본 연구는 건설 산업에 있어서 지구온난화의 주된 원인으로 알려져 있는 시멘트를 고로슬래그 미분말로 대체하기 위한 기초적인 연구를 수행한 것으로, 고로슬래그 및 알칼리 자극제를 사용하여 시멘트 콘크리트와 같은 성질을 가지는 경화체의 제조가 가능한지에 대한 실험적 검토를 실시하였다. 이를 위하여 시멘트 대체재로 철강 산업의 부산물인 고로슬래그 미분말과 자극제로 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘($Ca(OH)_2$), 수산화나트륨(NaOH) 등을 사용하여 공시체를 제작한 후, 휨 및 압축강도, XRD, EDS 및 SEM 등에 대한 측정을 실시함으로써 무시멘트 경화체의 반응 특성에 대하여 분석을 실시하였다. 그 결과 고로슬래그에 함유되어 있던 $SiO_2$, CaO 등이 용출되어 시멘트의 수화반응과 같은 칼슘 실리케이트(C-S-H) 수화물을 생성하는 것으로 나타나 고로슬래그 미분말을 사용하여 무시멘트 경화체의 제조가 가능할 것으로 나타났으며, 이후 건설 산업에 있어서 가장 중요한 콘텐트 중에 하나인 시멘트 제조에 수반하는 $CO_2$ 발생량을 줄이기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 건설 산업에 있어서 지구온난화의 주된 원인으로 알려져 있는 시멘트를 고로슬래그 미분말로 대체하기 위한 기초적인 연구를 수행한 것으로, 고로슬래그 및 알칼리 자극제를 사용하여 시멘트 콘크리트와 같은 성질을 가지는 경화체의 제조가 가능한지에 대한 실험적 검토를 실시하였다. 이를 위하여 시멘트 대체재로 철강 산업의 부산물인 고로슬래그 미분말과 자극제로 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘($Ca(OH)_2$), 수산화나트륨(NaOH) 등을 사용하여 공시체를 제작한 후, 휨 및 압축강도, XRD, EDS 및 SEM 등에 대한 측정을 실시함으로써 무시멘트 경화체의 반응 특성에 대하여 분석을 실시하였다. 그 결과 고로슬래그에 함유되어 있던 $SiO_2$, CaO 등이 용출되어 시멘트의 수화반응과 같은 칼슘 실리케이트(C-S-H) 수화물을 생성하는 것으로 나타나 고로슬래그 미분말을 사용하여 무시멘트 경화체의 제조가 가능할 것으로 나타났으며, 이후 건설 산업에 있어서 가장 중요한 콘텐트 중에 하나인 시멘트 제조에 수반하는 $CO_2$ 발생량을 줄이기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
The purpose of this study is to identify the manufacturing possibility of non-cement mortar using blast furnace slag and alkali accelerator. In this experimental study, the blast furnace slag which is the by-product of the steel industry substitute for cement, and the potassium hydroxide(KOH), calci...
The purpose of this study is to identify the manufacturing possibility of non-cement mortar using blast furnace slag and alkali accelerator. In this experimental study, the blast furnace slag which is the by-product of the steel industry substitute for cement, and the potassium hydroxide(KOH), calcium hydroxide ($Ca(OH)_2$) and sodium hydroxide(NaOH) as stimulus were added to each specimen. And the analysis on reaction property of non-cement mortar was conducted by measurement such as flexural and compressive strength, XRD, EDS and SEM. From the test results, it can be founded that $SiO_2$ and CaO included in the blast furnace slag are released and make the calcium silicate hydrate like the hydration reaction of the cement. Also, the continued study is need to reduce emission of $CO_2$ because of major content in filed of the building construction.
The purpose of this study is to identify the manufacturing possibility of non-cement mortar using blast furnace slag and alkali accelerator. In this experimental study, the blast furnace slag which is the by-product of the steel industry substitute for cement, and the potassium hydroxide(KOH), calcium hydroxide ($Ca(OH)_2$) and sodium hydroxide(NaOH) as stimulus were added to each specimen. And the analysis on reaction property of non-cement mortar was conducted by measurement such as flexural and compressive strength, XRD, EDS and SEM. From the test results, it can be founded that $SiO_2$ and CaO included in the blast furnace slag are released and make the calcium silicate hydrate like the hydration reaction of the cement. Also, the continued study is need to reduce emission of $CO_2$ because of major content in filed of the building construction.
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문제 정의
본 연구에서는 다량의 CO2를 발생하는 시멘트 사용량을 줄이기 위한 연구를 수행하였다. 즉 고로슬래그 미분말 및 알칼리 자극제를 사용하여 무 시멘트 경화체의 제조가 가능한지에 대한 기초적인 연구를 수행하였다.
를 발생하는 시멘트 사용량을 줄이기 위한 연구를 수행하였다. 즉 고로슬래그 미분말 및 알칼리 자극제를 사용하여 무 시멘트 경화체의 제조가 가능한지에 대한 기초적인 연구를 수행하였다. 이를 위하여, 철강 산업의 부산물인 고로슬래그 미분말을 사용하고 자극제로써 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하여 공시체를 제작한 후 유동성, 휨 및 압축강도, 반응성분 분석, 조직의 미세 관찰 등에 대한 측정을 실시함으로써 무시멘트 경화체의 반응 특성에 대하여 분석을 실시하였다.
제안 방법
무시멘트 페이스트의 유동 성상을 알아보기 위한 플로우 시험은 페이스트를 토출한 직후에 페이스트가 퍼지는 3곳의 거리를 측정하여 평균을 내었으며, 재령별 경화성상을 측정하기 위한 휨 및 압축강도는 시멘트의 강도 시험 방법(KS L ISO 679)에 의거하여 40×40×160㎜ 몰드에 제작하여 상대습도 80±5%, 온도 20±2℃의 조건으로 양생을 실시한 후 재령에 맞추어 강도를 측정하였다. 또한, 무시멘트 경화체의 결정구조 및 미세조직을 관찰하기 위해 재령 3, 7, 28일의 시험체를 XRD와 EDS 분석, SEM 촬영을 실시하였다.
무시멘트 페이스트의 유동 성상을 알아보기 위한 플로우 시험은 페이스트를 토출한 직후에 페이스트가 퍼지는 3곳의 거리를 측정하여 평균을 내었으며, 재령별 경화성상을 측정하기 위한 휨 및 압축강도는 시멘트의 강도 시험 방법(KS L ISO 679)에 의거하여 40×40×160㎜ 몰드에 제작하여 상대습도 80±5%, 온도 20±2℃의 조건으로 양생을 실시한 후 재령에 맞추어 강도를 측정하였다.
1. 실험계획
실험수준 및 요인은 [표 1]에 나타낸 바와 같이 결합재로 사용한 고로슬래그 미분말 100g을 기준으로 알칼리 자극제 KOH, Ca(OH)2, NaOH를 각 10, 20, 30 (%) 첨가하여 W/B를 0.45, 0.55로 총 2수준으로 설정하였다.
즉 고로슬래그 미분말 및 알칼리 자극제를 사용하여 무 시멘트 경화체의 제조가 가능한지에 대한 기초적인 연구를 수행하였다. 이를 위하여, 철강 산업의 부산물인 고로슬래그 미분말을 사용하고 자극제로써 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하여 공시체를 제작한 후 유동성, 휨 및 압축강도, 반응성분 분석, 조직의 미세 관찰 등에 대한 측정을 실시함으로써 무시멘트 경화체의 반응 특성에 대하여 분석을 실시하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용된 고로슬래그 미분말은 밀도 2.91 g/㎤, 분말도 4,464 ㎠/g이며, 화학성분은 [표 2]에 나타낸 바와 같다. 알칼리 자극제는 분말형태인 KOH, Ca(OH)2, NaOH 등을 사용하였다.
91 g/㎤, 분말도 4,464 ㎠/g이며, 화학성분은 [표 2]에 나타낸 바와 같다. 알칼리 자극제는 분말형태인 KOH, Ca(OH)2, NaOH 등을 사용하였다.
성능/효과
1) 무시멘트 경화체의 화학적 성분 분석결과 기존 연구에서와 같이 Ca, Al, Si 성분이 관찰되었으며, 고로슬래그 미분말에 함유되어 있던 SiO2, CaO 등이 용출된 후에 시멘트의 수화반응과 같은 물질인 칼슘 실리케이트(Calcium Silicate : C-S-H)수화물을 생성하는 것으로 나타났다.
2) SEM 촬영결과 무시멘트 경화체는 C-S-H생성물과 알칼리 칼슘 실리카 겔이 관찰되었으며, 기존 연구와 달리 알칼리 칼슘 실리카 겔에 의한 미세한 팽창균열이 발생된 것을 확인하였다.
3) 이상의 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이 본 연구에서는 시멘트를 사용하지 않고, 산업부산물인 고로 슬래그 미분말 및 알카리 자극제를 사용할 경우, 시멘트를 사용하지 않아도 강도를 발현하는 경화체를 제조할 수 있으며, 시멘트 경화체의 반응과 비슷한 반응물이 생성된다는 것을 확인하였다.
SEM 촬영결과 고로슬래그 미분말과 KOH를 사용한 시험체의 경우 1,000배율에서 괴상의 형태를 나타내고 있으나 10,000배율에서 2차원 망상의 초기 C-S-H 생성물(Type-Ⅱ)이 관찰되었다.
[그림 11]은 재령 28일의 SEM과 EDS를 나타낸 것으로 EDS 분석에서는 각 성분들 피크점의 높이는 약간의 차이를 보이지만 함유된 성분들은 큰 차이를 보이지 않았다. SEM 촬영결과 고로슬래그 미분말과 KOH를 사용한 시험체의 경우 수화생성물의 형상에는 큰 차이가 없지만 1,000배율에서 재령 7일보다 많은 균열이 나타난 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 10,000배율에서 알칼리 칼슘 실리카 겔이 적층형식으로 발달된 것이 보이는데 이 알칼리 칼슘 실리카 겔에 의해 팽창균열이 많이 발달된 것으로 판단된다.
고로슬래그 미분말과 NaOH를 사용한 시험체의 경우도 재령 3일보다 좀 더 치밀하고 안정적인 표면이 관찰되었으나, 수축에 의한 균열의 폭이 0.2~0.3㎛ 정도 더 커지고 도드라지게 관찰되었다. 또한, 수화물의 표면에 Na의 상이 관찰된 것으로 보아, 이는 잔여 배합수에 용해되어 있던 Na가 고로슬래그 미분말의 표면을 파괴시킨 것 이외에 수화반응에 참여하지 못하여 나타난 것으로 판단된다.
따라서, 본 실험 결과 W/B 0.55에서는 큰 강도를 기대할 수 없었지만, W/B 0.45에서 KOH의 첨가율 10%와 NaOH 10%에서 높은 강도발현을 볼 수 있었다. 기존 연구[4][5]에서는 알칼리 활성 고로슬래그 콘크리트의 재령 10년 강도가 재령 28일보다 100~200% 증가한 연구결과도 보고되고 있어 고로슬래그 무시멘트 경화체의 장기 강도 또한 높을 것으로 사료된다.
45의 경우 KOH는 첨가율이 10%였을 때 현저히 낮은 강도를 나타내다가 20%에서 10%보다 약 3배 이상의 강도발현을 하였으나, 30%에서 다시 낮은 강도발현을 나타내었다. 또한, KOH를 10% 첨가하였을 때 재령 3, 7, 28일 모두 4MPa 이하의 낮은 강도를 발현하였다. 20%를 첨가하였을 때는 재령 3일에서 약 10MPa 정도 발현이 되었으나 재령 일에 따라 강도저하를 나타내었다.
또한, 판상의 Ca(OH)2도 나타나는데, 이는 고로슬래그 미분말과 NaOH의 반응 속도는 빠르나 C-S-H의 중․후기로 되기 위한 반응에서 필요 성분들의 부족으로 재령 일에 따라 생성되지 못하고 거의 정지된 상태인 것으로 판단되며, 두 번째 10,000배율에서 치밀한 조직을 보이는 것과 상반된 것으로 나트륨 이온(Na+)이 부분적으로 밀집되어 있어 나타난 결과로 판단된다. 또한, NaOH의 양이 과다하게 첨가된다면 수화반응에 필요한 성분들을 반응성이 좋은 나트륨 이온(Na+)에 의해 모두 반응이 진행되어 장기재령에서 강도 증진이 저조하게 된 것으로 판단되며, 두 번째 10,000배율에서 미세한 균열이 관찰되었다.
55의 경우 첨가율 20%까지 증가하는 경향을 나타내다 30%에서 유동성이 저하되었다. 또한, W/B에 따라 유동성이 크게 차이가 나는데 자극제 자체의 물에 대한 용해도가 낮아 배합수에 침전됨으로써 분체의 양이 많아지는 결과를 초래하여 나타난 결과로 판단된다.
55와 비슷한 경향을 나타내었다. 즉 W/B 0.55에서는 첨가율 20%까지 약간의 유동성 증진을 보였으나, 30%에서 급격히 저하되는 것을 나타내었다. 이는 W/B가 높을 경우에 자극제에 의한 반응이 일어나도 잔여 배합수량이 많아 유동성의 큰 저하는 없으나 NaOH의 첨가율이 높을 경우에 반응성이 크게 되어 경화반응이 빨리 일어나 W/B가 높아도 유동성이 저하된 것으로 판단된다.
후속연구
4) 본 실험결과에 대한 검증 연구가 계속적으로 진행될 것이며, 이후에 건설 산업에 있어서 해결해 할 가장 중요한 콘텐츠 중에 하나로서 시멘트 제조에 수반하는 CO2발생량을 줄이기 위한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
하지만 무시멘트 경화체의 강도를 발현하는 데에 있어서 C-S-H 겔의 형성이 필요한데, 이때 칼슘이온(Ca2+)에 의해 Si를 모두 소비하게 되면 C-S-H 겔을 생성할 수 없다. 따라서 적정량의 Ca(OH)2가 필요하며, 이로써 좀 더 높은 강도발현을 할 수 있을 것으로 판단된다. NaOH는 재령 3일에서 첨가율이 커질수록 강도가 저하되는데 재령 7, 28일에서 30%를 첨가한 시험체의 강도가 증진되는 것으로 나타났다.
는 첨가율 및 재령 일에 따라 강도가 증가되었지만, KOH와 NaOH보다 현저히 낮은 강도를 나타내었다. 이는 Ca(OH)2의 낮은 반응성으로 나타난 결과인 것으로 판단되며 반응을 촉진시키는 인자를 추가한다면 더 높은 강도발현을 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고로슬래그 미분말은 무엇인가?
고로슬래그 미분말은 철강 산업에서 선철을 생산할 때에 발생하는 부산물을 분말화한 것으로, 약 1,500 ℃의 고온에서 급랭시켜 만들어지기 때문에 고로슬래그 미분말의 표면에는 유리질의 피막이 생성된다. 이러한 유리질 피막은 고로슬래그 미분말이 물과 직접적으로 반응하지 못하도록 방해하며, 알칼리 환경에서만 반응하여 수화물을 생성시키는 잠재수경성의 물질이 되도록 한다.
시멘트 1톤을 제조할 때 발생되는 CO2는 얼마인가?
시멘트는 [그림 1]에 나타낸 바와 같이 석회석(CaCO3)을 소성하여 만든 재료로 소성과정 중에 다량의 CO2를 발생시킨다. 시멘트 산업에서 배출되는 CO2 가스는 시멘트 1 톤을 제조하는데 약 870 kg의 CO2를 배출한다는 연구 결과가 있다[1]. 또한, 시멘트 산업에 의하여 발생하는 CO2 가스는 우리나라 전체 온실가스 배출량의 약 7%를 차지하고 있어 이에 대한 대책이 필요한 실정이다[2].
고로슬래그를 시멘트 대체로 사용하려면 고로슬래그 미분말 표면의 유리질의 피막을 제거해야 하는 이유는?
고로슬래그 미분말은 철강 산업에서 선철을 생산할 때에 발생하는 부산물을 분말화한 것으로, 약 1,500 ℃의 고온에서 급랭시켜 만들어지기 때문에 고로슬래그 미분말의 표면에는 유리질의 피막이 생성된다. 이러한 유리질 피막은 고로슬래그 미분말이 물과 직접적으로 반응하지 못하도록 방해하며, 알칼리 환경에서만 반응하여 수화물을 생성시키는 잠재수경성의 물질이 되도록 한다. 따라서 고로슬래그를 시멘트 대체로 사용하기 위해서는 유리질 피막을 깨트릴 수 있는 알칼리 자극제가 필요하게 되며, [그림 2]에 나타낸 바와 같이 알칼리 자극제는 고로슬래그 미분말 내부에 존재 하는 성분을 용출시켜 고로슬래그 미분말이 시멘트와 같이 경화하도록 반응시킨다.
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