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문제 정의
- 본 연구는 폐콘크리트 미분말을 이용하여 저탄소형 시멘트의 원료로서 활용하기 위한 것이며 기존의 불활성 충전재로의 활용에서 벗어나 미분말의 화학적 특성을 기반으로 배합 조건을 조절하여 클링커를 제조하고 제조된 클링커의 미세조직 및 상분석을 실시하여 저탄소형 시멘트의 개발 가능성을 확인하고자 한다.
제안 방법
- 분쇄된 조합원료는 10mm 정도의 성구로 제작한 후 건조로를 이용하여 105℃에서 24시간 건조한 후 사용하였다. 또한 건조된 성구를 1,200~1,500℃의 온도범위에서 약 30분간 소성을 한 후 클링커를 제조하였으며 소성을 위한 온도곡선은 Fig. 3과 같다. 소성된 클링커의 안정도는 Free CaO를 정량하여 확인하였다.
- 또한 제조된 클링커의 구성광물과 광물의 상태는 각각 XRD, 편광현미경을 이용하여 분석하였다.
- 3과 같다. 소성된 클링커의 안정도는 Free CaO를 정량하여 확인하였다. Free CaO의 측정은 ASTM C114(Standard test methods for chemical analysis of hydraulic cement)를 응용한 Free CaO 분석방법을 이용하였다.
- 클링커 제조의 양부판정을 위해 수화특성과 미세구조를 확인하였고 수화특성은 미소수화열 분석기를, 미세구조는 SEM를 이용하여 상태를 확인하였다. 수화특성 분석은 제조된 클링커를 분쇄하여 시멘트를 제조하고 물시멘트비를 50%로 일정하게 하여 각각의 미소수화열을 측정하였다.
- 또한 제조된 클링커의 구성광물과 광물의 상태는 각각 XRD, 편광현미경을 이용하여 분석하였다. 클링커 제조의 양부판정을 위해 수화특성과 미세구조를 확인하였고 수화특성은 미소수화열 분석기를, 미세구조는 SEM를 이용하여 상태를 확인하였다. 수화특성 분석은 제조된 클링커를 분쇄하여 시멘트를 제조하고 물시멘트비를 50%로 일정하게 하여 각각의 미소수화열을 측정하였다.
- 시멘트 클링커 제조는 석회석 및 전로슬래그와 폐콘크리트 미분말을 혼합하여 제조하였다. 클링커의 제조는 폐콘크리트 미분말 0~30%의 화학조성을 분석하여 선정하고 폐콘크리트 미분말, 석회석 및 전로슬래그를 혼합하여 LSF(Lime Saturation Factor)가 약 91.0, SM(Silica Modulus)이 2.8~2.9, IM(Iron Modulus)이 1.2~1.5가 되도록 조정한 후 배합하였으며 Table 5와 같다. 폐콘크리트 미분말은 혼입량이 증가할수록 석회석은 약 16.
대상 데이터
- 시멘트 클링커 제조를 위해 원료로 사용되는 석회석 및 전로슬래그의 화학적 조성은 Table 4와 같다. 시멘트 클링커 제조는 석회석 및 전로슬래그와 폐콘크리트 미분말을 혼합하여 제조하였다. 클링커의 제조는 폐콘크리트 미분말 0~30%의 화학조성을 분석하여 선정하고 폐콘크리트 미분말, 석회석 및 전로슬래그를 혼합하여 LSF(Lime Saturation Factor)가 약 91.
- 2는 폐콘크리트 미분말의 화학적 특성을 사전분석하기 위해 미분말을 채집한 장소이다. 폐콘크리트 미분말은 투입되는 폐콘크리트에 따라 달라지므로 최종 생산단계의 미분말을 대상으로 특정 지역에 한정하지 않고 전국에 분산되어 있는 10개의 건설폐기물 처리시설에서 발생하는 미분말을 대상으로 분석하였다. 분석 결과 폐콘크리트 처리 중 발생하는 미분말의 경우 생산되는 지역에 따라 큰 차이를 보이지는 않았지만 폐콘크리트의 종류에 따라 화학성분이 약간 다르게 나타났다.
- 폐콘크리트 미분말은 화학성분 변동의 폭이 크고 다량 혼입하여 제조할 수 없기 때문에 배합용 폐콘크리트 미분말을 사용하였다. 조합된 배합용 폐콘크리트 미분말은 시멘트 페이스트와 모래를 조합하여 제조한 것으로 화학성분은 Table 2, 3과 같다.
이론/모형
- 소성된 클링커의 안정도는 Free CaO를 정량하여 확인하였다. Free CaO의 측정은 ASTM C114(Standard test methods for chemical analysis of hydraulic cement)를 응용한 Free CaO 분석방법을 이용하였다. 또한 제조된 클링커의 구성광물과 광물의 상태는 각각 XRD, 편광현미경을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 1. 건설폐기물 처리시설에서 발생하는 폐콘크리트 미분말의 함량은 CaO가 13.7~17.4%이며, SiO2는 47.8~60.2% 범위로 골재로부터 영향을 많이 받지만 예측 가능한 범위에 있어 저탄소형 시멘트 제조를 위한 배합이 가능하다.
- 2. 폐콘크리트 미분말의 혼입율이 증가할수록 클링커 모듈러스를 만족하기 위한 석회석 및 전로슬래그의 혼입율도 급격하게 증가하므로 혼입율을 제한하여 사용할 필요가 있다.
- 3. 폐콘크리트 미분말을 혼입하여 제조한 클링커는 저탄소형 시멘트로의 사용이 가능하고 미분말의 혼입율이 증가할수록 수화속도 및 수화열은 다소 낮아지는 특성을 보인다.
- 또한 이와 같은 결과는 XRD 패턴 분석을 통해서도 확인할 수 있었고 폐콘크리트 혼입율에 상관없는 결과를 보였다. 각각의 소 성된 클링커는 모든 배합에서 보통 포틀랜드 시멘트의 클링커 광물인 C3S, C2S, C3A를 확인 할 수 있었다.
- 폐콘크리트 미분말을 혼입하지 않은 LCRC-0이 가장 높게 나타났으며 미분말 혼입에 따라 수화열량도 약간은 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 미분말을 혼입하여 제조한 시멘트는 혼입률에 상관없이 거의 유사한 수화속도와 수화열량을 나타냈다.
- 또한 이와 같은 결과는 XRD 패턴 분석을 통해서도 확인할 수 있었고 폐콘크리트 혼입율에 상관없는 결과를 보였다. 각각의 소 성된 클링커는 모든 배합에서 보통 포틀랜드 시멘트의 클링커 광물인 C3S, C2S, C3A를 확인 할 수 있었다.
- 폐콘크리트 미분말을 혼입하여 제조한 시멘트 클링커가 보통 포틀랜드 시멘트 클링커와 유사한 값을 보여 충분히 시멘트 클링커로의 사용이 가능하다. 또한 폐콘크리트 미분말의 혼입율이 증가함에 따라 Free CaO 값이 높아지는 것을 확인할 수가 있었다. 이는 폐콘크리트 미분말 혼입율의 증가에 따라 C3S의 생성이 잘 이루어지지 않았기 때문이며 소성성에 영향을 미쳤다.
- 이는 폐콘크리트 미분말 혼입율의 증가에 따라 C3S의 생성이 잘 이루어지지 않았기 때문이며 소성성에 영향을 미쳤다. 또한, 이러한 결과는 모든 배합조건에서 동일하였으며 소성온도가 증가할수록 Free CaO 값이 낮았다. 이는 클링커의 소성시 최고온도에 해당하는 1450℃ 이상의 구간에서는 Free CaO가 없어지지만 다소 낮은 온도구간에서는 완전하게 없어지지 않기 때문이다.
- 폐콘크리트 미분말은 투입되는 폐콘크리트에 따라 달라지므로 최종 생산단계의 미분말을 대상으로 특정 지역에 한정하지 않고 전국에 분산되어 있는 10개의 건설폐기물 처리시설에서 발생하는 미분말을 대상으로 분석하였다. 분석 결과 폐콘크리트 처리 중 발생하는 미분말의 경우 생산되는 지역에 따라 큰 차이를 보이지는 않았지만 폐콘크리트의 종류에 따라 화학성분이 약간 다르게 나타났다. 또한 폐콘크리트의 처리공정 중 고품질 골재 생산을 위해 파쇄공정이 많은 경우 굵은 골재에 부착되어 있는 시멘트 페이스트의 분리가 많아지므로 화학적 특성도 약간은 다르게 나타난다.
- 7 (a), (b)는 72시간과 3시간 수화 속도를 나타낸 그래프이다. 수화속도는 폐콘크리트 미분말을 혼입하지 않은 LCRC-0의 1차 피크가 가장 낮고, 2차 피크는 가장 높게 나타났으며 수화열도 가장 높은 결과를 보였다. 또한 각각의 시멘트는 1차 피크가 낮게 나오고 2차 피크도 1차 피크와 큰 차이를 보이지 않았다.
- 6과 같다. 제조된 클링커는 시멘트의 주요 화합물인 C3S, C2S의 클링커 광물상이 생성된 것을 확인할 수 있었으며 각 배합에서도 거의 유사한 결과를 보였다.
- 클링커 제조는 진동밀을 이용하여 조합원료를 45㎛ 전후로 분쇄하였고 90㎛ 체를 이용하여 잔량없이 통과하는 것을 확인하였다. 분쇄된 조합원료는 10mm 정도의 성구로 제작한 후 건조로를 이용하여 105℃에서 24시간 건조한 후 사용하였다.
- 4 J/g을 나타냈다. 폐콘크리트 미분말을 혼입하지 않은 LCRC-0이 가장 높게 나타났으며 미분말 혼입에 따라 수화열량도 약간은 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 미분말을 혼입하여 제조한 시멘트는 혼입률에 상관없이 거의 유사한 수화속도와 수화열량을 나타냈다.
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