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문제 정의
- 국내외적으로 각종 지오폴리머 콘크리트 기술이 개발되어 다양한 구조물에 적용되고 있다. 따라서 본고에서는 산업부산물인 플라이애시, 바텀애시 및 고로슬래그 미분말을 단독 또는 혼합사용한 지오폴리머의 적용사례를 살펴보고자 한다.
- 본 논문에서는 지오폴리머의 국내·외 여러 분야에 적용한 사례를 정리하였다.
- 지오폴리머 콘크리트의 설계강도는 32 MPa이고 굵은 골재의 최대치수는 10 mm를 사용하였다. 지오폴리머 콘크리트를 적용한 이유는 일반 시멘트 콘크리트의 경우 시멘트의 수화반응 시 생성되는 수산화칼슘(CaOH2)으로 자기치유 능력을 가지고 있으나 지오폴리머 콘크리트는 수산화 칼슘(CaOH2)이 없기 때문에 균열에 대한 자기치유에 대해 검증하고자 한 것이었다. 그 결과 지오폴리머 콘크리트의 경화반응 시 생성되는 갤의 팽창으로 비교적 빠른 시간내에 균열에 의한 누수를 억제하는 것으로 나타났다 (aldred, J.
제안 방법
- 5시간 떨어진 지역이다. 따라서 지오폴리머 콘크리트 배합은 알칼리 활성화제를 제외한 재료들을 배합하고 현장에 도착한 후 알칼리 활성화제를 투입시키는 방법으로 현장 타설을 실시하였다. 이 사례에서 알 수 있듯이 일반콘크리트의 경우 레미콘 트럭의 이동시간은 콘크리트의 시공성 저하 및 수화반응으로 인해 1.
- 이러한 지오폴리머 콘크리트 축사바닥재는 일반 콘크리트를 대체하기 위하여 매우 우수한 화학저항성이 요구된다. 따라서 지오폴리머 콘크리트의 화학저항성을 평가하기 위해 황산(H2SO4) 10 %, 질산(H2NO3) 5 %, 인산(H3PO4) 10 % 수용액에 일정기간 침적 실험을 실시하였다. <그림 5>는 지오폴리머 콘크리트의 내화학저항성 실험결과이다.
- 반면 지오폴리머 콘크리트는 알칼리 활성화제로 인한 중합반응으로 3차원의 고분자 결합구조로 이루어져 있어 보다 강한 계면 특성으로 내화학성이 우수한 것으로 알려져 있다. 따라서 플라이애시와 고로슬래그 미분말(GGBS)을 혼합사용한 지오폴리머 콘크리트를 타설 후 바로 거푸집을 탈형할 수 있는 건식타입을 적용하였다.
- 어초둠벙은 1,500(가로)×1,500(세로)×150(두께) mm의 크기로 본체와 덮개로 구성되어 어류 등 이동 통로로 활용되기 위해 덮개에 사각형 1개과 원형 8개의 타공을 하였다.
- 와 같이 보트 판넬은 프리캐스트로 제작하였고 과 같이 보트 램프의 접속 슬래브 구간은 현장 타설을 실시하였다.
- 와 같이 호주에서 폭 5.5 m, 길이 900 m의 구간에 압축강도가 25 ∼ 40 MPa의 지오폴리머 콘크리트 사용하여 도로포장을 하였다(aldred, J., and Day, J., 2012).
- , 2010). <그림 11>은 2011년 3월 직경 10 m, 높이 2.4 m 크기의 2개의 물탱크를 일반 시멘트 콘크리트와 지오폴리머 콘크리트로 각각 제작하여 균열에 대한 자기치유 특성을 관찰하였다. 지오폴리머 콘크리트의 설계강도는 32 MPa이고 굵은 골재의 최대치수는 10 mm를 사용하였다.
- 따라서 지오폴리머 콘크리트의 결합재로 활용하기 위해서는 정제와 분쇄 공정이 반드시 필요하다. 이 적용 예에서는 건식처리시스템에 의해 가공된 바텀애시(BA-M)는 고유의 포졸란 특성을 유지하고 있기 때문에 정제와 분쇄 과정을 거친 후에는 플라이애시와 같이 시멘트 대체재로서 재활용될 수 있을 것으로 판단하여 건식 바텀애시를 3,500 cm2 /g 이상의 분말도를 갖도록 가공 처리하였다. [표 1]은 플라이애시와 바텀애시의 주요성분으로 SiO2 및 Al2O3가 약 80 %로 화학성분은 유사한 것으로 분석되었고, 건식시스템에서 배출된 바텀애시의 강열감량은 0.
- 지오폴리머 콘크리트를 타설하고 1일간 기건양생을 한 후에 60 ℃, 24시간 증기양생을 실시하였다. 플라이애시와 바텀애시를 사용한 지오폴리머 콘크리트의 압축강도는 각각 24.
- 콘크리트 제작은 슬럼프는 12 ∼ 15 cm로 시공성을 확보하였고 일반 OPC 콘크리트 맨홀블록 공장에서의 생산과정과 동일한 조건으로 타설하여 6시간 동안 60±5 ℃의 고온양생을 실시한 다음 기건양생을 실시하였다.
- 63인 육상모래를 사용하였다. 콘크리트 타설과 동시에 진동다짐을 실시한 후 곧바로 탈형을 실시하였다. 양생은 일반적으로 돈사바닥재 제작과정에서 사용하는 40 ℃에서 6시간 양생을 실시 한 후 상온에서 기건양생을 실시하였다.
- 플라이애시와 분말형 알칼리 활성화제(Na2O/SiO2=1.1)를 결합재로 하여 최대 치수 19 mm 굵은 골재와 육상모래를 사용하여 1일간 기건양생 후 60 ℃, 24시간 증기양생을 실시하였다. 호안블록용 지오폴리머 콘크리트의 굳지 않은 특성으로 슬럼프는 230 mm, 공기량은 3.
대상 데이터
- 배출 저감형 콘크리트 기술 개발”과제를 수행하면서 건식 바텀애시가 플라이애시와 화학성분이 비슷한 점을 착안하여 적용한 사례이다. 2011년 3월 가뭄 시 하천에서 최소한의 수위를 유지함으로써 수중 생물서식공간을 확보하기 위한 목적으로 플라이애시(FA)와 건식 바텀애시(BA)를 각각 지오폴리머 콘크리트로 사용한 어초둠벙을 제작하여 한국건설기술연구원 내 생태연못에 적용하였다. 어초둠벙은 1,500(가로)×1,500(세로)×150(두께) mm의 크기로 본체와 덮개로 구성되어 어류 등 이동 통로로 활용되기 위해 덮개에 사각형 1개과 원형 8개의 타공을 하였다.
- 2015년 2월에 건식타입의 지오폴리머 콘크리트를 활용하여 축사바닥재를 제작하였다. 그림 4는 건식 지오폴리머 콘크리트를 이용하여 축사바닥재 자동화 시스템 제작 과정으로 결합재는 플라이애시와 고로슬래그 미분말을 1:1 비율로 사용하였고, 분말형태의 알칼리 활성화제(Na2O/SiO2=1.
- 2016년 5월 플라이애시와 고로슬래그 미분말을 혼합시킨 지오폴리머 콘크리트를 활용하여 하수도용 콘크리트 맨홀블록을 제작하였다. <그림 6>은 지오폴리머 콘크리트를 이용하여 맨홀블록을 제작하는 것으로 결합재는 건식타입과 마찬가지로 플라이애시와 고로슬래그를 1:1 비율로 사용하였고, 분말형태의 알칼리 활성화제(Na2O/ SiO2=1.
- 건축구조물 적용사례로 러시아 Lipetsk 지역에서 설계기준압축강도 25 MPa로 24층 주거용 건물과 중국 호북성 Yinshan County에 20 MPa의 설계강도로 6층 규모의 사업용 건물에 적용되었다(Shi, C. et. al., 2006). 2000년도 조사결과 균열과 박리 등이 관찰되지 않는 등 상태가 양호한 것으로 나타났다.
- 1)를 사용하였다. 굵은 골재는 최대 치수 19 mm를 사용하였고 잔골재는 육상모래와 해사의 혼합 모래를 사용하였다. 콘크리트 제작은 슬럼프는 12 ∼ 15 cm로 시공성을 확보하였고 일반 OPC 콘크리트 맨홀블록 공장에서의 생산과정과 동일한 조건으로 타설하여 6시간 동안 60±5 ℃의 고온양생을 실시한 다음 기건양생을 실시하였다.
- 1)를 사용하였다. 굵은 골재의 비중은 2.63, 최대 치수 19 mm이고 잔골재는 비중이 2.63인 육상모래를 사용하였다. 콘크리트 타설과 동시에 진동다짐을 실시한 후 곧바로 탈형을 실시하였다.
- 2015년 2월에 건식타입의 지오폴리머 콘크리트를 활용하여 축사바닥재를 제작하였다. 그림 4는 건식 지오폴리머 콘크리트를 이용하여 축사바닥재 자동화 시스템 제작 과정으로 결합재는 플라이애시와 고로슬래그 미분말을 1:1 비율로 사용하였고, 분말형태의 알칼리 활성화제(Na2O/SiO2=1.1)를 사용하였다. 굵은 골재의 비중은 2.
- 호안블록의 시공면적은 30 m2 (5 m×6 m)으로 총 35개의 호안블록을 제작하여 설치하였다. 사용된 결합재는 플라이애시를 사용하였다. <그림 2>는 호안블록 적용사례이고 <그림 3>은 집수정 현장적용사례를 나타내고 있다.
- 콘크리트 제작은 슬럼프는 12 ∼ 15 cm로 시공성을 확보하였고 일반 OPC 콘크리트 맨홀블록 공장에서의 생산과정과 동일한 조건으로 타설하여 6시간 동안 60±5 ℃의 고온양생을 실시한 다음 기건양생을 실시하였다. 원형 맨홀블록은 무근 콘크리트로써 재령 28일 압축강도는 38.1 MPa이고 원형 맨홀블록의 외력강도는 90.4 KN으로 기준 외력강도 80 KN 이상 확보하였다. 또한 친환경성 평가 시험을 위해 지오폴리머 콘크리트 맨홀 블록으로 어독성 실험을 실시한 결과, 물고기 생존 기간이 일반 OPC 콘크리트에서는 3시간 이후 모두 알칼리 독성으로 인해 죽은 반면 지오폴리머 콘크리트는 pH 12 이하로 48시간이상 생존하였다.
- <그림 7>은 2013년 호주 브리즈번의 퀸즈대학에서 4층짜리 건물에서 3개층의 바닥슬래브에 40 MPa, 33개의 거더 바닥판을 지오폴리머 콘크리트를 이용하여 Global Change Institute 건물에 적용하였다. 이것은 세계 최초 지오폴리머 콘크리트를 구조부재에 적용한 사례이다 (Jannie S.
- 2016년 5월 플라이애시와 고로슬래그 미분말을 혼합시킨 지오폴리머 콘크리트를 활용하여 하수도용 콘크리트 맨홀블록을 제작하였다. <그림 6>은 지오폴리머 콘크리트를 이용하여 맨홀블록을 제작하는 것으로 결합재는 건식타입과 마찬가지로 플라이애시와 고로슬래그를 1:1 비율로 사용하였고, 분말형태의 알칼리 활성화제(Na2O/ SiO2=1.1)를 사용하였다. 굵은 골재는 최대 치수 19 mm를 사용하였고 잔골재는 육상모래와 해사의 혼합 모래를 사용하였다.
- 이것은 지오폴리머 콘크리트의 수중구조물에 사용하기에 큰 장점으로 낮은 pH로 인하여 수중 생물이 낮은 독성으로 죽지 않는다. 이러한 장점을 활용하기 위해 2012년 5월 충남 서산A 간척지 재정비 사업 2공구 간척지구 하천사면에 플라이애시 기반 지오폴리머 콘크리트로 친환경 생태 호안블록과 집수정을 적용하였다. 호안블록의 시공면적은 30 m2 (5 m×6 m)으로 총 35개의 호안블록을 제작하여 설치하였다.
- 4 m 크기의 2개의 물탱크를 일반 시멘트 콘크리트와 지오폴리머 콘크리트로 각각 제작하여 균열에 대한 자기치유 특성을 관찰하였다. 지오폴리머 콘크리트의 설계강도는 32 MPa이고 굵은 골재의 최대치수는 10 mm를 사용하였다. 지오폴리머 콘크리트를 적용한 이유는 일반 시멘트 콘크리트의 경우 시멘트의 수화반응 시 생성되는 수산화칼슘(CaOH2)으로 자기치유 능력을 가지고 있으나 지오폴리머 콘크리트는 수산화 칼슘(CaOH2)이 없기 때문에 균열에 대한 자기치유에 대해 검증하고자 한 것이었다.
- 6 MPa로 나타났다. 집수정용 지오폴리머 콘크리트는 고분말 플라이애시를 사용하였으며, 상온에서 양생을 실시한 압축강도는 약 28 MPa이었다. 지오폴리머 콘크리트를 사용한 호안블록 설치 후 식생생물의 발아를 모니터링한 결과, 다양한 식물종이 발아되어 무성하게 자라는 것으로 나타나 지오폴리머 콘크리트에 식생이 가능함을 확인하였다.
- 한국건설기술연구원에서 2010년부터 3년간 수행한 “바텀애시를 다량 활용한 CO2 배출 저감형 콘크리트 기술 개발”과제를 수행하면서 건식 바텀애시가 플라이애시와 화학성분이 비슷한 점을 착안하여 적용한 사례이다.
- 호안블록의 시공면적은 30 m2 (5 m×6 m)으로 총 35개의 호안블록을 제작하여 설치하였다.
성능/효과
- 0 %이다. 60 ℃에서 밀봉양생을 각각 24시간, 48시간 실시한 후 재령 3일 압축강도는 각각 19.2 MPa, 31.5 MPa이고, 재령 28일 압축강도는 각각 24.5 MPa, 41.6 MPa로 나타났다. 집수정용 지오폴리머 콘크리트는 고분말 플라이애시를 사용하였으며, 상온에서 양생을 실시한 압축강도는 약 28 MPa이었다.
- [표 1]은 플라이애시와 바텀애시의 주요성분으로 SiO2 및 Al2O3가 약 80 %로 화학성분은 유사한 것으로 분석되었고, 건식시스템에서 배출된 바텀애시의 강열감량은 0.01 ∼ 0.03 %로 FA보다 매우 낮게 나타났다.
- 이것은 미반응 시멘트 및 C-S-H 겔이 황산이온과의 반응에 의해 황산칼슘이 석출되어 조직붕괴가 발생된 것으로 분석되었다. 그러나 지오폴리머 콘크리트는 황산에 의한 침식이 전혀 발생되지 않았고 침적 후 일정기간동안 압축강도가 증가하는 것으로 분석되었다. 이러한 원인은 OPC 콘크리트의 경우 산에 대한 주요 부식인자인 Ca(OH)2가 지오폴리머 콘크리트에서는 거의 존재하지 않기 때문에 H+ 이온 침투에 의한 황산칼슘 생성반응이 억제되어 견고한 조직을 유지할 수 있는 것으로 판단된다.
- 지오폴리머 콘크리트를 사용한 호안블록 설치 후 식생생물의 발아를 모니터링한 결과, 다양한 식물종이 발아되어 무성하게 자라는 것으로 나타나 지오폴리머 콘크리트에 식생이 가능함을 확인하였다. 또한 여름 장마철 및 겨울 한파 이후 상태를 확인한 결과 호안블록의 외관 상태는 매우 양호한 것으로 조사되었다.
- 4 KN으로 기준 외력강도 80 KN 이상 확보하였다. 또한 친환경성 평가 시험을 위해 지오폴리머 콘크리트 맨홀 블록으로 어독성 실험을 실시한 결과, 물고기 생존 기간이 일반 OPC 콘크리트에서는 3시간 이후 모두 알칼리 독성으로 인해 죽은 반면 지오폴리머 콘크리트는 pH 12 이하로 48시간이상 생존하였다.
- 설치하고 3년이 경과한 후 2017년 2월 현재 다양한 어종의 수중생물이 서식하고 있다. 생태연못내의 어초둠벙은 물에 침수되어 있기 때문에 유해물질이 바텀애시 기반 지오폴리머 콘크리트에서 용출될 가능성으로 1년 뒤 중금속용출 여부를 폐기물공정시험기준(2011)에 따라 측정한 결과 Pb, Cd, Cr, Cu, As, Hg와 같은 6대 중금속은 검출되지 않았고, 알칼리 활성화제로써 사용되는 Na 성분이 16.7 mg/L 검출되었다.
- <그림 5>는 지오폴리머 콘크리트의 내화학저항성 실험결과이다. 시험결과 OPC 콘크리트의 경우 모두 표면으로부터 황산에 의한 침식을 받아 표면박리 현상이 나타났다. 이것은 미반응 시멘트 및 C-S-H 겔이 황산이온과의 반응에 의해 황산칼슘이 석출되어 조직붕괴가 발생된 것으로 분석되었다.
- 집수정용 지오폴리머 콘크리트는 고분말 플라이애시를 사용하였으며, 상온에서 양생을 실시한 압축강도는 약 28 MPa이었다. 지오폴리머 콘크리트를 사용한 호안블록 설치 후 식생생물의 발아를 모니터링한 결과, 다양한 식물종이 발아되어 무성하게 자라는 것으로 나타나 지오폴리머 콘크리트에 식생이 가능함을 확인하였다. 또한 여름 장마철 및 겨울 한파 이후 상태를 확인한 결과 호안블록의 외관 상태는 매우 양호한 것으로 조사되었다.
- 지오폴리머 콘크리트를 타설하고 1일간 기건양생을 한 후에 60 ℃, 24시간 증기양생을 실시하였다. 플라이애시와 바텀애시를 사용한 지오폴리머 콘크리트의 압축강도는 각각 24.3 MPa, 21.7 MPa로 나타났다. 설치하고 3년이 경과한 후 2017년 2월 현재 다양한 어종의 수중생물이 서식하고 있다.
후속연구
- 그러나 복잡한 반응 메커니즘으로 인하여 제품으로의 개발에 어려운 점이 존재하는 것 또한 사실이다. 따라서, 다양한 연구를 통해 반응 메커니즘을 규명하고, 적극적인 현장에 적용하여 산업부산물을 건설재료산업에 활용하여 시멘트를 대체 할 수 있기를 바란다.
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