시멘트를 대체하여 고로슬래그 미분말을 건설재료로 대량으로 활용하기 위해서는 잠재수경성을 향상시켜 조기강도를 개선시킬 수 있는 적절한 활성화제가 필요하다. 이 연구에서는 경석고와 황산나트륨을 이용하여 하이볼륨 고로슬래그 시멘트의 수화특성에 대한 연구를 수행하였다. 수화특성을 평가하기 위해 고로슬래그 미분말을 전체 바인더의 80%로 고정하였으며, 나머지 20%를 시멘트와 활성화제로 구성하였다. 경석고와 황산나트륨의 치환율(1~7%)에 따른 응결, 압축강도, 미소수화열 및 미세구조 특성을 시멘트만을 사용한 경우와 비교하여 분석하였다. 이 연구에서는 경석고와 황산나트륨을 활성화제로 사용한 경우, 하이볼륨 고로슬래그 미분말의 조기 수화특성을 향상을 위해 필요한 $SO_3$ 함량을 전체 바인더 중량대비 약 3~5% 제안하였다.
시멘트를 대체하여 고로슬래그 미분말을 건설재료로 대량으로 활용하기 위해서는 잠재수경성을 향상시켜 조기강도를 개선시킬 수 있는 적절한 활성화제가 필요하다. 이 연구에서는 경석고와 황산나트륨을 이용하여 하이볼륨 고로슬래그 시멘트의 수화특성에 대한 연구를 수행하였다. 수화특성을 평가하기 위해 고로슬래그 미분말을 전체 바인더의 80%로 고정하였으며, 나머지 20%를 시멘트와 활성화제로 구성하였다. 경석고와 황산나트륨의 치환율(1~7%)에 따른 응결, 압축강도, 미소수화열 및 미세구조 특성을 시멘트만을 사용한 경우와 비교하여 분석하였다. 이 연구에서는 경석고와 황산나트륨을 활성화제로 사용한 경우, 하이볼륨 고로슬래그 미분말의 조기 수화특성을 향상을 위해 필요한 $SO_3$ 함량을 전체 바인더 중량대비 약 3~5% 제안하였다.
In order to use the high-volume slag cement as a construction materials, a proper activator which can improve the latent hydraulic reactivity is required. The dissolved aluminum silicon ions from ground granulated blast furnace slag (GGBFS) react with sulfate ions to form ettringite. The proper form...
In order to use the high-volume slag cement as a construction materials, a proper activator which can improve the latent hydraulic reactivity is required. The dissolved aluminum silicon ions from ground granulated blast furnace slag (GGBFS) react with sulfate ions to form ettringite. The proper formation of ettringite can increase the early-age strength of high-volume GGBFS (80%) cement. The aim of this study is to investigate the hydration properties with sulfate activators (sodium sulfate, anhydrite). In this paper, the effects of $Na_2SO_4$ and $CaSO_4$ on setting, compressive strength, hydration, micro-structure were investigated in high-volume GGBFS cement and compared with those of without activator. Test results indicate that equivalent $SO_3$ content of 3~5% improve the early-age hydration properties such as compressive strength, heat evolution rate, micro-pore structure in high-volume GGBFS cement.
In order to use the high-volume slag cement as a construction materials, a proper activator which can improve the latent hydraulic reactivity is required. The dissolved aluminum silicon ions from ground granulated blast furnace slag (GGBFS) react with sulfate ions to form ettringite. The proper formation of ettringite can increase the early-age strength of high-volume GGBFS (80%) cement. The aim of this study is to investigate the hydration properties with sulfate activators (sodium sulfate, anhydrite). In this paper, the effects of $Na_2SO_4$ and $CaSO_4$ on setting, compressive strength, hydration, micro-structure were investigated in high-volume GGBFS cement and compared with those of without activator. Test results indicate that equivalent $SO_3$ content of 3~5% improve the early-age hydration properties such as compressive strength, heat evolution rate, micro-pore structure in high-volume GGBFS cement.
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문제 정의
이 연구에서는 경석고와 황산나트륨를 활성화제로 사용한 하이볼륨 슬래그 시멘트의 수화 특성에 대해 살펴보았으며, 본 연구의 범위내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 고로슬래그 미분말을 전체 바인더 중량 대비 80%로 고정하고 나머지 20%를 OPC와 황산염계 활성화제로 구성된 하이볼륨 슬래그 시멘트(high-volume slag cement)의 활성화제 종류와 치환량에 따른 응결 시간, 수화열, 압축강도, 수화 생성물, 공극구조 특성 등에 대하여 검토하여 하이볼륨 고로슬래그 시멘트 관련 기초 자료를 제공하고자 한다.
가설 설정
GGBFS는 물과 반응하면 표면에 Al2O3․SiO2․6H2O(ASH6)와 유사한 조성의 수화물로 구성된 피막이 형성된다.12) 이 피막은 투과성이 좋지 않아 유리질로부터 용출을 방해하며, 이에 따라 액상의 농도와 pH가 저하되어 더 이상의 수화반응은 진행되지 않는다. 그러나 Ca(OH)2나 NaOH와 같은 활성화제를 첨가하면, pH 12 정도의 알칼리성에 의해 피막이 파괴되어 Si4+, Al3+ 이온이 용출되어 수화반응이 진행된다.
GGBFS의 입자크기에 따른 영향을 살펴보기 위해 Fig. 6과 동일한 배합에 대해 GGBFS의 분말도를 볼밀을 이용 하여 7,790 cm2/g로 높여 실험을 수행하였으며, 수화열 측정결과를 Fig. 7에 나타내었다. 전반적인 수화 발열 피크는 Fig.
XRD를 이용하여 재령 3일, 28일의 수화 생성물을 확인하였다. 경석고와 황산나트륨을 사용한 모든 시료에서 에트린자이트와 C-S-H 생성에 따른 Ca(OH)2가 확인되었다.
모르타르의 압축강도는 KS L ISO 679에 따라 재령별 (3, 7, 28일)로 측정하였으며, 페이스트의 응결 특성은 KSL ISO 9597에 준하여 초결과 종결을 측정하였다. 수화반응 특성을 살펴보기 위해 A사(TAM air) 미소수화열 측정기(Isothermal calorimetry)를 이용하여 페이스트에 대한 수화 발열 특성을 분석하였다. 그리고 수화 생성물과 미세 조직구조 변화를 관찰하기 위하여 X선 회절(XRD), 전자 현미경(SEM), 수은압입법(MIP)을 사용하였다.
압축강도 측정을 위한 모르타르 시험체는 물-결합재 비와 잔골재-결합재의 비를 각각 0.5와 3.0으로 고정하였으며, 각 재료는 중량비로 계량 후 모르타르 믹서기로 혼합하여 40×40×160 mm 크기의 시험체를 제작하였다.
대상 데이터
2%이다. 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에 적합한 국내 P사에서 시판되는 고로슬래그 미분말 3종(분말도 4,280 cm2/g)을 사용하였으며 밀도는 2.87 g/cm3 , 염기도는 1.8로 기준에 적합하였다. 활성화제로는 SO3 함량이 56.
미세구조(SEM, MIP, XRD) 분석을 위한 페이스트 시험체 (20×20×20 mm)는 별도로 배합하여 제작하였다.
시멘트는 KS L 5201에 적합한 1종 보통 포틀랜드 시멘트(국내 S사 시판)를 사용하였으며, 분말도와 밀도는 각각 3,499 cm2/g, 3.13 g/cm3이었다. 시멘트 화학성분에 기초하여 Bogue식에 의한 C3S, C2S, C3A, C4AF 성분의 계산 값은 각각 51.
8로 기준에 적합하였다. 활성화제로는 SO3 함량이 56.9%이고 분말도와 밀도가 각각 4,050 cm2/g, 2.89 g/cm3인 경석고와 시약 Na2SO4 (Na2O 43.0%, SO3 55.5%)를 사용하였다. 이 연구에서 사용된 시멘트와 고로슬래그 미분말에 대한 입자 크기는 Fig.
GGBFS 함량을 80%로 고정하고 시멘트와 황산염계 활성화제 20%를 혼입하였다. 황산염계 활성화제는 경석고(anhydirte)와 황산나트륨(Na2SO4)으로 구성하였다. 압축강도 측정을 위한 모르타르 시험체는 물-결합재 비와 잔골재-결합재의 비를 각각 0.
이론/모형
수화반응 특성을 살펴보기 위해 A사(TAM air) 미소수화열 측정기(Isothermal calorimetry)를 이용하여 페이스트에 대한 수화 발열 특성을 분석하였다. 그리고 수화 생성물과 미세 조직구조 변화를 관찰하기 위하여 X선 회절(XRD), 전자 현미경(SEM), 수은압입법(MIP)을 사용하였다.
5℃) 하였다. 또한, 모르타르 압축강도 실험용 시험체 제작에는 KS L ISO 679에서 규정하고 있는 ISO 표준사를 사용하였다.
모르타르의 압축강도는 KS L ISO 679에 따라 재령별 (3, 7, 28일)로 측정하였으며, 페이스트의 응결 특성은 KSL ISO 9597에 준하여 초결과 종결을 측정하였다. 수화반응 특성을 살펴보기 위해 A사(TAM air) 미소수화열 측정기(Isothermal calorimetry)를 이용하여 페이스트에 대한 수화 발열 특성을 분석하였다.
성능/효과
1) 고로슬래그 미분말을 80% 사용한 하이볼륨 슬래그 시멘트의 응결시간은 보통포틀랜드 시멘트에 비해 지연된다. 경석고와 황산나트륨을 활성화제를 사용할 경우 응결시간이 단축되며, 경석고보다 황산나트륨에 의해 많이 단축된다.
99 톤의 CO2가 발생하게 된다.1) 시멘트분야는 발전분야 다음으로 가장 많은 CO2를 배출하는 분야로, 매년 세계 CO2 발생량의 약 7%인 1.9GT CO2를 배출하고 있으며 약 9.6EJ의 에너지를 소비하고 있다.2) 이와 같은 대표적 CO2 다배출, 에너지 다소비 산업인 시멘트분야에서는 지구환경보존을 위해 다양한 정책과 기술개발을 위해 노력하고 있다.
2) 하이볼륨 슬래그 시멘트에 황산염계 활성화제인 경석고와 황산나트륨을 결합재의 SO3 함량기준으로 3~5% 치환할 경우 강도 증진 효과가 있다.
3) 경석고를 치환한 경우 초기 수화발열속도는 활성화 제를 첨가하지 않은 경우와 유사하지만, 28시간 이후 속도가 급속하게 증가하였다. 반면, 황산나트륨을 치환한 경우에는 10시간, 30시간 전후로 2개의 발열피크가 나타난다.
3) 영국도 시멘트분야에서 에너지 저감 및 CO2 배출량 저감을 위하여 대체 연료 활용 증대, 고효율 설비 도입, 혼합시멘트 사용 증대 등을 내용으로 하는 중장기 계획을 수립하였으며, 2050년 목표는 1990년 대비 약 81% 수준으로 CO2를 감축하는 것이다.4) 국내의 경우에도 2014년 1월 정부에서 발표한 국가온실가스 감축 로드맵을 통해 시멘트 분야의 온실가스 감축률을 2020년 배출전망치(BAU, Business As Usual) 대비 8.
4) 하이볼륨 슬래그 시멘트에 황산염계 활성화제를 치환할 경우의 주요 수화생성물은 C-S-H, 에트린자이트, Ca(OH)2로 나타났다. 경석고 치환량이 많을 경우에는 미반응 경석고가 이수석고로 전환되어 존재한다.
7일, 28일 압축강도 결과값은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 활성화제를 1%, 3% 혼입한 경우에서만 활성화제를 혼입하지 않은 시험편에 비하여 강도 증진 효과가 있고, 5% 이상의 경우에서는 효과가 미흡하다. 활성화제로 경석고와 Na2SO4를 혼합하여 사용한 경우(SC17A2N1, SC17A1N2) 에는 모든 재령에서 활성화제를 단독 사용한 경우(SC17A3, SC17N3)와 유사한 압축강도 발현 특성을 나타냈다.
11는 SC19A1 샘플의 SEM 이미지와 EDS 분석 결과로 SEM 이미지에서 침상의 결정 부분(Point: spectrum 6)에 대하여 EDS 분석을 실시하였다. EDS 분석 결과에 Al/S의 molar ratio가 0.71로 재령 28일에도 Ettringite가 수화생성물로 존재하고 있다는 것을 알 수 있었다. Fig.
3에 바인 더의 SO3 함량과 모르타르의 압축강도 발현 관계를 나타내고 있다. SO3 함량이 3~5% 수준에서는 모든 재령에서 강도 증진효과를 나타내고 있지만, 5% 이상인 경우에는 3일에만 강도 증진효과가 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 바탕으로 고로슬래그 다량 활용 바인더의 강도증진을 위해 황산염계 활성화제를 혼입할 경우의 활성화제량은 바인더의 SO3 함량은 3~5% 수준이 되도록 결정하여야 된다는 것을 알 수 있었다.
XRD를 이용하여 재령 3일, 28일의 수화 생성물을 확인하였다. 경석고와 황산나트륨을 사용한 모든 시료에서 에트린자이트와 C-S-H 생성에 따른 Ca(OH)2가 확인되었다. Fig.
경석고를 활성화 제로 치환한 경우 수화발열 피크가 황산나트륨을 적용한 경우와 다른 양상을 나타냈으며, 기본 적인 패턴은 SC20과 비슷하였다. 경석고의 치환률이 증가할수록 첫 번째 피크는 약간 감소하는 경향을 나타냈지만, 두 번째 피크는 상당히 증가하였다. SC17A3의 경우 이러한 경향이 뚜렷하였으며 Fig.
활성화제로 경석고와 Na2SO4를 혼합하여 사용한 경우(SC17A2N1, SC17A1N2) 에는 모든 재령에서 활성화제를 단독 사용한 경우(SC17A3, SC17N3)와 유사한 압축강도 발현 특성을 나타냈다. 이러한 결과를 통해 경석고와 Na2SO4를 혼합하여 사용하여도 특별한 문제가 없다는 것을 알 수 있었다. Fig.
SO3 함량이 3~5% 수준에서는 모든 재령에서 강도 증진효과를 나타내고 있지만, 5% 이상인 경우에는 3일에만 강도 증진효과가 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 바탕으로 고로슬래그 다량 활용 바인더의 강도증진을 위해 황산염계 활성화제를 혼입할 경우의 활성화제량은 바인더의 SO3 함량은 3~5% 수준이 되도록 결정하여야 된다는 것을 알 수 있었다.
7에 나타내었다. 전반적인 수화 발열 피크는 Fig. 6과 유사하지만 수화 발열 피크는 약 60% 정도 증가된 것을 확인 할 수 있었다. 높은 분말도의 GGBFS 를 사용한 경우 SC17A3를 제외하고 두 번째 피크가 첫번째 피크보다 낮게 나타났으며, 이는 Fig.
시멘트와 GGBFS만을 혼입한 경우 재령 3일에 에트린자이트가 관찰되지 않았다. 하지만 황산나트륨과 경석 고를 치환한 경우 에트린자이트의 생성을 확인할 수 있었으며, 활성화제 치환량이 3%인 경우 에트린자이트의 성상이 더욱 뚜렷해지며, 군집하여 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
5에서 보는 바와 같이 SC20의 경우 12시간에서 첫 번째 피크가 발생하였으며, 이후 완만히 유지되다가 약 34시간에서 두 번째 피크가 나타났다. 황산나트륨의 치환률이 증가함에 따라 첫 번째 피크 발생 시기는 큰 차이가 없고 피크의 크기는 감소하였으며, 두번째 피크의 크기는 거의 일정하게 나타났으나 피크 발생 시기는 28~36시간 범위에서 나타났다. 황산나트륨을 혼입한 경우 두 번째 피크가 좀 더 구별이 뚜렷하게 나타났다.
1) 고로슬래그 미분말을 80% 사용한 하이볼륨 슬래그 시멘트의 응결시간은 보통포틀랜드 시멘트에 비해 지연된다. 경석고와 황산나트륨을 활성화제를 사용할 경우 응결시간이 단축되며, 경석고보다 황산나트륨에 의해 많이 단축된다.
2) 하이볼륨 슬래그 시멘트에 황산염계 활성화제인 경석고와 황산나트륨을 결합재의 SO3 함량기준으로 3~5% 치환할 경우 강도 증진 효과가 있다.
3) 경석고를 치환한 경우 초기 수화발열속도는 활성화 제를 첨가하지 않은 경우와 유사하지만, 28시간 이후 속도가 급속하게 증가하였다. 반면, 황산나트륨을 치환한 경우에는 10시간, 30시간 전후로 2개의 발열피크가 나타난다.
4) 하이볼륨 슬래그 시멘트에 황산염계 활성화제를 치환할 경우의 주요 수화생성물은 C-S-H, 에트린자이트, Ca(OH)2로 나타났다. 경석고 치환량이 많을 경우에는 미반응 경석고가 이수석고로 전환되어 존재한다.
시멘트에서 CO2가 발생하는 이유는 무엇인가?
건설분야의 핵심재료인 시멘트는 석회석, 점토 등의 원재료를 약 1,450°C에서 소성하는 공정이 필요하기 때문에 1 톤 생산 시 0.73~0.99 톤의 CO2가 발생하게 된다.1) 시멘트분야는 발전분야 다음으로 가장 많은 CO2를 배출하는 분야로, 매년 세계 CO2 발생량의 약 7%인 1.
미국 PCA는 무엇을 목표로 설정하고 있는가?
미국 PCA (Portland Cement Association)는 고전적인 설비를 최신의 고효율 제조설비로 교체하고 온실가스 방출을 저감할 수 있는 대체 연료 및 원료를 활용하여 2020년까지 1990년 대비 시멘트 1 톤 제조 시 CO2 발생량의 10% 감축을 목표로 설정하고 있다.3) 영국도 시멘트분야에서 에너지 저감 및 CO2 배출량 저감을 위하여 대체 연료 활용 증대, 고효율 설비 도입, 혼합시멘트 사용 증대 등을 내용으로 하는 중장기 계획을 수립하였으며, 2050년 목표는 1990년 대비 약 81% 수준으로 CO2를 감축하는 것이다.
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