보통포틀랜드 시멘트를 대체 할 수 있는 고온 안정성이 우수한 지오폴리머 세라믹스에 대한 연구를 위하여 Fly ash-blast furnace Slag(이하 FA-BFS)계 geopolymer 세라믹스 조성을 기반으로 하였다. Geopolymer 세라믹스의 내열성 및 물리적 성질의 향상을 위하여 알루미나 골재의 첨가하였으며 FA-BFS계 geopolymer의 화학적ㆍ물리적 특성을 위해 아래와 같이 연구하였다. Fly ash-blast furnace slag계의 특성과 열적저항성에 대하여 조사하였으며, 열적저항성의 증진을 위해 알루미나 골재를 첨가한 fly ash-blast furnace slag계 geopolymer 세라믹스를 제조하여 알루미나 골재가 geopolymer의 열적저항성에 미치는 영향을 규명 하였다.
Fly ash-blast furnace slag계 geopolymer의 재령 28일 압축강도는 BFS80 74.76MPa, BFS60 71.16MPa, BFS40 52.51 MPa로 고로슬래그의 혼합비율에 비례하게 나타났다. 1,000℃에서 열처리한 시험체의 외관의 변화에서 균열의 크기 및 깊이를 관찰한 결과 BFS60이 열충격에 대한 저항성이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 잔존 압축강도는 외관의 변화와 일치하는 경향으로 BFS60이 가장 높고 BFS80이 가장 낮게 나타났다. 시험체의 선수축률은 BFS40 ?5%, BFS60 ?7%, BFS80 ?10%의 선 수축 결과를 나타내었으며, 800~900℃ 영역에서 급격한 수축은 균열의 발생, 탈탄산반응 및 aluminosilicate gel의 상전이의 원인으로 판단된다. Fly ash-blast furnace slag계 geopolymer의 재령 및 고온 열처리에 따른 시험체의 결정상 변화는 XRD 패턴에서 20~30?(2theta) 범위의 aluminosilicate gel의 비정질 halo 패턴과 출발원료에서 나타나고 있는 mullite(3Al2O3?2SiO2) 피크와 quartz (SiO2)피크가 확인되었다. 1,000℃에서 열처리된 geopolymer는 상온에서 나타난 비정질 aluminosilciate gel 상의 halo 패턴이 나타나지 않으며, 열처리 이전의 시험체에서 확인되었던 quartz와 mullite의 피크가 크게 감소하였다. 반면 새로 확인되는 상은 gehlenite, calcium silicate, leucite 및 wollastonite의 피크가 확인되고 있다. 미세구조 특성은 모든 시험체에서 조직은 치밀화된 aluminosilicate gel 및 C-S-H gel이 확인되며, BFS의 첨가량이 증가할수록 내부의 균열이 증가하는 것으로 나타났다. 1,000℃에서 열처리된 시험체는 침상의 K2SO4 결정이 확인되며, 그 외 조직은 aluminosilicate와 gehlenite, calcium silicate상들이 혼재되어 나타나는 것으로 생각된다. FT-IR 결과에서는 aluminosilicate의 생성을 확인할 수 있었으며, 열처리한 시험체는 O-H 결합이 포함되는 수화물의 분해가 나타나지만 Al-O-Si 또는 Si-O-Si의 결합이 강하게 나타나는 것은 새로운 결정상의 생성 때문으로 생각된다.
Geopolymer 경화체의 기능성을 향상시키기 위하여 사용되는 골재로써 순환골재, 인공경량골재 및 산업부산물 등 다양한 소재가 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 열충격 저항성을 향상시키기 위하여 Alumina 골재를 사용하였으며, fly ash-blast furnace slag계 geopolymer의 내열성 건축자재로서의 사용 가능성을 검토하기 위하여 고온조건에서의 열적 특성에 대하여 조사하였다. 열처리온도에 따른 알루미나골재가 첨가된 FA-BFS계 geopolymer 시험체의 외관 크랙은 800℃까지 관찰되지 않으나, 내부의 미세크랙이 존재하는 것은 열처리 전후 강도의 감소 경향과 일치한다. Leucite, gehlenite 및 calcium silicate가 BFS60A에서 가장 높게 나타나는 것은 800℃에서 잔존압축강도가 가장 높은 것과 밀접한 관련이 있을 것으로 판단된다. Geopolymer 경화체의 주요 수화 생성물은 20~35?(2theta) 범위의 비정질 halo 패턴과 원재료의 mullite(3Al2O3·2SiO2)와 quartz(SiO2)가 확인되었다. 비정질 halo 패턴은 geopolymer 축중합 반응에 의해서 생성된 aluminosilicate gel이며, 800℃까지는 aluminosilicate gel의 halo 패턴이 유지되고 있음을 알 수 있다. 1,000℃에서 alumino -silicate gel의 패턴은 사라지며 열처리온도의 증가와 함께 gehlenite, calcium silicate, potassium aluminum oxide 및 leucite와 같은 결정상이 관찰되었다.
내열성 건축자재로서 화염노출시 geopolymer 경화체의 표면특성을 조사하기 위하여 alumina 골재가 사용된 geopolymer 경화체 표면의 화염노출 특성에 대하여 조사하였다. 화염노출시 panel의 외형변형 및 열충격에 의한 크랙은 없었으며, calcite의 잔존량과 aluminosilicate gel의 halo 패턴으로 보아 화염에 의한 탈탄산 및 탈수는 지극히 표면에 국한되어 발생했으며, geopolymer 경화체의 내구성은 화염조사 후에도 유지되고 있는 것으로 판단된다. Quartz와 calcite가 감소함에 따라 gehlenite와 calcium silicate가 증가하는 경향을 나타내고 있으며, BFS의 치환량이 많을수록 현저하게 나타나는 경향을 나타낸다.
화염 노출에 따른 미세구조의 변화는 탈탄산, 결정수의 탈수 등으로 기공의 형성과 발전 되는 과정을 거쳐 calcium silicate, gehlenite 등과 같은 새로운 결정상의 형성에 의해 geopolymer panel 표면의 치밀화와 강화기구로 작용하여 내구성이 향상된 것으로 생각된다.

This study is based on composing fly ash-blast furnace slag system geopolymer ceramics to research the high thermal stable geopolymer ceramics which replace general portland cement. Alumina aggregate was added to improve physical properties including heat resistance and also FA-BFS system geopolymer''s chemical, physical properties was researched as below. Based on the research about the characteristics and heat resistance, alumina aggregate were added to FA-BFS system geopolymer ceramics to improve the heat resistance and observed to find the of alumina aggregate to heat resistance of geopolmer.
Compressive strength of FA-BFS system geopolymer aged 28days was BFS80 74.76MPa, BFS60 71.16MPa, BFS40 52.51MPa and it showed the direct ratio with the mixing ratio of BFS. Observing the size and depth of the crack in exterior change of specimen, BFS60 was the best condition against the thermal shock and BFS60 was highest and BFS80 was lowest in residual compressive strength accordance with the exterior change. The result of shrinkage rate of specimen was BFS40 ?5%, BFS60 ?7%, BFS80 ?10% and the rapid shrinkage in a level of 800~900℃ was considered as the cause of the crack, decarboxylation, phase transition of aluminosilicate gel.
As for the crystalline change of the FA-BFS system geopolymer with the aging and high temperature treatment, amorphous halo pattern of aluminosilicate gel level of 20~30?(2theta) and mullite(3Al2O3?2SiO2) peak and quartz(SiO2) was observed in XRD pattern. Geopolymer heated at 1,000℃ didn''t show the halo pattern of aluminosilciate gel observed in ambient temperature and the peak of quarts and mullite observed at the specimen before heat treatment decreased dramatically while gehlenite, calcium silicate, leucite and wollastonite were observed.
In aspect of microstructure, all the specimen show the densificated aluminosilicate gel and C-S-H gel and internal crack was increased accordance with the increase of the amount of BFS. Needle-shaped K2SO4 was found at heat treated specimen in 1,000℃ and it is considered that aluminosilicate, gehlenite, calcium silicate was also observed.
Aluminosilicate was formed in result of FT-IR and decomposition of hydrate including O-H composition was founded in heat treated specimen but Al-O-Si and Si-O-Si bond is considered the result of the new crystalline phase formation.
Various materials like recycling aggregate, artificial light weight aggregate and industrial by-product are used to improve the functionality of hardened geopolymer. This study researched characteristics of specimen in high temperature and drought condition to find the possibility of using an FA-BFS system geopolymer as heat-resistant architectural material.
Surface crack was not observed in FA-BFS system geoplymer up to 800℃ but internal micro crack appeared in accordance with the tendency of decrease in strength. Leucite, gehlenite and calcium silicate were observed most frequently and it is thought to be related to the result that residual compressive strength was highest at 800℃.
Major hydrate product of hardened geopolymer were amorphous halo pattern in a level of 20~35?(2theta), mullite (3Al2O3·2SiO2) from raw material and quartz(SiO2). Amorphous halo pattern was the aluminosilicate gel produced in condensation polymerization and it maintained up to 800℃. Aluminosilicate gel disappeared at 1,000℃ but crystalline of gehlenite, calcium silicate, potassium aluminum oxide and leucite was observed also with increase of temperature.
Surface characteristics of hardened geopolymer in flame exposure was investigated to observe its characteristics as heat-resistant architectural materials.
During the exposure to flame, external structure changes and crack due to the heat shock were not observed. According to the residue of calcite and halo pattern of aluminosilicate gel, decarboxylation and dehydration were extremely limited to the surface therefore, it is thought that durability of hardened geopolymer was sustained. Gehlenite and calcium silicate portion was inversely proportional to quartz and calcite and significantly directly proportional to BFS replacement ratio.
Microstructure changes due to the thermal shock caused decarboxylation and dehydration of crystallization and it developed the pore and new crystalline phase like calcium silicate and gehlenite. It is thought that those crystalline phase worked as a densification and strengthening mechanism on geopolymer panel surface.