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문제 정의
- 본 연구는 순환유동층 보일러애시의 자기수경성 특성을 이용하여 비소성 결합재로써의 활용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 한다. 또한 석고의 종류 및 함유량에 따른 비소성 결합재의 역학적 특성 및 수화특성에 대한 검토를 수행하였다.
- 본 연구는 순환유동층 보일러애시의 자기수경성 특성을 이용하여 비소성 결합재로써의 활용 가능성을 검토하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 순환유동층 보일러애시의 비소성 결합재로써 활용 가능성을 검토하기 위하여, 국내 발전소에서 배출되는 유동층 보일러 애시 3종에 대한 화학조성, 물리적 특성 및 광물학적 특성을 검토하고 압축강도 특성을 평가하였다. 또한, 비소성 결합재의 활성 극대화를 위해 석고 4종을 활용한 비소성 결합재의 수화특성, 수화물, 압축강도, 응결특성, 안정도 및 공극성상 등에 대한 검토를 실시하였다.
- 본 연구에서는 순환유동층 보일러애시의 자기수경성을 활용하여 시멘트를 대체할 수 있는 비소성 결합재로써의 활용가능성을 검토하기 위해 3종의 순환유동층 보일러애시를 대상으로 재료적 특성 및 압축강도 특성을 검토하였다. 또한, 비소성 결합재의 활성 극대화를 위해 4종류의 석고를 활용하여 비소성 결합재의 수화특성 및 압축강도 특성 등을 검토하였다.
제안 방법
- XRD 분석은 회절각 범위(2θ) 10 ° ~ 60 °, 스캔 속도 1.2°/min의 조건으로 측정하였으며, TGA 분석은 시료를 질소 환경에서 10℃/min의 승온 속도로 상온에서 1,000℃ 까지의 온도 범위에서 분석하였다.
- 각각의 경화된 결합재에 대한 경화 특성을 검토하기 위하여 XRD, TG-DTG 분석을 통해 수화생성물 분석을 실시하였으며, MIP 기기분석을 통해 공극 분석을 각각 재령 7일 및 28일에 실시하였다. XRD 분석은 회절각 범위(2θ) 10 ° ~ 60 °, 스캔 속도 1.
- 1과 같으며, 화학조성을 Table 3에 나타내었다. 각각의 순환유동층 보일러애시는 연소 시 사용되는 유동매체인 모래와 미연탄소분을 일부 제거하기 위하여 75㎛ 이하로 입도를 조정하여 사용하였다. 또한, 비소성 결합재의 활성 극대화를 검토하기 위해 첨가제로써 무수석고(CaSO4, AM), 이수석고(CaSO4·2H2O, AE), 반수석고(CaSO4·1/2H2O, AB), 탈황석고(AC)를 사용하였다.
- 분말도 및 밀도는 각각 KS L 5106 의 브레인 방법과 KS L 5110에 준하여 실시하였다. 광물학적 특성은 XRD 기기분석을 통하여 실시하였다.
- 본 연구에서는 순환유동층 보일러애시의 자기수경성을 활용하여 시멘트를 대체할 수 있는 비소성 결합재로써의 활용가능성을 검토하기 위해 3종의 순환유동층 보일러애시를 대상으로 재료적 특성 및 압축강도 특성을 검토하였다. 또한, 비소성 결합재의 활성 극대화를 위해 4종류의 석고를 활용하여 비소성 결합재의 수화특성 및 압축강도 특성 등을 검토하였다. 이와 관련하여 본 연구의 범위에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 순환유동층 보일러애시의 비소성 결합재로써 활용 가능성을 검토하기 위하여, 국내 발전소에서 배출되는 유동층 보일러 애시 3종에 대한 화학조성, 물리적 특성 및 광물학적 특성을 검토하고 압축강도 특성을 평가하였다. 또한, 비소성 결합재의 활성 극대화를 위해 석고 4종을 활용한 비소성 결합재의 수화특성, 수화물, 압축강도, 응결특성, 안정도 및 공극성상 등에 대한 검토를 실시하였다. Table 1, 2는 CFBC ash를 활용한 비소성 결합재 및 석고의 영향을 살펴보기 위한 배합 구성비를 나타내고 있다.
- 순환유동층 보일러애시에 대한 물리적 특성 중 입형에 대한 분석은 SEM을 활용하고, 입자크기분석은 레이저 회절 입도 측정기기를 통해 실시하였다. 분말도 및 밀도는 각각 KS L 5106 의 브레인 방법과 KS L 5110에 준하여 실시하였다.
- 순환유동층 보일러애시의 비소성 결합재로써의 압축강도특성 및 활성 극대화를 평가하기 위하여 Table 1 ~ 2의 배합에 따라 각 결합재의 비빔을 실시하고, KS L ISO 679에 따라 압축강도 시험용 각주형 (40 × 40 × 160mm)으로 제작하였다.
- 순환유동층 보일러애시의 활성 극대화를 위해 석고를 첨가한 경우의 수화특성을 검토하기 위해 T사의 등온열량계를 활용하여 각 결합재의 수화반응 특성을 비교 평가하였다. 실험조건은 물/결합재비를 0.
- 시험체는 제작 후 24시간 뒤에 탈형하여 소정의 재령까지 20 ± 2℃의 온도 및 90% 이상의 항온·항습기에서 습윤 양생을 실시하고, KS L ISO 679의 시험 방법에 따라 재령 7일, 14일 및 28일에 압축강도 시험을 실시하였다.
- 순환유동층 보일러애시의 활성 극대화를 위해 석고를 첨가한 경우의 수화특성을 검토하기 위해 T사의 등온열량계를 활용하여 각 결합재의 수화반응 특성을 비교 평가하였다. 실험조건은 물/결합재비를 0.45로 하여 페이스트 제작 후 , 약 4g의 페이스트를 20ml 앰플에 넣어 등온열량계에 투입하고, 온도조건을 23℃로 설정하여 24시간 측정하였다.
- 결합재 B의 경우 다량 함유된 미연탄소분과 높은 물/결합재비로 인해 압축강도가 충분히 발현되지 않은 것으로 판단되며, 결합재 C의 경우 Ca(OH)2와 반응하여 대표적인 수화생성물인 C-S-H, C-A-H를 형성하기 위한 SiO2와 Al2O3 성분이 충분하지 않음에 따라 압축강도가 발현되지 않은 것으로 판단된다. 이로부터 순환유동층 보일러애시의 결합재로써 활용 및 비소성 결합재의 활성 극대화를 위한 검토는 결합재 A를 중심으로 실시하였다.
대상 데이터
- 또한, 비소성 결합재의 활성 극대화를 검토하기 위해 첨가제로써 무수석고(CaSO4, AM), 이수석고(CaSO4·2H2O, AE), 반수석고(CaSO4·1/2H2O, AB), 탈황석고(AC)를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 3종의 순환유동층 보일러애시(CFBC ash)의 형상은 Fig. 1과 같으며, 화학조성을 Table 3에 나타내었다. 각각의 순환유동층 보일러애시는 연소 시 사용되는 유동매체인 모래와 미연탄소분을 일부 제거하기 위하여 75㎛ 이하로 입도를 조정하여 사용하였다.
이론/모형
- 각 결합재의 응결 및 안정도 특성을 평가하기 위하여 KS L ISO 9597 시멘트의 응결 및 안정도 시험방법에 준하여 실시하였다. 안정도 시험은 르샤틀리에 시험법, 응결시간은 비카트침에 의한 시멘트의 응결시간 측정방법에 따라 A사의 자동응결 시험 장치를 사용하여 초결 및 종결 시간을 측정하였다.
- 분말도 및 밀도는 각각 KS L 5106 의 브레인 방법과 KS L 5110에 준하여 실시하였다.
- 각 결합재의 응결 및 안정도 특성을 평가하기 위하여 KS L ISO 9597 시멘트의 응결 및 안정도 시험방법에 준하여 실시하였다. 안정도 시험은 르샤틀리에 시험법, 응결시간은 비카트침에 의한 시멘트의 응결시간 측정방법에 따라 A사의 자동응결 시험 장치를 사용하여 초결 및 종결 시간을 측정하였다.
성능/효과
- 1) 순환유동층 발전 방식이 동일하더라도, 원재료 및 보일러 효율 등에 따라 발생되는 순환유동층 보일러애시의 재료적 특성은 차이가 있었으며, 모든 순환유동층 보일러애시에서 다량의 CaO, CaSO4 성분을 확인하였다. 미연탄소분이 다량 함유된 결합재의 경우 밀도가 작고 스폰지 형태의 다공성 입자가 전체적으로 분포하는 것을 확인하였다.
- 2) 유연탄을 원료로 하고 미연탄소분이 적은 결합재 A의 경우 재령 28일 압축강도가 28.5MPa로 높은 결과 값을 나타냈으며, 수화생성물 분석 결과, Ca(OH)2, 에트린자이트, C-S-H가 생성되는 것을 확인하였다. 이로부터 순환유동층 보일러애시가 시멘트와 같은 수화 메커니즘에 의한 자기수경성이 있다는 것을 확인하였다.
- 3) 탈황석고를 혼입한 비소성 결합재는 수화반응 시 탈황석고가 가진 다량의 free-CaO의 영향으로 초기에 높은 수화열과 함께, 다른 결합재와 달리 2차 피크가 나타나는 것을 확인하였으며, 본 연구의 범위에서 이와 같은 수화반응은 비소성 결합재의 압축강도 증진에 큰 영향을 미친다고 판단된다.
- 4) 석고를 혼입한 비소성결합재의 압축강도는 재령이 증가함에 따라 강도가 증가하는 추세가 확인되었으며, 탈황석고를 혼입한 결합재인 AC10의 재령 28일 압축강도가 26.8MPa로 가장 높았으나, 결합재 A의 압축강도와 비교하여 약 6% 낮은 값을 나타내었다. 또한, 석고를 혼입한 모든 결합재가 안정도 기준 값을 만족하는 것을 확인하였으나, 응결 특성은 모두 만족하지 못함에 따라, 본 연구의 범위에서 석고의 혼입은 비소성 결합재의 활성 극대화에 큰 도움이 되지 않음을 확인하였다.
- 5) 석고를 혼입한 비소성 결합재의 공극률과 공극크기는 재령이 증가함에 따라 수화생성물인 C-S-H, C-A-H가 생성되고 메트릭스 내부의 공극을 채워주게 됨으로써 점차 감소하는 경향을 확인하였다. 또한, 석고의 종류와 상관 없이 각 결합재의 공극률 및 평균 공극크기의 결과 값은 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- Fig. 7 및 Table 7에 석고 종류에 따른 비소성 결합재의 공극특성 분석 결과를 나타내었다 모든 결합재의 공극률과 공극크기가 재령이 증가함에 따라 감소하는 경향을 확인하였으며, 이는 수화반응을 통해 수화생성물인 C-S-H, C-A-H가 생성되어 메트릭스 내부의 공극을 채워주면서 공극률이 감소하고, 평균 공극크기도 작아지기 때문이라 판단된다. 또한, 재령 28일 기준으로 공극률은 AE10 > AC10 > AB10 > AM10 순이며, 평균 공극크기는 AM10 > AB10 > AE10 > AC10 순으로 석고의 종류와 상관없이 결과 값은 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 4에 결합재 A에 대한 페이스트의 수화생성물 분석 중 XRD 분석 결과를 나타내었다. XRD 측정 결과, 수화물로 Ca(OH)2, 에트린자이트, C-S-H가 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 보통 포틀랜드 시멘트의 경우 수화반응이 진행됨에 따라 수화 초기에 생성된 에트린자이트가 황산염(Sulfate)의 감소로 인하여 모노설페이트(Al2O3-Fe2O3-mono)로 전환되나, 순환유동층 보일러애시를 활용한 페이스트에서는 모노설페이트가 확인되지 않았으며, 이는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 상대적으로 유동층 보일러 애시에 황산염 공급원이 많기 때문이라 판단된다.
- 8MPa로 가장 높았으나, 결합재 A의 압축강도와 비교하여 약 6% 낮은 값을 나타내었다. 또한, 석고를 혼입한 모든 결합재가 안정도 기준 값을 만족하는 것을 확인하였으나, 응결 특성은 모두 만족하지 못함에 따라, 본 연구의 범위에서 석고의 혼입은 비소성 결합재의 활성 극대화에 큰 도움이 되지 않음을 확인하였다.
- 5) 석고를 혼입한 비소성 결합재의 공극률과 공극크기는 재령이 증가함에 따라 수화생성물인 C-S-H, C-A-H가 생성되고 메트릭스 내부의 공극을 채워주게 됨으로써 점차 감소하는 경향을 확인하였다. 또한, 석고의 종류와 상관 없이 각 결합재의 공극률 및 평균 공극크기의 결과 값은 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 또한, 재령 28일 기준으로 공극률은 AE10 > AC10 > AB10 > AM10 순이며, 평균 공극크기는 AM10 > AB10 > AE10 > AC10 순으로 석고의 종류와 상관없이 결과 값은 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 성분을 확인하였다. 미연탄소분이 다량 함유된 결합재의 경우 밀도가 작고 스폰지 형태의 다공성 입자가 전체적으로 분포하는 것을 확인하였다.
- 석고 4종을 활용한 각 결합재의 최고 피크 값은 AE10(0.167 W/g) > AM10(0.161 W/g) > AB10(0.148 W/g) > AC10(0.139 W/g)의 순으로, AC10의 경우 1차 피크 후 약 17분 후 2차 피크를 보이며, 이는 탈황석고가 가진 free-CaO가 늦게 반응함에 따른 것임을 확인할 수 있었다.
- 석고를 활용한 4종류의 결합재에 대한 압축강도 측정 결과, 각각의 석고를 혼입한 결합재는 재령이 증가함에 따라 강도가 증가하는 추세가 확인되었다. 재령 3일, 7일의 압축강도는 AB10 > AE10 > AC10 > AM10 순이며, 결합재 AC10의 재령 14일 압축강도가 재령 7일 압축강도 대비 3배 정도 증가하면서 재령 28일 압축강도가 26.
- 순환유동층 보일러애시에 대한 XRD 분석 결과(Fig. 3참고), 모든 결합재에서 CaO, CaSO4 등이 대표적으로 확인되었으며, 각 결합재에 Al2O3를 10% 혼합한 후 리트벨트법을 활용하여 각각의 주요 성분에 대한 함량을 분석한 결과, 결합재 A의 경우, SiO2 23.8%, CaO 26.6%, CaSO4 18.0%, B의 경우, SiO2 31.9%, CaO 23.5%, CaSO4 16.7%로 확인되었다. 특히, 결합재 C의 경우, CaO 42.
- 안정도 시험 결과, AE10 > AM10 > AB10 > AC10 순이었으며, 모든 결합재의 안정도 결과 값이 KS L 5201의 기준(10mm)을 만족함을 확인할 수 있었다.
- Table 5에 각각의 순환유동층 보일러애시를 결합재로 활용한 페이스트의 압축강도 값을 나타내었다. 압축강도 시험 결과, 결합재 A의 재령 28일 압축강도가 28.5MPa로 가장 높은 결과를 보였으며, 결합재 B와 결합재 C는 각각 재령 28일 압축강도가 결합재 A의 약 26%, 12% 수준인 7.3MPa, 3.5MPa을 나타내었다. 결합재 B의 경우 다량 함유된 미연탄소분과 높은 물/결합재비로 인해 압축강도가 충분히 발현되지 않은 것으로 판단되며, 결합재 C의 경우 Ca(OH)2와 반응하여 대표적인 수화생성물인 C-S-H, C-A-H를 형성하기 위한 SiO2와 Al2O3 성분이 충분하지 않음에 따라 압축강도가 발현되지 않은 것으로 판단된다.
- 5MPa로 높은 결과 값을 나타냈으며, 수화생성물 분석 결과, Ca(OH)2, 에트린자이트, C-S-H가 생성되는 것을 확인하였다. 이로부터 순환유동층 보일러애시가 시멘트와 같은 수화 메커니즘에 의한 자기수경성이 있다는 것을 확인하였다.
- 순환유동층 보일러 애시의 평균 입자 크기와 분말도는 서로 유사한 수준을 보이나, 밀도의 경우 결합재 B가 미연탄소분의 영향으로 결합재 A, C에 비해 상대적으로 낮은 값을 나타내었다. 입형 분석 결과, 결합재 A의 입자는 구형 입자와 부정형 입자가 보이지만, 결합재 B, C의 경우 구형의 입자 없이 부정형 입자로만 이루어짐이 확인되었으며, 특히 결합재 B의 경우 스펀지 형태인 다공성의 미연탄소분 입자가 전체적으로 분포하고 있음이 확인되었다.
- 재령 3일, 7일의 압축강도는 AB10 > AE10 > AC10 > AM10 순이며, 결합재 AC10의 재령 14일 압축강도가 재령 7일 압축강도 대비 3배 정도 증가하면서 재령 28일 압축강도가 26.8MPa로 결합재 중 가장 높은 결과를 나타내었다.
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