[논문]γ-C2S 및 MgO를 다량 혼입한 시멘트 페이스트의 CO2 양생유무에 따른 특성변화

성명진; 조형규; 이한승

doi:10.5345/jkibc.2015.15.3.281

γ-C2S 및 MgO를 다량 혼입한 시멘트 페이스트의 CO2 양생유무에 따른 특성변화
Properties of Cement Paste Containing High Volume γ-C2S and MgO Subjected to CO2 Curing 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.15 no.3, 2015년, pp.281 - 289

성명진 (Department of Architectural System Engineering, Hanyang University) , 조형규 (Department of Sustainable Architectural Engineering, Hanyang University) , 이한승 (School of Architecture, Hanyang University)

초록
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본 연구에서는 $CO_2$ 양생 효과를 극대화 할 수 있는 ${\gamma}-C_2S$와 MgO와 같은 $CO_2$ 흡수 물질을 혼입한 시멘트 페이스트의 $CO_2$ 양생 효과에 관한 연구를 위하여 W/B를 40%로 설정하고 혼화재료 ${\gamma}-C_2S$와 MgO를 90% 다량 치환하여 혼화재료, $CO_2$ 양생 유무에 따른 압축강도 측정, 미세 화학분석을 실시하였다. 그 결과 $CO_2$ 양생으로 인해 Plain의 경우 약 1.08배~1.26배의 압축강도 증가 효과가 나타났으며 ${\gamma}-C_2S$와 MgO를 90% 치환한 ${\gamma}-C_2S$, MgO 실험체의 경우, 각각 14.56배~45.7배, 6.5배~10.37배 향상 효과가 나타났다. 이에 따라 미세 화학분석을 실시하여 다량의 $CaCO_3$, $MgCO_3$가 생성된 것을 확인하고 공극 감소의 효과를 확인하였다. 따라서 $CO_2$ 흡수물질 ${\gamma}-C_2S$, MgO를 다량 혼입한 시멘트 페이스트의 $CO_2$ 양생에 의한 압축강도 발현효과가 검증됨을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Carbonation of concrete causes reduction of pH and subsequently causes steel corrosion for reinforced concrete structure. However, for plain concrete structure or PC product, it can lead to a decrease in porosity, high density, improvement of concrete, shrinkage-compensation. Recently, based on this theory, research of $CO_2$ curing effect has been performed, but it was mainly focused on its effects on compressive strength using only ordinary portland cement. Researches on $CO_2$ curing effect for concrete containing $CO_2$ reactive materials such as ${\gamma}-C_2S$, MgO haven't been investigated. Therefore, this study has performed experiments under water-binder ratio 40%, and the replacement ratios of ${\gamma}-C_2S$ and MgO were 90%. Micro-chemical analysis, measurement of compressive strength according to admixtures and $CO_2$ curing were investigated. Results from this study revealed that higher strength was measured in case of $CO_2$ curing compared with none $CO_2$ curing for plain specimen indicating difference between 1.08 and 1.26 times, in case of ${\gamma}-C_2S$ 90, MgO 90 specimen, incorporating high volume replaced as much as 90%, it was proven that when applying $CO_2$ curing, higher strength which has difference between 14.56 and 45.7 times, and between 6.5 and 10.37 times was measured for each specimen compared to none $CO_2$ curing. Through micro-chemical analysis, massive amount of $CaCO_3$, $MgCO_3$ and decrease of porosity were appeared.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 γ-C2S와 MgO와 같은 CO2 흡수물질의 10%, 20%, 30% 소량치환에 따른 CO2양생에 관한 연구에 이어 γ-C2S와 MgO를 90%로 다량치환함으로써 혼화재료를 혼입한 시멘트 페이스트의 CO2양생 유무에 따른 효과를 확인하고자 압축강도 측정, MIP를 이용한 공극구조 분석, TG-DTA, XRD를 이용한 반응 생성물 분석, 그리고 SEM-EDX를 통한 미세구조 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 γ-C2S와 MgO를 90% 다량 치환한 시멘트 페이스트의 CO2 양생에 의한 물성 변화를 확인하기 위해 압축강도, 반응물, 공극률, 미세구조 분석을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

혼합 종료 후 몰드에 타설하여 실험체를 제작하였다. 24시간 후 탈형하여 7일간 밀봉양생을 실시하였으며 비CO₂ 양생 실험체의 경우, CO₂를 차단을 위해 밀봉상태를 유지시켰고, CO₂ 양생 실험체의 경우, 밀봉양생 후 전면을 노출시킨 상태에서 CO₂ 농도 100% 챔버에 투입하여 28일 동안 양생을 실시하였다.
CO₂ 양생에 따른 탄산화 반응 유무를 확인하고자 페놀프탈레인 분무법을 이용하여 CO₂ 양생 재령 7일에 탄산화 반응 유무를 확인하였다.
CO2 양생유무에 따른 공극분포 및 미세구조 분석을 위하여 압축강도 측정 후 파쇄된 시편을 5mm 크기로 분쇄한 후 건조로에서 60±5℃의 온도로 24시간 동안 건조시킨후 MIP를 이용하여 공극측정을 실시하였다.
CO2 흡수물질은 γ-C2S, MgO를 사용하였고 90%로 다량 치환하였다.
TG-DTA와 XRD를 이용하여 화학반응물을 확인하기 위하여 압축강도 측정 후 파쇄된 각 시편을 미세한 분말로 분쇄한 후, 150㎛체에 통과시켜 채취된 시료들을 이용하여 측정하였다. 이 때 TG-DTA 분석 시 승온속도를 10℃/min으로 설정하여 1000℃까지 상승시켰으며 XRD 분석 시, 4º/min, 2θ=10~70°의 조건 하에 측정을 실시하였다.
CO₂흡수물질은 γ-C₂S, MgO를 사용하였고 90%로 다량 치환하였다. W/B는 40%로 하였으며 각각의 실험체에 대하여 비CO₂ 양생 및 CO₂양생을 실시하였다. 측정항목은 Table 3과 같다.
양생유무에 따른 공극분포 및 미세구조 분석을 위하여 압축강도 측정 후 파쇄된 시편을 5mm 크기로 분쇄한 후 건조로에서 60±5℃의 온도로 24시간 동안 건조시킨후 MIP를 이용하여 공극측정을 실시하였다. 또한 시료 윗면에 백금코팅을 실시한 후 배율을 조절하며 SEM-EDX 측정을 통하여 미세구조 분석을 실시하였다.
본 실험에서는 실험체 전체가 CO2의 급속한 침투로 인하여 탄산화 된 후, 압축강도 측정을 실시하기 위하여 20×20×80mm의 크기로 몰드를 제작하였다.

대상 데이터

시멘트는 KS L 5201에 준하는 국내 S사 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며 γ-C2S는 국내 A사, MgO는 국내 D사의 제품을 사용하였다.

데이터처리

20mm 크기로 절단한 후 30ton UTM을 이용하여 각 실험체별 3회 압축강도를 측정하였으며 평균값을 산출하였다.

성능/효과

1) 압축강도 측정 결과, 각 실험체에서 CO₂ 양생 시 압축 강도가 증진되었다. Plain의 경우, 약 1.
2) XRD와 TG-DTA를 이용하여 반응물 분석한 결과, 비 CO2 양생 시 Plain과 γ-C2S 실험체에서 Ca(OH)2의 피크가 확인되었고 MgO에서는 Mg(OH)2의 피크가 나타났다.
3) MIP를 이용한 공극률, 공극크기 분포 및 누적공극량 측정 결과, 비CO2 양생 시와 비교하여 CO2 양생 시공극률, 최대공극크기 및 누적공극량이 감소하였으며, 이 중 특히, γ-C2S 및 MgO의 경우 크게 감소하였다.
4) SEM-EDX를 통한 미세구조 분석 결과, 비CO₂ 양생 시에서는 Ca(OH)₂, Mg(OH)₂및 C-S-H가 관찰되었으며, CO₂양생 시, CaCO₃와 MgCO₃의 모습이 발견되었다. 이에 따라 CO₂양생으로 반응물 유무를 육안으로 확인할 수 있었다.
따라서 CO2 양생에 의해 각 실험체에서 탄산화 반응물이 생성되었고 특히 γ-C2S와 MgO를 다량 치환한 실험체에서 많은 반응물이 확인되었다.
따라서 Plain에 비해 γ-C2S의 경우, 11.82배, 28.39배, 45.32배 압축강도 향상효과가 나타났고, MgO의 경우 또한 7.76배, 8.2배, 6.44배 향상됨에 따라 혼화재료 다량 혼입에 의한 시멘트 페이스트의 CO2 양생 효과를 확인하였다.
따라서 각 실험체에서 CO2 양생에 의해 더 높은 압축강도가 발현되었으며 γ-C2S와 MgO 다량 혼입 시, 비CO2 양생 시보다 우수한 효과가 확인되었다.
이는 수화물 Ca(OH)₂, Mg(OH)₂ 및 MgO의 CO₂와의 반응에 의해 CaCO₃와 MgCO₃·3H₂O, Magnesium calcite의 생성이 공극감소에 기여하기 때문으로 판단된다. 따라서 혼화재료 다량 혼입 후 CO₂ 양생 시 다량의 탄산화 반응물 생성이 공극감소 효과에 기여함이 확인되었다.
양생에 의한 탄산화 반응의 유무 확인 결과를 나타낸 것이다. 비CO₂ 양생 실험체에서는 붉은 자색을 띄었지만, CO₂ 양생 실험체는 변색되지 않아 탄산화 반응이 일어 났음을 확인하였다.
S 및 MgO의 경우 크게 감소하였다. 이는 CO₂와의 반응으로 인한 CaCO₃와 MgCO₃가 내부 공극을 충진하였기 때문으로 판단되며 이러한 공극감소효과가 압축강도 향상에 기여함을 확인하였다.
이에 따라 γ-C2S와 MgO 혼입 후 CO2 양생에 의한 압축강도 발현효과가 Plain 보다 우수한 것으로 나타났다.
그러나 CO₂양생 시 공극이 감소하였다. 이와 비슷하게, 누적 공극량 또한 크기 10㎛ 이상의 공극에서의 차이는 뚜렷하지 않지만 10㎛ 이하의 미세공극에서 크게 감소하였음을 확인할 수 있었다. 이는 수화물 Ca(OH)₂, Mg(OH)₂ 및 MgO의 CO₂와의 반응에 의해 CaCO₃와 MgCO₃·3H₂O, Magnesium calcite의 생성이 공극감소에 기여하기 때문으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄산화 현상으로 인한 긍정적인 효과를 기대할 수 있는 이유는?	콘크리트 탄산화는 탄산화 생성물인 CaCO3가 수화물보다 분자량이 크며 이에 따라 콘크리트 내 공극 충진, 고밀도화, 압축강도 향상 등의 효과가 있다[3,4]. 따라서 무근콘크리트, Precast Concrete 제품 등에서는 오히려 탄산화 현상으로 인한 콘크리트의 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
	콘크리트 탄산화가 콘크리트의 pH를 저하시킴에 따라 나타나는 현상은?	콘크리트 탄산화는 일반적으로 시멘트 수화생성물인 Ca(OH)2가 대기 중 CO2와 반응하여 CaCO3를 생성시키는 현상으로써 콘크리트의 pH를 저하시켜 콘크리트 내 매립된 철근의 부식을 유발하게 된다[1]. 따라서 기존문헌들을 살펴보면 대부분 콘크리트 탄산화 깊이 예측 및 탄산화 현상 억제에 관한 연구들이 진행되어 온 것을 알 수 있다[2,3].
	콘크리트 탄산화란?	콘크리트 탄산화는 일반적으로 시멘트 수화생성물인 Ca(OH)2가 대기 중 CO2와 반응하여 CaCO3를 생성시키는 현상으로써 콘크리트의 pH를 저하시켜 콘크리트 내 매립된 철근의 부식을 유발하게 된다[1]. 따라서 기존문헌들을 살펴보면 대부분 콘크리트 탄산화 깊이 예측 및 탄산화 현상 억제에 관한 연구들이 진행되어 온 것을 알 수 있다[2,3].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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