수쇄 페로니켈슬래그 잔골재를 이용한 콘크리트의 최적 혼합률 및 내구 특성 평가 Evaluation of Optimum Mixing Rate and Durability of Concrete Using Water Granulated Slag Fine Aggregate원문보기
최근 천연골재는 점차 고갈되고 그 채취에 대한 엄격한 환경적인 규제 때문에 골재의 부족이 건설분야의 큰 문제로 대두되고 있어 이를 대체할 수 있는 대체재의 개발이 시급한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 페로니켈 생산 과정에서 부산물로 발생되는 수쇄 페로니켈슬래그를 잔골재의 대체재로 활용하기 위하여 콘크리트의 역학적 특성 및 내구특성 시험결과를 비교 고찰하여 그 활용 가능성과 적정 대체율 및 페로니켈슬래그 콘크리트의 내구특성을 검토하였다. 실험결과, 수쇄 페로니켈슬래그의 품질특성과 내구성능 및 경제성을 고려할 경우 최적 혼합률은 40% 정도가 적당할 것으로 판단된다. 또한 수쇄 페로니켈슬래그 잔골재 혼합률 40% 콘크리트의 내구특성 중 동결융해 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하며, 탄산화 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하거나 떨어지는 것으로 나타났다.
최근 천연골재는 점차 고갈되고 그 채취에 대한 엄격한 환경적인 규제 때문에 골재의 부족이 건설분야의 큰 문제로 대두되고 있어 이를 대체할 수 있는 대체재의 개발이 시급한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 페로니켈 생산 과정에서 부산물로 발생되는 수쇄 페로니켈슬래그를 잔골재의 대체재로 활용하기 위하여 콘크리트의 역학적 특성 및 내구특성 시험결과를 비교 고찰하여 그 활용 가능성과 적정 대체율 및 페로니켈슬래그 콘크리트의 내구특성을 검토하였다. 실험결과, 수쇄 페로니켈슬래그의 품질특성과 내구성능 및 경제성을 고려할 경우 최적 혼합률은 40% 정도가 적당할 것으로 판단된다. 또한 수쇄 페로니켈슬래그 잔골재 혼합률 40% 콘크리트의 내구특성 중 동결융해 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하며, 탄산화 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하거나 떨어지는 것으로 나타났다.
Recently, there are problems due to the exhaustion of natural aggregate resources, and strict restrictions. In this study, the possibility of using Water Granulated Ferro-Nickel slag as a substitutive material of fine aggregate is determined from the properties of mechanical and durability for the c...
Recently, there are problems due to the exhaustion of natural aggregate resources, and strict restrictions. In this study, the possibility of using Water Granulated Ferro-Nickel slag as a substitutive material of fine aggregate is determined from the properties of mechanical and durability for the concrete that is made with Water Granulated Ferro-Nickel slag. According to the test results, when the mixing rate of Water Granulated Ferro-Nickel Slag aggregates concrete is adjusted, up to 50% of its aggregates by mixing rate can be mixed with general aggregates. The optimum mix ratio is considered to be 40%. The freezing and thawing resistance of Water Granulated Ferro-Nickel Slag aggregates concrete is identical to that of general aggregates concrete, while the carbonation resistance is found to be same as or lower than that of general aggregates concretes.
Recently, there are problems due to the exhaustion of natural aggregate resources, and strict restrictions. In this study, the possibility of using Water Granulated Ferro-Nickel slag as a substitutive material of fine aggregate is determined from the properties of mechanical and durability for the concrete that is made with Water Granulated Ferro-Nickel slag. According to the test results, when the mixing rate of Water Granulated Ferro-Nickel Slag aggregates concrete is adjusted, up to 50% of its aggregates by mixing rate can be mixed with general aggregates. The optimum mix ratio is considered to be 40%. The freezing and thawing resistance of Water Granulated Ferro-Nickel Slag aggregates concrete is identical to that of general aggregates concrete, while the carbonation resistance is found to be same as or lower than that of general aggregates concretes.
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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.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부순골재의 경우 어떤 문제를 수반하나요?
최근 국내 콘크리트용 골재의 부족 현상은 심각한 상황에 직면해 있으며, 향후 20년 이내에 천연골재가 고갈될 것으로 예측됨에 따라 부순골재 및 순환골재의 사용량은 점차 증가하고 있다. 그러나, 부순골재의 경우 환경보호에 대한 문제를 수반하며, 순환골재의 경우 재활용 과정에서 가공처리비용의 발생 및 품질 유지의 어려움이 발생하고 있다(최연왕, 2010). 이에 따라 순환골재와 같은 대체골재를 콘크리트의 품질 변화 없이 안정적으로 사용하기 위하여 대체골재의 품질확보 및 개발이 필요한 실정이다.
순환골재의 경우 어떤 어려움이 발생하고 있나요?
최근 국내 콘크리트용 골재의 부족 현상은 심각한 상황에 직면해 있으며, 향후 20년 이내에 천연골재가 고갈될 것으로 예측됨에 따라 부순골재 및 순환골재의 사용량은 점차 증가하고 있다. 그러나, 부순골재의 경우 환경보호에 대한 문제를 수반하며, 순환골재의 경우 재활용 과정에서 가공처리비용의 발생 및 품질 유지의 어려움이 발생하고 있다(최연왕, 2010). 이에 따라 순환골재와 같은 대체골재를 콘크리트의 품질 변화 없이 안정적으로 사용하기 위하여 대체골재의 품질확보 및 개발이 필요한 실정이다.
활용 가능성과 적정 대체율 및 페로니켈슬래그 콘크리트의 내구특성을 검토한 실험 결과는 어떻게 나타났나요?
따라서 본 연구에서는 페로니켈 생산 과정에서 부산물로 발생되는 수쇄 페로니켈슬래그를 잔골재의 대체재로 활용하기 위하여 콘크리트의 역학적 특성 및 내구특성 시험결과를 비교 고찰하여 그 활용 가능성과 적정 대체율 및 페로니켈슬래그 콘크리트의 내구특성을 검토하였다. 실험결과, 수쇄 페로니켈슬래그의 품질특성과 내구성능 및 경제성을 고려할 경우 최적 혼합률은 40% 정도가 적당할 것으로 판단된다. 또한 수쇄 페로니켈슬래그 잔골재 혼합률 40% 콘크리트의 내구특성 중 동결융해 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하며, 탄산화 저항성은 일반 잔골재 콘크리트와 동등하거나 떨어지는 것으로 나타났다.
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