). 본 연구에서 사용된 EOS의 염기도는 1.3으로 팽창성에 대한 가능성이 낮은 것을 확인할 수 있다. EOS와 일반잔골재의 비중은 각각 3.57 g/cm³, 2.60 g/cm³이며, 굵은 골재는 19 mm 이하의 골재를 사용하였다. 바인더와 골재의 입도 분포는 Fig. 1과 같으며, 각각 KSA ISO 13320 (KATS, 2022a)와 KS F 2502 (KATS, 2019b)의 시험 기준에 따라 입도분포를 측정하였다. 일반모래(Sand)와 EOS의 조립률은 각각 2.99과 3.05로 이론적인 최소 최대 조립률 범위를 만족한다.

Table 1

Chemical Proporties of Materials

Fig. 1

Particle Size Distribution of Binders and Aggregates

2.2 실험계획

본 연구에서 사용된 콘크리트 배합 상세는 Table 2와 같으며, 일반 콘크리트(Ordinary Portland Cement Concrete, OPC)와 CEC로 구분할 수 있다. 한편, 물-바인더(w/b) 비가 증가할수록 탄산화 깊이는 증가하지만 0.5를 초과하면 시멘트의 함량이 줄기 때문에 오히려 C₃S와 β-C₂S 등과 같은 광물반응물의 함량이 감소된다(Wang et al., 2019). 이를 참조하여 OPC 및 CEC 모두 물-바인더 비는 0.5, 잔골재율은 부피분율 0.49, ERS는 총 바인더 부피 30%의 대체율을 적용하였다. Fig. 2는 본 연구에 대한 플로우 차트이다. 전기로 슬래그가 혼입된 CEC 배합의 재료 실험을 수행하였으며, 이후 탄산화 양생을 적용한 CEC의 역학적 특성을 평가하였다. 탄산화 양생 조건에는 압력과 온도의 변화에 따른 효과를 각각 평가하여 반응표면법을 통해 최적의 탄산화 조건을 도출하였다. 최적 탄산화 양생을 적용한 콘크리트의 역학적 특성과 SEM 이미지분석, 열중량 분석과 내구성 실험을 수행하였으며, 내구성 실험은 일반 양생 콘크리트와 탄산화 양생 콘크리트, OPC와 CEC의 성능을 비교 분석하였다.

Table 2

Mixture Proportion of Concrete

Fig. 2

Flow Chart of Research Plan

2.3 배합 및 재료실험

OPC와 CEC의 콘크리트 배합은 유동성 확보를 위해 ‘D’사의 고성능 감수제(Superplasticizer, SP)인 ‘3000E’ 제품을 사용하였으며, OPC와 CEC 모두 Binder 중량의 0.3%에 해당하는 고성능 감수제를 사용하였다. 재료실험으로는 OPC와 CEC는 콘크리트의 배합 과정에서 굳지 않은 콘크리트 실험인 공기량 시험(KS F 2421 (KATS, 2016)), 슬럼프 시험(KS F 2402 (KATS, 2022b)과 관입 저항에 의한 응결 시간을 측정하는 시험인 응결 시험(KS F 2436 (KATS, 2017))을 각 실험 기준에 따라 수행하였다. 응결 시험은 콘크리트 배합 이후 체로 쳐서 얻은 모르타르를 원주형 시험체(직경 150 mm, 높이 150 mm)로 제작하여 온도 20 ℃, 상대습도 65%의 항온 항습 챔버에 보관하였다. 관입 저항 측정값이 3.5 MPa, 28.0 MPa이 될 때의 시간을 각각 초결 및 종결 시간으로 결정하였으며, OPC와 CEC의 초결 및 종결 시간을 비교 분석하였다. 실험 결과를 통한 회귀분석으로 침투저항-시간 그래프를 도출하였으며, 회귀분석식은 Eq. (1)과 같다.

여기서, PR 은 관입 저항값, t 는 경과 시간, a,b 는 회귀 상수를 의미한다.

2.4 탄산화 양생

콘크리트의 탄산화 양생은 고온, 가압 조절이 가능한 탄산화 양생 챔버를 이용하였다. 챔버의 형태는 Fig. 3과 같으며, 양생기의 가장 아랫 부분에 물이 채워져있는 습식형태이다. 콘크리트의 탄산화 양생 효과를 평가하기 위한 변수는 챔버 내부의 압력과 온도 변수이며, 그 외의 변수 CO₂의 농도는 99%, 양생 시간은 24시간으로 고정하였다. 콘크리트의 탄산화도는 시간이 증가할수록 증가 속도가 점차 감소하기 때문에 24시간 이후로는 매우 미미하게 CO₂가 흡수가 된다는 점을 고려하여 압력변수는 2, 5, 8 bar, 온도변수는 20, 50, 80 ℃로 변수를 설정하였다(Zhang et al., 2016). 콘크리트의 증기 양생 시 온도가 80 ℃를 초과하면 잠재균열이 생성되어 내구성에 부정적인 영향을 일으킬 수 있다(Zeyad et al., 2022).

Fig. 3

Accelerated Carbon Dioxide Curing Chamber

따라서 최대 온도 변수를 80 ℃까지 설정하였으며 최적의 탄산화 양생 조건을 도출하기 위해 독립 변수 간의 관계를 모델링하고 최적의 변수를 도출하기 위한 방법론 중 하나인 반응표면법(Response Surface Methodology, RSM)을 적용하였다. RSM은 시멘트 기반 실험에서 작업성과 비용, 환경 영향을 개선하기 위해 사용되어 왔다(Li et al., 2021). RSM에서 자주 사용되는 실험 설계 중 하나인 면중심합성설계(Central Composite Design, CCD)를 활용하여 코드화된 변수와 코드화 되지 않은 변수의 상세는 Table 3과 같으며 총 9개의 변수에 대한 탄산화 양생 조건을 적용하여 CEC의 역학적 특성을 분석하였으며, 압축강도 및 탄산화 깊이는 각각 ASTM C39 (2007) 및 KS F 2596 (KATS, 2019a)에 의거하여 측정하였다.

Table 3

Carbon Dioxide Curing Conditions Used in the CCD

2.5 내구성 실험

최적의 탄산화 양생 조건을 적용한 콘크리트의 내구성을 평가하기 위해 내마모 저항 시험과, 염화물 이온 침투 저항 시험을 수행하였다. 내구성 시험을 위한 변수는 총 4가지이며, 콘크리트의 변수에 대한 상세는 Table 4와 같다. 일반 기건 양생을 거친 일반 콘크리트의 경우 Non-carbonated OPC (NC-OPC), 최적의 탄산화 양생 조건을 적용한 일반 콘크리트의 경우 Carbonated OPC (C-OPC), 일반 기건 양생을 거친 CEC는 Non-carbonated CEC (NC-CEC)이며, 최적의 탄산화 양생 조건을 적용한 CEC는 Carbonated CEC (C-CEC)으로 변수를 설정하였다.

Table 4

Variables for Durability Test

2.5.1 내마모 저항 시험

콘크리트 표면의 내마모 저항 시험은 ASTM C779 (ASTM C 779/C779M, 2019).의 B절차에 따라 시험을 진행하였다. 300 × 300 × 100 mm³의 콘크리트 시편을 제작하였으며, 탄산화로 인한 조기 성능을 평가하기 위해 재령 3일에서의 내마모 저항 성능을 수행하였다. 시험의 세팅은 Fig. 4와 같다. 초기 드레싱 휠과 콘크리트 표면이 접촉했을 때 손으로 2바퀴 돌린 후, 최종 마모 깊이를 측정할 3 포인트를 지정하였으며 최소 눈금이 0.01 mm인 디지매틱 깊이 게이지(Digimetic Depth Gauge)를 이용해 초기 마모 깊이를 측정하고, 15분간 총 4번의 마모 사이클을 작동시켰다. 각 사이클마다 마모 깊이를 측정하고 최종 마모 깊이를 기록하였다.

Fig. 4

Abrasion Resistance Test Setup

2.5.2 염화물 이온 침투 저항 시험

콘크리트의 염화물 이온 침투 저항 시험은 ‘V’사의 정밀형 전원공급장치를 활용해 ASTM C 1202 (2022) 기준에 따라 시험을 진행하였다. 시험 기준에서 요구하는 시편의 사이즈에 의거하여 원주형 시험체(직경 100 mm, 높이 200 mm)를 제작한 후 시편 중앙의 50 mm만 남겨 절단하여 사용하였다. 시험을 진행하기에 앞서 시험체의 측면은 침투된 염화물의 양을 정확하게 측정하고 표면을 보호하기 위해 고성능 내수성 에폭시로 코팅하였으며, 공기 중에서 경화되도록 하였다. 염화물 이온 침투 저항 시험을 위한 콘크리트 시편은 재령 3일, 28일로 두 번에 거쳐 실험을 수행하였다. Fig. 5와 같이 세팅이 끝난 시험체는 전압을 걸어 30분 간격으로 기록하고 총 6시간동안 전하량을 측정하였다. 재령 3일의 콘크리트 시편은 30 V의 전압을, 재령 28일의 콘크리트는 60 V의 전압을 적용하여 실험을 수행하였으며 기록한 전류를 통한 최종 통과된 전하량은 Eq. (2)과 같이 계산하였다.

Fig. 5

Chloride Ion Penetration Resistance Test Setup

(2)Q=900(I0+2I30+...+2I330+I360)

여기서, Q 는 통과 전하량(Coulombs), I₀ 는 전압을 가했을 때 초기 전하량, I_t 는 t분에 계측된 전하량을 의미한다.

3.1 재료실험 결과 및 분석

Table 5는 굳지 않은 콘크리트 시험 결과와 응결시험의 초결 및 종결 시간과 회귀 분석의 상수 값을 포함하고 있다. OPC와 CEC의 공기량은 각각 3.0%, 3.5%이며, 슬럼프 수치는 160 mm, 150 mm가 측정되었다. 실험 결과를 통한 회귀 분석에 따르면 관입 저항-시간의 곡선 그래프 Fig. 6과 같다. OPC와 비교했을 때 CEC의 초결 및 종결 시간은 각각 18.8%, 7.0%가 단축되었다. 이는 전기로 환원 슬래그가 급격 특성을 가지는 C₃A (3CaO⋅Al₂O₃) 성분을 다량 함유하고 있기 때문이다(Choi et al., 2014).

Table 5

Intial/Final Setting Time Value

Fig. 6

Relationship between of Penetration Resistance and Elapsed Time

3.2 양생 조건에 따른 압축강도 및 탄산화 깊이

Table 6은 최적화 도출을 위한 9개의 변수에 대한 3일 재령 콘크리트의 압축강도와 탄산화 깊이의 측정 결과이다. 탄산화 양생은 온도가 상승할수록 CO₂ 확산이 촉진되어 콘크리트의 기계적 특성을 향상시킨다는 평가가 있으며, 압력 변수는 0.5 bar에서 1.5 bar로 향상되었을 때 제강 슬래그 블록의 강도가 크게 증가(Humbert and Castro-Gomes, 2020)하였으며, 압력의 증가는 CO₂ 확산에 에 중요한 역할을 하지만 연구마다 각기 다른 경향을 보여주고 있어 이러한 메커니즘을 이해하기 위해 콘크리트 배합과 온도와의 영향에 대한 보다 자세한 연구가 필요하다. 일반 기건 양생을 적용한 CEC의 3일 압축강도는 16.47 MPa이며, 모든 탄산화 양생 조건은 일반 기건 양생 보다 높은 압축강도를 나타났다. 5 bar, 80 ℃의 조건에서 가장 높은 압축강도 36.09 MPa, 탄산화 깊이 15.86 mm가 도출되었으며, 모든 압력 변수에서 80 ℃의 온도를 적용할 경우 가장 높은 압축 강도가 나타났다. 실험 결과를 통해서 탄산화 깊이는 탄산화 양생 시 압력 보다 온도 변화가 더 지배적인 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었으며, 낮은 온도에서는 압력을 높여도 압축강도가 크게 증가하지 않았지만 높은 온도가 동반되었을 때 CO₂ 확산을 촉진시키므로 압력 증가에 따른 압축강도가 증가하였다. 하지만 8 bar의 압력에서는 5 bar 대비 압축강도 및 탄산화 깊이가 감소하였으며, 이는 CO₂가 높은 압력 조건에서는 콘크리트 표면에 광범위한 탄산칼슘(CaCO₃)를 촉진시켜 오히려 내부까지 침투할 수 있는 기공을 막아 확산이 불가능하기 때문인 것으로 판단된다(Zhong et al., 2021).

Table 6

Test Results of CEC from Carbon Dioxide Curing Conditions

3.3 최적 양생 조건 도출

최적화 양생 신뢰도 분석을 위해 9개의 변수를 활용하여 최적의 양생 조건을 도출하고자 하였다. CCD를 통한 압력과 온도 변수에 따른 예측 압축강도 회귀식은 Eq. (3)와 같다. Eq. (3)에서 변수인 P과 T는 양의 부호를 갖고 있기 때문에 압축강도 증가에 기여하는 비례적인 관계를 갖는 것으로 해석할 수 있다. Table 7은 예측 회귀식에 대한 분산 분석을 나타낸다. p value는 0.05 이하일 경우 유의한 영향을 기여한 것으로 해석(Raga Sudha and Muthadhi, 2024)되며, 제곱값(Square)에 대한 변수와 두 변수간의 상호작용효과(2-way interatction)는 유의한 영향을 주지 않으며. 모델식(Model)에 대한 평가는 0.002로 유의한 것으로 해석된다.

Table 7

Result from ANOVA Analysis for the Compressive Strength (MPa)

여기서, P는 압력(bar), T는 온도(℃)를 의미한다.

Fig. 7은 RSM을 통한 압력과 온도에 따른 등고선도이다. 등고선도를 통해 압력과 온도 지점에 따른 압축강도의 범위를 나타내고 있으며, 최대 압축강도를 갖는 부분의 압력과 온도 즉, 최적의 양생 압력과 온도는 각각 6.7 bar, 80 ℃가 도출되었다.

Fig. 7

Contour Plot of CEC vs Pressure and Temperature

3.4 최적 양생 조건에 따른 강도 개선 평가

3.3에서 도출된 최적의 탄산화 양생 조건인 6.7 bar, 80 ℃가 적용된 CEC와 일반 기건 양생이 적용된 OPC의 재령별 압축 강도 비교 결과는 Fig. 8과 같다. 일반 기건 양생을 거친 OPC는 3일 강도 20.40 MPa, 14일 강도 25.08 MPa, 28일 35.94 MPa이 나타났으며, 재령 일 증가에 따라 천천히 강도가 증가되었지만 최적의 탄산화양생을 거친 CEC의 3일 강도는 OPC의 28일 강도 보다 높은 37.67 MPa이 나타났으며, 탄산화 깊이는 17.99 mm가 나타났다.

Fig. 8

Comparison of the Compressive Strength of Normal Cured OPC and Carbonated CEC

3.5 SEM 이미지 분석 결과

Fig. 9는 양생 기건 양생을 거친 CEC와 최적 탄산화 양생을 거친 CEC 표면의 SEM 이미지이다. 일반 기건 양생을 거친 CEC는 뾰족한 형태의 Ettringite와 덤불 형태의 C-S-H 겔이 주로 발견되었으며, 탄산화 양생을 거친 CEC는 일반 기건 양생과 달리 다면체의 CaCO₃이 주로 형성된 것이 확인되었다. CO₂ 흡수로 생성된 방해석은 더 많은 반응 생성물의 성장을 가속화하는 중심 역할을 하며, 공극이 조밀해진 것이 압축강도 증진의 원인으로 판단된다(Qian et al., 2018).

Fig. 9

SEM Image of CEC

3.6 열중량 분석 결과

탄산화 양생을 통해 발생하는 생성물을 확인하기 위해 일반 기건 양생과 탄산화 양생을 거친 CEC의 표면의 열중량 분석을 수행하였다. Fig. 10은 열중량감소 비율(Thermogravimetric, TG)과 TG를 미분한 그래프(Derivative thermogravimetric, DTG)를 나타내며, DTG의 피크를 통해 해당 온도에서 분해된 생성물을 확인할 수 있다. 일반 기건 양생을 거친 CEC는 약 100 ℃에서 첫 번째 피크를 나타내며, 이는 C-S-H 겔과 Ettringite 분해에 해당된다. 약 450 ℃에서의 두 번째 피크는 수화생성물인 수산화칼슘(Ca (OH)₂)의 분해로 인한 중량 감소를 나타낸다. 그리고 약 650 ℃에서의 피크는 탄산칼슘 분해로 인한 중량 감소를 나타내며, 탄산화 양생을 거친 CEC는 C-S-H 겔, Ettringite와 Ca (OH)₂의 생성물은 미미하지만 CO₂ 흡수로 인해 생성된 CaCO₃의 분해로 인한 피크는 매우 높게 나타났으며, 총 중량 감소 또한 약 7% 더 감소하여 탄산화 양생을 통해 더 많은 반응 생성물이 분해된 것을 알 수 있다.

Fig. 10

Thermogravimetric Analysis of CEC

3.7 내마모 저항 시험

Fig. 11은 네 변수에 대한 최종 마모 깊이의 그래프를 나타낸다. 초기 15분 마모 시험의 마모 깊이는 4변수가 크게 차이가 나지 않지만 이후 최종 사이클을 거친 최종 마모깊이의 격차는 점차 커진 것을 확인할 수 있다. 이는 CEC에 포함된 EOS가 높은 경도를 가지고 있기 때문에 잔골재 노출 이후의 마모 깊이가 점차 감소한 것을 알 수 있다(Lam et al., 2018).

Fig. 11

Results of Abrasion Resistance Test

탄산화 하지 않은 NC-OPC의 경우 1.12 mm의 최종 마모 깊이가 기록되었으며, 탄산화 이후 C-OPC의 최종 마모 깊이는 0.74 mm로 탄산화 이후 34%가 감소하였다. 탄산화 하지 않은 NC-CEC의 경우 0.90 mm의 최종 마모 깊이를 기록하였으며, 탄산화 이후 C-CEC의 최종 마모 깊이는 0.57 mm로 탄산화 이후 37%가 감소하였다. 네 변수의 시편 모두 국내 도로 공사에서 요구하는 콘크리트 포장의 마모 깊이 2 mm 이하 규정에 만족하는 결과가 도출되었다. Fig. 12는 4번의 마모 사이클을 통한 최종 표면의 형태를 보여준다. NC-OPC와, C-OPC의 경우 페이스트와 골재간의 점착력이 충분하지 않기 때문에 잔골재 미끌림 현상으로 인한 거친 형태의 표면을 나타내며, 그와 반대로 탄산화 양생을 적용한 C-OPC와 C-CEC의 경우 표면 경화로 인해 페이스트와 골재간의 높은 점착력을 갖기 때문에 보다 매끈한 형태의 표면을 나타낸다.

Fig. 12

Surface Morphology Concrete Specimens after 4 Cycles Abrasion Resistance Test

3.8 염화물 이온 침투 저항 시험

Fig. 13은 염화물 이온 침투 저항 시험 결과 및 Eq. (2)에 따른 3일 재령과 28일 재령 시험체의 통과된 전하량을 보여준다. 3일 재령의 시험체는 내부의 기공률이 높아 장비의 암페어 한계를 초과하지 않도록 ASTM C1202 (2022)의 기준보다 감소한 30 V의 전압을 적용하였으며, 28일 재령의 콘크리트는 ASTM C1202 (2022)에서 규정하고 있는 60 V의 전압을 적용하였다. 재령 3일에서의 결과를 보면 CEC는 높은 Fe₂O₃ 함량의 EOS 혼입으로 인해 전기전도성이 증가한 결과 실험초기에 높은 전하량이 나타났음(Özalp, 2022)에도 불구하고 CEC의 최종 통과된 전하량은 OPC보다 낮게 기록되었으며, OPC는 탄산화 이후 약 26%, CEC는 탄산화 이후 약 32%의 최종 전하량이 감소하였다. 이는 탄산화 양생으로 인한 CEC의 내부 기공률이 감소하면서 염화물 이온 침투 저항성능이 OPC 대비 더 증가한 것으로 나타난다. 또한 28일 재령 시험체의 통과된 전하량은 OPC의 경우 약 44%, CEC의 경우 탄산화 이후 39%가 감소하여 3일 재령과 비교하여 약 13% 더 감소하였다. 이는 초기 탄산화 양생 후 형성된 CaCO₃가 핵형성의 중심 역할을 하며, 후속 수화로 인한 추가 C-S-H 겔을 생성하여 다공성을 감소시키기 때문이다(Sharma and Goyal, 2022). 재령 28일에서는 조기 탄산화 이후 CaO 함량이 큰 OPC의 후속 수화로 인한 더 많은 반응물 생성으로 염화물 침투 이온 저항 성능이 CEC 대비 더 증가한 것으로 나타났다. 재령 28일의 시험체는 ASTM C1202 (2022)을 통해서 염화물 이온 침투성 등급이 산정되었다. 4,000 coulombs 이상을 기록한 NC-OPC와 NC-CEC는 ‘High’에 해당하는 염화물 이온 침투성이며, C-OPC와 C-CEC의 경우 2,000-4,000 coulombs이며, ‘Moderate’에 해당하는 염화물 이온 침투성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13

Reults of Chloride Ion Penetration Resistance Test