현재 지구촌 온난화에 의하여 환경이 열악해지고 있으며 그에 따라 건설분야에도 시멘트 제조에 따른 $CO_2$ 발생 저감하기 위한 노력을 하고 있다. 이에 시멘트 대체할 재료가 필요하다. 본 연구에서는 기존 비소성 시멘트의 문제점으로 지적 되는 경제성 및 초기강도 확보를 위해 산업부산물인 고로슬래그를 대상으로 연구를 진행하였으며 고가의 알칼리 자극제량을 최소화함으로서 실용화 가능한 비소성 시멘트 기술을 진행하고자 한다. 그리고 NT를 사용하여 분말도를 최대화 하여 고로슬래그의 초기강도를 개선시켰다. 본 연구는 알칼리 자극제를 사용한 나로슬래그를 치환한 비소성시멘트를 기초로 하고 있으며, 현장에서 사용가능한 비소성시멘트의 기초적 물성 및 품질을 조사하였다. 여러 자극제가 슬래그 중량의 10%로 사용되었으며 휨강도, 압축강도, 응결시간, 단열온도, 상승열등을 비교 분석하였으며 그 기초적 자료를 제시하는데 목적이 있다.
현재 지구촌 온난화에 의하여 환경이 열악해지고 있으며 그에 따라 건설분야에도 시멘트 제조에 따른 $CO_2$ 발생 저감하기 위한 노력을 하고 있다. 이에 시멘트 대체할 재료가 필요하다. 본 연구에서는 기존 비소성 시멘트의 문제점으로 지적 되는 경제성 및 초기강도 확보를 위해 산업부산물인 고로슬래그를 대상으로 연구를 진행하였으며 고가의 알칼리 자극제량을 최소화함으로서 실용화 가능한 비소성 시멘트 기술을 진행하고자 한다. 그리고 NT를 사용하여 분말도를 최대화 하여 고로슬래그의 초기강도를 개선시켰다. 본 연구는 알칼리 자극제를 사용한 나로슬래그를 치환한 비소성시멘트를 기초로 하고 있으며, 현장에서 사용가능한 비소성시멘트의 기초적 물성 및 품질을 조사하였다. 여러 자극제가 슬래그 중량의 10%로 사용되었으며 휨강도, 압축강도, 응결시간, 단열온도, 상승열등을 비교 분석하였으며 그 기초적 자료를 제시하는데 목적이 있다.
As global warming has had harmful effects on the environment, the construction industry has made efforts to reduce the amount of $CO_2$ generated in the process of cement production. There is an urgent need for an alternative material that can replace cement. To improve the initial streng...
As global warming has had harmful effects on the environment, the construction industry has made efforts to reduce the amount of $CO_2$ generated in the process of cement production. There is an urgent need for an alternative material that can replace cement. To improve the initial strength and economical efficiency pointed out as problems, this research was conducted for Blast Furnace Slag (BFS), an industrial byproduct. Non-sintering cement (NSC) was used by minimizing the amount of high-priced alkali activators. By using Nano-technology, fineness has been maximized, to enhance the initial strength of BFS. This research is based on non-sintered cement replaced by nano-slag using alkali activators, and the fundamental properties and quality of the non-sintered cement were investigated. A variety of activators were used, up to 10 percent of the slag weight. This research aims to present fundamental data through a comparative analysis of flexural strength, compressive strength, time of setting, diabetic temperature, and rising heat.
As global warming has had harmful effects on the environment, the construction industry has made efforts to reduce the amount of $CO_2$ generated in the process of cement production. There is an urgent need for an alternative material that can replace cement. To improve the initial strength and economical efficiency pointed out as problems, this research was conducted for Blast Furnace Slag (BFS), an industrial byproduct. Non-sintering cement (NSC) was used by minimizing the amount of high-priced alkali activators. By using Nano-technology, fineness has been maximized, to enhance the initial strength of BFS. This research is based on non-sintered cement replaced by nano-slag using alkali activators, and the fundamental properties and quality of the non-sintered cement were investigated. A variety of activators were used, up to 10 percent of the slag weight. This research aims to present fundamental data through a comparative analysis of flexural strength, compressive strength, time of setting, diabetic temperature, and rising heat.
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문제 정의
그리고 NT를 사용하여 분말도를 최대화 하여 고로슬래그의 초기강도를 개선시켰다. 본 연구는 알칼리 자극제를 사용한 나로슬래그를 치환한 비소성시멘트를 기초로 하고 있으며, 현장에서 사용가능한 비소성시멘트의 기초적 물성 및 품질을 조사하였다. 여러 자극제가 슬래그 중량의 10%로 사용되었으며 휨강도, 압축강도, 응결시간, 단열온도, 상승열등을 비교 분석하였으며 그 기초적 자료를 제시하는데 목적이 있다.
이에 시멘트 대체할 재료가 필요하다. 본 연구에서는 기존 비소성 시멘트의 문제점으로 지적 되는 경제성 및 초기강도 확보를 위해 산업부산물인 고로슬래그를 대상으로 연구를 진행하였으며 고가의 알칼리 자극제량을 최소화함으로서 실용화 가능한 비소성 시멘트 기술을 진행하고자 한다. 그리고 NT를 사용하여 분말도를 최대화 하여 고로슬래그의 초기강도를 개선시켰다.
선행 연구[1]를 통하여 도출된 나노슬래그의 적정 분말도인 35,000㎠/g 이상인 나노슬래그를 대상으로 수산화 이온족의 알칼리 자극제 인 분말형, 수산화 칼슘, 칼륨 및 나트륨을 치환 및 첨가하여 역학적 특성을 검토하였으며, 규산염 및 황산이온족인 액상 및 분말형 규산나트륨과, 분말형 황산칼슘, 알루미늄 및 탄산칼슘을 대상으로 역학적 특성을 고찰한다. 상기 결과를 바탕으로 나노슬래그에 가장 적합한 알칼리 자극제를 선정하여 응결시간측정 및 단열온도상승을 측정하여 비소성 시멘트에 관한 기초적 연구를 진행하고자 한다. 실험인자 및 순서를 정리하면 다음과 같다.
본 연구는 알칼리 자극제를 사용한 나로슬래그를 치환한 비소성시멘트를 기초로 하고 있으며, 현장에서 사용가능한 비소성시멘트의 기초적 물성 및 품질을 조사하였다. 여러 자극제가 슬래그 중량의 10%로 사용되었으며 휨강도, 압축강도, 응결시간, 단열온도, 상승열등을 비교 분석하였으며 그 기초적 자료를 제시하는데 목적이 있다.
이에 본 연구에서는 고로슬래그에 나노기술을 접목한 나노슬래그를 대상으로 다양한 알칼리 자극제를 사용하여 나노슬래그를 활용하여 실용화 가능한 비소성 시멘트모르타르에 관한 기초적 연구를 진행하고자 한다.
이에 본 연구에서는 기존 비소성 시멘트의 문제점으로 지적되는 경제성 및 초기강도 확보를 위해 산업부산물인 고로슬래그를 대상으로 연구를 진행하였으며, NT기술을 접목하여 분말도를 극대화함으로써 초기강도 확보가 가능하며, 고가의 알칼리 자극제량을 최소화함으로써 실용화가 가능한 비소성 시멘트 기술을 진행하고자 한다.[9.
제안 방법
본 연구에서는 기존 비소성 시멘트의 문제점으로 지적 되는 경제성 및 초기강도 확보를 위해 산업부산물인 고로슬래그를 대상으로 연구를 진행하였으며 고가의 알칼리 자극제량을 최소화함으로서 실용화 가능한 비소성 시멘트 기술을 진행하고자 한다. 그리고 NT를 사용하여 분말도를 최대화 하여 고로슬래그의 초기강도를 개선시켰다. 본 연구는 알칼리 자극제를 사용한 나로슬래그를 치환한 비소성시멘트를 기초로 하고 있으며, 현장에서 사용가능한 비소성시멘트의 기초적 물성 및 품질을 조사하였다.
기존 비소성 시멘트의 문제점으로 지적 되는 경제성 및 초기강도 확보를 위해 산업부산물인 고로슬래그를 대상으로 나노기술을 통한 분말도를 극대화하여 다양한 알칼리 자극제 별 비소성 시멘트의 역학적 특성을 검토한 결과는 다음과 같다.
또한 시험체 제작은 KS L ISO 679 시멘트 강도시험방법에 준하여 물시멘트비 50% 시멘트 잔골재 비 1:3에 수산화칼슘 첨가 조건을 제외한 전 조건에서 시멘트 중량의 10%치환하여 제작하였다.
본 연구에서는 실험과정 중 오차범위를 최소화 하기 위하여 ISO 국제 표준사를 사용하여 실험하였으며 시험체 제작과정중 편차의 최소화를 위하여 국제적 인증을 받은 영국 E사의 Jolting Apparatus 및 압축강도용 Zig를 사용하였으며, 사용한 시멘트, 나노슬래그 및 표준사의 물리화학적 특성은 다음과 같다.
선행 연구[1]를 통하여 도출된 나노슬래그의 적정 분말도인 35,000㎠/g 이상인 나노슬래그를 대상으로 수산화 이온족의 알칼리 자극제 인 분말형, 수산화 칼슘, 칼륨 및 나트륨을 치환 및 첨가하여 역학적 특성을 검토하였으며, 규산염 및 황산이온족인 액상 및 분말형 규산나트륨과, 분말형 황산칼슘, 알루미늄 및 탄산칼슘을 대상으로 역학적 특성을 고찰한다. 상기 결과를 바탕으로 나노슬래그에 가장 적합한 알칼리 자극제를 선정하여 응결시간측정 및 단열온도상승을 측정하여 비소성 시멘트에 관한 기초적 연구를 진행하고자 한다.
알칼리 자극제 별 단열온도상승열 측정을 위한 실험은 300×300×300㎜의 단열가능한 쳄버를 제작하였으며, 물시멘트 50%, 시멘트 모래비 1:3, 치환률 10%로 고정한 역학적 특성 검토 결과와 동일한 배합을 적용하여 30분 간격으로 측정을 진행하였다.
이론/모형
비소성 시멘트의 가장 큰 문제점 지적되는 초기강도 검토를 위해 진행한 응결시간 시험은 KSL5103 : 길모아 침에 의한 시멘트의 응결 시간 시험 방법에 준하여 진행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
성능/효과
1) NT기술을 활용한 나노급 고로슬래그를 잠재 수경성 재료로 사용하여 다양한 알칼리 자극제 별 수화특성을 검토하여 비소성시멘트 기술에 관한 기초적 연구를 진행한 결과 OPC 대비 유동성 저하가 10%이하의 조건을 만족하며, 기존 비소성시멘트의 가장 큰 문제점으로 지적되는 초기강도 확보에서 일부조건에서 OPC를 상회하는 것으로 측정되어 실용화 기술로 개발이 가능할 것으로 판단된다.
2) 알칼리 자극제 별 유동특성 고찰 결과 수산화칼슘 치환, 탄산나트륨, 수산화나트륨 및 칼륨 등 대부분 수산기 조건에서 OPC대비 유동성 감소 10%이내의 조건을 만족하였으나, 수산화 칼슘 첨가, 규산염 및 황산 이온족의 조건에서는 급격한 유동성 감소 효과가 관찰됨에 따라 비소성시멘트의 시공성을 감안한다면, 알칼리 자극제는 수산화 이온이 유리할 것으로 판단된다.
3) 길모아 침에 의한 응결시간 측정결과 수산화 나트륨 조건에서 가장 빨랐으나 그 차이는 5분 이내로 크지 않은 것으로 측정되었으며, 종결에서는 수산화 칼륨, 나트륨 칼슘 순인 것으로 측정되어 초결을 고려한다면 수산화나트륨이 종결을 고려한다면 칼륨이 유리한 것으로 판단된다.
규산염 및 황산 이온족을 알칼리자극제로 치환하여 제작한 비소성 시멘트 모르타르의 역학적 특성 고찰 결과 액상 및 분말에 관계없이 전 조건에서 강도발현 현상의 관찰이 힘들었으며, 그 차이는 휨강도 대비 압축강도에서 더욱 큰 것으로 측정되었다.
길모아 침에 의한 응결시간 측정결과 수산화 나트륨 조건에서 가장 빨랐으나 그 차이는 5분 이내로 크지 않은 것으로 측정되었으며, 종결에서는 수산화 칼륨, 나트륨 칼슘 순인 것으로 측정되어 초결을 고려한다면 수산화나트륨이 종결을 고려한다면 칼륨이 유리한 것으로 판단되며, OPC의 일반적인 초결이 90분 이내인 것을 감안한다면 수산기의 알칼리 자극제는 고로슬래그를 주제로 한 비소성 시멘트의 알칼리 자극제로 효과가 높은 것으로 판단된다.
수산화 이온족 알칼리 자극제 별 압축강도 및 휨강도 측정결과 알칼리 자극제 종류별 강도차이는 있는 것으로 관찰 되었으나 전 조건에서 강도발현현상이 관찰되어 수산화 이온족은 나노슬래그의 알칼리 자극제로 유리한 것으로 측정되었다.
수산화 칼슘, 칼륨 및 나트륨을 대상으로 간이 단열온도 상승 시험 결과 수산화 칼슘을 제외한 전 조건에서 8시간 이전의 수화열이 OPC를 상회하는 것으로 측정되었다.
알칼리 자극제 별 유동특성 고찰 결과 수산화칼슘 치환, 탄산나트륨, 수산화나트륨 및 칼륨 등 대부분 수산기 조건에서 OPC대비 유동성 감소 10%이내의 조건을 만족하였으나, 수산화 칼슘 첨가, 규산염 및 황산 이온족의 조건에서는 급격한 유동성 감소 효과가 관찰됨에 따라 비소성시멘트의 시공성을 감안한다면, 알칼리 자극제는 수산화 이온이 유리할 것으로 판단된다.
후속연구
4) 수산화 칼륨 및 나트륨이 OPC 대비 빠른 시점에서 최대 온도 피크점이 생성 된 것에 반해 수산화칼슘의 피크점이 1일 이후에 생성되는 것으로 측정되어 비소성 시멘트의 온도균열을 감안한다면 수산화칼슘과 칼륨, 나트륨과의 알칼리 자극제 복합적 사용에 대한 검토도 진행되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 규산염 및 황산 이온족의 알칼리 자극제는 나노슬래그를 활용한 비소성 시멘트의 자극제로는 불리한 것으로 판단되며, 알칼리 자극제로 활용한 제품의 pH가 대부분 11.5이상의 알칼리성임을 감안하였을 때, 경화가 전혀 진행되지 못한 부분에 관한 이화학적 검토가 추가로 수반되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 비소성 시멘트의 온도균열을 감안한다면 수산화 칼슘과 칼륨, 나트륨과의 알칼리 자극제 복합적 사용에 대한 검토도 진행되어야 할 것으로 판단된다.
또한 수산화 나트륨을 알칼리 자극제로 활용한 조건에서는 재령 3일에서부터 OPC 강도를 상외하거나 유사한 역학적 특성을 나타내어 비소성시멘트로 활용성이 우수한 것으로 측정되었으나 수산화 나트륨을 제외한 기타 알칼리 자극제의 경우 전 조건에서 OPC대비 낮은 강도가 측정되어 보다 다양한 치환률에 관한 연구가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
또한 수산화 칼륨 및 나트륨이 OPC 대비 빠른시점에서 최대 온도 피크점이 생성된 것에 반해 수산화칼슘의 피크점이 1일 이후에 생성되는 것으로 측정되어 수산화 칼슘의 최대 치환량 증가의 검토가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 비소성 시멘트 기술의 문제점은 무엇인가?
한편 기존의 비소성 시멘트 기술은 대부분 고가의 고미분말 혼화재를 사용하며, 고가의 알칼리 자극제를 대량 사용함에 따라 경제성이 부족하며, 고로슬래그 미분말을 사용할 경우 잠재 수경성 특성에 의해 초기 강도 확보가 힘든 실정이다.[6,7]
비소성 시멘트는 어떤 분야로 구분되는가?
이의 해결책으로 대두되는 기술이 바로 비소성시멘트 기술이다.[2] 비소성 시멘트란 클링커 무함유 비소성 시멘트(Non-Sintered Cement, 이하 NSC)를 지칭하는 것으로[3,4] 크게 점토질 광물과 알칼리의 반응을 이용한 지오폴리머(Geo-polymer) 분야와 잠재수경성 물질인 고로슬래그 미분말(Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)을 알칼리로 자극하여 수경성 경화체를 제조하는 알칼리 활성화 슬래그(Alkali Activated Slag, 이하 AAS) 분야로 구분된다.[5]
본 연구에서 기존 비소성 시멘트의 문제점으로 지적 되는 경제성 및 초기강도 확보를 위해 산업부산물인 고로슬래그를 대상으로 나노기술을 통한 분말도를 극대화하여 다양한 알칼리 자극제 별 비소성 시멘트의 역학적 특성을 검토한 결과는 어떠한가?
1) NT기술을 활용한 나노급 고로슬래그를 잠재 수경성 재료로 사용하여 다양한 알칼리 자극제 별 수화특성을 검토하여 비소성시멘트 기술에 관한 기초적 연구를 진행한 결과 OPC 대비 유동성 저하가 10%이하의 조건을 만족하며, 기존 비소성시멘트의 가장 큰 문제점으로 지적되는 초기강도 확보에서 일부조건에서 OPC를 상회하는 것으로 측정되어 실용화 기술로 개발이 가능할 것으로 판단된다.
2) 알칼리 자극제 별 유동특성 고찰 결과 수산화칼슘 치환, 탄산나트륨, 수산화나트륨 및 칼륨 등 대부분 수산기 조건에서 OPC대비 유동성 감소 10%이내의 조건을 만족하였으나, 수산화 칼슘 첨가, 규산염 및 황산 이온족의 조건에서는 급격한 유동성 감소 효과가 관찰됨에 따라 비소성시멘트의 시공성을 감안한다면, 알칼리 자극제는 수산화 이온이 유리할 것으로 판단된다.
3) 길모아 침에 의한 응결시간 측정결과 수산화 나트륨 조건에서 가장 빨랐으나 그 차이는 5분 이내로 크지 않은 것으로 측정되었으며, 종결에서는 수산화 칼륨, 나트륨 칼슘 순인 것으로 측정되어 초결을 고려한다면 수산화나트륨이 종결을 고려한다면 칼륨이 유리한 것으로 판단된다.
4) 수산화 칼륨 및 나트륨이 OPC 대비 빠른 시점에서 최대 온도 피크점이 생성 된 것에 반해 수산화칼슘의 피크점이 1일 이후에 생성되는 것으로 측정되어 비소성 시멘트의 온도균열을 감안한다면 수산화칼슘과 칼륨, 나트륨과의 알칼리 자극제 복합적 사용에 대한 검토도 진행되어야 할 것으로 판단된다.
참고문헌 (10)
Lim NG. The study on properties of concrete using High-Blaine Blast-furnace Slag Powder, Architectural Institute of Korea, 2005;49(10):119-129.
Korea Institute Concrete, Concrete Admixture, Kimoondang; 1997. p.217.
Park JB. An Experimental study on the Development of Advanced Nano-Cement and the Characteristics of Nano-Cement Concrete [MA dissertation]. Seoul: HanYang University; 2007.
Kim EY, Sonh HY, Lee SS, Kim JS, Kim HT. Experimental Study on the Strength Properties and Flowability of High Performance Concrete Using Blast Furnace Slag, Proceeding of Annual Conference of the Architectural Institute of Korea 2006;10:425-428
Han CG, Baek JH, Han MC, Kim SH, Noh SK, Son HJ. Properties of Shrinkage and Strength of Concrete Incorporating Blast-furnace Slag, Journal of the Korea Institute of Building Construction 2008;8(1):99-102
Kim HS. A Study on Application of High Strength Concrete using non-sintering cement [MA dissertation], Seoul: Dankook University; 2006.
Park JB. An Experimental study on the Development of Advanced Nano-Cement and the Characteristics of Nano-Cement Concrete[PhD dissertation]. Seoul: HanYang University;2007.
Lee HY. Effect of blast furnace slag matrix by alkali activator and sulfate activator[MA dissertation]. Jeonju: ChonBuk University;2007.
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