본 연구는 시멘트계 바탕 바름재에 사용되는 바닷모래를 대체하기 위한 재료로서 현무암 가공과정에서 발생되는 현무암 석분슬러지를 재활용하기 위해 현무암 석분슬러지를 사용한 경화모르타르의 특성(연도변화, 응결경화, 흡수계수, 건조수축, 그리고 부착강도 실험)을 평가하였다. 현무암 석분슬러지를 사용한 경화모르타르는 콘크리트 바탕 바름재에 사용되는 기존의 보통모르타르의 특성과 유사하거나 좀 더 향상된 성능을 보였다. 그러나, 현무암 석분슬러지를 사용한 경화모르타르는 보통 모르타르보다 재령 8~9일 이후 건조수축이 증가되었고 부착강도는 감소되었다. 그러나 현무암 석분슬러지를 사용한 경우, KS F 4716 '시멘트계 바탕 바름재'에서 요구하는 최소 품질 규준은 만족하였다.
본 연구는 시멘트계 바탕 바름재에 사용되는 바닷모래를 대체하기 위한 재료로서 현무암 가공과정에서 발생되는 현무암 석분슬러지를 재활용하기 위해 현무암 석분슬러지를 사용한 경화모르타르의 특성(연도변화, 응결경화, 흡수계수, 건조수축, 그리고 부착강도 실험)을 평가하였다. 현무암 석분슬러지를 사용한 경화모르타르는 콘크리트 바탕 바름재에 사용되는 기존의 보통모르타르의 특성과 유사하거나 좀 더 향상된 성능을 보였다. 그러나, 현무암 석분슬러지를 사용한 경화모르타르는 보통 모르타르보다 재령 8~9일 이후 건조수축이 증가되었고 부착강도는 감소되었다. 그러나 현무암 석분슬러지를 사용한 경우, KS F 4716 '시멘트계 바탕 바름재'에서 요구하는 최소 품질 규준은 만족하였다.
This study aimed to evaluate of the hardened properties (mortar consistency, setting time, absorption properties, drying shrinkage, and bond strength) of the basalt powder sludge mortar recycling a basalt powder sludge occurred during the manufacture process of basalt stone as a replacing material f...
This study aimed to evaluate of the hardened properties (mortar consistency, setting time, absorption properties, drying shrinkage, and bond strength) of the basalt powder sludge mortar recycling a basalt powder sludge occurred during the manufacture process of basalt stone as a replacing material for the sea-sand used to cement filling compound for surface preparation. The hardened mortar made of the basalt powder sludge showed an enhanced performance or similar with the properties of normal mortar used to cement filling compound for surface preparation. But, the drying shrinkage was increased more than a normal cement mortar in the hardened mortar made of the basalt powder sludge since curing 8 - 9days. And the bond strength is low in the hardened mortar used the basalt powder sludge. On the whole, properties of the hardened mortar used the basalt powder sludge correspond to the required minimum quality criterion in the KS F 4716 'cement filling compound for surface preparation'.
This study aimed to evaluate of the hardened properties (mortar consistency, setting time, absorption properties, drying shrinkage, and bond strength) of the basalt powder sludge mortar recycling a basalt powder sludge occurred during the manufacture process of basalt stone as a replacing material for the sea-sand used to cement filling compound for surface preparation. The hardened mortar made of the basalt powder sludge showed an enhanced performance or similar with the properties of normal mortar used to cement filling compound for surface preparation. But, the drying shrinkage was increased more than a normal cement mortar in the hardened mortar made of the basalt powder sludge since curing 8 - 9days. And the bond strength is low in the hardened mortar used the basalt powder sludge. On the whole, properties of the hardened mortar used the basalt powder sludge correspond to the required minimum quality criterion in the KS F 4716 'cement filling compound for surface preparation'.
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문제 정의
본 연구는 콘크리트 구조물의 열화현상을 촉진시킬 수 있는 바닷모래의 사용을 줄이고, 산업폐기물인 현무암 석분슬러지를 재활용성을 높이기 위해 이전 연구[9]에서 도출된 결과를 기반으로 콘크리트 바탕 바름재에 사용되는 바닷모래의 일부 대체재로서 현무암 석분슬러지의 활용 가능성을 검토한다.
대상 데이터
본 연구는 시멘트계 바탕 바름재에 사용되는 바닷모래의 대체재로써 폐기물인 현무암 석분슬러지의 활용 가능성을 평가하는 것으로써 실험방법 및 범위는 KS에서 최소품질로서 요구하고 있는 실험 항목인 연도변화, 응결 및 경화, 흡수계수, 건조수축, 부착강도에 한정하였다.
본 연구에 사용된 시멘트는 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 그 화학적 조성은 Table 3과 같다.
현무암 석분슬러지는 제주도 A사에서 발생되는 시료로서 밀도는 0.00293kg/m3이며, 분말도는 53,000m2/kg, 입도분포곡선은 Figure 1과 같다. 또한, 현무암 석분슬러지의 화학적 조성은 Table 1과 같이 SiO2는 52.
데이터처리
현무암 석분슬러지를 사용한 드라이몰탈의 기초연구로서 슬러지의 혼합비율 및 물-시멘트 비율에 따라 모르타르의 물성, 강도 및 미세구조의 특성을 이전 연구[9]에서 평가하였고, 그 결과로부터 본 실험의 W/C, 석분슬러지 대체율의 분석 범위를 결정하였다. 본 연구의 실험요소 및 배합비는 Table 1 및 2에 있으며, 시멘트와 모래의 배합비는 1:3으로 고정하였다.
이론/모형
모르타르의 연도변화는 KS L 5207에 준하여 실시하였으며, 동일 시료를 2회 측정하였다. 시료는 배합 직후 플로우 값(F1)을 측정하고, 대기 중에 90분 동안 존치시킨 후 30초 동안 믹스하여 플로우 값(F2)을 측정하여 식 (1)에 의해 연도변화를 확인하였다.
KS F 2436에 준하여 실시하였으며, 시료는 물과 접촉하고 4시간 후부터 30분 간격으로 10초 동안 관입깊이 25±2mm가 되도록 하중을 가하였다. 실험값이 28MPa를 초과하면 실험을 종료하였다.
KS F 2459에 준하여 직경 150mm, 두께 40mm의 원기둥형 시편 을 배합 당 3개씩 총 12개를 제작하였고 (Figure 2), 시편의 측면은 에폭시로 방수처리 하였다. 시험은 KSF 2609에 준하여 1일간 양생 후 7일 동안 수중에서 존치시키고, 다시 12일 동안 대기에서 존치시키면서 4일 간격으로 3시간 동안 총 3번 수중에 침지시켰으며, 그 후 8일 이상 대기에서 양생 후 재령 28일에 흡수시험을 하였다.
KS F 2424에 준하여 40×40×160mm의 시편을 배합당 3개씩 총 12개를 제작하였다. 시편은 제작 24시간 후에 탈형하고 표면에 60mm 스트레인 게이지를 부착하여 24시간 단위로 데이터로거를 사용하여 수축변화가 없을 때까지 대기 중에서 측정하였다.
성능/효과
4) 초기 건조수축은 슬러지 함량이 증가할수록 감소하였으나, 재령 8∼9일을 기점으로 슬러지 함량이 증가할수록 건조수축은 증가하였다. 향후 혼화제를 사용하여 배합수를 조절할 필요가 있다.
5) 부착강도의 차는 현무암 석분슬러지의 사용량에 따라 큰 차이는 발생하지 않았으며, 부착강도 최소품질규준(KS F 4716 ‘시멘트계 바탕 바름재’)을 만족하였다. 그러나 사용량에 따라 파괴 메커니즘이 상이하였고, 이에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
1) 현무암 석분슬러지의 함량이 증가할수록 연도변화는 줄어드는 현상이 나타났으며, 초기 슬럼프 플로우 및 90분 후 적절한 연도변화 측면에서 시료 BPS-30이 최적의 작업성을 위한 배합조건으로 판단된다.
2) 응결 및 경화 특성은 석분슬러지의 양이 증가할수록 초결 및 종결시간이 빨라지는 경향이 나타났으며, BPS-30과 BPS-20의 종결시간은 각각 20분 및 30분 정도 길어졌고, 일반적인 응결 및 경화의 적정 시간은 시료 BPS-40이 만족하였다.
3) 물 흡수계수는 현무암 석분슬러지의 양이 증가할수록 감소하였으며, BPS-40, BPS-30 및 BPS-20의 흡수 계수는 각각 0.073, 0.127, 0.159로 시멘트계 바탕 바름재 (KS F 4716)에서는 물 흡수 계수를 0.2이하를 만족하였다.
후속연구
이에 반해 석분슬러지의 사용량이 증가할수록 바탕바름재와 시료와의 계면에서 탈락이 발생되어 부착성능이 감소하였다. 현무암 석분슬러지를 사용함에 있어서 부착성능 규준은 만족하고 있지만, 사용량의 증가에 따라 파괴 유형이 다르기 때문에 향후 석분슬러지의 재활용을 높이기 위해 석분 슬러지의 양에 따른 계면부착특성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
산업폐기물인 현무암 석분슬러지의 재활용성을 위한 방안으로 콘크리트 바탕 바름재용 잔골재의 대체재로서 활용 가능성을 검토하였다. 본 실험결과 및 이전 실험결과[9]를 종합하여 현무암 석분슬러지의 적절한 대체율은 잔골재 대비 약 20%~30%로 판단되며, 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
5) 부착강도의 차는 현무암 석분슬러지의 사용량에 따라 큰 차이는 발생하지 않았으며, 부착강도 최소품질규준(KS F 4716 ‘시멘트계 바탕 바름재’)을 만족하였다. 그러나 사용량에 따라 파괴 메커니즘이 상이하였고, 이에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제주도의 건축공사 시 많이 사용하는 현무암 가공 판석 때문에 어떤 문제점이 발생하였는가?
제주도 지역은 최근까지 건축공사가 활발하며, 지역 특색을 반영하여 건축물 내·외부 마감재로 현무암을 가공한 판석을 많이 사용하고 있는 추세이다. 이로 인해, 현무암 판석 가공 후 발생되는 석분슬러지가 16,000톤/년 정도 발생되고 있고, 제주 지역 산업 특성상 석분슬러지는 100% 폐기물로 처리되고 있어, 열악한 중소기업에 경제적 부담과 더불어 지역적 처리문제에 어려움을 겪고 있다. 더불어 제주도는 지역특성상 모르타르 및 콘크리트용 잔골재의 60%~70%를 바닷모래를 사용하고 있으며, 콘크리트 구조물은 형성된 후 계속적으로 염분에 노출되기 때문에 알칼리 반응에 의한 열화현상이 타 지역에 비해 진행 속도가 빠를 가능성이 높다[6,7]. 현무암 석분슬러지에 함유되어 있는 성분은 보통포틀랜드시멘트에 비해 함량에서 차이는 있으나 함유되어 있는 성분은 매우 유사하며[4], 콘크리트 및 모르타르의 강도 증진에 긍정적인 영향을 미친다[1,8].
제주도에서 알칼리 반응에 의한 열화현상이 더 빨리 일어나는 이유는 무엇인가?
이로 인해, 현무암 판석 가공 후 발생되는 석분슬러지가 16,000톤/년 정도 발생되고 있고, 제주 지역 산업 특성상 석분슬러지는 100% 폐기물로 처리되고 있어, 열악한 중소기업에 경제적 부담과 더불어 지역적 처리문제에 어려움을 겪고 있다. 더불어 제주도는 지역특성상 모르타르 및 콘크리트용 잔골재의 60%~70%를 바닷모래를 사용하고 있으며, 콘크리트 구조물은 형성된 후 계속적으로 염분에 노출되기 때문에 알칼리 반응에 의한 열화현상이 타 지역에 비해 진행 속도가 빠를 가능성이 높다[6,7]. 현무암 석분슬러지에 함유되어 있는 성분은 보통포틀랜드시멘트에 비해 함량에서 차이는 있으나 함유되어 있는 성분은 매우 유사하며[4], 콘크리트 및 모르타르의 강도 증진에 긍정적인 영향을 미친다[1,8].
석분 슬러지는 어떤 용도로 사용 가능한가?
석분 슬러지는 포졸란 반응에 의해 강도증진에 영향을 미치는 SiO2 및 Al2O3를 다량 함유[1]하고 있기 때문에, 이를 이용하여 타일제조[2], 인조석판재[3], 콘크리트 혼화재료[4] 등 다양한 용도로 활용 가능하다. Yang[5]의 연구에서는 잔골재 대체재로서 석분슬러지를 30%~40% 치환함으로써 기존 재료에 비해 큰 성능저하 없이 잔골재 대체효과 및 2차 환경오염 방지효과의 가능성을 언급하였다.
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