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국산 매립회의 골재특성 평가 및 매립회 콘크리트의 내구 성능 평가
Evaluation for Properties of Domestic Pond Ash Aggregate and Durability Performance in Pond Ash Concrete 원문보기 논문타임라인

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.23 no.3, 2011년, pp.311 - 320  

이봉춘 (한국건설생활환경시험연구원) ,  정상화 (한국건설생활환경시험연구원) ,  김주형 (한국건설생활환경시험연구원) ,  권성준 (한국건설생활환경시험연구원)

초록
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화력발전 부산물 중 플라이애쉬포졸란 반응을 활용하여, 콘크리트 혼화재로 적극적으로 사용되고 있으나, 바텀애쉬는 주로 매립되어 재활용이 많이 요구되는 실정이다. 매립회에는 바텀애쉬와 플라이애쉬가 혼재되어 있는데, 이 연구에서는 국내 6개 발전소 매립회를 수집하고 5가지 치환율(10%, 20%, 30%, 50%, 70%)을 고려하여 매립회의 공학적 특성과 매립회 콘크리트의 역학적/내구 성능이 평가되었다. 골재 실험으로는 조립률, 밀도 및 흡수율, 안전성, 염화물 함유량, 유해이온 함유량, 알칼리 골재 반응 등이 수행되었으며, 매립회 콘크리트에 대해서는 경화 전 특성으로 슬럼프, 공기량 시험을, 경화된 콘크리트에 대해서는 압축강도, 건조수축, 염해 저항성 및 확산계수, 촉진 탄산화 실험, 동결 융해 실험 등이 수행되었다. 매립회는 일반 잔골재보다 큰 흡수율과 작은 밀도를 가지고 있었으나, 콘크리트 골재로 사용 가능하며, 매립회 콘크리트 역시 일반 콘크리트에 해당하는 적절한 성능을 확보하고 있었다. 특히 치환율이 증가함에 따라 강도는 증가하였으며, 우수한 탄산화 저항성을 확인하였다. 최종적으로 실험 결과를 정량적으로 등급화 하여 가장 우수한 매립회 및 매립회 콘크리트의 적용 제한 사항을 도출하였다. 이 연구는 매립회 및 매립회 콘크리트의 공학적 특성을 중심으로 다루고 있으며, 실제 구조물에 대한 모형 실험을 통한 적용성 평가가 추가로 진행될 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Fly ash (FA), byproduct from power plant has been actively used as mineral admixture for concrete. However, since bottom ash (BA) is usually used for land reclaim or subbase material, more active reuse plan is needed. Pond ash (PA) obtained from reclaimed land is mixed with both FA and BA. In this s...

주제어

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제안 방법

  • 이번 1단계에서는 골재 적합성 및 매립회 콘크리트의 강도 및 내구성 실험 결과를 중점으로 연구를 수행하였다. 국내 화력발전소 매립지에서 채취된 6종류의 매립회를 사용하였으며, 총 5가지의 치환율(10%, 20%, 30%, 50%, 70%)을 고려하여 경화 전후의 실험을 수행하였다. 골재로서의 특성과 매립회 콘크리트의 기본 물성 실험을 포함한 내구성 실험이 이 연구에서 다루어질 것이다.
  • 배합은 w/c(물-시멘트비) 55%를 기준으로 총 5가지의 잔골재 치환율을 고려하였다. 굳지 않은 콘크리트의 특성인 슬럼프 및 공기량에 실험 역시 수행하였다. Table 7에서는 실험 항목을, Table 8에서는 이 실험을 위한 배합표를 나타내고 있다.
  • 이 실험에서는 6가지 서로 다른 매립회에 대하여, 잔골재의 기초 물성 시험을 거친 뒤, 표면 건조 포화 상태의 골재를 기준으로 경화된 매립회 콘크리트의 내구 성능을 평가하도록 한다. 배합은 w/c(물-시멘트비) 55%를 기준으로 총 5가지의 잔골재 치환율을 고려하였다.
  • 이 실험에서는 팬타입 강제식 믹서에 골재와 시멘트를 투입하여 1분 30초간 건비빔을 수행하였고, 물과 고성능 AE제를 혼입하여 2분간 습식비빔을 수행하였다. Table 9에서는 시멘트의 물리적, 화학적 특성을 나타내었으며, Table 10에서는 각 매립회의 화학적 특성을 나타내었다.
  • 이 연구에서는 콘크리트 잔골재로서의 매립회를 분석하였으며, 매립회를 사용한 콘크리트 시편의 실내 실험 그리고 실제 철근콘크리트 구조물에 대한 시공성 및 적합성 평가를 포함하고 있다. 이번 1단계에서는 골재 적합성 및 매립회 콘크리트의 강도 및 내구성 실험 결과를 중점으로 연구를 수행하였다.
  • 이 절에서는 6개소 발전소 매립회에 대하여 입도 및 조립률, 표면 건조 밀도, 흡수율, 염화물 특성, 화학 성분 분석 등을 수행하였다. 매립회를 잔골재로 사용할 경우, 미연탄소(C) 및 염화물(Cl') 이온의 용출량이 문제가 될 수 있다.
  • 이 연구에서는 콘크리트 잔골재로서의 매립회를 분석하였으며, 매립회를 사용한 콘크리트 시편의 실내 실험 그리고 실제 철근콘크리트 구조물에 대한 시공성 및 적합성 평가를 포함하고 있다. 이번 1단계에서는 골재 적합성 및 매립회 콘크리트의 강도 및 내구성 실험 결과를 중점으로 연구를 수행하였다. 국내 화력발전소 매립지에서 채취된 6종류의 매립회를 사용하였으며, 총 5가지의 치환율(10%, 20%, 30%, 50%, 70%)을 고려하여 경화 전후의 실험을 수행하였다.
  • 총 6개 종류의 매립회와 10~70% 치환율을 고려하여 재령 7일, 28일, 90일의 강도 평가를 수행하였다. 실험 결과는 Table 11과 같으며, Fig.

대상 데이터

  • 조사 지역은 서해안 3개소, 동해안 1개소, 남해안 2개소로 총 6개의 화력발전소를 선정하였으며, 시추 작업은 무수굴진 방식에 따라 NX 구경으로 수행하였다. 각 매립지당 지반 시추는 2공을 하였으며, 미립토, 플라이애쉬, 그리고 바텀애쉬가 혼합된 매립회(PA)를 대상으로 하였다.
  • 조사 지역은 서해안 3개소, 동해안 1개소, 남해안 2개소로 총 6개의 화력발전소를 선정하였으며, 시추 작업은 무수굴진 방식에 따라 NX 구경으로 수행하였다. 각 매립지당 지반 시추는 2공을 하였으며, 미립토, 플라이애쉬, 그리고 바텀애쉬가 혼합된 매립회(PA)를 대상으로 하였다.

이론/모형

  • KS F 2546에 따라 알칼리 잠재 반응성 시험을 6개월동안 수행하였으며 그 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 시험 결과 모든 매립회의 경우 팽창량이 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
석탄회란 무엇인가? 화력발전은 우리나라 전력 산업의 근간을 이루어왔으며, 최근 들어 이산화탄소의 증가 및 환경 부하로 인해 화력발전 부산물에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 석탄회란 석탄 화력발전소에서 미분탄을 연소 후 발생하는 부산물로서, 발생 위치에 따라 플라이애쉬(fly ash), 바텀애쉬(bottom ash), EP애쉬(electrical precipitator ash), 신더애쉬(cinder ash)로 구분할 수 있다.1)이 중 플라이애쉬는 신더애쉬와 EP애쉬를 합한 것을 의미하며, 총 발생량의 75~90%를 차지하는 것으로 알려져 있다.
석탄회는 발생 위치에 따라 어떻게 구분되는가? 화력발전은 우리나라 전력 산업의 근간을 이루어왔으며, 최근 들어 이산화탄소의 증가 및 환경 부하로 인해 화력발전 부산물에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 석탄회란 석탄 화력발전소에서 미분탄을 연소 후 발생하는 부산물로서, 발생 위치에 따라 플라이애쉬(fly ash), 바텀애쉬(bottom ash), EP애쉬(electrical precipitator ash), 신더애쉬(cinder ash)로 구분할 수 있다.1)이 중 플라이애쉬는 신더애쉬와 EP애쉬를 합한 것을 의미하며, 총 발생량의 75~90%를 차지하는 것으로 알려져 있다.
석탄회 중 플라이애쉬는 무엇인가? 석탄회란 석탄 화력발전소에서 미분탄을 연소 후 발생하는 부산물로서, 발생 위치에 따라 플라이애쉬(fly ash), 바텀애쉬(bottom ash), EP애쉬(electrical precipitator ash), 신더애쉬(cinder ash)로 구분할 수 있다.1)이 중 플라이애쉬는 신더애쉬와 EP애쉬를 합한 것을 의미하며, 총 발생량의 75~90%를 차지하는 것으로 알려져 있다.2)플라이애쉬의 재활용률은 2009년 67.
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참고문헌 (27)

  1. 천병식, 고용일, 오민열, 권형석, "산업 폐기물로 발생되는 석탄회의 토질 역학적 특성에 관한 연구," 대한토목 학회 논문집, 10권, 1호, 1990, pp. 115-124. 

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    석탄회란 석탄 화력발전소에서 미분탄을 연소 후 발생하는 부산물로서, 발생 위치에 따라 플라이애쉬(fly ash), 바텀애쉬(bottom ash), EP애쉬(electrical precipitator ash), 신더애쉬(cinder ash)로 구분할 수 있다.1)

    (1)RR: replacement ratio, (2)PA: pond ash

  2. 오성원, "석탄회 처리 현황과 대책," 석탄회 활용 국제 워크숍, 1996, pp. 3-126. 

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    span style="font-size: 13.3333px;"> 이 중 플라이애쉬는 신더애쉬와 EP애쉬를 합한 것을 의미하며, 총 발생량의 75~90%를 차지하는 것으로 알려져 있다.2)

    (1)RR: replacement ratio, (2)PA: pond ash

  3. 한국콘크리트학회, 콘크리트와 환경, KCI-R-10-004, 2010, pp. 81-97. 

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    span style="font-size: 13.3333px;"> 플라이애쉬의 재활용률은 2009년 67.9%로서 2005년 대비 11%가 증가하였지만 바텀애쉬의 경우는 40% 수준만이 재활용되고 있으며, 60%이상이 매립재로 활용되고 있으므로 적극적인 활용 기법이 요구되고 있다.3)

  4. 송하원, 권성준, 변근주, 박찬규, "혼화재를 사용한 고성능 콘크리트의 배합특성을 고려한 염화물 확산 해석기법에 관한 연구," 대한토목학회 논문집, 25권, 1A호, 2005, pp. 213-223. 

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    플라이애쉬는 포졸란 반응을 가지고 있으므로, 콘크리트 혼화재로서 많이 사용되고 있으며, 수화열 저감, 장기 강도 증가 등 내구성 확보 차원에서 많이 사용되고 있다.4-8)

  5. 권성준, 송하원, 변근주, 박찬규, "신경망 이론과 마이크로 모델링을 통한 혼화재를 사용한 콘크리트의 염화물 침투 해석," 대한토목학회 논문집, 27권, 1A호, 2007, pp. 117-129. 

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    플라이애쉬는 포졸란 반응을 가지고 있으므로, 콘크리트 혼화재로서 많이 사용되고 있으며, 수화열 저감, 장기 강도 증가 등 내구성 확보 차원에서 많이 사용되고 있다.4-8)

  6. Sahmaran, M., Lachemi, M., Hossain, K. M. A., and Li, V. C., "Internal Curing of Engineered Cementitious Composites for Prevention of Early Age Autogeneous Shrinkage Cracking," Cement and Concrete Research, Vol. 39, 2009, pp. 893-901. 

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    플라이애쉬는 포졸란 반응을 가지고 있으므로, 콘크리트 혼화재로서 많이 사용되고 있으며, 수화열 저감, 장기 강도 증가 등 내구성 확보 차원에서 많이 사용되고 있다.4-8)

  7. Bentur, A., Igarashi, S. I., and Kovler, K., "Prevention of Autogeneous Shrinkage in High Strength Concrete by Internal Curing Using Wet Lightweight Aggregate," Cement and Concrete Research, Vol. 31, 2001, pp. 1857-1591. 

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    플라이애쉬는 포졸란 반응을 가지고 있으므로, 콘크리트 혼화재로서 많이 사용되고 있으며, 수화열 저감, 장기 강도 증가 등 내구성 확보 차원에서 많이 사용되고 있다.4-8)

  8. CEB, Durable Concrete Structures-Design Guide, 2nd Edition, Thomas Telford, London, 1992, pp. 11-21. 

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    플라이애쉬는 포졸란 반응을 가지고 있으므로, 콘크리트 혼화재로서 많이 사용되고 있으며, 수화열 저감, 장기 강도 증가 등 내구성 확보 차원에서 많이 사용되고 있다.4-8)

  9. 김진만, 곽은구, 조성현, 강철, "통계적 방법에 의한 바텀애쉬를 사용한 경량 기포 콘크리트의 최적 배합 결정," 콘크리트학회 논문집, 21권, 1호, 2009, pp. 3-11. 

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    최근 들어 바텀애쉬의 경우 다양한 성능을 만족시키기 위하여, 기포 콘크리트에 대한 적용성 평가,9-11) 충전재 콘크리트에 대한 활용성 평가12,13) 등이 진행되고 있으며, 인공 경량 골재로 사용되어 콘크리트에 활용하기 위한 연구가 진행중이다.14)

  10. 김상철, 안상구, "Bottom Ash를 사용한 기포 콘크리트의 배합설계 및 압축강도 특성," 콘크리트학회 논문집, 21권, 3호, 2009, pp. 283-290. 

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    최근 들어 바텀애쉬의 경우 다양한 성능을 만족시키기 위하여, 기포 콘크리트에 대한 적용성 평가,9-11) 충전재 콘크리트에 대한 활용성 평가12,13) 등이 진행되고 있으며, 인공 경량 골재로 사용되어 콘크리트에 활용하기 위한 연구가 진행중이다.14)

  11. 최세진, 정용, 오복진, 김무한, "물-시멘트비 및 바텀애쉬 대체율에 따른 콘크리트 공학적 특성에 관한 실험적 연구," 콘크리트학회 논문집, 15권, 6호, 2003, pp. 880-847. 

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    최근 들어 바텀애쉬의 경우 다양한 성능을 만족시키기 위하여, 기포 콘크리트에 대한 적용성 평가,9-11) 충전재 콘크리트에 대한 활용성 평가12,13) 등이 진행되고 있으며, 인공 경량 골재로 사용되어 콘크리트에 활용하기 위한 연구가 진행중이다.14)

    기존의 연구에서는 바텀애쉬 콘크리트에서 치환율이 증가할수록 탄산화 깊이의 증가를 보였으나,11) 이 연구에서는 매립회 종류에 따라 이와는 다른 경향을 보이고 있었다.

  12. 원종필, 이용수, "Bottom Ash를 혼합한 저강도 고유동 충전재의 특성," 콘크리트학회 논문집, 13권, 3호, 2001, pp. 294-300. 

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    최근 들어 바텀애쉬의 경우 다양한 성능을 만족시키기 위하여, 기포 콘크리트에 대한 적용성 평가,9-11) 충전재 콘크리트에 대한 활용성 평가12,13) 등이 진행되고 있으며, 인공 경량 골재로 사용되어 콘크리트에 활용하기 위한 연구가 진행중이다.14)

  13. 원종필, 이용수, 이존자, "Bottom Ash를 재활용한 저강도, 고유동 재료의 내구성 및 환경영향평가," 콘크리트학회 논문집, 14권, 2호, 2002, pp. 223-230. 

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    최근 들어 바텀애쉬의 경우 다양한 성능을 만족시키기 위하여, 기포 콘크리트에 대한 적용성 평가,9-11) 충전재 콘크리트에 대한 활용성 평가12,13) 등이 진행되고 있으며, 인공 경량 골재로 사용되어 콘크리트에 활용하기 위한 연구가 진행중이다.14)

  14. 조병완, 박승국, 권병윤, "알칼리 활성화 석탄회(Fly Ash, Bottom Ash) 인공 경량 골재 및 콘크리트 적용," 콘크리 트학회 논문집, 16권, 6호, 2004, pp. 751-757. 

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    최근 들어 바텀애쉬의 경우 다양한 성능을 만족시키기 위하여, 기포 콘크리트에 대한 적용성 평가,9-11) 충전재 콘크리트에 대한 활용성 평가12,13) 등이 진행되고 있으며, 인공 경량 골재로 사용되어 콘크리트에 활용하기 위한 연구가 진행중이다.14)

  15. 김성수, 김동현, 박광필 "무연탄 Bottom-Ash를 적용한 고유동 충전재의 성능 평가," 한국콘크리트학회 가을 학술대회, 13권, 1호, 2001, pp. 263-268. 

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    바텀애쉬는 물리적, 화학적 성능이 플라이애쉬에 비하여 뛰어나지 않으나, 해사 및 부순 모래의 세척 시 발생하는 미립분을 보완할 수 있으므로, 잔골재로서의 활용이 가능하다.15,16)

  16. 김무한, "플라이애쉬의 치환 방법 및 치환율에 따른 플라이애쉬를 대량 사용한 콘크리트의 특성에 관한 연구," 대한건축학회 논문집, 18권, 2호, 2002, pp. 123-130. 

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    바텀애쉬는 물리적, 화학적 성능이 플라이애쉬에 비하여 뛰어나지 않으나, 해사 및 부순 모래의 세척 시 발생하는 미립분을 보완할 수 있으므로, 잔골재로서의 활용이 가능하다.15,16)

  17. 이봉춘, 채성태, 우영제, 김진성, 김주형, 류화성, "잔골재로서 매립회를 혼입한 콘크리트의 특성에 관한 기초 연구," 한국콘크리트학회 봄 학술대회, 20권, 1호, 2008, pp. 477-480. 

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    또한 일부 플라이애쉬 및 미연탄소 등의 이물질이 포함되어 있으므로 품질 관리에 어려움이 따른다.17)

  18. 김성수, 토목재료학, 구미서관, 3rd Ed., 2004. pp. 22-58. 

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    일반적으로 잔골재의 조립률은 2.3~3.1사이가 좋다고 알려져 있다.18)

  19. ASTM C1201, Cement Standard and Concrete Standard, Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration, 2010, pp. 1-18. 

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    ASTM C 120219)와 NT BUILD 49220)에 의해 측정된 염소이온 투과성 및 염화물 확산 계수의 실험 결과는 Table 13에 나타내었다.

  20. NT BUILD 492, Concrete Migration Coefficient from Non- Steady State Migration Experiments, 1999, pp. 5-12. 

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    ASTM C 120219)와 NT BUILD 49220)에 의해 측정된 염소이온 투과성 및 염화물 확산 계수의 실험 결과는 Table 13에 나타내었다.

  21. 산업자원부, 석탄회를 이용한 환경친화 건자재의 개발, 최종보고서, 2002, pp. 18-29. 

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    기존의 연구에 의하면,21) 유연탄 화력발전소에서 발생된 플라이애쉬의 경우 미연탄소 함량이 3.2~4.85%이며 바텀애쉬의 경우 1.78~ 10.72%의 수준으로 조사되었다.

  22. Bentz, D. P. and Snyder, K. A., "Protected Paste Volume in Concrete Extension to Internal Curing Using Saturated Lightweight Fine Aggregate," Cement and oncrete Research, Communication, Vol. 29, 1999, pp. 1863-1867. 

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    이는 내부 수화(internal curing)기법으로 다공성 인공 경량 골재를 사용할 경우 건조수축 개선에 뚜렷한 효과 보이는데,22-24) 이 연구에서는 뚜렷한 효과를 확인할 수 없었다.

  23. Lura, P., Bentz, D. P., Lange, D, A,, Kovler, K., and Bentur, A., "Pumice Aggregates for Internal Water Curing," Pro36: Proceedings, International Symposium on Concrete Science and Engineering, RILEM Pub., 2004, pp. 137-151. 

    인용구절

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    이는 내부 수화(internal curing)기법으로 다공성 인공 경량 골재를 사용할 경우 건조수축 개선에 뚜렷한 효과 보이는데,22-24) 이 연구에서는 뚜렷한 효과를 확인할 수 없었다.

  24. Bentz, D. P., Lura, P., and Roberts, J. W., "Mixture Proportioning for Internal Curing," Concrete Internal, 2005, pp. 35-40. 

    인용구절

    인용 구절

    이는 내부 수화(internal curing)기법으로 다공성 인공 경량 골재를 사용할 경우 건조수축 개선에 뚜렷한 효과 보이는데,22-24) 이 연구에서는 뚜렷한 효과를 확인할 수 없었다.

  25. 권성준, 송하원, 변근주, "인공신경망을 통한 확산계수 도출과 공극 구조 변화를 고려한 콘크리트 탄산화 해석," 대한토목학회 논문집, 27권, 1A호, 2007, pp. 107-116. 

    인용구절

    인용 구절

    일반적으로 탄산화 저항성을 평가하는 방법은 탄산화 속도 계수(carbonation rate coefficient)를 이용하여 평가하는 것이 일반적이다.25,26)

  26. Papadakis, V, G., Vayenas, C. G., and Fardis, M. N., "Physical and Chemical Characteristics Affecting the Durability of Concrete," ACI Materials Journal, Vol. 8, No. 2, 1991, pp. 186-196. 

    인용구절

    인용 구절

    일반적으로 탄산화 저항성을 평가하는 방법은 탄산화 속도 계수(carbonation rate coefficient)를 이용하여 평가하는 것이 일반적이다.25,26)

  27. Ishida, T., Soltani, M., and Maekawa, K., "Influential Parameters on the Theoritical Prediction of Concrete Carbonation Process," Proceedings 4th International Conference on Concrete Under Severe Conditions, Seoul, Korea, 2004, pp. 205-212. 

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    인용 구절

    탄산화 속도 저감은 바텀애쉬에 흡착된 플라이애쉬와의 포졸란 반응을 통하여, 수산화칼슘이 일부 감소하게 되지만, 표면의 공극 구조가 치밀해져서 이산화탄소 확산성이 감소되기 때문이다.27)

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