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폐유리와 산화 그래핀을 사용한 시멘트 모르타르의 물성 연구
Physical Characteristics of Cement Mortar Prepared Using Waste Glass and Graphene Oxide 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.28 no.6, 2019년, pp.54 - 63  

김경석 (한국세라믹기술원 에너지환경본부 에너지효율소재센터) ,  추용식 (한국세라믹기술원 에너지환경본부 에너지효율소재센터)

초록
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본 연구에서는 폐유리를 골재로 재활용하고자 폐유리와 산화 그래핀을 사용한 시멘트 모르타르압축강도 및 길이 변화율 등을 검토하였다. 3일 및 7일 압축강도는 일반 모래 대체용 폐유리 사용량이 증가할수록 상승하였다. 특히, 폐유리 사용량이 10~50% 범위일 경우, 압축강도는 큰 폭으로 상승하는 경향을 나타내었다. 더불어 폐유리 50% 조건에서도 산화 그래핀의 첨가량이 증가됨에 따라 압축강도가 상승하였으며, 0.2%를 첨가하였을 때, 압축강도는 42.6 N/㎟ 이었다. 폐유리의 사용량이 증가됨에 따라 모르타르의 길이 변화율은 증가하였으나, 50% 이상에서는 길이변화율이 감소하는 경향도 나타내었다. 폐유리 사용량 50% 모르타르에서는 산화 그래핀 첨가량이 증가할수록 길이 변화율이 감소하는 경향을 나타내었으며, 이는 산화 그래핀의 시멘트 수화반응 촉진작용과 이온이동 억제효과로 추정되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study investigated on the compressive strength and the length change test with using the waste glass and graphene oxide for recycling the waste glass as the aggregate. Curing on 3-day and 7-day, the compressive strength was enhanced as the usage of waste glass was increased. Especially, the hug...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 국내에서 폐기되는 폐유리를 골재로 사용하여 모르타르를 제조하고자 하였으며, 이때 모르타르의 길이변화율 및 강도 특성을 분석하였다. 또한, 산화 그래핀을 첨가하여 모르타르 팽창 제어 특성도 검토하고자 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 국내에서 폐기되는 폐유리를 골재로 사용하여 모르타르를 제조하고자 하였으며, 이때 모르타르의 길이변화율 및 강도 특성을 분석하였다. 또한, 산화 그래핀을 첨가하여 모르타르 팽창 제어 특성도 검토하고자 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 국내에서 폐기되는 폐유리를 골재로 사용하여 모르타르를 제조하고자 하였으며, 이때 모르타르의 길이변화율 및 강도 특성을 분석하였다. 또한, 산화 그래핀을 첨가하여 모르타르 팽창 제어 특성도 검토하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 산화 그래핀의 수화특성과 폐유리를 사용한 모르타르의 물리적 특성을 분석하기 위해 Fig. 1과 같이 실험하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폐기물 관리법 시행 규칙에 따라 폐유리 재활용 할 수 있는 조건은? 이는 자원을 순환적으로 이용하여 환경 보전과 국민경제의 건전한 발전에 이바지하고자 하는 것이다1). 폐기물 관리법 시행규칙에는 폐기물 재활용 기준 및 구체적인 재활용 방법을 제시하고 있으며, 폐유리(유리병 등)의 경우 파쇄 및 분쇄하여 유리제품이나 건축·토목 자재의 원료로 가공하는 경우로 명시하고 있다2). 한편 국내 폐유리병의 발생량은 연간 약 42만톤이나, 재활용 실적은 약 30만톤(재활용률 약 70%) 수준에 불과하다3).
폐유리 사용량이 50%를 넘어서면 모르타르 길이 변화율이 감소하는데, 그 이유는 무엇인가? 하지만 폐유리 사용량이 50% 이상일 경우에는 오히려 팽창성이 감소하였다. 이는 시멘트 내 주요 알칼리 성분인 Na+ 이온, 모래 내 Si4+ 이온 간의 기본 알칼리-실리카 반응과 더불어 폐유리 내 알칼리성분인 Na+ 이온이 촉매 역할을 하여 ASR에 기여하기 때문이다.
산화 그래핀이 모르타르,콘크리트 분야에서 많이 쓰이는 이유는 무엇인가? 산화 그래핀은 보통 흑연을 산화하여 그래핀을 얻어내는 Hummers method로 제조되며, 산화 그래핀의 제조 공정에서 KMnO4, NaNO3, H2SO4 등의 용액을 사용하기 때문에 거친 표면을 가지는 것으로 알려져 있다10,11). 또한, 산화 그래핀은 친수성 용매에서 시멘트 등의 세라믹 분말과 쉽게 복합화될 수 있는 성질을 가지고 있어, 모르타르·콘크리트 분야에도 많이 사용되는 것으로 알려져 있다12). 이는 산화 그래핀이 시멘트 수화반응 과정에서 수화물의 핵생성 및 핵성장을 가속화 하는 등, 수화반응을 촉진시켜 시멘트 페이스트의 경도 및 강도 등을 상승시키기 때문이다13,14,15). 또한, 산화 그래핀은 카르복시산 그룹을 함유하고 있으며, 이는 C-S-H 또는 Ca(OH)2와 반응하여 계면에 강한 공유 결합을 형성시켜 물성 향상에도 기여하게 된다16).
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참고문헌 (25)

  1. Ministry of Environment of Korea, 2018 : Resource Recycling Law, Public document. 

  2. Ministry of Environment of Korea, 2019 : Waste Management Act Enforcement Rules, Public document. 

  3. KEITI, 2018 : Development Status of Domestic and Overseas Recycling Demand for Waste Glass Bottles, Public document. 

  4. Stephane Multon, Alain Sellier, and Martin Cyr, 2009 : Chemo-mechanical modeling for prediction of alkali silica reaction (ASR) expansion, Cement and Concrete Research, 39(6), pp.490-500. 

  5. Farshad Rajabipour, Eric Giannini, and Cyrille Dunant, 2015 : Alkali-silica reaction : Current understanding of the reaction mechanisms and the knowledge gaps, Cement and Concrete Research, 76, pp.130-146. 

  6. Joao Feiteira and Maria S. Ribeiro, 2013 : Polymer action on alkali-silica reaction in cement mortar, Cement and Concrete Research, 44, pp.97-105. 

  7. T. T. H. Bach, E. Chabas, and I. Pochard, 2013 : Retention of alkali ions by hydrated low-pH cements: Mechanism and $Na^+/K^+$ selectivity, Cement and Concrete Research, 51, pp.1893-1903. 

  8. Taehwan Kim, Jan Olek, and HyunGu Jeong, 2015 : Alkali-silica reaction : Kinetics of chemistry of pore solution and calcium hydroxide content in cementitious system, Cement and Concrete Research, 71, pp.36-45. 

  9. Sardar Kashif UrRehman, Zainah Ibrahim, and Shazim Ali Memon, 2017 : A Sustainable Graphene Based Cement Composite, Sustainability, 9(7), pp.1-20. 

  10. Sungjin Park and Rodney S. Ruoff, 2009 : Chemical methods for the production of graphenes, Nature Nanotechnology, 4(4), pp.217-224. 

  11. Yanwu Zhu, Shanthi Murali, and Weiwei Cai, 2010 : Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications, Advanced Materials, 22(35), pp.3906-3924. 

  12. Virendra Singh, Daeha Joung, and Lei Zhai, 2011 : Graphene based materials: Past, present and future, Progress in Materials Science, 56(8), pp.1178-1271. 

  13. Qin Wang, Jian Wang, and Chun-xiang Lu, 2015 : Influence of graphene oxide additions on the microstructure and mechanical strength of cement, New Carbon Materials, 30(4), pp.349-356. 

  14. Kai Gong, Zhu Pan, and Asghar H. Korayem, 2015 : Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste, Journal of Materials in Civil Engineering, 27(2), pp.1-6. 

  15. Xiangyu Li, Asghar Habibnejad Korayem, and Chenyang Li, 2016 : Incorporation of graphene oxide and silica fume into cement paste: A study of dispersion and compressive strength, Construction and Building Materials, 123, pp.327-335. 

  16. Zhu Pan, Li He, and Ling Qiu : Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide-cement composite, Cement and Concrete Composites, 58, pp.140-147. 

  17. M. Aly, M. S. J. Hashmi, and A. G. Olabi, 2012 : Effect of colloidal nano-silica on the mechanical and physical behaviour of waste-glass cement mortar, Materials & Design, 33, pp.127-135. 

  18. M. Aly, M. S. J. Hashmi, and A. G. Olabi, 2011 : Effect of nano clay particles on mechanical, thermal and physical behaviours of waste-glass cement mortars, Materials Science and Engineering: A, 528(27), pp.7991-7998. 

  19. Sung-Yoon Hong and F. P. Glasser, 1999 : Alkali binding in cement pastes Part 1. The C-S-H phase, Cement and Concrete Research, 29(12), pp.1893-1903. 

  20. W. Chen and H. J. H. Brouwers, 2010 : Alkali binding in hydrated Portland cement paste, Cement and Concrete Research, 40(5), pp.716-722. 

  21. Theodore Chappex and Karen Scrivener, 2012 : Alkali fixation of C-S-H in blended cement pastes and its relation to alkali silica reaction, Cement and Concrete Research, 42(8), pp.1049-1054. 

  22. E. L. Hopital, B. Lothenbach, K. Scrivener, and D. A. Kulik, 2016 : Alkali uptake in calcium alumina silicate hydrate (C-A-S-H), Cement and Concrete Research, 85, pp.122-136. 

  23. M. H. Al-Khaldi, H. A. Nasr-El-Din, and S. Mehta, 2007 : Reaction of citric acid with calcite, Chemical Engineering Science, 62(21), pp.5880-5896. 

  24. B. Lian, S. De Luca, and Y. You, 2018 : Extraordinary water adsorption characteristics of graphene oxide, Chemical Science, 11, pp.1-6. 

  25. Vira Agieienko, Vadim Neklyudov, and Ayrat Dimiev, 2019 : Solvent-induced changes in the graphene oxide absorption spectrum. The case of dimethylsulfoxide/water mixtures, Journal of Molecular Liquids, 287, 110942. 

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