산업부산물을 사용한 친환경 초고성능 콘크리트(Ultra-high performance concrete, UHPC)의 시공성 확보를 위해 요구되는 초유동화제의 적정 혼입량을 검토하였다. UHPC에 적용한 산업부산물은 고로슬래그 미분말, 화력발전소바텀애시, 급랭 슬래그였다. 일반적인 UHPC에 사용되던 기존 재료를 산업부산물로 부분 혹은 전량 치환한 배합에, 다양한 초유동화제 혼입량을 적용하였다. 부산물 사용에 의해 UHPC의 유동성이 개선되었으며, 이 때 초유동화제 혼입량을 감소시킨 경우에도 유동성 및 압축강도의 저하는 발견되지 않았다. 부산물 사용 및 초유동화제 혼입량 감소로 인해 UHPC의 재료 가격이 감소함을 확인하였다.
산업부산물을 사용한 친환경 초고성능 콘크리트(Ultra-high performance concrete, UHPC)의 시공성 확보를 위해 요구되는 초유동화제의 적정 혼입량을 검토하였다. UHPC에 적용한 산업부산물은 고로슬래그 미분말, 화력발전소 바텀애시, 급랭 슬래그였다. 일반적인 UHPC에 사용되던 기존 재료를 산업부산물로 부분 혹은 전량 치환한 배합에, 다양한 초유동화제 혼입량을 적용하였다. 부산물 사용에 의해 UHPC의 유동성이 개선되었으며, 이 때 초유동화제 혼입량을 감소시킨 경우에도 유동성 및 압축강도의 저하는 발견되지 않았다. 부산물 사용 및 초유동화제 혼입량 감소로 인해 UHPC의 재료 가격이 감소함을 확인하였다.
Assessment on adequate dosage of superplasticizer in eco-friendly ultra-high performance concrete (UHPC) containing industrial by-products was carried out from the standpoint of workability. Various types of industrial by-products, including blast-furnace slag, coal bottom ash and rapid-cooled elect...
Assessment on adequate dosage of superplasticizer in eco-friendly ultra-high performance concrete (UHPC) containing industrial by-products was carried out from the standpoint of workability. Various types of industrial by-products, including blast-furnace slag, coal bottom ash and rapid-cooled electric arc furnace oxidizing slag, were utilized, and the effects of dosage of superplasticizer on the workability and strength of UHPC containing the by-products were evaluated. By utilizing the by-products, the workability of UHPC was improved and required dosage of superplasticizer was reduced. In addition, the material cost for UHPC with by-products was decreased due to reduced dosage of superplasticizer.
Assessment on adequate dosage of superplasticizer in eco-friendly ultra-high performance concrete (UHPC) containing industrial by-products was carried out from the standpoint of workability. Various types of industrial by-products, including blast-furnace slag, coal bottom ash and rapid-cooled electric arc furnace oxidizing slag, were utilized, and the effects of dosage of superplasticizer on the workability and strength of UHPC containing the by-products were evaluated. By utilizing the by-products, the workability of UHPC was improved and required dosage of superplasticizer was reduced. In addition, the material cost for UHPC with by-products was decreased due to reduced dosage of superplasticizer.
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문제 정의
본 연구는 산업부산물인 고로슬래그 미분말 (GGBFS), 화력발전소 바텀애시, 급랭슬래그 골재(REOS) 등을 적용한 친환경 UHPC의 적정 초유동화제 혼입량을 결정 하기 위해 수행하였다. 산업부산물 및 초유동화제의 혼입량을 변화 시켜 UHPC의 기초적 물성인 유동성과 압축강도가 어떻게 변화하는지 실험적으로 확인하고, 이로 인한 재료가격 변동을 계산하였다.
본 연구는, 산업부산물을 사용한 친환경 UHPC의 시공성 확보를 위해 요구되는 초유동화제(초고성능감수제) 의 적정 혼입량을 검토하기 위해 수행되었다. 위에서 언급한 바와 같이, 일반 UHPC에 산업부산물을 사용할 경우 얻어지는 가장 큰 장점 중 하나는 유동성의 증가이다.
제안 방법
1과 같다. REOS는 규사의 대체 재료로 규사와 입도분포가 비슷하도록 입도조절 되었으며, 규사와 REOS는 각각 두 가지 크기로 배합시험에 사용되었다. 규사 (Silica sand) I, II의 평균입자크기는 각각 0.
15 µm이다. 그 밖에 시멘트, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말, 바텀애시 미분말의 입도분포 및 평균입경은 Pyo et al.16)에 나타나 있으므로, 본 논문에서는 생략한다. 본 연구에서 결합재와 충전재로 사용된 재료들의 화학 조성(XRF 실험결과)은 Table 1에 나타나 있다.
이러한 친환경 UHPC 배합에서 초유동화제 사용량 감소에 따른 유동성과 압축강도 변화를 측정하였다. 동시에, 이 배합들의 재료단가를 계산하여 경제성을 분석하였다.
본 연구는 산업부산물인 고로슬래그 미분말 (GGBFS), 화력발전소 바텀애시, 급랭슬래그 골재(REOS) 등을 적용한 친환경 UHPC의 적정 초유동화제 혼입량을 결정 하기 위해 수행하였다. 산업부산물 및 초유동화제의 혼입량을 변화 시켜 UHPC의 기초적 물성인 유동성과 압축강도가 어떻게 변화하는지 실험적으로 확인하고, 이로 인한 재료가격 변동을 계산하였다. 본 연구를 통해 얻어진 주요 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.
모든 배합은 Hobart type의 믹서로 동일하게 제조되었다. 실리카흄과 골재는 5분 동안 건배합 하었고, 시멘트, 실리카 미분말, 바텀애시 미분말, GGBFS를 추가하여 5분 더 건배합 하였다. 이후 물과 유동화제를 첨가 후 재배합 하였으며, 대부분의 혼합물들은 3분 안에 유동성이 확보되었다.
따라서, UHPC에 산업부산물을 사용하게 되면 기존 재료에 대한 비용이 감소할 뿐 아니라 초유동화제에 대한 비용도 추가적으로 감소하게 되므로, UHPC 생산가격이 대량으로 감소 하게 된다. 이러한 친환경 UHPC 배합에서 초유동화제 사용량 감소에 따른 유동성과 압축강도 변화를 측정하였다. 동시에, 이 배합들의 재료단가를 계산하여 경제성을 분석하였다.
탈영된 시험체는 23°C의 수조에서 양생되었으며, 양생이 끝난 후 24시간 상온 보관 뒤 건조 상태에서 KS F 2405 규격에 따라 압축강도시험이 진행되었다.
대상 데이터
19) 때문에 바텀애시를 재활용하기 위해 콘크리트에 적용한 연구들이 세계 각국에서 수행되고 있다.19,20,21) 본 연구에서는 바텀애시를 볼밀(Ball mill)로 분쇄하여 미분화한 후 사용하였다.
본 논문의 UHPC 배합 설계에 사용된 산업부산물은 고로슬래그 미분말(Ground granulated blast-furnace slag, GGBFS), 급랭 산화슬래그 (Rapid-cooled, electric arc furnace oxidizing slag, REOS), 바텀애시(Coal bottom ash)이다. GGBFS는 용광로에서 선철(Pig iron) 제조 시 얻어지는 부산물로써 콘크리트를 구성하는 시멘트와 부분교체 되었을 때 환경적인 측면과 경제적인 측면에 긍정적인 영향을 기대할 수 있다 보고되고 있다.
즉, REOS I에는 입경 10 µm 이하의 미분이 거의 없다는 것을 의미한다. 본 연구에서 사용된 규사 I는 규암 원석의 파쇄분 중 0.75 mm 체를 통과하는 부분으로, 시중에서 판매하는 규사 중 가장 입경이 작은 것이다. 따라서 미세한 분진이 일부 존재하는데, 이 것이 UHPC 배합의 유동성을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있다.
사용된 실리카 미분말의 평균입경(D50)은 3.15 µm이다.
설계된 배합은 9가지로 배합비는 중량비로 나타내었다(Table 3, Table 4). 시멘트 일부는 GGBFS로, 실리카 미분말은 바텀애시로, 규사는 REOS로 대체되었다. Series A는 GGBFS와 바텀애시가 UHPC에 적용되었을때 초유동화제의 양에 따른 영향을 알아보기 위해 설계된 배합으로, GGBFS를 사용한 배합명의 첫 글자를 ‘G’로, 이에 대한 시멘트 치환률의 퍼센트를 그 뒤의 값으로 표시하였다.
이론/모형
이후 물과 유동화제를 첨가 후 재배합 하였으며, 대부분의 혼합물들은 3분 안에 유동성이 확보되었다. 굳지 않은 UHPC의 유동성은 ASTM C230/C230M 기준에 준하여 측정된 Flow 값을 통해 평가하였다. Flow 측정 시 굳지 않은 UHPC 의 유동성이 매우 컸기 때문에 기준에서 제시한 다짐과 Flow table의 상하 낙하는 생략되었다.
성능/효과
일반적인 고로슬래그를 시멘트의 40 vol.%로 치환한 결과, UHPC의 유동성이 일부 증가한 반면, 24시간 압축강도와 같은 극초기 강도가 명확히 감소함을 확인하였다. 나노슬래그를 실리카퓸 사용량의 50 vol.
그 밖에, 바텀애시 미분말을 실리카 미분말과 치환하여 사용할 경우 유동성이 증가하였으며, 이는 동일한 양의 플라이애시를 실리카 미분말과 치환한 경우의 유동성 보다 더 높은 값이었다.16) 특히, 이 때 사용한 바텀애시 미분말은 플라이애시에 비해 입도가 작은 것을 사용한 것으로써, 일반적으로 입도가 작은 분말을 사용할 경우 콘크리트의 유동성이 떨어지는 기존의 결과와 반대되는 결과였다. 바텀애시 미분말을 실리카 미분말과 치환하여 적용한 UHPC의 경우 동일부피비의 플라이애시를 사용한 배합에 비해 타설 후 24시간 극초기 압축강도가 두배 이상 높은 것을 확인 할 수 있었다.
Series A 의 경우와 같이 초유동화제 혼입량의 감소는 재료가격에 직접적인 변화를 가져온다. Control 배합에 비해 바텀애시를 혼입한 G0Bsp11 배합의 경우 실리카 미분말의 가격 감소로 인해 약 70,000원/m3의 UHPC 재료가격 감소가 가능했으며, 이 때 초유동화제 혼입량을 감소함에 따라 (G0Bsp7 배합) 약 60,000원/m3의 재료가격이 추가적으로 감소되었다. 이 배합에 GGBFS 사용을 통해 시멘트 사용량을 감소할 경우 (G40Bsp7 배합) 최종적으로 기존 Control 배합에 비해 141,000원/m3감소 (17% 감소)가 가능한 것으로 계산 되었다.
REOS를 혼입한 경우 일부 압축강도가 감소함을 확인 할 수 있었다. Series A의 G40Bsp7 배합에 비해 Series B의 GBsp7 배합의 7일 및 28일 압축강도가 각각 12 MPa 및 18 MPa 낮았다. 비록 REOS는 규사에 비해 비중은 크지만, 급랭공정을 통해 생산된 만큼 입자 내부에 온도잔류응력 및 균열이 존재할 가능성이 있으며 이것이 UHPC의 강도에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
이를 적절하게 제어 할 경우 초기 및 장기 압축강도의 개선이 가능하다. 결과적으로 GGBFS를 40% 치환하고 Bottom ash를 전량 치환한 경우에도, 적정 초유동화제를 사용함을 통해 유동성 개선뿐 아니라 압축 강도의 확보도 가능하다는 것을 확인하였다.
%와 치환하여 배합 한 경우 명확한 유동성 증가 이외에도 3일 강도 증가 등의 효과를 얻을 수 있었다. 그 밖에, 바텀애시 미분말을 실리카 미분말과 치환하여 사용할 경우 유동성이 증가하였으며, 이는 동일한 양의 플라이애시를 실리카 미분말과 치환한 경우의 유동성 보다 더 높은 값이었다.16) 특히, 이 때 사용한 바텀애시 미분말은 플라이애시에 비해 입도가 작은 것을 사용한 것으로써, 일반적으로 입도가 작은 분말을 사용할 경우 콘크리트의 유동성이 떨어지는 기존의 결과와 반대되는 결과였다.
따라서 이로 인한 유동성 감소가 발생 할 수 있다. 그러나, G0Bsp7에 나타난 것 같이, 초유동화제의 고형분을 시멘트 무게 대비 0.011에서 0.007로 감소한 결과 유동성이 오히려 증가하는 현상을 확인 할 수 있었다. 일반적으로 콘크리트 배합에서 유동화제의 혼입량이 증가하면 유동성은 당연히 증가하게 된다.
즉, 시멘트, 실리카 미분말, 규사 등을 사용한 일반 UHPC에 반해, GGBFS, 바텀애시, REOS를 대량 치환한 친환경 UHPC는 분체의 입도 및 형상, 그리고 입자의 전기적 성질이 변화 하기 때문에 유동성이 증가하였고, 요구되는 초유동화제 혼입량이 감소하였다는 것이다. 동시에 초유동화제량을 과잉 첨가한 경우에도 유동성 증가는 발생하지 않는 다는 것 역시 실험적으로 확인하였다. 따라서 이러한 초유동화제량의 감소를 통해 경제적인 UHPC의 생산이 가능할 것으로 판단된다.
16) 특히, 이 때 사용한 바텀애시 미분말은 플라이애시에 비해 입도가 작은 것을 사용한 것으로써, 일반적으로 입도가 작은 분말을 사용할 경우 콘크리트의 유동성이 떨어지는 기존의 결과와 반대되는 결과였다. 바텀애시 미분말을 실리카 미분말과 치환하여 적용한 UHPC의 경우 동일부피비의 플라이애시를 사용한 배합에 비해 타설 후 24시간 극초기 압축강도가 두배 이상 높은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 일반적으로 바텀애시는 플라이애시에 비해 콘크리트의 강도에 기여하는 효과가 낮은 것으로 알려진 기존의 결과에 반하는 것이었다.
Series A의 G40Bsp7 배합에 비해 Series B의 GBsp7 배합의 7일 및 28일 압축강도가 각각 12 MPa 및 18 MPa 낮았다. 비록 REOS는 규사에 비해 비중은 크지만, 급랭공정을 통해 생산된 만큼 입자 내부에 온도잔류응력 및 균열이 존재할 가능성이 있으며 이것이 UHPC의 강도에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. Series B의 배합에서 초유동화제 혼입량에 따른 압축강도 차이는 10 MPa 전후로 미미 하다고 할 수 있다.
실리카 파우더를 바텀애시로 전량 치환하고 1종 포틀랜드 시멘트를 GGBFS와 무게비로 40% 부분치환 할 경우, 적절한 유동성을 갖는 UHPC 제작을 위해 필요한 초유동화제의 혼입량을 기존 대비 약 40% 이상 감소시킬 수 있다. 이러한 초유동화제 혼입량 감소에도 불구하고 친환경 UHPC의 유동성과 압축강도는 부산물을 사용하지 않은 일반 UHPC와 동등 이상의 수준으로 발현되었다.
Control 배합에 비해 바텀애시를 혼입한 G0Bsp11 배합의 경우 실리카 미분말의 가격 감소로 인해 약 70,000원/m3의 UHPC 재료가격 감소가 가능했으며, 이 때 초유동화제 혼입량을 감소함에 따라 (G0Bsp7 배합) 약 60,000원/m3의 재료가격이 추가적으로 감소되었다. 이 배합에 GGBFS 사용을 통해 시멘트 사용량을 감소할 경우 (G40Bsp7 배합) 최종적으로 기존 Control 배합에 비해 141,000원/m3감소 (17% 감소)가 가능한 것으로 계산 되었다. 특히 이 G40Bsp7 배합의 유동성과 7일 및 28일 강도가 Control 배합과 동일한 수준이며 유동성은 월등한 점을 고려 할 때, 부산물 사용을 통한 초유동화제 혼입량 감소가 UHPC의 성능뿐 아니라 가격 측면에서도 매우 효과적인 것임을 알 수 있다.
006까지 감소시킨 결과 유동성 자체에 대한 변화가 없었음을 확인 할 수 있었다. 즉, 시멘트, 실리카 미분말, 규사 등을 사용한 일반 UHPC에 반해, GGBFS, 바텀애시, REOS를 대량 치환한 친환경 UHPC는 분체의 입도 및 형상, 그리고 입자의 전기적 성질이 변화 하기 때문에 유동성이 증가하였고, 요구되는 초유동화제 혼입량이 감소하였다는 것이다. 동시에 초유동화제량을 과잉 첨가한 경우에도 유동성 증가는 발생하지 않는 다는 것 역시 실험적으로 확인하였다.
Series B는 시멘트 40 중량%를 GGBFS로, Silica powder를 바텀애시로 대체한 배합을 기준으로, REOS에 따른 초유동화제의 혼입량이 물리적 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 설계된 배합이다(Table 4). 첨가되는 혼화제의 고형분량이 0.011, 0.009, 0.008, 0.007, 0.006으로 줄어들며 첨가되는 배합은 GBsp11, GBsp9, GBsp8, GBsp7, GBsp6으로 표기되었다.
먼저 Control, G0Bsp11, 그리고 G0Bsp7 배합을 통해, 바텀애시 혼입 및 초유동화제 혼입량 감소에 따른 압축강도의 영향을 판단할 수 있다. 초유동화제 혼입량 변화 없이 바텀애시를 활용한 G0Bsp11 배합의 경우 Control 배합에 비해 28일 압축 강도가 약 10 MPa (6%) 정도 감소함을 알 수 있었다. 즉, 미반응성 물질(Inert material)이지만 비중이 크고 경도(Hardness)가 큰 실리카 미분말을, 포졸란 반응성 물질(Pozzolanic material)이지만 비중이 상대적으로 작고 경도가 작은 바텀애시로 치환한 경우 압축강도에 큰 변화가 없다는 것이다.
시멘트를 GGBFS로 치환한 G30Bsp11 및 G40Bsp7의 경우, Control에 비해 7일, 14일 및 28일 강도 모두 크게 변화가 없음을 알 수 있다. 특히 G30Bsp11와 G40Bsp7을 비교할 때, GGBFS 혼입량을 30%에서 40%로 증가시켰음에도 불구하고 재령 초기인 7일 강도에 차이가 없었을 뿐 아니라, 28일에서는 오히려 강도에 증가가 나타났음을 확인하였다. 즉, G30Bsp11 배합의 경우 초유동화제가 과다하게 배합되었다고 할 수 있다.
이 배합에 GGBFS 사용을 통해 시멘트 사용량을 감소할 경우 (G40Bsp7 배합) 최종적으로 기존 Control 배합에 비해 141,000원/m3감소 (17% 감소)가 가능한 것으로 계산 되었다. 특히 이 G40Bsp7 배합의 유동성과 7일 및 28일 강도가 Control 배합과 동일한 수준이며 유동성은 월등한 점을 고려 할 때, 부산물 사용을 통한 초유동화제 혼입량 감소가 UHPC의 성능뿐 아니라 가격 측면에서도 매우 효과적인 것임을 알 수 있다.
이러한 초유동화제 혼입량 감소에도 불구하고 친환경 UHPC의 유동성과 압축강도는 부산물을 사용하지 않은 일반 UHPC와 동등 이상의 수준으로 발현되었다. 특히, 부산물 활용 및 초유동화제 혼입량 감소에 의해, UHPC의 가격은 기존 대비 약 17 % 이상 감소하였다.
Series B의 배합에서 초유동화제 혼입량에 따른 압축강도 차이는 10 MPa 전후로 미미 하다고 할 수 있다. 하지만 전반적으로 GBsp11 배합에서 28일 압축강도 최소값인 139 MPa, GBsp6 배합에서 최대값인 148 MPa 인 점을 고려하며, 이 압축강도 변화가 초유동화제 혼입량에 따라 선형적으로 변화함을 고려 할 때, 초유동화제를 가능한 소량 혼입하면 압축강도 발현에 있어서 긍정적인 효과를 발현한다는 것을 알 수 있었다.
한편, Series B의 배합들을 통해 초유동화제 혼입량에 따른 유동성 변화를 좀더 세부적으로 검토 할 수 있었는데, 그 결과 초유동화제 고용분의 혼입량을 시멘트 무게에 0.011에서 0.006까지 감소시킨 결과 유동성 자체에 대한 변화가 없었음을 확인 할 수 있었다. 즉, 시멘트, 실리카 미분말, 규사 등을 사용한 일반 UHPC에 반해, GGBFS, 바텀애시, REOS를 대량 치환한 친환경 UHPC는 분체의 입도 및 형상, 그리고 입자의 전기적 성질이 변화 하기 때문에 유동성이 증가하였고, 요구되는 초유동화제 혼입량이 감소하였다는 것이다.
후속연구
동시에 초유동화제량을 과잉 첨가한 경우에도 유동성 증가는 발생하지 않는 다는 것 역시 실험적으로 확인하였다. 따라서 이러한 초유동화제량의 감소를 통해 경제적인 UHPC의 생산이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초고성능 콘크리트란 어떤 특징을 가지는 구조인가?
초고성능 콘크리트(Ultra high performance concrete, UHPC)는 150 MPa 이상의 매우 높은 압축강도,1) 높은 연성,2) 내충격성,3,4) 및 높은 내구성5)을 가지는 고밀도 매트릭스 구조로 전 세계적으로 관심 받는 재료이다. 하지만 UHPC를 구성하는 재료들은 에너지 과소비 재료일 뿐만 아니라 높은 이산화탄소 배출량으로, 환경에 미치는 부정적 영향이 우려되는 건설재료이다.
GGBFS란?
본 논문의 UHPC 배합 설계에 사용된 산업부산물은 고로슬래그 미분말(Ground granulated blast-furnace slag, GGBFS), 급랭 산화슬래그 (Rapid-cooled, electric arc furnace oxidizing slag, REOS), 바텀애시(Coal bottom ash)이다. GGBFS는 용광로에서 선철(Pig iron) 제조 시 얻어지는 부산물로써 콘크리트를 구성하는 시멘트와 부분교체 되었을 때 환경적인 측면과 경제적인 측면에 긍정적인 영향을 기대할 수 있다 보고되고 있다. 또한 콘크리트의 공극률을 낮게 만들어 내구성을 향상 시키는 잠재수경성 재료로, 전 세계적으로 수년간 사용 되고 있는 콘크리트 재료이다.
초고성능 콘크리트를 구성하는 재료들은 어떤 문제점이 있는가?
초고성능 콘크리트(Ultra high performance concrete, UHPC)는 150 MPa 이상의 매우 높은 압축강도,1) 높은 연성,2) 내충격성,3,4) 및 높은 내구성5)을 가지는 고밀도 매트릭스 구조로 전 세계적으로 관심 받는 재료이다. 하지만 UHPC를 구성하는 재료들은 에너지 과소비 재료일 뿐만 아니라 높은 이산화탄소 배출량으로, 환경에 미치는 부정적 영향이 우려되는 건설재료이다. 특히 UHPC를 구성하는 재료 중 하나인 포틀랜드 시멘트는 연간 생산되는 양이 약 16억 톤으로 이산화탄소 전체 배출량의 7%를 차지하는 것으로 보고되었다.6,7)
또한, UHPC를 구성하는 재료 중 실리카 미분말 (Silica powder)와 규사(Silica sand)는 일반 콘크리트의 재료에 비해 상당히 고가의 재료들이다. 때문에 값비싼 UHPC는 구조물 일부분에 적용되는 등 사용이 제한적이며, 현재 실리카 미분말과 규사를 저가재료로 대체하기 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.10-15) 특히 Ahmad et al.
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