플라이애시를 혼입한 모르타르의 결합효율에 관한 연구

Abstract

요 지

현재 원자력 발전소의 문제로 다시금 화력발전소의 증설이 논의되고 있는 상황이다. 현재 유연탄 및 무연탄을 사용하는 국내의 화력 발전소는 10곳으로 한해 2008년도 기준 6600만톤의 유연탄(유연탄 6300만톤, 무연탄 300만톤)이 사용되었으며, 전력사용의 증가와 석유가격의 지속적인 상승으로 인하여 유연탄 및 무연탄을 사용하는 화력발전소의 증설이 추진되고 있다. 이러한 화력발전소에서 발생되는 페기물인 석탄재 중 80% 이상이 플라이애시로 배출된다. 따라서 플라이애시의 이용은 산업 부산물의 자원 재활용에 따른 부가가치의 창출, 환경오염의 방지 측면뿐만 아니라 콘크리트의 혼화재로서의 기술적 측면의 활용을 증대시키기 위한 방법이 다방면으로 진행되고 있다. 플라이애시는 미분탄을 연료로 사용하는 화력발전소 등의 연소 보일러에서 배출되는 고온의 폐가스 중에 포함된 석탄재를 집진기에 의해 회수한 물질로써 콘크리트에 혼입하면 단위수량을 감소시키고 작업의 향상성을 증진시킨다. 또한, 플라이애시의 포졸란 작용은 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 칼슘실리게이트(C-S-H) 수화물을 형성하여 그 조직을 더욱 치밀하게 만들어 강도와 내구성을 증대시킨다. 하지만 현재의 플라이애시의 활용은 플라이애시를 사용하였을 경우에 그에 따른 이점에 대한 고려없이 단순 치환 사용하여 FA의 효율적 활용을 충분히 하지 못하고 있는 실정이다. 특히, 플라이애시를 시멘트 대신 결합재로 치환하여 사용하는 경우에는 포졸란 작용으로 인하여 시멘트만 사용한 경우와 강도발현에 대한 특성 차이가 상이하므로, 플라이애시의 사용량에 따른 영향을 강도발현 관점에서 정량적으로 파악하여 플라이애시의 효율적 활용을 할 필요가 있다. 이에 본 연구는 플라이애시의 효율적 사용을 위한 정확한 플라이애시의 결합효율을 분석하기 위하여 플라이애시의 반응 속도에 가장 큰 영향을 미치는 물결합재비와 플라이애시의 치환율의 변화에 따른 모르타르 매트릭스의 강도발현을 통하여 플라이애시의 결합효율을 파악하고자 한다.

본 논문은 총 5장으로 구성되었으며 각장의 내용은 다음과 같다.

제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적, 연구의 방법 및 범위에 대하여 기술 하였다. 제 2장에서는 플라이애시의 결합효율의 개념과 결합효율에 영향을 미치는 인자에 대하여 기술하였다. 제 3장에서는 물결합재비와 플라이애시의 치환율 변화에 따른 플라이애시의 결합효율 특성을 파악하기 위한 실험개요에 대하여 기술하였다. 제 4장에서는 플라이애시를 혼입한 모르타르의 압축강도 실험결과 분석과 그에 따른 강도식을 산정하였으며, 이를 바탕으로 Smith의 수 정물시멘트비식을 적용하여 플라이애시의 결합효율에 평가와 플라이애시의 최적 사용량에 대하여 기술하였다. 제 5장에서는 각 장의 결과를 종합하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) FA 모르타르의 강도발현 현상은 모든 시험체에서 재령이 경과함에 따라 증가하였으며 물결합재비와 FA 치환율이 높을수록 감소하는 양상을 보였다. FA를 혼입한 모르타르의 강도발현 특성의 경우, 강도에 대한 FA의 치환율과 물결합재비의 상관관계 분석결과는 물결합재비 보다 FA 치환율의 상관관계가 더 큰 것으로 분석되어 강도에 대한 영향은 FA 치환율에 대한 영향이 물결합재비 보다 더 크게 미치는 것으로 나타났다.

2) 강도비는 재령이 경과할수록 증가하였다. 물결합재비 0.49에서 재령별 강도비의 전체 평균이 가장 높았으며, FA를 혼입한 모르타르의 강도 특성은 재령과 물결합재비의 영향에 따라 차이가 있음을 알 수 있었다.

3) 동일 FA 치환율의 강도비 차이는 최대 40% 내외로 나타났으며, 이는 강도에 대한 FA의 치환율과 물결합재비의 상관관계 분석결과와 일치한다. 따라서 강도비는 물결합재비 뿐만 아니라 FA 치환율의 영향을 받는다.

4) 전반적인 결합효율의 양상은 재령과 FA 치환율이 증가할수록 증가하였다. FA 치환율 15%에서 정점을 나타낸 후, 그 이후에서는 FA 치환율이 증가할수록 다시 감소하는 역(逆) 현상이 나타나 적정 FA 치환율이 존재한다는 것을 보여주었다. 또한, 초기재령에 비하여 장기재령에서 더욱 더 효율적인 결합효율을 보여주었다.

5) 결합효율 증진은 물결합재비 0.49 에서 가장 컸다. 이는 시멘트의 첨가효율과 관련이 있으며, 이는 FA 반응 속도에 가장 큰 영향을 미치는 물결합재비의 영향 때문이다. 따라서 FA 혼입 배합의 경우에도 적정 물결합재비가 존재함을 알 수 있다.

6) 동일 재령에서는 물결합재비가 낮을수록, 재령이 증가할수록 FA의 최적 사용량도 증가하였다. 이는 시멘트의 수화가 장기간에 걸쳐 일어나기 때문에 재령이 증가할수록 FA 포졸란 반응도 계속 진행되어 장기강도 증진을 일으키기 때문이다.|Abstract

A Study on Cementing Efficiency of Mortar Containing Fly Ash

Lee, Chang-Seok Directed by Prof. Jee, Nam-Yong Department of Sustainable Architectural Engineering, The Graduate School of Hanyang University, Seoul, Korea

This paper deals influence of water/binder ratios, ages and fly ash replacement ratios on the cementing efficiency of mortars containing fly ash. Water/binder ratios of 0.35, 0.49 and 0.6 are used. Fly ash was added according to the partial replacement method in mixtures. Fly ash in the amount of approximately 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30,%, 50% and 70% of the rest of the cement content was added as partial cement replacement. For all the mortar mixes, the compressive strength of mortar was determined at ages of 7, 28 and 91 days. The cementing efficiency and the maximum content of fly ash that gives the maximum compressive strength were obtained by using Abrams and Bolomey strength equations. Hence, the maximum amount of usable fly ash amount with the optimum efficiency was determined. This study showed that strength increases with increasing amount of fly ash up to an optimum value, beyond which strength starts to decrease with further addition of fly ash. Given the foregoing, it is considered that there are certain fly ash replacement ratios and certain water/binder ratios that provide high cementing efficiency. As for fly ash replacement ratios, strength increases until fly ash replacement ratios increases up to the optimum replacement ratio but decreases as fly ash replacement ratios increases further. When the quantity of binders remain the same, the required optimum fly ash contents decreases as water/binder ratios increases. However, when water/binder ratios decreases, while the optimum fly ash content increases, cementing efficiency decreased. Therefore, if appropriate fly ash replacement ratios are used in relation to water/binder ratios, fly ash mortar can have higher cementing efficiency and strength than OPC mortar. The maximum cementing efficiency is shown at an fly ash replacement ratio of 15%. And The highest cementing efficiency is shown when the water/binder ratio was 0.49.

• The maximum cementing efficiency is shown at an FA replacement ratio of 15% and at a water/binder ratio of 0.49. - The strength increases with increasing amount of fly ash up to an optimum value, beyond which strength starts to increases with further addition of fly ash. - Fly ash replacement ratios and certain water/binder ratios that provide the higher cementing efficiency.

Therefore,

• Water/binder ratio and fly ash replacement ratio are an important factor determining the efficiency of fly ash. • The higher the binder/water ratio, the higher cementing efficiency at the same fly ash replacement. • Fly ash replacement ratio are used in relation to water/binder ratios, fly ash mortar can have higher cementing efficiency and strength than OPC mortar.; Abstract

A Study on Cementing Efficiency of Mortar Containing Fly Ash

Lee, Chang-Seok Directed by Prof. Jee, Nam-Yong Department of Sustainable Architectural Engineering, The Graduate School of Hanyang University, Seoul, Korea

This paper deals influence of water/binder ratios, ages and fly ash replacement ratios on the cementing efficiency of mortars containing fly ash. Water/binder ratios of 0.35, 0.49 and 0.6 are used. Fly ash was added according to the partial replacement method in mixtures. Fly ash in the amount of approximately 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30,%, 50% and 70% of the rest of the cement content was added as partial cement replacement. For all the mortar mixes, the compressive strength of mortar was determined at ages of 7, 28 and 91 days. The cementing efficiency and the maximum content of fly ash that gives the maximum compressive strength were obtained by using Abrams and Bolomey strength equations. Hence, the maximum amount of usable fly ash amount with the optimum efficiency was determined. This study showed that strength increases with increasing amount of fly ash up to an optimum value, beyond which strength starts to decrease with further addition of fly ash. Given the foregoing, it is considered that there are certain fly ash replacement ratios and certain water/binder ratios that provide high cementing efficiency. As for fly ash replacement ratios, strength increases until fly ash replacement ratios increases up to the optimum replacement ratio but decreases as fly ash replacement ratios increases further. When the quantity of binders remain the same, the required optimum fly ash contents decreases as water/binder ratios increases. However, when water/binder ratios decreases, while the optimum fly ash content increases, cementing efficiency decreased. Therefore, if appropriate fly ash replacement ratios are used in relation to water/binder ratios, fly ash mortar can have higher cementing efficiency and strength than OPC mortar. The maximum cementing efficiency is shown at an fly ash replacement ratio of 15%. And The highest cementing efficiency is shown when the water/binder ratio was 0.49.

• The maximum cementing efficiency is shown at an FA replacement ratio of 15% and at a water/binder ratio of 0.49. - The strength increases with increasing amount of fly ash up to an optimum value, beyond which strength starts to increases with further addition of fly ash. - Fly ash replacement ratios and certain water/binder ratios that provide the higher cementing efficiency.

Therefore,

• Water/binder ratio and fly ash replacement ratio are an important factor determining the efficiency of fly ash. • The higher the binder/water ratio, the higher cementing efficiency at the same fly ash replacement. • Fly ash replacement ratio are used in relation to water/binder ratios, fly ash mortar can have higher cementing efficiency and strength than OPC mortar.