혼화제와 구별되는 혼화재의 정의와 플라이애시, 플라이애시의 발생, 포졸란 반응, 플라이애시 사용한 콘크리트의 성질에 대해서 알아보겠습니다.
혼화재
콘크리트의 워커빌리티의 향상, 수화열의 저감, 수축저감, 혹은 알칼리성 저감 등의 목적으로 이용되고 있는 혼화재료로서, 플라이애시와 같이 비교적 다량으로 이용되고 있는 것을 혼화 재라 칭하여 혼화제와 구별하고 있다.
(1) 플라이애시
플라이애시는 석탄을 미분말 형태의 연료로 사용하는 화력발전소에서 이를 연소할 때, 굴뚝을 통해 대기 중으로 날아가는 재(ash)를 집진장치 로 포집한 것이다. 이러한 플라이애시는 천연적으로 발생하는 포졸란과 유사한 성질을 가지고 있는데, 이러한 특성으로 인해 콘크리트용 혼화재 료로 사용한다. 혼화재로서의 플라이애시는 에너지 소비제품인 시멘트 사 용량의 절감, 폐기물의 재활용으로 인한 자원의 절약, 그리고 폐기처리 비용의 감소 등 환경적 및 경제적인 측면에서 기여도가 높은 재료이다.
1) 플라이애시의 발생
석탄 화력발전소에서 연소실 보일러 하부 호퍼에 떨어진 석탄재를 바텀애시라 하고, 석탄재 중 약 10~25%를 차지하며 덩어리 모양의 이다. 이들은 취약하고 활성이 없으므로 성토매립용, 콘크리트용 잔 등으로 사용되고 있다. 절단기 및 공기예열기의 하부 호피에 떨어진 신더애시라 하는데, 입경 0,1mm 정도 이하의 미분말로 약 5% 정도 된 차지 한다. 전기집진장치에서 포집된 재를 EP애시 또는 플라이애시라 고 석탄재 중 약 70~85%를 차지한다. 희수 된 플라이애시 및 신미에 의 이용분야는 여러 가지이나 주로 레미콘용 혼화재료로 사용된다.
2) 포졸란 반응
플라이애시는 자체만으로는 수화하지 않고 Ca(OH)2와 알칼리 등을 침 가하게 되면 반응하여 고화하는 포졸란의 일종이며, 수화생성물은 C-S -H, C4AH13(CaA Ca(OH) 2. 12H₂O)이다. 플라이애시를 사용한 콘크리 트의 수화생성물은 보통포틀랜드시멘트의 경우와 거의 동일하지만, 생성하는 C-S-H의 Ca/Si비는 포틀랜드시멘트 및 고로시멘트의 경우보다는 낮다. 플라이애시의 포졸란 반응은 3단계로 진행되는데 제1단계에서는 액상으로부터 플라이애시 입자 표면에 Ca⁺가 이동하고, 제2단계에서는 플라이애시의 입자 표면에 Ca(OH) 2가 석출 하고, 제3단계에서는 플라이 애시의 입자 표면의 Ca(OH) 2와 플라이애시의 유리상이 반응하여 C-S- H와 CLASH』이 생성된다.
4) 플라이애시를 사용한 콘크리트의 성질
① 워커빌리티 :
플라이애시의 밀도는 시멘트보다 적기 때문에 시멘트 의 일부를 플라이애시로 중량 대체 사용하는 경우, 플라이애시와 시멘트를 합한 결합재의 용직은 시멘트만을 사용할 때에 비하여 크 트위 유동성을 개선시켜 소요의 슬럼프를 확보하기 위한 콘크리트 게 된다. 일반적으로 둥근 모양의 플라이애시 입자는 시멘트페이스의 단위수량을 감소시킨다. 이것은 상대적으로 콘크리트 중의 결합 재량이 많은 부배합의 효과를 나타내어 성형성 및 재료분리 저항성을 비롯한 굳지 않은 콘크리트의 성질을 개선한다. 그러나 탄소량이 많은 플라이애시는 거친 입자의 함유비율이 높게 되면 일반적으로 단위수량을 증가시키는 경우가 많다.
② 블리딩 :
플라이애시의 사용에 따른 미분말 용적의 증가는 콘크리트 내부에서의 수분이동을 감소시키며 워커빌리티 확보에 필요한 소요 의 수량을 줄임으로써 공기의 연행 여부에 관계없이 콘크리트의 블리딩을 억제한다.
③ 화학 혼화제의 흡착 :
플라이애시는 굳지않은 콘크리트의 공기량과 연행한 AE공기에 의한 공극의 안정성에 영향을 미친다. 콘크리트 중의 갇힌 공기량은 통상적으로 1% 전후의 값을 나타내지만 미분 말 재료인 플라이애시를 사용할 경우, 골재 사이의 공극을 채우는 특성으로 인해 공기량이 0.5% 정도까지 낮아진다. 이와 더불어 AE제를 사용할 경우, 일정한 공기량을 유지하기 위한 AE제 첨가 량은 플라이애시 중의 미연소 탄소량, 강열감량, 분말도 및 유기재 료의 양에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 요 인 중 가장 중요한 플라이애시 중의 미연소 탄소량은 실험을 통해 구하는 것이 쉽지 않기 때문에 강열감량으로서 미연소 탄소의 영향을 평가하는 것이 일반적이다.
④ 수화열 :
콘크리트의 수화속도와 열발생속도는 시멘트량과 시멘트의 종류, 구조물의 크기, 타설방법, 타설 시의 콘크리트 온도와 양생온 도 등에 따라 달라진다. 특히 서중에 단위시멘트량이 큰 매시브한 콘크리트를 타설 할 경우 수화열에 의해 발생하는 구조물에서의 열 변형은 무시할 수 없을 만큼 크다. 이러한 수화열로 인한 온도상승을 시멘트의 일부를 플라이애시로 대체함으로써 감소시킬 수 있다.
⑤ 압축강도 :
플라이애시를 사용한 콘크리트의 재령에 따른 강도와 강 도발현속도는 주로 플라이애시 치환율의 영향을 받는다. 일반적으 로 플라이애시를 혼합한 콘크리트의 재령 28일 이전의 강도는 동일 한 28일 강도를 목표로 배합한 보통 콘크리트와 비교하여 낮게 발 현되는 것이 보통이다. 그러나 재령 28일 이후에 포틀랜드시멘트의 강도에 대한 기여속도가 완화된 이후에도 포졸란 활성에 필요한 수 분의 공급이 계속되면 플라이애시의 장기간에 걸친 강도증진에 대 한 기여로 인해 콘크리트는 시멘트량을 증가시켜서 얻을 수 있는 강도보다 높은 강도를 가지게 된다.
⑥ 알칼리골재반응 :
콘크리트의 알칼리 골재반응 중에서 가장 대표적 인 것이 알칼리-실리카 반응이며, 이것은 시멘트 중의 알칼리와 골 재에 포함된 반응성 실리카가 반응함으로써 콘크리트에 팽창성 균 열이 발생하는 현상이다. 플라이애시 중의 규산질 유리와 시멘트페 이스트 중에 존재하는 수산화 알칼리의 반응은 알칼리를 소비하여 이것은 반응성 실리카를 포함하고 있는 골재와 알칼리의 팽창성 반에 대한 효율성을 감소시켜 알칼리골재반응 억제에 유효하다. ③ 황산염 저항성 : 콘크리트 외부로부터 침입한 황산염은 콘크리트 내 부에서 원래의 시멘트 반응생성물보다 용적이 큰 물질을 생성하는 화학적 반응을 일으킴으로써 콘크리트의 팽창을 초래한다. 일반적으로 이 반응은 황산염과 칼슘설퍼알루미네이트를 생성하는 성분의 반응으로 일어난다. 따라서 이 반응으로 인한 손상은 시멘트 중에 서 CA의 양을 최소화함으로써 감소시킬 수 있다. 플라이애시의 포졸란 반응은 콘크리트 중에서 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H)을 추가로 형성하며, 이러한 현상은 시멘트페이스트에서의 모세관 공 극을 채우고 투수성과 황산염 용액의 침입을 감소시킴으로써 황산 염 저항성을 개선한다.
⑧ 수밀성 :
콘크리트의 수밀성에 영향을 주는 요인으로는 결합재, 단 위수량, 골재입도, 밀도, 양생효과 등이 있다. 일반적으로 시멘트 수화에 의해 석출된 수산화칼슘은 수용성이기 때문에 물의 침투를 받으면 용해되기 쉽다. 그러나 포졸란 특성을 갖는 플라이애시를 사용하면 C-S-H를 생성할 때, 칼슘, 칼륨, 나트륨과 반응하기 때 문에 수산화칼슘이 용해될 가능성은 줄어들게 된다. 초기재령에서 플라이애시를 혼입 한 콘크리트의 수밀성은 플라이애시를 사용하지 않은 콘크리트보다 낮지만, 장기적으로는 플라이애시의 포졸란 반 은으로 인하여 현저하게 증대된다. 이는 물의 침투를 억제하기 때 문에 콘크리트구조물의 물리적, 화학적 침식에 대한 저항성이 증대될 뿐 아니라 내구성도 개선된다.
마치며
지금까지 혼화제와 구별되는 혼화재의 정의와 플라이애시, 플라이애시의 발생, 포졸란 반응, 플라이애시 사용한 콘크리트의 성질에 대해서 자세하게 알아보았습니다.