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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 서냉 고로슬래그 굵은골재의 부가가치를 높이고, 적용대상의 확대 방안으로 PHC 파일용 콘크리트 원재료로의 활용성을 검증하기 위해 서냉 고로슬래그 굵은골재를 활용한 최적배합 및 시생산 평가를 실시함으로써 서냉 고로슬래그 굵은골재(이하 SG)의 활용에 대한 기초자료를 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 서냉 고로슬래그 굵은골재를 PHC 파일 콘크리트용 굵은골재로의 활용성을 검토하기 위해 실내 배합 평가부터 실공정 제품 생산까지를 진행하였다. PHC 파일의 기본 물성 및 압축강도는 적절한 배합 조정을 통해 충분히 확보 가능 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 서냉 고로슬래그 굵은골재의 재활용에 대한 부가가치를 높이고 적용 범위 확대를 위해 PHC 파일 콘크리트용 굵은골재로의 활용성을 검토하기 위해 실내 배합 평가부터 실공정 제품 생산까지를 진행한 것으로 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- PHC 파일의 경우 지반에 사용된다는 특성상 지반의 조건에 따른 화학적 부식에 대한 저항성을 평가하기 위해 황산 2% 수용액과 알칼리 포화 상태의 수용액에 28일간 침지하여 그 표면형상 변화 및 질량 감소율을 측정하였다. 그 결과 질량 감소율의 경우는 황산 2% 수용액에서는 28G100-SG0은 0.
- 굳지 않은 콘크리트의 실험으로 유동성은 된비빔 슬럼프를 측정하기 위해 자체 시험 기준에 의거 Fig. 2와 같이 진동테이블에 100×200×200mm의 슬럼프 콘에 시료를 채우고 5초 진동 후 다시 콘에 시료를 채운 후 5초, 슬럼프 콘 제거 후 10초간 진동을 준 후 그 값을 측정하였다.
- 본 연구의 실험방법으로 PHC 파일의 양생은 Fig. 1과 같이 전치 2시간, 승온 2시간 30분, 유지 4시간, 감온 1시간 30분의 1차 증기양생(80℃, 95%이상)을 실시한 후 승온 3시간, 유지 4시간 감온 1시간 30분의 2차 고온고압양생(180℃, 10atm) 8시간 30분 실시하였다.
- 실내 배합 평가를 통해 SG 사용 시 압축강도 및 내구성이 확보되는 것을 확인하였고, 이를 토대로 실 공정에서의 시제품 생산을 통해 실생산 시 문제점을 검토하기 위해 SG 50%를 치환한 26G50-SG50으로 시제품 생산을 실시하였으며, PHC 파일 규격은 A종 ø400을 기준으로 하였다.
- 우선, 실험계획으로 W/B 26, 28, 30%의 3수준에 대하여 SG의 치환율을 0, 25, 50, 75, 100%의 5수준으로 하여 총 15배치 실험계획 하였으며, W/B 26-SG 50%에 대해서 실생산 제품 평가를 실시하는 것으로 하였다. 실험사항은 굳지 않은 상태에서 진동슬럼프를 측정하는 것으로 하였고, 경화상태에서는 제조된 시편에 대해 시편무게, 표면상태, 압축강도 및 내화학성 평가를 실시하고, B/P Test를 통해 실 제품의 압축강도, 휨강도 및 전단강도를 측정하는 것으로 하였다.
- 우선, 실험계획으로 W/B 26, 28, 30%의 3수준에 대하여 SG의 치환율을 0, 25, 50, 75, 100%의 5수준으로 하여 총 15배치 실험계획 하였으며, W/B 26-SG 50%에 대해서 실생산 제품 평가를 실시하는 것으로 하였다. 실험사항은 굳지 않은 상태에서 진동슬럼프를 측정하는 것으로 하였고, 경화상태에서는 제조된 시편에 대해 시편무게, 표면상태, 압축강도 및 내화학성 평가를 실시하고, B/P Test를 통해 실 제품의 압축강도, 휨강도 및 전단강도를 측정하는 것으로 하였다.
대상 데이터
- KS F 4009에서는 PHC 파일의 바깥 지름을 300~1200mm로 구분하고 이에 따라 A, B, C종으로 나뉘어 각각의 균열 휨 모멘트와 파괴 휨모멘트를 규정하고 있으며, 전단강도의 경우 바깥지름 300~600mm를 대표하는 400mm와 700~ 1200mm를 대표하는 800m에 한해서 A, B, C종으로 나누어 전단강도를 규정하고 있다. 본 연구에서는 전술한 바와 같이 바깥지름 400mm에 대해서 휨모멘트와 전단강도를 검토하였으며, 실험에 사용된 파일은 일부 터짐현상이 발생한 파일을 그대로 사용하였다. 실험 결과, 균열 휨모멘트는 기준값인 54kN • m에서 균열이 발생하지 않았으며, 파괴 휨모멘트에서는 기준값은 81.
- 본 연구의 사용재료로써 시멘트는 국내 A사 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 고활성 규사는 Y사, 골재는 국내산 부순잔골재 및 20mm 부순굵은골재를 사용하였으며, SG는 H사에서 골재용으로 파쇄하여 입도조정된 골재를 세척하여 사용하였다. 각각의 물리적 성질은 Table 2∼4와 같다.
이론/모형
- 2와 같이 진동테이블에 100×200×200mm의 슬럼프 콘에 시료를 채우고 5초 진동 후 다시 콘에 시료를 채운 후 5초, 슬럼프 콘 제거 후 10초간 진동을 준 후 그 값을 측정하였다. 경화 콘크리트 실험으로 압축강도, 전단강도, 휨강도는 KS F 4306 규정에 의거 실시하였고, 내화학성 평가는 KS M ISO 2812-1에 의거 실시하였다.
성능/효과
- 1. SG를 사용하는 경우 제품 무게의 증진은 없어 PHC 파일의 운반에 따른 경제성은 문제가 되지 않을 것으로 판단되며, 압축강도는 Plain(28G100-SG0) 보다 낮은 W/B 26%의 배합에서 PHC 파일의 기준 압축강도를 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
- 2. 화학적 저항성은 부순골재를 사용한 배합과 동등 이상의 수준을 나타내어 황산염 및 알카리 등의 화학적 저항성은 양호한 것으로 판단되었다.
- 3. 실공정 생산 결과, 내부는 약간의 골재 노출이 나타났으며, 표면 형상은 1차 증기양생은 특별한 이상을 나타내지 않았으나, 2차 고온고압 양생 후 시제품의 표면에 터짐 현상이 나타났으나, PHC 파일의 기준 성능은 만족하는 것으로 나타났다.
- 4. PHC 파일의 터짐 부위를 XRD 및 SEM-EDX 분석 결과 CaO와 MgO가 주요 조성물임을 확인할 수 있었으며, PHC 파일용 굵은 골재로 사용하기 위해서는 규정치 이상의 CaO 및 MgO과 함유된 골재의 선별이 반드시 이뤄줘야 할 것으로 판단된다.
- 5. SG 골재를 사용하는 경우 2차 고온고압 양생의 방법에서는 표면 불량에 따른 실용성이 떨어지는 것으로 판단되나, 1차 증기양생만으로 하는 제조방식에서는 충분히 가능성이 있는 것으로 판단된다.
- PHC 파일 무게의 증가는 운반차량에 상차할 수 있는 제품의 개수 감소로 인해 경제성과 큰 연관성을 가짐으로 SG 사용에 따른 무게를 검토한 결과, 2차 양생 후 시편의 터짐 현상으로 인해 측정하지 못한 28-G0-SG100을 제외하고는 모든 W/B별로 SG 치환율이 증가할수록 미미하게 저하하는 경향을 나타내었는데, 이는 일반 부순골재보다 밀도가 낮은 SG의 치환율이 증가함에 따른 것으로 판단되며, 추후 제품 생산 시 제품 운반에 따른 경제성 차이는 없을 것으로 판단되었다.
- SG를 50% 치환한 PHC 파일의 내면은 내부 골재 노출이 보였으나, 이는 일반 부순골재에서도 원심성형 시 골재의 분포, 입도 및 유동성적인 측면에 따른 부분적으로 골재 노출이 발생하는 일반적인 현상으로 유의할 만한 수준은 아닌 것으로 판단되었다.
- W/B별로는 W/B 26%의 모든 배합이 치환율별로 81.8N/mm2, 82.3N/mm2, 79.0N/mm2, 81.1N/mm2로 측정되었고, 28-G100-SG0이 78.9N/mm2로 측정되어 KS F 4306에서 규정하고 있는 PHC 파일용 콘크리트의 압축강도 78.5N/mm2를 상회하는 것으로 확인되어, SG골재를 콘크리트용 골재를 사용하는 경우 적절한 배합조정이 이뤄진다면 압축강도 측면에서는 충분히 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- XRD를 통한 터짐 부위에서의 광물분석을 실시한 결과, 하얀 분체의 경우는 MgOH2 수화물과 MgO 성분이 포함되어 있는 것을 확인 할 수 있었으며, 갈색분체의 경우 CaOH2 수화물과 CaO 성분이 포함되어 있는 것을 확인 할 수 있었고, 검은색 분체의 경우 MgO가 주 피크로 나타났다. 이는 유리되어 있는 MgO 및 CaO는 물과 반응하여 MgOH2 및 CaOH2수화물로 변화하는 과정에서 팽창하는 특성이 있는 물질로 장기간에 걸쳐 발생하는 팽창 성능이 1차 증기양생에서 반응이 시작되어 2차 고온고압 양생 시 높은 압력에 의한 화학 반응이 촉진되어 PHC 파일 표면에 터짐현상을 일으킨 것으로 판단된다.
- 그 결과 질량 감소율의 경우는 황산 2% 수용액에서는 28G100-SG0은 0.030%, 26G50-SG50은 0.017%, 26G0-SG100은 0.011%를 나타냈으며, 알칼리 포화 수용액에서는 Plain인 28G100–SG0은 0.026%, 26G50-SG50은 0.013%, 26G0- SG100은 0.000%를 나타내어, 내화학적 평가는 SG 치환에 비례하여 질량 변화율이 감소하는 것을 확인 할 수 있어 SG의 경우 화학적 안정성을 증가시켜 주는 것으로 판단된다.
- PHC 파일의 기본 물성 및 압축강도는 적절한 배합 조정을 통해 충분히 확보 가능 할 것으로 판단된다. 다만 SG 내에 CaO와 MgO를 다량 포함한 골재의 선별을 반드시 진행되어야 AC(Auto-clave)방식의 PHC 파일 제조 공정에서의 사용이 가능할 것으로 판단되며, 파일의 표면 불량을 제외하고는 KS에서 규정하고 있는 휨모멘트, 전단강도, 압축강도를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 제조된 시편의 표면 상태는 1차 증기양생 종료 후와 2차 고온고압양생 종료 후에 실시하였는데, SG 골재 치환에 따른 시편의 표면상태는 1차 증기양생 종료 후에는 표면에 특별한 이상은 나타나지 않았으며, 2차 고온고압 양생 완료 후에도 SG치환율 75%까지는 표면에 문제점은 나타나지 않았다. 다만, SG 100%의 경우 제조된 시편 2개에서 표면에 터짐현상이 발생하였고, 한 개의 시편에서는 터짐 부위에 흰색 분말가루가 모여져 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 2차 고온고압양생에서 높은 온도와 기압에 의한 내부 팽창 물질의 반응이 원인인 것으로 판단되나, 좀 더 세밀한 추가 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 또한, 터짐 부위에서 발견된 분체를 SEM-EDX 로 분석한 결과 갈색분체의 경우 Ca가 41.82%, 흰색분체는 Mg가 35.33%, 검은색도 Mg가 42.12%를 점유하여 주요 조성인 것으로 나타났으며, 이런 Ca와 Mg의 함량을 산화물인 CaO와 MgO로 환산하면 갈색 분체는 CaO가 58.52%, 흰색은 MgO가 58.59%, 검은색은 MgO가 69.84%에 상당하게 되어, KS F 2544의 화학성분 규정보다도 많은 양이 포함된 것임을 확인할 수 있어, PHC 파일용 굵은골재로 사용하기 위해서는 규정치 이상의 CaO 및 MgO과 함유된 골재의 선별이 반드시 이뤄줘야 할 것으로 판단된다.
- 000%를 나타내어, 내화학적 평가는 SG 치환에 비례하여 질량 변화율이 감소하는 것을 확인 할 수 있어 SG의 경우 화학적 안정성을 증가시켜 주는 것으로 판단된다. 또한, 표면현상의 경우는 28일 침지 후 겉모양 검토 결과 황산 2% 수용액의 경우 28G100-SG0, 26G50-SG50 및 26G0-SG100 모든 수준에서 부식발생 및 백색 변색 현상이 나타났는데, 이는 결합재인 시멘트가 알칼리성으로 알칼리와 황산의 강산성이 반응하여 나타난 것으로 판단되며, 알칼리 포화 수용액에서는 모든 수준에서 특별한 이상은 없는 것으로 나타나, SG 사용에 따른 화학적 저항성은 일반 부순골재를 사용한 제품과 동등의 성능이 확보되는 것을 확인하였다.
- 실험 결과, 균열 휨모멘트는 기준값인 54kN • m에서 균열이 발생하지 않았으며, 파괴 휨모멘트에서는 기준값은 81.4kN • m을 초과하여 115.1kN • m에서 균열이 발생하여 기준값을 만족하는 것으로 나타났으며, 전단강도의 경우도 기준값인 148.1kN을 초과한 162.7kN를 나타내어, KS 기준을 모두 만족하였으며, 표면의 일부 터짐현상은 PHC 파일의 성능에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 양생에 따른 PHC 파일의 표면은 1차 증기양생 종료 후 제작된 2본의 표면에 유의할만한 터짐 현상은 나타나지 않았으나, 2차 고온 고압 양생 후에는 각 본당 5~7개의 POP-OUT 현상 및 터짐 현상이 발생한 것을 확인할 수 있었으며, 특히 터짐 부위에서 갈색, 흰색, 검은색의 분말가루가 형성되어 있는 모습을 확인할 수 있었다.
- 제조된 시편의 표면 상태는 1차 증기양생 종료 후와 2차 고온고압양생 종료 후에 실시하였는데, SG 골재 치환에 따른 시편의 표면상태는 1차 증기양생 종료 후에는 표면에 특별한 이상은 나타나지 않았으며, 2차 고온고압 양생 완료 후에도 SG치환율 75%까지는 표면에 문제점은 나타나지 않았다. 다만, SG 100%의 경우 제조된 시편 2개에서 표면에 터짐현상이 발생하였고, 한 개의 시편에서는 터짐 부위에 흰색 분말가루가 모여져 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 특히, 갈색 및 흰색물질의 발생 원인은 기존의 연구 문헌(Park 2013)에 의하면 전로 슬래그 생산 시 투입되는 부재료인 경소백운석 성분이 완전히 슬래그화 되지 못하고 배출된 것으로 보고되고 있으며, MgO의 경우 로를 보호하기 위한 부정형 내화물인 마그네시아 계통의 물질이 원인인 것으로 보고되고 있다. 다만 고로 생성 과정에서 현재는 경소백운석의 부재료를 사용하지 않기 때문에 소결 공정에서 투입되는 석회석에 의한 발생과 골재 생산 시 동일 파쇄 공정에서 전로슬래그와 고로슬래그를 파쇄하여 체가름하기 때문에 이러한 파쇄공정에서 전로 슬래그가 혼입되는 두 가지 원인을 고려할 수 있으나, 추가적인 검토는 필요할 것으로 판단된다.
- 다만, SG 100%의 경우 제조된 시편 2개에서 표면에 터짐현상이 발생하였고, 한 개의 시편에서는 터짐 부위에 흰색 분말가루가 모여져 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 2차 고온고압양생에서 높은 온도와 기압에 의한 내부 팽창 물질의 반응이 원인인 것으로 판단되나, 좀 더 세밀한 추가 분석이 필요할 것으로 판단된다.
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