시멘트 산업은 대표적인 탄소 배출 산업으로서, 콘크리트에 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 다량 사용할 경우 시멘트 사용을 줄이고 탄소 배출을 저감할 수 있으나, 이러한 경우 초기강도의 저하가 비교적 크기 때문에 대체량 증대에 한계가 있다. 이러한 현실을 고려할 때 고로슬래그 미분말이나 플라이애시를 다량 활용한 포틀랜드 혼합 시멘트에 적절한 알칼리 활성화를 통해 혼합 시멘트의 성능을 보완하는 방안은 시멘트 산업 분야에서 탄소 배출을 저감할 수 있는 현실적인 방안이 될 수 있다. 이에 따라 본 보고에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합하고 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 2.0% 사용한 결합재를 적용하여 레미콘(Ready-Mixed Concrete) 제조 시설에서 콘크리트를 제조하고 그 기초적인 특성을 평가하였다. 그 결과 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용으로 슬럼프는 다소 감소하고 응결 시간이 단축되는 현상이 있었으나, 블리딩이 감소하고 조기 강도가 개선되었으며, 탄산화 저항성은 큰 차이가 없었다. 향후 이와 관련하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
시멘트 산업은 대표적인 탄소 배출 산업으로서, 콘크리트에 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 다량 사용할 경우 시멘트 사용을 줄이고 탄소 배출을 저감할 수 있으나, 이러한 경우 초기강도의 저하가 비교적 크기 때문에 대체량 증대에 한계가 있다. 이러한 현실을 고려할 때 고로슬래그 미분말이나 플라이애시를 다량 활용한 포틀랜드 혼합 시멘트에 적절한 알칼리 활성화를 통해 혼합 시멘트의 성능을 보완하는 방안은 시멘트 산업 분야에서 탄소 배출을 저감할 수 있는 현실적인 방안이 될 수 있다. 이에 따라 본 보고에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합하고 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 2.0% 사용한 결합재를 적용하여 레미콘(Ready-Mixed Concrete) 제조 시설에서 콘크리트를 제조하고 그 기초적인 특성을 평가하였다. 그 결과 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용으로 슬럼프는 다소 감소하고 응결 시간이 단축되는 현상이 있었으나, 블리딩이 감소하고 조기 강도가 개선되었으며, 탄산화 저항성은 큰 차이가 없었다. 향후 이와 관련하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
Cement industry is typical carbon-emission industry. If the industrial by-products(granulated blast-furnace slag (GGBFS), fly ash, etc.) are used a large amount, it might be able to reduce cement consumption and mitigate carbon emissions. In this case, however, decrease of early strength is relative...
Cement industry is typical carbon-emission industry. If the industrial by-products(granulated blast-furnace slag (GGBFS), fly ash, etc.) are used a large amount, it might be able to reduce cement consumption and mitigate carbon emissions. In this case, however, decrease of early strength is relatively large. Therefore, there is a limitation in increase of the amount of substitute. Considering these circumstances, it would be a good solution to reduce carbon emissions in cement industry to improve the performances of mixed cement through proper alkali-activation in Portland blended cement using GGBFS or fly ash. Therefore, this study prepared concrete in ready-mixed concrete manufacturing facilities with an addition of a binder which used 2.0% modified alkali sulfate activator after mixing Portland cement, GGBFS and fly ash in the ratio of 4:4:2 and assessed its basic properties. The results found the followings: The use of modified alkali-sulfate activator slightly reduced slump and shortened setting time. As a result, bleeding capacity decreased while early strength improved. In addition, there is no big difference in carbonation resistance. It appears that there should be continued experiments and analyses on the related long-term aged specimens.
Cement industry is typical carbon-emission industry. If the industrial by-products(granulated blast-furnace slag (GGBFS), fly ash, etc.) are used a large amount, it might be able to reduce cement consumption and mitigate carbon emissions. In this case, however, decrease of early strength is relatively large. Therefore, there is a limitation in increase of the amount of substitute. Considering these circumstances, it would be a good solution to reduce carbon emissions in cement industry to improve the performances of mixed cement through proper alkali-activation in Portland blended cement using GGBFS or fly ash. Therefore, this study prepared concrete in ready-mixed concrete manufacturing facilities with an addition of a binder which used 2.0% modified alkali sulfate activator after mixing Portland cement, GGBFS and fly ash in the ratio of 4:4:2 and assessed its basic properties. The results found the followings: The use of modified alkali-sulfate activator slightly reduced slump and shortened setting time. As a result, bleeding capacity decreased while early strength improved. In addition, there is no big difference in carbonation resistance. It appears that there should be continued experiments and analyses on the related long-term aged specimens.
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문제 정의
이에 따라 본 보고에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합하고 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 2.0% 사용한 결합재를 적용하여 레미콘(Ready-Mixed Concrete) 제조 시설에서 콘크리트를 제조하고 그 기초적인 특성을 평가하였다. 그 결과 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용으로 슬럼프는 다소 감소하고 응결 시간이 단축되는 현상이 있었으나, 블리딩이 감소하고 조기 강도가 개선되었으며, 탄산화 저항성은 큰 차이가 없었다.
이에 따라 본 보고에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합하고 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 결합재 중량대비 2.0%를 혼입하여 레미콘(Ready-Mixed Concrete) 제조 시설에서 콘크리트를 제조하고 재령 초기의 강도향상 여부와 기초적인 특성을 평가한 사례를 보고하고자 하였다.
제안 방법
보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합한 3성분계 시멘트에 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 2.0% 사용한 결합재를 이용하여 레미콘(Ready-Mixed Concrete) 제조 시설에서 콘크리트를 제조하고 그 기초적인 특성을 평가한 결과는 다음과 같다.
생산된 레미콘의 평가를 위해 굳지 않은 콘크리트의 성능으로 공기량과 슬럼프 및 블리딩과 응결 시험을 실시하였으며, 경화 콘크리트의 경우에는 재령에 따라 압축강도 및 촉진 탄산화 시험을 실시하여 알칼리 설페이트계 활성화제의 사용에 따른 콘크리트 성질의 변화를 관찰하고자 하였다.
시험체는 촉진 탄산화 환경에 노출하기 전 양생으로서 탈형 후 20±1℃ 수중양생을 4주간 실시한 후 온도 20±2℃, 상대습도 60±5%의 항온항습실에서 4주간 기중양생을 실시하였다.
압축강도 시험은 KS F 2405「콘크리트의 압축강도 시험 방법｣[13]에 의해 Ø100×200mm의 원주 공시체를 제작하여 계획된 재령까지 수중양생(20±1℃)을 실시한 후 재령 2, 3, 7, 28, 56일에 각각 시험체 3개를 측정하여 평균값을 얻었다.
5m3 용량의 배치식 믹서를 활용하였다. 이 때 레미콘 제조에 필요한 모든 원재료는 레미콘사에서 생산용으로 사용하고 있는 재료를 활용하였으며, 알칼리 활성화제의 경우 배치별 소요량을 개량하여 믹서에 별도로 투입하였다.
콘크리트의 탄산화 저항성을 평가하기 위한 시험은 100×100×400mm 크기의 시험체를 제작한 후 KS F 2584「콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법｣[14] 에 의해 온도 20±2℃, 상대습도 60±5%, CO2 농도 5±0.2% 조건의 촉진 탄산화 환경에 시험체를 노출하였다.
시험체는 촉진 탄산화 환경에 노출하기 전 양생으로서 탈형 후 20±1℃ 수중양생을 4주간 실시한 후 온도 20±2℃, 상대습도 60±5%의 항온항습실에서 4주간 기중양생을 실시하였다. 탄산화 깊이의 측정은 촉진 탄산화 환경에 노출 후 재령 4,8, 12주에서 시험체 할렬 후 페놀프탈레인 1% 용액을 분무하여 색깔의 변화가 없는 부분을 각 시험체당 상하면의 10군데를 0.01mm까지 측정하여 그 평균값을 탄산화 깊이로 산정하였다.
대상 데이터
레미콘 제조 시설은 Figue 1과 같이 인천 송도 지역의 E사의 시설을 활용하여 각 배치별로 레미콘 2m3를 제조하였으며, 레미콘 혼합 믹서는 Twin-shaft spiral 타입의 3.5m3 용량의 배치식 믹서를 활용하였다. 이 때 레미콘 제조에 필요한 모든 원재료는 레미콘사에서 생산용으로 사용하고 있는 재료를 활용하였으며, 알칼리 활성화제의 경우 배치별 소요량을 개량하여 믹서에 별도로 투입하였다.
본 연구에서 사용한 재료의 특성은 Table 3 및 Table 4에 나타낸 바와 같이 시멘트는 1종 포틀랜드 시멘트(밀도 3.14g/cm3, 분말도 3,350cm2/g), 고로슬래그는 3종 고로슬래그 미분말(밀도 2.89g/cm3, 분말도 4,100cm2/g), 플라이애시는 2종 플라이애시(밀도 2.24g/cm3, 분말도 3,430cm2/g) 를 사용하였으며, 굵은 골재와 잔골재는 최대치수 25mm인 부순 자갈과 세척사를 사용하였다. 알칼리 활성화제는 Table 5와 같이 국내 I사에서 제조한 알칼리 설페이트계 재료를 사용하였으며, 화학 혼화제로는 고형분함량 16%의 폴리카르본산계 고성능 감수제(Polycarboxylate-based superplasticizer)를 사용하였다.
실험에 사용한 콘크리트의 결합재 구성은 보통포틀랜드시멘트와 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합한 결합재에 알칼리 설페이트계 활성화제를 2.0% 사용하였다. 이 때 단위결합재량은 360kg/m3와 400kg/m3 두 가지 경우를 대상으로 하였으며 자세한 콘크리트 배합은 Table 1과 같다.
24g/cm3, 분말도 3,430cm2/g) 를 사용하였으며, 굵은 골재와 잔골재는 최대치수 25mm인 부순 자갈과 세척사를 사용하였다. 알칼리 활성화제는 Table 5와 같이 국내 I사에서 제조한 알칼리 설페이트계 재료를 사용하였으며, 화학 혼화제로는 고형분함량 16%의 폴리카르본산계 고성능 감수제(Polycarboxylate-based superplasticizer)를 사용하였다.
0% 사용하였다. 이 때 단위결합재량은 360kg/m3와 400kg/m3 두 가지 경우를 대상으로 하였으며 자세한 콘크리트 배합은 Table 1과 같다.
이론/모형
콘크리트의 블리딩 시험은 KS F 2414「콘크리트의 블리딩 시험방법｣[11]에 의해 측정하였으며, 블리딩량은 다음식과 같이 계산하였다.
콘크리트의 슬럼프 및 공기량의 측정은 KS F 2402「콘크리트의 슬럼프 시험방법｣[9]과 KS F 2421「압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법｣[10]에 의해 시험을 실시하였다.
콘크리트의 응결시간은 KS F 2436 「관입 저항침에 의한 콘크리트 응결 시간 시험 방법｣[12]에 의해 측정하였으며, 시험체의 경화 정도에 따라 관입침에 의한 관입저항이28MPa 이상이 될 때까지 시험을 실시하였다. 이 때 실험실의 온도는 20~25℃ 범위를 유지하였으며, 초결시간은 관입저항이 3.
성능/효과
2) 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 블리딩량이 다소 감소하는 경향이 있었으며, 경화 과정에서 콘크리트의 관입저항에 의한 응결 시간을 측정한 결과는 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 배합별로초결 시간은 4~11분, 종결 시간은 19~21분이 단축되는 것으로 나타났으나 시험체 제조 후 4~5시간까지는 알칼리 활성화제의 활용에 따른 관입저항의 차이가 거의 없었으므로 급격한 작업시간의 손실에 대한 우려는 없는 것으로 판단된다.
3) 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 360-series의 경우 재령 2일, 3일, 7일에 10~12%의 강도 증진이 있었으며, 400-series의 경우 재령 2일, 3일, 7일에 11~27%의 강도 증진이 있었다. 따라서 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용은 고로슬래그나 플라이애시와 같은 혼화재료를 다량 사용할 경우 조기강도가 저하하는 현상을 일부 완화 시키는 데에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
360-series의 경우 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 재령 2일, 3일, 7일에 10~12%의 강도 증진이 있었으며, 재령 28일에서는 강도증진효과가 거의 없고, 재령 56일에서는 오히려 약 2% 수준의 강도 감소가 있었다.
4) 각 배합별 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 탄산화 깊이가 다소 감소하였으나 알칼리 설페이트계 활성화제를 사용하지 않은 경우와 큰 차이는 없었으며, 이에 따라 동일한 결합재 조건에서 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용이 탄산화 저항성의 변화에 큰 영향이 없는 것으로 판단된다.
0% 사용한 결합재를 적용하여 레미콘(Ready-Mixed Concrete) 제조 시설에서 콘크리트를 제조하고 그 기초적인 특성을 평가하였다. 그 결과 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용으로 슬럼프는 다소 감소하고 응결 시간이 단축되는 현상이 있었으나, 블리딩이 감소하고 조기 강도가 개선되었으며, 탄산화 저항성은 큰 차이가 없었다. 향후 이와 관련하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
단위결합재량이 많은 400-series가 전반적으로 다소 빠른 응결 시간을 나타냈으며, 알칼리 설페이트계 활성화제의활용에 따라 배합별로 초결 시간은 4~11분, 종결 시간은 19~21분이 단축되는 것으로 나타났다. 하지만 시험체 제조 후 4~5시간까지는 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따른 관입저항의 차이가 거의 없었으며 6시간 이후부터 관입저항이 변화하였으므로 급격한 작업시간의 손실에 대한 우려는 없는 것으로 판단된다.
레미콘 제조 시설을 통한 콘크리트의 제조시 알칼리 활성화제의 활용에 따른 제조상의 특이사항은 없었으나, 분말형의 알칼리 설페이트계 활성화제를 소량 사용하므로 혼합시간은 90초를 유지하였다.
이상과 같이 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 3성분계 혼합시멘트에서 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용으로 슬럼프는 다소 감소하고 응결 시간이 단축되는 현상이 있었으나, 블리딩이 감소하고 조기 강도가 개선되었으며, 탄산화 저항성은 큰 차이가 없었다. 향후 이와 관련하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로이루어져야 할 것으로 판단된다.
400-series의 경우 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 재령 2일, 3일, 7일에 11~27%의 강도 증진이 있었으며, 재령 28일에서는 약 6%의 강도 증진이 있었으나, 재령 56일에서는 역시 약 2% 수준의 강도 감소가 있었다. 특히 400-series의 경우 재령 3일에 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 의한 강도 증진 효과가 27%로 비교적 우수한 효과가 나타났다.
후속연구
1) 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따른 공기량의 변화는 크지 않았으며, 슬럼프의 변화는 배합별로 5~10mm 정도 감소하는 경향을 나타내므로 향후 현장 적용시 이러한 현상을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
3) 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따라 360-series의 경우 재령 2일, 3일, 7일에 10~12%의 강도 증진이 있었으며, 400-series의 경우 재령 2일, 3일, 7일에 11~27%의 강도 증진이 있었다. 따라서 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용은 고로슬래그나 플라이애시와 같은 혼화재료를 다량 사용할 경우 조기강도가 저하하는 현상을 일부 완화 시키는 데에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용은 재령 2일, 3일, 7일과 같은 비교적 초기 재령에 우수한 효과가 있으며, 재령 28일에서는 plain 시험체와 유사한 수준을 나타내다가 그 이후의 장기 재령에서는 강도 증진이 다소 감소하는 현상이 있으나, 고로슬래그나 플라이애시와 같은 혼화재료를 다량 사용할 경우 조기강도의 저하가 비교적 크게 나타나는데 이러한 현상을 일부 완화 시키는 데에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 본 보고에서와 같은 다양한 혼합시멘트의 알칼리 활성화 현상에 대해 미세구조, 성분, 성상 분석 시험 등을 통하여 그 화학반응과 관련된 규명이 지속적으로 수행될 필요가 있다고 생각된다.
알칼리 설페이트계 활성화제의 활용에 따른 슬럼프의 변화는 배합별로 5~10mm 정도 감소하는 경향을 나타내므로 우려할 수준은 아니지만 향후 현장 적용시 이러한 현상을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
이상과 같이 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 3성분계 혼합시멘트에서 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용으로 슬럼프는 다소 감소하고 응결 시간이 단축되는 현상이 있었으나, 블리딩이 감소하고 조기 강도가 개선되었으며, 탄산화 저항성은 큰 차이가 없었다. 향후 이와 관련하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로이루어져야 할 것으로 판단된다.
이상과 같이 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 3성분계 혼합시멘트에서 알칼리 설페이트계 활성화제의 활용으로 슬럼프는 다소 감소하고 응결 시간이 단축되는 현상이 있었으나, 블리딩이 감소하고 조기 강도가 개선되었으며, 탄산화 저항성은 큰 차이가 없었다. 향후 이와 관련하여 장기 재령의 시험체를 대상으로 한 실험과 분석이 지속적으로이루어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시멘트 산업의 한계는?
시멘트 산업은 대표적인 탄소 배출 산업으로서[1], 콘크리트에 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 다량사용할 경우 시멘트 사용을 줄이고 탄소 배출을 저감할 수 있으나, 이러한 경우 초기강도의 저하가 비교적 크기 때문에 대체량 증대에 한계가 있다[2,3,4,5,6].
알칼리 설페이트계 활성화제가 등장한 배경은?
시멘트 산업은 대표적인 탄소 배출 산업으로서, 콘크리트에 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 다량 사용할 경우 시멘트 사용을 줄이고 탄소 배출을 저감할 수 있으나, 이러한 경우 초기강도의 저하가 비교적 크기 때문에 대체량 증대에 한계가 있다. 이러한 현실을 고려할 때 고로슬래그 미분말이나 플라이애시를 다량 활용한 포틀랜드 혼합 시멘트에 적절한 알칼리 활성화를 통해 혼합 시멘트의 성능을 보완하는 방안은 시멘트 산업 분야에서 탄소 배출을 저감할 수 있는 현실적인 방안이 될 수 있다. 이에 따라 본 보고에서는 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 4:4:2로 혼합하고 알칼리 설페이트계 활성화제(Modified Alkali Sulfate type)를 2.
시멘트 산업이란?
시멘트 산업은 대표적인 탄소 배출 산업으로서[1], 콘크리트에 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 다량사용할 경우 시멘트 사용을 줄이고 탄소 배출을 저감할 수 있으나, 이러한 경우 초기강도의 저하가 비교적 크기 때문에 대체량 증대에 한계가 있다[2,3,4,5,6].
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