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문제 정의
- Series Ⅱ의 실험은 Series Ⅰ의 실험 결과에서 KS F4004중 C종 2급 벽돌의 흡수율 규정을 만족시키지 못하는 문제를 해결하기 위하여, 흡수율이 높은 RA 대신 CA를 치환하고, 아울러 벽돌 조직 내부에 비누화 생성에 의한 흡수율 감소를 목적으로 EWO를 복합 치환하는 것에 대하여 검토하였다.
- 그러므로, 본 연구에서는 BS 및 RA 사용 무 시멘트 벽돌의 실무 적용을 위하여 일련의 연구를 진행하였는데, 즉, RA 사용 BS 벽돌의 기초적인 특성 및 RA의 불안정한 품질로 인한 흡수율 저감 방안을 실험실 Mock-up test 및 실제 공장 적용에 대하여 검토함으로써, 효율적인 자원순환형 무 시멘트 벽돌을 제조하고자 한다.
- 따라서, 이상의 문제점들을 상호보완적으로 해결하고자 자원순환적인 관점에서 새로운 연구를 실시하였다. 즉, RA에서 용출되는 알칼리 자원으로, BS의 잠재수경성 반응을 자극시켜주는 알칼리 액티베이션으로 시멘트 없이 모르타르 상태에서 양호한 강도발현성을 확인한 바 있다[7].
- 본 연구에서는 BS 및 RA 사용한 자원순환형 무 시멘트 벽돌의 제조 공법 개발을 위하여 실험실 Mock-up Test 부터 공장 적용에 이르기까지 일련의 과정을 종합적으로 검토하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 실험 변수는 Series Ⅰ은 W/B 변수로써 W/B 25, 30, 35, 40, 45 %인 5수준으로 계획하였다. 또한, Series Ⅱ는 W/B를 35%로 고정하였고, CA 치환율을 0, 10, 20, 30, 40%인 5수준에 EWO 치환율 0, 1, 2, 3%인 4수준으로 복합 치환하여 20 수준으로 계획, 총 25 배치를 실험 계획하였다.
- 먼저, Series Ⅰ 및 Ⅱ의 벽돌 제조용 모르타르 배합비는 실무 공장의 벽돌 제조 배합비를 고려하여 1:10으로 동일하게 계획하였다. 실험 변수는 Series Ⅰ은 W/B 변수로써 W/B 25, 30, 35, 40, 45 %인 5수준으로 계획하였다.
- 벽돌 제조는 실무를 고려하여 모든 수준에서 증기양생을 수행하였으며, 벽돌 품질시험은 압축강도 및 흡수율을 측정하는 것으로 하였다.
- 먼저, Series Ⅰ 및 Ⅱ의 벽돌 제조용 모르타르 배합비는 실무 공장의 벽돌 제조 배합비를 고려하여 1:10으로 동일하게 계획하였다. 실험 변수는 Series Ⅰ은 W/B 변수로써 W/B 25, 30, 35, 40, 45 %인 5수준으로 계획하였다. 또한, Series Ⅱ는 W/B를 35%로 고정하였고, CA 치환율을 0, 10, 20, 30, 40%인 5수준에 EWO 치환율 0, 1, 2, 3%인 4수준으로 복합 치환하여 20 수준으로 계획, 총 25 배치를 실험 계획하였다.
- 실험실 벽돌제조 방법으로는 벽돌 제조용 모르타르를 유압식으로 특수 제작한 벽돌 성형 기계에 채워 넣은 후 KS F 4004 기본 벽돌의 목표 치수 190×57×90 mm(허용오차 ±2mm)에 만족하도록 가압 성형을 실시하여 [Figure 4]와 같이 제조하였다.
- 본 연구의 실험은 크게 2개의 시리즈로 구분하여 [Table 1]과 같이 계획하였다. 즉, RA와 BS를 사용한 벽돌의 기초적 특성을 검토하기 위한 Series Ⅰ(W/B 변화)과 흡수율 저감 목적을 위한 Series Ⅱ{부순 잔골재(CA)+유화처리 폐식용유(EWO)}로 나누어 계획하였다. 모르타르 배합사항으로 Series Ⅰ은 [Table 2], Series Ⅱ는 [Table 3]과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 재료로써 BS는 국내 A사 3종을 사용하였으며, 그 물리·화학적 성질은 [Table 4]와 같다. RA는 국내 D사에서 건식으로 생산한 골재를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 [Table 5]와 같으며, 입도분포는 [Figure 2]와 같다.
- 공장 적용 실험은 충북 청원군 소재 ○ ○기업에서 실시하였는데, 진동 가압식 벽돌 제조 플랜트 및 최대온도 50℃의 증기 양생실이 구비되어 있으며, 1일 평균 벽돌 생산량은 약 10만장 규모이다.
- 또한, RA 사용 BS 벽돌의 흡수율 저감을 위하여 사용된 CA는 충북 청원군 옥산산 골재를 사용하였는데, 그 물리적 성질 및 입도분포는 [Table 6] 및 [Figure 2]와 같다.
- 본 연구에 사용한 재료로써 BS는 국내 A사 3종을 사용하였으며, 그 물리·화학적 성질은 [Table 4]와 같다.
이론/모형
- 벽돌의 증기양생은 KS F 4004 양생온도 규정에 의거하여 [Figure 5]와 같이 실시하였으며, 압축강도 및 흡수율 또한 KS F 4004 품질시험 규정에 의거하여 [Figure 6]과 같이 실시하였다.
- 본 연구에서 벽돌 제조용 모르타르의 혼합은 KS L 5109에 의거, 전동식 혼합 믹서를 사용하여 혼합하였다.
성능/효과
- 1) W/B 변화에 따른 압축강도는 W/B 35%에서 최고강도값을 보였고, 그 이상 및 이하에서는 저하하는 경향을 나타내었다. 흡수율은 압축강도와 반대의 경향으로 W/B 35%에서 가장 낮은 흡수율을 나타내었으나, 단, RA의 높은 흡수율에 기인하여 KS F 4004중 C종 2급 벽돌의 흡수율 규정치는 만족하지 못하였다.
- 2) CA 및 EWO 복합 치환에 따른 재령 3일 압축강도의경우, CA 20%에서 최고 강도치를 보인 후, 그 이후에서는 다시 저하하는 경향으로 나타났고, EWO 첨가율이 증가할 수록 CA 20%까지는 EWO 1%에서 최고 강도치를 보였으나, 그 이상에서는 EWO 첨가 율이 증가할수록 저하하는 경향을 나타내었다.
- 3) CA 및 EWO 복합 치환에 따른 재령 7일 압축강도는 재령 3일과 달리 CA 치환율 및 EWO 첨가율이 증가할수록 저하하는 경향을 나타내었는데, CA 20% 및 EWO 1%에서는 강도감소율이 5% 이내이었다.
- 4) 흡수율은 CA 치환율 및 EWO 첨가율이 증가할수록 점차 저하하는 경향이 나타났는데, 압축강도 저하와 흡수율 저감 효과를 복합적으로 고려한다면 CA 20%와 EWO 1%를 복합 치환할 때, KS 품질 규정에 만족하는 최적의 비율로 도출되었다.
- 5) 공장 적용 결과, 7일 간격 5회 시험의 평균 압축강도는 12MPa, 평균 흡수율은 8.4%로 나타나 Mockup test 결과보다는 작은 강도 및 흡수율 값이지만, KS 규격의 규정치는 모두 안정적으로 만족하게 나타났다. 또한, 일반 시멘트 벽돌에 비해 RA와 BS를 사용한 무 시멘트 벽돌은 1,000매 제조 시 약 5%의 원가절감 효과를 확인하였다.
- 각 수량 및 단가에 따른 벽돌 제작 총 금액을 산출한 결과, 일반 시멘트 벽돌은 165,328원인 것으로 나타났으나, 본제품의 경우는 158,086원으로 나타나, 벽돌 1,000매 제조 시 7,242원으로 약 5%의 원가절감 효과가 있는 것이 확인되었다.
- 전반적으로 보통 포틀랜드 시멘트(이하 OPC)를 사용한 일반 콘크리트의 경우는 급격한 강도증진 경향을 나타낸 반면, BS와 RA를 사용한 무 시멘트 모르타르인 경우는 비교적 완만한 경향을 나타내었다. 결국, B/W와 압축 강도간의 추정 회귀선을 바탕으로 각 규준별 최적 B/W를 도출한 결과, 2차 제품 중에서도 약 15~25MPa의 일반 강도값을 필요로 하는 규준은 BS와 RA를 사용할 경우 B/W 2.0~4.5인 부배합 영역에서 가능하나, OPC와 천연잔골재(이하 NA)를 사용한 경우는 B/W 1.3~2.0에서도 가능하므로 활용성이 저하하는 비경제적인 배합인 것으로 사료된다.
- 이는 EWO 첨가량이 증가할수록 과다 유지류 성분이 수화반응의 저해 요소가 됨에 기인 하여 강도가 저하하는 것으로 분석된다[10]. 그러나, EWO 1%까지는 소량의 투입량으로 인해 강도가 크게 저하하지 않았고, 오히려 CA 0~20%에서는 모르타르의 점성 증대에 기인하여 약 5% 내외로 미소하게 증가하는 것이 확인되었다.
- 그러나, 약 8~15MPa의 저강도값을 필요로 하는 경우는 OPC와 NA를 사용하였을 때, B/W 1.0 전후에서 유효성을 보인 반면, BS와 RA를 사용한 경우는 B/W 0.5 전후에서 유효성을 보이는 것으로 나타나, 빈배합 영역일수록 BS와 RA를 사용할 경우에서 경제적 배합인 것으로 확인되었다.
- 따라서, BS와 RA를 사용할 경우는 KS에 규정되어진 2차 제품 중에서 검토한다면, KS F 4004의 C종 2급 벽돌이 가장 효과적인 것으로 밝혀졌다.
- 또한, EWO 첨가율 변화에 따른 압축강도의 경우는 EWO 첨가율이 증가할수록 CA 20%까지는 EWO 1%에서 최고 강도치를 보인 후, CA 30% 이상에서는 첨가율이 증가할수록 다시 저하하는 경향을 나타내었다. 이는 EWO 첨가량이 증가할수록 과다 유지류 성분이 수화반응의 저해 요소가 됨에 기인 하여 강도가 저하하는 것으로 분석된다[10].
- 4%로 나타나 Mockup test 결과보다는 작은 강도 및 흡수율 값이지만, KS 규격의 규정치는 모두 안정적으로 만족하게 나타났다. 또한, 일반 시멘트 벽돌에 비해 RA와 BS를 사용한 무 시멘트 벽돌은 1,000매 제조 시 약 5%의 원가절감 효과를 확인하였다.
- 먼저, 압축강도의 경우 3일 및 7일 재령에서 W/B 35%까지는 W/B가 커질수록 증가하는 경향을 보였으나, 35%이후에서는 다시 저하하는 것으로 나타났다. 이는 모르타르질기에 따른 충전 정도가 건식 벽돌의 성형성에 영향을 미친 것으로써, 일반적인 습식 콘크리트의 강도 발현이 W/B가 작아질수록 증가하는 경향과는 색다른 특성으로, 본 연구와 같은 빈배합·된비빔의 벽돌 제조 영역에서는 최적의 질기를 확보해주어야만 강도를 향상시킬 수 있는데, W/B는 35%가 최적의 배합비인 것으로 분석되었다.
- 먼저, [Figure 8]은 CA 치환율 및 EWO 첨가율 변화에 따른 압축강도 및 강도발현율을 재령 3일에서 나타낸 그래프이다. 모든 수준에서 C종 2급 벽돌 강도 규정치인 8MPa은 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
- [Figure 11]은 공장적용 시 벽돌제조공정을 나타낸 것이고, [Figure 12]는 7일 간격 5회의 공인기관 시험 성적서로 벽돌제품의 압축강도 및 흡수율을 나타낸 그래프이다. 본 기술로 생산된 최종 벽돌 제품은 평균 압축강도 12MPa, 평균 흡수율 8.4%로 나타나 실험실 Mock-up test보다 압축강도 및 흡수율이 약간 낮기는 하지만, KS F 4004 : C종 2급 벽돌 품질 규격의 규정치를 충분히 만족하는 것이 확인되었다.
- 세부적으로, CA 치환율 변화에 따른 압축강도는 CA 20%까지는 치환율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였으나, CA 20% 이후에서는 다시 저하하는 경향으로 나타났다. 이는 벽돌 제조의 골재에 사용되어진 RA와 CA간의 적정 혼합량에 기인한 것으로써, CA가 치환될수록 적정 입도분포를 이룩함과 동시에 상대적으로 저급 골재인 RA가 감소하므로 초기 강도 발현성에 있어 유리한 효과를 보인 것으로 사료되나, CA 20% 이후로는 BS의 잠재수경성 반응을 자극할 수 있는 알칼리량이 감소하므로 인해 강도가 점차 저하하는 것으로 분석된다.
- 이는 모르타르질기에 따른 충전 정도가 건식 벽돌의 성형성에 영향을 미친 것으로써, 일반적인 습식 콘크리트의 강도 발현이 W/B가 작아질수록 증가하는 경향과는 색다른 특성으로, 본 연구와 같은 빈배합·된비빔의 벽돌 제조 영역에서는 최적의 질기를 확보해주어야만 강도를 향상시킬 수 있는데, W/B는 35%가 최적의 배합비인 것으로 분석되었다.
- 세부적으로, CA 치환율 변화에 따른 압축강도는 CA 20%까지는 치환율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였으나, CA 20% 이후에서는 다시 저하하는 경향으로 나타났다. 이는 벽돌 제조의 골재에 사용되어진 RA와 CA간의 적정 혼합량에 기인한 것으로써, CA가 치환될수록 적정 입도분포를 이룩함과 동시에 상대적으로 저급 골재인 RA가 감소하므로 초기 강도 발현성에 있어 유리한 효과를 보인 것으로 사료되나, CA 20% 이후로는 BS의 잠재수경성 반응을 자극할 수 있는 알칼리량이 감소하므로 인해 강도가 점차 저하하는 것으로 분석된다.
- 이상의 결과를 종합하면, CA 및 EWO 치환율 증가에 따른 압축강도 저하와 흡수율 저감 효과를 고려한다면 CA 및 EWO의 단독 치환보다는 CA 20%와 EWO 1%를 복합 사용하는 것이 품질 규정을 안정적으로 만족하는 최적의 치환율인 것으로 분석되었다.
- [Figure 10]은 CA 및 EWO 치환율 변화에 따른 흡수율 및 흡수율 저감율을 나타낸 그래프이다. 전반적으로 CA 및 EWO 치환율이 증가할수록 흡수율은 점차 저하하는 경향이 나타났는데, CA가 30% 이상이거나 EWO가 1% 이상 치환된 경우에서 C종 2급 벽돌의 흡수율 규정치를 만족하는 것이 확인되었다.
- 전반적으로 재령 3일과 달리 재령 7일 압축강도는 CA 치환율이 증가할수록 점차 저하하는 경향을 보였는데, 이는 재령이 경과하여 7일 재령에 이르러서는 CA 적정 혼합에 의한 초기 강도 향상 효과보다는 BS의 잠재수경성 반응을 자극시킬 수 있는 RA의 알칼리 자원 확보가 벽돌의 강도 발현성에 있어서 보다 유효한 효과를 나타낸 것으로 사료된다. 그러나, CA 20%까지는 강도 저하폭이 약 5% 이내로써 크게 저하하지 않았으나, CA 30%에서는 약 10%, CA 40%에서는 약 20%의 감소율을 보이는 것으로 나타났다.
- 즉, W/B 35%에서 가장 양호한 충전성으로 인해 모르타르의 내부 공극을 적절하게 채워줌에 따라 가장 낮은 흡수율을 나타내었으나, 모든 수준에서 골재로 사용된 RA의 높은 흡수율로 인해 10% 이하의 규정치를 만족하지 못하였다.
- 한편, EWO 첨가율 변화에 따른 압축강도 또한 CA와 유사하게 첨가율이 증가할수록 저하하는 경향을 나타내었는데, EWO 1%까지는 약 5% 이내의 감소율을 보임으로써, 크게 저하하지는 않는 것이 확인되었다.
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