[논문]페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 응결시간 및 압축강도특성에 관한 실험적 연구

김영욱; 김도빈; 최세진

doi:10.5345/jkibc.2018.18.6.551

페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 응결시간 및 압축강도특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Setting Time and Compressive strength of Mortar using Ferronickel Slag Powder 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.18 no.6, 2018년, pp.551 - 558

김영욱 (Department of Architectural Engineering, Wonkwang University) , 김도빈 (Department of Architectural Engineering, Wonkwang University) , 최세진 (Department of Architectural Engineering, Wonkwang University)

초록
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본 연구에서는 페로니켈슬래그 미분말의 시멘트 대체재로서의 가능성을 평가하기 위하여 페로니켈슬래그 미분말 사용 모르타르의 압축강도 및 건조수축특성을 비교 분석하였다. 연구결과 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 경우 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 배합에 비해 미소수화열량이 낮게 나타났으며 모르타르 플로우는 상대적으로 다소 높은 것으로 나타났다. 또한 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 압축강도의 경우 초기 강도발현은 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와 유사하게 나타났으나 재령 28일에서는 상대적으로 낮은 압축강도를 발현하였다. 건조수축의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합에서 고로슬래그 미분말을 사용한 배합에 비해 낮은 건조수축값을 나타내었으며 플라이애시를 혼입한 배합의 건조수축과 유사하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluate the fluidity and hardening properties of mortar by replacement ratio of ferronickel slag powder to estimate the applicability of ferronickel slag powder for cement replacement materials. Ferronickel slag powder was replaced by 0, 5, 10, 15 and 20% of the cement weight. In addition, blast furnace slag powder and fly ash were also used for comparing with the mixtures using ferronickel slag powder. As the test results, the micro-hydration heat of the mixture containing the ferronickel slag powder was lower than that of the mixtures containing the same amount of blast furnace slag powder and fly ash. The flow of the sample with ferronickel slag powder was relatively higher than the other mixtures. In all ages, the compressive strength of the mixture with ferronickel slag powder and fly ash was similar to that of the mix containing only fly ash. In case of drying shrinkage, the mixture containing ferronickel slag powder exhibited lower drying shrinkage than the mixture using blast furnace slag powder, and similar to the mixture containing fly ash.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Ferronickel slag
그림 Figure 2. SEM image of ferronickel slag powder
표 Table 2. Mix proportions and Test plan
표 Table 1. Chemical composition of powders
그림 Figure 3. Multi micro calorimeter
그림 Figure 4. Demec strain gauge
표 Table 3. Test result
그림 Figure 5. 72 hours maximum microhydration heat
그림 Figure 6. Mortar flow (Series I)
그림 Figure 7. Mortar flow (Series II)
그림 Figure 8. Setting time (Series I)
그림 Figure 9. Setting time (Series II)
그림 Figure 10. Compressive strength (Series I)
그림 Figure 11. Compressive strength (Series II)
그림 Figure 12. Drying shrinkage (Series I)
그림 Figure 13. Drying shrinkage (Series II)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 최근 발생량이 증가하고 있는 철강산업부산물인 페로니켈슬래그의 건설생산현장에서의 재활용율을 높이기 위한 연구의 일환으로 페로니켈슬래그 미분말의 시멘트 대체재로서의 가능성을 검토하기 위하여 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 미소수화열, 유동성, 응결시간, 압축강도 및 건조수축특성을 비교·분석하였다.
본 연구에서는 페로니켈슬래그 미분말의 시멘트 대체재로서의 가능성을 평가하기 위하여 페로니켈슬래그 미분말 사용 모르타르의 압축강도 및 건조수축특성을 비교·분석하였다. 연구결과 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 경우 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 배합에 비해 미소수화열량이 낮게 나타났으며 모르타르 플로우는 상대적으로 다소 높은 것으로 나타났다.

제안 방법

Table 2는 본 연구의 실험계획을 나타낸 것으로 두 개의 Series로 구분하여 실험을 진행하였다. SeriesⅠ은 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 특성을 비교·검토하기 위하여 페로니켈슬래그 미분말을 단위시멘트량에 대하여 0, 5, 10, 15, 20% 대체한 모르타르에 대하여 실험을 진행하였다. 또한 SeriesⅡ에서는 현재 가장 많이 사용되고 있는 콘크리트용 혼화재인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와의 비교·검토를 위하여 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 단위시멘트량에 대해 15% 대체한 모르타르 배합에 대하여 실험을 진행하였다.
또한 SeriesⅡ에서는 현재 가장 많이 사용되고 있는 콘크리트용 혼화재인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와의 비교·검토를 위하여 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 단위시멘트량에 대해 15% 대체한 모르타르 배합에 대하여 실험을 진행하였다. 또한 3성분계로서 플라이애시와의 혼용성을 검토하기 위하여 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 단위시멘트량에 대하여 각 7.5%씩 대체한 배합(FN-FA)에 대해서도 실험을 진행하였다. 각 배합은 콘크리트 배합을 기준으로 모르타르 실험을 위해 콘크리트 배합에서 굵은골재를 제외한 배합에 대하여 실험을 진행하였다.
본 연구는 페로니켈슬래그의 재활용율을 높이기 위한 연구의 일환으로 페로니켈슬래그 미분말의 시멘트 대체 가능성을 평가하기 위해 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 미소수화열, 유동성, 응결시간, 압축강도 및 건조수축특성을 비교·분석한 것으로 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 결합재는 시멘트의 경우 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 시멘트 대체재로서 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 3종 및 플라이애시 2종이 사용되었다. 페로니켈슬래그 미분말은 국내 P사에서 부산물로 발생된 페로니켈슬래그 잔골재를 ball-mill을 사용하여 분말도 3,500cm²/g 수준으로 자체 분쇄한 것을 사용하였으며 사용재료의 화학적 특성 및 페로니켈슬래그의 성상은 Table 1 및 Figure 1에 나타내었다.
본 연구에 사용된 결합재는 시멘트의 경우 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 시멘트 대체재로서 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 3종 및 플라이애시 2종이 사용되었다. 페로니켈슬래그 미분말은 국내 P사에서 부산물로 발생된 페로니켈슬래그 잔골재를 ball-mill을 사용하여 분말도 3,500cm²/g 수준으로 자체 분쇄한 것을 사용하였으며 사용재료의 화학적 특성 및 페로니켈슬래그의 성상은 Table 1 및 Figure 1에 나타내었다. Figure 2는 페로니켈 슬래그 미분말의 SEM성상을 나타낸 것으로 분쇄과정을 거쳐 불규칙한 입형을 나타내고 있다.

이론/모형

모르타르 플로우 및 압축강도는 KS L 5105 수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험방법에 준하여 측정하였으며 응결시간은 KS F5102 수경성 시멘트의 표준 주도 시험방법에 준하여 비카침을 이용한 모르타르의 응결시간을 측정하였다. 건조수축은 KS F 2424[10] 모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법 규정에 준하여 Figure 4와 같은 컨텍트 게이지를 사용하여 측정하였다.
미소수화열의 경우 Figure 3과 같은 미소수화열 측정장비(Multi micro calorimeter)를 사용하여 시험체를 제작한 후 72시간 동안 누적 수화열을 측정하였다. 모르타르 플로우 및 압축강도는 KS L 5105 수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험방법에 준하여 측정하였으며 응결시간은 KS F5102 수경성 시멘트의 표준 주도 시험방법에 준하여 비카침을 이용한 모르타르의 응결시간을 측정하였다. 건조수축은 KS F 2424[10] 모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법 규정에 준하여 Figure 4와 같은 컨텍트 게이지를 사용하여 측정하였다.
모르타르 플로우, 응결시간, 압축강도, 건조수축 등 각종 모르타르 시험은 KS 시험방법에 준하여 실시하였다.

성능/효과

1) 페로니켈슬래그 미분말을 10% 사용시 미소수화열량이 약 10% 감소하는 것으로 나타났으며 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 혼입한 배합에 비해 낮게 나타났다.
2) 모르타르 플로우의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합에서 상대적으로 높은 플로우값을 나타내었으며 응결시간은 대체적으로 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 경우 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 경우에 비하여 빠른 응결시간을 나타내었다.
3) 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 초기 강도발현은 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와 유사하게 나타났다. 특히 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 함께 사용한 배합의 재령 28일 압축강도가 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용한 배합에 비해 상대적으로 높게 발현함으로서 압축강도 발현 측면에서 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용하는 것 보다 플라이애시와 함께 3성분계 배합으로 사용하는 것이상대적으로 유리한 것으로 나타났다.
4) 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 건조수축량은 페로니켈슬래그 미분말을 15% 혼입한 FN15배합에서 상대적으로 가장 낮게 나타났으며, 고로슬래그 미분말을 사용한 배합에 비해 페로니켈슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 배합에서 상대적으로 낮은 건조수축량을 나타났다.
5) 본 연구 결과 페로니켈슬래그 미분말을 시멘트 대체재로서 사용할 경우 시멘트 경화체의 수화열 저감 및 건조수축 저감에 효과가 있는 것으로 나타났으며 강도발현 및 건조수축특성을 고려할 경우 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용하는 것 보다는 플라이애시와 혼합사용하는 것이 상대적으로 유리한 것으로 나타났다. 향후 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 2·3성분계 시멘트 경화체의 강도발현과 관련한 수화특성 및 미세구조 특성 분석 등의 추가연구가 필요할 것으로 사료된다.
재령 28일의 경우 시멘트 단독 사용한 C100배합과 고로슬래그 미분말을 사용한 BS15배합에서 약 39MPa로서 가장 높은 압축강도를 발현하였으며 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 FN15배합의 경우 C100배합에 비해 약 20% 낮은 압축강도를 발현하고 있다. 또한 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 각각 7.5%씩 혼입한 FN-FA배합의 경우 모든 재령에서 플라이애시를 15% 혼입한 FA15배합과 유사한 압축강도를 발현하고 있으며, 특히 재령 28일 압축강도의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용한 FN15배합보다 약 15% 높은 압축강도를 나타내고 있어 압축강도 발현 측면에서 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용하는 것 보다 플라이애시와 함께 3성분계 배합으로 사용하는 것이 상대적으로 유리할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 페로니켈슬래그 미분말의 시멘트 대체재로서의 가능성을 평가하기 위하여 페로니켈슬래그 미분말 사용 모르타르의 압축강도 및 건조수축특성을 비교·분석하였다. 연구결과 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 경우 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 배합에 비해 미소수화열량이 낮게 나타났으며 모르타르 플로우는 상대적으로 다소 높은 것으로 나타났다. 또한 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 압축강도의 경우 초기 강도발현은 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와 유사하게 나타났으나 재령 28일에서는 상대적으로 낮은 압축강도를 발현하였다.
3) 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 초기 강도발현은 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와 유사하게 나타났다. 특히 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 함께 사용한 배합의 재령 28일 압축강도가 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용한 배합에 비해 상대적으로 높게 발현함으로서 압축강도 발현 측면에서 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용하는 것 보다 플라이애시와 함께 3성분계 배합으로 사용하는 것이상대적으로 유리한 것으로 나타났다.

후속연구

5) 본 연구 결과 페로니켈슬래그 미분말을 시멘트 대체재로서 사용할 경우 시멘트 경화체의 수화열 저감 및 건조수축 저감에 효과가 있는 것으로 나타났으며 강도발현 및 건조수축특성을 고려할 경우 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용하는 것 보다는 플라이애시와 혼합사용하는 것이 상대적으로 유리한 것으로 나타났다. 향후 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 2·3성분계 시멘트 경화체의 강도발현과 관련한 수화특성 및 미세구조 특성 분석 등의 추가연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 초기 강도발현을 측정한 결과는 무엇인가?	3) 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 모르타르의 초기 강도발현은 고로슬래그 미분말 및 플라이애시와 유사하게 나타났다. 특히 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 함께 사용한 배합의 재령 28일 압축강도가 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용한 배합에 비해 상대적으로 높게 발현함으로서 압축강도 발현 측면에서 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용하는 것 보다 플라이애시와 함께 3성분계 배합으로 사용하는 것이상대적으로 유리한 것으로 나타났다.
	페로니켈슬래그란 무엇인가?	최근 국내에서도 스테인리스의 주원료인 니켈 확보를 위한 페로니켈 생산체제가 갖추어짐에 따라 연간 200만톤 이상의 페로니켈슬래그가 부산물로서 발생하고 있는 실정이다. 페로니켈슬래그는 페로니켈의 용해 및 제련 시에 발생되는 부산물로 니켈 1톤 생산 시 약 30톤의 페로니켈슬래그가 발생되고 있으며 니켈과 철의 비율이 약 2:8로 이루어져 있다. 일반적으로 페로니켈슬래그는 냉각방식에 따라 공랭시켜 생산되는 괴재 페로니켈슬래그와 물을 분사하여 급랭시켜 생산되는 수쇄 페로니켈슬래그로 분류되어 콘크리트용 골재로서의 연구 및 활용이 진행되고 있다[1,2,3,4,5].
	페로니켈슬래그의 냉각 방식에 따른 분류는 무엇인가?	페로니켈슬래그는 페로니켈의 용해 및 제련 시에 발생되는 부산물로 니켈 1톤 생산 시 약 30톤의 페로니켈슬래그가 발생되고 있으며 니켈과 철의 비율이 약 2:8로 이루어져 있다. 일반적으로 페로니켈슬래그는 냉각방식에 따라 공랭시켜 생산되는 괴재 페로니켈슬래그와 물을 분사하여 급랭시켜 생산되는 수쇄 페로니켈슬래그로 분류되어 콘크리트용 골재로서의 연구 및 활용이 진행되고 있다[1,2,3,4,5]. 페로니켈슬래그의 주성분은 SiO2와 MgO 등으로 이루어져 있으며 이중 MgO의 경우 콘크리트의 팽창에 기여하지 않는 것으로 파악되고 있으며[6] 또한 기존 연구문헌에서도 페로니켈슬래그 혼입 콘크리트의 팽창성은 나타나지 않은 것으로 보고되고 있다[7].

참고문헌 (10)

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Saha AK, Sarker PK. Sustainable use of ferronickel slag fine aggregate and fly ash in structural concrete mechanical properties and leaching study. Journal of Cleaner Production. 2017 Sep;162:438-48.

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Choi YW, Park MS, Bae SH, Lee HH, Jo BS. Properties of water granulated ferro-nickel slag as fine aggregate for concrete. Proceedings of Korean Society of Civil Engineers; 2010 Sep 20-22; Incheon, Korea. Seoul (Korea): Korean Society of Civil Engineers; 2010. p. 1462-5.
Choi YW, Park MS, Oh SR, Lee GM, Kim JS, Cho BS. Evaluation of field applicability of concrete using water granulated ferro-nickel slag for fine aggregate. Proceeding of Korea Concrete Institute. 2010 Nov 5-6; Gangchon, Korea. Seoul (Korea): Korea Concrete Institute; 2010. p. 217-8.
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Saha AK, Sarker PK. Expansion due to alkali-silica reaction of ferronickel slag fine aggregate in OPC and blended cement mortars. Construction and Building Materials. 2016 Oct;123:135-42.

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Rahman HM, Sarker PK, Shaikh FUA, Saha AK. Soundness and compressive strength of Portland cement blended with ground granulated ferronickel slag. Construction and Building Materials. 2017 Jun;140:194-202.

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Lee CH. The status of construction recycling resources in global ferronickel slag market. Magazine of Korean Recycled Construction Resources Institute. 2017 Sep;12(3):54-8.
KS F 2424. Standard test method length change of mortar and concrete. Seoul(Korea); 2015. 10 p.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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