[논문]규산소다 및 수산화칼슘을 적용한 고로슬래그 그라우트의 적용성 및 물리화학적 특성

김정석; 윤남식; 신진화; 문준호; 박영복; 김영욱

doi:10.5762/kais.2019.20.1.200

규산소다 및 수산화칼슘을 적용한 고로슬래그 그라우트의 적용성 및 물리화학적 특성
Physiochemical Characteristics and its Applicable Potential of Blast Furnace Slag Grout Mixtures of Sodium Silicate and Calcium Hydroxide 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.1, 2019년, pp.200 - 207

김정석 (지성이씨에스) , 윤남식 (지성이씨에스) , 신진화 (명지대학교 토목환경공학과) , 문준호 (명지대학교 토목환경공학과) , 박영복 (명지대학교 토목환경공학과) , 김영욱 (명지대학교 토목환경공학과)

초록
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토목 및 건설업에서 시멘트는 대표적인 재료로써 가장 많이 쓰이며 생산되고 있다. 시멘트의 생산에 따른 이산화탄소의 배출로 인해 지구온난화 및 환경오염 문제는 오래 전부터 해결하지 못한 문제이다. 이러한 시멘트의 대체재로써 철강사업의 산업부산물인 고로슬래그를 활용하여 건설재료 및 토목재료로써 활용하기 위해 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 대한 일환으로 이 연구에서는 고로슬래그 분말을 활용하여 친환경 그라우트의 개발 및 활용성을 위하여 물리화학적 특성을 규명하는 것을 연구목적으로 정하였다. 고로슬래그는 분말자체가 가지고 있는 잠재수경성으로 인해 시멘트 그라우트 대체 재료로 활용되며 장기강도의 증진과 내부조직의 치밀화 등이 가능하다는 장점을 가지고 있으며, 매년 대량 생산되는 산업부산물인 고로슬래그를 그라우트재로 활용한다면 친환경성과 더불어 큰 경제성을 확보 가능하다는 장점이 있다. 그라우트재로서 고로슬래그의 물리화학적 특성을 알아보기 위해 겔화타임 측정 실험, 일축압축강도실험과 내구성 실험, 중금속 용출시험 등을 통하여 환경성 평가실험을 진행하여 고로슬래그를 활용한 무시멘트 그라우트의 최적 배합비 및 물리적 특성에 대하여 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cement is one of the most commonly used materials in the construction and civil engineering industry. However, emissions of carbon dioxide generated during the production of cement have been linked to climate change and environment pollutants. In order to replace cement, many studies have been actively performed research to utilizing Blast Furnace Slag(BFS), which is a byproduct of the steel industry. This study aims to investigate the physiochemical properties of the BFS powder based grout to determine whether it can be used as an environment-friendly grout material. As a fine powder, BSF can be used instead of cement grout due to its potential hydraulic property. BSF has also been known for its ability to strengthen materials long-term and to densify the internal structure of concrete. In order to investigate the physicochemical properties of the BFS powder based grout as a grout material, in this study assessment tests were performed through a gel-time measurement, uniaxial compressive strength, and chemical resistance tests, and heavy-metal leaching test. Characteristics and advantages of the slag were studied by comparing slag and cement in various methods.

주제어

표/그림 (15)

표 Table 1. KS of Blast Furnace Slag(BFS)
그림 Fig. 1. Gel time test (a) A&B solution (b) Repetitive mixing
그림 Fig. 2. Gel time with concentrate of slaked lime
그림 Fig. 2. Fabrication of test specimens (a) Specimen(A&B) (b) Grout curing
그림 Fig. 3. Underwater curing
그림 Fig. 4. Uniaxial compressive strength test
그림 Fig. 5. Uniaxial compressive strength according to the slaked lime ratio
표 Table 2. Rapidly hardening mixing for field
그림 Fig. 6. Uniaxial compressive strength average according to the slaked lime ratio
그림 Fig. 7. Durability change test
표 Table 3. Mixing ratio by conditions of cement and BFS
표 Table 4. Durability change of Cement and BFS
그림 Fig. 8. Initial state of test specimen (a) Slag specimen (b) Cement specimen
그림 Fig. 9. After 4 weeks state of test specimen (a) Slag specimen (b) Cement specimen
표 Table 5. Heavy metal test

AI 본문요약
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문제 정의

포틀랜드 시멘트의 분말도는 2500-3000이고 4000이상이면 마이크로 시메트로 분류된다[12]. 본 연구에서는 경제적 측면과 시멘트 비교를 위하여 3급의 고로슬래그를 사용하여 시멘트 그라우트재 대용성을 고찰하였다.
본 연구에서는 슬래그 활용복합 그라우트재를 개발하고 이의 겔화 경화 특성을 연구, 발전시켜서 친환경적이며 우수한 그라우트 기능을 담당하도록 하였다. 아울러 다양한 배합비율의 시료에 대한 실험을 수행하여 그 성능을 평가하고 검증하였다.
본 연구에서는 포틀랜드 시멘트 사용 없이 고로슬래그를 활용하여 무시멘트 그라우트를 조성하여 이의 다양한 공학적 특성을 분석하였다. 알칼리성 자극제 농도에 따른 겔타임(GeL time)측정과 일축압축강도시험, 내구성, 내구성 시험 중금속 용탈시험을 통하여 차수용 그라우트재의 사용가능 최적 배합비 범위를 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 포틀랜드 시멘트 사용 없이 고로슬래그를 활용하여 무시멘트 그라우트를 조성하여 이의 다양한 공학적 특성을 분석하였다. 알칼리성 자극제 농도에 따른 겔타임(GeL time)측정과 일축압축강도시험, 내구성, 내구성 시험 중금속 용탈시험을 통하여 차수용 그라우트재의 사용가능 최적 배합비 범위를 제안하고자 하였다.

제안 방법

2. 소석회 배합비 함량을 5~50%까지 일축 압축강도 시험을 진행하여 그라우트 알칼리자극제의 최적 배합비 구간을 제시하였다. 소석회의 함량이 증가 할수록 강도 값이 증가하지만 일정 구간에서 다시 감소하는 추세를 보인다.
양생된 시료는 염해 수에서 양생하면서 주기적으로 부피의 변화를 고찰하였고 염해수는 1달을 주기로 바꾸었다. Fig. 7과 같이 부피는 버니어 캘리퍼스를 이용하여 다른 위치별로 길이, 너비, 높이를 각각 2단씩 측정하여 체적변화율을 고찰하였다. 시료의 형상변화를 측정하여 결과를 정리하면 Table 4와 같다.
고로슬래그의 잠재수경성을 유도 발현시켜 무시멘트 그라우트재로 사용하기 위하여 알칼리 활성 재료들이 혼합된 혼합물을 활용하였다. 실제 시공을 위해 규산과 물의 혼합액을 A액이라 하고 고로슬래그, 소석회, 물의 혼합액을 B액이라 정하고 설계 제원상(m³) A액과 B액의 부피비를 1:1로 맞추었다.
현장에서 이루어지는 실제 배합비에 맞춰 A액:규산나트륨 100L(138kg)+물 100L(100kg), B액:고로슬래그+소석회 108kg(38L)+물 162kg(162L)비율에 따라 실험 배합비를 조성하였다. 또한 B액의 고로 슬래그 대비 소석회 중량비를 변화시켜 소석회 중량비를 5%에서 50%까지 구분하여 조건별 30case를 도출하여 실험을 시행하였다. 알칼리성 자극제인 소석회를 합량을 변화시키면서 겔타임 실험, 강도 실험, 내구성 실험, 중금속 용출실험을 진행하여 무시멘트 그라우트재의 물리 화학적 특성을 고찰하였다.
실험의 오차를 최소화하기 위해 상온(22±2C°)에서 실험을 진행하였고 동일 조건의 실험을 2회 이상 실시하여 평균값을 취하였다. 또한 시공상 특수한 환경에 따라 급결 성능을 발현하는 배합비를 찾기 위해 물유리, 소석회, 물 등의 양을 조절하여 실험을 수행하였다.
배합에 따른 일축 압축강도를 측정하였다. 실험을 위한 공시 체는 Fig.
본 실험에 따른 겔화실험에 대한 표준화된 기준과 방법은 실제현장에서 현재 수행하고 있는 겔화실험을 준수하여 진행하였다. 실험방법은 Fig.
3에서와 같이 탈형 하여 수중 양생을 시킨다. 수중 양생 된 공시체는 만능시험기를 이용하여 일축 압축시험을 진행한다. 일축 압축강도 시험은 Fig.
3.3 내구성 시험

시간에 따른 고로슬래그 그라우트재의 내화학 저항성을 측정하기 위하여 내구성 시험을 수행하였다. 시험조건별 배합비는 Table 3에서와같이 나타냈고 현장 주입 장비 조건에 따라 A 용액과 B 용액을 같은 체적 조건으로 배합비를 맞추었다.
시험조건별 배합비는 Table 3에서와같이 나타냈고 현장 주입 장비 조건에 따라 A 용액과 B 용액을 같은 체적 조건으로 배합비를 맞추었다. 시멘트 용액은 현장 배합비 함수 비를 150%로 하였을 때 Cement-A는 규산나트륨과 물을 각각 100L이고 Cement-B 규산나트륨 36L와 물 100L의 배합기준에 따라 실험 중량을 맞추었다. 고로슬래그의 현장 배합비는 함수비를 100% 하였을 때 BFS-A 조건의 B 용액의 소석회 함유율은 5%, BFS-B 조건의 B 용액의 소석회 함유율은 6%로 하였다.
실제 시공을 위해 규산과 물의 혼합액을 A액이라 하고 고로슬래그, 소석회, 물의 혼합액을 B액이라 정하고 설계 제원상(m³) A액과 B액의 부피비를 1:1로 맞추었다.
4와 같이 YUL-5T모델의 일축 압축시험기에 1m/min의 재하속도로 강도 테스트하였다. 실험은 각 배합 별 다양한 강도 특성을 확인하기 위하여 3일, 7일, 28일의 강도를 측정하였고 각 조건별 강도는 3회 시행한 값의 평균으로 결정하였다.
본 연구에서는 슬래그 활용복합 그라우트재를 개발하고 이의 겔화 경화 특성을 연구, 발전시켜서 친환경적이며 우수한 그라우트 기능을 담당하도록 하였다. 아울러 다양한 배합비율의 시료에 대한 실험을 수행하여 그 성능을 평가하고 검증하였다.
또한 B액의 고로 슬래그 대비 소석회 중량비를 변화시켜 소석회 중량비를 5%에서 50%까지 구분하여 조건별 30case를 도출하여 실험을 시행하였다. 알칼리성 자극제인 소석회를 합량을 변화시키면서 겔타임 실험, 강도 실험, 내구성 실험, 중금속 용출실험을 진행하여 무시멘트 그라우트재의 물리 화학적 특성을 고찰하였다.
양생된 시료는 염해 수에서 양생하면서 주기적으로 부피의 변화를 고찰하였고 염해수는 1달을 주기로 바꾸었다. Fig.
그중 고로슬래그와 플라이애시와 같은 산업부산물을 이용한 자원재활용과 에너지절감을 위한 그라우트재가 주목을 받고 있다[4][5]. 이에 콘크리트 제조 시에 첨가되는 시멘트 재료를 고로슬래그와 플라이애시를 알칼리 조건에서 활성하여 시멘트 대체용으로 사용하였다 [6][7]. 플라이애시는 조건에 따라 품질의 편차가 크고 콘크리트 내구성 및 강도를 저하 시킬 수 있는 요소를 포함하고 있어 사용 시 주의해야 한다[8][9].
수중 양생 된 공시체는 만능시험기를 이용하여 일축 압축시험을 진행한다. 일축 압축강도 시험은 Fig. 4와 같이 YUL-5T모델의 일축 압축시험기에 1m/min의 재하속도로 강도 테스트하였다. 실험은 각 배합 별 다양한 강도 특성을 확인하기 위하여 3일, 7일, 28일의 강도를 측정하였고 각 조건별 강도는 3회 시행한 값의 평균으로 결정하였다.
중금속 용출실험은 친환경시험원에서 의뢰하여 진행 하였으며 6가 크롬(Cr⁶⁺)과 카드뮴(Cd) 두 가지 중금속 성분에 대해서만 검출하였다. 시료는 검출시험 전 용탈 과정을 거친 후 강도시험 후 시편을 가지고 진행하였다.
내구성 시험용 시료공시체는 물유리(A) 액과 고로슬래그 현탁(B)액을 각각 계량하여 혼합된 그라우트 액을 큐빅몰드(5×5×5cm)에 부은 후 윗면을 반듯하게 마무리한다. 탈형 후 공시체는 내구성 실험에 사용되는 해수의 10배에 해당하는 MgSO₄(25g/L) 용액에 침수, 양생하며 부피변화에 대하여 측정하였다[14].
실제 시공을 위해 규산과 물의 혼합액을 A액이라 하고 고로슬래그, 소석회, 물의 혼합액을 B액이라 정하고 설계 제원상(m³) A액과 B액의 부피비를 1:1로 맞추었다. 현장에서 이루어지는 실제 배합비에 맞춰 A액:규산나트륨 100L(138kg)+물 100L(100kg), B액:고로슬래그+소석회 108kg(38L)+물 162kg(162L)비율에 따라 실험 배합비를 조성하였다. 또한 B액의 고로 슬래그 대비 소석회 중량비를 변화시켜 소석회 중량비를 5%에서 50%까지 구분하여 조건별 30case를 도출하여 실험을 시행하였다.

대상 데이터

규산소다는 분자식으로 Na2O•nSiO2 (n은 Mole비)로 나타낼 수 있는데 몰비에 의해 1호부터 4호로 나뉘는데 경제성을 고려하여 범용으로 가장 많이 사용되고 있는 3호 물유리를 사용하였다.
규산소다는 분자식으로 Na₂O•nSiO₂ (n은 Mole비)로 나타낼 수 있는데 몰비에 의해 1호부터 4호로 나뉘는데 경제성을 고려하여 범용으로 가장 많이 사용되고 있는 3호 물유리를 사용하였다. 알칼리자극제는 수화와 겔화특성을 고려하였을 Ca이온이 겔화반응을 촉진시켜는 점을 고려하여 Ca(OH)₂를 알칼리성 자극제로 사용하였다.

데이터처리

실험의 오차를 최소화하기 위해 상온(22±2C°)에서 실험을 진행하였고 동일 조건의 실험을 2회 이상 실시하여 평균값을 취하였다.

이론/모형

시험은 국제 표준 시험 방법인 IEC 62321 : 2008, UV / VIS와 IEC 62321 - 5 : 2014, ICP-OES에 의하여 진행되었으며 검출한계 값인 Cr6+ < 1mg/kg, Cd < 0.5mg/kg을 넘지 않았다.

성능/효과

1. A 액(규산+물)과 B 액(물+고로슬래그+소석회)으로 인한 혼합과정에서 알칼리자극제인 Ca(OH)₂ 로 인한 알칼리성 환경과 칼슘이온의 작용으로 겔타임이 짧아지는 경향을 보였다.
3. 내구성 시험결과 시멘트 시료의 경우 4주 이후 급격히 붕괴하는 현상을 보이며 형태와 체적의 변화율에 있어 고로슬래그의 내구성이 더 우수함을 확인할 수 있었다. 전반적으로 1~2주 구간에서의 팽창은 시료의 경화 작용에 따른 것으로 판단되며 4~12주 구간에서의 수축 현상은 알칼리금속의 용탈에 의한 것으로 판단된다.
5의 일축 압축강도의 평균값을 보여주었다. 결과에 따르면 소석회의 함량이 일정하게 커지면 많을수록 강도가 증가한다. 소석회 함량이 20%~25%의 정점값 구간을 벗어나면 각 재령 일별 강도는 감소한다.
시멘트 용액은 현장 배합비 함수 비를 150%로 하였을 때 Cement-A는 규산나트륨과 물을 각각 100L이고 Cement-B 규산나트륨 36L와 물 100L의 배합기준에 따라 실험 중량을 맞추었다. 고로슬래그의 현장 배합비는 함수비를 100% 하였을 때 BFS-A 조건의 B 용액의 소석회 함유율은 5%, BFS-B 조건의 B 용액의 소석회 함유율은 6%로 하였다. 내구성 시험용 시료공시체는 물유리(A) 액과 고로슬래그 현탁(B)액을 각각 계량하여 혼합된 그라우트 액을 큐빅몰드(5×5×5cm)에 부은 후 윗면을 반듯하게 마무리한다.
시멘트 시료는 4주 차 이후에는 붕괴하는 현상을 보였지만 고로슬래그 공시체는 그 형태와 변화율에 있어 우수한 내구성을 보였다. 또한, 소석회 함유율이 낮은 고로슬래그 혼합용액 조건에서 체적변화율이 적게 나타났다.
시멘트 시료는 4주 차 이후에는 붕괴하는 현상을 보였지만 고로슬래그 공시체는 그 형태와 변화율에 있어 우수한 내구성을 보였다.
전반적으로 고로슬래그 공시체가 염해 수에 잠겼을 때 부피는 팽창하는 효과를 보이다가 다시 수축하는 경향을 보인다. 시멘트와 고로슬래그 공시체의 형상을 비교한 결과 고로슬래그의 내구성이 더 우수함을 확인할 수 있다. Fig.
추가로 줄어든 A 액의 용적(75%)만큼의 물량을 B 액에 더하여 실험을 진행하였는데 약 37%의 물을 추가한 경우 4번 조건에는 여전히 양호한 겔타임을 얻었으나 75%의 물을 추가한 경우 5번 조건에는 약 2배가량 증가한 겔타임이 나타났다. 시험결과 A 액과 B 액이 혼합되는 과정에서 A 액의 양이 적어질수록 겔타임이 짧아지는 경향을 보였다. 위 결괏값을 토대로 하였을 때 3번 조건에서 겔타임이 가장 적게 나타났으며 1m³ 기준으로는 규산나트륨 48L, 소석회 33%의 고로슬래그 혼합물 316kg, 물 836L의 배합 양이라 할 수 있다.
Table 2에 보는 것과 같이 급결 배합비 검토에서 2번과 3번 조건에서 기존 A 액과 B 액의 조성이 같더라도 배합하는 용적 기준 B 액 25% 이하에 달하는 A 액을 혼합했을 때는 5~6초 이내에 겔화하는 현상을 보였다. 추가로 줄어든 A 액의 용적(75%)만큼의 물량을 B 액에 더하여 실험을 진행하였는데 약 37%의 물을 추가한 경우 4번 조건에는 여전히 양호한 겔타임을 얻었으나 75%의 물을 추가한 경우 5번 조건에는 약 2배가량 증가한 겔타임이 나타났다. 시험결과 A 액과 B 액이 혼합되는 과정에서 A 액의 양이 적어질수록 겔타임이 짧아지는 경향을 보였다.

후속연구

소석회 함량이 20%~25%의 정점값 구간을 벗어나면 각 재령 일별 강도는 감소한다. 이로부터 고로슬래그 그라우트의 최대 강도를 발현할 수 있는 배합비 또는 배합비에 따른 강도를 예측할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고로슬래그의 특징은?	플라이애시는 조건에 따라 품질의 편차가 크고 콘크리트 내구성 및 강도를 저하 시킬 수 있는 요소를 포함하고 있어 사용 시 주의해야 한다[8][9]. 고로슬래그는 알칼리 활성제와 반응하여 강도를 발휘하고 콘크리트와 같은 성능을 가진다. 하지만 알칼리 자극제의 종류와 농도에 따라 pH와 다른 압축강도 및 내구성에 차이를 보인다[6][7]. 콘크리트 구조물이 해수환경 하에서 축조될 때 콘크리트 구조물은 해수 중의 황산이온 등에 의한 화학적 침식 작용으로 콘크리트 구조물의 내구성을 떨어 뜨린다.
	콘크리트 구조물이 해수환경 하에서 내구성이 떨어지는 이유는?	하지만 알칼리 자극제의 종류와 농도에 따라 pH와 다른 압축강도 및 내구성에 차이를 보인다[6][7]. 콘크리트 구조물이 해수환경 하에서 축조될 때 콘크리트 구조물은 해수 중의 황산이온 등에 의한 화학적 침식 작용으로 콘크리트 구조물의 내구성을 떨어 뜨린다. 이런 문제점에 대하여 포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 분말이나 플라이애시를 혼합하여 콘크리트 구조물의 내구성 저하를 억제하기도 하였다[10].
	시멘트를 대체할 수 있는 재료로 주목받고 있는 것은?	그중 고로슬래그와 플라이애시와 같은 산업부산물을 이용한 자원재활용과 에너지절감을 위한 그라우트재가 주목을 받고 있다[4][5]. 이에 콘크리트 제조 시에 첨가 되는 시멘트 재료를 고로슬래그와 플라이애시를 알칼리 조건에서 활성하여 시멘트 대체용으로 사용하였다 [6][7].

참고문헌 (14)

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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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