The sustainability of the nuclear power industry hinges increasingly on the safe, long-term disposal of radioactive waste. Despite significant innovations and advancements in nuclear fuel and reactor design, the quest for a permanent solution to handle accumulating radioactive waste has received comparatively less attention. Conventionally, two widely recognized solidification methods, namely cementation for low and intermediate-level waste and vitrification for high-level waste, have been favored due to their simplicity, affordability, and availability. Recently, geopolymers have emerged as an appealing alternative, gaining attention for their minimal carbon footprint, robust chemical and mechanical properties, cost-effectiveness, and capacity to immobilize a broad spectrum of radionuclides, including radioactive organic compounds. This study delves into the synthesis of metakaolin-based geopolymers tailored for the immobilization of fission products like cesium (Cs) and molybdenum (Mo). The investigation unfolded in two key steps. In the initial step, we optimized the alkali content to prevent the occurrence of efflorescence, a potential issue. Remarkably, as the Na2O/Al2O3 ratio increased from 0.82 to 1.54, we observed significant enhancements in both compressive strength (11.45 to 27.07 MPa) and density (up to 2.23 g/cm3). This suggests the importance of careful adjustment in achieving the desired geopolymer characteristics. The second phase involved the incorporation of 2wt% of Cs and Mo, both individually and as a mixture, into the geopolymer matrix. We prepared the GP paste, which was poured into cylindrical molds and cured at 60°C for one week. To scrutinize the crystallinity, phase purity, and bonding type of the developed matrix, we employed XRD and FTIR techniques. Additionally, we conducted standard compressive strength tests (following ASTM C39/C39M-17b) to assess the stacking durability and robustness of the developed waste form, vital for storage, handling, transportation, and disposal in a deep geological repository. Furthermore, to evaluate the chemical durability, diffusivity and leaching of the GP waste matrix, we employed the ASTM standard Product Consistency Test (PCT: C 1285-02) and American nuclear society’s devised leaching test (ANS 16.1). It is noteworthy that the introduction of Cs and Cs/Mo in the GP matrix led to a reduction of more than 50% and 60% in compressive strength, respectively. This outcome may be attributed to the interference of Cs and Mo with the geopolymerization process, potentially causing the formation of new phases. However, it is crucial to emphasize that both developed matrices exhibited an acceptable normalized leaching rate of less than 10-5 g·m-2·d-1. This finding underscores the promising potential of the GP matrix for the immobilization of cationic and anionic radioactive species, paving the way for more sustainable nuclear waste management practices.

본 논문에서는 지오폴리머의 상변화를 관찰하기 위하여 나노인덴테이션 데이터를 가우시안 믹스쳐 모델로 분석하는 방법을 제시 하였다. 지오폴리머는 일반 시멘트 대비 CO2 발생량을 줄일 수 있어 시멘트 대체 재료로써 많은 연구가 이루어지고 있다. 기존 연구들 로부터 최적의 실리콘/알루미늄 비율을 찾았으나 1.8 초과에서 압축강도 저하의 원인은 아직 불분명하다. 본 연구에서는 실리콘/알루 미늄 비율이 재료에 미치는 영향을 조사하고자 나노인덴테이션 실험을 수행하였다. 실험 결과를 가우시안 믹스쳐 모델로 상분석하였 고, 실리콘/알루미늄 비율이 증가할수록 재료가 균질거동을 하는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구결과는 강도저하를 규명하는데 직접 적인 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 메타카올린을 혼입한 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축, 휨, 부착강도, 수밀성, 염화물 이온 침투 저항성,탄산화 깊이 및 동결융해 저항성에 미치는 폴리머-결합재비 및 메타카올린 첨가량의 영향에 대하여 검토하였다. 그 결과, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 휨, 압축 및 부착강도는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 폴리머-결합재비에 관계없이, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 강도는 메타카올린 첨가량의 증가에 따라 증가하였으며, 메타카올린 첨가량 5%에서 최고 값을 나타내었다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율, 탄산화 깊이 및 염화물이온 침투저항성은 폴리머-결합재비의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 동결융해 저항성의 개선은 폴리머 에멀젼의 혼입에 의해 시멘트 수화물과 골재간의 접착성이 개선되기 때문이라 판단된다.

This paper presents the findings of the study conducted to evaluate workability and compressive strength characteristics of rapid-setting concrete containing metakaolin. The experimental variable selected was the rate of cement replacement with metakaolin at 0, 5, 10, and 15 percent. The findings are summarized as follows: compared with the control specimens with no replacement rate, the workability and compressive strength of the concrete with 5% of cement replaced with metakaolin were comparable to those of control specimens at 4hours; however, at 72 hours, the compressive strength of the concrete with the same replacement rate was larger than the strength of the control specimens by 4.1%, while no increase in strength was observed at higher replacement rates, implying that the optimum replacement rate of cement with metakaolin is 5%.

Environmental problems caused by the occurrence of carbon dioxide are recognized as a critical issue throughout the world. As a result, a measure for the use of cement and improvement of its quality must be sought out. In order to reduce the occurrence of carbon dioxide during the manufacturing process of cement, this study creates an alkali-activated slag cement that utilizes ground granulated blast furnace slag, an industrial by-product, and substitutes metakaolin as an alternative for silica fume to improve the process of manufacturing high-strength concrete and its quality. The study discerns the mechanical characteristics by measuring the flexibility and compressive strength through the mortar matrix and discerns the durability by conducting an acid resistance test and chloride ion penetration resistance test. Also, the study discerns the hydration products through an XRD test. Based on the results of such tests, it is anticipated that it may be used as a secondary product for concrete or buildings that require superior long-term strength and durability compared to regular Portland cement. However, as no clear results were found in this study regarding the substitution of metakaolin, it displayed mixed results in comparison to previous studies. Nevertheless, it is expected that metakaolin will become a more superior admixture if its issues are improved through continuous research studies.

본 연구에서는 콘크리트 구조물의 강도 향상을 위하여 혼입하고 있는 메타카올린의 내구성능 향상 효과를 규명하기 위하여 염화물이온 확산계수 및 단열온도상승량을 측정하였다. 그 결과, 메타카올린의 혼입으로 인하여 염화물이온 확산계수가 작아짐이 확인되었으며 플라이 애쉬의 첨가를 통하여 유동성의 저하를 억제할 수 있었다. 따라서 염분침투저항성을 확보하면서 물결합재비를 크게 하는 것이 가능하므로 메타카올린의 혼입으로 발생되는 단열온도상승량을 억제할 수 있어 콘크리트의 내구성능이 향상될 수 있음을 확인하였다.

2011년 일본 큐슈 키리시마 지역의 신모에타케 화산 분화 및 2010년 아이슬란드 남부의 화산폭발은 각 지역에 큰 피해를 야기하였으며, 우리나라에서도 2002년 백두산 지역의 강진에 의한 지표면 팽창이 관찰되어 근시일내 백두산의 분화가능성이 지적되고 있다. 이에 따라, 국내에서도 화산폭발에 대한 대응책이 정부 및 학계를 중심으로 논의되기 시작하였다. 화산폭발이 발생하면 화산재가 각종 기반시설을 덮음으로 인해 물류 및 교통에 다대한 영향을 미치게 되어 화산재의 조속한 처리 및 처분이 필요하며, 이 과정에서 화산재의 유효 활용방안 개발이 요구된다. 본 연구에서는 화산재를 친환경 건설재료로서 수질정화 등의 목적으로 활용하기 위해 백두산 및 한라산의 화산재, 다공성의 제올라이트 및 일반 자갈에 시멘트 및 메타카올린을 첨가한 블럭에 대한 유용미생물(EM)의 시간경과(0일, 7일)에 따른 생장 특성을 분석하였다. 실험 결과, 일반 자갈 블럭에 비해 화산재 블럭의 유용미생물 개체수 증가가 탁월한 것으로 나타나, 화산재의 수질정화용 블럭에의 적용성이 높은 것으로 나타났다.

최근들어 백두산 지역의 지표면 팽창현상이 관찰되면서, 백두산의 분화 위험성이 증대되고 있다. 화산이 분화하는 경우, 무수한 화산재의 비산으로 항공, 교통, 물류, 정밀기계 산업 등이 큰 타격을 입게 될 뿐만 아니라, 화산재의 처리 및 처분에도 막대한 국가적 손실이 발생하므로 화산재 처리 및 활용방안의 개발이 절실히 요구된다. 본 연구에서는 화산재를 건설재료로 활용하기 위하여 백두산, 한라산의 화산재 및 다공성의 제올라이트에 시멘트 및 메타카올린을 첨가한 공시체에 대한 재령 0일 및 7일의 배합비별 압축강도 특성을 분석하였다. 실험 결과, 재령 7일에 대하여 혼합재(화산재 및 제오라이트), 시멘트 및 메타카올린의 비율을 3.5：1：0.1로 배합한 경우 최대의 압축강도를 나타내었으며, 재령 및 단위시멘트량의 증가, 메타카올린의 첨가가 압축강도 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

2010년 아이슬란드 남부의 화산폭발은 유럽지역에 항공대란을 야기하였으며, 국내에서도 2002년 백두산 지역을 중심으로 강진에 의한 지표면 팽창현상이 관찰되면서 백두산의 화산폭발 위험성이 점증하고 있다. 화산폭발이 발생하는 경우, 화산재의 처리 및 처분에 따른 막대한 국가적 손실이 유발되므로, 화산재 처리 및 활용방안의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 화산재를 건설재료로 활용하기 위하여 백두산, 한라산의 화산재 및 다공성의 제올라이트에 시멘트 및 메타카올린을 첨가한 블럭에 대한 재령 0일 및 7일의 배합비별 휨강도 특성을 분석하였다. 실험 결과, 재령 7일에 대하여 혼합재(화산재 및 제오라이트), 시멘트 및 메타카올린의 비율을 3.5：1：0.1로 배합한 경우 최대의 휨강도를 나타내었으며, 재령 및 단위시멘트량의 증가, 메타카올린의 첨가가 휨강도 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

2002년에 백두산 지역을 중심으로 강진에 의한 지표면 팽창현상이 관찰되면서, 백두산의 화산폭발 가능성이 높아지고 있다. 이에 따라, 그동안 국내에서 재난유형으로 별도의 분류가 없던 화산폭발에 대한 대책이 정부차원에서 논의되기 시작하였다. 화산폭발이 발생하면 무수한 화산재가 각종 사회기반시설을 덮게 되며, 비산에 의해 항공, 물류, 정밀기계산업 등에 타격이 발생하게 된다. 본 연구에서는 화산재를 건설재료로 활용하기 위하여 백두산, 한라산의 화산재 및 다공성의 제올라이트에 시멘트 및 메타카올린을 첨가한 재령 7일의 공시체에 대한 배합비별 동결융해 저항성을 분석하였다. 실험 결과, 재령 7일에 대하여 혼합재(화산재 및 제오라이트), 시멘트 및 메타카올린의 비율을 3.5：1：0.1로 배합한 경우 동결융해 저항성이 가장 우수한 것으로 나타나, 재령 및 단위시멘트량의 증가, 메타카올린의 첨가가 동결융해 저항성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

가혹한 환경에 노출되는 콘크리트 교량바닥판에 대한 피해가 증가하면서 콘크리트 교량바닥판의 내구성 향상에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 고성능 콘크리트에 대한 관심이 높아지고 있다. 최근, 새로운 광물질 혼화재로써 실리카흄과 같은 수준의 강도와 내구성 확보가 가능한 메타카올린이 높게 평가되고 있다. 이에 비해 국내의 메타카올린에 대한 연구 및 대체사용은 미진한 수준이며, 메타카올린 콘크리트를 교량바닥판에 적용하기 위한 검토도 매우 부족한 실정이다. 따라서 메타카올린 콘크리트를 교량바닥판에 적용하기 위해서는 장기적인 역학적 특성 및 교량바닥판에 요구되는 내구성에 대한 다양한 자료가 필요하다. 본 연구는 메타카올린 콘크리트를 적용한 교량바닥판의 장기적인 역학적 특성 및 내구성을 양생 재령에 따라 검토하는데 목적을 두었다. 역학적 특성은 압축강도 및 휨강도가 측정되었으며, 내구성의 경우는 건조수축, 염화물 저항성, 스케일링, 동결융해 저항성을 양생 재령에 따라 비교 평가하였다. 연구결과에 따르면, 메타카올린의 대체는 압축강도 및 휨강도 발현이 초기 및 장기 재령에서 우수하였다. 또한, 내구성 측면에서도 염화물 침투 저항성과 동결융해 저항성을 향상시켰다. 또한, 건조수축을 저감시키는 것으로 나타났다.

메타카올린은 고령토나 카올린으로 알려진 카올린 광물의 풍화물로, 도자기 산업에 주로 사용되는 원료로, 일반적으로 메타카올린의 입자 크기는 시멘트보다는 작지만, 마이크로 실리카퓸보다는 크다. 본 연구에서는 콘크리트용 혼화재로 메타카올린을사용한 콘크리트의 압축강도와 염소이온 투과저항 특성에 관한 영향에 관해 조사하였다. 메타카올린과 실리카퓸의 혼입률이 압축강도와 염소이온 투과저항에 주는 영향을 비교하기 위해 물-결합재비를 30%로 고정하고 각각 0, 5, 10, 15, 20%인 배합수준을 설정하여 비교하였다. 연구결과 메타카올린을 혼입한 콘크리트는 실리카퓸을 혼입한 콘크리트와 유사한 강도특성을 보였지만, 염소이온 투과저항성은 다소 불리한 것으로 나타났다. 따라서, 강도와 염소이온 투과저항 성능을 동시에 만족하기 위한메타카올린의 혼입률은 10% 정도인 것으로 나타났다.

알칼리-실리카반응은 시멘트 내의 알칼리와 화학적으로 불안정한 반응성 골재와의 화학반응으로서, 그 결과 콘크리트의 팽창과 균열을 발생하는 작용이다 본 연구에서는 우수한 포조란반응 특성을 나타내는 새로운 광물혼화재로 부각되고 있는 메타카오린의 알칼리-실리카반응 억제 효과에 대하여 연구하였다. 다양한 치환율로 메타카오린을 혼합한 모르타르 공시체를 제작하여, 알칼리-실리카 반응성 시험(ASTM C 1260), 압축강도 시험 및 유동성 시험을 실시하고, 시멘트 수화물에서의 구성성분 변화에 대한 XRD 정량분석을 실시하였다. 그 결과, 메타카오린의 혼합은 시멘트 페이스트내의 가용 포트랜다이트의 함량을 급속히 감소시키는 빠른 포조란반응 및 수화반응 특성을 나타내어, 알칼리-실리카 반응에 의한 팽창을 억제하고 우수한 압축강도를 발현하는 것으로 나타났다. 시멘트에 메타카오린의 혼합에 의한 알칼리-실리카 반응에 의한 팽창억제는 치환율 15% 이상, 즉 시멘트 페이스 내의 가용 포트랜다이트 함량이 약 10% 이하가 될 경우 효과적이다. 메타카오린의 혼합에 의한 알칼리-실리카 반응에 의한 팽창 억제는 유해성이 높은 알칼리-칼슘-실리카 겔의 형성이 억제된 결과와 포조란 효과에 의한 치밀하고 균질한 시멘트 페이스트 형성으로 인한 알칼리 용액의 침투가 억제된 결과에 의한 것으로 생각된다. 15% 이상의 메타카오린의 혼합은 보통의 모르타르보다 높은 초기강도를 발현하였으며, 후기강도는 전 치환율 범위에서 보통의 모르타르 이상의 아주 우수한 강도를 나타내었다. 강도발현 특징은 메타카오린에 의한 빠른 포조란반응 및 수화특성을 반영하고 있다.