032. 혼화재료의 특징과 포졸란(Pozzolan)반응
*시공71회1교시-9. Pozzolan (포졸란)
*토목72회1교시3. 실리카 퓸(Silica fume)
*시공77회4교시-3. 플라이애쉬(Fly-Ash)가 치환된 레디믹스트 콘크리트가 현장에 납품되고 있는데 이에 대하여 시공관리상 현장에서 조치하여야 할 사항을 기술하시오.
*시공82회3교시-1. 콘크리트 공사에 사용되는 혼화재료의 종류와 특징에 대하여 기술하시오.
*시공84회1교시-1. 혼화재
*시공87회1교시-10. 실리카 흄(Silica Fume)
[요약]
1. 혼화재료중 혼화재(additive)는 시멘트중량의 5%이상첨가하며 용적고려하며, 혼화제(agent)는 시멘트중량의 1%전후 첨가하며 용적고려 안함
2. 포졸란(Pozzlan)은 그자신은 수경성이 없으나 물에 용해되어있는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 물에 녹지않는 화합물을 만들수 있는 미분상태의 물질
3. 포졸란에는 응회암, 규조토와 같은 천연 포졸란과 소성점토, 실리카겔, 실리카흄, 플라이애쉬 같은 인공포졸란일 있다.
4. 포졸란반응이란 포졸란 물질에서 용출된 SiO2, Al2O3 같은 가용성분이 시멘트 구성 화합물인 C3S, C2S 등이 수화할 때 생성된 Ca(OH)2와 서서히 반응하여 불용성 칼슘실리케이트 수화물(C-S-Hgel) 이나 칼슘알루미네이트 수화물(C-A-H gel)을 형성하여 그 조직을 더욱 치밀하게 만드는 것이다.
5. 포졸란반응물질에는 플라이애쉬, 실리카흄, 왕겨재, 천연포졸란이 있다.
[해설]
1. 혼화재료란 ?
(1)시멘트, 물, 골재 이외의 재료로서 혼합시 필요에 따라 콘크리트 성분으로 첨가하여 굳지 않은 콘크리트나 경화한 콘크리트의 성질개선이나 공사비절약의 목적으로 사용하는 재료이다.
(2)비교적 다량으로 사용되는 고체입자로서 콘크리트의 실질구성재가 되는 것을 혼화재(additive)라 한다. 시멘트 중량에 대하여 5%이상 첨가하는것이며 용적으로 고려
->고로슬래그 미분말, 실리카퓸, 플라이애시
(3)사용량이 비교적 적어서 약품적인 성질인 것을 혼화제(agent)라고 하고,
시멘트 중량에 대하여 1%전후 첨가하는 것이며 용적으로 고려안함
->AE제, 감수제, 지연제, 촉진제 등
2. 혼화재(Additive)
(1)Pozzlan
-화산회, 화산암의 풍화물로, 가용성 규산을 많이 포함하고, 그 자신은 수경성(水硬性)은 없으나 물의 존재로 쉽게 석회와 화합하여 경화하는 성질의 것을 총칭해서 말한다. 시멘트 혼합재, 용성 백토, 규산 백토, 의회암의 풍화물 등의 천연 포졸란과 플라이애시(fly-ash) 등의 인공 포졸란이 있다. 위의 것과 같은 성질의 것이 처음에 이탈리아의 Pozzuoli에서 채취되었기 때문에 이 이름이 있다.
-시멘트의 원조는 불순물을 포함하고 있는 석고였는데, 이것은 이집트인들에 의해 피라미드를 축조하는데 사용되었다. 그 후에 로만 시멘트라는 다른 물질을 포함하고 있는 석회가 보급되어 사용되었으며, 이 물질이 현재 포졸란이라 불리우는 물질이다.
-포졸란이란 그 자신만으로는 수경성을 갖지 않지만, 물에 용해 되어 있는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 물에 녹지 않는 화합물을 만들 수있는 미분상태의 물질을 일컫는다. 포졸란에는 응회암, 규조토와 같은 자연에서 얻을 수 있는 천연 포졸란과 소성 점토, 실리카 겔, 실리카 흄, 플라이애쉬 등과 같이 인공적으로 만들어진 인공 포졸란이 있다.
(2)포졸란의 특징
①시공연도 향상, 블리딩 및 재료분리 감소
②장기강도, 인장강도 증대
③내구성, 수밀성 향상
3. 포졸란반응(Pozzolanic reaction)에 대하여...이승헌(군산대학교 재료•화학공학부 교수)
(1)포졸란 반응(Pozzolanic reaction)의 메커니즘
포졸란반응의 메커니즘을 간단히 살펴보면 포졸란 물질에서 용출된 SiO2, Al2O3 같은 가용성분이 시멘트 구성 화합물인 C3S, C2S 등이 수화할 때 생성된 Ca(OH)2와 서서히 반응하여 불용성 칼슘실리케이트 수화물(C-S-Hgel) 이나 칼슘알루미네이트 수화물(C-A-H gel)을 형성하여 그 조직을 더욱
치밀하게 만드는 것이다. 반응식을 쓰면 다음과 같다.
Ca(OH)2 + [SiO2 , A l2O3] = 3CaO·2SiO2·3H2O
3CaO·A l2O3·6H2O
(2) 포졸란 반응 물질
보통 포졸란 반응을 일으키는 물질은 시멘트 혼화재 또는 콘크리트 혼합재로 주로 쓰이고 있다. 그 이유는 앞서 설명한 것과 같이 내구성 및 내해수성, 내화학성이 포졸란 반응으로 인해서 개선되기 때문이다. 이제 포졸란 반응을 일으키는 물질에 대하여 좀 더 자세하게 알아보도록 하자.
일반적으로 알려진 포졸란 물질은 천연 포졸란인 응회암, 규조토와 인공 포졸란인 플라이 애쉬, 실라카 흄 등이다.
가. 플라이 애쉬 (Fly ash)
플라이 애쉬는 미분탄을 연료로 사용하는 화력발전소 등의 연소 보일러에서 1400℃ 정도의 고온연소과정에서 배출되는 폐가스 중에 포함된 석탄재를 집진기에 의해 회수한 특정 입도 범위의 입자로서 원탄의 약 15~40%정도가 발생된다. 플라이 애쉬는 포졸란 반응을 일으키는 대표적인 물질이기는
하나 산업부산물이기 때문에 물성변화가 심하여 사용에 주의를 요한다. 플라이 애쉬를 포틀랜드 시멘트와 함께 분쇄하여 혼합한 플라이 애쉬는 구상입자이기 때문에, 입자끼리 미끄러져서 볼 베어링(ball bearing) 작용에 의해유동성이 개선된다. 이 때문에 콘크리트에 필요한 단위수량을 감소시키고,
작업성의 향상을 꾀할 수 있다. 또 플라이 애쉬는 단독으로 수경성을 갖지않지만, 포졸란이나 백토처럼 가용성 SiO2를 다량 함유하고 있기 때문에,C3S, C2S에서 유리된 Ca(OH)2와 포졸란 반응을 일으켜, 불용성 C-S-H gel을 생성한다. 따라서 재령 28일까지의 단기강도는 낮지만, 6개월 이상의 장기강도는 보통 포틀랜드 시멘트보다 우수하다고 알려져 있다. 그리고 또한 포졸란 반응에 의해 생성된 수화물이 조직을 치밀하게 하기 때문에, 방수성,화학적 저항성 모두 증가한다고 알려져 있다. 수화열 또한 낮아서 매스 콘크리트공사에도 적합하다.
나. 실리카 흄 (Silica fume)
1)실리카흄이란?
-실리카흄은 실리콘, 페로실리콘, 실리콘 메탈 생산산업의 전기로에서 발생되는 부산물로서 가스형태로 포집된 비정질 산화실리콘(SiO2)이다. 산업 부산물로 발생한 실리카흄은 강도 및 내구성 증진 등의 효과 때문에 건설용 혼화재료로서 폭넓게 사용되고 있는 제품이다.
-실리카흄은 실리콘이나 페로실리콘 등의 규소합금을 전기로에서 제조할 때 배출가스에 섞여 부유하여 발생하는 초미립자 부산물을 말한다.
2)실리카흄의 구성과 성분
-규소합금 제조를 위한 원료로 규석, 석탄, 목편, 철가루 등과 환원제인 코크스를 전기로에 투입하여 약 2,000℃의 고온에서 페로실리콘을 제조하는 도중에 중간 생성물인 SiO로 가스화하여 이것이 공기에 의해 산화하여 SiO2 초미립자로 생성된다.
-주로 비정질 결정인 실리카흄은 약 30% 이상이 구형의 입자로 구성되어 있으며, 비중은 2.2정도이다. 입자의 크기는 대부분이 1㎛이하이고, 평균이 약 0.1㎛ 정도이다.
-분말도는 200,000cm2/g 정도인데, 이것은 담배연기의 약 2배, 포틀랜드 시멘트의 약 50배정도이다. 단위용적중량은250~300kg/m3 정도이다.
-화학적 성분은 대부분 90%이상의 비결정질 SiO2로 이루어져 있으며, 생산되는 실리콘이나 합금의 종류에 따라 변하게 된다.실리카흄은 분말도가 아주 높고, 실리카량이 많기 때문에 매우 효과적으로 포졸란 반응을 일으키는데, 시멘트가 수화반응을 일으키는 동안 석회와 포졸란 반응을 일으켜 안정된 칼슘실리케이트 수화물을 생성한다.
3)실리카흄의 특징
- 블리딩 감소, 강도 증진 및 고강도 발현
- 화학 저항성, 동결 융해 조항 성능, 특수 저항 성능 향상
- 전지저항 성능 향상, 철근 부식 방지에 매우 효과적
4)실리카흄의 용도
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① |
숏크리트용 혼화재 |
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② |
초고층 건물에 적용하기 위한 고강도 콘크리트 제조용 |
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③ |
다양한 콘크리트 구조물 성능 향샹을 위하여 적용가능
(해양구조물, 화학단지, 폐수장 등의 건설을 위한 콘크리트 제조) |
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④ |
시멘트 2차 제품에 적용 |
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⑤ |
기타 내화물의 제작 등 |
몰탈 제품- 숏크리트, 콘크리트 보수 몰탈, 펌핑 그라우트, 방수 제품 등
콘크리트 제품- 교량, 터널, 포장, 도로, 주차빌딩, 공항, 수중 콘크리트, 프리캐스트 콘크리트 제품
다. 왕겨재(Rice husk ash)
왕겨는 벼 1톤 당 200kg 정도가 배출되며 이것을 연소시키면 약 40kg 정도의 왕겨재가 얻어진다. 매년 상당량의 왕겨재 중에서 일부가 퇴비나 발전용 연료로 사용되기도 하지만 주로 폐기 처분되는 등 왕겨재에 대한 활용예는 매우 드물다.
저온에서 짧은 시간에 탄화시켜 얻은 왕겨재는 비정질의 실리카로 주로 구성되어 있으며 매우 큰 표면적(50~60m2/g)을 갖고 있기 때문에 포졸란 반응성이 매우 좋다. 왕겨재의 입자는 플라이 애쉬나 실리카흄과 달리 입자 자체의 내부 공극이 많고 표면형상이 복잡하기 때문에 큰 표면적을 갖는 것이 특징이다. 따라서 왕겨재를 시멘트와 혼합한 경우에는 표준주도를 얻기 위한응결수량이 증가하게 되고, 동일 물/시멘트 비에서는 플로값이 감소하게 된다. 또한 동일 물/시멘트 비에서 왕겨재를 2~3% 정도로 혼합하였을 때에는 블리딩과 재료분리를 줄이며 콘크리트의 안정성과 작업성을 증가시키기도 하지만 치환량이 증가될수록 감수제를 첨가하지 않는 한 작업성이 나빠지게 된다. 또한 고강도 매스콘크리트에 사용하였을 경우에는 수화열을 억제하는효과가 크며, 콘크리트에 10% 정도를 첨가하였을 경우 알카리-실리카 팽창반응을 감소시키는 효과가 있다.
라. 천연 포졸란
규조토를 제외한 대부분의 천연 포졸란은 화산재와 같은 화성암으로 광물로부터 얻어진다. 화산재, 응회암, 규산백토, 규조토 등이 천연 포졸란에 해당되며 주성분에 따라서 실리카, 알루미나질인 것과 실리카질인 것으로 분류하거나, 흑요석, 응회석, 규조토, 소성점토 등으로 분류하기도 한다.
(1) 화산유리(흑요석, Volcanic glasses)
실리카, 알루미나질인 화산유리는 화산분화에 의한 마그마가 분출되어 대기 중에서 급냉되면서 미세한 입형을 가진 비정질의 표면적이 큰 다공성의 구조를 갖게 된다. 이것이 포졸란 반응성을 높이는 요인이 된다.
(2) 점토질 포졸란
화산유리는 포졸란 성질을 강화시키기 위해 별도의 열처리 없이 사용할 수 있으나 점토질 포졸란은 열처리를 하여 점토광물의 결정구조를 파괴하지 않으면 포졸란 반응성이 낮아서 경화가 잘 진행되지 않는다. 따라서600~900℃ 정도에서 하소시켜 비정질 구조를 형성시키거나 실리카, 알루미나 구조를 불규칙하게 형성시킴으로서 포졸란 반응성을 높일 수 있다.
(3) 실리카질 포졸란
실리카질 포졸란 중에서 규조토는 규조류의 유체가 해저, 호수, 늪에 침전하여 형성된 규산질 퇴적암이다. 규조토는 석회와 반응성이 매우 좋지만 자체의 특수한 미세구조 때문에 콘크리트의 혼합시 많은 수량이 요구되며 이것이 콘크리트의 내구성과 강도에 해로운 영향을 미치게 된다. 아울러 규조
토에 섞여 있는 점토질 성분이 포졸란 반응을 저해하는 요인이 되므로 이것 역시 혼화재로 사용하기 전에 열처리를 해야 한다.
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[출처]
포졸란부분...시멘트협회 이 승헌(군산대학교 재료•화학공학부 교수)논문 참조
실리카흄부분...케미콘 http://www.chemicon.co.kr/C_chemistry/che_step12.asp