[논문]페로니켈슬래그 미분말 및 혼화재의 복합사용에 따른 모르타르의 강도 및 내구성 평가

조설아; 유정환; 박상순

doi:10.14190/jrcr.2019.7.3.262

페로니켈슬래그 미분말 및 혼화재의 복합사용에 따른 모르타르의 강도 및 내구성 평가
Evaluation of Strength and Durability of Mortar using Ferronickel Slag Powder and Admixtures 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.3, 2019년, pp.262 - 270

조설아 ((주)동성엔지니어링 기술연구소) , 유정환 (상명대학교 건설시스템공학과) , 박상순 (상명대학교 건설시스템공학과)

초록
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본 논문에서는 페로니켈슬래그 미분말 및 혼화재의 복합사용에 따른 모르타르의 강도 및 내구성 평가를 실시하였다. 페로니켈슬래그 및 생석회, 석고, 염화칼슘을 OPC 대비 20%로 치환하여 복합사용 하였으며, 휨강도 및 압축강도, SEM분석을 통한 모르타르의 강도 평가를 실시하였다. 석고를 혼화재로 사용하였을 때 초기강도 발현은 보이지만, 페로니켈슬래그 및 생석회, 염화칼슘을 혼화재로 복합사용 하였을 때 강도발현과 강도증진효과가 극대화 되었으며, 혼화재의 적절한 복합사용이 미세한 공극 채움과 밀도개선효과로 인해 강도와 내구성 개선에 영향을 주는 것으로 판단된다. 또한 화학적침식저항성 및 XRD 분석을 통해 혼화재의 적절한 복합사용은 수화 생성물인 Muscovite의 함량에 따라 강도가 증가하는 경향을 보였고, 규산염은 산 알칼리에는 용해되지 않으므로 화학적 침식 저항 성능이 OPC에 비하여 우수한 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ferronickel slag, which is an industrial byproduct, is activated by mechanochemical reaction as a nonferrous metal and can be used as an admixture. Therefore, ferronickel slag is used as a substitute resource of admixture. In this study, to evaluate the effect of mixed of ferronickel slag powder and admixture, a mortar using a mixture of ferronickel slag powder, quicklime, gypsum and calcium chloride was fabricated by vibrated and rolled manufacturing method. Strength were evaluated by flexural and compressive strength tests, and durability was evaluated by performing chlorine ion penetration resistance and chemical resistance test. When the substitution ratio of ferronickel slag powder is constant, it is considered that the mixed use of quicklime, gypsum and calcium chloride as admixtures increases the performance.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Photos for admixtures
그림 Fig. 2. Vibrated and rolled manufacturing process
표 Table 1. Chemical compositions for OPC and FSP
표 Table 2. Mix proportions of mortars
그림 Fig. 3. Steam curing process
그림 Fig. 4. Strength test equipments
그림 Fig. 5. Chloride ion penetration test
그림 Fig. 6. Immersed specimens of chemical resistance test
그림 Fig. 7. SEM(Scanning Electron Microscope)
그림 Fig. 8. Flexural strength
그림 Fig. 9. Compressive strength
그림 Fig. 10. Results of quantities of electric charge passed
그림 Fig. 11. Specimens of chemical resistance test
그림 Fig. 12. Result of weight change in chemical resistance test
그림 Fig. 13. Result of compressive strength change in chemical resistance test
표 Table 3. Chloride ion permeability based on charge passed
그림 Fig. 14. XRD spectrum after 3 days, 7 days and 28 days of curing
그림 Fig. 15. SEM images after 3 days, 7 days and 28 days of curing
그림 Fig. 16. Result of improvement ratio

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 페로니켈슬래그 미분말 및 혼화재의 복합사용에 따른 모르타르의 강도 및 내구성을 평가하기 위하여 FSP, C, G 및 L의 시멘트 치환율을 변화시킨 Table 2와 같은 배합으로 시편을 제작하였다. 기본 배합은 현재 국내에서 VR관 제작 시 슬럼프가 거의 발생하지 않는 건식 배합을 기초로 하였으며, 실제 VR 관 제작 방식과 동일하게 시편을 제작할 수 있도록 국내 D사에서 제작한 진동전압 성형기를 이용하여 시편을 제작하였다.
페로니켈 슬래그 미분말을 활성화 시키기 위해 혼화재의 복합사용이 미치는 영향 및 그에 따른 최적비를 검토하는 것을 연구의 목표로 한다.

제안 방법

수행하였다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 각주형 시편을 이용하여 휨 강도 시험을 진행 후 쪼개진 시편으로 총 6개의 시편의 평균 압축강도를 분석을 진행하였다.
7에 나타내었다. XRD 분석과 마찬가지로 재령 3, 7, 28일 압축강도 시험을 수행한 후 쪼개진 시편 조각을 전처리 후 사용하였다.
제작하였다. 기본 배합은 현재 국내에서 VR관 제작 시 슬럼프가 거의 발생하지 않는 건식 배합을 기초로 하였으며, 실제 VR 관 제작 방식과 동일하게 시편을 제작할 수 있도록 국내 D사에서 제작한 진동전압 성형기를 이용하여 시편을 제작하였다. 시편의 제작 방법은 Fig.
내화학성 시험은 ASTM C 267-97에 기초하여 수행하였다 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 50mmX50mmX50mm인 큐브형 시편을 소정의 기간 동안 국내 D사의 5.0% 황산 용액에 침지 시켰다.
이 연구에서는 FSP, C, G 및 L을 복합사용하여 진동 전압 방식으로 모르타르를 제작하여 강도, 염소이온침투저항성 및 화학적침식저항성 시험을 수행하였다. 시험결과의 분석을 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
다음 단계로 진동전압 성형기에 혼합한 시료를 투입하고 1분 30초간 전압 후 진동다짐을 한다. 전압을 제거한 후 시편을 탈형한 후 시편을 항온항습기에 즉시 넣고 2시간 동안 25℃ 에서 65℃ 로 완만하게 온도 상승 6시간 동안 65℃ 를 유지한 후 2시간 동안 25C 로 온도를 감소시키는 사이클로 증기양생을 실시하였다. 이러한 사이클의 증기양생은 KS F 4402 에서 규정한 기준을 준수하였으며, Fig.

대상 데이터

수행하였다. Fig. 4와 같이 40mmX40mmX160mm인 모르타르용 휨강도 시편을 이용하여 중앙점 재하시험을 하였다. 배합에 따른 각각의 3개의 시편을 국내 H사의 만능 재료시험(U.
실험에 사용된 시멘트는 분말도 3,400cm²/g인 국내 A사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(이하 OPC)이며 페로니켈슬래그 미분말(이하 FSP)은 H사에서 분쇄한 재료로 분말도는 3,560cm2/g이다. OPC와 FSP의 화학적 조성은 Table 1과 같다.
압축강도는 재령 3, 7, 28일 시편을 KS F 2476 및 KS F 4042에 기초하여 수행하였다. Fig.
OPC와 FSP의 화학적 조성은 Table 1과 같다. 이 실험에 사용된 FSP 이외의 혼화재는 국내 D사의 생석회(CaO, 이하 C) 및 염화칼슘(CaCl2·2H₂O, 이하 L), 국내 D사의 석고(CaSO₄, 이하 G)이다. FSP, C, L 및 G는 Fig.
이 연구는 페로니켈슬래그 미분말 모르타르의 초기강도 저하 문제점의 해결방안으로 생석회, 석고 및 염화칼슘을 사용하였다. 페로니켈 슬래그 미분말을 활성화 시키기 위해 혼화재의 복합사용이 미치는 영향 및 그에 따른 최적비를 검토하는 것을 연구의 목표로 한다.
1에 나타내었다. 잔골재는 충남 공주 천연잔골재(이하 Si), 국내 A사의 부순잔골재(이하 S2) 및 최대 입자 크기가 8mm 정도인 석분(이하 S3) 세 가지를 혼합하여 사용하였다. 혼화제는 국내 K사의 고성능 AE 감수제(이하 Ad)를 사용하였다.
및 KS F 2711에 기초하여 수행하였다. 지름 100mm, 두께 50mm인 원통형 시편을 사용하였으며, Fig. 5와 같이 전원 공급 장치의 음극부에 연결되는 시험셀에 3.0% NaCl 용액을 채우고, 양극부에 연결되는 시험셀에 0.3N NaOH 용액을 채운다.
잔골재는 충남 공주 천연잔골재(이하 Si), 국내 A사의 부순잔골재(이하 S2) 및 최대 입자 크기가 8mm 정도인 석분(이하 S3) 세 가지를 혼합하여 사용하였다. 혼화제는 국내 K사의 고성능 AE 감수제(이하 Ad)를 사용하였다.
휨강도는 재령 3, 7, 28일 시편을 KS F 2476 및 KS F 4042에 기초하여 수행하였다. Fig.

데이터처리

4와 같이 40mmX40mmX160mm인 모르타르용 휨강도 시편을 이용하여 중앙점 재하시험을 하였다. 배합에 따른 각각의 3개의 시편을 국내 H사의 만능 재료시험(U.T.M) 를 사용하여 시험을 진행하였고, 결과 값을 평균하여 분석하였다.
16에 나타내었다. 최적 배합은 5가지 시험 결과에 따른 성능 개선율의 평균값으로 판단하였다. F10G10과 FCGL1의 성능 개선율 평균값은 유사하나 F 10G 10은 강도 개선, FCGL1은 화학적 침식 저항 성능 개선 효과가 있다.
10에 나타내었다. 측정 결과값은 다양한 형태의 콘크리트 슬래브에서 채취한 코어 시편으로부터 얻은 측정 결과값을 등급화시킨 ASTM C 1202에서 제시한 Table 3과 비교하여 평가하였다. 재령 7일에서의 OPC 및 모든 시편은 등급 기준에 따르면 투과성이 높은 것으로 나타났다.

이론/모형

내화학성 시험은 ASTM C 267의 방법 B에 기초하여 5.0% 황산용액에 70일 동안 침지 시켜 질량 및 압축강도를 측정하였으며 Fig. 11에 2주 주기의 표면 열화를 나타내었다.
염소이온침투저항성 시험은 재령 7, 28, 56의 시편을 ASTM C 1201-10 및 KS F 2711에 기초하여 수행하였다. 지름 100mm, 두께 50mm인 원통형 시편을 사용하였으며, Fig.
전압을 제거한 후 시편을 탈형한 후 시편을 항온항습기에 즉시 넣고 2시간 동안 25℃ 에서 65℃ 로 완만하게 온도 상승 6시간 동안 65℃ 를 유지한 후 2시간 동안 25C 로 온도를 감소시키는 사이클로 증기양생을 실시하였다. 이러한 사이클의 증기양생은 KS F 4402 에서 규정한 기준을 준수하였으며, Fig. 3에 나타내었다.

성능/효과

1) 모르타르의 휨강도는 초기재령 G20, F5G15 및 FCGL2가 가장 높은 초기 강도 발현을 보였으며, OPC 대비 평균 95.9% 휨강도가 증가하였다. 재령 28일에서 F10G10 및 F20은 OPC 대비 평균적으로 63.
2) 염소이온침투저항성은 G를 혼화재로 10% 이상 혼입하였을 때 와 FSP, C, G 및 L을 혼화재로 복합적으로 혼입한 모르타르의 경우 재령 56일에서 OPC와 비교하면 29.1 ~50.3% 범위로 평균 37.7% 통과 전하량이 감소하는 경향을 보였다.
3) 호학적침식저항성은 침지 70일 경과 후 FSP, C, G 및 L을 혼입한 경우의 압축강도는 46.9 ~83%의 범위로 평균 74.5% 감소하였으며, 압축강도가 88.3% 감소한 OPC보다 1.2배가량 낮은 압축강도 감소율을 보였다. 또한 OPC는 5.
4) XRD 분석 결과 수화 생성물 Muscovite의 함량에 따라 강도가 증가하는 경향을 보이는 것으로 사료된다. 또한, 규산염은 산 .
5) SEM 분석 결과 OPC에 비하여 FSP와 혼화재를 복합사용 시 공극이 거의 없는 조밀한 형태로 관찰되었으며, 이러한 미세공극 채움 및 밀도개선효과가 강도와 내구성 개선에 영향을 주는 것으로 사료된다.
최적 배합은 5가지 시험 결과에 따른 성능 개선율의 평균값으로 판단하였다. F10G10과 FCGL1의 성능 개선율 평균값은 유사하나 F 10G 10은 강도 개선, FCGL1은 화학적 침식 저항 성능 개선 효과가 있다. 강도와 내구성을 종합적으로 평가하면 FCGL2에서 성능 개선율이 향상되는 것으로 평가되었다.
7% 증진 효과를 보였으며 가장 높은 휨강도를 나타내었다. F18C2 와 FCGL4은 OPC 대비 평균 19.4% 휨강도 증가율이 높은 것으로 나타났다.
재령에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 보였으며, 휨강도와 동일하게 F10G10에서 압축강도가 크게 증가하는 경향이 두드러졌다. FCGL4가 가장 높은 초기강도 발현을 보였으며 FSP, C, G 및 L을 복합적으로 혼입한 시편들의 평균 압축강도는 22.28MPa로 OPC 대비 43.8~55.6% 범위로 평균 49.5% 압축강도가 우수하였다. 재령 28일에서 FCGL2와 FCGL4의 평균 압축강도는 29.
35MPa 로 F20과 비슷하다. G20, F5G15 및 FCGL2가 가장 높은 초기강도 발현을 보였으며, OPC 대비 평균 95.9% 휨강도가 증가하였다. 재령 28일에서 F10G10과 F20은 OPC에 비하여 평균적으로 63.
침지 7일 후 OPC의 질량은 침지 전 측정값 이하로 감소하였지만 OPC를 제외한 모든 시편의 질량은 침지 전 질량을 유지하였다. OPC는 황산 용액에 가장 취약한 반응을 보였으며 침지 70일 경과 후 23.3%의 질량 감소율을 나타내었다. FSP, C, G 및 L을 복합적으로 혼입한 시편의 경우 평균적으로 1.
F10G10과 FCGL1의 성능 개선율 평균값은 유사하나 F 10G 10은 강도 개선, FCGL1은 화학적 침식 저항 성능 개선 효과가 있다. 강도와 내구성을 종합적으로 평가하면 FCGL2에서 성능 개선율이 향상되는 것으로 평가되었다.
2배가량 낮은 압축강도 감소율을 보였다. 또한 OPC는 5.0% 황산용액에 침지 70일 후 23.3%의 질량 감소율을 나타내었지만 FSP, C, G 및 L을 복합적으로 혼입한 시편의 경우 평균적으로 1.2%로 질량 감소가 낮았다. FSP 와 C, G, 및 L을 복합사용하게 되면 화학적 침식 저항성에 우수함을 보이는 것으로 사료된다.
7% 증진 효고를 보였으며 가장 높은 휨강도를 나타내었다. 모르타르의 압축강도는 FSP, C, G 및 L을 복합사용 하였을 때 평균 압축강도 22.28MPa로 OPC에 대비 43.8 ~55.6% 범위로 평균 49.5% 압축강도가 우수하였다. 역학적 특성 평가를 종합적으로 보면 G 를 혼화재를 사용하였을 때 초기강도 발현을 보이지만, FSP, C, G 및 L을 혼화재로 복합사용 하였을 때 강도 발현 및 강도 증진효과가 극대화되었으며 이는 혼화재를 적절하게 복합사용이 강도 향상에 도움을 준다고 사료된다.
5% 압축강도가 우수하였다. 역학적 특성 평가를 종합적으로 보면 G 를 혼화재를 사용하였을 때 초기강도 발현을 보이지만, FSP, C, G 및 L을 혼화재로 복합사용 하였을 때 강도 발현 및 강도 증진효과가 극대화되었으며 이는 혼화재를 적절하게 복합사용이 강도 향상에 도움을 준다고 사료된다.
9% 휨강도가 증가하였다. 재령 28일에서 F10G10 및 F20은 OPC 대비 평균적으로 63.7% 증진 효고를 보였으며 가장 높은 휨강도를 나타내었다. 모르타르의 압축강도는 FSP, C, G 및 L을 복합사용 하였을 때 평균 압축강도 22.
9% 휨강도가 증가하였다. 재령 28일에서 F10G10과 F20은 OPC에 비하여 평균적으로 63.7% 증진 효과를 보였으며 가장 높은 휨강도를 나타내었다. F18C2 와 FCGL4은 OPC 대비 평균 19.
5% 압축강도가 우수하였다. 재령 28일에서 FCGL2와 FCGL4의 평균 압축강도는 29.94MPa로 OPC에 비하여 평균적으로 65.7% 증진 효과를 확인할 수 있었으며, 가장 높은 압축강도를 나타내었다. F18C2는 재령 7일과는 달리 OPC에 비하여 7.
1% 정도 통과 전하량이 감소하였다. 재령 56일에서는 F10G10, G20, FCGL1 및 FCGL2 사용 시 낮은 등급으로 OPC와 비교하면 29.1 ~50.3% 범위로 평균 37.7% 통과 전하량이 감소하였다.
9에 나타내었다. 재령에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 보였으며, 휨강도와 동일하게 F10G10에서 압축강도가 크게 증가하는 경향이 두드러졌다. FCGL4가 가장 높은 초기강도 발현을 보였으며 FSP, C, G 및 L을 복합적으로 혼입한 시편들의 평균 압축강도는 22.
8에 나타내었다. 재령에 따라 휨강도가 증가하는 경향을 보였으며, F 10G 10에서 휨강도가 크게 증가하는 경향이 두드러졌다. FSP, C, G 및 L을 복합적으로 혼입한 시편들의 초기강도 평균값은 2.
13과 같다. 침지 70일 경과 후 FSP, C, G 및 L을 혼입한 경우의 압축강도는 46.9 ~83%의 범위로 평균 74.5% 감소하였으며, 압축강도가 88.3% 감소한 OPC보다 1.2배가량 낮은 압축강도 감소율을 보여준다. 침지 기간 동안 F15C5의 압축강도 변화율 기울기가 가장 완만하게 나타났으며, C를 혼입한 시편의 압축강도 감소율은 평균 71.
2배가량 낮은 압축강도 감소율을 보여준다. 침지 기간 동안 F15C5의 압축강도 변화율 기울기가 가장 완만하게 나타났으며, C를 혼입한 시편의 압축강도 감소율은 평균 71.8%로 압축강도 감소율이 평균 78.8%인 G를 혼입한 시편보다 압축강도 감소율이 낮은 경향을 보여준다.

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