[논문]철강 슬래그를 사용한 도로용 긴급보수 모르타르에 관한 실험적 연구

정의인; 김봉주; 김진만; 곽은구

doi:10.5345/jkibc.2018.18.5.419

철강 슬래그를 사용한 도로용 긴급보수 모르타르에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Rapid Repairing Mortar for Road with Steel Slag 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.18 no.5, 2018년, pp.419 - 427

정의인 (Research Institute (Attached), JoongAng ALTEC) , 김봉주 (Department of Architectural Engineering, Kongju National University) , 김진만 (Department of Architectural Engineering, Kongju National University) , 곽은구 (ECM Tech)

초록
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본 연구는 철 생산 공정 중에 발생되는 철강슬래그를 재활용하는 것으로 매립에 의존하는 철강 슬래그를 건설용 재료로 사용하는 것이다. 철강 슬래그는 물과 반응할 경우 팽창 붕괴되어지는 문제로 인하여 에이징 처리를 실시하고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 개발된 SAT 공법은 철강슬래그의 팽창 붕괴에 대한 안전성을 갖는다. 이에 본 연구에서는 SAT 공법에 의해 제조된 환원슬래그와 전기로 산화슬래그, 실리콘 망간 슬래그를 사용하여 도로용 긴급 보수모르타르에 관한 실험적 연구를 실시하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다. 환원슬래그는 초속경 시멘트에 대해 대체할 경우 속경성을 갖는 것으로 나타났으며, 대체율 15%까지는 동등하게 나타났다. 전기로 산화슬래그는 천연 골재에 대해 100% 대체하여도 동등한 특성을 갖는 것으로 나타났으며, 이런 전기로 산화슬래그에 대해서 실리콘 망간 슬래그를 대체할 경우 15-30%까지 대체가 가능한 것으로 나타났다. 이상의 배합으로 도로용 긴급 보수 모르타르의 배합 설계가 가능하였다. 이런 슬래그를 재활용은 시멘트와 천연 골재의 사용량을 저감시켜 이산화탄소 발생의 감소와 폐기물인 슬래그를 재활용으로 녹색 산업에 이바지가 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to recycle steel slag generated from the iron producing process and to use steel slag as a construction material which is currently landfilled Steel slag is subjected to aging treatment due to the problem of expansion and collapse when it reacts with water. The Slag Atomizing Technology (SAT) method developed to solve these problems of expanding collapse of steel slag. In this study, experimental study on the emergency repair mortar using the reducing slag, electric arc furnace slag and silicon manganese slag manufactured by the SAT method is Reduced slag was shown an accelerated hydration when it was replaced with rapidly-setting cement, and the rate of substitution was equivalent to 15%. It is shown that the electric furnace oxide slag is equivalent to 100% of the natural aggregate, and it can be replaced by 15-30% when the silicon manganic slag is substituted for the electric furnace oxide slag. With the above formulation, it was possible to design the rapidly repair mortar for road use. These recycling slags can contribute on achieving sustainability of construction industry by reducing the use of cement and natural aggregates and by reducing the generation of carbon dioxide and recycling waste slag.

주제어

표/그림 (25)

표 Table 1. The physical properties of aggregate of KS F 2527
표 Table 2. The performance standard of repair materials
그림 Figure 1. The manufacture process of CAC
그림 Figure 2. The constitution diagram of CAC
그림 Figure 3. The mineral analysis of CAC
그림 Figure 4. The shape of natural and EAFOS aggregate
표 Table 3. The oxide formation of CAC
표 Table 4. The physical properties of EAFOS
표 Table 5. The physical properties of SMS
그림 Figure 5. The shape of SMS
표 Table 6. The oxide formation of SMS
표 Table 7. Experimental plan
표 Table 8. Mix plan
그림 Figure 6. The flow of CAC
그림 Figure 7. The setting time of CAC
그림 Figure 8. The compressive strength of CAC
그림 Figure 9. The flow of latex solid content
그림 Figure 10. The setting time of latex solid content
그림 Figure 11. The compressive strength of latex solid content
그림 Figure 12. The flow of EAFOS
그림 Figure 13. The setting time of EAFOS
그림 Figure 14. The compressive strength of EAFOS
그림 Figure 15. The flow of SMS
그림 Figure 16. The setting time of SMS
그림 Figure 17. The compressive strength of SMS

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 철강 슬래그 중 SAT 공법에 의해 생산되어진 전기로 산화 및 환원슬래그, 실리콘 망간 슬래그를 활용하여 도로 긴급보수재료의 배합 설계를 실시하고 이에 대한 성능을 검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 급속 냉각한 제강 슬래그 중 전기로 산화 및 환원슬래그, 실리콘 망간 슬래그를 활용하여 도로 긴급보수재료의 배합설계를 실시하고 이에 대한 기초적인 성능을 검토하였다. 전기로 환원슬래그를 급냉할 경우 급결성을 갖는 광물인 C₁₂A₇ 이 존재하는 것으로 보고되어 이를 선택하였으며, 골재에는 굵은 골재로 재활용률이 낮은 실리콘 망간슬래그 골재를 선택하였고 잔골재로는 구형율이 높은 전기로 산화슬래그를 사용하여 실적률을 향상시켰다.
규정하고 있다[7]. 이 기준을 만족하기 위해 사용재료는 결합재로 속경성을 갖는 시멘트와 부착성 및 보수성을 갖는 라텍스, 건조 골재에 대해 제시하고 있다. 속경성을 갖는 시멘트는 초속경, 조강 시멘트로 한정하며 골재는 건조 골재가 사용된다.
이에 본 연구에서는 고속의 공기로 냉각된 제강 슬래그를 원료로 사용하여 속경성 시멘트에는 전기로 환원슬래그 분말을, 골재로는 전기로 산화슬래그 잔골재와 실리콘 망간슬래그를 사용하여 저부가 가치로 재활용되는 제강슬래그를 도로보수재로 활용하고자 한다.

제안 방법

시험은 1차로 속경성 시멘트에 대하여 환원슬래그를 대체한 후 최적 대체율을 도출하고 2차로 물에 대해 라텍스 고형분 대체율로 실시하였다. 3차로 천연 잔골재에 대해서 전기로 산화슬래그 골재를 대체하였으며 4차로 전기로 산화슬래그 골재 대체율 100%에 대해서 실리콘 망간 슬래그 골재를 대체하여 실험을 실시하였다.
배합설계는 사용 골재의 밀도를 고려하여 용적배합에 의해 실시하였으며 실험은 KS L ISO 679 「시멘트의 강도시험 방법」에 준하여 실시하였다. KS에서는 시멘트와 골재의 비율을 1:3으로 제시하고 있으나 본 실험에서는 초기 강도 및 타설 후 2시간 이내의 강도 발현에 대한 예비시험 결과를 토대로 1: 2.5로 변경하여 실시하였다. 시험은 1차로 속경성 시멘트에 대하여 환원슬래그를 대체한 후 최적 대체율을 도출하고 2차로 물에 대해 라텍스 고형분 대체율로 실시하였다.
포장도로 파손은 공용 초기에 작은 조각에서 균열 및 박리가 발생되며 점차 면적으로 확대된다. 도로 파손이 면적으로 확대 된 후 파손부를 중심으로 일정 면적 이상을 절삭 및 제거한 후 재포장을 실시한다. 도로의 재포장은 공사 기간 차량 통제, 차량의 안전과 같은 사회적, 경제적 손실이 발생되기에 초기 파손 후 파손 조각에 대한 긴급 보수를 실시한다.
도로용 긴급보수 모르타르의 배합은 속경성을 제공하는 것으로 급냉 환원슬래그를 사용하였으며, 골재에 대해 전기로 산화슬래그 및 실리콘 망간 슬래그를 사용하였다.
실험 인자로는 시멘트에 대해서는 환원 슬래그를 골재 중 잔골재로는 전기로 산화슬래그를, 굵은 골재로는 실리콘 망간슬래그를 사용하였다. 또한 강도에 영향을 미치는 것으로 라텍스 고형분과 물시멘트에 대하여 검토하였다. 측정항목으로는 굳지 않은 성상에서 플로우와 초결에 대한 응결시간(모든 시험체에서 초결 후 5분 이내 종결이 나타남)을, 경화성상에서는 2시간 내의 압축강도를 측정하였다.
전기로 환원슬래그를 급냉할 경우 급결성을 갖는 광물인 C₁₂A₇ 이 존재하는 것으로 보고되어 이를 선택하였으며, 골재에는 굵은 골재로 재활용률이 낮은 실리콘 망간슬래그 골재를 선택하였고 잔골재로는 구형율이 높은 전기로 산화슬래그를 사용하여 실적률을 향상시켰다. 또한 속경성 및 강도에 영향을 미치는 혼화재료인 라텍스에 대하여 고형분에 따라 실험을 실시하였다.
이런 산화물 조성을 이용하여 시멘트와 초속경 시멘트에 대한 3성 분계 상태도에 대하여 분석하였다. 분석에는 환원슬래그 분말(CAC : Calcium Aluminate Composite), 초속경 시멘트(RSC : Regulated Set Cemnet), 시멘트(OPC : Ordinary Portland Cement), 고로슬래그(BS : Blast furnace Slag), 플라이애시(FA : Fly Ash)로 표기하였으며 분석 결과 속경성 시멘트에 근접하였다[8].
5로 변경하여 실시하였다. 시험은 1차로 속경성 시멘트에 대하여 환원슬래그를 대체한 후 최적 대체율을 도출하고 2차로 물에 대해 라텍스 고형분 대체율로 실시하였다. 3차로 천연 잔골재에 대해서 전기로 산화슬래그 골재를 대체하였으며 4차로 전기로 산화슬래그 골재 대체율 100%에 대해서 실리콘 망간 슬래그 골재를 대체하여 실험을 실시하였다.
실리콘 망간 슬래그 골재는 국내 D사에서 발생되어지는 것을 SAT 공법을 적용한 후 최대 입자 크기는 8mm이하로 분급하였다. 실리콘 망간 슬래그 골재의 물리적 특성은 밀도는 2.
환원슬래그의 산화물은 CaO, Al₂O₃, SiO₂, MgO로 순으로 나타났다. 이런 산화물 조성을 이용하여 시멘트와 초속경 시멘트에 대한 3성 분계 상태도에 대하여 분석하였다. 분석에는 환원슬래그 분말(CAC : Calcium Aluminate Composite), 초속경 시멘트(RSC : Regulated Set Cemnet), 시멘트(OPC : Ordinary Portland Cement), 고로슬래그(BS : Blast furnace Slag), 플라이애시(FA : Fly Ash)로 표기하였으며 분석 결과 속경성 시멘트에 근접하였다[8].
또한 강도에 영향을 미치는 것으로 라텍스 고형분과 물시멘트에 대하여 검토하였다. 측정항목으로는 굳지 않은 성상에서 플로우와 초결에 대한 응결시간(모든 시험체에서 초결 후 5분 이내 종결이 나타남)을, 경화성상에서는 2시간 내의 압축강도를 측정하였다.

대상 데이터

이 기준을 만족하기 위해 사용재료는 결합재로 속경성을 갖는 시멘트와 부착성 및 보수성을 갖는 라텍스, 건조 골재에 대해 제시하고 있다. 속경성을 갖는 시멘트는 초속경, 조강 시멘트로 한정하며 골재는 건조 골재가 사용된다. 라텍스는 고형분의 함유량에 따라 성능이 달라지기에 고형분의 함유량을 45%이하로 한정하고 있다.
실험 인자로는 시멘트에 대해서는 환원 슬래그를 골재 중 잔골재로는 전기로 산화슬래그를, 굵은 골재로는 실리콘 망간슬래그를 사용하였다. 또한 강도에 영향을 미치는 것으로 라텍스 고형분과 물시멘트에 대하여 검토하였다.
전기로 산화슬래그 골재는 국내 S 사에서 생산되어지는 것으로 환원슬래그 분말과 동일하게 SAT 공법을 적용하여 생산되어진 슬래그를 5mm이하로 분급하였다.
본 연구에서는 급속 냉각한 제강 슬래그 중 전기로 산화 및 환원슬래그, 실리콘 망간 슬래그를 활용하여 도로 긴급보수재료의 배합설계를 실시하고 이에 대한 기초적인 성능을 검토하였다. 전기로 환원슬래그를 급냉할 경우 급결성을 갖는 광물인 C₁₂A₇ 이 존재하는 것으로 보고되어 이를 선택하였으며, 골재에는 굵은 골재로 재활용률이 낮은 실리콘 망간슬래그 골재를 선택하였고 잔골재로는 구형율이 높은 전기로 산화슬래그를 사용하여 실적률을 향상시켰다. 또한 속경성 및 강도에 영향을 미치는 혼화재료인 라텍스에 대하여 고형분에 따라 실험을 실시하였다.
환원슬래그 분말은 국내 E사에서 생산되는 것으로 제철 공정에서 발생되는 환원슬래그를 SAT 공법을 적용하여 얻어진 것을 볼밀을 이용하여 분쇄하였다. 환원슬래그의 산화물은 CaO, Al₂O₃, SiO₂, MgO로 순으로 나타났다.

이론/모형

배합설계는 사용 골재의 밀도를 고려하여 용적배합에 의해 실시하였으며 실험은 KS L ISO 679 「시멘트의 강도시험 방법」에 준하여 실시하였다. KS에서는 시멘트와 골재의 비율을 1:3으로 제시하고 있으나 본 실험에서는 초기 강도 및 타설 후 2시간 이내의 강도 발현에 대한 예비시험 결과를 토대로 1: 2.

성능/효과

1) 제강 슬래그의 SAT 공법에 의해 생산되어진 슬래그는 환원슬래그는 속경성 시멘트로, 전기로 산화 슬래그와 실리콘 망간 슬래그는 골재로 사용이 가능한 것으로 나타났다.
2) 급냉한 환원슬래그 분말은 속경성 시멘트에 대해 15% 대체할 경우 동일한 강도 성상을 가지는 것으로 나타났으며, 전기로 산화슬래그 골재는 천연 골재에 대해 100% 대체가 가능하고 실리콘 망간 슬래그는 전기로 산화슬래그에 대해 15-30%까지 대체가 가능한 것으로 나타났다. 이런 대체율에 따라 산업부산물인 철강 슬래그를 사용할 경우 시멘트와 천연 골재의 사용량 감소가 가능할 것으로 예상된다.
3) 도로용 긴급 보수재의 성능에 대해 환원슬래그와 전기로 산화 슬래그 및 실리콘 망간 슬래그를 일부 대체하여도 만족하는 것으로 나타났다.
은 물과 접촉 시 초기에 육각판 상의 박편으로 C-A-H를 다량으로 석출하면서 초속경성과 급결성을 갖는 것으로 보고하고 있다[3]. 따라서 급냉한 환원슬래그를 입자별로 분급하고 시멘트와 유사한 분말 공정을 진행할 경우 초속경 시멘트로 사용이 가능한 것으로 나타났다. 오상윤 등은 전기로 산화 슬래그를 SAT 공법에 의해 처리될 경우 구형의 슬래그 잔골재를 얻을 수 있으며 기존 에이징 처리 기간이 필요 없이 체적 안정성을 갖는 것으로 보고하고 있다[4].
30%, 실적률은 51%을 갖는 것으로 확인되었다. 실리콘 망간 슬래그 골재는 동일 SAT 공법을 실시한 전기로 산화슬래그 골재에 비해 낮은 구형율을 갖는 것으로 나타났다. 이런 낮은 구형율에 의해 실적률이 낮게 나타났다[10].
실리콘 망간 슬래그 골재는 국내 D사에서 발생되어지는 것을 SAT 공법을 적용한 후 최대 입자 크기는 8mm이하로 분급하였다. 실리콘 망간 슬래그 골재의 물리적 특성은 밀도는 2.80g/㎤, 흡수율은 0.30%, 실적률은 51%을 갖는 것으로 확인되었다. 실리콘 망간 슬래그 골재는 동일 SAT 공법을 실시한 전기로 산화슬래그 골재에 비해 낮은 구형율을 갖는 것으로 나타났다.
이런 플로우 저하는 실리콘 망간 슬래그의 입형이 거칠기 때문으로 판단된다. 응결시간은 실리콘 망간 슬래그 30%까지 응결 시간이 지연되는 것으로 나타났으며 압축강도는 물바인더비 45%에서는 실리콘 망간 슬래그 대체율 15%가, 물바인더비 50%에서는 실리콘 망간슬래그 대체율 30%가 가장 높게 나타났다.
이상의 실험 결과로 플로우180mm, 응결시간40분이내, 압축강도 10MPa를 만족하고 경제성을 고려하여 시멘트에 대해 환원슬래그 대체율 15% 적정할 것으로 판단된다.
이에 실리콘 망간슬래그 대체율 30%까지 골재로 사용이 가능할 것이다. 이상의 실험 결과를 토대로 하여 환원슬래그와 전기로 산화슬래그, 실리콘 망간 슬래그를 대체가 가능한 것으로 확인되었다.
이상의 실험결과는 전기로 산화 슬래그 대체율이 증가함에 따라 플로우와 응결시간에 영향이 적으며 강도는 향상되는 것으로 나타났기에 전기로 산화 슬래그 대체율 100%로 대체가 가능하다. 이런 강도 증가는 전기로 산화슬래그의 실적률이 천연 골재에 비해 높기 때문에 강도에 영향을 미친것으로 판단된다.
이런 강도 저하는 고형분의 함유가 높을수록 혼합이 불균일하게 이루어진 것으로 판단된다. 이상의 실험결과를 토대로 성능 기준에 준하여 플로우와 응결시간은 도달하고 강도가 0%에 비해 높은 라텍스 고형분 함유량 15%를 고정하는 것으로 하였다.
전기로 산화슬래그 골재는 국내 S 사에서 생산되어지는 것으로 환원슬래그 분말과 동일하게 SAT 공법을 적용하여 생산되어진 슬래그를 5mm이하로 분급하였다. 전기로 산화슬래그 골재의 물리적 특성은 밀도는 3.54g/㎤, 흡수율은 0.29%, 실적율은 70%을 갖는 것으로 확인되었다. 이런 높은 실적률은 높은 구형의 입형을 갖는 것으로 Figure 4와 같다[9].
전기로 산화슬래그 100%에 대해 실리콘 망간 슬래그 0, 15, 30, 45, 60%로 대체하여 플로우, 응결시간, 압축강도에 대해 Figure 15, 16, 17에 나타냈다. 플로우는 실리콘 망간슬래그 대체율 30% 까지는 0%에 비해 유사하나 대체율 30% 이상에서는 플로우가 저하되는 것으로 나타났다. 이런 플로우 저하는 실리콘 망간 슬래그의 입형이 거칠기 때문으로 판단된다.

후속연구

긴급 보수재는 초기 강도 발현을 위해 속경성 시멘트와 건조된 단입도를 갖는 10mm이하의 굵은 골재, 잔골재를 혼합시킨 후 신속하게 균열 부위에 타설한다[2]. 이런 긴급 보수재에 사용되는 재료인 초속경 시멘트는 일반 시멘트에 비해 10배이상 고가이며 건조 골재는 천연자원으로 환경 파괴 및 수급에 대한 어려움이 있고 제조 공정 중 이산화탄소를 발생시켜 이를 대체하는 연구가 필요하다.
이에 실리콘 망간슬래그 대체율 30%까지 골재로 사용이 가능할 것이다. 이상의 실험 결과를 토대로 하여 환원슬래그와 전기로 산화슬래그, 실리콘 망간 슬래그를 대체가 가능한 것으로 확인되었다.
추후 연구를 통하여 도출된 배합에 의한 모르타르의 내구 성능을 평가하는 것으로 하며, 긴급보수 모르타르 외에 포장용 콘크리트로 사용이 가능한 배합을 도출하는 것으로 하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철강 슬래그란 무엇인가?	지속적인 건설 및 산업의 증가로 철 사용량은 증가하고 그로 인한 부산물인 철강 슬래그도 증가하고 있다. 철강 슬래그는 크게 고로슬래그와 제강슬래그로 분류되며 고로슬래그는 고부가 가치의 콘크리트용 혼화재료로 재활용되고 제강 슬래그는 상대적으로 저부가 가치의 보조 기충재, 노반재로 재활용되고 있다. 제강슬래그는 슬래그 내부에 존재하는 유리 석회나 유리 마그네슘이 물과 반응하여 일어나는 팽창 붕괴성으로 재활용이 낮다.
	대체 도로보수재에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	긴급 보수재는 초기 강도 발현을 위해 속경성 시멘트와 건조된 단입도를 갖는 10mm이하의 굵은 골재, 잔골재를 혼합시킨 후 신속하게 균열 부위에 타설한다[2]. 이런 긴급 보수재에 사용되는 재료인 초속경 시멘트는 일반 시멘트에 비해 10배이상 고가이며 건조 골재는 천연자원으로 환경 파괴 및 수급에 대한 어려움이 있고 제조 공정 중 이산화탄소를 발생시켜 이를 대체하는 연구가 필요하다.
	제강슬래그 재활용이 낮은 이유는 무엇인가?	철강 슬래그는 크게 고로슬래그와 제강슬래그로 분류되며 고로슬래그는 고부가 가치의 콘크리트용 혼화재료로 재활용되고 제강 슬래그는 상대적으로 저부가 가치의 보조 기충재, 노반재로 재활용되고 있다. 제강슬래그는 슬래그 내부에 존재하는 유리 석회나 유리 마그네슘이 물과 반응하여 일어나는 팽창 붕괴성으로 재활용이 낮다. 팽창 붕괴성을 방지하기 위해 용융된 슬래그를 고속의 공기로 냉각시켜 유리 석회나 유리 마그네슘의 결합구조를 변경하여 구조적 안정성을 제공하는 기술이 실용화되고 있다.

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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