Experimental Study on the Properties of Surface Treatment Fly Ash Using Arc Discharge

아크방전을 이용한 표면개질 플라이애시의 특성에 관한 실험적 연구

Abstract

Fly ash is a material used as a concrete admixture. When fly ash is used for concrete manufacturing, it is expected to improve the performance such as reduction of cement usage and increase of chemical resistance. However, fly ash have some problems such as unburned carbon content and amorphous film on the surface of fly ash particles. When concrete is manufactured using fly ash containing a large amount of unburned carbon, there is a problem that the slump is lowered due to adsorption of AE agent. In addition, the amorphous film on the surface of the particles prevents the reactive substances from leaching out of the fly ash. Therefore, a method of surface treatment of fly ash using plasma has been studied to remove such unburned carbon and amorphous films. However, plasma has the problem that $O_3$ is generated when $O_2$ is used as an active gas. $O_3$ is a harmful substance and adversely affects the health of the experimenter. In this study, the surface of fly ash was treatment by arc discharge. Experimental results show that the unburned carbon is removed when the surface of fly ash is treatment by arc discharge and the amorphous film was broken and the reactivity was improved. Therefore, it is considered that arc discharge can treatment the surface of fly ash and improve the quality of fly ash.

플라이애시는 콘크리트의 혼화재로서 사용되는 재료로, 이를 콘크리트 제조에 사용할 경우 시멘트 사용량 감소 및 내화학성 증가와 같은 성능 향상을 기대할 수 있다. 하지만 플라이애시는 미연탄소 함유량 및 표면에 존재하는 유리질의 박막과 같은 문제점이 지적되고 있다. 다량의 미연탄소를 함유하는 플라이애시를 사용하여 콘크리트를 제조할 경우, AE제의 흡착 현상에 의해 슬럼프가 저하되는 문제점이 동반된다. 또한, 입자 표면에 존재하는 유리질 박막은 플라이애시로부터 반응성 물질이 용출되는 것을 방해하여 화학 반응이 일어나지 못하게 만드는 역할을 한다. 지금까지 이러한 플라이애시의 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마를 이용한 표면개질 방안이 연구되었으나, 플라즈마는 $O_2$가 활성기체로서 사용될 경우 $O_3$를 발생시키는 문제점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 아크방전을 이용해 플라이애시의 표면을 개질하는 방안에 관한 연구를 진행하였으며, 그에 따른 플라이애시의 물리 화학적 특성 변화를 확인하였다. 실험 결과, 아크방전을 이용해 플라이애시의 표면을 개질할 경우 미연탄소가 제거되며 유리질 박막이 파괴되는 것을 확인하였다.

Fig. 1. Process of plasma generation(Lee et al. 2013)

Fig. 2. Diadram of CCP(Lee et al. 2013)

Fig. 3. Variation in ignition loss according to the number of times of surface treatment using plasma(Lim et al. 2012)

Fig. 4. Removal mechanism of unburned carbon using plasma(Jo et al. 2014)

Fig. 5. Generation of ozone in plasma(Kim et al. 2018)

Fig. 6. Types of plasma depending on density and temperature(Lee et al. 2013)

Fig. 7. Arc-discharge machine(Kim et al. 2018)

Fig. 8. Measurement results of fineness, density of FA and AFA(Kim et al. 2018)

Fig. 9. SEM analysis results of fly ash and surface treatment fly ash by arc discharge(Kim et al. 2018)

Fig. 10. SEM analysis results of surface treatment fly ash particles(Kim et al. 2018)

Fig. 11. XRD analysis results of fly ash and surface treatment fly ash by arc discharge

Table 1. Performance of arc discharge machine(Kim et al. 2018)

Table 2. Physical properties of using material

Table 3. Experimental plan – Physicochemical properties

Table 4. Chemical composition of fly ash and surface treatment fly ash by arc discharge(wt%)