[논문]무기계 재생원료를 사용한 저탄소형 수경성 시멘트 결합재의 특성

송훈; 신현욱; 태성호

doi:10.14190/jrcr.2019.7.1.22

초록
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시멘트는 건설업에의 기초소재이지만 시멘트 제조시 고온의 소성이 필요하고, 소성시의 원료 및 연료로부터 발생하는 $CO_2$는 새로운 환경문제로 인식되어 이를 저감하기 위한 노력이 지속되고 있다. 콘크리트 분야에서의 $CO_2$ 저감을 위한 기술은 고로슬래그 및 플라이애시 등의 혼합시멘트 사용을 권장하는 것이 저감 대책의 대부분을 차지하고 있다. 또한 콘크리트 구조물 해체 시 발생하는 건설폐기물도 또 다른 환경문제로 인식되며 재활용률을 높이기 위한 여러 가지 방안들이 시행되고 있다. 본 연구는 구조물 해체 시 발생하는 무기계 재생원료를 리사이클을 통해 시멘트 제조의 원료로서 활용하기 위한 것이다. 폐콘크리트, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌 및 폐천장재 미분말의 원료조성 검토를 통해 시멘트의 원료로서 활용하고자 한다. 연구결과 재생원료의 원료조성 및 조합을 통해 저탄소형 수경성 시멘트 결합재 제조가 가능한 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cement is a basic material for the construction industry and it requires high temperature sintering when manufacturing cement. $CO_2$ emissions from raw materials and fuels are recognized as new environmental problems and efforts are underway to reduce them. Techniques for reducing $...

Cement is a basic material for the construction industry and it requires high temperature sintering when manufacturing cement. $CO_2$ emissions from raw materials and fuels are recognized as new environmental problems and efforts are underway to reduce them. Techniques for reducing $CO_2$ in concrete are also recommended to use blended cement such as blast furnace slag or fly ash. In addition, the construction waste generated in the dismantling of concrete structures is recognized as another environmental problem. Thus, various methods are being implemented to increase the recycling rate. The purpose of this study is to utilize the inorganic raw materials generated during the dismantling of the structure as a raw material for the low carbon type cement binder. Such as, waste concrete powder, waste cement block, waste clay brick and waste textile as raw materials for low carbon type cement binder. From the research results, low carbon type cement binder was manufactured from the raw material composition of waste concrete powder, waste cement block, waste clay brick and waste textile.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Process of low carbon type hydraulic cement
표 Table 1. Chemical compositions of raw materials
표 Table 2. Chemical compositions model of low carbon type hydraulic cement
표 Table 3. Clinker mineral compositions and clinker modulus of low carbon type hydraulic cement
그림 Fig. 2. Sintering time vs. temperature of low carbon type hydraulic cement
그림 Fig. 3. Free CaO content of clinker
그림 Fig. 4. Blain fineness of recycled clinker
표 Table 4. Experimental items of this research
그림 Fig. 5. Clinker XRD and microscope image of plain hydraulic cement
그림 Fig. 6. Clinker XRD and microscope image of LCHCB
그림 Fig. 7. XRD pattern of low carbon type hydraulic cement(3days)
그림 Fig. 8. XRD pattern of low carbon type hydraulic cement(7days)
그림 Fig. 9. Hydration rate of LCHCB using micro conduction calorimeter
그림 Fig. 10. SEM image of low carbon type hydraulic cement(3, 7days)

AI 본문요약
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문제 정의

폐콘크리트 미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 원료조성 검토를 통해 저탄소형 시멘트의 원료로의 활용이 가능한지를 검토하였다. 또한, 원료조성으로부터 배합조건을 조절하여 클링커를 제조하고 제조된 클링커의 미세조직 및 상분석을 실시하여 저탄소형 수경성 시멘트 결합재의 특성 및 가능성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 건축물 해체 시 발생하고 재활용률이 낮은 무기계 재료를 순환과정에서 재생제품으로의 활용을 목적으로 수경성 시멘트 바인더로서의 가능성을 확인하기 위한 것이다. 폐콘크리트 미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 원료조성 검토를 통해 저탄소형 시멘트의 원료로의 활용이 가능한지를 검토하였다.

제안 방법

또한 Free CaO를 정량하여 확인하였고 측정은 ASTM C 114(Standard test methods for chemical analysis of hydraulic cement)를 응용한 분석방법을 이용하였다. 또한 제조된 클링커 양부판정을 위해 제조된 클링커를 분쇄하여 이수석고 4%를 혼입하여 저탄소형 수경성 시멘트 결합재를 제조하고 수화특성과 XRD, 미세구조를 확인하였다. 수화특성은 미소수화열 분석기를, 미세구조는 SEM를 이용하였다.
무기계 재생원료인 폐콘크리트 미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌, 폐천장재를 사용하여 제조한 클링커 및 시멘트의 활용가능 성에 대해 분석한 본 연구의 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 건축물 해체 시 발생하고 재활용률이 낮은 무기계 재료를 순환과정에서 재생제품으로의 활용을 목적으로 수경성 시멘트 바인더로서의 가능성을 확인하기 위한 것이다. 폐콘크리트 미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 원료조성 검토를 통해 저탄소형 시멘트의 원료로의 활용이 가능한지를 검토하였다. 또한, 원료조성으로부터 배합조건을 조절하여 클링커를 제조하고 제조된 클링커의 미세조직 및 상분석을 실시하여 저탄소형 수경성 시멘트 결합재의 특성 및 가능성을 확인하고자 한다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 무기계 재생원료는 폐콘크리트, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 미분말이다. 폐콘크리트 미분말은 폐콘크리트로부터 도로공사용과 콘크리트 제품제조용 순환골재 생산의 각 분쇄공정에서 발생한다.
저탄소형 수경성 시멘트 결합재를 제조하기 위한 무기계 재생원료는 폐콘크리트 미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌, 폐천장재이며 화학적 성분은 Table 1과 같다. 또한, 조합된 시멘트 페이스트 분말을 사용하였고 CaO를 보충하기 위한 것이다.

이론/모형

소성된 클링커는 에폭시수지에 함침하여 내부를 그라인딩 한 후 편광현미경을 이용하여 클링커의 구성광물 상과 XRD를 이용하여 상태를 확인하였다. 또한 Free CaO를 정량하여 확인하였고 측정은 ASTM C 114(Standard test methods for chemical analysis of hydraulic cement)를 응용한 분석방법을 이용하였다. 또한 제조된 클링커 양부판정을 위해 제조된 클링커를 분쇄하여 이수석고 4%를 혼입하여 저탄소형 수경성 시멘트 결합재를 제조하고 수화특성과 XRD, 미세구조를 확인하였다.
보통포틀랜드시멘트의 제조과정에서 시멘트의 원재료를 조합하고 소성하여 클링커를 제조하기 위한 화합물의 예측은 보그식을 이용한다. 국내 시멘트 관련 KS L 5201에는 이와 관련한 내용과 표준이 명시되어 있다.

성능/효과

1) 폐콘크리트 미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌은 SiO₂ 성분이 높아 다량 사용하기에는 불리하지만 석회석 등과의 조합을 통해 수경성 시멘트 결합재로의 활용이 가능하다.
2) 무기계 재생원료를 사용하여 제조한 클링커의 Free CaO는 Plain 시험체가 0.51, LCHCB가 0.78로 보통포틀랜드시멘트와 유사하다.
3) 무기계 재생원료를 혼입하여 제조한 시멘트는 재생원료의 혼입에 따라 수화속도 및 수화열은 다소 낮아지는 특성을 보인다.
4) 폐콘크리트 미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌, 폐천장재를 사용하여 제조한 시멘트는 저탄소형 재료로의 활용이 가능하다.
무기계 재생원료를 혼입하여 제조한 시멘트 클링커가 보통포틀랜드시멘트 클링커와 유사한 값을 보여 충분히 시멘트 클링커로의 사용이 가능하다. 또한 무기계 재생원료 혼입률이 증가함에 따라 Free CaO 값이 높아지는 것을 확인할 수가 있었다. 이는 무기계 재생원료의 혼입에 따라 C₃S의 생성이 잘 이루어지지 않았기 때문이고 소성성에 영향을 미쳤다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시멘트의 석회포화도가 높을 때 나타나는 특징은 무엇인가?	LSF가 낮을 경우 로터리킬른 내에서 소성은 잘 이루어지나 C3S의 감소로 초기강도가 감소된다. 반대로, LSF가 높을 시에는 소성온도를 높이거나 소성시간을 길게 하더라도 소성이 어렵고 항상 Free CaO가 남을 수 있다. 하지만 C3S 증가로 인해 초기강도가 증가하고, C3S양이 많은 시멘트를 제조하기 위해서는 LSF가 높아야 된다(Kim 2014).
	시멘트의 철률은 무엇인가?	SM이 높아지면 원료 혼합물의 소성이 어려워지며 소성과정에서 고온의 열이 필요하다. 철률(Iron Modulus, 이하 IM)은 Al2O3와 Fe2O3의 양적인 관계를 표시하는 비율로서, IM이 낮은 원료혼합물은 낮은 소성온도에도 클링커의 생성이 용이하다. 또한, IM이 낮으면 시멘트의 C3A가 작고 C4AF가 많아져 초기강도가 낮아지지만 수화열이 작고 화학저항성이 크게 된다.
	현재 시멘트의 순환과정에서 사용되는 CO2 저감을 위한 기술에는 무엇이 있는가?	시멘트는 레미콘으로 제조되어 콘크리트 구조물을 형성하고 콘크리트 구조물은 다시 CO2를 흡수하여 탄산화되고, 또한 콘크리트 구조물은 해체되어 다시 건설재료로서 사용되는 순환과정을 거친다. 이 과정에서 CO2 저감을 위한 기술은 고로슬래그 및 플라이애시 등의 혼합시멘트의 사용이 CO2 감소대책의 대부분을 차지한다.

참고문헌 (5)

Ahn, J.C., Oh, S.G., Kang, B.H. (2005). Hydraulic properties of the recycled Cement made of by-product cementitious powder from concrete waste, Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, 21(9), 121-128.
Kim, J.H., Tae, S.H., Song, H., Shin, H.Y. (2016). Theoretical proposal for the mix design of recycled cement utilized inorganic construction wastes, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 4(3), 250-258 [in Korean].

원문보기 상세보기
Song, H., Shin, H.Y., Lee, J.H., Chu, Y.S., Park, D.C. (2014). Image and phase analysis of low carbon type recycled cement using waste concrete powder, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 2(4), 314-320 [in Korean].

원문보기 상세보기
KS L 5201. (2016). Portland Cement, Korea [in Korean].
Taylor, H.F.W. (2003). 2nd Cement Chemistry, Thomas Telford Service, 193-195.

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