페로니켈 슬래그 미분말의 시멘트 페이스트 내 수화특성과 공극 분석

Abstract

페로니켈 슬래그는 철과 니켈의 합금강 제조공정에서 발생하는 산업부산물로, 최근에는 페로니켈 슬래그를 콘크리트 배합 시 시멘트대체재로 활용하는 방안이 주목받고 있다. 본 연구에서는 페로니켈 슬래그 미분말의 수화 특성을 알아보기 위하여 시멘트와 혼입한 페이스트 형태로 주사전자현미경 이미지, X선 회절 피크, 기공 분석을 실시하였다. 특히 수화도 분석은 페로니켈 슬래그 페이스트 경화체의 후광산란전자현미경(BSE) 이미지를 grayscale로 변환 및 mapping 하여 계산하였다. 초기 수화는 응결시간을 측정하여 예측하였다. 실험에는 분말도 4,660 ㎠/g의 페로니켈 슬래그 미분말이 사용되었으며, 보통포틀랜드시멘트만을 혼화재로 사용한 페이스트에 0 %, 10 %, 30 %, 50 % 혼입하여 혼입량에 따른 미세구조를 파악하였다. 수화물 이미지 분석에서는 규산산화칼슘수화물 주변으로 반응하지 않은 페로니켈슬래그 입자들과 MgO 기반의 수화물이 관찰되었다. 페로니켈 슬래그의 높은 MgO와 SiO₂의 함량으로 인해 수화반응이 지연되었으며 따라서 보통포틀랜드시멘트에 비해 반응성이 매우 낮게 나타났다. BSE 이미지 분석에서 높은 치환율의 페로니켈 슬래그는 미수화물 영역이 1.7배 많게 나타났다. 페로니켈 슬래그의 치환율이 높을수록 공극분포가 모세관 공극에 매우 집중되어 있어 결과적으로 공극 구조가 조밀해진 것으로 볼 수 있다.

Ferronickel slag is a byproduct of the steel alloy which is gaining attention nowadays utilizing it as supplementary cementitious material in concrete mix. In this study, the hydration characteristics of ferronickel slag grain were investigated by analyzing scanning electron microscopy images, X-ray diffraction peak, and porosimetry of ferronickel slag blended cement paste. Especially, the degree of hydration was calculated by mapping grayscale images of ferronickel slag in back-scattered electron mode. Ferronickel slag with blain of 4,660 ㎠/g were replaced by 0 %, 10 %, 30 % and 50 % of total amount of binder using ordinary Portland cement to figure out the microstructure of ferronickel slag paste. In the image analysis, MgO-based hydrate and unreacted ferronickel particles were observed where calcium silicate hydrates were present. The high MgO and SiO₂ content of ferronickel slag lead to latent hydration in the cement matrix therefore the reactivity (degree of hydration) of ferronickel slag is much lower than ordinary Portland cement. In the BSE image analysis, higher replacement of ferronickel slag was found to lead to 1.7 more unhydrated area. Pore distribution in the ferronickel slag paste was mostly concentrated in small capillary pores as replacement ratio increased, resulting in a denser pore structure.