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문제 정의
- 서랭제강슬래그(Air-cooled steel slag, 이하 ACSS)는 에이징 처리과정 특성 상 초기 커다란 덩어리로 존재하며 이를 적당한 입도를 가질 수 있도록 분쇄과정을 통하게 골재로 활용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 서랭슬래그로 생산되는 25 mm, 20 mm 파쇄골재를 중심으로 급랭슬래그 골재와 이를 조합한 골재에 대한 콘크리트용 골재 품질기준 적합성을 평가하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 이러한 시대적, 환경적 변화에 맞추어 그동안 저부가가치 활용분야에 적용되던 제강슬래그의 활용 용도를 콘크리트용 골재로 생산하는 지역의 특성을 고려한 제조기술을 개발함으로써 고부가가치 분야, 녹색기술 분야로 확대적용하기 위하여 제강슬래그를 이용하여 생산되고 있는 골재용 슬래그에 대하여 콘크리트용 골재로써의 활용가능성을 일차적으로 분석한 후 분석된 특성을 활용한 제강슬래그 골재치환 해양구조물 콘크리트 제조에 목적이 있다.
- 이를 통해 현재의 전로제강슬래그 물성치와 콘크리트용 일반 골재와의 차이점을 파악한 후 콘크리트용 골재로 재활용하기 위해 전로제강슬래그의 개선사항 및 최적입도선정을 위한 골재조합 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
- Fig. 5와 같이 건조된 시료 500 g을 0.08 mm 체를 사용하여 물로 씻기 시험을 실시한 후 체에 남아 있는 시료를 105 ± 5oC의 건조기에서 정중량이 될 때까지 건조하여 잔 입자량을 구하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트용 골재 규격에 부합되는 전로제강슬래그 골재 생산을 위해 급랭 제강슬래그와 서랭 제강슬래그의 기본 물성치를 분석하고, 에이징방식에 따른 두 가지 슬래그를 각기 조합, 굵은 골재 최대치 수에 변화를 준 총 6개 혼합 전로제강슬래그 및 1개의 잔 골재용 전로제강슬래그에 대해 물성평가를 실시하였다. 전로제강슬래그는 잔 골재와 굵은 골재가 혼재되어 있는 상태로 배출되기 때문에 물성평가를 위해서 5 mm 체가름을 선행한 후 이를 토대로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 평가를 실시하였다.
- 1과 같이 고온의 액상상태의 슬래그를 물로 급랭함과 동시에 분쇄를 실시하여 처리된 급랭슬래그이다. 이러한 급랭과 분쇄과정을 걸쳐 생산된 슬래그를 최대치수별로 구분하여 Table 2와 Fig. 2와 같이 20 mm 미만 수준의 굵은 골재와 2.5 mm 수준의 잔 골재로 구분하여 서랭슬래그 골재와의 물성비교 및 혼합골재로써의 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트용 골재 규격에 부합되는 전로제강슬래그 골재 생산을 위해 급랭 제강슬래그와 서랭 제강슬래그의 기본 물성치를 분석하고, 에이징방식에 따른 두 가지 슬래그를 각기 조합, 굵은 골재 최대치 수에 변화를 준 총 6개 혼합 전로제강슬래그 및 1개의 잔 골재용 전로제강슬래그에 대해 물성평가를 실시하였다. 전로제강슬래그는 잔 골재와 굵은 골재가 혼재되어 있는 상태로 배출되기 때문에 물성평가를 위해서 5 mm 체가름을 선행한 후 이를 토대로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 평가를 실시하였다.
- 5 mm 이하 골재와 5 mm 이상 골재 각각의 단위용적질량은 KS F 2505 「골재의 단위용적질량 및 실적률 시험 방법」에 준하여 측정하였다. 절대건조상태의 시료를 20회 3층 다짐을 실시하여 용기의 윗면에서 골재를 잘 고른 후 절대건조상태의 단위용적질량을 측정한 후 절대건조밀도를 이용하여 실적률을 구하였다.
- 혼합상태의 슬래그를 5 mm 체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 각각의 단위용적질량을 확인하였다. Table 7과 같이 전로제강슬래그 특성 상 전체적으로 일반 천연골재에 비하여 단위용적질량은 크게 측정되었으며 특히 서랭 미분쇄 골재인 6번의 경우 2.
- 혼합상태의 슬래그를 5 mm 체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 각각의 밀도 및 흡수율을 확인하였다. 5 mm 이상 시료의 밀도측정결과 Table 5와 같이 평균 3.
- 혼합상태의 슬래그를 5 mm체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 각각의 0.08 mm체 씻기 시험을 통하여 잔입자량을 확인하였다. 콘크리트의 표면이 마모작용을 받는 경우 2.
- 혼합시료를 체가름 후 굵은 골재 마모감량 시험방법에 따라 C방법으로 시험을 실시하였다. 포장용 경우 25% 이하, 기타의 경우 40% 이하 규정되어 있지만, Table 8와 같이 전로제강슬래그 시험결과 기준치보다 현격하게 적은 마모감량 값을 보였으며, 이는 전로제강슬래그 골재가 마모환경의 특수한 조건에서 큰 장점을 가질 것으로 판단된다.
이론/모형
- 5 mm 이상 골재의 마모감량은 KS F 2508 「로스앤젤레스 시험기에 의한 굵은 골재의 마모시험 방법」에 준하여 실시하였다. Fig.
- 5 mm 이하 골재와 5 mm 이상 골재 각각의 단위용적질량은 KS F 2505 「골재의 단위용적질량 및 실적률 시험 방법」에 준하여 측정하였다. 절대건조상태의 시료를 20회 3층 다짐을 실시하여 용기의 윗면에서 골재를 잘 고른 후 절대건조상태의 단위용적질량을 측정한 후 절대건조밀도를 이용하여 실적률을 구하였다.
- 5 mm 이하 골재와 5 mm 이상 골재 각각의 잔 입자량은 KS F 2511「골재에 포함된 잔 입자 시험 방법」에 준하여 실시하였다. Fig.
- 5 mm 이하 골재와 5 mm 이상 골재 각각의 조립률은 KS F 2502「굵은 골재 및 잔 골재의 체가름 시험 방법」에 의하여 Fig. 3과 같이 체가름 시험기를 통하여 시행한 후 각체의 누가 잔류율을 이용하여 조립률을 구하고, 각체의 통과 중량백분율을 이용하여 입도분포곡선을 산출하였다.
- 5 mm 이하 골재의 밀도 및 흡수율을 KS F 2504「잔 골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법」에 준하여 실시하였으며, 표면건조포화상태로 만든 시료 500 g과 비중플라스크를 사용하여 밀도를 산출하였다. 5mm 이상 골재의 밀도 및 흡수율을 KS F 2503 「굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법」에 준하여 실시하였으며, 수중상태와 표면건조포화상태, 절대건조상태의 중량을 측정하여 Fig.
- 5 mm 이하 골재의 염화물함유량은 KS F 2515 「골재중의 염화물 함유량 시험방법」에 준하여 질산은 적정법을 통해 염화물 함유량을 산출하였다.
- 5 mm 이하 골재의 밀도 및 흡수율을 KS F 2504「잔 골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법」에 준하여 실시하였으며, 표면건조포화상태로 만든 시료 500 g과 비중플라스크를 사용하여 밀도를 산출하였다. 5mm 이상 골재의 밀도 및 흡수율을 KS F 2503 「굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법」에 준하여 실시하였으며, 수중상태와 표면건조포화상태, 절대건조상태의 중량을 측정하여 Fig. 4와 같이 밀도와 흡수율을 산출하였다.
- 콘크리트용 골재는 입자크기에 따라 굵은 골재와 잔 골재로 구분되며 이를 구분하는 체의 눈금크기는 5 mm를 기준으로 이보다 큰 경우를 굵은 골재, 작은 경우를 잔 골재로 분류한다. 이에 따라 전로제강슬래그를 굵은 골재와 잔 골재를 구분하고, 현재 콘크리트용 골재에서 시행되고 있는 동일한 항목으로 한국산업규격의 각 기준에 따라 진행하였다.
성능/효과
- (1) 급랭 제강슬래그는 5 mm 이상의 굵은 골재로 선별된 시료에 대한 콘크리트용 골재용 품질기준 만족여부 평가결과 굵은 골재 품질항목 5개 중 4개 항목을 만족하였다. 그러나 서랭 70 mm를 분쇄한 제강슬래그를 50%에 급랭 제강슬래그 50%를 혼합한 5번의 전로제강슬래그 조합은 굵은 골재 품질항목 5개 모두를 만족하여 가장 높은 사용성을 가지고 있는 것으로 평가되었다.
- (2) 급랭슬래그의 입자는 5 mm 이상 굵은 골재가 약 21.4%, 5 mm 이하의 잔 골재가 78.6%에 이르나 서랭분쇄 20 mm슬래그골재는 굵은 골재와 잔 골재의 혼합비율이 51.7 : 48.3으로 매우 적절한 것으로 분석되었다.
- (3) 급랭슬래그의 5 mm 이상 굵은 골재는 밀도는 3.34 g/cm3로 서랭슬래그의 5 mm 이상 굵은 골재의 평균 밀도3.22 g/cm3에 비하여 밀도가 큰 것으로 평가되었으며 흡수율은 작은 것으로 평가되었다. 5 mm 이상의 굵은 골재에 한해서는 급랭슬래그만이 콘크리트용 골재 품질기준의 염화물함유량 조건을 만족하였다.
- (4) 골재조합에 따른 물성변화는 급랭슬래그(RCS)의 첨가비율이 증가할수록 밀도는 높아지며 흡수율은 저감되는 것으로 나타났다. 이는 밀도가 높고 흡수율이 작은 RCS 골재가 증대될수록 수반되는 현상으로 해석되었으며 실적률에 있어서는 골재조합별 큰 차이를 나타내지 않았으나 전로제강슬래그 종류별 단독사용보다는 잔 골재가 주를 이루는 RCS 골재와 굵은 골재 비율이 51.
- 혼합상태의 슬래그를 5 mm 체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 각각의 밀도 및 흡수율을 확인하였다. 5 mm 이상 시료의 밀도측정결과 Table 5와 같이 평균 3.24 g/cm3의 높은 밀도를 보였으며, 그 중 서랭 미분쇄 슬래그에서 선별한 5 mm 이상의 시료가 3.84 g/cm3의 가장 높은 밀도를 가지는 것으로 나타났고, 흡수율 시험결과 평균적으로 기준을 초과하는 3.29%의 높은 흡수율을 가지는 것으로 분석되었으며, 서랭 미분쇄 슬래그가 4.19%로 가장 높은 흡수율을 가지는 것으로 평가되었다.
- 22 g/cm3에 비하여 밀도가 큰 것으로 평가되었으며 흡수율은 작은 것으로 평가되었다. 5 mm 이상의 굵은 골재에 한해서는 급랭슬래그만이 콘크리트용 골재 품질기준의 염화물함유량 조건을 만족하였다. 그러나 서랭슬래그 모두 염화물함량에서는 기준 대비 4배 이상의 높은 염화물을 나타내어 철근 부식의 우려가 없는 특수환경 및 무근 콘크리트 구조물에 한하여 적용하여야 할 것으로 판단되었다.
- 5 mm이하 시료에 대하여 질산은 적정법을 통한 염화물시험결과 슬래그 내 염화물 함유량이 급랭슬래그와 서랭슬래그 사이 약 600 ~ 800배 차이를 보이는 것으로 평가되었다.
- 7종의 혼합 전로제강슬래그에서 5 mm 이하로 선별된 시료의 밀도측정결과 Table 6과 같이 평균 3.32 g/cm3로 5 mm 이상 시료의 밀도와 유사한 경향을 보였으며, 5 mm 이상 시료보다 높은 흡수율을 갖는 것으로 평가되었으며 이는 5 mm 이상 시료보다 많은 잔입자량의 영향으로 판단된다.
- 혼합상태의 슬래그를 5 mm 체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 각각의 단위용적질량을 확인하였다. Table 7과 같이 전로제강슬래그 특성 상 전체적으로 일반 천연골재에 비하여 단위용적질량은 크게 측정되었으며 특히 서랭 미분쇄 골재인 6번의 경우 2.67의 매우 높은 단위용적질량을 나타내어 콘크리트용 골재로써의 적합성은 매우 낮은 것으로 평가되었다. 그러나 골재 실적율에 있어서는 2번과 3번의 서랭 70 mm 분쇄 골재가 70%이상의 높은 실적률을 나타내어 콘크리트 제조 시 밀실도 향상에 기여할 수 있을 것으로 평가되었다.
- 각각의 전로제강슬래그에서 5 mm 체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재를 분류하였으며, 5 mm체 이상의 콘크리트용 굵은 골재 체가름 시험결과, Table 3과 같이 70 mm 서랭슬래그를 20 mm로 분쇄한 골재(3번)와 서랭 70 mm 분쇄 50% + RCS 50%(5번)를 제외한 모든 골재가 입도분포를 벗어났으며, 급랭(RCS, 1번)과 서랭 미분쇄(6번)의 경우 골재 최대치수가 13 mm, 10 mm 인 것으로 나타나 이를 이용하여 콘크리트용 골재로 활용하고자 할 경우, 굵은 골재 최대치수가 13mm이므로 적용대상 범위가 축소되는 것으로 평가되었다. 따라서, 콘크리트용 굵은 골재로 활용 가능한 입도를 가지는 전로제강슬래그 골재는 서랭 20 mm파쇄 슬래그와(서랭 20 mm 50%파쇄골재 + RCS 50%)의 조합골재로 평가되었다.
- 67의 매우 높은 단위용적질량을 나타내어 콘크리트용 골재로써의 적합성은 매우 낮은 것으로 평가되었다. 그러나 골재 실적율에 있어서는 2번과 3번의 서랭 70 mm 분쇄 골재가 70%이상의 높은 실적률을 나타내어 콘크리트 제조 시 밀실도 향상에 기여할 수 있을 것으로 평가되었다.
- (1) 급랭 제강슬래그는 5 mm 이상의 굵은 골재로 선별된 시료에 대한 콘크리트용 골재용 품질기준 만족여부 평가결과 굵은 골재 품질항목 5개 중 4개 항목을 만족하였다. 그러나 서랭 70 mm를 분쇄한 제강슬래그를 50%에 급랭 제강슬래그 50%를 혼합한 5번의 전로제강슬래그 조합은 굵은 골재 품질항목 5개 모두를 만족하여 가장 높은 사용성을 가지고 있는 것으로 평가되었다.
- 5 mm 이상의 굵은 골재에 한해서는 급랭슬래그만이 콘크리트용 골재 품질기준의 염화물함유량 조건을 만족하였다. 그러나 서랭슬래그 모두 염화물함량에서는 기준 대비 4배 이상의 높은 염화물을 나타내어 철근 부식의 우려가 없는 특수환경 및 무근 콘크리트 구조물에 한하여 적용하여야 할 것으로 판단되었다.
- 따라서 전로제강슬래그 골재를 활용한 콘크리트용 골재 적용 시 사전에 5mm 체를 통한 선별과정이 선행되거나 전로제강슬래그 골재 종류별 골재크기의 구성비율을 사전에 평가하여 콘크리트 제조에 활용하여야 보다 밀실하고 균질한 콘크리트 제조가 가능할 것으로 판단된다.
- 각각의 전로제강슬래그에서 5 mm 체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재를 분류하였으며, 5 mm체 이상의 콘크리트용 굵은 골재 체가름 시험결과, Table 3과 같이 70 mm 서랭슬래그를 20 mm로 분쇄한 골재(3번)와 서랭 70 mm 분쇄 50% + RCS 50%(5번)를 제외한 모든 골재가 입도분포를 벗어났으며, 급랭(RCS, 1번)과 서랭 미분쇄(6번)의 경우 골재 최대치수가 13 mm, 10 mm 인 것으로 나타나 이를 이용하여 콘크리트용 골재로 활용하고자 할 경우, 굵은 골재 최대치수가 13mm이므로 적용대상 범위가 축소되는 것으로 평가되었다. 따라서, 콘크리트용 굵은 골재로 활용 가능한 입도를 가지는 전로제강슬래그 골재는 서랭 20 mm파쇄 슬래그와(서랭 20 mm 50%파쇄골재 + RCS 50%)의 조합골재로 평가되었다.
- (4) 골재조합에 따른 물성변화는 급랭슬래그(RCS)의 첨가비율이 증가할수록 밀도는 높아지며 흡수율은 저감되는 것으로 나타났다. 이는 밀도가 높고 흡수율이 작은 RCS 골재가 증대될수록 수반되는 현상으로 해석되었으며 실적률에 있어서는 골재조합별 큰 차이를 나타내지 않았으나 전로제강슬래그 종류별 단독사용보다는 잔 골재가 주를 이루는 RCS 골재와 굵은 골재 비율이 51.7%로 가장 높은 서랭분쇄 20 mm골재를 조합하여 사용할 경우 입도분포 보정 및 콘크리트 배합 시 작업성 향상, 건조수축 저감, 수밀성 확보, 내구성 증대 등의 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대되었다.
- 이를 통해 급랭전로슬래그 골재는 기준을 만족하지 못하는 흡수율을 나타내었고, 서랭미분쇄 20 mm골재는 높은 밀도 대비 높은 흡수율을 지니고 있어 이를 활용하여 콘크리트를 제조할 경우 물-시멘트비 증가, 단위 용적질량 증가, 재료분리 등의 현상이 우려되었으며, 서랭 70 mm 분쇄 50% + RCS 50%골재가 입도와 마찬가지로 밀도 및 흡수율 조건에서 콘크리트용 골재 품질기준에 가장 적합한 것으로 평가되었다.
- 전로제강슬래그 종류별 골재크기 구성비에 있어서는 RCS는 잔 골재, 서랭 20 mm 파쇄골재는 굵은 골재로 구분하여 이를 조합한 콘크리트 제조 시 보다 밀실한 콘크리트 제조가 가능할 것으로 평가되었다.
- 즉, 급랭 단독 제강슬래그는 5 mm 이상의 굵은 골재로 선별된 시료에 대한 콘크리트용 골재용 품질기준 만족여부 평가결과 굵은 골재 품질항목 5개 중 4개 항목을 만족하였으며, 서랭 70 mm를 분쇄한 전로제강슬래그를 50%에 급랭 제강슬래그 50%를 혼합한 5번의 전로제강슬래그 조합은 굵은 골재 품질항목 5개 모두를 만족하여 가장 높은 사용성을 가지고 있는 것으로 평가된다. 따라서, 차기연구에서는 본 연구결과를 바탕으로 전로제강슬래그 골재를 이용한 해양구조물 콘크리트 제조 연구를 시행코자 한다.
- 08 mm체 씻기 시험을 통하여 잔입자량을 확인하였다. 콘크리트의 표면이 마모작용을 받는 경우 2.0% 이하 기타의 경우 5.0% 이하로 규정되어 있고, 5 mm이상 시료의 경우 기준보다 적은 잔입자량 값을 보였으나, Fig 8과 같이 5 mm이하 시료의 경우 대다수의 시료가 잔입자량의 기준치를 초과하는 것으로 나타났으며, 서랭 70 mm 분쇄 슬래그의 경우 7%를 상회하는 값으로 평가되었다.
- 그러나 이러한 높은 흡수율은 콘크리트용 골재로 사용 시 콘크리트 단위수량을 흡수하여 작업성 감소, 건조수축 증대, 급결현상 등의 원인이 될 수 있으므로 급랭 제강슬래그를 제외한 서랭슬래그 조합 전로제강슬래그 골재는 규정을 만족시키지 못하므로 현재의 상태로는 콘크리트용 골재로 활용이 곤란한 상태로 평가되었다. 특히 5 mm 이하 잔 골재기준에서 서랭슬래그 단독 물성치인 2번, 3번, 6번의 경우 높은 흡수율을 나타내어 이들 전로제강슬래그 골재를 콘크리트용으로 사전처리 작업 없이 사용하기에는 다소 무리가 있는 것으로 평가되었다.
- 평가된 염화물함량은 Fig. 9와 같이 기준치를 3~4배 초과하는 수치로 전로제강슬래그를 콘크리트용 골재로 사용하기 위해서는 먼저 슬래그 제조공정이나, 에이징 처리 공정을 확인하여 염화물함유량 저감이 이루어져야할 것으로 평가되었다.
- 혼합시료를 체가름 후 굵은 골재 마모감량 시험방법에 따라 C방법으로 시험을 실시하였다. 포장용 경우 25% 이하, 기타의 경우 40% 이하 규정되어 있지만, Table 8와 같이 전로제강슬래그 시험결과 기준치보다 현격하게 적은 마모감량 값을 보였으며, 이는 전로제강슬래그 골재가 마모환경의 특수한 조건에서 큰 장점을 가질 것으로 판단된다.
- 혼합상태의 슬래그를 5 mm체를 기준으로 굵은 골재와 잔 골재로 분리하여 각각 중량비를 확인하고, 5 mm이상, 5 mm이하의 시료를 굵은 골재, 잔 골재로 감안하여 입도분포를 확인하였을 때, Fig. 7와 같이 혼합시료의 5 mm체를 통한 분급결과 굵은 골재가 차지하는 비율은 전로제강슬래그 골재 전체 평균에 있어 약 33.5%로 잔 골재가 과도하게 많은 양을 차지하는 것으로 나타나 콘크리트용 골재로 전로제강슬래그를 활용하고자 할 경우에는 반드시 사전에 5 mm 체를 통한 굵은 골재와 잔 골재 선별과정이 선행되어야 할 것으로 평가되었다.
후속연구
- 즉, 급랭 단독 제강슬래그는 5 mm 이상의 굵은 골재로 선별된 시료에 대한 콘크리트용 골재용 품질기준 만족여부 평가결과 굵은 골재 품질항목 5개 중 4개 항목을 만족하였으며, 서랭 70 mm를 분쇄한 전로제강슬래그를 50%에 급랭 제강슬래그 50%를 혼합한 5번의 전로제강슬래그 조합은 굵은 골재 품질항목 5개 모두를 만족하여 가장 높은 사용성을 가지고 있는 것으로 평가된다. 따라서, 차기연구에서는 본 연구결과를 바탕으로 전로제강슬래그 골재를 이용한 해양구조물 콘크리트 제조 연구를 시행코자 한다.
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