[논문]산업부산물 활용을 위한 고Al2O3 함량 OPC 클링커의 소성성 및 반응성에 관한 연구

강봉희; 최재원; 기태경; 권상진; 김규용

doi:10.14190/jrcr.2020.8.3.294

산업부산물 활용을 위한 고Al2O3 함량 OPC 클링커의 소성성 및 반응성에 관한 연구
Study on Burnability and Reactivity of High Al2O3 Content OPC Clinker for the Use of Industrial Waste 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.3, 2020년, pp.294 - 301

강봉희 (아세아시멘트 기술연구소) , 최재원 (아세아시멘트 기술연구소) , 기태경 (아세아시멘트 기술연구소) , 권상진 (아세아시멘트 기술연구소) , 김규용 (충남대학교 건축공학과)

초록
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본 연구에서는 클링커의 고Al₂O₃화를 통한 에너지 절감형 시멘트 제조 가능성을 확인하기 위해, Al₂O₃ 함량이 높은 OPC 조합원료를 실험실 전기로에서 소성하여 C₃A 함량이 높은 클링커를 제조한 후 XRD 리트벨트 분석 및 광학 현미경을 통해 클링커의 소성성을 평가하고, 제조된 클링커에 혼합재를 첨가하여 얻어진 시멘트의 미소수화열 및 압축강도 측정을 통해 시멘트 반응성을 평가하고자 하였다. 그 결과 Al₂O₃ 함량을 일반 OPC보다 증가시켜 제조한 시멘트는 OPC에 비해 소성성이 뛰어나 시멘트 제조 에너지 절감에 기여할 수 있으며, OPC에 비해 C₃A(alite) 광물의 함량이 감소하였음에도 불구하고 압축강도가 오히려 향상되는 등 긍정적으로 작용할 수 있다. 유동성 저하, 수화열 증가와 같은 문제에 대해서도 석고 첨가량 및 분말도 조정, 혼합재 첨가와 같은 방법으로 제어할 수 있을 것으로 기대되어 적극적인 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluated the burnability and hydration reaction of clinker burned with high Al2O3 content OPC to apply large amounts of industrial by-products in the cement manufacturing process. Specifically, after preparing a clinker with a high C3A content by burning the OPC raw material with a high content of Al2O3 in a laboratory electric furnace, the burnability of the clinker was evaluated through XRD Rietveld analysis and polarization microscopy, and clinker hydration reactivity was reviewed through the Isothermal conduction calorimetry analysis and the cement compressive strength. As a result, the kiln burning temperature for the production of high Al2O3 content clinker lower, and the compressive strength was equal to or higher than OPC. Therefore it was confirmed the possibility to manufacturing energy-saving high Al2O3 content clinker using a large amount of industrial by-products.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Chemical composition and mineral composition of Portland cement and Eco-cement produced in Japan
표 Table 2. Composition ratio of raw materials for manufacturing cement clinker
그림 Fig. 1. Temperature history program of electric furnace experiment
표 Table 3. Chemical composition of clinker sintered at 1,450℃
표 Table 4. Modulus and blaine of cement added SP and LSP
그림 Fig. 2. XRD patterns of each clinkers(left : 1,400℃, right : 1,450℃)
표 Table 5. Mixing ratio of cement
표 Table 6. Chemical composition of cement added gypsum and chemical compsion of LSP and slag power
그림 Fig. 3. Clinker mineral change with increasing Al₂O₃ content (Temp. 1450℃)
그림 Fig. 5. polarization microscope observation of OPC Clinker(interstitial material)
그림 Fig. 7. polarization microscope observation of HA1.0 Clinker(interstitial material)
그림 Fig. 4. Clinker mineral change with increasing Al₂O₃ content (Temp. 1400℃)
그림 Fig. 6. polarization microscope observation of HA0.5 Clinker(interstitial material)
그림 Fig. 8. polarization microscope observation of HA2.0 Clinker (interstitial material)
그림 Fig. 9. Mortar flow test result of each clinkers
그림 Fig. 10. Compressive strength
표 Table 7. Results of clinker’s mineral analysis through XRD Rietveld method
그림 Fig. 11. Hydration heat of each clinkers by adiabatic temperature change test method

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본고에서는 국내 시멘트의 제조용으로 활용되는 원료에 Al₂O₃ 표준시료를 단계적으로 첨가하고 소성해 소성성을 평가함으로써 국내에서 생산 가능한 고 Al₂O₃ 함량 시멘트의 제조 가능성을 평가하고, 또한 제조한 시멘트의 반응성을 측정하여 산업부산물의 활용을 증대한 고 Al₂O₃ 함량 시멘트의 제조를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 산업부산물을 사용한 클링커의 고Al₂O₃화를 통한 에너지 절감형 시멘트 제조 가능성을 확인하기 위해, Al₂O₃ 함량이 높은 OPC 조합원료를 실험실 전기로에서 소성하여 C₃A 함량이 높은 클링커를 제조한 후 XRD 분석과 광학현미경을 활용해 클링커의 소성성을 평가하였다. 그리고 제조된 클링커에 혼합재를 첨가하여 얻어진 시멘트의 압축강도 및 미소수화열 측정을 통해 클링커 반응성을 평가하였다.
일반적인 포틀랜드 시멘트(OPC)는 클링커와 소량의 석고 및 첨가재로 구성되어 있다. 따라서 클링커의 반응성 평가를 위해 전기로에서 소성한 고Al₂O₃ 함량 클링커를 분쇄하고 소정의 석고를 혼합한 후, 여기에 슬래그미분말, 석회석미분말을 각각 5% 혼합하여 시멘트를 제조한 후 얻어진 시멘트의 반응성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 산업부산물을 활용을 위한 고Al₂O₃ 함량 OPC 클링커의 소성성 및 반응성을 확인하였으며, 다음과 같은 실험적 결론을 도출하였다.

제안 방법

각 시료는 원료의 균일성을 확보하기 위해 20g 실린더형 tablet(20mmD * 7mmL)으로 성형하였고, 이를 머플식 전기로(muffle furnace)에서 950℃까지는 10℃/min으로 승온한 후 30분간 탈탄산, 이후 5℃/min으로 최고온도까지 승온하였다. 최고온도는 1,450℃, 1,400℃의 2개 수준으로 최고온도에 도달 시 30분간 유지한 후 상온에서 급냉을 실시하였다.
광학 현미경(Olympus사 DSX510)을 이용해 클링커 광물을 육안 관찰함으로서 공정 측면에서의 클링커 소성성 평가를 실시하였다. 광학 현미경을 관찰하기 위해 클링커 시편을 에폭시로 고정하고 grinding 및 polishing하였으며, 증류수로 16초간, nital etching solution(1.
광학 현미경(Olympus사 DSX510)을 이용해 클링커 광물을 육안 관찰함으로서 공정 측면에서의 클링커 소성성 평가를 실시하였다. 광학 현미경을 관찰하기 위해 클링커 시편을 에폭시로 고정하고 grinding 및 polishing하였으며, 증류수로 16초간, nital etching solution(1.5%)으로 6초간 etching하였다.
A 함량이 높은 클링커를 제조한 후 XRD 분석과 광학현미경을 활용해 클링커의 소성성을 평가하였다. 그리고 제조된 클링커에 혼합재를 첨가하여 얻어진 시멘트의 압축강도 및 미소수화열 측정을 통해 클링커 반응성을 평가하였다.
광학현미경은 클링커 내에 광물의 존재 상태 및 크기의 변화에 따라 소성 및 공정상태의 변화를 평가할 수 있는 장비로 시멘트산업에 널리 사용된다. 따라서 Al₂O₃의 함량 변화에 따른 클링커의 변화를 관찰하기 위해, 전기로에서 1450℃에서 소성한 클링커 시편을 500배 배율 광학현미경으로 관찰하였다.(Fig.
미소수화열 분석은 단열조건에서 미세한 온도변화를 측정해 수화발열량을 유추하는 단열온도시험으로서 Setaram사 C80 calorimeter를 이용해 W/C 133%, 30℃ 항온조건에서 48시간 동안 온도변화를 측정하고 이를 열량으로 환산하였다.
위 식에 따라 각 시멘트에 필요한 SO3량을 산정해 석고첨가율을 결정하였으며, 1,450℃에서 소성한 클링커를 Blaine 분말도 3,300±100cm2/g 수준으로 분쇄한 후, 별도로 분쇄한 석고, 슬래그분말(Slag Powder, 이하 SP), 석회석분말(Limestone Powder, 이하 LSP)을 혼합하여 시멘트를 제조하였고, 혼합비율은 Table 5와 같다.
각 시료는 원료의 균일성을 확보하기 위해 20g 실린더형 tablet(20mmD * 7mmL)으로 성형하였고, 이를 머플식 전기로(muffle furnace)에서 950℃까지는 10℃/min으로 승온한 후 30분간 탈탄산, 이후 5℃/min으로 최고온도까지 승온하였다. 최고온도는 1,450℃, 1,400℃의 2개 수준으로 최고온도에 도달 시 30분간 유지한 후 상온에서 급냉을 실시하였다. Fig.
클링커의 소성성을 평가하기 위한 실험방법으로 XRD는 Rigaku사 DMAX2500 장비를 이용해 40kV, 250mA, Cu-Ka, 2θ5∼65° 조건에서 측정하였다.
플로우 및 압축강도는 KS L ISO 679에 따라 진행하였으며, 1, 3, 7, 28일 재령의 모르타르 압축강도를 측정하였다.

대상 데이터

함량 클링커의 소성성 평가를 위한 실험방법은 다음과 같다. 먼저 실험을 위해 클링커 제조용 조합원료(국내 A 시멘트사)를 Plain으로 선정하였다. 여기에 Al₂O₃ 분말 99% 순도의 표준 시료를 외할로 첨가하여 Al₂O₃ 함량을 증가시킨 조합원료를 제조하였다.
먼저 실험을 위해 클링커 제조용 조합원료(국내 A 시멘트사)를 Plain으로 선정하였다. 여기에 Al₂O₃ 분말 99% 순도의 표준 시료를 외할로 첨가하여 Al₂O₃ 함량을 증가시킨 조합원료를 제조하였다. Table 2는 조합원료의 배합사항을 나타낸 것이다.

이론/모형

XRD 분결과를 바탕으로 XRD Rietveld법을 이용해 각 결정의 양을 정량 분석하였다. Table 7은 정량 분석결과를, Fig.
클링커의 소성성을 평가하기 위한 실험방법으로 XRD는 Rigaku사 DMAX2500 장비를 이용해 40kV, 250mA, Cu-Ka, 2θ5∼65° 조건에서 측정하였다. 분석된 결과의 정성 및 정량분석은 Rigaku사 PDXL2 소프트웨어를 활용해 Rietveld method를 적용하였다. 각 정량분석의 신뢰도로서 Rwp는 8.
시멘트 중 SO₃ 함량 조절을 위한 석고 첨가량은 시멘트 반응성에 지대한 영향을 미치는 요인으로, 본 연구에서는 화학양론에 근거한 방법(Locher 1983)으로 C₃A 함량 증가에 따른 SO₃ 필요량을산정하였다. Locher에 따르면, 시멘트에 필요한 SO₃량은 아래 식에 따라 산정할 수 있다.

성능/효과

1) Al₂O₃ 함량을 증가시켜 제조한 시멘트는 조합원료 LSF, XRD를 이용한 f-CaO 및 광물조성, 현미경 관찰 결과 등으로 미루어 판단할 때, OPC보다 소성성 측면에서 유리하다고 평가할 수 있다. 즉, Al₂O₃ 함량 증가는 클링커 소성에 필요한 에너지 절감, 소성 온도 하락에 도움을 주는 것으로 평가된다.
2) Al₂O₃ 함량이 증가함에 따라 시멘트 중 C₃S 양이 감소하였음에도, 기존 OPC 대비 Al₂O₃를 0.5%, 1% 증량한 시멘트(LSP, SP 각 5%씩 첨가)의 초기 및 28일 강도가 OPC보다 높게 나타난다. 단, Al₂O₃를 2% 증량한 시료는 3일 이후 강도 증진이 둔화되어 28일 강도는 OPC와 유사한 수준으로 나타났다.
3) Al₂O₃ 1% 증량 수준에서는 현 OPC보다 C₃A 함량이 높은 시멘트를 만든다고 해도 압축강도, SO₃ 함량(3.5% 이하) 등 KS 품질 기준을 충분히 만족하는 시멘트를 제조할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 압축강도는 전반적으로 Plain(OPC)보다 높게 나타났다. Al₂O₃ 함량을 증가시킨 모든 시료의 초기 강도(1, 3일 재령)가 Plain보다 높게 나타났으며, 특히 Al₂O₃ 함량이 증가함에 따라 시멘트중 C₃S 양이 감소였음에도 불구하고, 28일 압축강도 역시 Plain보다 높게 나타나고 있다. 이는 Al₂O₃ 함량을 증가시켜도 여기에 LSP 및 SP 등 적절한 혼합재와 함께 사용하면 28일 강도가 오히려 향상된다는 여러 연구 결과와 일치하는 결과이다.
2는 클링커의 XRD 분석결과이다. OPC의 주요 광물인 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF 외에도 lime(free CaO)가 생성된 것을 확인할 수 있으며, 이 외에도 미량의 periclase(free MgO), arcanite(K₂SO₄)가 생성된 것으로 확인되었다. C₃A는 대부분 cubic 형태로 orthorhombic 형태의 C₃A는 관찰되지 않았다.
3과 4는 분석결과를 영역형 차트로 알기 쉽게 나타낸 것이다. 소성온도 1,450℃ 및 1,400℃ 모든 온도 구간에서 조합원료 중 Al₂O₃ 함량이 증가함에 따라 C₃S는 감소하고, C₃A는 증가하는 경향이 나타나는 것으로 확인되었다. 최고온도 1450℃의 경우뿐 아니라 이보다 저온인 1400℃에서 소성하였을 경우에도 Al₂O₃ 함량이 증가함에 따라 f-CaO 함량은 뚜렷하게 감소한다.
함량을 증가시켜 제조한 시멘트는 조합원료 LSF, XRD를 이용한 f-CaO 및 광물조성, 현미경 관찰 결과 등으로 미루어 판단할 때, OPC보다 소성성 측면에서 유리하다고 평가할 수 있다. 즉, Al₂O₃ 함량 증가는 클링커 소성에 필요한 에너지 절감, 소성 온도 하락에 도움을 주는 것으로 평가된다.
1항의 XRD 리트벨트 분석결과와도 일치한다. 즉, XRD와 현미경 분석 결과를 종합하면 Al₂O₃ 증가로 인한 액상량 증가 효과에 의해 클링커 소성성이 향상된 것으로 판단된다.
S(구형 의 입자)결정은 10∼60㎛ 범위에서 평균 크기 약 25㎛로 존재하였으며, 큰 특이점을 찾기 어려웠다. 하지만, 광학현미경 이미지에서 C₃S 및 C₂S 입자 사이로 존재하는 밝은 부분의 간극질은 Al₂O₃ 함량이 높은 시료일수록 크기와 양이 확연히 증가하는 경향을 확인할 수 있다.

후속연구

4) Al₂O₃를 2% 증량한 시멘트는 OPC에 비해 모르타르 플로우 저하, 28일 강도 저하가 관찰되고, 석고의 KS 기준내 최대 첨가에도 불구하고 수화발열 제 3 피크가 발현되어 추후 물리 및 내구 특성에 관한 연구가 필요하다.
5% 이하를 만족할 수 없게 된다. 다만 제 3 피크가 발생한 시멘트의 물리 및 내구특성에 대해서는 명확하게 알려진 바가 없어 추후 연구가 필요한 부분이라고 판단된다.

참고문헌 (19)

Anjo, T. (2015). Design of low energy type general purpose cement, Lecture summary at the 66th Cement Technology Competition, 2108, 144.
Chromy, S. (1985). Assessment of reactivity and burnability of industrial cement raw meals by a kinetic method, Czech, Stavivo, 63, 198.
Chromy, S. (1985). Method for determination of reactivity and burnability of cement raw meal, Germany, TIZ Fafchberichte, 109, 654.
Ghosh, S.N. (2002). Advances in Cement Technology, 2nd, Tech Books International, 34.
Hagino, M. (2012). Fluidity and hydration characteristics of high-porosity cement, Lecture summary at the 66th Cement Technology Competition, 1122, 48.
Harrisson, A. (2014). Clinker liquid, International Cement Review, 8.
Hirao, C. (2001). The effect of fine limestone powder on the flowability and strength expression of eco cement, Cement Concrete Papers, 55, 97.
Hiroshi, H. (2003). Effect of blast furnace slag fine powder on the fluidity and strength development of eco-cement, Journal of Cement Concrete, 57, 97.
Isimori, M. (2006). Microstructure and strength expression of eco cement paste, Cement Concrete, 60, 142.
Kitada, Y. (1983). $C_3A$ concrete made from coal ash, Cement technology, 37, 514.
Lerch, W. (1946). The Influence of Gypsum on the hydration and properties of portland cement pasters, Proceedings - American Society for Testing Materials, 46, 1252.
Locher, F.W. (1980). Setting of Cement - Part II : Effect of adding calcium sulphate, ZKG, 33(6), 271.
Locher, F.W. (1983). Setting of cement-I, II, III, IV, Zement-Kalk-Gips, 72(4).
Misumi, H. (2012). Properties of concrete using high $C_3A$ type cement, Lecture summary at the 66th Cement Technology Competition, 66, 280
Ost, B.W. (1974). American Ceramic Society Bulletin, 53(8), 579.
Puertas, F. (2005). Polycarboxylate superplasticizer admixture : effect on cement hydration, Microstructure and Rheological Behavior in Cement Pastes, Advances in Cement Research, 17(2), 77-89.
Sasaki, R. (2015). Effect of liquidity characteristics on the assembly degree of low-energy clinker with reduced firing temperature, Lecture summary at the 66th Cement Technology Competition, 2106, 140.
Tenoutasse, N. (1967). Studies on the kinetics of hydration of tricalcium aluminate in the presence of calcium sulfate and calcium chloride, ZKG, 10, 459.
Winter, N. (2009). Understanding Cement, UK, WHD Microanalysis Consultants Ltd., Suffolk, 32.

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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