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가성알칼리와 탄산나트륨을 혼합한 활성화제를 사용한 알칼리 활성화 고로슬래그 모르타르의 강도 특성
The Strength Properties of Alkali-Activated Slag Mortars by Combined Caustic Alkali with Sodium Carbonate as Activator 원문보기 논문타임라인

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.24 no.6, 2012년, pp.745 - 752  

김태완 (부산대학교 생산기술연구소)

초록
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이 연구는 혼합 알칼리 활성화 슬래그 모르타르압축강도에 미치는 영향에 관한 것이다. 활성화제의 효과는 활성화제의 종류, 농도 등이 강도에 영향을 미치는 것으로 알려져있다. 혼합 활성화제는 5가지 가소성 알칼리(수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화칼륨)와 탄산나트륨($Na_2CO_3$)를 혼합하였다. 배함은 각 활성화제를 1M, 2M, 그리고 3M의 서로 다른 농도로 하였다. 압축강도 결과는 혼합 알칼리 활성화 슬래그 모르타르는 탄산나트륨의 농도가 증가하면 증가하는 것으로 나타났다. 혼합 활성화제를 사용한 알칼리 활성화 슬래그 모르타르는 모든 재령과 시험체가 탄산나트륨을 혼합하지 않은 컨트롤 케이스보다 향상된 강도를 나타내었다. 전자주사현미경(SEM) 관찰 결과 활성화 반응으로 C-S-H와 aluminusilicate gel이 생성된 것을 볼 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper studies the effect of the compressive strength for combined alkali-activated slag mortars. The effect of activators such as alkali type and dosage factor on the strength was investigated. The alkalis combinations made using five caustic alkalis (sodium hydroxide (NaOH, A series), calcium ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.1-4,16-18) 특히 알칼리 활성화 고로슬래그 시멘트(alkali-activated blast furnace slag cement; AASC)는 제철소의 부산물인 고로 슬래그 미분말을 활성화하는 것으로 이 연구에서도 고로 슬래그 미분말을 이용한 활성화 시멘트의 특성에 대해 연구하고자 한다.
  • 2) 이 연구에서는 기존의 국내외 연구에서 거의 사용되지 않았던 수산화계열 활성화제 중 수산화마그네슘 (C case)과 수산화알루미늄(D case)을 사용하여 혼합 활성화제로서의 사용 가능성을 알아보았다. 연구결과 탄산나트륨과의 혼합 활성화제를 사용한 경우에 28일 이후의 장기 강도발현이 우수한 것을 발견할 수있었다.
  • 국내에서도 혼합 활성화제에 의한 연구는 수산화나트륨(NaOH)와 규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 연구가 많았으나,9) 최근에는 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3) 혼합에 의한 활성화 슬래그의 특성에 대한 연구도 진행되고 있다.5,6,13-15) 이 연구는 활성화제의 사용에 초점을 맞추어, 기존의 단독 활성화제를 사용한 활성화 방법에서 벗어나 혼합 활성화제를 사용하여 AAC의 특성을 파악하고, 콘크리트 대체 재료로서 활용 및 응용 가능성을 검토하는 기초 연구로써 두 종류의 혼합 알칼리 활성화제에 의한 AASC 모르타르의 강도 특성에 대해 살펴보고자 한다.
  • 수산화나트륨(NaOH, A series)은 기존의 선행 알칼리 활성화 시멘트에 관한 연구에 다수 사용되어왔던 재료이고, 수산화칼슘(Ca(OH)2, B series), 수산화마그네슘 (Mg(OH)2, C series), 수산화알루미늄(Al(OH)3, D series) 그리고 수산화칼륨(KOH, E series)은 기존 선행연구가 충분하지 않아 이 연구를 통해 특성을 살펴보고자 선정하였다. 또한 탄산나트륨의 혼합에 의한 특성을 비교 분석하기위해 탄산나트륨을 혼합하지 않은 컨트롤 케이스 (control case)를 수산화나트륨(A30), 수산화칼슘(B30), 수 산화마그네슘(C30), 수산화알루미늄(D30) 그리고 수산화칼륨(E30)으로 각각에 대해 준비하였다.
  • 이 연구에서는 두 종류의 활성화제를 혼합한 알칼리 활성화 슬래그의 강도특성을 알아보기 위해 기존의 국내외 연구에서 사용된 활성화제와 추가적으로 사용하고자하는 활성화제를 포함하여 5종류의 가성알칼리(caustic alkalis; MOH)로 분류되는 수산화계열과 비규산계 약산염(non-silicate weak acid salts; M2CO3)인 탄산나트륨(Na2CO3) 을 혼합한 알칼리 활성화 슬래그 모르타르의 강도 특성에 대한 기초연구를 수행하였다.
  • 3은 동일 수산화계열 활성화제 농도에 대한 탄산나트륨의 농도를 1M, 2M, 3M로 변화시켜 혼합한 활성화제를 사용한 알칼리 활성화 슬래그 모르타르의 압축강도 특성을 나타내었다. 이를 통해 탄산나트륨의 혼합 및 혼합 농도가 압축강도에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
  • 탄산나트륨의 혼합에 따른 강도 특성에 영향을 미치는 수산화계열 활성화제의 종류와 농도에 따른 강도 특성을 살펴보았다. 이를 위해 탄산나트륨의 농도를 일정하게 하고, 그때 수산화계열 활성화제의 농도를 1M, 2M, 3M로 변화시켜 혼합 활성화제에 따른 알칼리 활성화 슬래그 모르타르의 강도 특성을 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시멘트 산업의 문제점은 무엇인가? 많은 기업들이 제품과 생산공정 등의 혁신을 통해 이산화탄소 배출량을 줄이고자 노력하고 있다. 그러나 건설산업의 중요 재료인 시멘트 산업은 원료의 채취 및 제품의 생산에 많은 에너지를 필요로 하고 이산화탄소의 배출량도 높다. 따라서 근래 해외연구자들은 산업부산물을 이용한 시멘트 대체 재료에 대해 다양한 연구를 시도하고 있다.
활성화제의 효과는 무엇에 영향을 미치는가? 이 연구는 혼합 알칼리 활성화 슬래그 모르타르의 압축강도에 미치는 영향에 관한 것이다. 활성화제의 효과는 활성화제의 종류, 농도 등이 강도에 영향을 미치는 것으로 알려져있다. 혼합 활성화제는 5가지 가소성 알칼리(수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화칼륨)와 탄산나트륨($Na_2CO_3$)를 혼합하였다.
알칼리 활성화 시멘트와 관련하여 많은 연구가 진행되고 있지만 아직까지 명확히 규명된 메커니즘이나 배합방법, 규준 등이 없어 다양하고 많은 방법과 결과들이 발표되고 있는 이유는 무엇인가? 1-4)알칼리 활성화 시멘트(alkali-activated cement; AAC)는 많은 연구가 진행되고 있지만, 아직까지 명확히 규명된 메커니즘이나 배합방법, 규준 등이 없어 다양하고 많은 방법과 결과들이 발표되고 있다. 이러한 다양성은 재료의 성분, 활성화제의 종류와 농도, 배합방법, 양생조건 등 여러 가지에 변수가 존재하기 때문으로 생각하고 있다. 해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.
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참고문헌 (21)

  1. Caijun Shi, A. Fernandez Jimenez, and Angel Palomo, "New cements for the 21st century: The pursuit of an alternative to Portland cement," Cement and Concrete Research, Vol. 41, 2011, pp. 750-763. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.03.016) 

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    특히 플라이 애쉬, 고로슬래그, 메타카올린 등의 포졸란 반응성 물질을 함유한 재료를 사용하여 알칼리 활성화 방법을 통해 시멘트를 대체할 수 있는 재료를 연구하고 있다.1-4)

    해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.1-4,16-18)

  2. Roy, D. M., "Alkali-Activated Cements: Opportunities and Challenges," Cement and Concrete Research, Vol. 29, 1999, pp. 249-254. 

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    특히 플라이 애쉬, 고로슬래그, 메타카올린 등의 포졸란 반응성 물질을 함유한 재료를 사용하여 알칼리 활성화 방법을 통해 시멘트를 대체할 수 있는 재료를 연구하고 있다.1-4)

    해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.1-4,16-18)

  3. Palomo, A., Grutzeck, M. W., and Blanco, M. T., "Alkali Activated Fly Ashes: A Cement for the Future," Cement and Concrete Research, Vol. 29, 1999, pp. 1323-1329. 

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    특히 플라이 애쉬, 고로슬래그, 메타카올린 등의 포졸란 반응성 물질을 함유한 재료를 사용하여 알칼리 활성화 방법을 통해 시멘트를 대체할 수 있는 재료를 연구하고 있다.1-4)

    해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.1-4,16-18)

  4. Wang, S., Pu, X. C., Scrivener, K. L., and Pratt, P. L., "Alklai-Activated Slag Cement and Concrete; a Review of Properties and Problems," Advances in Cement Research, Vol. 7, 1995, pp. 93-102. 

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    특히 플라이 애쉬, 고로슬래그, 메타카올린 등의 포졸란 반응성 물질을 함유한 재료를 사용하여 알칼리 활성화 방법을 통해 시멘트를 대체할 수 있는 재료를 연구하고 있다.1-4)

    해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.1-4,16-18)

  5. Lee, C. T., "A Study on Properties of Non-Cement Mortar with Alkali Activators," Graduate School Chonnam National University, 2010, pp. 53-54. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

    국내에서도 혼합 활성화제에 의한 연구는 수산화나트륨(NaOH)와 규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 연구가 많았으나,9) 최근에는 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3) 혼합에 의한 활성화 슬래그의 특성에 대한 연구도 진행되고 있다.5,6,13-15)

  6. Kim, G. W., Kim, B. J., Yang, K. H., and Song, J. K., "Strength Development of Blended Sodium Alkali-Activated Ground Granulated Blast-Furnace Slag (GGBS) Mortar," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 24, No. 2, 2012, pp. 137-145. (doi: http://dx.doi.org/10.4334/JKCI.2012. 24.2.137) 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

    국내에서도 혼합 활성화제에 의한 연구는 수산화나트륨(NaOH)와 규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 연구가 많았으나,9) 최근에는 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3) 혼합에 의한 활성화 슬래그의 특성에 대한 연구도 진행되고 있다.5,6,13-15)

    특히 수산화나트륨과 탄산칼슘의 반응은 기존의 연구6)에서 그 반응을 분석하여 제시되어 있었다.

  7. Ahn, J, W., Cho, J. S., Kim, H. S., Han, G. C., Han, K. S., and Kim, H., "Activation Property of Blast Furnace Slag by Alkaline Activator," Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 40, No. 10, 2003, pp. 1005-1014. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

  8. Lee, H. S. and Jee, N. Y., "An Experimental Study on Strength Properties of Alkali Activated Slag Mortars with Different Activator Type and Curing Temperature," The 60th Anniversary & Annual Conference of AIK, Vol. 25, No. 1, 2005, pp. 349-352. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

    특히 적절한 활성화제의 종류와 농도를 찾기 위한 연구도 진행되고 있는데, 기존의 단일 종류 활성화제 사용에서 최근에는 두 종류 이상의 활성화제 혼합사용에 대한 연구도 이루어지고 있다.8,10,11)

  9. An, Y. J., Mun, K. J., Soh, S. Y., and Soh, Y. S., "The Properties of Alkali Activated Slag Mortars Using Sodium Silicate with Activator," Proceeding of Annual Conference of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol. 26, No. 1, 2006, pp. 341-344. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

    국내에서도 혼합 활성화제에 의한 연구는 수산화나트륨(NaOH)와 규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 연구가 많았으나,9) 최근에는 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3) 혼합에 의한 활성화 슬래그의 특성에 대한 연구도 진행되고 있다.5,6,13-15)

  10. Lee, Y. J., Jee, N. Y., and Kim, J. H., "The Experimental Study for Application of Alkali Activated Slag Concrete," Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 23, No.2, 2007, pp. 99-106. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

    특히 적절한 활성화제의 종류와 농도를 찾기 위한 연구도 진행되고 있는데, 기존의 단일 종류 활성화제 사용에서 최근에는 두 종류 이상의 활성화제 혼합사용에 대한 연구도 이루어지고 있다.8,10,11)

  11. We, J. W., Kim, S. H., Kim, S. H., Ji, S. W., Choi, S. K., and Seo, C. H., "An Experimental Study on Lightweight Aggregate Blast Furnace Slag Concrete by Alkali-Activated Reaction," Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 26, No. 9, 2010, pp. 87-94. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

    특히 적절한 활성화제의 종류와 농도를 찾기 위한 연구도 진행되고 있는데, 기존의 단일 종류 활성화제 사용에서 최근에는 두 종류 이상의 활성화제 혼합사용에 대한 연구도 이루어지고 있다.8,10,11)

  12. Kang, H. Y., Kang, H. B., and Park, S. S., "Strength Behavior and Microstructure of Alkali-Activated Slag Cement Concrete," Journal of Korea Society of Waste Management, Vol. 27, No. 5, 2010, pp. 405-414. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

    수산화계열 알칼리 활성화제의 수산화이온(OH- )이 고로슬래그의 유리구조나 알루미노 규산염 중의 Si-O나 AlO 결합을 파괴하여 Si나 Al을 함유하고 있는 이온의 용해를 촉진시키는데, 이렇게 용출된 이온은 수경성 물질로서 C-S-H gel과 aluminosilicate gel을 생성하고 경화하게 된다.12,21)

  13. Collins, F. and Sanjayan, J. G., "Early Age Strength and Workability of Slag Pastes Activated by NaOH and $Na_{2}CO_{3}$ ," Cement and Concrete Research, Vol. 28, 1998, pp. 655-664. 

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    국내에서도 혼합 활성화제에 의한 연구는 수산화나트륨(NaOH)와 규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 연구가 많았으나,9) 최근에는 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3) 혼합에 의한 활성화 슬래그의 특성에 대한 연구도 진행되고 있다.5,6,13-15)

  14. Li, Y. and Sun, Y., "Preliminary Study on Combined-Alkali- Slag Paste Materials," Cement and Concrete Research, Vol. 30, 2000, pp. 963-966. 

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    국내에서도 혼합 활성화제에 의한 연구는 수산화나트륨(NaOH)와 규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 연구가 많았으나,9) 최근에는 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3) 혼합에 의한 활성화 슬래그의 특성에 대한 연구도 진행되고 있다.5,6,13-15)

  15. Collins, F. and Sanjayan, J. G., "Early Age Strength and Workability of Slag Pastes Activated by NaOH and $Na_{2}CO_{3}$ ," Cement and Concrete Research, Vol. 28, 1998, pp. 655-664. 

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    국내에서도 혼합 활성화제에 의한 연구는 수산화나트륨(NaOH)와 규산나트륨(Na2SiO3)에 대한 연구가 많았으나,9) 최근에는 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3) 혼합에 의한 활성화 슬래그의 특성에 대한 연구도 진행되고 있다.5,6,13-15)

  16. Jo, B. W., Park, S. K., and Kwon, B. Y., "Alkali-Activated Coal Ash (Fly Ash, Bottom Ash) Artificial Lightweight Aggregate and Its Application of Concrete," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 16, No. 6, 2004, pp. 751-757. 

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    해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.1-4,16-18)

  17. Yang, K. H. and Song, J. K., "The Properties and Applications of Alkali-Activated Concrete with No Cement," Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 19, No. 2, 2007, pp. 42-48. 

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  18. Park, S. S., Kang, H. Y., Han, S. H., and Kang, H. B., "Effects of NaOH and $Na_{2}SiO_{3}$ . $9H_{2}O$ Addition on Strength Development of Class F Fly Ash-Mortar," Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 9, No. 4, 2005, pp. 261-269. 

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    해외뿐만 아니라 국내에서도 알칼리 활성화 시멘트에 대한 연구가 몇몇 연구자들에 의해 진행되고 있다.1-4,16-18)

  19. Atis, C. D., Bilim, C., Celik, O., and Karahan, O., "Influence of Activator on the Strength and Drying Shrinkage of Alkali-Activated Slag Mortar," Construction and Building Materials, Vol. 23, 2009, pp. 548-555. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

  20. Pacheco-Torgal, F., Castro-Gomes, J., and Jalali, S., "Alkali- Activated Binders: A Review: Part 1. Historical Background, Terminology, Reaction Mechanisms and Hydration Products," Construction and Building Materials, Vol. 22, 2008, pp. 1315-1322. 

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    국내외 연구자들은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트의 특성연구를 통해 다양한 성질들을 밝혀내고 있다.5-12,19,20)

  21. Puertas, F., Fernandez-Jimenez, A., and Blanco-Varela, M. T., "Pore Solution in Alkali-Activated Slag Cement Pastes. Relation to the Composition and Struction of Calcium Silicate Hydrate," Cement and Concrete Research, Vol. 34, 2004, pp. 139-148. 

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    수산화계열 알칼리 활성화제의 수산화이온(OH- )이 고로슬래그의 유리구조나 알루미노 규산염 중의 Si-O나 AlO 결합을 파괴하여 Si나 Al을 함유하고 있는 이온의 용해를 촉진시키는데, 이렇게 용출된 이온은 수경성 물질로서 C-S-H gel과 aluminosilicate gel을 생성하고 경화하게 된다.12,21)

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