철강산업 부산물을 활용한 해양목장 조성용 친환경 다공질 콘크리트의 공학적 성능 및 적용성 Engineering Performance and Applicability of Environmental Friendly Porous Concrete for a Marine Ranch Using Steel Industry By-products원문보기
철강산업은 다량의 원료와 다량의 에너지를 소비하는 대표적인 업종으로 생산 공정을 거치면서 철강생산과 더불어 부산물인 철강슬래그를 다량 발생시킨다. 또한, 근래 무분별한 해양개발 및 환경오염 등으로 광대한 해양생물의 서식기반이 소실되어 수산자원의 감소현상이 심화되고 있어 이에 대한 대책이 시급한 실정이다. 따라서 이 연구에서는 다량 부산되는 복합슬래그를 천연골재 대체재료로 재활용하는 방안 제시와 해양목장 조성용 소재로서의 친환경 다공질 콘크리트의 배합요인별 공학적 특성 및 적용성 검토연구를 수행하였다. 배합요인별 공극률 시험결과 모든 조건에서 오차범위 2.5%이내의 결과를 나타내었다. 압축강도 시험 결과 최적 혼입률은 복합슬래그골재 30%, 특수처리입상비료 10% 혼입시 가장 우수한 친환경 다공질 콘크리트 제조가 가능하였다. 해양 적용 콘크리트로서 해수저항성 역시 압축강도가 높은 배합조건이 가장 우수한 성능을 나타냈다. 친환경 다공질 콘크리트의 해양생물 서식기반 제공능력평가 결과, 공극률이 증가할수록 해양생물의 착상 및 서식이 용이하였으며, 특수처리입상비료 혼입시 초기 착상 및 서식활성화가 활발히 이루어짐을 확인하였다. 복합슬래그골재 및 특수처리입상비료의 혼입에 따른 해양생물에 대한 유해성 검토 결과 어류에 대한 안정성은 확보되는 것으로 확인하였다.
철강산업은 다량의 원료와 다량의 에너지를 소비하는 대표적인 업종으로 생산 공정을 거치면서 철강생산과 더불어 부산물인 철강슬래그를 다량 발생시킨다. 또한, 근래 무분별한 해양개발 및 환경오염 등으로 광대한 해양생물의 서식기반이 소실되어 수산자원의 감소현상이 심화되고 있어 이에 대한 대책이 시급한 실정이다. 따라서 이 연구에서는 다량 부산되는 복합슬래그를 천연골재 대체재료로 재활용하는 방안 제시와 해양목장 조성용 소재로서의 친환경 다공질 콘크리트의 배합요인별 공학적 특성 및 적용성 검토연구를 수행하였다. 배합요인별 공극률 시험결과 모든 조건에서 오차범위 2.5%이내의 결과를 나타내었다. 압축강도 시험 결과 최적 혼입률은 복합슬래그골재 30%, 특수처리입상비료 10% 혼입시 가장 우수한 친환경 다공질 콘크리트 제조가 가능하였다. 해양 적용 콘크리트로서 해수저항성 역시 압축강도가 높은 배합조건이 가장 우수한 성능을 나타냈다. 친환경 다공질 콘크리트의 해양생물 서식기반 제공능력평가 결과, 공극률이 증가할수록 해양생물의 착상 및 서식이 용이하였으며, 특수처리입상비료 혼입시 초기 착상 및 서식활성화가 활발히 이루어짐을 확인하였다. 복합슬래그골재 및 특수처리입상비료의 혼입에 따른 해양생물에 대한 유해성 검토 결과 어류에 대한 안정성은 확보되는 것으로 확인하였다.
The steel industry, a representative industry that significantly consumes raw materials and energy, produces steel as well as a large amount of by-product steel slag through the production process. The vast habitat foundation of marine life has been destroyed due to recent reckless marine developmen...
The steel industry, a representative industry that significantly consumes raw materials and energy, produces steel as well as a large amount of by-product steel slag through the production process. The vast habitat foundation of marine life has been destroyed due to recent reckless marine development and environment pollution, resulting in intensification of the decline of marine resources, and a solution to this issue is imperative. In order to propose a method to recycle large amounts of by-product slag into a material that can serve as an alternative to natural aggregate, the engineering properties and applicability for each mixing factor of environment friendly porous concrete as a material for the composition of marine ranches were evaluated in this study. The test results for percentage of voids per mixing ratio revealed that the margin of error for all conditions was within 2.5%. The compressive strength test results showed that the most outstanding environmental friendly porous concrete can be manufactured when mixing 30% slag aggregate and 10% specially treated granular fertilizer for the optimum volume fraction. As concrete for marine applications, the best seawater resistance was obtained with mixing conditions for high compression strength. An assessment of the ability to provide a marine life habitat foundation of environmentally friendly porous concrete showed that a greater percentage of voids facilitated implantation and inhabitation of marine life, and the mixing of specially treated granular fertilizer led to active initial implantation and activation of inhabitation. The evaluation of harmfulness to marine life depending on the mixture of slag aggregate and specially treated granular fertilizer revealed that the stability of fish is secured.
The steel industry, a representative industry that significantly consumes raw materials and energy, produces steel as well as a large amount of by-product steel slag through the production process. The vast habitat foundation of marine life has been destroyed due to recent reckless marine development and environment pollution, resulting in intensification of the decline of marine resources, and a solution to this issue is imperative. In order to propose a method to recycle large amounts of by-product slag into a material that can serve as an alternative to natural aggregate, the engineering properties and applicability for each mixing factor of environment friendly porous concrete as a material for the composition of marine ranches were evaluated in this study. The test results for percentage of voids per mixing ratio revealed that the margin of error for all conditions was within 2.5%. The compressive strength test results showed that the most outstanding environmental friendly porous concrete can be manufactured when mixing 30% slag aggregate and 10% specially treated granular fertilizer for the optimum volume fraction. As concrete for marine applications, the best seawater resistance was obtained with mixing conditions for high compression strength. An assessment of the ability to provide a marine life habitat foundation of environmentally friendly porous concrete showed that a greater percentage of voids facilitated implantation and inhabitation of marine life, and the mixing of specially treated granular fertilizer led to active initial implantation and activation of inhabitation. The evaluation of harmfulness to marine life depending on the mixture of slag aggregate and specially treated granular fertilizer revealed that the stability of fish is secured.
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문제 정의
따라서, 이 연구에서는 철강산업 부산물인 슬래그의 유효활용 방안의 하나인 친환경 다공질 콘크리트의 해양목장 조성용 소재로서의 적용성을 검증하기 위하여 슬래그골재를 활용한 친환경 다공질 콘크리트의 배합요인별 공학적 특성 및 해양생물에 대한 유해성 분석과 서식기반 제공능력 평가 연구를 수행하였다.
제안 방법
일반적으로 해양환경의 조건은 내륙환경보다 가혹한 물리·화학적 작용에 의해 콘크리트의 성능을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 이 연구에서는 연안해역의 해양생태계 복원을 위한 콘크리트 구조물 및 제품으로서 친환경 다공질 콘크리트의 적용 성을 분석하기 위하여 Φ100×200 mm의 원주형 공시체를 제작하여 재령28일후 ASTM D 1141에 의해 제조한 인공해수와 증류수에서 각각 120일 동안 침지시켜 소정의 기간마다 공시체의 강도를 측정하여 해수저항성을 평가하였다. 인공해수의 화학적 조성은 Table 6과 같다.
복합슬래그골재를 활용한 친환경 다공질 콘크리트의 해양생물의 서식기반 제공능력을 평가하기 위하여 배합조건별로 제작한 500×500×100 mm의 패널형 친환경 다공질 콘크리트 공시체를 남해안 창선도 연안에 침지·설치하고, 일정기간 후에 공시체를 인양하여 표면에 부착된 해양생물의 부착정도를 촬영하고 화상해석프로그램을 이용하여 해양생물의 부착면적 비율을 측정하였다. 해양생물 서식기반 제공능력 측정방법 및 분석방법은 Fig.
어독성 시험의 시험 체 제작은 대조군으로서 III-1(plain)과 앞절에서 가장 우수한 배합조건(III-6)인 복합슬래그골재 대체율 30%, 특수처리입상비료 혼입률 10% 및 목표공극률 25%의 배합으로 제작하였으며, 공시체 제작 후 3개월간 양생을 통하여 콘크리트의 높은 알칼리성을 중성화하여 평가하였다.
어류에 대한 독성 평가는 노출기간에 따라 급성독성시험과 만성독성시험으로 분류하고 있으며, 이 연구에서는 친환경 다공질 콘크리트의 배합조건별 시험체(180×150×70 mm)에 어류를 단기간 동안 노출시켜 시험물질에 대한 독성을 평가하는 것으로 어류 개체의 치사율로서 어독 성을 평가하였다. 실험용 수조는 300×170×220 mm의 크기로 제작하고, 수온 25℃의 물을 6L정도 채워 수조 당 15마리의 붕어를 수용하여 실험을 수행하였다.
이 연구에서는 철강 산업 부산물인 복합슬래그골재 및 특수처리입상비료를 활용한 해양목장 조성용 친환경 다공질 콘크리트의 배합요인별 공학적 특성 및 해양생물에 대한 유해성 분석과 서식기반 제공능력을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
이 연구에서는 친환경 다공질 콘크리트의 성능향상재료 혼입에 따른 물리·역학적 특성, 유해성 및 현장 적용성을 구명하기 위하여 Table 1에 나타낸 시험조건 및 배합변수로 실험을 수행하였으며, 여기서 혼화제량은 시멘트 페이스트의 일정한 유동성을 확보하기 위하여 사전에 흐름시험을 수행하여 혼입량을 결정하였다.
친환경 다공질 콘크리트의 배합요인에 따른 물리·역학적 특성을 분석하기 위하여 사전 실험을 통하여 물-결합재비 25%, 친환경 다공질 콘크리트의 적정 워커빌리티를 확보할 수 있는 결합재의 흐름 값을 180%로 선정하였으며, 배합설계 시 콘크리트 내부에 일정량의 공극을 확보하기 위하여 목표공극률을 15, 20, 25%로 선정하였다. 또한, 부순 골재에 대한 복합슬래그골재의 대체비율(0, 30, 50, 100%) 및 특수처리입상비료의 혼입률(0, 5, 10, 20%)을 변화시켜 배합을 실시하였으며, 배합 표는 Table 7과 같다.
친환경 다공질 콘크리트의 제조 시 혼입되는 복합슬래그골재 및 특수처리입상비료로 인하여 발생될 수 있는 해양생물에 대한 유해성을 평가하기 위하여 어독 성 시험을 수행하였다. 어독 성 시험은 KS I 3217에 제시되어 있는 공시어로서 잉어 과의 붕어를 시험 종으로 선택하였다.
대상 데이터
해양목장 조성 시 해양생물의 조기 착상 및 서식에 필요한 영양분을 원활히 공급해줄 필요가 있다. 따라서 이 연구에서는 육상식물을 시비하는 것에 착안하여, 질소(N)계 및 인(P)계의 입상비료를 친환경 다공질 콘크리트의 해양생물 부착성능 향상요소로 사용하였다. 그러나 일반 시중의 입상비료는 자체 경도가 작고 쉽게 용해되기 때문에 콘크리트 혼합 시 비료가 파괴되며 영양성분의 지속적인 용출이 이루어지지 않는 문제가 발생된다.
시멘트 분산작용에 의해 콘크리트의 성질을 개선시키는 혼화제로서, 국내 S사제품의 폴리카본산계 고성능 AE감수제를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 5와 같다.
이 연구에 사용된 골재는 강원 영월군 J사에서 생산된 부순 골재와 경북 포항 시 P사에서 부산 되고 D사에서 고로슬래그 및 제강슬래그를 혼합하여 생산된 복합슬래그골재를 사용하였으며, 골재의 입도는 13~20 mm의 것을 사용하였다. Table 2는 사용골재의 물리적 성질을 나타내었으며, 부순골재 및 복합슬래그골재 SEM 촬영사진은 Fig.
이 연구에 사용된 시멘트는 콘크리트로 제조시 pH를 낮출 수 있도록 국내 S사에서 생산되는 밀도 3.02 g/cm3의 고로슬래그시멘트를 사용하였다.
친환경 다공질 콘크리트의 균열저감 및 충격흡수로 인한 구조적 성능을 향상시키기 위하여 일본 K사의 PVA섬유(poly vinyl alcohol fiber)를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 4와 같다.
이론/모형
공시체의 제작은 일본 에코콘크리트연구위원회의 다공질 콘크리트용 공시체의 제작방법7)을 참조하여 믹싱을 끝낸 친환경 다공질 콘크리트를 각 소요의 몰드에 1/2씩 채운 후 각 층마다 진동테이블을 이용하여 진동다짐을 실시하여 제작하였다. 친환경 다공질 콘크리트가 타설된 공시체는 24시간 기건 양생 후에 탈 형 하고 소요의 재령(28일)까지 20±3℃의 수중에서 표준양생을 실시하였다.
친환경 다공질 콘크리트의 제조 시 혼입되는 복합슬래그골재 및 특수처리입상비료로 인하여 발생될 수 있는 해양생물에 대한 유해성을 평가하기 위하여 어독 성 시험을 수행하였다. 어독 성 시험은 KS I 3217에 제시되어 있는 공시어로서 잉어 과의 붕어를 시험 종으로 선택하였다. 이 연구에 사용된 붕어는 체장이 20~40 mm인 치어로 어류 공급업체에서 구입하여 일주일동안 수조에서 순치 후 외관상 질병의 증세가 나타나지 않는 개체를 선별하여 실험을 수행하였다.
친환경 다공질 콘크리트의 공극률시험은 일본 에코콘크리트연구위원회의 『다공질 콘크리트의 공극률시험방법(안)』7) 중용적 법에 의하여 측정하였으며, 다음 식 (1)에 의하여 계산하였다.
친환경 다공질 콘크리트의 압축강도 시험은 φ100×200 mm의 공시체를 제작하여 KS F 2405 『콘크리트의 압축강도 시험방법』에 준하여 유압식 만능시험기를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
1) 친환경 다공질 콘크리트의 공극률 측정 결과, 모든 배합조건에서 오차범위인 2.5% 이내의 결과를 나타내었으며, 복합슬래그골재 혼입률이 높을수록 공극률은 높아지고, 특수처리입상비료의 혼입 시 친환경다공질 콘크리트의 공극을 채워 실측공극률이 낮아지는 경향을 나타내었다.
2) 압축강도 시험 결과는 부순 골재를 대체하여 혼입된 복합슬래그골재의 혼입 률 30%까지는 Plain과 유사한 경향을 나타내었으나 50%이상에서는 강도가 급격히 저하되는 경향을 나타내어 최적 혼입률은 복합슬래그골재 30%, 특수처리입상비료 10%정도인 것으로 나타났다.
3) 해양목장 조성용 친환경 다공질 콘크리트의 내구성능을 평가하기 위하여 해수저항성 시험을 인공해수에 침지한 공시체의 강도측정으로 수행한 결과, 특수처리입상비료를 10%혼입하면 복합슬래그골재를 30%치환하더라도 부순 골재를 혼입한 다공질 콘크리트 공시체와 유사한 강도 측정값을 나타내었다. 이는 적정량의 특수처리입상비료를 혼입함으로서, 특수처리 입상비료가 골재사이의 공극을 막고, 페이스트 사이의 접점역할을 하여 강도가 향상되었기 때문인 것으로 판단된다.
4) 친환경 다공질 콘크리트의 해양생물 서식기반 제공능력평가 결과, 공극률이 증가 할수록 해양생물의 착상 및 서식할 수 있는 공간이 증대되어 우수한 성능을 나타내고 특수처리입상비료 10%혼입 시 해수침지 5개월에 58~73%의 성능향상효과를 나타내었다.
5) 복합슬래그골재 및 특수처리입상비료의 해양생물에 대한 유해성 평가를 수행한 결과, 어류에 대한 유해물질은 용출되지 않는 것으로 확인하였다.
이를 고찰하여 보면 목표공극률 및 특수처리입상비료 사용 유무 등 모든 조건에서 해수 침지기간이 경과됨에 따라 해양생물의 피복비율은 증가되는 것으로 나타났으며, 특수처리입상비료의 혼입유무와 상관없이 해수침지 10개월에서는 약 54.1%의 피복률을 나타내어 친환경 다공질 콘크리트의 우수한 해양생물 부착능력을 확인하였다. 공극률에 따른 영향은 동일 조건에서 공극률이 증가함에 따라 해양생물의 피복율도 증가하여 공극률 15%에 비하여 공극률 20%에서는 10.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 해양목장 구조물의 문제는 무엇인가?
따라서 정부에서는 훼손된 연안해역의 생태계 복원과 어족자원의 확보를 위하여 해양목장을 조성할 계획에 있다. 하지만 기존의 해양목장 구조물은 90% 이상이 일반콘크리트로 구성되어있어 내부구조가 밀실하고 표면이 매끄럽고 영양분의 공급이 단절되어 해양생물의 서식이 곤란한 문제점 등이 제기되고 있다.5)
철강산업은 부산물로 무엇을 다량 발생시키는가?
철강산업은 다량의 원료와 다량의 에너지를 소비하는 대표적인 업종으로 생산 공정을 거치면서 철강생산과 더불어 부산물인 철강슬래그를 다량 발생시킨다. 또한, 근래 무분별한 해양개발 및 환경오염 등으로 광대한 해양생물의 서식기반이 소실되어 수산자원의 감소현상이 심화되고 있어 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.
친환경 콘크리트의 개념 도입 및 개발의 필요성이 대두되는 이유는 무엇인가?
또한, 건설 산업의 주요 재료중 하나인 콘크리트는 현대 문명사회를 구성하는 사회간접시설 및 각종 개발사업의 필수 건설재료로 사용되어 국가경제와 문화발전에 크게 공헌하여 왔다. 그러나 종래의 콘크리트는 대부분 자연과 직접 대치하여 사용되고, 대량으로 사용되기 때문에 환경문제에 있어서 콘크리트가 부정적으로 보여지는 직접적인 원인이 되고 있다. 따라서 이를 해결하기 위한방안으로 주변 자연환경의 부하를 저감시키는 콘크리트, 인류와 생물의 조화 그리고 새로운 관계를 창조하는 콘크리트 즉 친환경 콘크리트의 개념 도입 및 개발의 필요성이 대두되고 있다.
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