[논문]산업부산물을 사용한 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 품질특성에 관한 연구

권용훈; 권영호; 이동규

doi:10.14190/jrcr.2013.1.1.058

산업부산물을 사용한 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 품질특성에 관한 연구
A Study on the Quality Properties of Alkali-activated cement free Mortar using Industrial by-products 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.1 no.1, 2013년, pp.58 - 66

권용훈 (동남기업(주) 중앙연구소) , 권영호 (동양대학교 건축소방행정학과) , 이동규 (동남기업(주) 중앙연구소)

초록
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산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 적용하였던 선행 연구들과 차별하여 시멘트 킬른 더스트, 실리카퓸, 규사미분말 등의 기타 산업부산물을 사용한 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 품질특성을 검토하고자 하였으며, 그 결과는 다음과 같다. SF 치환의 경우 Plain에 비해 유동성이 저하되었으나 강도발현에는 우수한 경향을 나타내었으며, CKD와 SP의 사용량 증가에 따라 각각 유동성 및 압축강도가 증가하였다. 유동성 증진 및 초기강도 향상에 각 결합재의 고유입도분포와 높은 상관관계를 가지는데, 이는 입자사이즈가 큰 BS 및 FA 입자사이에 입자가 작은 CKD, SF 및 SP가 공극을 충진하여 연속입도곡선을 형성하는 것에 기인한 것으로 사료된다. BS 기반 조기강도 증진용 알칼리 활성 모르타르의 초기강도 향상 및 유동성 개선을 위해서는 고유의 입도분포를 가진 기타 결합재를 치환 사용하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated quality properties of alkali activated cement free mortar using industrial by-product such as cement kiln dust(CKD), silica fume(SF) and quartz sand powder(SP) to compare with previous research about blast furnace slag(BS) and fly ash(FA). The results were as following. All materials were effective to increase compressive strength, however they showed different tendency on flowability. CKD and SP increased flowability, but on the other hand SF did not because it's blain was great difference with other materials. Flowability and compressive strength were related with grading distributions of binders because CKD, SP and SF which had small particle size filled up BS and FA. Application of industrial by-products with various grading distributions could be effective for the high early strength and flowability of alkali activated cement free mortar using BS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고로슬래그(이하, BS)를 기반으로 한 알칼리 활성 모르타르의 초기강도 증진 및 소정의 유동성 확보를 위하여, 선행연구 결과에서 장기강도 발현에 도움을 주는 플라이애 시(이하, FA)의 사용량을 줄이고 기타 산업부산물인 실리카퓸(이하, SF), 시멘트 킬른 더스트(이하, CKD), 규사미분말(이하, SP)을 FA의 대체재로 사용하여 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 기초적 특성에 대해 실험적 검토를 진행하고자 한다. 그리고 FA 대체 분체별 적용에 따라 확보되는 모르타르의 유동성 증대 및 초기강도 향상 비교·분석을 위해 입도분포 분석을 통한 저에너지 건설 산업에 활용할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 고로슬래그(이하, BS)를 기반으로 한 알칼리 활성 모르타르의 초기강도 증진 및 소정의 유동성 확보를 위하여, 선행연구 결과에서 장기강도 발현에 도움을 주는 플라이애 시(이하, FA)의 사용량을 줄이고 기타 산업부산물인 실리카퓸(이하, SF), 시멘트 킬른 더스트(이하, CKD), 규사미분말(이하, SP)을 FA의 대체재로 사용하여 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 기초적 특성에 대해 실험적 검토를 진행하고자 한다. 그리고 FA 대체 분체별 적용에 따라 확보되는 모르타르의 유동성 증대 및 초기강도 향상 비교·분석을 위해 입도분포 분석을 통한 저에너지 건설 산업에 활용할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.

제안 방법

먼저, 배합조건으로 물-결합재비(이하, W/B)를 43%로 고정으로 선행연구를 통해 유동성과 재령별 압축강도에서 가장 우수한 결과를 나타낸(Kwon, Y. H 2012) BS 70%, FA 30%를 결합재로 사용한 알칼리 활성 무시멘트 모르타르 배합을 Plain으로 설정하였으며, 목표 테이블 플로는 160±15mm를 만족하도록 배합설계하였다. 그리고 모르타르의 초기강도 향상을 위하여 BS에 비해 알칼리 활성화 초기반응성이 낮아 초기재령에 낮은 압축강도를 나타내는 FA 대체용 결합재로 시멘트 생산 시 킬른 소성과정에서 발생하는 CKD, 실리콘 제조시 발생되는 폐가스를 집진하여 제품 화한 SF 및 산(山)규암을 파쇄·분쇄하는 과정에서 생산되는 SP, 이상 3종류의 산업부산물을 검토하였다.
실험항목으로는 굳지 않은 모르타르에서 타격식 테이블 플로를 측정하고, 경화 모르타르에서는 재령별 압축강도 및 전자현미경(Scanning Electron Microscope : 이하 SEM)촬영을 통해 모르타르 내부의 미세구조의 변화를 확인하고자 하였다. 그리고 각 분체별 입도분석을 통해 연속입도분포 곡선을 측정하여 입도분포가 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 유동성 및 초기강도 특성에 미치는 영향을 검토하고자 하였다.
H 2012) BS 70%, FA 30%를 결합재로 사용한 알칼리 활성 무시멘트 모르타르 배합을 Plain으로 설정하였으며, 목표 테이블 플로는 160±15mm를 만족하도록 배합설계하였다. 그리고 모르타르의 초기강도 향상을 위하여 BS에 비해 알칼리 활성화 초기반응성이 낮아 초기재령에 낮은 압축강도를 나타내는 FA 대체용 결합재로 시멘트 생산 시 킬른 소성과정에서 발생하는 CKD, 실리콘 제조시 발생되는 폐가스를 집진하여 제품 화한 SF 및 산(山)규암을 파쇄·분쇄하는 과정에서 생산되는 SP, 이상 3종류의 산업부산물을 검토하였다.
대체용 결합재의 사용량은 FA의 중량비 30, 50, 100%로 치환하여 초기강도의 발현성능을 확인하기 위한 6 수준 및 연속입도분포에 의한 유동성 및 강도 개선을 위해 CKD, SF 및 SP를 임의의 비율로 혼합한 4 수준 등 총 11 수준으로 배합조건을 설정하였다.
경화 모르타르의 실험방법으로 모르타르의 압축강도는 소정기간 항온항습 챔버에서 양생하고 1일(24h) 경과 후, 몰드에서 탈형한 후 KS L 5105에 따라 수중양생을 실시하였다. 또한, 경화된 모르타르의 경화체 미세구조를 관찰하기 위하여 압축강도 측정 후 남은 모르타르의 파편을 아세톤에 침지시켜 수화작용을 정지시키고, 수화반응이 정지된 시편에 대하여 건조 후, SEM촬영을 통해 모르타르 경화체의 미세구조를 관찰하였다.
본 연구에서는 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 초기강도 향상을 위한 방안으로 고로슬래그 및 플라이애시 등의 결합재에 대체용 결합재로 CKD, SF 및 SP를 사용한 모르타르의 기초적 특성을 비교·분석 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
실험항목으로는 굳지 않은 모르타르에서 타격식 테이블 플로를 측정하고, 경화 모르타르에서는 재령별 압축강도 및 전자현미경(Scanning Electron Microscope : 이하 SEM)촬영을 통해 모르타르 내부의 미세구조의 변화를 확인하고자 하였다. 그리고 각 분체별 입도분석을 통해 연속입도분포 곡선을 측정하여 입도분포가 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 유동성 및 초기강도 특성에 미치는 영향을 검토하고자 하였다.

대상 데이터

또한, CKD는 시멘트 킬른 소성과정에서 발생한 입자를 포집한국내 C사 제품을 사용하였고, SF는 D사, SP는 규암의 분쇄과정에서 집진한 국내산 E사의 제품을 사용하였다. NaOH는 국내산 F사의 제품을 사용하였으며, Na2SiO3는 국내산 G사의 제품을 사용하였느데, 각 재료별 물리·화학적 성질은 Table 5∼9와 같다.
또한, CKD는 시멘트 킬른 소성과정에서 발생한 입자를 포집한국내 C사 제품을 사용하였고, SF는 D사, SP는 규암의 분쇄과정에서 집진한 국내산 E사의 제품을 사용하였다. NaOH는 국내산 F사의 제품을 사용하였으며, Na2SiO3는 국내산 G사의 제품을 사용하였느데, 각 재료별 물리·화학적 성질은 Table 5∼9와 같다.
본 알칼리 활성화 모르타르 배합시 잔골재는 ISO 표준사를 사용하였으며, ISO 규격 표준사의 입도범위는 Table 10과 같다.
본 연구에 사용할 재료로, BS는 국내 A사의 제품을 사용하였으며, FA는 국내 B사의 분급 정제된 제품을 사용하였는데, 각각의 재료별 물리·화학적 특성은 Table 3∼4와 같다.

이론/모형

경화 모르타르의 실험방법으로 모르타르의 압축강도는 소정기간 항온항습 챔버에서 양생하고 1일(24h) 경과 후, 몰드에서 탈형한 후 KS L 5105에 따라 수중양생을 실시하였다. 또한, 경화된 모르타르의 경화체 미세구조를 관찰하기 위하여 압축강도 측정 후 남은 모르타르의 파편을 아세톤에 침지시켜 수화작용을 정지시키고, 수화반응이 정지된 시편에 대하여 건조 후, SEM촬영을 통해 모르타르 경화체의 미세구조를 관찰하였다.
굳지 않은 모르타르의 특성시험으로 타격식 테이블 플로는 KS L 5111에 따라 실시하였다.
본 연구에서는 각 재료 및 이를 혼합한 혼합분체의 입도분포가 강도 및 유동성에 미치는 영향을 검토하였는데, 각 재료의 입도분석을 위해 KS A ISO 13320-1의 레이저 회절법에 따른 레이저 회절/산란식 입자분포 측정장치(LA-950V2)를 사용하여 측정하였다.
알칼리 활성 모르타르의 실험은 7ℓ 용량의 강제식 모르타르믹서를 사용하여 KS L 5109의 실험방법에 따라 모르타르를 제조하였는데, 배합방법은 Fig. 1에 나타낸 바와 같다.

성능/효과

2. CKD를 적정량 치환하였을 경우, CKD의 자체의 반응성은 알칼리 활성화에 의한 반응이 지연되는 효과를 가지나, CKD에 함유되어 있는 K2O 및 Na2O가 알칼리 자극제의 역할을 하여, 잠재 수경성에 의해 생성된 유리질피막을 자극하여 촉진반응에 의해 초기 압축강도가 증가하는 것으로 사료되며, 초기 급격한 활성화반응에 의해 재령이 경과할수록 반응성이 떨어져 장기강도가 저하하는 것으로 판단된다.
3. SEM촬영 미세구조 관찰 시 SF을 치환한 배합에서 덩어리형 C-S-H gel이 확인되었는데 이는 실리카퓸 치환에 의해 비표면적의 증대에 기인한 점성증대가 발생하고, 결합재의 입자간 공극이 줄어듦에 따라 충분한 공간을 확보하지 못한 상태에서 급격한 반응물이 생성되어 덩어리형 C-S-H gel이 형성되면서 타수준에 비해 조직이 치밀화가 진행되어 높은 압축강도를 발현하는 것으로 확인되었다.
4. 각 분체별 입도분포그래프의 경사가 비교적 넓고 완만할 경우 모르타르의 유동성 개선에 유리한 경향을 나타내는 것으로 판단되며, 그래프의 경사가 좁고 가파를 경우 모르타르 내부 조직의 치밀화에 따라 모르타르의 압축강도 증진에 효과적인 것으로 사료된다.
5. BS 및 FA를 사용한 배합조건에서 고유의 입도분포를 갖는 CKD, SF 및 SP를 적정량 치환하여 사용하는 것이 모르타르 유동성 확보에 용이한 것으로 확인된다. 이는 큰 직경의 결합재 사이에 작은 입자들이 채워지면서 공극을 충전하고, 공극사이의 구속수가 자유수로 표출되어 유동성 개선 및 치밀성을 발휘하게 되며 내구특성 또한 증가될 것으로 판단된다.
1. 모든 수준에서 Plain에 비해 유동성이 소폭 향상되었으며 공기량에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 고로슬래그 및 플라이애시의 결합재를 혼합하여 사용한 것에 비해 대체용 결합재를 사용한 배합조건이 우수한 연속입도 분포도에 의한 자유수의 증가에 따라 유동성이 증가되는 것으로 판단된다.

후속연구

추후 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 지속적인 연구를 통해 경시변화에 따른 가사시간 확보에 대한 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물과 접촉시 고로슬래그 미분말이 야기하는 문제는?	그러나 고로슬래그 미분말은 물과의 접촉 시 Ca+이온의 용출에 의해 입자 표면에 불투수성 유리질 피막(Glassy State Film)을 형성시켜 즉각적인 반응이 진행되지 못하고 콘크리트내의 OH-이온에 의해 불투수성 피막이 파괴되어야 수화반응을 시작하기 때문에, 콘크리트의 초기강도 저하 및 응결지연 등의 문제점을 야기시킨다.
	시멘트 킬른 더스트, 실리카퓸, 규사미분말 등의 기타 산업부산물을 사용한 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 품질특성을 검토한 결과는?	산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 적용하였던 선행 연구들과 차별하여 시멘트 킬른 더스트, 실리카퓸, 규사미분말 등의 기타 산업부산물을 사용한 알칼리 활성 무시멘트 모르타르의 품질특성을 검토하고자 하였으며, 그 결과는 다음과 같다. SF 치환의 경우 Plain에 비해 유동성이 저하되었으나 강도발현에는 우수한 경향을 나타내었으며, CKD와 SP의 사용량 증가에 따라 각각 유동성 및 압축강도가 증가하였다. 유동성 증진 및 초기강도 향상에 각 결합재의 고유입도분포와 높은 상관관계를 가지는데, 이는 입자사이즈가 큰 BS 및 FA 입자사이에 입자가 작은 CKD, SF 및 SP가 공극을 충진하여 연속입도곡선을 형성하는 것에 기인한 것으로 사료된다. BS 기반 조기강도 증진용 알칼리 활성 모르타르의 초기강도 향상 및 유동성 개선을 위해서는 고유의 입도분포를 가진 기타 결합재를 치환 사용하는 것이 효과적인 것으로 판단된다.
	제로에미션이란?	최근 환경문제에 대한 세계적인 관심집중으로 에너지 소비비중이 상대적으로 큰 건설산업에서도 온실가스의 감축 및 에너지 저감 등의 목표를 세우고 있으며, 이를 위해 산업부산물 및 폐기물 등을 콘크리트용 재료로써 재활용하는 제로에미션(Zero emission)화 방안이 검토되고 있다. 이 중 철강산업의 부산물로 발생하는 고로슬래그 미분말은 국내 철강산업의 발전에 따라 그 발생량이 증가하고 있는 실정이며, 이를 활용하는 방안에 대한 많은 연구들이 발표되고 있다.

참고문헌 (9)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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