Incorporation of a high volume of cenosphere particles in low water-to-cement matrix for developing high strength & lightweight cementitious composites

Abstract

사회 인프라 및 도시화 수요의 급속한 증가로인해 경량 콘크리트의 수요가 높아지고있다. 하지만 경량 콘크리트에 사용되는 경량 골재는 낮은 밀도로인해 강도발현에 어려움이있다. 또한 낮은 밀도의 경량 콘크리트는 골재분리 현상에 취약한 특성을 지니고있다. 추가로 지구 온난화는 에너지 효율적이고 에너지 절약형 콘크리트 재료의 사용을 요구한다. 따라서 본 연구는 세노스피어를 이용한 압축 강도가 높고 밀도가 낮으며 열전도율이 낮은 경량 시멘트 복합체를 제작하는 것을 목표로한다.

본 논문에서는 세노스피어를 시멘트 대비 10 및 20 wt.%로 첨가했다. 낮은 물- 시멘트 비율을 도입하였으며 상온양생과 고온양생을 진행하였다. 상온양생은 20 °C의 RH 60% 환경에서 수행되었으며 고온양생의 경우 90 °C 에서 이틀 간 수행되었다. 또한 X-ray 회절 (XRD) 및 열 중량 분석 (TGA)을 수행하여 원재료와 시편의 광물 학적 특성을 얻고 수화물의 상 변화를 정성적으로 분석했다. 세노스피어의 분리와 표본의 내부 미세 구조는 micro-computed tomography를 사용하여 연구되었다. 그 결과 상온 (20ºC 및 RH 60 %)에서 경화 된 개발 된 시멘트 복합체는 74 ~ 64MPa의 우수한 압축 강도를 보였으며 고온환경 (HT 90ºC)에서 경화 된 시멘트 복합체는 90 ~ 87MPa의 압축 강도와 낮은 밀도, 낮은 열전도도를 나타냈다. 또한, 제작 된 배합 설계에서는 골재분리현상이 일어나지않았다. 배합에서의 세노스피어의 균일 한 분산이 마이크로 CT 촬영을 통해 확인되었고 그 현상이 정량화가 계산되었다. 더욱이 공극구조의 결과는 개발 된 복합 재료가 염해 환경 저항성을 지닌 것으로도 해석할 수 있어 염해 환경에 노출 된 구조물에서의 사용 가능성이 크다는 것을 보여준다.

The rapid increase of infrastructure and urbanization demand for low-density concrete. Low-density concrete can be achieved by incorporating lightweight aggregates in concrete and compromises the strength. Additionally, lightweight concrete is susceptible to aggregate segregation due to the low density of the lightweight aggregates. Furthermore, global warming urges the use of energy-efficient and energy-saving concrete materials. Therefore, this study aims to develop lightweight cementitious composites with high compressive strength and low density and low thermal conductivity properties using a byproduct of flyash i.e. cenospheres In this experimental program, cenospheres were added in the mixture to 10 and 20 wt% in low water to cement ratio. Also, two different temperatures: ambient temperature (20 ºC and RH 60%) and heat treatment (90 ºC) were used for curing the specimens. Compressive strength, thermal conductivity, and density of the mixtures were determined. Additionally, X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (TGA) were performed to obtain the mineralogical characteristics and qualitatively analyze phase transformations of the hydrated phases, respectively. Segregation of the cenospheres and the internal microstructure of the specimens were also studied using micro-computed tomography. The results demonstrated that the developed composites had remarkable compressive strength as of 74~64 MPa cured at ambient temperature (20 ºC and RH 60%) and 90~87 MPa cured at heat treatment (90 ºC). Besides, it also exhibited low density and low thermal conductivity. Furthermore, the adopted mix design overcomes the problem of segregation phenomena i.e., uniform dispersion of cenospheres in the mix was confirmed via micro-computed tomography and the quantification of this phenomenon was calculated. Moreover, the porosity results show that the developed composites have great potential to be used in structures that are exposed to saline environments.