산업부산물의 활성분체 및 세라믹섬유 혼입 콘크리트의 재료성능 평가 Material Performance Evaluation of Ceramic Fiber Reinforced Concrete using Energetically Modified Industrial By-products원문보기
한국은 1960년대부터 경제개발의 일환으로 사회기반시설, 공업단지 등이 활발히 건설되었으며 이로 인해 현재까지 산업화가 급격히 이루어졌다. 하지만 산업화에 따라 발생하는 산업부산물 또는 폐기물의 발생량이 점차 증가하고 있다. 일부 산업부산물은 재활용되고 있지만 대부분의 폐기물은 매립되는 실정이다. 이에 따라 산업폐기물 처리를 위한 다양한 방안이 검토되고 있으나 경제성과 환경성을 고려한 기술은 구축되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 제지산업과 화력발전산업에서 발생하는 제지애시, 플라이애시를 활성화하여 적용한 활성분체와 세라믹섬유를 동시 혼입한 콘크리트의 재료성능을 검토하고자 한다. 애시를 분쇄과정에서 활성화시켜 수화도를 높여 물성을 향상시켰으며 동시에 콘크리트의 균열 저감을 위해 세라믹섬유를 동시 혼입하였다. 활성분체 및 세라믹섬유의 재료성능을 검증하기 위하여 KS 규격에 의거하여 원주형 콘크리트 공시체를 제작하였으며 슬럼프 및 재령 28일 압축강도를 측정하였다. 활성분체 플라이애시 20%, 제지애시 10% 혼입 콘크리트에서 활성분체 무혼입 콘크리트 압축강도의 90% 이상으로 나타난 것으로 확인하였다.
한국은 1960년대부터 경제개발의 일환으로 사회기반시설, 공업단지 등이 활발히 건설되었으며 이로 인해 현재까지 산업화가 급격히 이루어졌다. 하지만 산업화에 따라 발생하는 산업부산물 또는 폐기물의 발생량이 점차 증가하고 있다. 일부 산업부산물은 재활용되고 있지만 대부분의 폐기물은 매립되는 실정이다. 이에 따라 산업폐기물 처리를 위한 다양한 방안이 검토되고 있으나 경제성과 환경성을 고려한 기술은 구축되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 제지산업과 화력발전산업에서 발생하는 제지애시, 플라이애시를 활성화하여 적용한 활성분체와 세라믹섬유를 동시 혼입한 콘크리트의 재료성능을 검토하고자 한다. 애시를 분쇄과정에서 활성화시켜 수화도를 높여 물성을 향상시켰으며 동시에 콘크리트의 균열 저감을 위해 세라믹섬유를 동시 혼입하였다. 활성분체 및 세라믹섬유의 재료성능을 검증하기 위하여 KS 규격에 의거하여 원주형 콘크리트 공시체를 제작하였으며 슬럼프 및 재령 28일 압축강도를 측정하였다. 활성분체 플라이애시 20%, 제지애시 10% 혼입 콘크리트에서 활성분체 무혼입 콘크리트 압축강도의 90% 이상으로 나타난 것으로 확인하였다.
Social infrastructures and industrial complexes have been actively constructed in South Korea since the 1960 s as part of the economic development plan, resulting in rapid industrialization. However, side-effects due to the industrialization have occurred. An increase in industrial by-products or wa...
Social infrastructures and industrial complexes have been actively constructed in South Korea since the 1960 s as part of the economic development plan, resulting in rapid industrialization. However, side-effects due to the industrialization have occurred. An increase in industrial by-products or wastes is a typical problem. Although some industrial by-products are recycled in Korea as well as worldwide, some wastes are landfilled or dumped in the sea. Although many researchers have executed various technologies for the disposal of industrial wastes, economic and environmental technologies have not been developed. Thus, this study aims to activate paper and fly ashes during the crush process to overcome the drawback of simple concrete mixed with paper and fly ashes, which cause a reduction in workability and strength, derive an optimal content and replacement ratio of concretes mixed with Energetically Modified Material (EMM), and evaluate the material performance. In addition, the basalt fiber is mixed simultaneously to achieve the reduction of cracks and improve the tensile strength.
Social infrastructures and industrial complexes have been actively constructed in South Korea since the 1960 s as part of the economic development plan, resulting in rapid industrialization. However, side-effects due to the industrialization have occurred. An increase in industrial by-products or wastes is a typical problem. Although some industrial by-products are recycled in Korea as well as worldwide, some wastes are landfilled or dumped in the sea. Although many researchers have executed various technologies for the disposal of industrial wastes, economic and environmental technologies have not been developed. Thus, this study aims to activate paper and fly ashes during the crush process to overcome the drawback of simple concrete mixed with paper and fly ashes, which cause a reduction in workability and strength, derive an optimal content and replacement ratio of concretes mixed with Energetically Modified Material (EMM), and evaluate the material performance. In addition, the basalt fiber is mixed simultaneously to achieve the reduction of cracks and improve the tensile strength.
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문제 정의
9%까지 발현할 수 있으므로 콘크리트의 균열 제어성능과 인장능력을 효과적으로 증가시키며 콘크리트와의 접착성 또한 우수한 것으로 판단된다. 강섬유, 플라스틱섬유 혼입 콘크리트와 비교했을 때 환경성능과 인장성능을 동시에 고려할 수 있으므로 본 연구의 재료가 우수하다고 판단된다.
따라서 본 연구에서는 강도 저하와 작업성 감소를 야기하는 제지애시 및 플라이애시 단순 혼입 콘크리트의 단점을 극복하고자 제지애시 및 플라이애시를 분쇄과정에서 활성화시키고 활성분체를 혼합한 콘크리트의 최적 배합비와 치환율을 도출하고 재료성능을 평가하는 것이다. 또한, 동시에 인장강도를 향상시키고 균열 저감을 도출하기 위해서 현무암섬유를 동시 혼입하였다.
본 연구에서 사용한 제지애시는 분쇄하여 제지애시의 흡습성을 줄이고 작업성을 높이기 위하여 ball mill로 분쇄하고 무수석고를 혼입한 것이다. 특히, 제지애시는 주요 구성 성분이 CaO, SiO2 및 Al2O3으로 구성되어 있어 초기 흡습성이 매우 높으므로 조기강도 증진 및 경제성 효과를 획득하기에 충분한 것으로 알려져 있어 플라이애시와는 다르게 재령 3일 압축강도에서 치환율 10%, 20%에서 각 16.
본 연구에서는 활성분체 플라이애시, 제지애시 및 현무암섬유 혼입 콘크리트의 작업성, 강도, 균열특성을 평가하기 위하여 슬럼프, 공기량, 압축강도, 인장강도 실험을 수행하였으며 이를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
4%로 혼입하였다. 또한, 물/바인더비를 55%로 고정하였으며. 본 연구에서 사용한 활성분체 혼입 콘크리트의 배합비는 아래 Table 3에 나타내었다.
본 연구에서 사용한 활성분체 혼입 콘크리트의 배합비는 아래 Table 3에 나타내었다. 또한, 본 연구에서 선정한 양생 방법은 실제 현장 적용을 위해 기건양생으로 선정하였으며, 전자는 공시체 탈형 후 20℃, 60% 상대습도의 조건에 노출시켜 양생기간에 따른 강도 발현을 검토하였다.
압축강도 시험을 위한 대상 부재로는 KS F 2403 (콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법)에 의한 활성분체 및 세라믹섬유 혼입 27 MPa의 설계기준강도로 선정하여 콘크리트의 원주형 공시체를 제작하여, 재령 28일 압축강도를 측정한다. 또한, 적절한 유동성 발현을 위해 목표 슬럼프로 150 - 180 mm 선정하여 활성분체와 세라믹섬유의 최적 혼입 조건을 도출한다.
AE제의 물리적 특성은 Table 2와 같다. 배합설계는 일반적으로 PC 패널의 27 MPa 압축 강도를 기준으로 하여 배합비를 선정한 후, 활성분체를 시멘트 중량비 대비 각 0, 10, 20%로 3수준으로 혼입하여 배합하였으며 섬유 혼입율에 따른 인장성능 평가를 위하여 현무암섬유를 각 0.2, 0.4%로 혼입하였다. 또한, 물/바인더비를 55%로 고정하였으며.
본 연구에서는 활성분체의 시멘트 대비 치환율을 각 10%, 20% 및 세라믹섬유 혼입율을 0.2% 0.4%로 선정하여 작업성과 시공성을 확인하기 위하여 슬럼프 및 공기량을 측정하였으며 강도를 확인하기 위하여 콘크리트 타설 후 재령 3일, 7일, 28일 압축강도 및 인장강도를 측정하였다.
활성분체 (제지애시, 플라이애시) 및 세라믹섬유 혼입 콘크리트의 재료적 성능을 검증하기 위하여 KS F 2405 (콘크리트 압축강도 시험방법), KS F 2402 (콘크리트의 슬럼프 시험 방법)에서 제시하는 시험방법을 통해 콘크리트 압축강도 및 콘크리트의 유동성을 나타내는 슬럼프 시험을 수행한다. 압축강도 시험을 위한 대상 부재로는 KS F 2403 (콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법)에 의한 활성분체 및 세라믹섬유 혼입 27 MPa의 설계기준강도로 선정하여 콘크리트의 원주형 공시체를 제작하여, 재령 28일 압축강도를 측정한다. 또한, 적절한 유동성 발현을 위해 목표 슬럼프로 150 - 180 mm 선정하여 활성분체와 세라믹섬유의 최적 혼입 조건을 도출한다.
제지애시 최적 치환율을 산정하기 위하여 시멘트 대비 치환율을 각 0%, 10%, 20% 3수준으로 선정하여 굳지 않은 콘크리트 특성으로 슬럼프 및 공기량을 평가하였으며 굳은 콘크리트 특성으로 압축강도와 인장강도 성능을 평가하였다. 압축강도, 인장강도 실험결과를 각 Figs.
플라이애시 최적 치환율을 산정하기 위하여 시멘트 대비 치환율을 각 0%, 10%, 20% 3수준으로 선정하여 굳지 않은 콘크리트 특성으로 슬럼프 및 공기량을 평가하였으며 굳은 콘크리트 특성으로 압축강도와 인장강도성능을 평가하였다. 압축강도, 인장강도 실험결과를 각 Figs.
대상 데이터
본 연구에서는 결합재로서 시멘트, 플라이애시 제지 애시를 사용하였고 골재로 잔골재와 굵은골재를 사용하였으며, 혼화제를 첨가하였다. 결합재는 S사에서 만들어진 비중 3.15의 1종 보통 포틀랜트시멘트와 비중이 2.63의 플라이애시 및 비중 2.81의 제지애시를 혼입하여 사용하였다. 잔골재는 비중 2.
시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 혼화재는 진동밀로 분쇄시킨 활성 플라이애시와 제지애시를 사용하였으며, 유동성을 확보하기 위해 AE제와 나프탈렌계 고성능감수제를 사용하였으며, 잔골재는 해사, 굵은골재는 부순자갈을 사용하였다. 또한 국내 A사에서 생산한 현무암섬유를 사용하였다.
본 연구에서는 결합재로서 시멘트, 플라이애시 제지 애시를 사용하였고 골재로 잔골재와 굵은골재를 사용하였으며, 혼화제를 첨가하였다. 결합재는 S사에서 만들어진 비중 3.
시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 혼화재는 진동밀로 분쇄시킨 활성 플라이애시와 제지애시를 사용하였으며, 유동성을 확보하기 위해 AE제와 나프탈렌계 고성능감수제를 사용하였으며, 잔골재는 해사, 굵은골재는 부순자갈을 사용하였다. 또한 국내 A사에서 생산한 현무암섬유를 사용하였다.
81의 제지애시를 혼입하여 사용하였다. 잔골재는 비중 2.61의 세척사를, 굵은 골재는 비중 2.66, 최대치수 25 mm인 자갈을 사용하였다. 혼화제는 물/바인더비 및 슬럼프를 유지시키려는 목적과 콘크리트의 충분한 유동성을 주어 워커빌리티를 증가시켜 시공을 쉽게하려는 목적으로 AE제(air-entraining agent)를 모든 배합에 시멘트 대비 0.
이론/모형
활성분체 (제지애시, 플라이애시) 및 세라믹섬유 혼입 콘크리트의 재료적 성능을 검증하기 위하여 KS F 2405 (콘크리트 압축강도 시험방법), KS F 2402 (콘크리트의 슬럼프 시험 방법)에서 제시하는 시험방법을 통해 콘크리트 압축강도 및 콘크리트의 유동성을 나타내는 슬럼프 시험을 수행한다. 압축강도 시험을 위한 대상 부재로는 KS F 2403 (콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법)에 의한 활성분체 및 세라믹섬유 혼입 27 MPa의 설계기준강도로 선정하여 콘크리트의 원주형 공시체를 제작하여, 재령 28일 압축강도를 측정한다.
성능/효과
1) 진동밀, 볼밀 등을 통해 수화과정에서 활성에너지를 소모하여 수화도를 향상시킨 플라이애시 및 제지애시를 콘크리트에 적용 시 OPC 대비 28일 재령 압축강도를 최대 각 101.7%, 89.2%까지 발현할 수 있으며, 유동성과 강도를 동시에 고려할 경우 플라 이애시는 시멘트 대비 20% 치환, 제지애시는 10% 시멘트 대비 치환일 경우 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 플라이애시 20%, 제지애시 10% 치환 콘크리트를 사용할 경우 OPC와 비슷한 재료성능을 나타내므로 현장적용에 있어 환경성과 재료강도를 동시에 고려한 콘크리트 재료를 개발하였다고 판단된다.
2) 유기계섬유에 비해 친환경적인 현무암섬유를 콘크리트에 혼입 시 0.4% 혼입에 의한 인장강도 성능은 섬유무혼입 대비 최대 29.9%까지 발현할 수 있으므로 콘크리트의 균열 제어성능과 인장능력을 효과적으로 증가시키며 콘크리트와의 접착성 또한 우수한 것으로 판단된다. 강섬유, 플라스틱섬유 혼입 콘크리트와 비교했을 때 환경성능과 인장성능을 동시에 고려할 수 있으므로 본 연구의 재료가 우수하다고 판단된다.
이는 제지애시가 수화수 처리과정에서 석고성분과 반응하여 에트링자이트를 생성하여 조기 강도 증진에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나 재령 28일 압축강도에서는 제지애시 10%, 20% 치환조건일 때 OPC보다 낮은 25.8 MPa, 22.4 MPa로 압축강도가 도출되며, 20% 치환조건일 때 10% 치환조건일 경우보다 낮게 도출되었는데 이는 수화수 처리과정에서 수화반응에 참여하지 못한 CaO등의 성분이 압축강도 저하에 영향을 주는 것으로 판단된다.
이는 CaO 등 제지애시의 급결성 물질이 발생함에 따라 유동성이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 유동성과 재령 28일 압축강도를 종합적으로 고려하였을 때, 제지애시 10% 치환이 가장 우수한 배합으로 판단된다.
2%까지 발현할 수 있으며, 유동성과 강도를 동시에 고려할 경우 플라 이애시는 시멘트 대비 20% 치환, 제지애시는 10% 시멘트 대비 치환일 경우 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 플라이애시 20%, 제지애시 10% 치환 콘크리트를 사용할 경우 OPC와 비슷한 재료성능을 나타내므로 현장적용에 있어 환경성과 재료강도를 동시에 고려한 콘크리트 재료를 개발하였다고 판단된다.
9 MPa보다 높은 강도를 발현한 것으로써 진동밀을 통해 분말도를 증가시키고 플라이애시를 활성화시켰기 때문이라고 판단된다. 또한, 섬유 혼입율 증가에 따라 압축강도는 크게 증가하지 않으나 섬유 무혼입 콘크리트에 비해 0.2%, 0.4% 혼입에서 각 22.6 %, 29.9 % 인장강도가 증가한 것으로 나타났다. 이는 현무암섬유 혼입율 증가가 콘크리트 인장성능 증가에 기여한 것으로 판단된다.
마찬가지로, 제지애시 혼입율이 증가할수록 슬럼프가 현저히 감소하는데 20% 치환조건의 경우 약 70%까지 감소하는 것으로 나타났다. 이는 CaO 등 제지애시의 급결성 물질이 발생함에 따라 유동성이 크게 감소하는 것으로 나타났다.
이러한 포졸란반응에 의해 플라이애시 주변이 포졸란반응의 생성물로 충전되면서 시멘트경화체가 단단히 결합되어 조기강도는 낮지만 장기재령에서 강도가 증가되고 콘크리트의 수밀성과 내구성을 크게 향상시킨다고 보고된다. 특히 플라이애시 혼입량이 증가할수록 재령초기에서 플라이애시를 함유한 콘크리트의 강도 발현률은 낮으나, 재령 28일 압축강도가 크게 증가하는데 본 연구에서도 앞서 보고되었던바와 같이 플라이애시 혼입량이 가장 높은 플라이애시 치환 20% 콘크리트에서 가장 높은 재령 28일 압축강도인 29.4 MPa을 나타내었다. 이는, OPC의 재령 28일 압축강도인 28.
한편, 활성화된 플라이애시 혼입량이 증가할수록 OPC에 비해 슬럼프는 다소 증가하였으며 공기량이 다소 감소하는 것으로 나타났다. 이는 플라이애시 분쇄과정에서 다공성 물질이 미세한 단일입자로 전환되어 흡수율이 저하되었으며, 볼베어링 효과로 인하여 워커빌리티 향상과 고성능 감수제 사용으로 인한 지연 효과 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
특히 이 중에서 폐기물 처리문제가 크게 발생하는 산업은 제지산업과 화력발전산업 등이다 (Korea Environment Corporation 2012). 제지산업과 화력발전의 공정에서 발생하는 제지슬러지, 제지애시, 플라이애시 등의 폐기물 등의 매립 및 투기는 일시적인 방안에 불과하며, 향후 슬러지와 애시의 지속적 처리를 위해서는 경제적이고 효율적인 재활용 방안이 도출되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유 보강 콘크리트의 문제점은?
또한, 콘크리트가 인장강도가 낮으며 균열이 발생하기 쉬운 취성재료라는 단점을 극복하기 위해서 다양한 건설현장에서 1900년대 중반부터 콘크리트 균열 제어와 인성을 유지하기 위한 목적으로 섬유 보강 콘크리트를 사용해 왔다. 그러나 유기고분자인 섬유와 무기재료인 콘크리트와의 접착력 저하가 고질적 문제로 대두되고 있으며, 콘크리트 폐기 시 사용된 유기계 섬유는 장기간의 분해시간이 필요하여 커다란 환경위해 요인이 되기도 한다 (Yoon 2012). 또한 유리섬유, 금속섬유 등의 무기계 보강섬유는 시멘트의 수화시에 형성되는 알칼리성 환경에서의 강도저하 및 부식의 문제점이 발견되고 있어서 장기간 동안 보강효과를 지속시키기 어렵다는 단점이 있다.
산업화에 따라 발생하는 대표적인 문제는?
한국은 1960년대부터 경제개발의 일환으로 사회기반시설, 공업단지 등이 활발히 건설되었으며 이로 인해 현재까지 산업화가 급격히 이루어졌다. 하지만 산업화에 따른 부작용도 발생하고 있으며, 이 중 대표적 문제점은 산업부산물 또는 폐기물 발생량도 증가한다는 것이다. 한국뿐만 아니라 전 세계적으로 일부 산업부산물은 재활용되고 있기도 하나, 일부 폐기물은 대부분 매립되거나 해양투기 되는 실정이다.
폐기물 처리문제가 크게 발생하는 산업은?
이에 따라 각 국가에서는 산업폐기물 처리를 위한 다양한 법규를 제정 ․ 운영하고 있으며, 산업계는 폐기물 법규에 적합한 방안을 도출해야 하는 실정이다. 특히 이 중에서 폐기물 처리문제가 크게 발생하는 산업은 제지산업과 화력발전산업 등이다 (Korea Environment Corporation 2012). 제지산업과 화력발전의 공정에서 발생하는 제지슬러지, 제지애시, 플라이애시 등의 폐기물 등의 매립 및 투기는 일시적인 방안에 불과하며, 향후 슬러지와 애시의 지속적 처리를 위해서는 경제적이고 효율적인 재활용 방안이 도출되어야 한다.
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