석탄 바닥재 (coal bottom ash) 는 입자가 크고 모양이 불규칙하여 지오폴리머 (geopolymer) 를 합성하기 위한 좋은 전구체 (precursor) 로써 취급되지 못했다. 때문에 석탄 바닥재의 용해성 실리카 (SiO2) 및 알루미나 (Al2O3) 성분에도 불구하고 지오폴리머에 대한 원료물질로서의 사용이 제한적이었다. 하지만 입자 크기를 낮게 제어하고 양생 방식을 변화시킴으로써, 석탄 바닥재를 사용하여 만든 지오폴리머 또한 물성이 크게 개선될 수 있다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 여러 입도 분포를 갖는 석탄 바닥재 기반 지오폴리머를 제작하고, 그것들을 ...
석탄 바닥재 (coal bottom ash) 는 입자가 크고 모양이 불규칙하여 지오폴리머 (geopolymer) 를 합성하기 위한 좋은 전구체 (precursor) 로써 취급되지 못했다. 때문에 석탄 바닥재의 용해성 실리카 (SiO2) 및 알루미나 (Al2O3) 성분에도 불구하고 지오폴리머에 대한 원료물질로서의 사용이 제한적이었다. 하지만 입자 크기를 낮게 제어하고 양생 방식을 변화시킴으로써, 석탄 바닥재를 사용하여 만든 지오폴리머 또한 물성이 크게 개선될 수 있다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 여러 입도 분포를 갖는 석탄 바닥재 기반 지오폴리머를 제작하고, 그것들을 마이크로웨이브 또는 고온로에서 가열시켜, 서로 다른 가열 방식이 지오폴리머 압축강도에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 이를 위해 우선, 석탄 바닥재는 체거름 (sieving)을 통해 거친 석탄 바닥재 입자 (CCBA; 평균 입자 크기: 441.15 μm)와 고운 석탄 바닥재 입자 (FCBA; 평균 입자 크기: 42.74 μm)로 분류되었다. 고운 석탄 바닥재 입자와 거친 석탄 바닥재 입자를 각각 다시 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8의 질량 비율로 혼합하여 이원혼합물을 만들고 특정한 양의 알칼리 활성화제를 준비된 혼합물에 첨가하였다. 그 후, 지오폴리머 반죽 (geopolymer paste) 를 100 bar의 한정된 압력으로 압축하여 입방 5cm 정육면체로 성형한 후, 75℃ 건조 오븐에서 24 시간 동안 예비 양생 시켜 지오폴리머 시편을 제작하였다. 예비 양생 과정을 마친 각각의 시편들은 600 W출력의 마이크로웨이브와 300℃, 600℃, 및 900℃의 고온전기로에 노출되었다. 석탄 바닥재 기반 지오폴리머의 압축강도는 서로 다른 열적 환경에 의해 좌우되며, 전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 및 적외선 분광 (Fourier transform Infrared, FTIR) 분석은 이러한 거동에 대한 깊은 이해를 도왔다. 마이크로웨이브 가열 방식의 경우, 마이크로웨이브 에너지에 의해 지오폴리머 생성 반응이 촉진되었을 뿐만 아니라, 수분 증발량이 압축강도 발달에 가장 중요한 요인이라는 것이 밝혀졌다. 마이크로웨이브 조사 이후, 더 많은 지오폴리머가 생성되는 것이 SEM 분석을 통하여 확인되었으며, 이러한 경향은 또한 FTIR의 Si-O-T (T: Si 또는Al) 피크가 낮은 파수로 이동하는 현상을 통해서도 확인되었다. 특히, 시편의 종류에 관계없이 초기 액체 함량에 대비한 수분 증발량이 45내지 50 % 일 때 최고 압축강도 (FCBA와 CCBA의 질량 비율이 10:0인 석탄재 이원혼합물로 합성된 시편에서 최고44 MPa의 압축강도가 달성됨)가 나타났으며, 그 범위 이상으로 가열될 경우, 시편 내부의 과도한 열 축적에 의해 구조적 긴장이 유발되고 압축강도가 하락하였다. 한편, 고온로 가열의 경우, 가열 정도가 압축강도 발달에 가장 큰 요인이었다. 300℃에서 가열한 이후, 구조 내부의 수많은 미세 균열 (micro-crack) 들이 생겼으며, 이러한 결함들은 18 내지 21 MPa 정도의 낮은 압축강도를 초래했다. 그러나, 가열 온도가 600℃로 높아지면서, 부분 소결과 추가적인 지오폴리머 반응에 의해 구조적 강화가 진행되었다. 국부적인 용융이 구조들이 SEM 사진 상에서 관측되었으며, 지오폴리머 구조로의 알루미늄 (aluminum) 성분의 결합이FTIR 분광분석에서 낮은 파수로의 Si-O-T 피크 이동으로 확인되었다. 특히, 900℃의 고온에서 소결은 가장 우세한 압축강도 발달 요인이었으며, 따라서 가열 후, 가장 큰 조밀도를 갖는 석탄재 이원혼합물로 합성된 시편이 가장 높은 압축 강도인 38 MPa를 나타냈다. 더욱이, C-O 진동에 의한 IR 피크의 감쇠를 통해 확인된 900℃에서의 Na2CO3의 분해는 백화 현상을 방지하였다. 본 연구에서는 수분 손실 측면에서 높은 압축 강도를 위한 마이크로웨이브 가열의 최적 조건을 제시하고, 300℃, 600℃ 그리고 900℃의 고온에서 압축강도 발달 특성을 조명하였다.
석탄 바닥재 (coal bottom ash) 는 입자가 크고 모양이 불규칙하여 지오폴리머 (geopolymer) 를 합성하기 위한 좋은 전구체 (precursor) 로써 취급되지 못했다. 때문에 석탄 바닥재의 용해성 실리카 (SiO2) 및 알루미나 (Al2O3) 성분에도 불구하고 지오폴리머에 대한 원료물질로서의 사용이 제한적이었다. 하지만 입자 크기를 낮게 제어하고 양생 방식을 변화시킴으로써, 석탄 바닥재를 사용하여 만든 지오폴리머 또한 물성이 크게 개선될 수 있다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 여러 입도 분포를 갖는 석탄 바닥재 기반 지오폴리머를 제작하고, 그것들을 마이크로웨이브 또는 고온로에서 가열시켜, 서로 다른 가열 방식이 지오폴리머 압축강도에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 이를 위해 우선, 석탄 바닥재는 체거름 (sieving)을 통해 거친 석탄 바닥재 입자 (CCBA; 평균 입자 크기: 441.15 μm)와 고운 석탄 바닥재 입자 (FCBA; 평균 입자 크기: 42.74 μm)로 분류되었다. 고운 석탄 바닥재 입자와 거친 석탄 바닥재 입자를 각각 다시 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8의 질량 비율로 혼합하여 이원혼합물을 만들고 특정한 양의 알칼리 활성화제를 준비된 혼합물에 첨가하였다. 그 후, 지오폴리머 반죽 (geopolymer paste) 를 100 bar의 한정된 압력으로 압축하여 입방 5cm 정육면체로 성형한 후, 75℃ 건조 오븐에서 24 시간 동안 예비 양생 시켜 지오폴리머 시편을 제작하였다. 예비 양생 과정을 마친 각각의 시편들은 600 W출력의 마이크로웨이브와 300℃, 600℃, 및 900℃의 고온전기로에 노출되었다. 석탄 바닥재 기반 지오폴리머의 압축강도는 서로 다른 열적 환경에 의해 좌우되며, 전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 및 적외선 분광 (Fourier transform Infrared, FTIR) 분석은 이러한 거동에 대한 깊은 이해를 도왔다. 마이크로웨이브 가열 방식의 경우, 마이크로웨이브 에너지에 의해 지오폴리머 생성 반응이 촉진되었을 뿐만 아니라, 수분 증발량이 압축강도 발달에 가장 중요한 요인이라는 것이 밝혀졌다. 마이크로웨이브 조사 이후, 더 많은 지오폴리머가 생성되는 것이 SEM 분석을 통하여 확인되었으며, 이러한 경향은 또한 FTIR의 Si-O-T (T: Si 또는Al) 피크가 낮은 파수로 이동하는 현상을 통해서도 확인되었다. 특히, 시편의 종류에 관계없이 초기 액체 함량에 대비한 수분 증발량이 45내지 50 % 일 때 최고 압축강도 (FCBA와 CCBA의 질량 비율이 10:0인 석탄재 이원혼합물로 합성된 시편에서 최고44 MPa의 압축강도가 달성됨)가 나타났으며, 그 범위 이상으로 가열될 경우, 시편 내부의 과도한 열 축적에 의해 구조적 긴장이 유발되고 압축강도가 하락하였다. 한편, 고온로 가열의 경우, 가열 정도가 압축강도 발달에 가장 큰 요인이었다. 300℃에서 가열한 이후, 구조 내부의 수많은 미세 균열 (micro-crack) 들이 생겼으며, 이러한 결함들은 18 내지 21 MPa 정도의 낮은 압축강도를 초래했다. 그러나, 가열 온도가 600℃로 높아지면서, 부분 소결과 추가적인 지오폴리머 반응에 의해 구조적 강화가 진행되었다. 국부적인 용융이 구조들이 SEM 사진 상에서 관측되었으며, 지오폴리머 구조로의 알루미늄 (aluminum) 성분의 결합이FTIR 분광분석에서 낮은 파수로의 Si-O-T 피크 이동으로 확인되었다. 특히, 900℃의 고온에서 소결은 가장 우세한 압축강도 발달 요인이었으며, 따라서 가열 후, 가장 큰 조밀도를 갖는 석탄재 이원혼합물로 합성된 시편이 가장 높은 압축 강도인 38 MPa를 나타냈다. 더욱이, C-O 진동에 의한 IR 피크의 감쇠를 통해 확인된 900℃에서의 Na2CO3의 분해는 백화 현상을 방지하였다. 본 연구에서는 수분 손실 측면에서 높은 압축 강도를 위한 마이크로웨이브 가열의 최적 조건을 제시하고, 300℃, 600℃ 그리고 900℃의 고온에서 압축강도 발달 특성을 조명하였다.
Coal bottom ash (CBA) has not been considered to be a promising precursor for geopolymer due to its large and irregular shapes, and impurities like unburnt carbon. Thus, the use of CBA in geopolymers has been limited in spite of its abundant soluble alumina and silica contents. The properties of CBA...
Coal bottom ash (CBA) has not been considered to be a promising precursor for geopolymer due to its large and irregular shapes, and impurities like unburnt carbon. Thus, the use of CBA in geopolymers has been limited in spite of its abundant soluble alumina and silica contents. The properties of CBA based geopolymer also can be highly enhanced by reducing the particle size under various thermal curing conditions. In this regard, we first fabricated numerous types of geopolymer samples according to CBA particle size and exposed them to microwave energy or high temperature furnace heating, in order to investigate the thermal effects on the compressive strength of CBA based geopolymer. The CBA particles were classified into coarsely ground coal bottom ash (CCBA; mean size: 441.15 μm) and finely ground coal bottom ash (FCBA; mean size: 42.74 μm) through sieving the ground ash after milling the received CBA. Then, binary mixtures artificially prepared by blending FCBA and CCBA according to mass ratios at 10:0, 8:2, 6:4, 4:6 and 2:8, respectively, and 14 M NaOH alkali activator was added into them just before mixing to make paste materials. The mixed paste was immediately poured into a mold and compressed to a confining pressure of 100 bar to make a 5 cm cubic precast specimen, followed by pre-curing in 75℃ dry oven for 24 hours. Thereafter, the samples were cured either in a microwave oven under a power of 600 W or in a furnace at 300℃, 600℃ and 900℃, respectively. It has been found that the development of compressive strength in CBA based geopolymer was governed by the different thermal curing environments, and Scanning Electron Microscope (SEM) and Fourier transform Infrared (FTIR) analysis provided useful insights on that behavior. In case of microwave heating, it was revealed that the geopolymer reaction was promoted under microwave energy to some extension of heating periods. It was confirmed in SEM image that more geopolymer products were synthesized after microwave heating, which was also reflected in the FTIR results by showing the shift of Si-O-T (T: Al or Si) peaks to lower wavenumber. In addition, regardless of sample types, the compressive strength reached to its maximum value (up to 44 MPa in the sample consisting of binary mixture of FCBA/CCBA with the weight ratio at 10:0) when the amount of evaporated moisture arrived at the range of 45 ~ 50 % compared to its initial alkali activator mass, while the overexposure exceeding that range led to the decrease of compressive strength owing to the internal stress accumulated from superheated process. On the other hand, in the high temperature furnace heating, the development of compressive strength was dominantly influenced by the heating temperatures. After heating to 300℃, there were numerous micro-cracks on the matrix and such defects resulted in the low compressive strength values of 18 to 21 MPa. However, as the heating temperature increased to 600℃, the structural reinforcement was initiated through the partial sintering and the additional geopolymer reaction. The melting phenomena within the matrix which was confirmed with the SEM micrographs and with the shift of Si-O-T (T: Al or Si) peak in the FTIR results toward the lower wavenumber than that at 300℃, indicating the further reaction of Al species incorporated into geopolymer matrix. Especially, at 900℃, sintering was the most dominant factor for the compressive strength gain, therefore, the sample consisting of ash mixture of FCBA/CCBA with the weight ratio at 6:4 displaying the best packing density, exhibited the highest compressive strength of 38 MPa after heating to 900℃. Moreover, the decomposition of Na2CO3 at 900℃ which was verified via the attenuation in the FTIR peak corresponding to C-O vibration made the sample resistant to efflorescence. The current study for achieving high compressive strength in the CBA based geopolymer suggested the optimum conditions in microwave heating as a function of moisture loss and in the furnace at the elevated temperature of 300℃, 600℃ and 900℃.
Coal bottom ash (CBA) has not been considered to be a promising precursor for geopolymer due to its large and irregular shapes, and impurities like unburnt carbon. Thus, the use of CBA in geopolymers has been limited in spite of its abundant soluble alumina and silica contents. The properties of CBA based geopolymer also can be highly enhanced by reducing the particle size under various thermal curing conditions. In this regard, we first fabricated numerous types of geopolymer samples according to CBA particle size and exposed them to microwave energy or high temperature furnace heating, in order to investigate the thermal effects on the compressive strength of CBA based geopolymer. The CBA particles were classified into coarsely ground coal bottom ash (CCBA; mean size: 441.15 μm) and finely ground coal bottom ash (FCBA; mean size: 42.74 μm) through sieving the ground ash after milling the received CBA. Then, binary mixtures artificially prepared by blending FCBA and CCBA according to mass ratios at 10:0, 8:2, 6:4, 4:6 and 2:8, respectively, and 14 M NaOH alkali activator was added into them just before mixing to make paste materials. The mixed paste was immediately poured into a mold and compressed to a confining pressure of 100 bar to make a 5 cm cubic precast specimen, followed by pre-curing in 75℃ dry oven for 24 hours. Thereafter, the samples were cured either in a microwave oven under a power of 600 W or in a furnace at 300℃, 600℃ and 900℃, respectively. It has been found that the development of compressive strength in CBA based geopolymer was governed by the different thermal curing environments, and Scanning Electron Microscope (SEM) and Fourier transform Infrared (FTIR) analysis provided useful insights on that behavior. In case of microwave heating, it was revealed that the geopolymer reaction was promoted under microwave energy to some extension of heating periods. It was confirmed in SEM image that more geopolymer products were synthesized after microwave heating, which was also reflected in the FTIR results by showing the shift of Si-O-T (T: Al or Si) peaks to lower wavenumber. In addition, regardless of sample types, the compressive strength reached to its maximum value (up to 44 MPa in the sample consisting of binary mixture of FCBA/CCBA with the weight ratio at 10:0) when the amount of evaporated moisture arrived at the range of 45 ~ 50 % compared to its initial alkali activator mass, while the overexposure exceeding that range led to the decrease of compressive strength owing to the internal stress accumulated from superheated process. On the other hand, in the high temperature furnace heating, the development of compressive strength was dominantly influenced by the heating temperatures. After heating to 300℃, there were numerous micro-cracks on the matrix and such defects resulted in the low compressive strength values of 18 to 21 MPa. However, as the heating temperature increased to 600℃, the structural reinforcement was initiated through the partial sintering and the additional geopolymer reaction. The melting phenomena within the matrix which was confirmed with the SEM micrographs and with the shift of Si-O-T (T: Al or Si) peak in the FTIR results toward the lower wavenumber than that at 300℃, indicating the further reaction of Al species incorporated into geopolymer matrix. Especially, at 900℃, sintering was the most dominant factor for the compressive strength gain, therefore, the sample consisting of ash mixture of FCBA/CCBA with the weight ratio at 6:4 displaying the best packing density, exhibited the highest compressive strength of 38 MPa after heating to 900℃. Moreover, the decomposition of Na2CO3 at 900℃ which was verified via the attenuation in the FTIR peak corresponding to C-O vibration made the sample resistant to efflorescence. The current study for achieving high compressive strength in the CBA based geopolymer suggested the optimum conditions in microwave heating as a function of moisture loss and in the furnace at the elevated temperature of 300℃, 600℃ and 900℃.
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