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충전재에 의한 지오폴리머의 고온수축 감소효과
Effect of Fillers on High Temperature Shrinkage Reduction of Geopolymers 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.25 no.6, 2016년, pp.73 - 81  

조영훈 (과학기술연합대학원대학교 자원순환공학) ,  안응모 ((주) 이오종합건설 건축팀) ,  전철민 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ,  이수정 (과학기술연합대학원대학교 자원순환공학)

초록
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지오폴리머메타카올린 혹은 석탄재와 같은 알루미노실리케이트 원료를 알칼리 활성화제와 반응시켜 제조된 비정질 무기 폴리머로서 포틀랜드 시멘트보다 우수한 내열성을 보인다. 지오폴리머의 고온 수축률은 $600^{\circ}C$까지는 0.5 %이하 ~ 3 %정도이며 용융되기 전까지 총 수축률은 5 ~ 7 %정도이다. 본 연구는 Si/Al비 1.5인 지오폴리머 페이스트에 탄소 나노 섬유, 탄화규소, 파이렉스 유리, 질석 및 ISO 표준사를 첨가하여 지오폴리머의 압축강도와 고온 수축에 미치는 효과를 알아보았다. 탄소 나노 섬유, 탄화규소, 파이렉스 유리와 질석이 첨가된 지오폴리머의 압축강도는 35 ~ 40 MPa범위로 유사하였다. ISO 표준사를 30 wt.% 첨가한 지오폴리머 모르타르의 평균 압축강도는 28 MPa로 가장 낮았다. ISO 표준사를 첨가하면 압축강도는 감소하였고 고온 수축률은 페이스트 수축률의 약 25 %까지 감소되었다. 이는 석영이 대부분인 잔골재 입자가 팽창하여 지오폴리머 겔 조직의 수축을 보상하였기 때문이다. 충전재의 종류와 관계없이 $900^{\circ}C$ 가열 후 지오폴리머 겔 조직은 소결현상에 의해 치밀해졌다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Geopolymers produced from aluminosilicate materials such as metakaolin and coal ash react with alkali activators and show higher fire resistance than portland cement, due to amorphous inorganic polymer. The percentage of thermal shrinkage of geopolymers ranges from less than 0.5 % to about 3 % until...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 연구에서는 선행연구2)에서 고온에 노출된 후 Si/Al비가 2.0, 3.5인 지오폴리머보다 압축강도가 증가되는 것으로 확인된 Si/Al비가 1.5인 지오폴리머를 제조하고 탄소 나노 섬유, 탄화규소, 파이렉스 유리, 질석과 ISO 표준사를 충전재로 다양하게 첨가하여 압축강도와 열수축 감소효과를 알아보고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
알칼리 환경에서 안정하고 내열성이 우수한 충전재는 무엇이 있는가? Si/Al비가 낮은 지오폴리머는 Si/Al비가 높은 지오폴리머보다 우수한 내열성을 나타내는 데 알칼리 환경에서 안정하고 내열성이 우수한 충전재(filler)는 지오폴리머 열 수축률을 감소시킬 수 있다5-8). 이러한 목적으로 사용되는 충전재로는 섬유, α-알루미나, 석영, 규회석 섬유, 질석, 탄소 섬유, 실리카 퓸 등이 있으며 충전재로 사용되는 물질들은 낮은 고온 수축 및 팽창률, 높은 강도, 낮은 밀도 등의 장점을 가지고 있다9-13). 잔골재의 경우 수축률 감소에 효과적인 데, Subaer and van Riessen의 연구결과에 의하면 메타카올린 기반 지오폴리머에 잔골재를 20 % 첨가하면 수축률의 50 %가 감소되었고 그 효과는 잔골재의 40 %까지 양을 증가시켜도 유지되었다14).
지오폴리머의 특징은? 지오폴리머는 메타카올린 혹은 석탄재와 같은 알루미노실리케이트 원료를 알칼리와 반응시켜 제조한 비소성 무기 결합재로 포틀랜트 시멘트보다 높은 내열성을 나타낸다. 지오폴리머의 열적 특성은 열팽창-수축, 열전도도, 강도의 변화, 미세조직의 변화 등에서 살펴볼 수 있다.
열팽창-수축 특성의 경우 지오폴리머의 어떤 특성에 따라 달라지는가? 지오폴리머의 열적 특성은 열팽창-수축, 열전도도, 강도의 변화, 미세조직의 변화 등에서 살펴볼 수 있다. 열팽창-수축 특성의 경우 지오폴리머의 Si/Al비, 수분함량, 알칼리 활성화제의 종류와 SiO2 : M2O비(M은 알칼리 양이온)에 따라 달라진다. 열에 노출되는 초기 팽창은 지오폴리머의 화학조성과 수분함량, 승온 속도에 따라 다르지만 대략 200 ~ 300 oC까지 일어나는 탈 수(dehydration)에 의해 발생된다.
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참고문헌 (24)

  1. Rickard, W.D.A., van Riessen, A., 2010 : Thermal Character of Geopolymers Synthesized from Class F Fly ash Containing High Concentrations of Iron and ${\alpha}$ -Quartz, International Journal of Applied Ceramic Technology, 7(1), pp. 81-88. 

  2. An, E.M., Cho, Y.H., Chon, C.M., Lee, D.J., Lee, S.J., 2015 : Synthesizing and Assessing Fire-Resistant Geopolymer from Rejected Fly Ash, Journal of the Korean Ceramic Society, 52(4), pp. 253-263. 

  3. Dombrowski, K., Buckwald, A., Weil, M., 2007 : The influence of calcium content on the structure and thermal performance of fly ash based geopolymers, Journal of Material Science, 42, pp. 3033-3043. 

  4. Kong, D.L.Y., Sanjayan, J.G., 2008 : Damage behavior of geopolymer composites exposed to elevated temperatures, Cement & Concrete Composites, 30, pp. 986-991. 

  5. Duxson, P., Luckey, G.C., van Deventer, J.S.J., Davidovits, J. (ed), 2006 : Geopolymer, green chemistry and sustainable development solutions, Proceedings of the world congress of geopolymer 2005, Saint-Quentin, France, pp.189-194 

  6. Rickard, W.D.A., 2012 : Assessing the suitability of fly ash geopolymers for high temperature applications, Ph.D. Curtin University, Faculty of Science, Department of Imaging and Applied Physics. 

  7. Temuujin, T., Rickard, W.D.A., Lee, M., van Riessen, A., 2011 : Preparation and thermal properties of fire resistant metakaolin based geopolymer type coatings, Journal of Non-Crystalline Solids, 357, pp. 1399-1404. 

  8. Vickers, L., Rickard, W.D.A., van Riessen, A., 2014 : Strategies to control the high temperature shrinkage of fly ash based geopolymers, Thermochimica Acta, 580, pp. 20-27. 

  9. Lin, T.S., Jia, D.C., He, P.G., Wang, M.R., 2009 : Thermomechanical and microstructural characterisation of geopolymers with alpha alumina particulate filler, International Journal of Thermophysics, 30, pp. 1568-1577. 

  10. Kamseu, E., Rizzuti, A., Leonelli, C., Perera, D., 2010 : Enhanced thermal stability in $K_2O$ - metakaolin-based geopolymer concretes by $Al_2O_3\;and\;SiO_2$ fillers addition, Journal of Materials Science, 45, pp. 1715-1724. 

  11. Silva, F.J., Mathias, A.F., Thaumaturgo, C., 1999 : Evaluation of the fracture toughnessin poly (sialate-siloxo) composite matrix, conference paper, Geopolymer, 99, pp. 97-106. 

  12. Medri, V., Papa, E., Mazzocchi, M., Laghi, L., Morganti, M., Francisconi, J., Landi, E., 2015 : Production and characterization of lightweight vermiculite/geopolymer-based panels, Materials and Design, 85, pp. 266-274. 

  13. Sanchez, F., Ince, C., 2009 : Microstructure and macroscopic properties of hybrid carbon nanofiber /silica fume cement composites, Composites Science and Technology, 69, pp. 1310-1318. 

  14. Subaer, A., van Riessen, A., 2007 : Thermo-mechanical and microstructural characterisation of sodium-poly(sialate-siloxo) (Na-PSS) geopolymers, Journal of Materials Science, 42, pp. 3117-3123. 

  15. Pradere, C., Sauder, C., 2008 : Transverse and longitudinal coefficient of thermal expansion of carbon fibers at high temperature (300-2500 K), CARBON, 46, pp. 1874-1884. 

  16. Harris, G.L., 1995 : Properties of silicon carbide, An inspect publication, Materials Science Research Center of Excellence Howard University, Washington DC, USA, pp. 19. 

  17. Weissler, G.L., 1979 : Vacuum Physics and Technology, Academic Press, New York, USA, pp. 315. 

  18. Oka, F., Murakami, A., Uzuoka, R., Kimoto, S., 2014 : Computer methods and recent advanced in geomechanics, CRC Press/Balkema, Lundon, UK, pp. 1743. 

  19. Koksal, F., Gencel, O., Brostow, W., Hagg Lobland, H.E., 2012 : Effect of high temperature on mechanical and physical properties of lightweight cement based refractory including expanded vermiculite, Materials Research Innovations, 16(1), pp. 7-13. 

  20. Kang, N.H., 2014 : Effect of characteristics of fly ash from coal-fired power plant on compressive strength of geopolymers, M.S., University of Science and Technology, Department of Resources Recycling. 

  21. Williams, R.P., van Riessen, A., 2010 : Determination of the reactive component of fly ashes for geopolymer production using XRF and XRD. Fuel, 89, pp. 3683-3692. 

  22. Kang, S.T., Park, S.H., 2014 : Experimental Study on Improving Compressive Strength of MWCNT Reinforced Cementitious Composites. Journal of the Korea Concrete Institute, 26(1), pp. 63-70. 

  23. El-Gamal, S.M.A., Hashem, F.S., Amin, M.S., 2012 : Thermal resistance of hardened cement paste containing vermiculite and expanded vermiculite, Journal of Thermal analysis and Calorimetry, 109, pp. 217-226. 

  24. Cho, Y.H., An, E.M., Lee, S.J., Chon, C.M., Kim, D.J., 2016 : Influence of Fine Aggregate Properties on Unhardened Geopolymer Concrete, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 4(2), pp. 101-111. 

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