[논문]고로슬래그 기반 고칼슘 플라이애시 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 특성

조성우; 문경주; 형원길

doi:10.5345/jkibc.2020.20.1.027

고로슬래그 기반 고칼슘 플라이애시 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 특성
Properties of Cement Mortar According to Substitution Ratio of High Calcium Fly Ash Based on Blast Furnace Slag 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.20 no.1, 2020년, pp.27 - 34

조성우 (Department of Architectural Engineering, Yeungnam University) , 문경주 (CMD Group) , 형원길 (Department of Architectural Engineering, Yeungnam University)

초록
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건설 산업에서 시멘트 제조 시 발생하는 탄산가스로 인해 순환자원의 재활용 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다. 산업부산물 중 순환유동층 연소방식의 로내 탈황과정에서 생성되는 고칼슘 플라이애시의 경우 CaO 및 CaSO₄의 비율이 높다. 이를 고려하여 본 연구에서는 고로슬래그 미분말에 자극제로서 고칼슘 플라이애시를 혼입 하여 시멘트 대체제로 이용하고자 하였다. 그 결과, HCFA의 치환비율은 15% 이하로 하는 것이 적정할 것이라 판단되며, OPC 보다는 내구성 및 강도가 상대적으로 낮게 도출되었으나 친환경 건축 재료로서 충분히 활용 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the industry, due to the carbon dioxide gas produced during cement production is increasing, research on recycling by-products has been actively conducted. In the industrial by-products, the high calcium fly ash(HCFA) produced by the blast-furnace in the circulating fluidized bed combustion method has a high ratio of CaO and CaSO4. In view of this, the purpose of this is to use high calcium fly ash(HCFA) as a stimulant in blast furnace slag powder and use it as a cement substitute. As a result, it is judged that the substitution ratio of HCFA should be 15% or less. In addition, although durability and strength are relatively lower than of OPC, it is considered that it can be utilized as an environmentally building material.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 2. Mix proportion of mortar
표 Table 1. Experimental plan
그림 Figure 1. XRD result of HCFA
그림 Figure 2. Image of SEM
표 Table 3. Chemical properties of material
그림 Figure 3. Compressive strength of mortar
그림 Figure 4. Absorption test of mortar
그림 Figure 5. Carbonation penetration test
표 Table 4. Carbonation penetration depth
$Figure 6. X-ray diffraction patterns of mortar$ 그림 Figure 6. X-ray diffraction patterns of mortar
그림 Figure 7. SEM image

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서 산업부산물인 고로슬래그(Granul ated blast furnace slag, 이하 GBFS)와 고칼슘 플라이애시(High calcium fly-ash, 이하 HCFA)를 시멘트 대체제로 이용하여 시멘트 모르타르의 기초물성을 파악하고자 하였다.
산업부산물 중 순환유동층 연소방식의 로내 탈황과정에서 생성되는 고칼슘 플라이애시의 경우 CaO 및 CaSO₄의 비율이 높다. 이를 고려하여 본 연구에서는 고로슬래그 미분말에 자극제로서 고칼슘 플라이애시를 혼입 하여 시멘트 대체제로 이용하고자 하였다. 그 결과, HCFA의 치환비율은 15% 이하로 하는 것이 적정할 것이라 판단되며, OPC 보다는 내 구성 및 강도가 상대적으로 낮게 도출되었으나 친환경 건축 재료로서 충분히 활용 가능할 것으로 사료된다.

제안 방법

HCFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르 특성 검토를 위한 실험 계획은 Table 1에, 모르타르 배합사항은 Table 2와 같다. GBFS의 시멘트 치환비율은 70%로 고정하였고, HCFA의 치환비율은 0%, 5%, 10%, 15%, 20%로 대체하여 시험체를 제작하였다. 수중양생을 통해 3, 7, 28일 재령을 거친 다음 기초 물성에 대한 실험을 실시하였다.
HCFA의 치환비율에 따른 모르타르의 수화 생성물 및 내부 미세구조의 관찰을 위해 압축강도 측정 시 파단면의 시편을 채취하여 1일간 아세트산 용액에 침지 시켜 수화반응을 정지시키고, 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope: 이하 SEM)을 이용하여 관찰 하였다.
결정상 분석 및 미세 구조 관찰을 위해 각 재령별 압축강도 측정 시 파단면의 시편을 채취하여 1일간 아세톤 용액에 침지 후 시편을 분쇄하여 X선 회절 분석기(X-ray diffraction, 이하 XRD)를 이용해 결정상 분석을 실시하였다. XRD 분석장비는 DLATOME사의 MPD for bulk (Powder)를 사용하였고, 측정 조건은 40kv, 30mA, Scanning Speed: 4°/min, angle: 10°~70°로 하였다.
또한, 수화생성물 및 내부 미세 구조 관찰을 위해 XRD(X-ray diffraction)와 SEM(Scanning Electron Microscope) 실험을 실시하였다.
HCFA의 치환비율에 따른 모르타르의 압축강도 시험은 「KS L 5105」 및 「KS F 2408」에 의거, 만능 시험기를 통해 압축강도를 측정하였다. 재령 3일, 7일 및 28일 수중양생 된 모르타르를 꺼내어 물기를 제거하여 표건 상태의 모르타르로 압축강도를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 KS L 5201에 의거하여 국내 H사에서 생산하는 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)를 사용하였으며, 화학성분은 Table 3과 같다. 고로슬래그 미분말Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)은 KS F 2563을 만족시키는 재료를 사용하였고, 화학성분은 Table 3과 같다.
본 실험에서는 KS L 5201에 의거하여 국내 H사에서 생산하는 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)를 사용하였으며, 화학성분은 Table 3과 같다. 고로슬래그 미분말Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)은 KS F 2563을 만족시키는 재료를 사용하였고, 화학성분은 Table 3과 같다.
본 실험에서는 고로슬래그(GBFS)의 수화반응에 필요한 강알칼리성을 부여하기 위해 C사의 고칼슘 플라이애시를 사용하였으며, 화학성분은 Table 3에 나타내었다.

이론/모형

HCFA의 치환비율에 따른 모르타르의 압축강도 시험은 「KS L 5105」 및 「KS F 2408」에 의거, 만능 시험기를 통해 압축강도를 측정하였다. 재령 3일, 7일 및 28일 수중양생 된 모르타르를 꺼내어 물기를 제거하여 표건 상태의 모르타르로 압축강도를 측정하였다.
흡수율시험은「KS F 2476」의거 28일 동안 양생한 시험체를 오븐기에서 100±5℃의 온도조건하에 24시간 건조한 후, 오븐기에서 꺼낸 시험체의 최초중량을 측정하고 20℃의 수중에 침지하여 48시간 동안의 중량을 측정하여 다음과 같은 식을 이용하여 흡수율을 계산하였다.

성능/효과

1) HCFA를 치환한 모르타르의 재령 3일 압축강도는 치환비율 10%까지는 치환비율이 증가 할수록 압축강도가 증가하는 경향을 보였으나, 이후 감소하는 경향을 보였다. 재령 28일 강도에서는 치환비율이 증가할수록 압축강도가 대체적으로 감소하는 것으로 나타났다.
2) HCFA를 치환한 모르타르의 흡수율은 치환비율 20%(HF-20)인 모르타르를 제외하고 모두 OPC보다 낮은 흡수율을 나타내었으며, 치환비율이 증가할수록 흡수율이 대체적으로 조금씩 증가하는 양상을 나타내었다.
3) HCFA를 치환한 모르타르의 중성화 저항성은 OPC에 비해 부족한 것으로 나타났다. HCFA를 치환한 모르타르의 경우 치환비율 15%까지는 어느 정도 중성화 저항성이 보였으나, 20%에서 크게 감소하였고, 대체적으로 치환비율이 증가할수록 중성화에 대한 저항성이 낮아지는 것으로 나타났다.
4) HCFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 X선회절 분석(XRD)결과 OPC의 경우 Ca(OH)₂ 중심으로 피크가 나타났고, HCFA의 치환비율에 따른 모르타르의 경우 C-S-H와 Ettringite가 생성되었으며, 고칼슘 플라이애시의 치환비율이 증가할수록 Ettringite 비율이 증가하였다.
5) HCFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 주사 전자 현미경 분석(SEM)결과 HCFA를 치환한 모르타르의 경우 C-S-H와 Ettringite가 관찰되었으며, 특히 HCFA의 치환비율이 15%이상에서 다량의 Ettringite 가 관찰되었다. 이는 강도적인 측면에서 보게 되면 경화 후 생성된 delay –Ettringite로 인해 내부에 팽창이 일어나 균열에 따른 치밀한 구조를 형성하지 못하여 강도 발현이 다소 떨어지는 것으로 판단된다.
3) HCFA를 치환한 모르타르의 중성화 저항성은 OPC에 비해 부족한 것으로 나타났다. HCFA를 치환한 모르타르의 경우 치환비율 15%까지는 어느 정도 중성화 저항성이 보였으나, 20%에서 크게 감소하였고, 대체적으로 치환비율이 증가할수록 중성화에 대한 저항성이 낮아지는 것으로 나타났다. 추후 중성화 저항성에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
64%로 HCFA를 치환한 모르타르의 경우 HF-20을 제외하고 모두 OPC보다 낮은 결과 값을 나타내었지만, 치환비율이 증가할수록 흡수율이 대체적으로 조금씩 증가하는 결과 값을 나타내었다. HCFA의 치환비율이 20%인 HF-20에서는 흡수율이 OPC보다 상대적으로 높은 7%를 나타냈다. 기존연구에 의하면 HCFA의 경우 로내 탈황을 하기 위해 석회석을 첨가하기 때문에 석탄재에 잉여 석회성분이 잔재하여 CaO 화합물의 형태로 존재하게 되는데 이때 CaO 화합물이 다량 함유된 재료로 시멘트의 원료로 사용될 경우 콘크리트의 팽창 문제로 균열을 발생시킨다고 알려져 있다[1].
이를 고려하여 본 연구에서는 고로슬래그 미분말에 자극제로서 고칼슘 플라이애시를 혼입 하여 시멘트 대체제로 이용하고자 하였다. 그 결과, HCFA의 치환비율은 15% 이하로 하는 것이 적정할 것이라 판단되며, OPC 보다는 내 구성 및 강도가 상대적으로 낮게 도출되었으나 친환경 건축 재료로서 충분히 활용 가능할 것으로 사료된다.
Figure 3은 HCFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르(HF-00~HF-20)의 압축강도 결과를 나타낸 그래프이다. 먼저, 재령 3일에서는 시멘트만을 사용한 모르타르(OPC)의 경우가 16.3MPa로 가장 높게 나타났으며, HCFA의 치환비율이 0%, 5%, 10%인 HF-00, HF-05, HF-10가 각각 9.33MPa, 10.62MPa, 11.89MPa로 치환비율이 증가할수록 3일 압축강도가 높게 나타났다. 하지만 HCFA의 치환비율이 20%로 가장 높은 HF-20의 경우 4.
시멘트만을 사용한 모르타르(OPC)의 흡수율 결과 값은 6.64%로 HCFA를 치환한 모르타르의 경우 HF-20을 제외하고 모두 OPC보다 낮은 결과 값을 나타내었지만, 치환비율이 증가할수록 흡수율이 대체적으로 조금씩 증가하는 결과 값을 나타내었다. HCFA의 치환비율이 20%인 HF-20에서는 흡수율이 OPC보다 상대적으로 높은 7%를 나타냈다.
1) HCFA를 치환한 모르타르의 재령 3일 압축강도는 치환비율 10%까지는 치환비율이 증가 할수록 압축강도가 증가하는 경향을 보였으나, 이후 감소하는 경향을 보였다. 재령 28일 강도에서는 치환비율이 증가할수록 압축강도가 대체적으로 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

OPC와 비교하여 HF-00 ~HF-15는 낮은 저항성을 보이고 있으며, 특히 HF-20에서는 현저하게 낮은 중성화 저항성을 보였다. HCFA의 치환비율이 점점 증가함에 따라 단위시멘트량이 감소하고 이로 인해 시멘트 수화 시 생성되는 Ca(OH)2의 생성량이 감소하여 GBFS의 잠재수경성 반응에 의한 알칼리 소비에 의한 결과로 판단되며, 추후 고로슬래그 치환량을 조절하여 중성화 저항성에 대한 검토가 필요한 것으로 사료된다.
특히, 15%이상에서 감소하였는데 그 이유는 자극제 내의 CaSO₄가 H₂O와 반응하지 않고 미반응으로 남아 경화 후 CaSO₄의 Ettringite로 수화 반응하여 delay-Ettringite가 생성되었기 때문에 상대적으로 Ettringite의 피크는 증가하고 Gypsum의 피크는 감소하였을 것으로 판단된다[9]. 추후 연구를 통한 장기 내구성에 대해 세밀한 분석이 필요할 것으로 사료된다.
HCFA를 치환한 모르타르의 경우 치환비율 15%까지는 어느 정도 중성화 저항성이 보였으나, 20%에서 크게 감소하였고, 대체적으로 치환비율이 증가할수록 중성화에 대한 저항성이 낮아지는 것으로 나타났다. 추후 중성화 저항성에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
이때, 이 반응으로 인해 경화체 내부에서 팽창이 일어나 균열에 따른 치밀한 구조를 형성 하지 못하여 강도가 낮은 것으로 판단된다[10]. 필요 이상의 자극제가 오히려 균열을 유발하여 강도저하 또는 흡수율 증가와 같은 문제를 야기 시키기 때문에 적절한 배합을 선정하기 위한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고칼슘 플라이애시를 콘크리트용 혼화재와 시멘트 원료로 사용하지 못하는 이유는 무엇인가?	이로 인해 연료의 종류, 수분 함유량 등의 재료에 의한 영향이 적고, 저품위탄 및 고유황탄(High-SulfurCoal), 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel) 등 다양한 가연성 물질을 연료로써 활용이 가능한 순환유동층 보일러 연소방식의 화력발전소 설치가 증가하고 있다[3]. 고칼슘 플라이애시의 경우 순환유동층 연소방식의 로내 탈황 과정에서 생성되는데 기존 플라이애시보다 CaO함량이 높아 플라이애시 표준산업 규격(KS L 5405)에 부합되지 못하여 콘크리트용 혼화재와 시멘트 원료로 사용되지 못하고 있다. 또한 다량으로 사용할 경우 수화열로 인해 균열이 생성되고, 단위수량이 증가되어 시공성이 낮아질 우려가 있기 때문에 폐기물처리장에 전량 매립되고 있는 실정이다[4].
	고품위탄의 수급이 점차 어려워짐에 따라 나타나는 현상은 무엇인가?	최근 유연탄(Bituminous Coal)과 같은 고품위탄의 수급이 점차 어려워짐에 따라 저품위인 아역청탄(Subbituminous Coal)을 사용하는 경우가 점차 증가하고 있다. 이로 인해 연료의 종류, 수분 함유량 등의 재료에 의한 영향이 적고, 저품위탄 및 고유황탄(High-SulfurCoal), 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel) 등 다양한 가연성 물질을 연료로써 활용이 가능한 순환유동층 보일러 연소방식의 화력발전소 설치가 증가하고 있다[3]. 고칼슘 플라이애시의 경우 순환유동층 연소방식의 로내 탈황 과정에서 생성되는데 기존 플라이애시보다 CaO함량이 높아 플라이애시 표준산업 규격(KS L 5405)에 부합되지 못하여 콘크리트용 혼화재와 시멘트 원료로 사용되지 못하고 있다.
	일반적인 플라이애시의 특징은 무엇인가?	한편 일반적인 플라이애시의 경우 미분탄 연소방식의 화력발전소에서 발생하게 되는데 80% 이상이 레미콘 혼 화재와 시멘트의 원료로 활용되고 있다. 최근 유연탄(Bituminous Coal)과 같은 고품위탄의 수급이 점차 어려워짐에 따라 저품위인 아역청탄(Subbituminous Coal)을 사용하는 경우가 점차 증가하고 있다.

참고문헌 (10)

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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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