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문제 정의
- 31%로 증가 하였는데, 이는 고로슬래그를 자극하기 위해 사용되는 촉진제의 성분으로 이용된다.5) 따라서 이러한 티탄석고를 이용함으로서 OPC의 자극제와 BFS의 초기자극제의 역할을 수행 할 것으로 예상되어 원천소재(HSB) 개발을 위한 시료로 선정하였다.
- 따라서, 본 연구는 산업부산물인 티탄석고, 정수오니를 활용하여 경제성을 만족하면서 OPC 및 BFS 혼입 콘크리트의 초기재령 압축강도(재령 1, 3일)를 향상시킬 수 있는 조강형 분체(High Strength Binder 이하 HSB) 개발의 일환으로서, HSB 개발을 위해 HSB의 제조 방법에 따른 특성을 실험적으로 검토 및 평가함으로서, 산업부산물을 활용한 HSB 개발의 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- HSB는 일반형과 기능성 2가지 조건으로 설정하였으며, 치환율은 5%, 7%, 9% 3수준으로 설정하여 실험을 실시하였고, BFS의 경우 HSB와 BFS의 합이 30%가 되도록 치환을 실시하였다.
- Table 7은 본 연구에 사용된 재료의 물리·화학적 성질을 나타낸 것으로서, HSB 혼입 페이스트의 SEM 관측용 시험체 제작에 필요한 사용재료의 선정을 위해 원재료의 기초물성평가를 실시한 후 예비시험을 거쳐 초기재령 압축강도 발현에 적정한 혼입율로 판단되는 HSB 7 %를 OPC에 각각 치환하였다.
- 또한 C3S 의 수화를 촉진시킴으로 초기강도 역시 상승할 것으로 예상되며, Al2O3 상승을 통해 자극제 제조 시 소성과정에서 C12A7 생성물이 초기강도 상승에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 또한 소성과정에서 생성된 CaO는 물과 접촉시 Ca(OH)2의 신속한 생성을 통해 PH 상승에 따른 수화촉진으로 초기강도가 상승될 것으로 판단되어짐에 따라 이를 기초로 원천소재의 기본배합을 티탄석고(4) : 석회석(3) : 정수오니(3) 비율로 선정하였다.
- 시험 항목 및 시험방법의 경우 유동특성을 평가하기 위해 굳지않은 콘크리트 성상에서 슬럼프 시험(KS F 2402) 및 공기량 시험(KS F 2421)을 실시하였으며, 재령별 압축강도 측정을 위한 공시체를 제작(KS F 2403)한 후 압축강도(KS F 2405) 측정을 실시하였다.
- 시험항목은 슬럼프, 공기량, 재령 초기 압축강도(1, 3, 7 (일)) 측정을 실시하였으며, Table 15는 HSB 및 BFS 혼입 콘크리트의 목표성능을 나타낸 것이다.
- 기존의 재료들이 열에 녹아 합쳐져서 새롭게 ‘일정한 화학적인 비율로 결합된 고체 혼합 결정물인 고용체’들을 만들어낸 것이다. 이에 착안점을 두어 2.1 절에서 나타낸 바와 같이 OPC 및 BFS의 반응을 동시에 촉진시켜 콘크리트의 초기 재령 압축강도 향상에 영향을 줄 것으로 예상되는 티탄석고, 정수오니, 석회석을 적정 비율로 조합 및 혼합하여 환 모양으로 만들어 제조하고, 그 후, 전기로에 간이 소성을 시행한 후 환으로 만들어진 시료를 분쇄하는 방식을 통해 HSB를 제조하였다.
- 즉, HSB 종류는 일반형과 기능성 2수준으로 설정하였으며, HSB의 치환율은 7%, 9% 2수준으로 설정하여 실험을 실시하였다.
- 즉, HSB의 종류는 앞서 2장에서 설명한 일반형 HSB(이하 GHSB)와 기능성 HSB(이하 FHSB) 2가지로 설정하였다. 여기서, 기능성 HSB란, 일반형의 경우 기초 실험을 실시한 결과 유동성 및 점성이 우수한 특성을 가진 것으로 나타났으나, 재료의 분쇄과정 중 이질적인 재료의 혼합과정에서 분말이 응집되는 현상이 발생하여 균질하게 혼합이 되지 않는 것으로 나타났다.
대상 데이터
- HSB 개발을 위한 원천소재로는 산업부산물인 티탄석고, 정수오니 및 시멘트 주원료인 석회석을 사용하였다. 석회석의 경우 클렁커를 생산하는데 있어서 가장 큰 비율을 차지하는 재료로서, 산화칼슘(CaO)이 주성분이며 이외에 실리카(SiO2), 알루미나 (Al2O3), 산화철(Fe2O3)의 4성분으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1) HSB 혼입 시멘트 페이스트 경화체의 SEM 관측을 실시한 결과, HSB 혼입을 통한 자극으로 인해 수화반응이 촉진되어 수화생성물이 다량 분포한 것으로 나타나 HSB가 시멘트의 수화반응을 촉진 하는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) HSB 혼입 콘크리트의 경우 HSB 혼입에 따라 슬럼프 값이 소폭 증가하는 경향을 나타내었으며, 압축강도 측정결과 HSB를 혼입함에 따라 Plain 배합에 비해 초기재령에서 높은 압축강도 발현율을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
- 3) GHSB에 비해 FHSB 배합이 더욱 우수한 강도를 나타내었으며, FHSB 치환율이 증가함에 따라 압축강도는 소폭 상승하는 결과를 나타내었다.
- 4) HSB 및 혼합시멘트를 사용한 콘크리트의 경우 촉진재 종류에 관계없이 촉진재 치환율 9%에서 Plain 배합 이상의 조기강도를 발현하는 것으로 나타났다. 또한, 촉진재 종류에 따른 영향을 알아본 결과, GHSB에 비해 FHSB가 재령 1일에는 더욱 우수한 조기강도 발현성능을 나타내었으며, 재령 3, 7일에는 촉진재 종류에 따른 영향은 뚜렷하게 나타나지 않았다.
- 정수오니의 화학조성은 소성전과 후의 성분비교를 통하여 SiO2와 Al2O3가 증가하였음을 알 수 있다. OPC의 초기강도 증진에 기여하는 Al2O3의 성분이 27.34%에서 39.69%로 증가하여, 소성전과 비교하였을 때 티탄석고의 증가율보다 더 큰 폭으로 증가하였다. 하지만 BFS의 반응을 촉진하기 위한 성분인 SO3는 오히려 감소하는 경향을 보였다.
- Table 13 및 Fig 7은 압축강도 측정결과를 나타낸 것으로, HSB를 혼입함에 따라 Plain 배합에 비해 압축강도 발현율이 재령 1일에서 약 (21∼55)% 상승하는 결과를 나타내었으며, 재령 3일 에서는 GHSB의 경우 소폭 저하하는 현상을 나타내었지만, FHSB의 경우 Plain과 동등 이상의 압축강도를 발현하는 것으로 나타났다.
- Fig 5는 각각의 조건에 따른 시멘트 페이스트 경화체의 재령 1, 3일 SEM 관측 사진을 나타낸 것으로서, 모든 배합에서 에트린자이트로 판단되는 다량의 침상수화물과 판상의 수산화칼슘 및 초기수화물이 관찰되었다. 그러나 Plain 배합의 경우 수산화칼슘량이나 급결 현상의 에트린자이트 형성이 더디게 진행되는 것을 확인 할 수 있었으며, 그에 따라 시험체 내에 공극이 다량 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있는 반면, HSB 배합의 경우 HSB 혼입을 통한 자극으로 인해 수화반응이 촉진되어 재령 1일에 에트린자이트와 석고의 결합으로 저황산염형의 수화물인 모노설페이트의 형성을 확인할 수 있었으며, 수산화칼슘 등의 수화생성물 형성이 활발하게 진행되어 밀실한 형태를 이루고 있는 것을 확인 할 수 있었다.
- 그에 따라 HSB 및 혼합시멘트를 사용한 콘크리트 배합에서도 동일 수량과 동일 혼화제량을 첨가하여 슬럼프 값을 확인한 결과 (200∼210)mm 의 범위를 나타내어 Plain과 큰 차이는 나타나지 않았으나, Plain에 비해 소폭 증가하는 경향을 나타내었다.
- 하지만 BFS의 반응을 촉진하기 위한 성분인 SO3는 오히려 감소하는 경향을 보였다. 따라서 정수오니와 티탄석고를 함께 배합 할 경우 조기강도 증진효과 뿐만 아니라 BFS 자극을 위한 촉진제로 작용효과가 클 것으로 판단된다.
- 성분 증가로 에트린자이트 생성 후 강도증진효과가 크게 나타날 것으로 사료된다. 또한 C3S 의 수화를 촉진시킴으로 초기강도 역시 상승할 것으로 예상되며, Al2O3 상승을 통해 자극제 제조 시 소성과정에서 C12A7 생성물이 초기강도 상승에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 또한 소성과정에서 생성된 CaO는 물과 접촉시 Ca(OH)2의 신속한 생성을 통해 PH 상승에 따른 수화촉진으로 초기강도가 상승될 것으로 판단되어짐에 따라 이를 기초로 원천소재의 기본배합을 티탄석고(4) : 석회석(3) : 정수오니(3) 비율로 선정하였다.
- 또한 공기량 역시 목표 값인 (4.5±1.5) % 범위에 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 그 차이가 크지 않아 공기량에 따른 굳지않은 콘크리트의 물성에 대한 영향성은 없는 것으로 판단된다.
- Table 13 및 Fig 7은 압축강도 측정결과를 나타낸 것으로, HSB를 혼입함에 따라 Plain 배합에 비해 압축강도 발현율이 재령 1일에서 약 (21∼55)% 상승하는 결과를 나타내었으며, 재령 3일 에서는 GHSB의 경우 소폭 저하하는 현상을 나타내었지만, FHSB의 경우 Plain과 동등 이상의 압축강도를 발현하는 것으로 나타났다. 또한 장기 재령에서도 모든 배합에서 Plain 이상의 압축강도 발현율을 나타내어 HSB 혼입 콘크리트의 우수한 성능을 확인 할 수 있 었다. 이는 HSB가 C3S의 수화를 촉진시킴으로 인해 강도증진효과가 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 또한, GHSB에 비해 FHSB를 혼입한 배합이 재령 1일에서 약 26%, 재령 3일에서 약 12% 정도 높은 압축강도 발현율을 나타내었으며, FHSB 치환율이 증가함에 따라 압축강도가 소폭 상승하는 결과를 나타내었다. 이는 GHSB에서 발생하는 분말 응집 현상에 의해 균질한 혼합이 어려운 문제점을 해결함으로서 콘크리트 내부에 HSB를 고르게 분산시켜줌과 동시에 분말도를 높여 줌에 따른 반응성 향상 및 공극충전 효과에 기인한 것으로 판단된다.
- 또한, HSB 종류에 따른 영향을 알아본 결과, GHSB에 비해 FHSB가 재령 1일에는 더욱 우수한 조기강도 발현성능을 나타내었으며, 재령 3, 7일에는 HSB 종류에 따른 영향이 뚜렷하게 나타나지 않았다.
- 4) HSB 및 혼합시멘트를 사용한 콘크리트의 경우 촉진재 종류에 관계없이 촉진재 치환율 9%에서 Plain 배합 이상의 조기강도를 발현하는 것으로 나타났다. 또한, 촉진재 종류에 따른 영향을 알아본 결과, GHSB에 비해 FHSB가 재령 1일에는 더욱 우수한 조기강도 발현성능을 나타내었으며, 재령 3, 7일에는 촉진재 종류에 따른 영향은 뚜렷하게 나타나지 않았다.
- 즉, HSB의 종류는 앞서 2장에서 설명한 일반형 HSB(이하 GHSB)와 기능성 HSB(이하 FHSB) 2가지로 설정하였다. 여기서, 기능성 HSB란, 일반형의 경우 기초 실험을 실시한 결과 유동성 및 점성이 우수한 특성을 가진 것으로 나타났으나, 재료의 분쇄과정 중 이질적인 재료의 혼합과정에서 분말이 응집되는 현상이 발생하여 균질하게 혼합이 되지 않는 것으로 나타났다. 이에 따라 분쇄를 실시함에 있어 분쇄효율을 높여 줌으로서 균질한 혼합이 이루어지고, 더불어 분말도를 높임으로서 초기재령 압축강도 향상 및 생산성을 향상시킨 기능성 분체를 말한다.
- 침전된 정수오니의 화학성분으로는 시멘트의 제조광물과 같은 대량의 SiO2(46.6%)와 Al2O3(39.7%), 소량의 Fe203(5.4%)를 함유하고 있어, 산업부산물의 활용성과 시멘트의 첨가제품으로서의 활용 가능성이 우수하다고 판단된다. Table.
후속연구
- 본 연구결과를 종합해 볼 때 HSB는 콘크리트의 수화반응을 촉진시키고, 콘크리트에 혼입시 조기강도 발현을 촉진시키는 것으로 나타나 촉진제로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다. 다만, 고강도 영역에서의 검토, 혼화재료의 사용 비율에 대한 검토와 HSB 사용 콘크리트의 내구성 검토 등이 추가적으로 이루어져 반영되어야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구결과를 종합해 볼 때 HSB는 콘크리트의 수화반응을 촉진시키고, 콘크리트에 혼입시 조기강도 발현을 촉진시키는 것으로 나타나 촉진제로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다. 다만, 고강도 영역에서의 검토, 혼화재료의 사용 비율에 대한 검토와 HSB 사용 콘크리트의 내구성 검토 등이 추가적으로 이루어져 반영되어야 할 것으로 사료된다.
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