[논문]고로슬래그 기반 순환유동층 플라이애시 및 미분탄 플라이애시 혼입에 따른 시멘트 모르타르의 특성

조성우; 나형원; 형원길

doi:10.5345/jkibc.2021.21.2.141

고로슬래그 기반 순환유동층 플라이애시 및 미분탄 플라이애시 혼입에 따른 시멘트 모르타르의 특성
Properties of Cement Mortar According to Mixing of Circulating Fluidized Bed Fly Ash and Pulverized Coal Fly Ash based on Blast Furnace Slag 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.21 no.2, 2021년, pp.141 - 148

조성우 (School of Architectural Engineering, Yeungnam University) , 나형원 (School of Architectural Engineering, Yeungnam University) , 형원길 (School of Architectural Engineering, Yeungnam University)

초록
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본 연구에서는 산업부산물 중 순환유동층 연소방식과 미분탄 연소과정에서 발생되는 플라이애시와 고로슬래그 미분말을 치환한 시멘트 모르타르의 특성을 파악하였다. 연구 결과, 순환유동층 플라이애시 및 미분탄 플라이애시 혼합 사용 시 강도발현 뿐만 아니라 내구성 측면에서도 유리하게 나타난다. 순환유동층 플라이애시는 초기 반응성 향상에 기여하며, 미분탄 플라이애시는 포졸란 반응으로 장기 강도 발현에 관여하게 된다. 따라서 순환유동층 플라이애시와 미분탄 플라이애시의 혼합사용은 고로슬래그 미분말을 치환한 시멘트 모르타르의 상호 보완적인 요소로 작용함을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the characteristics of the cement mortar replaced with fly ash and ground granulated blast furnace slag generated during circulating fluidized bed combustion method and pulverized coal combustion process were investigated. As a result of the study, when mixed with circulating fluidized bed combustor fly ash and pulverized coal combustion fly ash, it is advantageous not only in terms of strength development but also in terms of durability. The circulating fluidized bed combustor fly ash contributes to the improvement of initial reactivity, and the pulverized coal combustion fly ash is involved in long-term strength development through pozzolanic reaction. Therefore, it can be seen that the mixed use of circulating fluidized bed combustor fly ash and pulverized coal combustion fly ash acts as a complementary factor for cement mortar substituted with ground granulated blast furnace slag.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. XRD pattern & SEM image of CFA
그림 Figure 2. XRD pattern & SEM image of FA
표 Table 1. Experimental plan
표 Table 2. Mix proportion of mortar
그림 Figure 4. Compressive strength according to age
그림 Figure 3. Flow Test of Mortar
표 Table 3. Chemical properties of material
그림 Figure 5. Compression strength trend line
$Figure 6. X-ray diffraction analysis$ 그림 Figure 6. X-ray diffraction analysis
그림 Figure 7. Chloride ion penetration depth
그림 Figure 8. Carbonation depth

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 지구온난화의 주요한 원인이 되는 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 시멘트 저감을 목표로 고로슬래그 미분말, 순환유동층 플라이애시, 미분탄 플라이애시를 일정 비율 치환하여 물리적 특성과 내구성을 분석하고 이를 토대로 최적의 비율을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 산업부산물 중 순환유동층 연소방식과 미분탄 연소과정에서 발생되는 플라이애시와 고로슬래그 미분말을 치환한 시멘트 모르타르의 특성을 파악하였다. 연구 결과, 순환유동층 플라이애시 및 미분탄 플라이애시 혼합 사용 시강도 발현 뿐만 아니라 내구성 측면에서도 유리하게 나타난다.

제안 방법

압축강도 시험은 KS L ISO 679 규준에 의거하여 공시체의 재령 3일, 7일, 28일, 56일, 91일의 강도를 측정하였다. 강도 측정 시, 채취한 파단면의 시편을 분쇄 후 1일간 아세톤용액에 침지 시킨 후 XRD를 이용하여 결정상을 분석하였다. 중성화 촉진시험은 28일 양생한 모르타르를 2주간 중성화 촉진 장치 (30℃, 60%R.
45로 고정하였다. 고로슬래그 미분말의 치환율은 30%, 50%, 70%로 설정하였으며, 기초실험을 통해 도출한 결과에 기인하여 순환유동층 플라이애시의 치환비율을 설정하였다[5]. 이때 플라이애시의 혼합사용 및 단독사용 시의 특성을 확인하기 위해 최대 첨가량 20% 범위에서 순환유동층 플라이애시와 미분탄 플라이 애시의 혼합비율을 3수준으로 설정하였다.
압축강도 시험은 KS L ISO 679 규준에 의거하여 공시체의 재령 3일, 7일, 28일, 56일, 91일의 강도를 측정하였다. 강도 측정 시, 채취한 파단면의 시편을 분쇄 후 1일간 아세톤용액에 침지 시킨 후 XRD를 이용하여 결정상을 분석하였다.
1% 페놀프탈레인 용액을 분무하여 색상이 변하지 않는 부분을 중성화 깊이로 측정하였다. 염소이온 침투 깊이의 측정은 KS F 2737 규준을 참조하여 28일간 양생한 공시체를 10% NaCl용액에 14일간 침지시킨 후공 시체의 중앙부를 절단하고 절단면에 질산은(AgNO₃)용액을 분무하여 색상의 변화가 없는 부분을 염소이온 침투 깊이로 산정하였다.
원료와 배합비에 따른 모르타르의 결정상을 분석하기 위해 X선 회절 분석(X-ray Diffraction; 이하 XRD)을 실시하였고, 플라이애시의 특성을 비교하기 위해 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope; 이하 SEM) 관찰을 실시하였다.
고로슬래그 미분말의 치환율은 30%, 50%, 70%로 설정하였으며, 기초실험을 통해 도출한 결과에 기인하여 순환유동층 플라이애시의 치환비율을 설정하였다[5]. 이때 플라이애시의 혼합사용 및 단독사용 시의 특성을 확인하기 위해 최대 첨가량 20% 범위에서 순환유동층 플라이애시와 미분탄 플라이 애시의 혼합비율을 3수준으로 설정하였다. 순환유동층 플라이애시의 CaO와 SO₃은 초기 반응성에 영향을 줄 수 있으며, 미분탄 플라이애시의 SiO₂는 포졸란 반응을 통해 장기 강도에 영향을 줄 수 있으므로 순환유동층 플라이애시와 미분탄 플라이애시의 혼합사용은 상호 보완적으로 작용할 것으로 판단된다.
강도 측정 시, 채취한 파단면의 시편을 분쇄 후 1일간 아세톤용액에 침지 시킨 후 XRD를 이용하여 결정상을 분석하였다. 중성화 촉진시험은 28일 양생한 모르타르를 2주간 중성화 촉진 장치 (30℃, 60%R.H, CO₂ 농도 5%)에서 방치한 후 공시체 중앙부를 절단하고 절단면에 0.1% 페놀프탈레인 용액을 분무하여 색상이 변하지 않는 부분을 중성화 깊이로 측정하였다. 염소이온 침투 깊이의 측정은 KS F 2737 규준을 참조하여 28일간 양생한 공시체를 10% NaCl용액에 14일간 침지시킨 후공 시체의 중앙부를 절단하고 절단면에 질산은(AgNO₃)용액을 분무하여 색상의 변화가 없는 부분을 염소이온 침투 깊이로 산정하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 KS L 5201 기준을 만족하는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement; 이하 OPC)와 KS F 2563 기준을 만족하는 고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag; 이하 BS)을 사용하였다. 순환유동층 플라이애시(Circulating Fluidized Bed Combustor Fly Ash; 이하 CFA)와 미분탄 플라이애시 (Pulverized Coal Combustion Fly Ash; 이하 FA)는 국내 J사에서 생산된 제품을 사용하였다.
순환유동층 플라이애시(Circulating Fluidized Bed Combustor Fly Ash; 이하 CFA)와 미분탄 플라이애시 (Pulverized Coal Combustion Fly Ash; 이하 FA)는 국내 J사에서 생산된 제품을 사용하였다. 플라이애시 재료 특성을 비교하기 위해 실시한 XRD 및 SEM 관찰 결과는 Figure 1, 2에 나타내었으며 사용재료의 화학조성은 Table 3과 같다.

이론/모형

본 연구의 유동성 실험은 KS L 5111의 규준에 부합하는 시멘트 시험용 플로우 테이블을 이용하여 실시하였다. 압축강도 시험은 KS L ISO 679 규준에 의거하여 공시체의 재령 3일, 7일, 28일, 56일, 91일의 강도를 측정하였다.

성능/효과

같다. 1) CFA 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 유동성 실험 결과, CFA-FA 혼합사용 시 plain 모르타르와 유사한 유동성을 나타낸다. BS 치환비율은 유동성에 큰 영향을 미치지 않지만 CFA와 FA 단독사용 시에는 각각 유동성 향상과 감소에 기여하는 역할을 한다.
2) CFA 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 압축강도 실험 결과, BS 치환비율이 50%인 조건에서 CFA-FA 혼합사용 시 가장 높은 강도를 발현하므로 적정 배합비는 BS50-CF로 도출할 수 있다.
3) CFA 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 X선 회절 분석 결과, 강도발현에 기여하는 주요 결정상은 Portlandite, Quartz이며 포졸란 반응으로 C-S-H를 생성하며 장기강도 향상에 기여한다.
4) CFA 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 염소이온 침투 저항성 실험 결과, BS 및 FA의 치환비율이 증가할수록 염소이온 침투저항성은 향상되지만 강도 성능을 고려하면 BS의 적정 치환비율은 50%임을 알 수 있다. 5) CFA 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 중성화 촉진실험 결과, BS 치환비율이 증가함에 따라 중성화 저항성은 감소하게 된다.
있다. 5) CFA 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 중성화 촉진실험 결과, BS 치환비율이 증가함에 따라 중성화 저항성은 감소하게 된다. 그러나 강도 성능을 함께 고려할 필요가 있으므로 BS 치환비율을 50%이하로 조정할 필요가 있다.
BS30-C, BS50-C, BS70-C 배합의 경우 FA가 없으므로다른 배합에 비해 FA로부터 기원하는 Quartz의 피크가 초기에 다소 낮게 나타났으며, BS 치환비율이 낮을수록 Portlandite의 피크가 높은 특징을 나타냈다. CFA 치환 비율이 높을수록 CaO에 의한 Portlandite 피크가 높은 경향을 보이나 그 차이는 미소하며 BS 치환비율에 따라 더 큰 변화를 나타내므로 Portlandite 피크 증가에는 OPC의 영향이 더 큰 것을 알 수 있다.
또한, 적정이상의 CFA 첨가 시에는 전술한바와 같이 CFA내에 함유된 다량의 CaO가 부피팽창을 유발할 수 있으므로 염소이온 침투 깊이가 크게 나타나는 것으로 볼 수 있다. CFA 단독 사용 시 염소이온 침투 저항성이 가장 낮았으며, FA의 치환 비율이 증가할수록 침투저항성은 개선되는 경향을 보였다.
FA20% 치환한 경우 플로우 값은 가장 높고 CFA20% 치환한 경우에는 유동성이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. FA 치환비율이 20%인 모르타르의 경우 둥근 입자의 FA가 모르타르 내부에서 볼베어링(ball bearing) 작용을 함으로인해 유동성 증가에 기인한 것으로 판단된다.
결론적으로 BS 및 FA의 치환비율이 증가할수록 염소이온 침투 저항성은 향상되며, 좀 더 치밀한 조직을 생성하는 것으로 유추할 수 있다. 특히, BS를 50%이상 치환하면 염분 침투억제가 가능하여 충분한 내구성능의 확보가 가능한 것으로 나타났다.
유동성 실험 결과, CFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 플로우 값은 CFA-FA치환 비율에 따라 일정하게 나타나는 경향이 있다. 따라서 BS 치환비율은 유동성에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
따라서 BS70% 조건에서는 CFA-FA 치환 비율에 상관없이 모두 높은 중성화 깊이를 나타낸다. 또한 CFA20% 조건에서도 중성화에 대한 저항성은 부족한 것으로 나타났다. BS30-C 배합의 경우, 상대적으로 OPC 사용량이 많음에도 불구하고 중성화 깊이가 높게 측정된 이유는 CFA 단독사용 시 염소이온 침투 깊이가 크게 나타나는 것과 같이 CaO 성분에 의한 결과로 판단할 수 있다.
활성으로 장기강도 발현에 기여하게 된다. 본 연구조건에서는 CFA 및 FA의 단독 사용보다 혼합하여 사용하는 것이 강도발현에 유리하고 BS 치환비율이 50%일 때 가장 높은 압축강도를 나타낸다. 따라서 적정 배합조건은 BS50- CF임을 알 수 있다.
이때 플라이애시의 혼합사용 및 단독사용 시의 특성을 확인하기 위해 최대 첨가량 20% 범위에서 순환유동층 플라이애시와 미분탄 플라이 애시의 혼합비율을 3수준으로 설정하였다. 순환유동층 플라이애시의 CaO와 SO₃은 초기 반응성에 영향을 줄 수 있으며, 미분탄 플라이애시의 SiO₂는 포졸란 반응을 통해 장기 강도에 영향을 줄 수 있으므로 순환유동층 플라이애시와 미분탄 플라이애시의 혼합사용은 상호 보완적으로 작용할 것으로 판단된다.
실험 결과, plain 모르타르의 중성화 깊이는 평균 1.5mm 이며, CFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 중성화 깊이는 배합비에 따라 현저한 차이를 보인다. BS 치환 비율이 증가함에 따라 중성화 깊이는 상승하므로 중성화 저항성은 감소하는 것으로 판단할 수 있다.
1M 질산은(AgNO₃)용액을 분무하여 염소이온 침투 깊이를 나타낸 그래프이다. 실험 결과, plain 모르타르의 평균 침투 깊이는 4.9mm이며, CFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 침투 깊이는 배합비에 따라 다르게 나타나는데 특히 CFA 단독사용 조건에서 그 차이는 가장 뚜렷하게 나타난다.
치환한 시멘트 모르타르의 특성을 파악하였다. 연구 결과, 순환유동층 플라이애시 및 미분탄 플라이애시 혼합 사용 시강도 발현 뿐만 아니라 내구성 측면에서도 유리하게 나타난다. 순환유동층 플라이애시는 초기 반응성 향상에 기여하며, 미분탄 플라이애시는 포졸란 반응으로 장기 강도 발현에 관여하게 된다.
5mm를 기준으로 각 배합의 유동성을 파악하였다. 유동성 실험 결과, CFA의 치환비율에 따른 시멘트 모르타르의 플로우 값은 CFA-FA치환 비율에 따라 일정하게 나타나는 경향이 있다. 따라서 BS 치환비율은 유동성에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
CFA를 20% 치환한 경우에는 CFA내 다량의 CaO로 인해 초기 수화반응이 빠르게 진행되어 유동성이 감소된 것으로 보인다. 치환비율 CFA10%+FA10% 조건에서 plain 모르타르와 가장 유사한 경향을 나타내는데, 재령 초기 CFA의 빠른 수화반응(CaO+H₂O → Ca(OH)₂)에 의한 유동성 감소현상은 구형의 입자 형태를 가진 FA의 볼베어링 효과로 유동성이 개선된 것으로 판단된다.
높은 압축강도를 나타낸다. 특히 BS 치환비율이 50%일 때, 강도 발현율은 plain 모르타르의 80% 수준이며 재령 91 일에서는 100% 가까운 수준에 도달하였다. CFA는 재령 초기에 BS의 수화반응을 촉진시키며 Ca(OH)₂ 와 같은 수화생성물을 형성하고, 이후 FA가 포졸란 활성으로 장기강도 발현에 기여한 것으로 볼 수 있다.
유추할 수 있다. 특히, BS를 50%이상 치환하면 염분 침투억제가 가능하여 충분한 내구성능의 확보가 가능한 것으로 나타났다. 그러나 강도 성능을 고려하여 BS 치환율은 50%로 설정하는 것이 적정할 것으로 사료된다.

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