알루미노 실리케이트계 무기화합물로부터 지오폴리머의 제조와 이를 활용한 패각 코팅

Abstract

전 세계적으로 온실가스 감축을 의무화하는 의정서가 공식 발효되었다. 지구온난화로 인한 각종 자연재해 발생빈도가 증가하고 있는 가운데 세계 각국에서는 지구온난화의 주범인 CO2의 발생량을 줄이기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 자원이 거의 없고 에너지 다소비형 산업구조를 가진 우리로서는 무엇보다 대체에너지 개발과 산업구조 전반에 걸친 환경 친화적 산업으로의 전환이 시급하다. 현재 대부분의 건설, 토목 등의 현장에서 일반적으로 사용되는 콘크리트는 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하고 있다. 이와 같은 콘크리트의 재료가 되는 포틀랜드 시멘트를 제조하기 위해서는 많은 자원과 에너지를 소비하여야만 한다. 특히, 시멘트 제조는 지구온난화의 주요 원인으로 지적되고 있는 CO2 가스를 대량으로 발생시켜, 시멘트 제조하는데 방대한 양의 CO2 가스를 방출하는 것으로 알려져 있다. 전 세계적으로 포틀랜드 시멘트의 제조량은 해마다 증가하고 있다. 또한 시멘트를 생산함에 있어 주원료가 석회석인데, 이를 채광 하는 과정에서 발생되는 산림의 훼손이나 부산물은 환경에 보다 많은 부담을 주고 있는 실정이다. 이에 부응하여 최근 세계적으로 관심이 집중되고 있는 연구, 생산 분야는 천연자원 사용량을 줄이고 소성 공정을 도입하지 않은 새로운 개념의 비소성 무기계 바인더를 개발하고자 하는 것이다. 현재 비소성 무기바인더의 역할을 수행할 수 있는 물질로는 산업부산물/폐기물인 플라이애시, 슬래그 및 brick powder와 천연원료인 점토 및 하소 kaolin 등이 있다. 그중 플라이애시와 슬래그는 시멘트에 혼합사용 시, 시멘트 수화물과 반응하여 최종 제품의 물성을 양호하게 하는 재료이다. 특히, 슬래그는 알칼리 자극에 의해 자체적으로 수화할 수 있는 잠재 수경성을 갖는 대표적 물질로 알려져 있으나 플라이애시는 자체적으로 수화할 수 있는 잠재 수경성을 거의 발휘하지 못하지만 유럽 및 미국 등의 선진국에서는 플라이애시 자극제로 알칼리 용액을 사용하여 응결, 경화시키고자 하는 연구가 다수 진행되고 있으며, 일부에서는 이미 상품화하여 사용되고 있다. 최근 실온에서 합성된 알루미노 실리케이트는 우수한 물리적, 화학적 특성으로 연구 동향의 주요관심사로 대두되고 있다. 합성 알루미노 실리케이트는 천연원료를 사용하는 시멘트와 달리 산업 폐기물을 사용하고 고온 소성반응을 거치지 않으므로 경제적 측면에서도 대단한 장점을 가지고 있다. 특히 제조 방법에 따라 시멘트보다 우수한 물리적 특성을 나타내기도 하여 상업적 관심이 고조되고 있으며 이러한 알루미노실리케이트를 무기결합재 혹은 지오폴리머라고 명명하고 있다. 이에 본 연구에서는 친환경적이면서 각종 시멘트 대체소재로 응용하기 위해 자원 재활용 측면과 환경오염 방지를 목적으로 산업 부산물인 플라이 애시와 메타카올린을 이용하여 지오폴리머를 제조하였다. 지오폴리머를 제조 시 알칼리 활성제의 몰농도 및 물유리 양을 변화시켜 제조하고 미세구조와 압축강도에 미치는 영향을 고찰하였다. 최종적으로 자원 재활용 측면과 환경오염 방지를 목적으로 산업 부산물인 플라이 애시와 메타카올린을 이용하여 앞서 실험에서 우수한 조건을 가진 지오폴리머를 제조한 후, 이를 이용하여 콘크리트 표면 위에 패각을 코팅시킨 블록을 제조하였다. 이 과정에서 패각의 크기 변화에 따른 중합반응 특성과 시멘트와의 접착 특성에 미치는 영향을 비교 관찰하였는데, 이러한 연구결과는 각종 인공어초나 생태 블록 제조에 활용이 가능할 것으로 사료되었다.|The weather change has become an international environmental problem due to global warming resulting from the waste gas of green house gases, such as CO2. Recently, portland cement has been restricted because CO2 is dangerous to health and environment. As demand for concrete as a building material increases, the production of portland cement and emission of CO2 are ever increasing. Thus, it is necessary to reduce the amount of CO2 from cement industries. Geopolymer is a term covering a class of synthetic aluminosilicate materials with potential use in a number of areas, but dominantly as a replacement for portland cement. The geopolymer is prepared from the compound of aluminosilcate-based materials, high alkaline solution and sodium silicate, and is activated with temperature curing. The geopolymer can be a benefit to provide probably the greatest chance for commercial use of technology due to the material supply derived from coal-fired electricity generation. The geopolymer can be used as an eco-friendly substance because it can reduce CO2 emissions in cement industry. Therefore, in this study, we fabricated a geopolymer concrete using inorganic binder from industrial by-product, and the effects of alkali activator content or water glass amount on the microstructure and compressive strength of geopolymer were investigated. Two types of alkali activator, i.e, sodium hydroxide and potassium hydroxide were used. Alkali activator(sodium hydroxide and potassium hydroxide) and water glass(sodium silicate solution) were dissolved in distilled water at room temperature, respectively. This alkaline solution was added to inorganic binder powders at the ratio of 1 to 2.5 (alkaline solution: inorganic binder powders) under vigorous stirring for 10 minutes, then the geopolymer was obtained. The compressive strength of geopolymers was dependent on the concentration of alkali activators. It may be caused by that alkali activator improves curing of concretes and generates capillary force to result in denser microstructure. It was found that geopolymers using KOH activator showed the higher value of compressive strength, compared with NaOH activated geopolymers. Also, geopolymers using fly-ash geopolymer showed the higher value of compressive strength, compared with meta-kaolin geopolymers. High polymerization and high density of geopolymers are very important to obtain high compressive strength, so we tried to control the amount of water glass. In this experiment and investigated the effect of water glass content on microstructure and compressive strength of geopolymer. 12 M KOH solution, as alkali activator, was mixed with sodium silicate solution with different concentration. Compressive strength of the geopolymer increased because water glass improved the extent of polymerization of the inorganic binder and resulted in dense microstructure. As increasing amount of water glass, dissolved inorganic binder particles in geopolymer increased due to polymerization and dense microstructure. The fly-ash based geopolymer showed the higher value of compressive strength than that of meta-kaolin geopolymer. We obtained the geopolymer having maximum compressive strength of 154 kgf/m2 by using fly-ash powder, 12 M KOH and 40 wt% of water glass. This result can be useful for applications in various cement industry. Finally, we fabricated shell-coating bloc using geopolymer to produce eco-friendly bloc creating attachment and growth of environmental organisms.