[논문]칼슘설포알루미네이트를 활용한 기포콘크리트의 특성평가

조용광; 김춘식; 남성영; 조성현; 이형우; 안지환

doi:10.5855/energy.2019.28.1.010

칼슘설포알루미네이트를 활용한 기포콘크리트의 특성평가
Characterization of Foamed Concrete Using Calcium sulfaluminate 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.1, 2019년, pp.10 - 16

조용광 (한일시멘트 환경소재팀) , 김춘식 (한일시멘트 환경소재팀) , 남성영 (한일시멘트 환경소재팀) , 조성현 (한일시멘트 환경소재팀) , 이형우 (한일시멘트 환경소재팀) , 안지환 (한국지질자원연구원)

초록
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본 연구에서는 경량기포콘크리트의 침하안정성 및 경제성을 확보하기 위해 수행되었다. OPC에 fly ash와 Calcium sulfaluminate(CSA)를 일정함량 치환한 배합비를 선정하고 기초물성을 검토하였다. CSA에 의해 조기 ettringite 생성으로 경량기포콘크리트의 플로우가 감소한 것을 확인하였다. 압축강도는 CSA 10%까지 혼입할 경우 경량기포콘크리트의 경화시간 단축으로 인해 초기강도는 증가한 것을 확인하였다. 침하깊이는 CSA를 치환할 경우 응결시간을 단축하여 기포가 소포되는 것을 방지하였기 때문에 침하안정성이 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purposes of this study is to secure subsidence stability and economical efficiency of lightweight foamed concrete. The composition of lightweight foamed concrete was designed for OPC by substituting with constant contents of calcium sulfaluminate and fly ash. It is found that the flow of lightweight foamed concrete decreased with early ettringite formation by CSA. The initial strength increased with the decrease of drying time of lightweight foamed concrete when CSA was substitution to 10%. The settlement deep of foamed concrete improved the settlement stability by replacing CSA, which prevented shortening of the coagulation time and bubble puffing.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Settlement crack of light weight foamed concrete
표 Table 1. Physical properties of cement
표 Table 2. Chemical compositions of CSA and fly ash
표 Table 3. Quality standerd of foamed concrete for cast-in-site(KS F 4039)
표 Table 4. Mixing proportions of lightweight foamed concrete
그림 Fig. 2. Flow of lightweight foamed concrete
그림 Fig. 3. Compressive strength of lightweight foamed concrete
그림 Fig. 4. Apparent density of lightweight foamed concrete
그림 Fig. 5. Settlement deep of lightweight foamed concrete

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기포콘크리트의 조기강도 발현, 침하 깊이 감소를 확보하기 위해 기존 시멘트에 플라이애시와 CSA를 일정 함량 치환한 배합비를 선정하고 기초물성을 검토하였다. 또한 Table 3과 같이 KS F 4039(현장 타설용 기포콘크리트)중에서 현장에서 가장 많이 사용하고 있는 0.
본 연구에서는 낮은 양생온도 및 혼화재료를 사용한 기포콘크리트의 소포현상 때문에 발생하는 침하 및 균열을 방지하기 위하여 속경성 가진 칼슘설포알루미네이트(이하 CSA)의 사용에 따른 기포콘크리트의 유동성, 침하량, 밀도, 압축강도 등 기초특성을 검토하였다.
본 연구에서는 낮은 양생온도 및 혼화재료를 사용한 기포콘크리트의 소포현상 때문에 발생하는 침하 및 균열을 방지하기 위하여 속경성 가진 칼슘설포알루미네이트(이하 CSA)의 사용에 따른 기포콘크리트의 유동성, 침하량, 밀도, 압축강도 등 기초특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이후 제조된 페이스트에 선 발포된 기포를 넣고 믹서를 이용하여 1분30초간 혼합하였다. 0.5품 기포콘크리트를 제조하기 위해 단위중량을 측정하면서 기포제와 페이스트 비중을 조절하였다. 기포콘크리트 압축강도를 측정하기 위해 실린더 몰드(Ø100×200mm)로 공시체를 제조하였다.
본 연구는 기포콘크리트의 조기강도 발현, 침하 깊이 감소를 확보하기 위해 기존 시멘트에 플라이애시와 CSA를 일정 함량 치환한 배합비를 선정하고 기초물성을 검토하였다. 또한 Table 3과 같이 KS F 4039(현장 타설용 기포콘크리트)중에서 현장에서 가장 많이 사용하고 있는 0.5 Tyoe 기포콘크리트의 품질을 만족할 수 있도록 하였다.(7) 배합설계는 기포콘크리트의 CSA의 적정함량을 확인하기 위해 Table 4와 같이 설계하여 실험을 진행하였다.
실험방법으로는 기포콘크리트의 페이스트를 제조하기 위해 배합수 50wt%를 첨가하여 저속에서 약 3분간 혼합하여 제조하였다. 이후 제조된 페이스트에 선 발포된 기포를 넣고 믹서를 이용하여 1분30초간 혼합하였다.
이때, 아크릴원통을 세운 후 채취된 슬러리를 상부까지 붓고 남은 윗부분은 수평하게 제거하였다. 이후 원통을 살며시 들어 올려 슬러리가 퍼진 방향을 측정하여 플로우를 확인하였다. 겉보기밀도, 압축강도는 KS F 2459(기포콘크리트의 겉보기 밀도, 함수율, 흡수율 및 압축강도 시험방법)에 의거하여 진행하였다.
침하깊이 측정을 위해 투명 아크릴용기(Ø75×500mm)에 시료를 수평하게 상부 끝까지 채우고 건조된 후 상부 침하 깊이를 mm단위로 측정하였다.
일반적으로 KS F4039 (현장 타설용 기포콘크리트)기준에 의거하여 기포콘크리트의 품질관리를 위해 압축강도는 7일, 28일 강도 측정을 원칙으로 한다. 하지만 본 연구에서는 초기강도의 특성을 확인하기 위해 3, 7, 28일 압축강도를 측정하였다. 기포콘크리트의 압축강도는 단위결합재량 및 결합재 구성요소 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다고 보고되고 있다.

대상 데이터

기포콘크리트 압축강도를 측정하기 위해 실린더 몰드(Ø100×200mm)로 공시체를 제조하였다.
기포콘크리트의 플로우는 KS F 4039 (현장 타설용 기포콘크리트)기준에 의거하여 Ø80×80 mm 크기의 평판과 체적 400ml 아크릴 원통을 사용하여 측정하였다.
본 연구에서 사용되는 고화용 재료인 시멘트는 Table 1과 같이 KS L 5201(포틀랜드시멘트)의 규정에 만족하는 H사의 1종 포틀랜드시멘트를 사용하였다. 산업 부산물인 플라이 애시는 Y지역 화력발전소에서 발생되는 미분탄 플라이 애시를 정제 후 사용하였다.
기포제 종류로는 크게 계면활성계(식물성)기포제와 가수분해 단백질계(동물성)기포제로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 동물성 기포제 대비 친환경적인 식물성 기포제(pH 8.39)를 사용하였다.
본 연구에서 사용되는 고화용 재료인 시멘트는 Table 1과 같이 KS L 5201(포틀랜드시멘트)의 규정에 만족하는 H사의 1종 포틀랜드시멘트를 사용하였다. 산업 부산물인 플라이 애시는 Y지역 화력발전소에서 발생되는 미분탄 플라이 애시를 정제 후 사용하였다. 침하량 저감 및 초기강도 확보를 위해 사용된 CSA는 산업부산물을 활용하여 실험실에서 제조한 것을 사용하였다.
산업 부산물인 플라이 애시는 Y지역 화력발전소에서 발생되는 미분탄 플라이 애시를 정제 후 사용하였다. 침하량 저감 및 초기강도 확보를 위해 사용된 CSA는 산업부산물을 활용하여 실험실에서 제조한 것을 사용하였다. 플라이애시와 CSA의 화학성분은 Table 2와 같다.

이론/모형

이후 원통을 살며시 들어 올려 슬러리가 퍼진 방향을 측정하여 플로우를 확인하였다. 겉보기밀도, 압축강도는 KS F 2459(기포콘크리트의 겉보기 밀도, 함수율, 흡수율 및 압축강도 시험방법)에 의거하여 진행하였다. 침하깊이 측정을 위해 투명 아크릴용기(Ø75×500mm)에 시료를 수평하게 상부 끝까지 채우고 건조된 후 상부 침하 깊이를 mm단위로 측정하였다.

성능/효과

1. CSA 치환이 증가할수록 플로우는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 CSA사용이 ettringite를 조기에 생성시키기 때문에 다수의 수분을 흡수하게 되어 플로우가 감소하는 것으로 판단된다.
2. 압축강도는 CSA 10%까지 치환한 경우 양생온도 10℃에서도 KS F 4039(현장 타설용 기포콘크리트) 압축강도 기준인 7일 0.9MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 CSA를 사용하지 않은 시멘트100% 사용한 배합과 플라이애시 10%만 치환한 배합은 양생온도 10℃에서 KS F 4039에서 제시하는 압축강도 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
3. 침하깊이는 CSA를 치환할 경우 감소하는 것으로 나타났다. CSA를 사용한 배합은 양생온도 10℃에서도 KS F 4039(현장 타설용 기포콘크리트)제시하고 있는 10mm이하를 만족하는 것으로 나타났다.
4. 종합적으로 판단하면 기포콘크리트에 CSA10%까지 치환할 경우 조기에 ettringite를 형성시켜 응결시간을 단축하기 때문에 10℃ 낮은 양생온도에서도 기포의 소포에 의한 침하방지가 가능하다. 또한 안정된 기포를 형성하기 때문에 압축강도도 우수한 것으로 나타났다.
CSA가 20% 치환된 배합은 재령 7일에 0.3MPa로 압축강도가 크게 감소한 것으로 나타났다. CSA의 과다 사용에 따른 다량의 ettringite 생성으로 기포콘크리트 시험체 내부의 수분을 가져감으로써 시멘트와 반응에 필요한 수분이 부족하였기 때문으로 판단된다.
침하깊이는 CSA를 치환할 경우 감소하는 것으로 나타났다. CSA를 사용한 배합은 양생온도 10℃에서도 KS F 4039(현장 타설용 기포콘크리트)제시하고 있는 10mm이하를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 CSA를 사용하지 않은 시멘트 100%사용한 배합과 플라이애시 10%만 치환한 배합은KS F 4039에서 제시하고 있는 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
9MPa를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 CSA 5% 치환된 배합은 재령 7일에서 0.95MPa, CSA 10% 치환 배합은 1.259MPa로 KS F 4039(현장 타설용 기포콘크리트)에서 제시하고 있는 0.9MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 시멘트의 수화반응으로 생성된 수산화칼슘과 CSA의 성분 중에 Al₂O₃와 수분이 반응하여 생성된 Al(OH)₃에 의해 Ca-Al-H₂계 수화물을 생성시켜 시멘트 100%대비 경화시간이 단축되어 생긴 결과로 판단된다.
CSA를 사용한 배합은 양생온도 10℃에서도 KS F 4039(현장 타설용 기포콘크리트)제시하고 있는 10mm이하를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 CSA를 사용하지 않은 시멘트 100%사용한 배합과 플라이애시 10%만 치환한 배합은KS F 4039에서 제시하고 있는 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
9MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 CSA를 사용하지 않은 시멘트100% 사용한 배합과 플라이애시 10%만 치환한 배합은 양생온도 10℃에서 KS F 4039에서 제시하는 압축강도 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
이는 CSA를 치환함에 따라 조기에 ettringite를 형성시켜 기포콘크리트의 응결시간을 단축하여 기포가 소포되는 것을 방지하였기 때문으로 판단된다. 따라서 CSA사용이 낮은 양생온도에서 기포콘크리트의 침하방지에 효과적일 것으로 판단된다.
시멘트 100%를 사용한 배합은 245mm로 가장 큰플로우 값을 나타내었고, CSA 20%를 치환한 경우185mm로 가장 작은 값을 나타내었다. 따라서 CSA의 치환량이 증가할수록 플로우는 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 CSA를 치환하면 ettringite가 조기에 생성되고, ettringite(화학식 3CaO․Al₂O₃․3CaSO₄․32H₂O) 생성시 다수의 물 분자가 필요하게 된다.
CSA의 과다 사용에 따른 다량의 ettringite 생성으로 기포콘크리트 시험체 내부의 수분을 가져감으로써 시멘트와 반응에 필요한 수분이 부족하였기 때문으로 판단된다. 따라서 압축강도 측정결과 CSA를 10%까지 치환하는 것이 적정할 것으로 판단된다.
각 배합별 기포콘크리트의 플로우의 결과는 Fig 2에 나타내었다. 모든 배합이 KS 기준인 180mm 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
(11),(12) Fig 5는 양생온도 10℃에서 기포콘크리트의 침하 깊이 측정한 것이다. 시멘트 100% 사용한 배합은 침하 깊이가 52mm, F/A10%만 치환한 경우는 34mm로 KS F4039(현장 타설용 기포콘크리트)에서 제시하고 있는 10mm이하에 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 반면 CSA를5% 치환한 경우에는 5mm의 침하 깊이가 발생하였으며, CSA를 10% 치환한 경우는 2mm, CSA를20% 치환한 경우에는 침하가 발생되지 않은 것을 나타났다.
시멘트 100%를 사용한 배합은 245mm로 가장 큰플로우 값을 나타내었고, CSA 20%를 치환한 경우185mm로 가장 작은 값을 나타내었다. 따라서 CSA의 치환량이 증가할수록 플로우는 감소하는 결과를 나타내었다.
Fig 3은 기포콘크리트의 재령별 압축강도를 나타낸 것이다. 압축강도 측정결과 재령 7일에서 시멘트 100% 사용한 배합은 0.8MPa, 플라이애시 10%만치환한 경우는 0.75MPa로 KS F 4039(현장 타설용기포콘크리트)에서 제시하고 있는 0.9MPa를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 CSA 5% 치환된 배합은 재령 7일에서 0.
50 g/cm³ 의기준치를 만족해야 한다. 측정결과 모든 배합이 0.5품에 해당기준에 만족하는 결과를 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기포콘크리트란 무엇인가?	기포콘크리트는 시멘트와 물을 혼합한 시멘트 슬러리에 기포제로 발표시킨 일정량의 폼(Foam)을 혼합하여 무수히 많은 독립기포를 형성시켜 만든 콘크리트이다. 기포콘크리트는 밀도가 낮은 경량재료로서 단열, 방음, 경량 등의 우수한 특징을 가진 건설재료로서 가치와 활용도가 우수하다.
	기존 포틀랜드 시멘트 제조공정에서 칼슘설포알루미네이트 광물을 제조 시 나타나는 효과는 무엇인가?	기존 포틀랜드 시멘트 제조공정에서 칼슘설포알루미네이트 광물을 제조 시 에너지 비용 저감 뿐 아니라 이산화탄소도 약 30% 정도 감축할 수 있으며,조강성, 속경성, 팽창성등의 특징을 가지고 있기 때문에 기존 포틀랜드 시멘트의 단점을 보완할 수 있다. 하지만, 이러한 칼슘설포알루미네이트를 활용한다양한 연구를 통한 실제 건축, 토목현장에서 상용화할 수 있는 연구는 부족한 실정이다.
	시멘트산업은 전체 이산화탄소 배출량의 몇 %의 이산화탄소를 배출하는가?	이는 전 세계적으로는 이산화탄소 전체 배출량의약 8%를 배출하고, 국내는 약 10%를 배출하는 대표적인 산업이다. 2015년 12월 파리 기후변화협약(COP21)에서 “신 기후 변화 체제”를 발표한 후 시멘트 산업에서도 온실감축 주범인 이산화탄소를 줄이기 위한 노력을 진행하고 있다.

저자의 다른 논문 :

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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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