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친환경․고성능 지오폴리머 콘크리트(Geopolymer concrete)
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시멘트와 지오폴리머의 차이 – 자동차와 환경
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시멘트와 지오폴리머의 차이 – 자동차와 환경
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– Google Patents 본 발명에 따른 지오폴리머 조성물은 이러한 특징에 의해서 내화판넬, 내화패널, 고강도 콘크리트, 고강도 보수몰탈, 인조대리석, 인조암, 건축재, 세라믹 타일, … … - Most searched keywords: Whether you are looking for KR101263227B1 – ê³ ê°ë ì§ì¤í´ë¦¬ë¨¸ ì¡°ì±ë¬¼ ë° ê·¸ ì ì¡°ë°©ë²
– Google Patents 본 발명에 따른 지오폴리머 조성물은 이러한 특징에 의해서 내화판넬, 내화패널, 고강도 콘크리트, 고강도 보수몰탈, 인조대리석, 인조암, 건축재, 세라믹 타일, …
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친환경․고성능 지오폴리머 콘크리트(Geopolymer concrete)
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[연구소 기술정보]친환경․고성능 지오폴리머 콘크리트(Geopolymer concrete)
1. 배경
2004년 10월 3일 국제 에너지기구(IAE)가 공개한 ‘세계 주요에너지 통계’자료에 따르면 2002년 한해 동안 선진국들은 온실가스 배출량이 줄어든 것으로 조사된 반면 한국이 배출한 온실가스, 즉 이산화탄소는 모두 4억 5155만t 으로 국가별로는 세계 아홉 번 째이다. 현재 대부분의 건설현장에서 일반적으로 사용되는 콘크리트는 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하고 있다. 포틀랜드 시멘트는 제조과정에서 대기 중에 많은 양의 이산환탄소를 배출한다. 전세계적으로 포틀랜드 시멘트의 제조량은 해마다 3%씩 증가하고 있다. 포틀랜드 시멘트의 제조과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 약 135만 톤에 이르며 대기 중에 배출되는 전세계 온실가스 배출량의 약 7%를 차지한다.
이에 많은 연구자들이 친환경을 지향하는 미래 산업환경의 변화를 고려하여 이산환탄소의 배출을 줄이기 위한 노력과 시멘트를 대체할 수 있는 새로운 재료의 개발에 많은 관심을 기울이고 최근 몇 년에 걸쳐 친환경적인 콘크리트에 대한 많은 연구가 이루어졌다.
2. 지오폴리머 콘크리트
지오폴리머 콘크리트(Geopolymer Concrete)는 결합재로서 포틀랜드 시멘트를 필요로하지 않는 새로운 개념의 ‘신재료’이다. 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않는 대신에 Si와 Al이 풍부한 플라이애시와 같은 무기물이 알칼리성의 액체에 의해 활성화되어 결합재로서 작용하게 된다. 지오폴리머(Geopolymer)에서 중합과정은 고알칼리 상태에서 Al-Si 광물에 화학적 반응이 일어나서 중합체의 Si-O-Al-O 결합을 구성하는 과정을 의미한다. 지오폴리머(Geopolymer)의 화학적 구성은 제올라이트(zeolites)와 유사하지만 비결정질의 미세구조를 보인다는 점에서 다르다. 지오폴리머 재료의 구조모델은 여전히 연구 중에 있기 때문에 지오폴리머가 응결, 경화되는 정확한 메커니즘은 아직까지 명확하지 않다.
지오폴리머 콘크리트에서는 시멘트 페이스트 대신에 지오폴리머를 결합재로 사용한다. 지오폴리머 페이스트가 굵은골재와 잔골재 그리고 비반응성 물질을 결합하여 지오폴리머 콘크리트를 형성한다. 제조과정은 일반적인 콘크리트 제조과정와 동일하다. 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트와 마찬가지로 골재가 가장 큰 부피를 차지하며 질량으로 환산하면 약 75~80%이다. 플라이애시 내의 Si와 Al은 수산화나트륨과 규산화나트륨 용액의 화합물에 의해 활성화되어 결합재로 작용하게 된다. 일반적으로 알칼리성 활성화제로는 수산화나트륨(또는 수산화칼슘)과 규산화나트륨(또는 규산화칼륨)의 화합물이 사용되며, 열이 가해질 경우 지오폴리머 생성 화학반응이 가속화되기 때문에 일반적으로 지오폴리머 콘크리트는 고온에서 양생을 실시한다.
3. 지오폴리머 콘크리트의 특성
■ 압축강도는 보통강도에서 고강도에 이르기까지 다양
■ 장기거동 특성을 살펴보면 지오폴리머 콘크리트는 낮은 양의 크리프와 매우작은 값의 건조수축량을 보임
■ 내황산염성과 염해저항성에 대해서도 우수
■ 낮은 투수성와 높은 내구성
[표 1] 포틀랜드 시멘트와 지오폴리머 시멘트의 비교포틀랜드 시멘트 지오폴리머 시멘트 고강도 단기간에 고강도 산, 바닷물에 민감 산, 바닷물에 영향이 거의 없음 공극에 의해 철근의 부식이 많음 공극에 의해 철근의 부식이 적음 동결융해저항성이 낮음 동결융해저항성 높음 내구성이 불량 내구성이 좋음 CO2 발생량이 많음 CO2 발생량이 적음 증명된 기존 기술 증명되지 않은 새로운 기술
4. 맺음말
지오폴리머 콘크리트는 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경․고성능 콘크리트로서 미래사회가 요구하는 개념에 부합하는 콘크리트이다. 지오폴리머 콘크리트는 활성물질과 활성화제의 화학적 성분에 따라 내화․내열 섬유복합체, 밀폐제 등 다양한 분야에서 적용이 가능할 것으로 보이며 또한 낮은 투수성을 가지므로 유독성, 방사성 폐기물의 차단제로도 사용이 가능하고 높은 내구성으로 해안구조물이나 산성 환경 하의 구조물 등에 탁월한 효과를 발휘할 것으로 보인다.
* 출처 : Hardjito D et al., Geopolymer Concrete : Turn Waste Into Environmentally Friendly Concrete, International Conference on Recent Trends in Concrete Technology and Structures (INCONTEST), Coimbatore , Indea, 2003
* 담당 : 토목연구팀 최명성 연구원 ( [email protected] )
요약
■ 지오폴리머 콘크리트는 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경․고성능 콘크리트로서 미래사회가 요구하는 개념에 부합하는 콘크리트
■ 지오폴리머 콘크리트에서는 시멘트 페이스트 대신에 지오폴리머를 결합재로 사용
■ 내화 ․ 내열 섬유복합체, 밀폐제 등 다양한 분야에서 적용이 가능
■ 낮은 투수성을 가지므로 유독성, 방사성 폐기물의 차단제로도 사용이 가능하고 높은 내구성으로 해안구조물이나 산성 환경 하의 구조물 등에 탁월한 효과
시멘트와 지오폴리머의 차이
통상의 portland pozzolanic 시멘트와 다른, 지오폴리머는 기재 형성과 강도를 위한 calcium silicate-hydrates(CSHS)뿐만 아니라 Silica의 축중합과 알루미나 전구체 및 구조적 강도를 만족하기 위한 높은 알칼리 농도를 이용한다. 지오폴리머는 앞서 설명한 바와 같이 SiO-AlsO,의 비정질 형태의 체인으로 구성되어 있으며, 여기에 Na, K, Ca 등과 같은 알칼리 토류 금속염이온과 반응하여 다양한 지오폴리머 소재가 가능하다. 그렇기 때문에 시멘트의 수화반응과 유사하면서도 다른 특성을 보이고 있다.
시멘트와 지오폴리머의 가장 큰 차이는 시멘트는 calcium 계 바인더이나 지오폴리머는 알루미나계 바인더이다. 또한 시멘트와 지오폴리머의 반응영역은 강알칼리 영역에서 반응이 진행(시멘트는 반응으로 알칼리성 분위기로 되고, 지오폴리머는 초기 반응분위기가 알칼리 분위기여야 반응이 진행됨)된다는 유사점이 있다. 반면에 차이점은 시멘트는 물을 흡수하여 수화반응이 진행되면서 pH가 상승하지만, 지오폴리머는 강알칼리 분위기 하에서 물을 탈수하면서 aluminosilicate gel이 생성되기 때문에 초기 pH는 높고, 시간이 경과되면서 OH 이온을 소비하면서 점차 낮아지는 차이가 있다. 시멘트는 반응 후에 알칼리 분위기에 노출되면 알칼리 골재반응으로 내구성이 저하되나, 지오폴리머는 알칼리 분위기 하에서는 반응이 촉진되어 미반응 입자들까지도 반응을 일으켜 고강도 발현이 가능하다. 또한 시멘트의 강도는 21일의 재령(90% 물성발현)을 요구하나 지오폴리머는 초기의 반응조건에 따라서 양생시간이 다양하며, 초기에 반응 4시간에 70~80%의 물성을 발휘한다.
지오폴리머와 시멘트 콘크리트의 반응 차이를 그림에 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 지오폴리머와 시멘트 콘크리트의 반응기구는 확연히 다른 것임을 알 수가 있다.
시멘트는 C3S, CaS, C3A, C4AF 4종의 클링커 광물로 이루어져 있고, 이러한 클링커 광물이 물과 접촉하면 물을 흡수하여 수화반응을 일으키며, Ca(OH)2 형성과정을 거쳐 Ca-Di-Silicate-Hydrate(C-S-H)를 형성함으로써 수화에 의한 고결화가 진행된다. 이 때 수화반응으로 생성된 Ca(OH)2는 수화생성물인 C-S-H를 지속적으로 생성시키면서 소비되고, 이 물질에 의해서 시멘트의 pH 값은 13~14의 높은 값을 유지하게 된다. 그러나 지오폴리머의 결합 작용 기구는 이와 다르다. 먼저 지오폴리머는 고알칼리성 용액을 첨가하기 때문에 초기 pH 값이 높아 사용되는 fly ash나 고로슬래그 등의 잠재수경성 물질이 반응초기과정에 피막이 파괴되어 이온들이 용출하고, 이를 통해서 geopolymer 기재를 형성하기 위한 원소들이 공급된다.
용출된 이온과 천가된 강알칼리성 용액 내에 존재하는 Na+, K+이온과 사용된 원료 내에 존재하던 Ca2+이온들은 응축 및 중합반응을 통해서geopolymer를 형성하게 된다. 이 때 geopolymer 반응은 물을 탈수하면서 중합반응을 하기 때문에 시멘트의 물의 흡수하는 반응과는 사뭇 다르다. 이 geopolymer 반응에 의해서 Si-O-Al 의 링 폴리머 구조의 단량체가 형성되며, 이것이 폴리를 형성한다.
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