[논문]PAC을 포함한 삼성분계 시멘트의 역학적 특성

김태완; 정진환; 김성도; 김인태

doi:10.14190/jrcr.2020.8.2.245

[국내논문] PAC을 포함한 삼성분계 시멘트의 역학적 특성
Mechanical Properties of Ternary Blended Cement Containing PAC 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.2, 2020년, pp.245 - 253

김태완 (부산대학교 토목공학과) , 정진환 (부산대학교 토목공학과) , 김성도 (경성대학교 토목공학과) , 김인태 (부산대학교 토목공학과)

초록
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본 연구는 OPC-slag-FA의 삼성분계 시멘트에 PAC을 혼합하여 강도 특성에 대한 특성을 살펴보는 실험적 연구이다. 결합재는 80% OPC+10% slag+10% FA, 60% OPC+20% slag+20%FA, and 40% OPC+30% slag+30% FA의 세 종류이다. PAC은 mixing-water 중량의 0, 2, 4, 6, 8, and 10%를 사용하였다. 실험결과 PAC은 OPC의 양에 관계없이 압축강도를 향상시킨다. PAC은 portlandite를 소비하고 Friedel's salt를 형성하며 공극의 직경을 감소시켜 matrix를 치밀하게 만들어 압축강도 향상에 기여한다. 그러나 다공성의 FA 입자는 초기수화단계에서 PAC을 흡수하여 수화작용을 지연시키는 효과가 있었다. 따라서 FA의 사용은 수화지연효과를 고려하여 치환율을 결정할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study is an experimental study to investigate the characteristics of strength by mixing polyaluminum chloride(PAC) with OPC-slag-FA ternary blended cement. There are three types of binders: 80% OPC + 10% slag + 10% FA, 60% OPC + 20% slag + 20% FA, and 40% OPC + 30% slag + 30% FA. PACs used 0, 2, 4, 6, 8, and 10% of the mixing-water weight. Experimental results show that PAC improves compressive strength regardless of the amount of OPC. PAC consumes portlandite, forms Friedel's salt, and reduces the diameter of the pores, making the matrix compact, contributing to the improvement of compressive strength. However, porous FA particles had an effect of delaying hydration by absorbing PAC in the initial hydration step. Therefore, the use of FA needs to determine the substitution rate in consideration of the hydration delay effect.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. The properties of raw materials
표 Table 2. Mix properties(%)
그림 Fig. 1. Compressive strength
표 Table 3. Relative strength change ratios(%)
표 Table 4. Pore size analysis
그림 Fig. 2. Analysis of hydration reactants, E: ettringite, F: Friedel’s salt, P: portlandite, Q: quartz, C: calcite and C-S-H (overlap), M: mullite, Ht: hydrotalcite, A: alite, B: belite
그림 Fig. 3. Pore structure analysis of MIP
그림 Fig. 4. SEM images at 28 days

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 OPC-slag-FA의 삼성분계 시멘트에 PAC을 혼합 하여 역학적 특성을 확인하고자 한다. 이를 위해 slag-FA의 3가지 치환 비율과 5가지의 PAC 혼합 비율을 선정하였다.
여기서 basicity는 OH - 와 Al +³ 의 몰 농도이며 로 계산한다. 액상의 PAC은 배합수에 혼합하여 고른 분산과 결합재를 구성 하는 입자들과의 급격한 뭉침 현상을 방지하고자 선택되었다.

가설 설정

2) 수화반응물질의 분석에서 PAC은 portlandite를 급격히 소비 하게 된다. 또한 PAC은 Friedel’s slat를 형성하며 이 과정에서 portlandite의 감소를 유발한다.
OPC는 portlandite의 주요 공급원이며, slag와 FA의 치환율 증가는 OPC의 감소를 의미하므로 이는 portldnaite를 감소시킨 다. 두 번째는 PAC의 양이 증가함에 따라 portlandite가 감소하는 것이다. 이는 PAC에서 공급되는 알루미늄과 염화이온 등을 소비 하여 Friedel’s salt의 형성에 소비되기 때문이다.

제안 방법

공극구조분석은 Mercury Intrusion Porosimetry(MIP)가 사용 되었다. MIP는 Micromeritics사의 AutoPore IV 9500기기를 사용 하여 28일 시험체에 대해 MIP를 수행하였다.
slag와 FA의 비는 질량비로 1 : 1로 하였다. PAC은 배합수의 질량에 대해 0%, 2%, 4%, 6%, 8% 그리고 10% 첨가하였다. 모든 배합의 물-결합재비(W/B)는 0.
Scanning Electron Microscopy(SEM)과 Mercury Intrusion Porosimetry(MIP) 측정을 위한 샘플은 압축강도 측정 후파쇄된 조각을 12시간 동안 아세톤에 침지한 다음 진공 데시케이터에 24시간 동안 건조시킨다. X-ray Diffractometer(XRD) 분석은 1일과 28일 시험체에 대해 진공 데시케이터에서 24시간 건조된샘플을 미분말로 분쇄하여 분을 수행하였다. XRD는 Malvern Panalytical사의 Xpert3을 사용하였다.
결합재의 배합비는 slag와 FA를 OPC의 질량에 대해 20%, 40%, 그리고 60% 치환하였다. slag와 FA의 비는 질량비로 1 : 1로 하였다.
물-결합재 비는 superplacitizer를 사용하지 않고 소정의 워커빌리티와 성형성을 가지는 반죽질기를 얻기 위해 예비실험을 통해결정되었다. PAC은 배합전에 미리 배합수에 혼합한 다음 사용하였다.
미세구조 분석을 위한 SEM은 Zeiss의 SUPRA 40으로 측정하 였으며, 28일 시험체의 압축강도 측정 후 파쇄된 시험체를 6시간아세톤에 침지 후 24시간 진공 데시케이터에 보관한 다음 측정하였다.
압축강도는 50㎜ × 50㎜ × 50㎜ 정육면체 몰드를 사용하여측정하였다.
이를 위해 slag-FA의 3가지 치환 비율과 5가지의 PAC 혼합 비율을 선정하였다. 역학적 특성을 관찰하기 위해 압축강도, XRD, MIP, 그리고 SEM 분석을하였다.
본 연구는 OPC-slag-FA의 삼성분계 시멘트에 PAC을 혼합 하여 역학적 특성을 확인하고자 한다. 이를 위해 slag-FA의 3가지 치환 비율과 5가지의 PAC 혼합 비율을 선정하였다. 역학적 특성을 관찰하기 위해 압축강도, XRD, MIP, 그리고 SEM 분석을하였다.

대상 데이터

X-ray Diffractometer(XRD) 분석은 1일과 28일 시험체에 대해 진공 데시케이터에서 24시간 건조된샘플을 미분말로 분쇄하여 분을 수행하였다. XRD는 Malvern Panalytical사의 Xpert3을 사용하였다. 측정범위는 5°-60° (2ɵ)이 고, Cu-Ka1 radiation(λ=1.
본 실험에는 OPC, slag, 그리고 FA가 결합재의 재료로 사용되었다. 사용된 세 가지 재료의 물리-화학적 성분은 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

PAC은 배합전에 미리 배합수에 혼합한 다음 사용하였다. OPC-slag-FA의 삼성분계 시멘트 페이스트(ternary blended cement paste)의 기본적인 배합순서와 시간은 KS L5109에 제시된 방법으로 실시하였다. 상세한 배합비는 Table 2에 나타내었다.
공극구조분석은 Mercury Intrusion Porosimetry(MIP)가 사용 되었다. MIP는 Micromeritics사의 AutoPore IV 9500기기를 사용 하여 28일 시험체에 대해 MIP를 수행하였다.

성능/효과

1(b)의 60OPC와 Fig. 1(c)의 40OPC도 PAC의 양이 증가할 수록 압축강도는 증가한다. PAC를 사용한 선행연구에서도 PAC의 사용양이 증가함에 따라 압축강도가 증가하는 경향성을 보였으며본 연구의 압축강도 경향과 유사한 결과를 보여준다(Kim et al.
1) PAC은 모든 OPC 치환율에서 압축강도를 향상시키는 효과가 있었다. 그러나 PAC은 FA의 치환율이 증가하면 초기 1일 압축강도가 감소한다.
1일 강도는 80OPC는 PAC의 양이 증가함에 따라 증가하지만, 60OPC와 40OPC는 PAC의 양이 증가함에 따라 완만하게 감소하는 경향성을 보인다. 이는 PAC이 초기 수화단계에서 FA 입자의미세 기공들에 흡수되어 수화작용에 미치는 영향이 지연되기 때문으로 판단된다.
3) MIP에 의한 공극구조의 분석을 통해 PAC은 수화반응물질을치밀하게 만든 것으로 판단된다. PAC의 사용은 공극의 직경을 감소시킨다.
4) 미세구조 분석은 SEM의 결과에서 나타난 바와 같이 PAC의 사용으로 치밀한 수화반응물질 조직의 형성을 직접적으로 확인 할 수 있었다. 또한 공극구조 분석에서 언급한 바와 같이 PAC의 사용으로 공극의 개수와 직경이 감소한 것을 확인 하였다.
축은 로그 스케일로 작성되었다. Fig. 3의 MIP 결과에서 slag와 FA의 치환율에 관계없이 모든 OPC 비율에서 10% PAC은 0% PAC 보다 최대 공극의 크기가 감소하여 전체 그래프의 위치가 왼쪽으로 이동한 것으로 나타났다. PAC은 OPC-slag-FA cement의 수화반응 물질의 형성에 영향을 미쳐 조직을 치밀하게 만든다.
OPC의 양에 관계없이 10% PAC은 0% PAC 보다 large capillary pores와 medium capillary pores는 감소하고 gel pores 는 증가하였다. PAC은 OPC-slag-FA 입자들의 수화반응에 영향을 미쳐 치밀한 수화반응물질을 형성한다.
이러한 gel pores의 증가가 다른 직경의 공극들 변화보다 압축강도 증가에 더 큰 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다. 결과적 으로 치밀한 수화반응물질의 형성은 압축강도 향상에 기여 한다.
PAC은 OPC-slag-FA cement의 수화반응 물질의 형성에 영향을 미쳐 조직을 치밀하게 만든다. 결과적으로치밀한 조직은 공극의 감소에 영향을 미치고 압축강도의 향상에도 일정부분 기여한다.
또한 OPC의 감소는 alite와 belite의 피크를 감소시킨다. 그리고 OPC가 감소함에 따라 calcite와 C-S-H gel이 겹쳐 나타나는 피크 C의 크기가 점차 감소하는 것으로 나타났다.
4) 미세구조 분석은 SEM의 결과에서 나타난 바와 같이 PAC의 사용으로 치밀한 수화반응물질 조직의 형성을 직접적으로 확인 할 수 있었다. 또한 공극구조 분석에서 언급한 바와 같이 PAC의 사용으로 공극의 개수와 직경이 감소한 것을 확인 하였다.
앞에서 언급한 MIP의 공극구조 분석결과에서 언급한 바와 같이 PAC의 혼합은 공극의 직경을 감소시키는 효과가 있었다. 이는 SEM 관찰에서 보여진 바와 같이 0% PAC과 비교하여 10% PAC은 수화반응물질들 중의 공극의 개수도 감소하고 공극의 직경도 줄어 든 것을 확인할 수 있다. SEM의 미세구조 분석으로부터 PAC은치밀한 수화반응물질의 형성에 기여하는 것을 확인하였다(Kim et al.

후속연구

또한 chloride 이온은 철근콘크리트의 철근 부식을 유발하는 위험성이 있다. 그러므로 PAC을 혼합한 콘크리트는 철근을 사용하지 않는 블록, 벽돌 등의 제품이나 섬유 (fiber)를 사용한 고인성 콘크리트, 도로 포장 등의 철근 부식의 위험이 적은 구조물이나 제품에 적용가능 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PAC는 무엇인가?	PAC은 polyaluminum chloride (Al2(OH)nCl6-n)로 불리는 수처리 과정에서 사용되는 응집제이다. PAC은 aluminum과 chloride 이온을 포함하고 있으며 처리수의 pH에 영향을 적게 받는다.
	PAC을 혼합한 콘크리트는 어떤 제품에 적용하여야 하나?	또한 chloride 이온은 철근콘크리트의 철근 부식을 유발하는 위험성이 있다. 그러므로 PAC을 혼합한 콘크리트는 철근을 사용하지 않는 블록, 벽돌 등의 제품이나 섬유 (fiber)를 사용한 고인성 콘크리트, 도로 포장 등의 철근 부식의 위험이 적은 구조물이나 제품에 적용가능 할 것으로 판단된다.
	콘크리트의 성능향상을 위한 목적으로 사용되는 산업부산물은 어떤 것들이 있는가?	이는 과거부터 다양한 산업부산물들이 시멘트의 일부로 치환되어 콘크리트의 성능향상을 위한 목적으로 사용되어왔다. 대표적인 산업부산물로는 플라이애시 (FA; Fly Ash), 고로슬래그 미분말(Slag; ground granulated blast furnace slag), 레드머드(RM; Red Mud), 실리카 퓸(SF; Silica Fume)등이 있다. 이러한 산업부산물들은 단독 또는 다성분계까지 다양한 혼합방법으로 구성된다.

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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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