Performance of Wheat Straw Ash in Binary and Ternary Blended Cement Systems

Abstract

건설업계의 시멘트 수요는 빠른 속도로 증가하여 그 결과 시멘트 생산량을 증가시키고 있다. 많은 양의 시멘트 생산은 온실가스 배출을 야기하고 환경에 잠재적인 위협으로 간주되고 있다. 이로 인해 건설업계에서의 시멘트 대체물질의 활용이 필요하다. 시멘트를 대체할 목적으로 연구자들은 여러가지 시멘트 대체물질(SCM)을 제안해 오고 있다. 지난 수십 년간 풍부한 실리카 함유로 인한 농업용 잔류물 재(ARA)는 포졸라닉 특성을 가지고 있다고 보고되어 왔다. 이러한 농업용 잔류물 재(ARA)중에 밀짚 재(WSA)는 낮은 포졸란 반응성 때문에 연구가 더디게 진행되어왔다. 밀은 전세계적으로 모든 곡물의 생산 중에 많은 양을 차지한다. 밀의 생산으로부터 얻어진 짚은 부분적으로 소에게 먹이 주는 용도로 쓰이거나, 개방된 땅에서 태우거나, 발전소에서 연료로 쓰이기도 한다. 그러므로 본 연구에서는 WSA의 포졸란 효율성을 증가시키기 위한 연구들을 진행하였다. 본 연구의 세부항목을 요약하자면 다음과 같다: 본 연구의 첫번째 목적은 두단계의 분쇄 과정을 통해 WSA의 포졸라닉 효율성을 증가시키는 것이다. 이러한 과정을 통해 얻어진 재는 시멘트의 최대 30%까지 치환하여서 사용되었다. 다양한 종류의 WSA가 시멘트 화합물의 수화특성 및 미세구조에 어떠한 영향을 끼치는지 조사하기 위하여 압축강도 시험, 미소 수화열 측정, 열중량분석, 푸리에 변환 적외분광법, X선 회절분석, 주사현미경, 초음파 속도 측정시험이 실행되었다. 실험 결과 더 미세한 입자크기의 재를 시멘트와 치환하였을 때 시멘트 화합물의 미세구조가 눈에 띄게 개선되는 것을 확인하였다. 시멘트 중량의 20%를 WSA로 치환하였을 경우가 최적의 함량으로 나타났다. 본 연구의 두번째 목적은 다양한 입자 크기의 WSA가 ITZ의 미세구조에 끼치는 영향성에 대한 조사하는 것이다. 이러한 목적을 위하여 다양한 종류의 WSA로 대체된 시험체들은 0.35, 0.55의 물-바인더비로 제작되었고 압축강도시험, 표면경도 시험, 에너지 분산 스펙트럼 분석, 주사현미경 측정이 수행되었다. 더 미세한 입자크기를 가진 재일수록 골재와 골재주변의 입자에 충진작용을 통해 ITZ미세구조를 개선시키는 것으로 나타났다. 또한 높은 물-바인더비는 심각한 성능저하를 나타내는 것으로 나타났다. 본 연구의 세번째 목적은 실리카 흄, 플라이 애시, 고로슬래그 미분말이 포함된 시멘트 구조에서 WSA의 영향을 조사하는 것이다. 모르타르 배합의 수화특성, 강도발현 및 미세구조는 압축강도시험, 미소 수화열 측정, 열중량분석, 주사현미경 측정, 초음파 속도 측정 시험을 통해 조사되었다. 실험결과, 실리카 흄과 WSA를 같이 첨가한 배합에서 전반적인 시멘트 화합물의 성능이 개선되는 결과를 나타내었다. 본 연구의 최종목표는 이중, 삼중 혼합 배합에서 나온 결과를 바탕으로 배합을 정하고 콘크리트 시편들을 제작한 후 경화되기전, 경화된 후, 내구성 관련 특징들을 조사하는 것이다. 이러한 조사를 위하여 압축강도 시험, 휨 강도 시험, 쪼갬 인장강도 시험, 중성화 시험, 염화물 침투시험, 황산염 저항성 측정이 콘크리트 공시체에 수행되었다. 보통 포틀랜드 시멘트만 사용한 콘크리트 대비 실리카 흄과 WSA를 같이 첨가한 시험체에서 개선된 성능을 나타내었다.; The demand for cement in the construction industry is increasing at a faster rate resulting in an amplified production of cement. The production of cement at a large quantity is a potential threat to the environment as it contributes to greenhouse gas emissions. This necessitates the utilization of alternatives for cement in the construction industry. For this purpose, the researchers have proposed to utilize supplementary cementitious materials (SCM) as cement replacing materials. For the past few decades, agricultural residue ashes (ARAs) due to their rich silica content has been reported to possess pozzolanic properties. Among all the ARAs, wheat straw ash (WSA) has been less studied due to its low pozzolanic activity. Wheat is produced at a large amount worldwide among all the cereal crops. The straw obtained due to the production of wheat is partially used for feeding purpose to the cattle or burnt in open land or used as a fuel in straw burning power plants. Therefore, in this study, an attempt has been made to improve the pozzolanic efficiency of WSA. The detailed objective of this study can be summarized as; The first objective of this study to enhance the pozzolanic efficiency of WSA via two-stage grinding technique. The ashes thus obtained were used to replace cement at a level of maximum of 30%. Compressive strength, isothermal calorimetry, Fourier transform infra-red spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and ultrasonic pulse velocity (UPV) tests were carried out to explore the effect of different types of WSA on the hydration characteristics and microstructure of the cement composites. The results displayed that the replacement of cement with finer ash particles significantly enhanced the performance and microstructure of the cement composites. The optimal content of WSA was found 20% by weight of cement. The second objective of this study was to investigate the influence of various particle sizes of WSA on the microstructure of the interfacial transition zone (ITZ). For this purpose, specimens were made by replacing cement with different types of WSA using two water-binder ratios i.e. 0.35 and 0.55. Compressive strength test, microhardness test, Energy dispersive spectroscopy (EDS) line analysis, and SEM analysis were conducted. Results showed that finer ash particles improved the particle packing near the aggregate surface resulting in an enhanced ITZ microstructure. Also, the negative of effect of higher water-binder ratio reduced significantly. The third objective of this study was to examine the effect of WSA in ternary blended cement systems with silica fume (SF), fly ash and ground granulated blast furnace slag. Mortar mixes were prepared and investigate for hydration characteristics, strength and microstructure development via compressive strength test, isothermal calorimetry, TGA, SEM and UPV tests. Results revealed that the addition of silica fume along with WSA caused a significant enhancement in the overall performance of cement composites. The final objective of this study was to make concrete specimens using the mix proportions which presented better results for binary and ternary mixes and investigate for fresh, hardened, and durability-related properties. For this purpose, concrete specimens were examined for compressive, flexure, and splitting tensile strengths, carbonation, chloride penetration, and sulfate attack resistance. The results showed that the concrete specimens made with WSA and silica fume presented amplified performance compared to the specimens containing only OPC.