1. 서 론
2. 사용재료 및 시험방법
2.1 사용재료
2.2 WFA의 물리·화학적 특성
2.3 배합설계
2.4 공시체 제작 및 압축강도 시험방법
3. 시험 결과
3.1 WFA 시료별 강도특성
3.2 W/B별 강도특성
3.3 재료특성과 강도발현
4. 결 론
1. 서 론
Controlled Low-Strength Material(CLSM)은 높은 유동성을 갖는 저강도 시멘트계 재료로서 별도의 다짐공정을 최소화할 수 있으며, 지중매설물 및 관로의 되메움, 공동 충전 및 도로하부 채움 등 다양한 용도로 활용되고 있다(ACI Committee 229, 2013). 특히 CLSM은 시공성이 우수하고 적용 목적에 따라 요구강도를 조절할 수 있어 기존 다짐토를 대체하는 채움재로 활용할 수 있다. ACI 229R-13에서는 CLSM을 압축강도 8.3 MPa 이하가 되도록 설계되는 자기충전성 시멘트계 재료로 설명하고 있으며, 재굴착이 요구되는 경우에는 적용 목적과 굴착방법을 고려하여 보다 낮은 강도 수준이 요구된다(ACI Committee 229, 2013).
CLSM에는 시멘트와 골재뿐만 아니라 플라이애시(Fly Ash, FA)를 비롯한 다양한 산업부산물이 활용되고 있다. Han et al.(2023)은 FA를 활용한 CLSM의 유동성, 블리딩 및 압축강도 특성을 평가하였으며, 산업부산물의 종류와 배합조건에 따라 CLSM의 공학적 특성이 달라질 수 있음을 보고하였다. Park et al.(2019)은 제지애시를 혼입한 CLSM의 일축압축강도 특성을 평가하였고, Park et al.(2017)은 순환유동층 연소재를 활용한 CLSM의 유동성, 블리딩 및 압축강도를 검토하였다. 또한 Kim et al.(2023)은 매립석탄재를 활용한 CLSM에서 원재료의 입도 및 밀도와 같은 물리적 특성에 따라 적정 배합조건과 강도특성이 달라질 수 있음을 보고하였다. 이러한 연구결과는 산업부산물을 CLSM에 적용할 경우 배합조건뿐만 아니라 사용재료의 특성을 함께 고려할 필요가 있음을 보여준다.
FA 기반 CLSM의 압축강도는 물-바인더비(W/B), FA 치환율 및 재령과 밀접한 관련이 있다. Kim et al.(2021)은 서로 다른 FA를 사용한 CLSM을 비교하여 화학조성과 분말도 등의 차이가 강도 및 강성 특성과 관련될 수 있음을 보고하였으며, Turkel(2007)과 Kondraivendhan & Bhattacharjee(2015)는 W/B 및 FA 혼입조건이 압축강도 발현에 영향을 미치는 주요 인자임을 제시하였다. 또한 Khadka et al.(2023)은 W/B를 0.8, 0.9 및 1.0으로 변화시킨 CLSM의 압축강도를 평가하여 W/B 증가에 따라 강도가 감소하는 경향을 보고하였다. 따라서 기존 FA와 발생원 및 재료특성이 다른 연소재를 CLSM에 적용하기 위해서는 배합조건과 함께 사용재료의 특성에 따른 강도발현을 검토할 필요가 있다.
우드플라이애시(Wood Fly Ash, WFA)는 목질계 바이오매스의 연소과정에서 발생하는 비산재로서, 연료의 종류와 연소조건 등에 따라 입도, 화학조성 및 반응성이 달라질 수 있다(Rajamma et al., 2009; Liang et al., 2024). 따라서 WFA를 FA 대체재로 CLSM에 적용할 경우 배합조건뿐만 아니라 사용되는 WFA의 재료특성을 함께 고려할 필요가 있다. 또한 동일한 발생원의 WFA라 하더라도 채취시기에 따라 입도분포와 화학조성 등의 재료특성이 달라질 가능성이 있다. 이러한 WFA의 재료특성 차이는 FA 대체재로 CLSM에 적용할 경우 강도발현에도 서로 다른 양상으로 나타날 가능성이 있으나, WFA의 시료특성과 배합조건을 함께 고려하여 CLSM의 압축강도를 비교한 연구는 상대적으로 제한적이다.
따라서 본 연구에서는 동일 바이오매스 발전시설에서 서로 다른 시기에 채취한 WFA를 FA 대체재로 적용한 CLSM을 대상으로 W/B와 WFA 치환율에 따른 압축강도 발현 특성을 평가하였다. W/B는 0.8, 0.9 및 1.0으로 설정하고 WFA 치환율은 0, 25, 50 및 100 %로 변화시켰으며, 채취시기가 다른 세 WFA 시료의 재령 7일 및 28일 압축강도를 비교하였다. 이를 통하여 배합조건과 WFA의 물리·화학적 특성에 따른 CLSM의 강도발현 특성을 분석하고, WFA의 CLSM 적용을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
2. 사용재료 및 시험방법
2.1 사용재료
본 연구에서는 CLSM의 제조를 위하여 1종 보통 포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC), 2종 플라이애시(Fly Ash, FA), 우드플라이애시(Wood Fly Ash, WFA), 표준사 및 물을 사용하였다. OPC와 FA는 기본 결합재로 사용하였으며, WFA는 FA의 일부 또는 전량을 대체하는 재료로 적용하였다. 골재는 시험조건에 따른 변동을 최소화하기 위하여 표준사를 사용하였고, 혼합수는 증류수를 사용하였다.
본 연구에 사용된 WFA는 강원권 소재 Y사 발전시설에서 우드펠릿 연소 후 발생한 비산재로, 동일 발전시설에서 서로 다른 시기에 채취한 2026년 2월(#2602), 4월(#2604) 및 6월(#2606) 시료를 사용하였다. 세 시료는 동일한 발생원에서 채취되었으나 채취시기에 따라 입도 및 화학조성 등의 물리·화학적 특성에 차이가 확인되었으며, 이러한 재료특성의 차이와 CLSM의 강도발현 특성을 함께 비교하기 위하여 적용하였다. 각 WFA 시료의 주요 물리·화학적 특성은 2.2절에 제시하였다.
2.2 WFA의 물리·화학적 특성
본 연구에 사용된 WFA의 주요 물리적 특성과 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 화학조성은 XRF 분석결과 중 정규화된 mass% 값을 사용하였으며, Table 1에는 압축강도 특성의 검토와 관련된 주요 성분을 선별하여 제시하였다. 강열감량(Loss on Ignition, LOI)은 본 분석에서 별도로 측정하지 않았다. WFA의 입도특성은 레이저 회절식 입도분석기(Malvern)를 이용하여 분석하였으며, Dv(50), Dv(90) 및 비표면적을 평가하였다. 화학조성은 XRF(X-ray Fluorescence, ZSX-Primus IV)를 이용하여 분석하였다.
Table 1.
Selected physicochemical properties and major chemical compositions of WFA used in this study
Note: Dv(50) and Dv(90) represent the particle diameters corresponding to 50 % and 90 % of the cumulative particle volume, respectively. Chemical compositions are normalized XRF results expressed as mass%. Only selected major components relevant to the discussion are presented. Loss on ignition (LOI) was not determined.
입도분석 결과, Dv(50)은 #2602, #2604 및 #2606에서 각각 91.03, 55.53 및 78.73 μm로 나타났으며, Dv(90)은 각각 527.00, 382.33 및 258.00 μm로 측정되었다. 비표면적은 #2602가 198.10 m2/kg으로 가장 낮았고, #2604는 421.10 m2/kg으로 가장 높았으며, #2606은 255.97 m2/kg으로 나타났다. 따라서 동일 발생원의 WFA라 하더라도 채취시기에 따라 입도분포와 분말 특성에 차이가 있음을 확인하였다. 화학조성에서는 세 시료 모두 CaO가 주요 성분으로 나타났으나 그 함량에는 차이가 있었다. #2602의 CaO 함량은 46.10 wt%로 세 시료 중 가장 높았으며, #2604와 #2606은 각각 31.90 및 33.50 wt%로 나타났다. 반면 SiO₂는 #2602, #2604 및 #2606에서 각각 13.40, 13.10 및 19.50 wt%로 나타나 #2606에서 상대적으로 높은 값을 보였다. Al2O3 역시 #2606에서 5.68 wt%로 가장 높았다. SO3는 #2604에서 12.20 wt%로 가장 높았으며, K2O는 #2604와 #2606에서 각각 20.20 및 15.50 wt%로 #2602의 7.79 wt%보다 높은 수준을 나타냈다.
이와 같이 세 WFA 시료는 동일한 발생원에서 채취되었음에도 입도 및 주요 화학성분의 조성에 차이를 나타냈다. 본 연구에서는 이러한 WFA의 재료특성 차이를 고려하여 동일한 배합조건에서 각 시료를 적용하고, W/B 및 WFA 치환율에 따른 압축강도 발현 특성을 비교하였다.
2.3 배합설계
본 연구에서는 물-바인더비(W/B)와 WFA 치환율에 따른 CLSM의 압축강도 특성을 평가하기 위하여 Table 2와 같이 배합을 설계하였다. 기본 배합은 Khadka et al.(2023)의 CLSM 배합을 참고하였으며, 본 연구의 목적에 따라 W/B와 WFA 치환조건을 수정하여 적용하였다. 바인더(B)는 시멘트(C), FA 및 WFA의 합으로 정의하였으며, W/B는 0.8, 0.9 및 1.0의 세 수준으로 설정하였다.
Table 2.
Mix proportions of CLSM modified based on Khadka et al. (2023)
각 W/B 조건에서 WFA 치환율은 0, 25, 50 및 100 %로 설정하였다. WFA 치환율은 FA와 WFA의 총 질량을 기준으로 산정하였으며, 각 W/B 조건에서 FA와 WFA의 합계량은 일정하게 유지하였다. 이에 따라 WFA 치환율이 증가할수록 FA 사용량을 동일한 질량만큼 감소시켰으며, 0 %에서는 FA만을 사용하고, 25 %에서는 FA 사용량의 25 %를 WFA로 치환하였다. 50 %에서는 FA와 WFA를 동일 질량으로 사용하였으며, 100 %에서는 FA 전량을 WFA로 대체하였다. W/B 0.8, 0.9 및 1.0의 각 조건에 4개의 WFA 치환율을 적용하여 총 12개의 배합조건을 구성하였다.
본 연구에는 #2602, #2604 및 #2606의 세 WFA 시료를 사용하였다. 채취된 WFA는 시험 전까지 밀폐된 비닐백에 넣어 실내에서 보관하여 외부 수분 및 이물질의 유입을 방지하였다. 시료별 채취시기가 달라 시험 전 보관기간에는 차이가 있었으나, 모든 시료는 동일한 방법으로 보관한 후 동일한 12개의 배합조건에 적용하였다. 따라서 시료별 재료 배합량, W/B 및 WFA 치환율은 동일하게 유지하고 적용되는 WFA 시료만 달리하여 시험을 수행하였다. 이에 따라 WFA 시료별 12개 배합, 총 36개 배합을 대상으로 압축강도 시험용 공시체를 제작하였다. 각 WFA 시료 시험군의 배합은 독립적으로 제조하였으며, WFA 치환율 0 %의 대조배합도 각 시험군별로 별도로 제작하였다.
2.4 공시체 제작 및 압축강도 시험방법
각 배합조건에 따라 재료를 계량한 후 혼합하여 CLSM을 제조하였다. 제조된 CLSM은 직경 50 mm, 높이 100 mm의 원주형 종이 몰드에 타설하여 압축강도 시험용 공시체를 제작하였다. 각 배합조건에서 동일한 혼합배치로 총 6개의 공시체를 제작하였으며, 이 중 3개는 재령 7일, 나머지 3개는 재령 28일 압축강도 시험에 사용하였다. 따라서 WFA 3종에 각각 12개의 배합조건을 적용한 총 36개 배합에 대하여 216개의 공시체를 제작하였다. 제작된 공시체는 선행연구를 참고하여 온도 20 ℃, 상대습도 50 %의 조건에서 기중양생하였다. 압축강도 시험은 재령 7일 및 28일에 각각 수행하였으며, 각 시험재령에 도달한 공시체를 탈형한 후 시험을 실시하였다. 압축강도 시험은 CLSM 공시체의 제작 및 시험방법을 규정한 ASTM D4832/D4832M-26(ASTM International, 2026)을 참고하되, 본 연구에서는 직경 50 mm, 높이 100 mm의 원주형 공시체와 변위제어 방식의 재하조건을 적용하였다.
각 배합조건 및 재령별 압축강도는 3개 공시체의 시험결과에 대한 평균값과 표준편차로 나타내었다. Fig. 1 및 Fig. 2의 오차막대는 표준편차를 나타내며, 시험결과 산정 과정에서 임의로 제외한 이상값은 없었다. 다만 각 재령의 3개 공시체는 동일한 혼합배치에서 제작된 반복시험체이므로, 본 연구에서는 평균값과 표준편차를 이용한 기술통계적 비교를 중심으로 결과를 해석하였다.
3. 시험 결과
3.1 WFA 시료별 강도특성
WFA 시료 #2602, #2604 및 #2606을 적용한 12개 배합조건의 재령 7일 및 28일 압축강도 시험결과를 Fig. 1에 나타내었다. 모든 시료에서 재령 28일 압축강도가 7일 압축강도보다 높게 나타났으나, WFA 시료에 따라 치환율 변화에 따른 강도발현 양상에는 차이가 확인되었다. 본 절에서의 배합 간 비교는 3개 반복시험체의 평균값과 표준편차에 기초한 기술통계적 비교이다.
#2602의 경우 재령 7일 압축강도는 0.23~0.47 MPa, 재령 28일 압축강도는 0.48~2.96 MPa의 범위로 나타났다. 재령 28일 기준 Case #2에서 2.96 MPa로 가장 높은 값을 나타냈으며, 동일한 WFA 치환율 25 % 조건인 Case #6과 #10에서도 각각 2.24 및 1.80 MPa로 나타났다. 반면 WFA를 100 % 치환한 Case #4, #8 및 #12의 28일 압축강도는 각각 0.48, 0.56 및 0.59 MPa로 나타나, #2602에서는 25 % 치환 조건에서 강도가 증가한 후 치환율이 높아질수록 감소하는 경향이 전반적으로 나타났다.
#2604의 재령 7일 압축강도는 0.27~1.02 MPa, 재령 28일 압축강도는 0.58~3.22 MPa의 범위로 나타났다. Case #2의 28일 압축강도가 3.22 MPa로 가장 높았으며, Case #6과 #10에서도 각각 2.58 및 2.27 MPa를 나타내어 #2602와 유사하게 WFA 치환율 25 % 조건에서 높은 강도 수준이 나타났다. 이후 치환율이 50 % 및 100 %로 증가함에 따라 압축강도는 감소하는 경향을 보였으나, 100 % 치환 조건에서도 Case #4, #8 및 #12의 28일 강도는 각각 2.10, 1.74 및 1.59 MPa로 나타나 #2602의 동일 조건보다 높은 값을 보였다.
#2606은 #2602 및 #2604와 다른 강도발현 양상을 보였다. 재령 7일 압축강도는 0.32~1.88 MPa, 재령 28일 압축강도는 0.67~4.28 MPa의 범위로 나타났으며, Case #3에서 재령 7일 1.88 MPa 및 재령 28일 4.28 MPa로 전체 시험조건 중 최대 측정값을 나타냈다. 또한 Case #8과 #12의 28일 압축강도는 각각 3.45 및 3.12 MPa로 나타나, #2602 및 #2604와 달리 높은 WFA 치환율에서도 상대적으로 높은 강도 수준을 유지하였다. 특히 Case #5~#8 및 Case #9~#12에서는 WFA 치환율 증가에 따라 압축강도가 증가하는 경향이 나타났으며, 이는 #2606에서 관찰된 특징적인 강도발현 양상으로 판단된다.
3.2 W/B별 강도특성
W/B에 따른 #2602, #2604 및 #2606 시료의 재령 7일 및 28일 압축강도를 Fig. 2에 나타내었다. 전반적으로 동일한 WFA 시료와 치환율 조건에서는 W/B가 증가함에 따라 압축강도가 감소하는 경향이 확인되었으나, 일부 고치환 조건에서는 이와 다른 양상이 나타났다.
재령 28일 기준 WFA 치환율 0 %에서는 W/B가 0.8에서 1.0으로 증가함에 따라 #2602의 압축강도가 1.08 MPa에서 0.52 MPa, #2604는 1.06 MPa에서 0.58 MPa, #2606은 1.09MPa에서 0.67 MPa로 감소하였다. 치환율 25 %에서도 #2602는 2.96, 2.24 및 1.80 MPa, #2604는 3.22, 2.58 및 2.27 MPa, #2606은 2.95, 2.44 및 2.03 MPa로 나타나 세 시료 모두 W/B 증가에 따라 압축강도가 감소하였다. 또한 #2604와 #2606의 50 % 치환 조건에서도 각각 2.62→2.14→1.78 MPa 및 4.28→2.84→2.45 MPa로 동일한 경향을 나타냈다.
반면 #2602의 50 % 및 100 % 치환 조건에서는 W/B 증가에 따른 재령 28일 압축강도의 일관된 감소 경향이 나타나지 않았으며, #2606의 100 % 치환 조건에서도 W/B 0.9에서 3.45 MPa로 W/B 0.8의 2.97 MPa보다 높은 값을 나타냈다. 재령 7일의 경우에도 대부분의 배합에서는 W/B 증가에 따라 압축강도가 감소하거나 유사한 수준을 나타냈으나, 일부 고치환 조건에서는 동일한 경향이 명확하게 나타나지 않았다.
이상의 결과로부터 본 연구에서 설정한 배합조건 범위에서는 W/B가 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향이 전반적으로 확인되었으며, 특히 WFA 치환율이 낮거나 중간 수준인 조건에서 이러한 경향이 비교적 뚜렷하게 나타났다. 다만 본 연구의 배합에서는 W/B 변화와 함께 단위수량 및 결합재량 등이 달라지므로 W/B만의 독립적인 영향으로 해석하기에는 한계가 있다. 또한 높은 WFA 치환율에서는 시료별로 상이한 강도발현 양상이 나타나 WFA의 재료특성도 함께 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다. 이러한 시료별 차이는 3.3절에서 WFA의 물리·화학적 특성과 연계하여 검토하였다.
3.3 재료특성과 강도발현
WFA의 물리·화학적 특성과 압축강도 결과를 비교한 결과, 동일한 발전시설에서 채취한 시료라도 재료특성의 차이와 함께 강도발현 양상이 서로 다르게 나타났다. 특히 #2602와 #2604는 WFA 치환율 25 %에서 높은 압축강도를 나타낸 후 치환율 증가에 따라 강도가 감소한 반면, #2606은 높은 치환율에서도 상대적으로 높은 강도를 나타냈다.
입도특성을 살펴보면 Dv(50)은 #2602, #2604 및 #2606에서 각각 91.03, 55.53 및 78.73 μm로 나타났으며, Dv(90)은 각각 527.00, 382.33 및 258.00 μm로 #2606에서 가장 작게 나타났다. 비표면적은 #2604가 421.10 m2/kg으로 가장 높았고, #2606은 255.97 m2/kg으로 나타났다. 따라서 #2606의 높은 치환율에서 나타난 강도발현을 비표면적과 같은 단일 물리적 지표만으로 설명하기는 어려우며, 입도분포와 화학조성 등 여러 재료특성과 복합적으로 관련될 가능성을 고려할 필요가 있다.
화학조성에서도 시료별 차이가 확인되었다. #2602는 CaO 함량이 46.10 wt%로 가장 높았으나 높은 WFA 치환율에서는 압축강도가 감소하는 경향을 나타냈다. 반면 #2606은 CaO 함량이 33.50 wt%로 #2602보다 낮았지만, SiO2와 Al2O3 함량이 각각 19.50 및 5.68 wt%로 세 시료 중 가장 높았으며, W/B 0.9 및 1.0에서 WFA 치환율 증가와 함께 압축강도가 증가하였다. 또한 #2604는 세 시료 중 가장 높은 비표면적을 나타냈으나 고치환율에서 #2606보다 낮은 강도를 보여, 압축강도 발현을 특정 화학성분 또는 물리적 특성 하나만으로 설명하기는 어려운 것으로 판단된다.
이상의 결과로부터 WFA를 FA 대체재로 활용한 CLSM의 압축강도는 W/B와 치환율뿐만 아니라 WFA의 입도 및 화학조성과 같은 재료특성과도 관련될 가능성이 있는 것으로 판단된다. 다만 본 연구에서는 수화생성물 및 반응성을 직접 분석하지 않았으므로 개별 물리·화학적 특성과 압축강도 발현 간의 인과관계를 명확히 규명하기에는 한계가 있으며, 이에 대해서는 추가적인 분석이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 W/B 0.8, 0.9 및 1.0과 WFA 치환율 0, 25, 50 및 100 %를 적용한 CLSM을 대상으로 #2602, #2604 및 #2606 WFA의 재령 7일 및 28일 압축강도를 평가하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 모든 배합에서 재령 28일 압축강도가 7일보다 높게 나타났으며, 28일 압축강도는 #2602에서 0.48~2.96 MPa, #2604에서 0.58~3.22 MPa, #2606에서 0.67~4.28 MPa의 범위를 나타냈다.
(2) #2602와 #2604는 WFA 치환율 25 %에서 상대적으로 높은 압축강도를 나타낸 후 치환율 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
(3) #2606은 #2602 및 #2604와 다른 강도발현 양상을 나타냈으며, W/B 0.8 및 WFA 치환율 50 % 조건에서 재령 28일 압축강도 4.28 MPa로 전체 시험조건 중 최대 측정값을 나타냈다.
(4) 동일 발전시설에서 채취한 WFA라도 입도와 화학조성에 차이가 있었으며, WFA의 재료특성 차이는 CLSM의 강도발현 양상과 관련될 가능성이 있는 것으로 판단된다. 다만 개별 물리·화학적 특성과 압축강도 간의 직접적인 인과관계는 본 연구의 시험범위만으로 명확히 규명하기 어렵다.
이상의 결과로부터 WFA를 FA 대체재로 활용한 CLSM의 압축강도는 W/B와 WFA 치환율뿐만 아니라 사용되는 WFA의 재료특성에 따라서도 서로 다른 발현 양상을 나타내는 것으로 판단된다. 따라서 WFA의 CLSM 적용 시에는 단일 치환율을 일률적으로 적용하기보다 사용재료의 특성을 함께 고려한 배합설계가 필요하다. 향후 유동성, 재료분리 및 재굴착성과 같은 CLSM의 추가 성능과 수화반응 및 미세구조 분석을 함께 검토할 필요가 있다.
