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문제 정의
- 또한 배연탈황석고 또한 일반 천연석고와 마찬가지로 시멘트 페이스트에 활용되게 되면 적절한 팽창을 유도하여 건조수축을 보상할 수 있으며, 일정량의 생석회(lime) 및 적정량의 C3A를 추가적으로 혼입하게 되면 팽창용 모르타르로서 제작이 가능하기 때문에 보수 보강용의 모르타르 혹은 온도변화에 민감한 주택 바닥용 모르타르로써 활용 가능성이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 국내에서도 비교적 수급이 용이하고, 천연 및 화학석고에 비해서도 경제적인 배연탈황석고를 열처리하여, 다양한 형태로의 활용가능성을 확인하기 위해, 열처리된 배연탈황석고 혼입 시멘트 페이스트 및 모르타르의 물성을 비교 검토하여, 배연탈황석고의 건설재료로서의 적용가능성을 검토하고자 한다.
- 본 실험에서는 다량으로 발생되는 배연탈황석고를 건설재료로서의 보다 효율적으로 활용하기 위하여, 배연탈황석고의 기초적 물성을 분석하였다. 또한 다양한 온도에서 열처리를 가한 후 SO3 함유량을 2.
- 배연탈황석고는 자연에서 얻어지는 형태의 천연석고와 거의 유사한 화학적 특성을 지니기 때문에, 이를 재활용하게 되면, 주로 수입에 의존하는 천연석고의 훌륭한 대체재로서 활용할 수 있다. 본 연구에서는 국내의 보령 화력발전소에서 생산된 배연탈황석고의 화학적 특성을 분석하고, 이를 이용하여 만든 시멘트 페이스트의 물성분석을 통하여, 배연탈황석고의 활용가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다.
제안 방법
- 3%로 고정하고, 이를 시멘트 페이스트 및 모르타르에 혼입하였다. w/c=0.3, 고성능 감수제 1.3%(시멘트 중량비)를 첨가하여 시멘트 모르타르의 응결, 유동성, 경화, 압축강도 및 길이변화를 측정하여 배연탈황석고 혼입 모르타르의 물성을 비교 검토하였다.
- 본 실험에서는 다량으로 발생되는 배연탈황석고를 건설재료로서의 보다 효율적으로 활용하기 위하여, 배연탈황석고의 기초적 물성을 분석하였다. 또한 다양한 온도에서 열처리를 가한 후 SO3 함유량을 2.3%로 고정시켜 시멘트 페이스트 및 모르타르를 제작한 후, 응결시간, 유동성, 압축강도 및 길이변화 특성을 측정한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 배연탈황석고의 화학적 성분은 X선 형광분석 장치(X-ray Fluorescence)를 사용하여 확인하였고, 이를 Table 2에 나타내었다. 또한 배연탈황석고의 열적 특성을 분석하기 위해 시차주사열량계/열중량분석(Differential Scanning Calorimetry/Thermo- Gravimetric Analysis) 장치를 활용하여, 상전이에 필요한 열량 및 중량 손실을 정량적으로 측정하였다.
- 몰탈시험체의 소성수축 및 건조수축의 변화량을 확인하기 위하여, 압축강도 시험에 사용된 것과 같은 모르타르 배합을 이용하여 Figure 1과 같이 10×50×100㎜ 시험체를 제작하고, 10×50×100㎜의 시험체의 한쪽 끝을 구속단으로 고정(강제구속)한 후, 반대쪽에서의 수축량을 측정하였다.
- 배연탈황석고의 광물학적 특성 및 열처리에 의한 상전이에 따른 광물학적 특성의 차이를 비교하기 위해 오븐에서 각각 60℃, 80℃, 100℃ 및 150℃에서 2시간 건조시킨 배연탈황석고를 X선 회절분석(X-ray diffraction) 장치를 활용하여 분석하였다. 잔골재는 각기 다른 입도를 가진 모래를 KS F 2511 “골재에 포함된 잔 입자 시험방법” 기준에서 제안하는 표준입도에 만족하도록 조절하여 실험에 사용하였다.
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2.2 배합
배연탈황석고의 열처리 조건에 따른 특성을 검토하기 위하여 SO3 함량비를 2.3%로 고정하고, 이를 시멘트 페이스트 및 모르타르에 혼입하였다
. w/c=0. - 시멘트의 초기수화에 영향을 미칠 수 있는 석고(FDG)의 SO42- 이온의 용출속도를 측정하고자, 25℃, 60℃, 80℃, 100℃, 150℃에서 각각 2시간동안 건조된 시료 1g을 25℃ 증류수 100㎖에 5초, 30초, 10분, 60분간 교반 용해시키고, 이를 No.5C 여과지에 통과시켜 얻어진 용액을 KS L 9003 “석고의 화학 분석 방법”에 의거 용출된 SO3량을 정량적으로 측정하였다.
- 실험조건은 기건상태로 하였으며, 재령 90일까지 다이얼게이지에 의해 초기(1일)30분 간격, 후기(2일 이후) 1시간 간격으로 연속 측정하였다.
- 페이스트 유동성 및 경시변화는 KS L5220 “건조시멘트 모르터의 강도시험 방법”에 준하여, w/c=0.3, 고성능 감수제 1.3%(시멘트 중량비)를 첨가하여, 초기 800rpm(2분), 교반으로 혼련한 후, 다시 1분 혼련 하여 paste flow를 측정하였다.
대상 데이터
- 배연탈황석고는 충청남도 보령에 위치한 화력발전소에서 생산된 재료를 사용하였다. 배연탈황석고의 화학적 성분은 X선 형광분석 장치(X-ray Fluorescence)를 사용하여 확인하였고, 이를 Table 2에 나타내었다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 H사의 1종 보통포틀랜드 시멘트로 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 잔골재는 각기 다른 입도를 가진 모래를 KS F 2511 “골재에 포함된 잔 입자 시험방법” 기준에서 제안하는 표준입도에 만족하도록 조절하여 실험에 사용하였다. 시멘트 페이스트 및 모르타르의 제조에 사용된 배합수는 불순물이 혼입되지 않은 부산광역시의 상수도를 사용하였다.
- 시험체의 양생은 수중양생(25℃±1)으로 하였다.
- 잔골재는 각기 다른 입도를 가진 모래를 KS F 2511 “골재에 포함된 잔 입자 시험방법” 기준에서 제안하는 표준입도에 만족하도록 조절하여 실험에 사용하였다.
- 페이스트 flow cone은 Φ50×50mm의 minislump cone을 사용하였다.
이론/모형
- 각 석고의 형태별 시멘트의 응결시간은 KS L 5103 "길모어침에 의한 시멘트의 응결시간 시험방법“에 의거 측정하였다.
- 압축강도 시험은 KS F 5105 “시멘트 모르터의 압축강도 시험방법”에 준하여 w/c=0.485, 시멘트 모래비를 1:2.45로 고정한 후 60℃, 80℃, 100℃, 150℃의 열이력을 가지는 석고를 혼입한 몰탈을 제작하고, 이를 각각 5×5×5㎝각형 몰드에 성형하여 압축강도(재령3, 7, 28일)를 측정 하였다.
성능/효과
- 1) 본 연구에서 사용된 배연탈황석고는 천연석고와 매우 유사한 화학적 성분을 가지면서도, 높은 순도를 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서 유사한 화학적 조성을 가지는 배연탈황석고의 재활용을 적극적으로 고려할 필요성이 있다.
- 2) 배연탈황석고를 열처리하게 되면, 황산염의 용해속도를 촉진하는 것으로 나타났다. 이로 인한 초기 flow값의 감소는 없어, 활용성에는 문제가 없는 것으로 나타났으나, 종결시간은 다소간 빨라진 것으로 나타났다.
- 3) 배연탈황석고를 100℃ 이상의 온도로 열처리하게 되면 압축강도가 다소간 증가하는 것으로 나타났다. 또한 이러한 배연탈황석고를 혼입한 시멘트 페이스트의 경우, 높은 초기팽창율을 보여 이후의 수축거동에 더욱 효과적으로 대응할 수 있음을 알 수 있었다.
- 11MPa의 압축강도를 보여 가장 큰 압축강도를 보이는 것으로 나타났다. 7일강도의 경우에는 150℃로 건조처리된 모르타르가 가장 높은 압축강도인 31.09MPa를 보였으며, 100℃로 건조 처리된 석고를 활용한 모르타르 또한 30.79MPa로 다른 온도에서 열처리 된 탈황석고 혼입석고를 활용한 모르타르에 비해 높은 강도를 보이는 것으로 나타났다.
- 이는 각각 이수석고에서 반수석고로, 반수석고에서 무수석고로 전이되는 과정에서 발생한 반응이다. 각 153.71℃ 및 170.57℃ 구간에서의 중량 비율은 각각 85.0% 및 81.4%로 나타났다. 이론적으로 이수석고에서 반수석고 (CaSO4ㆍ2H2O → CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O) 및 무수석고로 변환 (CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O → CaSO4)되면서 발생하는 결합수의 손실로 각 온도에서의 중량감소율을 추정할 수 있는데, 153.
- Figure 5에 나타난 페이스트 flow 값의 경우에는 초기 flow 값이 열처리 온도가 상승하면서 다소간 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 150℃에서 열처리된 배연탈황석고를 사용한 경우(반수석고로만 구성된 배연탈황석고) 초기 flow값이 100℃에서 열처리된 배연탈황석고 혼입 시멘트 페이스트에 비해 다소간 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 차이는 페이스트의 초기 flow 값에 영향을 줄 정도가 아닌 것을 확인할 수 있었으며, 배합과정 중 헛응결(false set)에 관련된 어떠한 증거도 확인할 수 없어, SO3 함유량 2.
- 그러나 150℃에서 열처리된 배연탈황석고를 사용한 경우(반수석고로만 구성된 배연탈황석고) 초기 flow값이 100℃에서 열처리된 배연탈황석고 혼입 시멘트 페이스트에 비해 다소간 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 차이는 페이스트의 초기 flow 값에 영향을 줄 정도가 아닌 것을 확인할 수 있었으며, 배합과정 중 헛응결(false set)에 관련된 어떠한 증거도 확인할 수 없어, SO3 함유량 2.3% 조건에서의 열처리는 페이스트의 초기 flow값에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
- 열처리 온도를 80℃까지 상승시켰을 때에도 이수석고의 피크만 관찰되었고, 100℃에 도달하였을 경우 다소간의 반수석고가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 150℃에 도달한 시험체는 거의 대부분의 이수석고가 반수석고로 변환된 것을 확인할 수 있었다. 이는 전형적인 천연석고의 패턴과 매우 유사하다고 볼 수 있다.
- 3) 배연탈황석고를 100℃ 이상의 온도로 열처리하게 되면 압축강도가 다소간 증가하는 것으로 나타났다. 또한 이러한 배연탈황석고를 혼입한 시멘트 페이스트의 경우, 높은 초기팽창율을 보여 이후의 수축거동에 더욱 효과적으로 대응할 수 있음을 알 수 있었다.
- 또한 이러한 페이스트들은 γ-CaSO4(무수석고: AG)를 혼입한 시멘트 페이스트의 거동과 매우 유사한 거동을 보이는 것을 확인하였다.
- 본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한 이를 적절하게 열처리하게 되면, 압축강도 및 건조수축에서의 개선효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 국내의 보령 화력발전소에서 생산된 배연탈황석고의 화학적 특성을 분석하고, 이를 이용하여 만든 시멘트 페이스트의 물성분석을 통하여, 배연탈황석고의 활용가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결과에 따르면, 배연탈황석고는 상당히 높은 순도를 가지며, 천연석고와 물성이 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한 이를 적절하게 열처리하게 되면, 압축강도 및 건조수축에서의 개선효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
- 97MPa로 가장 높은 강도특성을 보이는 것으로 나타났다. 역시 100% 반수석고로 구성된 150℃로 건조 처리된 석고를 함유한 모르타르 또한 36.09MPa로 다른 시험체에 비해 높은 압축강도를 보이는 것을 알 수 있었다. 최종적으로, SO3 함유량 2.
- Figure 2에 따르면, 본 실험에서 사용된 배연탈황석고는 거의 순수한 석고로 구성된 것으로 나타났다. 열처리 온도를 80℃까지 상승시켰을 때에도 이수석고의 피크만 관찰되었고, 100℃에 도달하였을 경우 다소간의 반수석고가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 150℃에 도달한 시험체는 거의 대부분의 이수석고가 반수석고로 변환된 것을 확인할 수 있었다.
- 이론적 추산치와의 차이가 발생한 이유는 배연탈황석고 내부에 존재하는 물분자량이 이론적인 화학에서 도출된 물분자량과 다소간의 차이를 보일 수 있기 때문이며, 다소간 존재하는 미량의 불순물의 영향 때문일 수도 있다. 이러한 점들을 종합적으로 고려해 볼 때, Figure 2 및 Figure 3의 데이터를 종합해 볼 때, 배연탈황석고는 천연석고와 매우 유사하며 상당히 높은 순도를 가지는 것으로 나타났다.
- 2) 배연탈황석고를 열처리하게 되면, 황산염의 용해속도를 촉진하는 것으로 나타났다. 이로 인한 초기 flow값의 감소는 없어, 활용성에는 문제가 없는 것으로 나타났으나, 종결시간은 다소간 빨라진 것으로 나타났다.
- 이론적으로 이수석고에서 반수석고 (CaSO4ㆍ2H2O → CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O) 및 무수석고로 변환 (CaSO4ㆍ\(\frac{1}{2} \)H2O → CaSO4)되면서 발생하는 결합수의 손실로 각 온도에서의 중량감소율을 추정할 수 있는데, 153.71℃에서는 이론적으로 추산된 값(84.3%)과거의 유사한 85.0%의 중량감소를 보였으며, 170.57℃ 에서도 이론적으로 추산된 값(80.2%)에 거의 근접한 81.6%의 중량비율을 보였다.
- 09MPa로 다른 시험체에 비해 높은 압축강도를 보이는 것을 알 수 있었다. 최종적으로, SO3 함유량 2.3% 조건에서는 배연탈황석고를 온도처리를 하여, 일정량의 반수석도를 함유하도록 유도하는 것이 모르타르의 강도증진에 보다 유리한 것으로 나타났다.
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