[논문]플라이애시로 표면개질한 바텀애시 경량골재의 물리 화학적특성

김형기; 하경애; 장정국; 이행기

doi:10.4191/kcers.2014.51.2.57

[국내논문] 플라이애시로 표면개질한 바텀애시 경량골재의 물리 화학적특성
Mechanical and Chemical Characteristics of Bottom Ash Aggregates Cold-bonded with Fly Ash 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.51 no.2, 2014년, pp.57 - 63

김형기 (조선대학교 건축학부) , 하경애 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) , 장정국 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) , 이행기 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Bottom ash can be used as pelletizing seeds in unsintered artificial lightweight aggregates, so it can be called as 'cold-bonded aggregates'. In the present study, the mechanical and chemical characteristics of bottom ash aggregates cold-bonded with fly ash were investigated. The crushing strength and the water transfer characteristic of the aggregates, which may affect the strength gain of the concrete, were evaluated. Moreover, the degree of hydration and the hydration products of the aggregates were analyzed to verify the chemical stability of the aggregates. Compared to commercialized artificial lightweight aggregates manufactured by sintering process, cold-bonded fly/bottom ash aggregates had similar levels of water transfer characteristics, while having lower strengths. The calcium hydroxide in the aggregates was almost completely consumed after 28 days moist curing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 바텀애시를 Pelletizing seed로 활용하여 제조된 비소성 플라이애시 경량골재의 물리적, 화학적 특성을 분석하였다. 골재의 기본 특성인 비중, 흡수율, 입도, 파괴하중의 측정과 더불어, 비소성 골재의 수화도 및 수화물에 대해 조사하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
이 바텀애시는, 플라이애시와 시멘트를 9:2의 무게비로 섞은 분말과 함께 소형 조립기 (Pelletizer)에 투입되어 약 10분간의 입자화 (Pelletizing) 과정을 통해 펠릿으로 성형 되었다. 본 연구에서 사용된 플라이애시와 시멘트의 비율은 기존 연구 결과를 바탕으로 도출되었다.^6,12,13) 또한, 조립기에 투입되는 플라이애시/시멘트 혼합분말과 바텀애시의 무게비는 2:5로 이 비율은 실험적으로 결정되었다.
본 연구에서는 바텀애시를 Pelletizing seed로 활용하여 제조된 비소성 플라이애시 경량골재 (Cold-bonded fly/bottom ash aggregates, CBFB)의 물리적, 화학적 특성을 분석하였다. 골재의 기본 특성인 비중, 흡수율, 입도, 파괴하중 (Fracture load)을 측정하였으며, 더불어 비소성 골재의 수화도 (Degree of hydration) 및 내부 수화물 (Hydration products)에 대해 조사하였다.
본 연구에서는 바텀애시를 Pelletizing seed로 활용하여 제조된 비소성 플라이애시 경량골재의 물리적, 화학적 특성을 분석하였다. 골재의 기본 특성인 비중, 흡수율, 입도, 파괴하중의 측정과 더불어, 비소성 골재의 수화도 및 수화물에 대해 조사하였다.

가설 설정

따라서 바텀애시를 콘크리트에 대량으로 혼입할 경우 작업성 (Workability)과 철근통과능력이 크게 감소한다.³⁾ 또한, 표면공극의 크기가 매우 크기 때문에 흡/발수 속도가 빠르다.³⁾ 따라서 배합 및 운반 중에 공극내 수분이 쉽게 빠져나오게 되며, 그 결과 현장에서 콘크리트 함수율을 관리하기 곤란하기 때문에 콘크리트의 품질관리가 어렵다.

제안 방법

사용된 SEM 기기는 Magellan 400(Nanolab technologies사)이다. 골재의 수분이동특성은 1) 시간에 따른 골재의 흡수율 변화 및 2) 골재로 부터 형광염료 (Fluorescent ink) 확산의 두 가지 방법을 통해 평가되었다. 골재의 수분이동특성을 평가하기 위한 두 가지 방법에 대한 자세한 내용은 Kim (2013)에 나타나있다.
4,5) 이에 반해, 본 연구에서는 바텀애시를 펠릿형성의 시작물질 (Pelletizing seed)로 활용하였다. 즉, 물에 함침시킨 바텀애쉬를 소량의 시멘트와 플라이애시 혼합 분말에 직접 투입하여 회전시킴으로써, 바텀애쉬 표면의 수분이 분말을 응집하여 펠릿이 성장하도록 유도하였다.
본 연구에서는 바텀애시를 Pelletizing seed로 활용하여 제조된 비소성 플라이애시 경량골재 (Cold-bonded fly/bottom ash aggregates, CBFB)의 물리적, 화학적 특성을 분석하였다. 골재의 기본 특성인 비중, 흡수율, 입도, 파괴하중 (Fracture load)을 측정하였으며, 더불어 비소성 골재의 수화도 (Degree of hydration) 및 내부 수화물 (Hydration products)에 대해 조사하였다.
골재의 입도는 KS F2502 기준에 의한 체가름 시험을 이용해 분석하였다. 골재의 미세 단면 분석을 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)을 이용한 후방산란전자 (Backscattered electrons, BSE) 영상을 촬영하였다. 특히, 본 연구에서는 골재입자의 단면을 파손 없이 관찰하기 위해 골재를 에폭시에 진공함침 (Vacuum impregnation)한 후 SEM 영상을 촬영하였다.
³⁾ 이러한 이유로 바텀애시를 콘크리트용 골재로 대량 활용함과 동시에 소정의 콘크리트 품질을 확보하기 위해서는 바텀애시를 개질하여 입형을 매끄럽게 하고 공극을 충진하여 흡/발수속도를 조절할 필요가 있다. 본 연구에서는 바텀애시의 표면 개질을 위해 비소성 경량골재 (Unsintered lightweight aggregates, 일명 Cold-bonded aggregates) 제조방법을 응용하였다.
시간에 따른 골재의 수화도 (Degree of hydration) 변화를 확인하기 위해, ‘결합재량에 대한 미증발수량 비 (Nonevaporated water to binder ratio, Wne/B)’를 측정하였다.
제조된 골재의 결정상을 파악하기 위하여 X선회절분석 (X-ray diffraction, XRD)과 열분석 (Thermal analysis)을 수행하였다. 열분석은 열중량/시차열중량 분석법 (Thermogravimetry / Derivative thermogravimetry analysis, TG/DTA)을 통해 수행되었다.
제조된 골재의 형상은 디지털 카메라를 이용해 촬영하였다. 골재의 입도는 KS F2502 기준에 의한 체가름 시험을 이용해 분석하였다.
^4,5) 이에 반해, 본 연구에서는 바텀애시를 펠릿형성의 시작물질 (Pelletizing seed)로 활용하였다. 즉, 물에 함침시킨 바텀애쉬를 소량의 시멘트와 플라이애시 혼합 분말에 직접 투입하여 회전시킴으로써, 바텀애쉬 표면의 수분이 분말을 응집하여 펠릿이 성장하도록 유도하였다. 이 때 추가적인 수분 분사는 하지 않았다.
골재의 미세 단면 분석을 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)을 이용한 후방산란전자 (Backscattered electrons, BSE) 영상을 촬영하였다. 특히, 본 연구에서는 골재입자의 단면을 파손 없이 관찰하기 위해 골재를 에폭시에 진공함침 (Vacuum impregnation)한 후 SEM 영상을 촬영하였다. 사용된 SEM 기기는 Magellan 400(Nanolab technologies사)이다.

대상 데이터

제조된 골재의 성능을 비교하기 위해 1) 미가공 바텀애시 (Raw bottom ash, RBA)와 2) 소성 인공경량골재인 팽창혈암 (Expanded shale, ES)을 사용하였다. 소성 인공경량골재는 중국에서 생산된 상용제품으로서, 비중과 조립도는 Table 1에 나타내었다.
비소성 골재를 제조하기 위해, 서천 화력발전소에서 생산된 바텀애시와 중국산 Class F 플라이애시, 그리고 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 사용된 바텀애시, 플라이애시, 시멘트의 화학조성 및 물리적 특성은 각각 Lee et al.
특히, 본 연구에서는 골재입자의 단면을 파손 없이 관찰하기 위해 골재를 에폭시에 진공함침 (Vacuum impregnation)한 후 SEM 영상을 촬영하였다. 사용된 SEM 기기는 Magellan 400(Nanolab technologies사)이다. 골재의 수분이동특성은 1) 시간에 따른 골재의 흡수율 변화 및 2) 골재로 부터 형광염료 (Fluorescent ink) 확산의 두 가지 방법을 통해 평가되었다.
¹¹⁾ 골재 제조 시 바텀애시의 함수량에서 저온건조에 의해 건조된 수분량을 제하면, 수화에 의해 고정된 수분량 (미증발수량, W_ne)의 무게를 계산할 수 있으며, 이를 분말량 (결합재량, B)으로 나누어 W_ne/B값을 계산하였다. 시료는 하나의 결과 당 3~4개를 사용하였다.
¹⁴⁾ 시료는2 mm의 구형골재를 선별하여 사용하였으며, 총 10개 시료의 파괴하중을 측정한 후 그 평균값, 최대/최소값, 표준편차를 계산하였다. 시험에는 5,000 N급 만능시험기 (Universal test machine, UTM)를 사용하였다.
측정에 사용한 XRD 및 열분석 기기는 각각 D/MAX-2500(RIGAKU사)과 TG209F3 (Netzsch-Gerätebau GmbH사)이다.

데이터처리

14) 시료는2 mm의 구형골재를 선별하여 사용하였으며, 총 10개 시료의 파괴하중을 측정한 후 그 평균값, 최대/최소값, 표준편차를 계산하였다. 시험에는 5,000 N급 만능시험기 (Universal test machine, UTM)를 사용하였다.

이론/모형

측정에 사용한 XRD 및 열분석 기기는 각각 D/MAX-2500(RIGAKU사)과 TG209F3 (Netzsch-Gerätebau GmbH사)이다. 골재 내 수산화칼슘(Ca(OH)₂)양은 TG로 분석된 결과를 이용해 계산하였으며, 계산방법은 Lam et al. (2000)에 나타나 있다.¹⁵⁾
제조된 골재의 형상은 디지털 카메라를 이용해 촬영하였다. 골재의 입도는 KS F2502 기준에 의한 체가름 시험을 이용해 분석하였다. 골재의 미세 단면 분석을 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)을 이용한 후방산란전자 (Backscattered electrons, BSE) 영상을 촬영하였다.
골재의 파괴하중 (Fracture load)은 Cheeseman and Virdi (2005)에 의해 제안된 방법을 통해 측정하였다.¹⁴⁾ 시료는2 mm의 구형골재를 선별하여 사용하였으며, 총 10개 시료의 파괴하중을 측정한 후 그 평균값, 최대/최소값, 표준편차를 계산하였다.
제조된 골재의 결정상을 파악하기 위하여 X선회절분석 (X-ray diffraction, XRD)과 열분석 (Thermal analysis)을 수행하였다. 열분석은 열중량/시차열중량 분석법 (Thermogravimetry / Derivative thermogravimetry analysis, TG/DTA)을 통해 수행되었다. 분석에는 골재를 막자 사발을 이용해 150 µm 이하로 분쇄한 시료를 사용하였다.
이렇게 처리한 바텀애시는 경량골재를 제작하기 전에 1주일 이상 침수를 통해 포화 (Saturation) 되었다. 참고로, 바텀애시는 일반골재에 비해 입자형상이 매우 거칠고 불규칙한 표면공극이 다수 존재하기 때문에, 표면건조상태를 기존의 일반골재용 KS F 2503 및 ASTM C 128 기준이 아닌, 뉴욕 교통국의 기준 (NYDOT Test method No. 703-19E)에 의해 정의하고 측정하였다.^10,11) 자세한 측정방법은 NYDOT Test method No.

성능/효과

골재의 24시간 흡수율에 대한 1시간 흡수율의 상대값은 콘크리트 배합 시 배합수량의 안정성에 관련된 수치이다.¹¹⁾ 이것은 비소성 골재의 표면공극이 바텀애시에 비해 치밀하여 골재의 흡수특성이 안정적이기 때문에, 콘크리트에 배합 시 비정상적인 흡/발수로 인한 배합수량 교란문제가 발생할 가능성이 작다는 것을 의미한다.¹¹⁾ 또한, 비소성 골재의 24시간 흡수량은 소성 경량골재와 유사한 반면, 진공 포화 방법 (Vacuum saturation)에 의한 흡수량은 소성 경량골재에 비해 낮은 편이다.
또한 91일 골재의 W_ne/B값이 28일 골재의 W_ne/B에 비해 약 20% 이상 큰 폭으로 증가한 것을 알 수 있는데, 이는 플라이애시 비율이 시멘트에 비해 월등히 많기 때문에 포졸란반응이 활발히 일어났다는 것을 의미한다.¹⁵⁾ 참고로 시멘트만을 사용한 콘크리트에서는 이 값의 증가폭이 10% 정도이며, 플라이애시를 55% 이상 치환한 콘크리트에서는 증가폭이 20% 정도이다.¹⁵⁾ 따라서 본 골재는 제조 후 장기강도가 상승할 가능성이 있음을 의미한다.
^4,5) 이 때 펠릿 형성을 위한 분말은 플라이애쉬가 주로 사용되며, 경화를 위해 소량의 시멘트 혹은 알칼리 활성화제 등을 첨가한다.^4,5) 비소성 골재 제조방식은 소성방식에 비해 생산된 골재 자체의 낮은 강도와 불안정한 부피안정성이 단점인 반면, 생산이 용이하고 생산과정에서 소모되는 에너지가 월등히 적은 장점이 있다.⁴⁾ 이러한 장점으로 인해 영국에서는 비소성 플라이애시 경량골재를 상업적으로 생산하고 있으며, 이를 비구조용 경량콘크리트 및 유해물질 흡착재 등에 활용하고 있다.
관찰 결과, 바텀애시 표면에 약 50 ~ 300 µm 범위의 플라이애시/시멘트층이 형성되어 있었으며, 표면공극 내에도 플라이애시/시멘트 분말이 충진되어 있었다 (Fig. 3의 백색 원).
실험 결과, 비소성 골재의 수화반응은 일반 시멘트 콘크리트의 수화반응과 같이 양생 시간 로그 축에 대해 선형적인 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한 91일 골재의 W_ne/B값이 28일 골재의 W_ne/B에 비해 약 20% 이상 큰 폭으로 증가한 것을 알 수 있는데, 이는 플라이애시 비율이 시멘트에 비해 월등히 많기 때문에 포졸란반응이 활발히 일어났다는 것을 의미한다.¹⁵⁾ 참고로 시멘트만을 사용한 콘크리트에서는 이 값의 증가폭이 10% 정도이며, 플라이애시를 55% 이상 치환한 콘크리트에서는 증가폭이 20% 정도이다.
8은 열분석 결과를 통해 계산된 수산화칼슘양을 나타낸다. 시간이 지남에 따라 수산화칼슘 양이 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러나, 일반적인 시멘트 페이스트 시료의 경우 전체 무게 중 수산화칼슘이 차지하는 비율이약 8 ~ 16% 인 점을 감안할 때, 본 연구에서 제작된 골재 내 수산화칼슘은 매우 적은 양 임을 알 수 있다.
5는 제조된 비소성 골재의 양생시간에 따른 W_ne/B 값 변화를 나타낸 것이다. 실험 결과, 비소성 골재의 수화반응은 일반 시멘트 콘크리트의 수화반응과 같이 양생 시간 로그 축에 대해 선형적인 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한 91일 골재의 W_ne/B값이 28일 골재의 W_ne/B에 비해 약 20% 이상 큰 폭으로 증가한 것을 알 수 있는데, 이는 플라이애시 비율이 시멘트에 비해 월등히 많기 때문에 포졸란반응이 활발히 일어났다는 것을 의미한다.
6은 비소성 골재의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 실험 결과, 시간경과에 따라 수산화 칼슘이 극명하게 감소하여 56일 이후에는 골재 내 수산화칼슘이 거의 모두 소모된다는 것을 알 수 있었다. 즉 상대적으로 적은 양의 시멘트를 다량의 플라이애시와 혼입하기 때문에 포졸란 반응이 활발히 일어나 수산화칼슘이 소모된다는 것을 의미한다.
Table 2는 비소성 골재와 소성 경량골재의 파괴하중 실험결과를 나타낸 것이다. 실험결과 평균적으로 비소성 골재가 소성 경량골재에 비해 강도가 낮은 것을 알 수 있었다. 또한 비소성 골재 강도값의 표준편차 및 최대/최소 범위가 소성골재에 비해 컸다.
이와 함께, 비소성 골재와 일반 잔골재 (Normal fine aggregates, 부순 모래)를 일정 비율로 혼합한 경우의 입도분포를 동시에 나타내었다. 실험결과, 비소성 골재 자체는 KS F 2526의 콘크리트용 잔골재입도규격 (Fig. 2의 Standard 선)보다 상대적으로 약간 더 굵은 입자가 많은 것으로 나타났다. 하지만, 비소성 골재를 일반 잔골재와 무게비 50% 이하로 혼합하게 되면 콘크리트용 잔골재 입도규격을 만족하는 것을 알 수 있었다.
4는 여러골재의 형광염료 확산거리를 나타낸 것이다. 실험결과, 제조된 비소성골재의 형광염료 확산거리는 미가공 바텀애시의 경우에 비해 짧을 뿐만 아니라, 소성 경량골재의 경우와 유사한 수준인 것을 알 수 있었다. 이 결과 역시, 비소성 골재의 흡/발수 특성이 소성 경량골재 수준으로 매우 안정적인 것을 의미한다.
또한 규산칼슘수화물 (Calcium silicate hydrates, C-S-H) 및 탄산칼슘의 피크 역시 명확하지 않았다. 참고로 본 실험에서의 DTG 피크 최대값은 약 0.25 wt% 수준인 반면, 일반적인 시멘트 몰 탈에서의 피크 최대값은 약 1.0 wt% 수준이다.¹⁸⁾ 또한, Fig.
2의 Standard 선)보다 상대적으로 약간 더 굵은 입자가 많은 것으로 나타났다. 하지만, 비소성 골재를 일반 잔골재와 무게비 50% 이하로 혼합하게 되면 콘크리트용 잔골재 입도규격을 만족하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 제조된 비소성 골재는 비구조용 콘크리트 2차제품을 위한 경량골재, 혹은 고성능 콘크리트의 내부 양생 (Internal curing)을 위한 수분 공급용 골재 등으로 활용될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄화력발전소 부산물 중 바텀애시를 콘크리트에서 골재로 활용할 때 발생하는 문제점은?	2) 석탄화력발전소 부산물 중 바텀애시를 콘크리트에 골재로서 활용할 때의 문제점은 크게 두가지로 요약된다. 먼저, 입형이 매우 불균질 하기 때문에 굳지 않은 콘크리트가 유동할 때 맞물림 (Interlocking) 현상이 발생한다. 따라서 바텀애시를 콘크리트에 대량으로 혼입할 경우 작업성 (Workability)과 철근통과능력이 크게 감소한다.3) 또한, 표면공극의 크기가 매우 크기 때문에 흡/발수 속도가 빠르다.3) 따라서 배합 및 운반 중에 공극내 수분이 쉽게 빠져나오게 되며, 그결과 현장에서 콘크리트 함수율을 관리하기 곤란하기 때문에 콘크리트의 품질관리가 어렵다.3) 이러한 이유로 바텀애시를 콘크리트용 골재로 대량 활용함과 동시에 소정의 콘크리트 품질을 확보하기 위해서는 바텀애시를 개질하여 입형을 매끄럽게 하고 공극을 충진하여 흡/발수속도를 조절할 필요가 있다.
	플라이애시와 바텀애시의 문제점은 무엇인가?	석탄화력발전소 부산물인 플라이애시와 바텀애시는 다량의 중금속을 포함하고 있기 때문에 직접 폐기 또는 안정화 처리 없이 지반재료로 재활용 될 경우 심각한 환경 문제를 일으킬 수 있다.1) 플라이애시와 바텀애시의 재활용에 관한 많은 연구가 최근 발표되고 있는 가운데, 환경부하를 최소화하기 위한 관점에서 시멘트 및 콘크리트 분야로의 재활용이 활발히 검토되고 있다.
	비소성 경량골재의 제조방법은 어떻게 되는가?	비소성 경량골재는 수화반응성이 있는 분말 (Cementitious powder)과 수분을 배합하여 펠릿 (Pellet)을 형성시킨 후, 이 펠릿이 상온 혹은 고온에서 경화되도록 양생하여 제조한다.4,5) 이 때 펠릿 형성을 위한 분말은 플라이애쉬가 주로 사용되며, 경화를 위해 소량의 시멘트 혹은 알칼리 활성화제 등을 첨가한다.

참고문헌 (18)

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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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