플라이애시 및 폴리실리콘 슬러지 혼입율에 따른 제지애시 경화체의 경량 특성 Lightweight Properties of Matrix using Paper Ash according to Replacement Ratios of Fly Ash and Polysilicon Sludge원문보기
기포콘크리트의 재료 중 시멘트는 제조과정 중에 $CO_2$를 다량 발생시키기 때문에 지구 환경적인 측면에서 커다란 문제가 되고 있지만, 아직까지 시멘트를 대체할 수 있는 대체재에 대한 연구 개발이 미흡한 실정이다. 또한, 발포제는 압축강도가 낮고 고가인 단점이 있다. 이 때문에 강도와 경량 등의 성능 개선과 친환경적인 재료의 사용이 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 시멘트와 발포제를 대체하기 위해 고로슬래그와 제지애시를 사용하여 경량 경화체를 제조하고자 하였으며, 강도 및 경량성을 보완하기 위해 플라이애시와 폴리실리콘슬러지를 사용하여 실험을 실시하였다. 그 결과, 플라이애시를 사용한 경화체는 Plain 보다 낮은 밀도를 나타내었으나 강도보완에는 취약하였으며, 폴리실리콘 슬러지를 사용한 경우는 3%치환한 경화체가 압축강도는 Plain보다 다소 낮지만 겉보기 밀도의 감소가 큰 것으로 나타났다.
기포콘크리트의 재료 중 시멘트는 제조과정 중에 $CO_2$를 다량 발생시키기 때문에 지구 환경적인 측면에서 커다란 문제가 되고 있지만, 아직까지 시멘트를 대체할 수 있는 대체재에 대한 연구 개발이 미흡한 실정이다. 또한, 발포제는 압축강도가 낮고 고가인 단점이 있다. 이 때문에 강도와 경량 등의 성능 개선과 친환경적인 재료의 사용이 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 시멘트와 발포제를 대체하기 위해 고로슬래그와 제지애시를 사용하여 경량 경화체를 제조하고자 하였으며, 강도 및 경량성을 보완하기 위해 플라이애시와 폴리실리콘 슬러지를 사용하여 실험을 실시하였다. 그 결과, 플라이애시를 사용한 경화체는 Plain 보다 낮은 밀도를 나타내었으나 강도보완에는 취약하였으며, 폴리실리콘 슬러지를 사용한 경우는 3%치환한 경화체가 압축강도는 Plain보다 다소 낮지만 겉보기 밀도의 감소가 큰 것으로 나타났다.
This experimental study considers manufacturing method of the non-portland cement matrix for the light-weight building materials using blast furnace slag, paper ash, fly ash and polysilicon sludge the industrial by-product. For the experiment, we used paper ash by means of the foaming agent and alka...
This experimental study considers manufacturing method of the non-portland cement matrix for the light-weight building materials using blast furnace slag, paper ash, fly ash and polysilicon sludge the industrial by-product. For the experiment, we used paper ash by means of the foaming agent and alkali activator to make non-portland cement light-weight matrix. Various specimens were prepared with different types and addition ratios of the alkali activator. Then, the properties of these specimens were investigated by compressive strength test, bulk specific gravity. As a results, it was judged that experiment results of non-portland cement matrix with specific waste resources and alkali activators were useful as basic data for mixtures design and evaluation properties of lightweight non-portland cement building material.
This experimental study considers manufacturing method of the non-portland cement matrix for the light-weight building materials using blast furnace slag, paper ash, fly ash and polysilicon sludge the industrial by-product. For the experiment, we used paper ash by means of the foaming agent and alkali activator to make non-portland cement light-weight matrix. Various specimens were prepared with different types and addition ratios of the alkali activator. Then, the properties of these specimens were investigated by compressive strength test, bulk specific gravity. As a results, it was judged that experiment results of non-portland cement matrix with specific waste resources and alkali activators were useful as basic data for mixtures design and evaluation properties of lightweight non-portland cement building material.
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문제 정의
본 연구는 시멘트와 발포제를 대체하여 고로슬래그와 제지애시를 사용한 경량 경화체를 제조한 실험으로 강도 및 경량성을 보완하기 위해 플라이애시와 폴리실리콘 슬러지를 고로슬래그에 치환하여 실험을 실시하였다. 그 결과, 본 연구의 범위 내에서는 다음과 같은 결론은 얻었다.
이에 본 연구에서는 기포 콘크리트에 사용되고 있는 시멘트 및 별도의 발포제를 대체하여 경량 패널의 심재 및 충전재로써 적합한 경량 경화체를 제조하기 위해 고로슬래그를 기반으로 제지애시와 알칼리 자극제, 물의 반응으로 수소기체를 발생시켜 경화체 내에 공극을 형성시키고 이의 강도 및 밀도 특성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 선행 실험을 통해 제지애시의 치환율과 알칼리 자극제의 종류 및 첨가율을 도출하였으며, 본 실험에서는 경량 경화체의 겉보기 밀도의 감소와 강도 보완의 일환으로 플라이애시와 폴리실리콘 슬러지를 고로슬래그의 일부에 치환하여 실험을 실시하였다.
제안 방법
경화체의 밀도 측정은 기포콘크리트의 겉보기 비중, 함수율, 흡수율 및 압축강도 시험방법(KS F 2459)에 의거하여 시험체를 제작하여 재령 28일에서 측정하였으며, 압축강도 시험방법은 시멘트의 강도 시험 방법(KS L ISO 679)에 의거하여 시험체를 제작하여, 항온항습의 조건에서 양생을 한 후 재령 3, 7, 28일의 강도를 측정하였다.
본 실험에 앞서 고로슬래그와 제지애시의 사용비율을 선정하기 위해 제지애시의 치환율을 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30(%) 등 7가지 수준으로 설정하여 알칼리 자극제로써 NaOH를 결합재 100g을 기준으로 17.3% 첨가하여 선행실험을 실시하였다. 시험항목은 겉보기 밀도와 단위용적질량(사용재료의 밀도와 사용된 양을 기준으로 도출), 감소율(단위용적질량에서 겉보기 밀도로 감소된 양), 압축강도를 측정하였다.
본 실험의 비빔방법은 고로슬래그와 제지애시를 용량 18ℓ 모르타르 믹서에 투입한 후 20rpm의 속도로 60초간 건비빔을 실시한 후 알칼리 자극제와 배합수를 혼합하여 하루 동안 안정시킨 용액을 투입하고 30rpm의 속도로 90초간 비빔을 실시한 뒤 토출하였다.
본 실험의 수준 및 요인은 Table 4에 나타낸 바와 같이 결합재 조건으로써 고로슬래그와 제지애시만을 사용한 Plain과 고로슬래그에 플라이애시를 치환한 FA, 폴리실리콘 슬러지를 치환한 PS이며, 제지애시는 고로슬래그의 중량에 5% 치환하여 사용하였다. 플라이애시와 폴리실리콘 슬러지는 제지애시를 치환한 고로슬래그의 중량에 1, 3, 5, 10, 15, 20(%) 등 6수준으로 치환하였다.
3% 첨가하여 선행실험을 실시하였다. 시험항목은 겉보기 밀도와 단위용적질량(사용재료의 밀도와 사용된 양을 기준으로 도출), 감소율(단위용적질량에서 겉보기 밀도로 감소된 양), 압축강도를 측정하였다.
플라이애시와 폴리실리콘 슬러지는 제지애시를 치환한 고로슬래그의 중량에 1, 3, 5, 10, 15, 20(%) 등 6수준으로 치환하였다. 알칼리 자극제는 결합재의 중량 100g을 기준으로 12.5% 첨가하였다. W/B는 40%이며, 항온항습 조건에서 양생을 실시하였다.
알칼리 자극제의 종류는 제지애시와 반응하여 수소기체를 발생시킬 수 있는 KOH, Ca(OH)2, NaOH를 선정하였으며, 첨가량은 결합재 중량에 2.5, 7.5, 12.5, 17.5, 22.5, 27.5, 32.5, 37.5 (%) 등 8수준으로 설정하여 실험을 실시하였다.
이에 본 연구에서는 기포 콘크리트에 사용되고 있는 시멘트 및 별도의 발포제를 대체하여 경량 패널의 심재 및 충전재로써 적합한 경량 경화체를 제조하기 위해 고로슬래그를 기반으로 제지애시와 알칼리 자극제, 물의 반응으로 수소기체를 발생시켜 경화체 내에 공극을 형성시키고 이의 강도 및 밀도 특성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 선행 실험을 통해 제지애시의 치환율과 알칼리 자극제의 종류 및 첨가율을 도출하였으며, 본 실험에서는 경량 경화체의 겉보기 밀도의 감소와 강도 보완의 일환으로 플라이애시와 폴리실리콘 슬러지를 고로슬래그의 일부에 치환하여 실험을 실시하였다.
이에 본 실험의 제지애시 치환율은 기초실험의 결과를 토대로 겉보기 밀도와 압축강도를 비교하여 낮은 겉보기 밀도와 높은 강도발현 및 안정적인 강도증진을 나타낸 치환율 5%로 선정하였으며, 알칼리 자극제의 종류는 NaOH이며, 첨가율은 12.5%로 선정하였다.
본 실험의 수준 및 요인은 Table 4에 나타낸 바와 같이 결합재 조건으로써 고로슬래그와 제지애시만을 사용한 Plain과 고로슬래그에 플라이애시를 치환한 FA, 폴리실리콘 슬러지를 치환한 PS이며, 제지애시는 고로슬래그의 중량에 5% 치환하여 사용하였다. 플라이애시와 폴리실리콘 슬러지는 제지애시를 치환한 고로슬래그의 중량에 1, 3, 5, 10, 15, 20(%) 등 6수준으로 치환하였다. 알칼리 자극제는 결합재의 중량 100g을 기준으로 12.
대상 데이터
본 연구에서 경량 경화체를 제조하기 위해 사용된 산업부산물은 고로슬래그와 제지애시, 플라이애시, 폴리실리콘 슬러지이며, 고로슬래그는 SiO2와 CaO, MgO, Al2O3가 주요성분이고, 밀도 2.91g/cm3, 분말도 4,464cm2/g인 3종을 사용하였다. 제지애시는 국내의 제지 공장에서 발생하는 제지슬러지를 소각처리한 후 폐기하는 것을 사용하였으며, 밀도 2.
95g/cm3, 분말도 7,122cm2/g인 것을 사용하였다. 알칼리 자극제는 순도 98%인 분말형태의 NaOH를 사용하였으며, 밀도는 2.13g/cm3인 것을 사용하였다. 사용재료의 화학적 성질은 Table 3과 같다.
91g/cm3, 분말도 4,464cm2/g인 3종을 사용하였다. 제지애시는 국내의 제지 공장에서 발생하는 제지슬러지를 소각처리한 후 폐기하는 것을 사용하였으며, 밀도 2.70g/cm3, 분말도는 3,600cm2/g인 것을 사용하였다. 플라이애시는 SiO2, Al2O3가 주요성분이며, 밀도 2.
70g/cm3, 분말도는 3,600cm2/g인 것을 사용하였다. 플라이애시는 SiO2, Al2O3가 주요성분이며, 밀도 2.18g/cm3, 분말도 4,125cm2/g인 것을 사용하였다. 폴리실리콘 슬러지는 태양광 발전시 사용되는 집열판의 주원료로 사용되는 폴리실리콘의 생산과정에서 발생하는 산업부산물로 밀도 1.
성능/효과
1. 경량 경화체를 제조하기 위한 제지애시의 치환율은 안정적인 강도발현과 보다 낮은 겉보기 밀도를 나타낸 5%이며, 제지애시의 치환율이 증가함에 따라 강도발현이 불안정하여 5%를 초과한 양은 사용할 수 없을 것으로 판단된다.
2. 고로슬래그와 제지애시를 사용한 경량 경화체에 적합한 알칼리 자극제의 종류는 적은 양의 사용으로 수소기체를 발생시킨 NaOH이며, 그 첨가율은 12.5%이다.
3. 경량 경화체의 강도 및 경량성을 보완하기 위해 사용한 플라이애시는 치환율에 따라 겉보기 밀도는 감소하였지만, 강도보완에는 큰 영향을 주지 못하였다.
4. 폴리실리콘 슬러지를 사용한 경화체의 겉보기 밀도는 치환율에 따라 증가하는 경향을 나타내었지만 PS-1, PS-3, PS-10은 Plain보다 낮은 밀도를 나타내었으며, PS-3의 경우 안정적인 강도발현을 나타내었다.
5%까지 강도가 저하되고 이후 강도가 증가하는 경향을 나타내었으며, Ca(OH)2를 첨가한 경우는 첨가율이 높아질수록 강도가 증가하는 경향을 나타내었다. NaOH를 첨가한 경화체의 압축강도는 첨가율 2.5%인 경화체의 압축강도가 9.2MPa로 가장 큰 강도발현을 하였고, 첨가율 12.5%를 전환점으로 첨가율에 따라 강도가 증가하는 경향을 나타내었다.
그 결과, Table 1에 나타낸 것과 같이 Plain의 겉보기 밀도가 1.92g/cm3로 감소율 4.09%를 나타내었고, 제지애시의 치환율이 5%인 경화체는 겉보기 밀도 1.16g/cm3, 감소율 39.37%, 치환율 10%인 경화체는 겉보기 밀도 1.12g/cm3, 감소율 41.66%이며, 이후 치환율이 증가함에 따라 겉보기 밀도가 증가하는 경향을 나타내었고, 10% 치환한 경화체의 겉보기 밀도가 가장 낮은 것으로 나타났다.
그 결과는 Table 2에 나타낸 것과 같이 KOH를 첨가한 경화체는 첨가율 17.5%인 경우에 겉보기 밀도 1.13g/cm3, 감소율 40.61%로 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타내었으며, 첨가율 17.5%까지 경화체의 겉보기 밀도가 감소하는 경향을 나타내었고 이후 증가하는 경향을 나타내었다. Ca(OH)2를 첨가한 경우는 모든 첨가율의 겉보기 밀도가 1.
압축강도는 KOH를 첨가한 경우는 첨가율 17.5%까지 강도가 저하되고 이후 강도가 증가하는 경향을 나타내었으며, Ca(OH)2를 첨가한 경우는 첨가율이 높아질수록 강도가 증가하는 경향을 나타내었다. NaOH를 첨가한 경화체의 압축강도는 첨가율 2.
압축강도는 Plain의 압축강도가 24.0MPa로 가장 높았으며, 제지애시를 5% 치환한 경화체의 재령 28일 압축강도는 6.8MPa로 재령일에 따라 강도가 증가하는 반면 10∼30% 치환한 경화체는 재령 7일보다 28일의 강도가 보다 낮은 압축강도를 나타내었다.
폴리실리콘 슬러지를 사용한 경화체의 밀도는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 플라이애시보다 단위용적질량이 급격히 감소하는 것에 비하여 겉보기 밀도는 증가하는 경향을 나타내었고, PS-1과 PS-3, PS-5 경화체의 경우만 Plain보다 낮은 겉보기 밀도를 나타내었다. 이는 비표면적이 넓은 폴리실리콘 슬러지의 높은 흡수율에 의해 결합재가 흡수하는 배합수의 양이 증가하면서 페이스트의 점도는 커지나 기포발생에 필요한 수분이 감소하여 Fig.
후속연구
따라서, 본 논문의 실험결과를 토대로, 플라이애시의 사용은 겉보기 밀도를 감소시켜 경량성을 부여할 수 있는 재료이지만, 밀도 감소와 함께 강도의 감소도 있어 본 연구의 경량 경화체에 적합하지 않지만, 폴리실리콘 슬러지를 사용한 PS-3은 경화체의 겉보기 밀도의 감소에 강도 저하가 크지 않아 경량 경화체의 제조에 있어서 폴리실리콘 슬러지를 적정량 치환한다면, 경량 경화체 제조에 적합한 재료인 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건설 산업에 있어 시멘트는 어떤 재료인가?
건설 산업에 있어서, 시멘트는 사회기반시설 구조물 및 건축물 내·외부를 형성하기 위해 가장 많이 사용되는 재료로서, 현대인의 생활에 꼭 필요한 건설재료라 할 수 있다. 그러나 시멘트는 제조과정에서 다량의 CO2를 발생시키며, 원료인 석회석(CaCO3)을 소성하기 위해 약 1450℃ 가열이 필수적이므로 막대한 에너지를 필요로 하는 등 지구온난화 문제를 발생시키는 단점이 있다.
시멘트의 제조과정에서 생기는 단점은 무엇이 있는가?
건설 산업에 있어서, 시멘트는 사회기반시설 구조물 및 건축물 내·외부를 형성하기 위해 가장 많이 사용되는 재료로서, 현대인의 생활에 꼭 필요한 건설재료라 할 수 있다. 그러나 시멘트는 제조과정에서 다량의 CO2를 발생시키며, 원료인 석회석(CaCO3)을 소성하기 위해 약 1450℃ 가열이 필수적이므로 막대한 에너지를 필요로 하는 등 지구온난화 문제를 발생시키는 단점이 있다.
시멘트의 강도와 경량 등의 성능 개선과 친환경적인 재료 사용이 필요한 이유는 무엇인가?
기포콘크리트의 재료 중 시멘트는 제조과정 중에 $CO_2$를 다량 발생시키기 때문에 지구 환경적인 측면에서 커다란 문제가 되고 있지만, 아직까지 시멘트를 대체할 수 있는 대체재에 대한 연구 개발이 미흡한 실정이다. 또한, 발포제는 압축강도가 낮고 고가인 단점이 있다. 이 때문에 강도와 경량 등의 성능 개선과 친환경적인 재료의 사용이 필요한 실정이다.
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