집Geo조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 석탄 비산재 기반 지오폴리머에 석탄 바닥재를 잔골재로써 활용하는 방안에 대한 연구

영문 : Use of Coal Bottom Ash as Fine Aggregate in Coal Fly Ash-Based Geopolymer

과제 팀명

집Geo

지도교수

김효 교수님 문홍철 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 허*회(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 김*안

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 고*아

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 전*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 석탄 비산재, 석탄 바닥재, 그리고 알칼리 활성화제의 다양한 배합에 따른 혼합물 상태 변화 관찰과 고체 농도와 압축 강도 측정.
◇ 합성된 지오폴리머의 재령 28일 에서의 압축 강도 측정. 
◇ 합성된 지오폴리머 시편의 SEM 이미지를 통한 계면전이구역(ITZ) 관찰 및 압축 강도에 미치는 영향 분석.
◇ 지오폴리머의 ATR-FTIR 분석을 통한 화학적인 구조 분석.
◇ 고체 농도와 압축 강도의 경향성 비교와 최적의 배합비 도출.
◇ 최적의 배합비에서 바닥재 대신 모래골재가 첨가된 경우와 비교하여 기존의 모래 골재를 대체 할 수 있는 가능성 평가.

개발 과제의 배경

◇ 현대의 건물, 다리, 도로 및 댐 등의 건축물과 기반시설들은 대부분 시멘트를 기반으로 하여 만들어졌다. 시멘트란 물과 같은 다른 물질과 반응하여 스스로 또는 다른 물질을 결합시키면서 경화되는 무기물 결합재를 총칭한다. 시멘트는 원료가 풍부하고 생산 방식도 간단하지만, 그 제조 과정은 매우 에너지 집약적이어서 많은 양의 이산화탄소가 배출된다는 문제가 있다. 실제로 2016년 전 세계의 시멘트 산업에서 배출된 이산화탄소는 약 22억톤으로 전체 이산화탄소 배출량의 약 8%를 차지하였다. 또한 최근 지구온난화문제가 대두되면서 시멘트 산업이 주요 이산화탄소 배출 산업으로 지적받고 있다.

◇ 이러한 시멘트를 대체할 물질로 주목받고 있는 것이 지오폴리머이다. 지오폴리머는 실리카와 알루미나 성분이 풍부한 유리질 형태의 원료 물질이 강알칼리 수용액에 의해 활성화 반응을 일으켜 합성된 alumino silicate의 3차원 무기결합물질이다. 지오폴리머의 원료에는 석탄재, 슬래그, 메타카올린 등이 있다. 그 중 석탄재는 석탄 화력발전소에서 석탄이 연소된 후 모아지는 부산물로, 집진기를 통해 모아지는 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 나뉜다. 비산재는 구형의 입자로 낮은 입도를 가지며 반응성이 높아 연구가 활발히 진행되었고, 발생량의 대부분이 활용되고 있다. 반면 바닥재는 비산재와 그 성분이 비슷함에도 불구하고 불규칙하고 각진(angular) 입자이며 입도가 크기 때문에 원료물질로 사용되기 어렵고, 연구가 많이 되지 않았다. 실제로 한국남동발전의 석탄회 발생 현황에 따르면 2018년 한해 발생한 석탄재 중 비산재는 79.07%가 재활용되었고 17.55%가 매립된 반면 바닥재의 경우 76.59%가 매립되었다. 석탄재의 매립은 토양 및 수질 오염 뿐만 아니라 매립비용 문제, 매립지 부족 등 많은 어려움을 발생시키고 있다.

◇ 골재는 콘크리트나 모르타르를 만드는 데 쓰는 모래나 자갈과 같은 입상의 재료이다. 골재는 그 크기에 따라 잔골재(fine aggregate)와 굵은 골재(coarse aggregate)로 나뉜다. 골재는 1990년대에는 주로 하천 골재가 쓰였지만 2000년대 이후 대부분 고갈되어 산림골재나 바다골재가 쓰이고 있다. 하지만 토석의 채취 과정에서 환경 파괴, 날림먼지, 진동 및 소음, 그로 인한 주민 생활환경 피해, 강우 시 토사유출 등 매우 많은 환경 문제를 일으키고 있다. 또한 이러한 환경적 요인에 의한 규제가 강화되면서 골재업체의 채산성도 악화되고 있는 실정이다.

◇ 바닥재는 분쇄나 체거름을 통해 입도를 낮춘 후 결합재로써 쓰이거나, 골재로써 활용될 수 있다. 현재 바닥재는 별도의 공정을 거쳐 인공 경량 골재로 생산되고 있는데, 바닥재와 준설토를 혼합하여 1000℃ 이상의 고온에서 소성하는 과정을 공정을 거치기 때문에 많은 양의 에너지가 들어간다. 그 외에도 시멘트나 콘크리트, 또는 비산재에 바닥재를 첨가하여 연구가 진행된 바 있다. 하지만 이들 연구에서는 기존 골재의 일부만을 치환하였기 때문에 100% 치환되었을 때 물성의 변화를 알 수 없다. 또한 주로 액상과 고상의 비를 고정한 채 고상의 배합만 변화시켰기 때문에 액상/고상의 비와 고상의 배합이 동시에 고려되어 나타나는 물성에 대해선 밝혀진 바 없다. 일부 연구에서는 비산재에 바닥재를 잔골재로써 첨가하여 물성이 조사되었지만, 바닥재의 조립률(fineness modulus)이 ASTM C33의 잔골재 기준에 맞지 않아 직접적인 비교가 어렵다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 고강도 콘크리트의 압축 강도 기준인 40 MPa 이상 달성
◇ 우수한 압축 강도를 가지면서도 알칼리 활성화제를 최소로 하는 경제적인 배합비 도출
◇ 기존 모래 골재와 비교를 통해 잔골재로써 대체 가능성 평가
◇ 계면 전이 구역의 관찰과 압축 강도에 미치는 영향 분석

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 바닥재를 활용하는 방안으로는 크게 두 가지가 있다. 첫 번째는 바닥재 입자를 볼밀과 같은 분쇄기로 충분히 입도를 낮추거나 체(Sieves) 거름으로 입도가 낮은 바닥재 입자만 분리하여 결합재로써 활용하는 것이다. 바닥재는 비산재와 성분이 유사하지만 입자가 크고 모양이 불규칙하여 반응성이 낮다는 점에 착안한 것으로 이에 대한 연구가 몇 차례 진행된 바 있다. 기존 연구들에 따르면 충분한 분쇄로 바닥재의 입도가 낮아질수록, 그리고 체거름을 통해 입도를 낮출수록 합성된 지오폴리머의 압축 강도는 향상되었다.
◇ 바닥재를 활용하는 두 번째 방법으로는 골재로써 활용하는 것이다. 바닥재 입자는 기존에 사용되던 모래나 자갈 보다는 가볍고 흡수성이 있어 하중을 버텨내기에 우려된다. 그래서 바닥재에 대한 연구는 대부분 입도를 낮추어 결합재로써 활용하거나 시멘트에 기존 골재의 소량만 치환하여 첨가하는 것에 대해 이루어졌다. 하지만 소수의 연구에서는 골재를 바닥재로 100% 치환하기도 하였는데, 콘크리트에 바닥재를 잔골재와 굵은 골재로써 100% 치환한 연구에서는 굵은 골재가 바닥재로 치환되는 양이 많아짐에 따라 슬럼프는 감소하였지만 압축 강도는 바닥재의 치환율에 크게 영향을 받지 않아 골재로써 활용이 가능함이 확인되었다. 또한 시멘트를 전혀 사용하지 않고 비산재에 바닥재 골재를 사용함으로써 제작된 모르타르의 강도가 연구된 바 있으나, 바닥재 함량이 커짐에 따라 압축 강도는 감소하는 경향을 보였다. 하지만 이 연구에서는 들어가는 알칼리 용액의 비율을 고정시켰기 때문에 바닥재의 함량에 따라 변화하는 혼합물의 특성을 충분히 고려하지 못한 것으로 판단된다. 또한 바닥재의 조립률이 ASTM C33의 기준에 맞지 않기 때문에 결론내리기 어렵다. 종합하자면 시멘트를 전혀 활용하지 않고 비산재와 바닥재로 합성된 지오폴리머의 특성은 액상/고상의 비와 고상의 배합비가 동시에 고려되어야 하며 이에 대한 연구는 보고된 바 없다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

- 특허조사
◇ 모래를 대체할 수 있는 지오폴리머 과립 제조방법 (PREPARING METHOD OF GEOPOLYMER GRANULE FOR REPLACING SAND)
화력발전소에서 배출된 석탄 비산재를 원료로 사용하여 모래를 대체할 수 있는 300㎛~1.7mm 크기의 지오폴리머 과립(granule)을 제조하는 방법을 개시하였다. 본 발명은 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하는 비산재 및 알칼리 자극 용액(alkali activating liquid)을 회전 믹서에 투입 및 믹싱하여 과립을 제조한 후 상기 과립을 경화시켜 입도 300㎛~1.7mm(전체 과립의 95중량% 이상)인 지오폴리머 과립을 제조하는 방법을 제공한다.
◇ 바닥재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 제조방법 (The manufacturing method of environmentally friendly eco brick containing geopolymerization of bottom ash)
화력발전소 보일러로부터 연소 후 발생한 바닥재(bottom ash)를 지오폴리머 반응을 이용하여 친환경 에코벽돌을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 화력발전소의 바닥재를 미립자로 분쇄하고, 이 미립자 바닥재를 알칼리성 자극제와 혼합하여 가압성형 및 양생함으로써 친환경적이며 압축강도가 우수한 에코 벽돌을 제조하는 방법에 관한 것이다.
◇ 플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법 (Method for production of high strength concrete using fly ash geopolymer)
지오폴리머 반응에 의한 플라이 애시 모르타르와 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그, 니켈제련 슬래그 등의 산업부산물을 골재로 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 특허의 방법에 의해 제조된 제품은 종래의 시멘트 콘크리트에 비하여 기계적강도, 내산성, 단열성, 비독성, 저수축율, 저알칼리 골재반응, 및 중금속 포획성 등의 물성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.

- 특허전략
◇ 우수한 압축 강도를 가지면서도 알칼리 활성화제를 적게 필요로 하는 프리캐스트 형식의 무시멘트 지오폴리머 모르타르이다.
◇ 경화나 소성 과정 없이, 그리고 첨가제 없이 체 거름과 선별된 입도별 배합 과정을 통해 비교적 간단하게 골재를 만들 수 있다.
◇ 바닥재 골재 함량에 따라 혼합물 특성이 변하므로 우수한 압축 강도를 발현하기 위해 바닥재의 함량 별로 필요한 적정량의 알칼리 활성화제 배합을 제시한다.

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 기존의 시멘트 산업

현대의 건축물들은 대부분 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, 이하 OPC)를 이용하여 만들어졌다. 원료 물질이 풍부하고 생산 공정이 복잡하지 않아 대량으로 생산할 수 있고 이 시멘트에 굵은 골재를 더해 만들어지는 콘크리트는 높은 압축 강도와 내구성, 낮은 비용, 그리고 현장에서의 직접 시공이 용이하여 널리 쓰이고있다.

하지만 시멘트 제조 과정은 매우 에너지 집약적 이어서 많은 양의 이산화탄소가 배출된다. 실제로 2016년 한 해 동안 전세계의 시멘트 산업에서 배출된 이산화탄소의 양은 22억톤이며 이는 전체 이산화탄소 배출량의 8%를 차지한다. 또한 시멘트 수요가 개발도상국 중심으로 늘어나면서 이산화탄소 배출량 또한 증가하는 추세이다. 최근 지구온난화문제가 대두되고있는 만큼 이산화탄소 배출량을 줄이고 시멘트의 수요를 만족시키기 위해선 시멘트의 대체재를 개발하는 것이 필요하다.

• 마케팅 전략 제시

◇ 지오폴리머
 
그 대체재로 주목받고 있는 것이 지오폴리머(Geopolymer)이다. 지오폴리머란 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3) 성분이 풍부한 유리질(vitreous)의 원료 물질이 강알칼리 수용액에 의해 활성화 반응을 일으켜 합성된 alumino-silicate 구조의 3차원 무기 결합 물질이다. 지오폴리머의 물성은 알칼리 활성화제의 종류, 양생 방법, 원료 물질의 특성, 양생온도 등 여러 요인에 의해 좌우된다. 주 원료는 석탄 화력발전소에서 나오는 산업부산물인 비산재(coal fly ash)이며 발전소에서는 그 외에 바닥재(coal bottom ash)도 발생한다. 비산재는 바닥재보다 그 양이 많고 입자 모양이 구형으로 균질하며 매우 낮은 입도로 반응성이 높기 때문에 지오폴리머 연구에 주로 활용되었다. 반면 바닥재의 경우 입자가 크고 모양이 불규칙적이며 상대적으로 더 많은 불순물을 포함하고 있어 지오폴리머의 원료로 활용되기에 어려움이 있다. 그래서 비산재의 경우 활용 방안이 다양하게 연구되었지만 바닥재의 경우는 그렇지 않다. 앞서도 언급하였지만 한국남동발전의 석탄회 발생 현황에 따르면 2018년 한해 발생한 석탄재 중 비산재는 17.55%가 매립된 반면 바닥재의 경우 76.59%가 매립되었다.

바닥재의 성분은 입도가 낮아 반응성이 낮지만 비산재와 비슷하여 원료로서 활용될 가능성이 있는데 그중 하나가 골재로서 활용하는 것이다. 포틀랜드 시멘트 모르타르 시스템에서 시멘트 풀이 결합재(binder), 모래는 잔골재(fine aggregate)의 역할을 하는 것처럼, 비산재를 시멘트 물질로써, 바닥재를 잔골재로 사용하고자 한다. 이 방안은 매립으로 발생하는 토양과 수질오염을 줄일 수 있고 부족한 매립지 문제를 해결할 수 있으며 시멘트의 대체재로서 이산화탄소 배출을 줄이는 효과를 가져올 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇  고체농도(solid concentration)은 입자들의 쌓임 상태를 나타내는 지표로, 시편에 들어간 고체 입자들의 부피/전체 bulk한 시편의 부피로 정의된다. 즉 일정 시편 안에 고체 입자가 차지하는 부피를 나타내는 값으로 굵은 입자/고운 입자, 액상/고상의 질량비에 따라 달라진다. 최대 고체농도를 쌓임 밀도(packing density)라고 정의할 때, 쌓임 밀도를 가지는 시편에서 고체 입자는 가장 효율적으로 쌓여 치밀한 구조를 가진다. 따라서 본 연구에서는 바닥재, 비산재, 그리고 알칼리 활성화제의 배합에 따라 최고의 쌓임 밀도를 가지는 배합을 도출하며, 이 배합에서 압자 사이 구조가 가장 치밀해지므로 강한 압축 강도가 발현될 것이라고 기대한다.

콘크리트에서 골재와 시멘트 사이에 나타나는 계면변화구역

◇ 기존 시멘트를 기반으로 하는 모르타르나 콘크리트에서는 시멘트 매트릭스와 골재의 경계에서 불연속적인 구간이 관찰된다. 이 구간은 물리적, 화학적으로 불연속적이기 때문에 구조에 압력이 가해질 때 이 구역에서부터 크랙이 발생하며 따라서 구조적으로 취약한 부분이다. 이러한 불연속구간을 계면 전이 구역(Interfacial transition zone, ITZ)라고 한다. 석탄 비산재 기반 지오폴리머에 바닥재를 첨가할 경우 바닥재 또한 표면에서 지오폴리머 반응이 약하게나마 일어나기 때문에 비산재와 바닥재의 경계에 이러한 ITZ를 형성되지 않고 연속적인 구조를 가질 것으로 기대된다. 또한 연속적인 구조를 가짐으로써 압축 강도 발현에 기여할 것이라고 기대된다. 

◇ 바닥재는 기존의 모래 잔골재보다 가벼우므로 가벼운 건축자재로써 활용될 수 있다. 치밀하게 합성된 지오폴리머의 양생 전 혼합물 상태는 흐름성이 없기 때문에 프리캐스트 형식의 보도블럭, 호안블럭, 조적벽돌 등의 자재로써 활용될 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 시멘트 제조 과정중 하나인 클링커 소성 과정에서 많은 양의 이산화탄소가 배출되는데, 2016년 기준 시멘트 산업의 이산화탄소 배출량은 22억 톤으로 전체 이산화탄소 배출량의 5~8%를 차지한다. 시멘트의 대체재를 개발함에 따라 세계적 현안인 온실가스의 배출을 줄이고 이를 통하여 지구온난화를 완화할 수 있을 것으로 기대된다.   
◇ 매립에 의한 토양 및 수질오염 문제와 매립지 부족 문제를 해결할 수 있다. 또한 골재의 고갈문제를 해소하고 골재 채취로 인해 발생하는 막대한 환경 오염 및 인근 주민에 발생하는 문제들을 줄일 수 있다. 
◇ 비산재와 바닥재 모두 산업 부산물이기 때문에 매우 경제적이다. 한국건설기술연구원의 보고서에 따르면 아래 그림에서 볼 수 있듯이 시멘트 기반의 콘크리트보다 바닥재 기반의 콘크리트가 훨씬 경제적임을 알 수 있다. 

 
바닥재 콘크리트와 시멘트 콘크리트의 강도별 제조비용 비교

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

기존 OPC 콘크리트의 설계 기준 재령 28일에서의 압축강도인 40MPa 이상을 달성하는 것으로 한다.

설계 사양

내용

개념설계안

◇ 사전 정보
본 실험에서 사용하는 비산재는 Class F로 분류되며 알칼리 활성화제로는 NaOH 14 M(mole/L) 수용액을 사용한다. 바닥재와 모래는 각각 ASTM C 33 기준에 맞추어 잔골재로 제작되었고 본 실험에서의 조립률은 2.33이다. 변수는 ① 비산재:바닥재의 질량 비 - 1:0, 1:1, 1:2, 1:3와 ② 이 질량 비로 혼합한 재(ash) 혼합물 대비 NaOH 용액과의 질량 비(Liquid/solid ratio, L/S ratio)이다. 원료 물질인 비산재, 바닥재, 모래에 대해 XRD, XRF, SEM 분석을 통해 기초 물성을 분석하였고 입도 분포, 강열 감량 및 밀도를 측정하였다. 지오폴리머 샘플에 대해서는 양생 전 혼합물 상태에서의 질량을 측정하여 고체 농도를 계산하였으며 양생을 거쳐 경화된 지오폴리머의 압축 강도를 측정하였다. 또한 ATR-FTIR 분석으로 화학적인 구조를 분석하였고 SEM분석을 통해 골재와 지오폴리머 매트릭스 사이의 경계면을 관찰하였다. 
일반적인 지오폴리머 제작 과정은 다음과 같다. 원료물질(비산재 등, 첨가제를 넣기도 함)을 일정량의 알칼리 활성화제와 섞은 후 표준 규격으로 성형한다. ASTM 표준 규격인 50 mm 입방체 시편으로 제작하며, 하나의 데이터를 위해 3개의 시편을 한 세트로 제작하고 물성 측정 값은 이 3개의 평균값으로 한다. 그 후 60~90℃ 오븐에서 24시간(또는 그 이상) 양생하면 경화된 시편이 제작되며 이것을 이용하여 분석한다. 본 연구의 구체적인 실험 과정은 다음과 같다.

◇ 실험 과정
(1) 비산재와 바닥재를 비산재:바닥재 질량비로 1:0, 1:1, 1:2, 그리고 1:3으로 혼합해 마른 상태로 섞는다.
(2) 그 후 준비한 재 혼합물을 14 M NaOH 용액과 다양한 L/S 비로 혼합 후 호바트 믹서로 5분간 섞어준다. 이 때 L/S 비에 따라 쌓임 정도가 달라지므로 변화시키는 범위 내에서 최대점이 발견될 수 있도록 적절하게 바꾸어준다.
(3) 혼합물을 5 x 5 x 5 cm3 의 몰드에 넣어 성형한다. 혼합물이 유동성이 적거나 없는 경우 몰드에 조금씩 넣어가며 가압 성형하며, 유동성을 가진 상태라면 몰드에 넣은 후 진동 테이블로 공기를 빼준다..
(4) 몰드에 캐스팅된 혼합물은 비닐봉지로 밀봉하여 90°C 건조오븐에서 24시간동안 양생한 후 몰드를 해체하여 실험실 환경(25±3°C, RH 28~60%)에서 27일 동안 상온양생한다. 최종적인 샘플의 재령은 28일이 된다. 
(5) 양생이 끝난 지오폴리머 샘플의 압축 강도를 측정하며 파괴된 시편을 회수하여 SEM과 FTIR 분석을 실시한다.
(6) 샘플을 90℃ 건조오븐에서 24시간 양생한 후 해체해 분석한다.
(7) 최대 쌓임 밀도를 가지는 바닥재/비산재 질량비를 도출하여, 해당 질량비에서 바닥재 대신 석영 모래를 첨가하여 동일한 과정의 실험을 반복한다. 

이론적 계산 및 시뮬레이션

 바닥재(BA) 함량 및 L/S비에 따른 고체농도 변화를 측정한 그래프이다. 혼합물의 측정된 질량과 고체 입자의 밀도 및 배합비로부터 고체 농도를 도출했다.

 각각의 고체농도에서 최대값을 가질때 이를 쌓임밀도라 하고, BA함량에 따른 쌓임밀도를 그래프로 나타내었다.

굵은 입자와 고운 입자가 존재할 때 작용하는 효과를 모식도로 나타낸 그림이다.

 BA함량 및 L/S비에 따른 압축강도 변화를 측정한 그래프이다. Compression testing machine을 이용하여 한 데이터당 3회씩 측정하여 평균내었다.

1. Experimental

1) Purposes
 - Optimum CBA/CFA ratio & L/S ratio
 - Possibility of bottom ash to utilize as a substitute of sand aggregate

2) Experiment design

3) Methods
 '3.2 개념설계안'에 기입

4) Materials
 (1) Coal fly ash
 왼쪽 그래프는 비산재의 입도 분포이다. Mean size는 44.79 마이크로미터로, 오른쪽 SEM 사진에서 볼 수 있듯이 구형의 모양을 가진 입자이다. 
  
 

 (2) Coal bottom ash
 바닥재는 ASTM C33의 잔골재 기준에 따라 제작되었고, 오른쪽 사진에서처럼 각지고 불규칙적인 입자이다.
  
 

아래의 표는 비산재(CFA), 바닥재(CBA), 석영 모래(SA)의 XRF 분석 결과로 바닥재와 비산재에 지오폴리머 합성에 필요한 물질인 실리카와 알루미나가 풍부한 것을 볼 수 있다.

 (3) Alkali activator 
 14 M sodium hydroxide solution.

2. Results & Discussion

1) Solid concentration with L/S ratio

  왼쪽 그래프는 L/S 비와 BA 함량에 따른 고체농도 변화 그래프이다. BA가 첨가된 BA1, 2 ,3에서는 L/S 비가 증가함에 따라 고체농도가 증가하다가 감소하는 경향을 보여준다. 

Why?

- 소량의 liquid가 존재하면 입자들 사이에 모세관 응력이 작용하고 마찰이 존재하기 때문에 압축 시 입자들의 조밀한 쌓임을 방해하고, 이는 낮은 고체 농도로 나타난다. 
- L/S 비가 증가하면서 입자 사이에 작용하는 모세관 응력이 줄어들고 liquid는 윤활제 역할을 하여 고체 농도는 증가한다. 
- 하지만 과량의 liquid가 첨가되면 liquid는 압축되는 힘에 저항하고 입자를 분산시켜 오히려 고체 농도가 감소한다. 

  하지만 BA0에서는 L/S비가 0.14 미만일 때 조금 다른 경향성을 보였다.
- 이것은 "Bulking"현상에 의한 것으로, 이것은 고체 입자들에 소량의 liquid가 첨가되면 오히려 부피가 커지는 현상을 일컫는다.
- L/S 비가 커지면서 이 현상은 점차 감소한다.

  한편 32BA0에서 34BA0로 가면서 고체 농도가 잠시 상승하는 모습을 볼 수 있다. 

Why?

- 오른쪽 사진처럼 혼합물의 겉보기 상태가 마른 펠릿에서 촉촉한 펠릿으로 변화하면서 나타나는 일시적인 현상이라고 볼 수 있다.

2) Packing density

  BA 함량에 따른 전체적인 경향을 그래프를 통해 보면, BA 함량이 증가할수록 고체 농도가 증가하지만 BA3에서는 오히려 고체 농도가 감소했다.
이는 입자 크기가 작은 비산재만 존재할 땐 뭉침으로 인한 공극이 발생하는데, 여기에 첨가된 바닥재가 공극 자체를 차지하면서 쌓임 밀도가 증가하게 된다 (occupying effect). 또한 큰 바닥재 입자 사이를 비산재가 채워주어 쌓임 밀도를 증가시킨다 (filling effect). 하지만 바닥재가 너무 많으면 오히려 공극이 크게 발생하여 쌓임 밀도가 하락하게 된다.  

3) Compressive strength

  왼쪽 그래프는 BA함량에서 L/S 비에 따른 압축 강도를 나타낸 그래프이다. L/S 비가 증가할수록 압축강도가 증가하다가 어느 지점 이상에서는 오히려 감소하는 경향을 보였다.
이는 Liquid가 증가함에 따라 지오폴리머 반응이 많이 일어나 압축 강도가 상승하다가, 일정량을 초과하면 오히려 liquid가 입자들 사이를 분산시켜 치밀하지 못한 구조를 형성하여 압축 강도가 떨어진다. 또한 liquid에 존재하는 과량의 수분은 지오폴리머 반응의 단계에서 지오폴리머 구조를 형성하는 탈수 축합 반응을 저해하며, 추가적으로 과량의 Na+이온이 지오폴리머 구조를 약화시켜 압축 강도는 하락한다.
  오른쪽 그래프는 각 BA별 함량에서 가질 수 있는 최대 압축 강도이다. 바닥재 함량이 커질수록 강도는 하락하는 경향을 보인다. 이것은 지오폴리머의 압축 강도를 발현하는 비산재의 양이 줄어들기 때문에 나타나는 현상이다. 하지만 가장 많은 바닥재가 함량된 경우에도 40 MPa 이상을 달성하여 우수한 압축 강도를 가졌다.

4) Solid concentration and compressive strength

  BA0와 BA1를 보면, 고체농도의 최고점과 입축강도의 최고점이 나타나는 L/S비가 불일치한다. 이는 지오폴리머 반응성이 좋은 비산재의 함량이 바닥재에 비해 많기 때문에 쌓임 상태보다는 지오폴리머 반응이 압축 강도에 지배적으로 작용하였기 때문이다. 즉, 반응이 가장 잘 일어나 압축강도가 최고점을 갖기 위해서는 가장 조밀한 상태에서보다 더 많은 양의 liquid를 필요로 한다.
  BA2와 BA3에선, 고체농도의 최고점과 압축강도의 최고점이 나타나는 L/S 비가 일치한다. 이는 반응성이 좋은 비산재의 함량이 바닥재보다 적기 때문에 지오폴리머 반응의 정도보다는 쌓임 상태가 압축 강도에 지배적으로 작용하였기 때문이다.

5) ATR-FTIR

  원료물질인 비산재(CFA)의 스펙트럼에서는 800~1200 cm-1에서 넓고 강한 피크가 나타나며 1047 cm-1에서 피크점을 가진다. 해당 피크는 바닥재(CBA)에서 더 넓게 나타난다. 이 피크는 Si-O-Si와 Si-O-Al의 asymmetric stretching vibration에 의해 나타나며 지오폴리머에서 중요한 메인 피크이다. 아래의 합성된 지오폴리머의 IR 스펙트럼에선 공통적으로 880, 980 그리고 1450 부근의 3개의 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
 
  먼저 1047 cm-1에서 나타나던 피크는 지오폴리머로 합성되면서 낮은 파수로 이동하는데, 이것은 지오폴리머 반응이 일어났다는 것을 의미한다. 하지만 L/S 비가 높아질수록 해당 피크의 파수는 더 낮게 이동한다. 이러한 낮은 파수로의 이동은 1) 원료 물질에 존재하는 silicate와 aluminosilicate 구조가 용해되거나, 2) 지오폴리머 구조에 Al이 많이 포함된 경우 나타난다. 지오폴리머의 반응 단계로 볼 때 반응 초기엔 Al rich gel을 형성하였다가 점차 반응이 천천히 진행되면서 Si rich gel을 형성한다. 이러한 변화는 IR의 메인 피크가 반응 초기엔 낮은 파수에서 형성되었다가 반응이 진행되면 높은 파수로 다시 이동하는 경향으로 나타난다.
  
  낮은 L/S비에서는 liquid 양 자체가 적어 원료 물질에서 Si와 Al 이온이 충분히 용출되지 못했고, 따라서 지오폴리머 반응이 잘 일어나지 못해서 상대적으로 높은 파수에서 피크를 형성하였다. 
  L/S 비가 높아지면서 메인 피크의 파수가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 충분한 liquid 양으로 Si와 Al의 용해는 잘 일어났지만 지오폴리머 반응은 잘 일어나지 못한 것으로 보인다. 앞서 언급하였듯 과량의 물이 탈수 축합 반응을 방해하고, 잔류 Na 이온이 지오폴리머 구조의 형성을 방해하거나 변형시켜 폴리머 형성을 방해하였다.
 
  추가적으로 잔류한 Na는 대기중의 이산화탄소와 반응하여 Na2CO3를 형성할 수도 있는데, 이것은 IR 스펙트럼에서 1450과 880 부근의 피크로 나타난다.

6) SA vs BA

  위 그래프는 모래골재 지오폴리머의 실험값이다. 이 경우에도 동일한 L/S 비에서 고체농도와 압축강도의 최댓값이 나타났다.
 

  가질 수 있는 최대 압축 강도는 골재/비산재 질량비에서 바닥재가 첨가된 지오폴리머의 강도보다 좀 더 높았다.
 

  지오폴리머 매트릭스와 바닥재, 모래 골재 간의 경계면을 각각 SEM이미지로 확인해보았다.
  (d)에서는 모래와 매트릭스 간에 불연속적인 경계면이 관찰되지만, (c)에서는 이 경계부분이 매끄럽게 연결되는 것을 확인할 수 있다.
  모래와 매트릭스 사이가 불연속적임에도 불구하고 바닥재가 첨가된 경우보다 좀 더 높은 압축 강도를 가졌는데, 이는 이러한 경계구역의 특성보다는 골재 입자 자체의 특성이 압축 강도에 더 크게 작용함을 의미한다.
 

  FTIR 결과에서 메인 피크의 변화는 바닥재의 경우와 같은 경향을 보였다. 모래에 의한 피크가 1162 부근과 800이하에서 추가적으로 나타났으며 마찬가지로 Na+에 의한 Na2CO3 피크가 1450 cm-1과 880 cm-1부근에서 나타난다.

3. Conclusion

본 연구는 실험 변수를 'L/S 비'와 'BA의 함량' 으로 설정하고 진행되었다.

BA함량에 따른 실험결과를 보면, 비산재 기반 지오폴리머에 바닥재를 첨가하면서 쌓임 상태는 좋아졌으나 압축 강도는 점점 떨어졌다. 이는 강도를 주로 발현하는 비산재의 양이 줄어들어 강도가 감소한 것이다. 이는 바닥재를 첨가하여 개선된 혼합물의 쌓임 상태보다는 비산재의 양이 지오폴리머의 압축 강도에 지배적으로 영향을 준다는 것을 의미한다. 그럼에도 불구하고 각 바닥재 함량 별 최대 압축 강도는 40 MPa 이상으로 우수한 압축 강도를 가진다. 고강도 콘크리트의 압축 강도 기준이 40 MPa 이상인 것을 고려하였을 때 바닥재를 활용하면서도 고강도의 지오폴리머를 합성했다고 볼 수 있다.
 
L/S비에 따른 실험결과를 보면, 동일한 BA함량에서는 L/S 비에 따라 압축 강도는 증가하였다가 감소하였다. 이는 낮은 L/S 비에서는 지오폴리머 반응이 잘 일어나지 못하고, bulking 현상에 의해 낮은 압축 강도를 보였기 때문이다.
L/S 비가 커지면서 쌓임 상태는 좋아지고 동시에 지오폴리머 반응이 잘 일어나면서 압축 강도는 좋아지다가, 
L/S 비가 높을 땐 과량의 liquid가 입자 사이를 분산시키고 지오폴리머 구조가 변하면서 압축 강도는 다시 감소했다.

이 결과를 바탕으로 본 연구의 목적인 압축 강도 40MPa 이상을 가지는 최적의 배합비를 도출했다. 
최고의 쌓임 밀도를 가지는 BA2 샘플 중에서 40MPa 이상을 가지는 L/S 비 0.14~0.20가 최적의 배합비이다.
쌓임 상태가 좋기 때문에 적은 양의 liquid로도 우수한 압축 강도를 가질 수 있었고 동시에 경제적이다. 이러한 배합비 외에도 필요한 압축 강도와 혼합물 상태에 따라 다양하게 배합할 수 있다. 

마지막으로 BA의 모래골재에 대한 대체가능성을 '압축강도'와 '가격경쟁력' 측면에서 판단했다.
바닥재를 첨가한 경우가 모래를 첨가한 경우보다는 살짝 낮은 압축 강도를 가졌지만 40 MPa 이상의 압축 강도를 가진다. 또한 바닥재는 산업 부산물이기 때문에 모래보다 경제적이다.
따라서 바닥재는 모래 골재를 대체할 수 있는 가능성이 높다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

◇ 고강도 콘크리트의 압축 강도 기준인 40 MPa 이상 달성
◇ 우수한 압축 강도를 가지면서도 알칼리 활성화제를 최소로 하는 경제적인 배합비 도출
◇ 기존 모래 골재와 비교를 통해 잔골재로써 대체 가능성 평가
◇ 계면 전이 구역의 관찰과 압축 강도에 미치는 영향 분석



평가 항목에 따르면 처음 목표로 했던 수치들을 달성 함으로써 성공적으로 연구를 완료했다.

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용