[논문]페로니켈슬래그 잔골재의 바닥용 건조모르타르 적용성 평가

조봉석; 김원기; 황인성; 구경모

doi:10.5345/jkibc.2019.19.2.105

[국내논문] 페로니켈슬래그 잔골재의 바닥용 건조모르타르 적용성 평가
Applicability of Ferro-nickel Slag Sand for Dry Mortar in Floor 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.2, 2019년, pp.105 - 112

조봉석 (Research Institute of Industrial Science and Technology) , 김원기 (Construction Material Research Center, Asiacement Corp.) , 황인성 (Construction Material Research Center, Asiacement Corp.) , 구경모 (Construction Material Research Center, Asiacement Corp.)

초록
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페로니켈슬래그 잔골재는 천연 잔골재와 유사한 특성이 있어 국내 외적으로 콘크리트 구조물에 사용되고 있으나 그 용도와 연구의 영역이 한정적이다. 이에 본 연구에서는 FNS의 활용성 확대와 모르타르제품의 성능개선을 목적으로 바닥용 건조모르타르에 대한 FNS의 적용성을 검토하고자 하였다. 실험 결과, FNS는 흡수율이 낮고 구형의 입형이며 표면이 유리질 피막의 특성이 있어 모르타르의 플로을 향상시켰다. 또한 골재 자체의 높은 강성은 몰탈 압축강도의 향상 및 수축저감 효과를 나타내어 균열저감 등의 품질향상에 기여할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 천연 잔골재를 사용한 모르타르와 비교하여 FNS를 적용하는 경우 동등수준 이상의 충격음 차단성능을 확보할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fine aggregate made of ferronickel slag(FNS) is similar to natural fine aggregates and is used in concrete structures both domestically and abroad, but its applications and research areas are limited. In this research, in order to expand the availability of FNS and improve the performance of cement mortar products, the applicability of FNS on dry mortar for floor was examined. Experimental results show that FNS improves flow of cement mortar because it has low absorption rate, spherical shape, and glassy surface. Also, the high stiffness of the FNS aggregate itself is considered to contribute to the improvement of cement mortar quality such as crack reduction by improving the compressive strength and shrinkage reducing. In addition, when FNS fine aggregate is applied, it was possible to secure the impact sound insulation performance equal to or higher than that of mortar using natural fine aggregate.

주제어

표/그림 (19)

그림 Figure 1. Potential reactivity of aggregates (Chemical Method)
표 Table 1. Chemical composition of FNS
그림 Figure 2. Particle size distributions of FNS and the upper and lower limits of KS F 2527
그림 Figure 3. Grain refining of FNS
그림 Figure 4. Grain shape of FNS (SEM image)
표 Table 3. Mix design of mortar (Plain)
표 Table 4. Experimental plan
표 Table 2. Physical properties of FNS
그림 Figure 5. Flow of mortar with FNS
그림 Figure 7. Compressive strength of mortar with FNS
그림 Figure 8. Drying shrinkage of mortar with FNS
그림 Figure 6. Unit weight of mortar with FNS
그림 Figure 9. Expansion of mortar with FNS
그림 Figure 10. Production process of mock-up members
표 Table 5. Experimental plan and mix design of mortar (Mock-up)
그림 Figure 11. Standard impact sound inslation of floors
그림 Figure 12. Compressive strength of mortar (Plain and FNS)
그림 Figure 13. Drying shrinkage of mock-up member
그림 Figure 14. Impact sound of mock-up member

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 건조모르타르는 바닥용, 미장용, 타일용, 조적용 등으로 다양하게 구분되며, 그 중에서도 바닥용 건조모르타르는 플로 및 압축강도 뿐만 아니라, 바닥균열에 주요 원인인 건조수축 저감성능이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 바닥용 건조모르타르에 대하여 페로니켈슬래그 잔골재의 혼입에 따른 기초·역학적 특성과 건조수축을 평가하여 현장적용 가능성에 대해 검토하고자 하였다. 또한 최근에는 층간소음에 대한 사회적 문제가 끊임없이 제기되고 있으며, 이에 국토교통부에서는 「공동주택 바닥 충격음 차단구조인정 및 관리기준」을 제시하고 있다.

가설 설정

주성분은 MgO 및 SiO₂가 대부분으로 구성되어 있으며, MgO가 약 33%로 높게 함유되어 있다. XRD 분석결과 팽창가능성이 있는 free MgO는 존재하지 않았고, forsterite(2MgO.SiO₂) 및 enstatite(MgO.SiO₂) 등의 복합산화물형태로 고형화 되어 있어 화학적으로 안정화 되어 있는 형태이다.

제안 방법

Table 3 및 Table 4는 바닥용 모르타르의 배합사항과 입도조정된 왕사, 중사, 미사별 FNS의 치환율에 따른 역학적 특성을 검토하기 위한 실험계획을 나타낸 것이다. W/DM(드라이 모르타르 총중량 대비 배합수의 비) 18%의 바닥용 모르타르를 대상으로 각 모래의 입도별 치환율을 0, 25, 50, 75 및 100%로 하여 플로, 단위용적질량, 압축강도, 수축변형량(KS F 2424) 및 알칼리 잠재 반응성(KSF 2546)을 평가하였다.
또한, 시험체의 성능평가에 있어 모르타르의 압축강도는 재령 3, 7 및 28일에 측정하였고, Mock-up시험체의 건조수축은 타설 후 재령 1일에 시험체의 중앙부 및 측면에 변형게이지를 부착하여 재령 28일까지 평가를 진행하였다. 수축 평가 후 부재를 탈형하여 Figure 11과 같이 충격음차단성능을 KS F 2810-1, 2에 준하여 실시하였다.
이에 천연잔골재(해서 및 강사) 대비 약 30%, 부순잔골재 대비 약 10% 이하로 치환·혼합하여 사용하면 표준입도분포범위를 만족할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 Figure 3과 같이 바닥용 건조모르타르에 대하여 FNS잔골재를 왕사(2.5~5.0mm), 중사(1.2~2.5mm) 및 미사(1.2mm 이하)로 입도를 조정하여 특성을 평가하고자 하였다. Figure 4는 SEM 촬영을 통해 FNS 단면을 나타낸 것이다.
본 연구에서는 여기서 도출된 결과를 바탕으로 FNS의 적정 치환율 범위를 선정하고, 현장의 타설조건 등을 고려하여 Mock-up 시험을 추가적으로 진행하였다.
일반적으로 슬래브의 강성이 향상되는 것은 충격점의 유효질량을 높이는 것과 동일한 효과가 되어, 충격에 대하여 바닥은 진동하기 어렵게 되고 충격에 의한 발생음도 저하한다고 보고하고 있다[14]. 본 연구에서는 페로니켈슬래그잔골재의 혼입이 건조모르타르의 강성을 향상시킬 것으로 예상되었으며 이에 바닥 충격음 차단성능을 Mock-up시험을 통해 검토하였다.

대상 데이터

Table 5와 같이 앞서 도출된 FNS 최적 조합(왕사 75%, 중사 75% 및 미사 미혼입)을 대상으로, 모의부재의 역학적 특성 및 충격음 차단성능을 검토하였다.
본 연구에서는 FNS를 혼입한 모르타르의 최종 배합에 대해 플로, 압축강도 및 변형특성 등을 고려하여 왕사 75%, 중사 75% 및 미사 미혼입의 조건이 최적의 혼입조건으로 선정하였다.

데이터처리

수축 평가 후 부재를 탈형하여 Figure 11과 같이 충격음차단성능을 KS F 2810-1, 2에 준하여 실시하였다. 경량충격원 및 중량충격원은 Tapping Machine 및 Rubber Ball을 이용하여 발생시키고, 전달된 음은 아래 층의 마이크로폰을 통해 평가·분석하였다.

이론/모형

또한, 시험체의 성능평가에 있어 모르타르의 압축강도는 재령 3, 7 및 28일에 측정하였고, Mock-up시험체의 건조수축은 타설 후 재령 1일에 시험체의 중앙부 및 측면에 변형게이지를 부착하여 재령 28일까지 평가를 진행하였다. 수축 평가 후 부재를 탈형하여 Figure 11과 같이 충격음차단성능을 KS F 2810-1, 2에 준하여 실시하였다. 경량충격원 및 중량충격원은 Tapping Machine 및 Rubber Ball을 이용하여 발생시키고, 전달된 음은 아래 층의 마이크로폰을 통해 평가·분석하였다.

성능/효과

1) FNS는 흡수율이 낮고 구형의 입형이며 표면이 유리질 피막의 특성이 있어 모르타르의 플로(시공성)을 향상시켰다.
2) FNS의 플로 개선효과와 골재 자체의 높은 강성은 몰탈 압축강도의 향상 및 수축저감 효과를 나타내어 균열저감 등의 품질향상에 기여할 것으로 판단된다.
3) FNS를 적용하는 경우, Plain 대비 동등수준 이상의 충격음 차단성능을 확보 할 수 있었다.
Figure 4는 SEM 촬영을 통해 FNS 단면을 나타낸 것이다. FNS 원석의 입형은 구형이며, 5mm이하로 입도조정을 위해 파쇄를 진행하여 약 30%의 부순 FNS가 존재하였다. 또한 FNS의 내부에는 0.
Figure 7은 입도별 FNS 치환율에 따른 바닥용 건조모르타르의 압축강도를 나타낸 것이다. FNS의 왕사 치환율 75%까지는 치환율이 증가함에 따라 압축강도가 증가하였으나 왕사 치환율 100%에서는 Plain보다 낮은 압축강도 발현율을 보였다. 또한 FNS잔골재의 중사는 치환율에 관계없이 Plain과 유사한 압축강도 발현율을 보였으며 치환율 75%에서 최대 강도를 나타내었다.
한편, Figure 8은 입도별 FNS 치환율에 따른 모르타르의 수축변형량을 나타낸 것이다. FNS잔골재의 미사 치환율 100%를 제외하고 모든 조건에서 Plain대비 약 10%의 수축저감효과를 확인하였다. 이는 FNS잔골재가 혼입되어 몰탈의 압축강도 및 강성이 향상되기 때문으로 판단된다.
Mock- up시험체의 수축변형량에 있어서도 모르타르의 단위수량이 저감되고 강도가 증가되어 Figure 13과 같이 약 10~30% 수축이 저감되는 효과를 확인할 수 있었으며, 이를 통해 FNS를 적용함으로써 균열이 저감될 것으로 기대된다.
Figure 10은 Mock-up시험체의 제작과정을 나타낸 것으로, 시험체의 치수는 1,000×1,000×40mm로 설정하였다. 모르타르의 생산시 목표플로(240±10mm)를 고려한 FNS 혼입 시험체의 W/DM는 18%(플로 239mm)로, Plain(W/DM 21%, 플로 238mm)과 비교하여 감소하는 효과를 확인할 수 있었다.
이상의 연구결과를 바탕으로, 일본의 경우는 1990년대 초부터 관련연구 및 시공지침개발 등을 통한 콘크리트용 골재 표준화 작업이 진행되어 페로니켈슬래그의 재활용률을 높이고 있으며, 우리나라에서도 잔골재로써 2009년 KS 제정 이후 콘크리트 시공지침(한국콘크리트학회)이 마련되는 등 시스템 확립을 도모하였다. 그러나 기존의 연구들은 콘크리트 또는 일반 모르타르 배합에 한하여 플로, 강도 및 내구성 검토 등에 머물러 있는 실정으로, 공동주택 등에서 일반적으로 적용되는 건조모르타르에 대한 적용 연구는 거의 없는 실정이다.
Table 2는 FNS잔골재의 흡수율, 단위용적질량 및 절건밀도를 나타낸 것으로, 『KS F 2527 콘크리트용 골재』의 기준을 만족하였다. 일반골재와 비교하여 FNS잔골재의 흡수율이 낮고 높은 단위용적질량 및 밀도의 특성을 보였다.

후속연구

4) 향후 FNS를 활용한 산업부산물을 활용한 콘크리트용 골재는 골재부족문제에 대응하기 위한 하나의 방안이며, 이에 산업부산물 활용기술과 수급네트워크를 지속적으로 확보할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페로니켈슬래그 잔골재를 50% 이하로 치환하였을 때 얻는 장점은?	이러한 페로니켈슬래그에 대한 잔골재로써의 연구는 다양하게 진행되어 왔다. 국외 연구에서는 일반적으로 페로니켈슬래그 잔골재를 약 50% 이하로 치환하는 범위에서 압축강도, 탄성계수 및 수밀성이 증가하고, 목표 플로에 요구되는 배합수량이 감소된다고 보고하였다[1,2]. 또한, Togawa et al.
	페로니켈슬래그란 무엇인가?	이 중 페로니켈슬래그(Ferro-nickel slag)는 철 80%와 니켈 20%가 함유되어 만들어지는 스테인레스강 원료를 생산할 때 발생되는 산업부산물로써, 생산공정 특성상 니켈의 생산량(약 6만톤/연) 대비 페로니켈슬래그의 발생률(180만톤/연)이 상대적으로 매우 높다. 페로니켈슬래그 발생량의 약 65%는 콘크리트용 잔골재로 활용되고 있으나 나머지는소내 토목 공사 등 저부가 가치로 활용 중이다.
	바닥용 건조모르타르에 대한 FNS의 적용으로 인한 결과는?	이에 본 연구에서는 FNS의 활용성 확대와 모르타르제품의 성능개선을 목적으로 바닥용 건조모르타르에 대한 FNS의 적용성을 검토하고자 하였다. 실험 결과, FNS는 흡수율이 낮고 구형의 입형이며 표면이 유리질 피막의 특성이 있어 모르타르의 플로을 향상시켰다. 또한 골재 자체의 높은 강성은 몰탈 압축강도의 향상 및 수축저감 효과를 나타내어 균열저감 등의 품질향상에 기여할 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 천연 잔골재를 사용한 모르타르와 비교하여 FNS를 적용하는 경우 동등수준 이상의 충격음 차단성능을 확보할 수 있었다.

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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