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문제 정의
- 강도특성을 천연모래와 비교.고찰하여 향후 콘크리트용 잔골재로서의 활용을 위한 기초자료 제공을 목적으로 하고 있다.
- 따라서 본 연구는 국내에서 년간 70만톤 이상 발생하는 동제련 슬래그를 대상으로 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구의 일환으로 동슬래그의 물리적 특성, 화학조성, 환경 유해성 등을 평가하였고, 천연골재를 일정 부분 치환하여 제작한 모르타르 실험을 통하여 유동성 및 강도특성을 천연모래와 비교.고찰하여 향후 콘크리트용 잔골재로서의 활용을 위한 기초자료 제공을 목적으로 하고 있다.
- 또한, 용출시험은 침출수의 성분, 용출되어나오는 물질들의 양, 유해한 침출수가 발생하는 조건 등을 평가하는 방법으로 산업부산물이 주위환경에 미치는 영향을 예측하는 데에 활용된다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 공정시험법에 의한 용출시험을 실시하여 동슬래그의 환경 유해성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 생산되고 있는 2종의 동 슬래그를 대상으로 콘크리트용 골재로서의 활용 가능성을 검토하기 위한 기본적인 물리적 특성 및 화학조성을 분석하고, 잔골재를 치환한 모르타르를 제작하여 물리.역학적 특성 변화를 비교.
제안 방법
- 1) 비중 및 흡수율 : KS F 2504(잔골재의 비중 및 흡수율 시험^ 준하여 절대건조상태 비중과 흡수율을 측정하였다.
- 2종의 동슬래그를 콘크리트용 골재로 활용하기 위한 기본연구로서 천연골재를 소정량 동슬래그로 치환하여 모르타르를 제작하고, 그 물리.역학적 특성분석을 실시하였다.
- 즉, 한국산업규격에서 규정하고 있는 콘크리트용 잔골재의 특성 기준에 따른 기초적인 물리적 특성 파악과, 슬래그의 결정특성을 SEM과 XRD를 이용하여 분석하였으며, 특히 냉각 조건에 따른 결정의 변화를 관찰하기 위하여 동슬래그의 냉각속도에 따른 상분석과 성분분석을 실시하였다. 또한, 모르타르 제조시 잔골재를 25, 50, 75, 100 % 치환하였을 경우의 유동특성 및 단위용적 중량 변화 그리고 압축강도 휨강도, 인장 강도의 발현 특성을 분석하였다.
- 모르타르 제작을 위한 시멘트와 잔골재의 배합 비율(용적비)은 1 : 3으로 하고, 목표 플로우는 18 cm를 기준으로 배합계획을 수립하였다.
- 본 시험에 사용한 pH meter는 H사에서 생산되는 장비를 사용하여 250 圳 비이커에 동슬래그 50g을 넣은 다음, 미리 준비한 증류수 200 圳를 섞어 유리막대로 약 3분간 저은 후, 3시간 동안 방치하여 동슬래그+증류수 혼합물의 pH를 측정하였다. 측정은 5회 측정하였을 때, 그 재현성이 士 0.
- 치환한 모르타르를 제작하여 물리.역학적 특성 변화를 비교.분석하였다.
- 제작하고, 그 물리.역학적 특성분석을 실시하였다. 실험체 제작에 사용된 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트이며, 잔골재인 천연모래 및 동슬래그의 물리적 특성은 Table 5와 같다.
- 용출시험은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 정밀하게 계량한 동슬래그 100 g과 미네랄 성분을 제거시킨 증류수 (0.1N HC1 용액을 가하여 pH 5.8〜6.3으로 조정) 1000 M 를 2000 觇 삼각플라스크에 넣고 상온, 상압에서 매분당진탕회수 약 200회(진폭 4~5 cm)로 6시간 연속 진탕한 다음, 1.0 例의 유리섬유 여과지로 여과액을 추출하여 용출시험을 실시하였다7).
- 분석하였다. 즉, 한국산업규격에서 규정하고 있는 콘크리트용 잔골재의 특성 기준에 따른 기초적인 물리적 특성 파악과, 슬래그의 결정특성을 SEM과 XRD를 이용하여 분석하였으며, 특히 냉각 조건에 따른 결정의 변화를 관찰하기 위하여 동슬래그의 냉각속도에 따른 상분석과 성분분석을 실시하였다. 또한, 모르타르 제조시 잔골재를 25, 50, 75, 100 % 치환하였을 경우의 유동특성 및 단위용적 중량 변화 그리고 압축강도 휨강도, 인장 강도의 발현 특성을 분석하였다.
- 천연모래에 대한 동슬래그의 치환비율(용적비)을 0, 25, 50, 75, 100 %로 25 %씩 단계적으로 증가시켜 모르타르를 제작하고, 실험체의 플로우, 단위용적중량 및 압축강도, 휨강도 인장강도를 측정하였다.
- 측정하였다. 측정은 5회 측정하였을 때, 그 재현성이 士 0.1 이내의 것을 사용하였으며, 30일까지 측정하여 시간에 따른 pH의 변화를 파악하였다.
대상 데이터
- 역학적 특성분석을 실시하였다. 실험체 제작에 사용된 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트이며, 잔골재인 천연모래 및 동슬래그의 물리적 특성은 Table 5와 같다.
이론/모형
- 2) 단위용적중량 : KS F 2505(골재의 단위용적 중량 및 공극률 시험)를 적용하였다.
- 3) 점토덩어리량 : KS F 2512(골재 중에 함유되는점토덩어리량의 시험방법)에 의거 측정하였다.
- 4) No. 200체 통과량(0.08 mm체 통과량) : KS F 2511(골재에 포함된 잔 입자(0.08 mni체를 통과하는) 시험방법)를 적용하였다.
- 5) 조립률 및 실적률 : KS F 2502(골재의 체 가름 시험 방법)에 따라 측정하였다.
성능/효과
- 1) 국내에서 생산되고 있는 FCS 및 CCS의 기본적 특성시험 결과, KS F 25M3(콘크리트용 동슬래그 골재) 에서규정하고 있는 기준치를 모두 만족하였으며, 국내 폐기물 공정시험법에 의한 동슬래그의 용출실험결과, 2종의 동 슬래그는 규제물질 허용 기준치를 넘지 않았고, 以 역시 오염물질 배출허용 기준 이내로 나타나 동 슬래그는 환경적으로 안정한 것으로 평가된다
- 2) 동슬래그 골재의 화학성분 측정 결과, 대부분이 Fe 및 SiQ로 구성되어 있으며, 이외에 AlA, CaO 등이 미량 존재하는 것으로 나타났다. 또한 X-ray 회절 분석 결과 수쇄에 의한 자용로 슬래그는 상이 결정화되어있으며, 연속로 슬래그의 경우 유리질 형태를 보이고있다.
- 28일 압축강도 측정결과, 2종의 동슬래그 모두 치환 비율 25 %까지는 천연모래 만을 사용한 경우와 동등 이상의 강도 수준을 나타내었으나, 치환비율의 증가에 따라 직선적인 관계로 압축강도가 감소되었다.
- 2종의 동슬래그 모두 동일한 양상을 보이나 CCS의 경우에 25%의 치환비율에서 약간의 강도 증진이 있다는 것이 특징이다. 이는 치환비율에 따른 압축강도의 변동 경향과 같은 현상으로 설명되지만, 치환비율의 증가에도 불구하고 동슬래그 유형에 따른 차이가 크지 않아 동 슬래그의 종류에 따른 인장강도의 변화가 무시할 수 있는 수준이다
- 3) 동일한 물-시멘트비를 적용할 경우, 치환비율 50 %를경계로 낮은 치환비율에서 상대적으로 고운 입형의 자용로 슬래그가 연속로 슬래그보다 큰 플로우값을 나타내었으며, 50% 이상에서 치환비율의 증가에 따라 굵은 입자의 함유율이 높은 연속로 슬래그가 플로우 발현 측면에서 우세하였다 단위용적중량은 비중이 3.40 정도인 연속로 슬래그 혼입 모르타르가 3.74 정도의 비중을 가진 자용로 슬래그 혼입의 경우보다 2~3 % 낮게 나타났다.
- 4) 물-시멘트비 45%에서 연속로 슬래그로 치환한 모르타르 실험체의 최대 압축강도는 치환비율 25%에서 559 kgfcm2S 가장 큰 피크를 이루며, 동슬래그를 전혀 사용하지 않은 실험체의 압축강도 5371廷0嵐에 비하여 약 4%의 강도증진이 있었고, 30 % 정도의 치환 비율에서 천연모래만을 사용한 것과 대등한 수준을 발현하였다. 한편, 2종의 동슬래그 모두 천연모래에 대한 치환 비율이 50% 이상 증가됨에 따라 압축강도가 점차적으로 소폭 감소되었다.
- FCS는 0.6 %, CCS는 0.1 %로 매우 안정적으로 나타났다. 이러한 결과는 KS F 2526에서 규정한 잔골재의 점토덩어리량 1.
- PCS 내에 약 1 % 정도 함유되어 있는 구리 성분은 냉각속도 감소에 따라 입자의 형상이 커지고 있으며, 특이한 점은 주로 Magnetite(마그네타이트)상과 인접한 곳에위치하고 있거나, Magnetite상 내부에 존재하는 것이다 또한 FCS 내에 미량 존재하는 중금속들은 별도의 상을 형성하지 않으며, 기지조직에 완전히 용해되어 있는 것으로 나타났다. 이러한 이유로 인하여 동슬래그가 안정한 상으로 존재하며 중금속 용출이 어려워지게 된다고 판단된다.
- 형태로 존재함이 관찰되었다. PCS는 수냉상태에서부터 결정화되어 있어 결정질의 peak 형태를 보이고있으나, 냉각속도 감소에 따라 점차 peak 형태가 더욱 뚜렷해지고 peak 강도 역시 증가되는 양상을 나타내었다. QCS는.
- 골재에 대한 미립자 전체의 양을 검토할 목적으로 시행된 No. 200체 통과량 시험결과, FCS는 0.4%, CCS는 0.3 %로 매우 낮게 나타나 콘크리트용 골재로서 한국산업규격(KS F 2526)의 잔골재 규정 3.0-5.0 % 이하를 만족하고 있으며, 미세 입자에 의한 성능■의 저하는 없는 것으로 나타났다.
- 3 kgf/cn?이며, 치환비율 25 %에서 다소의 강도 증진 및 동등 수준이 발현되는 것으로 나타났다. 그러나 치환 비율 50 % 이상에서는 치환비율 증가에 따라 천연모래 만을 사용한 실험체에 비해 점차 강도가 저하되는 현상을 발현하였다.
- 냉각속도 변화에 따른 동슬래그의 X-선 회절 분석결과, 현미경 분석에서 설명하였던 것처럼 FCS는 FayaKte상이전체적으로 주를 이루고 있음을 알 수 있으며, 일부 Fe는 Magnetite 형태로 존재함이 관찰되었다. PCS는 수냉상태에서부터 결정화되어 있어 결정질의 peak 형태를 보이고있으나, 냉각속도 감소에 따라 점차 peak 형태가 더욱 뚜렷해지고 peak 강도 역시 증가되는 양상을 나타내었다.
- 동슬래그로 치환하지 않은 모르타르의 경우는 모든 배합에서 단위용적중량이 2.17 t/m3 수준의 값을 나타내었으나, 단계적으로 동슬래그의 치환비율을 25%씩 높여 갔을 때 단위용적중량은 천연모래 만을 사용한 모르타르에 비하여 평균 5.5 %씩 증가하며, 100 % 치환시에는 2.83- 2.89t/m3의 값을 나타내었다
- 동슬래그의 미세조직 양상을 주사전자현미경(SEM) 관찰한 결과, 자용로 슬래그의 경우 기지조직(基地組織)에 있어서 Fayante(2FeO - SiO2) 선상조직이 잘 발달되어 있고, 냉각속도의 감소에 따라 조직이 성장하는 것으로 나타났다. PCS 내에 약 1 % 정도 함유되어 있는 구리 성분은 냉각속도 감소에 따라 입자의 형상이 커지고 있으며, 특이한 점은 주로 Magnetite(마그네타이트)상과 인접한 곳에위치하고 있거나, Magnetite상 내부에 존재하는 것이다 또한 FCS 내에 미량 존재하는 중금속들은 별도의 상을 형성하지 않으며, 기지조직에 완전히 용해되어 있는 것으로 나타났다.
- 6의 범위로 규정하고 있다. 따라서 상기의 결과로부터 동슬래그는 구조물의 내구성에 관계되는 콘크리트의 노화나 강재의 부식 등에 직접적인 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
- 존재하는 것으로 나타났다. 또한 X-ray 회절 분석 결과 수쇄에 의한 자용로 슬래그는 상이 결정화되어있으며, 연속로 슬래그의 경우 유리질 형태를 보이고있다.
- 의한 물리.역학적 성상에도 큰 영향이 없는 것으로 분석되어 콘크리트용 골재로서의 활용 가능성이 매우 높음을 알 수 있었다. 다만, 동슬래그의 입도분포가 KS F 2526에서 제시하고 있는 찬연잔골재 보다 입형이 굵은 상태이고 이에따라 조립률이 3.
- 1 %로 매우 안정적으로 나타났다. 이러한 결과는 KS F 2526에서 규정한 잔골재의 점토덩어리량 1.0 %를 만족하는 것으로서 사용성에 문제가 없는 것으로 분석되었다.
- kgf/cn?이며, 치환비율 25 %에서 다소의 강도 증진 및 동등 수준이 발현되는 것으로 나타났다. 그러나 치환 비율 50 % 이상에서는 치환비율 증가에 따라 천연모래 만을 사용한 실험체에 비해 점차 강도가 저하되는 현상을 발현하였다.
- 한편, 2종의 동슬래그 모두 천연모래에 대한 치환 비율이 50% 이상 증가됨에 따라 압축강도가 점차적으로 소폭 감소되었다. 인장강도 및 휨강도에 있어서도 압축강도와 유사한 양상이며, 연속로 슬래그를 사용한 경우가 자용로 슬래그에 비하여 강도감소가 적은 것으로 나타났다.
- 천연모래 만을 사용한 경우에 비해 굵은 입자 비율이 상대적으로 큰 동슬래그로 치환한 경우에 유동성이 상대적으로 향상되었다. Fig.
- 천연모래의 절대건조 비중은 2.59 정도인데 비해 FCS 는 3.74, OCS는 3.40으로 일반 천연모래에 비하여 44 %, 31 % 정도 높게 나타났으며, 흡수율은 일반 천연모래 0.90 에 비하여 훨씬 낮은 0.52, 0.20으로 나타나 혼합수량 관리상의 안정성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
- 폐기물공정시험법에 의한 용출시험 결과, 규제물질로 정하고 있는 As, Hg, Cr, CN, 트리클로로에틸렌 테트라클로로에틸렌 유기인 등의 용출은 전혀 없는 것으로 나타났으며, Pb, Cu, Cd 등은 미량 검출되었으나 허용기준보다 아주 낮게 나타났다(폐기물관리법 시행규칙 별표 1(지정폐기물에 함유된 유해물질) 참조).
- 한편, 2종의 동슬래그 모두 천연모래에 대한 치환 비율이 50% 이상 증가됨에 따라 압축강도가 점차적으로 소폭 감소되었다. 인장강도 및 휨강도에 있어서도 압축강도와 유사한 양상이며, 연속로 슬래그를 사용한 경우가 자용로 슬래그에 비하여 강도감소가 적은 것으로 나타났다.
- 이러한 이유로 인하여 동슬래그가 안정한 상으로 존재하며 중금속 용출이 어려워지게 된다고 판단된다. 한편, 수냉 슬래그의 경우 매우 치밀한 조직구조를 보여주고 있는 반면, 냉각속도 감소에 따라 , 약간의 기공도 조직 내에 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서, 동슬래그 100% 치환시의 단위용적중량이 무 혼입 배합에 비하여 22 %나 높아, 향후 모르타르나 콘크리트용 골재에 적용할 경우 중량 문제에 대한 대책이 강구되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 동슬래그의 화학 성분과 물리적인 성질이 중량콘크리트의 골재 규준에 적합하여 중량 콘크리트용 골재로서의 적용 등에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 할 것으로 판단된다. 또한, 동슬래그의 화학 성분과 물리적인 성질이 중량콘크리트의 골재 규준에 적합하여 중량 콘크리트용 골재로서의 적용 등에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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