KR101794013B1 - 분쇄 플라이 애쉬 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진동밀에 의해 분쇄된 플라이 애쉬 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르에 관한 것이다.
본 발명에 따르는 분쇄 플라이 애쉬를 포함하는 시멘트 모르타르는, 분쇄된 플라이 애쉬 10wt%, OPC 90wt%로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합 분말 원료에 외할로 모래 300wt% 및 혼합수 50wt%를 혼합하여 조성되고, 상기 플라이 애쉬는 SiO2 49.9wt%, Al2O3 19.2wt%, 미연탄소(C) 2.64wt%를 포함하는 것을 구성적 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 분쇄 플라이 애쉬를 포함하는 시멘트 모르타르는, 분쇄된 플라이 애쉬 10wt%, OPC 90wt%로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합 분말 원료에 외할로 모래 300wt% 및 혼합수 50wt%를 혼합하여 조성되고, 상기 플라이 애쉬는 SiO2 49.9wt%, Al2O3 19.2wt%, 미연탄소(C) 2.64wt%를 포함하는 것을 구성적 특징으로 한다.
Description
본 발명은 분쇄 플라이 애쉬 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르에 관한 것이다.
급격한 산업화에 따라 에너지 사용량이 증가하였으며 주요 에너지 자원인 화석 연료의 사용량 또한 증가하게 되었다. 그러나 화석연료 연소시 발생하는 연소가스 및 석탄회로 인한 환경오염 문제가 대두되어, 그 중 석탄회(石炭灰)의 재활용 방법에 대한 연구가 꾸준히 수행되고 있다.
석탄회는 화력발전소에서 유·무연탄을 1,600℃로 연소한 후 발생하는 재로써, 크게 플라이 애시(fly ash, 비회(飛灰))와 바텀 애시(bottom ash, 저회(底灰))로 대분할 수 있다. 또한 국내 석탄회 발생량은 835만톤/년 수준이며, 이중 약 80%가 플라이 애시(684만톤)이고, 20%는 바텀 애시(151만톤)라고 보고되고 있다. 플라이 애시는 레미콘 혼화재, 시멘트 부원료 등으로 사용되며, 바텀 애시는 성토재, 블록 등으로 사용되고 있으나 수요처가 한정되어 있다. 2011년 이후 석탄회 매립량은 점차 증가하고 있으며, 이는 저품위탄 사용으로 규격초과 석탄회(미연탄소 5% 이상) 발생량이 증가하여 재활용에 어려움이 있기 때문이다.
한편 국내 모르타르 콘크리트 공장에서는 산업부산물인 석탄회를 단순 혼합하여 바닥재로 사용하고 있으며(대한민국특허 제1395608호 참조), 이를 분쇄하여 사용하는 경우는 거의 없는 형편이다. 그러나 미국 등 일부 선진국에서는 석탄회를 분쇄 후 사용하고 있으며, 분쇄과정에서는 진동밀 등을 사용하기도 한다. 미국 등에서는 분쇄 후 사용하는 분체를 EMM(Energetically Modified Material)이라고 부르며, 분체 종류에 따라 EFA(Energetically Modified Fly ash), EMC (Energetically Modified Cement)라고도 부른다. 즉, 분체 입자의 활성화 정도는 분쇄기법과 밀접한 상관성을 갖는다. 그러므로 각각의 애시 특성에 적합한 분쇄기법이 개발되어야 하며, 이를 위해서는 분쇄기 종류, 분쇄 매체(grinding media), 매체 배열 등이 검토되어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 진동밀에 의해 분쇄되어 기계적으로 활성화된 플라이 애쉬 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르는 분쇄 플라이 애쉬를 포함하는 시멘트 모르타르는,
분쇄된 플라이 애쉬 10wt%, OPC 90wt%로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합 분말 원료에 외할로 모래 300wt% 및 혼합수 50wt%를 혼합하여 조성되고,
상기 플라이 애쉬는 SiO2 49.9wt%, Al2O3 19.2wt%, 미연탄소(C) 2.64wt%를 포함하는 것을 구성적 특징으로 한다.
본 발명에 따라 진동밀에 의해 1시간 분쇄되어 활성화된 플라이 애쉬는 시멘트에 혼입되어 OPC의 수화 특성과 유사한 수화 특성을 갖고 조기강도를 증진시킨다.
본 발명에 따라 진동밀에 의해 1시간 분쇄되어 활성화된 플라이 애쉬는 모르타르 및 콘크리트 작업시 충분한 작업성을 갖는다.
도1은 플라이 애쉬 분쇄에 사용되는 진동 밀과 유성밀의 형태 및 동작을 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 에쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도3은 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬의 미세구조를 나타내는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도4은 본 발명에 따라 진동밀에 의해 1시간 분쇄된 플라이 에쉬의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
도5는 본 발명에 따라 유성밀에 의해 2분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도6은 본 발명에 따라 유성밀에 의해 20분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도7은 본 발명에 따라 진동밀에 의해 40분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도8은 본 발명에 따라 진동밀에 의해 120분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도9는 본 발명에 따르는 진동밀에 의한 분쇄 시간별 시멘트 모르타르 플로우 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도10은 본 발명에 따르는 유성밀에 의한 분쇄 시간별 시멘트 모르타르 플로우 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도11은 본 발명에 따라 진동밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하는 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도12는 본 발명에 따라 유성밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하는 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도13은 본 발명에 따라 진동밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하고 28일간 양생된 시멘트 모르타르의 플라이 애쉬 분쇄 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도14는 본 발명에 따라 유성밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하고 28일간 양생된 시멘트 모르타르의 플라이 애쉬 분쇄 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도15는 본 발명에 따라 진동밀과 유성밀에 의해 분쇄된 평균 입경이 약 11㎛인 플라이 애쉬 혼입 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도16은 본 발명에 따라 진동밀과 유성밀에 의해 분쇄된 평균 입경이 약 5.5㎛인 플라이 애쉬 혼입 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도17은 본 발명에 따르는 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트의 응결 시간(setting time)을 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도18은 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 3일간 양생한 수화물의 XRD 분석 그래프이다.
도19는 본 발명에 따라 진동밀에서 60분간 분쇄된 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 3일간 양생한 수화물의 XRD 분석 그래프이다.
도20은 본 발명에 따라 진동밀에서 60분간 분쇄된 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 XRD 분석 그래프이다.
도21은 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
도22는 본 발명에 따라 진동밀에서 60분간 분쇄된 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
도2는 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 에쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도3은 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬의 미세구조를 나타내는 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도4은 본 발명에 따라 진동밀에 의해 1시간 분쇄된 플라이 에쉬의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
도5는 본 발명에 따라 유성밀에 의해 2분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도6은 본 발명에 따라 유성밀에 의해 20분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도7은 본 발명에 따라 진동밀에 의해 40분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도8은 본 발명에 따라 진동밀에 의해 120분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다.
도9는 본 발명에 따르는 진동밀에 의한 분쇄 시간별 시멘트 모르타르 플로우 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도10은 본 발명에 따르는 유성밀에 의한 분쇄 시간별 시멘트 모르타르 플로우 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도11은 본 발명에 따라 진동밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하는 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도12는 본 발명에 따라 유성밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하는 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도13은 본 발명에 따라 진동밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하고 28일간 양생된 시멘트 모르타르의 플라이 애쉬 분쇄 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도14는 본 발명에 따라 유성밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하고 28일간 양생된 시멘트 모르타르의 플라이 애쉬 분쇄 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도15는 본 발명에 따라 진동밀과 유성밀에 의해 분쇄된 평균 입경이 약 11㎛인 플라이 애쉬 혼입 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도16은 본 발명에 따라 진동밀과 유성밀에 의해 분쇄된 평균 입경이 약 5.5㎛인 플라이 애쉬 혼입 시멘트 모르타르의 양생 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도17은 본 발명에 따르는 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트의 응결 시간(setting time)을 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도18은 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 3일간 양생한 수화물의 XRD 분석 그래프이다.
도19는 본 발명에 따라 진동밀에서 60분간 분쇄된 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 3일간 양생한 수화물의 XRD 분석 그래프이다.
도20은 본 발명에 따라 진동밀에서 60분간 분쇄된 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 XRD 분석 그래프이다.
도21은 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
도22는 본 발명에 따라 진동밀에서 60분간 분쇄된 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
이하, 본 발명에 따르는 진동밀에 의해 분쇄된 플라이 애쉬 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르를 도면을 참고로 하여 설명한다.
미분쇄 플라이
애쉬의
특성 분석
본 발명에 따라 분쇄기 종류 및 분쇄 시간에 따른 플라이 애시의 물리/화학적 특성을 분석/평가하기 위해 사용하는 정제 플라이 애쉬는 국내 화력발전소(S社)에서 발생하는 정제 플라이 애시를 입수한 것으로, 표1과 같은 화학 조성비를 갖는다.
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | Na2O | K2O | SO3 | C | Cl- | |
| 함유량 (wt%) |
49.9 | 19.2 | 10.1 | 8.21 | 2.84 | 1.01 | 0.72 | 0.71 | 2.64 | 6.22 (mg/kg) |
표 1에서와 같이 미분쇄된 정제 플라이 애시의 SiO2 함량은 49.9wt% Al2O3 함량은 19.2wt%, 미연탄소(C) 함량은 2.64wt%로 나타났으며, 소량의 알칼리 성분들이 존재하는 것으로 나타났다. 일반적으로 플라이 애시를 시멘트/콘크리트용 혼화재로 사용하기 위해서는 플라이 애시의 강열감량(loss on ignition)을 5% 이하로 관리해야 하며, '레미콘/아스콘 품질관리 지침(국토교통부 고시 제 2014-300호)'에 따르면 강열감량을 미연탄소량의 척도로 사용할 수 있다고 나타나 있다. 따라서 표 1에 나타난 미연탄소량(2.64%)은 본 발명에 사용되는 플라이 애쉬가 양호한 품질의 것임을 알 수 있다.
도2는 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 에쉬의 XRD 분석 그래프로서, X-선 회절 분석기를 사용한 결정상 분석 결과 플라이 애시는 비정질 물질임을 알 수 있었으며, 결정성 물질로는 석영(SiO2, Q)와 뮬라이트(3Al2O3·SiO2, M)가 관찰되었다.
도3은 미분쇄 플라이 애쉬의 미세구조를 나타내는 SEM 사진으로, 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬는 구체 형상을 갖기 때문에 시멘트 또는 콘크리트에 혼입시 볼베어링 효과를 발현하여 작업성을 향상시킨다고 알려져 있다.
분쇄기 종류 및 분쇄 시간에 따른 플라이
애시의
특성 분석
플라이 애시 분쇄를 위한 분쇄기로는 도1과 같이 진동밀(vibratory mill)(WTVM, 웅비기계社, KOREA)과 유성밀(planetary mill)을 사용하는데, 이 분쇄기는 표2와 같은 특성을 갖는다.
|
|
내부 볼륨(㎤)(D x H, cm) |
매체 | |
| 전체 중량 | 부분 중량 | ||
| 유성밀 |
452(8 x 9) |
500g |
Ø3mm : 300g |
| Ø10mm : 200g | |||
| 진동밀 |
7693(20 x 24.5) |
15kg |
Ø26mm : 2kg |
| Ø11mm : 8kg | |||
| Ø6mm : 5kg | |||
유성밀은 자전하는 원통을 공전시키는 것에 의해 발생하는 수십 배 이상의 원심효과로 분쇄매체인 볼을 운동시켜 분쇄를 행하기 때문에 분쇄속도가 보다 빨라진다고 알려져 있다. 진동밀은 광의적 의미로는 볼밀(ball mill)에 속하며, 분쇄 매체를 장입한 원통을 진동시켜 분쇄를 행한다. 원통 내에 장입하는 볼의 충전율은 볼밀의 약 40~50%에 비해 약 80%로 높다. 또 중력가속도에 비해 수배 이상의 가속도를 생기게 할 수 있기 때문에 분쇄속도가 빠르다는 장점을 갖는다. 이들 분쇄기 내부에 장입되는 볼의 크기도 분쇄능에 영향을 주는 것으로 알려져 있으며, 특히 볼의 크기가 작을수록 잔사량은 감소하는 경향을 나타낸다. 즉, 볼의 크기가 작으면 좀 더 작은 입자로 분쇄되는 경향이 있으나, 분쇄시간이 증가한다는 단점을 가진다.
분쇄특성 분석 방법으로는 습식 화학분석기(OPTIMA5300DV, PERKIN- ELMER社, USA)를 이용한 화학성분 분석, 입도분석기(LA-950V2, HORIBA社, JAPAN)를 이용한 입도분포 측정, X-선 회절분석기(D5005D, ZIEMENS社, GERMANY)를 이용한 결정상 분석 및 주사전자현미경(SM300, TOPCON社, JAPAN)을 이용한 미세구조 관찰을 실시하였다.
A. 분쇄 플라이
애쉬의
평균 입경
표3은 진동밀을 사용하여 분쇄된 플라이 애쉬의 평균 입경을 나타내는 표이고 표4는 유성밀을 사용하여 분쇄한 플라이 애쉬의 평균 입경을 나타내는 표이다.
| 분쇄시간(min) | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 |
| 평균 입경(㎛) | 18 | 11.2 | 8.3 | 5.9 | 4.1 | 2.4 | 2.9 |
| 분쇄시간(min) | 0 | 2 | 5 | 10 | 20 |
| 평균 입경(㎛ | 18 | 10.7 | 5.4 | 0.95 | 0.99 |
B. 분쇄 플라이
애쉬의
미세구조
도4는 본 발명에 따라 진동밀에 의해 1시간 분쇄된 플라이 에쉬의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다. 구형 플라이 애시를 1시간 동안 분쇄하면 구형이 깨진 상태의 미립자로 변화되었음을 쉽게 관찰할 수 있었으며, 구형의 플라이 애시도 상당량 감소했음을 확인할 수 있었다.
C. 분쇄 플라이
애쉬의
XRD
패턴
도5 및 도6은 본 발명에 따라 유성밀에 의해 각각 2분, 20분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이고, 도7 및 도8은 진동밀에 의해 각각 40분 및 120분간 분쇄된 플라이 애쉬의 XRD 분석 그래프이다. 플라이 애시의 주 피크인 27°부근에서의 최대 피크 강도 (Intensity)는 도2의 미분쇄 플라이 애쉬의 경우 854CPS(count per second)이나. 유성밀로 2분간 분쇄한 경우 최대 피크 강도는 733CPS이고 20분간 분쇄한 경우는 762CPS를 나타냈다. 또한 진동밀로 40분간 분쇄한 경우는 최대 피크 강도는 666CPS이고 120분간 분쇄한 경우는 762CPS를 나타냈다. 즉, 플라이 애시를 분쇄함에 따라 결정성이 불량해지며, 비정질 함량이 증가한다는 것을 알 수 있다. 하지만 분쇄시간에 따른 피크 강도 감소는 뚜렷한 경향성을 나타내지 않았으며, 일부 시료는 오히려 피크 강도가 증가하기도 하였다.
분쇄기 종류 및 분쇄 시간에 따른 플라이
애시
혼입 시멘트 모르타르의 특성 분석
또한, 분쇄기 종류 및 분쇄 시간에 따른 플라이 애시의 시멘트 모르타르 강도 특성을 평가하기 위해 '시멘트의 강도 시험 방법 (KS L ISO 679)'에 준하여 시멘트 모르타르 제조 실험을 실시하였다. 실험에 사용된 시멘트는 라파즈 한라 시멘트社의 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용하고, 표준사는 한국건설생활환경시험연구원에서 제조/판매하고 있는 ISO 표준사를 사용하였다.
시멘트 모르타르 배합 실험은 플라이애시를 진동밀과 유성밀로 분쇄한 후, OPC 시멘트 90wt%와 플라이 애쉬 10wt%를 포함하는 분말 원료에 혼합수 50wt%와 모래 300wt%를 각각 외할로 혼합하여 시멘트 모르타르 배합실험을 실시하였다. 이때 플라이 애시 혼입에 따른 모르타르의 작업성을 비교/평가하기 위해 '수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법(KS L 5105)'에 준하여 플로우(flow) 실험을 실시하였다.
도9및 도10에 도시된 바와 같은 분쇄기 종류별-분쇄시간별 시멘트 모르타르 플로우 측정 결과를 살펴보면, 최대 플로우는 진동밀 60분 분쇄조건에서 197mm, 유성밀 20분 분쇄조건에서 198mm를 나타내었다. 또한 모르타르 플로우는 분쇄시간 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 진동밀 분쇄조건에서는 60분보다 분쇄시간이 길어지면 플로우 값이 소폭 감소하는 경향을 나타내었다. 반대로 유성밀 분쇄조건에서는 분쇄시간의 증가에 따라 플로우 값은 상승하였다.
또한 시멘트 모르타르의 플로우를 측정한 후, 40x40x60mm 시편을 제작하여 21℃의 항온수조에서 수중양생한 후, 재령(material age) 3일, 7일, 28일 압축강도를 측정하였다.
도11에 나타낸 분쇄기 종류별-분쇄 시간별-재령 기간별 모르타르 압축강도 측정결과를 살펴보면, 진동밀 분쇄시 분쇄시간이 60분으로 길어짐에 따라 3일, 7일 및 28일 압축강도도 증가하였으나, 60분 이상 분쇄한 경우에는 오히려 압축강도 값은 낮아지는 결과가 도출되었다. 최대 압축강도는 60분 분쇄조건에서 3일 35.8MPa, 7일 47.3MPa, 28일 57.1MPa이었다. 이는 미분쇄 플라이 애시 모르타르의 28일 압축강도 대비 4.1MPa, OPC 대비 3.0MPa이 높은 수준이었다.
유성밀로 분쇄한 경우, 분쇄시간이 증가함에 따라 압축강도가 계속해서 상승하는 경향을 나타내었으며, 최대 압축강도는 20분 분쇄 조건 (55.1MPa)에서 발현되었다. 이 값은 미분쇄 플라이애시 대비 2.1MPa, OPC 대비 1.0MPa 상승한 값이지만, 진동밀로 60분간 분쇄한 경우의 최대 압축강도보다는 낮다.
도13 및 도14는 각각 진동밀 및 유성밀에서 분쇄된 플라이 애쉬 10%를 포함하고 28일간 양생된 시멘트 모르타르의 플라이 애쉬 분쇄 시간에 따르는 압축 강도 변화를 나타내는 그래프이다. 진동밀에서 분쇄한 경우 도13에 도시된 바와 같이 압축 강도는 60분 분쇄시까지 증가한 이후 점차 감소하고, 유성밀에서 분쇄한 경우 도14에 도시된 바와 같이 분쇄시간 증가에 따라 압축강도가 지속적으로 상승하는 결과를 나타내었다.
한편, 표5에서와 같이 유사 평균 입경을 갖는 분쇄조건은 진동밀 20분-11.2㎛, 60분-5.9㎛이었으며, 유성밀 2분-10.7㎛, 5분-5.4㎛이었다.
| 진동밀 | 11.2㎛ | 5.9㎛ |
| 유성밀 | 10.7㎛ | 5.4㎛ |
즉, 진동밀 20분-유성밀 2분 조건에서 11㎛ 전후, 진동밀 60분-유성밀 5분 조건에서 5.5㎛ 전후의 유사 입경을 나타내었다. 상기 조건에서의 압축강도 그래프를 도15 및 도16에 나타내었다. 11㎛에서는 압축강도가 분쇄기의 종류에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으나, 5.5㎛에서는 진동밀 분쇄시 좀 더 높은 압축강도 값을 발현하였다. 5.5㎛에서의 압축강도는 진동밀 57.1MPa, 유성밀 53.1MPa로, 압축강도 차이는 4MPa 이었다.
플라이
애쉬
혼입 시멘트의 수화특성 분석
마지막으로, 양호한 강도특성을 발현하는 분쇄 플라이 애시(진동밀에서 60분간 분쇄)가 혼입된 시멘트를 선정하여 시멘트 페이스트의 수화특성을 분석/평가하였다. 시멘트 페이스트 수화 특성 분석 방법으로는 '비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결 시간 시험방법(KS L 5108)'에 준하여 응결시간을 측정하였으며, X-선 회절분석기를 이용한 결정상 분석 및 주사전자현미경을 이용한 미세구조를 관찰하였다.
도17과 같이 바카트 침을 사용하여 측정한 시멘트 페이스트의 응결시간(setting time)은 표6에 표시된 바와 같다.
| 표준 주도 (Normal consistency)(%) |
응결시간 | ||
| 초결(분) | 종결(시:분) | ||
| OPC | 27.0 | 195 | 5 : 35 |
| 미분쇄 플라이 애쉬 10% | 27.2 | 235 | 5 : 45 |
| 분쇄 플라이 애쉬 10% | 26.6 | 195 | 5 : 00 |
응결 시간 측정 결과, 플라이 애시 사용시 OPC 대비 응결 시간이 소폭 길어졌으나, 분쇄 플라이 애시를 사용할 경우에는 동일한 초결 시간 및 종결 시간이 약간 짧아지는 효과가 도출되었다. 시멘트 페이스트의 응결은 모르타르 및 콘크리트의 작업성을 확보할 수 있는 중요한 요소 중 하나이다. 즉 진동밀에서 1시간 동안 분쇄한 플라이 애시를 사용할 경우 초결 시간에 영향을 미치지 않으며 이는 모르타르 및 콘크리트 작업시 충분한 작업성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트의 응결 시간 측정 후, 혼합수 함량을 분체 함량 대비 40wt%로 제어하여 시멘트 페이스트 시편을 제조하였다. 제조된 시편은 21℃의 항온수조에서 3일 및 7일 동안 수중 양생한 후 XRD 패턴 측정 및 미세구조 관찰을 실시하였다.
도18 내지 도20의 XRD 패턴 측정 결과를 살펴보면, 모든 XRD 패턴에서 Ca(OH)2 피크(18.2°) 및 에트링자이트 피크(9°)를 관찰할 수 있었다. 상기 피크들은 OPC 수화물에서 관찰되는 전형적인 주요 수화물들이며, 따라서 본 연구에서 제조한 시멘트들도 OPC와 유사한 수화 특성을 발현할 것으로 추정할 수 있다.
도21은 본 발명에 따르는 미분쇄 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이고, 도22는 본 발명에 따라 진동밀에서 60분간 분쇄된 플라이 애쉬 혼입 시멘트 페이스트를 7일간 양생한 수화물의 미세구조를 나타내는 SEM 사진이다.
미세구조 관찰 결과를 살펴보면, 미분쇄 플라이 애시 수화물에 존재하는 플라이애시는 수화반응이 충분히 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있었다(도21). 그러나 도22의 분쇄 플라이 애시 수화물의 경우, 일부 분쇄되지 않은 플라이 애시도 관찰되었으나 수화반응이 일정부분 진행되어 플라이 애시 계면에서의 수화물이 메트릭스와 연계되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히 플라이 애시 파단면에서 수화반응이 진행되고 있는 입자 형상을 관찰할 수 없었다. 이러한 수화반응 특성은 압축강도의 조기 증진에 기여하는 중요한 요소라고 판단되었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (6)
- 분쇄된 플라이 애쉬 10wt%, OPC 90wt%로 이뤄지는 100wt%의 시멘트 혼합 분말 원료에 모래 300wt% 및 혼합수 50wt%를 각각 외할로 혼합하여 조성된 시멘트 모르타르로서,
상기 플라이 애쉬는 SiO2 49.9wt%, Al2O3 19.2wt%, 미연탄소(C) 2.64wt%를 포함하고,
상기 분쇄된 플라이 애쉬의 입경이 5.9㎛이고, 상기 시멘트 모르타르의 압축강도는 3일 양생시 35.8MPa, 7일 양생시 47.3MPa, 28일 양생시 57.1MPa인 것을 특징으로 하는
분쇄 플라이 애쉬를 포함하는 시멘트 모르타르.
- 제 1 항에 있어서,
상기 플라이 애쉬는 SiO2 및 뮬라이트를 결정성 물질로 포함하는 것을 특징으로 하는
분쇄 플라이 애쉬를 포함하는 시멘트 모르타르.
- 제 1 항에 있어서,
상기 플라이 애쉬는 진동밀에서 60분간 분쇄되어 얻어지는 것을 특징으로 하는
분쇄 플라이 애쉬를 포함하는 시멘트 모르타르.
- 제 3 항에 있어서,
상기 시멘트 모르타르의 플로우는 197mm인 것을 특징으로 하는
분쇄 플라이 애쉬를 포함하는 시멘트 모르타르.
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|---|---|---|---|
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| KR20170111371A KR20170111371A (ko) | 2017-10-12 |
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| KR102134470B1 (ko) * | 2018-12-19 | 2020-07-16 | (주)에이씨엠텍 | 저탄소 저온 소성형 시멘트 클린커 및 그 제조방법 |
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