[논문]나노실리카 졸을 배합수 중량치환 방법으로 혼합한 OPC-slag cement의 특성

서기영; 김태완; 김성도

doi:10.11112/jksmi.2020.24.1.24

나노실리카 졸을 배합수 중량치환 방법으로 혼합한 OPC-slag cement의 특성
The Properties of OPC-Slag Cement Mixed with Nano-Silica Solution by Mixing Water Weight Replacement Method 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.1, 2020년, pp.24 - 34

서기영 (HK 이앤씨) , 김태완 (부산대학교 토목공학과) , 김성도 (경성대학교 토목공학과)

초록
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본 연구는 nano-silica solution(NSS)을 배합수 중량치환방법을 사용한 OPC-slag cement의 특성에 관한 연구이다. 새로운 치환방법은 선행연구들보다 높은 NSS 치환율의 시멘트에 대한 거동을 연구하기 위한 기초 단계이다. NSS는 배합수 중량의 10%, 20%, 30%, 40%, 그리고 50% 치환하였다. 그 결과 역학적 및 미세구조적 특성이 향상되는 결과를 보였다. 이는 두 가지 원인으로 요약된다. 첫 번째는 NSS를 배합수중량 치환하면 나노 실리카 입자의 균질한 분산작용이 향상된다. 이는 초기 수화작용을 촉진한다. 두 번째는 배합수 보다 밀도가 큰 NSS의 치환은 w/b를 감소시킨다. 이는 치밀한 수화반응물질을 형성시킨다. 새로운 치환방법은 선행연구에서 밝혀진 분말형 나노 실리카 입자를 사용한 결과와 비교하여 역학적과 미세구조 특성의 저하가 나타나지 않았다. 따라서 본 연구에서 사용한 NSS를 배합수 중량 치환한 방법은 OPC-GGBFS cement의 배합에 적용 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research is a study on the characteristics of OPC-slag cement using nano-silica solution (NSS) with water-weight substitution method. The new replacement method is a fundamental step to study the behavior of cement with higher NSS replacement rates than previous studies. NSS was replaced by 10%, 20%, 30%, 40%, and 50% of the mixing water weight. As a result, the mechanical and microstructural characteristics were improved. This can be summarized in two ways. First, when the NSS is replaced with mixing water, the homogeneous dispersion action of the nano-silica particles is improved. This promotes initial hydration. Second, substitution of NSS with higher density than mixing water reduces w / b. This forms a dense hydration reaction material. The new substitution method did not show any degradation of mechanical and microstructural properties as compared with the results using the powdered nano-silica particles revealed in the previous study. Therefore, it is considered that the method of weight substitution of NSS used in this study can be applied to the formulation of OPC-slag cement.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1 The chemical properties of raw materials
표 Table 2 Summary of w/b and NSS ratios
그림 Fig. 1 Flow values
그림 Fig. 2 Setting time (a) 20% GGBFS, (b) 40% GGBFS, (c ) 60% GGBFS
그림 Fig. 3 XRD analysis results of 20% GGBFS (a) 1 day, (b) 28 days, ● : ettringite, ▼ : calcite, □ : C-S-H gel, ◇ : silicon oxide, ◎ : gypsum, ★ : portlandite.
그림 Fig. 4 XRD analysis results of 40% GGBFS (a) 1 day, (b) 28 days, ● : ettringite, ▼ : calcite, □ : C-S-H gel, ◇ : silicon oxide, ◎ : gypsum, ★ : portlandite.
그림 Fig. 5 XRD analysis results of 60% GGBFS (a) 1 day, (b) 28 days, ● : ettringite, ▼ : calcite, □ : C-S-H gel, ◇ : silicon oxide, ◎ : gypsum, ★ : portlandite.
그림 Fig. 6 Compressive strength (a) 20% GGBFS, (b) 40% GGBFS, (c ) 60% GGBFS.
그림 Fig. 7 Analysis of pore structures (a) 20% GGBFS, (b) 40% GGBFS, (c) 60% GGBFS.
표 Table 3 Pore size distribution according to NSS replacement ratio

AI 본문요약
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문제 정의

두 번째는 기존의 결합재 중량 치환방법을 사용하지 않고 배합수(mixing water) 중량 치환방법을 적용하 였다. 나노실리카 졸과 배합수 중량치환 방법을 적용한 ordinary Portland cement (OPC)-고로 슬래그(ground granulated blast furnace slag; GGBFS)의 특성을 살펴보기로 한다.
본 연구는 기존의 분말형 나노 입자의 경우 발생할 수 있는 급 격한 유동성 저하와 나노 입자의 뭉침 현상을 완화하고, 나노실 리카의 치환율을 높이기 위한 연구이다. 이를 위해 본 연구는 두 가지 시도를 하였다.

가설 설정

Fig. 6 Compressive strength (a) 20% GGBFS, (b) 40% GGBFS, (c ) 60% GGBFS.
따라서 수화반응물 매트릭스(matrix)내 수화반응 촉진과 치밀한 수화반응물질을 생성한다. 두 번째 는 배합수보다 높은 밀도의 NSS를 치환하면 w/b가 감소하는 효과 때문이다. 이는 NSS를 치환하지 않은 경우 w/b가 0.

제안 방법

미세구조와 수화반응생성물질 의 분석을 위해 MIP와 XRD 분석을 수행하였다. XRD는 1일 과 28일 시험체를 분석하였고 MIP는 28일 시험체를 분석하였다.
3부터 5는 GGBFS와 NSS의 치환율에 따른 반응물질을 알아보기 위해 XRD 분석을 한 결과이다. XRD는 1일과 28일 시 험체에 대해 수행하였다. 주요 반응생성물질은 ettringite, C-S-H gel, portlandite, gypsum 그리고 calcite 등이다.
선행연구에서 사용되었던 분말형 나노 실리카 입자(nanosilica particle) 대신 nano-silica solution (NSS)를 사용하였다. 그 리고 다수의 연구자들이 사용한 결합재 중량치환 방법이 아닌 새로운배합수 중량치환 방법을 적용하였다.
나노 실리카 졸은 콜로이달 나노실리카(colloidal nano-silica) 로 불리기도 한다. 두 번째는 기존의 결합재 중량 치환방법을 사용하지 않고 배합수(mixing water) 중량 치환방법을 적용하 였다. 나노실리카 졸과 배합수 중량치환 방법을 적용한 ordinary Portland cement (OPC)-고로 슬래그(ground granulated blast furnace slag; GGBFS)의 특성을 살펴보기로 한다.
압축강도는 1, 3, 7, 그리고 28일 재령에 대해 수행되었다. 미세구조와 수화반응생성물질 의 분석을 위해 MIP와 XRD 분석을 수행하였다. XRD는 1일 과 28일 시험체를 분석하였고 MIP는 28일 시험체를 분석하였다.
NSS는 기존의 결합재 중량에 대한 치환방식이 아닌 배합 수의 중량에 대한 치환방법이다. 배합수의 중량에 대해 10%, 20%, 30%, 40% 그리고 50% 치환하였다. 모든 페이스트 시험 체의 물-결합재 비는 0.
본 연구에서 적용한 배합수 중량 치환방법은 NSS의 균질 한 분산효과를 향상시키고 w/b 감소효과를 통해 수화반응 촉진과 치밀한 수화반응물 형성으로 압축강도 향상에 효과를 나타낸다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 보통 포틀랜드 시멘트는(ordinary Portland cement; OPC) 와 GGBFS는 XRF 분석을 통해 구성 성분을 Table 1에 나타내었다.
선행연구에서 사용되었던 분말형 나노 실리카 입자(nanosilica particle) 대신 nano-silica solution (NSS)를 사용하였다. 그 리고 다수의 연구자들이 사용한 결합재 중량치환 방법이 아닌 새로운배합수 중량치환 방법을 적용하였다.
이를 위해 본 연구는 두 가지 시도를 하였다. 첫 번째는 분말형 나노 실리카 대신 액 상의 나노실리카 졸(nano-silica solution; NSS)를 사용하였다. 나노 실리카 졸은 콜로이달 나노실리카(colloidal nano-silica) 로 불리기도 한다.

데이터처리

압축강도는 50 ㎜ × 50 ㎜ ×50 ㎜ 정육면체 몰드를 사용하 여 KS L5105에 따라 측정하였다. 압축강도는 3개의 시험체를 측정하여 그 평균값을 사용하였다. 압축강도는 1, 3, 7, 그리고 28일 재령에 대해 수행되었다.

이론/모형

NSS는 배합하기 전에 배합수의 일부를 치환한 다음 천천 히 저어서 미리 준비한 다음 실험하였다. 믹싱은 KS L5109의 방법에 따라 배합하였다. 플로우(flow) 값은 KS L5111에 정 의된 플로우 테이블을 사용하여 측정하였다.
압축강도는 50 ㎜ × 50 ㎜ ×50 ㎜ 정육면체 몰드를 사용하 여 KS L5105에 따라 측정하였다.
플로우(flow) 값은 KS L5111에 정 의된 플로우 테이블을 사용하여 측정하였다. 응결시험은 KS L5103에 제시된 길모어 침(Gillmore needles)에 의한 시멘트 의 응결시간 시험방법을 사용하여 측정하였다.
믹싱은 KS L5109의 방법에 따라 배합하였다. 플로우(flow) 값은 KS L5111에 정 의된 플로우 테이블을 사용하여 측정하였다. 응결시험은 KS L5103에 제시된 길모어 침(Gillmore needles)에 의한 시멘트 의 응결시간 시험방법을 사용하여 측정하였다.

성능/효과

2(a)에 나타내었다. 0% NSS시험체는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 초결과 종 결 모두 증가하였다. 이는 GGBFS의 치환율이 증가하면 상대 적으로 OPC의 양이 감소하여 응결시간이 증가한다.
세 종류의 GGBFS의 치환 율에서 총 공극의 크기는 NSS의 치환율이 증가함에 따라 점 차 감소한다. 0%와 50% NSS의 총 공극률은 20% GGBFS가 22.70%와 21.04%, 40% GGBFS가 24.34%와 21.09%, 60% GGBFS는 34.36%와 26.27%이다. GGBFS의 치환율이 클수 록 NSS의 치환에 따른 총공극률의 감소율이 컸다.
특히 40%와 60% GGBFS 시험체의 경우 플로우 테이블을 초과한다. 10% NSS부터 플 로우 결과를 보면, 동일한 NSS 치환율에서 GGBFS의 치환율 증가에 따라 플로우도 증가하였다. GGBFS는 OPC 보다 느린 수화반응성을 가진다.
3은 20% GGBFS 시험체의 1일과 28일에서의 반응물 질 분석결과이다. 1일과 28일 반응물질을 비교하면 C-S-H gel 과 ettringite 피크가 증가하고 portlandite 피크가 감소한 것으 로 나타났다. 이는 NSS의 효과와 함께 OPC의 지속적인 수화 반응에 의한 것이다.
1일보다 28일 시험체에서는 ettringite 피크의 감소가 매우 미소하다. 20% GGBFS 시험체보다 portlandite 피크의 감 소가 크게 나타났다. OPC-GGBFS 시멘트에서 portlandite의 주 요공급원은 OPC이다.
3에서 5까지 반응물질의 변화를 살펴보면 ettringite와 portlandite 피크의 변화가 가장 두드러진다. GGBFS의 치환 율이 20%에서 60%로 증가함에 따라 NSS의 치환율에 관계없 이 ettringite 피크는 커진 것을 확인할 수 있다. 또한 portlandite 피크도 감소한 것도 함께 확인된다.
27%이다. GGBFS의 치환율이 클수 록 NSS의 치환에 따른 총공극률의 감소율이 컸다. 이는 NSS 가 GGBFS의 수화작용을 촉진하여 치밀한 반응물질 matrix 를 형성하는데 영향을 미치기 때문이다.
7에 보여진 것처럼, GGBFS의 치환율에 상관없이 NSS의 치환율이 증가할수록 공극의 직경과 개수는 감소하는 경향을 나타낸다. 공극의 크기 감소는 NSS의 치환율이 0%, 30% 그리고 50%로 증가할수 록 그래프의 피크가 왼쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 NSS를 배합수 중량 치환방법을 적용하면 역학적 성능 및 미세구조가 치밀해지는 효과를 확인하였다. 이는 두 가지 원인으로 설명될 수 있다.
w/b의 감소는 잉여수의 감소로 치밀한 수화물질 형성 효과를 나타낸다. 그 결과 압축 강도 증가, 공극의 크기 감소 등의 효과가 확인되었다. 이러한 효과는 NSS의 치환율이 증가할수록 명확해진다.
배합수 중량 치환방법은 NSS의 균질한 분산 효과를 향상 시켜 OPC-GGBFS의 수화반응을 촉진한다. 그 결과 치밀한 matrix가 형성되어 공극의 크기와 양을 감소시키는 효과를 보인다.
첫 번째는 결합재 중량 치환 이 아닌 배합수 중량 치환방법으로 NSS의 균질한 분포에 따 른 초기 수화반응 촉진이다. 두 번째는 NSS는 배합수보다 밀도가 크기 때문에 배합수 중량 치환 방법은 w/b의 감소 효과 를 나타낸다. 또한 NSS의 나노입자(nano-silica particle)의 포졸란 반응(pozzolanic reaction), 핵생성 효과(nucleation effect) 그리고 충전효과(filler effect)로 치밀한 반응생성물 matrix를 형성한다.
gypsum은 NSS와 함께 ettringite의 형성에 소모된다 (Zhang and Islam, 2012; Nazari and Riahi, 2011a; Nazari and Riahi, 2011b). 따라서 NSS의 치환율 증가에 따라 gypsum 피크는 감 소하고 ettrignite 피크는 증가한 것으로 확인할 수 있다.
그래서 50% NSS가 모든 재령에서 가장 높은 압축강도를 보여주고 있다. 또한 0% NSS 에 대한 50% NSS의 1일 강도 증가율이 28일일 강도 증가율보 다 높았다. 이는 NSS의 1일 강도 증가율에 미치는 영향이 28 일 보다 크게 영향을 미치는 것을 의미한다.
특히 20% GGBFS의 치환 시험체의 경우 배합수 중량의 50%를 NSS로 치환한 시험체는 종결까지 약 55분으로 빨라진다. 모든 GGBFS 치환율에서 50% NSS 치환율 시험체가 가장 짧은 응결 시간을 보인다.
본 연구를 통해 OPC-GGBFS 시멘트에 NSS를 배합수 중량 치환방법을 적용하는 새로운방법으로도 충분히 향상된 역학 적 특성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
, 2007)에 의한 것으로 언급되었다. 본 연구에서 적용한 NSS를 배합수 중량 치환방법도 선행연구결과들과 유사한 공극의 크기와 개수의 감소 특성을 보여준다.
7의 시험체들에 대해 직경 10 ㎛ 이하의 공극 크기에 따른 분포를 분석한 것이다. 세 종류의 GGBFS의 치환 율에서 총 공극의 크기는 NSS의 치환율이 증가함에 따라 점 차 감소한다. 0%와 50% NSS의 총 공극률은 20% GGBFS가 22.
세 종류의 GGBFS의 치환율 시험체 모두에서 NSS의 치환 율이 증가하면 초결과 종결시간은 감소한다. 특히 20% GGBFS의 치환 시험체의 경우 배합수 중량의 50%를 NSS로 치환한 시험체는 종결까지 약 55분으로 빨라진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	급격한 유동성의 저하를 해결할 수 있는 제시된 방법은 무엇인가?	급격한 유동성의 저하는 나노 입자의 불균질한 분 산 또는 뭉침, 다짐불량, 시험체 내부의 공극 발생 등의 결함 으로 인해 역학적 및 내구성능을 저하시키는 원인이 된다. 이 러한 문제를 해결하기 위해 추가적인 배합수의 투입 또는 혼 화제(superplacitizer)의 사용량 증가 등의 방법이 제시되었다 (Najigivi et al., 2013; Senff et al.
	시멘트 또는 콘크리트에서 나노 입자의 효과는 무엇인가?	, 2014). 많은 선행연구로부터 시멘 트 또는 콘크리트에서 나노 입자의 효과는 포졸란 반응 (pozzolanic reaction), 핵생성효과(nucleation effect) 그리고 충전효과(filler effect)로 밝혀졌다(Chithra et al., 2016; Xu et al.
	나노 크기의 미세 한 입자가급격한 유동성 저하를 유발하는 이유는 무엇인가?	그러나 나노 입자의 사용은 시멘트 또는 콘크리트에 몇 가 지 문제점을 확인할 수 있었다. 대표적으로 나노 크기의 미세 한 입자는 높은 비표면적으로 인해 급격한 유동성의 저하를 유발한다. 급격한 유동성의 저하는 나노 입자의 불균질한 분 산 또는 뭉침, 다짐불량, 시험체 내부의 공극 발생 등의 결함 으로 인해 역학적 및 내구성능을 저하시키는 원인이 된다.

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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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