[논문]슬래그미분말을 주성분으로 한 2차 제품용 친환경.저탄소 시멘트 결합재의 개발

조한정; 김영구; 김시리; 황인성

doi:10.14190/mrcr.2014.9.3.031

슬래그미분말을 주성분으로 한 2차 제품용 친환경.저탄소 시멘트 결합재의 개발
Development of Enviromental Friendly and Low Carbon Cement Binder for Secondary Product Adopting Blast Furance Slag 원문보기

조한정 (아세아시멘트(주) 기술연구소) , 김영구 (아세아시멘트(주) 기술연구소 제품연구) , 김시리 (아세아시멘트(주) 기술연구소 제품연구) , 황인성 (아세아시멘트(주) 연구개발팀)

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문제 정의

따라서 본고에서는 향후 친환경 저탄소 시멘트 결합재에 대한 고객의 요구에 대응할 수 있도록, 슬래그미분말을 주성분으로 사용한 시멘트 2차 제품용 친환경 저탄소 시멘트 결합재 개발을 목표로, 고로슬래그를 기본으로 여기에 각종 자극제의 치환율 변화에 따른 최적비율을 결정하고, 배합 및 양생조건에 따른 강도 특성을 검토하였다.
산업부산물인 슬래그미분말을 주성분으로 하여 친환경 2차 제품용 저탄소 시멘트 결합재 개발을 목표로, 자극제 종류별 적정 치환율 및 최적비율을 결정하여 친환경·저탄소 시멘트 결합재를 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

2) 자극제 종류별 적정 치환율은 OPC의 경우 친환경·저탄소 및 강도증진 측면을 고려하여 20% 이내로 결정하였고, 생석회는 유동성 및 강도증진을 고려하여 10% 이내로 결정하였으며, Na2SO4는 초기 강도를 고려하여 1% 이내로 결정하였다.
따라서, 친환경 시멘트 2차 제품에 필요한 최소한의 강도발현을 얻을 수 있는 저탄소 시멘트 결합재의 최적 배합비율 도출을 목적으로, 슬래그미분말 100% 사용을 기준(Plain)으로 자극제로 생석회(CaO) 및 Na2SO4의 적정 치환율 결정을 위한 검토를 실시하여 최적의 치환율을 결정한 후, 적정 자극제의 치환율에 따른 물성검토를 통하여 친환경·저탄소 시멘트결합재의 최적비율을 결정하였다.

성능/효과

1) 자극제 종류별 재료특성으로, 유동성은 OPC 치환의 경우 큰 차이가 없었고, 생석회는 치환량 증가에 따라 감소, Na₂SO₄는 증가하는 경향이었다. 또한, 압축강도는 OPC가 가장 양호하였고, 생석회 및 Na₂SO₄ 순으로 강도증진 효과가 있었다.
3) 적정 자극제의 치환율에 따른 물성검토 결과, 최적비율은 슬래그미분말을 주성분으로 한 상태에서 OPC는 강도 증진에 유리한 20%, 생석회는 유동성 감소, 강도증진 및 과팽창 현상을 고려한 5%가 최적비율로 적정한 것으로 판단되며, Na₂SO₄는 초기강도를 고려할 경우 0.5%가 적정할 것으로 판단됨에 따라 초기강도가 필요할 경우 적절히 대응하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.
4) 개발된 2차 제품용 친환경·저탄소 시멘트결합재의 W/C 및 양생온도 변화에 따른 물성 검토 결과, W/C가 낮을수록 강도 증진에 효과적이고, 양생온도가 높을수록 초기 강도는 증진하나 후기강도가 하락 하는 것을 확인할 수 있었다.
치환에 따른 압축강도는 재령경과에 따라 전체적으로 증가하는 경향이나 OPC 및 생석회와 비교하여 강도증진 효과가 미비한 것으로 판단된다. 단, Na₂SO₄ 치환율 0.5%의 1일 재령에서는 초기강도 증진 효과가 상대적으로 양호한 것으로 나타났다.
따라서, 친환경·저탄소 시멘트결합재에 사용하는 Na2SO4의 적정 치환량은 초기강도 측면 및 이전 연구결과를 토대로 1% 이상 사용시 후기강도 저하와 백화발생 등을 고려하여 1.0% 이내가 적정한 것으로 사료된다.
따라서, 친환경·저탄소 시멘트결합재에 사용하는 OPC 자극제의 적정 치환량은 슬래그미분말의 충분한 자극제 역할에 의한 강도증진 및 저탄소 측면을 고려하여 20% 이내가 적정하다고 판단하였다.
또한 슬래그미분말을 100% 사용한 플레인의 압축강도는 슬래그미분말 자체의 알칼리에 의한 잠재수경성 반응으로 어느정도 강도발현이 되는 것을 확인할 수 있었고, 자극제로 OPC를 치환한 경우 OPC 치환량 증가 및 재령경과에 따라 비례적으로 압축강도가 증진하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, OPC 20%에 대하여 자극제 복합치환에 따른 압축강도는 생석회 5%에 Na₂SO₄치환의 경우 치환율이 증가함에 따라 초기강도는 증진되나, 3일 이후 후기강도가 다소 저하하는 것으로 나타났으며, 전체적으로 7일 및 28일 압축강도는 생석회 5%에 Na₂SO₄ 0.5% 치환이 가장 양호한 것으로 나타났다.
또한, 생석회 치환에 따른 압축강도는 치환율 15%까지 증가하는 경향이나 그 이후는 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 친환경·저탄소 시멘트결합재에 사용하는 생석회의 적정 치환량은 강도 및 유동성 측면을 고려하여 10% 이내가 적정한 것으로 사료된다.
는 증가하는 경향이었다. 또한, 압축강도는 OPC가 가장 양호하였고, 생석회 및 Na₂SO₄ 순으로 강도증진 효과가 있었다.
먼저, OPC 20%에 대하여 자극제 단독치환에 따른 유동성은 이전과 마찬가지로 생석회 치환에 따라 감소, Na2SO4 치환에 따라 증가하는 경향이나 전체적으로는 큰 차이가 없는 것으로 판단되고, 복합치환에 따른 유동성은 생석회 치환시 플로우가 다소 저하하나, 생석회+Na2SO4 0.5%와비교하여 생석회+Na2SO4 1%가 다소 증가하는 것으로 나타났다.
먼저, 슬래그미분말을 100% 사용한 플레인의 유동성은 몰탈 플로가 219mm로 양호하게 나타났고, 자극제로 OPC를 치환한 경우 다소 저하하였는데, 이는 시멘트의 수화반응에 의한 것으로, 전체적으로는 자극제로 OPC 치환에 따른 유동성의 큰 차이가 없는 것으로 사료된다.
먼저, 최적비율로 개발된 친환경·저탄소 시멘트결합재의 W/C 변화에 따른 압축강도는 재령이 경과할수록, W/C가 작을수록 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 양생온도에 따른 압축강도는 양생온도가 높을수록 초기 압축강도가 크게 증가한 반면 3일 이후 압축강도는 양생온도가 높을수록 증진폭이 둔화되는 것을 확인할 수 있었다.
<그림 4>는 자극제로 생석회 치환에 따른 유동성과 압축강도를 나타낸 것이다. 생석회 치환에 따른 유동성은 생석회 치환량이 증가함에 따라 플로우가 저하하는 경향으로 나타났는데, 이는 생석회 치환에 따라 물과의 반응으로 인해 플로우가 저하한 것으로 판단된다.
이상을 종합하면, 본 연구범위에서 친환경·저탄소 시멘트결합재 개발을 위한 최적비율은 OPC의 경우 20%가 강도 증진에 유리하다고 판단되고, 생석회 치환율은 유동성 감소, 후기강도증진, 과팽창 현상을 고려하여 5%가 적정하다고 판단되며, 2차 제품의 초기강도 증진이 필요할 경우 고객의 요구성능에 따라 Na2SO4 0.5% 범위 내에서 사용이 가능한 것으로 판단된다.
이상을 종합하면, 친환경·저탄소 시멘트결합재에 사용하는 자극제 종류별 적정 치환량은 본 연구범위 내에서 OPC의 경우 20% 이내, 생석회의 경우 10% 이내, Na2SO4의 경우 1.0% 이내가 적정한 것으로 판단하였다.
한편, OPC 20%에 대하여 자극제 단독치환에 따른 압축강도는 Na₂SO₄가 생석회보다 초기강도 증진에 더 효과적이고, 28일 압축강도는 생석회 5% 치환이 제일 양호한 강도증진을 보이고 있으나, 생석회 치환율 10%에서는 급격한 강도하락이 발생하였는데, 이는 생석회의 과다 첨가에 의한 과팽창으로 조직이 이완되어 파괴되는 현상이 발생함에 따라 생석회 치환시 이에 대한 주의가 요망된다.
한편, 생석회 10% 치환의 경우는 단독치환과 마찬가지로 Na₂SO₄ 치환에 관계없이 과팽창에 의한 조직이완으로 압축강도가 급격히 하락하는 것으로 나타났다.

후속연구

따라서, 개발된 친환경·저탄소 시멘트결합재는 2차 제품의 요구강도 및 양생온도 등 제품공정에 따라 적절히 대응 가능할 것으로 판단된다.
따라서, 본 연구범위의 결과를 토대로 최적비율로 결정하여 개발된 친환경·저탄소 시멘트결합재는 2차 제품의 요구강도 및 양생온도 등 제품공정에 따라 적절히 대응 가능할 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

시멘트 산업에서의 저탄소 기술은 어떻게 구분할 수 있는가?

한편, 시멘트 산업에서의 저탄소 기술은 크게 클링커 저감기술(혼합시멘트), 대체연료 사용의 최적 저감기술 적용으로 구분할 수 있으며, 클링커 저감기술의 대표적인 예가 고로슬래그 등을 사용한 시멘트 결합재이다. 이러한 고로슬래그는 시멘트 산업뿐만 아니라 건설산업 분야에서도 산업부산물인 슬래그미분말의 효율적 활용 측면에서 저시멘트, 무시멘트 등 친환경·저탄소 시멘트결합재에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

친환경 2차 제품용 저탄소 시멘트 결합재는 무엇을 주성분으로 하는가?

금번에 개발한 친환경 2차 제품용 저탄소 시멘트 결합재는 고강도 PHC 파일 등과 같이 고강도를 필요로 하는 2차 제품보다는 친환경 생태블록, 에코블록, 소일블록 등 저강도 2차 제품을 대상으로 슬래그미분말을 주성분으로 하여 개발한 것이다.

친환경·저탄소 시멘트 결합재의 자극제 종류별 재료 특성은 어떠한가?

1) 자극제 종류별 재료특성으로, 유동성은 OPC 치환의 경우 큰 차이가 없었고, 생석회는 치환량 증가에 따라 감소, Na2SO4는 증가하는 경향이었다. 또한, 압축강도는 OPC가 가장 양호하였고, 생석회 및 Na2SO4 순으로 강도증진 효과가 있었다.

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