[논문]산업부산물을 활용한 CSA 첨가량에 따른 광산 차수재 특성에 관한 연구

강석표; 이영훈; 강혜주; 조성현; 조용광

doi:10.14190/jrcr.2019.7.1.74

산업부산물을 활용한 CSA 첨가량에 따른 광산 차수재 특성에 관한 연구
A Study on the Characteristics of Mine Liner According to the Contents of CSA Using Industrial Byproducts 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.1, 2019년, pp.74 - 81

강석표 (우석대학교 건축학과) , 이영훈 (우석대학교 건축학과) , 강혜주 (우석대학교 건축학과) , 조성현 (한일시멘트) , 조용광 (한일시멘트)

초록
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본 연구에서는 산업부산물을 활용한 CSA와 이수석고를 광산 차수재에 적용하기 위한 기초자료를 제시하고자 CSA와 이수석고 첨가량에 따른 차수재의 특성을 검토하였으며 그 결과를 다음과 같이 나타내었다. CSA 첨가량에 따른 광산 차수재의 압축강도, 길이변화, 흡수율 측정결과 CSA30%까지는 초기재령에서의 강도증가와 더불어 수축 및 흡수율저감 효과에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 CSA50%에서는 과량 사용으로 인하여 수축보상 및 공극충진보다는 과팽창으로 인한 흡수율 증가와 시멘트양 감소로 인하여 OPC와 비교하여 15% 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, to characterize the application of CSA and dihydrate gypsum Utilizing industrial byproducts, we investigated the characteristics of CSA and dihydrate gypsum to investigate the characteristics of Mine Liner according to the addition amount. As a result of compressive strength, length change and absorption rate of mining lime wastewater according to CSA addition amount, up to 30% of CSA showed a positive effect on shrinkage and absorption reduction effect as well as strength at initial age. However, due to excessive use of CSA 50%, it was reduced by 15% compared to OPC due to increase of absorption rate and decrease of cement amount due to over expansion rather than shrinkage compensation and void filling.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Experiment plan and mix design
표 Table 4. Chemical compositions of raw Materials
표 Table 2. Physical properties and chemical composition of OPC and slag
표 Table 3. Physical properties and chemical composition of drystalline gypsum
그림 Fig. 1. Demec strain gauge
그림 Fig. 2. Flow according to the CSA contents
그림 Fig. 3. Compressive strength according to the CSA contents
그림 Fig. 4. Compressive strength ratio according to the CSA contents
그림 Fig. 5. Rate of length change
그림 Fig. 6. Absorption ratio
그림 Fig. 7. Incremental void distribution volume
그림 Fig. 8. Cumulative void volume

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CSA와 이수석고를 광산 차수재에 적용하기 위한 기초자료를 제시하고자 CSA와 이수석고 첨가량에 따른 차수재의 특성을 검토하였으며 그 결과를 다음과 같이 나타내었다.
본 연구에서는 뿜칠용 차수재를 고려하여 압송하기 위한 유동성을 확보하고자 목표 플로우를 200±20mm로 설정하였다.
본 연구에서는 산업부산물을 주원료로 활용하여 국내에서 생산한 CSA와 이수석고를 광산 차수재에 적용하기 위한 기초자료를 제시하고자 고로슬래그를 혼입한 시멘트 모르타르에 CSA와 이수석고 첨가량에 따른 차수재의 특성을 검토하였다.

제안 방법

이는 KS L ISO 679에서 모르타르 제조시 물결합재비는 50%로 규정하고 있으나 제조된 광산 차수재를 뿜칠재로 사용하기 위해 플로우의 값 200mm로 측정되는 OPC첨가량 및 유동화제를 Plain으로 설정하였다. CSA 및 이수석고의 첨가량은 6:4비율로 시멘트양에 대하여 10, 20, 30, 50%씩 내할 첨가하였다. 유동화제는 흐름성을 용이하게 하기 위해 사용하였다.
CSA 첨가량에 따른 광산 차수재의 압축강도는 KS L ISO 679에 의거하여 40×40×160mm의 몰드에서 제작하였으며 탈형 후 3, 7, 28일 간격으로 중앙에 하중을 두고 절단한 다음, 절단된 공시체 위에 정사각형 철제 후판을 두고 가력하여 쪼개진 두 개의 시편의 압축강도를 각각 측정하여 평균값을 구하여 산출하였다.
광산 차수재의 건조수축 안정성을 확인하기 위해 길이변화 시험은 KS F 2424「모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법」에 준하여 40×40×160mm의 각주 시험체를 타설한 후, 온도 20± 2℃, 상대습도 60±5%의 항온항습실에서 양생하여 제작한 후, Fig. 1과 같이 양단에 디스크를 부착하여 재령 1일에서의 측정값을 기준으로 하여 28일 동안 항온항습기에 양생했던 온도와 습도를 그대로 유지하여 컨텍트 게이지를 사용하여 길이변화율을 측정하였다(Kim et al. 2018).
광산 차수재의 초기강도 저하 문제와 수밀성 저하 문제를 해결하기 위하여 이수석고 및 CSA를 활용하여 차수재를 제조하였다. 먼저 CSA(Calcium Sulfoaluminate, 3CaO⋅3Al₂O₃⋅CaSO₄, C₄A₃S) 클링커를 합성하기 위한 출발원료로 Al₂O₃원으로는 화력발전소에서 발생되는 발전회를 사용하였으며, SO₃원으로는 탈황과정에서 발생되는 탈황석고를, CaO원으로는 1종 OPC 제조 및 석회산업에 사용되는 석회석을 사용하였으며 그 물성을 Table 4에 나타내었다.
먼저 공시체를 50×50×50mm 몰드에 제작한 다음 28일 동안 온도 20±2℃, 상대습도 60±5%의 항온항습실에서 양생하여 제작한 후, 건조기에 80℃의 온도조건에서 24시간 건조하였다.
혼합방법은 KS L ISO 679의 규정방법에 따라 모르타르 혼합기를 통해 1분 동안 혼합하였다. 실험항목으로는 플로우, 압축강도, 흡수율, 기공특성, 수화특성을 실시하였다.
이를 위하여 시멘트는 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)를 사용하였으며, 물결합재비는 전체 배합에 대해 14%로 하였다. 이는 KS L ISO 679에서 모르타르 제조시 물결합재비는 50%로 규정하고 있으나 제조된 광산 차수재를 뿜칠재로 사용하기 위해 플로우의 값 200mm로 측정되는 OPC첨가량 및 유동화제를 Plain으로 설정하였다. CSA 및 이수석고의 첨가량은 6:4비율로 시멘트양에 대하여 10, 20, 30, 50%씩 내할 첨가하였다.

대상 데이터

CSA 크링카는 원료 조합물을 CaO:Al₂O₃:CaSO₄=3:3:1 비율로 혼합하여 실험실 대형전기로에서 1,000~1,400℃의 여러 온도 범위로 합성하였으며, CSA 크링카의 조건을 만족하는 시료에 대해 실증화 플랜트(Pilot plant) 및 실공정 소성로에서 대량 제조하여 만든 H사의 것을 사용하였다.
15g/cm³인 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였다. 고로슬래그 미분말은 비표면적 4,159m²/g, 밀도 2.90g/cm³인 고로슬래그 미분말을 사용하였다. 석고는 비표면적 3,816m²/g, 밀도 3.
기 준시험체인 Plain 은 국토교통부의 터널표준시방서 숏크리트 플로우에 제시되고 있는 200±20mm를 Target flow로 설정하여 비교검토 하였다.
먼저 CSA(Calcium Sulfoaluminate, 3CaO⋅3Al2O3⋅CaSO4, C4A3S) 클링커를 합성하기 위한 출발원료로 Al2O3원으로는 화력발전소에서 발생되는 발전회를 사용하였으며, SO3원으로는 탈황과정에서 발생되는 탈황석고를, CaO원으로는 1종 OPC 제조 및 석회산업에 사용되는 석회석을 사용하였으며 그 물성을 Table 4에 나타내었다.
본 연구에서 사용한 H사의 CSA는 성분과 성상이 유리하고 산업부산물을 선택적으로 사용하여 조합하는 원료의 수도 줄일 수 있는 CSA 크링카를 실공정 소성로에서 제조하였으며, 소성온도는 1종 OPC 크링카의 합성온도 보다 비교적 저온인 약 1,200~1,300℃에서 제조한 CSA를 사용하였다. 기존 연구에 의하면 CSA 팽창재는 수화초기부터 팽창력에 영향을 미치는 육각주상 Ettringite 형태의 수화물 생성이 뚜렷함을 확인할 수 있으며, 경화체 조직 공극 부위에 Ettringite 수화물을 형성하여 시멘트 콘크리트의 건조수축 및 수축균열에 대한 결점을 개선 가능한 것으로 보고되고 있다(Lee et al.
본 연구에서 사용한 골재는 KS L ISO 679의 표준사를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 그리고 석고의 물리⋅화학적 성질을 Table 2 및 Table 3에 나타내었다.
90g/cm³인 고로슬래그 미분말을 사용하였다. 석고는 비표면적 3,816m²/g, 밀도 3.12g/cm³인 이수석고를 사용하였다.
CSA 첨가량에 따른 차수재의 특성을 검토하고자 하는 실험계획을 Table 1에 나타내었으며 KS L ISO 679 「시멘트의 강도시험방법」에 준하여 실험을 실시하였다. 이를 위하여 시멘트는 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)를 사용하였으며, 물결합재비는 전체 배합에 대해 14%로 하였다. 이는 KS L ISO 679에서 모르타르 제조시 물결합재비는 50%로 규정하고 있으나 제조된 광산 차수재를 뿜칠재로 사용하기 위해 플로우의 값 200mm로 측정되는 OPC첨가량 및 유동화제를 Plain으로 설정하였다.

이론/모형

CSA 첨가량에 따른 광산 차수재의 플로우는 KS L 5111 「시멘트 시험용 플로 테이블」에 의거하여 측정하였다. 기 준시험체인 Plain 은 국토교통부의 터널표준시방서 숏크리트 플로우에 제시되고 있는 200±20mm를 Target flow로 설정하여 비교검토 하였다.
CSA 첨가량에 따른 광산 차수재의 흡수율은 KS F 2476에 의거하여 실시하였다. 먼저 공시체를 50×50×50mm 몰드에 제작한 다음 28일 동안 온도 20±2℃, 상대습도 60±5%의 항온항습실에서 양생하여 제작한 후, 건조기에 80℃의 온도조건에서 24시간 건조하였다.
CSA 첨가량에 따른 차수재의 특성을 검토하고자 하는 실험계획을 Table 1에 나타내었으며 KS L ISO 679 「시멘트의 강도시험방법」에 준하여 실험을 실시하였다. 이를 위하여 시멘트는 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)를 사용하였으며, 물결합재비는 전체 배합에 대해 14%로 하였다.
기공 측정 방법은 변화되는 압력에서 수은(Hg)이 시료에 침투되는 수은압입법을 통해 Pore Size를 분석하는 Pore Size Analyzer (Porosimeter)장비를 통하여 분석하였다.
유동화제는 흐름성을 용이하게 하기 위해 사용하였다. 혼합방법은 KS L ISO 679의 규정방법에 따라 모르타르 혼합기를 통해 1분 동안 혼합하였다. 실험항목으로는 플로우, 압축강도, 흡수율, 기공특성, 수화특성을 실시하였다.

성능/효과

1) CSA 첨가량에 따른 광산 차수재의 플로우 측정결과 CSA 첨가량이 증가할수록 차수재의 플로우는 감소하고 있으며, 본 연구의 범위에서 CSA 첨가량 20%까지는 목표 플로우를 만족하였다.
2) 압축강도 측정결과 CSA 첨가량이 증가할수록 광산 차수재의 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 본 연구의 범위에서 압축강도는 CSA 첨가량이 30% 이내에서 Plain와 비교하여 90% 이상 발현하고 있는 것으로 나타났으며 초기강도 증진에 효과적인 것으로 나타났다.
3) 길이변화 측정결과 CSA 첨가량이 증가할수록 광산 차수재의 체적은 팽창하는 경향을 나타내었으며 본 연구의 범위에서는 CSA 첨가량 30%까지는 초기재령에서의 강도증가와 더불어 수축저감 효과가 있는 것으로 나타났다.
4) 흡수율 측정결과 CSA 첨가량이 30%이내에는 Plain과 비교하여 감소하였으나 CSA 첨가량 50%에서는 Plain과 비교하여 2배 이상 증가하는 것으로 나타났다. CSA 첨가량이 30% 이내에서는 CSA와 이수석고가 Ettringite를 형성하면서 그 과정에서 내부 조직이 치밀하게 형성되어 흡수율이 감소한 것으로 판단된다.
5) 기공분포는 CSA 첨가량 30% 이내에서는 유사한 경향을 나타내고 있으나 CSA 첨가량 50%에서는 직경 40~200nm의 모세관 기공량이 급증하는 것으로 나타났다. 이는 CSA 첨가량 50%에서는 과량의 CSA 첨가로 초기재령에서 과도한 팽창으로 매트릭스 내 균열이 발생하고 이로 인한 모세관 공극량이 증가하여 압축강도가 저하되어 흡수율이 증가한 것으로 판단된다.
CSA 첨가량에 따른 흡수율은 Plain에서 3.4%이었으나 CSA10%에서 1.2%, CSA20%에서 1.8%, CSA30%에서 2.1%로 나타나 Plain과 비교하여 상대적으로 흡수율이 감소하였다. 이는 CSA와 이수석고가 Ettringite를 형성하면서 팽창되는데 그 과정에서 내부 조직이 치밀하게 형성되었기 때문으로 사료된다.
4에 나타내었다. CSA 첨가량이 증가할수록 광산 차수재의 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 본 연구의 범위에서 압축강도는 CSA 첨가량이 30% 이내에서 Plain와 비교하여 90% 이상 발현하고 있으나 CSA 첨가량 50%에서는 Plain와 비교하여 압축강도가 80%수준까지 감소하는 것으로 나타났다.
5에 나타내었다. CSA 첨가량이 증가할수록 광산 차수재의 체적은 팽창하는 경향을 나타내었으며 본 연구의 범위에서는 CSA 첨가량 30% 이내에서 28일 길이변화는 0.1% 이하로 팽창하였으나 CSA 첨가량 50%에서는 0.3%까지 팽창하는 것으로 나타났다. 이는 CSA 첨가량에 따른 28일 길이변화 측정결과 Plain에서 0.
본 연구에서는 뿜칠용 차수재를 고려하여 압송하기 위한 유동성을 확보하고자 목표 플로우를 200±20mm로 설정하였다. CSA 첨가량이 증가할수록 차수재의 플로우는 감소하고 있으며, 본 연구의 범위에서 CSA 첨가량 20%까지는 목표 플로우를 만족하였다.
8에 나타내었다. 광산 차수재의 기공량은 CSA10%에서 0.068mL/g, CSA20%에서 0.083mL/g, CSA30%에서 0.073mL/g, CSA50%에서 0.085mL/g로서 CSA50%에서 가장 크게 나타났으나 CSA 첨가량에 따른 뚜렷한 경향은 나타나지 않았다.
본 연구의 범위에서 압축강도는 CSA 첨가량이 30% 이내에서 Plain와 비교하여 90% 이상 발현하고 있으나 CSA 첨가량 50%에서는 Plain와 비교하여 압축강도가 80%수준까지 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 재령 3일에서는 CSA 첨가량 30%까지는 오히려 Plain과 비교하여 동등 이상의 압축강도를 발현하고 있어 CSA는 초기강도 증진에 효과적인 것으로 나타났다.
7에 나타내었다. 기공분포는 CSA 첨가량 30% 이내에서는 유사한 경향을 나타내고 있으나 CSA 첨가량 50%에서는 직경 40~200nm의 모세관 기공량이 급증하는 것으로 나타났다. 이는 CSA 첨가량 50%에서는 과량의 CSA 첨가로 초기재령에서 과도한 팽창으로 매트릭스 내 균열이 발생하고 이로 인한 모세관 공극량이 증가하여 압축강도가 저하되어 흡수율이 증가한 것으로 판단된다.
2002). 본 연구의 범위 내에서는 CSA 첨가량 30%까지는 초기재령에서의 강도증가와 더불어 수축저감 효과가 있으나 CSA 첨가량 50%에서는 과팽창으로 인하여 초기재령에서의 강도저하가 유발된 것으로 사료된다.
2) 압축강도 측정결과 CSA 첨가량이 증가할수록 광산 차수재의 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 본 연구의 범위에서 압축강도는 CSA 첨가량이 30% 이내에서 Plain와 비교하여 90% 이상 발현하고 있는 것으로 나타났으며 초기강도 증진에 효과적인 것으로 나타났다.
CSA 첨가량이 증가할수록 광산 차수재의 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 본 연구의 범위에서 압축강도는 CSA 첨가량이 30% 이내에서 Plain와 비교하여 90% 이상 발현하고 있으나 CSA 첨가량 50%에서는 Plain와 비교하여 압축강도가 80%수준까지 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 재령 3일에서는 CSA 첨가량 30%까지는 오히려 Plain과 비교하여 동등 이상의 압축강도를 발현하고 있어 CSA는 초기강도 증진에 효과적인 것으로 나타났다.
6에 나타내었다. 본 연구의 범위에서는 CSA 첨가량이 30% 이내에서의 흡수율은 Plain과 비교하여 감소하였으나 CSA 첨가량 50%에서는 Plain과 비교하여 2배 이상 증가하는 것으로 나타났다.
이러한 결과는 CSA와 석고를 혼합하여 사용하게 되면 단독으로 사용하는 것보다 Ettringite와 Ca(OH)₂가 활발하게 생성되고 이로 인하여 수축 보상과 더불어 초기강도 증진에도 기여했기 때문으로 사료된다. 본 연구의 범위에서는 CSA30%까지는 초기강도에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 CSA50%에서는 CSA의 과량 사용으로 인하여 시멘트양 감소하여 수축보상 및 공극충진보다는 과팽창으로 인한 강도감소가 나타난 것으로 사료된다.
2MPa로 CSA를 첨가하게 되면 Plain과 비교하여 상대적으로 낮은 압축강도를 발현하고 있다. 재령 3일 압축강도에서 Plain과 비교하여 상대적으로 높게 나타난 CSA 첨가량 30%까지도 재령 28일에서는 낮은 것으로 나타났다. 이는 CSA 팽창재를 사용할 경우 초기 재령에서 Ettringite를 생성하게 되고 이로 인한 수축보상과 압축강도 증진을 나타내지만 28일 이후 장기재령에서는 효과를 나타내지 않는다는 기존 연구결과와 유사하다(Park et al.
플로우 측정결과 Plain에서는 217mm로 측정되었으나 CSA10% 에서는 195mm, CSA20%에서는 180mm, CSA30%에서는 175mm, CSA50%에서는 165mm로서 CSA 첨가량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면차수공법의 장점은?	연직차수공법은 강관, 강판 또는 콘크리트, 점토, 그라우팅 등으로 지반까지 연직 차수벽을 설치하여 오염수의 경로 차단 및 지하수의 이동을 억제하는 방법으로 이를 위한 고가의 장비를 보유하기 어렵고 전문 인력 수요 및 토질에 따른 경제성 변동이 큰 단점을 가지고 있다. 반면 표면차수공법은 매립지역 전체를 차수재로 완전히 덮어 차수하는 방법으로, 고가의 장비와 전문인력 수 요가 필요 없으므로 막대한 공사비용을 절약할 수 있다. 그러나 표면차수 시 원지반과 차수재 사이에 경계면이 생기면 이 경계면 사이로 우수가 침투하여 차수재가 파괴될 수 있기 때문에 차수재의 수밀성은 중요한 요소로 자리 잡고 있다.
	CSA는 무엇인가?	한편, CSA(Calcium Sulfo Aluminate)는 석고 및 알루미나질 원료를 소성하여 제조되는 콘크리트 및 모르타르용 팽창재로 Hauyune(C4A3S: 3CaO 3Al2O3 CaSO4) 및 CaO 등의 성분으로 이루어져 있으며, 포틀랜드 시멘트에 C3A와 석고를 적당량 혼합하여 반응시켰을 경우 수화반응 과정에서 미세한 침상결정의 고황산염 수화물인 Ettringite(3CaOALO-3Caso, 32H20)가 생성된다. Sakai (1980)은 Ettringite가 초기 수화 6시간 이내에 최대치에 도달한 후 점차Monosulfate(3CaO⋅Al2O3⋅CaSO4⋅12H2O)로 변화한다고 한다.
	CSA 첨가량에 따른 차수재의 특성은?	본 연구에서는 산업부산물을 활용한 CSA와 이수석고를 광산 차수재에 적용하기 위한 기초자료를 제시하고자 CSA와 이수석고 첨가량에 따른 차수재의 특성을 검토하였으며 그 결과를 다음과 같이 나타내었다. CSA 첨가량에 따른 광산 차수재의 압축강도, 길이변화, 흡수율 측정결과 CSA30%까지는 초기재령에서의 강도증가와 더불어 수축 및 흡수율저감 효과에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 CSA50%에서는 과량 사용으로 인하여 수축보상 및 공극충진보다는 과팽창으로 인한 흡수율 증가와 시멘트양 감소로 인하여 OPC와 비교하여 15% 감소하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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