콘크리트에서 메타카올린의 역할

(1) 시멘트 슬러리와 모르타르의 강도 향상, 고강도는 고성능 콘크리트의 지표 중 하나이다. 메타카올린을 첨가하는 주요 목적 중 하나는 시멘트 모르타르와 콘크리트의 강도를 향상시키는 것이다.

Poon et al. (2001)은 포틀랜드 시멘트를 카올린과 실리카 분말 0~20%(질량 분율)로 대체하여 제조한 물-시멘트비 0.3의 시멘트 슬러리에 대한 압축 강도 시험을 수행했습니다. 그 결과, 카올린을 5~20% 함유한 시멘트 슬러리의 압축 강도는 모든 재령에서 기준 시멘트보다 높았으며, 특히 카올린을 10% 함유한 시멘트는 28일과 90일 경과 후 강도가 기준 시멘트보다 20% 증가했습니다. 실리카 분말을 5~10% 함유한 시멘트 또한 28일과 90일 경과 후 강도가 기준 시멘트보다 20% 증가했으며, 28일과 90일 경과 후 강도는 카올린 시멘트와 유사했지만 초기 강도는 기준 시멘트보다 낮았습니다. 분석 결과, 이는 사용된 실리카 분말의 심한 응집과 시멘트 슬러리 내에서의 불충분한 분산과 관련이 있을 수 있습니다.

(2) Li Keliang 등(2005)은 소성 온도, 소성 시간, 카올린 내 SiO2 및 Al2O3 함량이 시멘트 콘크리트 강도 향상을 위한 메타카올린의 활성에 미치는 영향을 연구했습니다. 메타카올린을 사용하여 고강도 콘크리트와 토양 폴리머를 제조했습니다. 연구 결과, 카올린 함량이 15%이고 물-시멘트비가 0.4일 때 28일 압축강도가 71.9 MPa에 달했습니다. 카올린 함량이 10%이고 물-시멘트비가 0.375일 때는 28일 압축강도가 73.9 MPa에 달했습니다. 또한, 메타카올린 함량이 10%일 때 활성 지수는 114에 도달하여 동일량의 실리콘 분말보다 11.8% 더 높았습니다. 따라서 메타카올린은 고강도 콘크리트 제조에 사용될 수 있다고 판단됩니다.

Qian Xiaoqian 등(2001)은 카올린 함량이 0%, 0.5%, 10%, 15%인 콘크리트의 축방향 인장 응력-변형률 관계를 연구했다. 그들은 카올린 함량이 증가함에 따라 콘크리트의 축방향 인장 강도의 최대 변형률이 크게 증가하고 인장 탄성 계수는 ​​기본적으로 변화가 없음을 발견했다. 그러나 콘크리트의 압축 강도는 크게 증가하고 압축 강도 비율은 그에 따라 감소했다. 카올린 함량이 15%일 때, 콘크리트의 인장 강도와 압축 강도는 기준 콘크리트의 각각 128%와 184%였다.

Cao Zhengliang 등(2004)은 메타카올린 초미세 분말의 콘크리트 강화 효과에 대한 연구에서, 동일한 유동성 조건에서 메타카올린을 10% 함유한 모르타르는 28일 후 압축강도와 휜강도가 6~8% 증가함을 발견했습니다. 메타카올린을 혼합한 콘크리트의 초기 강도 발달은 표준 콘크리트보다 훨씬 빨랐습니다. 기준 콘크리트와 비교했을 때, 메타카올린을 15% 함유한 콘크리트는 3D 축압축강도가 84%, 28일 축압축강도가 80% 증가했으며, 정적 탄성계수는 3D에서 9%, 28일에서 8% 증가했습니다.

황잔 등(2008)은 메타카올린과 슬래그의 다양한 혼합 비율이 콘크리트의 강도 및 내구성에 미치는 영향을 연구했습니다. 연구 결과, 슬래그 콘크리트에 메타카올린을 첨가하면 콘크리트의 강도와 내구성이 모두 향상되는 것으로 나타났습니다. 최적의 슬래그 대 시멘트 비율은 약 3:7이며, 이 비율에서 이상적인 콘크리트 강도를 얻을 수 있었습니다. 메타카올린의 화산재 효과로 인해 복합 콘크리트의 아치 차이는 단일 슬래그 콘크리트보다 약간 더 컸습니다. 또한, 복합 콘크리트의 쪼개짐 인장 강도는 기준 콘크리트보다 높았습니다.

양펑링 등(2011)은 시멘트를 메타카올린, 플라이애시, 슬래그로 동일량 대체하고, 메타카올린을 플라이애시 및 슬래그와 각각 혼합하여 콘크리트를 제조하였다. 제조된 콘크리트의 작업성, 압축강도 및 내구성을 연구하였다. 연구 결과, 시멘트의 5%~25%를 동일량으로 메타카올린으로 대체했을 때 모든 재령에서 콘크리트의 압축강도가 향상되었으며, 특히 시멘트의 20%를 동일량으로 대체했을 때 각 재령에서 최적의 압축강도를 나타냈다. 3일, 7일, 28일 강도는 메타카올린을 첨가하지 않은 콘크리트에 비해 각각 26.0%, 14.3%, 8.9% 높았다. 이는 2종 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우, 메타카올린을 첨가하면 제조된 콘크리트의 강도를 향상시킬 수 있음을 보여준다.

Zhang Chengbo 등(2012)은 제강 슬래그, 메타카올린 등의 재료를 주원료로 사용하여 기존 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 지오폴리머 시멘트를 제조함으로써 에너지 절약, 소비 감소, 폐기물 재활용이라는 목표를 달성했습니다. 연구 결과, 제강재와 비산재 함량이 모두 20%일 때 28일 강도 시험편이 95.5MPa라는 매우 높은 강도를 나타냈습니다. 또한, 제강 슬래그 첨가량이 증가할수록 지오폴리머 시멘트의 수축률을 감소시키는 데에도 효과가 있는 것으로 나타났습니다.

Chen Guocan(2010)은 “포틀랜드 시멘트 + 활성 광물 혼화제 + 고효율 감수제”의 기술 경로, 자화수 콘크리트 기술 및 기존 제조 공정을 채택하여 석재 및 슬래그와 같은 현지에서 조달 가능한 원료를 사용하여 저탄소 초고강도 석재 슬래그 콘크리트 제조 실험을 수행했습니다. 실험 결과, 메타카올린의 적정 투입량은 10%인 것으로 나타났습니다. 초고강도 석재 슬래그 콘크리트의 단위 질량당 시멘트 기여도 대비 강도비는 일반 콘크리트의 약 4.17배, 고강도 콘크리트(HSC)의 약 2.49배, 반응성 분말 콘크리트(RPC)의 약 2.02배였습니다. 따라서 저농도 시멘트로 제조한 초고강도 석재 슬래그 콘크리트는 저탄소 경제 시대의 콘크리트 개발 방향입니다.

(3) 내한성이 있는 카올린을 콘크리트에 첨가하면 콘크리트의 기공 크기가 크게 감소하여 콘크리트의 동결-융해 사이클이 향상됩니다. Feng Naiqian(2002)은 일정 횟수의 동결-융해 사이클에서 카올린 함량이 15%인 콘크리트 시료의 28일 경과 시 탄성 계수가 기준 콘크리트의 28일 경과 시 탄성 계수보다 현저히 높다는 것을 발견했습니다. 콘크리트에 메타카올린과 기타 광물 초미세 분말을 복합적으로 적용하면 콘크리트의 내구성 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.