WO2023003305A1 - 석탄가스화기 플라이애시를 이용한 고강도 플라이애시 시멘트 조성물 - Google Patents

석탄가스화기 플라이애시를 이용한 고강도 플라이애시 시멘트 조성물 Download PDF

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김창현
이창용
심혜림
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김창현
이창용
심혜림
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Definitions

  • the present invention relates to a high-strength fly ash cement composition using coal gasifier fly ash, and more specifically, a coal gasifier fly ash having a higher specific surface area and calcium oxide content than general coal-fired fly ash in a specific content with Portland cement.
  • a fly ash cement composition capable of realizing superior initial and long-term compressive strength than Portland cement type 1.
  • bituminous coal which is a power generation fuel
  • the mixed combustion ratio of imported bituminous coal for power generation is set according to calorific value, and there is no standard for chemical composition.
  • the mixing amount of fly ash is increased, the initial compressive strength is greatly reduced. Therefore, in the KS standard, as shown in Table 1 below, only the minimum strength of the fly ash cement compressive strength is specified as a type regulation according to the amount of fly ash mixture.
  • fly ash cement and ready-mixed concrete which are the sources of fly ash, mix fly ash at about 15% or less. This is due to the long-term strength and fuming properties of cement. When mixing more than 15%, the initial strength is significantly lowered, so the use of fly ash cement is avoided at construction sites.
  • fly ash from coal gasifiers which is fly ash generated from coal gasifiers
  • the generation amount is 70 to 100 tons per day, annual Approximately 2 to 2.5 million tons are generated.
  • fly ash from coal gasifier are particularly high powder, silica content of about 55%, showing a constant amount, and calcium oxide concentration of about 7 to 12% higher than that of general coal-fired fly ash, resulting in pozzolanic and latent hydraulic reactions. has a feature that allows
  • fly ash cement in specific contents among the fly ash mixed and used in KS L 5211 fly ash cement, it is possible to compensate for the weakness of fly ash cement, the low initial strength, and portland cement 1
  • fly ash cement compositions capable of realizing superior initial and long-term compressive strengths than species.
  • An object of the present invention is to mix coal gasifier fly ash and Portland cement in a specific content, which have a higher specific surface area and calcium oxide content than general coal-fired fly ash, to compensate for the weakness of fly ash cement, which is the decrease in initial strength, , To provide a fly ash cement composition that can realize initial and long-term compressive strength superior to that of Portland cement type 1.
  • the present invention based on 100% by weight of the total composition, 45 to 80% by weight of Portland cement; And a coal gasifier fly ash cement composition comprising 20 to 55% by weight of coal gasifier fly ash, wherein the coal gasifier fly ash has a fineness of 12,000 to 14,000 cm 2 / g, based on 100% by weight of total fly ash
  • a coal gasifier fly ash cement composition comprising 54 to 61% by weight of SiO 2 , 7 to 12% by weight of CaO, 15 to 20% by weight of Al 2 O 5 and 4 to 6% by weight of Fe 2 O 3 . do.
  • a concrete composition comprising a cement composition and an aggregate, wherein the cement composition is the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention.
  • the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention contains a specific amount of coal gasifier fly ash and Portland cement, which have a higher specific surface area and calcium oxide content than general coal-fired fly ash, and thus has a higher flow value than Portland cement. It has excellent workability and low water consumption, so it can strengthen the initial strength part, which is the weakness of fly ash cement, and realize superior initial and long-term compressive strength than Portland cement type 1.
  • the initial compressive strength may increase by about 20% according to latent hydraulic reaction.
  • a dense cement mortar structure or a concrete structure can be made using the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention, for example, a dam structure requiring watertightness, a basement in contact with the water surface, waterproof It can be used suitably for fields requiring high strength and especially for concrete piles requiring high strength.
  • FIG. 3 shows electron micrographs of coal-fired power fly ash and coal gasifier fly ash.
  • Example 5 is a compressive strength graph showing the experimental results of Example 2.
  • Example 6 is a compressive strength graph showing the experimental results of Example 3.
  • Example 7 is a compressive strength graph showing the experimental results of Example 4.
  • Example 8 is a compressive strength graph showing the experimental results of Example 5.
  • Example 9 is a compressive strength graph showing the experimental results of Example 6.
  • the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention includes 45 to 80% by weight of Portland cement, based on 100% by weight of the total composition; And a coal gasifier fly ash cement composition comprising 20 to 55% by weight of coal gasifier fly ash, wherein the coal gasifier fly ash has a fineness of 12,000 to 14,000 cm 2 / g, based on 100% by weight of total fly ash 54 to 61 wt% of SiO 2 , 7 to 12 wt% of CaO, 15 to 20 wt% of Al 2 O 5 and 4 to 6 wt% of Fe 2 O 3 .
  • Coal gasifier fly ash produced in a coal gasifier has a powder fineness of 12,000 to 14,000 (84% or more with a particle size of 5 ⁇ m or less, see FIG. 2), 3,040 of normal fly ash (84% with a particle size of 80.75 ⁇ m or less), blast furnace slag
  • the fineness of the fine powder is significantly higher than that of 6,000 to 8,000, and the SiO 2 content is 54 to 61% based on 100% by weight of the total fly ash, which is smaller than that of general fly ash, and the CaO content is about 10%, comparable to that of general fly ash. It has an intermediate value of blast furnace slag.
  • the Fe 2 O 3 content is 4 to 6%, which is similar to that of Portland cement (see FIG. 1 and Table 2 below).
  • the composition of the slag injected into the gasifier is set to 2.0 to 2.5 for the SiO 2 /Al 2 O 3 ratio, and a certain amount of limestone and SiO 2 are injected. because it does
  • fly ash is produced by injecting air (21% oxygen, 79% nitrogen) into and burning coal pulverized in a coal-fired power plant, whereas fly ash from a coal gasifier uses only oxygen (about 100%) in the air. It is produced by gasifying coal.
  • the inside of the coal-fired power plant boiler maintains an oxidizing atmosphere as excess air is injected, while inside the coal gasifier, fly ash is generated in a reducing atmosphere formed by injecting less than the amount of oxygen required when coal is burned. .
  • fly ash Due to this difference in combustion conditions, fly ash is generated in general coal-fired boilers operated at 1,350 to 1,400 ° C, whereas fly ash in coal gasifiers is generated at a high temperature of 1,600 ° C. has a spherical shape (see Fig. 3). In the case of using coal gasifier fly ash having a spherical shape, the flow value ratio may increase compared to general fly ash.
  • fly ash cement is manufactured by reflecting the above characteristics of coal gasifier fly ash, it is possible to manufacture high-strength cement with improved initial strength.
  • the following are the characteristics of the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention.
  • coal gasifier fly ash cement composition of the present invention which is a mixture of Portland cement and coal gasifier fly ash in an appropriate mixture
  • Coal gasifier fly ash can penetrate between cement particles and make dense cement mortar structures or concrete structures.
  • it can be suitably used for areas requiring waterproofing, such as dam structures requiring watertightness, basements in contact with the water surface, sumps, and concrete piles requiring particularly high strength.
  • the initial strength can be improved compared to the existing fly ash cement, and the strength at 28 days can be greater than that of Portland cement type 1.
  • general fly ash cement has lower strength at 28 days than Portland cement, so the KS standard lowers the strength standard according to the amount of fly ash mixture.
  • the flow value ratio is a value representing the degree of flow of fly ash cement compared to cement, and the higher the flow value ratio, the better the workability.
  • the initial compressive strength may increase by about 20% according to latent hydraulic reaction.
  • Portland cement included in the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention may be one type of Portland cement, and the content of Portland cement is 45% by weight or more, 46% by weight or more, 47% by weight or more, 48% by weight or more, 49% by weight or more % or more or 50% by weight or more, and may be 80% or less, 79% or less, 78% or less, 77% or less, 76% or less, or 75% or less, for example, 45 to 80% by weight , 46 to 79 wt% or 47 to 77 wt%. If the content of Portland cement is less than the above value, the problem of low compressive strength may occur. Conversely, if the content is more than the above value, the content of coal gasifier fly ash is relatively small, resulting in an effect of improving the initial compressive strength of the cement composition. it can be insignificant
  • the content of the coal gasifier fly ash contained in the coal gasifier fly ash cement composition may be 20% by weight or more, 21% by weight or more, 22% by weight or more, 23% by weight or more or 23.5% by weight or more, 55% by weight or less, It may be 53 wt% or less, 50 wt% or less, 49 wt% or less, or 48 wt% or less, for example, 20 to 55 wt%, 21 to 53 wt%, or 22 to 48 wt%.
  • the effect of improving the initial compressive strength of the cement composition may be insignificant, and conversely, if the content is more than the above value, a problem of low compressive strength may occur.
  • the coal gasifier fly ash cement composition includes 47 to 77% by weight of Portland cement, based on 100% by weight of the total composition; And 22 to 48% by weight of coal gasifier fly ash, and may further include gypsum.
  • the initial compressive strength may increase by about 20% according to latent hydraulic reaction.
  • the additionally included gypsum may be dihydrate gypsum, and the content of gypsum may be 1% by weight or more, 1.2% by weight or more, 1.5% by weight or more, or 1.7% by weight or more, and 5% by weight or less, 4.5% by weight or less, 4% by weight or less. % or less, 3.5 wt% or less, or 3.2 wt% or less, and may be, for example, 1 to 5 wt%, 1.2 to 4.5 wt%, or 1.7 to 3.2 wt%. If the content of gypsum is less than the above value, the effect of further improving the initial compressive strength of the cement composition may be insignificant. Workability may deteriorate.
  • the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention may further include an admixture that is at least one of an AE water reducing agent, a fluidizing agent, an accelerator, a retardant, a rapid setting agent, a waterproofing agent, a foaming agent, or a foaming agent.
  • a concrete composition comprising a cement composition and an aggregate, wherein the cement composition is the coal gasifier fly ash cement composition of the present invention.
  • coal gasifier fly ash cement composition of the present invention which is a mixture of Portland cement and coal gasifier fly ash in an appropriate mixture, using the fact that the powder fineness of the fly ash of the coal gasifier is much higher than that of Portland cement of 3000, , Coal gasifier fly ash can penetrate between cement particles and make dense cement mortar structures or concrete structures.
  • a coal gasifier fly ash cement composition of the present invention having the composition shown in Table 5 was prepared, and a specimen was prepared as described below and the compressive strength was measured.
  • the compressive strength of the composition containing dihydrate gypsum at 3 days of age increased by 17% compared to the compressive strength of the composition without dihydrate gypsum.
  • the compressive strength of the composition containing dihydrate gypsum at 3 days of age increased by 24% compared to the compressive strength of the composition without dihydrate gypsum.
  • Portland cement type 1 coal gasifier fly ash composition with a weight ratio of 50:50
  • Portland cement type 1 coal gasifier fly ash: dihydrate gypsum composition with a weight ratio of 50:46.8:3.2
  • KS L ISO 679 Specimens were fabricated by applying the method and the compressive strength was measured.
  • the compressive strength of the composition containing dihydrate gypsum at 3 days of age increased by 23% compared to the compressive strength of the composition without dihydrate gypsum.
  • Coal gasifier fly ash cement 28-day compressive strength exceeded 9% of that of Portland cement and 2 types of fly ash cement that exceeded 17% of that of coal-fired fly ash cement were realized.
  • Coal gasifier fly ash cement 28-day compressive strength exceeded 36% of Portland cement's compressive strength, and 3 types of fly ash cements were realized with high strength exceeding 36% compared to 3 types of coal-fired fly ash cement.
  • Coal gasifier fly ash cement 28 days High-strength fly ash cement with compressive strength exceeding 15% of Portland cement type 1 and 43% of coal-fired power plant fly ash cement despite being a high volume fly ash cement.
  • Coal gasifier fly ash cement 28-day compressive strength exceeds 32 to 41% of Portland cement type 1 and 72 to 88% of fly ash cement type 3, despite being Class 3 and High Volume fly ash cement Fly ash cement was implemented.

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Abstract

본 발명은 석탄가스화기 플라이애시를 이용한 고강도 플라이애시 시멘트 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 일반 석탄화력 플라이애시 보다 비표면적과 산화칼슘함량이 높은 석탄가스화기 플라이애시를 포틀랜드 시멘트와 특정 함량으로 혼합함으로써, 플라이애시 시멘트의 약점인 초기강도 저하부분을 강화할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트 1종보다 우수한 초기 및 장기 압축강도를 구현할 수 있는 플라이애시 시멘트 조성물에 관한 것이다.

Description

석탄가스화기 플라이애시를 이용한 고강도 플라이애시 시멘트 조성물
본 발명은 석탄가스화기 플라이애시를 이용한 고강도 플라이애시 시멘트 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 일반 석탄화력 플라이애시 보다 비표면적과 산화칼슘함량이 높은 석탄가스화기 플라이애시를 포틀랜드 시멘트와 특정 함량으로 혼합함으로써, 플라이애시 시멘트의 약점인 초기강도 저하부분을 강화할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트 1종보다 우수한 초기 및 장기 압축강도를 구현할 수 있는 플라이애시 시멘트 조성물에 관한 것이다.
국내 대용량 석탄화력 발전소는 대부분 유연탄 발전소로서, 발전연료인 유연탄을 여러 국가에서 수입하고 있으며, 유연탄은 생산 국가, 광산, 지층에 따라 발열량 및 성상, 화학성분 등의 차이가 있다.
발전소에서는 전력생산을 위해 수입된 유연탄의 혼합 연소 비율을 발열량 기준으로 맞추고 있으며, 화학성분에 대한 기준은 없다. 이는 석탄화력 발전소에서 석탄 연소 후 발생하는 플라이애시의 화학적 성분의 편차가 클 수 있음을 의미한다. 따라서, 플라이애시 시멘트의 경우 초기 압축강도는 화학성분이 고려되지 않아 일정하지 않고, 포틀랜드 시멘트 대비 낮다. 또한, 플라이애시의 혼합량이 증가할 경우 초기 압축강도의 저하가 크다. 따라서 KS 규격에서는 하기 표 1과 같이 플라이애시 혼합량에 따른 종별 규정으로 플라이애시 시멘트 압축강도의 최소강도만을 규정하고 있다.
[표 1]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000001
한편, 플라이애시의 소요처인 플라이애시 시멘트 및 레디믹스트콘크리트(레미콘) 제조회사에서는 플라이애시를 약 15% 이하로 혼합하고 있으며, 혼합하는 주요 사유는 시멘트 대비 플라이애시의 가격이 저렴하다는 경제성과 플라이애시 시멘트의 장기강도 발연 특성 때문이다. 15% 이상을 혼합할 경우 초기 강도가 현저히 저하되어 공사 건설현장에서 플라이애시 시멘트 사용을 기피하고 있다.
한편, 석탄가스화기에서 발생하는 플라이애시인 석탄가스화기 플라이애시의 발생현황은 한국서부발전(충청남도 태안군 소재)에서 보유한 석탄가스화 발전소에서 국내 유일하게 발생하고 있으며, 발생량은 일 70 내지 100톤, 연간 약 2 내지 2.5만톤 발생하고 있다.
석탄가스화기 플라이애시의 특성은 분말도가 특히 높고, 실리카 함량이 약 55%로 일정한 양을 보이고 있으며, 산화칼슘 농도가 일반 석탄화력 플라이 애시에 비하여 약 7~12% 높아 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 할 수 있는 특징을 가지고 있다.
그러나 한국서부발전 태안화력 발전소에서는 일반 석탄화력 플라이애시와 석탄가스화기 플라이애시를 정제회 원료 저장조에 함께 저장하고 있어, 석탄가스화기 플라이애시를 별도로 관리하지 않고 있으며 KS L 5405 2종 제품으로써 관리하고 있다. 따라서 석탄가스화기 플라이애시가 갖는 있는 고유한 특성을 건설자재로 활용하는 것이 미흡한 실정이다.
따라서, KS L 5211 플라이애시 시멘트에 혼합되어 사용되고 있는 플라이애시 중 석탄가스화기 플라이애시와 포틀랜드 시멘트를 특정 함량으로 포함함으로써, 플라이애시 시멘트의 약점인 초기강도 저하부분을 보완할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트 1종보다 우수한 초기 및 장기 압축강도를 구현할 수 있는 플라이애시 시멘트 조성물에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 비표면적과 산화칼슘함량이 일반 석탄화력 플라이애시 보다 높은 석탄가스화기 플라이애시와 포틀랜드 시멘트를 특정 함량으로 혼합함으로써, 플라이애시 시멘트의 약점인 초기강도 저하부분을 보완할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트 1종보다 우수한 초기 및 장기 압축강도를 구현할 수 있는 플라이애시 시멘트 조성물을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 포틀랜드 시멘트 45 내지 80 중량%; 및 석탄가스화기 플라이애시 20 내지 55 중량%를 포함하는, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물로서, 상기 석탄가스화기 플라이애시는 분말도가 12,000 내지 14,000 ㎠/g이고, 플라이애시 총 100 중량%를 기준으로 SiO2 54 내지 61 중량%, CaO 7 내지 12 중량%, Al2O5 15 내지 20 중량% 및 Fe2O3 4 내지 6 중량%를 포함하는 것인, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 시멘트 조성물과 골재를 포함하여 이루어지는 콘크리트 조성물로서, 상기 시멘트 조성물은 상기 본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물인, 콘크리트 조성물이 제공된다.
본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물은, 비표면적과 산화칼슘함량이 일반 석탄화력 플라이애시 보다 높은 석탄가스화기 플라이애시와 포틀랜드 시멘트를 특정 함량으로 포함함으로써, 포틀랜드 시멘트 대비 높은 플로우값을 가짐에 따라 작업성이 우수하고 물 소요량이 적어 플라이애시 시멘트의 약점인 초기강도 부분을 강화할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트 1종보다 우수한 초기 및 장기 압축강도를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 플라이애시 시멘트 조성물에 추가적으로 석고를 투입하여 SO3 농도를 조절할 경우, 잠재수경성 반응 등에 따라 초기 압축강도가 약 20% 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물을 이용하여 치밀한 시멘트 몰탈 구조물 또는 콘크리트 구조물을 만들 수 있으며, 예를 들면 수밀성을 요하는 댐 구조물, 수면과 접촉하는 지하실, 배수조(Sump) 등 방수를 요하는 분야 및 특히 고강도를 필요로 하는 콘크리트 말뚝에 적합하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 석탄가스화기 플라이애시의 화학성분을 나타낸 것이다.
도 2는 플라이애시 별 입자크기 분포도를 나타낸 것이다.
도 3은 석탄화력 플라이애시와 석탄가스화기 플라이애시의 전자 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 포틀랜드 시멘트 1종과 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 3종의 시편 파단면의 전자 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5은 실시 예 2의 실험결과를 나타낸 압축강도 그래프이다.
도 6는 실시 예 3의 실험결과를 나타낸 압축강도 그래프이다.
도 7는 실시 예 4의 실험결과를 나타낸 압축강도 그래프이다.
도 8은 실시 예 5의 실험결과를 나타낸 압축강도 그래프이다.
도 9은 실시 예 6의 실험결과를 나타낸 압축강도 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물은 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 포틀랜드 시멘트 45 내지 80 중량%; 및 석탄가스화기 플라이애시 20 내지 55 중량%를 포함하는, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물로서, 상기 석탄가스화기 플라이애시는 분말도가 12,000 내지 14,000 ㎠/g이고, 플라이애시 총 100 중량%를 기준으로 SiO2 54 내지 61 중량%, CaO 7 내지 12 중량%, Al2O5 15 내지 20 중량% 및 Fe2O3 4 내지 6 중량%를 포함한다.
석탄가스화기에서 제조된 석탄가스화기 플라이애시는 분말도가 12,000 내지 14,000 (입도 5㎛ 이하 84% 이상, 도 2 참조)으로 일반 플라이애시의 분말도 3,040 (입도 80.75㎛ 이하 84%), 고로슬래그 미분말의 분말도 6,000 내지 8,000 대비 월등히 높으며, 플라이애시 총 100 중량%를 기준으로 SiO2 함량은 54 내지 61%로 변화폭이 일반 플라이애시 대비 작고, CaO의 함량은 약 10% 내외로 일반 플라이애시와 고로슬래그의 중간 값을 지니고 있다. 또한, Fe2O3 함량은 4 내지 6%로 포틀랜드 시멘트와 유사한 함량을 가지고 있다 (도 1 및 하기 표 2 참조).
[표 2]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000002
이러한 특성이 나타나는 원인은 태안화력 발전소에서 석탄가스화기 운전 시 가스화기에 투입되는 슬래그의 조성을 SiO2/Al2O3비를 2.0 내지 2.5로 설정하여 운전하고 있고, 일정량의 석회석과 SiO2를 주입하기 때문이다.
또한, 일반 플라이애시는 석탄화력 발전소에서 분쇄한 석탄을 공기(21% 산소, 79% 질소)를 주입하여 연소하여 제조되는 반면에, 석탄가스화기 플라이애시는 공기 중의 산소(약 100%)만을 사용하여 석탄을 가스화하여 제조된다.
석탄화력 발전소 보일러 내부는 과잉의 공기가 주입됨에 따라 산화성 분위기가 유지되는 반면, 석탄가스화기 내부는 석탄이 연소될 시 필요한 산소량보다 적게 주입됨에 따라 형성된 환원성 분위기에서 석탄가스화기 플라이애시가 발생하고 있다.
이러한 연소조건의 차이로 인해, 일반 석탄화력 보일러가 1,350 내지 1,400℃에서 운전되어 플라이애시가 발생하는 반면, 석탄가스화기 플라이애시는 1,600℃의 고온에서 발생하며, 이로 인하여 석탄가스화기 플라이애시는 모두가 구형을 형성하고 있다 (도 3 참조). 구형의 형태를 갖는 석탄가스화기 플라이애시를 사용하는 경우, 일반 플라이애시에 비해 플로우값비가 증가할 수 있다.
석탄가스화기 플라이애시의 상기 특성을 반영하여 플라이애시 시멘트를 제조하면 초기강도가 향상된 고강도의 시멘트를 제조할 수 있다. 다음 본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물의 특성을 나타낸 것이다.
첫 번째, 치밀한 콘크리트 구조물을 만들 수 있다.
석탄가스화기 플라이애시의 분말도가 포틀랜드 시멘트의 분말도 3000 대비 월등히 높은 점을 이용하여, 포틀랜드 시멘트와 석탄가스화기 플라애시를 적정한 배합으로 혼합한 본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물을 사용하면, 석탄가스화기 플라이애시가 시멘트 입자와 입자 사이로 침투하여 치밀한 시멘트 몰탈 구조물 또는 콘크리트 구조물을 만들 수 있다. 예를 들면 수밀성을 요하는 댐 구조물, 수면과 접촉하는 지하실, 배수조(Sump) 등 방수를 요하는 분야 및 특히 고강도를 필요로 하는 콘크리트 말뚝에 적합하게 사용될 수 있다.
두 번째, 초기강도를 기존 플라이애시 시멘트보다 향상시킬 수 있으며, 재령 28일 강도를 포틀랜드 시멘트 1종 보다 크게 할 수 있다. 반면, 일반 플라이애시 시멘트는 재령 28일의 강도가 포틀랜드 시멘트보다 낮아, KS 규격은 플라이애시 혼합량에 따라 강도 규격을 낮추어 정하고 있다.
고 분말도에 따른 시멘트와의 접착성 증가, SiO2 함량 54~61%에 따른 포졸란 반응, CaO 함량 10% 내외에 따른 잠재수경성 반응이 포틀랜드 시멘트보다 압축강도를 크게 할 수 있으며 기존 플라이애시 시멘트의 재령 28일 강도가 약한 단점을 해소할 수 있다.
세 번째, 포틀랜드 시멘트 대비 플로우값이 높아 작업성이 우수하고 물 소요량이 감소함에 따라 초기 압축강도가 증가하는 고강도 플라이애시 시멘트를 구현할 수 있다. 플로우값 비는 시멘트 대비 플라이애시 시멘트의 흐름 정도를 나타내는 값으로서, 플로우값 비가 높을수록 작업성이 우수하다는 것을 의미한다. 후술하는 바와 같이, 석탄가스화기 플라이애시와 기존 석탄화력 플라이애시의 플로우값을 조사하기 위하여 전문기관에 의뢰한 결과, 조사결과는 모두 110 이었다.
네 번째, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물의 포틀랜드 시멘트 대체량과 비례해서, 석고 함량을 추가함에 따라 SO3 농도를 조절하는 경우 잠재수경성 반응 등에 따라 초기 압축강도가 약 20% 증가할 수 있다.
본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물에 포함되는 포틀랜드 시멘트는 포틀랜드 시멘트 1종일 수 있으며, 포틀랜드 시멘트의 함량은 45 중량% 이상, 46 중량% 이상, 47 중량% 이상, 48 중량% 이상, 49 중량% 이상 또는 50 중량% 이상일 수 있고, 80 중량% 이하, 79 중량% 이하, 78 중량% 이하, 77 중량% 이하, 76 중량% 이하 또는 75 중량% 이하일 수 있으며, 예를 들면 45 내지 80 중량%, 46 내지 79 중량% 또는 47 내지 77 중량%일 수 있다. 포틀랜드 시멘트의 함량이 상기 수치보다 적은 경우 압축강도가 낮은 문제가 발생할수 있으며, 반대로 함량이 상기 수치보다 많은 경우 석탄가스화기 플라이애시의 함량이 상대적으로 작아져 시멘트 조성물의 초기 압축강도의 향상 효과가 미미할 수 있다.
석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물에 포함되는 석탄가스화기 플라이애시의 함량은 20 중량% 이상, 21 중량% 이상, 22 중량% 이상, 23 중량% 이상 또는 23.5 중량% 이상일 수 있고, 55 중량% 이하, 53 중량% 이하, 50 중량% 이하, 49 중량% 이하 또는 48 중량% 이하일 수 있으며, 예를 들면 20 내지 55 중량%, 21 내지 53 중량% 또는 22 내지 48 중량%일 수 있다. 석탄가스화기 플라이애시의 함량이 상기 수치보다 적은 경우 시멘트 조성물의 초기 압축강도의 향상 효과가 미미할 수 있고, 반대로 함량이 상기 수치보다 많은 경우 압축강도가 낮은 문제가 발생할 수 있다.
석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물은 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 포틀랜드 시멘트 47 내지 77 중량%; 및 석탄가스화기 플라이애시 22 내지 48 중량%를 포함하고, 석고를 추가로 포함할 수 있다. 석고 함량에 따라 SO3 농도를 조절하는 경우 잠재수경성 반응 등에 따라 초기 압축강도가 약 20% 증가할 수 있다.
추가로 포함되는 석고는 이수석고일 수 있으며, 석고의 함량은, 1 중량% 이상, 1.2 중량% 이상, 1.5 중량% 이상 또는 1.7 중량% 이상일 수 있고, 5 중량% 이하, 4.5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3.5 중량% 이하 또는 3.2 중량% 이하일 수 있으며, 예를 들면 1 내지 5 중량%, 1.2 내지 4.5 중량% 또는 1.7 내지 3.2 중량%일 수 있다. 석고의 함량이 상기 수치보다 적은 경우 시멘트 조성물의 초기 압축강도의 추가 향상 효과가 미미할 수 있고, 반대로 함량이 상기 수치보다 많은 경우 상대적으로 포틀랜드 시멘트 및 석탄가스화기 플라이애시의 함량이 작아져 압축강도 및 작업성이 열악해질 수 있다.
본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물은 AE감수제, 유동화제, 촉진제, 지연제, 급결제, 방수제, 기포제 또는 발포제 중 적어도 어느 하나인 혼화제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 시멘트 조성물과 골재를 포함하여 이루어지는 콘크리트 조성물로서, 상기 시멘트 조성물은 상기 본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물인, 콘크리트 조성물이 제공된다.
석탄가스화기 플라이애시의 분말도가 포틀랜드 시멘트의 분말도 3000 대비 월등히 높은 점을 이용하여, 포틀랜드 시멘트와 석탄가스화기 플라애시를 적정한 배합으로 혼합한 본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물을 사용하면, 석탄가스화기 플라이애시가 시멘트 입자와 입자 사이로 침투하여 치밀한 시멘트 몰탈 구조물 또는 콘크리트 구조물을 만들 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
석탄가스화기 플라이애시의 플로우값의 측정
전술한 바와 같이, 석탄가스화기 플라이애시와 기존 석탄화력 플라이애시의 플로우값을 조사하기 위하여 전문기관에 의뢰한 결과, 조사결과는 모두 110 이었다.
[표 3]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000003
동일 플로우값에서의 압축강도 측정
포틀랜드 시멘트와 석탄가스화기 플라이애시 시멘트에 물량조절을 통한 동일 플로우값을 만들어 압축강도를 측정하는 예비실험을 시행해 보았다. 시행결과는 하기 표 4와 같으며, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트를 적용하였을 경우의 압축강도는 재령 3일의 경우 W/C 비가 감소할 경우 19.5에서 27.9로 지속적으로 증가하였으나, 반면 포틀랜드 시멘트 1종의 경우는 W/C 0.45에서 최대 강도가 나타났고, 물량이 감소하면 오히려 강도가 저하되는 현상이 나타난다.
[표 4]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000004
실시 예 1
하기 표 5의 조성을 갖는 본 발명의 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물을 제조하여, 하기 설명과 같이 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였다.
① 포틀랜드 시멘트 1종 : 석탄가스화기 플라이애시의 중량 비율 75:25인 조성물과, 포틀랜드 시멘트 1종 : 석탄가스화기 플라이애시 : 이수석고의 중량 비율 75:23.3:1.7인 조성물을, W/C 비 0.4로 하여 KS L ISO 679 방법을 적용하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였다.
이수석고를 포함하는 조성물의 재령 3일의 압축강도는 이수석고를 포함하지 않는 조성물의 압축강도 대비 17%가 증가하였다.
② 포틀랜드 시멘트 1종 : 석탄가스화기 플라이애시의 중량 비율 60:40인 조성물과, 포틀랜드 시멘트 1종 : 석탄가스화기 플라이애시 : 이수석고의 중량 비율 60:37.4:2.6인 조성물을, KS L ISO 679 방법을 적용하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였다.
이수석고를 포함하는 조성물의 재령 3일의 압축강도는 이수석고를 포함하지 않는 조성물의 압축강도 대비 24%가 증가하였다.
③ 포틀랜드 시멘트 1종 : 석탄가스화기 플라이애시의 중량 비율 50:50인 조성물과, 포틀랜드 시멘트 1종 : 석탄가스화기 플라이애시 : 이수석고의 중량 비율 50:46.8:3.2인 조성물을, KS L ISO 679 방법을 적용하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였다.
이수석고를 포함하는 조성물의 재령 3일의 압축강도는 이수석고를 포함하지 않는 조성물의 압축강도 대비 23%가 증가하였다.
[표 5]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000005
실시 예 2
① 포틀랜드 시멘트 : 석탄화력 플라이애시 중량 비율 89:11, ②포틀랜드 시멘트 : 석탄가스화기 플라이애시 중량 비율을 89:11으로 하여 플라이애시 시멘트 조성물 2종을 만든 후, KS L ISO 679 방법을 적용하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다.
석탄가스화기 플라이애시 시멘트 28일 압축강도가 포틀랜드 시멘트 압축강도 대비 9%를 초과하고, 석탄화력 플라이애시 시멘트 압축강도 대비 17%를 초과하는 플라이애시 시멘트 2종을 구현하였다.
[표 6]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000006
실시 예 3
① 포틀랜드 시멘트 : 석탄화력 플라이애시 중량 비율 79:21, ②포틀랜드 시멘트 : 석탄가스화기 플라이애시 중량 비율을 79:21로 하여 플라이애시 시멘트 조성물 3종을 만든 후, KS L ISO 679 방법을 적용하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다.
석탄가스화기 플라이애시 시멘트 28일 압축강도가 포틀랜드 시멘트 압축강도 대비 27%를 초과하는 플라이애시 시멘트 3종을 구현하였다.
[표 7]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000007
실시 예 4
① 포틀랜드 시멘트 : 석탄화력 플라이애시 중량 비율 75:25, ②포틀랜드 시멘트 : 석탄가스화기 플라이애시 중량 비율을 75:25로 하여 플라이애시 시멘트 3종을 만든 후, KS L ISO 679 방법을 적용하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 도시하였다.
석탄가스화기 플라이애시 시멘트 28일 압축강도가 포틀랜드 시멘트 압축강도 대비 36% 초과하고, 석탄화력 플라이 애시 시멘트 3종 대비 36%를 초과하는 고강도를 플라이애시 시멘트 3종을 구현하였다.
[표 8]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000008
실시 예 5
① 포틀랜드 시멘트 : 석탄화력 플라이애시 중량 비율 69:31, ②포틀랜드 시멘트 : 석탄가스화기 플라이애시 중량 비율을 69:31인 High Volume 플라이애시 시멘트를 만든 후, KS L ISO 679 방법을 적용하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 8에 도시하였다.
석탄가스화기 플라이애시 시멘트 28일 압축강도가 High Volume 플라이애시 시멘트임에도 불구하고 포틀랜드시멘트 1종 압축강도 대비 15% 초과 및 석탄화력 플라이애시 시멘트 대비 43%를 초과하는 고강도 플라이애시 시멘트를 구현하였다.
[표 9]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000009
실시 예 6
실시 예3 및 실시 예5의 배합비율에 석탄가스화기 플라이애시의 볼베어링 효과를 활용하여 플로우값 173~175를 만들어, KS L ISO 679 방법을 적용(물 배합비는 유사 플로값 구현을 위하여 조절)하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 9에 도시하였다.
석탄가스화기 플라이애시 시멘트 28일 압축강도가 3종 및 High Volume 플라이애시 시멘트임에도 불구하고 포틀랜드시멘트 1종 압축강도 대비 32 내지 41% 초과 및 플라이애시 시멘트 3종 기준 대비 72 내지 88%를 초과하는 고강도 플라이애시 시멘트를 구현하였다.
[표 10]
Figure PCTKR2022010469-appb-img-000010

Claims (5)

  1. 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 포틀랜드 시멘트 45 내지 80 중량%; 및 석탄가스화기 플라이애시 20 내지 55 중량%를 포함하는, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물로서,
    상기 석탄가스화기 플라이애시는 분말도가 12,000 내지 14,000 ㎠/g이고, 플라이애시 총 100 중량%를 기준으로 SiO2 54 내지 61 중량%, CaO 7 내지 12 중량%, Al2O5 15 내지 20 중량% 및 Fe2O3 4 내지 6 중량%를 포함하는 것인,
    석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 포틀랜드 시멘트 47 내지 77 중량%; 및 석탄가스화기 플라이애시 22 내지 48 중량%를 포함하고,
    석고 1 내지 5 중량%를 추가로 포함하는, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 석탄가스화기 플라이애시는 입도 5㎛ 이하 84%의 입자크기 분포를 갖는 구형인,
    석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물.
  4. 제1항에 있어서, AE감수제, 유동화제, 촉진제, 지연제, 급결제, 방수제, 기포제 또는 발포제 중 적어도 어느 하나인 혼화제를 추가로 포함하는, 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물.
  5. 시멘트 조성물과 골재를 포함하여 이루어지는 콘크리트 조성물로서,
    상기 시멘트 조성물은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 석탄가스화기 플라이애시 시멘트 조성물인, 콘크리트 조성물.
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