R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201616CTAP-C097483-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 매스콘크리트의 수축 및 균열예방을 위한 CO2 포집형 요소(Urea)혼입 콘크리트 배합기술 | |||||
| 총 연구기간 | 2015-06-18 ~ 2017-09-17 | |||||
| 연구책임자 | 김학영 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
7명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
15명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 45,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 45,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 95,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 95,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 단국대학교 산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-1613000-002036-01 | |||||
| ISBN | 979-11-955447-5-2 | |||||
| 주요 내용 |
전 세계적으로 환경부하물질을 저감하기 위한 노력을 기하고 있는 가운데, 건설업계에서도 저탄소 구조재료와 에너지절감형 공법 등이 제시되고 있다. 그러나 이는 탄소배출재료의 사용량을 제한하거나, 폐기물 등을 재사용하는 소극적형태의 친환경기법이라 할 수 있으며, 이를 넘어 CO2 등의 환경부하물질을 포집/저장하여 ‘활용’할 수 있는 적극적 친환경 기법이 요구되는 바이다. 본 연구에서는 이산화탄소(CO2)와 암모니아(NH3) 등 환경부하물질을 주원료로 하여 제조되는 공업용 요소(Urea)를 연간 수요가 1억m3, 매출액은 3조원 이상에 달하는 콘크리트 산업에 적용하고자 한다. 국내에선 미생물배양제나 농작물 성장발육제(비료) 등 용도가 극히 제한적이었던 요소는 콘크리트 등의 건설재료로 적용된 실적이 전무하며, 국내에서는 적은 수요로 인해 1개 업체에서 단독생산하고 있는 실정이다. 콘크리트 내 요소의 반응특성 중, 본 연구자가 제안하는 기대반응식은 물과의 흡열반응성과 팽창성 반응특성이다. 이는 콘크리트 균열의 주 원인인 높은 수화열과 건조수축으로 인한 체적감소를 상쇄할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 통해 1.5이상의 온도균열지수(Icr) 확보와 50% 이상의 수축저감성능, 10% 이상의 균열발생확률을 저감할 수 있을 것으로 기대된다. 연구에서는 먼저 요소의 화학구성과 시멘트의 수화반응상 연계성을 분석하고, 이 후 요소혼입 콘크리트의 배합설계를 수행한다. 설계된 콘크리트는 기존 저발열 및 저수축 배합기법과 비교하여 성능의 발현여부를 검토할 것이며, 이에 혼입량과 혼입방법 등을 결정하여 최적 배합설계기법을 확립하는 것이 본 연구의 목표라 하겠다. [최종목표] CO2 집진을 통해 생산되는 농·공업용 요소(Urea)를 콘크리트에 혼화재료로 적용하여 1) 기준대비 50%이상의 수축저감을 달성하고, 2) 1.5이상의 온도균열지수(Icr)를 확보하며, 3) 수화열해석을 통한 균열발생확률을 10% 이내로 제한한다. 4) 또한 강도 등 역학적 성질은 기준대비 동등이상 수준으로 유지 가능한 요소혼입 콘크리트의 최적배합설계를 도출한다. 5) 그 외 현장적용 및 실용화를 위한 B/P생산평가와 Mock-up 테스트를 수행, Plain 대비 30% 이상의 균열(폭/개수) 저감을 최종 목표로 한다. [연구내용 및 범위] 1) 요소와 페이스트의 반응특성을 평가하고 요소혼입 시멘트경화체의 화학구성 및 미세구조분석을 수행한다. 시험수행의 도구와 목적은 아래와 같다. - 수행도구 : SEM(Scanning Electron Microscope), XRD(X-Ray Diffractometry), XRF(X-Ray Fluorescence), 미소수화열량계 - 수행목적 : 흡열반응성의 소요열량 분석 세공분석을 통한 팽창성 반응의 미세구조 밀실화 특성 검토 과량 혼입 시 콘크리트 외부 석출 여부 관찰 등 초기 흡열반응 시 기화되는 NH3 발생량 검토(환경 및 인체영향성) 그 외 요소의 반응특성 확인 2) 요소혼입 모르타르 및 콘크리트의 배합설계를 수행하여, 실험실 시험을 수행한다. 시험을 위한 배합인자와 실험항목 등은 예비실험과 관련문헌고찰, 전문가 회의 등을 통해 결정되며, 설정 시의 고려사항과 설정을 위한 현재의 계획은 아래와 같다. - 설정 시 고려사항 : 요소의 혼입 형태(혼화제(Agent) 혹은 혼화재(Admixture)) (액상(Liquid) 혹은 분말(Powder)) 결정 요소의 치환 방법(결합재(Binder) 치환 설계, 단위수량(Unit water content) 치환 설계, 골재(Aggregate) 치환 설계) 결정 - 배합인자 : 요소혼입 유무, 혼입량(결합재 중량대비), 비교대상이 되는 기존 저발열 및 저수축 배합(2종, 4종 결합재 및 기존 수축저감제 등) 항목 등 설정 - 실험인자 : 슬럼프, 공기량 등 유동특성과 경시변화특성 검토 응결특성과 블리딩 등 굳지않은 콘크리트 경화특성 검토 콘크리트 압축강도 등 역학적특성 검토 촉진 탄산화저항성 등 내구성평가요소 검토 콘크리트 간이단열시험 등 수화발열특성 검토 콘크리트의 자유건조수축에 의한 길이변화 특성 검토 3) 요소의 흡열반응성에 기인한 콘크리트의 수화열 특성을 평가한다. 요소는 물과 반응해 급격한 온도저하를 나타내는 것으로 확인되었으며, 콘크리트 내부에서 이러한 현상이 수화열특성에 미치는 정량적 영향을 검토한다. - Mock-up 제작, 표면 소성균열의 발생개수/폭 육안관찰, 중심 및 표면부 온도계측을 통한 균열발생확률 산출 4) 요소의 팽창성 반응특성에 기인한 건조수축 저감성능을 평가한다. 평가는 자유상태의 콘크리트의 체적변형을 검토하는 기법과, 구속상태의 내부응력과 이로 인한 균열발생 시기 등을 비교하는 기법으로 나뉜다. 연구에서는 상기 2가지 기법을 모두 평가하여 팽창성 반응의 미세구조 밀실화와 이로 인한 수축상쇄효과를 정량적으로 검토한다. - 자유건조수축 체적 변형특성 평가 (소정 재령별 수축변형율 기존대비% 검토) 5) 요소의 혼입에 의한 콘크리트의 내구성 저하여부 검증한다. 새로운 혼화재료의 혼입 시 기존 콘크리트가 가져야 할 기본적 내구특성의 영향을 검토하기 위함으로, 이는 촉진 탄산화와 동결융해 저항성 등이다. 특히 기존의 수축저감제 등은 동결융해에 특히 취약하여 초기 내동해위험성이 내재되어 있는 실정이다. 또한 광물질결합재 등에서도 Ca(OH)2 소비에 의해 탄산화에 불리한 경향이 보고된 바 있다. 이에 요소혼입 콘크리트의 경우 이 같은 성능저하여부를 검토하여 실 적용에 참고자료로 활용하고자 한다. 6) 상기 2)∼5)의 실험 결과에 기반하여 요소혼입 콘크리트의 최적 배합설계를 수행한다. 수행된 최적배합은 유동특성 등의 물리적 성능을 만족할 뿐만 아니라 역학 및 내구특성을 동반하며, 특히 수화열저감과 건조수축 상쇄성능이 우수한 배합이어야 할 것이다. 7) 도출된 요소혼입 콘크리트 배합을 이용해 Batcher plant 적용성 평가를 수행한다. 현장 적용 시 대량 생산을 위한 B/P는 골재의 입도 및 표면수율, 콘크리트 믹서의 용량 등이 실험실과 매우 상이하여 기존 성능평가와 다른 결과가 도출될 우려가 있다. 이에 B/P에서 생산된 콘크리트 물성변화를 확인하고 이에 대응할 필요가 있다. 8) 마지막으로 Mock-up(모의부재)를 제작하고 성능평가를 수행한다. 이를 통해 중심 및 표면부의 온도계측과 수축에 의한 변형률 등을 실 구조물을 가정하여 검토할 수 있으며, 또한 표면 소성균열 등의 폭 및 발생개수를 정량적으로 평가할 수 있는 도구가 된다. |
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| 색인어 | 한글 | 요소 | 건조수축 | 온도응력 | 균열저감 | |
| 영문 | Urea | Dry shrinkage | Thermal stress | Crack reduction | ||
| 최종보고서 | 매스콘크리트의 수축 및 균열예방을 위한 CO2 포집형 요소혼입 콘크리트 배합기술 최종보고서_단국대.pdf | |||||