2005년 교토의정서가 발효됨에 따라 시멘트 산업에서도 CO2 배출량을 획기적으로 줄이기 위해 노력의 일환으로 Si와 Al 성분이 풍부한 플라이애쉬를 고알칼리 상태에서 중합 반응을 일으켜 중합체의 Si-O-Al-O 결합을 하고 이러한 결합구조를 통해 강도가 발현 시킨 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 제로 콘크리트 개발에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 따라서, 이 연구에서는 플라이애쉬를 결합재로 사용한 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 제로 콘크리트의 특성을 규명하기 위해 알칼리 ...
2005년 교토의정서가 발효됨에 따라 시멘트 산업에서도 CO2 배출량을 획기적으로 줄이기 위해 노력의 일환으로 Si와 Al 성분이 풍부한 플라이애쉬를 고알칼리 상태에서 중합 반응을 일으켜 중합체의 Si-O-Al-O 결합을 하고 이러한 결합구조를 통해 강도가 발현 시킨 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 제로 콘크리트 개발에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 따라서, 이 연구에서는 플라이애쉬를 결합재로 사용한 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 제로 콘크리트의 특성을 규명하기 위해 알칼리 활성화제, 양생기법, 물리적으로 파쇄시킨 고분말 플라이애쉬, 상온양생 등 다양한 실험을 통해 검토하였고, 미세구조 분석 등을 통해 반응 메커니즘을 규명하고자 하였다. 또한 시멘트 제로 콘크리트의 역학적 특성을 파악하고 콘크리트 생산과정에서 발생되는 CO2 저감을 고려한 경제성 분석을 통하여, 친환경 콘크리트 건설재료로의 활용 방안을 제시하고자 하였다. 이 연구를 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 알칼리 활성화제는 NaOH와 소듐실리케이트를 1:1(SiO2/Al2O3=4.13, Na2O/ SiO2=0.14, Na2O/Al2O3=0.56)로 혼합하여 사용할 경우, 시공성 및 플라이애쉬의 Si와 Al 성분과의 중합반응이 가장 활성화되어 강도발현이 우수한 것으로 나타났다. (2) 양생방법으로 양생온도 60 ℃, 48 시간, 기건양생을 실시함으로써 콘크리트 내부의 수분배출로 중합반응의 활성화를 도모할 수 있으므로 강도증진에 효과적으로 나타났다. (3) 유리질 피막을 물리적으로 파쇄시킨 고분말 플라이애쉬는 알칼리 환경하에서 플라이애쉬 내부의 Si 및 Al 성분의 용출이 용이하여 중합반응을 활성화시킴으로써 초기강도는 크게 증진되었으나, 장기강도 증진효과는 점차 작아지는 것으로 분석되었다. (4) 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 혼합사용은 플라이애쉬의 우수한 유동성과 고로슬래그 미분말의 반응성 등 장․단점을 상호 보완시키기 위한 것으로써 50:50으로 혼합한 경우 우수한 시공성 확보와 70 MPa 이상의 압축강도가 발현되는 것으로 나타났다. 또한 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 첨가시킴으로써 중합반응과 함께 포졸란 반응을 유도시킴으로써 압축강도가 증진되었다. (5) 활성화제의 몰농도가 높을수록, 양생시간이 길수록, 양생온도가 높을수록 중합반응에 의해 플라이애쉬 입자 표면에 큰 각기둥 형상의 반응물질과 그 각기둥 형상 표면에도 작은 알갱이 형태의 반응물질이 수없이 생성되었다. 또한 미반응 플라이애쉬의 표면에서는 플라이애쉬의 Si와 Al성분이 주로 검출되었고, 반응물질에는 알칼리 활성화제의 주성분인 Na성분이 검출되었다. (6) 시멘트 제로 콘크리트는 시공성, 압축강도 쪼갬인장강도에 대해 일반 콘크리트와 매우 유사하게 나타나 OPC를 사용한 콘크리트를 대체할 수 있는 신개념의 친환경 콘크리트로 기대되며, 시멘트 제로 콘크리트에 적합한 압축강도와 탄성계수 및 쪼갬인장강도와의 관계식을 제안하였다. 또한 추후연구로써 시멘트 제로 콘크리트의 역학적 특성관계에 대한 정량적 평가 및 이에 대한 개선방안에 관한 연구는 보다 높은 신뢰도를 갖도록 향후 많은 데이터를 축적하여 진행되어야 한다. (7) 시멘트 제로 콘크리트 배합에서는 배합강도와 관계없이 발생되는 CO2 배출량은 거의 일정하게 나타났다. 따라서 이러한 시멘트 제로 콘크리트의 기술은 콘크리트 건설산업의 CO2 문제를 해결할 수 있는 잠재성 뿐만 아니라 현재 매립되고 있는 상당량의 산업부산물을 건설 재료로 유용하게 활용하여 경제적·환경적으로 큰 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 판단된다.
2005년 교토의정서가 발효됨에 따라 시멘트 산업에서도 CO2 배출량을 획기적으로 줄이기 위해 노력의 일환으로 Si와 Al 성분이 풍부한 플라이애쉬를 고알칼리 상태에서 중합 반응을 일으켜 중합체의 Si-O-Al-O 결합을 하고 이러한 결합구조를 통해 강도가 발현 시킨 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 제로 콘크리트 개발에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 따라서, 이 연구에서는 플라이애쉬를 결합재로 사용한 시멘트를 전혀 사용하지 않는 시멘트 제로 콘크리트의 특성을 규명하기 위해 알칼리 활성화제, 양생기법, 물리적으로 파쇄시킨 고분말 플라이애쉬, 상온양생 등 다양한 실험을 통해 검토하였고, 미세구조 분석 등을 통해 반응 메커니즘을 규명하고자 하였다. 또한 시멘트 제로 콘크리트의 역학적 특성을 파악하고 콘크리트 생산과정에서 발생되는 CO2 저감을 고려한 경제성 분석을 통하여, 친환경 콘크리트 건설재료로의 활용 방안을 제시하고자 하였다. 이 연구를 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 알칼리 활성화제는 NaOH와 소듐실리케이트를 1:1(SiO2/Al2O3=4.13, Na2O/ SiO2=0.14, Na2O/Al2O3=0.56)로 혼합하여 사용할 경우, 시공성 및 플라이애쉬의 Si와 Al 성분과의 중합반응이 가장 활성화되어 강도발현이 우수한 것으로 나타났다. (2) 양생방법으로 양생온도 60 ℃, 48 시간, 기건양생을 실시함으로써 콘크리트 내부의 수분배출로 중합반응의 활성화를 도모할 수 있으므로 강도증진에 효과적으로 나타났다. (3) 유리질 피막을 물리적으로 파쇄시킨 고분말 플라이애쉬는 알칼리 환경하에서 플라이애쉬 내부의 Si 및 Al 성분의 용출이 용이하여 중합반응을 활성화시킴으로써 초기강도는 크게 증진되었으나, 장기강도 증진효과는 점차 작아지는 것으로 분석되었다. (4) 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 혼합사용은 플라이애쉬의 우수한 유동성과 고로슬래그 미분말의 반응성 등 장․단점을 상호 보완시키기 위한 것으로써 50:50으로 혼합한 경우 우수한 시공성 확보와 70 MPa 이상의 압축강도가 발현되는 것으로 나타났다. 또한 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 첨가시킴으로써 중합반응과 함께 포졸란 반응을 유도시킴으로써 압축강도가 증진되었다. (5) 활성화제의 몰농도가 높을수록, 양생시간이 길수록, 양생온도가 높을수록 중합반응에 의해 플라이애쉬 입자 표면에 큰 각기둥 형상의 반응물질과 그 각기둥 형상 표면에도 작은 알갱이 형태의 반응물질이 수없이 생성되었다. 또한 미반응 플라이애쉬의 표면에서는 플라이애쉬의 Si와 Al성분이 주로 검출되었고, 반응물질에는 알칼리 활성화제의 주성분인 Na성분이 검출되었다. (6) 시멘트 제로 콘크리트는 시공성, 압축강도 쪼갬인장강도에 대해 일반 콘크리트와 매우 유사하게 나타나 OPC를 사용한 콘크리트를 대체할 수 있는 신개념의 친환경 콘크리트로 기대되며, 시멘트 제로 콘크리트에 적합한 압축강도와 탄성계수 및 쪼갬인장강도와의 관계식을 제안하였다. 또한 추후연구로써 시멘트 제로 콘크리트의 역학적 특성관계에 대한 정량적 평가 및 이에 대한 개선방안에 관한 연구는 보다 높은 신뢰도를 갖도록 향후 많은 데이터를 축적하여 진행되어야 한다. (7) 시멘트 제로 콘크리트 배합에서는 배합강도와 관계없이 발생되는 CO2 배출량은 거의 일정하게 나타났다. 따라서 이러한 시멘트 제로 콘크리트의 기술은 콘크리트 건설산업의 CO2 문제를 해결할 수 있는 잠재성 뿐만 아니라 현재 매립되고 있는 상당량의 산업부산물을 건설 재료로 유용하게 활용하여 경제적·환경적으로 큰 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 판단된다.
As part of the effort to drastically reduce a CO2 emission since the 2005 Kyoto protocol, cement-zero concrete has also been received much attention in the Cement Industry. Cement zero concrete can develop the compressive strength without ordinary portland cement through the formation of Si-O-Al-O s...
As part of the effort to drastically reduce a CO2 emission since the 2005 Kyoto protocol, cement-zero concrete has also been received much attention in the Cement Industry. Cement zero concrete can develop the compressive strength without ordinary portland cement through the formation of Si-O-Al-O structure obtained by the polymerization of fly ash rich in Si and Al contents and in highly alkaline state. Accordingly, this study examines the characteristics of cement-zero concrete using fly ash as a binder. To this goal, various tests have been conducted to investigate the effects of alkali-activators, curing methods, high fineness fly ash crushed physically, and curing temperature. The reaction mechanism is then identified through the analysis of the micro-structure. Moreover, the mechanical properties of cement-zero concrete is evaluated. Finally, solutions for cement-zero concrete as an environment-friendly construction material are proposed with the economic efficiency by the considerable reduction of CO2 emission for the cement production. Following conclusions can be drawn from this study. (1) The use of 1:1 mix of NaOH and sodium silicate (SiO2/Al2O3=4.13, Na2O/ SiO2=0.14, Na2O/Al2O3=0.56) as alkali-activator is resulted in the best constructability, the most activated polymerization of the Si and Al components of fly ash, and the best development of strength. (2) It was found that the execution of curing at temperature of 60 ℃ during 48 hours and air dry curing contributed to the activation of the polymerization through the exudation of internal moisture of concrete, and therefore, was effective for the improvement of strength. (3) High fineness fly ash of which the glassy membrane has been physically broken activated the polymerization owing to the ease of the elution of the Si and Al components in fly ash in alkaline state. Such property improved significantly the early strength of concrete but this strength improvement effect appeared to reduce gradually in a long term. (4) The mixed use of fly ash and blast furnace slag powder appeared to secure remarkable constructability and develop compressive strength larger than 70 MPa when adopting a 50:50 mix in order to take full advantage of the outstanding fluidity of fly ash and reactivity of blast furnace slag powder. Moreover, the addition of calcium hydroxide (Ca(OH)2) was seen to improve the compressive strength by inducing the polymerization together with the pozzolanic reaction. (5) Larger amounts of column-shaped reactants were generated by the polymerization at the surface of fly ash particles as well larger amounts of small granular reactants at the surface of these column-shaped reactants were generated with higher molarity of the alkali activators, longer duration of curing, and higher curing temperature. Furthermore, Si and Al of fly ash were mainly detected at the surface of non-reacted fly ash whereas Na, the main component of alkali-activators, was detected on the reactants. (6) Cement-zero concrete exhibits constructability, compressive strength, and splitting tensile strength similar to those of ordinary concrete, which makes it a new environment-friendly concrete that could replace conventional concrete with OPC. Formulas relating the compressive strength, elastic modulus, and splitting tensile strength suitable to cement-zero concrete were proposed. In addition, further studies are needed to evaluate the mechanical properties of cement-zero concrete and then suggest solutions for their improvement so as to collect larger amount of data enabling to enhance the reliability of cement-zero concrete. (7) The emission of CO2 produced by the cement-zero concrete mix appeared to be practically constant regardless of the design strength. Accordingly, the proposed cement-zero concrete technology can generate significant added value in terms of economy and environment not only by potentially solving the problem of CO2 gas exhaustion of the concrete construction industry but also by exploiting efficiently a large portion of industrial by-products as construction material.
As part of the effort to drastically reduce a CO2 emission since the 2005 Kyoto protocol, cement-zero concrete has also been received much attention in the Cement Industry. Cement zero concrete can develop the compressive strength without ordinary portland cement through the formation of Si-O-Al-O structure obtained by the polymerization of fly ash rich in Si and Al contents and in highly alkaline state. Accordingly, this study examines the characteristics of cement-zero concrete using fly ash as a binder. To this goal, various tests have been conducted to investigate the effects of alkali-activators, curing methods, high fineness fly ash crushed physically, and curing temperature. The reaction mechanism is then identified through the analysis of the micro-structure. Moreover, the mechanical properties of cement-zero concrete is evaluated. Finally, solutions for cement-zero concrete as an environment-friendly construction material are proposed with the economic efficiency by the considerable reduction of CO2 emission for the cement production. Following conclusions can be drawn from this study. (1) The use of 1:1 mix of NaOH and sodium silicate (SiO2/Al2O3=4.13, Na2O/ SiO2=0.14, Na2O/Al2O3=0.56) as alkali-activator is resulted in the best constructability, the most activated polymerization of the Si and Al components of fly ash, and the best development of strength. (2) It was found that the execution of curing at temperature of 60 ℃ during 48 hours and air dry curing contributed to the activation of the polymerization through the exudation of internal moisture of concrete, and therefore, was effective for the improvement of strength. (3) High fineness fly ash of which the glassy membrane has been physically broken activated the polymerization owing to the ease of the elution of the Si and Al components in fly ash in alkaline state. Such property improved significantly the early strength of concrete but this strength improvement effect appeared to reduce gradually in a long term. (4) The mixed use of fly ash and blast furnace slag powder appeared to secure remarkable constructability and develop compressive strength larger than 70 MPa when adopting a 50:50 mix in order to take full advantage of the outstanding fluidity of fly ash and reactivity of blast furnace slag powder. Moreover, the addition of calcium hydroxide (Ca(OH)2) was seen to improve the compressive strength by inducing the polymerization together with the pozzolanic reaction. (5) Larger amounts of column-shaped reactants were generated by the polymerization at the surface of fly ash particles as well larger amounts of small granular reactants at the surface of these column-shaped reactants were generated with higher molarity of the alkali activators, longer duration of curing, and higher curing temperature. Furthermore, Si and Al of fly ash were mainly detected at the surface of non-reacted fly ash whereas Na, the main component of alkali-activators, was detected on the reactants. (6) Cement-zero concrete exhibits constructability, compressive strength, and splitting tensile strength similar to those of ordinary concrete, which makes it a new environment-friendly concrete that could replace conventional concrete with OPC. Formulas relating the compressive strength, elastic modulus, and splitting tensile strength suitable to cement-zero concrete were proposed. In addition, further studies are needed to evaluate the mechanical properties of cement-zero concrete and then suggest solutions for their improvement so as to collect larger amount of data enabling to enhance the reliability of cement-zero concrete. (7) The emission of CO2 produced by the cement-zero concrete mix appeared to be practically constant regardless of the design strength. Accordingly, the proposed cement-zero concrete technology can generate significant added value in terms of economy and environment not only by potentially solving the problem of CO2 gas exhaustion of the concrete construction industry but also by exploiting efficiently a large portion of industrial by-products as construction material.
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