Bottom ash is one of the combustion residues produced during thermal coal electricity production. Its morphology is characterized by agglomerated particles with an angular and porous structure. Compared with fly ash, bottom ash is seldom recycled due to its unique characteristics, such as very irregular shape, high porosity, and low abrasion resistance. However, there is demand to develop a novel method to consume a large amount of bottom ash as its direct disposal gives rise to both economic and environmental problems. The main objectives of this study are to propose an advanced application target for bottom ash and verify the advantages that can be obtained by the unique characteristics of bottom ash. This dissertation presents the utilization of coal bottom ash in high-strength concrete for internal curing and chloride resistance.
The research in this dissertation can be divided into the following five areas : 1) Characterization of high-strength mortar/concrete incorporating fine bottom ash : The effects of FBA aggregates on the density, compressive strength, dynamic modulus of elasticity, and flow characteristics of the mortar are investigated, and the porosity and water capillary absorption of the mortar are measured to evaluate the properties of moisture transport, which may affect the durability of the mortar. Moreover, the effects of fine and coarse bottom ash on the flow characteristics and density of concrete mixture are investigated in relation to particle shapes and paste absorption of bottom ash. Mechanical properties, such as compressive strengths and modulus of elasticity and flexural strength of high-strength concrete with bottom ash are also evaluated; 2) Internal curing of high-strength concrete with bottom ash : The microstructure, shrinkage, an hydration kinetics, and their effects on the mechanical properties of high-strength concrete with bottom ash are evaluated and compared to those of concrete with artificial lightweight aggregates; 3) Chloride resistance of high-strength concrete with bottom ash : The pore system of high-strength concrete with bottom ash is evaluated. The penetration depth of chloride and its concentration as well as chloride binding in high-strength concrete with bottom ash are evaluated.
In the case of high-strength concrete, the effects of incorporating bottom ash on the general characteristics of concrete (e.g. the workability, the compressive strength, and the elastic modulus) were insignificant, compared to the case of normal-strength concrete. Similar to artificial lightweight aggregates, bottom ash could contribute to internal curing of high-strength concrete. Although bottom ash showed slightly lower efficiencies with respect to shrink-age reduction and enhanced hydration compared to artificial lightweight aggregates; this could enhance the chloride resistance of high-strength concrete, which has thus far not been achieved with artificial lightweight aggregates. The pore system of bottom ash strongly affects the shrinkage reduction and hydration reduction, while the pozzolanic reactivity of bottom ash affected the enhancement of chloride resistance of concrete.
화력발전소에서 발생하는 부산물 중 하나인 바텀애쉬(석탄 바닥재)는 공극량이 많고 입형이 불균일 하며 강도가 낮은 특징으로 인해 또 다른 화력발전소 부산물인 플라이애쉬(석탄 비회)와 비교할 때 재활용도가 낮다. 따라서 현재 많은 양의 바텀애쉬가 추가적인 처리 없이 직접 매립되고 있으며, 이로 인한 환경문제 및 기타 처리비용 문제가 해마다 증가하여 발생하는 추세이다. 따라서, 본 연구를 통해 기존에 단점으로 여겨져 왔던 바텀애쉬의 특징들을 오히려 장점으로 활용할 수 있는 기술을 개발함으로써, 바텀애쉬의 재활용률을 높이고자 하였다. 본 논문에서는 이러한 취지의 기술 중 하나로, 바텀애쉬를 고강도 콘크리트에 활용함으로써 콘크리트에 내부양생(Internal curing) 특성을 부여하여 자기수축을 저감하고 동시에 염소침투저항성을 향상시키는 기술을 제안하였다.
본 학위논문은 다음과 같은 네 개의 본문으로 구성되어 있다. 1) 바텀애쉬를 적용한 고강도 몰탈/콘크리트의 특성검증: 이후 콘크리트 연구에 앞서, 바텀애쉬를 몰탈에 적용했을 때의 기본물성 변화를 검증하였다. 이 때, 바텀애쉬가 적용된 고강도 몰탈과 일반강도 몰탈을 비교함으로써, 고강도 몰탈에 적용할 경우의 장점에 대해 분석하였다. 또한, 바텀애쉬를 고강도 콘크리트에 적용했을 때의 기본물성 변화를 검증하였다. 이 때 검증된 특성의 종류는 유동성, 압축/휨강도, 탄성계수, 파괴단면 등이다. 동시에 염소이온저항성 변화에 대해서도 간략하게 다루었다. 2) 바텀애쉬에 의한 고강도 콘크리트의 내부양생효과: 먼저 바텀애쉬 자체의 흡/발수, 수분이동 특성을 조사한 후, 바텀애쉬에 의한 고강도 콘크리트의 자기수축 감소, 수화증진, 포졸란반응 등에 대해 분석하였다. 동시에 수화증진이 기본물성에 주는 영향에 대해서도 분석하였다. 이 때, 바텀애쉬의 효과는 실험은 인공경량골재의 결과와 비교되었다. 3) 바텀애쉬에 의한 고강도 콘크리트의 염소침투저항성: 위에서 조사된 바텀애쉬의 수화증진 및 포졸란 반응성 등을 바탕으로, 바텀애쉬 혼입 고강도 콘크리트 내에서의 염소침투거리, 침투농도 및 고정화에 대해 분석하였다. 특히 염소이온고정화 현상을 검증하기 위해 XRD와 DTA/TGA 등의 기법을 활용하였으며, 염소이온이 침투한 경로를 분석하기 위하여 EPMA 분석을 수행하였다.
연구결과, 고강도 콘크리트의 경우 일반강도 콘크리트에 바텀애쉬를 적용할 때의 문제점 이었던 강도감소, 유동성 저하 등이 발생하지 않았으며, 기본 물성(유동성, 압축/휨강도 등)에 미치는 바텀애쉬 혼입의 영향도 미미한 것으로 확인 되었다. 동시에 바텀애쉬는 인공경량골재와 같이 내부양생효과를 나타내어, 고강도 콘크리트의 자기수축을 감소시키는 것을 확인하였다. 비록 바텀애쉬의 독특한 공극형상으로 인해 자기수축감소 효율성은 인공경량골재보다 약간 부족하지만, 계면에서의 활발한 포졸란 반응특성으로 인해 인공경량골재에 비해 월등한 염소침투저항성을 확보할 수 있음을 확인 하였다. 특히 본 연구에서는 바텀애쉬에 의한 시멘트 페이스트의 수화율 증가를 확인하기 위해 새로운 수화도 측정방법을 제안하였으며 이를 통해 수화율 증가현상를 확인하였다. 또한 염소이온이 바텀애쉬 주변의 시멘트 페이스트에 쉽게 침투하지 못하는 현상을 가시화하였다.