Utilizing calcined and raw fly oil shale ash in the carbonation process of OPC cement-paste and mortar

논문 정보

• 제목: Utilizing calcined and raw fly oil shale ash in the carbonation process of OPC cement-paste and mortar
• 저자: Wesam Salah Alaloul (Universiti Teknologi PETRONAS), Marsail Al Salaheen (Al-Balqa Applied University), Khalid Alzubi (Al-Balqa Applied University), Muhammad Ali Musarata (Universiti Teknologi PETRONAS)
• 학회/저널: Case Studies in Construction Materials
• 발행일: 2024-02-04
• DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e02945
• 주요 연구 내용: 본 연구는 일반 포틀랜드 시멘트(OPC) 페이스트와 모르타르에서 미처리 및 소성 처리된 플라이 오일 셰일 애쉬(FOSA)를 시멘트 대체재로 사용하고, 전통적인 수중 양생과 이산화탄소(CO_2) 양생의 효과를 비교 분석함. FOSA의 소성 온도와 대체율을 달리하여 기계적 특성과 미세구조 변화를 종합적으로 평가함.
• 주요 결과 및 결론: CO_2 양생을 적용한 FOSA 혼입 샘플은 수중 양생 샘플 대비 압축 강도가 최대 200%까지 증가하는 등 기계적 성능이 크게 향상됨. 이는 CO_2 양생 과정에서 탄산칼슘(CaCO_3) 결정과 같은 수화물이 형성되어 미세구조가 치밀해지기 때문임.
• 기여점: 산업 부산물인 FOSA를 건설 재료로 재활용하고, 온실가스인 $CO_{2}$를 포집하여 재료 성능을 향상시키는 방안을 제시함. FOSA와 CO_2 양생의 시너지 효과를 규명하여 환경친화적이고 지속 가능한 건설 재료 개발에 기여함.

요약

초록

이 연구는 일반 포틀랜드 시멘트(OPC) 페이스트 및 모르타르에서 미처리 및 소성된 플라이 오일 셰일 애쉬(FOSA)와 이산화탄소($CO_2$) 양생 간의 상호작용을 조사했다. $CO_2$ 양생 후 수중 양생을 거친 시편과 지속적으로 수중 양생된 시편을 비교한 결과, 소성 FOSA를 포함한 샘플은 수중 양생 샘플에 비해 압축 강도가 최대 200%까지 증가했다. 미세구조 분석 결과, 탄산칼슘 결정과 기타 수화물이 형성되어 재료 특성을 향상시키는 것으로 나타났다. FOSA의 시멘트 대체는 다공성을 감소시키는 경향이 있었으나, $CO_2$ 양생으로 효과적으로 제어 가능했다.

서론

오일 셰일(OS)은 막대한 매장량을 가진 에너지원이지만, 발전 과정에서 다량의 애쉬(FOSA)를 발생시켜 환경 오염 문제를 야기한다. FOSA는 포졸란 특성을 가지고 있어 시멘트 대체재로 활용될 잠재력이 있으며, 소성과 같은 열처리를 통해 그 반응성을 향상시킬 수 있다. 한편, 시멘트 산업에서 발생하는 $CO_2$ 배출을 줄이기 위한 방안으로 $CO_2$를 시멘트 기반 재료의 양생에 활용하는 탄산화 기술이 주목받고 있다. 본 연구는 FOSA를 시멘트 대체재로 사용하는 것과 $CO_2$ 양생법을 결합했을 때의 시너지 효과를 종합적으로 분석하고자 한다.

모델 아키텍처 / 방법론

• 핵심 구조/방법: OPC에 미처리 FOSA(10%, 20%, 30%)와 소성 FOSA(10% at 550,700,850,1000circC)를 각각 대체하여 페이스트 및 모르타르 시편을 제작한다. 제작된 시편은 두 그룹으로 나누어, 한 그룹은 전통적인 수중 양생을, 다른 그룹은 7일간 5 bar 압력의 $CO_2$ 챔버에서 양생 후 수중 양생을 진행한다.
• 주요 구성 요소: OPC, 요르단 중부에서 채취한 FOSA, 천연 모래를 사용한다. 시편 분석을 위해 압축강도 시험기, FESEM, XRD, FTIR, TGA/DTA 등 다양한 분석 장비를 활용한다.
• 수식: $CO_2$ 흡수량 및 탄산화도를 계산하기 위해 다음과 같은 수식이 사용되었다.
  • 이론적 $CO_2$ 흡수량 (Steinour's technique): $CO_2$​ uptake(%)$=0.785(CaO−0.7SO_3​)+1.09Na_2​O+0.93K_2​O$
  • 탄산화 반응식: $Ca(OH)_2​+CO_2​→CaCO_3​+H_2​O$ $3CaO⋅SiO_2​+3CO_2​+μH_2​O→SiO_2​⋅μH_2​O+3CaCO_3​$
• 알고리즘: 시편 제작 후 7, 28, 56일에 압축 강도를 측정했다. 28일차 시편에 대해서는 FESEM, XRD, FTIR, TGA/DTA 등의 미세구조 분석을 수행하여 $CO_2$ 양생이 재료의 물리적, 화학적 특성에 미치는 영향을 심층적으로 분석했다.

실험 결과

• 주요 데이터셋: OPC, 10-30%의 미처리 FOSA, 그리고 550, 700, 850, 1000circC에서 소성된 10% FOSA를 포함한 다양한 배합의 모르타르 및 페이스트 시편했다.
• 핵심 성능 지표:
  • 압축 강도: 논문의 Figure 1에서 제시된 바와 같이, 모든 배합에서 $CO_2$ 양생 시편이 수중 양생 시편보다 높은 압축 강도를 보였다. 특히 30% 미처리 FOSA를 사용한 시편은 7일차 $CO_2$ 양생 시 수중 양생 대비 200%의 강도 향상(6.6 MPa → 19.9 MPa)을 기록했다.
  • 미세구조: Figure 9의 FESEM 이미지 분석 결과, $CO_2$ 양생 시편은 수산화칼슘($Ca(OH)∗2$)이 소모되고 그 자리에 탄산칼슘($CaCO∗3$) 결정이 형성되어 구조가 더 치밀하고 단단해짐. 또한, 일부 시편에서는 침상형의 에트링자이트(ettringite) 결정이 관찰되어 구조적 강도에 기여함.
  • 상 분석: Figure 8의 XRD 분석 결과, $CO_2$ 양생 시편에서는 수산화칼슘(portlandite) 피크가 사라지고 방해석(calcite) 피크가 주를 이루는 것으로 나타나 탄산화 반응이 활발히 일어났음을 확인했다.

결론

본 연구는 FOSA를 시멘트 대체재로 사용하고 $CO_2$ 양생을 적용함으로써 건설 재료의 기계적 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증했다. $CO_2$ 양생은 FOSA 첨가로 인한 초기 강도 저하 문제를 효과적으로 해결하고, 탄산칼슘 형성을 통해 조직을 치밀하게 만들어 장기 강도 발현에도 긍정적인 영향을 미쳤다. 이는 산업 부산물 재활용과 탄소 저감을 동시에 달성할 수 있는 지속 가능한 건설 기술로서의 가능성을 보여준다.