본 연구에서는 시멘트 생산에 의한 $CO_2$ 배출과 이로 인한 환경 부하를 감소시키기 위해 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 활용하여 기존 SCW 공법에 사용되던 시멘트주입재를 친환경 무기결합재로 대체하여 모르타르를 제작하고 친환경 밀크주입재로써 적용이 가능한지를 파악하였다. 본 연구 결과 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않은 비소성 시멘트를 이용한 NSB 경화체가 보통 포틀랜드 시멘트 경화체와 비교해 내산성, 내해수성, 압축강도 등이 우수한 것으로 나타나고 있다. 따라서 본 연구를 통해 만들어진 친환경 무기결합재 모르타르는 높은 내구성, 내화학성을 요구하는 SCW 공법과 같은 흙막이벽, 해양하부구조물 등의 지반재료용 결합재에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 시멘트 생산에 의한 $CO_2$ 배출과 이로 인한 환경 부하를 감소시키기 위해 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 활용하여 기존 SCW 공법에 사용되던 시멘트주입재를 친환경 무기결합재로 대체하여 모르타르를 제작하고 친환경 밀크주입재로써 적용이 가능한지를 파악하였다. 본 연구 결과 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않은 비소성 시멘트를 이용한 NSB 경화체가 보통 포틀랜드 시멘트 경화체와 비교해 내산성, 내해수성, 압축강도 등이 우수한 것으로 나타나고 있다. 따라서 본 연구를 통해 만들어진 친환경 무기결합재 모르타르는 높은 내구성, 내화학성을 요구하는 SCW 공법과 같은 흙막이벽, 해양하부구조물 등의 지반재료용 결합재에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
Since the current method of SCW cement milk pouring method uses one to one ratio of cement milk with OPC, there are some problems such as drying shrinkage, increased cost, difficulty of controlling mix proportions for various conditions of applied soil, and precipitation of $Cr^{6+}$ due ...
Since the current method of SCW cement milk pouring method uses one to one ratio of cement milk with OPC, there are some problems such as drying shrinkage, increased cost, difficulty of controlling mix proportions for various conditions of applied soil, and precipitation of $Cr^{6+}$ due to the excessively used cement. Specifically, in aspect of sustainability issues of cement manufacturing, the consumption of cement should be reduced. Hence, in this research, as a replacement of cement for SCW method, blast furnace slag with sulfate or alkali as a stimulant, and expansive admixture were used. By using blast furnace slag as a hardening composite of SCW, there are many advantages such as free controllable mix proportions, rapid setting time with less mud occurrence, less cost with less energy for mixing, constant strength development, and less precipitation of $Cr^{6+}$. Regarding the alternative composites for SCW, in this research, durability and chloride resistance were evaluated.
Since the current method of SCW cement milk pouring method uses one to one ratio of cement milk with OPC, there are some problems such as drying shrinkage, increased cost, difficulty of controlling mix proportions for various conditions of applied soil, and precipitation of $Cr^{6+}$ due to the excessively used cement. Specifically, in aspect of sustainability issues of cement manufacturing, the consumption of cement should be reduced. Hence, in this research, as a replacement of cement for SCW method, blast furnace slag with sulfate or alkali as a stimulant, and expansive admixture were used. By using blast furnace slag as a hardening composite of SCW, there are many advantages such as free controllable mix proportions, rapid setting time with less mud occurrence, less cost with less energy for mixing, constant strength development, and less precipitation of $Cr^{6+}$. Regarding the alternative composites for SCW, in this research, durability and chloride resistance were evaluated.
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문제 정의
이러한 혼화재로 많이 사용되는 산업부산물 중 하나가 바로 고로슬래그 미분말(Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)이다[4,5,6]. 본 연구에서는 시멘트 생산에 의한 CO2 배출과 이로 인한 환경 부하를 감소시키기 위해 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 활용하여 기존 SCW 공법에 사용되던 시멘트주입재를 친환경 무기결합재로 대체하여 모르타르를 제작하고 친환경 밀크주입재로써 적용이 가능한지를 파악하였다.
제안 방법
2) NSB 경화체의 내해수성 비교를 위하여 인공해수침지실험을 실시하였다. 모르타르는 인공해수에 침지시켜 소정의 재령에서 압축강도를 KS L 5105에 의거하여 측정하고 그 결과를 OPC와 비교 고찰 하였으며, 내부 미세구조관찰(Scanning.
ASTM D 1141에 준하여 2배 농도의 인공해수를 사용하였으며 침지기간이 경과함에 따라 용액이 묽어지는 점을 고려하여 4주마다 인공해수를 교체하였다. 인공해수의 화학 조성은 Table 3과 같다.
휨 및 압축강도 측정은 KSL ISO 679 규준에 의거하여 진행되었으며 공시체의 28일의 강도를 측정하였다. 만능시험기(UTM)를 이용하여 휨강도를 측정한 뒤 절단된 두 시편으로 압축강도를 측정하였다
2) NSB 경화체의 내해수성 비교를 위하여 인공해수침지실험을 실시하였다. 모르타르는 인공해수에 침지시켜 소정의 재령에서 압축강도를 KS L 5105에 의거하여 측정하고 그 결과를 OPC와 비교 고찰 하였으며, 내부 미세구조관찰(Scanning.Electron Microscope,이하SEM)과 X선회절분석(X-ray Diffraction,이하XRD)을 통해 수화생성물을 분석하였다.
내해수성 실험은 1년 재령의 시멘트모르타르를 인공해수에 침지시켜 소정의 재령에서 압축강도 및 휨강도를 KS L 5105에 의거하여 측정하였다. 성능저하지수(Deterioration Factor,이하 DF)를 이용하여 산출하였다.
수화 생성물 및 내부 미세구조의 관찰을 위해 압축강도 측정 시 파단면의 시편을 채취하여 1일간 아세트산 용액에 침지시켜 수화반응을 정지시키고, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 SEM)을 이용하여 관찰하였다. 또한 미분쇄된 시편을 X선 회절 분석법(X-Ray Diffraction; 이하 XRD)을 이용하여 결정상 분석을 하였다.
1) 내산성 침지실험은 시약용 염산과 황산을 각각 5% 및 10%로 희석시켜 사용하였고, 용액의 온도를 20±3℃로 일정하게 유지하였다. 제작한 NSB 경화체의 중량변화율을 측정하여 OPC와 비교하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 시멘트는 KS L 5201에 규정된 보통 포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement; OPC)와 KS F2563 콘크리트용 고로슬래그 규정을 만족하는 분말도 6,000(cm2/g)의 국내산 2종 고로슬래그를 사용하였다. 화학성분은 Table 1과 같다.
이론/모형
KS L ISO 679 규준에 따라 원재료를 계량 후 혼합수를 가해 저속(140±5rpm)에서 30초간 교반 후 30초 동안 모래 전량을 서서히 혼입하고 이어 30초간 고속(285±10rpm)으로 교반하였다.
내산성 실험은 1년 재령의 시멘트 모르타르를 이용하여 ASTM C 267, 579에 준하여 실시하였다.
인공해수의 화학 조성은 Table 3과 같다. 내해수성 실험은 1년 재령의 시멘트모르타르를 인공해수에 침지시켜 소정의 재령에서 압축강도 및 휨강도를 KS L 5105에 의거하여 측정하였다. 성능저하지수(Deterioration Factor,이하 DF)를 이용하여 산출하였다.
수화 생성물 및 내부 미세구조의 관찰을 위해 압축강도 측정 시 파단면의 시편을 채취하여 1일간 아세트산 용액에 침지시켜 수화반응을 정지시키고, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 SEM)을 이용하여 관찰하였다. 또한 미분쇄된 시편을 X선 회절 분석법(X-Ray Diffraction; 이하 XRD)을 이용하여 결정상 분석을 하였다.
휨 및 압축강도 측정은 KSL ISO 679 규준에 의거하여 진행되었으며 공시체의 28일의 강도를 측정하였다. 만능시험기(UTM)를 이용하여 휨강도를 측정한 뒤 절단된 두 시편으로 압축강도를 측정하였다
성능/효과
1) 내산성 침지실험은 시약용 염산과 황산을 각각 5% 및 10%로 희석시켜 사용하였고, 용액의 온도를 20±3℃로 일정하게 유지하였다.
1) 내산침지실험에서 10% HCI 침지 중량 변화율을 살펴보면 90일에서 NSB 경화체의 침지 중량변화율이 –20%지만 OPC 경화체는 -65%정도로 3배의 차이를 나타내었다.
2) 해수에 침지한 NSB 경화체의 압축강도는 기간이 경과함에 따라 증가하였으며 특히, NSB 경화체는 침지재령 28일부터 OPC 경화체와 비교하여 높은 강도를 보였다. OPC 경화체의 경우 해수 침지 재령 28일에서 오히려 강도가 저하하는 경향을 보이며 침지 기간 1년에서의 압축강도는 35.
3) XRD 결정분석 및 SEM 내부미세구조를 분석한 결과, OPC 경화체가 NSB 경화체와 비교하여 석고, brucite 및 thaumasite 등의 피크가 강하게 나타남에 따라 해수이온에 의한 침식이 더욱 큰 것으로 판단된다. OPC 경화체는 표면부에 비하여 피크 강도가 약간 감소했을 뿐 거의 동일하게 나타나 시험체의 내부도 해수 중의 이온에 의해 침식된 것으로 나타났다.
반면 NSB1, NSB2 경화체의 경우 침지 기간이 경과함에 따라 지속적으로 강도가 증가하는 경향을 나타냈다. NSB1, NSB2의 경우에도 OPC와 거의 유사한 특성을 보였으며 인공해수에 1년 침지한 NSB1 모르타르의 압축강도는 68.6MPa, 담수에 침지한 경우의 압축강도는 73.5MPa로 나타나 인공해수 침적에 의한 강도저하 영향은 거의 받지 않음을 확인 할 수 있었다.
Figure 4는 해수침지 기간에 따른 압축강도를 나타낸 그래프이다. 담수에 침지한 모르타르의 압축강도는 기간이 경과함에 따라 증가하였으며 특히, NSB1, NSB2 경화체는 OPC 경화체와 비교하여 높은 강도 발현 성상을 보였다. 한편 인공해수에 침지한 OPC는 침지 기간 90일에서 해수 중의 유해이온에 의한 침식으로 압축강도가 감소하였다.
본 연구의 실험 결과를 종합적으로 분석한 결과 NSB경화체가 OPC 경화체와 비교해 내산성, 내해수성, 압축강도 등이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 친환경무기결합재 모르타르는 높은 내구성, 내화학성을 요구하는 SCW 공법과 같은 흙막이벽, 해양하부구조물 등의 지반재료용 결합재에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한 DF값을 측정해본 결과 침지기간 1년에서 OPC 경화체의 DF는 26.9%, NSB경화체의 DF는 5.4%~6.6%로 OPC 경화체가 5배 높게 나타났다.
또한 인공해수 중의 Cl-이온이 시멘트 경화체 속으로 침투함으로써 생성된 Fridel'ssalt도 확인 되었으며, 해수의 작용으로 인한 thaumasite의피크도 확인할 수 있었고, OPC는 portlandite가 관찰되었다.
2 경화체가 침지 기간 28일까지는 HCl에 비하여 H₂SO₄에 대한 저항성이 우수하게 나타나는데 H₂SO₄ 침지기간 28일까지는 오히려 중량이 증가되거나 동일하여 전혀 침식되지 않았다. 또한 침지 기간 28일 이후부터 서서히 중량이 감소하는 경향을 보이며 90일 이후 급격히 감소하는 경향을 보였으나, 전반적으로 OPC와 비교하여 높은 내산성을 나타냈다. 이와 같은 실험을 통해, NSB1, NSB2 경화체는 각종 산성에 대한 저항성이 높은 것으로 확인된다.
Figure 3은 해수침지에 따른 성능저하지수(DF)를 나타낸 그래프이다. 모르타르의 압축강도에 대한 인공해수에 침지한 모르타르의 압축강도를 성능저하지수(DF)로 나타내어 정리한 것으로, 침지 기간에 관계없이 OPC 경화체의 DF가 NSB1, NSB2 경화체보다 크게 나타남을 알 수 있다. 한편 NSB1, NSB2 경화체의 경우, 초기 침지재령에서 침지 기간 28일까지의 DF가 음(-)의 값으로 나타났으며, 침지 기간 1년에서 OPC 모르타르의 DF는 26.
본 연구의 실험 결과를 종합적으로 분석한 결과 NSB경화체가 OPC 경화체와 비교해 내산성, 내해수성, 압축강도 등이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 친환경무기결합재 모르타르는 높은 내구성, 내화학성을 요구하는 SCW 공법과 같은 흙막이벽, 해양하부구조물 등의 지반재료용 결합재에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있다.
하지만 시멘트생산은 유해물질과 CO₂ 가스를 배출하고 이로 인한 환경문제가 세계적으로 대두되고 있다[1,2,3]. 이 중 시멘트 산업의 CO2 배출 비중은 전체 배출량의 7%~10%를 차지하고 있으며 시멘트 1톤 생산 시 약 0.8~0.9톤의 이산화탄소가 배출되는 것으로 나타났다. 기존에 사용되던 시멘트를 대체하여 산업부산물을 사용하게 될 경우 CO2 배출 저감 효과는 물론이고 건설비도 절감할 수 있다.
Figure 5는 해수침지기간에 따른 휨강도를 나타낸 그래프이다. 전반적으로 휨강도 또한 인공해수에 침지한 압축강도와 유사한 경향을 보였으며, NSB 모르타르는 OPC에 비하여 높은 휨강도를 나타내는 것을 볼 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
친환경 무기결합재 모르타르의 특성은 무엇인가?
본 연구의 실험 결과를 종합적으로 분석한 결과 NSB경화체가 OPC 경화체와 비교해 내산성, 내해수성, 압축강도 등이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 친환경무기결합재모르타르는 높은 내구성, 내화학성을 요구하는 SCW 공법과 같은 흙막이벽, 해양하부구조물 등의 지반재료용 결합재에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있다.
시멘트주입재를 친환경 무기결합재로 대체하여 모르타르를 제작하였을때 효과는 무엇인가?
본 연구에서는 시멘트 생산에 의한 $CO_2$ 배출과 이로 인한 환경 부하를 감소시키기 위해 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 활용하여 기존 SCW 공법에 사용되던 시멘트주입재를 친환경 무기결합재로 대체하여 모르타르를 제작하고 친환경 밀크주입재로써 적용이 가능한지를 파악하였다. 본 연구 결과 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않은 비소성 시멘트를 이용한 NSB 경화체가 보통 포틀랜드 시멘트 경화체와 비교해 내산성, 내해수성, 압축강도 등이 우수한 것으로 나타나고 있다. 따라서 본 연구를 통해 만들어진 친환경 무기결합재 모르타르는 높은 내구성, 내화학성을 요구하는 SCW 공법과 같은 흙막이벽, 해양하부구조물 등의 지반재료용 결합재에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
산업 혁명 이후 시멘트는 어떻게 사용돼가고 있는가?
산업 혁명 이후 시멘트는 건설산업의 발전으로 인해 폭넓게 사용되어 왔다. 하지만 시멘트생산은 유해물질과 CO₂ 가스를 배출하고 이로 인한 환경문제가 세계적으로 대두되고 있다[1,2,3].
참고문헌 (7)
Hester D, Mcnally C, Richardson M. Study of influence of slag alkali level on the alkali-silica reactivity of slag concrete. Construction and Building Materials. 2005 Nov; 19(9):661-5.
Ryu DW, Kim WJ, Yang WH, Park DC. An experimental study on the carbonation and drying shrinkage of concrete using high volumes of ground granulated blastfurnace slag. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2012 Dec;12(4):393-400.
Mun KJ, Hyoung WK, Lee CW, So SY, Soh YS. Basic properties of non-sintering cement using phosphogypsum and waste lime as activator. Construction and Building Materials 2007 Jun;21(6):1342-50.
Hester D, Mcnally C, Richardson M. Study of influence of slag alkali level on the alkali-silica reactivity of slag concrete. Construction and Building Materials. 2005 Nov;19(9):661-5.
Ryu DW, Kim WJ, Yang WH, Park DC. An experimental study on the carbonation and drying shrinkage of concrete using high volumes of ground granulated blastfurnace slag. Journal of the Korea Institute of Building Construction, 2012 Aug 20;12(4):393-400.
Bijen J, Niel E. Supersulphated cement from blastfurnace slag and chemical gypsum available in the Netherlands and neighbouring countries. Cement and Concrete Research. 1981 May;11(3):307-22.
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