Fundamental Characteristics of Carbon-Capturing and Sequestering Activated Blast-Furnace Slag Mortar

ABSTRACT

PURPOSES : To investigate the fundamental characteristics of blast-furnace slag mortar that was hardened with activating chemicals to capture and sequester carbon dioxide.

METHODS : Various mix proportions were considered to find an appropriate stregnth development in regards with various dosages of activating chemicals, calcium hydroxides and sodium silicates, and curing conditions, air-dried, wet and underwater conditions. Flow characteristics was investigated and setting time of the mortar was measured. At different ages of 3, 7 and 28days, strength development was investigated for all the mix variables. At each age, samples were analyzed with XRD.

RESULTS : The measured flow values showed the mortar lost its flowability as the activating chemicals amount increased in the scale of mole concentration. The setting time of the mortar was relatively shorter than OPC mortar but the initial curing condition was important, such as temperature. The amount of activating chemicals was found not to be critical in the sense of setting time. The strength increased with the increased amount of chemicals. The XRD analysis results showed that portlandite peaks reduced and clacite increased as the age increased.

This may mean the Ca(OH) ₂ keeps absorbing CO ₂ in the air during curing period.

CONCLUSIONS : The carbon capturing and sequestering activated blast-furnace slag mortar showed successful strength gain to be used for road system materials and its carbon absorbing property was verified though XRD analysis.

Keywords

carbon capturing and sequestering, blast furnace slag, carbon capturing activator, industrial byproducts, compressive strength, flow, set time

탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 기초특성에 관한 연구

Fundamental Characteristics of Carbon-Capturing and Sequestering Activated Blast-Furnace Slag Mortar

장`봉`진 Jang, Bong Jin 강원대학교 대학원 토목건설공학과 석사과정 (E-mail: [email protected]) 김`승`원 Kim, Seung Won 강원대학교 대학원 토목공학과 박사과정 (E-mail: [email protected]) 송`지`현 Song, Ji Hyeon 세종대학교 토목환경공학과 부교수 (E-mail: [email protected])

박`희`문 Park, Hee Mun 정회원·한국건설기술연구원 도로연구실 연구위원 (E-mail: [email protected]) 주`민`관 Ju, Min Kwan 강원대학교 공학대학 토목공학과 연구교수 (E-mail: [email protected])

박`철`우 Park, Cheolwoo 정회원·강원대학교 공학대학 토목공학과 부교수₩교신저자 (E-mail: [email protected])

1. 연구배경 및 목적 1.1. 연구배경

Change) 4차 보고서에 따르면, 지난 100년 간 세계 평 Corresponding Author : Park, Cheolwoo, Associate Professor

Department of Civil Engineering, Kangwon National University,

#1 Joongang-ro Samcheok-si, Kangwon-do, 245-711, Korea Tel : +82.33.570.6515 Fax : +82.33.570.6517

E-mail : [email protected]

International Journal of Highway Engineering http://www. ijhe.or.kr/

ISSN 1738-7159 (Print) ISSN 2287-3678 (Online)

Int. J. Highw. Eng. Vol. 15 No. 2 : 95-103 April 2013 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2013.15.2.095

따라‘저탄소 녹색성장 (Low Carbon Green Growth)’

이 전 세계적인 주요 현안이 되었으며, ‘교토의정서’ 를 중심으로 글로벌 차원의 온실가스 저감대책을 마련 및 추진 중이다. 온실가스 배출순위 세계 10위인 우리나라 도 2008년 저탄소 녹색성장을 새로운 국가 성장 비전 의 축으로 삼고 관련법 및 계획의 수립과 이에 따른 관 련 기술개발에 박차를 가하고 있다. 우리나라 전체 온 실가스 배출량의 16%를 차지하고 있는 도로분야에서도 저탄소 녹색성장에 일조하기 위해서는 녹색도로 법₩제 도 등을 제정, 정비하고 탄소 모니터링을 통한 통합관 리시스템을 구축할 필요가 있으며, 도로의 생애주기인 생산-유지관리-재활용 전단계의 CO ₂ 배출을 최소화 하고 발생된 CO ₂ 를 흡수, 전환, 해소하는 환경친화형 도로 설계 및 시공기술을 개발할 필요가 있다. 또한 국 내 온실가스 총 배출량(CO ₂ 와 다른 온실가스 포함)이 2000년 이후 연평균 2.82% 증가하여 온 추세를 유지 한다고 가정하여 교토의정서의 2차 공약기간(2013년

~2017년)동안의 연평균 총 배출량을 산정하면 약 8억 톤에 달하며, 이 기간 동안 탄소 배출권 거래시장을 통 해 연평균 3.7억 톤을 감축해야 할 것으로 추정된다. 따 라서 CO ₂ 를 방출하는 제품에 대해서 탄소세 또는 탄소 배출부과금이 추가로 부가된다고 가정할 경우, 이로 인 한 시멘트의 단가 상승률은 대략 150%~200%로 예측 할 수 있다. 이러한 시멘트 가격의 상승은 도로 시설물 건설 및 유지관리비용의 급격한 상승요인으로 작용하게 되며, 사회₩경제적으로 매우 큰 영향을 미칠 것이다.

결과적으로 콘크리트에서 CO ₂ 를 저감하는 기술은 미 래를 선도할 새로운 기술로 평가받고 있으며, “Green Concrete(CO ₂ 저감 콘크리트)”는 2010년 MIT Technology Review에서 발표한 10대 신기술 중 하나 이고, 유럽 EU 선진국에서는 미래성장산업으로“CO ₂ 소량 배출 및 흡수 콘크리트 개발” 을 선정하고 연구 개 발 중에 있다. 따라서 국내에서도 대량의 탄소를 발생시 키는 콘크리트의 CO ₂ 저감을 목적으로 하는 재료기술 의 개발이 절실히 필요한 실정이며, 산업부산물의 CO ₂ 포집₩격리 효과를 극대화하여 도로재료로 사용하면 온 실가스 저감효과 뿐만이 아니라 폐기물 재활용 효과까 지 얻을 수 있어 경제적이며 친환경적인 기술이 될 수 있다(Barker et al., 2007).

1.2. 연구목적

국내 도로 총 연장은 10만km 이상으로 이를 녹색도 로화하면 시멘트 재료를 사용하는 도로포장 재료로부터 배출되는 온실가스를 능동적으로 포집₩격리하는 주요

저감원으로 활용할 수 있다. 국내에서 석탄소각재 또는 광산부산물 등의 산업부산물 일부를 기존 시멘트 또는 아스팔트와 혼합하여 도로재료로 사용하고 있으나, 탄 소 포집₩격리용 산업부산물 재료분야의 활용은 전무한 상황으로 산업부산물의 CO ₂ 포집₩격리 효과를 극대화 하여 도로재료로 사용하면 온실가스 저감효과 뿐만이 아니라 폐기물 재활용 효과까지 얻을 수 있어 경제적이 며 친환경적인 방법이 될 것이다. 지난 20년간 교통 수 요가 증가함에 따라 정부는 도로시설 확충에 치중해 왔 으며 이로 인하여 혼잡 지체와 그로 인한 온실가스 배출 량은 증가하고 있다. 국내에서도 녹색기술에 대한 연구 가 많이 진행되고 있지만, 많은 온실가스를 발생시키고 있는 도로에 관한 기술개발에는 관련 연구가 부족한 실 정이다. 따라서 대기 중 CO ₂ 를 능동적으로 포집할 수 있는 DAC(Development Assistance Committee) 기 술 등 도로에서 발생하는 온실가스를 흡수₩제거할 수 있는 기술개발이 필요하다.

최근 탄소저감을 위하여 콘크리트 제조 시 보편적으 로 사용되는 방법이 산업부산물을 활용하여 기존의 포 틀랜드 시멘트를 대체하는 것이다. 하지만 대체물질 사 용량 증가와 같은 수동적인 탄소저감 방법에는 한계가 있어, 보다 능동적인 탄소저감 노력과 산업폐기물 재활 용을 동시에 이루어야 할 필요가 있다.

따라서 본 연구는 이러한 수동적 탄소저감과 능동적 탄소저감을 모두 만족하는 새로운 개념의 탄소흡수용 도로재료를 개발하고자 하며, 도로재료 뿐만 아니라 건 축, 건설, 사회기반시설에 다양하게 활용하고자 한다.

이에 따라“활성산업부산물을 활용한 탄소흡수용 도로 재료 개발” 을 위한 기초연구로서 대표적인 산업부산물 인 고로슬래그 미분말을 활용한 탄소포집 활성 고로슬 래그 모르타르의 기초특성을 분석하고자 한다.

Fig. 1 Development of Carbon Capture Road Materials

2. 사용재료

2.1. 고로슬래그 미분말 및 잔골재

본 연구에서는 국내 H사의 KS F 2563에 적합한 3종 고로슬래그 미분말을 사용하였으며, 잔골재는 주문진 표준사를 사용하였다. 다음의 Table 1은 본 연구에서 사용한 고로슬래그 미분말의 화학적 및 물리적 특성을 나타내고 있다.

2.2. 탄소포집 활성화제(수산화칼슘, 규산나트륨)

탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘은 국내 S사 의 분말형 제품으로 순도 95% 이상의 수산화칼슘을 사 용하였으며, 규산나트륨은 국내 S사의 SSP-30의 분말 형 제품을 사용하여 실험을 수행하였다.

탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 탄소흡수능을 증가시키기 위하여 수산화칼슘과 규산나트륨을 고로슬 래그 미분말과 적정 비율로 혼합하여 모르타르를 제조 하여 실험을 수행하였다.

Table 1. Chemical Composition and Physical Properties of Blast Furnace Slag

Chemical Compositions

Compositions Weight percent(%)

CaO 46.2

SiO2 32.7

Al2O3 13.0

Fe2O3 0.497

MgO 3.01

K2O 0.491

TiO2 0.588

SrO 0.0721

MnO 0.336

SO3 2.83

P2O5 0.0129

Na2O 0.173

NiO 0.0041

Physical properties

Specific gravity 2.90

Fineness(cm²/g) 4326

Color White

Fig. 2 Appearance of Used Blast Furnace Slag Powder

Fig. 3 SEM Image of Blast Furnace Slag

Fig. 4 Used of Calcium Hydroxide (Ca(OH) ₂ )

3. 실험방법

본 연구에서는 KS L 5105의 규정에 의거하여 다음의 실험 배합표(Table 2)와 같이 고로슬래그를 기반으로 하여 탄소포집 활성화제(수산화칼슘, 규산나트륨)의 첨 가율을 5%~30%까지 첨가하여 각 변수별 재령 3일, 7 일, 28일 압축강도 시험 및 플로우 시험을 실시하였으 며, 응결시간 시험은 KS L 5108에 의거하여 실험 변수 1, 3, 4, 11에 대하여 실험을 수행하였다.

3.1. 실험변수 및 배합

본 연구에서 고려한 각 실험변수는 고로슬래그 미분말 을 기반으로 탄소포집 활성화제의 첨가율을 5~30%까지 증가시켰으며, 물-결합재 비는 0.5, 0.55, 0.6으로 하였 다. 또한 실험 공시체의 양생방법은 항온항습실(상대습 도 50%, 온도 23±2℃)에서 노출시킨 공기 중 건조(기 건)양생과 습윤양생, 항온수조에서의 수중양생을 실시하 여 Table 2와 같은 배합으로 실험을 수행하였다.

Table 2의 배합형식에서 AB와 뒤의 두 가지 숫자는 활성화제(activator)와 바인더(binder)의 비율을 나타 내며 WB와 뒤의 두 자리 숫자는 사용한 배합수와 바인 더(binder)의 비율을 나타낸다.

3.2. 플로우 시험 방법

탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 플로우 시험은 KS L 5105의 규정에 의거하여 실험을 수행하였다. 실 험 변수는 Table 2에 나타나 있으며, 플로우 테이블의

윗면을 깨끗이 마르게 닦고 플로우 틀을 중앙에 놓고 모 르타르를 약 25mm두께의 층으로 하여 틀 안에 넣고 템 퍼로 20회 다짐을 하였다. 다음에 모르타르로 플로우 틀을 채우고 처음 층에서와 같이 20회 다짐 후 틀의 윗 면에 맞추어 모르타르를 평면으로 잘라낸 다음 플로우 틀을 모르타르로부터 들어올리고, 플로우 테이블을 15 초 동안에 25회, 12.7mm의 높이로 낙하시켜 흘러내린 모르타르의 밑지름을 거의 같은 간격으로 4개의 지름을 측정하여 이의 평균값을 플로우 값으로 측정하였다.

3.3. 압축강도 시험 방법

압축강도 시험은 KS L 5105 규정에 의거하여 플로우 시험이 끝나는 즉시 모르타르를 50mm×50mm×

50mm 크기의 입방체 칸에 두께 약 25mm 정도로 넣고 10초 동안 32회 다짐 후 모르타르를 가득 채우고 다시 10초 동안 32회 다짐하여 공시체를 제작하였다. 압축강

Type Binder(g)

S/B Activator(g) Water (g)

Water/

Binder

Activator/

Binder

Addition rate of Activator(%)

Curing Method BFS Ca(OH)

₂

₂

₃

1. AB5WB50 1000 1.5 40 10 500 0.5 0.05 5

air-dry

2. AB10WB50 1000 1.5 90 10 500 0.5 0.10 10

3. AB15WB50 1000 1.5 140 10 500 0.5 0.15 15

4. AB20WB50 1000 1.5 190 10 500 0.5 0.20 20

4-1.AB20WB50 1000 1.5 190 10 500 0.5 0.20 20

wet/

Under water

5. AB25WB50 1000 1.5 240 10 500 0.5 0.25 25

6. AB25WB55 1000 1.5 240 10 550 0.55 0.25 25

7. AB25WB60 1000 1.5 240 10 600 0.6 0.25 25

8. AB30WB60 1000 1.5 290 10 600 0.6 0.30 30

9. AB10WB50 1000 1.5 80 20 500 0.5 0.10 10

air-dry

10. AB15WB50 1000 1.5 120 30 500 0.5 0.15 15

11. AB20WB50 1000 1.5 160 40 500 0.5 0.20 20

12. AB25WB60 1000 1.5 200 50 600 0.6 0.25 25 wet/

Under water

13. AB30WB60 1000 1.5 240 60 600 0.6 0.30 30

Table 2. Mix Proportion

Fig. 6 Flow Test of Mortar (KS L 5105)

도 측정용 시험체는 각 변수별 9개씩 제작하여 재령 3 일, 7일, 28일 압축강도를 측정하고 양생방법은 항온항 습실(습도 50%, 온도 23±2℃)에서 공기 중 건조(기건) 양생과 습윤양생, 항온수조에서의 수중양생을 실시하여 압축강도 실험을 수행하였다.

3.4. 응결시간 시험 방법 (Vicat 침)

응결시간 시험은 KS L 5108 규정에 의거하여 비카트 침에 의한 응결시간 시험을 수행하였다. 실험 변수는 Table 2의 1, 3, 4, 11번에 해당하는 4변수의 페이스트 에 대하여 실험을 수행하였으며, 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가와 양생온도에 따른 응결시간의 변화를 측 정하기 위하여 각 변수별 시험체는 2개씩 제작 후 응결 시간을 측정하였다.

응결시간의 결정은 초결(initial)은 Vicat 침이 25mm 침입하였을 때의 시간으로 하였으며, 종결(final)은 Vicat 침의 흔적이 시험체에 나타나지 않을 시의 시간으 로 결정하였다.

본 실험에서는 고로슬래그와 탄소포집 활성화제에 의 해 생성된 반응 생성물을 확인하기 위하여 Rigaku사의 XRD(D/Max-2200)를 사용하여 생성물의 성분을 분 석하였다. XRD는 물질의 결정구조를 분석하는데 가장 널리 사용되는 방법으로 X-선이 물질의 결정면에서 회 절되는 현상을 이용한 것으로, 특정각도로 입사된 X- 선이 Bragg법칙을 만족할 때 얻어지는 X-선 회절 패 턴을 측정하여 물질의 결정구조, impurity phase의 존 재 여부 등을 분석하는데 주로 사용된다. 하지만, XRD 는 결정상이 아닌 CSH와 비정질(non-crystalline) 또 는 반정질(semi-crystalline) 구조를 가진 물질은 정확 히 식별하기가 불가능하다(Song et al., 2012). XRD분 석의 실험 변수로는 위의 Table 2의 1, 3, 4, 11번 변수 에 해당하는 탄소포집 활성 슬래그 페이스트의 압축강 도 실험(3일, 7일, 28일)진행 후 공시체의 조각들을 채 취하여 각 양생기간(3일, 7일, 28일)별 XRD분석을 수 행하였다.

4. 실험결과 및 분석 4.1. 플로우 시험 결과

본 실험에서는 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가에 따른 모르타르의 유동성 특성과 물-결합재 비에 따른 모르타르의 유동성의 변화를 확인하기 위하여 Table 2 와 같은 배합으로 13변수에 대한 플로우 시험을 수행하 였다. Fig. 9는 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 플로우 시험 결과를 나타내고 있다.

탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 Flow 실험 결 과, Fig. 9에 나타낸 바와 같이 탄소포집 활성화제의 첨 가량이 가장 적은 5%일 때 유동성은 가장 높은 것으로 나타났으며, W/B(물-결합재 비)가 50%로 일정할 때 탄소포집 활성화제의 첨가량이 가장 많은 25%에서 유 Fig. 7 Compressive Strength Test of Mortar Cube

(KS L 5105)

Fig. 8 Setting Time Measurement of Paste (KS L 5108) Fig. 9 Flow Test of CCS Activated Industrial Byproducts

2009). 이와 같이 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가 함에 따라 모르타르의 유동성은 선형으로 감소하는 경 향을 나타내었으며, W/B가 50%일 때 활성화제의 첨가 량이 20% 이상 첨가된 모르타르는 유동성이 현저히 감 소하는 것으로 나타났다(Kang et al., 2011). 또한 W/B와 A/B(활성화제-결합재 비)가 같은 변수 2, 3, 4 와 변수 9, 10, 11을 비교했을 때 활성화제의 첨가량 증 가에 따른 유동성의 감소는 비슷한 경향을 보였으며, 탄 소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘과 규산나트륨의 비율에 따른 유동성의 차이는 수산화칼슘의 비율을 다 소 줄이고 규산나트륨의 비율을 증가시킨 9, 10, 11변수 에서 2, 3, 4번 변수에 비해 전반적으로 유동성이 다소 높은 것으로 나타났다. 따라서 탄소포집 활성화제로 사 용된 수산화칼슘이 규산나트륨에 비해 유동성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

4.2. 압축강도 시험 결과

탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 압축강도는 Table 2에 나타낸 바와 같이 총 13변수에 대한 실험을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 10, Fig. 11과 같다.

모르타르의 압축강도는 재령 3, 7, 28일 압축강도를 측정하였으며 Fig. 10의 경우 재령 28일 압축강도가 물-결합재의 비(W/B)가 50%일 때 탄소포집 활성화제 의 첨가율이 25%인 변수에서의 압축강도가 25.2MPa 수준으로 가장 높은 값을 나타내었다. 실험 변수 13의 경우 탄소포집 활성화제의 첨가율이 30%로 가장 많음 에도 불구하고 W/B가 60%이므로 활성화제 첨가율 25%인 변수보다 압축강도가 더 낮은 값을 나타내었다.

따라서 탄소포집 활성화제의 첨가량이 25% 이상일 때 W/B는 50%인 것이 적절한 수준인 것으로 판단된다.

또한 W/B가 50%일 때 전반적으로 활성화제의 첨가율 이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도는 점차 증가하 는 경향을 보이는 것으로 나타났으며 W/B가 60%로 증 가할 때 압축강도는 급격히 감소하였다. 항온항습실에 서 공기 중 건조(기건)양생을 실시한 실험변수 1, 2, 3, 4, 9, 10, 11의 경우 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도의 증가폭이 비교적 작은 것으로 나타났으며 탄소포집 활 성화제의 첨가율이 20% 미만인 변수에서는 적절한 압 축강도를 발현하지 못하며, 20% 이상일 때 비교적 절적 한 압축강도를 발현할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 11의 경우에는 탄소포집 활성 고로슬래그 모르 타르의 항온항습실에서 공기 중 건조(기건)양생, 수중양 생을 실시한 시험체의 압축강도 측정 결과를 나타내고 있다. 재령 28일의 경우 탄소포집 활성화제의 첨가율 25%, 물-결합재의 비 50%인 실험변수 5에서 23.2MPa 수준으로 압축강도가 가장 높게 나타났다. 또 한 물-결합재의 비가 일정할 때 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 압축강도가 점차 증가하는 경 향을 나타내었으며, 물-결합재의 비가 증가하면 압축강 도는 현저히 감소하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 10과 Fig 11에서 재령에 따른 압축강도의 변화 를 살펴보면, 활성화제의 첨가량이 20% 미만인 실험변 수 1, 2, 3, 4, 9, 10, 11에서는 3일 압축강도에 비해 7 일, 28일 압축강도의 증가폭이 비교적 작은 것으로 나 타났으며 탄소포집 활성화제의 첨가량이 15% 미만인 실험 변수 1, 2, 9에서는 28일 압축강도가 7일 압축강 도에 비해 약간 감소하는 것으로 나타났다. 반면 이를 제외한 다른 변수에서는 7일 압축강도와 28일 압축강 도의 증가폭이 비교적 큰 것으로 나타났다. 이는 탄소포 집 활성화제의 첨가율에 따라 첨가율이 20% 미만일 때 는 각 재령별 압축강도의 증가폭이 작고, 활성화제의 첨 가율이 20% 이상일 때 활성화제 첨가율의 증가에 따라 각 재령별 압축강도의 증가폭이 비교적 큰 것으로 판단 된다.

Fig. 10 Compressive Strength Results (Air-Dry and Covered Wet Curing)

Fig. 11 Compressive Strength Results

(Air-Dry and Under Water Curing)

양생방법에 따른 압축강도의 변화를 살펴보면, Fig.

10, Fig. 11에서 비교해 볼 때 실험변수 4-1, 5, 6, 7, 8, 12, 13에서의 모든 변수에서 항온항습실(습도 50%, 온도 23±2℃)의 습윤양생 조건에서 실험을 수행한 시 험체가 수중양생 조건의 시험체에 비해 압축강도는 약 간 더 높은 모습을 보였다. 또한 공기 중 건조(기건)양생 조건에는 재령 3일, 7일, 28일 압축강도의 증가폭이 비 교적 작은 경향을 나타내었는데, 이는 탄소포집 활성 고 로슬래그 모르타르의 공기 중 건조(기건)양생, 습윤양 생, 수중양생의 양생방법에 따라 기건양생의 경우 항온 항습실(습도 50%, 온도 23±2℃)의 기건양생 조건에서 시간이 지남에 따라 시험체 내부의 수분이 점차 감소하 여 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 압축강도 발 현에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단되며, 이로 인 해 습윤양생이나 수중양생을 실시한 시험체에 비해 재 령 3일, 7일, 28일의 압축강도의 증가폭이 작거나 감소 하는 경향을 보인 것으로 사료된다(Jo et al., 2006).

탄소포집 활성화제로 사용된 수산화칼슘과 규산나트 륨의 배합 비율에 따른 압축강도의 변화를 살펴보면, 탄 소포집 활성화제의 첨가율은 같고 수산화칼슘과 규산나 트륨의 비율이 다른 실험변수 2, 3, 4와 9, 10, 11을 비 교해 볼 때 실험변수 2, 3, 4가 실험변수 9, 10, 11에 비 해 압축강도가 약간 높은 모습을 보였으나, 그 차이는 미미한 것으로 나타났다. 이는 탄소포집 활성화제로 사 용된 수산화칼슘의 비율에 비해 규산나트륨의 비율이 현저히 작아 수산화칼슘과 규산나트륨의 비율에 따른 압축강도의 차이는 크지 않은 것으로 판단된다.

물-결합재의 비율에 따른 압축강도의 변화를 살펴보 면, 실험변수 5, 6, 7을 비교해 볼 때 탄소포집 활성화 제의 첨가율은 25%로 일정하고 물-결합재의 비를 50%, 55%, 60%로 증가시킨 경우 물-결합재의 비가 증가함에 따라 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 압축강도는 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 이는 일 반적으로 OPC의 경우와 마찬가지로 단위수량이 증가 함에 따라 모르타르의 압축강도에 부정적인 영향을 미 치는 것으로 판단된다(Kim et al., 2012).

4.3. 응결시간 시험(Vicat 침) 결과

다음의 Fig. 12, 13, 14는 탄소포집 활성화제의 첨가 율과 양생온도에 따른 응결시간의 변화를 나타내고 있 다. 탄소포집 활성 고로슬래그를 활용한 페이스트의 응 결시간 시험 결과 전반적으로 탄소포집 활성화제의 첨

었다. Fig. 12의 경우 탄소포집 활성화제의 첨가량이 가 장 작은 5%일 때 응결시간은 600분으로 응결시간이 가 장 오래 걸리는 것으로 나타났으며, 탄소포집 활성화제 의 첨가량이 증가함에 따라 응결시간은 점차 단축되는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 일반적인 OPC의 응결시간과 비교했을 때 상온에서의 탄소포집 활성 고 로슬래그 페이스트의 응결시간은 다소 지연되는 것으로 나타났다(Song et al., 2010).

Fig. 13의 경우 고온양생 조건에서의 응결시간 시험 결과를 나타내고 있는데, 탄소포집 활성화제의 첨가량 이 가장 적은 5%에서의 응결시간은 369분으로 응결시 간이 가장 오래 걸리는 것을 볼 수 있다. 또한 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가에 따라 응결시간이 단축되는 경향을 보이고 있으나 그 차이는 비교적 미미한 것으로 Fig. 12 Setting Time Test Results(Tested at 23±2℃)

Fig. 13 Setting Time Test Results(Tested at 40℃)

Fig. 14 Comparison of Final Set Time with Respect

to Curing Temperature

Fig. 14의 경우 상온(23±2℃)과 고온(40℃)양생 조 건에서 응결시간을 비교한 것으로 상온에서의 응결시간 에 비해 고온에서의 응결시간이 비교적 크게 단축되는 것으로 나타났으며, 상온에서의 일반적인 OPC의 응결 시간과 비교했을 때 상온양생 조건의 탄소포집 활성 고 로슬래그는 응결시간이 OPC에 비해 약 한 시간 이상 지연되는 것을 알 수 있으며, 고온 양생조건의 응결시간 은 OPC에 비해 응결시간이 약 두 시간 이상 단축되는 것을 알 수 있었다. 이는 응결시간은 온도 및 습도의 큰 영향을 받아 고온양생일 경우 응결시간이 비교적 크게 단축되며, 높은 양생온도에 따라 탄소포집 활성 고로슬 래그 페이스트의 수화반응과 탄소포집 활성화제와 중합 반응을 촉진시켜 응결시간이 다소 단축되는 경향을 보 이는 것으로 판단된다.

4.4. X-선 회절(x-ray diffraction, XRD) 분석 결과

Fig. 15~18은 탄소포집 활성 고로슬래그 시험체의 XRD 분석 결과를 나타내고 있다. XRD 분석은 Table 2의 실험변수 1, 3, 4, 11에 대하여 재령 3, 7, 28일에 대한 분석을 수행하여 각 재령에 따라 생성된 생성물을 비교하였다.

XRD 분석 결과, 전반적인 주요 생성물은 Portlandite 와 Calcite, Ettringite의 검출량이 가장 많은 것으로 나 타났다. 또한 Portlandite와 Ettringite는 재령 3일에서 재령 28일까지 양생기간이 길어질수록 피크의 세기 (Intensity)가 점차 낮아지는 것으로 나타났으며, 반면에 Calcite는 양생기간이 길어질수록 더 높은 세기를 갖는 것을 알 수 있다. 이는 본 XRD분석에 사용된 시험체는 모두 항온항습실(습도 50%, 온도 23±2℃)에서 공기 중 건조(기건)양생을 실시한 시험체로 탄소포집 활성 고로슬 래그 시험체가 양생기간이 지남에 따라 공기 중의 CO ₂ 를 흡수하여 Portlandite 피크의 세기가 낮아지면서 Calcite 피크의 세기가 증가한 것으로 사료된다. 또한 주 요 생성물인 Portlandite와 Calcite, Ettringite는 탄소 포집 활성화제의 첨가량이 많을수록 주요 3가지 생성물 피크의 Intensity도 높은 것으로 나타나는 것을 알 수 있 었다.

5. 결론

본 연구는“활성 산업부산물을 활용한 탄소흡수용 도 로재료 개발” 을 위한 연구의 일환으로 탄소포집 활성 Fig. 15 XRD Analysis Results of AB5WB50

(3, 7, and 28 day)

Fig. 16 XRD Analysis Results of AB15WB50 (3, 7, and 28 day)

Fig. 17 XRD Analysis Results of AB20WB50 (3, 7, and 28 day)

Fig. 18 XRD Analysis Results of AB20WB50

(3, 7, and 28 day)

고로슬래그 모르타르의 기초 특성을 파악하기 위한 실 험을 수행하였으며, 이를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

1. 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 플로우 시험 결과, 탄소포집 활성화제(수산화칼슘, 규산나트륨)의 첨가량 증가에 따라 유동성은 선형으로 감소하였으 며, 활성화제의 첨가량이 일정할 때 물-결합재 비 (W/B)의 증가에 따라 모르타르의 유동성은 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다. 탄소포집을 위한 목적 으로 사용된 활성화제(수산화칼슘, 규산나트륨)는 모 르타르의 유동성에 긍정적인 영향을 주지 못하는 것 으로 판단된다.

2. 압축강도 실험 결과, 전반적으로 탄소포집 활성화제 의 첨가량이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으며, 활성화제의 첨가율 20% 미만인 모르타르 시험체는 적절한 압축강도를 확보하지 못하는 것을 알 수 있었다. 또한 물-결합재 의 비가 50% 이상인 경우에는 모르타르의 압축강도 가 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 물-결합재 의 비가 50%일 때 활성화제의 첨가량이 가장 많은 25%인 시험체의 압축강도가 가장 큰 것을 알 수 있 었다. 이는 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 탄소포집 활성 고로슬래그 모르타르의 수화반 응과 중합반응에 긍정적인 영향을 주어 압축강도가 증가한 것으로 판단된다.

3. 탄소포집 활성 고로슬래그를 활용한 페이스트의 응 결시간 시험 결과, 전반적으로 탄소포집 활성화제의 첨가량 증가에 따라 응결시간은 단축되는 경향을 나 타내었다. 또한 고온(40℃)양생 조건에서의 시험체 는 응결시간이 다소 단축되는 것을 알 수 있었으며, 상온(23±2℃)양생 조건에서의 일반적인 OPC의 응 결시간과 비교했을 때 탄소포집 활성 고로슬래그는 적절한 응결시간을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

4. XRD 분석 결과, 시험체의 주요 생성물은 Portlandite 와 Calcite, Ettringite의 검출량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 탄소포집 활성화제의 첨가량이 증가함에 따라 주요 생성물 피크의 세기도 높게 나타나는 것을

알 수 있었다. 또한 Portlandite 생성물은 양생시간이 지남에 따라 피크가 낮아지고 Calcite 피크의 세기는 높아지는 것으로 나타났는데, 이는 양생기간 동안 시험 체의 Ca(OH) ₂ 가 공기 중의 CO ₂ 를 흡수하여 Calcite 피크의 세기가 높아진 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 2012년 국토해양기술연구개발과제“탄소중립형

도로 기술개발” 과“저탄소 녹색공항 포장시공 및 유지관리기

법개발”연구단의 연구지원 사업으로 이루어진 것으로 이에 감사드립니다.

References

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Song, K. I., Lee, B. Y., Hong, G. H., Gong, M. H., Song, J. K., 2012, Effects of Basicity on the Carbonation Characteristics of Alkali- Activated Slag Mortar, Proc. of Korea Concrete Institute, Vol.24, No.5, pp.577-584.

( 접수일 : 2013. 3. 14 / 심사일 : 2013. 3. 18 / 심사완료일 : 2013. 4. 5 )