[논문]석고 존재 및 탄산칼슘 첨가에 따른 활성 슬래그의 역학적 성능 및 반응생성물

정연웅; 임귀환; 박수현; 김주형; 김태상

doi:10.11112/jksmi.2020.24.4.55

초록
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본 연구는 석고의 존재 유무 및 탄산칼슘의 첨가에 따른 활성 슬래그 페이스트의 역학적 성능과 반응생성물을 연구한다. 활성 슬래그 페이스트의 자극제는 CaO 및 NaOH가 사용되었으며 자극제의 함량을 두 수준으로 결정하여 그 특성을 압축강도 실험과 방사광가속기 X-선 회절분석을 통해 조사하였다. CaO-활성 슬래그의 경우 석고가 존재하지 않는 경우 탄산칼슘의 첨가는 초기 수화를 촉진하는 충진효과만 발휘하는 것으로 나타났으며, 재령 28일에는 역학적 성능 향상을 보이지 않는 것으로 나타났다. 반면, 석고가 존재하는 경우 에트린자이트의 상안정성에 기여하며 높은 수준의 강도향상을 보였다. NaOH를 자극제로 사용하는 경우 석고가 존재하지 않는 경우 역학적 성능변화는 미비한 것으로 조사되었으나, 석고가 존재하는 경우 SO₃^2- 이온과 CO₃^2- 이온의 이온경쟁으로 반응생성물의 결정화도는 낮추며 역학적 성능을 저해하는 것으로 조사되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the mechanical properties and reaction products of activated slag pastes depending on gypsum presence and calcium carbonate addition in terms of compressive strength tests and synchrotron X-ray diffraction. The chemicals of CaO and NaOH are used as activators with different t...

This study investigates the mechanical properties and reaction products of activated slag pastes depending on gypsum presence and calcium carbonate addition in terms of compressive strength tests and synchrotron X-ray diffraction. The chemicals of CaO and NaOH are used as activators with different two dosages. The reaction of CaO-activated slag without gypsum just accelerated by addition of calcium carbonate at early ages, but no improvement was observed at later ages. On the other hand, the mechanical properties of CaO-activated slag pastes with gypsum were improved with calcium carbonate, enhancing the stability of ettringite. The variation of mechanical properties of NaOH-activated slag pastes was negligible depending on calcium carbonate addition in case of no gypsum. The addition of calcium carbonate into NaOH-activated slag pastes with gypsum deteriorated its mechanical properties due to the ion competition between CO32- ions and SO32- ions, decreasing crystallinity of reaction products.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Particle size distribution of raw materials
그림 Fig. 2 Synchrotron XRD analysis for raw GGBFS
표 Table 1 Results of XRF spectroscopy for raw GGBFS and CaCO₃
표 Table 2 Mixture proportions
그림 Fig. 3 Results of compressive strength tests for CaO-activated slag system
그림 Fig. 4 Results of compressive strength tests for NaOH-activated slag system
$Fig. 5 Results of synchrotron X-ray diffraction for CaO-activated slag system; S: strätlingite, E: ettringite, CH: portlandite, Cc: calcite, Ms: monosulfoaluminate, Hc: hemicarboaluminate, Mc: monocarboaluminate.$ 그림 Fig. 5 Results of synchrotron X-ray diffraction for CaO-activated slag system; S: strätlingite, E: ettringite, CH: portlandite, Cc: calcite, Ms: monosulfoaluminate, Hc: hemicarboaluminate, Mc: monocarboaluminate.
$Fig. 6 Results of synchrotron X-ray diffraction for NaOH-activated slag system; C1: C-S-H(I), Mc: monocarboaluminate, Ht: hydrotalcite-like phases, Cc: calcite.$ 그림 Fig. 6 Results of synchrotron X-ray diffraction for NaOH-activated slag system; C1: C-S-H(I), Mc: monocarboaluminate, Ht: hydrotalcite-like phases, Cc: calcite.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 슬래그의 석고 유무 및 탄산칼슘 첨가에 따른 NaOH- 및 CaO-활성 슬래그의 역학적 성능과 반응생성물의 변화를 압축강도 실험, 포항가속기 연구소의 X-선 회절(synchrotron X-ray diffraction, XRD) 실험을 통해 검토한다.

제안 방법

고로슬래그 미분말의 광물조성 분석을 위해 고로슬래그 미분말 원재료에 XRD 정량분석용 표준시료인 산화알루미나 (Al₂O₃)를 9:1로 혼입하여 포항가속기 연구소 6D 빔라인에서 XRD 실험을 실시하였고, COD(crystallography open database)와 MATCH! 소프트웨어에서 정성분석을 실시하고 Fullprof 소프트웨어를 통한 Rietveld 분석으로 광물의 정량분석을 실시하였다. 그 분석 결과를 Fig.
, 016(b)). 본 연구에 사용되는 고로슬래그 미분말은 Fig 2와 같이 석고가 첨가되지 않은 제품으로 석고가 존재하는 경우를 모사하기 위해 고로슬래그 미분말에 중량비 0% 및 3%를 혼합하는 배합비를 구성하였다. 준비된 고로슬래그 미분말은 CaO를 중량비 5% 및 10%와 물/결합재 비 0.

대상 데이터

본 연구에서 C사의 3종 고로슬래그 미분말과 P사의 침강탄산칼슘을 사용한다. 고로슬래그 미분말의 개질을 위해 A사의 석고(CaSO₄) 시약이 사용되었으며, 활성화제로는 A사의 수산화나트륨(NaOH) 시약, D사의 산화칼슘(CaO) 시약이 사용되었다. 사용한 고로슬래그 미분말과 침강탄산칼슘의 분말 도를 및 화학 조성 각각 광회절 회절실험과 X-선 형광분석법(X-ray fluorescence, XRF)을 통해 분석하였으며 그 결과는 Fig.
본 연구에서 C사의 3종 고로슬래그 미분말과 P사의 침강탄산칼슘을 사용한다. 고로슬래그 미분말의 개질을 위해 A사의 석고(CaSO₄) 시약이 사용되었으며, 활성화제로는 A사의 수산화나트륨(NaOH) 시약, D사의 산화칼슘(CaO) 시약이 사용되었다.

이론/모형

압축강도 측정을 마친 시편의 중심부에서 페이스트 파편을 수집하여 수화정지 후 XRD 시편을 준비하였다. 수화정지는 Rilem TC-238에서 권장하고 있는 방법에 따라 isopropyl alcohol과 diethyl ether를 이용한 용매치환법을 준용하였다(Snellings et al., 2018).

성능/효과

1) CaO를 자극제로 사용하는 경우 석고가 존재하지 않는 고로슬래그 미분말에서는 탄산칼슘의 첨가는 충진효과에 의한 초기수화 증진에만 영향을 미치며 재령28일 강도를 향상시키지 못하는 것으로 나타났으며, CaO의 함량이 10%인 경우에는 오히려 재령 28일 강도를 하락시키는 것으로 조사되었다.
2) 반면, 석고가 존재하는 고로슬래그 미분말의 경우 탄산칼슘의 첨가는 모노- 및 헤미-카보알루미네이트 상의 생성과 함께 에트린자이트의 상 안정성에 기여하며 활성 슬래그 페이스트의 역학적 성능을 크게 개선하는 것으로 나타났다.
3) 석고가 존재하지 않는 고로슬래그 미분말을 NaOH로 활성화 하는 경우 낮은 NaOH에서는 탄산칼슘의 첨가로 소폭의 압축강도 향상을 이룰 수 있으나 NaOH의 농도가 높아질수록 이러한 효과는 상쇄되는 것으로 나타났다. 이는 높은 NaOH 환경하에서 탄산칼슘 및 고로슬래그 미분말의 용해도가 향상되어 탄산칼슘에 의한 충진 효과가 줄어들기 때문이다.
4) 석고가 존재하는 고로슬래그 미분말을 NaOH로 활성화 하는 경우 NaOH의 농도와 무관하게 탄산칼슘의 첨가가 활성 슬래그 페이스트의 역학적 성능이 저해되는 것으로 나타났으며, 이는 석고에서 공급되는 SO₃^2- 이온과 탄산칼슘에서 공급되는 CO₃^2- 이온의 이온 경쟁으로 활성 슬래그 페이스트의 반응생성물의 결정화 정도를 낮추는 것에 기인한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	활성 슬래그에 대한 연구 목적은 무엇인가?	이산화탄소 발생량 절감을 위한 노력의 일환으로 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 시멘트를 대체하기 위한 활성 슬래그에 대한 연구가 활발하다(Provis et al., 2015; Provis, 2018). 활성 슬래그는 철강산업부산물인 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며 역학적 특성 및 반응생성물은 고로슬래그 미분말의 화학적 특성과 활성화제로 사용되는 시약의 종류 및 농도에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Wang et al.
	탄산칼슘(CaCO3)은 포틀랜트 시멘트에 대한 우려사항은 무엇인가?	탄산칼슘은 시멘트의 수화과정에서 용해되며 CO32- 이온을 공극수에 공급하며 내부의 모노설포알루미네이트를 모노- 혹은 헤미-카보알루미네이트로 변화시키며 에트링자이트의 상안정성을 개선하며 경화된 시멘트계 재료의 역학적 성능을 개선하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 이러한 탄산칼슘의 긍정적인 기작이 활성 슬래그 등의 친환경 대체 시멘트에서도 동일하게 적용되는지 여부에 대한 학술적인 검토는 아직 미비한 실정이다.
	활성 슬래그의 주원료는 무엇인가?	, 2015; Provis, 2018). 활성 슬래그는 철강산업부산물인 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며 역학적 특성 및 반응생성물은 고로슬래그 미분말의 화학적 특성과 활성화제로 사용되는 시약의 종류 및 농도에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Wang et al., 1994; Jeong et al.

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Snellings, R., Chwast, J., Cizer, O., De Belie, N., Dhandapani, Y., Durdzinski, P., Elsen, J., Haufe, J., Hooton, D., Patapy, C., Santhanam, M., Scrivener, K., Snoeck, D., Steger, L., Tongbo, S., Vollpracht, A., Winnefeld, F., Lothenbach, B., (2018), Report of TC 238-SCM: Hydration Stoppage Methods for Phase Assemblages Studies of Blended Cements-results of a Round Robin Test, Materials and Structures, 51, 111.
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