본 연구는 $CO_2$발생으로 인한 지구 온난화에 따른 해결책으로 고로슬래그, 레드머드, 실리카 흄 등을 시멘트를 대체하기 위한 기초적인 연구를 수행한 것으로 고로슬래그, 레드머드, 실리카 흄 및 알칼리 자극제를 사용하여 시멘트와 같은 성질을 가지는 경화체의 제조가 가능한지에 대한 실험적 검토를 실시하였다. 이를 위하여 시멘트 대체재로 고로슬래그, 레드머드, 실리카 흄 등의 무기결합재와 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨($Na_2SiO_3$)등을 사용하여 비빔시간 변화에 따른 강도특성을 선행실험에 실시하였다. 선행실험을 바탕으로 본 실험에서는 기건양생, 수중양생, 피막양생, 한지양생을 실시함으로써 경화체의 강도특성에 대하여 분석을 실시하였다. 그 결과, 수중양생 $80^{\circ}C$의 경우 재령 28일에서 압축강도 및 휨강도가 가장 우수하였으며 무시멘트 경화체의 제조가 가능해서 친환경적인 콘크리트 생산에 커다란 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 $CO_2$발생으로 인한 지구 온난화에 따른 해결책으로 고로슬래그, 레드머드, 실리카 흄 등을 시멘트를 대체하기 위한 기초적인 연구를 수행한 것으로 고로슬래그, 레드머드, 실리카 흄 및 알칼리 자극제를 사용하여 시멘트와 같은 성질을 가지는 경화체의 제조가 가능한지에 대한 실험적 검토를 실시하였다. 이를 위하여 시멘트 대체재로 고로슬래그, 레드머드, 실리카 흄 등의 무기결합재와 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨($Na_2SiO_3$)등을 사용하여 비빔시간 변화에 따른 강도특성을 선행실험에 실시하였다. 선행실험을 바탕으로 본 실험에서는 기건양생, 수중양생, 피막양생, 한지양생을 실시함으로써 경화체의 강도특성에 대하여 분석을 실시하였다. 그 결과, 수중양생 $80^{\circ}C$의 경우 재령 28일에서 압축강도 및 휨강도가 가장 우수하였으며 무시멘트 경화체의 제조가 가능해서 친환경적인 콘크리트 생산에 커다란 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다.
This study was conducted as the basic research for the replacement of Blast Furnace Slag, Red Mud, Silica Fume, etc., with cement as a solution to the problems arising from the global warming caused by the generation of $CO_2$, and conducted the experimental review to examine the feasibil...
This study was conducted as the basic research for the replacement of Blast Furnace Slag, Red Mud, Silica Fume, etc., with cement as a solution to the problems arising from the global warming caused by the generation of $CO_2$, and conducted the experimental review to examine the feasibility of matrix having properties identical to those of cement by using the Blast Furnace slag, Red mud, Silica fume, and alkali-activator. For this, by using the the inorganic binder, such as Blast Furnace Slag, Red Mud, Silica Fume, etc., and NaOH, $Na_2SiO_3$ and others as the cement substitute material, the strength characteristic according to the mixture time variation was performed in the tentative experiment. Based on the preceding experiment, this study performed the experiment to analyze the strength properties of hardener through the curing by air-dry temperature, curing by temperature in water, coating curing, and Korean paper curing. For the water curing at $80^{\circ}C$, the compressive strength and flexural strength were found to be the most excellent at the age of the 28th day, and furthermore, it was found that the non-cement hardener could be made, which is considered to affect the production of eco-friendly concrete.
This study was conducted as the basic research for the replacement of Blast Furnace Slag, Red Mud, Silica Fume, etc., with cement as a solution to the problems arising from the global warming caused by the generation of $CO_2$, and conducted the experimental review to examine the feasibility of matrix having properties identical to those of cement by using the Blast Furnace slag, Red mud, Silica fume, and alkali-activator. For this, by using the the inorganic binder, such as Blast Furnace Slag, Red Mud, Silica Fume, etc., and NaOH, $Na_2SiO_3$ and others as the cement substitute material, the strength characteristic according to the mixture time variation was performed in the tentative experiment. Based on the preceding experiment, this study performed the experiment to analyze the strength properties of hardener through the curing by air-dry temperature, curing by temperature in water, coating curing, and Korean paper curing. For the water curing at $80^{\circ}C$, the compressive strength and flexural strength were found to be the most excellent at the age of the 28th day, and furthermore, it was found that the non-cement hardener could be made, which is considered to affect the production of eco-friendly concrete.
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문제 정의
3성분계 무시멘트 경화체의 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생방법 등에 따른 강도 특성에 대하여 실험적으로 검토한 결과, 본 연구의 범위 내에서는 다음과 같은 결론을 얻었다.
압축 강도와 휨강도 측정결과, 비빔시간 각각 90초, 총 360초가 차이는 미미하였으나 가장 우수한 강도발현을 하였으므로, 본 실험의 기초자료로 제시하였다.
제안 방법
본 연구에 앞서 무기 결합재의 비빔조건을 선정하기 위한 선행 실험의 수준 및 요인은 [표1]에 나타내었다. 결합재 조건으로써 CaO 30%의 함유량과 Si/Al비4를 기준으로 고로슬래그,레드머드, 실리카 흄 등의 질량비를 설정하였으며, 알칼리 자극제는 NaOH및 Na2SiO3를 결합 재 질량 400g에 각각 50g을 첨가하였다. 비빔조건으로는 20,30,40,50(rpm)으로 각각 30,60,90(초)로 총 120,240,360(초) 총 3수준으로 설정하였으며,시험 항목으로는 압축 및 휨강도 총 2수준으로 설정하였다.
를 발생시키고 이를 저감시키고자 전세계적으로 산업부산물을 활용한 연구가 진행중이다.따라서, 본 연구에서는 고로 슬래그, 레드머드, 실리카 흄 등의 산업부산물을 시멘트 대체재로서 상호 단점을 보완하여, 액상의 알칼리 자극제만으로 상온에서 제조 가능한 무시멘트 경화체의 최적배합을 기존 연구에서 도출하였으며, 최적배합을 바탕으로 공시체를 제작하고 양생방법에 따른 양생을 실시한 후 압축 강도 및 휨강도 특성에 대하여 분석을 실시하였다 [5].[그림 2]는 본 연구의 목적을 나타내었다.
무기 결합재 페이스트의 압축 강도 및 휨강도를 측정하기 위한 비빔 방법은 20,30,40,50(rpm)의 속도로 각각 90초씩 총 360초 비빔을 하였고, 굳은 페이스트의 휨 및 압축 강도 시험 방법은 KSLISO679:시멘트의 강도 시험 방법에 의거하여 40×40×160㎜몰드에 경화체를 성형 제작하였으며,상대 습도 80±5%, 온도 20±2℃의 조건으로 전치 양생6시간을 실시한 후 타설하여 각기건양생,수중 양생을 실시하였다.또한, 경화체 제조 과정에서 표면에 피막양생제를 도포하고 전치 양생 6시간을 실시한 후 타설과 동시에 피막 양생제를 경화체에스프레이로 도포하는 피막양생,경화체제조과정에서 표면에 한지를 덮어 전치 양생 6시간을 실시한 후 타설하여 경화체에 한지를 감싸는 한지 양생으로 각각 실험을 진행하였다.
무기결합재 페이스트의 압축강도 및 휨강도를 측정하기 위한 비빔방법은 20,30,40,50(rpm)의 속도로 각각 90초씩 총 360초 비빔을 하였고,굳은 페이스트의 휨 및 압축강도 시험 방법은 KSLISO679:시멘트의 강도 시험 방법에 의거하여 40×40×160㎜ 몰드에 경화체를 성형 제작하였으며,상대습도 80±5%,온도 20±2℃의 조건으로 전치 양생 6시간을 실시한 후 타설하여 각기건양생,수중양생을 실시하였다.
본 실험 요인 및 수준은 [표2]에 나타낸 바와 같이 선행연구를 바탕으로 비빔 조건을 20,30,40,50(rpm)으로 각각 90초, 총 360초로 비빔시간을 고정하였으며, W/B31%,CaO함유량 30%,Si/Al 변화율 4로 선정하여 고로슬래그,레드머드, 실리카 흄 등의 무기결합재를 총 400g, 알칼리 자극제를 액상 형태의 NaOH 50g, Na2SiO350g총 100g을 첨가하였다. 양생조건으로는 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생 총 4수준으로 설정하였다.
결합재 조건으로써 CaO 30%의 함유량과 Si/Al비4를 기준으로 고로슬래그,레드머드, 실리카 흄 등의 질량비를 설정하였으며, 알칼리 자극제는 NaOH및 Na2SiO3를 결합 재 질량 400g에 각각 50g을 첨가하였다. 비빔조건으로는 20,30,40,50(rpm)으로 각각 30,60,90(초)로 총 120,240,360(초) 총 3수준으로 설정하였으며,시험 항목으로는 압축 및 휨강도 총 2수준으로 설정하였다.
양생조건으로는 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생 총 4수준으로 설정하였다.시험 항목으로는 압축강도, 휨강도 총 2수준 실험하였다. 본 실험 배합은[표 3]과 같다.
50g총 100g을 첨가하였다. 양생조건으로는 기건양생,수중양생,피막양생,한지 양생 총 4수준으로 설정하였다.시험 항목으로는 압축강도, 휨강도 총 2수준 실험하였다.
이에 따라 본 연구는 “산업부산물을 사용한 저탄소 무기결합재의 역학적 특성에 관한 연구”의 기존 연구를 바탕으로 CaO함유량 30% 기준으로 Si/Al 4일 경우 가장 안정적인 압축강도를 발현하였기 때문에 CaO함유량 및 Si/Al비를 고정하였다.
대상 데이터
고로 슬래그는 SiO2와 CaO,MgO,Al2O3가 주성분이며, 밀도 2.91g/㎤, 분말도 4,464㎠/g인 3종을 사용하였다.
본 연구에서 사용된 재료는 고로 슬래그와 실리카흄, 레드머드이며, 사용재료의 화학적 성질은 [표4]에 나타내었다.
실리카 흄은 밀도 2.18g/㎤, 분말도 220,000㎠/g인 것을 사용하였다.
알칼리 자극제는 액상 인 수산화나트륨(NaOH)33%와 규산나트륨(Na2SiO3)은 KSM 1415에 따른 1종, 38.5%를 사용하였다.
성능/효과
1) 선행 실험으로 비빔시간에 따른 강도 특성을 나타낸 결과,압축 강도와 휨강도에서 비빔시간 90초, 총 360초 비빔이 재령 28일에서 각각 51.14MPa, 4.49MPa로 가장 높은 강도값을 나타내었다. 비빔 시간의 값에 따른 강도의 값은 미미하였으나 가장 우수한 90초로 실험을 진행하였다.
2)기건 양생 온도별 강도 특성 분석 결과,40℃ 이상의 온도로 양생을 하였을 때 표면에 표면 균열이 일어난 것을 확인할 수 있었고,압축 강도는 기건 80℃양 생일 경우 70.6MPa로 높은 강도값을 나타내었으나, 휨강도는 온도가 높아질수록 강도값은 저하되었으며, 기건 20℃인 경우 안정적인 강도를 발현하였다.
3)수중 양생 온도별 강도 특성 분석 결과, 온도가 높아질수록 강도값이 증진되는 것을 확인할 수 있었으나, 강도의 증진율은 저하되었다. 재령 28일에서 압축 강도 및 휨강도는 각각 61.
4)피막 양생 및 한지 양생에 따른 강도 특성 분석 결과,피막 양생 및 한지 양생은 기건 양생보다 낮은 강도값을 나타내었으며, 무시멘트 경화체의 양생방법으로 적절하지 못한 것으로 판단되었다.
온도가 높아질수록 경화체 표면의 균열이 커지는 경향을 보였으며 기건 양생을 실시한 후 수중 양생을 실험하였을 때는 균열이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 강도의 경향 차이는 휨강도는 균열로 인한 상부 압축은 버틸 수 있으나 하부인장은 균열로 인하여 버틸 수 없어 휨강도가 저하된 것으로 보이며,압축 강도는 중앙부의 집중 하중으로 인한 경화체 자체의 고온 양생으로 인하여 초기 강도발현이 우수하였으며 반면, 표면의 균열로 인한 축하 중에 의한 축력은 버틸 수 있는 것으로 강도가 증진되었다고 판단된다.
[그림4]는 비빔시간에 따른 휨강도 측정 결과를 나타낸 것으로써, 비빔시간이 늘어날수록 강도가 증진되는 경향을 나타내었다.또한,90초 비빔 총 360초비빔을 실시한 경화체의 강도는 재령 28일에서 4.5MPa로 30, 60(초)보다 미미하게 높은 강도발현을 하였다.압축 강도와 휨강도는 유사한 경향으로, 비빔시간이 길어질수록 알칼리 자극제가 고루 분포되어 강도 증진에 영향을 준 것으로 보인다.
[그림3]은 비빔시간에 따른 압축 강도 측정 결과를 나타낸 것으로써, 모든 경화체의 압축 강도가 재령 28일에 45MPa 이상 발현되었으며, 비빔시간이 늘어날수록 강도가 증가되는 경향을 나타내었다.또한,90초 비빔 총 360초로 실시한 경화체의 압축 강도는 재령 28일에 51.1MPa로 가장 높은 강도발현을 하였다.반면,30초 비빔의 경우 초기 강도의 발현은 저하되었지만, 재령이 경과할수록 경화체의 반응이 활성화되어 재령 28일 강도에서 60,90(초)의 차이는 미미하였다.
이는 수중 양생을 실시함으로써 충분한 수분 공급으로 인하여 균열을 제어함으로써 기건 양생보다 높은 강도값을 얻은 것으로 보인다. 반면,수중양생의 온도가 높아질수록 강도 증진율이 저하되는 경향을 보였다. 이는 고온 양생을 하였을 경우 초기에 내부 수화생성물이 현저하게 치밀화되어 이후의 수화 반응 속도를 저해시킨 것으로 판단된다.
6MPa로 가장 높은 강도값을 나타내었다.반면, 양생온도가 높아질수록 재령 3일에 높은 강도값을 나타내었으며, 재령이 경과할수록 7, 28일에서는 강도의 증진율이 저하되었다. 이는 고온 양생의 경우 초기 재령에 따른 압축 강도가 고온의 촉진반응에 의해 초기에 일정량 이상의 강도발현을 한 것으로 보이며, 내부수화물이 현저하게 치밀화하여 경화체 내부의 수화 반응 속도를 저해시킨다고 판단된다.
[그림6]은 기건 양생 온도별 휨강도 측정 결과를 나타낸 것으로, 기건 20℃의 경우 재령에 따른 강도 증진율이 안정적인 경향을 나타내었다.반면, 양생의 온도가 높아질수록 휨강도의 값이 저하되었으며,40℃ 이상의 경우 재령이 경과할수록 강도값은 저하되었다. 이는 고온 상태에 방치를 하여 수분이 증발하여 정상적인 화학반응을 하지 못한 것과, 시험체가 공기면에 접촉하는 외기면의 건조로 인한 균열로 강도 저하에 영향을 준 것으로 판단된다.
5MPa로 가장 높은 강도값을 나타내었다.반면, 온도가 높아지더라도 강도의 차이는 크지 않다는 것을 느낄 수 있었으며, 양생온도가 높아질수록 재령 3일에 높은 강도값을 나타내었고, 재령이 경과할수록 7,28일에서는 강도는 증진되었으나 강도의 증진율이 저하되었다. 이는 고온 양생의 경우 초기 재령에 따른 압축 강도가 고온의 촉진반응에 의해 초기에 무기 결합재 내부에서 활발한 반응을 함으로써 재령이 경과할수록 반응이 끝난 무기결합재의 강도 증진율이 저하된 것으로 판단된다.
[그림9]는 수중양생 온도별 경화체의 휨강도 측정 결과를 나타낸 것으로,압축 강도와 유사한 경향을 나타내었으며, 기건 20℃ 및 수중 20℃의 경우 재령에 따른 강도 증진율이 안정적인 경향을 나타내었다.수중양생의 온도가 높아질수록 기건 양생의 온도별 변화에 따른 경향과 반대의 경향이 나타났다. 수중 80℃의 경우 재령 28일에 7.
[그림7]은 기건 양생을 실시하였을 경우 온도별 변화에 따른 경화체의 균열을 나타낸 것이다. 온도가 높아질수록 경화체 표면의 균열이 커지는 경향을 보였으며 기건 양생을 실시한 후 수중 양생을 실험하였을 때는 균열이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 강도의 경향 차이는 휨강도는 균열로 인한 상부 압축은 버틸 수 있으나 하부인장은 균열로 인하여 버틸 수 없어 휨강도가 저하된 것으로 보이며,압축 강도는 중앙부의 집중 하중으로 인한 경화체 자체의 고온 양생으로 인하여 초기 강도발현이 우수하였으며 반면, 표면의 균열로 인한 축하 중에 의한 축력은 버틸 수 있는 것으로 강도가 증진되었다고 판단된다.
후속연구
또한, 한지 양생의 경우 무기 결합재 내부의 다량의 수분을 한지가 흡수하여 충분한 강도발현이 되지 않았다고 판단이 된다.기건 양생을 실시한 경우보다 피막 양생 및 한지양생의 강도저하 원인에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전세계적으로 친환경에 대한 관심이 높아지는 이유는?
고도의 경제성장과 생활수준이 향상됨에 비례하여 해마다 산업부산물 및 폐기물의 발생량은 급격히 증가하고 있으며,환경보전과 자원의 재활용이 강조되고 있는 시점에서 이들의 활용은 전 세계적으로 중요한 문제이다.또한,현대 건축에서는 급변하는 경제성장과 사회 기반시설 등의 확충으로 건축물의 실내 환경에 대한 쾌적한 주거 공간을 위한 개선보다는 편리성과 기능성만을 추구하는 실태이다.수도권 및 큰도시의 발달에 따른 인구과밀화와 지가의 상승으로 초고층 구조물이 등장함에 따라 재료자체의 강도나 작업의 용이함 및 비용 절감 측면에서만 요구되고 있으며,이에 따라 현대 건축물을 지을 시 새집증후군이라는 큰 문제점이 발생되고 있다.
시멘트산업의 특징은?
또한 산업부산물이나 폐기물처리에 대한 대책이 시급해지고 있어 이를 재활용할 수 있는 연구는 절대적인 요구사항이 되었다.특히 시멘트산업은 자원 소비량 및 이산화탄소 배출량이 많은 산업으로 지적되고 있다.따라서 시멘트 생산에 있어서 각종 산업부산물 또는 폐기물을 활용함으로써 천연자원 소비량을 감축시키고 저에너지 소비형 생산방식의 개발을 통해 이산화탄소의 배출량을 감축시킬 수 있는 기술개발 등이 시급한 과제로 떠오르고 있다[3].
시멘트의 문제점은?
특히 대부분의 건축과 토목 현장에서 사용되는 포틀랜드 시멘트의 경우,제조과정에서 발생되는 CO2양이 해마다 증가되는 추세이다.[그림 1]에 나타낸 바와 같이 시멘트는 1톤 생산하는데 0.4∼1.0톤의 CO2가스를 배출하는 등 전 세계 CO2가스 배출량의 7%를 차지할 정도로 심각하다[1][2].
참고문헌 (5)
오태곤, "각국의 환경영향평가제도와 시사점", 한국콘텐츠학회논문지, 제5권, 제4호, pp. 62-70, 2005.
UNEP, kyotoprotocol, UNEP Press, pp. 12-18, 2002
한동엽, 산업폐기물을 활용한 비소성 시멘트 모르타르의 기초 물성에 관한 연구, 석사학위논문, p. 1, 2013.
박선규, "고로슬래그 미분말을 사용한 무시멘트 경화체의 반응 특성", 한국콘텐츠학회논문지, p. 2, 2013.
이윤성, 산업부산물을 사용한 저탄소 무기결합재의 역학적 특성에 관한 연구, 석사학위논문, pp. 28-35, 2012
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