[논문]OLED 페유리 미분말을 혼화재로 활용한 콘크리트의 탄산화 특성 평가

김재돈; 장일영

doi:10.21289/ksic.2020.23.6.1111

OLED 페유리 미분말을 혼화재로 활용한 콘크리트의 탄산화 특성 평가
Evaluation of Carbonation Characteristic for Concrete using OLED Waste Glass Powder 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.6/2, 2020년, pp.1111 - 1117

김재돈 (금오공과대학교 토목공학과) , 장일영 (금오공과대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the carbonation characteristics of concrete according to the mixture of OLED waste glass were evaluated. Replacement capacities of OLED waste glass were 0%, 10%, 20%, and 30% of cement, and they were named OG 0, OG 10, OG 20, and OG 30. As a result of the compressive strength test, OG 0 without replacing OLED waste glass showed high intensity until the 14th. However, the higher the replacement rate of OLED waste glass, the higher the compressive strength of 28 days. In addition, the speed of carbonation was faster with the higher the replacement rate of OLED waste glass, and the accelerated carbonation experiment was about three times faster than the natural carbonation test. In conclusion, the carbonation characteristics of OLED concrete are expected to be positive in terms of atmospheric CO2 absorption.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Physical and chemical properties of binders used in this study
표 Table 2. Mix design of concrete and paste mixes
그림 Fig. 1 Schematic diagram of measurement of the carbonation depth using phenolphthalein indicator
그림 Fig. 2 Compressive strength of OLED-mixed concrete with curing ages
그림 Fig. 3 Carbonation depth of OLED-mixed concrete with time exposed to an accelerated conditions
그림 Fig. 4 Carbonation depth of OLED-mixed concrete with time exposed to an natural conditions
그림 Fig. 5 Prediction to carbonation depth of OLED-mixed concrete based on experimental results up to 10 years

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 OLED 폐유리 미분말을 활용하여 포졸란계 재료로서의 사용성을 검증하고, 더 나아가 촉진 탄산화 실험을 통해 OLED 콘크리트의 CO₂ 흡수 능력을 평가하였다.
본 논문에서는 콘크리트에서 OLED 미분 말의 치환량에 따른 탄산화 속도를 측정하여 CO₂ 흡수량을 예측하였다. 압축강도 및 탄산화 실험과 페놀프탈레인 지시약을 통한 콘크리트 시편의 탄산화 깊이를 측정하였으며, 그 값을 토대로 미래의 탄산화 깊이를 예측하였으며 결론은 다음과 같다.

가설 설정

1과 같이 모든 시편에 대해 총 6개의 동일한 지점에서 발색 되지 않은 영역의 길이를 1mm 단위로 측정하여 그 평균값을 탄산화 깊이로 산정하였다. 측정 지점에 골재가 있을 경우 탄산화가 진행된 경계면 양 끝점을 연결하는 선을 그어 해당 깊이까지의 길이를 탄산화 깊이로 가정하였다.

제안 방법

OLED 미분말의 치환율에 따른 강도 발현 특성 및 CO₂ 흡수 능력을 평가하기 위해 Table 2와 같이 시멘트 페이스트 및 콘크리트 배합설계를 산정하였다.
OLED 콘크리트의 강도발현 특성 평가를 위해 재령 1-28일에서 시편의 압축강도를 측정하였으며 결과는 fig. 2와 같다. 시편의 종류와 관계없이 재령의 증가에 따라 압축강도가 증가하는 결과를 나타냈으며 이는 지속적인 수화반응에 의한 것으로 판단된다.
OLED 콘크리트의 탄산화 저항성을 평가 및 비교하기 위해 촉진, 옥외 탄산화 실험을 실시하였다. 촉진 탄산화 실험은 시편을 탄산화 챔버에 정치시킨 후 촉진 탄산화 실험을 진행하였다.
각 시편명은 OLED 분말의 혼입률 0%, 10%, 20% 및 30%를 순서대로 OG0, OG10, OG20 및 OG30으로 정하였다. 시멘트 페이스트의 물-결합재 비(Water to binder ratio; w/b)는 0.
된다. 노출 기간별로 구해진 속도계수 값을 회귀 분석하여 실험에의해 측정되지 않은 노출기간의 속도계수 값을 산정하며 이를 활용하여 최대 10년 까지의 탄산화 깊이를 산정하였다.
산정된 콘크리트 배합 설계를 토대로 배합 재료가 충분히 혼합될 수 있도록 2분간 건비빔 후, 배합수를 첨가하여 3분 동안 실시하였다. 압축강도, 휨강도 및 급속 탄산화 실험을 위한 콘크리트 시편은 원주형 몰드(Ø 100 × 200mm), 각주 형 몰드 (100 × 100 × 400) 및 각주형 몰드 (50 × 50 × 100mm)를 이용하여 제작하였다.
예측하였다. 압축강도 및 탄산화 실험과 페놀프탈레인 지시약을 통한 콘크리트 시편의 탄산화 깊이를 측정하였으며, 그 값을 토대로 미래의 탄산화 깊이를 예측하였으며 결론은 다음과 같다.
절단면을 대상으로 KS F 2596에 따라 페놀프탈레인 지시약을 이용하였다. 이때, Fig. 1과 같이 모든 시편에 대해 총 6개의 동일한 지점에서 발색 되지 않은 영역의 길이를 1mm 단위로 측정하여 그 평균값을 탄산화 깊이로 산정하였다. 측정 지점에 골재가 있을 경우 탄산화가 진행된 경계면 양 끝점을 연결하는 선을 그어 해당 깊이까지의 길이를 탄산화 깊이로 가정하였다.
옥외 탄산화 실험은 시편을 기상의 영향을 받는 자연스러운 환경에서 진행되었다. 일정 기간 노출 후 탄산화 깊이 측정을 위해 시편을 절단하였다. 절단면을 대상으로 KS F 2596에 따라 페놀프탈레인 지시약을 이용하였다.
재령별 OLED 폐유리 치환에 따른 압축강도 발현 특성을 평가하기 위해 KS F 2456(콘크리트 압축강도 시험)에 의거하여 재령 1, 3, 7, 14 및 28 일의 콘크리트 시편을 대상으로 압축강도를 측정하였다. 실험에 사용된 장비는 최대용량 2, 000kN의 만능재료시험기(Universal Testing machine; UTM) 을 이용하여 재하조건 300 kN/min의 하중제어 방식으로 수행되었다.
촉진 탄산화 실험은 시편을 탄산화 챔버에 정치시킨 후 촉진 탄산화 실험을 진행하였다. 탄산화 촉진을 위해 CO₂ 농도 3%, 온도 20 ± 2℃, 상대습도(RH) 60%의 환경을 유지하였다.
압축강도, 휨강도 및 급속 탄산화 실험을 위한 콘크리트 시편은 원주형 몰드(Ø 100 × 200mm), 각주 형 몰드 (100 × 100 × 400) 및 각주형 몰드 (50 × 50 × 100mm)를 이용하여 제작하였다. 타설 후 24시간이 경과 하였을 때 탈형 하여 20 ± 2℃ 조건에서 수중 양생을 진행하였다.
촉진 탄산화 실험은 시편을 탄산화 챔버에 정치시킨 후 촉진 탄산화 실험을 진행하였다. 탄산화 촉진을 위해 CO₂ 농도 3%, 온도 20 ± 2℃, 상대습도(RH) 60%의 환경을 유지하였다. 옥외 탄산화 실험은 시편을 기상의 영향을 받는 자연스러운 환경에서 진행되었다.

대상 데이터

05인 것을 사용하였다. 굵은 골재는 쇄석으로 비중이 2.65이고, 흡수율이 0.90, 최대 치수(Gmax)가 25mm 인 것을 사용하였다.
있다. 반응성 분체로 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode: OLED) 패널 제작 공정에서 배출되는 파유리를 활용하여 포졸란 반응성 확보를 위해 분쇄 과정을 통해 약 10μm의 평균 입경을 갖는 미분말을 사용하였다. 사용된 혼화재의 물리 화학적 특성을 Table 1에 나타내었다.
배합에 사용된 잔골재는 하천모래로서 비중이 2.60이고, 흡수율이 1.05인 것을 사용하였다. 굵은 골재는 쇄석으로 비중이 2.
본 연구에서 사용된 시멘트는 KS L 5201을 만족하는 보통 포틀랜드 시멘트 (Ordinary Portland Cement: OPC)로 CaO를 약 70% 함유하고 있다. 반응성 분체로 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode: OLED) 패널 제작 공정에서 배출되는 파유리를 활용하여 포졸란 반응성 확보를 위해 분쇄 과정을 통해 약 10μm의 평균 입경을 갖는 미분말을 사용하였다.
압축강도, 휨강도 및 급속 탄산화 실험을 위한 콘크리트 시편은 원주형 몰드(Ø 100 × 200mm), 각주 형 몰드 (100 × 100 × 400) 및 각주형 몰드 (50 × 50 × 100mm)를 이용하여 제작하였다. 타설 후 24시간이 경과 하였을 때 탈형 하여 20 ± 2℃ 조건에서 수중 양생을 진행하였다.
일정 기간 노출 후 탄산화 깊이 측정을 위해 시편을 절단하였다. 절단면을 대상으로 KS F 2596에 따라 페놀프탈레인 지시약을 이용하였다. 이때, Fig.

데이터처리

실험에 사용된 장비는 최대용량 2, 000kN의 만능재료시험기(Universal Testing machine; UTM) 을 이용하여 재하조건 300 kN/min의 하중제어 방식으로 수행되었다. 압축강도의 측정은 모든 배합에 대해 3회 측정된 강도 값을 평균하여 사용하였다.

성능/효과

1) OLED 혼입 콘크리트는 초기에 OPC 콘크리트에 비해 낮은 압축강도를 가졌지만 재령 일이 증가함에 따라 격차를 줄여나가다 28일을 기점으로 OPC 콘크리트의 강도를 초과하였다. 이러한 결과는 OLED 분말의 SiO2 성분에 의한 포졸란반응의 증가에 의한 것으로 판단된다.
2) 급속 및 옥외 탄산화 실험에서 OLED 분말의 혼입은 탄산화의 깊이를 증가시키는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 OPC 콘크리트에 존재하는 다량의 CH 성분이 CO₂와 결합하는 과정에서 CH보다 부피가 큰 CaCO₃를 형성하면서 콘크리트 표면의 공극 구조를 차단해 CO₂의 침투를 저해하는 반면 OLED 콘크리트에서는 포졸란 반응에 의해 CH를 소모하므로 비교적 표면의 공극이 보존되어 CO2가 깊이 침투한 것으로 판단되며 OLED 콘크리트의 높은 탄산화 속도는 CO₂ 흡수에 상당량 기여할 것으로 사료 된다.
(2014)의 연구 결과에서 폐유리를 시멘트 대체제로 사용하여 최대 15 - 60% 치환하였을 때 폐유리의 혼입율이 증가할수록 CH의 감소율은 증가하였으며, C-S-H 겔의 함량 역시 증가하였다. 결론적으로, 본 연구에서 사용된 약 10 μm의 평균 입경을 가진 OLED 미분말은 충분한 포졸란 반응을 일으키며 이에 따라 압축강도에 증가에 기여한다고 말할 수 있다.
, 2003) 탄산화가 진행될수록 콘크리트 내 공극구조를 치밀하게 만들어 더 이상의 CO₂ 침투를 제한하고, 이러한 현상은 콘크리트 표면에서부터 발생하여 결과적으로 탄산화 반응을 더디게 만드는 원인으로 작용할 수 있다. 또한, OLED 콘크리트 내 폐유리 미분말의 혼입률이 증가할수록 탄산화 깊이도 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 경향 역시 OLED 혼입률이 증가함에 따른 포졸란 반응성 증가에 기인한 것으로 사료 된다.
3의 급속탄산화 실험결과와 유사한 경향을 나타냈지만 모든 경우에서 급속탄산화에 비해 낮은 침투 속도를 보였다. 모든 재령 및 배합에서 평균적으로 3배 정도의 침투 속도의 차이를 나타냈으며, 재령 96주의 OG 30 배합에서 약 11mm의 탄산화 깊이 차이를 나타냈다. 높은 탄산화 농도에 의해 CH의 소모가 가속화됨에 약 3배 정도의 탄산화 속도 차이가 발생한 것으로 판단된다.
뿐만 아니라 콘크리트 내 OLED 미분말 치환율의 증가는 본격적인 포졸란 반응이 일어나는 중장기 재령에서 더 높은 강도 발현을 나타냈는데, 이러한 결과는 콘크리트 내 OLED 폐유리의 양이 증가할수록 더 많은 양의 포졸란 반응이 발생하고 이에 따라 C-S-H 겔 생성량이 증가하여 강도 증진을 초래한 것으로 판단된다. 실제로 Du et al.
5에 나타내었다. 앞선 탄산화 깊이 결과와 같이 OLED 혼입량이 증가할수록 탄산화 깊이도 함께 증가하였으며 10년의 예측값에서 OG 30의 탄산화 깊이는 OG 0에 비해 6.14mm 높은 값을 나타냈다. 정확한 CO₂ 흡수량의 계산은 추가적인 실험이 있어야 가능하겠지만, OLED 콘크리트의 빠른 탄산화 속도는 CO₂ 흡수관점에서 OPC 콘크리트에 비해 뛰어날 것으로 사료 된다.
이러한 결과는 OPC 콘크리트에 존재하는 다량의 CH 성분이 CO₂와 결합하는 과정에서 CH보다 부피가 큰 CaCO₃를 형성하면서 콘크리트 표면의 공극 구조를 차단해 CO₂의 침투를 저해하는 반면 OLED 콘크리트에서는 포졸란 반응에 의해 CH를 소모하므로 비교적 표면의 공극이 보존되어 CO2가 깊이 침투한 것으로 판단되며 OLED 콘크리트의 높은 탄산화 속도는 CO₂ 흡수에 상당량 기여할 것으로 사료 된다.
4에 옥외 탄산화 실험결과를 나타내었다. 전체적으로 fig. 3의 급속탄산화 실험결과와 유사한 경향을 나타냈지만 모든 경우에서 급속탄산화에 비해 낮은 침투 속도를 보였다. 모든 재령 및 배합에서 평균적으로 3배 정도의 침투 속도의 차이를 나타냈으며, 재령 96주의 OG 30 배합에서 약 11mm의 탄산화 깊이 차이를 나타냈다.
3에 나타내었다. 촉진 탄산화 실험 결과에서 모든 시편은 노출시간에 따라 탄산화 깊이가 증가하는 경향을 나타냈다. 특히, OLED 혼입률과 관계없이 OPC 100% 콘크리트와 비교하여 낮은 탄산화 저항성을 보였는데, 이는 포졸란 반응으로 인한 콘크리트 내 CH 함량의 감소 때문인 것으로 사료된다.

참고문헌 (8)

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Idir, Rachida, Martin Cyr, and Arezki Tagnit-Hamou. "Pozzolanic properties of fine and coarse color-mixed glass cullet." Cement and Concrete Composites, vol. 33 no. 1, pp. 19-29, (2011).

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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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