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클링커 냉각속도의 정량적 해석 및 냉각속도가 시멘트 강도발현에 미치는 영향고찰
Quantitative Interpretation of Cooling Rate of Clinker and It's Effects on the Cement Strength Development 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.44 no.4 = no.299, 2007년, pp.224 - 229  

김창범 (쌍용기술연구소) ,  최성철 (한양대학교 신소재공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To evaluate the cooling rate of clinker quantitatively, several clinkers with different cooling rate were made in the laboratory. The X-ray diffraction pattern of Ferrite 002 reflection were measured and the parameters were calculated by using split type pseudo-Voigt function. The X-ray diffraction ...

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제안 방법

  • Profile fitting에 의한 f&rite상 회절패턴 분해를 위한 profile 함수중의 parameter를 도출 하여 프로그램에 적용하기 위하여 냉각속도를 각각 달리한 실험실적 클링커를 제조하였다. 클링커 원료는 공장 클링커의 조성과 유사한 클링커 제조를 위해 공장생산 조합 원료를 사용하였으며, modulus조정을 위해 석회석과 규산질 원료를 소량 보정하여 사용하였고, MgO 함량에 따른 ferrite peak의 반가폭영향을 살펴보기 위해 MgO를 특급시약을 사용하여 보정하였다.
  • 공장제조 클링커의 입자크기와 profile fitting에 의해 산출한 냉각지수와의 상관관계를 살펴보기 위해 S사 Y 공장의 클링커 시료를 입수하여 일정 입자크기 구간으로 체 분리한 후, 각 입자크기별 클링커에 대해 냉각지수를 산출하였다. 분석은 생산lot별로 채취한 세 종류의 클링커 시료를 대상으로 하였다.
  • 냉각속도를 A, D, F(급냉, 중냉, 서냉)로 하여 제조한 클링커 각각에 대해 3.3항의 XRD 측정 조건으로 측정한 후, 작성된 프로그램을 이용하여 企rrite상 020의 회절선 profile fitting을 실행함으로써 Table 3에 나타낸 바와 같이 각 클링커에 대한 split형 모형함수중의 parameter값을 도출하였.
  • 냉각속도를 변화시켜 간극질의 결정상태가 달라 지도록 클링커를 제조하여 이들 클링커의 분말 X-선의 profile fitting방법을 검토하였다. 이를 위해 pseudo-Vbigt함수를이용한 profile fitting 프로그램을 작성하였다.
  • 7% 범위에서 함량 증가에 따른 반가 폭 변화는 무시할 정도로 작게 나타났다. 따라서 본고에서는 평균화된 공장 클링커의 profile fitting시 이들 미량 성분들의 영향은 보정하지 않았다.
  • 모형함수에서 background를 BG(x), 각 회절선의 적분강도(integrated intensity)® k로 하면, Y(x)=BG(x)+ £(£>< P(x»)가 계산에 의해 그려지는 회절패턴이 된다. 따라서 작성된 프로그램을 이용하여 상기 함수에 의해 측정으로부터 얻은 적분강도丫(3园와 계산으로부터 얻은 적분강도Y(xJ函와의 잔차 제곱합을 최소화 하는 해 찾기로 profile 鱼ting을 실행하였다. 프로그램에서 background함수는 일차식으로 하였고, Kai과 Kot?의 회절강도는 1:0.
  • 또한 다양한 클링커 입자크기 및 냉각속도가 상이한 집합체로 구성된 공장 클링커의 냉각속도와 압축 강도와의 상관성을 살펴보았다. 비교 대상으로는 공정조건에 따라 수시로 특성이 변동되는 클링커를 채취하여 분석하였다.
  • 하였다. 또한 작성된 프로그램을 이용하여 profile fitting법7)으로 산출한 공장 클링커의 냉각속도 지수가 시멘트 강도발현에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
  • 본 논문에서는 다양한 냉각상태를 가지고 있는 공장 클링커의 총량적인 냉각속도를 지수화 하기위한 수단으로서 냉각속도를 달리한 실험실적 클링커를 제조하여 X-선회절 특성을 분석하고 split형 모형함수를 사용한 parameter 를 도출하였으며, 이를 이용하여 실제 공장생산 클링커의 생성 광물 중 ferrite상의 X-선 회절 패턴을 분해 함으로써 클링커의 냉각속도를 정량적으로 산출하는 방법을 프로그램화 하였다. 또한 작성된 프로그램을 이용하여 profile fitting법7)으로 산출한 공장 클링커의 냉각속도 지수가 시멘트 강도발현에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
  • PW 1710 generator를 사용하였다. 사용 X-선은 CuKa, 관전압 및 관전류는 40 kV, 30 mV, 발산 및 산란slit 는 1.0°, 수광slit는 0.3 mm로 하였고, f&rite상 020의 회 절선 측정은 20= 11.0°~ 12.7°의 범위를 스텝 스캔 하였으며, 0.02°의 간격으로 4초간 행하였다. 측정회수는 fitting의 정밀도를 높이기 위해 동일시료에 대해 6회 반복 측정한 데이터의 평균치를 profile fitting의 데이터 값으로 하였다.
  • 먼저 일정한 크기로 성구한 클링커 원료를 900℃에서 30분 동안 하소 후, 1500℃까지 30℃/min 의 승온속도로 승온하여 5분간 유지한 후 1450℃까지 40℃/min로 낮추어 1450℃에서 40분간 유지하였다. 소성 완료 후에는 Table 2에서와 같이 냉각속도를 서로 달리하여 각각 급냉(A클링커), 중냉(D클링커), 서냉(F클링커) 클링커를 제조하여 특성을 분석하였다.
  • 비교 대상으로는 공정조건에 따라 수시로 특성이 변동되는 클링커를 채취하여 분석하였다. 시료 채취 시에는 입자크기에 치우침이 없도록 주의하였으며, 분석은 채취 시료를 일정량 축분하여 사용하였다.
  • 따라서 작성된 프로그램을 이용하여 상기 함수에 의해 측정으로부터 얻은 적분강도丫(3园와 계산으로부터 얻은 적분강도Y(xJ函와의 잔차 제곱합을 최소화 하는 해 찾기로 profile 鱼ting을 실행하였다. 프로그램에서 background함수는 일차식으로 하였고, Kai과 Kot?의 회절강도는 1:0.497로 profilee 동일하게 적용하였으며 Atting의 적합성 정도 R„p는 다음식으로 정의하여 fitting의 정확도에 대한 척도로 활용하였다.
  • 다라서 시멘트 특성을 예측, 관리하기 위해서는 클링커 구성 광물의 미세조직을 정확히 판정할 필요가 있다. 이러한 판정법으로 각 클링커 광물의 미세조직에 영향을 미치는 클링커 냉각속도를 ferrite상의 회절선의 변화로부터 판정하는 방법 즉, profile fitting법을 이용하여 다양한 속도로 냉각된 각 구성광물의 집합체로 되어있는 클링커 및 시멘트 중의 f&rite상의 X-선 회절 패턴을 사전에 선정허 둔 냉각속도가 다른 여러 실험실 클링커의 X-선 회절 profle 로 분해함으로써 그 적분강도 비율로부터 냉각속도를 판정하는 방법에 대해 검토하였다.
  • 이를 위해 pseudo-Vbigt함수를이용한 profile fitting 프로그램을 작성하였다. 작성된 프로그램을 이용하여 공장 클링커의 냉각지수를 산출하였으며, 이들 냉각지수가 압축강도 발현특성에 미치는 영향을 검토한 결과 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
  • 전기로를 이용하여 간극질 생성상태를 달리한 클링커를 제조하였다. 먼저 일정한 크기로 성구한 클링커 원료를 900℃에서 30분 동안 하소 후, 1500℃까지 30℃/min 의 승온속도로 승온하여 5분간 유지한 후 1450℃까지 40℃/min로 낮추어 1450℃에서 40분간 유지하였다.
  • 클링커 원료는 공장 클링커의 조성과 유사한 클링커 제조를 위해 공장생산 조합 원료를 사용하였으며, modulus조정을 위해 석회석과 규산질 원료를 소량 보정하여 사용하였고, MgO 함량에 따른 ferrite peak의 반가폭영향을 살펴보기 위해 MgO를 특급시약을 사용하여 보정하였다. Table 1은 클링커 제조를 위해 사용한 조합원료의 화학성분을 나타낸 것이다.
  • 의핵 생성 및 결정성장 속도의 차이에 기인한 것으로 판단되며, 이러한 광물생성 특성차이가 시멘트의 특성 차이에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 한편 이상의 클링커를 사용하여 X-선 회절분석을 통한 profile fitting을 위한 parameter 도출을 행하였다.

대상 데이터

  • 분석은 생산lot별로 채취한 세 종류의 클링커 시료를 대상으로 하였다. Fig.
  • 살펴보았다. 비교 대상으로는 공정조건에 따라 수시로 특성이 변동되는 클링커를 채취하여 분석하였다. 시료 채취 시에는 입자크기에 치우침이 없도록 주의하였으며, 분석은 채취 시료를 일정량 축분하여 사용하였다.

데이터처리

  • 검토하였다. 이를 위해 pseudo-Vbigt함수를이용한 profile fitting 프로그램을 작성하였다. 작성된 프로그램을 이용하여 공장 클링커의 냉각지수를 산출하였으며, 이들 냉각지수가 압축강도 발현특성에 미치는 영향을 검토한 결과 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
  • 02°의 간격으로 4초간 행하였다. 측정회수는 fitting의 정밀도를 높이기 위해 동일시료에 대해 6회 반복 측정한 데이터의 평균치를 profile fitting의 데이터 값으로 하였다.

이론/모형

  • 냉각속도가 서로 다른 클링커의 강도특성을 평가하기 위하여 클링커에 화학 이수석고를 SC)3의 Wt%가 2.0%가 되도록 첨가한 후, 실험실 분쇄 밀을 사용하여 분말도는 Blaine치가 3300 cm2/g 이 되도록 분쇄한 후 KS L 5105 에 의하여 압축강도를 측정하였다.
  • 이러한 원리를 이용하여 ferrite상의 X-선 회절 패턴의 변화를 정량적으로 해석하기 위해 profile fitting법에 의해 background와 각 회절선으로 분리하는 컴퓨터 프로그램을 작성하였다. 프로그램 작성시 ferrite상의 회절패턴 분해를위해 적용한 profile 함수는 split형 pseudo- Vbig함수”로써 이 함수는 peak 정점의 저 각도측과 고 각도측을 따로따로 정의하고 있으며, 저 각도측의 식은 각도 x(20)의 함수로써 다음과 같이 정의할 수 있다.
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참고문헌 (10)

  1. J. C.Taylor and L. P. Aldridge, 'Full-Profile Rietveld Quantitative XRD Analysis of Portland Cement, Standard XRD Profiles for the Major Phase Tricalcium silicate,' Powder Diffraction, 8 [3] 138-44 (1993) 

  2. H. Moller, 'Standard Less Quantitative Phase Analysis of Portland Cement Clinkers,' World Cement, 26 [9] 75-84 (1995) 

  3. A. I. Boikova, 'Chemical Composition of Raw Materials as the Main Factor Responsible for Composition Structure and Properties of Clinker Phase,' Proc 8th ICCC, 1 19-33 (1986) 

  4. Y. Ono, 'Microscopic Analysis of Clinker,' pp. 1-11, Hawaiian Seminar on Microscopy of Clinker, 1975 

  5. Y. Ono, 'Microscopyfor the Quality Control of Cement,' J. Res. Onoda Cement Co., 32 [104] 110-12 (1980) 

  6. G. J. Stanisz, J. M. Holender, and J. Soltys, 'X-Ray Diffraction Profile Analysis of Powdered Samples,' Powder Diffraction, 4 [2] 70-3 (1989) 

  7. H. Toraya, 'Array-Type universal Profile Function for Powder Pattern Fitting,' J. Appl. Cryst., 23 485-491 (1990) 

  8. M. Ichikawa and Y. Komukai,S.ikeda, 'Estimation of Clinker Cooling Rate by XRD Pattern Decomposition of Ferrite Phase and It's Correlation with Strength Development,' JCA Proceedings of CEMENT & CONCRETE, 49 8-13 (1995) 

  9. M. Ichikawa, S. ikeda, and Y. Komukai, 'Measurement of The Phase Ratio of M3 to M1 of Alite and It's Influence on Strength Development,' JCA Proceedings of CEMENT & CONCRETE, 48 76-81 (1994) 

  10. Y. Ono, 'Microscopical Estimation of Burning Condition and Quality of Clinker,' 7th International Congress on the Chemistry of Cement, II 1206-11 (1980) 

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