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문제 정의
- 본 연구는 GBFS에 PG 및 ML을 황산염 및 알카리 자극제로 이용하여 비소성 시멘트(non-sintering cement; NSC) 를 제조하고 이의 수화반응 특성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- Table 2의 배합에 따라 원재료들이 충분히 혼합되도록 건비빔 한 후, 물을 가해 모르타르 믹서로 1분 30초 동안 비빔 하여 페이스트를 제조하였으며, 이를 50 x 50 x 50 mm 몰드에 타설하여 표준 양생실(20 ℃, 50%RH)에서 1 일간 양생한 다음 20±2 ℃인 수중에서 양생하여 시험체를 제작하였다.
- Table 2는 NSC의 배합을 나타낸 것이다. 각각 APG, DPG 및 陋을 사용한 3가지의 기본 배합을 선정하였다. NSC와 물성을 비교하기 위한 고로슬래그 시멘트(blastfurnace slag cement, 이하 BSC)는 OPC와 GBFS를 50: 50으로 혼합하여 제조하였다.
- 재령에 따른 페이스트 경화체를 UTM으로 파쇄하여 내부의 파단면을 취하여 SEM 분석 시료로 하였으며, 75㎛ 이하로 미분쇄한 후 XRD 및 DTA 분석을 실시하여 생성된 수화물의 종류 및 양을 비교 분석하였다. XRD의 scan speed는 4°/min으로 하였고 회절각은 5~60。으로 하였으며 DTA의 분석은 1,000 ℃까지로 하였다.
대상 데이터
- 각각 APG, DPG 및 陋을 사용한 3가지의 기본 배합을 선정하였다. NSC와 물성을 비교하기 위한 고로슬래그 시멘트(blastfurnace slag cement, 이하 BSC)는 OPC와 GBFS를 50: 50으로 혼합하여 제조하였다.
- 观은 배출상태의 것을 90 ℃에서 1일 건조한 후 미분쇄하여 사용하였다. NSC와 물성을 비교하기 위한 보통포틀랜드시멘트(OPC)는 D사의 것을 사용하였다. 사용 재료의 물리·화학적 성질은 Table 1에 나타낸 것과 같다.
- SL) 와그리고。사에서 소다회 (Na舟以) 제조 공정 중에 폐기물로 배출되는 W를 사용하였다. PG는 0.
성능/효과
- 1) PG량이 부족할 경우, GBFS에 함유되어 있는 CaO 및 AI2O3 성분이 완전히 ettringite로 전환되지 못하여 여분의 CaO 및 A* b 은 물과 반응하여 칼슘알루미네이트 수화물 C4AHI3을 생성하거나 또는 이미 생성된 ettringite 중의 석고와 반응하여 강도발현이 ettringite보다 훨씬 작은 monosulfate를 생성한다.
- 2) PG량이 과대할 경우 미반응 PG가 다량 잔존하게 되고 GBFS 입자표면에 흡착하여 ettringite 및 C-S-H겔의생성도 일부 제약할 뿐만 아니라 경화체의 결합력을 감소 시 킨다.
- 3) DPG 및 폐석회를 사용한 경우 APG를 사용한 경우에 비하여 초기 3일 재령에서는 ettiingite의 생성량이 적으나 7일 재령부터는 큰 차이 없이 ettringite 및 C-S-H겔의 생성이 매우 활발하게 진행된다.
- 4) NSC의 주요 생성광물은 GBFS의 유리질 피막이 파괴되면서 알칼리 자극 및 황산염 자극을 받아 GBFS의 내 부에서 용출되는 이온이 PG와 반응하여 etHngite를생성시키고 GBFS 중의 남은 성분은 서서히 C-S-H(I) 계의 겔상 수화물을 형성함으로서 강도를 발현하며 이때 PG는 단순 자극작용 뿐만 아니라 GBFS와 반응하는 결합재 역할도 동시에 수행한다.
- 5) NSC의 경우 3일 이후의 재령에서 pH가 11.8~ 12.2의 범위내에 존재하기 때문에 다른 강알칼리 자극제 (NaOH, KOH 등)를 사용한 경우에 비하여 다량의 ettringite를 생성할 수 있는 것으로 판단된다.
- 皿을 혼입한 NSC3의 경우 90일 재령에서 공극을 ettringite와함께 WL 입자가 충전하고 있는 모습이 관찰되는데 이는 성분 중 소석회 및 석고 성분은 GBFS와 반응을 하여 소비되나 탄산칼슘 성분은 반응하지 않고 안정한 형태로 공극 사이를 충전하는 것으로 판단된다. NSC 페이스트의 내부 미세구조를 관찰한 결과를 종합하면 수화반응에 따른 초기 재령에서의 강도 발현은 다량의 ettrin想ite를 골격으로 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H 겔은 ettringite를 감싸며 재령이 경과함에 따라 생성량이 지속적으로 증가하고 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 ettringite와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 높은 강도 발현을 한다.
- APG의 혼입률 12%까지는 혼입량이 증가할수록 ettringite와 C-S-H(1)겔의 생성량이 증가하지만 혼입률 12%와 14%는 큰 차이를 보이지 않는다. 따라서 GBFS와 APG 사이에는 최적 혼입량이 존재하며 본 실험에서는 GBFS가 87%이고 SL이 1%일 경우 최적 APG 혼입량은 12%로 추천되는데, 이는 일부 미반응 PG 가 존재하기는 하지만 ettringite의 생성량이 최대로 되어경화체의 강도발현에 유리하게 작용하기 때문이다.
- OPC의 경우 가열온도 100 ~160 ℃ 범위의 흡열피크는 재령에 관계없이 모두 비슷한 수준으로 나타났는데 이것은 ettringite 혹은 monosulfate 의 열분해가 이 온도범위에서 이루어지기 때문이다. 또한 가열온도 450 ℃ 부근의 범위에서 나타나는 흡열곡선은수산화칼슘의 흡열피크로서 재령이 경과함에 따라 지속적으로 그 양이 증가하는 것으로 나타났다.
- 않는다. 또한 모든 배합의 시멘트페이스트에서 칼슘알루미네이트 수화물 C4AH13이 생성되지 않은 것으로 미루어 보아 GBFS와의 반응에 필요한 PG의 부족 현상은 없었던 것으로 판단된다.
- 초기 재령에서 PG량이 부족할 경우 GBFS에 함유되어 있는 CaO 및 向众을 완전히 ettringite로 전환되지 못하여 여분의 CaO 및 AI2O3은물과 반응하여 칼슘알루미네이트 수화물 C, iAHi3을 생성하거나 또는 이미 생성된 ettringite 중의 PG와 반응하여 강도 발현이 ettrin琨ite보다 훨씬 작은 monosulfate가 생성하게 된다. 본 XRD 분석 결과 APG 10%이하의 혼입률에서는 칼슘알루미네이트 수화물이 생성되는 것을 확인할 수 있다. APG 의 혼입률 12%까지는 혼입량이 증가할수록 ettringite와 C-S-H(I)겔의 생성량이 증가하지만 혼입률 12 %와 14%는 큰 차이를 보이지 않는다.
- 본 연구의 XRD 분석을 통해 칼슘실리케이트 수화물도 ettringite의 생성과 동시에 확인되었다. 이것은 기존의 고 황산염 시멘트의 수화를 촉진하는 ettiin能ite의 생성에는 pH 12 부근이 이상적이라고 하는 보고와도 일치한다初7).
- 28일 재령에서는 주생성광물이 C-S-H(1)겔로 나타나며 ettringite 의 피크는 상대적으로 감소한다. 이는 초기 재령에서 수화반응을 개시하지 못한 PG가 그 자체 광물로 존재하다가 점차 GBFS와 반응하여 수화물을 생성하기 시작한다는 것을 의미하여 생성된 ettringite도 더욱 안정한 C-S-H(1)겔로 전이되고 있음을 확인할 수 있다.
- 5는 NSC1 페이스트의 28일 재령에서의 XRD 분석 결과이다. 전체적으로 전술한 3일 및 7일 재령에 비하 여비 결정질이 상당히 감소함을 확인할 수 있고 C-S-H겔의피크가 매우 발달함을 확인할 수 있다. 반면에 ettringite 의 피크는 7일 재령에 비해 큰 폭으로 감소하긴 하였으나 여전히 존재하고 있다.
- 2는 BSC 페이스트의 XRD 분석결과로서 OPC와 마찬가지로 초기 3일 재령에서 ettringite의 피크가 약하게나마 관찰되나 7일 이후 재령에서는 관찰되지 않는다. 주요 생성물은 Ca(0H)2 및 CSH겔이며 재령이 지남에 따라그 생성량이 증가하나 OK에 비하여 Ca(OH)2의 생성량은 큰 폭으로 감소하고 C-S-H겔의 생성량 증가가 큼을 알 수 있다. 이는 OPC의 수화반응을 통해 생성된 Ca(0H)2가 GBFS와의 반응하여 C-S-H겔을 생성하면서 소모되기 때문이다.
후속연구
- 40톤으로서 결국 1톤의 시멘트를 생산할 때마다 약 1톤의 이산화탄소를 배출하게 된다. 따라서 향후 온실가스 감축은 시멘트 업계의 가장 큰 현안으로 등장할 것이며, 협약이 발효될 경우 한국 시멘트 업계는 시멘트 클링커 생산량을 50% 이상 감축해야 할 것으로 예견된다그러나 세계의 시멘트 수요량은 향후 21세기 초반까지 매년 2.5~5.8% 정도의 증가가 예상되고 있어° 교토의정서의 준수와 시멘트 수요의 증가를 동시에 충족시키기 위해서는 이산화탄소의 배출이 적거나 거의 없는 시멘트의 개발이 필요하다.
- 이에 대한 대응 방안으로 클링커를 사용하지 않고 산업부산물을 이용하여 시멘트를 제조할 수 있다면 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 클링커를 사용하지 않고 산업부산물인고로슬래그미 분말(granulated blast-furnace slag; GBFS),폐인산석고 (phosphogypsim PG), 폐석회 (was 坨 lime; WL) 등을 이용하여 시멘트를 제조할 수 있다면 산업부산물을 고부가성 자원으로 활용을 극대화 할 수 있음은 물론 클링커의 제조에 의한 천연자원 및 에너지 절약, 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제해결, 생산원가의 절감 등과 더불어 많은 장점이 있다.
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