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문제 정의
- 현재 전 세계적으로 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화와 석탄화력발전소에서 배출되는 석탄회로 인한 환경피해가 날로 심화되고 있다. 본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위하여 시멘트의 사용을 줄이고 석탄회의 재활용률을 높이기 위한 실험적 연구이다. 시멘트는 건설산업에서 중요한 역할을 해왔음에도 불구하고 시멘트 제조과정에서 시멘트를 1톤 생산하는데 0.
- 본 연구에서는 석탄회 중 플라이애시와 비슷한 양의 SiO2와 Al2O3의 화학성분을 가진 바텀애시를 100% 사용하였으며, 양생온도와 활성화제 몰농도에 따른 지오폴리머 특성을 검토하여 향후 바텀애시의 재활용을 독려하고 바텀애시가 콘크리트 구조물에 활용되기 위한 기초적 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 각각의 시편은 상대습도 20±5%, 온도 20, 40, 60, 70℃에서 48h 양생을 한 후 탈형 하고, 각각의 탈형한 시편은 재령일까지 상대습도 20±5%, 온도20±2℃의 항온항습기에서 양생을 실시하였다.
- 무기화합물의 결정구조 및 미세구조 특성을 알아보기 위해 재령 28일을 기준으로 양생온도 및 활성화제 몰농도에 따른 미세구조 분석을 실시하였다. 화학조성 분석이 가능한 XRD(X-Ray Diffraction)와 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 사용하였으며, 반응생성물로 예상되는 지점에 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영을 실시하였다.
- 본 연구는 지오폴리머 반응을 극대화시키고자 볼밀 장비를 이용하여 약 4,000cm2/g까지 바텀애시를 미분쇄 하였다. 지오폴리머 반응에 영향을 미치는 양생온도와 활성화제 몰농도를 평가하기 위하여 양생온도 20, 40, 60, 70℃와 알칼리 활성화제 농도 3, 6, 9, 12, 15M을 선정하였으며, 바텀애시를 사용한 지오폴리머 모르타르의 물리성능 검토를 위한 조건 및 배합을 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 바텀애시를 100% 사용한 지오폴리머 모르타르의 양생온도 및 활성화제 몰농도에 따른 유동성, 압축강도를 측정하고 지오폴리머 겔의 생성이 예상되는 지점에 미세구조분석을 실시하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 지오폴리머 모르타르의 비빔은 KS L 5109에 준하는 전동식 혼합기를 사용하였으며, 비빔 순서는 미분쇄 바텀애시와 잔골재를 투입하여 건비빔을 60초 동안 실시하고 이후 알칼리 활성화제를 투입하여 240초간 비빔한 후 마지막으로 추가배합수를 투입하여 60초간 비빔하여 배출하였다. 시편은 KS L ISO 679에 따라 자동 다짐장치를 사용하여 제작하였다.
- /g까지 바텀애시를 미분쇄 하였다. 지오폴리머 반응에 영향을 미치는 양생온도와 활성화제 몰농도를 평가하기 위하여 양생온도 20, 40, 60, 70℃와 알칼리 활성화제 농도 3, 6, 9, 12, 15M을 선정하였으며, 바텀애시를 사용한 지오폴리머 모르타르의 물리성능 검토를 위한 조건 및 배합을 Table 1에 나타내었다.
- 무기화합물의 결정구조 및 미세구조 특성을 알아보기 위해 재령 28일을 기준으로 양생온도 및 활성화제 몰농도에 따른 미세구조 분석을 실시하였다. 화학조성 분석이 가능한 XRD(X-Ray Diffraction)와 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 사용하였으며, 반응생성물로 예상되는 지점에 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영을 실시하였다.
대상 데이터
- 모든 시편은 KS F 5105에 준하여 50×50×50mm 크기로 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 잔골재는 주문진산 표준사로 Table 3에 물리적 성질을 나타내었다.
- 본 연구에서 알칼리 활성화제는 순도 98.0%의 NaOH를 각각의 몰농도별로 증류수에 용해시켜 수산화나트륨 용액을 제작하였으며, 활성화제 용액은 혼합 후 용액의 평형상태 도달 및 실험의 편의상 24시간 후에 사용하였다.
- 본 연구에서는 영흥화력발전소에서 채집한 미연탄소가 적은 건식 바텀애시를 사용하였으며, 비중 1.89의 1∼3mm의 바텀애시를 4,000cm2/g까지 미분쇄하였다.
- 지오폴리머 모르타르의 비빔은 KS L 5109에 준하는 전동식 혼합기를 사용하였으며, 비빔 순서는 미분쇄 바텀애시와 잔골재를 투입하여 건비빔을 60초 동안 실시하고 이후 알칼리 활성화제를 투입하여 240초간 비빔한 후 마지막으로 추가배합수를 투입하여 60초간 비빔하여 배출하였다. 시편은 KS L ISO 679에 따라 자동 다짐장치를 사용하여 제작하였다.
데이터처리
- 미분쇄 바텀애시 기반 지오폴리머 모르타르를 KS F 5105에 준하여 플로우를 측정하였다. 플로우 측정값은 모르타르 밑지름을 같은 간격으로 4개의 지름을 측정하여 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 미분쇄 바텀애시 기반 지오폴리머 모르타르를 KS F 5105에 준하여 플로우를 측정하였다. 플로우 측정값은 모르타르 밑지름을 같은 간격으로 4개의 지름을 측정하여 평균값을 취하였다.
- 각각의 시편은 상대습도 20±5%, 온도 20, 40, 60, 70℃에서 48h 양생을 한 후 탈형 하고, 각각의 탈형한 시편은 재령일까지 상대습도 20±5%, 온도20±2℃의 항온항습기에서 양생을 실시하였다. 압축강도는 KS F 5105에 준하여 실시하였으며, 측정값은 시편 3개의 평균값으로 나타내었다.
성능/효과
- 1. 플로우 측정결과 활성화제의 몰농도가 증가할수록 플로우 값이 높아지는 경향이 나타났으며, 이는 활성화제의 몰농도가 높아질수록 동일한 물-바인더 비를 위한 추가배합수의 양이 많아지기 때문으로 판단된다.
- 2. 압축강도 측정결과 양생온도가 높을수록 강도가 증가하는 현상을 보였다. 또한 활성화제 농도 9M까지 몰농도가 높아질수록 강도가 증가하였으나 그 이상의 몰농도에서는 오히려 강도가 감소하는 현상이 나타났다.
- 3. 미세구조 분석결과 XRD를 통하여 25∼38°(2θ)에 넓은 언덕이 형성된 것을 확인하였으며, 이를 통해 지오폴리머 반응으로 지오폴리머 겔이 생성된 것을 알 수 있었다.
- 4. 미분쇄 바텀애시의 활용성을 종합해본 결과 바텀애시 기반 지오폴리머 모르타르는 양생온도 70℃의 조건에서 활성화제 농도 9M을 사용하였을 때 지오폴리머 반응이 충분히 일어났으며, 위와 같은 조건에서 경화체로 사용이 가능하다고 판단된다.
- 0MPa의 가장 높은 압축강도 값을 나타내었다. 9M까지는 몰농도가 높을수록 압축강도가 증가하는 결과를 보였으며, 12, 15M의 활성화제에서는 압축강도가 오히려 감소되는 결과를 보였다. 이러한 이유는 9M 미만의 활성화제 사용 시 Si, Al이온을 충분히 용출시킬 만큼의 OH- 이온이 존재하지 않기 때문에 지오폴리머 반응이 원활하게 이루어지지 않았다고 판단된다(Won 2015).
- 9에 나타내었다. EDS분석으로 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)가 주성분으로 이루어진 바텀애시 표면을 확인하였고 지오폴리머 반응 시 나트륨(Na)성분이 증가하면서 바텀애시 입자 표면에 지오폴리머 겔을 형성한 것으로 판단된다.
- 따라서 9M의 활성화제를 사용하였을 때 지오폴리머 반응이 원활하게 일어난 것을 알 수 있었으며, 양생온도 20℃에서 활성화제에 의한 지오폴리머 반응이 효과적이지 않은 것을 알 수 있었다. 반면, 알칼리 활성화제 사용 시 지오폴리머 반응은 온도의 상승에 비례하여 촉진되기 때문에 고온양생에서 축중합 반응 즉, 지오폴리머 반응이 더 활성화되었다고 판단된다.
- 따라서 몰농도가 높을수록 강알칼리 환경이 만들어져 Si, Al 유리질의 결합 분해를 촉진시킨 결과 지오폴리머 반응이 활성화되었다고 판단된다. 하지만 9M 활성화제를 초과하게되면 활성화제가 결정화되고 지오폴리머 겔의 침전을 유도하게되며, 과잉의 OH- 이온이 지오폴리머 반응을 방해하는 원인이 되기 때문에 압축 강도 발현이 효과적으로 이루어지지 않은 것으로 판단된다(Zuhua et al.
- 미세구조 분석결과 XRD를 통하여 25∼38°(2θ)에 넓은 언덕이 형성된 것을 확인하였으며, 이를 통해 지오폴리머 반응으로 지오폴리머 겔이 생성된 것을 알 수 있었다. 또한 SEM 및 EDS를 통해 양생온도와 몰농도가 높을수록 충분한 지오폴리머 겔의 형성으로 균질하고 치밀한 미세구조를 확인할 수 있다.
- 또한 활성화제 농도 3, 9, 15M을 사용한 지오폴리머 모르타르에서 지오폴리머 반응으로 생성된 비결정상의 알루미노-실리게이트 겔이 25∼38°(2θ)에 넓은 언덕을 형성하고 있는 것을 발견하였다.
- 압축강도 측정결과 양생온도가 높을수록 강도가 증가하는 현상을 보였다. 또한 활성화제 농도 9M까지 몰농도가 높아질수록 강도가 증가하였으나 그 이상의 몰농도에서는 오히려 강도가 감소하는 현상이 나타났다.
- Sathonsaowaphak(2009)에 의하면 활성화제 몰농도가 증가할수록 점성이 높아지기 때문에 유동성이 감소되고 지오폴리머에서 워커빌리티 향상을 위해서는 혼화제 보다 물의 사용이 더 효과적이라고 하였다. 본 연구에서 플로우 측정 결과 활성화제 몰농도가 높아질수록 워커빌리티가 향상되는 선행연구와 상이한 결과를 보였다. 이러한 이유는 활성화제 용액 제조 시 몰농도가 증가할수록 포함된 물의 양은 줄어들게되며, 모든 배합에서 동일한 물-바인더 비를 위한 추가배합수 양이 증가되었기 때문에 플로우 값이 향상된 것으로 판단된다.
- 5, 6에서 알 수 있듯이 양생 온도 60, 70℃에서는 초기재령에서 15MPa 이상 강도발현이 되었고 재령 91일 압축강도는 24MPa 이상이었다. 압축강도는 양생온도 상승에 따라 증가하는 결과를 보였으며, 이러한 이유는 양생온도가 높아질수록 지오폴리머 내부의 수분이 증발하면서 강알칼리 환경이 조성되어 지오폴리머 반응을 활성화시킨 것으로 판단된다. 하지만 고온에서 양생기간이 길어지면 지오폴리머의 매트릭스가 약해지고 수분의 증발로 인해 지오폴리머 겔이 수축하는 현상이 발생하기 때문에 적절한 양생기간의 선정이 필요할 것으로 판단된다(Xiaolu et al.
- 활성화제의 몰농도에 따른 지오폴리머 압축강도는 다음과 같은 결과를 나타내었다. 양생온도 20, 40℃에서 재령 28일 기준으로 10MPa 이하의 압축강도 결과를 보여 양생온도가 낮을수록 활성화제의 몰농도에 따른 강도 차이를 규명하기에 적합하지 않다고 판단된다. 반면, Fig.
- 7, 8에 나타내었다. 양생온도 70℃에서 활성화제 몰농도에 따른 결과를 보면 석영(quartz)과 뮬라이트(mullite)가 발견되었으며, 활성화제 농도 9M이상부터 제올라이트(zeolite)가 나타났다. 또한 활성화제 농도 3, 9, 15M을 사용한 지오폴리머 모르타르에서 지오폴리머 반응으로 생성된 비결정상의 알루미노-실리게이트 겔이 25∼38°(2θ)에 넓은 언덕을 형성하고 있는 것을 발견하였다.
- 활성화제 농도 9M에서 양생온도 20, 70℃에 따른 결과를 보면 Fig. 9(d)에서 양생온도 20℃의 지오폴리머에서는 미반응된 수산화나트륨의 결정상이 발견되었으며, Fig. 9(b)과 Fig. 9(d)를 비교해 보았을 때 양생온도 70℃의 지오폴리머는 양생온도 20℃보다 균질하고 치밀해진 미세구조를 관찰할 수 있었다.
- 활성화제 농도 9M에서 양생온도 20, 70℃에 따른 결과를 보면 양생온도 20℃보다 70℃에서 25∼38°(2θ)에 넓은 언덕이 전체적으로 높아지는 것을 발견할 수 있었다.
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