비산회를 포함하는 시멘트 시스템의 신선하고 경화되고 내구성 있는 특성에 대한 확장된 혼합 공정의 영향
Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6091(2023) 이 기사 인용
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시스템 성능에 부합하는 사양은 가치의 추가를 보장할 수 있습니다. 대부분의 레미콘 콘크리트 사양은 배출 시간 및 트럭 드럼 회전 수에 대한 제한을 두고 있습니다. 이러한 한계는 기존 콘크리트에 대해 개발되었습니다. 보충 접합 재료(SCM)의 사용이 보편화됨에 따라 이러한 사양이 SCM, 즉 플라이애시를 포함하는 시스템에 적용 가능한지 여부를 결정하는 것이 중요합니다. 이 논문은 비산회 20%와 50%를 함유한 실험실에서 만든 페이스트와 모르타르의 특성에 대한 혼합 시간과 믹서 회전수의 영향에 대한 결과를 제시합니다. 평가된 특성에는 시변 이온 농도, 응결 시간, 흐름, 압축 강도, 다공성 및 겉보기 염화물 확산 계수가 포함됩니다. 결과는 혼합 시간과 혼합기 회전 횟수가 증가함에 따라 플라이애시를 대체한 혼합물이 신선 특성과 경화 특성 모두 향상되었음을 나타냅니다. 60분 또는 25,505회전 횟수 동안 혼합할 때 플라이애시 20%와 50%를 함유한 혼합물의 28일 압축강도는 순수 시멘트보다 50% ~ 100% 더 높습니다. 플라이애시는 시멘트 시스템의 확장된 혼합 공정에 채택하는 것이 좋습니다.
비산회는 전기를 생산하는 데 사용되는 석탄 연소 공정의 포졸란 부산물입니다. 현재 석탄 연소 과정은 미국 전체 에너지 생산량의 약 50~55%를 차지합니다1,2. 이 작업에서 발생하는 부산물의 약 75%는 비산회입니다3,4,5. 결과적으로, 전 세계적으로 매년 5억~5억 5천만 톤의 비산회가 생산될 것으로 예상됩니다6,7. 농업, 시멘트, 콘크리트 산업을 포함한 많은 부문에서 비산회를 사용합니다. 시멘트 및 콘크리트 산업에서 비산회를 사용하면 수화 제품의 성능 특성이 향상되는 것으로 밝혀졌습니다8,9. 현대 콘크리트 복합재 생산을 위한 플라이애시의 주요 용도는 나노 재료10, 4원 및 3원 바인더11,12,13, 활성 시드14,15와 같은 이 분야의 새로운 혁신적인 솔루션으로 이어집니다. 새로운 혁신적인 솔루션은 다양한 용도에 맞는 맞춤형 콘크리트 제품을 제공할 수 있습니다. 그러나 발전소에서 수거된 비산재의 70% 이상이 사용되지 않으므로 심각한 처리 문제가 발생합니다16,17. 석탄화력발전시설은 비산재 처리로 인해 추가 비용이 발생한다. 연간 비용은 약 12억 달러18로 예상됩니다. 따라서 특히 시멘트 및 콘크리트 부문에서 플라이애시의 사용을 확대할 수 있는 더 많은 연구와 혁신이 필요합니다. 이는 폐기 비용을 낮추는 것 외에도 콘크리트 혼합물의 성능 특성을 향상시킬 수 있습니다.
콘크리트는 물 다음으로 세계에서 두 번째로 가장 많이 사용되는 물질입니다. 환경 문제로 인해 시멘트 및 콘크리트 부문에서 CO2 배출을 제한하려는 상당한 노력이 있어 왔습니다. 그럼에도 불구하고 이들 사업체의 CO2 배출량은 여전히 눈에 띄게 높으며 더 많은 노력이 필요합니다. 미국 석탄재 협회(ACAA)20는 비산회를 콘크리트의 SCM(보조 시멘트) 공급원으로 사용하면 미국에서만 CO2 배출량을 연간 10~14톤 줄일 수 있다고 계산했습니다. 비산재를 부분적으로 교체하면 CO2 배출량을 줄여 지속가능성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 콘크리트 생산 및 비산재 처리에 드는 비용도 절감할 수 있습니다. 연방고속도로국(FHWA) 규정은 비산재를 포함하는 콘크리트 시스템을 권장합니다. 이는 플라이애시 콘크리트의 가격이 포틀랜드 시멘트 콘크리트(PCC)21의 가격과 비슷하거나 낮을 때 특히 그렇습니다. 따라서 주어진 혼합물에서 모든 시멘트를 플라이애시로 대체해서는 안 됩니다. 환경적, 경제적 이점 외에도 포틀랜드 시멘트(PC)를 플라이애시로 대체하면 수화 제품의 신선 특성과 경화 성능이 향상되는 것으로 인식됩니다. 포졸란 물질인 수산화칼슘(Ca(OH2))은 반응하여 강도(CS-H)를 증가시키는 규산칼슘 수화물을 생성할 수 있습니다. 이러한 수화물은 치밀화된 계면 전이 영역(ITZ)을 초래하고 시멘트 페이스트와 골재의 경계면에서 콘크리트 미세 구조를 개선합니다22,23. 결과적으로, 플라이애시를 포함하는 콘크리트 시스템의 성능은 기존 콘크리트 시스템의 성능보다 우수할 수 있으며, 여기에는 레미콘도 포함될 수 있습니다.