일반적으로 플라이애시의 입도, 화학성분, 비정질양, 비정질 Si, Al 양등 매우 다양한 요인이 시멘트와의 반응에 영향을 미치고 있다. 본 연구에서는 플라이애시의 입자 특성이 압축강도에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 표준사를 플라이애시와 유사한 입도로 분쇄하여 플라이애시와 동일하게 시멘트와 배합하여 압축강도를 측정하였다. 측정된 압축강도 결과 값을 사용하여 시멘트 수화반응에 의한 강도와 입자 충진 효과에 의한 강도 증진을 확인하였다. 표준사 분말을 치환한 모르타르의 압축강도 결과를 활용하여 플라이애시의 포졸란 반응에 의한 강도 증가분을 계산하였다. 이러한 결과 값과 플라이애시의 입자 특성을 비교한 결과, 분말도는 압축강도와 약한 상관성을 보이고 있으며, PI(Pozzolanic Index)는 10% 통과직경(D10)과 50% 통과직경(D50)과 좋은 상관관계를 나타내었다. 따라서 향후 PI와 D10과의 상관성은 플라이애시의 화학적 특성과 함께 플라이애시 특성을 파악하는 좋은 수단이 될 것으로 판단된다.
일반적으로 플라이애시의 입도, 화학성분, 비정질양, 비정질 Si, Al 양등 매우 다양한 요인이 시멘트와의 반응에 영향을 미치고 있다. 본 연구에서는 플라이애시의 입자 특성이 압축강도에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 표준사를 플라이애시와 유사한 입도로 분쇄하여 플라이애시와 동일하게 시멘트와 배합하여 압축강도를 측정하였다. 측정된 압축강도 결과 값을 사용하여 시멘트 수화반응에 의한 강도와 입자 충진 효과에 의한 강도 증진을 확인하였다. 표준사 분말을 치환한 모르타르의 압축강도 결과를 활용하여 플라이애시의 포졸란 반응에 의한 강도 증가분을 계산하였다. 이러한 결과 값과 플라이애시의 입자 특성을 비교한 결과, 분말도는 압축강도와 약한 상관성을 보이고 있으며, PI(Pozzolanic Index)는 10% 통과직경(D10)과 50% 통과직경(D50)과 좋은 상관관계를 나타내었다. 따라서 향후 PI와 D10과의 상관성은 플라이애시의 화학적 특성과 함께 플라이애시 특성을 파악하는 좋은 수단이 될 것으로 판단된다.
In general, various factors such as grain size, chemical composition, amorphous amount, amorphous Si and Al content of fly ash affect the reaction with cement. In this study, we investigate the effect of fly ash particle characteristics on compressive strength. The standard sand was pulverized to a ...
In general, various factors such as grain size, chemical composition, amorphous amount, amorphous Si and Al content of fly ash affect the reaction with cement. In this study, we investigate the effect of fly ash particle characteristics on compressive strength. The standard sand was pulverized to a particle size similar to that of fly ash and the compressive strength was measured by blending with the cement as in fly. Using the measured compressive strength results, strength enhancement by cement hydration reaction and strength enhancement by particle filling effect were confirmed. Strength increment by pozzolanic reaction of fly ash was calculated by using the compressive strength results of mortar substituted with standard powder. As a result of comparison between compressive strengths and the particle characteristics of fly ash, the blaine showed a weak correlation with the compressive strength and the PI(Pozzolanic Index) showed good correlation with the 10% penetration diameter(D10) and the 50% Respectively. Therefore, it is expected that PI will be a good means to evaluate the fly ash characteristics together with the chemical characteristics of fly ash.
In general, various factors such as grain size, chemical composition, amorphous amount, amorphous Si and Al content of fly ash affect the reaction with cement. In this study, we investigate the effect of fly ash particle characteristics on compressive strength. The standard sand was pulverized to a particle size similar to that of fly ash and the compressive strength was measured by blending with the cement as in fly. Using the measured compressive strength results, strength enhancement by cement hydration reaction and strength enhancement by particle filling effect were confirmed. Strength increment by pozzolanic reaction of fly ash was calculated by using the compressive strength results of mortar substituted with standard powder. As a result of comparison between compressive strengths and the particle characteristics of fly ash, the blaine showed a weak correlation with the compressive strength and the PI(Pozzolanic Index) showed good correlation with the 10% penetration diameter(D10) and the 50% Respectively. Therefore, it is expected that PI will be a good means to evaluate the fly ash characteristics together with the chemical characteristics of fly ash.
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문제 정의
본 연구에서는 산지가 다른 19종의 플라이애시의 입자 특성에 대하여 분석하고 모르타르 배합실험을 통하여 플라이애시 입자 특성이 포졸란 반응에 미치는 영향에 대하여 평가하였다.
본 연구에서는 플라이애시의 입자 특성이 플라이애시 시멘트 모르타르 강도에 영향을 미치고 있는 것을 확인하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
포졸란 반응에 의한 강도 증분율(Pozzolanic Index, PI)은 아래 보이는 식 (1)과 같이 계산하였다. 이 식에서 포졸란 반응성이 없고, 입도가 플라이애시와 유사한 표준사에 의한 강도는 입자 충진 효과에 의한 것으로 가정하였다. 플라이애시 모르타르 압축강도에서 표준사 모르타르 강도의 차이를 포졸란 반응에 의한 강도 증가로 추정하였다.
제안 방법
모르타르의 압축강도는 각 실험재령에 따라 400×400×1600mm 크기의 시험체를 제작하여, 24시간 동안 상대습도 95% 이상인 습기함에서 양생한 후, 탈형하여 20±1℃로 조절되는 수조에서 시험재령까지 양생하였다.
플라이애시의 특성에 따른 모르타르 강도 변화는 KS L 5405 부속서 A에 따라서 배합을 하였다. 배합은 Table 2에서 보이는 바와 같이, 시멘트 450g, 물 225g, 표준사 1,350g을 기본배합으로 하고, 플라이애시를 시멘트 양의 25% 치환하였다. 플라이애시 배합은 시멘트 337.
5g, 물 225g, 표준사 1,350g으로 하였다. 입자의 충진 효과를 포졸란 반응과 분리하기 위해 표준사 분말을 사용하여 플라이애시와 동일하게 시멘트의 25%를 치환하였다. 모르타르의 혼합은 KS L ISO 679에 따라서 혼합하였다.
이 식에서 포졸란 반응성이 없고, 입도가 플라이애시와 유사한 표준사에 의한 강도는 입자 충진 효과에 의한 것으로 가정하였다. 플라이애시 모르타르 압축강도에서 표준사 모르타르 강도의 차이를 포졸란 반응에 의한 강도 증가로 추정하였다.
대상 데이터
모르타르에 배합에 사용된 원료재료는 일반 포틀랜드시멘트(A사), 19종의 플라이애시를 사용하였다. 일반 포틀랜드시멘트와 플라이애시의 화학성분과 물리특성을 Table 1에 나타내었다.
석영분말은 KS L ISO 679를 만족하는 표준사를 평균입경 31.5µm로 분쇄하여 사용하였다.
배합은 Table 2에서 보이는 바와 같이, 시멘트 450g, 물 225g, 표준사 1,350g을 기본배합으로 하고, 플라이애시를 시멘트 양의 25% 치환하였다. 플라이애시 배합은 시멘트 337.5g, 플라이애시 112.5g, 물 225g, 표준사 1,350g으로 하였다. 입자의 충진 효과를 포졸란 반응과 분리하기 위해 표준사 분말을 사용하여 플라이애시와 동일하게 시멘트의 25%를 치환하였다.
일반 포틀랜드시멘트와 플라이애시의 화학성분과 물리특성을 Table 1에 나타내었다. 플라이애시는 경기지역 레미콘에서 사용되는 것을 수거하여 사용하였다. Table 1에서 보이는 바와 같이 대부분의 플라이애시는 SiO2+Al2O3+ Fe2O3의 함량이 80% 이상이고, CaO 함량이 10% 이하로 ASTM C 618에서 규정한 Class F에 해당한다.
분말도는 가장 낮은 플라이애시가 FA18의 3,100cm2/g이었으며, 가장 높은 분말도는 FA9로 4,550cm2/g이었다. 화학성분, 밀도, 분말도 등의 값으로부터 실험에 사용된 플라이애시는 KS L 5405의 2종이었다.
데이터처리
압축강도 측정은 KS L ISO 679에 따라 압축강도를 측정하였다. 또한 압축강도 값은 6개의 시험체의 평균값으로 하였다. 포졸란 반응에 의한 강도 증분율(Pozzolanic Index, PI)은 아래 보이는 식 (1)과 같이 계산하였다.
5에 포졸란 반응에 의한 강도 증가분(PI)을 식(1)로부터 계산하여 재령 28일의 PI 28 및 재령 91일의 PI 91과 분말도와의 상관관계를 보인다. 사용된 압축강도 값은 KS L 5405의 활성도지수를 만족하는 강도만을 PI와 비교하였다.
이론/모형
입자의 충진 효과를 포졸란 반응과 분리하기 위해 표준사 분말을 사용하여 플라이애시와 동일하게 시멘트의 25%를 치환하였다. 모르타르의 혼합은 KS L ISO 679에 따라서 혼합하였다.
분말도는 KS L 5106에 따라 공기투과장치에 의해서 측정하였으며, 원재료의 입자크기 분포는 레이저 회절법에 의한 Winner 2005A 장비를 이용하여 측정하였다.
모르타르의 압축강도는 각 실험재령에 따라 400×400×1600mm 크기의 시험체를 제작하여, 24시간 동안 상대습도 95% 이상인 습기함에서 양생한 후, 탈형하여 20±1℃로 조절되는 수조에서 시험재령까지 양생하였다. 압축강도 측정은 KS L ISO 679에 따라 압축강도를 측정하였다. 또한 압축강도 값은 6개의 시험체의 평균값으로 하였다.
성능/효과
1. 실험에 사용된 19종 플라이애시는 모두 KS L 5405의 기준을 만족하는 것은 아니었다. 강열감량과 28일 및 91일 활성도 지수에서 KS 기준을 만족하지 못하는 플라이애시가 있었으나, SiO2함량, 분말도는 모두 만족하고 있었다.
2. 플라이애시 모르타르의 재령 28일 압축강도와 플라이애시의 분말도 사이에는 약한 상관성이 확인되었다. KS L 5405의 활성도 지수 기준을 만족하는 플라이애시 모르타르의 경우는 분말도와 재령 28일 압축강도의 상관성이 향상되었다.
3. 플라이애시 모르타르 재령 28일 압축강도와과 D10, D50의 상관성은 분말도보다 높은 상관성을 보이고 있었다. 특히, D10은 플라이애시의 활성도 지수 만족여부에 관계없이 매우 좋은 상관성을 보이고 있었다.
4. 플라이애시 분말도는 포졸란 반응 강도 증분율 PI와 재령에 관계없이 상관성이 없는 것으로 나타났다.
5. PI와 D10 및 D50 사이에는 좋은 상관성을 보이고 있었다. 재령91일의 경우 D10은 압축강도와 가장 좋은 상관성을 보이고 있었다.
6. 플라이애시 입자 특성 중 D10의 경우 포졸란 반응이 약한 초기재령에서는 압축강도와 좋은 상관성을 보이고 있으며, 장기재령에서는 PI와 높은 상관성을 보여 플라이애시 품질 판단 기준으로 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
플라이애시 모르타르의 재령 28일 압축강도와 플라이애시의 분말도 사이에는 약한 상관성이 확인되었다. KS L 5405의 활성도 지수 기준을 만족하는 플라이애시 모르타르의 경우는 분말도와 재령 28일 압축강도의 상관성이 향상되었다.
실험에 사용된 19종 플라이애시는 모두 KS L 5405의 기준을 만족하는 것은 아니었다. 강열감량과 28일 및 91일 활성도 지수에서 KS 기준을 만족하지 못하는 플라이애시가 있었으나, SiO2함량, 분말도는 모두 만족하고 있었다. 또한 입도분포 특징은10% 통과직경(D10)과 90% 통과직경(D90)의 입자 크기 차이가 매우 작은 입도 분포 특성을 나타내었다.
2에 플라이애시의 분말도와 압축강도와의 관계를 보인다. 그림에서 보이는 바와 같이 플라이애시의 분말도와 28일 및 91일 압축강도 사이에는 상관성이 매우 약해서, 분말도와 재령 28일의 경우 결정계수(R2) 0.2583, 재령 91일의 경우가 0.1581로 선형적인 관계는 없는 것으로 분석되었다.
강열감량과 28일 및 91일 활성도 지수에서 KS 기준을 만족하지 못하는 플라이애시가 있었으나, SiO2함량, 분말도는 모두 만족하고 있었다. 또한 입도분포 특징은10% 통과직경(D10)과 90% 통과직경(D90)의 입자 크기 차이가 매우 작은 입도 분포 특성을 나타내었다.
95 이상을 만족하고 있으며, 강열감량의 측정결과 FA5, FA11, FA17, FA18은 강열감량이 5%를 초과하여 KS 기준에 미달하였다. 분말도는 가장 낮은 플라이애시가 FA18의 3,100cm2/g이었으며, 가장 높은 분말도는 FA9로 4,550cm2/g이었다. 화학성분, 밀도, 분말도 등의 값으로부터 실험에 사용된 플라이애시는 KS L 5405의 2종이었다.
따라서 D10과 D50의 경우는 입자 충진 효과가 두드러진 재령 28일과 좋은 상관관계를 보이고 있다. 이상의 실험결과로부터 플라이애시 입자 특성이 모르타르의 압축강도에 영향을 미치고 있으나, 압축강도 발현에 있어서 입자 충진 효과와 포졸란 반응의 영향을 구분하기 어렵기 때문에 입자 크기와 일반적인 압축강도와의 상관관계를 규정하기 어려운 것을 확인하였다.
4825이었다. 이와 같이 플라이애시 입자 특성D10, D50이 플라이애시 모르타르 강도 발현에 영향을 미치고 있는 것을 확인하였다. 다만 포졸란 반응에 대한 정량적인 분석을 위해서는 플라이애시의 입자 특성과 더불어 비정질 함량, 비정질 Si와 Al 양 등의 화학적 특성과 함께 검토할 필요가 있는 것으로 생각된다.
5MPa이었다. 표준사 분말을 25% 치환한 OPC-Q는 36.3MPa 및 37.2MPa로 압축강도가 매우 낮았다. 이는 표준사 분말은 충진 효과 이외에 플라이애시와 같은 포졸란 반응이 일어나지 않기 때문으로 생각된다.
플라이애시의 밀도는 2.08~2.35로 모두 KS L 5405의 1.95 이상을 만족하고 있으며, 강열감량의 측정결과 FA5, FA11, FA17, FA18은 강열감량이 5%를 초과하여 KS 기준에 미달하였다. 분말도는 가장 낮은 플라이애시가 FA18의 3,100cm2/g이었으며, 가장 높은 분말도는 FA9로 4,550cm2/g이었다.
후속연구
2005). 플라이애시의 특성에 따라 충진효과와 포졸란 반응을 정량적으로 산정할 수 있고 이에 대한 영향인자를 분석할 수 있다면, 플라이애시를 활용한 콘크리트의 제조 및 활용에 많은 도움이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라이애시는 무엇인가?
플라이애시는 유효한 포졸란 물질이며, 콘크리트의 내구성 향상, 환경부하의 관점에서도 매우 유용한 건설재료이지만 S. Hanehara et al.
플라이애시를 콘크리트로 사용하기 위해 통과해야 하는 KS 품질 항목은 무엇인가?
플라이애시를 콘크리트에 사용하기 위하여 KS L 5405의 경우, SiO2 함량, 분말도, 밀도, 수분, 강열감량, 플로우비 및 활성도 지수 등의 품질 항목을 선정하여 관리하고 있다. 이러한 KS 품질 항목 중에서 공기 투과장치에 의한 분말도를 기준으로 플라이애시 1종(4,500cm2/g 이상), 2종(3,000cm2/g 이상), 3종(2,500cm2/g 이상) 및 4종(1,500cm2/g 이상)으로 구분하고 있다(Korean standard association, Korean Standard L 5405(fly ash), 2016).
플라이 애시가 품질적인 측면에서 변동이 심한 이유는 무엇인가?
(2009)에 따르면에 따르면, 발전소 설비의 변화, 탄종의 확대, 연소온도의 저하 등에 의해 플라이애시의 품질 변동이 커지고 있다. 플라이 애시의 품질적인 측면에서 보면, 석탄의 종류 및 연소조건이 다양하기 때문에 플라이애시 품질의 편차가 크고, 두 번째로는 NOx 저감을 위해 미분탄 연소 보일러의 연소온도를 낮춤으로 미연탄소량과 이형의 입자가 많은 플라이애시가 배출되기 때문이다.
참고문헌 (10)
Baert, G., Hoste, S., De Schutter, G., De Belie, N. (2008). Reactivity of fly ash in cement paste studied by means of thermogravimetry and isothermal calorimetry, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 94, 485-492.
Bentz, D.P. (2006). Influence of water-to-cement ratio on hydration kinetics: simple models based on spatial considerations, Cement and Concrete Research, 36(2), 238-244.
Fraay, A.L.A., Bijen, J.M., de Haan, Y.M. (1989). The reaction of fly ash in concrete a critical examination, Cement and Concrete Research, 19(2), 235-246.
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