양생방법에 따른 알칼리 및 황산염 복합자극제를 사용한 비소성 시멘트 모르타르의 특성 Properties of Non-Sintered Cement Mortar using Alkali and Sulfate Mixed Stimulants Accroding to Curing Method원문보기
시멘트는 건설 산업의 발전과 비례하여 눈부신 발전을 이루었다. 그러나 이산화탄소의 발생량 또한 매우 치명적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이산화탄소의 배출이 적은 시멘트의 개발이 시급한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 시멘트의 대체제로 소성과정이 없어 에너지 손실률이 낮으며 이산화탄소의 배출량이 적은 비소성 시멘트(Non-Sintered Cement, 이하 NSC) 모르타르를 개발하고자 하였다. 산업 부산물인 고로슬래그 미분말(Granulated ground Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)에 이를 활성화시키기 위한 자극제를 배합하였다. 그리고 GBFS와 자극제의 배합비율이 어떠한 양생조건에서 우수한 지를 알아보기 위해 각각의 양생조건에 따른 휨 및 압축강도, 그에 따른 수화 반응 생성물과 메커니즘을 알아보기 위해 SEM, XRD 실험을 진행하였고, 또한 화학저항성, pH측정, 염화물 이온 침투 저항성 및 탄산화 촉진실험을 실시하여 내구성을 알아보았다. 실험 결과 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 전체적으로 우수한 특성과 내구성을 보여주었고, 콘크리트 2차 제품으로 개발하여 경제성 향상, 친환경적인 제품 생산, 환경문제 및 에너지 절약에 큰 이바지를 할 것으로 기대된다.
시멘트는 건설 산업의 발전과 비례하여 눈부신 발전을 이루었다. 그러나 이산화탄소의 발생량 또한 매우 치명적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이산화탄소의 배출이 적은 시멘트의 개발이 시급한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 시멘트의 대체제로 소성과정이 없어 에너지 손실률이 낮으며 이산화탄소의 배출량이 적은 비소성 시멘트(Non-Sintered Cement, 이하 NSC) 모르타르를 개발하고자 하였다. 산업 부산물인 고로슬래그 미분말(Granulated ground Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)에 이를 활성화시키기 위한 자극제를 배합하였다. 그리고 GBFS와 자극제의 배합비율이 어떠한 양생조건에서 우수한 지를 알아보기 위해 각각의 양생조건에 따른 휨 및 압축강도, 그에 따른 수화 반응 생성물과 메커니즘을 알아보기 위해 SEM, XRD 실험을 진행하였고, 또한 화학저항성, pH측정, 염화물 이온 침투 저항성 및 탄산화 촉진실험을 실시하여 내구성을 알아보았다. 실험 결과 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 전체적으로 우수한 특성과 내구성을 보여주었고, 콘크리트 2차 제품으로 개발하여 경제성 향상, 친환경적인 제품 생산, 환경문제 및 에너지 절약에 큰 이바지를 할 것으로 기대된다.
Entering the 20th century since the industrial revolution, the cement has been widely used in the field of construction and civil engineering due to the remarkable development of construction industry. However, result from that development, each kind of industrial by-products and waste and the carbo...
Entering the 20th century since the industrial revolution, the cement has been widely used in the field of construction and civil engineering due to the remarkable development of construction industry. However, result from that development, each kind of industrial by-products and waste and the carbon dioxide generated in the process of cement production cause air pollution and environmental damage so earth is getting sick now slowly. Therefore, we have to recognize importance about this. It means that the time taking specific and long-term measures have come. In this research paper, as substitution of the cement generating environmental pollution, we investigate the hydration reaction of non-Sintered Cement mortar mixed with GBFS, active stimulant of alkaline and sulphate series by using SEM and XRD, mechanical and chemical properties according to the curing method. As a result of this experiment, NSC realized outstanding strength for water curing and steam curing. It means that it has a good possibility as substitution of cement. From now on, it can be used for structure satisfying specific standard. We expect to find a substitution of outstanding cement by progressing continuous research making the best use of pros and cons according to the curing method.
Entering the 20th century since the industrial revolution, the cement has been widely used in the field of construction and civil engineering due to the remarkable development of construction industry. However, result from that development, each kind of industrial by-products and waste and the carbon dioxide generated in the process of cement production cause air pollution and environmental damage so earth is getting sick now slowly. Therefore, we have to recognize importance about this. It means that the time taking specific and long-term measures have come. In this research paper, as substitution of the cement generating environmental pollution, we investigate the hydration reaction of non-Sintered Cement mortar mixed with GBFS, active stimulant of alkaline and sulphate series by using SEM and XRD, mechanical and chemical properties according to the curing method. As a result of this experiment, NSC realized outstanding strength for water curing and steam curing. It means that it has a good possibility as substitution of cement. From now on, it can be used for structure satisfying specific standard. We expect to find a substitution of outstanding cement by progressing continuous research making the best use of pros and cons according to the curing method.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 환경부하를 감소시키기 위해 GBFS알칼리 및 황산염 자극제를 혼입하여 고온의 소성과정 없이 상온에서 제조 가능한 비소성 시멘트(Non-Sintered Cement, 이하 NSC)를 개발하고자 하였다. 또한 수중양생, 기건양생, 상압증기양생을 실시하여 각각의 양생조건이 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Potland Cement, 이하 OPC) 및 NSC의 강도특성 및 내구성에 어떠한 영향을 미치는가를 파악하여 향후 건설재료로써의 기초자료 및 OPC를 대체할 수 있는 가능성을 확인하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 환경부하를 감소시키기 위해 GBFS알칼리 및 황산염 자극제를 혼입하여 고온의 소성과정 없이 상온에서 제조 가능한 비소성 시멘트(Non-Sintered Cement, 이하 NSC)를 개발하고자 하였다. 또한 수중양생, 기건양생, 상압증기양생을 실시하여 각각의 양생조건이 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Potland Cement, 이하 OPC) 및 NSC의 강도특성 및 내구성에 어떠한 영향을 미치는가를 파악하여 향후 건설재료로써의 기초자료 및 OPC를 대체할 수 있는 가능성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
NSC의 배합은 GBFS를 주 재료로 하여 분말형 알칼리 자극제(Alkali Activated, 이하 A-A)와 황산염 자극제(Sulfate Activated, 이하 S-A)를 첨가하여 제조하였다. 잔골재는 주문진산 표준사(크기 0.
각 재령에 따른 결정상 분석을 위해 SEM 실험과 동일하게 1일간 아세트산 카민용액에 침지시킨 시편을 분쇄하여 X선 회절분석기(X-Ray Diffraction, 이하 XRD)를 이용해 관찰하였다. XRD 분석의 측정조건은 40 kv, 30 mA, Scanning Speed: 4°/min, angle: 10~65°로 하였다.
본 연구는 양생방법에 따른 NSC 모르타르의 특성을 비교 분석하기 위하여 수중양생(OPC-W, NSC-W), 상압증기양생(OPC-S, NSC-S), 기건양생(OPC-Ad, NSC-Ad)으로 각각 실시하였다. 수중양생은 성형된 공시체를 표준 양생(20°C, RH50%)의 조건에서 24시간 양생 후 탈형하여 20±2°C의 수조에서 재령 3, 7, 28일 동안 양생하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 비중 3.06, 비표면적 3,300(cm2/g)인 국내산 1종 OPC를 사용하였고, 이와 비교하기 위한 NSC 제작을 위해 비중 2.91, 비표면적 4,600(cm2/g)인 국내산 3종 GBFS를 사용하였다. OPC 및 GBFS의 화학성분은 Table 1과 같다.
NSC의 배합은 GBFS를 주 재료로 하여 분말형 알칼리 자극제(Alkali Activated, 이하 A-A)와 황산염 자극제(Sulfate Activated, 이하 S-A)를 첨가하여 제조하였다. 잔골재는 주문진산 표준사(크기 0.25~0.6 mm)를 사용하였다. 결합재와 잔골재의 중량비(B:S)는 예비실험을 실시하여 우수한 특성을 나타내는 1:2.
이론/모형
각 양생조건으로 재령 3, 7, 28일 동안 양생된 공시체를 KS L ISO 679 규준에 의거하여 휨 및 압축강도를 측정하였다.
전체적인 배합비는 예비실험을 실시하여 도출하였으며, 이를 통한 가장 우수한 배합을 본 연구의 배합비로써 적용하였다. 모르타르의 비빔은 KS L ISO 679(시멘트 강도 시험 방법) 규준에 의거하여 진행하였으며, 비빔이 끝난 NSC 모르타르는 40×40×160 mm 강제식 3연형 몰탈 빔몰드에 성형하였다. NSC의 XRF 실험결과에 따른 화학조성 및 배합비는 Table 2, 3과 같다.
화학저항성은 ASTM C 267, 579 규준에 의거하여 내산성 실험을 실시하였다. 각각의 다른 조건으로 양생된 공시체의 표면 물기를 습포를 이용하여 제거한 뒤 중량을 측정하고 황산(H2SO4)수용액에 침적시켰다.
성능/효과
1) NSC의 강도 특성은 수중양생과 증기양생을 실시하였을 경우 재령이 경과함에 따라 OPC보다 우수한강도 값을 나타내었으나 기건 양생의 경우 OPC보다 다소 낮은 강도 값을 보여주었다. 이는 양생 조건에 따른 GBFS의 수화반응의 진행 속도가 다르며 그에 따른 수화 반응 생성물의 형성이 가장 큰 요인으로 판단된다.
2) OPC는 평균 pH값이 12~13 범위를 나타내며 강한 알칼리성을 보였고, NSC는 평균 11.5~12.5로 OPC에 비해 낮은 알칼리성을 나타냈으며, 재령이 증가할수록 지속적인 수화반응으로 pH가 감소하게 된다.
3) SEM을 이용하여 내부 미세 구조를 관찰한 결과 초기 재령시 다량의 얇고 긴 침상 구조의 ettringite을 확인하였고, 재령이 증가함에 따라 굵게 발달한 ettringite와 C-S-H겔이 치밀한 구조를 이루고 있었다. 수중 양생과 증기양생을 실시하였을 때 활발한 수화반응을 유도하여 OPC와 달리 치밀한 네트워크식 망상형 구조를 형성하는 것을 알 수 있다.
4) NSC는 XRD 분석결과 ettringite의 피크가 수중 및 증기양생에서 재령 3일부터 높게 나타났으며 재령이 증가하면서 C-S-H 피크가 증가함을 알 수 있었다. 반면 기건양생의 경우 ettirngite 및 C-S-H 피크의 증가율이 낮아 수화반응이 원활하지 않음을 알 수 있다.
5) H2SO4 수용액에 침지된 NSC는 각각의 양생조건 모두 OPC보다 월등히 우수한 내산성을 보여주었는데 이는 NSC가 OPC의 강도발현에 가장 큰 인자이며 산의 침식에 가장 큰 영향을 끼치는 Ca(OH)2를 거의 생성시키지 않아 중량 감소율을 최소화할 수 있는 것으로 판단된다.
6) 10% NaCl 수용액에 침지된 OPC는 재령이 증가함에 따라 평균 15mm 정도의 침투 깊이를 나타낸 반면 NSC는 각 양생조건 모두 평균 4mm이하의 침투 깊이를 나타내어 우수한 염화물 이온 침투 저항성을 보여주었다.
7) NSC는 OPC에 비해 치밀한 구조를 형성함에도 불구하고 모든 공시체의 탄산화 깊이가 깊게 나타났다. 이는 Ca(OH)2의 생성량이 OPC에 비해 상대적으로 적어 C-S-H겔 및 ettringite의 탄산화가 바로 진행되어 분해되기 때문이다.
8) NSC는 내부 조직이 치밀하고 화학저항성 및 염화물 이온에 대한 저항성이 높으나 CO2에 취약한 큰 문제점을 가지고 있어 CO2 농도가 낮은 수중 및 지하구조물 등에 적당하며, 지상구조물에 적용할 경우 중성화 방지막 도포 및 피복두께를 증가한다면 탄산화에 의한 피해를 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
4) NSC는 XRD 분석결과 ettringite의 피크가 수중 및 증기양생에서 재령 3일부터 높게 나타났으며 재령이 증가하면서 C-S-H 피크가 증가함을 알 수 있었다. 반면 기건양생의 경우 ettirngite 및 C-S-H 피크의 증가율이 낮아 수화반응이 원활하지 않음을 알 수 있다.
3) SEM을 이용하여 내부 미세 구조를 관찰한 결과 초기 재령시 다량의 얇고 긴 침상 구조의 ettringite을 확인하였고, 재령이 증가함에 따라 굵게 발달한 ettringite와 C-S-H겔이 치밀한 구조를 이루고 있었다. 수중 양생과 증기양생을 실시하였을 때 활발한 수화반응을 유도하여 OPC와 달리 치밀한 네트워크식 망상형 구조를 형성하는 것을 알 수 있다.
양생조건에 따른 NSC의 XRD 분석 결과를 살펴보면, NSC-W 및 NSC-S는 재령이 증가할수록 재령 3일 및 7일에 비해 C-S-H겔의 피크가 증가함을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 재령이 증가함에 따라 우수한 강도 발현이 이루어 졌음을 알 수 있다. 반면 기건양생을 실시한 NSC-Ad는 C-S-H겔의 피크가 낮음으로써 강도발현에 미흡함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고로슬래그 시멘트 제작 방법은 무엇인가?
일반적으로 산업부산물인 고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)와 포틀랜트 시멘트를 혼합한 고로슬래그 시멘트가 대표적인 제품으로 현재까지 전세계적으로 사용되고 있으며, 연구 개발 또한 지속적으로 진행되고 있다. 이러한 GBFS는 물과 접촉시 슬래그 입자표면에 불투수성 산성피막이 형성되어 수화반응이 진행되지 않지만 알칼리 혹은 황산염과 같은 물질을 첨가하면 내부에 포함되어 있던 이온들이 용출되어 수화반응이 이루어진다.
시멘트 생산의 문제점은 무엇인가?
산업혁명 이후 시멘트는 건설산업의 눈부신 발전으로 인해 폭넓게 사용되어 왔다. 그러나 시멘트 생산은 지구온난화 및 기후변화를 일으키는 이산화탄소를 대량으로 배출한다. 이로 인해 지구 평균기온의 상승과 생태계 탄소 사이클의 파괴로 인해 인간은 물론 많은 생물들이 생명의 위협을 받고 있다.
이산화탄소를 대량으로 배출할 때, 발생되는 문제점은 무엇인가?
그러나 시멘트 생산은 지구온난화 및 기후변화를 일으키는 이산화탄소를 대량으로 배출한다. 이로 인해 지구 평균기온의 상승과 생태계 탄소 사이클의 파괴로 인해 인간은 물론 많은 생물들이 생명의 위협을 받고 있다. 따라서 이에 대한 중요성을 인식하고 구체적, 장기적으로 대책을 강구하여야만 한다.
참고문헌 (9)
Jos Olivier, Trends in global $CO_2$ emissions, publication number. 500114022, PBL Publichers, Bilthoven, 2012, pp. 10-21.
ACI Committee 226, "Ground Granulated Blast Furnace Slag as a Cementitious Constituent in Concrete", ACI Material Journal, Vol.84, No.4, 1987, pp. 327-342.
Piao, Y. M., Mun, G. J. and Soh, Y. S., "Effect of Inorganic Stimulus Agent on Compressive Strength and Pore Structure of Blast Furnace Slag Cement", Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.17, No.9, 2001, pp. 143-150.
Kwon, H. S., An Experimental Study on the Strength Development of High Strength Mortar by Steam Curing, DanKook National University master's degree, Korea, 2008.
Song, C. T., "Hydration of Granulated Blast Furnace Slag in the Presence of $CaSO_4$ ", Journal of the Korean ceramic society, Vol.17, No.4, 1980, pp. 208-212.
Mun, K. J., Lee, C. W., S, S. Y. and Soh, Y. S., "Hydration Reaction of Non-Sintering Cement Using Inorganic Industrial Waste as Activator", KCI Concrete Journal, Vol.18, No.2, 2006.
Lee, E. H., Jeong, C. I., Song, M. S. and Lee, K. G., "The Effect of pH on the Ettringite Formation", Journal of the Korean ceramic society, Vol.39, No.7, 2002, pp. 699-703.
Mun, K. J., Properties of Non-Sintered Cement and Concrete Recycled with Industrial Waste, Chonbuk National University doctor's degree, 2004.
Collins, F. and Sanjayan, J. G., "Early Age Strength and Workability of Slag Paste Activated by NaOH and $Na_2CO_3$ ", Cement and Concrete Research, Vol.28, No.5, 1998.
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