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문제 정의
- 따라서 철강회사에서 생산되는 폐기물중 막대한 전로슬래그 를 콘크리트의 잔골재로 사용한다면, 고갈되어가는 잔골재의 부족현상을 대체시키고 자연에 미치는 환경영향을 최소화 할 수 있을 것이다.3), 4)그러므로 본 연구에서는 각 제철소에서 생 산되는 폐기물중 막대한 전로슬래그를 풍쇄공정4)(이송T기울 임-풍쇄 구형화(아토마이징처리)-살수냉각-야적)으로 처리 한 풍쇄슬래그 잔골재를 콘크리트용 골재로서 보다 적절하게 재활용하기위한 기초자료로서 제시하는데 그 목적을 두었다.
- 본 연구는 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율 및 단위수량 변화가 콘크리트의 특성에 미치는 영향에 관한 실험으로서 각종 실험 요인 및 수준을 검토하여 비교.분석한 결과 다음과 같은 결론 을 얻었다.
제안 방법
- 한편, 굳지않은 콘크리트의 상호 물성을 비교 분석하기 위한 시험항목으로서는 굳지 않은 상태에서의 슬럼프, 슬럼프플로우, 공기량, 단위용적중량 등으로 선정하여 계획하였다. 굳은 콘크 리트의 특성을 비교 분석하기 위한 시험으로는 재령 7, 28, 56 (일에서 압축강도, 반발도, 초음파속도 등을 측정하여 풍쇄슬 래그 잔골재 치환율 및 단위수량의 변화에 따른 배합요인별 콘 크리트의 특성을 비교 분석하는 것으로 실험을 계획하였다.
- 측정항목으로 슬럼프시험은 KS F 2402에 의거 실시하였고, 슬럼프플로우 시험은 KCI CT-103, 공기량 시험은 워싱턴형 공 기량 측정기 (Washington type Air Meter)를 이용하여 KS F 2421 에 의거 실시해 측정하였다. 굳은 콘크리트의 특성을 측정 하기 위한 압축강도용 공시체의 제작은 010X20cm의 실린더 형 철제 몰드에 콘크리트를 봉 다짐으로 밀실하게 다진 후 비 닐로 봉함하여 상온에서 24시간 경과 시킨 후 콘크리트 상면의 레이턴스를 와이어 브러쉬로 완전히 제거하고 수습 시킨 후 1 시간 전에 모르타르믹서로 준비한 플라스틱한 상태의 시멘트 페이스트(물-시멘트비 23%)를 채우고 아스테이지 (polyvinyl chloride film)와 6mm 유리판으로 압력을 가하여 캐핑한 다음 24시간 후 탈형, 수조온도가 20土2°C의 수조에 수중양생을 실 시하고, 소정기간 양생한 후, 콘크리트의 압축강도 시험은 일 본산 (주)동경시험기 제작소에서 생산된 ACR-200- 50P, 200Ton 규격의 만능재료시험기를 사용하여 KS F 2405의 규정 에 따라 매초 2~3kgf/cii의 속도로 서서히 가력하여 최대하중을 측정하였다. 다음으로 콘크리트의 비파괴시험은 슈미트 햄머에 의한 반발 경도시험 및 초음파속도 시험을 실시하였는데 반발 도시험 은 슈미트 햄머로 보통 콘크리트에 사용하여 자동 계 측 되는 NR형 일본산 콘크리트 테스트 햄머로 Kamekura Seiki CO.
- 굳지않은 콘크리트의 물리적 성질을 측정하기 위하여 콘크 리트의 비빔은 그림 1.과 같이, 골재, 시멘트, 물의 순서로 실험 실용 콘크리트 팬 믹서(공칭용량 80 C)에 투입하여 4분 비빔으 로 하였다.
- 즉, 실험 I 에서는 물-시멘트비 30, 40, 50(%)의 3수준, 단위 수량 170kg/irf, 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율 0, 25, 50, 75, (%) 의 4수준으로 설정하였고 실험II에서는 물-시멘트비 30, 40, 50(%)의 3수준, 단위수량 165, 170, 175(kg/ni)의 3수준, 풍쇄 슬래그 잔골재의 치환율 0, 50(%)의 2수준으로 설정하였다. 콘 크리트 배합의 목표 슬럼프치는 21土2.
- LTD 의 Q-750RX 를 사용하였다. 초음파속도 시험은 PUNDIT를 사용하여 공시체와 단자 사이에 공극이 생기지 않 도록 그리스를 바른 후 각 재령별 3개의 실린더 몰드를 길이 방향으로 초음파전파 측정하여 평균값을 취하여 초음파속도를 구하였다.
- 콘크리트의 배합설계는 기존의 각종 참고 배합표를 기초로 하여 수차례 시험비빔을 행한 후 물-시멘트비별 풍쇄슬래그 잔 골재 치환율 및 단위수량에 따라 표 6과 같이 결정하였으며, 콘크리트의 배합 중 잔골재율은 표준적인 콘크리트의 배합 및 구성재료의 물성에 따라 선정하였고 본 실험에서의 목표 슬럼 프치를 21±2.5cm 범위가 되도록 배합하였다.
- 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율 및 단위수량 변화에 따른 콘크 리트의 공학적 특성을 알아보기 위하여 슬럼프, 슬럼프 플로 우, 공기량 및 단위용적중량을 비교 분석 및 검토하였다.
- 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율 변화에 따른 콘크리트의 공학 적 특성을 알아보기 위하여 소요재령에 따른 압축강도, 반발도 및 초음파속도를 비교 분석 및 검토하였다.
- 한편, 굳지않은 콘크리트의 상호 물성을 비교 분석하기 위한 시험항목으로서는 굳지 않은 상태에서의 슬럼프, 슬럼프플로우, 공기량, 단위용적중량 등으로 선정하여 계획하였다. 굳은 콘크 리트의 특성을 비교 분석하기 위한 시험으로는 재령 7, 28, 56 (일에서 압축강도, 반발도, 초음파속도 등을 측정하여 풍쇄슬 래그 잔골재 치환율 및 단위수량의 변화에 따른 배합요인별 콘 크리트의 특성을 비교 분석하는 것으로 실험을 계획하였다.
대상 데이터
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2.2 골재
골재로서 잔골재는 충청남도 공주 금강에서 채취한 천연 강 모래를 사용하였고, 굵은골재는 충남 연기군 석산에서 생산된 부순돌을 사용하였으며, 그의 물리적 성질은 표 3과 같다
. 한 편, 풍쇄슬래그 잔골재는 국내의 제철소에서 생산 된 것으로 물리적 및 화학적 성분은 표 4와 같다. - 본 실험에 사용된 시멘트는 국내산 S사에서 제조된 KS L 5201규정의 보통 포틀랜드시멘트( I종)을 사용하였고 시멘트 의 물리적 성질 및 화학적 성분, 광물조성은 각각 표 2와 같다.
- 본 실험에 사용한 고성능 감수제는 국내산 연갈색의 액상체 인 고성능 AE감수제로서의 그 물리적 성질은 표 5와 같다.
- 즉, 실험 I 에서는 물-시멘트비 30, 40, 50(%)의 3수준, 단위 수량 170kg/irf, 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율 0, 25, 50, 75, (%) 의 4수준으로 설정하였고 실험II에서는 물-시멘트비 30, 40, 50(%)의 3수준, 단위수량 165, 170, 175(kg/ni)의 3수준, 풍쇄 슬래그 잔골재의 치환율 0, 50(%)의 2수준으로 설정하였다. 콘 크리트 배합의 목표 슬럼프치는 21土2.5cm로 설정하였다.
이론/모형
- 측정항목으로 슬럼프시험은 KS F 2402에 의거 실시하였고, 슬럼프플로우 시험은 KCI CT-103, 공기량 시험은 워싱턴형 공 기량 측정기 (Washington type Air Meter)를 이용하여 KS F 2421 에 의거 실시해 측정하였다. 굳은 콘크리트의 특성을 측정 하기 위한 압축강도용 공시체의 제작은 010X20cm의 실린더 형 철제 몰드에 콘크리트를 봉 다짐으로 밀실하게 다진 후 비 닐로 봉함하여 상온에서 24시간 경과 시킨 후 콘크리트 상면의 레이턴스를 와이어 브러쉬로 완전히 제거하고 수습 시킨 후 1 시간 전에 모르타르믹서로 준비한 플라스틱한 상태의 시멘트 페이스트(물-시멘트비 23%)를 채우고 아스테이지 (polyvinyl chloride film)와 6mm 유리판으로 압력을 가하여 캐핑한 다음 24시간 후 탈형, 수조온도가 20土2°C의 수조에 수중양생을 실 시하고, 소정기간 양생한 후, 콘크리트의 압축강도 시험은 일 본산 (주)동경시험기 제작소에서 생산된 ACR-200- 50P, 200Ton 규격의 만능재료시험기를 사용하여 KS F 2405의 규정 에 따라 매초 2~3kgf/cii의 속도로 서서히 가력하여 최대하중을 측정하였다.
성능/효과
- 1) 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트의 유동성은 치환율 이 증가함에 따라서 개선되는 경향을 나타내고 있었다. 이 는 잔골재의 입형이 구형으로서 볼베어링효과에 따른 영 향으로 판단된다.
- 2) 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트의 공기량은 치환율 이 증가함에 따라서 감소되는 경향을 나타내고 있었다. 따 라서, 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트에서는 공기량 관리에 주의를 기울여야 할 것이다.
- 3) 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트의 단위용적중량은 치환율 및 단위수량이 증가함에 따라서 상당히 높게 증가 하는 경향을 보이고 있기 때문에 방사선 차폐콘크리트용 골재로서의 활용성이 클 것으로 판단된다.
- 4) 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트의 압축강도는 치환 율이 증가함에 따라 초기재령보다는 장기재령에서의 증진 성향이 높은 것으로 나타났다. 이는 풍쇄슬래그의 잠재수 경성 및 포졸란반응에 기인한 결과로 판단된다.
- 5) 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트의 반발도는 풍쇄 슬래그 잔골재의 치환율이 증가함에 따라서 물-시멘트 30%의 경우만 증진되는 경향을 보이고 있었으며, 압축강 도와 유사하게 반발경도가 우수하게 나타나는 최적의 단 위수량이 존재하고 있었다.
- 6) 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트의 초음파속도는 풍 쇄슬래그 잔골재의 치환율이 증가함에 따라서 다소 증진 되는 경향을 보이고 있다. 또한, 재령에 따른 초음파속도 의 증진성상은 미약한 결과를 보이고 있었으며, 물-시멘트 비에 따른 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
- 공기량의 전반적인 경향은 적정한 공기연행제의 첨가에 의 해 소요의 목표 공기량인 4.5土 1.5%를 확보할 수 있었다. 물-시 멘트비에 따른 공기량을 확보하기 위한 공기연행제의 첨가율 은 물-시멘트비가 낮을수록 증가하는 경향을 보이고 있다.
- 물-시멘트비별 단위수량의 변화에 따른 슬럼프 플로우의 성 상은 그림 4와 같다. 굳지않은 콘크리트의 충전성능을 알아보 기 위한 슬럼프 플로우는 물-시멘트비 30%의 플레인 콘크리트 를 제외하고는 매우 양호한 값을 나타내고 있었다. 물-시멘트 비 30%의 플레인 콘크리트에서 낮은 슬럼프 플로우를 나타내 는 것은 상대적으로 고성능 감수제의 첨가율이 적었기 때문이 라고 여겨진다.
- 한편, 물-시멘트비별.단위수량의 변화에 따른 공기량은 단위 수량이 증가함에 따라 플레인 콘크리트의 경우는 증가하는 경 향을 보이는 반면에 풍쇄슬래그 콘크리트의 경우는 감소하는 경향을 나타내고 있었다. 따라서, 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트를 제조 및 생산할 경우에는 공기량 관리에 주의를 기 울여야 할 것이다.
- 단위수량의 변화에 따른 유동특성을 목표 슬럼프치인 21± 2.5cm를 확보하기 의한 고성능 감수제의 첨가율로 검토한 결과, 물-시멘트비 50%의 플레인 콘크리트를 제외하고는 단위 수량에 따라 동일한 값을 나타내고 있다. 물-시멘트비 50%의 플레인 콘크리트의 경우에 고성능 감수제의 첨가율이 상대적 으로 높은 것은 낮은 단위시멘트량으로 인해 고성능 감수제의 분산성능 저하 때문에 나타난 결과로서 소요의 유동성을 확보 하기 위해 고성능 감수제의 사용량을 증대시킨 것이다.
- 5cm 로 맞추기 위한 적정량의 고성능 감수제를 첨가한 결과로 판단 된다. 따라서, 본 굳지않은 콘크리트의 유동성상 평가는 고성 능 감수제 사용량의 변화로 검토하는 것이 바람직한 것으로 사 료된다.
- 또한 재령에 따른 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율별 압축강도 의 변화는 물-시멘트비가 낮을수록 풍쇄슬래그 잔골재의 치환 율이 증가함에 따라 초기재령보다는 장기재령에서 압축강도의 증진성향이 높은 것으로 나타났다. 이는 단위시멘트량이 상대 적으로 높은 물-시멘트비가 낮은 영역에서 그의 효과가 높은 것으로 알 수 있듯이 콘크리트의 수화과정 중 풍쇄슬래그 잔골 재의 성분이 수화반응에 기여한 것으로 판단된다.
- 또한, 물-시멘트별 단위수량의 변화에 따른 슬럼프 플로우 치는 전반적으로 단위수량이 증가할수록 증대되는 경향을 보이고 있고 단위수량의 변화가 콘크리트의 점성에 커다 란 기여를 한다는 것을 알 수 있었다.
- 또한, 본 연구에서는 플레인 콘크리트에 비해서 풍쇄슬래 그 콘크리트가 단위수량 5kg/ni 많은 범위에서 강도발현 이 우수하게 나타내고 있는 것으로 보아 최적의 단위수량 이 존재함을 알 수 있었다.
- 초음파속도의 전반적인 특성은 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율이 증가함에 따라서 다소 증진되 는 경향을 보이고 있다. 또한, 재령에 따른 초음파속도의 증진 성상은 미약한 결과를 보이고 있었으며, 물-시멘트비에 따른 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
- 초음파속도의 전반적인 특성은 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율이 증가함에 따라서 다소 증진되 는 경향을 보이고 있다. 또한, 재령에 따른 초음파속도의 증진 성상은 미약한 결과를 보이고 있었으며, 물-시멘트비에 따른 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
- 또한, 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트가 플레인 콘크 리트에 비해 다소 높은 초음파속도를 나타내고 있었다. 이는 풍쇄슬래그 콘크리트의 잠재수경성 및 포졸란반응성으로 인해 공극을 치밀화하였기 때문인 것으로 사료된다.
- 5%를 확보할 수 있었다. 물-시 멘트비에 따른 공기량을 확보하기 위한 공기연행제의 첨가율 은 물-시멘트비가 낮을수록 증가하는 경향을 보이고 있다.
- 고성능 감수제의 사용량은 물-시멘트비에 따라 다소 차이를 보여주고 있다. 물-시멘트비 30%인 경우에는 풍쇄슬래그 잔골 재의 치환율이 증가하여도 고성능 감수제의 사용량은 일정한 결과를 보여 주고 있지만 물-시멘트비 40, 50(%)의 경우에는 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율이 증가함에 따라 고성능 감수제 의 사용량은 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 W/C 40, 50(%)의 경우, 풍쇄슬래그 잔골재의 입형이 구형으로 되어 있 기 때문으로 판단되고 W/C 30(%)의 경우는 구형율보다는 다 량의 단위시멘트량으로 인한 점성의 영향으로 나타난 결과로 사료된다.
- 물-시멘트별 단위수량의 변화에 따른 슬럼프 플로우치는 전 반적으로 단위수량이 증가할수록 증대되는 경향을 보이고 있 다. 본 연구결과에서 검토한 결과, 단위수량의 변화가 콘크리 트의 점성에 커다란 기여를 한다는 것을 알 수 있었다.
- 플레 인 콘크리트는 물-시멘트비 30%에서 단위수량 165kg/irf, 물-시멘트비 40% 및 50%에서 단위수량 175kg/nf에 서 양호한 반면에 풍쇄슬래그 콘크리트는 물-시멘트비 30% 및 40%에서 단위수량 165kg/rri, 물-시멘트비 50%에서 단위수량 175kg/rrf로 나타났다. 본 연구결과에서 검토한 결과, 반발도는 압축강도와 같이, 각 배합조건별로 최적의 반발도가 존재한다 는 것을 알 수 있었다.
- 플레인 콘크리트는 물-시멘트비 30% 및 40%에서 단위수량 165kg/ni, 물-시멘트비 50%에서 단위수량 175kg/irf에 서 양호한 반면에 풍쇄슬래그 콘크리트는 물-시 멘트비 30% 및 40%에서 단위수량 170kg/m, 물-시멘트비 50%에서 단위수량 175kg/iri로 나타났다. 본 연구결과에서 알 수 있듯이, 물-시멘 트비 40%이하의 고강도 콘크리트인 경우에는 플레인 콘크리트 에 비해 풍쇄슬래그 콘크리트가 단위수량이 5kg/ni 많은 영역 에서 압축강도가 높게 나타내고 있었다. 이는 풍쇄슬래그 잔골 재를 사용한 콘크리트의 압축강도발현이 잠재수경성 및 포졸 란반응과 단위수량에 밀접한 관계를 갖고 있기 때문에 나타난 결과로 판단된다.
- 슬럼프 플로우의 전반적인 경향은 슬럼프치 보다는 뚜렷한 경향을 보이고 있다. 전반적으로 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율 이 증가할수록 양호한 유동성을 나타내고 있었으며, 특히 W/C 30(%)에서는 풍쇄슬래그 잔골재의 치환율을 50, 70(%)에서 상 대적으로 매우 높은 슬럼프 플로우치를 나타내고 있어 충전성 개선효과가 높다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 슬럼프치는 유동성 측면에서의 평가라고 한다면 슬럼프플로우치는 유동성 과 점성을 고려한 충전성 측면의 평가라고 할 수 있다.
- 풍쇄슬래그 잔골재를 사용한 콘크리트의 유동성 및 강도특 성을 토대로 검토한 풍쇄슬래그 잔골재의 적정 치환율은 25% 에서 가장 양호한 결과를 나타내고 있었다.
- 플레인 콘크리트 및 풍쇄슬래그 콘크리트의 경우에는 각 물 -시멘트비별로 반발도측면에서 최적의 단위수량이 존재함을 알 수 있다. 플레 인 콘크리트는 물-시멘트비 30%에서 단위수량 165kg/irf, 물-시멘트비 40% 및 50%에서 단위수량 175kg/nf에 서 양호한 반면에 풍쇄슬래그 콘크리트는 물-시멘트비 30% 및 40%에서 단위수량 165kg/rri, 물-시멘트비 50%에서 단위수량 175kg/rrf로 나타났다. 본 연구결과에서 검토한 결과, 반발도는 압축강도와 같이, 각 배합조건별로 최적의 반발도가 존재한다 는 것을 알 수 있었다.
- 플레인 콘크리트 및 풍쇄슬래그 콘크리트의 경우에는 각 물 一시멘트비별로 압축강도측면에서 최적의 단위수량이 존재함을 알 수 있다. 플레인 콘크리트는 물-시멘트비 30% 및 40%에서 단위수량 165kg/ni, 물-시멘트비 50%에서 단위수량 175kg/irf에 서 양호한 반면에 풍쇄슬래그 콘크리트는 물-시 멘트비 30% 및 40%에서 단위수량 170kg/m, 물-시멘트비 50%에서 단위수량 175kg/iri로 나타났다. 본 연구결과에서 알 수 있듯이, 물-시멘 트비 40%이하의 고강도 콘크리트인 경우에는 플레인 콘크리트 에 비해 풍쇄슬래그 콘크리트가 단위수량이 5kg/ni 많은 영역 에서 압축강도가 높게 나타내고 있었다.
후속연구
- 따라서 철강회사에서 생산되는 폐기물중 막대한 전로슬래그 를 콘크리트의 잔골재로 사용한다면, 고갈되어가는 잔골재의 부족현상을 대체시키고 자연에 미치는 환경영향을 최소화 할 수 있을 것이다.3), 4)그러므로 본 연구에서는 각 제철소에서 생 산되는 폐기물중 막대한 전로슬래그를 풍쇄공정4)(이송T기울 임-풍쇄 구형화(아토마이징처리)-살수냉각-야적)으로 처리 한 풍쇄슬래그 잔골재를 콘크리트용 골재로서 보다 적절하게 재활용하기위한 기초자료로서 제시하는데 그 목적을 두었다.
- 공기량의 전반적인 경향은 동일 물-시멘트비에서 풍쇄슬래 그 잔골재의 치환율이 증가할수록 감소하는 경향을 보이고 있 다. 이러한 특성은 플라이애쉬 성분 중 미연소탄소가 AE제를 흡착하는 특성과 동일한 성향을 보이는 것으로 향후 메틸렌블 루흡착시험을 통해서 규명할 필요가 있다고 사료된다.
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