레드머드 대체율에 따른 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트 모르타르의 기공 및 백화특성 Pore and Efflorescence Characteristics of Alkali Activated Slag-Red Mud Cement Mortar depending on Red Mud Content원문보기
본 연구에서는 레드머드 대체율에 따른 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트모르타르의 압축강도, 기공특성, 흡수율, 용출특성 및 백화 특성을 검토하여 알칼리활성화 슬래그 시멘트에 나트륨계 자극제인 레드머드를 사용함으로서 발생될 수 있는 백화특성을 확인하였다. 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트에서 레드머드 대체율이 높아질수록 10~100nm 직경의 기공은 증가하였으며 백화면적이 증가하는 것으로 나타났다. 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 백화물질은 $Na_2SO_4$가 가장 많이 생성되며 다음으로 $Na_2CO_3$로 백화의 발생원인은 레드머드에서 공급되는 Na+인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 레드머드 대체율에 따른 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트 모르타르의 압축강도, 기공특성, 흡수율, 용출특성 및 백화 특성을 검토하여 알칼리활성화 슬래그 시멘트에 나트륨계 자극제인 레드머드를 사용함으로서 발생될 수 있는 백화특성을 확인하였다. 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트에서 레드머드 대체율이 높아질수록 10~100nm 직경의 기공은 증가하였으며 백화면적이 증가하는 것으로 나타났다. 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 백화물질은 $Na_2SO_4$가 가장 많이 생성되며 다음으로 $Na_2CO_3$로 백화의 발생원인은 레드머드에서 공급되는 Na+인 것으로 판단된다.
Red mud is an inorganic by-product obtained from the mineral processing of alumina from Bauxite ores. A highly alkali inorganic waste product with a pH level over 11, red mud in its original state negatively impacts the ecosystem, so appropriate treatment is necessary. The development of alkali acti...
Red mud is an inorganic by-product obtained from the mineral processing of alumina from Bauxite ores. A highly alkali inorganic waste product with a pH level over 11, red mud in its original state negatively impacts the ecosystem, so appropriate treatment is necessary. The development of alkali activated slag-red mud cement can be a representative study aimed at recycling the strong alkali of the red mud as a construction material. However, Alkali-activated binders that use sodium activators have been reported to be more vulnerable to efflorescence. Therefore, in this study, the compressive strength, pore characteristics, water absorption, elution characteristics, and efflorescence properties of alkali-activated slag cement mortar were assessed according to their red mud substitution ratio.
Red mud is an inorganic by-product obtained from the mineral processing of alumina from Bauxite ores. A highly alkali inorganic waste product with a pH level over 11, red mud in its original state negatively impacts the ecosystem, so appropriate treatment is necessary. The development of alkali activated slag-red mud cement can be a representative study aimed at recycling the strong alkali of the red mud as a construction material. However, Alkali-activated binders that use sodium activators have been reported to be more vulnerable to efflorescence. Therefore, in this study, the compressive strength, pore characteristics, water absorption, elution characteristics, and efflorescence properties of alkali-activated slag cement mortar were assessed according to their red mud substitution ratio.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 백화특성을 규명하고자 레드머드 대체율에 따른 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트 모르타르의 압축강도, 기공특성, 흡수율, 용출특성 및 백화 특성을 검토하였다. 본 연구 결과를 통하여 레드머드의 건설산업 재활용에 있어서 장애요소인 백화를 저감 시킬 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 백화특성을 규명하고자 레드머드 대체율에 따른 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트 모르타르의 압축강도, 기공특성, 흡수율, 용출특성 및 백화 특성을 검토하였다. 본 연구 결과를 통하여 레드머드의 건설산업 재활용에 있어서 장애요소인 백화를 저감 시킬 수 있는 기초자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 레드머드 대체율에 따른 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트 모르타르의 압축강도, 기공특성, 흡수율, 용출특성 및 백화 특성을 검토하여 알칼리활성화 슬래그 시멘트에 나트륨계 자극제인 레드머드를 사용함으로서 발생될 수 있는 백화특성을 확인하였다. 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트에서 레드머드 대체율이 높아질수록 10 ∼100nm 직경의 기공은 증가하였으며 백화면적이 증가하는 것으로 나타났다.
알칼리활성화 시멘트에 레드머드를 활용하고자 레드머드 대체율에 따른 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트 모르 타르의 기공 및 백화특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
모르타르의 압축강도를 측정하기 위하여 KS L ISO 679에 의거하여 공시체를 각 재령별로 3개씩 제작하여 양생온도 20±2℃ 및 상대습도 70%의 항온항습실에서 양생하였다. 3일, 7일 및 28일이 경과한 후에 압축강도 시험방법에 따라 압축강도를 측정하였다.
알칼리활성화 슬래그-레드머드 모르타르를 제작하기 위하여 모르타르 배합은 Table 1에 나타낸 바와 같이 알칼리활성화 슬래그 시멘트에 레드머드를 중량비로 0, 5, 10, 20, 30% 대체하였다. W/B 75%, B:S 1:3로 설정하였으며 압축 강도, 기공특성, 백화발생면적, 흡수율, 용출시험 등을 진행하였다.
건조된 시험체의 측면은 에폭시로 실링 처리하고, 약 20℃의 물에 2∼10mm 정도의 깊이로 담근 후 10분, 30분, 1시간, 6시간 및 24시간에 시험체의 물흡수량을 측정하였다.
백화 등급은 정량화된 백화발생 면적을 Table 5에 나타낸 바와 같이 백화 발생 면적에 따라 5등급으로 구분하였다. 또한 시험체 표면에 발생한 백화물질을 채취하여 EDS 및 XRD 분석을 실시하였다. Figure 3은 백화 촉진 항온항습기에서 14일 침지한 후 시험체에서 발생한 백화 사진을 Figure 3 (a)에 나타내었으며 이를 ‘페인 트넷’으로 화상처리한 사진을 (b)에 나타내었다.
모르타르의 압축강도를 측정하기 위하여 KS L ISO 679에 의거하여 공시체를 각 재령별로 3개씩 제작하여 양생온도 20±2℃ 및 상대습도 70%의 항온항습실에서 양생하였다.
건조된 시험체의 측면은 에폭시로 실링 처리하고, 약 20℃의 물에 2∼10mm 정도의 깊이로 담근 후 10분, 30분, 1시간, 6시간 및 24시간에 시험체의 물흡수량을 측정하였다. 물흡수량을 시험체 질량으로 나누어 흡수율을 산정하였다.
백화발생 면적은 백화 촉진 항온항습기에서 14일 침지 후 백화 발생 정도를 사진 촬영하고 ‘페인트넷’ 프로그램으로 백화발생 면적을 산출하여 정량화하였다.
백화시험은 28일 양생 후 시험편의 측면을 파라핀으로 실링처리하고 온도 7℃, 상대습도 50% 조건의 항온항습기에서 14일 동안 시험체 하부 2∼10mm를 증류수에 침지하여 백화발생을 살펴보았다.
백화시험체는 5×5×5cm 시험체를 제작하여 온도 20℃, 상대습도 60%에서 28일 양생하였다.
선별된 분말 샘플과 증류수를 중량비 1:50으로 혼합하여 촉진 백화시험 조건과 동일한 온도 7℃, 상대습도 50% 조건의 항온항습기에 48시간 유지한 후 분말샘플이 침전되어 맑아진 상층부에서 채취한 20mL를 거름종이로 걸러냈다. 백화의 주요한 잠재요인으로 판단되는 백화 전 및 후 시험체에서의 가용성 Na+와 Ca+ 용출량은 걸러진 액상 샘플을 이용하여 ICP-OES분석으로 정량 측정하였다.
알칼리활성화 슬래그-레드머드 모르타르를 제작하기 위하여 모르타르 배합은 Table 1에 나타낸 바와 같이 알칼리활성화 슬래그 시멘트에 레드머드를 중량비로 0, 5, 10, 20, 30% 대체하였다. W/B 75%, B:S 1:3로 설정하였으며 압축 강도, 기공특성, 백화발생면적, 흡수율, 용출시험 등을 진행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 골재의 KS L 5100의 표준사를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 알칼리활성화 슬래그 시멘트는 산업 부산물만으로 제조된 클링커프리 시멘트로서 고로슬래그미 분말의 주요 자극제로서 탈황석고를 사용하였다. 탈황석고는 유동층 연소보일러 배기가스 황산화물 저감을 위하여 건식탈황을 하는 과정에서 발생된다.
본 연구에서는 결합재로서 국내 C사의 산업부산물만으로 제조된 분말형 알칼리활성화 슬래그 시멘트를 사용하였으며 Table 2에 물리·화학적 성질을 보통 포틀랜트 시멘트와 함께 나타내었다.
) 성분을 가성소다 용액으로 추출하고 다시 고형물질로 석출되는 산업 부산물이다[9]. 본 연구에서는 함수율 50%의 상태로 배출되고 있는 레드머드를 함수율 10%내외로 가열 및 분쇄시켜 건조되어진 분말 레드머드를 사용하였다.
촉진 백화시험 전과 후 시험체를 파쇄하여 1.25∼1.50mm의 분말을 선별하였다.
성능/효과
1) 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 레드머드 대체율에 따른 압축강도는 14.5∼26.0MPa로서 레드머드를 대체율이 증가할수록 압축강도는 감소하는 경향을 보이고 있다.
2) 레드머드를 대체율에 따른 기공은 직경 10∼1000nm의 모세관 공극이 증가하게 되고 모세관작용에 의한 흡수율 커지게 됨으로서 백화를 발생시키는 경화체 내부의 가용성 염이 용해되어 콘크리트 표면으로 이동하는 이동 통로가 증가되어 백화발생 가능성은 높아지게 된다.
3) 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 레드머드 첨가율이 증가할수록 백화면적이 증가하며 레드머드 대체율 5%까지는 백화발생면적 10% 미만의 Ⅱ등급 수준을 보이고 있으나 10%이상 사용시 백화발생면적은 급격히 증가하였다.
4) 알칼리화성화 슬래그-레드머드 시멘트의 백화물질은 Na2SO4가 가장 많이 나타나며 다음으로 Na2CO3가 나타나 백화의 주요 발생원인은 Na+로 판단되며 Na+의 주요 공급원은 레드머드일 것으로 판단된다.
5) 레드머드 대체율이 증가할수록 가용성 Na+ 용출량은 증가하여 백화발생 면적은 증가하였으며, 백화 발생의 주요한 잠재 요소인 가용성 Ca+ 및 Na+가 동시에 존재할 경우 용해도가 높은 Na+의 용출량이 작더라도 백화발생에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
O의 주요 공급원은 레드머드인 것으로 판단 된다. 따라서 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트에서의 백화시험 전 Na+ 용출량은 레드머드 대체율이 0%에서 16.7ppm, 레드머드 대체율 10%에서 30.8ppm, 레드머드 대체율 30%에서 60.0ppm으로 나타났으며 백화시험 후 용출량은 백화시험 전과 유사한 수준을 보이고 있다. 또한 Na+ 용출량은 레드머드 대체율이 증가할수록 증가하며 백화발생 면적도 증가하고 있다.
는 미미하게 발생되었다. 또한 레드머드 대체율이 증가할수록 Na+의 용출량은 증가하며 백화발생 면적도 증가하였다. 이는 백화 발생의 주요한 잠재 요소인 Ca+ 및 Na+ 중 본 연구의 범위에서는 Na+의 용출량이 백화 발생에 더 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
백화시험 후 시험체에서의 가용성 Ca+ 용출량은 시험전과 비교하여 모든 시험체에서 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 백화시험에서 시험체를 28일 동안 20℃에서 양생한 후 옆면은 실링처리 하고 하부면만 침지시키게 되는데 물의 흡수가 모세관 현상에 의하여 하부에서 상부로 향하게 된다.
이는 Figure 1에 나타낸 알칼리활성화 슬래그 시멘트 페이스트의 28일 경과 후 XRD 분석결과에서 알 수 있다. 알칼리활성화 슬래그 시멘트의 수화생성물은 보통 포틀랜트 시멘트와 다르게 Ca(OH)2와 CSH겔이 상대적으로 적고 에트린가이트가 58%로 가장 많이 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 알칼리활성화 슬래그 시멘트의 수화반응은 다량의 에트린가이트와 함께 생성된 C-S-H겔로 이루어진 다는 기존 연구와 일치하고 있다[2].
본 연구에서는 결합재로서 국내 C사의 산업부산물만으로 제조된 분말형 알칼리활성화 슬래그 시멘트를 사용하였으며 Table 2에 물리·화학적 성질을 보통 포틀랜트 시멘트와 함께 나타내었다. 알칼리활성화 슬래그 시멘트의 화학조성은 SiO2 22.1%, Al2O3 8.9%, CaO 54.9% 및 SO3 5.2%로서 보통 포틀랜트 시멘트와 비교하여 CaO와 Al2O3의 조성 비율이 낮지만 SO3의 조성비율이 높은 것으로 나타났다. 또한 물리적 특성으로 비표면적은 4,058cm2/g으로서 보통 포틀랜트 시멘트와 비교하여 크고, 밀도는 2.
알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트에서 레드머드 대체율이 높아질수록 10 ∼100nm 직경의 기공은 증가하였으며 백화면적이 증가하는 것으로 나타났다.
알칼리활성화 슬래그-레드머드 시험체에 발생된 백화물질을 EDS 분석하였으며 그 결과를 Figure 9에 나타내었다. 알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 백화 물질 분석결과 백화 성분은 Na가 가장 많은 양을 차지하고 있었으며, Ca 및 Al도 미량이 나타났다. Na의 경우 알칼리활성화 슬래그 레드머드 시험체 백화에서 23.
알칼리활성화 슬래그-레드머드 시멘트의 레드머드 대체 율에 따른 기공량을 Figure 5에 나타내었다. 알칼리활성화 시멘트에 레드머드를 혼입하면 전체 기공량은 증가하는 경향으로 나타났다. 특히 200nm∼7000nm 공극 사이즈의 기공량은 무혼입과 비교하여 큰 차이를 나타내고 있다.
주요 자극제로서 사용한 탈황석고의 화학성분을 Table 3에 나타내었다. 화학조성은 CaO 73.2%, SO3 21.9%로서 전체 94%를 차지하고 있어 알칼리활성화 슬래그시멘트에서 고로슬래그 표면을 자극하여 수화반응을 유도할 수 있을 것으로 사료된다. 이는 Figure 1에 나타낸 알칼리활성화 슬래그 시멘트 페이스트의 28일 경과 후 XRD 분석결과에서 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알칼리활성화 시멘트의 장점은 무엇인가?
특히 고로슬래그 미분말을 활성화 반응의 주요 재료로 하는 알칼리활성화 슬래그 시멘트는 강알칼리나 황산염과 같은 물질을 고로슬래그의 자극제로 사용하여 고로슬래그의 수화반응을 이끌어내 시멘트 대체제로 활용가능하다[2]. 알칼리활성화 시멘트는 산업부산물의 재활용과 환경부하 저감 등의 환경적인 장점과 조기강도 증진, 낮은 수화열, 우수한 화학저항성 등의 기술적 장점을 가지고 있어 많은 연구가 이루어지고 있다[3]. 알칼리활성화 슬래그 시멘트의 자극제 로서 주로 쓰이고 있는 수산화나트륨 수용액(NaOH)과 규산 나트륨 수용액(Na2SiO3)은 우수한 성능이 검증된 자극제로서 평가되고 있다.
알칼리활성화 슬래그 시멘트의 한계점은 무엇인가?
그러나 알칼리활성화 슬래그 시멘트의 주요 자극제로 사용되는 액상형 자극제는 강알칼리성으로 인한 위험성과 경제적인 단점으로 현장적용이 어렵기 때문에 고가의 액상 자극제 대신 활용가능한 산업부산물을 함께 활용하고자 하는 연구가 수행되고 있다[3].
친환경 콘크리트에 대한 관심으로 인해 주목받고 있는 것은 무엇인가?
이러한 문제를 해결하기 위하여 국내외적으로 친환경 콘크리트에 대한 관심이 증가되며 보통 포틀랜트 시멘트 제조시 발생되는 이산화탄소 감축기술 개발을 위해 노력하고 있다. 이에 대한 결과로 고로슬래그나 플라이애시 등과 같은 산업부산물을 활용한 알칼리활성화 시멘트가 주목받고 있다. 특히 고로슬래그 미분말을 활성화 반응의 주요 재료로 하는 알칼리활성화 슬래그 시멘트는 강알칼리나 황산염과 같은 물질을 고로슬래그의 자극제로 사용하여 고로슬래그의 수화반응을 이끌어내 시멘트 대체제로 활용가능하다[2].
참고문헌 (9)
Pacheco-torcal, Fernando, Labrincha, Joao, Leonelli, C. Handbook of Alkali-activated cements, Mortars and Concretes. USA: Elsevier Science Ltd; 2014. Chapter 9, Analysing the relation between pore structure and permeability of alkali-activated concrete binders; p.243-57.
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Pontikes Y, Angelopoulos GN. Bauxite residue in cement and cementitious applications : Current status and a possible way forward, Resources. Conservation and Recycling. 2013 1;73:53-63.
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