[논문]알칼리 활성화제 종류별 페로니켈슬래그를 사용한 3성분계 시멘트 경화체의 내구특성

조원정; 박언상; 정호섭; 안기용

doi:10.14190/jrcr.2020.8.2.190

알칼리 활성화제 종류별 페로니켈슬래그를 사용한 3성분계 시멘트 경화체의 내구특성
Durability Characteristics of Ternary Cement Matrix Using Ferronickel Slag According to the Alkali-Activators 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.2, 2020년, pp.190 - 197

조원정 (한양대학교 건설환경시스템공학과) , 박언상 (숭실사이버대학교 건설시스템공학과) , 정호섭 (한양대학교 건설환경공학과) , 안기용 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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본 연구에서는 페로니켈의 제련과정에서 발생하는 산업부산물인 페로니켈슬래그 미분말과 광물질혼화재료를 사용한 시멘트 경화체의 역학적 특성 및 내구성능을 평가하였다. 3성분계 시멘트 경화체의 수화열, 공극구조, 압축강도, 길이변화, 급속염화물 침투시험(RCPT), 동결융해 저항성을 평가하여 보통포틀랜드 시멘트와 비교하였다. 그 결과 페로니켈 슬래그 미분말 및 광물질 혼화재료를 사용한 3성분계 시멘트 경화체의 압축강도는 기준콘크리트에 비하여 낮은 강도발현을 하였으나, 알칼리 활성화제를 사용함에 따라 어느 정도 회복되는 것을 알 수 있었다. 페로니켈 슬래그를 사용한 시멘트 모르타르의 길이변화는 기준 시편보다 수축이 덜 발생하는 것으로 나타났다. 또한 페로니켈 슬래그 미분말을 사용한 경우 알칼리활성화제 사용유무에 관계없이 모두 ASTM C 1202에서 제시한 '매우 낮은' 영역의 값을 나타내었으며, 동결융해저항성 평가에서도 기준콘크리트에 비하여 아주 우수한 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper evaluates the mechanical properties and durability of cement matrix blended with mineral admixtures and ferronickel slag(FNS) powder which is an industrial b y-product during ferronickel smelting process. The hydration heat, pore structure, compressive strength, length change, rapid chloride penetration test(RCPT), and freezing and thawing resistance of ternary blended cement matrix were investigated and compared with ordinary portland cement matrix. The result showed that the compressive strength of ternary blended cement matrix using ferronickel slag powder and mineral mixture was low in strength compared to the reference concrete, but recovered to a certain extent by using alkali activator. Length change of cement mortar using FNS powder have shown less shrinkage occurs than the reference specimen. In addition, irrespective of using the alkali-activators, all ternary mix are indicative of the 'very low' range for chloride ion penetrability according to the ASTM C 1202, and the freeze-thaw resistance also showed excellent results.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Chemical composition of binder(%)
표 Table 2. Mixture proportions of paste and mortar
표 Table 3. Mixture proportions of concrete
그림 Fig. 1. Compressive strength of cement mortar
그림 Fig. 2. Compressive strength of ternary cement mortar
그림 Fig. 3. Length change of mortar without alkali activator
그림 Fig. 4. Length change of mortar with alkali activator
그림 Fig. 5. Heat evolution of cement paste
그림 Fig. 6. Total passed charge by alkali-activators type
그림 Fig. 7. Incremental intrusion volume of cement paste
그림 Fig. 8. Relative dynamic modulus of elasticity and ratio
그림 Fig. 9. Durability factor of ternary blended cement concrete

AI 본문요약
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문제 정의

(2016) 등은 비알칼리성 조건에서 FNS 분말의 활성도가 부족하여 FNS분말을 시멘트로 치환하는 비율이 증가함에 따라 콘크리트의 강도는 감소한다고 하였다. 따라서 초기재령에서의 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 시멘트모르타르의 역학적 성능을 증진시키기 위한 방안으로 분말형 알칼리 활성화제를 투입하여 강도특성을 고찰하였다. Fig.
본 연구에서는 2종류의 알칼리 활성화제에 따른 3성분계 시멘트 경화체의 역학적 특성 및 내구특성에 대하여 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 이미 활용성이 보편화된 페로니켈 슬래그를 골재 대체용이 아닌 시멘트 대체용으로 활용하기 위한 측면에서 페로니켈슬래그 미분말과 광물질혼화재를 혼합한 3성분계를 사용한 시멘트 경화체의 역학적 특성 및 내구특성에 대하여 고찰하고자한다.
본 연구에서는 페로니켈슬래그 미분말을 20%와 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카흄을 각각 30%, 20% 및 5% 혼합한 3성분계 시멘트 경화체의 역학적 특성과 내구성능을 평가하고자 하였으며, 각 결합재의 화학적 조성은 Table 1과 같다.

제안 방법

(1) 압축강도 : 압축강도는 50 X 50 X 50mm 규격의 모르타르 시험체를 KS 규준에 따라 믹싱하여 제조한 후 20±2℃의 항온수조에서 수중양생을 실시하였으며, 재령 7, 28, 91, 180일에 각각 측정하였다.
(2) 길이변화율 : 길이변화율 시험체는 KS F 2586 규준에 따라 40 X 40 X 160mm 규격으로 제작하였으며, 제작 후 압축강도용 시험체와 동일한 방법으로 수중양생을 실시하였으며, KS F 2424 시험방법에 준하여 재령 3, 7, 14, 28, 35일에 측정하였다.
(4) 염소이온 침투저항성 : 염해저항성은 ASTM C 1202 시험방법에 준하여 ϕ100ⅹ50mm 시험체를 대상으로 재령 28일에 수행하였다. 양극용액은 0.
(6) 동결융해시험 : 동결융해 저항성은 KS F 2456(B방법)에 따라 기중동결, 수중융해 방법으로 시편을 제작하고 동결융해 촉진시험을 수행하였다. 각 배합별로 2개의 시험체에 대하여 상대동탄성계수를 최종 300싸이클까지 매 30싸이클마다 측정하고 내구성지수를 산출하였다.
결합재는 페로니켈슬래그 미분말과 광물질혼화재를 혼입한 3성분계를 사용하여 시멘트 페이스트, 모르타르 및 콘크리트를 제조하였다. 수화열과 공극구조를 알아보기 위하여 페이스트 배합으로 실험하였고, 압축강도, 길이변화율 시험은 모르타르 배합으로 실험하였다.
그리고 물-결합재비는 45%, 목표 슬럼프 및 공기량은 150mm, 6±2%인 콘크리트를 제조하여 동결융해저항성 시험과 염소이온침투저항성 시험을 수행하였으며, 콘크리트 배합표는 Table 3과 같다.
결합재는 페로니켈슬래그 미분말과 광물질혼화재를 혼입한 3성분계를 사용하여 시멘트 페이스트, 모르타르 및 콘크리트를 제조하였다. 수화열과 공극구조를 알아보기 위하여 페이스트 배합으로 실험하였고, 압축강도, 길이변화율 시험은 모르타르 배합으로 실험하였다.
양극용액은 0.3N NaOH의 용액을 음극용액은 3% NaCl의 용액을 사용하여 전원공급장치를 통해 60±0.1V로 전압을 고정시킨 후 초기 전류값을 측정하고 30분 간격으로 6시간 동안 전류값을 측정하여 아래 식을 이용하여 총 통과전하량을 결정하였다.
페로니켈슬래그 미분말과 3종류의 광물질 혼화재를 혼입하여 제조한 3성분계 시멘트 경화체의 재령 28일에서의 총통과전하량을 측정하여 Fig. 6에 나타내었으며, 염소이온 침투저항 특성을 ASTM C 1202에서 등급화하여 제시한 값과 비교평가하였다. 이 그림에서와 같이 FNS와 광물질혼화재를 사용한 시멘트 경화체의 염소이온 투과성시험결과 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트에 비하여 크게 감소된 것을 알 수 있다.
페로니켈슬래그 미분말과 광물질혼화재를 사용하였을 때의 압축강도 특성을 살펴보기 위하여 페로니켈슬래그 미분말과 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카흄을 각각 혼합한 3성분계 시멘트 모르타르의 재령별 압축강도를 측정하였다. Katsiotis et al.

대상 데이터

(1) 시멘트 : 국내 S사의 분말도 3,112cm² /g, 비중 3.14인 보통포틀랜드시멘트(이하, OPC)를 사용하였다.
(2) 페로니켈슬래그 : 국내 P사에서 제조한 분말도 3,400cm² /g, NiO함량 0.092%, 비중 3.12의 페로니켈슬래그 미분말(이하, FNS)을 사용하였다.
(3) 광물질혼화재 : 고로슬래그(GGBS), 플라이애시(PFA) 및 실리카흄(SF) 3종류를 사용하였으며 각각의 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다.
(4) 알칼리 활성화제 : 알칼리 활성화제는 분말 형태인 Sodium (NaOH)와 Potassium (KOH) 2종류를 페로니켈슬래그를 분쇄할 때 분체량의 0.5% 투입하여 사용하였다.

이론/모형

(3) 미소수화열 : 각 배합별 미소수화열 분석은 KS L 5121규정에 준하여 25℃에서 72시간 동안 측정하였으며, 분석장비는 3-point Multi-purpose conduction calorimeter를 사용하였다.
(5) 미세공극구조 : 3종류의 3성분계 시멘트 페이스트의 공극구조분석은 ASTM D 4284에 준하여 수은압입법( Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)으로 실시하였다.
(6) 동결융해시험 : 동결융해 저항성은 KS F 2456(B방법)에 따라 기중동결, 수중융해 방법으로 시편을 제작하고 동결융해 촉진시험을 수행하였다. 각 배합별로 2개의 시험체에 대하여 상대동탄성계수를 최종 300싸이클까지 매 30싸이클마다 측정하고 내구성지수를 산출하였다.

성능/효과

1. 페로니켈슬래그 미분말과 광물질혼화제를 혼입한 3성분계 시멘트 경화체의 압축강도를 재령별로 측정한 결과 플라이애시를 사용한 경우를 제외한 고로슬래그 및 실리카흄을 혼합한 3성분계의 모르타르의 강도가 재령 28일 이후 기준콘크리트와 유사한 결과를 나타내었다.
2. 알칼리활성화제를 사용한 모르타르의 압축강도비는 활성화제의 종류에 관계없이 플라이애시를 사용한 3성분계 모르타르의 경우가 가장 큰 폭으로 증가하였으며, 재령이 증가할수록 활성화제의 의한 영향은 점점 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.
3. 3성분계 시멘트 경화체의 길이변화를 측정한 결과 OPC만 사용한 경우보다 우수한 결과를 나타내었으며, FNS를 사용한 경우 수화열저감에도 효과적임을 확인하였다.
3종류의 광물질혼화재를 혼합한 결합재의 수화과정은 일반 포틀랜드시멘트와 유사하지만 두 번째 발열피크는 CaO와 Al₂O₃ 함량이 적은 플라이애시를 혼합한 3성분계가 가장 낮은 피크를 나타내었으며, 수화 30시간 이후의 발열율은 비슷하게 나타났다.
4. RCPT결과 OPC를 사용한 경우 2,942 coulomb이었으나 FNS를 사용한 3성분계 시멘트 경화체에서는 817~1,273 coulomb을 나타낸 반면 알칼리 활성화제를 사용한 경우 808~ 1,194coulomb를 나타내어 FNS를 혼입하여 사용함에 따라 염소이온 침투저항성이 우수한 것으로 나타났다.
5. 3성분계 시멘트 경화체의 동결융해 저항성 시험 결과 기준콘크리트(DF 41.4%)보다 내구성 지수가 49~62% 범위로 내동해성이 우수한 것으로 나타났다. 특히 Sodium 알칼리 활성화제를 사용하고 FNS 20% 및 고로슬래그 미분말 30%를 혼입한 배합이 74.
이 그림에서 나타낸 바와 같이 광물질혼화재에 따른 임계공극크기는 명백한 차이를 보여주고 있다. Potassium hydroxide계 알칼리 활성화제를 사용한 경우는 알칼리 활성화제를 사용하지 않은 경우와 유사한 경향을 보여주었으며, 고로슬래그미분말, 실리카흄, 플라이애시 순으로 낮은 통과전하량을 나타내었다.
(2014)은 다양한 알칼리 활성화제를 사용하여 고로슬래그 미분말 모르타르의 압축강도에 미치는 영향을 연구하였다. 그 결과 Potassium hydroxide를 사용한 경우 압축강도가 가장 크게 나타난 반면, Sodium hydroxide를 사용한 경우 활성화제의 치환율이 증가할수록 압축강도가 낮아지는 것으로 발표하였다.
8%의 낮은 투과성 수준으로 떨어졌다. 그리고 플라이애시와 실리카흄을 사용한 시멘트 경화체의 경우 통과된 전하량은 각각 65.8%, 69.6% 수준으로 낮아졌다. Mindess et al.
2%로높은 내구성 지수를 나타내었다. 또한 알칼리 활성화제를 사용한 경우 사용하지 않은 경우보다 내구성지수가 높게 나타났다.
1에서 알 수 있듯이 보통포틀랜드시멘트만을 사용한 기준 모르타르보다 모든 배합에서 압축강도가 낮게 발현된 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 FNS와 광물질 혼화재를 25~50% 치환하여 사용함으로써 단위시멘트량이 감소하여 초기에 강도발현이 다소 지연된 것으로 사료된다. 특히 플라이애시를 대체하여 사용한 3성분계 모르타르의 압축강도는 플라이애시는 페로니켈 슬래그와 함께 칼슘함유량이 매우 낮기 때문에 가장 낮게 발현된 것으로 판단된다.
5는 페로니켈슬래그 미분말과 광물질혼화재를 혼합한 3성분계 시멘트 페이스트에 대하여 72시간 동안 발열량과 누적 발열량을 나타낸 것이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 누적 수화발열량은 기준시편의 경우 258.4J/g으로 가장 높게 나타났으며, 고로슬래그미분말, 플라이애시, 실리카흄 등 광물질 혼화재와 FNS를 혼합한 3성분계의 경우 각각 173.2J/g, 180.6J/g, 158.8J/g로서 OPC보다 훨씬 낮게 나타났다.
4%)보다 내구성 지수가 49~62% 범위로 내동해성이 우수한 것으로 나타났다. 특히 Sodium 알칼리 활성화제를 사용하고 FNS 20% 및 고로슬래그 미분말 30%를 혼입한 배합이 74.3%로서 가장 우수한 결과를 나타내었다.

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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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