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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 국내에서 발생되는 수쇄 페로니켈슬래그를 콘크리트용 잔골재로 대체사용하기 위한 연구의 일환으로 수쇄 페로니켈슬래그를 활용한 콘크리트의 최적배합 도출 및 역학적, 내구적 특성을 검토하였다.
제안 방법
- Φ100×200 mm 원주형 공시체를 제작하여 20±2℃ 수중에서 표준양생을 실시하였으며, 압축강도는 재령 3일, 7일 및 28일에서 KS F 2405에 의하여 측정하였다.
- 콘크리트 배합은 최적 혼합률을 도출하기 위하여 기준 배합의 용적에 대하여 WFS 5-0.3을 6수준(0,20,30,40,50 및 100%)으로 혼합하여 목표 슬럼프 150±20 mm 및 목표 공기량 4.5±1.5%를 만족하도록 배합을 실시하였으며, 페로니켈슬래그 콘크리트의 내구성을 평가하기 위하여 WFS 5-0.3 혼합률 40% 콘크리트의 물-시멘트 및 단위수량을 변화시켜 목표 슬럼프 150±20 mm 및 목표 공기량 4.5±1.5%를 만족하도록 콘크리트 배합을 실시하였다.
- 농도 10% 및 습도 60±5%로 일정하게 유지할 수 있는 촉진 탄산화시험기를 이용하여 촉진시켰다. 탄산화 깊이의 측정은 촉진 개시부터 1주, 4주, 8주, 13주 및 20주에 측정하였으며, 콘크리트 쪼갬 인장 후에 할렬면에 1%의 페놀프탈레인 용액을 분무하고 미착색의 콘크리트 탄산화 부분을 측정하였다.
- 탄산화 시험은 Φ100×200 mm 원주형 공시체를 제작하여 반으로 절단하여 절단면과 타설면에 에폭시 수지로 공극이 없도록 제작하였으며, 온도 20±1℃, CO2 농도 10% 및 습도 60±5%로 일정하게 유지할 수 있는 촉진 탄산화시험기를 이용하여 촉진시켰다.
대상 데이터
- 시멘트는 밀도 3.15 g/cm3인 보통포틀랜드시멘트(이하, OPC)를 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 잔골재는 낙동강산 강모래(이하, RS로 약함) 및 국내 S사에서 발생되는 수쇄 페로니켈슬래그(이하, WFS로 약함)를 사용하였으며, 굵은골재는 최대치수가 20 mm의 화강암질 부순골재(이하, G로 약함)을 사용하였다. 골재의 물리적 성질 및 페로니켈 슬래그의 화학성분은 Table 2 및 Table 3과 같다.
- 콘크리트 배합에 사용된 WFS 잔골재는 기초물성 시험 결과를 통하여 WFS 5-0.3(이하 WFS로 약함)을 선정하여 사용하였다.
- 화학혼화제는 국내 H사의 리그닌계 감수제(이하, WRA로 약함) 및 공기 연행제(이하, AE로 약함)을 사용하였으며, 밀도는 각각 1.10±0.02 g/cm3 및 1.04±0.01 g/cm3인 액상용액을 사용하였다.
이론/모형
- 골재의 밀도 및 흡수율 시험은 KS F 2504에 준하여 실시하였으며, 골재의 체가름 및 단위 용적 질량 시험은 KS F 2505 및 KS F 2502에 준하여 실시하였다.
- 동결융해 시험은 100×100×400 mm의 각주형 공시체를 제작하여 재령 14일까지 표준양생한 후 KS F 2456에 준하여 실시하였다.
- Φ100×200 mm 원주형 공시체를 제작하여 20±2℃ 수중에서 표준양생을 실시하였으며, 압축강도는 재령 3일, 7일 및 28일에서 KS F 2405에 의하여 측정하였다. 또한 정탄성계수는 재령 28일에서 KS F 2438에 의해 측정하였다.
- 콘크리트의 슬럼프 및 공기량 시험은 각각 KS F 2402 및 KS F 2421에 준하여 실시하였으며, 콘크리트의 블리딩은 KS F 2414에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- 1) WFS의 입형은 구형을 포함하며 표면조직은 매끄러운 상태를 나타내었다. 또한 미량의 비결정유리질을 포함하고 있음을 알 수 있었다.
- 2) WFS 잔골재 혼합률 증가에 따라 콘크리트의 공기량, 유동성 및 블리딩량은 비례적으로 증가하는 경향이 나타났으며, 콘크리트 압축강도는 WFS 혼합률 50%까지는 동등하거나 최대 14% 정도 감소하였다. 또한 WFS 를 혼합한 콘크리트의 압축강도와 정탄성계수와의 관계는 일반 잔골재를 이용한 콘크리트와 거의 동일한 것으로 판단된다.
- 3) WFS 잔골재는 혼합률 50%까지는 일반 잔골재와 혼합하여 사용할 수 있을 것으로 판단되며, 품질특성과 WFS 잔골재를 혼합한 콘크리트의 내구성능 및 경제성을 고려할 겨우 최적 혼합률은 40% 정도가 적당할 것으로 판단된다.
- 4) WFS 잔골재 40%를 혼합한 콘크리트의 내구특성 중 동결융해 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하며, 탄산화 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하거나 떨어지는 것으로 나타났다.
- 1이다. Fig. 1의 결과 WFS는 원석을 제외한 WFS 5 및 WFS 5-0.3은 KS F 2790에서 규정한 입도범위를 만족하였다.
- 4이다. Fig. 4의 결과 WFS은 혼합률이 증가함에 따라 목표 공기량을 얻기 위한 AE제 사용량은 감소하는 경향이 나타났으며, 특히 단독 사용한 경우 AE제를 사용하지 않았음에도 목표 공기량을 만족하는 것으로 나타났다. 이러한 원인은 WFS의 경우 입경 중 1.
- 6이다. Fig. 6의 결과 WFS의 압축강도는 혼합률의 증가에 따라 혼합률 50%까지는 약 10% 정도 감소하는 경향이 나타났으며, 혼합률 100%인 경우 약 40% 정도 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 통하여 WFS 혼합률 50% 범위내의 콘크리트 압축강도 발현특성은 일반 콘크리트와 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 판단되며, 혼합률 변화에 따른 압축강도의 감소가 크지 않기 때문에 물-시멘트비 등의 배합비 조절을 통하여 보정이 가능할 것으로 판단된다.
- 9이다. Fig. 9의 결과 단위수량 165 kg/m3에서 물-시멘트비를 3수준 35, 40 및 45%로 변화시킨 WFS 잔골재 콘크리트는 물-시멘트비 변화에 상관없이 20주 경과하는 동안 탄산화는 진행되지 않았으며, 단위수량 175 kg/m3에서 물-시멘트비 50%의 경우 강모래만을 사용한 RS 콘크리트의 경우 20주 경과하는 동안 탄산화는 진행되지 않았지만 WFS 잔골재 콘크리트는 20주 경과 후 탄산화 깊이가 4.30 mm로 측정되었다. 이러한 원인은 WFS 잔골재가 일반 잔골재와 비교하여 밀도차가 크기 때문에 부분적인 재료분리에 의하여 표면조직이 치밀화 되지 못한 것이 원인이라고 판단된다.
- 5이다. Fig.5의 결과 WFS 5-0.3은 동일한 잔골재율인 혼합률 40%까지는 혼합률 증가에 따라 블리딩량이 증가하는 것으로 나타났으며, 잔골재율을 증가시킨 50 및 100%에서는 블리딩량이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 원인은 WFS의 밀도가 RS와 비교하여 약 10% 정도 크며 골재의 표면이 유리질로 보수성이 나쁘기 때문으로 판단된다.
- 8이다. Fig.8의 결과 WFS은 단위수량 165 kg/m3에서 물-시멘트비를 3수준 35,40 및 45%로 변화시킨 결과와 단위수량 175 kg/m3에서 물-시멘트비를 3수준 45, 50 및 55%로 변화시킨 결과 300싸이클까지 모두 일반 잔골재 콘크리트와 동등한 결과를 나타냈다. 이러한 결과를 통하여 페로니켈슬래그 잔골재 콘크리트의 배합 시 AE제 사용량 조절을 통하여 4.
- Table 2의 결과 WFS가 RS보다 절건밀도가 8~12% 정도 크게 나타났으며, KS F 2790에서 규정한 2.70 g/cm3이상을 모두 만족하였으며, WFS의 흡수율은 KS F 2790에서 규정한 흡수율 3.0% 이하 규정을 모두 만족하였다.
- WFS의 0.08 mm체 통과량은 WFS 5를 제외한 WFS 원석 및 WFS 5-0.3의 경우 RS보다 각각 92 및 65% 적게 나타났다. 이러한 원인은 WFS는 용융 슬래그를 물로 급냉하여 얻은 것으로 미립분을 거의 포함하지 않는 것으로 나타났으며, WFS 5의 경우 입도 조정 공정으로 인하여 미립분이 발생한 것으로 판단된다.
- 이러한 원인은 WFS는 용융 슬래그를 물로 급냉하여 얻은 것으로 미립분을 거의 포함하지 않는 것으로 나타났으며, WFS 5의 경우 입도 조정 공정으로 인하여 미립분이 발생한 것으로 판단된다. 그러나, KS F 2527의 부순 잔골재의 0.08 mm 체 통과량 규정인 7% 이하를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 단위 용적 질량은 WFS가 RS보다 1~3% 정도 크게 나타났으며, KS F 2790에서 규정한 1,500 kg/m3이상을 모두 만족하였으며, 실적률은 KS F 2790에서 제한규정이 제시되어 있지 않지만 KS F 2505의 일반잔골재 실적률 규정범위인 53~73%를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 또한 미량의 비결정유리질을 포함하고 있음을 알 수 있었다. 또한 WFS의 절건밀도는 기준 강모래보다 8~12% 정도 크며, 단위 용적 질량은 강모래보다 1~3% 정도 크게 나타났으며, WFS 원석을 제외한 WFS 5 및 WFS 5-0.3은 KS F 2790에서 규정한 입도범위를 만족하였다.
- 6의 결과 WFS의 압축강도는 혼합률의 증가에 따라 혼합률 50%까지는 약 10% 정도 감소하는 경향이 나타났으며, 혼합률 100%인 경우 약 40% 정도 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 통하여 WFS 혼합률 50% 범위내의 콘크리트 압축강도 발현특성은 일반 콘크리트와 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 판단되며, 혼합률 변화에 따른 압축강도의 감소가 크지 않기 때문에 물-시멘트비 등의 배합비 조절을 통하여 보정이 가능할 것으로 판단된다.
- 7의 결과 WFS를 혼합한 모든 콘크리트 배합에서 국내 콘크리트 구조설계기준에서 제시한 범위사이의 값으로 나타났다. 이러한 결과를 통하여 WFS를 혼합한 콘크리트의 압축강도와 정탄성계수와의 관계는 일반 잔골재를 이용한 콘크리트와 거의 동일한 것으로 판단된다.
- 이러한 결과를 통하여 페로니켈슬래그 잔골재 콘크리트의 배합 시 AE제 사용량 조절을 통하여 4.5±1.5%의 공기량을 확보할 경우 동결융해 저항성은 물-시멘트비의 변화에 상관없이 일반 잔골재 콘크리트와 동등하다고 판단된다.
- 2의 결과 100배 확대 촬영한 WFS의 입형은 구형(100배 확대촬영)을 포함하고 있지만 대부분 각이진 형태를 나타내고 있다. 표면조직은 기공을 포함하는 경우가 있어 치밀하지 못하지만 대부분 매끄러운 상태임을 확인 할 수 있으며, 급냉 과정에서 발생되는 비결정유리질(200배 확대촬영)을 미량 포함하고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이러한 원인은 WFS의 밀도가 RS와 비교하여 약 10% 정도 크며 골재의 표면이 유리질로 보수성이 나쁘기 때문으로 판단된다. 또한, 잔골재율 증가에 따라 블리딩량이 감소되지만 잔골재율 증가는 동일 슬럼프를 얻기 위하여 단위수량을 증가시키는 원인이 되기 때문에 과도한 잔골재율의 증가보다는 블리딩량을 억제 시킬 수 있는 실리카 퓸과 같은 혼화재료를 혼합하여 사용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 이상의 결과를 통하여 수쇄 페로니켈슬래그 잔골재 50%까지 혼합한 콘크리트는 일반 잔골재 콘크리트와 거의 동등한 성질을 가지고 있으므로 자원의 재활용을 통한 순환 사회 구축을 위하여 활용성을 증진시켜야 할 것으로 판단된다.
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