[논문]수화 반응에 따른 MgO-모래 혼합물의 팽창 특성 및 전단 거동 변화

이지환; 윤보영; 추현욱; 이우진; 이창호

doi:10.7843/kgs.2020.36.11.97

[국내논문] 수화 반응에 따른 MgO-모래 혼합물의 팽창 특성 및 전단 거동 변화
Effect of Hydration on Swelling Properties and Shear Strength Behavior of MgO-sand Mixture 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.11, 2020년, pp.97 - 106

이지환 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 윤보영 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 추현욱 (경희대학교 사회기반시스템공학과) , 이우진 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 이창호 (전남대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 산화 마그네슘(MgO) 무게비에 따른 W_MgO/W_Total=0, 30, 50, 70, 100%) MgO-모래 혼합물의 팽창특성과 수화 반응 전·후 전단거동을 비교하였다. 시료는 MgO 함량이 높은 내화벽돌을 파쇄하여 모래와 혼합하여 조성하였다. MgO는 수화반응 후 Mg(OH)₂로 분화되어 비중 및 입자 크기가 감소하였다. 미세구조 관찰과 X선 회절분석을 통해 MgO는 정육면체 구조인 Periclase에서 수화반응 후에 육각형 결정 구조인 Brucite로 변화하는 것을 확인하였다. MgO 함량이 증가함에 따라 팽창압과 팽창량은 증가하는 것으로 나타났다. 생성된 Mg(OH)₂가 모래 입자 사이의 공극을 주로 채우게되는 MgO 함량 30% 시료는 팽창압과 팽창량이 상대적으로 매우 낮게 측정되었고, MgO 50% 이상의 시료에서는 Mg(OH)₂가 모래 입자 사이의 공극을 채우고 난 후 모래 입자 또는 다른 Mg(OH)₂를 밀어내기 때문에 팽창압과 팽창량이 급격히 증가하는 양상을 보였다. 직접전단시험 결과 수화반응 전 혼합물은 높은 MgO 함량에서는 부피 팽창거동을 보였고 낮은 MgO 함량에서는 부피 수축거동을 보였다. 그러나 수화반응 후 혼합물은 모두 부피 수축거동을 보였다. 수화반응 후 정규화된 전단강도의 한계 세립질 함량 (F_th)은 약 60% Mg(OH)₂ 비율로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Swelling properties and shear strength behavior of MgO-Sand mixtures with hydration procese of MgO are compared according to different MgO contents (WMgO/WTotal=0, 30, 50, 70, 100%) in this study. The specimens are prepared by mixing with crushed MgO refractory bricks and silica sand. After hydration, the particle size and the specific gravity of MgO were decreases. Through microstructure observation and X-ray diffraction analysis, it is confirmed that MgO changes from the cubic structure of Periclase to the hexagonal cubic structure of Brucite after hydration. As the MgO content increases, both swelling rate and swelling pressure of the mixtures increase. WMgO/WTotal=30% specimen shows relatively low swelling pressure and swelling rate because produced Mg(OH)2 mainly fills the pores between sand particles. However, in the case of MgO more than 50%, swelling pressure and swelling rate increase significantly because Mg(OH)2 fills the pores of sand particles at first and then either pushes out sand particles or Mg(OH)2 particles after filling the pores. As a result of the direct shear test, before hydration, the mixtures show a dilative behavior on high MgO contents and a contractive behavior on low MgO contents. However, after hydration, the behavior of all mixtures changes to contractive behavior. The threshold fraction of fine (i.e., Mg(OH)2) contents of the hydrated MgO-Sand mixtures reveals approximately 60% compared with normalized shear strength.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Particle size distribution of materials used in this study (before hydration)
표 Table 1. Index propetrties of materials used in this study
표 Table 2. Chemical composition of materials used in this study (before hydration)
그림 Fig. 2. Experimental setup for swelling test: (a) Free swell test; (b) Swelling pressure test
그림 Fig. 3. Particle size distribution of mixtures after hydration. Note gray and black markers indicate particle size distribution before and after hydration, respectively
그림 Fig. 4. Variation of specific gravities of mixtures with hydration time
그림 Fig. 5. Observed Microstructures by SEM: MgO ((a) and (b)); Mg(OH)₂ ((c) and (d))
그림 Fig. 6. XRD pattern of MgO before hydration (periclase) and after hydration (brucite)
그림 Fig. 7. Swelling rate: (a) Vertical swelling rate; (b) Vertical and horizontal swelling pressure
$Fig. 8. Volume changes of specimens before and after hydration: (a) Schemetic figure of porosity of MgO-Sand mixtures; (b) Porosity of specimens according to volume fraction$ 그림 Fig. 8. Volume changes of specimens before and after hydration: (a) Schemetic figure of porosity of MgO-Sand mixtures; (b) Porosity of specimens according to volume fraction
$Fig. 9. Result of direct shear test: (a) Stress strain curve of mixtures before and after hydration: (b) Normalized shear strength (tan∅) verse Fines fraction$ 그림 Fig. 9. Result of direct shear test: (a) Stress strain curve of mixtures before and after hydration: (b) Normalized shear strength (tan∅) verse Fines fraction

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 MgO 함량에 따른 혼합토의 특성을 확인하기 위하여 5가지 무게비(W_MgO/W_Total=0, 30, 50, 70, 100%)를 가지는 시료를 조성하였다. 실험실 조건에서 MgO의 수화반응을 촉진시키기 위해 0.
본 연구에서는 MgO-모래 혼합토의 팽창특성과 수화 반응 전후의 전단거동을 파악하기 위하여 MgO 함량에 따라 5개의 중량비로 시료(i.e., W_MgO/W_Total [%] = 0, 30,50, 70 100)를 조성하였다. 수화반응 전･후 시료의 기본 특성시험, 혼합물의 팽창량 및 팽창압시험, 혼합물의 직접전단시험을 실시하고 그 결과를 종합해 보면 다음과 같다.

제안 방법

, 2010). 수화반응 전･후 MgO의 광물특성을 비교하기 위해 X선 회절분석(XRD, X-Ray Diffraction)을 실시하였으며 전자 주사 현 미경(FE SEM-EDS, Electron Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy)을 통해 미세구조 변화를 관찰하였다. 또한 팽창량 시험(Free swell test)과 팽창압 시험(Swelling pressure test)을 통해 혼합토의 팽창특성을 파악하였으며 직접전단시험(Direct shear test)으로 수화반응 전･후 혼합토의 전단거동 특성을 파악하였다.
수화반응 전･후 MgO의 광물특성을 비교하기 위해 X선 회절분석(XRD, X-Ray Diffraction)을 실시하였으며 전자 주사 현 미경(FE SEM-EDS, Electron Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy)을 통해 미세구조 변화를 관찰하였다. 또한 팽창량 시험(Free swell test)과 팽창압 시험(Swelling pressure test)을 통해 혼합토의 팽창특성을 파악하였으며 직접전단시험(Direct shear test)으로 수화반응 전･후 혼합토의 전단거동 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 팽창성 재료의 수화반응을 촉진시키기 위해 마그네슘 아세테이트 0.1M을 촉매로 사용하였으며 70ºC의 실험온도를 유지하였다(Aphane, 2007; Matabola et al., 2010).
또한 수화반응 전후 파쇄 MgO의 광물조성을 비교하기 위해 구리(Cu)를 음극 물질(Anode material)로 사용하여 2θ=5º~90º의 범위에서 0.02º의 분해능으로 X선 회절분석(XRD, D/Max-2500V/PC, Rigaku)을 실시하였다.
5가지 무게비(W_MgO/W_Total=0, 30, 50, 70, 100%)로 파쇄한 MgO를 모래와 혼합하여 시료를 조성하였다. 균질한 상태의 건조시료를 조성하기 위해 무게비에 맞추어 준비한 혼합물을 교반기를 이용하여 동일한 속도로(60rpm) 15분간 혼합하였으며 모든 시료에 동일하게 60kNm/m³의 다짐에너지를 가하였다.
=0, 30, 50, 70, 100%)로 파쇄한 MgO를 모래와 혼합하여 시료를 조성하였다. 균질한 상태의 건조시료를 조성하기 위해 무게비에 맞추어 준비한 혼합물을 교반기를 이용하여 동일한 속도로(60rpm) 15분간 혼합하였으며 모든 시료에 동일하게 60kNm/m³의 다짐에너지를 가하였다.
전자 주사 현미경(FE-SEM, Hitachi S-4800)을 이용하여 수화반응 전･후 시료의 미세 구조 변화를 관찰하였다. 또한 수화반응 전후 파쇄 MgO의 광물조성을 비교하기 위해 구리(Cu)를 음극 물질(Anode material)로 사용하여 2θ=5º~90º의 범위에서 0.
팽창압 측정을 위해 50×30×1(직경×높이×두께, mm) 셀에 시료를 조성한 후 로드셀과 변형율계를 이용하여 시간에 따른 수직방향 및 수평방향 팽창압을 측정하였다(Fig.
MgO의 수화반응에 따른 팽창 특성을 확인하기 위하여 자유 팽창 시험(Free swell test)과 팽창압 시험(Swelling pressure test)을 실시하였다. Fig.
Fig. 2(a)와 같이 자유 팽창량 측정을 위하여 100ml 실린더에 20ml의 혼합물을 조성한 후 일정 시간 간격으로 사진을 촬영하고 이미지 분석을 통하여 시간에 따른 팽창량을 계산하였다. 팽창압 측정을 위해 50×30×1(직경×높이×두께, mm) 셀에 시료를 조성한 후 로드셀과 변형율계를 이용하여 시간에 따른 수직방향 및 수평방향 팽창압을 측정하였다(Fig.
수화반응 과정 중에 작용하는 팽창압과 실험온도에 의한 실험 장비의 파손을 방지하기 위하여 전단실험에는 수화반응이 완료된 시료를 재성형하여 사용하였다. 그러나 수화 반응에 의해 MgO는 Mg(OH)₂로 상변화를 일으키기 때문에 수화 반응 후 재료의 부피와 무게가 변화하게 된다.
4는 순수한 MgO의 수화반응 후 분자량 변화를 통해 계산한 무게변화량, ω는 수화반응 후 시료의 함수비, Sw는 무게비별 혼합시료의 최종 팽창량이다. 직접 전단 실험은 100kPa, 200kPa 및 300kPa의 세가지 연직응력에서 1mm/min의 속도로 실시하였다(ASTM-D3080/D3080M 2011; ASTM-D53212020).
수화반응 결과 혼합토의 #200체 통과율이 12%를 초과함에 따라 수화반응에 따른 혼합토의 흙의 분류를 재평가하기 위하여 추가적으로 액소성한계 시험을 실시하였으며(ASTM-D4318 2017; BS1377 1990), 통일분류법에 따르면 수화반응 후 혼합토는 MgO 함량이 증가함에 따라 SM(W_MgO/W_Total=30; 50%), SC(W_MgO/W_Total=70%) 및 MH(W_MgO/W_Total=100%)로 흙의 분류가 변하였다.
6은 MgO의 수화반응 전 후의 XRD 패턴을 나타낸다. 수화 반응에 따라 시료의 광물학적 특성은 페리클라제(periclase)에서 수화반응 후 브루사이트(brucite)로 변화하였다.
, 2010; Tiwari and Marui, 2005) 결과를 함께 도시하였다. 수화반응에 따라 MgO가 Mg(OH)₂로 변화될 때, 입자 크기는 감소하지만 시료의 총 무게는 증가하기 때문에 변화한 무게를 고려하여 수화반응 후 세립질의 함량을 계산하였다. 다양한 선행 연구의 서로 다른 실험 조건에도 불구하고 모든 실험 결과에서 정규화된 전단 강도가 조립토 지배 전단 강도에서 세립토 비율이 증가함에 따라 급격히 감소하여 세립토 지배 전단 강도로의 전이 거동이 관찰된다.
, W_MgO/W_Total [%] = 0, 30,50, 70 100)를 조성하였다. 수화반응 전･후 시료의 기본 특성시험, 혼합물의 팽창량 및 팽창압시험, 혼합물의 직접전단시험을 실시하고 그 결과를 종합해 보면 다음과 같다.

대상 데이터

미세 구조 및 광물 조성 변화 관찰을 위한 시료는 수화반응 전의 파쇄 MgO와 수화반응 후의 Mg(OH)2를 60ºC로 24시간동안 건조하여 준비하였다.
본 연구에서는 인공적 또는 화학적으로 야기된 팽창성 물질로 철강부산물 중 하나인 MgO 내화벽돌(Posco Chemical Co.)을 파쇄하여 사용하였다. 혼합 전 파쇄된 MgO 내화벽돌의 입도분포를 파악하기 위하여 입도분석(ASTM-D6913 2004; ASTM-D7928 2016)을 실시하였다.
혼합 전 파쇄된 MgO 내화벽돌의 입도분포를 파악하기 위하여 입도분석(ASTM-D6913 2004; ASTM-D7928 2016)을 실시하였다. 실험 시 입경에 따른 혼합토 거동에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 Fig. 1과 같이 파쇄된 MgO의 평균입경(D₅₀)과 유사한 평균입경을 가지는 인공파쇄사(K7 sand, Kyungin material Inc.)를 선택하여 혼합토를 조성하였다. 통일분류법(ASTM-D2488 2017)에 따르면 두 시료 모두 SP로 분류되었다.

이론/모형

)을 파쇄하여 사용하였다. 혼합 전 파쇄된 MgO 내화벽돌의 입도분포를 파악하기 위하여 입도분석(ASTM-D6913 2004; ASTM-D7928 2016)을 실시하였다. 실험 시 입경에 따른 혼합토 거동에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 Fig.

성능/효과

가 되며 입자크기가 감소한다. 입도분석 결과 Fig. 3과 같이 순수한 MgO의 경우 수화반응 후 #200체 통과량이 17.5%에서 66%로 증가하였다. 또한 혼합토 내 MgO 함량이 증가함에 수화 반응 후 #200체 통과율이 증가하였으며 혼합토의 평균입경 역시 감소하였다.
5%에서 66%로 증가하였다. 또한 혼합토 내 MgO 함량이 증가함에 수화 반응 후 #200체 통과율이 증가하였으며 혼합토의 평균입경 역시 감소하였다.
수화반응 전 초기 혼합물은 모래에 비하여 상대적으로 큰 MgO의 비중(#) 때문에 혼합토 내 MgO 함량이 높을수록 혼합토의 비중은 높은 값을 보였다. 수화반응의 진행으로 시간에 따라 혼합토의 비중은 감소하였으며, MgO의 수화반응 결과물인 Mg(OH)₂의 비중이 2.42로 수화반응이 진행될수록 혼합 토의 비중은 줄어든다. 또한 Mg(OH)₂의 비중이 모래의 비중(#)보다 상대적으로 작기 때문에 수화반응 후 혼합토의 비중은 MgO 함량이 높을수록 상대적으로 작아져 수화반응이 진행됨에 따라 혼합토의 수화반응 전 비중값과 역전현상을 보인다.
5(a) and (b)). 수화반응 후 육각 결정 구조(Hexagonal crystal structure)의 Mg(OH)₂가 관찰되었으며 미세 입자들로 분화된 것을 확인할 수 있다(Fig. 5(c) and (d)).
Fig. 7(a)와 같이 혼합토 내 팽창성 물질인 MgO 함량이 많을수록 팽창량은 증가하는 경향을 보였으며 MgO 100% 시료의 경우 MgO와 Mg(OH)₂의 비중 차이를 통해 계산한 팽창량과 유사하게 수화반응 후 약 104%의 부피 팽창을 보였다. 팽창압은 Fig.
8(b)과 같다. 초기 무게비로 조성한 W_MgO/W_Total=30%인 시료의경우, 수화반응 후 부피비로 계산하였을 때 Mg(OH)₂의 부피가 전체의 약 40% 정도를 차지하였으며 생성된 Mg(OH)₂가 모래 입자 사이의 공극을 채워 수화반응 전과 비교하여 수화반응 후 공극률이 감소하였다. 이는 세립토-조립토 혼합물에서 세립토의 부피가 전체의 약 40%일 때 최소 공극을 가지는 기존의 연구 결과와 유사하다(Lade et al.
그러나 초기 무게비 W_MgO/W_Total=50%, 70%인 혼합토는 수화반응 전 MgO 및 모래로 구성된 조립질 구조에서 수화반응 후 상대적으로 세립질인 분화된 Mg(OH)₂가 지배적인 세립질 구조로 바뀌게 되며 혼합토 내 세립질인 Mg(OH)₂의 부피가 증가하여 조립질인 모래 입자는 서로 분리되며 Mg(OH)₂가 혼합물의 간극 및 입자 배열을 지배하게 된다. 따라서 시료의 팽창을 구속한 팽창압 시험에서 MgO 함량 30% 시료는 상대적으로 낮은 팽창압을 보였으나, MgO 함량 50% 이상의 시료에서는 급격한 팽창압의 증가가 관찰되었다.
9(a)와 같다. 수화반응 전 MgO 함량이 높을수록 MgO-모래 혼합토는 전단 시 최대전단강도(peak shear strength)가 뚜렷한 부피 팽창거동(dilative behavior)을보였으며 낮은 MgO 함량의 혼합토는 전단 시 부피 수축거동(contractive behavior)을 보였다. 수화반응 후 혼합토의 전단강도는 MgO 함량이 높을수록 더 크게 감소하였으며, 모든 시료는 전단 시 부피 수축거동을 보였다.
수화반응 전 MgO 함량이 높을수록 MgO-모래 혼합토는 전단 시 최대전단강도(peak shear strength)가 뚜렷한 부피 팽창거동(dilative behavior)을보였으며 낮은 MgO 함량의 혼합토는 전단 시 부피 수축거동(contractive behavior)을 보였다. 수화반응 후 혼합토의 전단강도는 MgO 함량이 높을수록 더 크게 감소하였으며, 모든 시료는 전단 시 부피 수축거동을 보였다. 수화반응 전 혼합토의 최대 마찰각은 혼합비에 따라서 34.
수화반응에 따라 MgO가 Mg(OH)₂로 변화될 때, 입자 크기는 감소하지만 시료의 총 무게는 증가하기 때문에 변화한 무게를 고려하여 수화반응 후 세립질의 함량을 계산하였다. 다양한 선행 연구의 서로 다른 실험 조건에도 불구하고 모든 실험 결과에서 정규화된 전단 강도가 조립토 지배 전단 강도에서 세립토 비율이 증가함에 따라 급격히 감소하여 세립토 지배 전단 강도로의 전이 거동이 관찰된다. Park and Santamarina(2017)에 따르면 조립토-세립토 혼합물의 경우, 전이 거동의 한계세립질 함량 (F_th)은 약 10~42% 이며1) 두 입자의 상대 크기비가 증가하거나;2) 액성한계가 증가하거나;3) 조립토의 입도분포가 양호하고 둥근 입자일수록 한계 세립질 함량 (F_th)이 감소한다고 하였다.
, x_i=(x_C+x_F)/2) 근처의 세립질 함량으로 정의한다(Park and Santamarina, 2017). 본 연구의 MgO-모래 혼합물의 한계 세립질 함량 (F_th)은 세립질 Mg(OH)₂ 비율 약 60%로 기존의 연구에 비해 다소 높은 것으로 나타났다.
(1) MgO는 수화반응 후에 Mg(OH)₂로 분화하여 입자 크기가 감소하고 소성을 띄었으며 비중은 감소하였다. 미세구조 관찰과 X선 회절분석을 통해 분석한 결과 MgO는 수화반응 전 정육면체 구조의 periclase에서 수화반응 후 육각형 구조의 brucite로 변화하였다.
(2) MgO 함량 30% 시료의 팽창량 및 팽창압은 각각 4.5% 및 77kPa로 상대적으로 작았으나 MgO 함량 50% 이상 시료에서는 팽창량은 55~104%로 상대적으로 크게 증가하였고 팽창압은 급격히 증가하는 양상을 보였다. 모래와 입경이 비슷한 MgO 입자는 수화반응 후 Mg(OH)₂로 화학적 변화에 따라 분화되어 입경은 작아지고 총 부피는 증가한다.
(3) 수화반응 전 높은 MgO 함량의 시료는 전단 시 부피 팽창 거동을(dilative) 보였으나 낮은 MgO 함량의 시료는 부피 수축거동을(contractive) 거동을 보였다. 수화반응 후 혼합물의 정규화된 전단강도는 Mg(OH)₂의 함량이 증가함에 따라 조립질에서 세립질로 바뀌 었으며, 전이 거동을 보이는 혼합토의 한계 세립질(Mg(OH)₂) 함량 (F_th)은 약 60%로 기존의 연구(10~42%)에 비해 상대적 높은 것으로 나타났다.
(3) 수화반응 전 높은 MgO 함량의 시료는 전단 시 부피 팽창 거동을(dilative) 보였으나 낮은 MgO 함량의 시료는 부피 수축거동을(contractive) 거동을 보였다. 수화반응 후 혼합물의 정규화된 전단강도는 Mg(OH)₂의 함량이 증가함에 따라 조립질에서 세립질로 바뀌 었으며, 전이 거동을 보이는 혼합토의 한계 세립질(Mg(OH)₂) 함량 (F_th)은 약 60%로 기존의 연구(10~42%)에 비해 상대적 높은 것으로 나타났다.

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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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