[논문]제올라이트 및 활성 황토를 혼입한 모르타르의 역학적 특성 평가

권성준; 임희섭; 김혁중; 현정환

doi:10.14190/jrcr.2019.7.4.405

제올라이트 및 활성 황토를 혼입한 모르타르의 역학적 특성 평가
Evaluation of Mechanical Properties of Mortar Mixed with Zeolites and Active Hwangtoh 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.4, 2019년, pp.405 - 412

권성준 (한남대학교 토목환경공학과) , 임희섭 (한남대학교 토목환경공학과) , 김혁중 (한경대학교 산학협력단) , 현정환 (한경대학교 산학협력단)

초록
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본 연구에서는 다공성 특성을 갖는 제올라이트와 활성 황토를 대상으로 시멘트 대체 혼화재로 20%, 30%, 40%로 치환하여 모르타르의 물리적 특성 및 미세 분석을 통한 화학적 특성을 평가하였다. 먼저, 제올라이트 및 활성 황토 재료의 물리적, 화학적 특성을 검토한 결과 시멘트의 비표면적이 비슷함을 확인 할 수 있었으며, 주요 화학 조성이 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등으로 나타남에 따라 포졸란 반응성 재료의 특성을 갖는 것을 확인하였다. 시멘트 대비 치환량에 따른 강도시험 결과 제올라이트 및 활성 황토의 치환량 증가에 따라 강도는 저감하는 것을 확인 하였으며, 20% 치환 배합에서는 OPC 대비 강도 발현이 높은 것을 확인하였다. 미세분석 실험을 통해 제올라이트 및 활성 황토의 화학 특성으로 공극량이 증가함을 확인하였으며, 특히 활성 황토를 혼입한 모르타르에서는 공극크기가 1㎛ 이상이 다량 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the physical and chemical properties of mortar are evaluated by micro-analysis, taking into account the substitution rate(20%, 30%, and 40%) of zeolite with porous properties and active hwangtoh. First, the physical and chemical properties of zeolite and active hwangtoh are reviewed to confirm that the specific surface area of those is similar with ordinary portland cement, and the main chemical composition is SiO2, Al2O3, Fe2O3, etc.. So, it is thought that they have the properties of pozolan reactive materials. As the results of the strength test considering the amount of substitution based on that of cement, It is confirmed that strength decreases with the increase of the replacement amount of zeolite and active hwangtoh, and the strength of mortar with replacement rate of 20% is higher than OPC mortar. It is confirmed that the amount of porosity is increased due to chemical properties of zeolite and active hwangtoh, and in particular, the size of the pore is greater than 1㎛ in mortar mixed with active hwangtoh.

주제어

표/그림 (23)

표 Table 1. Experimental plan of mortar
표 Table 2. Physical properties of cement
표 Table 3. Physical properties of zeolites and active hwangtoh
그림 Fig. 1. Test of compressive strength
그림 Fig. 3. Making process of sample
그림 Fig. 2. Test of flexural strength
그림 Fig. 4. Equipment of MIP
표 Table 4. Chemical composition of used materials(%)
표 Table 5. Mixing design of mortar
그림 Fig. 5. Equipment of scanning electron microscope
그림 Fig. 6. Compressive strength with ages
그림 Fig. 7. Flexural strength with ages
표 Table 6. Test result of compressive strength
표 Table 7. Test result of flexural strength
그림 Fig. 8. Test result of porosity comparison
그림 Fig. 9. Test result of accumulated porosity
그림 Fig. 10. SEM analysis(Plain)
그림 Fig. 11. SEM analysis(ZEO20)
그림 Fig. 12. SEM analysis(ZEO30)
그림 Fig. 16. SEM analysis(HW40)
그림 Fig. 14. SEM analysis(HW20)
그림 Fig. 13. SEM analysis(ZEO40)
그림 Fig. 15. SEM analysis(HW30)

AI 본문요약
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문제 정의

특히 시멘트를 사용한 재료는 수화생성물과 미수화된 시멘트 광물조성 입자 등 매우 불균질한 혼합물로 조직 구조와 결정 형태로 나타난다. 본 연구에서는 SEM 분석을 통하여 제올라이트 및 활성 황토를 사용한 모르타르의 주요 수화 생성물 및 반응 생성물의 조직 구조를 관찰 할 수 있다. 다음 Fig.
본 연구에서는 제올라이트 및 활성 황토를 혼입한 모르타르의 역학적 특성을 평가하였다. 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

제안 방법

SEM 분석은 각 시험체의 재령 3일, 7일, 28일에 따라 촬영 분석을 진행하였다. 다음 Fig.
본 실험을 진행하기 위하여, KS L ISO 679를 기준으로 모르타르 시험체를 제작하였다. W/B비는 0.6, 제올라이트 및 활성 황토의 치환율은 20%, 30%, 40%로 치환하여 시험체를 제작하였다. 경화된 모르타르를 대상으로 재령 3일, 7일, 28일에 압축강도 시험 및 휨강도 시험을 진행하였다.
각 시험체의 압축강도 시험은 재령 3일, 7일, 28일에 진행하였다. 다음 Table 6과 Fig.
각 시험체의 휨강도 시험은 재령 3일, 7일, 28일에 진행하였다. 다음 Table 7과 Fig.
6, 제올라이트 및 활성 황토의 치환율은 20%, 30%, 40%로 치환하여 시험체를 제작하였다. 경화된 모르타르를 대상으로 재령 3일, 7일, 28일에 압축강도 시험 및 휨강도 시험을 진행하였다. 미세분석 실험은 재령 28일을 기준으로 공극률 실험을 진행하였으며, 재령에 따른 다공성 특성을 검토하기 위하여 재령 3일, 7일, 28일에 따른 SEM 분석을 진행하였다.
공극률 시험체는 재령 28일에 아세톤에 침지하여 수화반응을 정지시키고, 이를 파쇄하여 5mm 이하의 시료로 제조 후, 60℃ 조건의 건조로에 약 6시간 전처리 후 수은압입식 Porosimeter를 이용하여 가압과정과 감압과정에서의 공극경 분포에 따른 공극량을 측정하였다. 다음 Fig.
제올라이트 및 활성 황토 재료의 물리적, 화학적 특성을 검토하여 시멘트 치환량에 따른 강도 및 미세분석을 실시하였다. 미세 분석 실험으로는 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry)를 통하여 치환율에 따른 공극률 변화, SEM(Scanning Electron Microscope)를 통한 수화생성물 및 조직 구조를 분석하였다.
경화된 모르타르를 대상으로 재령 3일, 7일, 28일에 압축강도 시험 및 휨강도 시험을 진행하였다. 미세분석 실험은 재령 28일을 기준으로 공극률 실험을 진행하였으며, 재령에 따른 다공성 특성을 검토하기 위하여 재령 3일, 7일, 28일에 따른 SEM 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 다공성 특성을 갖는 제올라이트와 활성 황토를 대상으로 시멘트 대체 혼화재로 20%, 30%, 40%로 치환하여 모르타르의 물리적 특성 및 미세 분석을 통한 화학적 특성을 평가하였다. 제올라이트 및 활성 황토 재료의 물리적, 화학적 특성을 검토하여 시멘트 치환량에 따른 강도 및 미세분석을 실시하였다.
제올라이트 및 활성 황토의 재료적 특성을 검토하여 치환율에 따라 배합을 실시하였다. 실험사항을 검토하여, 강도 특성 실험체를 재령별 3개씩 제작하였으며, 미세분석 실험체를 별도로 제작하여 실험을 진행하였다. 다음 Table 5는 각 시험체의 배합 사항을 나타낸 것이다.
압축 강도 시험 및 휨 강도 시험은 40mm×40mm×160mm 크기의 모르타르 시험체를 제작하여 재령 3일, 7일, 28일에 따라 압축 강도 시험 및 휨 강도 시험을 진행하였다.
본 연구에서는 다공성 특성을 갖는 제올라이트와 활성 황토를 대상으로 시멘트 대체 혼화재로 20%, 30%, 40%로 치환하여 모르타르의 물리적 특성 및 미세 분석을 통한 화학적 특성을 평가하였다. 제올라이트 및 활성 황토 재료의 물리적, 화학적 특성을 검토하여 시멘트 치환량에 따른 강도 및 미세분석을 실시하였다. 미세 분석 실험으로는 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry)를 통하여 치환율에 따른 공극률 변화, SEM(Scanning Electron Microscope)를 통한 수화생성물 및 조직 구조를 분석하였다.
제올라이트 및 활성 황토의 재료적 특성을 검토하여 치환율에 따라 배합을 실시하였다. 실험사항을 검토하여, 강도 특성 실험체를 재령별 3개씩 제작하였으며, 미세분석 실험체를 별도로 제작하여 실험을 진행하였다.
Table 4는 사용 재료의 화학 조성에 대해 나타냈다. 제올라이트와 활성 황토를 대상으로 XRF 분석을 통하여 화학 조성 분석을 실시하였다. 제올라이트와 활성 황토의 주요 성분은 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등으로 나타났으며, 포졸란 혼합물과 유사한 조성을 나타남을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

시멘트는 국내 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 물리적 특성은 Table 2에 나타냈다. 연구에서 사용된 제올라이트는 천연 제올라이트를 대상으로 실험을 진행하였으며, 황토는 천연 황토를 800℃에서 소성시켜 생성 된 활성 황토를 사용하였다.
시멘트는 국내 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 물리적 특성은 Table 2에 나타냈다. 연구에서 사용된 제올라이트는 천연 제올라이트를 대상으로 실험을 진행하였으며, 황토는 천연 황토를 800℃에서 소성시켜 생성 된 활성 황토를 사용하였다. 다음 Table 3은 제올라이트와 활성 황토의 물리적 성능 결과를 나타냈다.

이론/모형

공극률 분석은 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)으로 시험을 진행하였다. 수은압입법(MIP)은 준비된 시료를 장치에 위치시켜 설정된 압력구간 내에서 수은이 침투되는 정도로 공극률을 확인하는 방법으로 Washburn equation 식(1)을 이용하여 공극의 크기를 산출한다.
제올라이트 및 활성 황토를 혼입한 모르타르의 역학적 특성 평가를 진행하기 위하여 다음 Table 1과 같이 실험 계획을 나타냈다. 본 실험을 진행하기 위하여, KS L ISO 679를 기준으로 모르타르 시험체를 제작하였다. W/B비는 0.

성능/효과

1. 제올라이트 및 활성 황토의 재료의 물리적, 화학적 특성을 검토한 결과 시멘트의 비표면적이 비슷하였으며, 주요 화학 조성이 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등으로 나타남에 따라 포졸란 반응성 재료의 특성을 확인하였다.
2. 제올라이트 및 활성 황토를 혼입한 모르타르의 물리적 성능 평가 결과, 제올라이트 및 활성 황토의 혼입량이 증가함에 따라 압축 강도 및 휨 강도가 저하하는 것을 확인하였다. 이는 제올라이트 및 활성 황토 혼입량 증가에 따라 다공성으로 인한 것으로 사료된다.
3. MIP 실험을 통한 공극량 검토 결과, 제올라이트 및 활성 황토 치환량이 증가함에 따라 공극량이 최대 약 28.2%로 다공성 재료의 특성을 나타냄을 확인하였다. 특히 활성 황토는 공극 크기 10μm~1μm 영역에서 누적 공극량이 급진적으로 증가함에 따라 다공성을 확인할 수 있다.
4. MIP 실험 결과를 바탕으로 각 시료 표면에 SEM 분석 결과 치환량 및 재령에 따라 에트린자이트 및 모노설페이트 구조가 확인되었으며, 다량의 공극 구조를 확인할 수 있었다.
MIP 분석결과 OPC 배합 대비 제올라이트 치환량이 증가할수록 공극률은 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 다음 Fig.
특히, 치환율 30% 배합까지는 활성 황토 배합이 제올라이트 배합 대비 강도가 소량 증진하였지만, 치환율 40%에서 활성 황토 배합의 강도가 급진적으로 저하되는 것을 확인하였다. OPC 대비 활성 황토 20% 치환 배합이 28일에서 약 98%의 높은 강도 발현을 나타냄을 확인하였으며, 제올라이트 20% 치환 배합이 약 93.4%로 나타났다.
6은 재령별 압축강도 실험결과를 나타낸 것이다. OPC 배합인 Plain에서 가장 높은 강도로 나타나고 있으며, 제올라이트 및 활성 황토 치환율이 증가함에 따라 강도가 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. 제올라이트와 활성 황토 치환율에 따른 압축 강도 차이는 크게 나타나지 않았다.
압축강도 시험 결과와 비슷한 결과 값으로 제올라이트 및 활성 황토 치환율이 증가함에 따라 강도는 저하하는 것을 확인 할 수 있었다. OPC 배합인 Plain에서 약 5.23MPa로 가장 높은 휨강도가 나타났으며, ZEO20 및 HW20이 각각 약 5.18MPa, 4.95MPa로 높은 강도 발현이 나타났다. 재령 7일까지 제올라이트 및 활성 황토가 혼입 된 모든 시험체에서 강도 발현 차이가 높게 나타났지만, 재령 28일에서 높은 강도 발현이 나타남을 확인 할 수 있다.
Plain 및 제올라이트는 1μm이하 공극크기에서 점진적으로 미세 공극량이 증가함을 확인 할 수 있었다.
다음 Table 3은 제올라이트와 활성 황토의 물리적 성능 결과를 나타냈다. 실험에 사용 된 제올라이트와 활성 황토의 비표면적은 3,000cm²/g, 3,300cm²/g으로 OPC와 비슷하게 나타나고 있었으며, 밀도는 1.92g/cm³, 2.50g/cm³으로 OPC 대비 큰 차이를 나타남을 확인하였다.
7은 재령별 휨강도 실험결과를 나타낸 것이다. 압축강도 시험 결과와 비슷한 결과 값으로 제올라이트 및 활성 황토 치환율이 증가함에 따라 강도는 저하하는 것을 확인 할 수 있었다. OPC 배합인 Plain에서 약 5.
이에 1μm 이하의 미세 공극량은 소량적으로 증가하고 있으며, 활성 황토 치환량이 증가에 따라 미세 공극량이 증가함을 확인할 수 있었다.
Plain 및 제올라이트는 1μm이하 공극크기에서 점진적으로 미세 공극량이 증가함을 확인 할 수 있었다. 제올라이트 치환율 증가에 따라 누적 공극량이 증가함을 확인 할 수 있다. 활성 황토 배합은 Plain 배합 및 제올라이트 배합과는 전혀 다른 양상을 나타내고 있었다.
제올라이트와 활성 황토를 대상으로 XRF 분석을 통하여 화학 조성 분석을 실시하였다. 제올라이트와 활성 황토의 주요 성분은 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등으로 나타났으며, 포졸란 혼합물과 유사한 조성을 나타남을 확인할 수 있었다. 두 가지 재료의 주요 성분은 같으나, 함량에서의 차이가 큰 것을 확인 할 수 있었다.
제올라이트와 활성 황토 치환율에 따른 압축 강도 차이는 크게 나타나지 않았다. 특히, 치환율 30% 배합까지는 활성 황토 배합이 제올라이트 배합 대비 강도가 소량 증진하였지만, 치환율 40%에서 활성 황토 배합의 강도가 급진적으로 저하되는 것을 확인하였다. OPC 대비 활성 황토 20% 치환 배합이 28일에서 약 98%의 높은 강도 발현을 나타냄을 확인하였으며, 제올라이트 20% 치환 배합이 약 93.
2%로 확인하였다. 활성 황토 20% 치환배합은 Plain 대비 공극량이 소량 감소하였지만, 30% 이상 배합에서 24%가 넘음에 따라 공극량 증가를 확인하였다.
2%로 나타났다. 활성 황토 치환 배합에서도 치환량이 증가함에 따라 공극률이 증가하였으며, 활성 황토 치환 배합별 공극량은 각각 17.8%, 24.4%, 25.2%로 확인하였다. 활성 황토 20% 치환배합은 Plain 대비 공극량이 소량 감소하였지만, 30% 이상 배합에서 24%가 넘음에 따라 공극량 증가를 확인하였다.

후속연구

5. 제올라이트 및 활성 황토의 혼입량에 따른 역학적 특성을 분석 한 결과 건설 재료의 활용성에 대한 기초적 연구로서 시멘트 대체 재료로서의 활용성을 확인할 수 있었으며, 다공성 건설 재료의 개발 가능성이 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제올라이트란 무엇인가?	활성 황토와 비슷한 특성으로 다공성 구조를 형성하는 재료로는 제올라이트가 연구되어 왔다. 제올라이트는 SiO4와 AlO4 사면체가 산소 원자를 서로 공유하면서 결합되어 삼차원적인 그물 구조를 이루고 있는 알루미노-실리케이트 광물로서, 다량의 공간들이 존재하여 물 분자와 이온교환이 가능한 양이온이 점유하고 있다(Colin et al. 2001; Seo 2005).
	콘크리트의 주재료인 시멘트가 많이 사용되는 이유는 무엇인가?	현대 건설재료 중 콘크리트의 주요 재료인 시멘트는 건설 분야에서 가장 많이 사용되고 있다. 이는 경제성, 시공성, 내구성, 재료 수급성 등이 용이하기 때문이다. 하지만, 시멘트는 생산에 따른 높은 에너지 사용과 발생되는 CO2 및 분진 등은 대기오염에 큰 영향이 있는인자로 알려져 있다(Han 2009).
	제올라이트의 주요 성분은 무엇인가?	2005). 제올라이트의 주요 성분은 SiO2, Al2O3, Fe2O3 등으로 구성되어 있으며, 포졸란 반응의 특성을 갖는 것으로 확인되었다(Kang et al. 2018; Choi 1998; Choand Choi 2012).

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저자의 다른 논문 :

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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