Geopolymers have many advantages over Portland cement, including energy efficiency, reduced greenhouse gas emissions, high strength at early age and improved thermal resistance. Alkali activated geopolymers made from waste materials such as fly ash or blast furnace slag are particularly advantageous...
Geopolymers have many advantages over Portland cement, including energy efficiency, reduced greenhouse gas emissions, high strength at early age and improved thermal resistance. Alkali activated geopolymers made from waste materials such as fly ash or blast furnace slag are particularly advantageous because of their environmental sustainability and low cost. However, their durability and functionality remain subjects for further study. Geopolymer materials can be used in various applications such as fire and heat resistant fiber composites, sealants, concretes, ceramics, etc., depending on the chemical composition of the source materials and the activators. In this study, we investigated the thermal properties and microstructure of fly ash and blast furnace slag based geopolymers in order to develop eco-friendly construction materials with excellent energy efficiency, sound insulation properties and good heat resistance. With different curing times, specimens of various compositions were investigated in terms of compressive strength, X-ray diffraction, thermal property and microstructure. In addition, we investigated changes in X-ray diffraction and microstructure for geopolymers exposed to $1,000^{\circ}C$ heat.
Geopolymers have many advantages over Portland cement, including energy efficiency, reduced greenhouse gas emissions, high strength at early age and improved thermal resistance. Alkali activated geopolymers made from waste materials such as fly ash or blast furnace slag are particularly advantageous because of their environmental sustainability and low cost. However, their durability and functionality remain subjects for further study. Geopolymer materials can be used in various applications such as fire and heat resistant fiber composites, sealants, concretes, ceramics, etc., depending on the chemical composition of the source materials and the activators. In this study, we investigated the thermal properties and microstructure of fly ash and blast furnace slag based geopolymers in order to develop eco-friendly construction materials with excellent energy efficiency, sound insulation properties and good heat resistance. With different curing times, specimens of various compositions were investigated in terms of compressive strength, X-ray diffraction, thermal property and microstructure. In addition, we investigated changes in X-ray diffraction and microstructure for geopolymers exposed to $1,000^{\circ}C$ heat.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 OPC를 대체 할 수 있는 플라이애쉬-고로슬래그 기반의 Geopolymer를 이용한 내열성이 우수한 내외장재로의 활용을 위하여 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합 비율에 따른 열충격에 대한 물리적 성질과 수화생성물의 미세구조 변화에 대해 검토하였다.
제안 방법
경화체의 3, 7, 28일 재령과 28일 열처리 후 시험체에 대한 압축강도는 KS L4201에 의하여 측정하였다. 압축강도의 측정이 완료된 시험체는 알코올에 침적하여 Ggeopolymerization 반응을 억제시킨 후 시험체의 결정상과 미세구조를 조사하였다. Geopolymer 수화물의 결정상 조사는 XRD(X-ray Diffractometer; Rigaku, D/Max-2500V)를 이용하였고, Scan range; 5-80°, Acc.
; 40 kV 200 mA, Scan Speed; 2°/min, Target; Cu의 조건으로 분석하였다. 수화물의 미세구조 변화는 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope; JEOL, JSM6701F) 및 HR-EDS(High Resolution Energy Dispersive X-ray Spectrometer; OXFORD Instrument, X-Max)를 이용하였으며 Pt를 플라즈마 코팅하여 관찰하였다. 또한 28일재령 시험체에 대하여 3 × 3 × 10 mm의 크기로 절단하여 온도변화에 따른 수축율을 열팽창 계수 측정기(Dilatometer; Netzsch, DIL402C)를 이용하였으며, 이때의 분석조건은 Temp.
FA를 BFS로 치환하면 화학적 조성이 변하게 되므로, Geopolymer의 물성에도 영향을 미칠것으로 생각된다. 그러므로 혼합비율이 다른 FA-BFS계 Geopolymer의 시편의 결정상은 재령 3, 7, 28일 및 28일후 1,000 ℃에서 열처리된 시험체의 결정상을 조사하였다. Fig.
대상 데이터
Geopolymer 경화체를 위한 출발원료는 국내의 ST사에서 사용하는 플라이애시(Fly Ash, 이하FA)와 고로슬래그(Blast Furnace Slag, 이하 BFS)를 사용하였다. BFS는 고로에서 선철을 제조하는 과정에서 발생하는 부산물로 주된 화학성분은 SiO2, Al2O3, CaO가 80 wt% 이상을 차지하고 있다.
Geopolymer 경화체 수화물의 특성 및 열처리 이후의 미세구조 변화를 확인하기 위한 시험체는 3, 7, 28일 재령 및 28일 후 열처리 시험체를 대상으로 하였다. 경화체의 3, 7, 28일 재령과 28일 열처리 후 시험체에 대한 압축강도는 KS L4201에 의하여 측정하였다.
이론/모형
Geopolymer 경화체 수화물의 특성 및 열처리 이후의 미세구조 변화를 확인하기 위한 시험체는 3, 7, 28일 재령 및 28일 후 열처리 시험체를 대상으로 하였다. 경화체의 3, 7, 28일 재령과 28일 열처리 후 시험체에 대한 압축강도는 KS L4201에 의하여 측정하였다. 압축강도의 측정이 완료된 시험체는 알코올에 침적하여 Ggeopolymerization 반응을 억제시킨 후 시험체의 결정상과 미세구조를 조사하였다.
성능/효과
1) 1,000 ℃에서 열처리된 FA-BFS계 Geopolymer 시험체의 균열 발생은 FA와 BFS의 혼합비율에 따라 다르게 나타나는데, BFS의 혼입 비율이 60 wt% 일때 균열발생이 가장 낮으며, 잔존 압축강도의 측정값은 가장 높은 값을 나타내고 있다.
2) BFS의 첨가량이 높은 시료일수록 내부의 균열이 증가하는 것을 알수 있으며, 3일 및 7일 재령에서는 표면에 작은 입자의 K2SO4가 생성되고 28일 재령에서는 치밀화된 Aluminosilciate gel 및 C-S-H gel이 관찰되었다. 1,000 ℃로 열처리한 경우 침상형 K2SO4가 확인되며, 그 외 조직은 Aluminosilicate와 Gehlenite, Calcium silicate의 결정상이 나타난다.
3) FA-BFS계 Geopolymer 경화체의 주요 수화생성물은 비정질 형태의 Aluminosilicate로 나타나며, 1,000 ℃로 열처리한 경우 Gehlenite, Calcium silicate, Kyanite, Microcline와 같은 결정상이 보인다. 또한 IR 분석을 통해 열처리한 시험체는 O-H 결합이 포함되는 수화물의 분해가 나타나지만 Al-O-Si 또는 Si-O-Si와 같은 결합이 강하게 나타나는 것은 새로운 결정상의 생성에 기인하는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산업 부산물을 활용하여 시멘트의 사용량을 줄이거나 산업 부산물을 시멘트 대체재로 이용하는 것의 단점은?
21세기는 친환경을 지향하는 미래산업에 대응하기 위해 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 노력이 급증하고 있는데, 이를 해결하기 위한 방법으로는 산업 부산물을 활용하여 시멘트의 사용량을 줄이거나 산업 부산물을 시멘트 대체재로 이용하는 것이다. 이는 산업 부산물을 다량으로 대체하지 않을 경우 온실가스 저감효과는 미비한 단점이 있지만 시멘트를 전혀 사용하지 않고 산업 부산물로만 사용할 경우 이산화탄소의 양을 줄여 지구 온난화와 같은 환경 문제를 해결할 수 있다.
Geopolymer의 장점은?
8,9) 화재(고온)나 열처리 이후의 포틀랜드시멘트 콘크리트는 수분에 의한 급격한 냉각으로 심각한 피해를 입게 된다. 반면, Geopolymer는 친환경적인 재료이면서 내열성이 우수한 재료로 화재와 같은 급격하게 온도가 상승하는 조건에서도 폭렬 현상을 방지하는데 우수한 특성을 보고한 바 있다. 10) 그러나 Geopolymer의 우수한 내열 특성에 따른 연구결과는 아직까지 미비한 실정이다.
시멘트 1톤 생산 하는데 이산화탄소 가스의 배출의 비중은?
1,2) 산업의 근대화 과정에서 가장 널리 사용 되어온 건설용 재료는 시멘트이며, 20세기 이후 산업의 고도화에 따른 사회 기반 시설에 중요한 역할에도 불구하고 포틀랜드 시멘트 제조는 많은 이산화탄소가 공기 중으로 배출되어 환경과 자연을 파괴하는 재료로서 인식되어 가고 있다. 특히 시멘트 1톤 생산 하는데 많은 양의 이산화탄소 가스를 배출함으로써 이산화탄소 가스의 배출에 대한 비중이 7%를 차지할 정도로 심각하다. 21세기는 친환경을 지향하는 미래산업에 대응하기 위해 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 노력이 급증하고 있는데, 이를 해결하기 위한 방법으로는 산업 부산물을 활용하여 시멘트의 사용량을 줄이거나 산업 부산물을 시멘트 대체재로 이용하는 것이다.
참고문헌 (26)
P. Duxson, J. L. Provis, G. C. Lukey and J. S. J. Van Deventer, Cem. Concr. Res., 37, 1590 (2007).
J. Temuujin and A. van Riessen, J. Hazard. Mater., 164, 634 (2008).
J. Davidovits, in Proceedings of 1st International Conference on Alkaline Cement and Concrete, Scientific Research Institute on Binders and Materials (Kiev, Ukraine, October 1994) p.131.
S. G. Son, S. Y. Hong and Y. D. Kim, J. Korean Ceram. Soc., 45, 395 (2008).
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