고강도 콘크리트 혼화재로서 국산 왕겨재의 활용 가능성: 소성 온도와 분쇄공정 유무에 따른 입도, 성분 및 흡습 성능 Feasibility of Korean Rice Husk Ash as Admixture for High Strength Concrete: Particle Size Distribution, Chemical Composition and Absorption Capacity Depending on Calcination Temperature and Milling Process원문보기
이 연구는 제조 공정에 따른 국산 왕겨재의 재료특성 변화를 조사하는 것과 고강도 콘크리트 혼화재로서의 활용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 왕겨재의 소성온도 ($400^{\circ}C$, $650^{\circ}C$ 그리고 $900^{\circ}C$) 및 분쇄 여부를 주요 변수로 두고 그것의 입도 분포, 구성 성분, 그리고 미세구조가 분석되었다. X-ray fluorescence (XRF)를 이용한 성분 분석 결과, $650^{\circ}C$ 이상의 고온소성 공정을 거칠 경우, 왕겨재의 산화규소($SiO_2$) 함량이 92% 이상으로 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 주사 현미경 촬영을 통해 $650^{\circ}C$ 에서 소성된 왕겨가 다공성 구조인 것을 확인하였으며, 이 공정이 적용된 시편의 흡습성능이 모든 시편들 중 가장 우수하였다. 분쇄 공정 적용시 공극구조가 파괴되기 때문에 흡습능력은 더 감소하는 경향을 보였다. 반면, $900^{\circ}C$ 에서 소성된 시편은 공극구조가 발견되지 않았고, 흡수율 역시 가장 낮게 나타났다. 분석결과를 근거로, $650^{\circ}C$ 에서 소성된 왕겨재는 포졸란 반응 활성화제 뿐만 아니라 흡습성능에 의한 자기수축 저감제로서 고강도 콘크리트를 위한 혼화재로서 적합한 것으로 결론 내려진다.
이 연구는 제조 공정에 따른 국산 왕겨재의 재료특성 변화를 조사하는 것과 고강도 콘크리트 혼화재로서의 활용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 왕겨재의 소성온도 ($400^{\circ}C$, $650^{\circ}C$ 그리고 $900^{\circ}C$) 및 분쇄 여부를 주요 변수로 두고 그것의 입도 분포, 구성 성분, 그리고 미세구조가 분석되었다. X-ray fluorescence (XRF)를 이용한 성분 분석 결과, $650^{\circ}C$ 이상의 고온소성 공정을 거칠 경우, 왕겨재의 산화규소($SiO_2$) 함량이 92% 이상으로 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 주사 현미경 촬영을 통해 $650^{\circ}C$ 에서 소성된 왕겨가 다공성 구조인 것을 확인하였으며, 이 공정이 적용된 시편의 흡습성능이 모든 시편들 중 가장 우수하였다. 분쇄 공정 적용시 공극구조가 파괴되기 때문에 흡습능력은 더 감소하는 경향을 보였다. 반면, $900^{\circ}C$ 에서 소성된 시편은 공극구조가 발견되지 않았고, 흡수율 역시 가장 낮게 나타났다. 분석결과를 근거로, $650^{\circ}C$ 에서 소성된 왕겨재는 포졸란 반응 활성화제 뿐만 아니라 흡습성능에 의한 자기수축 저감제로서 고강도 콘크리트를 위한 혼화재로서 적합한 것으로 결론 내려진다.
This study examined the material properties of Korean rice husk ash (RHA) according to the manufacturing process, and evaluated the feasibility of its use as a new admixture for high strength concrete. For this purpose, its particle size distribution, chemical composition, and microstructure were an...
This study examined the material properties of Korean rice husk ash (RHA) according to the manufacturing process, and evaluated the feasibility of its use as a new admixture for high strength concrete. For this purpose, its particle size distribution, chemical composition, and microstructure were analyzed under various parameters, such as calcination temperature ($400^{\circ}C$, $650^{\circ}C$, and $900^{\circ}C$) and the inclusion of a milling process. X-ray fluorescence analysis confirmed that the silicon oxide ($SiO_2$) content of RHA was improved to more than 92% with a calcination process at $650^{\circ}C$ or higher. In addition, microstructural analysis showed that the RHA calcined at $650^{\circ}C$ has a porous structure. Because of this, the absorption capacity of the RHA was improved. On the other hand, when the milling process was applied, the porous structure was destroyed; thus, the absorption capacity tended to decrease further. Based on the analysis results, it was concluded that RHA calcined at $650^{\circ}C$ can be used as an admixture for high strength concrete, which possesses functions of both a shrinkage reducing agent and a pozzolanic activator.
This study examined the material properties of Korean rice husk ash (RHA) according to the manufacturing process, and evaluated the feasibility of its use as a new admixture for high strength concrete. For this purpose, its particle size distribution, chemical composition, and microstructure were analyzed under various parameters, such as calcination temperature ($400^{\circ}C$, $650^{\circ}C$, and $900^{\circ}C$) and the inclusion of a milling process. X-ray fluorescence analysis confirmed that the silicon oxide ($SiO_2$) content of RHA was improved to more than 92% with a calcination process at $650^{\circ}C$ or higher. In addition, microstructural analysis showed that the RHA calcined at $650^{\circ}C$ has a porous structure. Because of this, the absorption capacity of the RHA was improved. On the other hand, when the milling process was applied, the porous structure was destroyed; thus, the absorption capacity tended to decrease further. Based on the analysis results, it was concluded that RHA calcined at $650^{\circ}C$ can be used as an admixture for high strength concrete, which possesses functions of both a shrinkage reducing agent and a pozzolanic activator.
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문제 정의
고강도 콘크리트의 혼화재로 활용하기 위한 기초 연구로서, 소성 온도 및 분쇄 유무에 따른 왕겨재의 재료 특성을 실험 및 분석하였다. 이러한 연구의 결과는 아래와 같이 정리할 수 있다.
왕겨재의 흡습 능력을 측정하기 위한 실험을 수행 하였다. 모르타르, 암석, 자갈 등을 대상으로 하고 있는 현행 건설재료의 흡수력 측정방법[17]은 이 연구에는 적합하지 않는 것으로 판단하였다.
그러나, 현재까지 이러한 추가공정에 따른 왕겨재의 입도 및 흡습 능력에 관한 연구는 수행되지 않고 있다. 이러한 배경에서, 이 연구는 제조공정에 따른 왕겨재의 재료특성 변화를 조사하는 것과 고강도 콘크리트 혼화재로서의 활용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 국산 왕겨재를 이용하여 소성 온도 및 분쇄 여부를 주요 변수로 두고 입도, 성분 및 이미지 분석을 수행하였고, 그 결과를 고찰하였다.
제안 방법
따라서 0.3 g의 샘플이 담긴 페트리디쉬를 습윤 상태인 항온-항습기 (온도 20 °C, 습도 100%)에 넣은 뒤 10분, 30분, 1시간, 3시간, 6시간, 12시간 그리고 30시간째 질량을 측정하여 시간에 따른 흡습율의 변화를 산정하였다.
분쇄된 샘플들을 이용하여, 소성 온도에 따른 왕겨재의 성분 변화를 확인하기 위해 X선 형광분석(XRF)을 수행하였다. 또한, 입도분포 변화를 확인하기 위해 레이저 회절법을 이용한 입도분석을 진행하였다. 미세 구조 관찰을 위해 주사 현미경(SEM)을 이용한 이미지 촬영도 진행되었다.
또한, 입도분포 변화를 확인하기 위해 레이저 회절법을 이용한 입도분석을 진행하였다. 미세 구조 관찰을 위해 주사 현미경(SEM)을 이용한 이미지 촬영도 진행되었다. 이를 위해 6종의 샘플들을 탄소 테이프를 이용하여 홀더 위에 얇게 펴 바른 뒤 샘플들의 표면을 다시 탄소로 코팅하였다.
분쇄된 샘플들을 이용하여, 소성 온도에 따른 왕겨재의 성분 변화를 확인하기 위해 X선 형광분석(XRF)을 수행하였다. 또한, 입도분포 변화를 확인하기 위해 레이저 회절법을 이용한 입도분석을 진행하였다.
미세 구조 관찰을 위해 주사 현미경(SEM)을 이용한 이미지 촬영도 진행되었다. 이를 위해 6종의 샘플들을 탄소 테이프를 이용하여 홀더 위에 얇게 펴 바른 뒤 샘플들의 표면을 다시 탄소로 코팅하였다.
이러한 배경에서, 이 연구는 제조공정에 따른 왕겨재의 재료특성 변화를 조사하는 것과 고강도 콘크리트 혼화재로서의 활용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 국산 왕겨재를 이용하여 소성 온도 및 분쇄 여부를 주요 변수로 두고 입도, 성분 및 이미지 분석을 수행하였고, 그 결과를 고찰하였다.
대상 데이터
우선, 사용된 왕겨재 제품은 순천에 위치한 농협 미곡처리장에서 도정된 부산물인 왕겨를 국내 P사에서 400 °C 에서 소성시킨 것으로서(Fig.
성능/효과
1) 구성성분 분석 결과, 왕겨재를 650 °C 에서 소성할 경우 고순도 SiO2 를 가지는 혼화재를 얻을 수 있었다.
2) 분쇄된 왕겨재들의 입도분석을 수행하였으며, 400-650 °C 의 온도범위에서는 입도분포에 주목할 만한 변화가 없었다.
3) 주사 현미경을 이용한 이미지 분석 결과, 650 °C 에서 소성된 샘플에 다공성 구조가 확인되었다.
4) 흡습율을 측정한 결과, 분쇄 여부와 관계없이 650°C 에서 소성된 시편의 흡습 능력이 가장 우수하였고, 900°C 에서 소성된 시편의 그것이 가장 낮았다.
4에 평균과 표준편차로 나타냈다. 소성온도와 분쇄여부와 관계없이 모든 시편들은 측정 시작 12시간 만에 수렴하는 경향을 보였다. 우선 소성온도에 관하여, 650 °C 에서 소성된 시편의 흡습율이 가장 높고, 900 °C 에서 소성된 시편이 가장 낮은 것으로 평가되었다.
연구의 결과를 종합하면, 왕겨를 고강도 콘크리트용 혼화재로 사용되기 위해 필요한 추가공정은 평균입도 10 μm 이하로 분쇄 후 최고온도 650°C 에서 소성하는 것으로 결론 내려진다.
예비실험을 통해, 600 °C 이상의 소성을 거치게 되면 왕겨재의 밀도가 급격히 감소하기 때문에, 분쇄가 매우 어렵고 비효율적이 되는 것을 확인하였다.
우선 소성온도에 관하여, 650 °C 에서 소성된 시편의 흡습율이 가장 높고, 900 °C 에서 소성된 시편이 가장 낮은 것으로 평가되었다.
이 뿐만이 아니라, 추가적으로 형성된 다공성 구조 덕분에 흡습 능력 역시 겸비 한다. 이러한 추가공정이 적용된 왕겨재의 재료특성들은 고강도 콘크리트의 혼화재를 위한 두 가지의 핵심 성능(포졸란 반응성의 활성화, 흡습 성능에 의한 자기수축 저감효과)에 있어 충분히 긍정적이라는 것을 보여주었다.
후속연구
즉, 비정질 SiO2 가 결정질로 전환되는 과정에서의 체적변화가 이러한 입도분포의 변화를 유도한 것으로 추정된다. 이와 같이 소성온도가 추가로 증가함에 따라 입자크기가 더감소한 이 연구의 결과는, 왕겨재를 이용하여 입도가 매우 작은 결정질 고순도 SiO2 분말을 제조하는데 활용 될수 있다. 즉, 분쇄를 통해 제조 될 수 있는 최소입자 크기에서 추가 소성에 의해 더 작은 입도를 갖는 SiO2 분말 제조가 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서 왕겨는 어떻게 사용되고 있는가?
왕겨는 동남아시아는 물론 한국의 주요 식재료인 쌀의 부산물이다. 국내에서 왕겨는 현재 월동작물 보호재, 축산시설의 바닥용 깔개 및 퇴비로 사용되고 있으며, 사용 후 전량 폐기되어 왔다[1]. 그러나 이러한 농업부산물은 쌀을 생산하는 국가에서 쉽게 활용 할 수 있는 자원이 될 수 있다.
왕겨란 무엇인가?
왕겨는 동남아시아는 물론 한국의 주요 식재료인 쌀의 부산물이다. 국내에서 왕겨는 현재 월동작물 보호재, 축산시설의 바닥용 깔개 및 퇴비로 사용되고 있으며, 사용 후 전량 폐기되어 왔다[1].
왕겨는 어떻게 활용 될 수 있는가?
그러나 이러한 농업부산물은 쌀을 생산하는 국가에서 쉽게 활용 할 수 있는 자원이 될 수 있다. 특히, 1인당 쌀 소비량 감소로 인해 벼농사의 이익창출이 점점 어려워지고 있는 현 시점에서, 이러한 부산물의 활용범위를 건설재료까지 확대한다면 국내 농가의 부가가치 창출은 물론이고, 저렴한 건설 혼화재 공급으로 인한 건설 산업 경쟁력 제고에도 기여 할 수 있다.
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