■ 산업부산물을 다량 활용한 저시멘트 모르타르의 역학적·전기적 특성 - 김영민·임건우·임창민·이건철(한국교통대)
본 연구는 기후이상현상에 따른 온실가스 감축차원에서 시멘트 업계에서 발생하는 이산화탄소 배출저감을 목적으로 하며, 다양한 발전산업에서 발생되는 산업 부산물인 고로슬래그, 플라이애시, IGCC플라이애시를 다량활용한 저시멘트 조성물을 개발하고자 했다.
또한 프리캐시트 공법이 적용된 건축물의 안전성(건전도)을 평가하기 위해 탄소나노튜브를 혼입, 압축하중 가력시 시험체의 변형에 따른 전기저항변화를 측정했다.
실험 결과, IGCC플라이애시 40%가 혼입된 시험체는 보통 포틀랜드 시멘트보다 높은 강도발현을 나타냈으며, 자기감지성능도 확인되는 등 추후 건축구조물의 안전성 평가가 가능할 것으로 기대됐다.
■ 건설폐기물을 활용한 이산화탄소 반응경화 시멘트 제조에 관한 연구 - 이향선·손배근·송훈(한국세라믹기술원)
국내 산업부문 중 시멘트 산업에서 발생하는 온실가스는 약 10%를 차지하며, 대부분의 시멘트 클링커 소성 과정에서 발생한다.
시멘트 산업에서는 이산화탄소 배출량을 감축하기 위해 원료 대체 및 전환 기술, 저탄소 신열원 활용 공정효율 향상 기술, 공정 발행 CO2 포집 및 재자원화 기술들을 개발하고자 노력하고 있다. 또한 건설재료 산업에서도 적지 않은 양의 온실가스가 배출되고 있으며, 이와 관련하여 건설폐기물의 재활용화에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다.
본 연구는 산업시설에서 배출되는 이산화탄소를 탄산염 광물로 저장할 수 있는 이산화탄소 반응경화 시멘트 개발 및 건설폐기물을 용하여 친환경적 재생시멘트 개발에 기여하고자 했다.
연구에서는 건설폐기물을 활용해 이산화탄소 반응경화 시멘트 제조 가능성을 분석하기 위해 원료로 탄산칼슘과 건설폐기물인 폐콘크리트와 폐유리, 폐벽돌, 폐타일을 개별로 사용했으며, 각 건설폐기물은 Mole SiO2/(CaO+SiO2) 0.35, 0.40 수준으로 클링커 배합 후 1,150℃와 1250℃에서 클링커를 소성했다.
소성이 완료된 이산화탄소 반응경화 시멘트 분석 결과, 탄산화 광물 반응 산화물인 Rankinite(Ca2Si2O7)와 Gehlenite(Ca2Al2SiO7)가 생성됨이 확인됐다.
다만, Mole SiO2/(CaO+SiO2)가 동일하더라도 클링커 소성온도와 건설폐기물 종류에 따라 생성되는 탄산화 광물 반응 산화물의 생성량이 다른 것을 확인할 수 있었으며, 폐콘크리트의 경우 Mole SiO2/(CaO+SiO2) 0.40의 경우 용융됨을 확인했다.
또한 건설폐기물을 활용한 이산화탄소 반응경화 시멘트 탄산화 양생 후 TGA 분석한 결과, 4종류의 건설폐기물 모두 Mole SiO2/(CaO+SiO2) 0.40, 소성온도 1,1250℃보다 1,150℃에서 소성한 시멘트의 CO2 흡수량이 높은 것을 확인할 수 있었다.
본 연구의 결론으로 건설폐기물을 활용하여 탄산화 광물 반응 산화물인 Rankinite와 Gehlenite의 생성을 확인할 수 있었으며, 탄산화 양생을 통해 CO2 흡수 또한 확인할 수 있었다.
다만, 건설폐기물 종류에 따라 적절한 원료 배합 설계와 클링커 소성온도가 상이한 것을 확인할 수 있었는데, 이는 추후 건설폐기물 종류에 따른 이산화탄소 반응경화 시멘트 제조 조건에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단됐다.
■ 고온이 순환유리미분말을 혼입한 고강도 시멘트 복합체의 역학적 특성에 미치는 영향 - 박준영(충남대)
순환유리를 잔골재로 활용하려는 기존 연구가 다수 진행되었지만, 순환유리 잔골재를 시멘트 복합체에 사용할 경우, 부착력 저하와 알칼리-실리카 반응(ASR)이 발생하는 것으로 보고된 바 있다. 그러나 순환유리의 입도가 0.3mm 이하일 경우, ASR이 감소하며, 포졸란 물질로써 사용가능성 또한 확인되었다.
본 연구에서는 0.3mm 이하로 파쇄된 순환유리미분말(GP)이 잔골재로 혼입된 고강도 시멘트복합체(HSC)의 고온 노출시 역학적 특성을 평가하고자 했다. 실험에서는 HSC의 설계강도를 100, 140MPa로 설정했고, GP의 치환율을 각각 0, 15, 30%로 설정했다.
순환유리를 입도 0.3mm 이하로 파쇄한 후 치환율에 따라 혼입, 각각의 시험체를 1℃/min의 가열속도로 100, 200, 300, 500℃까지 가열해 가열 전후의 압축강도, 탄성계수, 함수율과 무게의 항목을 측정 후 비교·분석했다.
그 결과 HSC 내 GP 치환율이 증가할수록 역학적 특성과 내화성능이 저하됐으며, 이는 각각 시멘트 매트릭스와 GP의 부착력 저하와 재료간 열팽창률 차이로 인한 것으로 판단된다.
또한 300℃ 가열 후 압축강도는 대폭 증가하는 반면, 탄성계수는 대폭 감소하는 경향을 보였는데, 이는 250℃부터 포졸란 반응의 완성도가 증가해 압축강도는 증가하지만, 함수율의 급격한 감소와 재료간 열팽창률 차이로 탄성계수는 감소하는 것으로 사료됐다.
■ pH 스윙법을 활용한 이산화탄소 반응경화형 시멘트 경화체의 이산화탄소 고정화 성능 및 기계적 물성 개선 - 조성민·김경률·배성철(한양대)
본 연구에서는 pH 스윙법을 활용한 탄산화 양생을 적용한 이산화탄소 반응경화형 저석회 칼슘 실리케이트 시멘트 경화체의 이산화탄소 고정화 및 기계적 특성 증진에 대해 규명했다.
시멘트와 다양한 농도의 질산(HNO3)을 혼합함으로써 낮은 초기 pH 환경을 촉진하여 시멘트로부터 Ca 이온의 초기 용해도를 높이고, Ca(NO3)2의 높은 용해도를 통해 Ca가 직접 침전되는 것을 방지하고자 했다.
질산 용액의 농도를 0.1 M 까지 증가시킴에 따라 압축강도와 CO2 고정화량이 상승하는 것으로 나타났으며, 낮은 pH에 의해 시멘트 클링커로부터 Ca 용해가 활성화됐고, 이후 탄산화 반응을 통해 다량의 CaCO3 결정이 형성됐다.
그러나 과도하게 높은 농도의 질산이 혼합된 경우 과량의 NO3- 이온으로 인해 시멘트의 반응이 지연되고 강도가 발현되지 않았다.
■ 강철재 도어의 내화, 기밀성 향상을 위한 이중틈새 차단장치에 관한 연구 - 이주원((주)동광명품도어)·임보혁(건축자재시험연구원)·조성권((주)창신자동문)·이해열((주)동광명품도어)
일반건축물에서 흔히 볼 수 있는 강철재 도어의 경우 도어와 바닥의 틈새가 밀폐되지 않아 외부로부터 외풍, 소음, 먼지, 불빛 등이 내부로 유입되며, 이를 차폐하기 위해 도어 측면에 자석식 문풍지를 덧대거나 도어 하부에 가스켓을 설치하는 등 다양한 재질과 방식으로 차폐장치를 하고 있으나 그 성능에는 한계가 있다.
이에 이러한 문제점을 근본적으로 해결하고자 이중가스켓을 적용, 가스켓이 끊어짐이 없도록 연결하여 틈새를 차단하는 연구를 진행해 강철재 도어에서 내화성 및 기밀성을 향상 시킬 수 있는 이중틈새 차단장치를 연구·개발했다.
이중틈새 차단장치는 일반제품과 달리 도어가 닫혔을 때 중앙부분에 공기층이 형성되어 기밀성을 극대화 할 수 있을 뿐 아니라 특히 방화문의 경우 방화문의 기본성능인 내화성능을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
성능시험의 결과 기존보다 우수한 내화성능과 기밀성능을 입증, 문제점을 해결할 수 있었다.
■ 다중벽 탄소나노튜브와 나노실리카를 혼입한 시멘트 복합체의 성능 평가 - 김성우·손정진·김지현·정철우(부경대)
최근 국내외 건설 분야에서 시멘트 기반 복합체의 강도 및 내구성 증진을 목적으로 나노 단위의 재료 기술 개발과 연구가 활발하게 진행되고 있다. 각각의 나노 재료를 사용하여 시멘트 기반 복합체의 성질과 적용 효과를 확인한 연구는 보고되고 있으나, 두 가지 물질을 함께 사용한 연구 및 개발은 상대적으로 제한적이다.
본 연구에서는 높은 역학적 성능을 가지며, 큰 비표면적으로 수화 생성을 촉진해 시멘트의 미세구조를 변화시키는 대표적 건설용 불활성 나노 재료인 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 사용했다. 이와 함께 초기 수화반응을 촉진시키고, 미세 공극을 채워 시멘트의 강도와 내구성 향상에 도움을 줄 수 있는 활성 나노 재료인 나노실리카를 사용했다.
이들을 함께 활용하였을 때 시멘트의 강도 및 공극, 미세 구조 형성에 미치는 영향을 확인하는 것을 목적으로 두 가지 나노 재료의 혼입률을 변화시켜 시멘트 복합체를 제조했으며, 이후 제작한 시멘트 복합체의 역학적 성질과 유변학적 특성을 고려해 다중벽 탄소나노튜브와 나노실리카의 최적의 혼입량을 찾고자 했다.
실험 결과 나노실리카와 탄소나노튜브의 혼입은 시멘트 페이스트의 역학적 성능 향상에 도움을 주는 것으로 나타났다. 이는 작은 크기의 입자로 인해 충전재로써 시멘트의 미세공극을 보강하고, 나노실리카의 경우 실리카 성분으로 포졸란 반응을 극대화, 탄소나노튜브의 경우 브릿지 효과로 시멘트 매트릭스를 보강했기 때문으로 추정된다.
또한 나노실리카와 탄소나노튜브를 단일로 사용하였을 때보다 함께 사용하였을 때 압축강도 및 휨강도 증가와 공극률 감소 효과가 더욱 뛰어났다. 이는 충전효과로써 시멘트의 미세공극을 더욱 보강하고 시멘트의 경화과정에서 비표면적이 큰 CNT 표면에서 특정 핵생성 효과가 나타나며, 나노실리카와의 시너지 작용으로 인해 수화반응이 극대화됐기 때문으로 판단됐다.
결합재 대비 나노실리카 0.05wt%, 탄소나노튜브 0.1wt%를 혼입한 샘플의 재령 28일 압축강도는 67.28MPa, 휨강도는 7.8MPa로 가장 높은 결과를 보였으며, 공극률은 24.16%로가장 낮은 수치를 보였다.
■ ALC 대체를 위한 선발포 경량기포콘크리트의 최적배합 선정 연구 - 최선미·김범수(이상 씨에스엠테크)·김진만(공주대)
ALC(Autoclaved Lightweight Concrete)는 기존 콘크리트 대비 1/4의 경량성으로 높은 시공성, 차음성, 단열성 및 내화성이 우수해 단열재 및 차음재, 내화재용으로 활용되고 있다.
그러나 ALC는 제조시 고가의 발포용 Al 파우더를 사용하며, 촉진양생을 위한 추가 에너지 사용, 해외기술 도입 등으로 인한 로얄티 지불 등 다양한 문제점을 가지고 있다.
이에 본 연구에서는 저자가 개발한 철강산업부산물 기반의 속경성 에코 시멘트를 이용, 촉진양생 없이 3일 이내 기존 ALC와 동등 이상의 성능을 갖는 제품을 개발하기 위한 최적 배합을 선정하고자 했다.
본 연구에서 사용된 속경성 에코 시멘트는 철강산업부산물을 70% 이상 사용한 친환경 재료이며, 선발포 경량기포 콘크리트 제조에 적용하여 ALC 0.5품에서 요구하는 목표 강도를 3일 이내에 만족했으며, 장기 강도에서는 수화반응을 통해 3일 강도 이상의 강도 증진을 확인했다.
이를 적용시 고가의 발포용 Al 파우더 사용 없이 선발포 공법만으로 강도 및 기포 안정성을 확보함으로써 ALC에서 요구하는 결과를 만족했으며, 초기 탈형 또한 강도 발현 속도의 향상으로 촉진양생을 통한 추가적 에너지 사용 없이 생산 사이클 향상되어 제조비용의 절감이 예상된다.
환경적 측면에서는 시멘트 제조 및 촉진양생시 사용되는 에너지가 대폭 감소하여 탄소배출량을 저감시켜 환경적 기여도도 클 것으로 판단됐다.
정리=한국건설신문 황순호 기자
