[논문]순환유동층 플라이 애시를 사용한 혼합시멘트의 포졸란 반응성과 역학적 성질에 관한 연구

박종탁; 오홍섭

doi:10.14190/jrcr.2018.6.3.207

초록
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최근 환경오염물질의 배출을 감소시킬 수 있는 순환유동층 보일러가 화력발전시설로서 점차 많이 사용되고 있다. 그러나 순환유동층보일러에서 발생하는 플라이 애시는 낮은 $SiO_2$와 상대적으로 높은 MgO와 $SO_3$ 함유량을 갖고 있으며, 또한 플라이 애시에 포함된 free CaO는 시멘트의 초기팽창 또는 급격한 초기응결을 발생시킬 수 있는 위험이 있다. 따라서 기존의 미분탄연소 (PCC) 플라이 애시와 순환유동층(CFBC) 플래이애시를 콘크리트분야에서 같이 활용할 수 있도록 KSL5405가 개정 발표되었다. 본 연구에서는 PCC와 CFBC 플라이 애시를 사용한 혼합시멘트를 제조하여 화학적성질과 역학적 성질을 분석하였다. CFBC 플라이 애시만을 혼합된 시멘트의 경우에는 OPC와 비교하여 강도는 낮아지는 반면, 높은 경시변화 특성을 나타내었으나, PCC와 CFBC를 혼합한 시멘트의 경우에는 PCC 플라이 애시만을 사용한 경우와 비교하여 강도가 높은 것으로 분석되었다. 실험결과로부터 CFBC 플라이 애시는 재료안전성과 요구되는 재료성능을 확보하기 위해 PCC와 같이 사용하여야 하는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays, circulating fluidized bed combustor(CFBC) boilers system that can reduce environmental pollution particles are widely used in electric power plants. But the fly ash generated from CFBC boilers has lower $SiO_2$ and higher MgO and $SO_3$ contents and also has free CaO ...

Nowadays, circulating fluidized bed combustor(CFBC) boilers system that can reduce environmental pollution particles are widely used in electric power plants. But the fly ash generated from CFBC boilers has lower $SiO_2$ and higher MgO and $SO_3$ contents and also has free CaO inducing expansion and abrupt initial setting of concrete. Therefore, revised KSL5405 for CFBC fly-ash as well as pulverized coal combustion(PCC) is introduced in the concrete field. In this study, the chemical properties and mechanical properties of blended cements with PCC and CFBC fly-ash produced in Korea are analyzed. The blended cement with only CFBC fly ash shows a lower length change than OPC but a higher flow change ratio. The compressive strength of blended cement paste with PCC and CFBC fly ash is slightly greater than that of cement paste with only PCC fly-ash. Based on the results, CFBC flyash blended cement products should be used with PCC flyash to ensure the material stability and material properties.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 품질의 변동성이 많은 CFBC 플라이 애시를 현장에서 혼화재로 사용하는 것 보다 혼합시멘트의 형태로 공장제작하여 사용하는 것이 바람직한 방법일 것이다. 본 연구에서는 미분탄연소(PCC)와 순환유동층(CFBC)보일러 플라이 애시를 혼합한 혼합 시멘트를 실험실수준에서 제작하여 혼합시멘트의 기초 물성과 성능을 평가하고자 하였다.

제안 방법

팽창도 시험은 결합재 500g을 W/B비 28 ~ 31%로 하여 시험편을 Fig. 1과 같이 제작, 성형 후 항온 · 항습기에 24시간 양생 후 탈형 하여 습도 75%이상, 온도 20℃에서 건조양생하고 재령 3일, 7일, 14일, 21일, 28일에서 길이 변화를 측정하였다.
실험에 사용된 시멘트는 건설 현장에서 일반적으로 사용되고 있는 OPC와 BFSC을 기준으로 하였으며, OPC(70%)와 PCC(30%)를 혼합한 OPC+PCC시멘트, OPC(70%)와 CFBC(30%)를 혼합한 OPC+CFBC 시멘트, 그리고 OPC(70%), PCC(15%)와 CFBC(15%)를 혼합한 OPC+PCC+CFBC를 시험 제조하여 사용하였다. 재료별 입형 상태를 관찰하기 위해 전계방사형 주사현미경으로 확대하여 관찰하였으며, XRD 분석을 수행하였다. 플라이 애시 혼합시멘트에서 혼화재량은 30%로 고정하여 혼합시멘트 안정성 평가를 위한 오토클레이브 팽창도 시험 방법(KS L 5107)을 실시하였다.
제조된 시멘트의 초기 급결, 콘크리트 슬럼프 경시변화, 콘크리트의 작업성(Workability)등을 예측하기 위하여 W/B비를 50%~53%로 조절하면서 동일한 반죽질기를 갖는 시멘트페이스트를 제조하여 직경4cm×높이8cm 시험기구로 배합후 30분, 60분에서의 흐름값으로 경시변화 정도를 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 원재료는 S사의 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC, 1종), D사의 고로슬래그시멘트(BFSC, 2종)이며, 순환유동층(CFBC) 플라이 애시는 SS사, 미분탄연소(PCC)플라이 애시는 SH사의 제품으로 화학적 품질특성은 Table 1과 같다.
실험에 사용된 시멘트는 건설 현장에서 일반적으로 사용되고 있는 OPC와 BFSC을 기준으로 하였으며, OPC(70%)와 PCC(30%)를 혼합한 OPC+PCC시멘트, OPC(70%)와 CFBC(30%)를 혼합한 OPC+CFBC 시멘트, 그리고 OPC(70%), PCC(15%)와 CFBC(15%)를 혼합한 OPC+PCC+CFBC를 시험 제조하여 사용하였다. 재료별 입형 상태를 관찰하기 위해 전계방사형 주사현미경으로 확대하여 관찰하였으며, XRD 분석을 수행하였다.

이론/모형

강도특성은 시멘트 강도 시험방법(KS L ISO 679)에 따라 동일한 물-시멘트비(W/C)와 유사한 반죽질기 조건에 대한 양생 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다. 각 시험편은 3개씩 제작하였으며, 결과는 평균값을 사용하였다.
재료별 입형 상태를 관찰하기 위해 전계방사형 주사현미경으로 확대하여 관찰하였으며, XRD 분석을 수행하였다. 플라이 애시 혼합시멘트에서 혼화재량은 30%로 고정하여 혼합시멘트 안정성 평가를 위한 오토클레이브 팽창도 시험 방법(KS L 5107)을 실시하였다. 팽창도 시험은 결합재 500g을 W/B비 28 ~ 31%로 하여 시험편을 Fig.

성능/효과

1) CFBC 플라이 애시의 화학분석결과 free CaO 3.8%, 반응성 CaO 19.8%, SiO₂ 22.60%, SO₃ 8.56%로 PCC 플라이 애시 SiO₂ 63.60%, SO₃ 1.13%에 비해 높은 결과로 모르타르의 초기수화활성 증진에는 기여하는 것으로 나타났다.
2) 미세분석결과 PCC 플라이 애시는 전형적인 구형상으로 입자크기가 균등 분포되어 있으나, CFBC 플라이 애시는 구형 상과 부정형입자가 서로 혼입되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 XRD 분석결과 다수의 부정형 입자의 성분은 석회 성분으로 분석되었다.
5) BFSC가 Ettringite의 수화생성이 가장 활발하게 진행되고 있었으며, CFBC는 CaO의 자가수경성이 활발히 진행된 것으로 초기강도증진에 영향이 미치는 것으로 분석되었다.
Table 1에 정리한 것과 같이 PCC 플라이 애시는 이산화규소(SiO₂) 63.60%, 강열감량 3.50% 등의 주성분으로 KS L 5405(플라이 애시 2종)에 적합한 품질을 확보하고 있다 그러나 CFBC 플라이 애시는 이산화규소(SiO₂)는 22.60%는 낮은 반면, free CaO 3.8%, 반응성 CaO 19.8%, 무수황산(SO₃) 8.56%로 시멘트 초기수화생성물에 영향을 미치는 성분이 과다하게 함유되어 있어 재료안정성이 낮아 다른 재료와 혼합하지 않은 상태에서 콘크리트에 혼입하는 것은 수화반응과 내구성에 영향을 줄 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 Fe₂O₃가 과다하게 함유되어 있어 미세공극에 대한 일부 충진 효과를 기대할 수 있으나, 붉은 황토색 계열의 색상이 발현될 수 있는 문제가 있다.
수화생성물 관찰결과 BFSC의 수화생성물에서 Ettringite가 가장 활발하게 생성되고, CFBC혼합시멘트에서는 드물게 수화생성물에 플라이 애시가 흡착되어 있는 반면, PCC혼합시멘트에서는 다량의 플라이 애시가 흡착되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 플라이 애시의 Pozzolan반응으로 공극충진에 기여한 것으로 판단된다.

후속연구

6) 따라서 CFBC 플라이 애시는 free CaO등 수화활성이 높은 성분이 과다하게 함유되어 있어, 이 수화활성을 적절하게 제어가 되지 않을 경우 콘크리트의 건조수축, 급격한 수화, 작업성, 안정성등에 영향이 있을 것으로 판단되므로, Ettringite, Pozzolan 반응성을 조절할 수 있는 첨가재를 추가로 사용한다면 콘크리트 2차 제품으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	순환유동층 방식의 보일러 사용율이 증가하는 이유는 무엇인가?	국내 화력발전소는 대부분 미분탄연소(PCC: Pulverized Coal Combustion) 방식의 보일러로 운영되어 왔으나, 환경문제 등으로 800~900℃의 낮은 온도에서 연소되고, 저질탄 등을 사용할 수 있으면서도 질소산화물과 황산화물 등 오염물질 배출량이 낮은 순환유동층(CFBC: Circulating Fluidized Bed Combustor)보일러 방식의 발전소 건설이 최근 증가하고 있는 추세이다.(Kim el al.
	석탄회의 활용방안에 대한 개발이 필요해진 이유는 무엇인가?	2017; Sheng et al. 2012) 그러나 CFBC 보일러 방식의 화력발전소가 증가함에 따라 플라이 애시의 생산량이 최근 급격하게 증가하고 있어 이에 대한 활용처의 개발이 필요한 상황이다. KS에서도 순환유동층보일러에서 생산되는 플라이 애시를 콘크리트 제품으로 사용할 수 있도록 플라이 애시 품질을 등급화하는 방향으로 기준을 최근 개정하였다.
	순환유동층 보일러(CFBC)에서 발생되는 석탄회의 문제는 무엇인가?	순환유동층 보일러(CFBC)에서 발생되는 석탄회(플라이 애시)는 기존 미분탄연소방식 플라이 애시의 품질에 비해 석회 및 석고 성분이 많이 함유되어 있어, 시멘트와 반응시 초기응결이 빠르게 진행되고 수화발열량이 높아 콘크리트 내구성에 문제가 될 수 있다.(Fu et al.

참고문헌 (8)

Fu, X., Li, Q., Zhai, J., Sheng, G., Li, F. (2008). The physical-chemical characterization of mechanically-treated CFBC fly ash, Cement and Concrete Composites, 30(3), 220-226.

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Kang, Y.H., Jung, S.H. (2017). Material properties of circulating fluidized bed combustion fly ash and utilization of non-sintered cement field, Magazine of RCR, 12(2), 26-32 [in Korean].
Kim, J.H., Park, B.S., Jung, S.H., Choi, Y.C. (2016). Effect of properties of fly-ashes on the characteristics of fly-ash mortars, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 4(4), 439-445 [in Korean].

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Kim, T.H., Lee, S.H., Lee, Y., Shin, J.H., Lee, S.S. (2016). Mechanical properties of non-cement matrix utilizing the circulating fluidized bed combustion boiler fly ash and dyeing sludge carbide, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 4(4), 425-430 [in Korean].

원문보기 상세보기
Lee, S.H. (2017). Revised provision of KS L 5405 "Fly Ash" for CFBC fly ash to applying concrete, Magazine of RCR, 12(2), 20-25 [in Korean].
Sheng, G., Li, Q., Zhai, J. (2012). Investigation on the hydration of CFBC fly ash, Fuel, 98, 61-66.

상세보기
Shen, Y., Qian, J., Zhang, Z. (2013). Investigations of anhydrite in CFBC fly ash as cement retarders, Construction and Building Materials, 40, 672-678.

상세보기
Woo, Y.Y. (2015). Characteristics and Evaluation of Circulating Fluidized Bed Boiler Ash, Ph.D Thesis, Kunsan National University, 65 [in Korean].

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