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문제 정의
- 부족하다고한다。그래서 주물공장에서 폐기물로 발생되는 (X》형 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구에 착안하게 되었다.
- 또한, 폐주물사가 콘크리트용 잔골재로 사용 가능 여부를 평가하기 위하여 폐주물사 대체 콘크리트의 응결시간, 블리딩률, 워커빌리티, 압축, 인장강도 및 탄성계수를 측정한 결과에 대하여 고찰하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 점차 증가추세로 발생되는 CO2 형 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구의 일환으로 폐주물사의 비중, 흡수율, 입도 유기불순물 및 유해원소 등 품질에 대하여 천연골재와 비교 평가하였다. 그리고 천연골재를 폐주물사로 대체한 모르타르의 유동성 및 강도 등 물성에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
- ©10x20 cm 원주형 공시체를 제조하여 표준양생한 후 압축, 인장강도 및 정탄성계수를 각각 KS F 2405, KS F 2423 및 KS F 2438에 의하여 측정하였다.
- 그래서 세척왕사를 폐주물사로 30, 40 및 50% 대체하므로써 표준입도곡선을 만족흐}는 입도분포를 나타내는 좋은 결과를 나타냈기 때문에 본 논문에서는 세척왕사를 폐주물사로 대체하게 되었다.
- 그리고 천연골재를 폐주물사로 대체한 모르타르의 유동성 및 강도 등 물성에 대하여 고찰하였다.
- 물—시멘트비 go%, 단위시멘트량 600g, 단위수량 360g 으로 정하여 플로우값 100±5 %를 목표로 모르타르를 제조한 후, KS F 2514에 의하여 모르타르의 플로우값 및 압축강도를 측정하였다.
- 폐주물사로 잔골재와 대체한 콘크리트의 슬럼프 값 및 공기량을 각각 12±1.5cm 및 4.5+1 % 목표로 정하여 콘크리트를 제조하였으며, 사용된 감수제 및 AE제 양을 나타낸 것이 Fig. 13이다. 이 그림에서 폐주물사의 대체율이 증가함에 따라 감수제 및 AE제의 사용량이 각각 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다.
- 표준 양생한 재령 28일의 모르타르 공시체를 건조로에서 105±5 ℃로 24시간 건조시켜 비중 및 흡수율을 측정하였다.
- 한편, 모르타르의 공극량을 간접적으로 알아보기 위하여 5x5x5 cm인 공시체를 105±5 ℃로 건조시킨 후 Hall의 시험 방법®을 참고로 하여 Fig. 1과 같이 공시체 한쪽 면을 물에 48시간 동안 침지시킨 후 경과시간 180분까지의 흡수율을 측정하였다
- 따라서 폐주물사를 잔골재와 0, 10, 20, 30, 40 및 50%로 대체한 모르타르의 배합을 Table 6과 같이 선정하였다. 한편, 콘크리트의배합은 모르타르의 실험결과를 토대로 하여 Table 7과 같으며, 이때 압축강도 300kgfcm2 정도의 콘크리트를 제조하기 위하여 물-시멘트비 50%, 목표 슬럼프 및 공기량을 각각 12+1.5cm 및 4.5±1%로 정하였다
대상 데이터
- 잔골재는 주문진산 표준사 (SS)와 바다모래를 세척한왕사(washed coarse sand, WCS 및 왕사), 세척중사 (washed medium sand, WMS 및 중사) 및 부순모래 (crushed sand, CRSX 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 25nm인 부순골재로서 물리적 성질은 Table 2와 같다
- 주성분이 calcium ligno sulphonate계인 감수제(이하 WA)와 공기연행제(이하 AEA)를 병용하여 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질은 Table 5와 같다.
이론/모형
- 주물을 제작한 후 폐기처분된 폐주물사가 인체 및 환경에 유해한 원소성분을 함유하고 있는지 여부를 알아보기 위하여 Ca, Mg는 원자흡광 광도법 (atomic absorption spectrcphotometiy, AA)을 이용하였으며, 그 외의 원소는 유도결합 플라즈마 질량 분석법(inductively cupled plasma spectroscopy, ICP-MS)을 이용하여 정량적인 분석을 실시하였다.
- 폐주물사를 사용한 콘크리트의 경과시간에 따른 슬럼프 손실 정도를 알아보기 위하여 믹싱 직후 0, 30, 60 및 90분에 슬럼프 값을 KS F 2402에 의하여 측정하였다.
- 폐주물사를 사용한 콘크리트의 응결시간 및 블리딩은 각각 KS F 2436 및 KS F 2414에 의하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) 폐주물사의 비중 및 흡수율은 각각 2.60과 2.30 %로서, 비중은 천연골재와 비슷하였으나 흡수율은 컸으며, 단위용적 중량 및 실적률은 작았다. 한편, 입도분포는 표준 입도를 벗어나므로 천연골재를 적정비율로 대체하므로써 잔골재로 사용 가능하였다.
- 3) 폐주물사 대체율의 증가에 따른 콘크리트의 초결 및 종결 시간은 폐주물사 입자 표면에 존재하는 규산소다의 반응으로 보통콘크리트보다 30분 정도 빨랐다. 한편, 폐주물사 대체 콘크리트의 블리딩률은 경과시간 3시간에서 보통콘크리트의 경우 4.
- 4) 폐주물사 대체 콘크리트의 목표 슬럼프값과 공기량을 확보하기 위하여 혼화제의 양이 많이 요구되었으나, 슬럼프 손실률은 보통콘크리트보다 오히려 증가하였다. 그러나, 폐주물사를 30 % 대체한 콘크리트의 압축 및 인장강도는 재령에 관계없이 가장 컸으며, 압축강도 증가와 더불어 인장강도 및 탄성계수도 선형적으로 증가하였다.
- 그러나 본 실험에 사용된 폐주물사의 옅은 농황색은 세척처리 등에 의하여 콘크리트용 골재로 사용 가능하다고 판정되었다.
- 그러나, 폐주물사를 30 % 대체한 콘크리트의 압축 및 인장강도는 재령에 관계없이 가장 컸으며, 압축강도 증가와 더불어 인장강도 및 탄성계수도 선형적으로 증가하였다.
- '이 표에서 인체에 유해한 Cd(카드뮴)은 검출되지 않았으며, As(비소), Cr(크롬), Cu(구리) 및 Pb(납)등은 폐기물 관리법 9)에서 규정하고 있는 규제값 이하로 나타났다. 따라서 본 연구에서 사용된 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 활용할 경우, 인체 또는 환경에 나쁜 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
- 2 로서, 이 그림에서 피크강도가 가장 큰 것이 Si以였으며, FezOs 및 AI2Q3의 순으로 나타났다. 또한 폐주물사의 XRF 분석에 의한 화학성분 중 SiQ가 囹 %이상인 Table 3의 결과와도 잘 일치함으로써 콘크리트용 골재로서 사용가능함을 확인하였다.
- 또한, 이들 5종류 골재의 단위용적중량과 실적률과의 관계를 나타낸 것이 Fig. 4이며, 이 그림에서 알 수 있듯이 폐주물사의 경우, Fig. 3의 비중과 흡수율과의 관계와는 달리 폐주물사를 포함시키더라도 결정계수 98 %로 매우 좋은 비례관계를 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 폐주물사의 품질은 천연골재와 비교하여 다소 떨어졌으나, 천연골재와 적절히 대체하여 사용함으로써 충분히 개선 가능하다고 판단되었다. 한편, 폐주물사를 잔골재와 50 %까지 대체한 모르타르 및 콘크리트의 물성실험결과, 유동성은 보통콘크리트와 비교하여 약간 떨어졌으나, 강도 면에서는 오히려 좋은 결과를 얻었다.
- 이 그림에서 알 수 있듯이 재령에 관계없이 폐주물사의 대체율 30%에서 압축 및 인장강도 값이 가장 컸으며, 왕사만을 사용한 콘크리트와 비교하여 압축 및 인장강도는 각각 8 % 및 4 % 정도 큰 값임을 알 수 있다. 폐주물사 30 % 대체한 콘크리트의 압축 및 인장강도가 가장 큰 이유는 폐주물사 입자 표면에 있는 규산소다가 강도 발현을 촉진시켰을 뿐만 아니라 폐주물사의 입도 분포가8 콘크리트의 공극을 최소화하는데 영향을 미쳤다고 생각된다.
- 이 그림에서 폐주물사의 대체율이 증가함에 따라 경과 시간별 블리딩률이 감소함을 알 수 있으며, 경과시간 3시간에서 블리딩률은 왕사만을 사용한 콘크리트 4.65 % > 폐주물사 30% 대체한 콘크리트 3.10% > 폐주물사 50% 대체한 콘크리트 2.40% 순으로 나타났다.
- 5이다. 이 그림에서 폐주물사의 입도곡선은 콘크리트 표준시방서 골재의 체가름 시험방법 KS F 2502에서 정하는 잔골재의 표준입도 범위를 약간 벗어날 뿐만 아니라 잔입자가 많은 조립률 2.39를 나타내었으나, 일반적인 콘크리트용 잔골재의 조립률 2.30~3.10의 범위 내에 있음을 알 수 있다
- 이 표에서 알 수 있듯이 폐주물사의 비중은 2.60, 흡수율은 2.30 %로서 KS F 2526, “콘크리트용 골재”에서 규정하고 있는 콘크리트용 잔골재의 비중 2.50 이상, 흡수율 3.0 % 이하의 값임을 알 수 있었다.
- 이번에는 폐주물사로 대체한 모르타르의 흡수율을 경과 시간별 및 대체율별로 정리한 것이 Fig. 9이며, 경과시간 180분에서 왕사만을 사용한 모르타르의 흡수율을 폐주물사로 대체한 모르타르와 비교해보면 대체율이 증가할 수록흡수율이 약간 커지는 경향을 나타내었다.
- 폐주물사를 천연 잔골재와 100 %까지 대체한 모르타르의 예비실험 결과로부터 폐주물사의 적정 대체율이 50% 정도까지의 범위에 해당됨을 확인하였다. 따라서 폐주물사를 잔골재와 0, 10, 20, 30, 40 및 50%로 대체한 모르타르의 배합을 Table 6과 같이 선정하였다.
- 한편, 폐주물사로 대체한 모르타르의 대체율별 및 재령별 압축강도가 약간 상이하였으며, 대체율 20 %에서 재령에 관계없이 가장 큰 압축강도 값을 나타내었다. 그러나 초기재령 3 및 7일에서는 폐주물사의 대체율이 증가할수록 모르타르의 압축강도가 왕사만을 사용한 경우보다 약간 작음을 알 수 있다.
- 충분히 개선 가능하다고 판단되었다. 한편, 폐주물사를 잔골재와 50 %까지 대체한 모르타르 및 콘크리트의 물성실험결과, 유동성은 보통콘크리트와 비교하여 약간 떨어졌으나, 강도 면에서는 오히려 좋은 결과를 얻었다.
후속연구
- 2) 폐주물사 대체율의 증가에 따른 모르타르의 유동성은 보통모르타르와 비교하여 약간 떨어지므로 잔골재량을 줄이는 등 대책이 요망된다. 한편, 폐주물사 대체 모르타르의 압축강도는 대체율 20 %에서 재령에 관계없이 가장컸으나, 초기 재령에서는 폐주물사의 대체율이 증가할수록 압축강도가 보통모르타르보다 약간 작았다.
- 폐주물사를 매립하므로써 야기되는 토양 및 지하수 오염과 같은 2차 환경오염 문제로 인한 피해가 우려되므로 폐주물사를 부가가치가 높은 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구가 요망된다.
- 현재 폐주물사를 잔골재로 활용한 콘크리트의 백화현상, 중성화, 동결융해 저항성 및 내약품성 등과 관련된 연구를 수행 중이므로 이들 연구결과에 대한 충분한 검토 이후 실용화가 가능할 것으로 생각된다.
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