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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 포틀랜드 시멘트의 대체소재로서 지오폴리머 무기결합재의 활용 가능성을 알아보고자 하였으며, 앞에서 우수한 특성을 지닌 알칼리 활성제는 KOH 12M로 고정하여 물유리의 첨가량에 따른 지오폴리머 시멘트의 미세조직 변화 및 압축강도에 미치는 영향에 대하여 실험하였다.
- 출발원료 및 물유리의 첨가량을 달리한 지오폴리머 시멘트를 제조한 다음, 이들 변수가 지오폴리머 시멘트의 미세구조와 압축강도에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 그 결과 플라이애시를 출발원료로 하여 제조한 지오폴리머 시멘트의 경우 물유리의 첨가량이 증가함에 따라 중합반응이 증가하여 미세구조가 균질하고 압축강도가 점차적으로 증가하였으며, 플라이애시를 출발원료로 한 지오폴리머 시멘트의 압축강도가 메타카올린을 출발원료로 한 지오폴리머 시멘트를 사용한 경우보다 높게 나타남을 알 수 있었다.
제안 방법
- 플라스틱 몰드로부터 탈형한 시편을 사용하여 UTM으로 압축강도를 측정하여 분석하였으며, 출발원료의 종류와 물유리의 첨가량에 따라 분말과 시편을 XRD로 상분석을 행하였다. 또한 SEM으로 양생한 시편의 파단면을 관찰하여 지오폴리머 시멘트의 미세구조를 관찰하였다.
- 물유리의 첨가량에 따른 지오폴리머 시멘트의 중합반응 정도를 알아보기 위하여 XRD 상분석을 행하였는데, 그 결과를 Figs. 5와 6에 각각 나타내었다.
- 재료 간의 충분한 혼합을 위하여 믹서기를 이용하여 약 10 분간 혼련시켜 슬러리를 제조하였으며, 제조된 지오폴리머 슬러리를 50 × 100 mm 플라스틱 몰드에 넣고 충진 시켜 성형시편을 제조하였다.
- 지오폴리머 합성 순서는 우선 각각의 몰 농도를 갖는 알칼리 수용액에 물유리를 첨가한 후 교반기에서 10분간 혼합하여 용액을 제조한 다음, 이 용액을 플라이애시와 메타카올린에 각각 첨가하여 지오폴리머 슬러리를 제조하였다. 재료 간의 충분한 혼합을 위하여 믹서기를 이용하여 약 10 분간 혼련시켜 슬러리를 제조하였으며, 제조된 지오폴리머 슬러리를 50 × 100 mm 플라스틱 몰드에 넣고 충진 시켜 성형시편을 제조하였다.
- 출발원료인 플라이애시 및 메타카올린 분말을 XRD로 상분석 한 후, SEM으로 미세구조를 관찰하여 Fig. 1 및 2에 나타내었다. 플라이애시 분말의 미세구조를 관찰한 결과, 1 µm 이하의 미립자와 약 15 µm 크기의 구형입자가 혼재하였고, 중공체 형태의 입자와 불규칙 형상을 갖는 약한 응집입자도 관찰되었다(Fig.
- 플라스틱 몰드로부터 탈형한 시편을 사용하여 UTM으로 압축강도를 측정하여 분석하였으며, 출발원료의 종류와 물유리의 첨가량에 따라 분말과 시편을 XRD로 상분석을 행하였다. 또한 SEM으로 양생한 시편의 파단면을 관찰하여 지오폴리머 시멘트의 미세구조를 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 지오폴리머를 제조하기 위한 출발원료로 플라이애시와 메타카올린을 이용하였다. 지오폴리머는 플라이애시 또는 메타카올린 분말을 기본으로 합성하였는데, 여기에 적정한 작업성을 얻기 위해 알칼리 자극제와 물유리 (Na2SiO3, Junsei)를 각각 첨가하였다.
- 지오폴리머는 플라이애시 또는 메타카올린 분말을 기본으로 합성하였는데, 여기에 적정한 작업성을 얻기 위해 알칼리 자극제와 물유리 (Na2SiO3, Junsei)를 각각 첨가하였다. 알칼리 자극제로는 KOH를 사용하였는데, 12 M로 농도를 조절하여 사용하였고 물유리의 첨가량에 대한 배치조성은 Table 1에 시편의 종류에 따라 나타내었다.
- 제조된 성형 시편을 항온 항습 건조기에 넣은 다음, 80°C인 고온에서 약 3일간 양생하여 고형성의 지오폴리머 시멘트 시편을 제조하였다.
- 본 실험에서는 지오폴리머를 제조하기 위한 출발원료로 플라이애시와 메타카올린을 이용하였다. 지오폴리머는 플라이애시 또는 메타카올린 분말을 기본으로 합성하였는데, 여기에 적정한 작업성을 얻기 위해 알칼리 자극제와 물유리 (Na2SiO3, Junsei)를 각각 첨가하였다. 알칼리 자극제로는 KOH를 사용하였는데, 12 M로 농도를 조절하여 사용하였고 물유리의 첨가량에 대한 배치조성은 Table 1에 시편의 종류에 따라 나타내었다.
성능/효과
- 플라이애시계 지오폴리머의 경우(Fig. 7(a)), 물유리의 첨가량에 따라 변화하였는데, 물유리의 첨가량이 증가할수록 중합반응의 증가 및 미세구조 치밀 화에 의해 압축강도는 크게 증가하였다. 플라이애시를 출발원료로 한 지오폴리머의 경우가 메타카올린을 출발원료로 한 지오폴리머의 시편보다 상대적으로 압축강도가 높았는데, 이는 중합반응에 따른 미세구조의 치밀화가 증가하였기 때문인 것으로 보인다.
- XRD 분석 결과, 플라이애시 분말은 물라이트(2SiO2· 3Al2O3)와 석영의 결정상으로 이루어져 있었으며, 약간의 비정질상이 2θ = 20 ~40° 의 범위에서 관찰되었다(Fig.
- 2(a)). XRD 상분석 결과 메타카올린도 마이카와 석영의 결정상으로 이루어져 있었고, 약간의 비정질상이 관찰되었으며 낮은 결정상을 가지고 있었다(Fig. 2(b)).
- 출발원료 및 물유리의 첨가량을 달리한 지오폴리머 시멘트를 제조한 다음, 이들 변수가 지오폴리머 시멘트의 미세구조와 압축강도에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 그 결과 플라이애시를 출발원료로 하여 제조한 지오폴리머 시멘트의 경우 물유리의 첨가량이 증가함에 따라 중합반응이 증가하여 미세구조가 균질하고 압축강도가 점차적으로 증가하였으며, 플라이애시를 출발원료로 한 지오폴리머 시멘트의 압축강도가 메타카올린을 출발원료로 한 지오폴리머 시멘트를 사용한 경우보다 높게 나타남을 알 수 있었다. 최대 압축강도는 FG-5의 시편에서 나타났는데, 이때의 압축강도는 약 158 kgf/m2이었다.
- 3(d)). 또한 FG-1과 비교 했을 때 균열이 크게 감소하고 치밀한 미세구조 조직을 나타내었다.
- 메타카올린계 지오폴리머 시편을 XRD로 상분석한 결과(Fig. 6), 중합반응에 의한 비정질상의 증가는 물유리의 첨가량에 따라 크게 변화하였다. 전체적으로 비정질상의 증가는 플라이애시계 지오폴리머와 비슷한 경향을 나타났으며, 특히 MG-4의 시편부터 크게 나타났고, MG-5 시편의 경우 메타카올린에서 보이던 결정상 피크가 모두 사라지고, 비정질 형태의 피크가 증가하였다.
- 최대 압축강도는 FG-5의 시편에서 나타났는데, 이때의 압축강도는 약 158 kgf/m2이었다. 메타카올린을 출발원료로 사용한 경우 전체적으로 중합반응은 크게 진행되었으나 압축강도는 비교적 낮은 값인 51-75 kgf/m2을 나타내었고, 플라이애시 지오폴리머 시멘트에 비해 메타카올린 지오폴리머 시멘트는 물유리의 첨가량에 크게 증가하지 않으며 거의 비슷한 값을 나타내었다.
- 물유리 양을 21 wt%로 증가시켜 첨가한 FG-2 시편에서는 용해반응에 의하여 시편 내에 존재하는 중공체 입자가 다수 사라졌으며, 아울러 Al3+이온과 Si4+이온들의 중합반응이 증가하여 미세구조는 더욱 치밀화된 형태를 나타내었다. 하지만 FG-1과 마찬가지로 균열이 일부 생성된 것을 알 수 있었다.
- 메타카올린을 사용한 지오폴리머 시편도 플라이애시를 출발원료로 사용한 시편과 마찬가지로 물유리의 첨가량이 증가함에 따라 보다 치밀한 미세구조를 나타내었다. 물유리 첨가량의 증가에 따른 미세구조 치밀화 경향은 메타카올린계 지오폴리머에서 더욱 뚜렷하게 관찰되었는데, 첨가된 물유리가 증가할수록 기공이 크게 감소하였고, 입자는 더욱 미세한 형상을 나타내었다.
- 하지만 FG-1과 마찬가지로 균열이 일부 생성된 것을 알 수 있었다. 물유리 첨가에 따른 플라이애시 입자의 용해반응은 물유리 첨가량이 증가할수록 현저하게 나타났는데(Fig. 3(b),(c),(d)), 가장 많은 양의 물유리를 첨가한 FG-5 시편의 경우, 용해 및 중합반응이 크게 일어나 미세구조가 치밀하고 입자 간에 강한 결합을 나타내었다(Fig.
- 7(b)), 물유리의 첨가량이 압축강도에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다. 물유리의 첨가량이 증가할수록 압축 강도가 약간 증가하였지만 그 차이가 매우 적은 것으로 나타났다. 전체적으로 지오폴리머 시멘트의 압축강도는 결합성의 중합반응이 크게 진행되었음에도 불구하고 그 크기가 51-75 kgf/m2로 낮게 나타났는데, 이는 메타카올린계 지오폴리머의 경우 대부분 강도가 떨어지는 점토질이 주성분으로 구성되었기 때문인 것으로 보인다.
- 3에 나타내었다. 물유리의 첨가량이 증가함에 따라 중공체 형태의 입자가 크게 감소하고, 전체적인 미세 구조가 더욱 치밀한 형태를 나타내었다. 물유리의 첨가량이 가장 낮은 FG-1 시편의 경우, 용해 및 중합반응이 일 어났지만 균열이 크게 형성되어 있었다.
- 6), 중합반응에 의한 비정질상의 증가는 물유리의 첨가량에 따라 크게 변화하였다. 전체적으로 비정질상의 증가는 플라이애시계 지오폴리머와 비슷한 경향을 나타났으며, 특히 MG-4의 시편부터 크게 나타났고, MG-5 시편의 경우 메타카올린에서 보이던 결정상 피크가 모두 사라지고, 비정질 형태의 피크가 증가하였다.
- 물유리의 첨가량이 증가할수록 압축 강도가 약간 증가하였지만 그 차이가 매우 적은 것으로 나타났다. 전체적으로 지오폴리머 시멘트의 압축강도는 결합성의 중합반응이 크게 진행되었음에도 불구하고 그 크기가 51-75 kgf/m2로 낮게 나타났는데, 이는 메타카올린계 지오폴리머의 경우 대부분 강도가 떨어지는 점토질이 주성분으로 구성되었기 때문인 것으로 보인다. 반면에 플라이애시계 지오폴리머 시멘트의 경우 강도가 큰 물라이트와 석영이 지오폴리머에 의해 결합되어 있는 복합체 구조이기 때문에 압축강도가 크게 나타난 것으로 보인다.
- 제조한 지오폴리머 시멘트의 압축강도를 측정한 결과, 압축강도는 출발원료의 종류, 물유리의 첨가량에 따라 변화하였다. 플라이애시계 지오폴리머의 경우(Fig.
- 플라이애시 분말의 미세구조를 관찰한 결과, 1 µm 이하의 미립자와 약 15 µm 크기의 구형입자가 혼재하였고, 중공체 형태의 입자와 불규칙 형상을 갖는 약한 응집입자도 관찰되었다(Fig.
- 5와 6에 각각 나타내었다. 플라이애시를 출발 원료로 한 지오폴리머의 경우(Fig. 5), 물유리의 첨가량이 증가할수록 지오폴리머 원료분말의 상과 비교했을 때보다 물라이트 상의 피크가 상대적으로 증가함을 알 수 있었다. 이는 중합반응으로 형성된 비정질상의 피크에 비하여 결정상인 석영과 물라이트의 피크가 상대적으로 높기 때문인 것으로 보인다.
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