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다양한 알칼리도를 가진 붕소화합물이 혼입된 모르타르의 특성 검토
Examination of the Characteristics of Mortar Mixed with Boron Compounds Presenting Various Levels of Alkalinity 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.29 no.1, 2017년, pp.85 - 92  

이빛나 (한국건설기술연구원 구조융합연구) ,  이종석 (한국건설기술연구원 구조융합연구) ,  민지영 (한국건설기술연구원 구조융합연구) ,  이장화 (한국건설기술연구원 구조융합연구)

초록
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본 연구에서는 붕소화합물을 혼입하여 제작한 모르타르의 특성에 대한 검토를 수행하였다. 사용된 붕소화합물은 pH 값에 따라 산성 및 약알칼리성, 강알칼리성으로 구분하여 선별한 것으로 산성 기반인 붕산(AA)과 약알칼리 기반의 붕사(AB), 강알칼리성인 붕사(HB)이다. 실험은 모르타르의 물리적 화학적 특성을 파악할 수 있는 pH 측정 및 응결 시험, 압축강도 시험을 수행하였으며 모르타르 내 미세구조 분석을 위해 SEM 촬영을 수행하였다. pH 측정 결과 붕소화합물을 혼입한 시험체 전반적으로 기본 모르타르보다 pH가 낮게 측정되었으며 시간이 지남에 따라 pH가 저하되는 양상을 보였다. 또한, 응결 시험에서도 기본 시험체보다 초결 및 종결 시점이 늦게 발생되었으며 알칼리도에 따라 응결 지연을 저감할 수 있다는 기존 문헌과 다소 다른 결과를 나타냈다. 압축 강도 및 SEM 촬영 결과, 붕소화합물의 종류 및 성분에 따라 강도 등의 물리적 성능이 결정되기 때문에 이를 고려하여 최적 혼입량을 결정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study examines the characteristics of mortar mixed with various boron compounds. The adapted boron compounds, classified into acid, slightly alkaline and strongly alkaline with respect to the value of the pH are acid-based boron (AA), low-alkaline-based boron (AB), and high-alkaline-based boron...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 4%에 해당하는 양을 기준으로 치환하여 혼입하였다.14,15) 또한, pH 실험에는 붕소화합물이 알칼리도에 미치는영향을 극대화하고자 붕소의 혼입량을 제한하는 ASTMC637 및 C638의 규제와 기존 연구(Kula et al)를 참고하여 붕소화합물을 1% 이내를 원칙으로 하여 최대 혼입량 0.8%로설정하여 추가로 수행하였다.16-18)
  • 붕소화합물을 혼입한 모르타르의 pH 시험은 KS F 210319)에 따라 모르타르 30 g과 증류수 50 ml를 혼입·교반하여 수행하였으며, 측정시점은 굳지 않은 상태(fresh), 재령별 1, 3,7, 28일에 pH를 측정하였다. pH 측정은 재령별 시험체를 미분쇄하여 증류수에 혼입하여 측정하였으며 한 배합당 시편을 3번씩 채취하여 3번 측정하였다.
  • 따라서 본 논문에서 사용한 붕소화합물은 기존 산업폐기물 등을 재활용한 제품으로 기존 생산되는 붕소보다 가격이약 95%이상 저렴한 제품으로 수급이 용이하고 경제성이 우수한 붕소화합물을 대상으로 기초 실험을 수행하였다. 또한, 붕소화합물을 혼입한 시험체의 알칼리 정도에 따라 물리적성능을 개선시킬 수 있다는 기존 문헌을 참고하여 알칼리도에 따른 붕소화합물에 대한 기초 물성실험을 수행하였다.13)
  • 붕소화합물을 혼입한 모르타르의 pH 시험은 KS F 210319)에 따라 모르타르 30 g과 증류수 50 ml를 혼입·교반하여 수행하였으며, 측정시점은 굳지 않은 상태(fresh), 재령별 1, 3,7, 28일에 pH를 측정하였다.
  • 붕소화합물을 혼입한 모르타르의 물리적 성능 실험은 재령별 pH를 측정하여 모르타르 내에서 붕소화합물로 인한pH 변화량을 검토하였으며, 혼입량에 따라 응결시험과 재령 3일, 7일, 28일에 대한 압축강도 시험을 수행하였다. 이때 재령별 압축강도 시편을 수거하여 경화 시간에 따른 내부구조의 변화를 비교하고자 SEM 촬영을 수행하였다.
  • 붕소화합물의 알칼리도에 따른 물리적 특성 검토를 위해붕소화합물의 pH를 측정하고 물성 실험을 수행하였으며 모르타르 내에서 붕소화합물의 영향을 확인하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 촬영을 수행하였다.
  • 이때 재령별 압축강도 시편을 수거하여 경화 시간에 따른 내부구조의 변화를 비교하고자 SEM 촬영을 수행하였다. 붕소화합물의 함량은 기존 문헌 및 사전 실험을 통해 잔골재의 0.2%및 0.4%에 해당하는 양을 기준으로 치환하여 혼입하였다.14,15) 또한, pH 실험에는 붕소화합물이 알칼리도에 미치는영향을 극대화하고자 붕소의 혼입량을 제한하는 ASTMC637 및 C638의 규제와 기존 연구(Kula et al)를 참고하여 붕소화합물을 1% 이내를 원칙으로 하여 최대 혼입량 0.
  • 압축강도 시험은 KS L 510521)에 준해 50×50×50 mm인 정육면체 공시체를 배합당 3개씩 제작하였고 재령 3일, 7일 28일에 압축강도를 측정하였다.
  • 모르타르의 응결 시험은 KS F 243620)에 근거하여 수행하였으며, 배합당 2회씩 응결시간을 측정하였다. 응결시험은모르타르의 관입 저항이 3.5 MPa과 28 MPa이 될 때 까지 소요되는 시간을 각각 초결과 종결 시간으로 정의하여 수행하였으며 48시간 이내에 종결되지 않을시 시험을 중단하였다.
  • 붕소화합물을 혼입한 모르타르의 물리적 성능 실험은 재령별 pH를 측정하여 모르타르 내에서 붕소화합물로 인한pH 변화량을 검토하였으며, 혼입량에 따라 응결시험과 재령 3일, 7일, 28일에 대한 압축강도 시험을 수행하였다. 이때 재령별 압축강도 시편을 수거하여 경화 시간에 따른 내부구조의 변화를 비교하고자 SEM 촬영을 수행하였다. 붕소화합물의 함량은 기존 문헌 및 사전 실험을 통해 잔골재의 0.
  • 한편, 모르타르 내 붕소화합물의 형상 및 시멘트 매트릭스의 구조 등을 확인하고자 주사전자현미경(SEM) 촬영을수행하였다. 촬영한 주사전자현미경은 Philips XL30sFEG(Netherland)제품이며 시편 코팅 재료는 금(Au ion coating)을사용하였다.
  • 한편, 사용된 붕소화합물은 사전에 붕소화합물과 증류수를 혼입하여 각각의 pH를 측정하였고 측정 값에 따라 산성 및 약알칼리성, 강알칼리성으로 구분하여 선별하였다. 산성기반인 붕산(Acidic boric acid: AA)은 중국에서 생산된 B사제품이며, 약알칼리 기반인 붕사(Alkali borax: AB)와 강알칼리성인 붕사(High alkali borax: HB)는 터키에서 수입된 C사 제품이다.
  • 혼입된 붕소화합물의 알칼리도에 따른 물리적 특성 및 SEM을 활용한 미세구조 분석을 수행한 결과 다음과 같은결론을 얻었다.

대상 데이터

  • 따라서 본 논문에서 사용한 붕소화합물은 기존 산업폐기물 등을 재활용한 제품으로 기존 생산되는 붕소보다 가격이약 95%이상 저렴한 제품으로 수급이 용이하고 경제성이 우수한 붕소화합물을 대상으로 기초 실험을 수행하였다. 또한, 붕소화합물을 혼입한 시험체의 알칼리 정도에 따라 물리적성능을 개선시킬 수 있다는 기존 문헌을 참고하여 알칼리도에 따른 붕소화합물에 대한 기초 물성실험을 수행하였다.
  • 본 연구에서 사용한 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(비중 3.15 g/cm3, 분말도 3,800 cm/g)이고, 잔골재는 국내 A사 제품으로 자세한 사항은 Table 3 및 Table 4와 같다.
  • 사용된 붕소화합물은 수급이 용이하며 경제성이 우수한 붕소화합물 중 산성 및 알칼리성에 따라 총 3가지 타입을 선별하였다.
  • 한편, 모르타르 내 붕소화합물의 형상 및 시멘트 매트릭스의 구조 등을 확인하고자 주사전자현미경(SEM) 촬영을수행하였다. 촬영한 주사전자현미경은 Philips XL30sFEG(Netherland)제품이며 시편 코팅 재료는 금(Au ion coating)을사용하였다.

이론/모형

  • 모르타르의 응결 시험은 KS F 243620)에 근거하여 수행하였으며, 배합당 2회씩 응결시간을 측정하였다. 응결시험은모르타르의 관입 저항이 3.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
콘크리트가 차폐제로 널리 사용되는 이유는? 그중 콘크리트는 고밀도·고중량 재료로 가격이 저렴하고차폐성능이 우수하여 방사선 활용 시설 등에서 차폐체로 널리 사용되고 있다. 또한, 콘크리트의 차폐 성능을 향상시키기 위해 고속 중성자를 저속 중성자로 저감할 수 있는 수소(H)기반의 고분자 화합물을 혼입하거나, 붕소 등과 같이 중성자를 포획하는 성질이 있는 재료를 추가하는 등의 연구가활발히 진행되고 있다.
붕소화합물 중 하나인 탄화붕소의 특징은 무엇인가? 붕소화합물 중 분자적 결합이 강하고 콘크리트 내에서 비활성화되는 탄화붕소 역시 일정량 이상으로 첨가될 경우 콘크리트의 역학적 성능이 급격하게 저하되며, 가격이 매우 고가이기 때문에 경제적 측면에서 다소 부적절하다. 붕소를직접적으로 혼입하는 방법 외에 간접적으로 붕소가 포함되어있는 광물 즉, 회붕광 같은 광물을 골재 대체제로 사용하는 방법이 있으나11,12) 역시 생산지가 제한적이며 물리적 성능 저하가 발생하기 때문에 현장 적용에 어려움이 있다.
콘크리트의 차폐 성능을 향상시키기 위한 고분자 화합물을 혼입하는 방법의 한계점은? 또한, 콘크리트의 차폐 성능을 향상시키기 위해 고속 중성자를 저속 중성자로 저감할 수 있는 수소(H)기반의 고분자 화합물을 혼입하거나, 붕소 등과 같이 중성자를 포획하는 성질이 있는 재료를 추가하는 등의 연구가활발히 진행되고 있다.5-8) 하지만, 이와 같이 고분자 화합물및 붕소 화합물을 혼입한 경우 초기 건설비용의 증가 및 물리적 성능 저하 등과 같은 문제가 발생하기 때문에 현장 적용시 어려움이 있다. 특히, 붕소의 경우 생산지가 제한적이기 때문에 가격대가 높고 콘크리트의 경화 지연 등과 같은 물리적 성능에 영향을 미치기 때문에 혼입량을 제한하고 있다.9-10)
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참고문헌 (30)

  1. Sato, K., Tanosaki, T., Fugii, H., and Miura, T., "Analysis of Induced Radionuclides in Low-activation Concrete (Limestone Concrete) Using the 12 GeV Proton Synchrotron Accelerator Facility at KEK", Radiation Protection Dosimetry, Vol. 116, No. 1-4, 2005, pp. 647-652. 

  2. Park, S. J., "Neutron Shielding and Low-activation Characteristics of Borated Concretes", Master's Thesis, 2013. 

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  4. Ministry of Trade Industry Energy(MOTIE), "Development of Radiation Shielding Material Usings an Ultra-fine Boron Dispersed Polymer Matrix", Korea Atomic Energy Research Institute(KAERI), 2009. 

  5. Cho, S. H., Kim, I. S., Do, J. B., Ro, S. G., and Park, H. S., "Fabrication and Characteristics of Modified and Hydrogenated Bisphenol-A type Epoxy Resin Based Neutron Shielding Materials", Hwahak Konghak, Vol. 35, No. 5, 1997, pp. 661-666. 

  6. Pyzik Aleksander, J., and Aksay Ilhan, A., "Processing of Boron Carbide-aluminum Composites", Journal of the American Ceramic Society, Vol. 72, Issue. 1, 1989, pp. 775-780. 

  7. Jun, J. H., Kim, J. W., Bae, Y. J., and Seo, Y. S., "Enhancement of Dispersion and Adhesion of B4C Particles in Epoxy Resin Using Direct Ultrasonic Excitation", Journal of Nuclear Materials, Vol. 416, Issue. 3, 2011, pp. 293-297. 

  8. Kharita, M. A., Yousef, S., and Alnassar M., "Review on th Addition of Boron Compounds to Radiation Shielding Concrete", Progress in Nuclear Energy, Vol. 53, Issue. 2, 2011, pp. 207-211. 

  9. Polley, C., Cramer, S. M., and De La Cruz, R. V., "Potential for Using Waste Glass in Portland Cement Concrete", J. Master.Civ.Eng., Vol. 10, No. 4, 1998, pp. 210-219. 

  10. Jang, B. K., "Properties of Mortar with Borosilicate Glass Used to Enhance Neutron Shielding Performance, Master' Thesis, 2016. 

  11. Okuno, K., "Neutron Shielding Material Based on Colemanite and Epoxy Resin", Radiation Protection Dosimetry, Vol. 115, No. 1-4, 2005, pp. 258. 

  12. Yasemin. Y., and Ahmet, B., "Investigation of Neutron Shielding Efficiency and Radioactivity of Concrete Shields Containing Colemanite", Journal of Nuclear Materials, Vol. 212-215, Part B, 1994, pp. 1720-1723. 

  13. You, K. S., Fujimori, H., Ioku, K., and Goto, S., "Effect of Boric Acid on Hydration of Calcium Sulfoaluminate", Journal of the Society of Inorganic Materials, Vol. 3 No. 298, 2002, pp. 137-142. 

  14. Min, J., Lee, J. S., Lee, B., and Lee, J. H., "Studies on Setting Time and Compressive Strength of Mortar Incorporating Boric Acid", The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 2015, pp. 409-410. 

  15. Lee, B., Lee, J. S., Min, J., An, G. H., and Lee, J. H., "The Physical Properites of Mortar Containing Boron Compounds", KCI Concrete Journal, Vol. 26, No. 2, 2015, pp. 663-664. 

  16. Kula, I., Olgun, A., Sevinc, V., and Erdogan, Y. "An Investigation on the Use of Tincal ore Waste Fly Ash and Coal Bottom Ash as Portland Cement Replacement Materials", Cement and Concrete Research, Vol. 32, Issue. 2, 2002, pp. 227-232. 

  17. ASTM C637 Standard specification for aggregates for radiation-shielding concrete, ASTM International, 3pp. 

  18. ASTM C638, Standard descriptive nomenclature of constituents of aggregates for radiation-sheilding concrete, ASTM International, 4pp. 

  19. Korean Industrial Standards, Standard test method for pH of soils (KS F 2103), Korean Agency for Technology and Standards, 2013, 4pp. 

  20. Korean Industrial Standards, Testing method for time of setting of concrete mixture by penetration resistance (KS F 2436), Korean Agency for Technology and Standards, 2007, 9pp. 

  21. Korean Industrial Standards, Testing method for compressive strength of hydraulic cement mortars (KS L 5105), Korean Agency for Technology and Standards, 2007, 5pp. 

  22. Metin, D., "The Effect of Boron Compounds on the Properties of Cementitous Composites", Science and Engineering of Composite Materials, Vol. 17 No. 1, 2010, pp. 1-18. 

  23. Metin, D., "The Effect of Boron Compound to Cement Hydration and Controllability of This Effect", ACTA PHYSICA POLONICA A, Vol. 128, No. 2-B, 2015, pp. 26-33. 

  24. Volkmam, D. E. and Bussolini, P. L., "Comparison of Fine Particle Colemanite and Boron Frit in Concrete for Time-Strength Relationship", Journal of Testing and Evaluation, Vol. 20, Issue. 1, 1992, pp. 92-96. 

  25. Olguna, A., Kavasb, T., Erdogana, Y., and Once, G., "Physico Chemical Characteristics of Chemically Activated Cement Containing Boron", Building and Environment, Vol. 42, Issue. 6, 2007, pp. 2384-2395. 

  26. Targan, S., Olgun, A., Erdogan, Y., and Sevinc, V. "Effects of Supplementary Cementing Materials on the Properties of Cement and Concrete", Cement and Concrete Research, Vol. 32, Issue. 10, 2002, pp. 1551-1558. 

  27. Shi, C., and Day, R.L., "Pozzolanic Reaction in the Presence of Chemical Activators, Part II. Reaction Products and Mechanism", Cement and Concrete Research, Vol. 30, Issue. 4, 2000, pp. 607-613. 

  28. Lee, C. Y., Lee, H. K., and Lee, K. M., "Strength and Microstructural Characteristics of Chemically Activated Fly Ash-cement System", Cement and Concrete Research, Vol. 33, Issue. 3, 2003, pp. 425-431. 

  29. Metha, P. K., "Concrete-structure, Properties, and Materials", Prentice-Hall, 1986, pp. 64-69. 

  30. Shi, C., and Day, R. L., "Comparison of Different Methods for Enhancing Reactivity of Pozzolans", Cement and Concrete Research, Vol. 31, Issue. 5, 2001, pp. 813-818. 

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