지오폴리머는 메타카올린 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.
지오폴리머는 메타카올린 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.
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...
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 $600^{\circ}C$, and reaches about 5 ~ 7 % before melting. In this study, geopolymers paste having Si/Al = 1.5 and being mixed with carbon nanofibers, silicon carbide, pyrex glass, and vermiculite, and ISO sand were studied in order to understand the compressive strength and the effects of thermal shrinkage of geopolymers. The compressive strength of geopolymers mixed by carbon nanofibers, silicon carbide, pyrex glass, or vermiculite was similar in the range from 35 to 40 MPa. The average compressive strength of a geopolymers mixed with 30 wt.% of ISO sand was lowest of 28 MPa. Thermal shrinkage of geopolymers mixed with ISO sand decreased to about 25 % of paste. This is because the aggregate particles expanded on firing and to compensate the shrinkage of paste. The densification of the geopolymer matrix and the increase of porosity by sintering at $900^{\circ}C$ were observed regardless of fillers.
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 $600^{\circ}C$, and reaches about 5 ~ 7 % before melting. In this study, geopolymers paste having Si/Al = 1.5 and being mixed with carbon nanofibers, silicon carbide, pyrex glass, and vermiculite, and ISO sand were studied in order to understand the compressive strength and the effects of thermal shrinkage of geopolymers. The compressive strength of geopolymers mixed by carbon nanofibers, silicon carbide, pyrex glass, or vermiculite was similar in the range from 35 to 40 MPa. The average compressive strength of a geopolymers mixed with 30 wt.% of ISO sand was lowest of 28 MPa. Thermal shrinkage of geopolymers mixed with ISO sand decreased to about 25 % of paste. This is because the aggregate particles expanded on firing and to compensate the shrinkage of paste. The densification of the geopolymer matrix and the increase of porosity by sintering at $900^{\circ}C$ were observed regardless of fillers.
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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.
제안 방법
2 wt.%의 나트륨 헥사메타인산을 분산제로 첨가하여 입도 측정기인 Mastersizer 2000 (malvern Instruments Ltd., UK)로 측정하였으며, 충전재 입자의 형상은 주사전자현미경(JSM6380, Jeol, Japan)을 이용해 관찰하였다. ISO 표준사는 ASTM 표준체로 체가름하여 입자 크기 분포를 측정하였고 형상은 실체현미경(Olympus, Japan)을 사용하여 관찰하였다.
후)주사 전자현미경(JSM6380,">주사전자현미경(JSM6380, Jeol, Japan)을 이용해 관찰하였다. ISO 표준사는 ASTM 표준체로 체가름하여 입자 크기 분포를 측정하였고 형상은 실체현미경(Olympus, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 지오폴리머의 제조는 비산재의 비정질 반응성 Si/Al비를 계산한 후 정량의 알칼리 활성화제를 혼합하는 순서로 하였고, 비정질 Si, Al, Na의 함량은 Williams and van Riessen이 제안한 방법에 따라 계산하였다21).
후)압축 강도와">압축강도와 95 % 신뢰도에서 오차한계를 계산하였다. 각각 1개의 큐브 시료는 가로 10 mm, 세로 10 mm, 높이 20 mm의 크기로 충전재별로 3개씩 재단하여 고온 수축 특성을 평가하기 위해 실리코니트발열체를 사용하는 전기로(Ajeon Heating Industrial Co., Ltd., Korea)에서 분당 5℃의 승온 속도로 900℃까지 가열한 후 크기와 중량 감소율을 측정하였다.
01°, 스탭당 1초의 조건으로 얻었다. 동시에 X-선 회절 패턴에 영향을 줄 수 있는 장비의 보정은 LaB6(SRM660b, NIST, US)를 사용하여 비산재 시료와 동일한 조건으로 실시하였다. 리트벨트법에 기반을 둔 DIFFRACPLUS TOPAS 4.
분쇄된 시료는 열중량 분석기(TG-60H, Dong-il shimadzu, Korea)로 충전재 종류에 따른 지오폴리머의 중량 감소와 온도 차이를 측정하였다. 또한, 소성 전과 후 시료의 신선한 파단면에서 지오폴리머 겔의 미세구조를 주사전자현미경(JSM6380, Jeol, Japan)로 관찰하였다.
목표로 하는 Si/Al비를 위한 지오폴리머의 배합비는 한국지질자원연구원에서 개발한 “Geopolymer 배합 비율 계산을 위한 프로그램(등C2012-001621)”을 사용하여 계산하였다(Table 2).
후)건 비빔하고">건비빔하고 5분 동안 알칼리 활성화제와 충전재를 혼입하여 제조하였다. 배합물은 가로 50, 세로 50, 높이 50 mm인 황동 큐브 몰드에 3회로 나누어 넣고 다짐 40회, 탭핑 20회를 동일하게 하면서 충전재 종류별로 큐브 시료 4개를 제작하였다.
후)미세분말 화">미세분말화 장치로 5분 동안 분쇄하였다. 분쇄된 시료는 열중량 분석기(TG-60H, Dong-il shimadzu, Korea)로 충전재 종류에 따른 지오폴리머의 중량 감소와 온도 차이를 측정하였다. 또한,
비산재의 화학성분은 X-선 형광 분광분석기(Shimadzu Sequential XRF-1800, Shimadzu, Japan)로 분석하였다. 비산재의 결정질 물질을 분석하기 위한 정량 X-선 회절 분석기는 D8 Advance diffractometer (Bruker-AXS, Germany)를 사용하였다.
후)스틸볼을">스틸 볼을 30 L의 원통형 드럼에 넣어 30분 동안 30 rpm으로 분쇄하였다. 충전재 종류에 따라 시료명은 FA, FC, FS, FP, FV, FI으로 표기하였는데, FA는 비산재(F)로 제조된 지오폴리머, FC는 비산재(F)와 탄소나노 섬유(C)로 제조된 지오폴리머, FS는 비산재(F)와 탄화규소(S)로 제조된 지오폴리머, FP는 비산재(F)와 파이렉스 유리(P)로 제조된 지오폴리머, FV는 비산재(F)와 질석(V)로 제조된 지오폴리머, FI는 비산재(F)와 ISO 표준사(I)로 제조된 지오폴리머 모르타르를 각각 의미한다(Table 2). 지오폴리머에 보강되는 파이렉스 유리는
충전재를 보강한 지오폴리머는 Si/Al비, Na/Al비, 물 함량비를 동일하게 하여 시멘트 믹서(KENWOOD mixer, U.K.)로 1분 동안 비산재와 알루민산 소다 분말을 건비빔하고 5분 동안 알칼리 활성화제와 충전재를 혼입하여 제조하였다. 배합물은 가로 50, 세로 50, 높이 50 mm인 황동
대상 데이터
본 연구에서 사용한 시료는 국내 하동화력발전소에서 배출된 후 한 석탄재 가공업체에서 정제한 비산재이다. 지오폴리머에 첨가되는 충전재15-19)는 화학재 내구성과 내열성이 우수하고 열팽창률이 낮은
후)탄소나노">탄소 나노 섬유, 탄화규소, 질석, 파이렉스 유리, ISO 표준사를 사용하였다(Table 1). 알칼리 활성화제는 가성소다 (NaOH, Junsei Chemical, Japan, 순도 97 %), 알루민산 소다 분말(NaAlO2, Junsei Chemical, Japan, Na2O 35.05 - 39.0 %, Al2O3 52.0-56.0 %)을 혼합하여 사용하였다. 가성소다는
증류수와 혼합하고 24시간이 경과한 후 알루민산 소다 분말과 섞어 비산재, 충전재와 혼합하였다.
지오폴리머에 보강되는 파이렉스 유리는 내열 유리 용기를 구입하여 해머, 아게이트 사발과 막자를 사용하여 파쇄한 후 시료 6.5 g, Φ10 mm 지르코니아 볼 25 EA, 350 rpm의 조건하에 유성볼밀(FRITSCH, Germany)로 30분 동안 분쇄하였다.
후)석탄재가공업체에서">석탄재 가공업체에서 정제한 비산재이다. 지오폴리머에 첨가되는 충전재15-19)는 화학재 내구성과 내열성이 우수하고 열팽창률이 낮은 탄소 나노 섬유, 탄화규소, 질석, 파이렉스 유리, ISO 표준사를 사용하였다(Table 1). 알칼리 활성화제는
이론/모형
동시에 X-선 회절 패턴에 영향을 줄 수 있는 장비의 보정은 LaB6(SRM660b, NIST, US)를 사용하여 비산재 시료와 동일한 조건으로 실시하였다. 리트벨트법에 기반을 둔 DIFFRACPLUS TOPAS 4.2(Bruker-AXS, Germany) 소프트웨어를 상동정과 정량분석을 위해 사용하였다. 정량 X-선 회절 분석 시료는 비산재 3.
후)형 광">형광
분광분석기(Shimadzu Sequential XRF-1800, Shimadzu, Japan)로 분석하였다. 비산재의 결정질 물질을 분석하기 위한 정량 X-선 회절 분석기는 D8 Advance diffractometer (Bruker-AXS, Germany)를 사용하였다. 회절 패턴은 5-95°2Ɵ 구간,
양생 7일째에 3개의 큐브 시료의 압축강도는 KS F 2405 기준에 따라 측정(R&B Unitech T, Korea)하고 평균 압축강도와 95 % 신뢰도에서 오차한계를 계산하였다.
ISO 표준사는 ASTM 표준체로 체가름하여 입자 크기 분포를 측정하였고 형상은 실체현미경(Olympus, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 지오폴리머의 제조는 비산재의 비정질 반응성 Si/Al비를 계산한 후 정량의 알칼리 활성화제를 혼합하는 순서로 하였고, 비정질 Si, Al, Na의 함량은 Williams and van Riessen이 제안한 방법에 따라 계산하였다21). 목표로 하는 Si/Al비를 위한 지오폴리머의 배합비는 한국지질자원연구원에서 개발한
성능/효과
후)탄소나노">탄소 나노 섬유, 탄화규소, 파이렉스 유리, 질석을 5 vol.% 씩 첨가하였을 때 지오폴리머의 고온 수축률 감소 효과는 4%이하였으며 평균 압축강도는 35 ~ 40 MPa로 유사하게 나타났다. ISO 표준사가 첨가된 지오폴리머 모르타르는
후)압축 강도는">압축강도는 35 ~ 40 MPa로 유사하게 나타났다. ISO 표준사가 첨가된 지오폴리머 모르타르는 탄화 나노 섬유, 탄화규소, 파이렉스 유리, 질석 등 충전재를 혼합한 지오폴리머에 비해 압축강도는 28 MPa로 감소되지만 고온 수축률을 75 %가량 감소시켰다. 충전재의 종류와 관계없이 900℃
가로">치밀해졌다. 가로 10 mm, 세로 10 mm, 높이 20 mm의 크기로 재단된 시료를 고온 소성 후 크기를 측정한 결과 지오폴리머 페이스트와 충전재가 보강된 지오폴리머의 수축률은 1~4%이하로 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 5). 그나마 미소한 차이로 질석을 충전재로 첨가한 시료의 수축률이 다소 낮았는데 이는 질석이 열을 받으면 박리현상(exfoliation)에 의해 급격히 부피가 증가하는 팽창성
본 연구에 사용한 비산재의 평균 입자크기는 26.3 μm에서 볼밀 분쇄 후 4.6 μm로 감소되었다.
비산재의 입도 분석 결과 원시료의 평균 입자크기가 26.3 μm이며, 볼밀로 분쇄된 후 시료의 평균 입자크기는 4.6 μm로 나타났다(Fig. 1).
후)열중량 분석기로">열중량분석기로 고온 소성 후 중량 감소율을 측정한결과 지오폴리머 페이스트와 ISO 표준사가 첨가된 FI 시료가 300 ℃까지 중량 감소율이 가장 낮았고 충전재가 보강된 지오폴리머는 약 9 wt.%로 유사한 중량 감소율을 보였다.
정량 X-선 회절 분석 결과 비산재에 함유된 결정질 물질의 함량은 석영이 23.7 wt.%로 가장 높았고 뮬라이트, 마그헤마이트, 방해석은 각각 14.
후)주사 전자현미경">주사전자현미경 관찰 결과(Fig. 2) 탄소 나노 섬유는 입자가 섬유상이며, 탄화규소는 nm 단위의 미세한 입자들로 분포되어 있고 파이렉스 유리는 불규칙한 형상과 다양한 입자크기를 보였다. 질석은 판상의 입자가 층층이 쌓인 형태로 보이는 집합을 이루고 있으며, 입자와 입자 사이에 빈 공간이 존재하였다.
후)압축 강도가">압축강도가 28 MPa로 지오폴리머 페이스트보다 약 23 % 감소하였다. 충전재의 입자가 섬유상인 탄소 나노 섬유를 보강한 FC의 평균 압축강도는 40 MPa로 불확실도를 고려하지 않을 경우 가장 높게 나타났다. 종횡비가 큰 섬유상인
충전재의 입자크기는 탄소 나노 섬유가 100 nm, 탄화규소가 100 nm, 파이렉스 유리가 20 μm, 질석이 2-3 mm, ISO 표준사가 0.2-2.4 mm로 나타났다.
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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