이 연구에서는 중성(pH 6~7) 수준의 식생용 콘크리트 결합재를 개발하기 위해 알파형 반수석고 기반의 결합재들의 pH 값과 압축강도 발현을 평가하였다. 식생용 콘크리트를 위한 결합재의 경제성 및 강도발현을 고려하여, 알파형 반수석고는 GGBS, FA 및 보통포틀랜드 시멘트를 사용하여 25% 및 50% 치환하였다. 알파형 반수석고를 100% 사용한 모르타르의 압축강도는 시멘트 100% 모르타르에 비해 약 57% 수준으로 있었다. GGBS 및 FA 치환율 증가와 함께 알파형 반수석고 기반 결합재의 압축강도는 감소하였지만 pH 값은 재령에 관계없이 6.5~7.5 수준으로 일정하게 있었다. GGBS 및 FA가 치환된 알파형 반수석고 결합재의 주요 수화생성물은 석고($CaSO_4$)이었으며, 수산화칼슘 [$Ca(OH)_2$]은 나타나지 않았다. 반면 시멘트가 치환된 알파형 반수석고의 pH 값은 $Ca(OH)_2$의 생성으로 인해 약 11.5 이상이었는데, 생성된 $Ca(OH)_2$ 양은 단위 시멘트 양의 약 10% 수준이었다.
이 연구에서는 중성(pH 6~7) 수준의 식생용 콘크리트 결합재를 개발하기 위해 알파형 반수석고 기반의 결합재들의 pH 값과 압축강도 발현을 평가하였다. 식생용 콘크리트를 위한 결합재의 경제성 및 강도발현을 고려하여, 알파형 반수석고는 GGBS, FA 및 보통포틀랜드 시멘트를 사용하여 25% 및 50% 치환하였다. 알파형 반수석고를 100% 사용한 모르타르의 압축강도는 시멘트 100% 모르타르에 비해 약 57% 수준으로 있었다. GGBS 및 FA 치환율 증가와 함께 알파형 반수석고 기반 결합재의 압축강도는 감소하였지만 pH 값은 재령에 관계없이 6.5~7.5 수준으로 일정하게 있었다. GGBS 및 FA가 치환된 알파형 반수석고 결합재의 주요 수화생성물은 석고($CaSO_4$)이었으며, 수산화칼슘 [$Ca(OH)_2$]은 나타나지 않았다. 반면 시멘트가 치환된 알파형 반수석고의 pH 값은 $Ca(OH)_2$의 생성으로 인해 약 11.5 이상이었는데, 생성된 $Ca(OH)_2$ 양은 단위 시멘트 양의 약 10% 수준이었다.
This study examined the compressive strength development and pH values of alpha-calcium sulfate hemihydrate(${\alpha}-CH$)-based binders developed for vegetation concrete with neutral pH between 6~7. Considering cost down and strength enhancement of the prepared binders, the ${\alpha...
This study examined the compressive strength development and pH values of alpha-calcium sulfate hemihydrate(${\alpha}-CH$)-based binders developed for vegetation concrete with neutral pH between 6~7. Considering cost down and strength enhancement of the prepared binders, the ${\alpha}-CH$ was partially replaced by ground granulated blast furnace slag(GGBS), fly ash(FA), or ordinary Portland cement(OPC) by 25% and 50%. The compressive strength of mortars using 100% ${\alpha}-CH$ was 50% lower than that of 100% OPC mortars. With the increase of the replacement level of GGBS or FA, the compressive strength of ${\alpha}-CH$-based mortars tended to decrease, whereas the pH values were maintained to be 6.5~7.5. The main hydration products of ${\alpha}-CH$-based binders with GGBS or FA were a gypsum($CaSO_4$), whereas portlandite($Ca(OH)_2$) was not observed in such binders. Meanwhile, the pH values of ${\alpha}-CH$-based binders with OPC exceeded 11.5 due to the formation of $Ca(OH)_2$ phase as a hydration product. From the thermogravimetric analysis, the amount of $Ca(OH)_2$ in ${\alpha}-CH$-based binders with OPC was evaluated to be approximately 10% of the cement content.
This study examined the compressive strength development and pH values of alpha-calcium sulfate hemihydrate(${\alpha}-CH$)-based binders developed for vegetation concrete with neutral pH between 6~7. Considering cost down and strength enhancement of the prepared binders, the ${\alpha}-CH$ was partially replaced by ground granulated blast furnace slag(GGBS), fly ash(FA), or ordinary Portland cement(OPC) by 25% and 50%. The compressive strength of mortars using 100% ${\alpha}-CH$ was 50% lower than that of 100% OPC mortars. With the increase of the replacement level of GGBS or FA, the compressive strength of ${\alpha}-CH$-based mortars tended to decrease, whereas the pH values were maintained to be 6.5~7.5. The main hydration products of ${\alpha}-CH$-based binders with GGBS or FA were a gypsum($CaSO_4$), whereas portlandite($Ca(OH)_2$) was not observed in such binders. Meanwhile, the pH values of ${\alpha}-CH$-based binders with OPC exceeded 11.5 due to the formation of $Ca(OH)_2$ phase as a hydration product. From the thermogravimetric analysis, the amount of $Ca(OH)_2$ in ${\alpha}-CH$-based binders with OPC was evaluated to be approximately 10% of the cement content.
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문제 정의
이 연구에서는 식물생장에 이용될 수 있는 중성(pH 6∼7) 수준의 결합재 개발을 위해 알파형 반수석고의 적용가능성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 연구에서는 중성(pH 6∼7) 수준의 식생용 콘크리트 결합재를 개발하기 위해 알파형 반수석고 기반의 결합재들의 pH 값과 압축강도 발현을 평가하였다.
제안 방법
결합재의 Ca(OH)2 생성 여부 확인 및 생성된 Ca(OH)2의정량적인 평가를 위해 XRD 및 DTA을 실시하였다. XRD 분석 및 DTA 평가를 위한 시료는 분쇄하여 분말형태로 제조 후 전처리 과정을 거쳐 사용하였다.
XRD 분석 및 DTA 평가를 위한 시료는 분쇄하여 분말형태로 제조 후 전처리 과정을 거쳐 사용하였다. 시료 채취는 재령 1, 7, 14, 21, 및 28일에 실시하였는데, 계획된 재령에서 채취된 시료들은 아세톤에 침지시켜 수화반응을 정지시켰다.
이 연구에서는 중성(pH 6∼7) 수준의 식생용 콘크리트 결합재를 개발하기 위해 알파형 반수석고 기반의 결합재들의 pH 값과 압축강도 발현을 평가하였다. 식생용 콘크리트를 위한 결합재의 경제성 및 강도발현을 고려하여, 알파형 반수석고는 GGBS, FA 및 보통포틀랜드 시멘트를 사용하여 25% 및 50% 치환하였다. 알파형 반수석고를 100% 사용한 모르타르의 압축강도는 시멘트 100% 모르타르에 비해 약 57% 수준으로 있었다.
실험은 pH, XRD 및 DTA 측정을 위해 물-결합재비 40%의 조건으로 페이스트를 제작하였으며, 재령별 압축강도 평가를 위해 KS L ISO679[15]에 따라 물-결합재비 50% 및 모래-결합재비 3의 모르타르 시험체(50 × 50 × 50mm)를 제작하였다.
페이스트 및 모르타르 실험의 배합상세를 Table 3에 나타내었다. 실험의 주요 변수는 GGBS, FA 및 OPC의 치환율로서, 결합재 대비 각각 25% 및 50%를 치환하였다. 실험은 pH, XRD 및 DTA 측정을 위해 물-결합재비 40%의 조건으로 페이스트를 제작하였으며, 재령별 압축강도 평가를 위해 KS L ISO679[15]에 따라 물-결합재비 50% 및 모래-결합재비 3의 모르타르 시험체(50 × 50 × 50mm)를 제작하였다.
이 연구에서는 콘크리트의 pH를 저감시키기 위해 높은 pH를 갖는 시멘트 대신 pH가 6∼7로 중성에 가까우며 Ca(OH)2의 생성없이 경화특성을 나타내는 알파형 반수석고(α -calcium sulfate hemihydrate, α-CH)를 결합재의 원 재료로 사용하였다. 원재료의 단가저감 및 강도발현 향상을 고려하여 혼화재로서 고로슬래그(ground granulated blast furnace slag, GGBS), 플라이애쉬(fly ash, FA) 및 보통 포틀랜드시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 치환가능성을 평가하였다. 콘크리트에서 pH 상승의 주요 원인인 Ca(OH)2의 생성은 X-ray 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석 및 시차열분석(Differential thermal analysis, DTA)을 통해 평가하였다.
페이스트 및 모르타르의 결합재로 2가지 이상의 재료가 사용될 시 배합실험 전 1분 이상 프리믹싱을 실시하여 사용하였다. 제조된 페이스트 및 모르타르는 항온항습(20℃, 상대습도 60%) 환경에서 재령 28일까지 양생을 하였다.
따라서 이 연구에서 pH 측정은 콘크리트 내·외부의 균질한 pH 값을 측정하기 위해 KS F2103[16] 흙의 pH 값 측정방법에 따라 시료를 미분으로 분쇄 후 30 g을 채취하여 증류수 50 ml와 혼합하여 pH를 측정하였다. 페이스트의 pH는 재령 0, 1, 3, 7, 14, 21 및 28일에 측정하였다. 모르타르의 압축강도는 KS L5105[17]에 따라, 재령1, 3, 7, 14, 21 및 28일에 측정하였다.
대상 데이터
의정량적인 평가를 위해 XRD 및 DTA을 실시하였다. XRD 분석 및 DTA 평가를 위한 시료는 분쇄하여 분말형태로 제조 후 전처리 과정을 거쳐 사용하였다. 시료 채취는 재령 1, 7, 14, 21, 및 28일에 실시하였는데, 계획된 재령에서 채취된 시료들은 아세톤에 침지시켜 수화반응을 정지시켰다.
1%의 Al2O3로 구성되어 있다. 모르타르 실험을 위해 사용된 모래는 최대직경 5mm로서 KS L ISO 679[15]에서 규정한 표준사를 사용하였다.
이 연구에서는 콘크리트의 pH를 저감시키기 위해 높은 pH를 갖는 시멘트 대신 pH가 6∼7로 중성에 가까우며 Ca(OH)2의 생성없이 경화특성을 나타내는 알파형 반수석고(α -calcium sulfate hemihydrate, α-CH)를 결합재의 원 재료로 사용하였다.
15g/cm3이다. 주요 화학적조성은 62.8% CaO, 19.6% SiO2 및 5.1%의 Al2O3로 구성되어 있다. 모르타르 실험을 위해 사용된 모래는 최대직경 5mm로서 KS L ISO 679[15]에서 규정한 표준사를 사용하였다.
혼화재로 사용된 GGBS는 KS F 2563[12]의 3종으로 비표면적은 4,000cm2/g이며, 밀도는 2.9g/cm3이다. GGBS의 주요 화학적 조성은 42.
데이터처리
원재료의 단가저감 및 강도발현 향상을 고려하여 혼화재로서 고로슬래그(ground granulated blast furnace slag, GGBS), 플라이애쉬(fly ash, FA) 및 보통 포틀랜드시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 치환가능성을 평가하였다. 콘크리트에서 pH 상승의 주요 원인인 Ca(OH)2의 생성은 X-ray 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석 및 시차열분석(Differential thermal analysis, DTA)을 통해 평가하였다.
이론/모형
따라서 이 연구에서 pH 측정은 콘크리트 내·외부의 균질한 pH 값을 측정하기 위해 KS F2103[16] 흙의 pH 값 측정방법에 따라 시료를 미분으로 분쇄 후 30 g을 채취하여 증류수 50 ml와 혼합하여 pH를 측정하였다.
페이스트의 pH는 재령 0, 1, 3, 7, 14, 21 및 28일에 측정하였다. 모르타르의 압축강도는 KS L5105[17]에 따라, 재령1, 3, 7, 14, 21 및 28일에 측정하였다.
성능/효과
1) 알파형 반수석고를 결합재로 사용 시 OPC 대비 약 56%의 압축강도를 나타내며, pH는 6.6∼6.7 수준이다.
2) 알파형 반수석고 기반 결합재의 강도발현은 재령 1일에서부터 7일까지 강도증가가 나타나지 않다가 재령 7일이후 다시 강도가 상승하는 경향을 보였다.
3) 알파형 반수석고 기반의 모르타르 압축강도는 GGBS 및 FA가 치환될 경우 감소하는 반면, OPC 치환양의 증가와 함께 증가하였다.
4) 알파형 반수석고 기반의 페이스트에서 주요 수화생성물은 FA 또는 GGBS 혼입에 관계없이 CaSO4이며, Ca(OH)2는 생성되지 않았다. 반면, OPC가 혼입된 알파형 반수석고 기반의 페이스트에서 주요 수화생성물은 CaSO4와 Ca(OH)2이었는데, Ca(OH)2 생성량은 단위 시멘트양의 약 10% 수준이었다.
GGBS 및 FA 치환율 증가와 함께 알파형 반수석고 기반 결합재의 압축강도는 감소하였지만 pH 값은 재령에 관계없이 6.5∼7.5 수준으로 일정하게 있었다.
9g/cm3이다. GGBS의 주요 화학적 조성은 42.2%의 CaO, 33.6%의 SiO2 및 14.2%의 Al2O3로 구성되어 있으며, 산화마그네슘(MgO)의 함량은 4.9%, 삼산화황(SO3)의 함량은 3%로 KS 규격을 만족한다. FA는 KS L 5405[13]의 2종으로 비표면적은 3,300cm2/g 이며, 밀도는 2.
또한 시멘트의 주요 구성성분으로 아직 미 수화된 alite 및 belite와 원재료(α-CH)의 수화생성물인 석고도 함께 존재하는 것으로 확인되었다.
반면, OPC가 25% 치환된 모르타르(α75C25)의 압축강도는 재령 7일 및 28일에서 α-CH 100% 모르타르 압축강도 대비 각각 118% 및 95% 수준이었으며, OPC 50% 치환 모르타르(α50C50)는 각각 135% 및 104% 수준으로 α-CH 100% 대비 높게 나타났다.
분석결과 α100의 주요 수화생성물은 석고(주요 X선 회절 피크 : 11.6°, 20.7°, 29.1°)이며, 또한 혼화재로 GGBS가 사용된 경우에도 주요 수화생성물은 석고로 나타났다.
3%의 Ca(OH)2가 생성되었다(Figure 5 (b) 참조). 생성된 Ca(OH)2 양은 OPC의 사용중량 대비 약 10% 수준으로 나타났다.
식생용 콘크리트를 위한 결합재의 경제성 및 강도발현을 고려하여, 알파형 반수석고는 GGBS, FA 및 보통포틀랜드 시멘트를 사용하여 25% 및 50% 치환하였다. 알파형 반수석고를 100% 사용한 모르타르의 압축강도는 시멘트 100% 모르타르에 비해 약 57% 수준으로 있었다. GGBS 및 FA 치환율 증가와 함께 알파형 반수석고 기반 결합재의 압축강도는 감소하였지만 pH 값은 재령에 관계없이 6.
재령 7일 및 28일에서 α-CH 100% 결합재를 사용한 모르타르의 압축강도 대비 GGBS가 25% 치환된 모르타르(α75G25)의 압축강도는 각각 78% 및 75%수준이었으며, GGBS 50% 치환 모르타르(α50G50)은 각각 44% 및 42% 수준이었다.
재령 7일 및 28일에서 α-CH 100% 모르타르의 압축강도대비 FA가 25% 치환된 모르타르(α75F25)의 압축강도는 각각 58% 및 49%수준이었으며, FA 50% 치환 모르타르(α50F50)는 재령 7일 및 28일에서 약 30% 수준을 나타내었다.
즉, α-CH 기반 결합재의 pH 값에 대한 GGBS 및 FA의 혼입의 영향은 매우 작았다.
즉, α-CH 기반의 모르타르 압축강도는 FA 양의 증가와 함께 감소하는 경향을 보였는데, 이 감소비율은 GGBS 혼입 모르타르에 비해 더 컸다.
혼화재로서 GGBS 및 FA가 사용된 페이스트의 경우 pH 값은 재령 3일까지는 7.0∼7.5이지만 재령 7일 이후에는 평균 약 6.7로 약 7% 감소하였는데, 이 비율은 매우 작았다(Figure 3).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시멘트를 사용한 콘크리트는 왜 식물 생장에 불리한 환경을 나타내는가?
9로 높아 소량으로도 높은 pH를 나타낸다. 이로 인해 시멘트를 사용한 콘크리트의 pH는 11∼13의 범위로 강 알칼리성을 띄게 되어 식물의 생장에 불리한 환경을 조성한다.
콘크리트 결합재의 원재료로서 알파형 반수석고의 장점은?
결국 콘크리트의 결합재로 시멘트를 사용할 경우 수화 생성물인 Ca(OH)2의 높은 이온화 특성에 높은 수준의 pH를 나타내기 때문에 시멘트 기반의 결합재에서 중성화수준의 pH를 얻기는 매우 어렵다. 이 연구에서는 콘크리트의 pH를 저감시키기 위해 높은 pH를 갖는 시멘트 대신 pH가 6∼7로 중성에 가까우며 Ca(OH)2의 생성없이 경화특성을 나타내는 알파형 반수석고(α-calcium sulfate hemihydrate, α-CH)를 결합재의 원 재료로 사용하였다. 원재료의 단가저감 및 강도발현 향상을 고려하여 혼화재로서 고로슬래그(ground granulated blast furnace slag, GGBS), 플라이애쉬(fly ash, FA) 및 보통 포틀랜드시멘트(ordinary Portland cement, OPC)의 치환가능성을 평가하였다.
pH가 적정범위 밖일 때 식물생장에 어떤 영향이 있는가?
식물생장에 최적인 pH의 범위는 일반적으로 5∼7 정도인데, 최대 3∼9까지는 식물생장이 가능하다. pH가 3 이하의 산성일 경우 화합물이 잘 녹지 않아 칼슘 및 인산의 흡수가 나빠지며, 9 이상의 알칼리성에서는 이산, 철, 붕소, 망간 및 아연 등의 흡수가 나빠진다. 이처럼 적정범위 이외의 pH 값에서는 식물 뿌리세포의 대사가 원활하게 이루어지지 않으며, 이는 식물의 생육장애의 주요원인이 되기도 한다. 기존 식생용 포러스 콘크리트의 경우 결합재로 시멘트를 주로 사용하고 있는데, 시멘트는 100% 수화반응을 가정하였을 때 단위 시멘트 양의 약 30%의 수산화칼슘(portlandite, Ca(OH)2)을 생성한다[5].
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