석탄 맥석 세라믹사이트 하이의 제조

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16369(2022) 이 기사 인용

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석탄 맥석(CG)을 건축 자재로 사용하면 산업 폐기물 처리를 줄이고 고형 폐기물의 자원 활용을 촉진할 뿐만 아니라 건설 시 모래와 석재의 과도한 소비를 해결합니다. 본 연구에서는 CG 원료로부터 소성세라미사이트를 실험적으로 조사하고, CG 세라마이트 콘크리트의 기계적 성질을 연구하였다. 또한, 주사전자현미경과 X선 회절 분석(XRD)을 이용하여 하소 전후의 CG의 물리적, 화학적 및 조성 변화를 관찰하였다. 실험 결과는 소성이 밀도를 감소시키고, 강도를 증가시키며, CG의 다공성을 증가시키고, CG의 미세구조와 광물 조성을 변화시킬 수 있음을 보여줍니다. 마지막으로, 석탄 맥석 세람사이트 콘크리트와 일반 콘크리트는 시간에 따른 압축강도의 변화와 탄성계수와 압축강도의 관계에서 큰 차이가 있다. 본 논문에서는 실험 데이터에 따라 기존 공식을 수정하였다.

석탄 맥석(CG)은 석탄 굴착 및 분리 과정에서 생성되는 산업 고형 폐기물의 일종입니다1,2,3. 일반적으로 생산된 석탄 10톤당 1톤의 CG가 폐기됩니다4,5. 통계에 따르면 현재 50~60억 톤의 CG가 저장되어 있으며, 중국에서는 축적량이 연간 1억 5천만~2억 톤의 속도로 증가하고 있습니다6,7. 현재 대부분의 CG는 단순 적층 방식으로 처리되고 있으며, 중국에는 약 2600개의 대규모 CG 언덕이 있으며 그 규모는 약 15,000헥타르에 달합니다8,9,10. 이는 자원낭비를 초래할 뿐만 아니라 환경오염을 초래하고 지역사회의 건강과 안녕을 위협한다11. 중국의 친환경적이고 지속 가능한 개발 전략을 실행함으로써 CG의 합리적이고 포괄적인 활용은 놀라운 경제적, 환경적, 사회적 이익을 가져올 것입니다.

건축자재에 대한 CG의 주요 적용 방법에 대한 기존 연구에는 시멘트 생산, 연소 벽돌, 콘크리트 중공 블록 및 기포 콘크리트 생산에 대한 연구가 포함됩니다12,13. CG의 기원이 다르기 때문에 특성이 다른 여러 유형의 CG가 있지만 대부분의 화학 및 광물 성분은 천연 골재(NA)와 유사합니다. 따라서 CG를 보다 직접적이고 효과적으로 활용하는 방법은 파쇄 후 콘크리트의 굵은골재나 잔골재로 사용하는 것이다14,15,16. 그러나 CGA(CG Aggregate)는 NA에 비해 구조가 느슨하고 물리적 특성이 낮습니다. 따라서 동일한 배합비에서 CG를 골재로 하는 콘크리트의 강도는 NA를 골재로 하는 콘크리트의 강도보다 낮다. 따라서 CGA 콘크리트의 기계적 성질을 향상시키고 보다 많은 건축분야에 적용하기 위해서는 CGA의 물리적, 기계적 성질을 개선하는 것이 필요하다.

CG의 화학적 구성은 복잡하지만 CG는 주로 실리콘과 알루미늄으로 구성되며 12개 이상의 요소가 포함되어 있습니다. 일반적으로 CG는 주로 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, NaO, K2O와 같은 산화물로 구성되어 있습니다20,21,22. 소성 CG는 응집체 특성을 향상시키는 효과적인 방법입니다. CG의 탄소 및 기타 다양한 구성 요소는 500~800°C의 온도 범위에서 하소하는 동안 제거될 수 있으며 CG의 카올리나이트도 점차적으로 메타카올린으로 변환될 수 있습니다23,24. Zhang et al.25, Cao et al.13 및 Guo et al.26은 CG가 700-800 °C의 온도에서 소성된 후 높은 활성을 갖는다는 것을 지적했습니다. 메타카올린과 시멘트 수화 생성물(수산화칼슘)의 2차 수화 반응은 CGA 콘크리트의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. Yang et al.27은 고온 소성이 CG의 내부 화학 반응을 일으키고, CG의 불안정한 성분을 제거하고, 안정한 물질을 생성하며, CG의 물리적 특성에 상응하는 변화를 일으킬 수 있음을 발견했습니다. 하소를 통해 CGA는 가볍고 고강도 세람사이트 집합체5,28로 변환될 수 있습니다. 일반 콘크리트와 비교하여 세람사이트 경량골재콘크리트는 저밀도, 높은 실린더 압축강도, 높은 기공률, 높은 연화계수, 우수한 내한성, 우수한 내알칼리골재저항성과 같은 우수한 특성을 갖는다29,30,31. 많은 연구32,33,34,35,36에서는 성능을 더욱 향상시킬 목적으로 세라믹사이트 콘크리트의 준비 및 성능을 조사했습니다. CG세람사이트 경량골재콘크리트(CGCLAC)의 성능을 향상시키기 위해서는 석탄 맥석세람사이트의 물리적, 기계적 특성의 개선이 필요하다. 그러나 CG 원료로부터 고강도 세람사이트를 제조하는 연구는 아직까지 상대적으로 드물고, CGCLAC의 구성적 특성에 대한 연구는 더욱 적다.