알칼리 자극제의 종류 및 첨가율에 따른 무시멘트 경량 경화체의 강도특성 Strength Properties of Alkali-Activated Lightweight Composites with Alkali Activators of Different Types and Amounts원문보기
본 연구는 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않고 산업부산물인 고로슬래그를 기반으로 제지애시와 알칼리 자극제를 사용하여 기포를 발생시킴으로써 경량 패널의 심재 및 충전재 등에 사용할 수 있는 무시멘트 경량 경화체를 개발하고자 하였다. 이를 위하여 먼저 제지애시의 적정 치환율을 도출하기 위한 기초실험을 실시하였다. 기초 실험을 바탕으로 제지애시와 반응하여 수소기체를 발생시킬 수 있는 알칼리 자극제의 종류 및 첨가율에 따라 본 실험을 실시하였으며, 제조된 시험체를 대상으로 재령별 겉보기 밀도와 강도를 측정하였다. 그 결과 제지애시의 적정 치환율은 5%이며, 알칼리 자극제는 NaOH를 12.5% 첨가한 경화체의 겉보기 밀도가 $1.13g/cm^3$, 감소율 40.45%로 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타내었으며, 겉보기 밀도와 비교하여 비교적 높은 강도를 발현하였다. 따라서, 알칼리 자극제로써 NaOH를 적정량 사용하고 제지애시와의 반응시간을 늦출 수 있는 방법을 강구한다면 보다 높은 강도와 경량성을 겸비한 무시멘트 경량 경화체를 제조할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않고 산업부산물인 고로슬래그를 기반으로 제지애시와 알칼리 자극제를 사용하여 기포를 발생시킴으로써 경량 패널의 심재 및 충전재 등에 사용할 수 있는 무시멘트 경량 경화체를 개발하고자 하였다. 이를 위하여 먼저 제지애시의 적정 치환율을 도출하기 위한 기초실험을 실시하였다. 기초 실험을 바탕으로 제지애시와 반응하여 수소기체를 발생시킬 수 있는 알칼리 자극제의 종류 및 첨가율에 따라 본 실험을 실시하였으며, 제조된 시험체를 대상으로 재령별 겉보기 밀도와 강도를 측정하였다. 그 결과 제지애시의 적정 치환율은 5%이며, 알칼리 자극제는 NaOH를 12.5% 첨가한 경화체의 겉보기 밀도가 $1.13g/cm^3$, 감소율 40.45%로 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타내었으며, 겉보기 밀도와 비교하여 비교적 높은 강도를 발현하였다. 따라서, 알칼리 자극제로써 NaOH를 적정량 사용하고 제지애시와의 반응시간을 늦출 수 있는 방법을 강구한다면 보다 높은 강도와 경량성을 겸비한 무시멘트 경량 경화체를 제조할 수 있을 것으로 판단된다.
In order to reduce the emission of carbon dioxide($CO_2$), this research use blast furnace slag in concrete manufacture, as 100% replacement of cement. The aim of this study is to investigate the density and strength properties of alkali-activated lightweight composites with alkali activa...
In order to reduce the emission of carbon dioxide($CO_2$), this research use blast furnace slag in concrete manufacture, as 100% replacement of cement. The aim of this study is to investigate the density and strength properties of alkali-activated lightweight composites with alkali activators of different types and different amounts. The bubble for achieving the lightweight of alkali-activated lightweight composites was generated in the reaction between the paper ash and the alkali activators instead of using a foaming agent. Lightweight formed concrete was conducted basic experimental for determining replacement ratio of paper ash. Then, the density and strength were measured according to the types and the contents of the alkali accelerator that can react with the paper ash. As results, the optimum replacement ratio of the paper ash was 5%. The alkali activator containing NaOH 12.5% obtained the lowest weight of $1.13g/cm^3$. Also, compressive strength were relatively high. Therefore, this study demonstrated that alkali accelerator with a certain amount of NaOH can achieve relatively high strength and lightweight alkali-activated lightweight composites.
In order to reduce the emission of carbon dioxide($CO_2$), this research use blast furnace slag in concrete manufacture, as 100% replacement of cement. The aim of this study is to investigate the density and strength properties of alkali-activated lightweight composites with alkali activators of different types and different amounts. The bubble for achieving the lightweight of alkali-activated lightweight composites was generated in the reaction between the paper ash and the alkali activators instead of using a foaming agent. Lightweight formed concrete was conducted basic experimental for determining replacement ratio of paper ash. Then, the density and strength were measured according to the types and the contents of the alkali accelerator that can react with the paper ash. As results, the optimum replacement ratio of the paper ash was 5%. The alkali activator containing NaOH 12.5% obtained the lowest weight of $1.13g/cm^3$. Also, compressive strength were relatively high. Therefore, this study demonstrated that alkali accelerator with a certain amount of NaOH can achieve relatively high strength and lightweight alkali-activated lightweight composites.
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문제 정의
고로슬래그 기반 결합재에 의한 경량패널의 심재와 충전재를 개발하기 위하여 알칼리 자극제의 종류 및 첨가율에 따른 무시멘트 경량 경화체의 밀도와 강도특성을 분석한 결과, 본 연구의 범위 내에서는 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 포틀랜트 시멘트를 전혀 사용하지 않는 경량 패널의 심재 및 충전재를 개발하기 위해 산업부산물인 고로 슬래그를 기반으로 별도의 발포제를 사용하지 않고 제지애 시와 알칼리 자극제만으로 기포를 발생시켜 무 포틀랜트 시멘트 경량 경화체를 제조하여 기포콘크리트의 기초 물성 즉, 경량성과 강도특성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 기초실험을 통하여 제지애시의 적정 치환율을 도출한 후알칼리 자극제의 종류 및 첨가율에 따른 실험을 실시하여 무시멘트 경화체의 밀도 및 강도 특성을 분석하였다.
본 연구에서 실시한 기초실험은 무시멘트 경량 경화체를 제조하기 위해 고로슬래그와 제지애시의 적정비율을 검토하기 위한 실험이다. Table 1은 실험요인 및 수준을 나타낸 것으로, 결합재로는 고로슬래그와 제지애시를 사용하였으며, 결합재 조건으로써 고로슬래그의 질량에 제지애시 치환율을 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30(wt.
제안 방법
본 연구에서 실시한 기초실험은 무시멘트 경량 경화체를 제조하기 위해 고로슬래그와 제지애시의 적정비율을 검토하기 위한 실험이다. Table 1은 실험요인 및 수준을 나타낸 것으로, 결합재로는 고로슬래그와 제지애시를 사용하였으며, 결합재 조건으로써 고로슬래그의 질량에 제지애시 치환율을 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30(wt.%) 등 총 7수준으로 설정하였다.
W/B는 기초실험보다 높은 40%로 고정하였으며, 습도 80±5%, 온도 20±2℃의 항온항습 조건에서 양생을 실시하였다.
고로슬래그 기반 무시멘트 경량 경화체의 겉보기 밀도 측정을 위한 공시체는 기포 콘크리트의 겉보기 밀도, 함수율, 흡수율 및 압축강도 시험방법(KS F 2459)에 의거하여 지름 100㎜, 높이 200㎜의 원기둥형으로 제작하였으며, 이를 재령 28일까지 양생한 후 무게와 부피를 측정하여 겉보기 밀도를 계산하였다. 압축강도를 측정하기 위한 공시체 제작은 시멘트의 강도 시험방법(KS L ISO 679)에 의거하여 40×40×160(㎜)의 몰드를 제작한 후 페이스트를 채운 뒤기포 발생이 정지될 때까지(약 24시간) 기건양생을 한 후에 상대습도 80±5%, 온도 20±2℃의 항온항습 조건에서 양생하였으며, 이를 재령일에 맞추어 강도를 측정하였다.
본 실험의 비빔방법은 고로슬래그와 제지애시를 믹서에 투입하여 저속으로 60초 동안 건비빔을 실시한 후 알칼리 자극제와 배합수를 혼합한 후 하루 동안 안정시킨 용액을 첨가하여 같은 속도로 60초 동안 비빈 뒤 30초 동안 고속으로 비빈 후 토출하였다.
W/B는 기초실험보다 높은 40%로 고정하였으며, 습도 80±5%, 온도 20±2℃의 항온항습 조건에서 양생을 실시하였다. 시험 항목은 굳은 경화체의 강도 특성을 검토하기 위한 압축강도를 측정하였으며, 제지애시의 발포 성능에 의한 경량화 척도로써 겉보기 밀도를 측정하였고, 기포발생 시기와 정도를 측정하기 위하여 경량 경화체의 단면형상을 관찰하였다.
%) 첨가하였으며, W/B는 39%로 고정하였다. 시험 항목은 밀도와 압축강도로 설정하였다.
%)로 고정하였다. 알칼리 자극제는 제지애시와 반응하여 수소기체를 발생시킬 수 있는 KOH, Ca(OH)2, NaOH 등으로 선정하였으며, 이의 첨가율을 2.5, 7.5, 12.5, 17.5, 22.5, 27.5, 32.5, 37.5(wt.%) 등 총 8수준으로 설정하였다. W/B는 기초실험보다 높은 40%로 고정하였으며, 습도 80±5%, 온도 20±2℃의 항온항습 조건에서 양생을 실시하였다.
압축강도를 측정하기 위한 공시체 제작은 시멘트의 강도 시험방법(KS L ISO 679)에 의거하여 40×40×160(㎜)의 몰드를 제작한 후 페이스트를 채운 뒤기포 발생이 정지될 때까지(약 24시간) 기건양생을 한 후에 상대습도 80±5%, 온도 20±2℃의 항온항습 조건에서 양생하였으며, 이를 재령일에 맞추어 강도를 측정하였다.
본 연구는 포틀랜트 시멘트를 전혀 사용하지 않는 경량 패널의 심재 및 충전재를 개발하기 위해 산업부산물인 고로 슬래그를 기반으로 별도의 발포제를 사용하지 않고 제지애 시와 알칼리 자극제만으로 기포를 발생시켜 무 포틀랜트 시멘트 경량 경화체를 제조하여 기포콘크리트의 기초 물성 즉, 경량성과 강도특성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 기초실험을 통하여 제지애시의 적정 치환율을 도출한 후알칼리 자극제의 종류 및 첨가율에 따른 실험을 실시하여 무시멘트 경화체의 밀도 및 강도 특성을 분석하였다. Figure 1은 본 연구에 있어서 무시멘트 경량 경화체 제조를 위한 고로슬래그, 제지애시 및 알칼리 자극제의 기포생성 반응모식도를 나타낸 것이다.
대상 데이터
04g/㎤이며, 순도 95%인 것을 사용하였다. Ca(OH)2의 밀도는 2.24g/㎤이며, 순도 95%인 것을 사용하였다. NaOH는 순도는 98%이고, 밀도는 2.
알칼리 자극제는 분말형태의 KOH, Ca(OH)2, NaOH 등을 사용하였다. KOH의 밀도는 2.04g/㎤이며, 순도 95%인 것을 사용하였다. Ca(OH)2의 밀도는 2.
본 실험에서 사용된 고로슬래그는 SiO2와 CaO, MgO, Al2O3가 주성분이며, 밀도 2.91g/㎤, 분말도 4,464㎠/g인 3종을 사용하였다. 제지애시는 국내의 제지 공장에서 발생하는 제지슬러지를 소각처리한 후 폐기하는 것을 사용하였으며, 밀도는 2.
70g/㎤, 분말도는 3,600㎠/g인 것을 사용하였다. 알칼리 자극제는 분말형태의 KOH, Ca(OH)2, NaOH 등을 사용하였다. KOH의 밀도는 2.
91g/㎤, 분말도 4,464㎠/g인 3종을 사용하였다. 제지애시는 국내의 제지 공장에서 발생하는 제지슬러지를 소각처리한 후 폐기하는 것을 사용하였으며, 밀도는 2.70g/㎤, 분말도는 3,600㎠/g인 것을 사용하였다. 알칼리 자극제는 분말형태의 KOH, Ca(OH)2, NaOH 등을 사용하였다.
성능/효과
1) 밀도 시험결과, 각각의 알칼리 자극제 별 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타낸 경화체는 KOH의 경우 첨가율 17.5%의 겉보기 밀도 1.13g/㎤, 감소율 40.61%이며, Ca(OH)2는 첨가율 2.5%의 겉보기 밀도 1.74g/㎤, NaOH는 첨가율 12.5%의 겉보기 밀도 1.13g/㎤, 감소율 40.45%로 겉보기 밀도와 감소율을 고려하였을 때, NaOH를 사용하였을 경우가 비교적 소량 사용하였을 때 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타내었다.
2) 압축강도 시험결과는 겉보기 밀도의 증감에 따라 강도 또한 이와 비례하는 경향을 나타내었다. 알칼리 자극제의 종류별 가장 낮은 겉보기 밀도를 갖는 경화체의 재령 28일의 압축강도는 KOH의 경우 3.
Table 2는 사용재료의 밀도와 사용된 양을 기준으로 도출한 단위용적질량, 경화체의 실제무게와 부피를 측정하여 도출한 겉보기 밀도, 단위용적질량에서 겉보기 밀도로 감소된 양의 척도로써 감소율을 나타낸 것이다. Plain의 겉보기 밀도가 1.92g/㎤로 감소율 4.09%를 나타내었고, 제지애시의 치환율이 5%인 경화체는 39.37%, 10%인 경화체는 41.66%로 10% 치환한 경화체의 감소율이 가장 컸으며, 그의 겉보기 밀도는 1.12g/㎤로 나타났다. 또한, 제지애시 치환율 10%까지 겉보기 밀도가 감소하는 경향을 나타내고 있으나 이후 치환율이 증가할수록 겉보기 밀도가 증가하였다.
따라서, 본 실험의 제지애시 치환율은 기초실험의 결과를 토대로 겉보기 밀도와 압축강도를 비교하여 낮은 겉보기 밀도와 높은 강도발현 및 안정적인 강도증진을 나타낸 치환율 5%로 선정하였다.
또한, 육안으로 관찰되는 균열이 없는 것으로 보아 결합재 토출 전후에 제지애시와의 반응으로 발생되는 수소기체의 양이 매우 적어 강도에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 판단된다.
12g/㎤로 나타났다. 또한, 제지애시 치환율 10%까지 겉보기 밀도가 감소하는 경향을 나타내고 있으나 이후 치환율이 증가할수록 겉보기 밀도가 증가하였다.
5%인 것으로 사료된다. 또한, 첨가율 7.5%인 경화체는 겉보기 밀도 1.25g/㎤, 재령 28일의 압축강도 4.3MPa을 나타내는데, 첨가율 37.5%인 경화체는 7.5%와 유사한 겉보기 밀도 1.26g/㎤를 나타내나 재령 28일의 압축강도는 3.7MPa로 나타났다. 이는 매우 미미한 차이지만 첨가율 12.
KOH를 첨가한 경우의 기포발생 시기는 비빔과정 중 배합수를 투입하고 저속으로 비비는 과정에서 부터 발생하며, 첨가량에 따라 기포 발생량의 차이가 나타났다. 이는 겉보기 밀도로 나타낼 수 있는데, 첨가율 17.5%인 경우에 겉보기 밀도 1.13g/㎤, 감소율 40.61%로 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타낸 것으로 보아 기포가 가장 많이 발생하였으며, 첨가율 17.5%까지 경화체의 겉보기 밀도가 감소하는 경향을 나타내었고 이후 증가하는 경향을 나타내었다.
이상의 결과로, 시멘트를 전혀 사용하지 않고 고로슬래그, 제지애시 및 알칼리 자극제만으로 경량 패널의 심재와 충전재 등으로 사용할 수 있는 경화체의 제조가 가능하고, 고로슬래그와 제지애시를 사용한 무시멘트 경량 경화체에 가장 적합한 알칼리 자극제와 그 첨가율은 NaOH이며, 첨가율 12.5%인 것으로 판단된다. 또한, 강 알칼리인 알칼리 자극제의 사용으로 인한 시공성과 안전성, 경제성을 고려하여 알칼리 자극제를 대체할 수 있는 재료를 강구해야 할 것이다.
후속연구
5%인 것으로 판단된다. 또한, 강 알칼리인 알칼리 자극제의 사용으로 인한 시공성과 안전성, 경제성을 고려하여 알칼리 자극제를 대체할 수 있는 재료를 강구해야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기포 콘크리트의 밀도를 줄이기 위해 사용되는 방법은?
일반적으로 기포 콘크리트에 있어서, 콘크리트의 밀도를 감소시키기 위하여 시멘트 페이스트에 별도의 발포제를 사용하여 경화체 내부에 공극을 도입하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 기포 콘크리트는 경량 패널의 심재, 충전재 등의 단열용을 많이 사용하고 있다[1].
제지애시는 무엇인가?
한편, 제지애시는 제지공정에서 발생하는 슬러지를 소각 하여 발생한 폐기물로 연간 발생량은 계속하여 증가하고 있다. 이러한 제지애시는 대부분 해양배출, 매립 등의 방법으로 처리되고 있어 환경문제를 야기시키고 있기 때문에 제지애시를 재활용하기 위한 연구가 절실히 필요한 실정이다[6].
알칼리 자극제의 종류 및 첨가율에 따른 무시멘트 경량 경화체의 밀도와 강도특성을 분석한 결과는?
1) 밀도 시험결과, 각각의 알칼리 자극제 별 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타낸 경화체는 KOH의 경우 첨가율 17.5%의 겉보기 밀도 1.13g/㎤, 감소율 40.61%이며, Ca(OH)2는 첨가율 2.5%의 겉보기 밀도 1.74g/ ㎤, NaOH는 첨가율 12.5%의 겉보기 밀도 1.13g/㎤, 감소율 40.45%로 겉보기 밀도와 감소율을 고려하였을 때, NaOH를 사용하였을 경우가 비교적 소량 사용 하였을 때 가장 낮은 겉보기 밀도를 나타내었다.
2) 압축강도 시험결과는 겉보기 밀도의 증감에 따라 강도 또한 이와 비례하는 경향을 나타내었다. 알칼리 자극제의 종류별 가장 낮은 겉보기 밀도를 갖는 경화체의 재령 28일의 압축강도는 KOH의 경우 3.0MPa이며, Ca(OH)2는 10.2MPa, NaOH를 첨가한 경화체는 2.7MPa로 나타났다.
참고문헌 (7)
Jeong JY. Properties of foamed concrete according to using methods and types of foaming agent [dissertation]. [Kongju (Korea)]: Kongju National University; 2012. 137 p.
Hwang JP, Jin SH, Ann KY. Estimation of CO2 emission with raw materials and energy sources. Proceeding of the Korea Concrete Institute conference; 2011 Nov 9-11; Pyeongchang, Korea. Seoul (Korea): Korea Concrete Institute; 2011. p. 785-6.
Park SG, Kwon SJ, Kim YM, Lee SS. Reaction properties of non-cement mortar using ground granulated blast furnace slag. Journal of the Korea Contents Association. 2013 Sep;13(9):392-9.
Kim YS, Moon DI, Lee DW. An experiment study on alkali-silika reaction of alkali activated ground granulated blast furnace slag mortars. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2011 Aug;11(4):345-52.
So HS, Janchivdorj K, Yi JB, Jang HS, So SY. Strength and microstructure of reactive powder concrete using ternary pozzolanic materials. journal of the Korea Institute of building Construction. 2013 Feb;13(1):48-57.
Lim MH, Lee JG, Nam SY, Ann JH. Paper sludge recycling technology for process sustainable of paper industry. Ceramist. 2013 Sep;16(3):7-14.
Lee YS, Lee SS, Song HY. Strength properties according to the conditions of low carbon inorganic composite using industrial by-product. journal of the Korea institute of building construction. 2012 Feb;12(1):54-63.
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