[논문]활성황토 시멘트 기반 폴리실리콘 슬러지를 사용한 모르타르의 특성

강전욱; 김대연; 신진현; 이상수; 송하영

doi:10.14190/jrcr.2018.6.4.275

활성황토 시멘트 기반 폴리실리콘 슬러지를 사용한 모르타르의 특성
Properties of Mortar with Polysilicon Sludge Based Active Loess Cement 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.6 no.4, 2018년, pp.275 - 282

강전욱 (한밭대학교 건설환경조형대학 건축공학과) , 김대연 (한밭대학교 건설환경조형대학 건축공학과) , 신진현 (한밭대학교 건설환경조형대학 건축공학과) , 이상수 (한밭대학교 건설환경조형대학 건축공학과) , 송하영 (한밭대학교 건설환경조형대학 건축공학과)

초록
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본 연구에서는 활성황토 혼합 시멘트와 폴리실리콘 슬러지를 활용한 경화체의 기초물성 평가를 위한 실험을 진행하였다. 산업부산물의 재활용과 환경오염에 대한 문제를 해결하고자 폴리실리콘 슬러지의 활용방안을 제시하였으며, 폴리실리콘 슬러지 치환율에 따른 페이스트와 잔골재 첨가율에 따른 모르타르의 특성을 분석하였다. W/B 및 PS 치환율이 증가할수록 강도 및 밀도는 감소하는 경향을 보인다. 잔골재 첨가율에 따른 모르타르의 밀도 및 흡수율은 잔골재의 첨가율이 증가할수록 밀도는 감소하는 경향을 보이며, 흡수율은 증가하는 경향을 보인다. 잔골재 첨가율에 따른 모르타르의 유동성 및 공기량은 잔골재의 첨가율이 증가할수록 유동성은 감소하는 경향을 보이며, 공기량은 증가하는 경향을 보인다. 잔골재 첨가율에 따른 모르타르의 휨강도 및 압축강도는 잔골재의 첨가율이 증가할수록 감소하는 경향을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examines the ways to address environmental issues by utilizing activated loess to reduce the amount of cements that emit a large amount of carbon dioxide during the process of manufacturing, and by reusing the polysilicon sludge produced as a result of manufacturing polysilicon, one of the components for solar power generation panels. The findings of the experiment showed that the optimal replacement ratio of the polysilicon sludge is 20%, 35% for W/B, and 20% for the ratio of the fine aggregate addition. As it is deemed that utilizing the polysilicon sludge for reinforced concrete may lead to rebar corrosion due to the $CI^-$ contained in the sludge, it can be considered to use for unreinforced concrete or bricks.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Powdering process of polysilicon sludge
표 Table 1. Chemical composition of active loess cement
표 Table 2. Chemical composition of polysilicon sludge
표 Table 3. Physical properties of fine aggregate
표 Table 4. Experimental factors and level of paste according to W/B ratio and PS replacement ratio
표 Table 5. Experimental table of paste according to W/B ratio and PS replacement ratio
표 Table 6. Mortar experiment factors and levels according to mixing ratio of fine aggregate
표 Table 7. Mortar according to mixing ratio of fine aggregate experimental table
그림 Fig. 2. Density and water absorption of paste by W/B ratio and PS replacement ratio
그림 Fig. 3. Flowability of paste according to W/B ratio and PS replacement ratio
그림 Fig. 4. Air content of paste according to W/B ratio and PS replacement ratio
그림 Fig. 5. Flexural strength of paste according to W/B ratio and PS replacement ratio
그림 Fig. 6. Compressive strength of paste according to W/B ratio and PS replacement ratio
그림 Fig. 7. Density and water absorption of mortar according to mixing ratio of fine aggregate
그림 Fig. 8. Flow ability of mortar according to addition ratio of fine aggregate
그림 Fig. 9. Air content of mortar according to addition ratio of fine aggregate
그림 Fig. 10. Flexural strength of mortar according to addition ratio of fine aggregate
그림 Fig. 11. Compressive strength of mortar according to addition ratio of fine aggregate

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 제조 시 다량의 이산화탄소를 발생 시키는 시멘트의 사용량을 줄이기 위해 활성황토를 혼입한 시멘트 결합재를 사용하고자 한다. 또한, 현재 전량 폐기되고 있는 폴리실리콘 슬러지를 혼화재로 사용, 결합재로 재활용하여 모르타르의 성능을 증가시키고, 환경문제를 해결을 위한 방안을 모색하고자 한다.
본 연구에서는 제조 시 다량의 이산화탄소를 발생 시키는 시멘트의 사용량을 줄이기 위해 활성황토를 혼입한 시멘트 결합재를 사용하고자 한다. 또한, 현재 전량 폐기되고 있는 폴리실리콘 슬러지를 혼화재로 사용, 결합재로 재활용하여 모르타르의 성능을 증가시키고, 환경문제를 해결을 위한 방안을 모색하고자 한다.
본 연구에서는 태양광 발전 시 사용되는 폴리실리콘의 생산 과정에서 발생되는 산업부산물 폴리실리콘 슬러지는 별도의 처리방안이 없어 유상매립하고 있는 실정이다. 산업부산물을 건축자재로 활용하여 슬러지의 양을 줄이고자 연구를 진행하였다. 친환경 재료로 알려져 있는 황토를 활성화시켜 시멘트와 혼입하여 제조된 활성황토 시멘트와 폴리실리콘 슬러지를 활용한 경화체의 기초물성 평가를 실시하고자 한다.
산업부산물을 건축자재로 활용하여 슬러지의 양을 줄이고자 연구를 진행하였다. 친환경 재료로 알려져 있는 황토를 활성화시켜 시멘트와 혼입하여 제조된 활성황토 시멘트와 폴리실리콘 슬러지를 활용한 경화체의 기초물성 평가를 실시하고자 한다. 그 결과, 본 연구 범위 내에서는 다음과 같이 요약할 수 있다.
SeriesⅠ에서 진행한 실험을 통하여 폴리실리콘 슬러지의 적정 치환율은 20%, W/B는 35%의 기준으로 SeriesⅡ의 실험을 진행하였다. 활성황토 혼합 시멘트 기반 폴리실리콘 슬러지를 활용한 경화체를 페이스트의 활용성 한계를 벗어나 벽돌 제조 또는 무근 콘크리트 등 여러 방면으로 활용하기 위하여 모르타르의 특성을 평가하였다.

제안 방법

Series 1에서 혼합기는 모르타르 믹서를 사용하였으며, 비빔방법은 분체를 투입하고 자전 140±5RPM 공전 62±5RPM으로 90초 동안 건비빔을 실시한 후에 배합수를 투입하여 자전 285±10RPM 공전 125±10RPM으로 90초 동안 비벼 총 180초 비빔을 실시하였다.
Series 2에서 혼합기는 일축 스파이럴 믹서를 사용하였으며, 비빔방법은 분체를 투입하고 35RPM으로 90초 동안 건비빔을 실시한 후 배합수를 투입하여 35RPM으로 90초 동안 비벼 총 180초 비빔을 실시하였다.
SeriesⅠ에서 진행한 실험을 통하여 폴리실리콘 슬러지의 적정 치환율은 20%, W/B는 35%의 기준으로 SeriesⅡ의 실험을 진행하였다. 활성황토 혼합 시멘트 기반 폴리실리콘 슬러지를 활용한 경화체를 페이스트의 활용성 한계를 벗어나 벽돌 제조 또는 무근 콘크리트 등 여러 방면으로 활용하기 위하여 모르타르의 특성을 평가하였다.
SeriesⅠ에서는 활성황토 혼합시멘트 기반의 폴리실리콘 슬러지의 치환율과 W/B에 따른 특성을 분석하기 위해 폴리실리콘 슬러지를 치환하는 실험을 진행하였다. 결합재는 활성황토 시멘트와 폴리실리콘 슬러지를 사용하였으며, 폴리실리콘 슬러지의 치환율은 0, 10, 20, 30(%) 4가지 수준으로 진행하였다.
잔골재를 첨가함에 따라 페이스트의 활용성 한계를 벗어나 벽돌 제조, 무근 콘크리트 등 여러 방면으로 활용화가 가능하도록 모르타르의 기초 성능을 확인할 수 있다. SeriesⅠ의 결과 값을 바탕으로 W/B는 35%로 고정하고, 폴리실리콘 슬러지의 치환율은 20%로 고정하였다. 잔골재의 첨가율은 0, 10, 20, 30, 40(%)로 5가지 수준으로 실험을 진행하였으며, 양생조건은 온도 20±2℃, 습도 80±5%의 항온항습에서 양생을 실시하였다.
SeriesⅡ에서는 SeriesⅠ에서의 결합재 및 W/B에 따른 최적의 배합 및 실험결과를 분석하고, 잔골재 첨가율에 따른 모르타르의 최적 실험값을 분석하기 위한 실험을 진행하였다. 잔골재를 첨가함에 따라 페이스트의 활용성 한계를 벗어나 벽돌 제조, 무근 콘크리트 등 여러 방면으로 활용화가 가능하도록 모르타르의 기초 성능을 확인할 수 있다.
2는 활성황토 시멘트 기반 산업부산물 폴리실리콘 슬러지를 치환율과 W/B에 따른 밀도 및 흡수율 측정 결과를 나타낸 것이다. W/B는 30, 40(%) 2 가지 수준으로 비교하였으며, 폴리실리콘 슬러지 치환율 0, 10, 20, 30(%) 4 가지 수준으로 실험을 진행하였다. 폴리실리콘 슬러지의 치환율이 증가할수록 밀도는 감소하는 경향을 보인다.
결합재는 활성황토 시멘트와 폴리실리콘 슬러지를 사용하였으며, 폴리실리콘 슬러지의 치환율은 0, 10, 20, 30(%) 4가지 수준으로 진행하였다. W/B는 결합재 기준으로 30, 40(wt.%) 2가지 수준을 선정하였으며, 적정 치환율과 W/B를 알아보기 위해 실험을 진행하였다. 양생조건은 온도 20±2℃, 습도 80±5%의 항온항습에서 양생을 실시하였다.
SeriesⅠ에서는 활성황토 혼합시멘트 기반의 폴리실리콘 슬러지의 치환율과 W/B에 따른 특성을 분석하기 위해 폴리실리콘 슬러지를 치환하는 실험을 진행하였다. 결합재는 활성황토 시멘트와 폴리실리콘 슬러지를 사용하였으며, 폴리실리콘 슬러지의 치환율은 0, 10, 20, 30(%) 4가지 수준으로 진행하였다. W/B는 결합재 기준으로 30, 40(wt.
잔골재의 첨가율은 0, 10, 20, 30, 40(%)로 5가지 수준으로 실험을 진행하였으며, 양생조건은 온도 20±2℃, 습도 80±5%의 항온항습에서 양생을 실시하였다. 시험 항목은 밀도, 흡수율, 공기량, 휨강도 및 압축강도 등을 측정하였다. SeriesⅡ의 실험요인 및 수준은 Table 6과 같으며, 배합표는 Table 7과 같다.
양생조건은 온도 20±2℃, 습도 80±5%의 항온항습에서 양생을 실시하였다.
잔골재의 첨가율은 0, 10, 20, 30, 40(%)로 5가지 수준으로 실험을 진행하였으며, 양생조건은 온도 20±2℃, 습도 80±5%의 항온항습에서 양생을 실시하였다.
재령 28일의 밀도 및 흡수율을 알아보기 위하여 Φ100×200(H)의 원기둥형 공시체 3개를 제작하여 밀도 및 흡수율을 측정하였다.
유동성 시험은 ‘KS L 5111’, “수경성 시멘트 시험용 플로 테이블”에 의거하여 진행하였다. 플로의 결정은 모르타르가 퍼진 3곳의 밑지름을 측정하여 평균을 내었다.
본 실험에 사용된 시편은 ‘KS L ISO 679’ “시멘트의 강도 시험방법”에 의거해 제작하였고 공시체는 40×40×160㎜의 직육면체 공시체를 사용하였다. 한 배합당 공시체 9개를 제작하여 3개씩 재령 3, 7, 28일 강도를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시편은 ‘KS L ISO 679’ “시멘트의 강도 시험방법”에 의거해 제작하였고 공시체는 40×40×160㎜의 직육면체 공시체를 사용하였다.
황토는 할로이사이트(Halloysite)계에 속하는 광물이며, 주요성분으로는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등으로 현재 사용되어지고 있는 콘크리트 혼화재와 그 성분이 유사하고 천연포졸란 성질을 갖고 있다. 본 실험에서는 국내 A사에서 생산되는 활성황토 20%, 슬래그분말 30%, 시멘트 50%를 혼합한 활성황토 시멘트 제품을 사용하였다. 활성황토 시멘트의 물리적 특성은 밀도 3.
본 연구에서 사용된 천연 잔골재는 국내 G사의 세척사로 입경 5㎜이하, 조립률 2.82의 물리적 성질을 나타내고 있으며, 밀도는 2.60g/㎤, 흡수율은 0.78%이고 단위용적질량은 1.56㎏/ℓ이다.
본 연구에서 사용된 폴리실리콘 슬러지의 화학성분은 Table 2와 같으며, 물리적 특성은 밀도 1.75g/㎤이며, 분말도는 6,490㎠/g이다. 폴리실리콘 슬러지의 주성분은 실리카(SiO₂)와 생석회(CaO)로 이루어져 있다.
이때 실란원료를 회수하고 재활용 하는 공정을 거치게 되는데 이 공정을 거친 후 남아있는 폐기물이 폴리실리콘 슬러지이다. 폴리실리콘 슬러지는 다량의 수분을 함유하고 있는 고형화상태로 발생되기 때문에 별도의 건조 후 분말화 과정을 거쳐 본 실험에 사용되었다.

이론/모형

공기량 시험은 ‘KS F 2421’, “굳지 않은 콘크리트의 압력법”에 의한 공기 함유량 시험방법(공기실압력방법)에 의거하여 측정하였다.

성능/효과

1) 밀도 및 흡수율 시험결과 폴리실리콘 슬러지의 치환율이 증가할수록 밀도는 감소하는 경향을 보였으며, W/B가 높을수록 밀도는 증가하는 경향을 보였다. 흡수율은 폴리실리콘 슬러지 치환율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였으며, W/B가 높을수록 흡수율도 증가하는 경향을 보인다.
1) 밀도 및 흡수율은 잔골재의 첨가율이 증가할수록 밀도는 감소하는 경향을 보이며, 흡수율은 증가하는 경향을 보인다. 잔골재의 첨가율 10%에서는 밀도가 증가하지만, 그 이후로는 잔골재 첨가율이 증가할수록 배합수의 부족으로 충분한 비빔이 이루어지지 않아 균열이 발생하면서 밀도는 감소하고 흡수율은 증가하는 것으로 판단된다.
2) 유동성 및 공기량 시험결과 폴리실리콘 슬러지의 치환율이 증가할수록 유동성은 감소하는 경향을 보이며 W/B가 높을수록 유동성은 증가하는 경향을 보인다. 폴리실리콘 슬러지의 사용량 증가 시 페이스트 점도가 증가하여 유동성을 감소시키는 것으로 판단된다.
2) 유동성 및 공기량은 잔골재의 첨가율이 증가할수록 유동성은 감소하는 경향을 보이며, 공기량은 증가하는 경향을 보인다. 잔골재의 첨가율이 증가하면서 모르타르의 점도가 증가하면서 유동성이 저하되는 것으로 보이며, 모르타르 내의 공극이 발생되면서 공기량이 증가되는 것으로 판단된다.
3) 휨강도 및 압축강도는 잔골재의 첨가율이 증가할수록 감소하는 경향을 보인다. 잔골재의 첨가율이 증가하면서 배합수의 부족으로 활성황토시멘트의 수화반응에 영향을 끼쳐 강도가 전체적으로 감소하는 것으로 판단된다.
3) 휨강도 및 압축강도는 폴리실리콘 슬러지의 치환율이 증가할수록 전체적으로 감소하는 경향을 보인다. 휨강도는 0%보다 폴리실리콘 슬러지 10%를 치환하였을 때, 약 30%가 감소하였다.
SeriesⅠ와 SeriesⅡ의 종합적인 실험결과, 폴리실리콘 슬러지의 적정 치환율은 20%인 것으로 판단되며, W/B는 35%, 잔골재의 첨가율은 200%가 적정 첨가율이라고 판단된다. 폴리실리콘 슬러지의 사용으로 강도가 크게 저하되는 부분을 고려하여, 건축물 구조체에 적용은 불가능하다고 판단된다.
폴리실리콘 슬러지가 증가할 경우 고순도 다결정 분자구조인 폴리실리콘 슬러지의 높은 흡수율로 인해 밀도는 감소하고 흡수율은 증가하는 것으로 판단된다. W/B 30%와 40% 를 비교할 경우 W/B 40%일 때, 흡수율의 증가율이 더 큰 것으로 측정되었다.
폴리실리콘 슬러지의 고순도 다결정 분자구조인 특성상(Lim and Lee 2016) 치환율이 증가할수록 페이스트의 점도가 증가하여 유동성이 저하되는 것으로 판단된다. W/B를 비교할 경우 W/B가 증가하면서 유동성이 증가하는 결과 값을 확인하였다.
폴리실리콘 슬러지의 양이 증가하면서 공극을 발생시켜 페이스트 내부의 공기량이 증가하는 것으로 판단된다. W/B를 비교해보면 폴리실리콘 슬러지 치환율 0~20(%)에서는 W/B가 적을 때, 공기량이 높게 측정되었으며, 치환율 30%에서 W/B가 높을 때, 공기량이 증가하는 결과 값을 확인할 수 있었다.
폴리실리콘 슬러지의 사용량 증가 시 페이스트 점도가 증가하여 유동성을 감소시키는 것으로 판단된다. 공기량은 폴리실리콘 슬러지 치환율이 증가하면서 증가하는 경향을 보이며, W/B 30%에서는 폴리실리콘 슬러지 치환율 0~10(%)에서 증가하고 20~30(%)에서는 증가하였다. W/B 40%에서는 0~10(%)보다 20~30(%)의 치환율에서 공기량이 증가하였다.
76cm³ 나타났으며, 잔골재의 첨가율이 증가함에 따라 밀도는 감소되고 흡수율은 증가하는 경향을 보인다. 밀도는 잔골재 첨가율이 증가할수록 감소하는 경향을 보이며, 많은 잔골재 첨가량에 의해 충분한 비빔이 이루어지지 않아 밀도가 감소되는 것으로 판단된다. 흡수율은 잔골재의 첨가율이 증가할수록 증가하는 경향을 보인다.
휨강도와 동일하게 잔골재의 첨가율이 증가할수록 강도가 감소되는 경향을 보이고 있다. 잔골재 첨가율이 증가할수록 배합수 부족으로 충분한 경화가 이루어지지 않아 균열이 발생하여 강도가 낮아지는 것으로 판단된다. 잔골재 첨가율 30%부터 재령이 진행되어도 강도에 큰 변화가 생기지 않는다.
7은 W/B 35%, 폴리실리콘 슬러지 치환율 20%로 고정한 페이스트에 잔골재 첨가율 0, 100, 200, 300, 400(%) 총 5가지 첨가율에 따른 밀도 및 흡수율 그래프이다. 잔골재를 첨가하지 않은 0%에서 흡수율 23.1%, 밀도 1.76cm³ 나타났으며, 잔골재의 첨가율이 증가함에 따라 밀도는 감소되고 흡수율은 증가하는 경향을 보인다. 밀도는 잔골재 첨가율이 증가할수록 감소하는 경향을 보이며, 많은 잔골재 첨가량에 의해 충분한 비빔이 이루어지지 않아 밀도가 감소되는 것으로 판단된다.
1) 밀도 및 흡수율은 잔골재의 첨가율이 증가할수록 밀도는 감소하는 경향을 보이며, 흡수율은 증가하는 경향을 보인다. 잔골재의 첨가율 10%에서는 밀도가 증가하지만, 그 이후로는 잔골재 첨가율이 증가할수록 배합수의 부족으로 충분한 비빔이 이루어지지 않아 균열이 발생하면서 밀도는 감소하고 흡수율은 증가하는 것으로 판단된다.
2) 유동성 및 공기량은 잔골재의 첨가율이 증가할수록 유동성은 감소하는 경향을 보이며, 공기량은 증가하는 경향을 보인다. 잔골재의 첨가율이 증가하면서 모르타르의 점도가 증가하면서 유동성이 저하되는 것으로 보이며, 모르타르 내의 공극이 발생되면서 공기량이 증가되는 것으로 판단된다.
3) 휨강도 및 압축강도는 잔골재의 첨가율이 증가할수록 감소하는 경향을 보인다. 잔골재의 첨가율이 증가하면서 배합수의 부족으로 활성황토시멘트의 수화반응에 영향을 끼쳐 강도가 전체적으로 감소하는 것으로 판단된다.
1) 밀도 및 흡수율 시험결과 폴리실리콘 슬러지의 치환율이 증가할수록 밀도는 감소하는 경향을 보였으며, W/B가 높을수록 밀도는 증가하는 경향을 보였다. 흡수율은 폴리실리콘 슬러지 치환율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였으며, W/B가 높을수록 흡수율도 증가하는 경향을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	황토를 구성하는 점토광물의 종류는?	황토의 성질은 황토에 함유되어 있는 점토광물의 종류에 의해 결정된다. 황토를 구성하는 점토광물의 종류는 황토가 형성된 지질 환경 및 기후 등에 의하여 결정되며 황토를 구성하는 점토광물로는 카올린나이트, 할로이사이트, 일라이트 등이 대부분이다. 황토 입자 내부는 표면이 넓은 벌집구조로 수많은 공간이 복층구조를 이루고 있고, 이 구조들 사이에는 원적외선이 다량흡수, 저장되어 있어 열을 받으면 원적외선이 발산하여 다른 물체의 분자활동을 자극시킨다.
	잔골재 첨가율에 따른 모르타르의 공기량에 대한 그래프에서 얻을수 있는 결론은?	9는 잔골재 첨가율에 따른 모르타르의 공기량에 대한 그래프이다. 잔골재의 첨가율이 증가할수록 공기량은 증가하는 경향을 보이고 있다. 0%에서 4.5로 가장 낮은 값을 보이며, 잔골재 첨가율 400%에서 20.0%로 가장 높은 값을 보인다. 잔골재의 첨가로 인해 공기량 측정기 내부가 밀실하게 채워지지 않아 공기량이 증가되는 것으로 판단된다.
	폴리실리콘 슬러지가 증가할 경우 고순도 다결정 분자구조인 폴리실리콘 슬러지의 높은 흡수율의 영향은?	흡수율은 폴리실리콘 슬러지 치환율이 증가할수록 증가하는 경향을 보인다. 폴리실리콘 슬러지가 증가할 경우 고순도 다결정 분자구조인 폴리실리콘 슬러지의 높은 흡수율로 인해 밀도는 감소하고 흡수율은 증가하는 것으로 판단된다. W/B 30%와 40% 를 비교할 경우 W/B 40%일 때, 흡수율의 증가율이 더 큰 것으로 측정되었다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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