[논문]알칼리 활성 슬래그의 열역학적 수화모델링에 대한 황산염의 영향

이효경; 박솔뫼; 김형기

doi:10.7844/kirr.2019.28.1.32

알칼리 활성 슬래그의 열역학적 수화모델링에 대한 황산염의 영향
Influence of Sulfate on Thermodynamic Modeling of Hydration of Alkali Activated Slag 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.28 no.1, 2019년, pp.32 - 39

이효경 (조선대학교 건축학부(건축공학전공)) , 박솔뫼 (KAIST 건설 및 환경공학과) , 김형기 (조선대학교 건축학부(건축공학전공))

초록
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본 연구에서는 석고의 형태로 황산염이 혼입된 알칼리 활성 슬래그의 수화반응에 대해, 깁스 최소화 에너지 개념을 이용한 반응계산 결과가 계산 조건에 따라 어떻게 달라지는지에 대해 확인하였다. 계산을 위한 변수로는 황화물의 고려 여부, AFt/AFm 상의 생성가능성 여부, 대기 중 산소의 반응기여 여부 등을 검토하였다. 계산결과, 실제 위의 다양한 조건의 변화에도 불구하고 공극량, 화학수축과 같이 이후 배합의 성능에 영향을 미칠 수 있을 만한 값 들은 크게 차이가 발생하지 않았는데, 이 변수들에 의한 변화폭은 물결합재비에 의한 변화폭에 비해 월등히 작은 값이었다. 생성되는 물질들의 종류 및 양은 일부 초기조건 설정에 따라 변화할 수 있으나, 가장 주요한 수화물인 C-(N-)A-S-H의 생성량에는 별다른 영향을 미치지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study investigated hydration of alkali activated slag incorporating sulfate as a form of anhydrite by employing thermodynamic modeling using the Gibbs free energy minimization approach. Various parameters were evaluated in the thermodynamic calculations, such as presence of sulfide, precipitation/dissolution of AFt/AFm phase, and the effect of oxic condition on the predicted reaction. The calculations suggested no significant difference in the void volume and chemical shrinkage, which might influence the performance of the mixtures, in spite of various changes of the parameters. Although the types of hydration products and their amount varied according to the input conditions, their variations were smaller range than that induced by water-to-binder ratio. Moreover, it did not affect the amount of C-(N-)A-S-H which was the most important hydration product.

주제어

표/그림 (3)

표 Table 1. Chemical composition of slag (wt.%)¹⁰⁾
표 Table 2. Input conditions and thermodynamic calculation results for sodium silicate-activated slag
그림 Fig. 1. Phase transfers of sodium silicate-activated slag by degree of reaction (DoR).

AI 본문요약
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문제 정의

국내의 시멘트용 슬래그 미분말의 경우 대부분 석고 혹은 무수석고 (CaSO₄ , anhydrite)가 동시에 섞인 상태로 공급되는 것이 일반적인데, 이 때 석고에 의해 공급되는 황산염 (sulfate, SO₃)이온의 농도에 따라 해석결과가 달라질 가능성이 있다. 본 연구에서는 다양한 변수를 고려해 계산된 석고 혼입 알칼리 활성 슬래그의 수화성상을 서로 비교하여, 이 변수들이 해석 결과에 미치는 영향에 대해 확인하였다.

제안 방법

본 연구에서는 석고가 혼입된 슬래그의 규산나트륨 자극에 의한 수화반응에 대해, 깁스 최소화 에너지 개념을 이용한 반응계산 결과가 반응 조건에 따라 어떻게 달라지는지에 대해 확인하였다. 계산을 위한 변수로는 황산염 및 황화물의 고려 여부, AFt/AFm 상의 생성가 능성 여부, 대기 중 산소의 반응기여 여부 등을 검토하였다. 계산결과, 실제 위의 다양한 조건의 변화에도 불구하고 공극량, 화학수축과 같이 이후 배합의 성능에 영향을 미칠 수 있을 만한 값 들은 크게 차이가 발생하지 않았는데, 이 변수들에 의한 변화폭은 물결합재비에 의한 변화폭에 비해 월등히 작은 값이었다.
본 연구에서는 석고가 혼입된 슬래그의 규산나트륨 자극에 의한 수화반응에 대해, 깁스 최소화 에너지 개념을 이용한 반응계산 결과가 반응 조건에 따라 어떻게 달라지는지에 대해 확인하였다. 계산을 위한 변수로는 황산염 및 황화물의 고려 여부, AFt/AFm 상의 생성가 능성 여부, 대기 중 산소의 반응기여 여부 등을 검토하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 다양한 알칼리 활성화제 중 가장 많이 사용되는 규산나트륨을 활성화제로 사용한 배합에 대해 해석하였다. 슬래그의 화학조성비는 기존 연구 Lee et al.

이론/모형

098 kg·mol⁻¹을 사용하였다¹⁵⁾. 알칼리활성 슬래그에서 생성되는 C-S-H 계통 수화물은 포틀랜드 시멘트에서 발견되는 것보다 낮은 Ca/Si 값을가지며, Al 치환 및 알칼리 금속으로 인한 전하 균형이 일어나는 것을 고려하기 위해 Myers et al.¹⁶⁾이 제안한 ‘CNASH_ss solid-solution’ 모델을 사용하였다.
4를 사용하였다^12,13) . 이 프로그램에 사용된 열역학 데이터베이스는 다양한 시멘트 수화물의 solid, solid-solution, aqueous solution 등을 포함하는 Lothenbach et al.¹⁴⁾ 에서 개발된 ‘Cemdata18’를 사용하였다. XRF 결과와 같이 사용된 슬래그 내 Fe₂O₃ 값이 매우 작으므로, 사용된 Database 상에서 Fe-containing solid solutions은 제거 후 사용하였다.

성능/효과

예를 들어 슬래그에 섞인 석고는 슬래그 자체와 반응속도가 다르며, 이는 슬래그 경화체의 성능에 석고 혼입량이 영향을 미치는 요인이 된다. 즉, 본 연구를 기반으로 판단했을 때 석고의 혼입량에 의해 변화하는 알칼리 활성 슬래그의 성능은 수화물 생성의 구성에 대한 영향보다 석고의 반응속도에 의한 영향으로 보는 편이 더 합당하다.
계산을 위한 변수로는 황산염 및 황화물의 고려 여부, AFt/AFm 상의 생성가 능성 여부, 대기 중 산소의 반응기여 여부 등을 검토하였다. 계산결과, 실제 위의 다양한 조건의 변화에도 불구하고 공극량, 화학수축과 같이 이후 배합의 성능에 영향을 미칠 수 있을 만한 값 들은 크게 차이가 발생하지 않았는데, 이 변수들에 의한 변화폭은 물결합재비에 의한 변화폭에 비해 월등히 작은 값이었다. 생성되는 물질들의 종류 및 양은 일부 초기조건 설정에 따라 변화할 수 있으나, 가장 주요한 수화물인 C-(N-)A-S-H의생성량에는 별다른 영향을 미치지 않았다.
계산결과, 실제 위의 다양한 조건의 변화에도 불구하고 공극량, 화학수축과 같이 이후 배합의 성능에 영향을 미칠 수 있을 만한 값 들은 크게 차이가 발생하지 않았는데, 이 변수들에 의한 변화폭은 물결합재비에 의한 변화폭에 비해 월등히 작은 값이었다. 생성되는 물질들의 종류 및 양은 일부 초기조건 설정에 따라 변화할 수 있으나, 가장 주요한 수화물인 C-(N-)A-S-H의생성량에는 별다른 영향을 미치지 않았다. 단지 본 연구의 결과는 수화물의 생성량에 관한 것으로 각 물질의 반응속도는 전혀 다른 문제이다.

후속연구

또한 공극률의 경우 계산되는 공극률은 이론적 의미의 나노크기 공극을 포함하는 것에 반해 기존 공극률 측정법인 수은압입법, 혹은 질소흡착법 등을 이용하면 그렇게 미세한 부분의 공극을 측정할 수 없기 때문에 비교가 되지 않는다. 따라서 기존 연구에서는, 검증을 위해 내부 구조 자체가 아닌 세공액에 용해된 이온 농도 혹은 화확수축량을 이용해 간접적으로 해석결과를 사용하지만이 역시 실험오차가 큰 한계가 있다^9,12) . 본 연구의 결과와 같이 황산염 고정에 의해 미미한 수준의 상변화 차이가 발생하는 경우 이에 대한 실험적 검증은 어렵다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계산된 수화성상으로부터 무엇을 할 수 있는가?	구성재료의 화학적 특성을 파악하여 이 재료들이 생성하는 물질을 화학적으로 계산하는 방법이다. 이렇게 계산된 수화성상으로 부터, 재료 내 이론적인 공극량, 화학수축량 등을 얻어 낼 수 있고 이를 이용해 수화모델 기반 강도발현, 수축, 크리프 등을 계산할 수 있다. 이러한 목적을 위해 다양한 화학적 접근이 시도되었다.
	알칼리 활성 슬래그는 포틀랜드 시멘트와 다른 수화 성상을 보여주는데 어떤 특징을 보여주는가?	알칼리 활성 슬래그는 포틀랜드 시멘트와 다른 수화 성상(hydration kinetic)을 나타낸다4-6) . 가장 먼저 일반 포틀랜드 시멘트에 비해 Ca/Si 비가 낮은 tobermoritelike calcium-(sodium-)alumino-silicate hydrates (C-(N-) A-S-H)를 생성한다4) . strätlingite (Ca2Al[(OH)6AlSiO2-3(OH)4-3]·2.5(H2O)) 역시 알칼리 활성 슬래그에서 주로 생성된다5) . 더불어 MgO 양에 따라 hydrotalcite 형 Mg-Al 이중층수산화물(layered double hydroxide, LDH), Al2O3 의 양에 따라 hydrogarnet형 고용체 (Ca6(AlFe)2 (SiO4)y(OH)4(3−y)) 등이 발생한다5,6) . 그러나 이들 모두 결정성이 낮을 뿐 아니라 X-선 회절분석(xray diffraction analysis, XRD), 열중량분석(thermogtavimetry analysis, TGA) 등의 기법에 의해 명확히 분석 되기 어려운 특징을 가지고 있다.
	알칼리 활성 슬래그란 무엇이며 그 장점은 무엇인가?	지난 수 십 년간 많은 연구가 진행된 수경성 결합재인 알칼리 활성 슬래그(alkali activated slag, AAS)는 일종의 혼화재 다량치환 시멘트(high-volume supplementary cementitious material (SCM) cement)의 한 종류로, 일반 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC)에 비해 낮은 수화열 등의 장점을 가지고 있다1) . 표면이 알루미노실리케이트 유리질로 되어 있는 슬래그는 중성수 내에서는 반응이 어렵지만, 알칼리 환경 하에서는 반응하기 시작하여 상당히 치밀한 내부구조를 형성한다2) .

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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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