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문제 정의
- 본 연구에서는 석분슬러지를 시멘트의 치환재가 아닌 잔골재의 일부로서 그 영향을 평가하고자 하였다. 잔골재용 재료로 석분슬러지를 일부 이용할 경우 석분슬러지 함량에 대한 시공 지침과 규격 제정에 참고가 될 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 하여 석분슬러지의 혼입 및 혼입량을 실험 변수로 하여, 그 물리적 영향을 살펴보고자 하였다.
- 이 연구에서는 산업폐기물인 석분슬러지를 잔골재의 일부로 활용하고자 하는 목적의 실험연구의 일환으로, 잔골재를 대신한 석분슬러지의 치환율에 따른 시멘트 모르타르의 굳지 않은 상태의 특성과 압축강도 및 휨인장강도 변화를 실험적으로 살펴보았고 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 석분슬러지를 시멘트의 치환재가 아닌 잔골재의 일부로서 그 영향을 평가하고자 하였다. 잔골재용 재료로 석분슬러지를 일부 이용할 경우 석분슬러지 함량에 대한 시공 지침과 규격 제정에 참고가 될 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 하여 석분슬러지의 혼입 및 혼입량을 실험 변수로 하여, 그 물리적 영향을 살펴보고자 하였다.
제안 방법
- 레올로지 평가 시험에 사용된 레오미터는 Brookfield DV2T 점도계이며, 레올로지 시험은 0~150rpm 범위에서 각 단계별 10rpm 씩 증가시켜 5초 간격으로 측정하고 또 최대 rpm에 도달 후 다시 10rpm 감소시키면서 측정하는 방법으로 진행하였으며, 그 측정결과에 대해 Bingham 모델(# 관계식) 을 적용한 회귀분석을 통해 항복응력(yield stress, τ0)와 소성점도 (viscosity, μ)를 구하였다.
- 배합 후 석분슬러지를 활용한 시멘트 모르타르의 굳지 않은 상태의 특성을 평가하였으며, 강도 특성을 파악하기 위하여 강도측정용 시험체를 제작하였다.
- 석분슬러지의 혼합 여부 및 치환율에 따른 영향을 살펴보기 위하여 석분슬러지의 치환율을 잔골재 질량의 0, 10, 20, 30%로 적용하여 배합 및 타설을 실시하였다. 배합은 KS L ISO 679(2006)에 따라 시멘트와 잔골재의 비는 1:3을 적용하였다.
- 시험체는 타설 종료 후 24시간 동안 기건 양생 후에 탈형과정을 거쳐 20±3℃의 수조에서 수중 양생되었으며 3, 7, 14, 28일 재령에 압축 및 휨인장강도 평가를 실시하였다.
- 잔골재의 일부를 치환율을 달리하여 석분슬러지로 치환한 배합으로 50x50x50mm 크기의 시험체로 재령 3, 7, 14, 28일에 압축강도를 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 시멘트는 H사의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였고, 잔골재는 주문진 표준사를 사용하였으며 표준체로 체가름시험을 통해 구한 입도분포곡선은 Fig. 3과 같다. 대부분의 입자가 0.
- 5mm 사이 크기를 나타내고 있다. 석분슬러지는 경북지역의 S채석장에서 채취하여 건조 후 사용하였으며 입도분포 곡선은 Fig. 4에서 보는 바와 같다. 미분말의 석분슬러지 입도분포는 입자 크기 분석기(Particle Size Analyzer, PSA)를 이용하여 얻었으며, 그 결과, 석분슬러지 입자의 평균 크기는 62.
- 압축강도 시험체는 KS L 5105(2007)에 따라 50x50x50mm 크기의 정육면체 시험체로 제작하였으며, 휨인장강도 시험체는 의경우 KS L ISO 679(2006)에 규정된 40x40x160mm 크기의 시험체로 제작하였다. 시험체는 타설 종료 후 24시간 동안 기건 양생 후에 탈형과정을 거쳐 20±3℃의 수조에서 수중 양생되었으며 3, 7, 14, 28일 재령에 압축 및 휨인장강도 평가를 실시하였다.
데이터처리
- 10에서는 석분 슬러지 치환율에 따른 재령별 휨인장강도 결과를 나타내었다. 각 재령별 시험결과는 시험체 3개의 강도결과 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 굳지 않은 상태 특성 평가는 KS L 5105(2007)에 따른 플로우 시험과 레오미터를 이용한 레올로지 평가 시험, 그리고 공기량 측정 시험을 실시하였다. 레올로지 평가 시험에 사용된 레오미터는 Brookfield DV2T 점도계이며, 레올로지 시험은 0~150rpm 범위에서 각 단계별 10rpm 씩 증가시켜 5초 간격으로 측정하고 또 최대 rpm에 도달 후 다시 10rpm 감소시키면서 측정하는 방법으로 진행하였으며, 그 측정결과에 대해 Bingham 모델(# 관계식) 을 적용한 회귀분석을 통해 항복응력(yield stress, τ0)와 소성점도 (viscosity, μ)를 구하였다.
- 석분슬러지의 혼합 여부 및 치환율에 따른 영향을 살펴보기 위하여 석분슬러지의 치환율을 잔골재 질량의 0, 10, 20, 30%로 적용하여 배합 및 타설을 실시하였다. 배합은 KS L ISO 679(2006)에 따라 시멘트와 잔골재의 비는 1:3을 적용하였다. 물-시멘트비는 석분슬러지 치환에 따라 예상되는 유동성 저하 현상을 정확히 파악하고 작업성 불량으로 인한 강도의 변화가 발생하지 않도록 하기 위하여 규정된 0.
성능/효과
- 1. 석분슬러지를 잔골재 치환재로 활용한 굳지 않은 모르타르의 공기량 변화는 석분슬러지의 치환율이 증가할수록 공기량이 감소하는 것으로 나타났으며 이는 4.75mm이하의 잔골재 보다 입 도가 작은 석분슬러지가 잔골재 사이의 공극을 채워 공기량이 감소한 것으로 판단된다.
- 압축강도의 실험결과, 잔골재의 일부분을 석분슬러지로 대체한 경우는 치환율 0~30% 범위 내에서는 치환율에 따른 강도 변화가 크지 않은 것으로 나타났다. 10%, 20%, 30%의 결과는 압축강도가 모두 증가하였고 이로 인해 석분슬러지를 혼입한 경우에 강도발현에는 문제가 없는 것으로 판단된다. 초기재령에서는 석분슬러지 치환에 따른 강도증진 효과를 볼 수 있었던 반면에 28일 재령에서는 오히려 강도가 약간 저하되는 경향을 나타내었다.
- 2. 플로우 실험결과에서도 잔골재에 대한 석분슬러지의 치환율이 증가함에 따라 플로우 값이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 골재의 입자가 작을수록 단위수량의 흡수량이 증가하는데 잔골재보다 입도가 작은 석분슬러지의 치환량이 증가할수록 골재에 흡수되는 단위수량이 증가하였기 때문이다.
- 3. 석분슬러지를 활용한 모르타르의 레올로지 특성에서는 항복응력과 소성점도가 석분슬러지의 치환율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 항복응력은 10% 치환율까지는 미소한 증가를 보인 반면 20% 치환율에서 급격하게 증가하는 결과를 보였으며, 소성점도는 치환율 20%까지 선형에 가까운 증가경향을 보였다.
- 4. 압축강도의 실험결과, 잔골재의 일부분을 석분슬러지로 대체한 경우는 치환율 0~30% 범위 내에서는 치환율에 따른 강도 변화가 크지 않은 것으로 나타났다. 10%, 20%, 30%의 결과는 압축강도가 모두 증가하였고 이로 인해 석분슬러지를 혼입한 경우에 강도발현에는 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 5. 휨인장강도의 실험결과에서도 초기재령에서는 석분슬러지를 치환한 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 뚜렷한 강도증진 효과를 보였으며, 재령이 증가함에 따라 강도증진 비율은 점차적으로 감소하였고, 재령 14일 이후에 치환율 30%는 치환하지 않은 경우에 비해 상대적으로 작은 강도를 나타내었다.
- 공기량 결과에서는 대체적으로 석분의 치환율이 증가할수록 공기량이 감소하는 것으로 나타났다. 잔골재로 사용된 표준사가 0.
- 8이다. 그 결과를 살펴보면, 석분 슬러지의 잔골재에 대한 치환율이 0, 10, 20, 30%로 증가할수록 항복응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 치환율 10%는 치환하지 않은 경우에 비해 항복응력에 큰 차이가 없었으나 20% 치환에서는 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이 같은 경향은 플로우 실험결과의 경향과도 유사하다.
- 이와 같은 결과는 재령 3일에서의 압축강도 결과와도 동일한 경향을 보이는 것이다. 그리고 재령 7일에서는 3.4~7.2% 정도의 강도증진 효과가 나타낸 반면에, 재령 14일에서는 치환율 10, 20%에서는 상대적으로 큰 강도를 보였으나 치환율 30%를 적용한 경우에는 석분슬러지를 사용하지 않은 경우에 비해 강도가 감소하는 결과를 보였다. 재령 14일의 경향은 재령 28일에서의 휨인장강도 결과에서도 거의 유사하게 나타났다.
- 그리고 재령 7일에서는 강도 증진 폭이 각각 –3.0%, 0.2%, 2.8%로 줄어들었으며, 재령 14일에서도 20% 치환한 경우를 제외하고는 대략 3% 전후로 강도가 상대적으로 큰 것으로 나타났다.
- 대체적으로 압축강도 결과에서와 마찬가지로 초기재령에서는 석분슬러지를 치환한 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 뚜렷한 강도증진 효과를 볼 수 있었으며, 재령이 증가함에 따라 강도증진 비율은 점차적으로 감소하였고, 재령 14일 이후에 치환율 30%는 치환하지 않은 경우에 비해 상대적으로 작은 강도를 나타내었지만 그 차이는 미미한 것으로 나타났다.
- 국외의 경우, ASTM C 33(2013)에서는 국내와 동일한 기준을 사용하고 있는 반면, BS 882(1992)에서는 잔골재 질량의 15% 까지 허용하고 있다. 따라서 현재의 골재 부족문제와 석분 슬러지의 매립 또는 처리에 따른 환경문제 등을 개선하기 위한 방안으로 0.08mm 이하의 골재 미분말 또는 석분슬러지의 사용 범위에 대해서 다시 한 번 검토하고 사용량을 확대하기 위한 시도가 의미 있을 것으로 판단된다.
- 4에서 보는 바와 같다. 미분말의 석분슬러지 입도분포는 입자 크기 분석기(Particle Size Analyzer, PSA)를 이용하여 얻었으며, 그 결과, 석분슬러지 입자의 평균 크기는 62.35㎛이며, 입자의 최대 크기는 409.6㎛임을 확인하였다. 사용된 시멘트와 석분슬러지의 화학적 특성은 Table 2에 나타내었다.
- 석분슬러지의 치환율과 재령별 압축강도를 전체적으로 살펴보았을 때, 석분슬러지를 잔골재 치환재로 사용함으로 인한 압축강도의 변화는 크게 나타나지 않았으며, 치환율 0~30% 범위 내에서는 치환율에 따른 강도변화도 크지 않은 것으로 판단된다. 초기재령에서는 석분슬러지를 잔골재의 일부로 사용함으로써 강도증진 효과를 볼 수 있었던 반면에 28일 재령에서는 오히려 강도가 약간 저하되는 경향을 나타내었다.
- 이 같은 경향은 플로우 실험결과의 경향과도 유사하다. 소성점도의 결과에서는 석분슬러지의 잔골재에 대한 치환율 20%까지는 선형에 가까운 증가 경향을 보였으며, 치환율 30%에서는 오히려 약간 감소하는 결과를 보였다.
- 따라서 작은 입경 크기의 석분슬러지를 치환하여 사용함으로써 잔골재의 입도분포가 상대적으로 양호하게 되고 단일입경 크기의 잔골재들 사이의 공극을 적절히 메우게 되고, 그 결과 공기량이 감소하게 된 것으로 판단 된다. 실험변수의 설정값 0~30% 범위 내에서 석분슬러지 치환율이 20%일 때 공기량이 가장 작은 것으로 나타났다.
- 재령 28일에서는 치환율 30%에서만 2.2% 정도의 강도 증진 효과가 나타났으며, 10% 및 20%에서는 –6.0% 정도로 강도가 감소하는 결과를 보였다.
- 9는 석분슬러지의 치환율에 따른 재령별 압축강도 측정 결과를 나타낸 것으로, 각 재령별에 대한 시험결과는 시험체 4개의 평균값을 사용하였다. 초기재령인 재령 3일에서는 석분슬러지를 혼입하지 않은 경우에 비해 석분슬러지를 10, 20, 30% 치환함에 따라 강도가 각각 1.4%, 8.6%, 6.1% 증가하는 결과를 보였다. 그리고 재령 7일에서는 강도 증진 폭이 각각 –3.
- 재령 14일의 경향은 재령 28일에서의 휨인장강도 결과에서도 거의 유사하게 나타났다. 치환율 10, 20%의 상대적 강도 크기는 재령 14일과 비교했을 때 서로 역전된 결과를 나타내었지만, 여전히 석분슬러지를 사용하지 않은 경우보다 큰 휨인장강도를 나타낸 반면, 치환율 30%에서는 강도가 약간 작은 값을 보였다.
- 플로우 측정결과를 살펴보면 석분슬러지의 치환율이 증가함에 따라 플로우 값이 감소하는 결과를 볼 수 있다. 이와 같은 결과는 상대적으로 입경이 큰 잔골재 대신 입경이 매우 작은 석분슬러지를 일부 치환함으로써 석분슬러지를 포함한 잔골재의 표면적이 크게 증가하게 되고 그 결과 잔골재에 흡착되는 수량이 증가하였기 때문이다.
- 석분슬러지를 활용한 모르타르의 레올로지 특성에서는 항복응력과 소성점도가 석분슬러지의 치환율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 항복응력은 10% 치환율까지는 미소한 증가를 보인 반면 20% 치환율에서 급격하게 증가하는 결과를 보였으며, 소성점도는 치환율 20%까지 선형에 가까운 증가경향을 보였다. 치환율 20%와 30% 사이에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
후속연구
- 6. 잔골재와 혼합하여 석분슬러지를 사용에 따른 영향을 장기적 관점에서 검토하기 위해서는 28일 이후의 장기재령에서의 강도변화 평가와 미분 형태의 석분슬러지 사용에 따른 장기적인 체적안정성에 대한 평가 등이 추가적으로 이루어져야 할 것이다.
- 재령 28일의 강도에서 석분슬러지를 잔골재 질량의 30% 치환하더라도 강도가 약간 감소하기는 하지만 큰 변화는 없는 것으로 판단된다. 다만 28일 이후의 장기재령에서의 강도특성을 파악하기 위해서는 추가적인 평가가 필요할 것이다.
- 석분슬러지 사용으로 인한 유동성 저하 및 공기량 감소는 근래 성능이 크게 향상되어 소량의 투입으로도 역학적 성능 저하 없이 소요 성능을 개선하는데 효과적인 고성능의 유동화제나 AE제 등의 첨가로 충분히 개선할 수 있을 것으로 판단되며, 또는 플라이애쉬 등의 광물질 혼화재를 혼합하여 사용하는 방법도 개선방안이 될 수 있을 것이다.
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