[논문]폐유리를 분쇄 및 발포하여 제조한 인공경량골재의 경량모르타르 적용 기초물성 평가

박정훈

doi:10.14190/mrcr.2019.14.2.028

폐유리를 분쇄 및 발포하여 제조한 인공경량골재의 경량모르타르 적용 기초물성 평가
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박정훈 ((주)케미콘 기술연구소 과장)

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문제 정의

본 연구에서는 폐유리를 파쇄 및 발포하여 제조된 인공경량골재의 입도 사이즈별 흡수율, 단위용적질량, 압축강도 및 조립율에 의한 모르타르의 적용특성을 파악하고자 하였다. 폐유리경량골재는 인공경량골재 중 상대적으로 흡수율이 적고 골재강도가 양호하며 비교적 품질이 안정적인 재료를 선정하였다.
이에 따라 본 연구에서는 폐유리를 활용하여 제조된 인공경량골재를 모르타르에 적용함으로써 조성물에 관한 기초적인 특성을 분석하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 폐유리를 활용한 인공경량골재를 사용한 경량콘크리트 개발의 기초적인 자료를 마련하고자 한다.
이에 따라 본 연구에서는 폐유리를 활용하여 제조된 인공경량골재를 모르타르에 적용함으로써 조성물에 관한 기초적인 특성을 분석하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 폐유리를 활용한 인공경량골재를 사용한 경량콘크리트 개발의 기초적인 자료를 마련하고자 한다.

제안 방법

0 mm의 세 종류로 구분하였고 이를 각각 20wt%만큼 치환하여 입도에 따른 물성을 평가하였다. 또한 3종류의 입도를 혼합하여 25 wt%만큼 치환하여 입도조합의 차이에 따른 물성을 평가하였다. 폐유리경량골재는 앞서 기술한바와 같이 경량골재 중 흡수율이 가장 낮고 강도가 보통수준보다 우수한 독일 P사의 폐유리로 만든 팽창형 유리골재(이하, 폐유리경량골재)를 선정하였다.
본 연구에서는 시멘트와 일반골재의 중량비를 1:3으로 설정한 모르타르 배합에서 일반골재를 폐유리경량골재로 20~25 wt%만큼 치환하여 제조한 경량모르타르의 물성 실험을 진행하였다. 폐유리경량골재를 입도 사이즈에 따라 0.
폐유리경량골재는 인공경량골재 중 상대적으로 흡수율이 적고 골재강도가 양호하며 비교적 품질이 안정적인 재료를 선정하였다. 실험방법은 폐유리경량골재를 입도 사이즈에 따라 0.5~1.0 mm, 1.0~2.0 mm, 2.0~4.0 mm로 구분하여 단일 입도별로 모르타르에 적용하여 물성을 평가하였고, 입도별로 구분된 폐유리경량골재를 조합하여 모르타르에 적용하여 복합 입도에 대한 물성을 평가하였다. 평가항목은 일반 골재만을 사용한 모르타르 대비 일반골재를 폐유리경량골재로 20~25 %만큼 치환할 경우 나타나는 모르타르의 플로우(0분, 20분), 단위용적질량(굳지않은 모르타르, 경화된 모르타르), 압축강도(3일, 7일, 28일) 특성의 수치를 평가하고 비교·분석하였다.
평가항목은 일반 골재만을 사용한 모르타르 대비 일반골재를 폐유리경량골재로 20~25 %만큼 치환할 경우 나타나는 모르타르의 플로우(0분, 20분), 단위용적질량(굳지않은 모르타르, 경화된 모르타르), 압축강도(3일, 7일, 28일) 특성의 수치를 평가하고 비교·분석하였다.
본 연구에서는 시멘트와 일반골재의 중량비를 1:3으로 설정한 모르타르 배합에서 일반골재를 폐유리경량골재로 20~25 wt%만큼 치환하여 제조한 경량모르타르의 물성 실험을 진행하였다. 폐유리경량골재를 입도 사이즈에 따라 0.5~1.0 mm, 1.0~2.0 mm, 2.0~4.0 mm의 세 종류로 구분하였고 이를 각각 20wt%만큼 치환하여 입도에 따른 물성을 평가하였다. 또한 3종류의 입도를 혼합하여 25 wt%만큼 치환하여 입도조합의 차이에 따른 물성을 평가하였다.

대상 데이터

시멘트는 국내 A사의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였고 실리카 퓸 은 국내 B사의 SiO2 함량이 95%인 제품을 사용하였다. W/B = 55 %이며 폐유리경량골재의 사용에 따른 작업성과 부피변화를 고려하여 배합수와 혼화제를 조절하였다.
또한 3종류의 입도를 혼합하여 25 wt%만큼 치환하여 입도조합의 차이에 따른 물성을 평가하였다. 폐유리경량골재는 앞서 기술한바와 같이 경량골재 중 흡수율이 가장 낮고 강도가 보통수준보다 우수한 독일 P사의 폐유리로 만든 팽창형 유리골재(이하, 폐유리경량골재)를 선정하였다. 폐유리경량골재는 고품질의 재생유리를 분쇄하여 약 900 ℃ 온도의 특수한 가마(kiln)에서 소성 및 발포시킨 골재로서 안정성이 우수하며 입도별 물리적 성질은 [표 2]와 같다.
본 연구에서는 폐유리를 파쇄 및 발포하여 제조된 인공경량골재의 입도 사이즈별 흡수율, 단위용적질량, 압축강도 및 조립율에 의한 모르타르의 적용특성을 파악하고자 하였다. 폐유리경량골재는 인공경량골재 중 상대적으로 흡수율이 적고 골재강도가 양호하며 비교적 품질이 안정적인 재료를 선정하였다. 실험방법은 폐유리경량골재를 입도 사이즈에 따라 0.
W/B = 55 %이며 폐유리경량골재의 사용에 따른 작업성과 부피변화를 고려하여 배합수와 혼화제를 조절하였다. 혼화제는 PC계 유동화제와 VAE계 분말수지 및 셀룰로오스섬유를 사용하였다. 모르타르 배합비율과 사용된 재료의 물리·화학적 특성을 [표 3, 4, 5]에 나타내었으며 모르타르의제조는 KS L 5105에 따라 실시하였다

이론/모형

모르타르 배합비율과 사용된 재료의 물리·화학적 특성을 [표 3, 4, 5]에 나타내었으며 모르타르의제조는 KS L 5105에 따라 실시하였다

성능/효과

특히, 일반 모르타르에 대한 폐유리경량골재를 사용한 모르타르의 단위용적질량의 저하율과 압축강도의 저하율의 변화특성을 비교한 결과, 단일 입도 사이즈를 사용한 실험체는 단위용적질량대비 압축강도의 저하율이 크게 나타났으며 복합 입도 사이즈를 사용한 실험체는 압축강도의 저하율이 완만하게 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서, 다양한 입도 사이즈의 폐유리경량골재를 복합적으로 사용할 경우 모르타르의 압축강도저하가 완만하게 조절될 수 있을 것으로 예상된다.
특히, 폐유리경량골재의 입도가 작을경우 모르타르의 단위용적질량과 압축강도의 저하율이 낮았고 입도가 클수록 단위용적질량과 압축강도의 저하율이 증가하였다. 또한 폐유리경량골재를 조합하여 모르타르에 적용할 경우 단위용적질량의 저하율과 대비하여 압축강도의 저하율이 완만하게 나타나는 것을 확인하였다. 즉, 폐유리경량골재를 사용하여 모르타르의 부피를 증가시키고 경량화하기 위해서는 입도 사이즈가 큰 폐유리경량골재를 사용하여 단위용적 질량을 감소시키는 것이 유리할 것으로 판단된다.
모르타르 제조 20분 경과 후플로우는 일반 모르타르가 6 mm만큼 감소하였고 폐유리경량골재가 사용된 배합의 경우 일반모르타르와 유사하게 6±2 mm만큼 감소하여 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며 시간 경과에 폐유리경량골재의 흡수량이 크지 않은 것으로 판단된다.
8 %만큼 감소하였으며 이는 입도 사이즈가 혼합될 경우 다소 조립율의 차이가 있더라도 단위용적질량의 변화는 크지 않음을 알 수 있다. 모르타르28일 재령 후 단위용적질량을 굳지않은 모르타르의 단위용적 질량과 비교한 결과 일반 모르타르에서 4.8 %만큼 감소하였고 폐유리경량골재가 사용된 배합의 경우에는 8.1~9.2 %만큼 감소하였다. 이는 폐유리경량골재가 흡수한 배합수가 시간경과에 따라 시멘트 수화반응에 참여하지 못하여 건조된 수량으로서 폐유리경량골재의 입도 사이즈 및 조립율의 차이가 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단되며 실험 전반적으로 폐유리경량골재는 양생기간동안 약 3~4%만큼 수분을 더 흡수하였다가 점차 배출되어 추가적인 시멘트 수화반응에 사용되거나 건조된 것으로 판단된다.
폐유리경량골재 입도별 치환에 따른 모르타르의 3일, 7일,28일 재령 압축강도와 28일 일반 모르타르 압축강도 대비 폐유리경량골재가 사용된 모르타르의 강도변화율을 <그림 5>에 나타내었다. 모르타르에 치환된 폐유리경량골재의 입도가 커질수록 일반골재를 사용한 모르타르 대비 압축강도가 크게 감소하였으며 단일 입도의 폐유리경량골재를 사용한 모르타르에서 입도 사이즈 0.5~1.0 mm의 경우에는 24.7 %까지 감소하였고 2.0~4.0 mm의 경우에는 43.9 %까지 압축강도가 감소하였다. 입도 사이즈를 혼합하여 사용할 경우 압축강도가 26.
폐유리경량골재 입도별 치환에 따른 모르타르 배합 직후와 28일 경과에 대한 단위용적질량을 <그림 4>에 나타내었다. 모르타르에 치환된 폐유리경량골재의 입도가 클수록 단위용적질량이 크게 감소하였으며 단일 입도의 폐유리경량골재를 사용한 모르타르에서 입도 사이즈 0.5~1.0 mm의 경우에는 21.1%까지 감소하였고 2.0~4.0 mm의 경우에는 29.5%까지 단위용적질량이 감소하였다. 입도 사이즈를 혼합하여 사용할 경우 단위용적질량이 30.
인공경량골재는 사용된 재료와 제조공법에 따라 다양한 형태로 제조되고 있으며 펄라이트, 질석, 팽창점토, 팽창유리 경량골재의 특성과 외관을 [표 1], <그림 1>에 나타내었다. 비중이 작을수록 압축강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며 팽창유리의 경우 경량골재 중 유일하게 폐자원을 재활용하여 제조되었고 흡수율이 가장 낮은 것으로 나타났다.
평가항목은 일반 골재만을 사용한 모르타르 대비 일반골재를 폐유리경량골재로 20~25 %만큼 치환할 경우 나타나는 모르타르의 플로우(0분, 20분), 단위용적질량(굳지않은 모르타르, 경화된 모르타르), 압축강도(3일, 7일, 28일) 특성의 수치를 평가하고 비교·분석하였다. 실험 결과, 일반골재를 사용한 모르타르 대비 폐유리경량골재를 사용한 경량모르타르에서 플로우가실험 전반적으로 약 6 mm만큼 감소하였고 단위용적질량은 21~30 %만큼 감소하였으며 압축강도는 25~44 %만큼 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 폐유리경량골재의 입도가 작을경우 모르타르의 단위용적질량과 압축강도의 저하율이 낮았고 입도가 클수록 단위용적질량과 압축강도의 저하율이 증가하였다.
인공경량골재를 모르타르 및 콘크리트에 적용하는데 있어서 골재자체의 강도가 낮고 흡수율이 높은 특성으로 인해 기준강도를 만족하기 어려운 것으로 나타났다. 인공경량골재는 사용된 재료와 제조공법에 따라 다양한 형태로 제조되고 있으며 펄라이트, 질석, 팽창점토, 팽창유리 경량골재의 특성과 외관을 [표 1], <그림 1>에 나타내었다.
7 %만큼 감소하였다. 특히, 일반 모르타르에 대한 폐유리경량골재를 사용한 모르타르의 단위용적질량의 저하율과 압축강도의 저하율의 변화특성을 비교한 결과, 단일 입도 사이즈를 사용한 실험체는 단위용적질량대비 압축강도의 저하율이 크게 나타났으며 복합 입도 사이즈를 사용한 실험체는 압축강도의 저하율이 완만하게 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서, 다양한 입도 사이즈의 폐유리경량골재를 복합적으로 사용할 경우 모르타르의 압축강도저하가 완만하게 조절될 수 있을 것으로 예상된다.
실험 결과, 일반골재를 사용한 모르타르 대비 폐유리경량골재를 사용한 경량모르타르에서 플로우가실험 전반적으로 약 6 mm만큼 감소하였고 단위용적질량은 21~30 %만큼 감소하였으며 압축강도는 25~44 %만큼 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 폐유리경량골재의 입도가 작을경우 모르타르의 단위용적질량과 압축강도의 저하율이 낮았고 입도가 클수록 단위용적질량과 압축강도의 저하율이 증가하였다. 또한 폐유리경량골재를 조합하여 모르타르에 적용할 경우 단위용적질량의 저하율과 대비하여 압축강도의 저하율이 완만하게 나타나는 것을 확인하였다.

후속연구

즉, 폐유리경량골재를 사용하여 모르타르의 부피를 증가시키고 경량화하기 위해서는 입도 사이즈가 큰 폐유리경량골재를 사용하여 단위용적 질량을 감소시키는 것이 유리할 것으로 판단된다. 또한, 다양한 입도사이즈의 폐유리경량골재를 복합적으로 사용할 경우모르타르의 압축강도저하의 폭을 감소시키고 모르타르의 부피증가 및 무게절감으로 인해 시공비의 절감을 통한 경제성확보가 가능할 것으로 기대된다.
즉, 앞으로 재활용의무율이 증가할 것을 대비하여 폐유리를 건축·토목자재의 원료로 가공하여 실제 공사에 적용하기 위한 공법 개발이 필요하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

폐유리를 활용하여 제조한 인공경량골재 특성은?

폐유리를 활용하여 제조한 인공경량골재는 천연골재에 비하여 내부에 공극이 많아 밀도, 열전도율, 강도가 낮은 특성이 있다. 이와 같은 인공경량골재의 특성을 잘 활용하여 고층 건축구조물 또는 교량, 대공간 구조물 등에 경량콘크리트로 적용할 경우 구조물 전체의 자중을 감소시켜 구조부재의 단면축소 및 다양한 스팬과 구조에 적응할 수 있어 구조적인 측면에서 효용성이 높으며 단열성과 방음효과 등으로 건축구조물 전체의 효용성도 증대시키기 때문에 해외에서는 건축 토목분야에 다양한 활용이 진행되고 있다.

건설산업은 환경문제에 대해 적극적으로 대비해야 하는 이유는?

최근 전 세계적으로 환경을 보존하고 기후변화협약을 대응하기 위해 에너지 및 자원을 효율적으로 사용하며 발생하는 폐기물을 재활용하는 등 온실가스배출량의 발생을 최소화하기 위한 노력이 활발하다. 건설산업은 시멘트의 제조과정에서 온실가스배출량의 발생이 높고 천연골재는 점차 고갈되고 있어 앞으로 수급이 어려워질 것이 예상되며 건설폐기물의 발생량이 점차 증대됨에 따라 환경문제에 대해 적극적으로 대비해야 한다. 국내에서는 발전소 및 산업공장에서 발생하는 다양한 산업폐기물을 시멘트에 혼입하여 콘크리트의 물리·화학적인 특성을 개선시키고 에너지 및 자원을 절감하는 기술이 연구 및 개발되어 활용되고 있으며,최근에는 다양한 산업폐기물을 재활용하여 인공경량골재를 생산하고 이를 산업에 적용하기 위한 연구가 활발하다1-2).

일반골재를 다양한 입도사이즈의 폐유리경량골재와 복합적으로 사용할 경우 얻을수 있는 효과는?

즉, 폐유리경량골재를 사용하여 모르타르의 부피를 증가시키고 경량화하기 위해서는 입도 사이즈가 큰 폐유리경량골재를 사용하여 단위용적 질량을 감소시키는 것이 유리할 것으로 판단된다. 또한, 다양한 입도사이즈의 폐유리경량골재를 복합적으로 사용할 경우모르타르의 압축강도저하의 폭을 감소시키고 모르타르의 부피증가 및 무게절감으로 인해 시공비의 절감을 통한 경제성확보가 가능할 것으로 기대된다.

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