1. 서 론
최근 전세계적으로 기후변화로 인한 이상기후 현상이 심화되고 있으며, 이를 완화하기 위해 탄소 중립 혹은 탄소 저감 기술이 주목받고 있다. 2018년 기준 부문별 온실가스 배출량을 살펴보면, 산업 부문은 대한민국 전체 배출량의 약 36%를 차지하며, 이 중 시멘트와 철강 분야의 배출량은 각각 13%, 39%로 보고되고 있다(Kim and Kim, 2021). 즉, 시멘트와 철강 분야는 대한민국 온실가스 배출량의 약 18%를 차지함을 의미하며, 이는 시멘트와 철강을 기본적으로 활용하는 콘크리트 분야에서도 온실가스 감축 노력이 요구됨을 시사한다. 일반적으로 초고성능 콘크리트(Ultra-high-performance concrete, UHPC)는 시멘트와 실리카퓸 등의 결합재와 충전재 및 골재로 구성된다. UHPC 구성 재료의 내재 탄소(Embodied CO2)를 비교해보면, 시멘트는 다른 구성 재료에 비해 높은 내재 탄소(0.8 kg CO2/kg)를 지니고 있다(Lande and Thorstensen, 2023). UHPC를 제조하는데 평균적으로 약 800 kg/m3의 시멘트가 사용되는 점을 고려했을 때, 시멘트가 차지하는 비율은 약 82%임을 알 수 있다(Yu et al., 2015; Amran et al., 2022). 이러한 배경에 따라 국내외에서는 온실가스 배출량을 효과적으로 제어하기 위해 시멘트를 사용하지 않는 무시멘트 콘크리트(Cementless concrete) 기술을 주목하고 있다.
무시멘트 콘크리트는 포틀랜드 시멘트 대신 산업부산물을 결합재로 활용하며, 대표적인 전구체는 고로슬래그, 실리카퓸, 플라이애시이다. 이러한 전구체는 알칼리 활성화제에 의해 용출 반응이 발생하며, 알칼리 활성화제 종류에 따라 반응 생성물이 변화한다. 콘크리트 분야에서는 높은 pH를 가진 나트륨 계열의 알칼리 활성화제가 주로 활용되고 있으나, 이는 시공성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. Nedunuri and Muhammad (2021)은 물-결합재비를 0.40으로 고정하고 고로슬래그 및 플라이애시를 결합재로, 수산화나트륨과 규산나트륨을 알칼리 활성화제로 적용하여 응결 특성을 비교하였다. 시멘트가 결합재로 적용된 대조군 시험체의 초결(Initial setting)은 410분으로 측정된 반면, 무시멘트 콘크리트의 초결은 125분으로 최소 70% 단축되었다. 또한, Zhang et al. (2022)도 수산화나트륨과 규산나트륨을 알칼리 활성화제로 적용하여 물-결합재비 0.28-0.32 범위에서 무시멘트 콘크리트를 제조하였지만, 무시멘트 콘크리트의 종결(Final setting)은 모두 30분 이내로 발생하며 급결(Rapid setting) 특성을 보여주었다. 상기의 분석을 통해 무시멘트 콘크리트의 내부 구조를 밀실하게 설계할수록 급결 특성이 두드러지는 것을 알 수 있으며, 이는 무시멘트 콘크리트에 적용되는 알칼리 활성화제의 종류 변화가 요구됨을 의미한다.
이에 따라 본 연구에서는 기존 무시멘트 콘크리트에 적용되는 나트륨 계열의 알칼리 활성화제 대신 칼슘 계열의 수산화칼슘을 알칼리 활성화제로 적용하는 방안을 모색하였다. 수산화칼슘은 비교적 완만한 용출 환경을 제공하여 1차적으로 C-(A)-S-H를 형성하고, 실리카퓸과의 포졸란 반응을 통해 추가적인 C-(A)-S-H를 생성함으로써 미세구조를 개선시킬 수 있다(Oh et al., 2025). 이러한 메커니즘은 기존의 UHPC 설계와 유사하기 때문에 실험 변수로는 고로슬래그 대비 실리카퓸의 치환율 및 양생 조건을 설정하였으며, 무시멘트 콘크리트의 작업성 및 시공성, 역학적 특성을 비교하기 위해 슬럼프 플로, 응결 시간, 압축강도 및 휨강도를 측정하였다. 본 연구는 초고강도 무시멘트 콘크리트(Ultra-high-strength cementless concrete, UHSCC)를 개발하기 위한 기초 연구로, 향후 프리캐스트 콘크리트 산업에 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 배합 및 사용재료
본 연구에서는 내재 탄소를 획기적으로 저감하기 위해 시멘트를 고로슬래그로 100% 치환하였다. 고로슬래그, 실리카퓸, 수산화칼슘 미분말은 결합재로 사용되었으며, 예비 실험 결과를 기반으로 수산화칼슘의 비율은 결합재의 7%로 고정하였다. 고로슬래그 대비 실리카퓸의 치환율은 3종(0%, 10%, 20%)으로 설정하였으며, 각각의 배합은 SF0, SF10, SF20으로 명명하였다. 무시멘트 콘크리트의 작업성 및 유동성을 확보하기 위해 모든 배합에 동일한 양의 고성능감수제를 혼입하였으며, 취성 특성을 방지하고자 2%의 강섬유를 동일하게 적용하였다. Table 1은 본 연구에서 활용한 무시멘트 콘크리트 배합의 상세를 정리한 것이며, 결합재의 주사전자현미경(Scanning electron microscopes, SEM) 사진은 Fig. 1에 나타나 있다.
Table 1
Mixture Proportions of Cementless Concrete by Binder Weight
| Mixture ID | GGBFS | SF | CH | SS | SP | W | HRWRA | STF (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SF0 | 0.93 | - | 0.07 | 0.80 | 0.22 | 0.16 | 0.05 | 2.0 |
| SF10 | 0.85 | 0.08 | ||||||
| SF20 | 0.78 | 0.16 |
Table 2는 본 연구에서 활용한 고로슬래그 및 실리카퓸의 화학적 구성 성분을 나타낸 것이다. 3종 고로슬래그 미분말(국내 M사)의 주요 산화물은 CaO, SiO2, Al2O3로 확인되었으며, 이들은 각각 43.1%, 30.2%, 16.2% 함유된 것으로 측정되었다. 실리카퓸(국외 E사)은 SiO2를 95.0% 이상 함유한 고순도의 재료로, 2.34 g/cm3의 밀도를 갖는다. 백색의 수산화칼슘 미분말은 국내 S사의 제품을 활용하였으며, 밀도와 평균 입도는 각각 2.22 g/cm3, 102 μm로 측정되었다. Fig. 2는 결합재의 입도 크기를 비교한 것이며, 본 연구에서 활용된 모든 결합재는 입도 분포가 유사한 것으로 나타났다. 이는 무시멘트 콘크리트 내에서 균질한 혼합성을 유도할 수 있음을 간접적으로 의미한다. 충전재와 골재로는 SiO2가 모두 99.0% 이상 함유된 실리카 파우더와 실리카 샌드의 혼입만을 고려하였으며, 각각의 밀도는 2.70 g/cm3, 2.65 g/cm3로 측정되었다. 약 30%의 고형분 함량을 갖는 폴리카르본산계 고성능감수제(국내 D사)는 배합의 유동성을 확보하기 위해 적용되었다. 또한, 무시멘트 콘크리트의 취성을 방지하고 연성을 개선하기 위해 국내 D사의 직경 0.2 mm, 길이 19 mm를 갖는 직선형 강섬유를 활용하였다.
2.2 시험체 제작
무시멘트 콘크리트는 20 L의 최대 용량을 갖는 호버트(Hobart) 타입의 믹서를 활용하여 배합하였다. 먼저 각 재료의 균질한 분산성을 확보하기 위해 분체(결합재, 충전재 및 골재)를 믹서에 동시에 혼입하였으며, 저속 상태에서 3분간 건비빔을 실시하였다. 이후 고성능감수제를 미리 혼합한 배합수를 믹서에 투입하였으며, 7분동안 비빔을 지속하였다. 이후 배합이 충분히 풀어진 것을 확인한 후에 강섬유를 혼입하여 2분동안 비빔을 유지하였다. 제조된 무시멘트 콘크리트는 유동성 평가 후 각각의 시험체용 거푸집에 타설하였다. 타설된 시험체는 대기 조건에서 72시간동안 양생을 거친 후 거푸집을 탈형하였다. 여기서, 탈형된 시험체는 세 가지 조건으로 구분하여 양생을 진행하였다. 먼저 1/3은 측정 재령일까지 기건양생을 유지하였으며, 1/3은 90 ℃의 고온에서 72시간동안 증기양생을 거친후 대기 중에 노출시켰다. 마지막으로 남은 시험체는 90 ℃의 고온에서 72시간동안 수중양생을 적용시킨 후 측정 재령일까지 기건양생을 유지하였다.
2.3 실험방법
무시멘트 콘크리트의 유동성은 ASTM C1437 (2020)을 준용하여 슬럼프 플로 실험을 통해 평가하였다. 평평한 유리판 위에 슬럼프 콘을 거치한 후, 다짐 과정을 생략하고 거푸집 내부에 무시멘트 콘크리트를 채웠다. 이후 거푸집을 천천히 수직 방향으로 들어 콘크리트가 자연스럽게 퍼지도록 하였으며, 흐름이 정지하고 형태가 안정된 시점에서 서로 직교하는 두 직경을 측정하여 유동성을 비교하였다. 응결 특성은 ASTM C191 (2021)에 의거하여 자동 비카트 장치(Automatic Vicat machine)을 이용해 측정하였다. 제조된 무시멘트 콘크리트는 밑면 내경 70 mm, 윗면 내경 60 mm, 높이 40 mm를 갖는 거푸집에 타설하였으며, 수분의 증발을 방지하기 위해 측정 장비를 비닐로 밀폐하였다. 비카트 침(Vicat needle)의 관입 깊이를 시간의 경과에 따라 연속적으로 측정하였고, 관입 깊이가 25 mm에 도달한 시점을 초결, 시험체 표면에 더이상 관입 흔적이 나타나지 않은 시점을 종결로 정의하였다. 압축강도는 ASTM C39 (2024)을 기반으로 측정하였다. 변수 별로 4개의 원주형 시험체(φ 100 × 200 mm3)를 제작하였고, 실험 전 시험체에 하중이 고르게 전달될 수 있도록 타설면을 연마하였다. 300 ton 용량의 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)을 통해 하중을 재하하였으며, 압축강도는 최대 하중을 시험체의 단면적으로 나누어 산출하였다. 휨 실험은 ASTM C1609 (2024)을 기반으로 수행하였으며, 변수 별로 최소 3개의 각주형 시험체(100 × 100 × 400 mm3)을 제작하였다. 30 ton 용량의 만능재료시험기를 통해 하중을 시험체에 재하하였으며, 처짐을 측정하기 위해 2개의 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)를 시험체 하단부에 설치하였다. Fig. 3은 본 연구에서 수행한 다양한 실험에 대한 셋업 사진이다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 슬럼프 플로
Fig. 4는 실리카퓸 치환율에 따른 무시멘트 콘크리트의 슬럼프 플로 직경을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 실리카퓸을 사용하지 않은 대조군(SF0)은 본 연구에서 활용된 배합 중 가장 큰 슬럼프 플로 직경(830 mm)을 보여주었다. 일반적으로 실리카퓸은 둥근 입형을 가지고 있기 때문에, 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 윤활 효과에 의해 콘크리트의 유동성이 개선된다. 하지만, 본 연구에서는 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 슬럼프 플로 직경이 작아지는 경향이 나타났다. 이는 실리카퓸의 비표면적이 넓어 유효수량이 감소한데 기인한다. 이와 관련하여 Li et al. (2023)은 실리카퓸의 치환율을 변수로 설정하여 UHPC의 슬럼프 플로 변화를 관찰하였는데, 슬럼프 플로 직경은 치환율 범위 25% 내에서 최대 34% 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서도 유사한 경향이 관찰되었으며, 결과적으로 실리카퓸이 10% 치환된 SF10에서는 SF0 대비 약 5%가 감소한 785 mm의 슬럼프 플로 직경이, 실리카퓸이 20% 치환된 SF20에서는 SF0 대비 약 12%가 감소한 730 mm의 슬럼프 플로 직경이 측정되었다. 이를 기반으로 무시멘트 콘크리트 시스템에서 실리카퓸의 영향은 윤활 효과보다 유효수의 감소 효과가 지배적인 것으로 판단된다. 한편, EFNARC (2005)에서는 자기충전 콘크리트(Self-consolidating concrete)의 슬럼프 플로 직경 범위를 최소 550 mm, 최대 850 mm로 제시하고 있다. 실리카퓸의 치환율 증가에 따라 슬럼프 플로 직경이 감소하였으나, 본 연구에서 개발한 무시멘트 콘크리트는 제시된 범위를 만족하며 채움 성능(Filling ability)을 충족하였다. 본 연구결과는 무시멘트 콘크리트의 작업성을 규명하기 위한 것으로, 향후 레미콘에 적용하기 위한 기반을 마련하는데 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
3.2 응결 시간
Fig. 5는 실리카퓸 치환율에 따른 무시멘트 콘크리트의 응결 시간을 나타낸 것이다. 본 연구에서 활용한 모든 무시멘트 콘크리트의 초결은 최소 16시간 이후에 발생하는 것으로 나타났다. 이는 본 연구의 목표인 칼슘계의 알칼리 활성화제를 적용함으로써, 나트륨계의 알칼리 활성화제를 적용하였을 때 나타나는 급결 특성을 완화시킬 수 있음을 보여준다. 수산화칼슘을 적용하였을 때 응결이 지연된 원인은 수산화칼슘과 나트륨 계열의 알칼리 활성화제의 pH 차이에 기인한다(Shi and Day, 1995). 일반적으로 활용되는 수산화나트륨과 규산나트륨의 pH는 모두 13 수준의 강한 알칼리 특성을 보이는 반면에, 수산화칼슘의 pH는 12 수준이다. 즉, pH에 따라 전구체의 용출 속도가 변화하기 때문에 본 연구에서 활용한 무시멘트 콘크리트의 초결은 비교적 느리게 발생한 것으로 판단된다. 본 연구 범위 내에서 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 응결 시간이 지연되었는데, 이는 고로슬래그의 일부가 실리카퓸으로 치환됨으로써 고로슬래그로부터 용출되는 Ca2+ 이온이 제한적이기 때문이다. 이러한 특성은 시공적인 관점에서 거푸집의 탈형시기를 늦출 수 있으며, 이는 공기 지연의 잠재적인 원인이 될 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발한 무시멘트 콘크리트는 구조 부재를 공장에서 사전에 제작하는 프리캐스트 콘크리트 산업 혹은 모듈러 콘크리트 산업에 적절할 것으로 판단되며, 이를 레미콘에 적용하기 위해서는 응결을 촉진시킬 수 있는 방안을 마련하여야 한다.
3.3 압축강도
Fig. 6은 양생 조건 및 실리카퓸 치환율에 따른 무시멘트 콘크리트의 압축강도를 비교한 것이다. 먼저 Fig. 6(a)를 살펴보면, 기건양생 조건에서 실리카퓸 치환율에 따른 압축강도의 변화는 뚜렷하게 나타나지 않았다. SF0, SF10, SF20의 압축강도는 각각 61.4 MPa, 61.4 MPa, 60.9 MPa로 측정되며, 실리카퓸의 치환은 기건양생 조건에서 강도 발현에 영향을 미치지 않음을 보여준다. 하지만 무시멘트 콘크리트에 고온증기양생을 적용할 경우, 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향이 명확하게 나타났다(Fig. 6(b)). 이는 무시멘트 콘크리트가 고온증기 환경에서 양생될 경우, 내부의 수산화칼슘과 실리카퓸 사이에서 포졸란 반응이 활성화되어 C-S-H의 형성이 촉진되기 때문이다(Shen et al., 2019; Mala et al., 2021). 이러한 메커니즘에 의해 무시멘트 콘크리트는 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 미세구조가 개선되는 것으로 판단되며, 결과적으로 고온증기양생된 SF10 및 SF20은 SF0에 비해 각각 32.7%, 51.8% 증가한 92.7 MPa, 106.1 MPa가 계측되었다. 유사한 경향은 고온수중양생이 적용된 경우에도 나타났다. Fig. 6(c)를 살펴보면 고온수중양생된 무시멘트 콘크리트는 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 압축강도가 증가하였으며, 실리카퓸이 10%, 20% 치환된 콘크리트는 대조군 대비 압축강도가 각각 23.9%, 42.8% 증가한 88.4 MPa, 101.8 MPa가 나타났다. 이는 고온수중양생 조건에서도 포졸란 반응이 고온증기양생 조건과 유사하게 발현되는 것으로 판단된다. 본 연구 범위 내에서 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 무시멘트 콘크리트의 압축강도가 증가하였으며, 그 영향은 고온증기양생 및 고온수중양생을 적용하였을 때 두드러지게 나타났다. 이를 기반으로 본 연구에서 개발한 무시멘트 콘크리트는 프리캐스트 콘크리트 산업 혹은 모듈러 콘크리트 산업과 같이 고온 양생이 가능한 제조 공정에 적용할 경우, 성능을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
3.4 휨강도
Fig. 7은 양생 조건 및 실리카퓸 치환율에 따른 무시멘트 콘크리트의 휨강도를 나타낸 것이다. 모든 무시멘트 콘크리트는 2%의 강섬유가 혼입되어 있기 때문에 최대 휨 하중에 도달한 이후에도 급격한 파괴가 발생하지 않고 안정적인 연성 거동이 관찰되었다. 압축강도에서 나타난 경향과 상이하게, 기건양생 조건에서 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 휨강도가 소폭 상승하는 것으로 나타났다. SF10과 SF20은 SF0 대비 각각 7.5%, 16.2% 증가한 16.7 MPa, 18.1 MPa가 측정되었다. 하지만, 고온증기양생 및 고온수중양생이 적용될 경우 무시멘트 콘크리트의 휨강도는 실리카퓸 치환율의 증가에 따라 뚜렷하게 향상되는 것으로 나타났다. 이는 압축강도 특성과 유사하게 무시멘트 콘크리트가 고온 환경에서 양생될 경우 포졸란 반응이 활성화되어 미세구조가 치밀해지는 데 기인한다. 그 결과 고온증기양생을 적용한 경우, 실리카퓸의 치환율이 10% 및 20%일 때 휨강도는 SF0 대비 각각 39.9%, 50.1% 증가한 26.3 MPa, 28.3 MPa가 측정되었다. 또한 고온수중환경에서 양생된 경우에도 유사한 경향이 나타났으며, SF10 및 SF20은 SF0 대비 각각 27.8%, 59.9% 증가한 21.1 MPa, 26.5 MPa가 측정되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 실리카퓸 치환율 및 양생 조건을 변수로 설정하여 무시멘트 콘크리트의 기초 특성을 실험적으로 평가였다. 본 연구의 범위 내에서 얻은 결론은 다음과 같다.
1) 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 무시멘트 콘크리트의 유동성은 다소 감소하였으나, 자기충전 콘크리트의 슬럼프 플로 기준 범위 내에 존재하여 채움 성능을 만족하였다.
2) 수산화칼슘의 상대적으로 낮은 pH로 인해 무시멘트 콘크리트의 응결 시간이 전반적으로 지연되었으며, 그 효과는 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 명확하게 나타났다.
3) 실리카퓸 치환율이 증가할수록 고온 양생 조건에서 포졸란 반응이 활성화되어 강도 발현이 향상되었으며, 실리카퓸을 20% 치환한 경우 고온증기양생된 무시멘트 콘크리트의 압축강도 및 휨강도는 각각 106.1 MPa, 28.3 MPa로 측정되었다.
이상을 종합하여 볼 때, 본 연구에서 개발한 무시멘트 콘크리트는 프리캐스트 콘크리트 산업 혹은 모듈러 콘크리트 산업에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만, 성능 및 범용성을 극대화하기 위해서는 알칼리 활성화제의 종류 및 혼입율, 실리카퓸 치환율을 확장한 추가 연구가 수행되어야 할 것이다.
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