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문제 정의
- 실공정 소성로에서 생산한 저활성 CSA 크링카의 물리적 특성을 검토하였다.
제안 방법
- 2. 또한, 실시간 모니터링을 통해 품질편차를 최소화할 수 있는 기술 확립뿐만 아니라 대량 연속 실생산과 1종 OPC 크링카와의 호환 생산체계를 동시에 확보하였다.
- 각 공정별 소성조건(예열탑의 온도, 압력, 물질수지, 열수지 등)을 모니터링 할 수 있는 실증화 플랜트(그림 3)에서 저활성 CSA 크링카 시작품을 제조하였으며, 실증화 플랜트에서 확보된 공정기술을 바탕으로 그림 4와 같이 NSP Type의 실공정 소성로에서(1일 1,700톤 규모, 연간 30만톤) “국내최초” 저활성 CSA 크링카를 시생산하였다.
- 저활성 CSA 크링카는 원료 조합물을 CaO:Al2O3:CaSO4=3:3:1 비율로 혼합하여 Lab. 대형전기로에서 1,000~1,400℃의 여러 온도 범위로 합성하였으며, 저활성 CSA 크링카의 조건을 만족하는 시료에 대해 실증화 플랜트(Pilot plant) 및 실공정 소성로에서 대량 제조하였다. 표 3에 사용된 원료들의 화학성분을 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 성분과 성상이 유리하고 조합하는 원료의 수도 줄일 수 있는 산업부산물을 선택적으로 사용하여 저활성 CSA 크링카를 “국내최초” 실공정 소성로에서 제조하였으며, 소성온도는 1종 OPC 크링카의 합성온도 보다 비교적 저온인 약 1,200~1,300℃에서 제조하였다.
- 콘크리트 구조물은 건조수축 또는 수화열에 따라 균열이 발생되며, 이러한 균열발생 여부가 최대 약점이 되고 있다. 따라서 조강형 수축저감 시멘트를 사용한 콘크리트 제품의 내구성 시험을 진행하였으며, 시험항목은 염화물 확산계수, 중성화 및 동결융해를 측정하였다. 시험결과는 표 6 및 그림 14와 같이 조강형 수축저감 시멘트를 사용한 콘크리트는 모든 시험항목에서 공히 1종 OPC 대비 우수한 결과는 나타내었으며, 앞선 시험 결과에서 유추할 수 있듯이 저활성 CSA 팽창재가 수화초기 생성시킨 에트링자이트로 인해 치밀한 조직의 경화체를 형성하였기 때문으로 판단된다.
- 각 공정별 소성조건(예열탑의 온도, 압력, 물질수지, 열수지 등)을 모니터링 할 수 있는 실증화 플랜트(그림 3)에서 저활성 CSA 크링카 시작품을 제조하였으며, 실증화 플랜트에서 확보된 공정기술을 바탕으로 그림 4와 같이 NSP Type의 실공정 소성로에서(1일 1,700톤 규모, 연간 30만톤) “국내최초” 저활성 CSA 크링카를 시생산하였다. 또한, 실시간 모니터링을 통해 예열탑의 온도, 압력, 물질수지, 열수지 등을 컨트롤하여 품질 편차를 최소화할 수 있는 기술을 확립하였으며, 대량 연속 실생산 기술 확보뿐만 아니라 1종 OPC 크링카와의 호환 생산체계 및 기술력을 동시에 확보하였다.
- 저활성 CSA 팽창재를 활용하여 1종 OPC의 조강성과 수축저감성을 부여하였으며, 제조된 조강형 수축저감 시멘트는 미소수화열, 응결시간, 유동성, 길이변화, 치밀도, 압축강도 등 물리적 특성을 검토하였다. 또한, 콘크리트 제품에 적용하여 기본물성 평가 및 내구성 측정을 진행하였다.
- 산업부산물을 선택적으로 사용하여 “국내최초” 실공정 소성로에서 제조한 저활성 CSA 팽창재를 활용하여 조강형 수축저감 시멘트를 개발하였으며 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 저활성 CSA 팽창재를 활용하여 1종 OPC의 조강성과 수축저감성을 부여하였으며, 제조된 조강형 수축저감 시멘트는 미소수화열, 응결시간, 유동성, 길이변화, 치밀도, 압축강도 등 물리적 특성을 검토하였다. 또한, 콘크리트 제품에 적용하여 기본물성 평가 및 내구성 측정을 진행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 성분과 성상이 유리하고 조합하는 원료의 수도 줄일 수 있는 산업부산물을 선택적으로 사용하여 저활성 CSA 크링카를 “국내최초” 실공정 소성로에서 제조하였으며, 소성온도는 1종 OPC 크링카의 합성온도 보다 비교적 저온인 약 1,200~1,300℃에서 제조하였다. 제조된 저활성 CSA 크링카는 석고의 함유량을 여러 가지 조건으로 달리하여 저활성 CSA 시멘트로서 물성을 확인하였으며, 1종 OPC에 일정 비율로 치환 첨가하여 조강형 수축저감 시멘트로서 물리적 특성을 검토하였다.
- 조강형 수축저감 시멘트에 대해 콘크리트의 특성을 검토하기 위해 일반콘크리트(24Mpa, 40Mpa)배합 시험을 진행하였으며, 재료인자는 1종 OPC와 조강형 수축저감 시멘트 2종류에 대해 표 4의 배합표에 따라 실시하였다.
대상 데이터
- Al2O3원으로는 화력발전소에서 발생되는 발전회를 사용하였으며, SO3원으로는 탈황과정에서 발생되는 탈황석고를, CaO원으로는 1종 OPC 제조 및 석회산업에 사용되는 석회석을 사용하였다. 저활성 CSA 크링카는 원료 조합물을 CaO:Al2O3:CaSO4=3:3:1 비율로 혼합하여 Lab.
- 저활성 CSA 팽창재의 초기 소성/건조수축 발생정도를 확인하기 위하여 1m 길이변화 시험장치를 이용하였으며, 결과는 그림 6에 나타내었다. 1종 OPC는 재령 경과에 비례하듯 수축 경향을 나타내는 반면, 저활성 CSA 팽창재는 수화 초기부터 에트링자이트 생성으로 인해 팽창성을 나타내었다.
이론/모형
- 저활성 CSA 팽창재의 응결시간 측정은 KS L 5108의 Vicat 장치를 활용하였다. 그림 5와 같이 1종 OPC의 경우 초결이 약 5시간, 종결이 약 6시간 25분 측정된 반면, 저활성 CSA 팽창재의 초결은 약 14분 종결은 약 29분으로 1종 OPC에 비해 매우 빠른 시간에 경화됨을 확인 할 수 있었으며, 뚜렷한 속경성을 나타내었다.
- 조강형 수축저감 시멘트의 길이변화의 양생조건은 수화반응의 최대화를 위해 KS F 2562 콘크리트용 팽창재 시험방법에 준하여 콘닥트게이지 마이크로메타 방법과 1m 길이변화 시험장치를 활용하여 진행하였다. KS F 2562에 따라 진행한 경우 조강형 수축저감 시멘트는 1종 OPC 대비 수화초기 재령은 약 80% 수준 팽창하였으며, 수화후기 재령에서는 약 25% 수준 수축저감을 확인할 수 있었다.
성능/효과
- 1. 수축 저감제의 주 재료인 저활성 CSA 크링카는 1종 OPC 크링카의 합성온도보다 비교적 저온인 1,200~1,300℃에서 제조가 가능하였다.
- 3. 저활성 CSA 평창재는 수화초기부터 육각주상 형태의 에트링자이트 수화물을 생성하였으며, 경화체 조직 공극 부위를 채워 시멘트 콘크리트의 건조수축 및 수축균열에 대한 결점을 개선할 수 있었다.
- 4. 저활성 CSA 평창재를 사용한 조강형 수축저감 시멘트 콘크리트는 1종 OPC 대비 초기재령의 압축강도는 증가하였으며, 품질저하 없이 내구성 등도 우수하게 나타나 수축저감과 같은 결점 개선을 통해 저비용·장수명화 구조물이 실현 가능할 것으로 판단된다.
- 저활성 CSA 팽창재의 응결시간 측정은 KS L 5108의 Vicat 장치를 활용하였다. 그림 5와 같이 1종 OPC의 경우 초결이 약 5시간, 종결이 약 6시간 25분 측정된 반면, 저활성 CSA 팽창재의 초결은 약 14분 종결은 약 29분으로 1종 OPC에 비해 매우 빠른 시간에 경화됨을 확인 할 수 있었으며, 뚜렷한 속경성을 나타내었다.
- 조강형 수축저감 시멘트는 앞선 시험결과를 대변하듯 일반 1종 OPC 대비 초기강도인 재령 1일에서는 약 18% 증진한 반면, 후기강도인 재령 28일에서는 약 2% 낮은 값을 나타내었는데, 시멘트 제품 자체의 분말도 향상 및 부재료로 사용되는 슬래그 사용량 증진 등을 통해 충분히 보상 가능할 것으로 판단된다. 또한 재령에 따른 치밀도 측정결과 조강형 수축저감 시멘트는 1종 OPC 대비 에트링자이트 수화물이 경화체 조직의 공극을 채움으로 인해 낮은 공극률로 더욱 치밀한 구조를 형성하고 있음을 확인 할 수 있었다. 결과는 그림 13에 나타내었다.
- KS F 2562에 따라 진행한 경우 조강형 수축저감 시멘트는 1종 OPC 대비 수화초기 재령은 약 80% 수준 팽창하였으며, 수화후기 재령에서는 약 25% 수준 수축저감을 확인할 수 있었다. 또한, 기건상태에서의 1m 길이변화에서도 1종 OPC 대비 약 40% 정도 수준의 수축저감 효과를 확인할 수 있었는데, 이는 저활성 CSA 팽창재가 혼입된 조강형 수축저감 시멘트는 1종 OPC 대비 수화초기 생성되는 에트링자이트 수화물의 결정성장압에 비례하여 경화체 조직의 공극부위를 채워주며 이로 인해 뛰어난 수축저감 효과를 나타내는 것으로 판단된다. 결과는 그림 11과 같다.
- 따라서 조강형 수축저감 시멘트를 사용한 콘크리트 제품의 내구성 시험을 진행하였으며, 시험항목은 염화물 확산계수, 중성화 및 동결융해를 측정하였다. 시험결과는 표 6 및 그림 14와 같이 조강형 수축저감 시멘트를 사용한 콘크리트는 모든 시험항목에서 공히 1종 OPC 대비 우수한 결과는 나타내었으며, 앞선 시험 결과에서 유추할 수 있듯이 저활성 CSA 팽창재가 수화초기 생성시킨 에트링자이트로 인해 치밀한 조직의 경화체를 형성하였기 때문으로 판단된다.
- 에트링자이트 수화물 생성량은 1종 OPC 대비 최대 520% 증가하였다.
- 조강형 수축저감 시멘트에 대한 미소수화열 측정결과를 그림 9에 나타내었다. 저활성 CSA 팽창재와 달리 조강형 수축저감 시멘트는 1종 OPC 대비 초기 수화열은 유사한 수준이며, 재령 약 5시간부터 17시간 까지는 미세하게 증가함을 확인할 수 있었다.
- 그림 10에 조강형 수축저감 시멘트의 응결시간과 유동성을 나타내었다. 조강형 수축저감 시멘트는 1종 OPC 대비 치환된 저활성 CSA 팽창재 만큼의 에트링자이트 수화물을 생성하여 약 50분 빠른 응결시간을 나타었으며, 유동성은 경시(1시간) 변화에서 다소 낮지만, 동등 수준의 물성을 확인할 수 있었다.
- 조강형 수축저감 시멘트는 앞선 시험결과를 대변하듯 일반 1종 OPC 대비 초기강도인 재령 1일에서는 약 18% 증진한 반면, 후기강도인 재령 28일에서는 약 2% 낮은 값을 나타내었는데, 시멘트 제품 자체의 분말도 향상 및 부재료로 사용되는 슬래그 사용량 증진 등을 통해 충분히 보상 가능할 것으로 판단된다. 또한 재령에 따른 치밀도 측정결과 조강형 수축저감 시멘트는 1종 OPC 대비 에트링자이트 수화물이 경화체 조직의 공극을 채움으로 인해 낮은 공극률로 더욱 치밀한 구조를 형성하고 있음을 확인 할 수 있었다.
- 조강형 수축저감 시멘트의 재령에 따른 수화생성물 비교 그래프 및 사진을 그림 12에 나타내었다. 주 수화생성물이 수산화칼슘인 1종 OPC에 비해 조강형 수축저감 시멘트의 에트링자이트 생성량은 최대 320% 증가됨을 확인할 수 있었으며, 미세구조 관찰 결과 재령 1일에 비해 재령 3일에서 에트링자이트 생성량이 증가한 모습을 확인할 수 있었다.
- 1종 OPC는 재령 경과에 비례하듯 수축 경향을 나타내는 반면, 저활성 CSA 팽창재는 수화 초기부터 에트링자이트 생성으로 인해 팽창성을 나타내었다. 팽창률은 1종 OPC 대비 가파르게 증가하였으며, 최대 280% 높은 수준의 팽창률을 나타내었다.
후속연구
- 그림과 같이 저활성 CSA 팽창재는 수화초기부터 팽창력에 영향을 미치는 육각주상 에트링자이트 형태의 수화물 생성이 뚜렷함을 확인할 수 있으며, 경화체 조직 공극 부위에 에트링자이트 수화물을 형성하여 시멘트 콘크리트의 건조수축 및 수축균열에 대한 결점을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
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