콘크리트용 팽창재의 연구동향
盛岡 實 Denki Kagaku Kogyo co., Ltd

1. 들어가며
콘크리트용 팽창재는 ‘오랜 역사의 새로운 재료’로서 주목되고 있다. 이 재료가 일본에서 실용화된 것은 1960년대로, 이미 40년의 실적이 있다. 현재 콘크리트용 팽창재(이하, 팽창재)는 JIS도 제정되어 있다.
이 Traditional material(전통적인 재료)이 Trendy material로서 주목받게 된 것은 이 재료의 팽창구조와 작용기구가 상당히 난해하여 최근까지 그 메커니즘의 정량적인 검토가 충분히 이루어지지 않았다는 점이 큰 요인이다. 지난 수년의 연구로 팽창재의 수화반응(水和反應), 팽창기구, 작용기구가 풀리기 시작해 그 전체상 해명을 향해 크게 진전했다. 이로써 사용자 측의 이해가 이루어져 지식의 공유화가 시도되었다.
이렇게 최근의 콘크리트용 팽창재의 연구는 새로운 국면을 맞이하고 있어 이 재료가 콘크리트 구조물의 고기능화와 고내구화에 중요한 역할을 할 것임을 많은 사람들이 인식하게 되었다. 또 종래 팽창제의 수화반응기구를 기초로 고성능 팽창재도 개발되었다. 따라서 사용자의 경제적 부담이 경감되어 보다 광범위하게 이용할 수 있는 환경이 갖추어졌다는 것도 커다란 요인이다. 본고에서는 팽창재의 최근 연구동향을 소개하겠다.

2. 수화반응
팽창재의 수화반응을 정량적인 관점에서 검토한 연구에 의해 팽창재의 화합물의 반응과 수화생성물의 종류, 그 생성량이 밝혀지게 되었다. 그림 1은 칼슘사르포알루미네이트계 팽창재(CSA)를 단독으로 수화시켰을 때 상조성의 변화를 나타내고 있다.
한편, 그림 2는 포트랜드 시멘트의 구성화합물 가운데 수화활성이 높아 팽창재의 수화에 큰 영향을 미치리라고 생각되는 3CaO·Al2O3(C3A)와 2수(水)석고가 공존했을 때의 상조성의 변화를 나타내고 있다.
CSA만을 수화시켰을 경우와 시멘트를 구성하는 화합물과 공존시켜서 수화시켰을 경우와는 화합물의 반응률과 수화생성물의 비율도 다르다.
 

3. 팽창기구와 팽창성능에 미치는 요인
가. 팽창기구
시멘트도 팽창재도 수화반응에 의해 화학수축을 동반한다. 따라서 화학이론적으로는 팽창할 리가 없다. 팽창재를 혼합한 시멘트 페이스트의 화학수축과 자기체적변화를 검토한 연구가 있다(그림 3). 이에 의하면 팽창재를 혼합한 페이스트의 화학수축은 팽창재를 혼합하지 않는 시멘트 페이스트의 그것보다 오히려 크다. 한편, 실제의 경화체에 생기는 체적변화를 보면, 팽창재를 혼합한 페이스트 경화체는 팽창한다. 미세구조에 대해 검토한 결과, 팽창재를 혼합한 페이스트에서는 모세관 공극의 증가가 확인되었다(그림 4).
즉 팽창재가 일정한 크기의 공극을 만들면서 팽창시키는 것이다. 그러나 이것은 팽창력이 전혀 구속되지 않은 조건에서의 결과이다. 구속력을 높인 조건에서 팽창재를 혼합한 페이스트의 미세구조를 검토한 연구에 의하면 현저한 공극의 증가는 보이지 않고 오히려 10㎛보다 큰 공극이 감소한다. 이것은 강한 구속을 줌으로써 팽창응력이 내부구조로 향해서 경화체 속의 비교적 큰 공극을 눌러버렸기 때문이다. 이와 관련하여 구속조건에 있는 팽창 모르타르의 경우는 중성화가 억제된다는 보고도 있다.

나. 팽창성능에 미치는 요인
팽창재의 팽창성능에 미치는 요인은 크게 3가지이다. 그 첫째는 수화생성물의 종류와 그 생성량에 직접 관련되는 조성이다. 종래의 팽창재와 비교해서 팽창성능이 우수한 팽창재를 재료설계하기 때문에 시멘트 매트릭스의 강도발현성과 팽창재가 작용하는 시기와의 시간적 관계가 중요하다는 인식에 선 연구가 있다.

그림 5에 시멘트 매트릭스의 강도발현과 팽창의 타이밍을 모식적으로 제시했다. 아직 굳지 않은(소성유동을 발생시킨다) Ⅰ기(期)에서는 효과적인 팽창작용은 기대할 수 없고, 반대로 충분히 강도가 발현하여 취성화한 Ⅳ기에서는 팽창파괴를 일으켜 버린다.
따라서 이들 사이에 유효하게 팽창성을 부여할 수 있는 기간이 존재한다고 생각해도 좋다. 또한 유효팽창기간은 소성적인 성질이 강한 Ⅱ기와 고체특성을 늘린 Ⅲ기로 세분화된다. 소성적인 성질이 강한 Ⅱ기에 작용시키면 작은 응력으로도 큰 팽창성을 부여할 수 있다. 반대로 고체특성을 늘린 Ⅲ에 작용시킬 경우에는 큰 응력을 필요로 한다.
여기에서 CSA의 구성화합물 속에서 팽창성 수화물을 생성하는 기재가 되는 유리석회와 아우인에 주목하여 이들의 반응성과 함께 재료설계방법이 고안되었다. CSA의 수화반응기구로 유리석회는 초기에 반응하고 아우인은 그 후에 천천히 반응한다는 것이 밝혀졌다는 점에서 유리석회는 주로 Ⅱ기에 작용하고, 아우인은 주로 Ⅲ기에 작용하고 있다. 팽창특성이 우수한 팽창재를 재료설계하려면 이상응결을 일으키지 않는 범위에서 유리석회 함유량을 높이는 것이 유효한 재료설계수단이라고 제창되어 왔다.
팽창성능에 영향을 주는 요인의 두 번째는 입도(粒度)이다. 팽창재의 입도가 거칠면 같은 첨가율이라도 팽창률이 커진다는 것은 오래 전부터 알려져 왔다. 그러나 입도가 거칠면 거칠수록 팽창률이 커지는 것은 아니다. 팽창재의 입자를 분별 채취하고 입자군(群)마다에 팽창성능을 확인한 연구가 있다(그림 6). 이에 다르면 팽창재는 90㎛까지는 입자 사이즈가 커짐에 따라서 팽창률도 커진다. 그러나 그것보다도 입자 사이즈가 커지면 팽창률은 오히려 작아진다.
이것은 팽창재 입자가 커지면 그 주위에 생기는 팽창응력은 커지기 때문에 어느 사이즈까지는 팽창률이 커지지만, 그 이상으로 팽창재 입자가 커지면 그것이 가져오는 커다란 팽창응력에 의해 시멘트 매트릭스에 손상을 주어, 마이크로 크랙이 발생한다. 이 마이크로 크랙이 연결되면(즉 패스를 형성하면), 팽창응력의 전달이 정상적으로 이루어지지 않게 되어 팽창률은 오히려 작아지는 것이다.
팽창재의 팽창성능에 미치는 요인의 세 번째는 제조방법이다. 그림7에 각종 팽창재를 혼합한 모르타르의 재령(材齡) 7일째의 팽창재 혼합률과 팽창률의 관계를 나타내었다. 그림에는 비교를 위해서 순수한 유리석화를 혼합한 경우의 측정결과도 병기해 두었다. 유리석회, 아우인 및 무수(無水)석고로 된 클린카를 분쇄하여 조제한 H-CSA(1)은 유리석회와 아우인으로 딘 클린카에 무수 석고를 혼합하여 조제한 H-CSA(2)와 각 화합물을 순합성하여 혼합해서 조제한 H-CSA(3)와 비교하여 팽창재 혼합률에 대한 팽창률이 큰 결과를 보이고 있다. 동일 조성이며 동시에 동등한 분말도의 팽창재라도 팽창재의 조제방법이 다르면 팽창특성도 크게 달라지는 것이다.

4. 작용기구
갈라짐 저항성과 구부러짐 내력(耐力)이 향상되는 작용기구에 대해 최근 연구를 근거로 풀어나가 보자. 지금까지 팽창 콘크리트의 갈라짐 저항성과 구부러짐 내력 향상의 작용기구는 역학계산이나 작업량일정칙(一定則)으로 일반화되어 왔다. 즉, 케미컬 프레스트레스의 도입에 의한 구부러짐 내력의 향상효과로 설명되어 왔다.
그러나 그 한편으로 단순한 수치계산으로는 다 표현할 수 없는 효과가 존재하고 있다는 것도 지적되고 있다. 이것이 난해한 재료로서 많은 연구자가 작용기구의 진상해명을 단념해 왔던 요인이기도 하다. 이 난해한 재료의 메커니즘에 도전한 연구가 있다. 細田과 岸 등은 지금까지 충분히 밝혀지지 않았던 팽창 콘크리트의 갈라짐 저항성의 기구에 대해서 다양한 관점에서 미시적 기구에 기초하여 검토하여 집약했다. 그 일부를 소개하겠다.

팽창 콘크리트에 관한 팽대한 연구보고가 있지만 팽창 콘크리트의 비선형 거동에 주목한 연구는 많지 않다. 그림 8은 1축 인장응력 하의 케미컬 프레스트레스트 부재의 비선형 거동을 나타내고 있다.
팽창재를 혼합하지 않은 보통 모르타르(NM)에서는 갈라짐 발생까지의 거동은 거의 선형이다. 한편 팽창 모르타르(CP)에서는 갈라짐 발생 하중이 현저하게 증대함과 동시에 RC부재로서 큰 비선형 거동을 보인다. 그 결과, 갈라짐의 발생까지 강재(鋼材)가 추가의 응력을 부담하게 되고 부재로서의 갈라짐 내력은 케미컬 프레스트레스 이상으로 향상한다. 이 효과는 구부러짐 부재에서 보다 커진다.
이 기구를 설명하는 컨셉을 다음과 같이 제창했다. 1축 인장응력 하의 팽창 콘크리트를 그림 9에 나타나 있는 것과 같은 병렬로 배치된 미소구조요소로 표현했다. 그리고 경화과정에 있어 팽창작용에 의해 미소구성요소의 초기 뒤틀림에 비균일이 초래된다고 생각하고 있다.
팽창재는 팽창작용에 의해 미시적 레벨에서 주위의 조직에 손상을 준다. 그리고 국소적으로는 상당히 큰 압축력이 축적되어 있는 부분과 인장응력이 작용하고 있는 손상부분이 혼재되어 있다고 생각된다. 미세한 손상에 의해 변형이 커져서 비선형 거동을 나타내고, 국소적으로 큰 압축력이 축적되어 있던 부분에 의해 마크로한 갈라짐의 발생이 억제되어서 갈라짐 발생까지의 변형 능력이 커진다는 것이다. 또한 팽창 콘크리트에서는 갈라짐 발생 후에도 특이한 거동을 보인다. 팽창 콘크리트가 보통 콘크리트와 비교해서 텐션스티프닝 효과가 크다는 것도 밝혀져 있다.

5. 팽창 콘크리트의 내구성
팽창 콘크리트는 실용된 이래 40년 이상의 역사가 있다. 최근 그 내구성 데이터가 차례차례 공개되어 팽창 콘크리트의 신뢰성을 보다 확고한 것으로 만들었다.
이러한 연구에 의해 팽창 콘크리트의 중성화, 연해, 동결융해 등에 대한 저항성은 보통 콘크리트와 동등 이상이라는 것이 밝혀져 있다.

6. 콘크리트용 팽창재의 새로운 전개
저수비(低水比) 팽창 콘크리트의 지속적인 팽창거동을 이용하여 갈라짐의 자기치유기능을 갖는 고기능 콘크리트의 제안이 이루어지고 있다. 또 팽창재를 다량으로 혼합한 콘크리트의 큰 팽창량을 강한 구속력으로 밀봉하여 프레스트레스 효과를 극한까지 끌어내어 기능적인 구조물의 설계에 도움이 되도록 하려는 연구도 이루어지고 있다. 이것은 제진(制震)브레스나 PC트러스를 고기능화시킴으로써 고성능한 건축구조물을 설계하고자 하는 시도이다.

7. 맺음말
화학연구자에 의해 팽창재의 수화반응과 팽창기구가 밝혀지고, 토목 연구자에 의해 팽창콘크리트의 작용기구가 해명되었다.
이렇게 최근의 팽창콘크리트 연구가 현저한 발전을 보인 것은 화학과 토목·건축의 양면에서 심경(深耕)되었다는 것이 큰 요인이다. 시멘트·콘크리트의 모든 연구 분야에서 이러한 연구가 깊이 뿌리내리기를 기대한다. (Ceramics Japan)

그림 1. CSA의 수화에 따른 상조성의 변화
그림 2. CSA-C3A-2수석고계의 수화에 따른 상조성의 변화
그림 3. 팽창재를 혼합한 시멘트 페이스트의 화학수축과 자기체적변화
그림 4. 팽창재를 혼합한 시멘트 페이스트의 세공경(細孔徑) 분포
그림 5. 시멘트 매트릭스의 강도발현과 팽창의 타이밍
그림 6. 팽창재의 입자 사이즈와 팽창률의 관계
그림 7. 제조방법이 다른 팽창재의 팽창성능
그림 8. 1축 인장응력 하에서의 케미컬 프레스트레스트 부재의 비선형 거동