산업부산물 구형골재를 사용한 폴리에스테르 폴리머 콘크리트의 특성(III) (아토마이징 제강슬래그를 충전재와 잔골재로 사용) Characteristics of Polyester Polymer Concretes Using Spherical Aggregates from Industrial By-Products (III) (Using an Atomizing Steel Slag as a Filler and Fine Aggregate)원문보기
폴리머 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비하여 가격이 8~10배 비싼 것으로 알려져 있다. 그러므로 폴리머 콘크리트 제품 생산에 있어서 생산비의 대부분을 차지하는 폴리머 결합재의 사용량을 절감하는 것이 매우 중요하다. 폴리머 결합재의 절감기술을 개발하기 위하여 철강 산업에서 발생되는 제강 산화공정 슬래그와 환원공정 슬래그를 사용하여 아토마이징 공법으로 표면이 매끄러운 구형의 골재를 제조하였다. 폴리머 콘크리트 제조에 일반적으로 사용되는 탄산칼슘(충전재)과 강모래(잔골재) 대신 구형의 아토마이징 산화공정 슬래그와 환원공정 슬래그를 사용하면 최밀 충전효과와 볼베어링 효과로 작업성이 향상되어 폴리머 결합재의 절감효과를 기대할 수 있다. 폴리머 콘크리트 복합재료의 물성을 조사하기 위하여 폴리머 결합재의 첨가율과 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율에 따라 다양한 배합의 폴리머 콘크리트 공시체를 제조하였다. 시험결과, 아토마이징제강 슬래그의 대체율이 증가됨에 따라 공시체의 압축강도는 증가되었으나 휨강도는 폴리머 결합재의 첨가율에 따라 최대값이 다르게 나타났다. 내열수성시험에서 압축강도, 휨강도, 밀도 및 세공의 평균직경은 감소되었으나 총세공량과 공극률은 증가되었다. 탄산칼슘과 강모래대신 구형의 아토마이징 제강 산화슬래그와 아토마이징 제강 환원슬래그를 사용하여 만든 폴리머 콘크리트는 작업성이 현저히 개선되어 종래의 제품보다 폴리머 결합재의 사용량을 19.0% 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
폴리머 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비하여 가격이 8~10배 비싼 것으로 알려져 있다. 그러므로 폴리머 콘크리트 제품 생산에 있어서 생산비의 대부분을 차지하는 폴리머 결합재의 사용량을 절감하는 것이 매우 중요하다. 폴리머 결합재의 절감기술을 개발하기 위하여 철강 산업에서 발생되는 제강 산화공정 슬래그와 환원공정 슬래그를 사용하여 아토마이징 공법으로 표면이 매끄러운 구형의 골재를 제조하였다. 폴리머 콘크리트 제조에 일반적으로 사용되는 탄산칼슘(충전재)과 강모래(잔골재) 대신 구형의 아토마이징 산화공정 슬래그와 환원공정 슬래그를 사용하면 최밀 충전효과와 볼베어링 효과로 작업성이 향상되어 폴리머 결합재의 절감효과를 기대할 수 있다. 폴리머 콘크리트 복합재료의 물성을 조사하기 위하여 폴리머 결합재의 첨가율과 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율에 따라 다양한 배합의 폴리머 콘크리트 공시체를 제조하였다. 시험결과, 아토마이징제강 슬래그의 대체율이 증가됨에 따라 공시체의 압축강도는 증가되었으나 휨강도는 폴리머 결합재의 첨가율에 따라 최대값이 다르게 나타났다. 내열수성시험에서 압축강도, 휨강도, 밀도 및 세공의 평균직경은 감소되었으나 총세공량과 공극률은 증가되었다. 탄산칼슘과 강모래대신 구형의 아토마이징 제강 산화슬래그와 아토마이징 제강 환원슬래그를 사용하여 만든 폴리머 콘크리트는 작업성이 현저히 개선되어 종래의 제품보다 폴리머 결합재의 사용량을 19.0% 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
It is known that polymer concretes are 8~10 times more expensive than ordinary Portland cement concretes; therefore, in the production of polymer concrete products, it is very important to reduce the amount of polymer binders used because this occupies the most of the production cost of polymer conc...
It is known that polymer concretes are 8~10 times more expensive than ordinary Portland cement concretes; therefore, in the production of polymer concrete products, it is very important to reduce the amount of polymer binders used because this occupies the most of the production cost of polymer concretes. In order to develop a technology for the reduction of polymer binders, smooth and spherical aggregates were prepared by the atomizing technology using the oxidation process steel slag (electric arc furnace slag, EAFS) and the reduction process steel slag (ladle furnace slag, LFS) generated by steel industries. A reduction in the amount of polymer binders used was expected because of an improvement in the workability of polymer concretes as a result of the ball-bearing effect and maximum filling effect in case the polymer concrete was prepared using the smooth and spherical atomized steel slag instead of the calcium carbonate (filler) and river sand (fine aggregate) that were generally used in polymer concretes. To investigate physical properties of the polymer concrete, specimens of the polymer concrete were prepared with various proportions of polymer binder and replacement ratios of the atomized reduction process steel slag. The results showed that the compressive strengths of the specimens increased gradually along with the higher replacement ratios of the atomized steel slag, but the flexural strength showed a different maximum strength depending on the addition ratio of polymer binders. In the hot water resistance test, the compressive strength, flexural strength, bulk density, and average pore diameter decreased; but the total pore volume and porosity increased. It was found that the polymer concrete developed in this study was able to have a 19% reduction in the amount of polymer binders compared with that of the conventional product because of the remarkable improvement in the workability of polymer concretes using the spherical atomized oxidation steel slag and atomized reduction steel slag instead of the calcium carbonate and river sand.
It is known that polymer concretes are 8~10 times more expensive than ordinary Portland cement concretes; therefore, in the production of polymer concrete products, it is very important to reduce the amount of polymer binders used because this occupies the most of the production cost of polymer concretes. In order to develop a technology for the reduction of polymer binders, smooth and spherical aggregates were prepared by the atomizing technology using the oxidation process steel slag (electric arc furnace slag, EAFS) and the reduction process steel slag (ladle furnace slag, LFS) generated by steel industries. A reduction in the amount of polymer binders used was expected because of an improvement in the workability of polymer concretes as a result of the ball-bearing effect and maximum filling effect in case the polymer concrete was prepared using the smooth and spherical atomized steel slag instead of the calcium carbonate (filler) and river sand (fine aggregate) that were generally used in polymer concretes. To investigate physical properties of the polymer concrete, specimens of the polymer concrete were prepared with various proportions of polymer binder and replacement ratios of the atomized reduction process steel slag. The results showed that the compressive strengths of the specimens increased gradually along with the higher replacement ratios of the atomized steel slag, but the flexural strength showed a different maximum strength depending on the addition ratio of polymer binders. In the hot water resistance test, the compressive strength, flexural strength, bulk density, and average pore diameter decreased; but the total pore volume and porosity increased. It was found that the polymer concrete developed in this study was able to have a 19% reduction in the amount of polymer binders compared with that of the conventional product because of the remarkable improvement in the workability of polymer concretes using the spherical atomized oxidation steel slag and atomized reduction steel slag instead of the calcium carbonate and river sand.
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문제 정의
본 연구에서는 구형의 아토마이징 제강 산화 및 환원슬래그를 폴리머 콘크리트의 충전재인 탄산칼슘과 강모래(잔골재)대신 대체 사용하여 폴리머 콘크리트의 생산원가에 가장 큰 영향을 미치는 폴리머 결합재의 사용량을 절감하고자 하였다. 따라서 폴리머 결합재의 사용량과 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체량을 변화시켜 다양한 공시체를 제조하고 공시체의 압축 및 휨강도, 내열수성시험에 의한 강도변화, 내열수성시험 전과 후의 세공량, 세공경, 공극률, 밀도변화 및 SEM을 이용한 미세조직을 조사하여 그 결과를 보고하고자 하였다.
본 연구에서는 구형의 아토마이징 제강 산화 및 환원슬래그를 폴리머 콘크리트의 충전재인 탄산칼슘과 강모래(잔골재)대신 대체 사용하여 폴리머 콘크리트의 생산원가에 가장 큰 영향을 미치는 폴리머 결합재의 사용량을 절감하고자 하였다. 따라서 폴리머 결합재의 사용량과 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체량을 변화시켜 다양한 공시체를 제조하고 공시체의 압축 및 휨강도, 내열수성시험에 의한 강도변화, 내열수성시험 전과 후의 세공량, 세공경, 공극률, 밀도변화 및 SEM을 이용한 미세조직을 조사하여 그 결과를 보고하고자 하였다.
제안 방법
Figure 5의 (a), (b), (c) 및 (d)에 폴리머 결합재를 8.5% 사용하고, 강모래(잔골재)를 아토마이징 제강 환원슬래그로 대체하여 제조한 공시체에 대하여 내열수성시험 전과 후에 측정한 총세공량, 세공의 평균직경, 공극률 및 밀도의 변화를 각각 비교하여 나타내었다.
90 ℃의 열수에 28일간 내열수성시험을 행한 후 압축강도, 휨강도, 총세공량, 세공의 평균직경, 공극률 및 밀도를 측정하여 시험 전의 강도와 비교⋅검토하였다.
0%), 탄산칼슘 충전재 대신 사용하는 아토마이징 제강 산화슬래그는 탄산칼슘과 동일한 부피가 되도록 첨가하며 또한 강모래(잔골재) 대신 사용하는 아토마이징 제강 환원슬래그 역시 강모래와 동일한 부피가 되도록 조정하고 그 대체율은 5단계(0, 25, 50, 75, 100%)로 배합설계하였다. 굵은 골재의 첨가량은 4단계(51.0, 51.5, 52.0, 52.5%)로 변화시켜 총 20종의 배합에 대하여 공시체를 제조하였다.
폴리머 콘크리트 복합재료의 특성을 조사하기 위한 공시체의 배합 설계를 Table 4에 나타내었다. 배합설계 표에서 보는 바와 같이 폴리머 결합재의 첨가량은 4단계(7.5, 8.0, 8.5, 9.0%), 탄산칼슘 충전재 대신 사용하는 아토마이징 제강 산화슬래그는 탄산칼슘과 동일한 부피가 되도록 첨가하며 또한 강모래(잔골재) 대신 사용하는 아토마이징 제강 환원슬래그 역시 강모래와 동일한 부피가 되도록 조정하고 그 대체율은 5단계(0, 25, 50, 75, 100%)로 배합설계하였다. 굵은 골재의 첨가량은 4단계(51.
시편을 아세톤으로 세정하고, 건조시킨 다음 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 시편의 미세조직을 관찰하였다.
입경 2.5∼5 mm 범위의 시료를 채취하여 아세톤으로 세정하고 48 h 건조시켜 수은 압입법으로 세공을 측정하였다.
폴리머 콘크리트의 생산원가를 절감하기 위하여 아토마이징 공정을 통하여 생산된 제강 산화공정 슬래그와 제강 환원공정 슬래그를 폴리머 콘크리트의 충전재와 잔골재로 대체 사용하여 제조한 폴리머 콘크리트의 특성에 대하여 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
폴리머 콘크리트 복합재료 제조에 사용한 불포화폴리에스테르수지는 다가산으로 무수프탈산과 무수말레산을 사용하였고, 다가알콜로 에틸렌글리콜과 프로필렌글리콜을 사용하여 합성하였다. 4-tert-butylcatechol을 중합금지제로, 스티렌을 가교제로 사용하였다. 수축저감재는 국내 K사에서 생산되는 폴리스티렌계 제품을 사용하였다.
수축저감재는 국내 K사에서 생산되는 폴리스티렌계 제품을 사용하였다. 경화 제(촉매)로 Methyl ethyl ketone peroxide(MEKPO), 촉진제로 Cobalt octoate(CoOc)를 사용하였다. 충전재는 탄산칼슘대신 평균입경 30 µm의 아토마이징 제강 산화슬래그(전기로 산화공정 슬래그)를 사용하였으며, 잔골재는 강모래대신 0.
굵은 골재는 5∼8 mm 범위의 깬자갈을 사용하였다.
4-tert-butylcatechol을 중합금지제로, 스티렌을 가교제로 사용하였다. 수축저감재는 국내 K사에서 생산되는 폴리스티렌계 제품을 사용하였다. 경화 제(촉매)로 Methyl ethyl ketone peroxide(MEKPO), 촉진제로 Cobalt octoate(CoOc)를 사용하였다.
시험에 사용한 폴리머 콘크리트의 공시체는 25 ± 2 ℃에서 14일간 양생한 후에 사용하였다.
충전재는 탄산칼슘대신 평균입경 30 µm의 아토마이징 제강 산화슬래그(전기로 산화공정 슬래그)를 사용하였으며, 잔골재는 강모래대신 0.3∼1.2 mm 범위의 아토마이징 제강 환원슬래그(래들로 환원공정 슬래그)로 대체하여 사용하였다.
폴리머 콘크리트 복합재료 제조에 사용한 불포화폴리에스테르수지는 다가산으로 무수프탈산과 무수말레산을 사용하였고, 다가알콜로 에틸렌글리콜과 프로필렌글리콜을 사용하여 합성하였다. 4-tert-butylcatechol을 중합금지제로, 스티렌을 가교제로 사용하였다.
이론/모형
KS F 2481 및 2482에 의하여 압축 및 휨강도시험을 수행하였다.
성능/효과
1) 폴리머 콘크리트의 압축강도는 폴리머 결합재의 첨가율과 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율이 증가됨에 따라 증가되었으나 폴리머 결합재 첨가율 9.0% 공시체는 유동성의 급격한 증가로 재료분리 현상이 나타나 오히려 감소되었다. 최대 휨강도가 나타나는 최적의 아토마이징 제강 환원슬래그 대체율은 폴리머 결합재의 첨가율에 따라 다르게 나타났다.
2) 내열수성시험에 의한 압축 및 휨강도의 감소율은 고강도 공시체 일수록 크게 나타났으며, 압축 및 휨강도의 감소율은 35∼50% 및 74∼82%로 각각 나타나 내열수성시험에 의한 강도감소율은 압축강도보다 휨강도에서 더 크게 나타났다.
3) 내열수성시험 후에 측정한 총세공량과 공극률은 내열수성시험 전에 측정한 값에 비하여 현저히 증가되었으나 세공의 평균직경과 밀도는 감소되었다. 내열수성시험 후에 관찰한 조직사진에서 폴리머 결합재와 아토마이징 제강 환원슬래그의 접착계면에서 균열이 발생되었다.
4) 아토마이징 제강 산화슬래그 미분말과 아토마이징 제강 환원슬래그 잔골재를 사용하여 제조한 폴리머 콘크리트는 기계적 강도가 매우 우수하였고, 작업성의 향상으로 값비싼 폴리머 결합재의 사용량을 약 19.0% 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
보통의 폴리머 콘크리트는 충분한 작업성을 확보하기 위해서 폴리머 결합재를 12∼13% 사용하는 것으로 알려져 있으나 본 실험에서와 같이 구형의 아토마이징 제강슬래그를 사용하면 값비싼 폴리머 결합재의 사용량을 현저하게 절감할 수 있는 것으로 나타나 바람직한 결과로 판단된다.
이와 같이 통상적으로 적용하는 폴리머 결합재의 사용량보다 훨씬 적은 량의 폴리머 결합재를 사용하여도 쉽게 최대강도에 도달되는 것은 구형의 아토마이징 제강 산화슬래그 미분말을 탄산칼슘 충전재 대신 사용하였고 또 잔골재도 아토마이징 제강 환원슬래그로 점차 대체율을 증가시킴으로서 적은 양의 폴리머 결합재를 사용하여도 쉽게 유동성이 확보되어 치밀한 공시체가 만들어지기 때문에 나타나는 결과로 판단된다. 산업부산물로 얻을 수 있는 구형의 아토마이징 제강슬래그를 사용함으로서 값비싼 폴리머 결합재의 사용량을 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
내열수성시험에 의하여 밀도가 감소되는 것으로 나타나고 있다. 이러한 결과는 내열수성시험에 의하여 폴리머 결합재가 열화 또는 분해되어 공극률이 증가되었고 또 폴리머 결합재와 제강 환원슬래그의 계면이 단리 되어 부피가 팽창됨으로서 나타나는 결과로 판단된다.
0% 공시체는 유동성의 급격한 증가로 재료분리 현상이 나타나 오히려 감소되었다. 최대 휨강도가 나타나는 최적의 아토마이징 제강 환원슬래그 대체율은 폴리머 결합재의 첨가율에 따라 다르게 나타났다.
0% 공시체의 휨강도는 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율 75%까지 현저하게 향상되지만 75% 이상에서는 오히려 휨강도가 감소되고 있다. 폴리머 결합재 7.5, 8.0% 공시체의 휨강도는 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율 75%에서 최대강도 나타났고, 폴리머 결합재 8.5, 9.0%의 공시체는 아토마이징 제강 환원슬래그의 대체율 50%에서 최대강도가 나타났다. 이와 같이 통상적으로 적용하는 폴리머 결합재의 사용량보다 훨씬 적은 량의 폴리머 결합재를 사용하여도 쉽게 최대강도에 도달되는 것은 구형의 아토마이징 제강 산화슬래그 미분말을 탄산칼슘 충전재 대신 사용하였고 또 잔골재도 아토마이징 제강 환원슬래그로 점차 대체율을 증가시킴으로서 적은 양의 폴리머 결합재를 사용하여도 쉽게 유동성이 확보되어 치밀한 공시체가 만들어지기 때문에 나타나는 결과로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Iso-type와 대비되는 Ortho-type 불포화폴리에스테르수지의 특징은?
불포화폴리에스테르수지는 사용하는 디카르복실산의 원료에 따라 Ortho-type, Iso-type 및 Tere-type 불포화폴리에스테르수지가 개발되어 사용되고 있다. 생산원가 면에서 Ortho-type 불포화폴리에스테르수지가 Iso-type 및 Tere-type 불포화폴리에스테르수지에 비하여 저렴하나 성능 면에서는 떨어지는 것으로 알려져 있다[8]. 선진국에서는 Iso-type 불포화폴리에스테르수지가 일반적으로 사용되고 있으나 우리나라에서는 경제성을 중시하여 Ortho-type 불포화폴리에스테르수지가 폴리머 콘크리트의 제조에 많이 사용되고 있다.
아토마이징 공법이란?
이러한 제조방법에서 폴리머 결합재의 사용량은 작업성을 유지하기 위해서 대략 12∼13 wt%를 사용하고 있으나[8] 제품에서 차지하는 재료원가는 85%정도 차지하고 있기[13] 때문에 폴리머 콘크리트의 가격 경쟁력을 제고시키기 위해서 폴리머 결합재의 사용량을 절감할 수 있는 기술개발이 필요하다[1,8]. 폴리머 결합재의 사용량을 절감하기 위한 수단으로 구형의 형상으로 되어 있는 플라이애쉬를 충전재로 사용하거나 철강 제조공정에서 발생되고 있는 제강 산화슬래그를 아토마이징 공법(용융상태의 제강슬래그를 자유 낙하키면서 고압의 압축공기를 분사하여 구형골재를 제조하는 기술)으로 생산한 구형의 제강슬래그를 잔골재로 사용한 연구논문이 종종 보고되고 있다[13-16]. 그러나 폴리머 결합재를 절감하기 위하여 래들로의 환원공정에서 생산되는 아토마이징 제강 환원슬래그를 폴리머 콘크리트에 사용한 사례는 찾아보기 어렵다.
포틀랜드 시멘트 콘크리트와 비교되는 폴리머 콘크리트의 특징은?
폴리머 콘크리트는 시멘트 콘크리트에 비하여 압축강도, 휨강도 및 인장강도와 같은 기계적 강도가 우수하고 내산성과 내구성능이 우수하여 선진국을 중심으로 산업현장에서 기능성 제품으로 널리 사용되고 있다[1-7]. 폴리머 콘크리트가 시멘트 콘크리트에 비하여 동일한 단위부피당 생산가격이 8∼10배 비싸지만 보수공사가 어려운 구조물이나 화학물질에 쉽게 노출되는 구조물, 화학약품 공장의 바닥재, 하수로관 및 통신맨홀과 같은 프리캐스트 제품으로 사용하면 보수유지에 필요한 경비를 대폭 절감할 수 있기 때문에 경제성 면에서 유리한 것으로 알려져 있다[4,8].
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