지오폴리머 콘크리트

콘크리트의 결합체인 시멘트의 제작에는 환경적인 우려가 있어 대안을 찾기 위한 노력이 이루어지고 있다.

 

 

지오폴리머 콘크리트

 

개발도상국에서 기반시설 건축에 대한 수요는 필수적이며, 이는 건축 자재 수요의 증가로 나타난다.

콘크리트는 가장 대중적인 건축재료이며, 시멘트는 콘크리트의 결합체이다. 가장 대중적인 건축자재인 시멘트의 전 세계적인 수요는 2020년 대비 2050년에는 50% 정도 증가할 것으로 예측되고 있다.

그러나 1톤의 시멘트를 생산하기 위해서는 소성을 위한 연료나 다른 재료들이 2.8톤 소모되고, 천연자원의 감소로 이어진다. 또한 1톤의 시멘트 생산에는 1톤의 이산화탄소가 발생하며, 시멘트 생산으로 인한 이산화탄소 배출량이 전 세계 배출량의 9~10%를 차지할 것이라는 예측도 나오고 있다.

 

이런 이유로, 콘크리트 건물의 시멘트를 대체하기 위한 많은 신물질 개발 노력이 이어지고 있다. 그중 하나가 지오폴리머인데, 이는 1978년 프랑스의 과학자 다비도비츠가 명명한 것으로, 그는 지오폴리머를 새로운 무기 중합체로 시멘트를 대체할 것이라고 이야기하였다.

지오폴리머는 수화반응을 통하여 수화 생성물을 만드는 일반 시멘트와 달리, 다중 축합반응을 통하여 응결을 유도하는 것으로, 무기 중합체이며 Si-O-Al-O 결합의 사슬 구조를 갖는다. 지오폴리머 내부의 구조를 만드는 과정을 공유결합이라고 하는데, 이는 용액의 양이온에 의한 알칼리성 활성화로 인한 발열 증축 중합체 반응이다. 재료 물질의 화학적 미네랄 조성 및 알칼리 화합물의 농도, Si/Al 몰탈비, 수분함량, 경화 온도는 공유결합에 영향을 미치는 직접적인 요소들이다.

지오폴리머는 플라이애쉬, 고로 슬래그, 쌀 껍질 재와 같은 재료 물질과 알칼리 용액의 활성화로 인한 조합으로 만들어진다. 이러한 재료 물질들 중에 지오폴리머를 생산하는데 가장 많이 사용되는 것은 플라이 애쉬로, 이에 관하여 플라이 애쉬의 특성, 골재 크기, 알칼리 용액의 특성, 수분 함량 등 다양한 요소들이 지오폴리머에 미치는 영향들이 연구되고 있다.

 

 

 

 

플라이 애쉬 기반 지오폴리머 콘크리트의 구성 요소

 

플라이 애쉬와 알칼리 용액은 플라이 애쉬 기반 지오 폴리머 콘크리트의 주요 구성 요소이다. 플라이 애쉬는 무기 중합체 구조의 형태에 중요한 역할을 하며, 알칼리성 용액은 공유결합에 필수적이다.

플라이 애쉬

플라이애쉬는 실리카와 알루미나 베어링 단계의 주요 성분으로 지오폴리머를 만드는 중요한 원료 중 하나이다. 플라이애쉬는 화력발전소에서 뜨거운 공기와 함께 고속으로 주입된 정제된 석탄의 연소에 의해 생성된다. 석탄은 1500℃에서 연소가 일어나고 석탄재의 80%는 가스와 함께 배출되는데, 이 물질이 플라이애쉬이다. 이때 용광로의 바닥으로 떨어진 거친 물질은 바톰 애쉬라고 불린다. ASTM에 의하면 플라이애쉬는 Class F와 Class C 두 가지 카테고리로 나뉘는데, 무연탄에서 생산되는 것이 Class F이며 갈탄에서 생산되는 것이 Class C이다. 두 가지 카테고리 모두 충분한 실리카와 알루미나의 함량을 가지고 있지만, 두 클래스의 차이는 칼슘의 함유량으로 10% 이하가 Class F, 이상이 Class C이다.

알칼리 용액

공유결합에서 알칼리성 용액은 재료 물질에 존재하는 실리콘과 알루미늄의 용해와 지오 폴리머 페이스트를 형성하는 데 중요한 역할을 한다. 가장 일반적으로 사용되는 알칼리성 용액은 실리케이트 나트륨 (Na2SiO3) 및 수산화나트륨 (NaOH)의 조합이다. 지오폴리머 콘크리트의 활성화제로서 수산화나트륨은 낮은 단가, 넓은 가용성 및 낮은 점도로 매우 널리 사용된다.