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문제 정의
- 본 연구는 재생 굵은골재를 사용한 기존의 재생콘크리트에 철의 생산과정에서 발생하는 산업부산물인 제강 슬래그를 이용한 친환경 재생 콘크리트에 대한 성능을 고찰하기 위한 기초연구로서, 재생골재와 급냉 제강 슬래그의 치환율에 따른 슬럼프와 공기량에 대한 관계를 살펴보기 위하여 KS F 2421 (압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법)과 KS F 2402 (콘크리트의 슬럼프 시험방법)에 따라 공기량과 슬럼프를 측정하였다. 또한, 급냉 제강슬래그의 치환율 증가로 인한 재료분리 현상에 대한 적정 배합비를 파악하기 위하여 KS F 2414 (콘크리트 블리딩 시험방법)에 준하여 블리딩을 측정하였으며, 블리딩율은 식(1)을 이용하여 구하였다.
- 본 연구는 재생 굵은골재와 산업부산물인 급냉 제강 슬래그 잔골재를 활용한 친환경 재생 콘크리트에 대한 재료적 특성을 파악하기 위하여 수행되었다.
- 본 연구는 콘크리트에서 70%를 차지하는 천연골재를 폐콘크리트로부터 재활용된 재생 굵은골재와 제강슬래그로부터 얻어진 슬래그 잔골재를 활용하여 환경부하가 최소화되는 재생콘크리트에 대한 특성을 파악하는데 그 목적이 있다. 이를 위해서 공기량, 슬럼프, 블리딩, 압축 강도 및 인장강도실험을 통하여 재생콘크리트의 적정 혼합비를 도출하고자 한다.
- 블리딩은 콘크리트의 초기균열을 발생시키며 특히 레이턴스를 유발하여 부착강도를 저하시킨다. 본 연구에서는 재생 콘크리트에 비중이 큰 급냉 제강슬래그 잔골재를 혼입함으로 재료의 분리 가능성을 측정하기 위하여 각 시험체의 블리딩율을 측정하였다.
제안 방법
- 8) 이는 재생 굵은 골재를 30%이상 적용할 경우 발생되는 기초물성 변화에 대한 사례부족에 기인하는 것이며, 급냉 제강슬래그 잔골재와 재생 굵은 골재와의 혼입이 물성변화에 미치는 영향을 알아볼 필요가 있다. 본 연구에서는 재생골재의 치환율을 굵은골재 체적의 30%, 40%, 50%로 설정하였으며, 잔골재로서 급냉 제강슬래그의 치환율은 잔골재 체적의 10%부터 50%까지 10%씩 증가시켰다. 이는 급냉 제강슬래그의 치환율이 증가할수록 콘크리트의 강도는 증가하나 그 사용량이 잔골재 체적의 50%를 상회할 경우 재료분리 현상이 발생되기때문에 최대 사용량을 잔골재 체적의 50%로 설정하였다.
- 본 연구는 콘크리트에서 70%를 차지하는 천연골재를 폐콘크리트로부터 재활용된 재생 굵은골재와 제강슬래그로부터 얻어진 슬래그 잔골재를 활용하여 환경부하가 최소화되는 재생콘크리트에 대한 특성을 파악하는데 그 목적이 있다. 이를 위해서 공기량, 슬럼프, 블리딩, 압축 강도 및 인장강도실험을 통하여 재생콘크리트의 적정 혼합비를 도출하고자 한다.
- 잔골재와 굵은 골재의 배합비율에 따른 실험변수는 Table 1에 나타내었다. 천연 굵은 골재와 잔골재를 배합한 기준배합(N)과 천연 잔골재와 재생 굵은골재를 사용한 실험배합(R) 그리고 슬래그 잔골재와 재생 굵은골재를 혼합한 실험배합(RS)로 나누어서 그 특성을 알아보고자 한다.
대상 데이터
- 콘크리트의 역학적 특성을 파악하기 위해, KS F 2403 (콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법)에 준하여 제작한 Φ 100 × 200 mm 실린더 시험체를 수중양생하여 재령 28일에 KS F 2405 (콘크리트의 압축강도 시험방법)와 KS F 2423 (콘크리트 인장강도 시험방법)에 따라 콘크리트의 압축강도와 인장강도 실험을 수행하였다. 강도실험에 사용된 공시체는 각 변수에 대하여 각각 3개씩으로 총 144개가 사용되었다.
- R5S 계열의 실험에서는 제강슬래그의 치환율 40%까지 강도가 증진되었으며, R5S3는 R5 기준 시험체 대비 약 11%의 강도 증진을 보였다. 기준강도 24 MPa을 만족한 시험체는 R3S2와 R4S3 시험체이다.
- 1 ~ 20%까지 함유하고 있으며, 유리석회의 함유량이 1% 이상일 경우 콘크리트의 체적팽창을 일으킬 수 있다. 본 연구에서 사용된 제강슬래그는 급냉 제강슬래그로 비중 3.45, 조립률 3.10이며 화학적 조성비는 Table 3와 같다.
- 본 연구에서 사용한 시멘트는 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)이며, 화학성분과 물리적 성질은 Table 2와 같다. 굵은골재로서 사용된 강자갈의 밀도는 2.
- 31이다. 재생골재는 KS F 2573 규준에 따른 1종 콘크리트용 재생골재로서 흡수율은 1.26, 밀도 2.42, 조립률은 5.70이다. 제강슬래그는 제조 특성상 성분 중에 고로슬래그 및 유리석회를(Free CaO)를 0.
이론/모형
- 본 연구는 재생 굵은골재를 사용한 기존의 재생콘크리트에 철의 생산과정에서 발생하는 산업부산물인 제강 슬래그를 이용한 친환경 재생 콘크리트에 대한 성능을 고찰하기 위한 기초연구로서, 재생골재와 급냉 제강 슬래그의 치환율에 따른 슬럼프와 공기량에 대한 관계를 살펴보기 위하여 KS F 2421 (압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법)과 KS F 2402 (콘크리트의 슬럼프 시험방법)에 따라 공기량과 슬럼프를 측정하였다. 또한, 급냉 제강슬래그의 치환율 증가로 인한 재료분리 현상에 대한 적정 배합비를 파악하기 위하여 KS F 2414 (콘크리트 블리딩 시험방법)에 준하여 블리딩을 측정하였으며, 블리딩율은 식(1)을 이용하여 구하였다.
- 콘크리트의 역학적 특성을 파악하기 위해, KS F 2403 (콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법)에 준하여 제작한 Φ 100 × 200 mm 실린더 시험체를 수중양생하여 재령 28일에 KS F 2405 (콘크리트의 압축강도 시험방법)와 KS F 2423 (콘크리트 인장강도 시험방법)에 따라 콘크리트의 압축강도와 인장강도 실험을 수행하였다.
성능/효과
- Fig. 4(a)에서 보는 바와 같이 재생골재의 치환율이 증가할수록 일반 콘크리트에 비해 재생콘크리트의 압축강도가 감소함을 보였다. 재생골재는 천연골재에 비해 강성이 낮고, 골재자체의 균열 및 골재와 모르타르 사이의 부착강도 등과 같은 품질특성이 천연골재에 비해 떨어지므로 그 치환율이 증가할수록 강도저감이 발생한 것으로 판단된다.
- 1) 재생 굵은골재의 치환율이 증가할수록 슬럼프 수치가 감소한 반면, 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 슬럼프 수치는 증가하는 경향을 보였다. 이와는 반대로 재생 굵은골재의 치환율이 증가할수록 공기량은 증가한 반면, 급냉 재강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 공기량은 감소하였다.
- 이러한 재생콘크리트의 성능향상을 위해서 최소 단위시멘트량, 물-시멘트비, 감수제 사용량, 슬래그, 플라이애시 혼입량 등에 대한 사용기준에 대한 연구가 수행되어 왔으며, 400 kgf/cm2 이상의 강도발현과 적정 재생골재 대체비율에 대한 기준이 제시되었다.1-3) 또한 동결융해 저항성은 일반 콘크리트와 유사하며, 건조수축은 더 작게 나타났고 플라이애시 혼입도에 따라 재료의 특성에 효과가 있는 것으로 나타났다.4-5) 구조용 콘크리트에 적용성을 검토하기 위해 철근과의 부착성에 대한 실험을 수행한 결과 수직철근은 치환율에 상관없이 상호 유사한 경향을 보였으나, 수평철근의 경우 부착응력이 저하되었다.
- 2) 압축강도의 실험 결과 굵은 골재로서 재생골재의 치환율이 증가할수록 강도가 감소함을 보였으나 잔골재의 대체재로서 급냉 제강슬래그가 일정 체적까지 혼입될 경우, 강도가 증진되는 것을 확인하였다. 또한 급냉 제강슬래그의 혼입율 30%까지 압축강도가 증가되었으며, 40% 이상이 혼입될 경우 강도 저하되었다.
- 3) 급냉 제강 슬래그가 혼합되지 않은 재생 콘크리트의 탄성계수는 보통강도 콘크리트에 비해 약 4~10%정도 저하되었으나, 급냉 제강슬래그의 혼입율 10%와 20%에서는 탄성계수가 상승하는 경향을 보였으며 그 이후에는 감소하였다. 특히, 급냉 제강슬래그 치환율이 20%에서는 보통강도 콘크리트에 비해 약 3~15% 높은 탄성계수를 보였다.
- 4) 인장강도의 실험결과 급냉 제강슬래그의 혼입에 따라 인장강도가 증가되는 현상을 보였다. 콘크리트의 인장강도는 압축강도 대비 약 12~14%였으며, R3S와 R5S 계열에서는 급냉 제강슬래그가 30%이상 혼입되는 시점부터 인장강도의 저하가 발생하였고, R4S series는 급냉 제강슬래그가 40%이상 혼입되는 시점부터 인장강도의 저하가 발생하였다.
- 5) 재생 콘크리트에서 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율 증가는 재생 굵은골재의 치환율 증가에도 도움이 되고, 압축강도 및 탄성계수 등을 고려한 급냉 제강슬래그 잔골재의 적정 치환율은 20~30%로 판단된다.
- 4-5) 구조용 콘크리트에 적용성을 검토하기 위해 철근과의 부착성에 대한 실험을 수행한 결과 수직철근은 치환율에 상관없이 상호 유사한 경향을 보였으나, 수평철근의 경우 부착응력이 저하되었다.6) 그러나, 역학적 거동에 있어 큰 차이는 보이지 않았고 탄성계수나 전단강도는 치환율이 증가하면서 다소 감소하는 경향이 나타났다.7-8) 특히, 재생골재는 잔골재와 굵은골재로 모두 사용할 경우 휨강도와 부착성에 더 취약하기 때문에, 이를 위해서 강모래나 부순잔골재 등을 사용한다.
- R3S 계열의 실험에서 R3S1, R3S2, R3S3는 R3 기준 시험체에 비해 약 3~7%의 강도증진을 보였으나, 제강슬래그의 치환율이 40%이상일 경우, 오히려 강도저하가 발생하였다. R4S 계열의 실험에서도 제강슬래그의 치환율 30%까지는 R4 기준 시험체 대비 8 ~ 12%의 강도증진을 보였다.
- R4S 계열의 실험에서도 제강슬래그의 치환율 30%까지는 R4 기준 시험체 대비 8 ~ 12%의 강도증진을 보였다. R5S 계열의 실험에서는 제강슬래그의 치환율 40%까지 강도가 증진되었으며, R5S3는 R5 기준 시험체 대비 약 11%의 강도 증진을 보였다. 기준강도 24 MPa을 만족한 시험체는 R3S2와 R4S3 시험체이다.
- 본 연구에서 사용한 시멘트는 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)이며, 화학성분과 물리적 성질은 Table 2와 같다. 굵은골재로서 사용된 강자갈의 밀도는 2.6, 조립률은 5.37이며, 강모래의 밀도는 2.5, 조립률은 2.31이다. 재생골재는 KS F 2573 규준에 따른 1종 콘크리트용 재생골재로서 흡수율은 1.
- 9%의 범위를 보였다. 그 변화량이 크지는 않지만, 슬럼프 변화량과 반대로 재생 굵은골재의 치환율이 증가할수록 공기량은 증가한 반면, 급냉 재강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 공기량은 감소하는 경향을 보였다. 이는 일반적으로 잔골재의 단위중량은 1,450 ~ 1,700 kg/m3이나 급냉 제강슬래그 잔골재는 단위중량이 2,100 kg/m3으로 실적율이 높기 때문인 것으로 판단된다.
- 6은 보통 콘크리트에 대한 R3S, R4S, R5S 계열별 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율에 따른 상대 접선 탄성계수를 보여준다. 급냉 제강 슬래그 잔골재가 혼합되지 않은 재생 콘크리트의(R3, R4, R5) 접선 탄성계수는 보통강도 콘크리트에 비해 약 4 ~ 10%정도 저하되었으나, 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율 20%까지 접선 탄성계수가 상승하는 경향을 보였으며 그 이후에는 감소하였다. 특히, 급냉 제강슬래그 치환율이 20%인 R3S2, R4S2, R5S2는 오히려 보통 콘크리트에 비해 약 3 ~ 15% 높은 접선 탄성계수를 보였다.
- 2) 압축강도의 실험 결과 굵은 골재로서 재생골재의 치환율이 증가할수록 강도가 감소함을 보였으나 잔골재의 대체재로서 급냉 제강슬래그가 일정 체적까지 혼입될 경우, 강도가 증진되는 것을 확인하였다. 또한 급냉 제강슬래그의 혼입율 30%까지 압축강도가 증가되었으며, 40% 이상이 혼입될 경우 강도 저하되었다.
- 배합시 콘크리트의 슬럼프 기준치는 200 ± 15 mm이며, 재생 굵은골재의 치환율이 증가할수록 슬럼프 수치가 감소한 반면, 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 슬럼프 수치는 증가하는 경향을 보였다.
- 1) 재생 굵은골재의 치환율이 증가할수록 슬럼프 수치가 감소한 반면, 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 슬럼프 수치는 증가하는 경향을 보였다. 이와는 반대로 재생 굵은골재의 치환율이 증가할수록 공기량은 증가한 반면, 급냉 재강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 공기량은 감소하였다. 재생 굵은골재의 치환율에 따른 블리딩율은 변화는 거의 없으며, 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 블리딩율이 증가하는 것을 알 수 있다.
- Fig. 3에서 보는 바와 같이 재생 굵은골재의 치환율에 따른 블리딩율은 변화는 거의 없으며, 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 블리딩율이 증가하는 것을 알 수 있다. 제강슬래그의 흡수율이 강모래에 비해 낮고, 제강슬래그의 밀도가 강모래에 비해 상대적으로 높기 때문에 급냉 제강슬래그의 혼입율이 늘어날수록 블리딩율도 그에 비례하여 증가한 것으로 판단되었다.
- 3에서 보는 바와 같이 재생 굵은골재의 치환율에 따른 블리딩율은 변화는 거의 없으며, 급냉 제강슬래그 잔골재의 치환율이 증가할수록 블리딩율이 증가하는 것을 알 수 있다. 제강슬래그의 흡수율이 강모래에 비해 낮고, 제강슬래그의 밀도가 강모래에 비해 상대적으로 높기 때문에 급냉 제강슬래그의 혼입율이 늘어날수록 블리딩율도 그에 비례하여 증가한 것으로 판단되었다.
- 이는 급냉 제강슬래그가 구형 형태의 표면이 매끄러운 유리질 입형이고, 천연골재에 비해 흡수율이 적기 때문에 유동성이 향상된 결과로 판단된다. 최소 슬럼프 수치는 재생 굵은골재의 치환율 50%인 R5 시험체에서 발생하였으며, 최대 슬럼프 수치는 재생 굵은골재 치환율 30%, 급냉 제강슬래그 잔골재 치환율 50%인 R3S5시험체에서 발생하였다. 슬럼프 수치는 204 mm ~ 240 mm의 범위를 보였다.
- 4) 인장강도의 실험결과 급냉 제강슬래그의 혼입에 따라 인장강도가 증가되는 현상을 보였다. 콘크리트의 인장강도는 압축강도 대비 약 12~14%였으며, R3S와 R5S 계열에서는 급냉 제강슬래그가 30%이상 혼입되는 시점부터 인장강도의 저하가 발생하였고, R4S series는 급냉 제강슬래그가 40%이상 혼입되는 시점부터 인장강도의 저하가 발생하였다.
후속연구
- 8) 이는 재생 굵은 골재를 30%이상 적용할 경우 발생되는 기초물성 변화에 대한 사례부족에 기인하는 것이며, 급냉 제강슬래그 잔골재와 재생 굵은 골재와의 혼입이 물성변화에 미치는 영향을 알아볼 필요가 있다. 본 연구에서는 재생골재의 치환율을 굵은골재 체적의 30%, 40%, 50%로 설정하였으며, 잔골재로서 급냉 제강슬래그의 치환율은 잔골재 체적의 10%부터 50%까지 10%씩 증가시켰다.
- 즉 R3S 계열의 경우 제강슬래그 잔골재 혼입을 20%까지 증가시켰을 때, 보통강도 콘크리트 대비 압축강도는 약 93%의 수준임을 알 수 있다. 강도의 증가는 급냉 제강슬래그의 비중, 입형 및 흡수율과 연관된 것으로 판단되나, 급냉 제강슬래그의 치환율 40% 이상부터 발생하는 강도저하 현상은 그 원인에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되었다.
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