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문제 정의
- 따라서 본 연구는 이러한 수동적 탄소저감과 능동적 탄소저감을 모두 만족하는 새로운 개념의 탄소흡수용 도로재료를 개발하고자 하며, 도로재료 뿐만 아니라 건축, 건설, 사회기반시설에 다양하게 활용하고자 한다. 이에 따라 “활성산업부산물을 활용한 탄소흡수용 도로재료 개발”을 위한 기초연구로서 대표적인 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 활용한 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 기초특성을 분석하고자 한다.
- 본 실험에서는 고로슬래그와 탄소포집 활성화제에 의해 생성된 반응 생성물을 확인하기 위하여 Rigaku사의 XRD(D/Max–2200)를 사용하여 생성물의 성분을 분석하였다.
- 본 연구는“활성 산업부산물을 활용한 탄소흡수용 도로재료 개발”을 위한 연구의 일환으로 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 기초 특성을 파악하기 위한 실험을 수행하였으며, 이를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
- 이에 따라 “활성산업부산물을 활용한 탄소흡수용 도로재료 개발”을 위한 기초연구로서 대표적인 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 활용한 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 기초특성을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 15~18은 탄소포집 활성 고로슬래그 시험체의 XRD 분석 결과를 나타내고 있다. XRD 분석은 Table 2의 실험변수 1, 3, 4, 11에 대하여 재령 3, 7, 28일에 대한 분석을 수행하여 각 재령에 따라 생성된 생성물을 비교하였다.
- , 2012). XRD분석의 실험 변수로는 위의 Table 2의 1, 3, 4, 11번 변수에 해당하는 탄소포집 활성 슬래그 페이스트의 압축강도 실험(3일, 7일, 28일)진행 후 공시체의 조각들을 채취하여 각 양생기간(3일, 7일, 28일)별 XRD분석을 수행하였다.
- 실험 변수는 Table 2에 나타나 있으며, 플로우 테이블의 윗면을 깨끗이 마르게 닦고 플로우 틀을 중앙에 놓고 모르타르를 약 25mm두께의 층으로 하여 틀 안에 넣고 템퍼로 20회 다짐을 하였다. 다음에 모르타르로 플로우 틀을 채우고 처음 층에서와 같이 20회 다짐 후 틀의 윗면에 맞추어 모르타르를 평면으로 잘라낸 다음 플로우 틀을 모르타르로부터 들어올리고, 플로우 테이블을 15초 동안에 25회, 12.7mm의 높이로 낙하시켜 흘러내린 모르타르의 밑지름을 거의 같은 간격으로 4개의 지름을 측정하여 이의 평균값을 플로우 값으로 측정하였다.
- 또한 실험 공시체의 양생방법은 항온항습실(상대습도 50%, 온도 23±2℃)에서 노출시킨 공기 중 건조(기건)양생과 습윤양생, 항온수조에서의 수중양생을 실시하여 Table 2와 같은 배합으로 실험을 수행하였다.
- 본 실험에서는 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가에 따른 모르타르의 유동성 특성과 물–결합재 비에 따른 모르타르의 유동성의 변화를 확인하기 위하여 Table 2와 같은 배합으로 13변수에 대한 플로우 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서 고려한 각 실험변수는 고로슬래그 미분말을 기반으로 탄소포집 활성화제의 첨가율을 5~30%까지 증가시켰으며, 물-결합재 비는 0.5, 0.55, 0.6으로 하였다. 또한 실험 공시체의 양생방법은 항온항습실(상대습도 50%, 온도 23±2℃)에서 노출시킨 공기 중 건조(기건)양생과 습윤양생, 항온수조에서의 수중양생을 실시하여 Table 2와 같은 배합으로 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 KS L 5105의 규정에 의거하여 다음의 실험 배합표(Table 2)와 같이 고로슬래그를 기반으로 하여 탄소포집 활성화제(수산화칼슘, 규산나트륨)의 첨가율을 5%~30%까지 첨가하여 각 변수별 재령 3일, 7일, 28일 압축강도 시험 및 플로우 시험을 실시하였으며, 응결시간 시험은 KS L 5108에 의거하여 실험 변수 1, 3, 4, 11에 대하여 실험을 수행하였다.
- 응결시간 시험은 KS L 5108 규정에 의거하여 비카트침에 의한 응결시간 시험을 수행하였다. 실험 변수는 Table 2의 1, 3, 4, 11번에 해당하는 4변수의 페이스트에 대하여 실험을 수행하였으며, 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가와 양생온도에 따른 응결시간의 변화를 측정하기 위하여 각 변수별 시험체는 2개씩 제작 후 응결 시간을 측정하였다.
- 압축강도 시험은 KS L 5105 규정에 의거하여 플로우 시험이 끝나는 즉시 모르타르를 50mm×50mm× 50mm 크기의 입방체 칸에 두께 약 25mm 정도로 넣고 10초 동안 32회 다짐 후 모르타르를 가득 채우고 다시 10초 동안 32회 다짐하여 공시체를 제작하였다.
- 압축강도 측정용 시험체는 각 변수별 9개씩 제작하여 재령 3 일, 7일, 28일 압축강도를 측정하고 양생방법은 항온항 습실(습도 50%, 온도 23±2℃)에서 공기 중 건조(기건) 양생과 습윤양생, 항온수조에서의 수중양생을 실시하여 압축강도 실험을 수행하였다.
- 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 탄소흡수능을 증가시키기 위하여 수산화칼슘과 규산나트륨을 고로슬래그 미분말과 적정 비율로 혼합하여 모르타르를 제조하여 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 H사의 KS F 2563에 적합한 3종 고로슬래그 미분말을 사용하였으며, 잔골재는 주문진 표준사를 사용하였다. 다음의 Table 1은 본 연구에서 사용한 고로슬래그 미분말의 화학적 및 물리적 특성을 나타내고 있다.
- 탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘은 국내 S사의 분말형 제품으로 순도 95% 이상의 수산화칼슘을 사용하였으며, 규산나트륨은 국내 S사의 SSP–30의 분말형 제품을 사용하여 실험을 수행하였다.
이론/모형
- 응결시간 시험은 KS L 5108 규정에 의거하여 비카트침에 의한 응결시간 시험을 수행하였다. 실험 변수는 Table 2의 1, 3, 4, 11번에 해당하는 4변수의 페이스트에 대하여 실험을 수행하였으며, 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가와 양생온도에 따른 응결시간의 변화를 측정하기 위하여 각 변수별 시험체는 2개씩 제작 후 응결 시간을 측정하였다.
- 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 플로우 시험은 KS L 5105의 규정에 의거하여 실험을 수행하였다. 실험 변수는 Table 2에 나타나 있으며, 플로우 테이블의 윗면을 깨끗이 마르게 닦고 플로우 틀을 중앙에 놓고 모르타르를 약 25mm두께의 층으로 하여 틀 안에 넣고 템퍼로 20회 다짐을 하였다.
성능/효과
- 1. 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 플로우 시험 결과, 탄소포집 활성화제(수산화칼슘, 규산나트륨)의 첨가량 증가에 따라 유동성은 선형으로 감소하였으며, 활성화제의 첨가량이 일정할 때 물-결합재 비(W/B)의 증가에 따라 모르타르의 유동성은 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다. 탄소포집을 위한 목적으로 사용된 활성화제(수산화칼슘, 규산나트륨)는 모르타르의 유동성에 긍정적인 영향을 주지 못하는 것으로 판단된다.
- 2. 압축강도 실험 결과, 전반적으로 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 활성화제의 첨가율 20% 미만인 모르타르 시험체는 적절한 압축강도를 확보하지 못하는 것을 알 수 있었다. 또한 물-결합재의 비가 50% 이상인 경우에는 모르타르의 압축강도가 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 물-결합재의 비가 50%일 때 활성화제의 첨가량이 가장 많은 25%인 시험체의 압축강도가 가장 큰 것을 알 수 있었다.
- 3. 탄소포집 활성 고로슬래그를 활용한 페이스트의 응결시간 시험 결과, 전반적으로 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가에 따라 응결시간은 단축되는 경향을 나타내었다. 또한 고온(40℃)양생 조건에서의 시험체는 응결시간이 다소 단축되는 것을 알 수 있었으며, 상온(23±2℃)양생 조건에서의 일반적인 OPC의 응결시간과 비교했을 때 탄소포집 활성 고로슬래그는 적절한 응결시간을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4. XRD 분석 결과, 시험체의 주요 생성물은 Portlandite와 Calcite, Ettringite의 검출량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 주요 생성물 피크의 세기도 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 Portlandite 생성물은 양생시간이 지남에 따라 피크가 낮아지고 Calcite 피크의 세기는 높아지는 것으로 나타났는데, 이는 양생기간 동안 시험체의 Ca(OH)2가 공기 중의 CO2를 흡수하여 Calcite 피크의 세기가 높아진 것으로 판단된다.
- Fig. 10과 Fig 11에서 재령에 따른 압축강도의 변화를 살펴보면, 활성화제의 첨가량이 20% 미만인 실험변수 1, 2, 3, 4, 9, 10, 11에서는 3일 압축강도에 비해 7 일, 28일 압축강도의 증가폭이 비교적 작은 것으로 나타났으며 탄소포집 활성화제의 첨가량이 15% 미만인 실험 변수 1, 2, 9에서는 28일 압축강도가 7일 압축강도에 비해 약간 감소하는 것으로 나타났다. 반면 이를 제외한 다른 변수에서는 7일 압축강도와 28일 압축강도의 증가폭이 비교적 큰 것으로 나타났다.
- Fig. 14의 경우 상온(23±2℃)과 고온(40℃)양생 조건에서 응결시간을 비교한 것으로 상온에서의 응결시간에 비해 고온에서의 응결시간이 비교적 크게 단축되는 것으로 나타났으며, 상온에서의 일반적인 OPC의 응결 시간과 비교했을 때 상온양생 조건의 탄소포집 활성 고로슬래그는 응결시간이 OPC에 비해 약 한 시간 이상 지연되는 것을 알 수 있으며, 고온 양생조건의 응결시간은 OPC에 비해 응결시간이 약 두 시간 이상 단축되는 것을 알 수 있었다.
- XRD 분석 결과, 전반적인 주요 생성물은 Portlandite와 Calcite, Ettringite의 검출량이 가장 많은 것으로 나타났다. 또한 Portlandite와 Ettringite는 재령 3일에서 재령 28일까지 양생기간이 길어질수록 피크의 세기 (Intensity)가 점차 낮아지는 것으로 나타났으며, 반면에 Calcite는 양생기간이 길어질수록 더 높은 세기를 갖는 것을 알 수 있다.
- 7억 톤을 감축해야 할 것으로 추정된다. 따라서 CO2를 방출하는 제품에 대해서 탄소세 또는 탄소 배출부과금이 추가로 부가된다고 가정할 경우, 이로 인한 시멘트의 단가 상승률은 대략 150%~200%로 예측할 수 있다. 이러한 시멘트 가격의 상승은 도로 시설물 건설 및 유지관리비용의 급격한 상승요인으로 작용하게 되며, 사회·경제적으로 매우 큰 영향을 미칠 것이다.
- 따라서 탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘이 규산나트륨에 비해 유동성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 실험 변수 13의 경우 탄소포집 활성화제의 첨가율이 30%로 가장 많음에도 불구하고 W/B가 60%이므로 활성화제 첨가율 25%인 변수보다 압축강도가 더 낮은 값을 나타내었다. 따라서 탄소포집 활성화제의 첨가량이 25% 이상일 때 W/B는 50%인 것이 적절한 수준인 것으로 판단된다. 또한 W/B가 50%일 때 전반적으로 활성화제의 첨가율이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도는 점차 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났으며 W/B가 60%로 증가할 때 압축강도는 급격히 감소하였다.
- XRD 분석 결과, 시험체의 주요 생성물은 Portlandite와 Calcite, Ettringite의 검출량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 주요 생성물 피크의 세기도 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 Portlandite 생성물은 양생시간이 지남에 따라 피크가 낮아지고 Calcite 피크의 세기는 높아지는 것으로 나타났는데, 이는 양생기간 동안 시험체의 Ca(OH)2가 공기 중의 CO2를 흡수하여 Calcite 피크의 세기가 높아진 것으로 판단된다.
- XRD 분석 결과, 전반적인 주요 생성물은 Portlandite와 Calcite, Ettringite의 검출량이 가장 많은 것으로 나타났다. 또한 Portlandite와 Ettringite는 재령 3일에서 재령 28일까지 양생기간이 길어질수록 피크의 세기 (Intensity)가 점차 낮아지는 것으로 나타났으며, 반면에 Calcite는 양생기간이 길어질수록 더 높은 세기를 갖는 것을 알 수 있다. 이는 본 XRD분석에 사용된 시험체는 모두 항온항습실(습도 50%, 온도 23±2℃)에서 공기 중건조(기건)양생을 실시한 시험체로 탄소포집 활성 고로슬래그 시험체가 양생기간이 지남에 따라 공기 중의 CO2를흡수하여 Portlandite 피크의 세기가 낮아지면서 Calcite 피크의 세기가 증가한 것으로 사료된다.
- 따라서 탄소포집 활성화제의 첨가량이 25% 이상일 때 W/B는 50%인 것이 적절한 수준인 것으로 판단된다. 또한 W/B가 50%일 때 전반적으로 활성화제의 첨가율이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도는 점차 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났으며 W/B가 60%로 증가할 때 압축강도는 급격히 감소하였다. 항온항습실에서 공기 중 건조(기건)양생을 실시한 실험변수 1, 2, 3, 4, 9, 10, 11의 경우 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도의 증가폭이 비교적 작은 것으로 나타났으며 탄소포집 활성화제의 첨가율이 20% 미만인 변수에서는 적절한 압축강도를 발현하지 못하며, 20% 이상일 때 비교적 절적한 압축강도를 발현할 수 있을 것으로 판단된다.
- , 2011). 또한 W/B와 A/B(활성화제-결합재 비)가 같은 변수 2, 3, 4와 변수 9, 10, 11을 비교했을 때 활성화제의 첨가량 증가에 따른 유동성의 감소는 비슷한 경향을 보였으며, 탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘과 규산나트륨의 비율에 따른 유동성의 차이는 수산화칼슘의 비율을 다소 줄이고 규산나트륨의 비율을 증가시킨 9, 10, 11변수 에서 2, 3, 4번 변수에 비해 전반적으로 유동성이 다소 높은 것으로 나타났다. 따라서 탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘이 규산나트륨에 비해 유동성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 또한 고온(40℃)양생 조건에서의 시험체는 응결시간이 다소 단축되는 것을 알 수 있었으며, 상온(23±2℃)양생 조건에서의 일반적인 OPC의 응결시간과 비교했을 때 탄소포집 활성 고로슬래그는 적절한 응결시간을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 압축강도 실험 결과, 전반적으로 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 활성화제의 첨가율 20% 미만인 모르타르 시험체는 적절한 압축강도를 확보하지 못하는 것을 알 수 있었다. 또한 물-결합재의 비가 50% 이상인 경우에는 모르타르의 압축강도가 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 물-결합재의 비가 50%일 때 활성화제의 첨가량이 가장 많은 25%인 시험체의 압축강도가 가장 큰 것을 알 수 있었다. 이는 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 수화반응과 중합반응에 긍정적인 영향을 주어 압축강도가 증가한 것으로 판단된다.
- 2MPa 수준으로 압축강도가 가장 높게 나타났다. 또한 물-결합재의 비가 일정할 때 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 압축강도가 점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 물-결합재의 비가 증가하면 압축강도는 현저히 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 이는 본 XRD분석에 사용된 시험체는 모두 항온항습실(습도 50%, 온도 23±2℃)에서 공기 중건조(기건)양생을 실시한 시험체로 탄소포집 활성 고로슬래그 시험체가 양생기간이 지남에 따라 공기 중의 CO2를흡수하여 Portlandite 피크의 세기가 낮아지면서 Calcite 피크의 세기가 증가한 것으로 사료된다. 또한 주요 생성물인 Portlandite와 Calcite, Ettringite는 탄소 포집 활성화제의 첨가량이 많을수록 주요 3가지 생성물 피크의 Intensity도 높은 것으로 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 13의 경우 고온양생 조건에서의 응결시간 시험 결과를 나타내고 있는데, 탄소포집 활성화제의 첨가량이 가장 적은 5%에서의 응결시간은 369분으로 응결시 간이 가장 오래 걸리는 것을 볼 수 있다. 또한 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가에 따라 응결시간이 단축되는 경향을 보이고 있으나 그 차이는 비교적 미미한 것으로 나타났다.
- 모르타르의 압축강도는 재령 3, 7, 28일 압축강도를 측정하였으며 Fig. 10의 경우 재령 28일 압축강도가 물-결합재의 비(W/B)가 50%일 때 탄소포집 활성화제의 첨가율이 25%인 변수에서의 압축강도가 25.2MPa 수준으로 가장 높은 값을 나타내었다. 실험 변수 13의 경우 탄소포집 활성화제의 첨가율이 30%로 가장 많음에도 불구하고 W/B가 60%이므로 활성화제 첨가율 25%인 변수보다 압축강도가 더 낮은 값을 나타내었다.
- 물-결합재의 비율에 따른 압축강도의 변화를 살펴보면, 실험변수 5, 6, 7을 비교해 볼 때 탄소포집 활성화 제의 첨가율은 25%로 일정하고 물-결합재의 비를 50%, 55%, 60%로 증가시킨 경우 물-결합재의 비가 증가함에 따라 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 압축강도는 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 이는 일반적으로 OPC의 경우와 마찬가지로 단위수량이 증가 함에 따라 모르타르의 압축강도에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다(Kim et al.
- 양생방법에 따른 압축강도의 변화를 살펴보면, Fig. 10, Fig. 11에서 비교해 볼 때 실험변수 4-1, 5, 6, 7, 8, 12, 13에서의 모든 변수에서 항온항습실(습도 50%, 온도 23±2℃)의 습윤양생 조건에서 실험을 수행한 시험체가 수중양생 조건의 시험체에 비해 압축강도는 약간 더 높은 모습을 보였다.
- 12, 13, 14는 탄소포집 활성화제의 첨가 율과 양생온도에 따른 응결시간의 변화를 나타내고 있다. 탄소포집 활성 고로슬래그를 활용한 페이스트의 응결시간 시험 결과 전반적으로 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가에 따라 응결시간은 단축되는 경향을 나타내 었다. Fig.
- 탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘과 규산나트륨의 배합 비율에 따른 압축강도의 변화를 살펴보면, 탄소포집 활성화제의 첨가율은 같고 수산화칼슘과 규산나트륨의 비율이 다른 실험변수 2, 3, 4와 9, 10, 11을 비교해 볼 때 실험변수 2, 3, 4가 실험변수 9, 10, 11에 비해 압축강도가 약간 높은 모습을 보였으나, 그 차이는 미미한 것으로 나타났다. 이는 탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘의 비율에 비해 규산나트륨의 비율이 현저히 작아 수산화칼슘과 규산나트륨의 비율에 따른 압축강도의 차이는 크지 않은 것으로 판단된다.
- 또한 W/B가 50%일 때 전반적으로 활성화제의 첨가율이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도는 점차 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났으며 W/B가 60%로 증가할 때 압축강도는 급격히 감소하였다. 항온항습실에서 공기 중 건조(기건)양생을 실시한 실험변수 1, 2, 3, 4, 9, 10, 11의 경우 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도의 증가폭이 비교적 작은 것으로 나타났으며 탄소포집 활성화제의 첨가율이 20% 미만인 변수에서는 적절한 압축강도를 발현하지 못하며, 20% 이상일 때 비교적 절적한 압축강도를 발현할 수 있을 것으로 판단된다.
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