[논문]산업부산물을 활용한 LCD 유리 미분말 혼입 콘크리트의 황산염침식 저항성

김성겸; 송재호

doi:10.15683/kosdi.2019.06.30.239

산업부산물을 활용한 LCD 유리 미분말 혼입 콘크리트의 황산염침식 저항성
Resistance to Sulfate Attack of Concrete Containing LCD glass powder Using Industrial By-products 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.15 no.2 = no.44, 2019년, pp.239 - 248

김성겸 (Department of Civil Engineering, Daegu University) , 송재호 (Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
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연구목적: 본 연구는 LCD 미분말의 혼입을 통해 기존의 OPC 콘크리트와 비교하여 황산염 침식 저항성을 높이는 것을 목적으로 한다. 연구방법: 연구를 위해 LCD 미분말의 치환율을 0-15%로 설정하여 콘크리트의 압축강도 및 공극률을 포함한 기초물성을 평가하고, 두 종류의 황산 용액 침지에 따른 중량, 부피 및 강도 변화를 비교분석하였다. 연구결과: LCD 미분말을 5% 치환한 경우 재령 28일에서 가장 높은 압축강도를 보였고, 특히 OPC과 비교하여 감소된 모세관 공극률은 $Na_2SO_4$ 용액에 침지한 실험결과에서 가장 적은 중량, 부피 및 압축강도 감소율을 나타냈다. 반면, $MgSO_4$에 노출된 경우, LCD 혼입은 OPC에 비해 높은 황산염 침식 저항성을 나타냈지만 혼입률에 따른 차이는 미비하였다. 결론: 본 연구를 통해 LCD 미분말 혼입에 따른 황산염 침식 저항성을 비교하였고, 해당 재료의 치환 범위 확대 및 수화물 조성 변화 분석을 동반한 장기 검증을 통해 LCD 사용가능성을 제고해야한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: This study aims to enhance the resistance against sulfate attack compared to ordinary Portland cement (OPC) concrete by using liquid crystal display (LCD) as binder. Method: The fundamental properties including compressive strength and porosity of concrete replaced by LCD up to 15% at increments of 5% and in turn, the weight, volume, and strength loss of LCD-mixed concrete was analyzed. Results: For the concrete substituted by 5% of LCD, it showed the highest compressive strength at 28 days of curing, and particular at immersion of $Na_2SO_4$ solution, it was achieved the lowest loss of weight, volume and strength due to an decreased porosity at capillaries. In contrast, there is no distinct difference of the sulfate attack resistance between LCD-mixed concretes under exposure of $MgSO_4$ solution, excepted for OPC concrete. Conclusion: In this study, comparison of resistance to sulfate attack between LCD-mixed concretes, and it would be proposed the possibility of LCD usage as binder through long-term verification with extended replacement ratio and identification of changes of hydrates in the cement matrix.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Chemical and physical properties of binders
표 Table 2. Physical properties of fine and coarse aggregate
표 Table 3. Mix design for OPC concrete replaced by LCD powder
그림 Fig. 1. Compressive strength for concrete partially substituted by LCD powder
그림 Fig. 2. Compressive strength for concrete partially substituted by LCD powder
그림 Fig. 3. Pore distribution of specimen obtained from concrete blended with LCD powder
그림 Fig. 4. Deterioration of LCD-mixed concrete after exposure of different sulfate solutions for 12, 26 weeks
그림 Fig. 5. Variation of Compressive strength for concrete containing LCD powder under sulfate-bearing environments

AI 본문요약
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문제 정의

) 용액에 침지하여 화학적 침식의 영향을 압축강도, 부피 및 중량 변화를 측정하여 비교분석하였다. LCD 폐유리를 사용함으로써 황산염에 대한 콘크리트 구조물의 피해를 저감하고 콘크리트의 내구성에 미치는 영향을 확인하여 황산염 저항성을 높일 수 있는 새로운 방안을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 콘크리트 구조물의 황산염 침식 저항성을 높이기 위해 산업폐기물 중 LCD 분말을 혼화재로써 사용하여 압축강도, 공극구조를 포함한 콘크리트 기초 물성과 두 종류의 황산 용액에서의 중량, 부피 및 강도 변화를 측정하여 비교분석하였다. 이에 따라 도출된 결과는 다음과 같다.

제안 방법

LCD 분말을 혼입한 콘크리트 시편의 압축강도 측정은 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)에 따라 진행하였으며,기초 물성 평가를 위해 재령 7, 28일, 황산염 침식 저항성 평가를 위해 침지 12, 26주 후 강도를 측정하였다.
LCD 분말을 혼입한 콘크리트의 황산염 침식 저항성을 평가하기 위해 ASTM C 267에 의거하여 10%의 황산나트륨(Na₂SO₄) 및 황산마그네슘(MgSO₄)에 26주간 침지한 후 중량, 부피 및 압축강도를 측정하였다. Fig.
LCD 혼입 콘크리트의 황산염 침식에 따른 역학적 성능 변화를 분석하기 위해 황산염 용액에 침지한 콘크리트 시편을 중량 및 부피 변화를 측정한 후 KS F 2405에 따라 압축 강도 측정을 실시하였다. 이때, 콘크리트 표면 손상에 따른 측정 오차를 최소화하기 위해 동일 규정 부속서 A에 명시된 언본드 캐핑 방법을 적용하였고, 배합 종류별 압축강도 결과는 Fig.
본 연구에서는 기존 건설재료인 OPC (Ordinary Portland cement; OPC)에 LCD 폐유리 미분말을 치환한 콘크리트의 황산염 침식에 대한 연구로써 황산나트륨(Na₂SO₄) 및 황산마그네슘(MgSO₄) 용액에 침지하여 화학적 침식의 영향을 압축강도, 부피 및 중량 변화를 측정하여 비교분석하였다. LCD 폐유리를 사용함으로써 황산염에 대한 콘크리트 구조물의 피해를 저감하고 콘크리트의 내구성에 미치는 영향을 확인하여 황산염 저항성을 높일 수 있는 새로운 방안을 제시하고자 하였다.
산업부산물 중 폐유리를 혼화재로써 활용한 콘크리트의 역학적 성능 검증을 위해 평균 입경 12 μm의 LCD를 각각 0, 5,10 및 15% 혼입한 콘크리트의 재령에 따른 압축 강도 변화를 Fig. 2에 나타내었다.
실험실 조건(온도 20±2℃, 상대습도 60±5%)에서 콘크리트 타설 후 24시간 이내에 탈형을 실시하였으며, 측정 전까지 동일한 담수조건에서 양생을 진행하였다.
LCD 혼입 콘크리트의 황산염 침식에 따른 역학적 성능 변화를 분석하기 위해 황산염 용액에 침지한 콘크리트 시편을 중량 및 부피 변화를 측정한 후 KS F 2405에 따라 압축 강도 측정을 실시하였다. 이때, 콘크리트 표면 손상에 따른 측정 오차를 최소화하기 위해 동일 규정 부속서 A에 명시된 언본드 캐핑 방법을 적용하였고, 배합 종류별 압축강도 결과는 Fig. 5와 같다. 예상했던 바와 같이 황산염에 노출된 콘크리트의 압축강도 변화는 모든 조건(침지 기간 및 용액 종류)에서 OPC와 비교하여 LCD 분말을 혼입할 경우 압축 강도 감소율이 낮은 것을 알 수 있었다.
재령28일에서의 공극구조 분포 및 공극량을 확인하기 위해 콘크리트 압축 강도 시험 중 일부(약 1.0cm³)를 채취하여 수은 압입법을 실시하였다. 이 때, 공극 분포를 다음과 같이 정의하였다(Aligizaki, 2006).
황산염 침식 저항성 실험은 Fig. 1과 같이 JSTM C 7401(콘크리트의 용액침지에 의한 내약품성 실험 방법)에 따라 Na₂SO₄ 및 MgSO₄ 10% 용액에 재령28일 콘크리트 시편을 침지하여 진행하였으며, 12주, 26주에 부피 및 질량 감소율과 함께 압축강도 변화율을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 I사에서 생상된 LCD 폐유리를 평균 입경 12 μm로 미분쇄하여 혼화재로써 사용하였으며, OPC 및 LCD의 물리화학적 특성은 Table 1과 같다.
압축 강도 측정용 시편은 원주형 몰드(Φ100×200 mm)를 이용하여 제작하였으며, 각 배합별 3개씩 측정하여 평균값을 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 KS F 2403(콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 따라 Φ100×200 원형 몰드를 사용하여 제작하였으며, 각 시편의 배합설계는 Table 3과 같다.
본 연구에서는 LCD 분말의 치환에 따른 콘크리트 내부 공극률 및 공극 분포를 산정하기 위해 콘크리트 시편에서 약 1.0cm³ 크기의 조각을 채취해 Autopore IV 9500 장비(MICROMERITICS)를 이용하여 수은압입법(Mercury intrusionporosimetry; MIP)을 실시하였다. 측정 전 샘플의 수화 정지를 위해 알코올계 용매에 일주일간 침지한 후 105℃에서 건조하여 수분은 완전히 제거하였다.

성능/효과

1) 압축강도는 재령 7일에서 LCD 분말 치환율에 관계없이 38.2-39.9 MPa로 비슷한 수준이었으나 시간이 지남에 따라 LCD 혼입 콘크리트의 강도는 OPC를 초과하였다. 이때LCD를 5% 혼입한 OL5 콘크리트는 53.
2) 재령28일에서의 콘크리트 내 공극률은 LCD 혼입 양에 따라 OPC와 비교하여 최대 15.1%(OL5) 감소하였고, 특히 이온 침투와 관련깊은 모세관 공극률(10 μm 이하)은 OPC(14.97%), OL15(14.75%), OL10(13.43%) 및 OL(12.64%)순이었다.
3) 황산염 침식 저항성 실험 결과 LCD를 혼입한 경우OPC에 비해 모든 조건에서 중량 및 부피 감소율이 낮음을 확인할 수 있었다. 이 중 OL5 콘크리트의 침지 26주 후의 부피 및 중량 감소율이 Na₂SO₄ 용액에서 4.
뿐만 아니라 Mg²⁺ 이온은 기존의 C-S-H 겔과 반응하여 M-S-H 겔을 형성하여 강도 발현에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Bonen, 1992). 결과적으로 침지 26주에서의 중량 및 부피 감소율은 NaSO₄의 경우와 비교하여 증가하는 경향을 보였다.
하지만 MgSO4 용액에 침지한 경우Mg 계열의 수화물이 추가적으로 생성되고, 또한 M-S-H 겔의 형성으로 강도발현이 제한되어 침지 26주에서 OL15를 제외한 시편에서 급격한 강도의 저하가 발생하였다. 상기 결과는 중량 및 부피 감소율과도 비슷한 경향임을 확인할 수 있었고, 따라서 노출된 환경 즉, 요구되는 조건에 따라 LCD 분말의 치환량을 조절하여 사용함으로써 OPC 콘크리트에 비해 바닷가, 지하수와 같은 황산이온에 노출된 환경에서 높은 화학적 저항성을 가질 것으로 예상된다.
5와 같다. 예상했던 바와 같이 황산염에 노출된 콘크리트의 압축강도 변화는 모든 조건(침지 기간 및 용액 종류)에서 OPC와 비교하여 LCD 분말을 혼입할 경우 압축 강도 감소율이 낮은 것을 알 수 있었다. 앞서 설명한 것처럼LCD 혼입은 따라 물리적인 공극채움 현상뿐만 아니라 2차 반응에 의한 수화물 생성 및 이로 인한 내부 조직의 밀실화가 진행되어 이온 침투와 관련된 모세관 공극량이 감소하고 이는 곧 황산이온 침투 저항성의 차이로 이어진다.
3) 황산염 침식 저항성 실험 결과 LCD를 혼입한 경우OPC에 비해 모든 조건에서 중량 및 부피 감소율이 낮음을 확인할 수 있었다. 이 중 OL5 콘크리트의 침지 26주 후의 부피 및 중량 감소율이 Na₂SO₄ 용액에서 4.4 및 2.7%, MgSO₄ 용액에서 6.0 및 4.3%로 가장 낮게 나왔으며, 이는 황산염 침식에 따른 압축강도 변화 결과와도 부합하는 경향이었다.
3 MPa이었으며, LCD 혼입 콘크리트는 치환율과 관계없이 OPC 콘크리트와 비슷한 강도 값을 나타내었다. 하지만 재령 28일에 LCD 혼입 콘크리트는 OPC와 비교하여 높은 강도 발현을 보였으며, 5%를 혼입한 경우 약 18% 높은 53.2 MPa의 강도 값을 가지는 것으로 알 수 있었다. Kim et al.

후속연구

시간이 지남에 따라 C-S-H 겔이 형성되어 Ca(OH)₂가 차지하는 모세공극은 줄어들고 겔 공극(Gel pores)이 증가하여 전체 공극양이 감소하고, 더 나아가 강도 발현에도 영향을 미친 것으로사료된다. 하지만 본 연구에서 실시된 수은압입법은 제한적으로 겔 영역의 공극이 측정 가능하므로 이에 대해 질소, 헬륨 등을 이용한 가스흡착법과 같은 시험분석을 추가적으로 수행하여 겔 공극에 대한 정성/정량 분석이 뒷받침되어야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	특수한 환경의 콘크리트 내구성이 왜 구조적 문제를 일으키는가?	따라서 콘크리트 구조물은 설계 시 노출된 환경으로부터 얼마나 안전하게 사용 가능할지에 대한 내구성 측면의 고려가 동반되어야 한다. 그러나 특수한 환경을 갖는 해양구조물, 폐수처리 시설 등에서 콘크리트 내구성은 염해 및 황산염과 같은 화학적 침식으로부터 열화가 상대적으로 쉽게 발생되어 종종 구조적 문제를 일으킨다(Liu et al., 2017; Yoshida et al.
	황산이온을 포함한 황산염에는 어떤 것들이 있는가?	이러한 황산염은 크게 황산나트륨(Sodium sulfate)과 황산마그네슘(Magnesium sulfate)을 예를 들을 수 있으며 흔하게 흙과 물속에도 용해상태로 존재하고 산업과정에서도 쉽게 발생이 가능하다. 황산염에 의한 침식으로 콘크리트 내부구조는 시멘트에 의한 수화물보다 더 큰 부피를 갖는 에트린자이트(Ettringite, Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)와 석고(Gypsum, CaSO4)가생성되고 이로 인한 팽창균열이 연속적인 화학반응으로 구조물의 열화를 가속시키며 강도와 내구성의 저하를 초래한다(Metha,1983).
	콘크리트 재료의 기술발전은 어떤 역할을 하는가?	건설재료로써 성능과 품질향상을 추구하는 콘크리트 재료의 기술발전은 근래 구조물의 대형화, 고층화 및 다기능화를 가능케 하였으며 각종 재해와 재난으로부터 인간의 생명과 재산을 보호하는 중추적인 역할을 수행하고 있다. 이러한 배경으로부터 콘크리트 구조물은 열악한 환경과 조건 속에서도 그 기능을 유지할 수 있도록 설계, 시공되고 있다.

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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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