Strength Properties of Alkali Activated Cement Concrete Using F Class Fly Ash

F급 플라이 애쉬를 활용한 알칼리 활성시멘트 콘크리트의 강도특성

박 정 웅^*, 한 상 호^†

*조선대학교, 토목공학과

†순천대학교, 토목공학과

Strength Properties of Alkali Activated Cement Concrete Using F Class Fly Ash

Park Jeong-Ung

, Han Sang-Ho

,

*Department of Civil Engineering, Chosun University, Korea

†*Department of Civil Engineering, Sunchon National University, Korea (Received : Nov. 08, 2016, Revised : Dec. 15, 2016, Accepted : Dec. 23, 2016)

Abstract : In this research, the concrete was produced at the curing temperature of 50℃ and 85℃ by activating relatively low recycled F class fly ash with an alkaline active solution mixed with sodium hydroxide, water glass and water. The compressive strength, bending strength and splitting tensile strength of the produced concrete were experimented according to the curing time and age, and the correlations with each strength were examined. Also these were compared with normal concrete using portland cement. The results have announced shown that the compressive strength, bending strength and splitting tensile strength of the alkali activated cement(AAC) concrete are the most effective condition on a curing temperature of 85℃ and curing time of 24 hours. And the splitting tensile strength of AAC concrete is superior to normal concrete and its bending strength is not inferior much as well.

Keyword : Strength properties, Fly ash, Alkali activated cement

Ⅰ. 서론

1)

시멘트란 넓은 의미에서 물질과 물질의 접착을 말하 나, 일반적으로 토목 건축용 무기질의 결합 경화체를 의미한다. 그 중에서도 오늘날 흔히 시멘트로 불리는 것은 포틀랜드시멘트로서 이를 제조하기 위하여 에너지 가 많이 소비될 뿐만 아니라 대기도 오염된다. 대략적 으로 시멘트 1톤을 제조 하기위해서는 CO2 1톤이 방출 되며, 대기중으로 방출된 CO2는 기후변화 및 지구 생 태계의 변화 등의 문제로 지구 환경을 악화시키고 있다 [1].한편 석탄을 원료로 하는 화력발전소에서 산업부산물 로 생성되고 있는 미소한 분말의 플라이 애쉬는 시멘트

†Corresponding Author 성 명 : 한 상 호

소 속 : 순천대학교 토목공학과 전 화 : 061-750-3517

E-mail : hsh001@sunchon.ac.kr

의 혼화재 등으로 활용되고 있다. 그러나 현재 시멘트 의 혼화재 등으로 재활용되는 플라이 애쉬의 대부분은 SiO₂가 적고 상대적으로 CaO 함유량이 15~30%로 많은 C급 플라이 애쉬 또는 Ca 성분이 많은 플라이 애 쉬이며, F급 플라이 애쉬 또는 Ca 성분이 낮은 플라이 애쉬는 자경성이 없을 뿐만 아니라 불연탄소 및 유기물 의 성분이 남아 있어 재활용율은 매우 적다. 따라서 F 급 플라이 애쉬를 시멘트 혼화재 등으로 재활용하기 위 한 연구는 부족한 자원 확보의 차원과 환경적 그리고 경제적 차원에서 매우 중요한 과제이다[2,3].

국내 외에서 플라이 애쉬를 콘크리트에 사용한 많은 연구가 진행되고 있는데 Shi. C.[4]는 F급 플라이 애 쉬를 활용하여 알칼리활성, 석회, 플라이 애쉬 페이스트 에 대하여 연구하였으며, Samadi[5]는 F급 플라이 애 쉬를 물유리와 혼합한 후 60℃에서 24시간 양생함으로 써 8,000 psi의 높은 압축강도를 가진 페이스트를 제작 하였다.윤치환 등[6]은 양생온도의 변화에 따른 플라이 애 쉬를 혼입한 콘크리트의 강도증진에 대한 연구를 수행 하였으며, 그 결과 저온양생에서는 낮은 강도를 발현하

지만 재령의 경과에 따라 강도 차이가 감소하며 고온에 서 양생할 경우 장기재령에서 포졸란 반응의 촉진작용 에 따라 높은 강도를 발현하는 것을 알 수 있었다. 또 한 조병완 등[7]은 포틀랜드시멘트를 사용하지 않고 플 라이 애쉬를 알칼리 활성화시킨 신개념의 플라이 애쉬 모르타르 공시체를 제작하고, 압축강도, X-ray 회절분 석, 주사전자 현미경과 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석 등을 통해 알칼리 활성화제의 종 류, 재령 그리고 양생온도와의 상호관계와 경화된 모르 타르의 강도 발현 메커니즘을 규명함으로써 플라이 애 쉬를 재활용한 신개념 콘크리트의 가능성을 연구하였다.

그리고 한상호 등[8]은 플라이 애쉬를 100% 시멘트로 대체한 알칼리 활성 시멘트(Alkali Activated Cement, 이하 AAC) 콘크리트의 압축강도와 최적혼합 비에 대하여 연구하였다. 플라이 애쉬 그 자체로는 수 경성이 미약하기 때문에 반응을 활성화 시킬 수 있는 알칼리 활성화제로 물유리, 수산화나트륨, 물의 최적혼 합비를 도출하였다.

본 연구에서는 현재 상대적으로 재활용율이 낮은 F 급 플라이 애쉬를 물유리, 수산화나트륨 그리고 물로 혼합된 활성용액으로 활성화하여 양생온도 50℃와 8 5℃에서 콘크리트 공시체를 제작하였다. 또한 제작된 공시체를 양생시간 및 재령에 따라 압축, 휨 그리고 쪼 갬인장강도의 변화를 살펴보고 각 강도와의 상관성을 조사하였다. 그리고 이를 보통콘크리트와 비교, 검토하 였다

Ⅱ. 실험개요 2.1 사용재료

본 연구에서는 100 % 시멘트 대체재로 국내 H 석탄 화력발전소에서 배출된 F급 플라이 애쉬에 수산화나트 륨, 물유리 그리고 물을 첨가한 AAC를 활용하였다. 플 라이 애쉬의 화학적 성분을 Table 1, 물리적 특성을 Table 2에 각각 나타내었다. 또한 물유리의 성분을 Table 3에 나타내었다.

시멘트는 1종 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 강모래, 굵은골재는 부순돌을 각각 사용하였 다.

Table 1. Chemical component of fly ash (wt %) Element Content(%) Element Content(%)

SiO2 49.58 Al2O3 31.90

Fe2O3 5.93 CaO 2.98

TiO2 1.73 MgO 0.95

K2O 0.88 P2O5 0.79

Na2O 0.42 Ig. loss 4.30

MnO 0.05

Table 2. Physical properties of fly ash Kinds Specific

weight Ignition

loss (%) Moisture

(%) Blaine (cm²/g)

F class  2.15 3.5 0.19 4,550

Table 3. Component and specification of water glass SiO2(%) Na2O(%) Na2O/SiO2 Specific gravity

30.5 13.5 2.26 ≥1.498

2.2 콘크리트의 배합 및 실험조건

Table 4는 AAC 콘크리트에 대한 배합과 실험조건 을 나타낸 것이다. 배합조건은 활성화제에 따른 플라이 애쉬의 혼합량(Act./FA)을 0.7로 하였으며, 활성화제 의 혼합비를 물유리 : 수산화나트륨 : 물 = 4.0 : 1.0 : 2.5로 하였다[8]. 또한 굵은골재와 잔골재의 혼합비 는 플라이 애쉬의 혼합량을 10으로 하였을 때 각각 21.79와 14.53으로 일정하게 하였다.

AAC 콘크리트의 양생온도는 50℃ 및 85℃, 양생시 간은 6, 12, 18, 24, 36, 48, 60으로 하였으며, 재령 7일, 28일, 90일에 대한 각각의 압축, 휨, 쪼갬인장강 도를 측정하였다.

Table 4. Mixture proportion and curing conditions of AAC concrete

Activator

(wt %) Act./FA (wt %)

Curing temp.

(℃)

Curing (hrs)time

(days)Age Water

glass NaOH Water

4 1 2.5 0.7 50, 85

6, 12, 18, 24, 36, 48,

60

7, 28, 90

AAC 콘크리트의 재령에 따른 압축, 휨, 쪼갬인장강 도의 변화를 보통콘크리트와 비교하기 위하여 예비실험 을 통하여 보통콘크리트의 28일 압축강도가 35 ㎫이 되도록 Table 5와 같이 배합하였다.

Table 5. Mixture proportion of OPC 굵은골재최대치수

(mm) 호칭강도 (㎫)

Slump (mm) W/C

(%) S/A (%)

단위재료량

kgfm^ 단위중량

kgfm^

C W S G AD

19 35 150 35.3 43.8 496 175 737 939 4.96 2352

2.3 실험방법

2.3.1 콘크리트의 혼합 및 제조

AAC 콘크리트의 경우 굵은골재, 잔골재 그리고 플 라이 애쉬를 순서대로 투입하여 약 30초간 건비빔한 후 수산화나트륨을 물에 녹여 투입하고 충분히 혼합하였다.

또한 물유리는 반응속도가 빠르므로 가장 마지막에 투 입하였으며, 가능한 빠른 시간 내에 혼합하였다. 보통콘

크리트는 굵은골재, 잔골재, 시멘트를 순서대로 투입하 여 30초간 건비빔 한 후에 고성능 감수제에 물을 섞어 투입하고 2분 동안 혼합하였다.

모든 공시체는 건조로에서 양생한 후 탈형하여 약 20℃의 상온에서 각 강도 측정시까지 양생하였으며, AAC 콘크리트는 양생 중 공시체의 수분증발을 최대한 억제하기 위하여 비닐랩으로 밀봉하여 양생하였다.

2.3.2 강도측정

두 종류의 콘크리트에 대하여 압축강도는 KS F 2405, 휨강도는 KS F 2408 그리고 쪼갬인장강도는 KS F 2423의 시험방법에 준하였다. 또한 공시체는 실 험 변수에 따라 3개씩 측정하였으며, 그 평균값을 결과 값으로 사용하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰 3.1 양생시간에 따른 강도 변화

Figure 1 ~ Figure 3은 건조로의 온도가 50℃ 및 85℃에서 각각 양생된 AAC 콘크리트의 양생시간에 따 른 압축, 휨, 쪼갬인장강도의 변화를 나타낸 것이다.

Figure 1. Compressive strength according to curing time

Figure 2. Flexural strength according to curing time

Figure 3. Splitting tensile strength according to curing time

양생온도에 따른 강도의 변화를 살펴보면, 양생온도 50℃에서는 36시간 이상 양생해야만 석탄회의 알칼리 활성반응이 충분히 이루어져 강도가 급증되었다. 반면 양생온도 85℃에서는 24시간 양생만으로 충분한 알칼 리 활성반응이 일어나 높은 강도를 발현하였고 양생 24 시간 이후로는 뚜렷한 강도증진이 나타나지 않았다.

따라서 양생온도는 AAC 콘크리트의 강도에 많은 영 향을 미치는 요소임을 알 수 있었으며, 양생온도가 8 5℃일 때 양생시간은 24시간이 최적임을 알 수 있었다.

3.2 재령에 따른 강도 변화

Figure 4 ~ Figure 6은 건조로의 온도가 50℃ 및 85℃에서 24시간 양생된 AAC 콘크리트에 대한 재령 7, 28, 90일에 따른 압축, 휨, 쪼갬인장강도의 변화를 각각 나타낸 것이다. 그리고 참고를 위하여 포틀랜드시 멘트를 사용한 보통콘크리트(OPC)에 대한 강도의 변화 도 나타내었다.

Figure 4. Compressive strength according to age

Figure 5. Flexural strength according to age

Figure 6. Splitting tensile strength according to age 50℃에서 양생된 AAC 콘크리트의 압축, 쪼갬인장, 휨강도는 재령에 따라 지속적인 강도의 증진을 나타내 었지만, 85℃에서 양생된 AAC 콘크리트의 강도는 모 두 미소하게 증진되었다. 그리고, 포틀랜드시멘트를 사 용한 보통콘크리트(OPC)의 강도는 일반적인 콘크리트 의 재령에 따른 강도의 증진을 나타내었다.

따라서, 50℃의 건조로에서 24시간 양생된 공시체는 재령이 증가함에 따라 지속적인 알칼리 활성반응이 일 어나고 있지만, 85℃의 건조로에서 24시간 양생된 공 시체는 이미 양생 중에 충분한 알칼리 활성반응이 일어 났음을 확인할 수 있었다.

3.3 압축강도와 쪼갬인장강도와의 관계

3.3.1 양생시간에 따른 압축강도와 쪼갬인장강도와의 관계

양생온도가 각각 50℃ 및 85℃에서 양생시간에 따른 AAC 콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도와의 관계를 Figure 7에 나타내었다. 또한, 포틀랜드시멘트를 사용 한 보통콘크리트(OPC)에 대한 압축강도와 쪼갬인장강 도와의 관계도 실선으로 나타내었으며, 이것은 Okamura 등[9]에 의한 다음 식 (1)을 ㎫의 단위로 수정한 것이다.

_   ′_^



(단위 : ㎏f/㎠) (1)

여기서, _는 콘크리트의 쪼갬인장강도,  ′_{는 콘} 크리트의 압축강도를 나타낸다.

Figure 7. Relationship between compressive and splitting tensile strength according to curing time 양생온도 50℃에서 AAC 콘크리트의 압축강도와쪼갬 인장강도와의 관계는 보통콘크리트에서의 관계와 거의 유사한 경향을 나타내었다.

양생온도 85℃에서 AAC 콘크리트의 압축강도와 쪼 갬인장강도와의 관계는 양생 24시간 이전인 압축강도가 30 ㎫ 이내에서 보통콘크리트에서의 관계와 유사한 경 향을 나타내었지만, 압축강도가 30 ㎫ 이상에서는 보통 콘크리트에서의 관계보다 큰 값을 나타내었다.

3.3.2 재령에 따른 압축강도와 쪼갬인장강도와의 관계 양생온도가 50℃ 및 85℃일 때 재령에 따른 AAC 콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도와의 관계를 Figure 8에 나타내었다. 또한, 비교를 위하여 실험결과 에 의한 보통콘크리트에 대한 압축강도와 쪼갬인장강도 와의 관계도 나타내었으며, Okamura 등[9]에 의한 일반식 (1)에 의한 결과도 ㎫의 단위로 수정하여 실선 으로 나타내었다.

Figure 8. Relationship between compressive strength and splitting tensile strength according to age 양생온도가 50℃일 때 AAC 콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도와의 관계는 일반식에 의한 보통콘크리트 의 관계보다 평균 약 13% 작게 나타났다. 그러나 양생

온도가 85℃ 일 때 AAC 콘크리트의 압축강도와 쪼갬 인장강도와의 관계는 실험결과 및 일반식에 의한 보통 콘크리트(OPC)의 관계보다 평균 약 3% 크게 나타났 다.

3.4 압축강도와 휨강도와의 관계

3.4.1 양생시간에 따른 압축강도와 휨강도와의 관계 양생온도가 50℃ 및 85℃에서 양생시간에 따른 AAC 콘크리트의 압축강도와 휨강도와의 관계를 Figure 9에 나타내었다. 그리고 포틀랜드시멘트를 사 용한 보통콘크리트(OPC)에 대한 압축강도와 휨강도와 의 관계도 Okamura 등[9]에 의한 다음 식 (2)를 이 용하여 ㎫의 단위로 수정한 후 실선으로 나타내었다.

_    ′_^



(단위 : ㎏f/㎠) (2) 여기서, _ 는 콘크리트의 휨강도, ′_{ 는 콘크리트} 의 압축강도를 나타낸다.

Figure 9. Relationship between compressive and flexural strength according to curing time

양생온도가 50℃에서 AAC 콘크리트의 압축강도와 휨강도와의 관계는 압축강도가 10 ㎫ 이상에서 일반식 에 의한 보통콘크리트의 관계보다 평균 약 29% 작게 나타났다.

양생온도가 85℃에서 AAC 콘크리트의 압축강도와 휨강도와의 관계는 압축강도가 20 ㎫ 이상에서 일반식 에 의한 보통콘크리트의 관계보다 평균 약 9% 작게 나 타났다.

3.4.2 재령에 따른 압축강도와 휨강도와의 관계 양생온도가 50℃와 85℃일 때 재령에 따른 AAC 콘 크리트의 압축강도와 휨강도와의 관계를 Figure 10에 나타내었다. 그리고 참고를 위하여 실험결과에 따른 보 통콘크리트(OPC)의 압축강도와 휨강도와의 관계도 나 타내었으며, Okamura 등[9]에 의한 보통콘크리트의 일반식 (2)에 따른 결과는 ㎫의 단위로 수정한 후 실선 으로 나타내었다.

0Figure 10. Relationship between compressive and flexural strength according to age

재령에 따른 AAC 콘크리트의 압축강도와 휨강도와 의 관계는 양생온도와 무관하게 일반식 (2)에 의한 보 통콘크리트의 관계보다 평균 약 29% 작게 나타났다.

그러나 양생온도가 85℃일 때 AAC 콘크리트의 휨강도 는 보통콘크리트의 휨강도에 비해 크게 뒤떨어지지 않 는다는 것을 알 수 있다.

Ⅵ. 결 론

본 연구에서는 현재 재활용 비율이 비교적 낮은 F급 플라이 애쉬를 물유리, 수산화나트륨 그리고 물로 혼합 된 활성용액으로 활성화하여 양생온도 50℃ 및 85℃에 서 콘크리트 공시체를 제작하였다. 또한 제작된 공시체 를 양생시간 및 재령에 따라 압축, 휨 그리고 쪼갬인장 강도의 변화를 살펴보고 각 강도와의 상관성을 조사하 였다. 그리고 이를 보통콘크리트와 비교, 검토하였다.

그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 알칼리 활성시멘트(AAC) 콘크리트의 압축, 쪼갬 인장, 휨강도는 재령에 관계없이 모두 양생온도가 50℃보다 85℃가 효과적이다. 따라서 F급 플라 이 애쉬를 시멘트와 같은 물질로 전환하기 위해서 는 높은 반응 온도가 매우 중요한 요소임을 알 수 있었다.

2. 양생온도가 50℃일 때 AAC 콘크리트의 압축, 휨, 쪼갬인장강도는 양생 36시간에 석탄회의 알 칼리 활성반응이 일어나지만, 양생온도가 85℃에 서는 양생 24시간 만에 활발한 알칼리 활성반응 이 일어나 높은 강도를 발현하였다. 따라서 양생 온도 85℃일 때 24시간의 양생시간이 최적임을 알 수 있었다.

3. 50℃의 건조로에서 24시간 양생된 AAC 콘크리 트 공시체에 대한 재령 28일 및 90일의 모든 강 도는 재령 7일 대비 평균 15% 및 40% 정도의 강도가 발현됨으로써 재령이 증가함에 따라 지속 적인 알칼리 활성반응이 일어나고 있음을 알 수

있었다.

4. 85℃의 건조로에서 24시간 양생된 AAC 콘크리 트 공시체에 대한 재령 28일 및 90일의 모든 강 도는 재령 7일 대비 평균 각각 8% 및 17% 이하 의 강도만이 발현되었기 때문에 이미 양생중에 충 분한 알칼리 활성반응이 일어났음을 확인할 수 있 었다.

5. 양생온도가 50℃일 때 AAC 콘크리트의 압축강 도와 쪼갬인장강도와의 관계는 보통콘크리트의 경 우와 유사하거나 작게 나타났지만, 양생온도 8 5℃에서는 보통콘크리트의 경우보다 평균 약 3%

크게 나타남으로써 AAC 콘크리트의 쪼갬인장강 도는 보통콘크리트보다 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

6. 양생온도가 50℃ 및 85℃일 때 AAC 콘크리트의 압축강도와 휨강도와의 관계는 일반식에 의한 보 통콘크리트의 경우보다 각각 평균 약 29% 및 9% 작게 나타났지만, 양생온도가 85℃일 때 AAC 콘크리트의 휨강도는 보통콘크리트의 휨강 도에 비해 크게 뒤떨어지지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

감 사

이 논문은 2016년도 순천대학교 학술연구비로 수행 된 연구결과임을 밝히며, 이에 감사드립니다.

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