동슬래그 및 제강슬래그의 해양 콘크리트용 중량 골재 사용성 평가 Evaluation on Applicability of Copper and Steelmaking Slags for Use of Heavy Weight Aggregates in Marine Concrete Structure원문보기
중량 콘크리트는 고파랑에 대한 저항성 상승을 위해 해양 구조물에 사용될 수 있다. 그러나 중량 콘크리트를 제조하기 위해 필수적인 재료인 중량 골재는 대량 공급이 어려우며, 고가이므로 사용이 제한되고 있다. 따라서 본 연구에서는 산업부산물인 동슬래그 및 제강슬래그의 해양 콘크리트용 중량 골재로써 활용성을 평가하였다. 실험 결과 동슬래그는 수침팽창 및 알칼리 실리카반응성이 안정적인 것으로 나타나 해양 콘크리트용 중량 골재로서 활용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 제강슬래그는 수침팽창 및 ASTM C 1260 시험에서 높은 팽창율을 보였다. 또한 콘크리트 내 제강슬래그가 위치한 곳에서 염화물 이온이 깊게 침투한 것이 발견되었다. 따라서 제강슬래그는 해양 콘크리트 구조물의 골재로서는 부적합한 것으로 사료된다.
중량 콘크리트는 고파랑에 대한 저항성 상승을 위해 해양 구조물에 사용될 수 있다. 그러나 중량 콘크리트를 제조하기 위해 필수적인 재료인 중량 골재는 대량 공급이 어려우며, 고가이므로 사용이 제한되고 있다. 따라서 본 연구에서는 산업부산물인 동슬래그 및 제강슬래그의 해양 콘크리트용 중량 골재로써 활용성을 평가하였다. 실험 결과 동슬래그는 수침팽창 및 알칼리 실리카반응성이 안정적인 것으로 나타나 해양 콘크리트용 중량 골재로서 활용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 제강슬래그는 수침팽창 및 ASTM C 1260 시험에서 높은 팽창율을 보였다. 또한 콘크리트 내 제강슬래그가 위치한 곳에서 염화물 이온이 깊게 침투한 것이 발견되었다. 따라서 제강슬래그는 해양 콘크리트 구조물의 골재로서는 부적합한 것으로 사료된다.
Heavy weight concrete can be used in marine concrete structure to improve resistance against high wave energy. However, heavy weight aggregate, which is an indispensable material for heavy weight concrete, is difficult to be supplied in large quantities because its use is limited due to its high cos...
Heavy weight concrete can be used in marine concrete structure to improve resistance against high wave energy. However, heavy weight aggregate, which is an indispensable material for heavy weight concrete, is difficult to be supplied in large quantities because its use is limited due to its high cost. In this work, the applicability of heavy weight by-products, copper and 3 month aged steelmaking slags, were evaluated as sources of heavy weight aggregate for marine concrete structures. Experimental results showed that copper slag was found to be a stable material for marine concrete structure. However, 3 month aged steelmaking slag showed significant expansion by $80^{\circ}$ water immersion test and ASTM C 1260 test. In addition, depth of chloride ion penetration in concrete was higher at which steelmaking slags were located. It was associated with porosity of steelmaking slag, and for this reason, steelmaking slag was not found to be suitable for marine concrete structure.
Heavy weight concrete can be used in marine concrete structure to improve resistance against high wave energy. However, heavy weight aggregate, which is an indispensable material for heavy weight concrete, is difficult to be supplied in large quantities because its use is limited due to its high cost. In this work, the applicability of heavy weight by-products, copper and 3 month aged steelmaking slags, were evaluated as sources of heavy weight aggregate for marine concrete structures. Experimental results showed that copper slag was found to be a stable material for marine concrete structure. However, 3 month aged steelmaking slag showed significant expansion by $80^{\circ}$ water immersion test and ASTM C 1260 test. In addition, depth of chloride ion penetration in concrete was higher at which steelmaking slags were located. It was associated with porosity of steelmaking slag, and for this reason, steelmaking slag was not found to be suitable for marine concrete structure.
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문제 정의
그러나 해당 골재의 안정성 및 사용성에 대한 연구결과 및 자료의 부족으로 적극적인 재활용이 이루어지지 않고 있다. 그러나 KSF 2527에서 규정된 동슬래그 및 제강슬래그의 경우 밀도가 3.0g/cm3을 초과하므로 해양 구조물용 중량 골재로서의 활용성이 존재하므로 본 연구에서 그 활용성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 산업부산물을 100% 골재로 사용한 중량 콘크리트의 개발을 위하여 동슬래그 및 제강슬래그의 활용성을 평가하고자 하였다. 동슬래그 및 제강슬래그의 광물학적인 성상을 확인하기 위하여 X-ray 회절분석을 진행하였으며, 이러한 골재의 화학적 안정성 평가를 위하여 80°C 수중에서의 수침팽창시험 및 80°C 1M NaOH 용액에서의 알칼리 골재 반응성 평가를 진행하였다.
동슬래그 및 제강슬래그의 광물학적인 성상을 확인하기 위하여 X-ray 회절분석을 진행하였으며, 이러한 골재의 화학적 안정성 평가를 위하여 80°C 수중에서의 수침팽창시험 및 80°C 1M NaOH 용액에서의 알칼리 골재 반응성 평가를 진행하였다. 최종적으로 잔골재, 굵은골재를 동슬래그 및 제강슬래그로 치환한 콘크리트의 강도특성 및 염소이온 침투저항성을 측정하여 해양구조물용 중량콘크리트로의 사용성을 확인하고자 한다.
가설 설정
88kg/m3으로 나타났다. C-R의 단위용적질량 감소는 밀도 3.15g/cm3인 시멘트의 일부가 밀도 2.9g/cm3의 슬래그 및 밀도 2.1g/cm3의 실리카퓸으로 치환되었기 때문이다.
제안 방법
동슬래그 및 제강슬래그 골재의 반응으로 인한 팽창정도 및 안정성을 측정하기 위하여 80°C 수중에 모르타르 시험체를 침지시켜 길이 및 형상변화를 관찰하였다. 이는 free CaO 및 MgO의 수화반응에 의한 portlandite 및 brucite의 생성을 촉진시켜 이로 인해 발생되는 팽창균열을 확인하기 위함이다.
동슬래그 및 제강슬래그 골재의 화학적 안정성 평가를 위한 모르타르 시험체 배합을 위하여 Table 2에 나타난 ASTM C 1260에서 규정된 잔골재의 입도에 맞추어 모르타르 시험체를 제작하였다. 모르타르 시험체의 배합비는 Table 3에 정리하였다.
본 연구에서는 산업부산물을 100% 골재로 사용한 중량 콘크리트의 개발을 위하여 동슬래그 및 제강슬래그의 활용성을 평가하고자 하였다. 동슬래그 및 제강슬래그의 광물학적인 성상을 확인하기 위하여 X-ray 회절분석을 진행하였으며, 이러한 골재의 화학적 안정성 평가를 위하여 80°C 수중에서의 수침팽창시험 및 80°C 1M NaOH 용액에서의 알칼리 골재 반응성 평가를 진행하였다. 최종적으로 잔골재, 굵은골재를 동슬래그 및 제강슬래그로 치환한 콘크리트의 강도특성 및 염소이온 침투저항성을 측정하여 해양구조물용 중량콘크리트로의 사용성을 확인하고자 한다.
대상 데이터
제강슬래그는 국내에서 생산된 것이며, 3개월간 대기중에서 에이징 처리를 거친 것을 사용하였다. 본 연구에 사용된 제강슬래그는 전로슬래그 90%, 전기로산화슬래그 10%가 혼입되었으며, KSF 2535 규준을 만족하는 것이다. 콘크리트용 굵은골재로 사용하기 위하여 최대크기 25mm 이하로 파쇄된 것을 사용하였으며, 표준입도곡선내에 분포하도록 입도를 조절하였다.
제강슬래그는 국내에서 생산된 것이며, 3개월간 대기중에서 에이징 처리를 거친 것을 사용하였다. 본 연구에 사용된 제강슬래그는 전로슬래그 90%, 전기로산화슬래그 10%가 혼입되었으며, KSF 2535 규준을 만족하는 것이다.
콘크리트 배합, 수침팽창시험 및 알칼리 골재반응 시험을 위해 사용된 시멘트는 KS L 5201 규준을 따르는 쌍용양회사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며 화학적 조성은 Table 1과 같다.
데이터처리
동슬래그 및 제강슬래그의 화학적 성분을 파악하기 위하여 XRF(X-ray fluorescence spectrometer, Shimadzu, Japan, XRF-1700) 분석을 진행하고, 각각의 광물학적 성상을 확인하기 위하여 XRD(X-ray diffractometer, Rigaku, Japan, Ultima Ⅳ) 분석을 하였다.
이론/모형
이는 free CaO 및 MgO의 수화반응에 의한 portlandite 및 brucite의 생성을 촉진시켜 이로 인해 발생되는 팽창균열을 확인하기 위함이다. 또한 상당한 비결정성을 가지는 해당 골재들의 알칼리골재 반응성을 확인하기 위하여 ASTM C 1260(American Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates, Mortar-Bar Method)에 의거하여 80°C의 1M NaOH 용액에 모르타르 시험체를 침지시킨 후 시간에 따른 길이변화를 관찰하였다.
이후 27일간 포화된 수산화칼슘 용액에 침지하여 양생하였다. 압축강도의 측정은 재령 28일에 이루어졌으며, KS F 2405에 따라 전동식 압축강도 시험기(S1 industry Co., Korea, S1-1471D)를 사용하여 측정하였다.
콘크리트의 염해 저항성은 NT Build 492(Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments)평가 방법을 사용하였다. 원주형 실린더 시험체를 ∅100mm × 50mm 크기로 절단하여 각 절단면을 0.
성능/효과
2. NT Build 492를 통한 염해 저항성 평가결과 슬래그 10% 및 실리카퓸 5%을 치환한 배합에서 염해 저항성이 상승하는 것으로 나타났다.
3. 콘크리트 염소이온 침투시험 결과 다공성의 제강슬래그가 위치한 면을 따라 염화물의 침투깊이가 변화함을 확인하였다.
4. 동슬래그는 해양구조물용 중량콘크리트의 골재로써 활용성이 존재하나, 제강슬래그는 특유의 다공성으로 인하여 염소이온의 확산을 초래하여 해양구조물용 중량골재로 활용하기에는 부적합한 것으로 나타났다.
80°C의 수침 및 1M NaOH 용액에서 실시한 길이변화시험 결과에 의하면 동슬래그는 화학적 안정성이 제강슬래그 골재보다도 뛰어나며, 다소간 존재하는 것으로 나타난 MgO의 반응이 유해한 균열이나 팽창을 발생시키지 않는 것으로 나타났다. 또한 비결정성 실리카 성분에 의한 알칼리 골재 반응이 유해한 수준으로 발전하지 않는 것을 확인하였다.
11m2/s로 나타났다. C-R 시험체의 염화물 확산계수는 plain 시험체의 절반이하 수준으로 나타났으며, 이는 슬래그 및 실리카퓸의 혼입이 콘크리트의 내염해성에 크게 기여할 수 있음을 의미한다.
동슬래그는 5mm 이하의 입도를 가지는 것을 사용하였으며, 3.43g/cm3의 겉보기밀도를 가지는 것으로 나타났다. 그러나 Fig.
2016). 동슬래그는 밀도가 약 3.4g/cm3 정도이며, 일반 잔골재보다 다소 굵은 입도를 가지는 것으로 알려져 있어 해양 구조물용 중량 잔골재로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다. 제강슬래그의 경우 연간 약 600만톤이 생산되며 밀도는 3.
배합설계 상 콘크리트의 단위용적 중량은 Plain 2.90kg/m3, C-R 2.88kg/m3으로 나타났다. C-R의 단위용적질량 감소는 밀도 3.
3은 제강슬래그의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 제강슬래그의 XRD 패턴은 동슬래그보다는 결정성이 높으며, 다양한 형태의 광물상을 함유하고 있는 것으로 나타났다. portlandite는 3개월간의 aging 결과로 CaO가 수분과 반응하여 생성된 것으로 보이며, 이의 중성화 반응으로 calcite가 생성된 것을 확인할 수 있다.
측정 결과 제강슬래그 시험체의 경우 규준에서 제시하는 14일 이내에는 팽창율이 0.1%을 넘지 않는 것으로 나타났다. 그러나 팽창율이 지속적으로 상승하는 경향이 나타났으며, 추가적으로 길이변화 측정을 실시한 결과 18일 경과 시 팽창률이 0.
후속연구
또한 기존 논문들의 결과에 따르면, 제강슬래그의 경우 에이징 처리 정도 및 방법에 따라서도 팽창반응에 유의미한 차이를 보일 수 있다고 보고되었다. 따라서 이러한 점들을 고려할 때, 본 논문에서 도출된 결과에 따라 제강슬래그를 콘크리트용 골재로 사용할 수 없다고 단언하기는 어려울 것으로 사료된다. 그러나 현재까지 개발된 기술 수준으로는 제강슬래그를 콘크리트용 골재로 활용하기에는 골재의 안정성 측면에서 위험할 것으로 생각된다.
그러나 현재까지 개발된 기술 수준으로는 제강슬래그를 콘크리트용 골재로 활용하기에는 골재의 안정성 측면에서 위험할 것으로 생각된다. 따라서 이를 활용하기 위해서는 유해한 팽창을 일으킬 수 있는 자유 금속산화물(free oxide; 여기서는 CaO 및 MgO)의 양을 정량적으로 평가할 수 있는 시험방법을 개발하고, 에이징 과정에 대한 규준을 설립하여 재료의 안정성에 대한 충분한 신뢰도를 우선적으로 확보해야 할 것으로 사료된다.
따라서 동슬래그의 경우 콘크리트용 골재로 사용하여도 콘크리트의 안정성에 큰 문제가 발생하지 않을 것으로 판단된다. 이는 추후 연구에서 장기간의 알칼리 용액 침지 시험을 통해 더욱 명확하게 증명 할 필요성이 있다.
제강슬래그를 콘크리트용 골재로 사용할 시에는 내부에 존재하는 periclase의 반응으로 인한 팽창 균열을 항상 염두에 두고 이를 억제할 방안이 수립되어야 할 것으로 판단된다. 이는 3개월간 에이징 처리된 제강슬래그를 콘크리트용 골재로 사용한 본 연구에서의 실험 결과가 콘크리트의 안정성에 문제가 발생할 가능성이 높은 것으로 나타났기 때문이다.
10(b)와 같이 다량의 공극을 가지는 제강슬래그의 특성으로 인한 것으로 판단된다. 특히 골재 내부의 철 성분의 혼입은 해양환경에 노출 시 부식의 문제를 초래할 수 있기 때문에 더욱 위험할 수 있어 해양 환경에 노출 시 각별한 주의가 필요할 것으로 판단된다.
이외에도 quartz, periclase와 같은 광물로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 특히 미량의 periclase가 미반응 상태로 여전히 존재함을 확인할 수 있는데, 이는 이후 brucite의 형성으로 인하여 팽창균열을 발생시킬 수 있기 때문에 동슬래그 골재를 콘크리트에 활용할 시 주의를 기울일 필요성이 있다. 또한 동슬래그의 경우 완만한 형태의 amorphous band가 2θ 회절각 20~40° 사이에서 분포하는 것을 알 수 있는데, 이는 동슬래그의 상당량이 비결정질로 구성되어 있음을 알 수 있는 부분이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중량 콘크리트를 테트라포드와 같은 수중 구조물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있는 이유는?
2014). 그러나 중량 콘크리트는 높은 단위용 적중량을 가지므로 태풍과 같은 상황에서 발생하는 높은 파랑에너지에 대해 보다 효율적인 대응이 가능하다. 이러한 이유로 중량 콘크리트를 테트라포드와 같은 수중 구조물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다(Lee et al.
일반적으로 중량 콘크리트는 어디에 사용되는가?
일반적으로 중량 콘크리트는 x-선과 r-선 등의 방사선을 차폐하기 위한 구조물에 주로 사용되는 것으로 알려져 있다(Yang et al. 2012; Lee et al.
중량 콘크리트를 제조하는 대표적인 방법은?
일반적으로 중량 콘크리트를 제조하는 대표적인 방법은 굵은골재인 쇄석을 고밀도의 중량 골재로 치환하는 것이다. 대표적인 중량골재로는 자철석, 갈철석, 중정석 등이 사용되고 있다(Mun et al.
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