[논문]메타카올린과 동(銅)슬래그를 활용한 콘크리트의 특성(特性)

김남욱; 김학원; 배주성

문제 정의

현재, 건설재료 분야에서 논의될 수 있는 가장 큰 문제점 중의 하나는 골재의 수급이며 양질의 대체 골재를 확보하는 것이 무엇보다 중요한 문제로 인식되고 있다?) 대체골재로는 현재 폐콘크리트로부터 얻어지는 순환 골재 및 산업부산물을 활용한 골재를 들 수 있는데, 그중 슬래그의 이용률이 높다. 본 연구에서는 각종 슬래그 중 특히 동제련소에서 얻어지는 산업부산물인 동 슬래그를 천연 잔골재의 대체재로 활용하고자 하였다. 한편, 콘크리트 제조에 필수적인 시멘트는 대표적인 에너지 다소비 제품이며 또한 인체 내의 위해성에 대한 가능성 등의 논란이 있어 시멘트의 사용량을 부분적으로 제한하여 생산하는 에코시멘트의 개발 또한 활발히 논의되고 있는데 본 연구에서는 이를 위하여 천연 재료인 고령토에서 추출되는 카올린을 이용하여 제조되는 메타카올린을 시멘트의 대체재로 치환하여 사용하였다.
에코 콘크리트는 환경부하의 저감, 산업폐기물의 활용 및 환경관련 성능의 향상 등 다양한 접근 방법을 가질 수 있으며 향후 이러한 연구결과 들이 국내에 정착하기 위해서는 지속가능한 개발의 개념으로 친환경 성능이 개선된 콘크리트의 제조 연구가 필요하며 , 본 연구에서는 콘크리트의 배합에 사용되는 재료인 시멘트 및 골재를 천연재료 및 산업부산물을 대체재로 활용한에코형 혼합콘크리트를 제작한 후 각종 시험결과를 통하여 환경 부하 저감형 에코콘크리트의 제조 가능성에 관련한 연구를 수행하여 그 활용 가능성을 고찰하였다.
3)동슬래그는 지난 2000년에 KS F 2543(콘크리트용 동슬래그 골재)의 제정으로 골재로서 사용할 수 있는 토대를 세웠으며, 2004년 KS F 4009(레디믹스트 콘크리트) 개정 시 콘크리트용 골재로서 사용할 수 있도록 규정되어 건설용 골재로서 사용할 수 있게 되었다. 본 연구에서는 동슬래그를 천연 잔골재의 대체 골재로서 활용하고자 하였으며 그 대체율은 0%, 25%, 50%, 75% 및 100%로 하여 대체율에 따른 특성을 파악하고자. 하였다.
본 연구에서 시멘트 및 골재의 대체재로 각각 천연재료인 메타카올린 및 산업부산물인 동슬래그를 사용하여 제작한 에코형 혼합콘크리트의 활용 가능성을 규명하기 위하여 각종 시험결과를 고찰하여 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

본 연구에서는 각종 슬래그 중 특히 동제련소에서 얻어지는 산업부산물인 동 슬래그를 천연 잔골재의 대체재로 활용하고자 하였다. 한편, 콘크리트 제조에 필수적인 시멘트는 대표적인 에너지 다소비 제품이며 또한 인체 내의 위해성에 대한 가능성 등의 논란이 있어 시멘트의 사용량을 부분적으로 제한하여 생산하는 에코시멘트의 개발 또한 활발히 논의되고 있는데 본 연구에서는 이를 위하여 천연 재료인 고령토에서 추출되는 카올린을 이용하여 제조되는 메타카올린을 시멘트의 대체재로 치환하여 사용하였다.
본 연구에서는 메타카올린 및 동슬래그를 사용하지 않은 OPC 콘크리트 및 메타카올린의 대체율은 10%로 고정하고 동슬래그의 대체율을 0, 25, 50, 75 및 100%로 변화시켜 제조한 혼합형 콘크리트 등 총 6 종류를 제조하였다. OPC콘크리트의 설계강도는 30MPa, 혼합형 콘크리트 목표설계강도는 60MPa, W/B=30% 이며, 목표 슬럼프를 얻기 위해 고성능감수제(SP)를 사용하였으며 , 도출한 배합표는 Table 5와 같다.
콘크리트의 내화학 저항성 시험은 현재 한국산업 규격화가 되어 있지 않아 외국 시험규격을 이용하고 있는데 본 연구에서는 일본 ns A 1193(콘크리트의 용액 침적에 의한 내약품성 시험방법)에 따라 실시하였다. 이 시험 방법은 산 또는 염류 등의 용액에 시험체를 함침 시킨 후 압축강도시험을 수행하고, 수중양생 시킨 시험체의 압축강도와 비교하여 평가한다.
본 연구에서는 제조한 콘크리트를 향후 해양구조물에 적용하기 위하여 재령 28일의 시험체를 ASTM D 1141의 기준에 의거 제조된 인공해수에 28일 동안 함 침하여 재령 56일 후에 압축강도를 측정하여 수중 양생한 56일 시험체의 압축강도와 비교 평가한 후 압축강도의 감소율로서 저항성을 판단하였다.6)한편, 인공해수의 화학적 성분은 Table 6에 나타내었다.
성질이다. 본 연구에서는 KS F 2424(모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험)의 기준에 따라 20±2 온도에서 7일간 수중양생 후 양생온도 20±1, 상대습도 60±3%의 항온항습 조건에서 길이변화를 측정하였다.
동슬래그 및 메타카올린의 대체에 따른 혼합형 콘크리트의 수화에 따른 내부조직을 파악하고자 5x5x5cm 크기의 시멘트 페이스트 시험체를 제조하여 온도 20±2 에서 수중양생한 후 재령28일 시험체의 XRD(X-Ray Diffractometer) 분석을 실시하였다.
동슬래그는 천연잔골재에 비해 비중이 커서 대체율이 클수록 비중 차에 의한 재료분리 현상이 발생하기 때문에 블리딩 시험을 수행하였다. 블리딩시험은 KS F 2414 (콘크리트의 블리딩시험 방법)의 기준에 따라 실시한 후 다음 식(1)로부터 블리딩량(%)을 산정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 동슬래그는 자용로에서 생산된 국내 L사의 제품이며, 그 물성 및 화학적 성분은 Table 1 및 Table 2와 같고 그 형상은 Fig. 1과 같다.
본 연구에서는 메타카올린을 혼화재료로서 시멘트의 대체재로 사용하였으며, 그 대체율은 기존 연구 결과에 서적 정량으로 알려진 시멘트 중량 대비 10%로 고정하였다. 본 연구에서 사용한 메타카올린의 화학적인 성분 및 물성은 Table 4와 같고 모양은 Fig.
제조하였다. OPC콘크리트의 설계강도는 30MPa, 혼합형 콘크리트 목표설계강도는 60MPa, W/B=30% 이며, 목표 슬럼프를 얻기 위해 고성능감수제(SP)를 사용하였으며 , 도출한 배합표는 Table 5와 같다.

이론/모형

블리딩 시험을 수행하였다. 블리딩시험은 KS F 2414 (콘크리트의 블리딩시험 방법)의 기준에 따라 실시한 후 다음 식(1)로부터 블리딩량(%)을 산정하였다.
달리한다. 콘크리트의 내화학 저항성 시험은 현재 한국산업 규격화가 되어 있지 않아 외국 시험규격을 이용하고 있는데 본 연구에서는 일본 ns A 1193(콘크리트의 용액 침적에 의한 내약품성 시험방법)에 따라 실시하였다. 이 시험 방법은 산 또는 염류 등의 용액에 시험체를 함침 시킨 후 압축강도시험을 수행하고, 수중양생 시킨 시험체의 압축강도와 비교하여 평가한다.
본 연구에서는 KS F 2424 (모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험) 기준에 따라 재령 1주에서 8주간의 길이 변화 시험을 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 6과 같다.

성능/효과

있다.3)동슬래그는 지난 2000년에 KS F 2543(콘크리트용 동슬래그 골재)의 제정으로 골재로서 사용할 수 있는 토대를 세웠으며, 2004년 KS F 4009(레디믹스트 콘크리트) 개정 시 콘크리트용 골재로서 사용할 수 있도록 규정되어 건설용 골재로서 사용할 수 있게 되었다. 본 연구에서는 동슬래그를 천연 잔골재의 대체 골재로서 활용하고자 하였으며 그 대체율은 0%, 25%, 50%, 75% 및 100%로 하여 대체율에 따른 특성을 파악하고자.
4에 나타내었다. 슬럼프 측정결과, 모든 시험체는 목표슬럼프를 만족하였으며, 동슬래그 대체율 50% 까지는 슬럼프가 증가하는 경향을 나타내었는데 이러한 경향은 기존의 연구결과와 일치하였으며 그 이유는 동 슬래그의 입도 및 입형 때문 이라고 판단된다.D 즉, 일반적으로 동슬래그는 제조시에 일정한 크기별로 산출되는데 이를 활용하기 위해서는 입도를 조정해 가면서 입도 분포곡선을 만족하도록 하지만 천연잔골재 보다는 세립분의 합유량이 적어 슬럼프가 증가한 것으로 판단된다.
블리딩시험의 경우, 메타카올린의 영향을 배제하여 순수한 동슬래그 혼입에 따른 영향을 고찰하고자 동 슬래그만을 사용한 시험체를 제작하여 그 결과를 고찰하였다. 실험 결과, 동슬래그만을 사용한 시험체의 경우는 동슬래그의 대체율이 증가할수록 블리딩량이 증가하여 동슬래그를 100%로 대체한 경우, 동슬래그를 사용하지 않은 OPC콘크리트에 비해 약 2배 이상 증가한 것을 알 수 있다. 그러나 메타카올린과 동슬래그를 혼용하여 제조한 혼합형 콘크리트의 경우 블리딩 량이 크게 감소되었다.
이러한 현상은 상대적으로 낮은 결합재비 및 메타카올린으로 인한 결과라고 판단된다. 따라서 본 연구에서 제작한 혼합형 콘크리트의 경우는 동슬래그 사용으로 인한 재료분리 현상은 거의 발생되지 않을 것으로 예측되며 동슬래그 사용 시 우려되는 재료분리 현상의 억제에 메타카올린의 첨가가 유용할 것으로 판단된다.
5에 나타내었다. 결과로부터, 메타카올린과 동슬래그를 대체한 모든 시험체의 압축강도가 모든 재령에서 OPC콘크리트 보다 크게 나타났으며, 특히 초기재령에서 더욱 크게 나타났다. 일반적으로 메타카올린을 대체한 경우 압축강도의 증진이 이루어 지는데 이는 실리카 흄의 강도 증진현상과 유사한 것으로메타카올린이 시멘트 보다 분말도가 훨씬 높기 때문에비표면적이 커서 수화반응이 활발하게 진행될 수 있으며, 또한 Si02의 함유량이 높아 수화반응 시 C-S-H계의 반응을 촉진하여 강도가 증가된다.
일반적으로 메타카올린을 대체한 경우 압축강도의 증진이 이루어 지는데 이는 실리카 흄의 강도 증진현상과 유사한 것으로메타카올린이 시멘트 보다 분말도가 훨씬 높기 때문에비표면적이 커서 수화반응이 활발하게 진행될 수 있으며, 또한 Si02의 함유량이 높아 수화반응 시 C-S-H계의 반응을 촉진하여 강도가 증가된다. 한편, 동 슬래그의 대체율이 25%일 때 강도증진효과가 양호하였으며, 75% 이상 대체시에는 메타카올린만 대체한 경우보다 강도가 저하하였다. 이러한 이유는 동슬래그는 천연골재에 비해서 밀도 및 단위중량이 크며 입형 또한 콘크리트와의 부착에 유리한 각주형의 형태가 많으므로 동슬래그 대체에 따른 효과로 인해 대체율 25% 까지는 압축 강도가 증가하였다.
그러나 동슬래그의 경우 제조 특성 상 천연골재에 비해 세립분이 적기 때문에 내부조직이 치밀하지 않고 또한 동슬래그 자체의 밀도는 천연골재에 비해서 높으나 파쇄강도는 낮기 때문에 대체율이 증가함에 따라 오히려 압축강도가 감소된 것으로 판단된다.8) 따라서, 동슬래그 대체에 따른 압축강도 증진 차원에서의 적정 대체율이 존재하는 것으로 판단되며 본 연구의 범위에서는 25% 정도가 적정한 것으로 나타났다.
시킨다.9) 그러나 메타카올린은 포졸란 반응의 촉진을 유도하여 콘크리트 내부조직을 강화하는 효과가 있어 이에 대한 저항성이 향상되었으며 적정량의 동슬래그의 대체 또한 화학적인 저항성을 향상시킴을 알 수 있었다.
결과로부터 동슬래그의 대체율이 증가할수록 길이 변화율은 감소하였으며 천연골재만을 사용한 OPC 콘크리트에 비해 건조수축 제어효과가 있는 것으로 나타났다. 천연골재를 사용한 콘크리트의 수축 범위가 재령 8주에서 일반적으로 700x1 0-6~900x10 6 정도인 것으로 알려지고 있는데, 동슬래그를 대체한 경우 이보다 낮은 500x10-6-600x10-6 정도의 결과를 보이고 있다.
7과 같다. 결과로부터, OPC 콘크리트 및 혼합콘크리트의 강도(intensity) 차이는 있으나 2값이 약 26°근방에서 모든 시험체의 C-S-H계가 피크 점을 나타내고 있음을 알 수 있었다. OPC 콘크리트의 경우 일반적으로 수화초기에 Ca(OH)2 및에트링가이트(Ettringite)가 형성되어 점차적으로 재령의 경과와 더불어 C-S-H계가 증가하여 강도가 증진되는 경향이 있는데 메타카올린 및 동슬래그를 대체하여 사용한 경우 역시 유사한 경향을 나타내었다
1. 기존연구에서는 동슬래그 사용 시 일반적으로 블리딩 량의 증가로 재료분리가 발생한다고 보고되었으나 본 연구의 경우, 메타카올린의 사용으로 블리딩 량을 일정 부분 감소시킬 수 있어 동슬래그 활용 시 우려되는 재료 분리 현상의 억제에 메타카올린의 첨가가 효과적임을 알 수 있었다.
2. 압축강도 측정결과, 동슬래그 대체율 25% 까지는동슬래그의 밀도 및 단위중량의 영향으로 강도가 증가하였으나 대체율 75% 이상에서는 오히려 동 슬래그를 사용하지 않은 시험체보다 강도가 감소하였다. 이러한 결과는 동슬래그가 천연골재에 비해 세립분의 함유량이 부족하고 동슬래그 자체의 파쇄강도가 낮기 때문이라고 판단되며, 압축강도의 증진을 위해서는 동슬래그 대체율은 25% 정도가 적정한 것으로 나타났다.
압축강도 측정결과, 동슬래그 대체율 25% 까지는동슬래그의 밀도 및 단위중량의 영향으로 강도가 증가하였으나 대체율 75% 이상에서는 오히려 동 슬래그를 사용하지 않은 시험체보다 강도가 감소하였다. 이러한 결과는 동슬래그가 천연골재에 비해 세립분의 함유량이 부족하고 동슬래그 자체의 파쇄강도가 낮기 때문이라고 판단되며, 압축강도의 증진을 위해서는 동슬래그 대체율은 25% 정도가 적정한 것으로 나타났다.
3. 내화학저항성시험 결과, 메타카올린 및 동 슬래그를 사용한 혼합콘크리트가 OPC 콘크리트에 비해 화학용액함침 후 압축강도의 감소율이 적은 것으로 나타나 염분의 침입과 같은 가혹한 환경조건하에서는 메타카올린및 동슬래그의 대체가 효과적임을 알 수 있었다.
4. 길이변화시험 결과, 동슬래그의 대체율이 증가할수록 길이변화율은 감소한 것으로 나타나 천연골재만을 사용한 OPC 콘크리트에 비해 건조수축 제어에 효과적임을 알 수 있었다. 이러한 이유는 동슬래그의 흡수율이 천연골재에 비해서 낮으며 세립분의 함유량이 적기 때문에 나타난 결과라 판단된다.
5. XRD분석 결과, 메타카올린 및 동슬래그로 대체한 혼합콘크리트의 경우, 새로운 수화물질의 생성은 파악되지 않았으나, OPC 콘크리트에 비해 C-S-H계의 결정 피크가 증가하였는데 이는 메타카올린의 주성분인 SiO2 의 함유량이 시멘트에 비해 약 2배 이상 많기 때문에 나타난 결과이며, 이로인해 압축강도가 증가한 것으로 판단된다.

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