2.1 사용 재료

Table 1은 WGB 모르타르를 구성하는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, 이하 OPC)와 표준 잔골재(sand), WGB에 대한 물성을 나타낸 것이다. 배합수는 수도수(tap water)를 사용하였다.

Fig. 1은 사용된 잔골재의 입도 분포이며, WGB의 발포상태를 그대로 유지하기 위하여 WGB의 경우 전체 사용량의 약 15 % 이하의 범위로 5~8 mm 크기의 것도 골재로 사용하여 모르타르로 제조하였다. Fig. 2는 실험에 사용한 표준 잔골재와 WGB에 대한 외형을 나타낸 것이다. 사용된 잔골재는 KS L ISO 679^{(KATS 2022)}에 부합하는 주문진 표준사이며, WGB는 ASTM C332에 따른 인공 경량 골재 2종에 해당하는 것을 중량 대비 치환하여 사용하였다.

WGB의 제조에는 수집된 폐유리 중 재활용이 불가능한 상태로 파손된 것을 선별하여 크러셔로 분말화한 것을 원료로 사용하였다^{(Lee and Lee 2020)}. 분쇄된 폐유리 분말의 평균 직경은 38~75 μm이며, 이때 분말과 함께 글리세롤을 첨가하여 최대 1,500 °C의 고온에서 가열하였다. 글리세롤은 폐유리 분말의 발포를 유도하고 생성된 기포의 안정성을 높이기 위하여 사용하였다. 가열된 폐유리 분말은 구형의 경량골재 형태로 발포되며, 내부에 다양한 크기의 공극이 존재한다^{(Kang and Lee 2010)}. WGB는 일반적인 경량골재와 같이 수분을 다량 흡수할 수 있는 특성을 가지고 있으며^{(Ziejewska et al. 2023)}, 높은 흡수율로 인해 초기 사용 시 충분한 수분을 흡수시킨 뒤 사용해야 한다.

Fig. 1 Particle size distribution of fine aggregates (WGB: waste glass bead)

Fig. 2 Used fine aggregates (WGB: waste glass bead)

2.2 배합 및 시험체

Table 2는 본 연구에서 사용한 모르타르 배합이다. WGB는 사용 전 포수 과정을 거치며 수분을 충분히 흡수시킨 후 사용하였다. 이때, WGB의 수분 흡수로 인한 물의 증량을 보정하기 위해 보정계수를 적용하여 배합수의 정확한 양을 조정하였다.

잔골재와 WGB를 믹서에 넣고 108 rpm에서 0.5분 동안 건식 혼합했다. 이때 WGB의 무게를 측정하고 질량 손실을 방지하기 위해 용기 바닥을 연 상태에서 WGB를 믹서에 투입하였다. 이후 시멘트를 투입하여 0.5분 동안 150 rpm으로 교반하고, 배합수를 투입한 뒤 1분간 150 rpm으로 교반했다. 혼합 후 초기 테이블 플로우가 150±5 mm 이내인 배합을 사용하였으며, 재료분리가 없었다.

굳지 않은 모르타르는 50×50×50 (mm³)의 입방체 시편으로 제작하였으며, ^{ASTM C109 (2020)}에 따라 압축강도 측정 시험체로 사용했다. 이와 함께, ITZ를 확인하고자 15×15×15 (mm³)의 정육면체 시편을 제작하여 나노 압입 측정 시험체로 사용하였다. 모르타르가 경화될 때까지 외부 수분 영향을 제어하고 배합수와 WGB에 포함된 침지수만 반응하도록 하기 위해 플라스틱 랩과 알루미늄 테이프로 몰드를 총 3회 밀봉하여 보관하였다. 25±1 °C, 55±5 %의 항온항습 양생 환경에서 각 평가 재령까지 양생하였다.

2.3 실험 방법

2.3.1 압축강도

압축강도는 ^{ASTM C109 (2020)}에 따라 제작한 50×50×50 (mm³) 시험체를 사용하여 Fig. 3과 같이 ^{ASTM C349 (2018)} 시험방법에 준하여 하중을 가력하였으며, 각 재령 3, 7, 28. 56 및 90일에 시험체 종류별로 3개씩 측정하였다.

Fig. 3 Compression test

2.3.2 pH

pH는 Fig. 4의 측정기를 사용하여 측정하였다. Fig. 5와 같이 재령 3, 7, 28, 56 및 90일에 A, B, C구역에서 채취한 시료를 분말로 분쇄하고 분말 5 g과 증류수 15 ml를 소형 플라스크에 넣고 혼합하였다. 이 때, 35 rpm의 속도로 1분간 저어준 뒤, 입구를 밀봉하여 1분간 실온(25±2 °C)에서 안정화시켰다. 이후, 필터에 시료 분말을 걸러내고 혼합수만을 채취하여 보정된 pH 미터로 측정하였다. pH 미터 전극을 혼합물에 삽입하고 판독값이 안정화될 때까지 대기하였으며, 변화율이 분당 0.01 단위 미만일 때의 총 5회의 평균값을 pH로 사용하였다.

Fig. 4 pH meter

Fig. 5 Sections of the microstructure analysis (A-B-C)

2.3.3 소성경도

ITZ의 소성경도를 분석하고자 Fig. 4의 A, B, C구역에서 Fig. 6의 장비로 나노인덴테이션을 측정하였다. 측정 표면을 연마 중에 에탄올과 에탄올 기반 다이아몬드 연마제를 분사하고 100, 400, 800, 1,500, 4,000방과 1 μm의 사포를 순서대로 사용하여 연마하였다. 시험은 ^{ASTM D 2583 (2022)} 표준에 따라 실시하였다. 나노인덴테이션 시험기(ENT-NEXUS, SANKYO MACHINE TOOLS)를 사용하여 ITZ의 소성 경도를 측정하였다. 압입침은 직경 50 μm의 버코비치 삼각 혼으로 각 시험체에 대해 72개의 ITZ 영역을 설정하였다. 또한, 각각 100 μN의 하중을 60초 동안 가하고 압입을 재장전하였다. 측정된 소성 경도는 시험체 당 평균값으로 표시하였다.

Fig. 6 Nanoindentation

2.3.4 SEM

SEM는 Fig. 7의 주사 전자 현미경과 에너지 분산형 X-선 분광기(SEM; JSM-7100F)를 사용하였다. 관찰된 미세구조 변화에 대한 시각적 근거를 제공하였다.

Fig. 7 The scanning electron microscope (SEM)

3.1 압축강도

Fig. 8에 시험체 종류에 따른 각 재령별(3, 7, 28, 56 및 90일) 압축강도와 대표적 재령(3, 28 및 90일)에서의 압축강도 증가율을 나타내었다. 압축강도 증가율은 시험체별 재령 3일 대비 재령 28일 압축강도 증가율, 재령 28일 대비 재령 90일 압축강도 증가율을 계산하여 상대적으로 초기재령과 장기재령의 강도증가율의 차이를 확인하였다.

Plain의 경우 재령 3일 압축강도 평균값이 40.44 MPa, 재령 28일에는 63.75 MPa, 재령 90일에는 65.91 MPa로 평가되었다. Plain 시험체의 압축강도의 증가율은 재령 3일 대비 재령 28일에서는 57.67 %로 많이 증가하였으나 재령 28일 대비 재령 90일에서는 압축강도 증가율이 3.39 %로 많이 감소하였다.

이 결과는 Plain의 경우 재령 28일 이후부터 상대적으로 장기 재령인 90일까지 압축강도의 발현을 위한 수화반응이 지속적으로 활발하게 이루어지지 않은 것으로 분석할 수 있다.

한편, WGB를 잔골재로 치환한 시험체의 경우 치환율에 관계없이 Plain 시험체에 비해 모든 재령에서 압축강도가 낮게 평가되었다. WGB의 치환율별로 비교할 경우, 치환율이 증가할수록 모르타르의 압축강도가 다소 감소하는 경향을 보였다. 이는 Plain에 비해 WGB의 치환율이 증가할수록 모르타르 내부에 존재하는 WGB의 다공성 구조가 압축강도 저감에 영향을 미친 것으로 판단된다. 그러나 압축강도 증가율의 경우에는 WGB의 치환율에 관계없이 WGB를 잔골재로 치환한 모르타르의 모든 시험체는 재령 3일 대비 재령 28일 압축강도 증가율은 Plain과 비교해서 낮지만, 재령 28일 대비 재령 90일에서의 압축강도 증가율은 매우 높은 것으로 나타났다. 특히 WGB80은 재령 3일 대비 재령 28일 압축강도 증가율 13.71 %보다 재령 28일 대비 재령 90일에서의 압축강도 증가율이 36.14%로 평가되어 재령 28일 이후에도 수화반응이 지속적으로 이루어졌음을 알 수 있었다.

또한, WGB20, WGB40 및 WGB60의 경우에도 Plain에 비해 상대적으로 장기재령에서도 압축강도 발현이 지속적으로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 이는 WGB의 다공성 구조에 의한 내부양생 효과의 가능성으로 판단할 수 있다. 초기재령에 비해 장기재령에서의 압축강도 증가율이 Plain에 비해 크게 향상한 결과는 WGB가 수화 반응이 지속적으로 이루어질 수 있도록 내부 수분 공급의 매개체 역할을 했기 때문으로 판단된다^{(Alaskar et al. 2021)}.

WGB는 경량골재이기 때문에 기계적 강도가 낮아 재령초기 모르타르의 압축강도를 저하시킬 수 있으나, 경량골재의 내부양생 효과로 인해 미세구조의 개선과 함께 장기재령의 압축강도가 개선될 수 있는 특성을 가진다. 장기적 관점에서 재령 90일 이후에도 추가적인 검토가 필요하며 압축강도 향상에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

Fig. 8 Compressive strength results

3.2 pH 분석

Fig. 9는 각 모르타르 시험체의 재령별 평균 pH 측정 결과이며, Table 3은 ITZ 영역의 A, B, C 세 구역에서 채취한 시료의 pH를 비교 분석한 것이다.

모든 시험체의 재령별 pH의 평균값은 12.0~12.8의 범위로 나타났으며, A, B, C 영역별 pH의 차이는 유의미한 수준으로 나타나지 않았다. 재령 3일의 경우, Plain 시험체의 pH가 가장 높게 나타났으며, WGB20과 WGB40은 Plain에 비해 0.2 낮게 측정되었으나 WGB60 및 WGB 80에 비해 0.1 높은 pH 값이 측정되었다.

재령 7일부터 재령 90일까지 Plain의 pH는 WGB를 잔골재로 일부 치환한 모든 시험체에 비해 낮은 값으로 측정되었다. 또한, 재령이 증가함에 따라 pH의 감소폭은 WGB의 치환율이 증가할수록 낮게 나타나는 경향을 보였다. 이와 같이 WGB를 치환한 시험체가 Plain 시험체에 비해 초기재령 대비 장기재령에서 pH의 감소폭이 완화될 수 있었던 주요 요인은 WGB의 다공성 구조가 수분을 보유하여 내부양생에 기여하는 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다^{(Bentz et al. 1999; Bentz and Weiss 2011)}. 이로 인해 수화 반응이 유지되고, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 생성이 지속되면서 pH의 감소를 억제시킬 수 있었다고 사료된다.

WGB80의 ITZ 영역에서도 초기 pH는 가장 낮게 나타났지만, 재령 3일 대비 재령 90일의 pH의 감소폭은 가장 작았다. WGB의 높은 치환율로 인해 내부양생 효과가 작용한 결과로 볼 수 있다. WGB는 수분을 보유하고 이를 점차적으로 방출하여 수화 반응을 지속적으로 유지시키는 역할을 할 수 있다. 따라서 시간이 지남에 따라 수화 반응이 지속되고, 수산화칼슘의 생성이 유지되어 pH가 저감되는 것을 억제할 수 있었다고 판단된다^{(Gudipudi et al. 2020; Utepov et al. 2022)}. WGB를 활용한 모르타르의 장기적인 성능을 평가할 때, 초기 pH 감소와 내부양생에 의한 pH 회복 효과를 고려할 수 있다^{(Just et al. 2015)}.

Fig. 9 Average pH measurement results by age

3.3 소성경도

Table 4는 WGB 모르타르의 소성경도 측정 결과이며, 56일과 90일 재령에서의 소성경도를 비교하였다. Fig. 10은 WGB 모르타르의 소성경도 발현을 평가하기 위해 재령 56일 대비 재령 90일에서의 소성경도 증가율을 나타내었다. 소성경도는 모르타르를 구성하는 잔골재와 시멘트페이스트의 결합력을 평가할 수 있는 지표로 WGB의 치환율의 영향을 검토하고자 하였다.

그 결과, WGB의 치환율이 증가할수록 소성경도가 저하하는 경향으로 나타났으며, WGB20에 비해 WGB를 40 % 이상 잔골재로 치환한 시험체의 소성경도가 현저히 저하하는 것으로 나타났다. 또한, 상대적으로 WGB60과 WGB80은 WGB40에 비해 소성경도가 낮게 평가되었으며, 이는 WGB에 흡수된 수분이 페이스트의 공극을 증가시켜 소성경도 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.

모르타르의 구성재료 간의 ITZ 공간의 배열에 관계되는 Wall effect 현상으로 인해 ITZ의 밀도를 낮추고 강도를 저하시킬 수 있다. 이 현상으로 큰 입자(WGB) 주변에서 시멘트 입자들이 고르게 배열되지 못하고 ITZ의 강도 저하를 촉진할 수 있다^{(Bentz 2009; Roufael et al. 2021)}. 이와 같은 원인이 WGB60과 WGB80에서 나타나는 소성경도 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.

Fig. 10 Increase ratio of plastic hardness in zones A, B, and C at 90 days compared to 56 days

3.4 미세구조 분석

Fig. 11은 56일과 90일의 두 시점에서 WGB 모르타르 내부의 WGB ITZ SEM 이미지를 비교한 것이다. 재령이 증가함에 따른 공극 크기와 모양의 변화, 그리고 페이스트 부분의 밀실도 증가가 관찰되었다. 56일 시점에서는 공극의 크기가 비교적 크고 모양이 불규칙하였다. 이는 초기 수화 과정에서 형성된 큰 공극과 불완전한 수화로 인해 구조적인 공극이 존재함을 의미한다. 그러나 90일 시점에서는 공극의 크기가 감소하고 형태의 균질성이 나타났다. 이는 장기적인 수화 과정에서 추가적인 시멘트 수화물이 공극을 채우며, 공극의 크기가 줄어드는 것을 확인하였다. 추가적인 수화 반응이 진행되며 더 많은 C-S-H가 형성되고, 이로 인해 구조가 더욱 강화되었다. 56일과 90일 사이의 변화는 이러한 장기적인 수화 반응의 결과를 반영하고 있다. 공극의 크기 감소와 밀실도 증가는 모두 수화 반응이 지속적으로 진행됨에 따라 시멘트 페이스트의 미세구조가 더욱 치밀하게 변하는 과정이다. 특히 WGB 모르타르 중 WGB20에서 내부양생 효과가 두드러지게 나타났다. 이는 WGB가 수분을 보유하고 점진적으로 방출함으로써 수화 반응을 지속적으로 유지시키는 역할을 했기 때문이다. 이로 인해 많은 C-S-H가 형성되어 미세구조가 강화되었고, 수화물의 생성으로 인해 공극의 크기가 감소하면서 밀실도가 증가하였다^{(Wyrzykowski et al. 2020)}.

결과적으로, WGB의 치환율이 적절할 경우, 내부양생 효과를 통해 모르타르의 소성경도가 크게 향상될 수 있음을 알 수 있다. 특히 WGB20 샘플에서 이러한 효과가 두드러지게 나타나며, 이는 WGB가 모르타르의 미세구조를 개선하고 장기적인 내구성을 높이는 데 기여할 수 있음을 보여준다. 과도한 WGB의 혼입은 WGB의 낮은 기계적 강도 등의 요인으로 인해 압축강도와 Wall effect로 인해 소성경도의 저하를 초래할 수 있지만, 적정한 혼입은 압축강도 및 소성경도가 증가할 수 있어 미세구조 발달에 효과적이다. 따라서 WGB의 적절한 혼입은 모르타르의 성능을 최적화하는 데 중요한 요소로 작용할 수 있다.

Fig. 11 Scanning electron microscope (SEM) image analysis of zones A, B, and C in the specimens