[논문]환원슬래그 및 재생석고를 사용한 동절기용 콘크리트 개발

민태범; 이민석; 김형철; 김하영

doi:10.14190/mrcr.2020.15.4.064

환원슬래그 및 재생석고를 사용한 동절기용 콘크리트 개발
Development of winter concrete using reduced slag and recycled gypsum 원문보기

Magazine of RCR = 한국건설순환자원학회지, v.15 no.4, 2020년, pp.64 - 69

민태범 (성신양회기술연구소) , 이민석 (성신양회기술연구소) , 김형철 (성신양회기술연구소) , 김하영 (성신양회기술연구소)

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표/그림 (13)

그림 그림 1. Analysis result of XRD on reduction slag
그림 그림 2. Result of Particle size on OPC and reduction slag
그림 그림 3. Analysis of hydration heat about raw materials
그림 그림 4. Analysis of accumulate hydration heat about raw materials
표 [표 1] Chemical composition of OPC, reduced slag and Gypsum
표 [표 2] Result experiment blaine, density on OPC and Reduction slag
표 [표 3] Mixing design of concrete
그림 그림 5. Result of experiment on slump test and air content
그림 그림 7. Result of Heat evolution rate
그림 그림 6. Result of compressive strength
그림 그림 8. Measurement result of accumulate hydration heat
그림 그림 9. Experiment result of rapid carbonation
그림 그림 10. Experiment result of rapid freezing and thawing

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문제 정의

그러나 이러한 가열방법은 공사비가 증대하며 균일한 품질을 확보 하긴엔 어려움이 있다.^[4-6] 따라서 이런 어려움을 극복하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며 그 중 본고에서 소개하고자 하는 연구는 산업부산물인 환원 슬래그와 재생석고를 활용하여 한중콘크리트를 개발하는 것이다. 환원슬래그는 수화반응 시 수화열이 높게 나타나는 특성이 있으며 재생 석고는 환원슬래그의 수화반응을 촉진하여 저온에서 초기동해를 방지할 수 있을 것으로 예상한다.
본 연구는 수화반응시 발열량이 높은 혼화재(환원슬래그) 와 환원슬래그의 수화반응 촉진제로서 사용된 석고를 사용하여 –5℃이상에서 초기동해를 방지할 수 있는 콘크리트의 개발과 그에 대한 내구성을 평가, 그리고 석고가 콘크리트의 물리적 특성에 미치는 영향에 대한 평가를 실시하였다. 평가 결과 환원 슬래그를 구성하는 주성분중 C₁₂A₇에 의하여 초기수화열이 증가하였으나 강도증진에는 효과가 없는 것으로 판단되었으며 환원슬래그의 혼입량이 증가함에 따라 유동성은 저하되는 것으로 나타났다.

제안 방법

콘크리트 배합은 환원슬래그의 치환율에 따라서 분체 배합을 실시하였으며 환원슬래그의 특성상 알루미나 성분이 많아 급결이 생길 가성능이 있어 급결을 방지하고 알루미네이트와의 반응성을 활성시켜 강도 증진을 위해 석고를 치환한 실험 배합을 추가 하였다.

성능/효과

따라서 환원슬래그를 사용한 콘크리트 배합에서는 환원슬래그 치환량에 따라 석고는 필히 첨가되어야 할 것으로 판단된다. 공기량 측정결과 환원슬래그 혼입량에 따라 0.4%증가하는 하는 것으로 나타났다. 따라서 환원 슬래그는 공기량에 대해서는 영향을 미치지 않는 것으로 사료된다.
또한 환원슬래그는 SiO2의 성분이 없음으로 초기 이후의 수화발열은 발생하지 않는 것으로 판단된다. 그 반면 OPC의 경우 재령초기 수화 발열은 낮으나 재령 6시간이후 수화발열량이 급격하게 높아지는 것는 것으로 나타났다. 이는 OPC를 구성하는 화합물중 CaO 와 SiO₂의 반응으로 나타나는 현상으로 사료된다.
이는 [표 2]에서 나타나듯이 환원슬래그의 성분에는 SO₃, SiO₂의 성분이 없기 때문에 초기 수화열만 상승했을 뿐 압축강도 증진에는 영향을 미치지 못했다. 그러나 환원 슬래그가 치환된 실험체에 전체 사용 분체량 대비 SO₃를 4 %를 치환한 CR2G의 경우 압축강도는 상승 하는 것으로 나타났다. 이는 치환된 SO₃가 급결을 방지할 뿐만 아니라 환원슬래그인 주성분인 알루미네이트와 반응하여 초기에 강도증진이 일어나며 환원슬래그의 C₁₂A₇의 성분에 의하여 수화열이 높게 발생하면서 저온에서도 강도가 증진된 것으로 사료된다.
1 ㎛ 이상의 공극 중에 존재하는 수분은 일반 동결융해시험의 최저 온도인 약 - 18 ℃에서 동결되어 동결융해 저항성에 크게 관여하는 것으로 알려지고 있다^{[9, 10]}. 따라서 실험체내 증가된 0.01 ㎛ ~0.1 ㎛ 이상의 모세관 공극은 동결융해 반복 작용으로 공극 중에 있는 수분이 동결하여 그 팽창압에 의해 공극조직이 파괴됨으로써 콘크리트의 동결융해 저항성이 크게 저하되는 것으로 판단된다. 이와 같이 저온에서 양생된 콘크리트는 전체 공극량이나 비교적 큰 모세관공극에 상당하는 공극량이 증가하여 콘크리트의 성능 저하와 밀접한 관계가 있을 것으로 판단되어 추후 정확한 공극크기 및 공극량 실험을 진행할 예정이다.
이는 환원슬래그의 성분중 SiO₂성분이 없음으로 나타나는 것으로 판단된다. 따라서 환원슬래그에 존재하는 알루미네이트계의 성분은 높은 수화열을 발생시킴으로 저온에서의 강도 발현 효과가 있을 것으로 판단된다.
이는 치환된 환원슬래그의 분말도 증가로 인해 물과의 흡착 부족으로 나타나는 현상으로 사료된다. 또한 석고가 3 % 첨가된 CRS2G의 실험체의 경우는 Plain실험체 비해 유동성이 확보되는 것으로 나타났다. 따라서 환원슬래그를 사용한 콘크리트 배합에서는 환원슬래그 치환량에 따라 석고는 필히 첨가되어야 할 것으로 판단된다.
또한 석고가 4 % 첨가된 CR2G의 실험체의 경우 1차피는 CR2와 비슷한 수화열 피크를 나타냈으나 2차피크는 C12A7과 SO3의 반응으로 2차피크가 증가하는 것으로 나타났으며 수화열 유지 시간 또한 36시간까지 유지되는 것으로 보아 강도 발현이 빠른 것으로 사료된다.
이는 치환된 환원슬래그에 SO₃의 성분이 없기 때문에 급결로 인하여 유동성이 낮게 나타는 것으로 사료 된다. 또한 석고가 4 % 첨가된 CRS2G의 실험체의 경우는 Plain실험체 비해 유동성이 확보되는 것으로 나타났으며 압축강도 또한 석고가 사용되지 않은 실험체에 비해 높게 나타났다. 따라서 환원슬래그를 사용하여 개발된 콘크리트는 적절한 SO3를 필히 사용해야 할 것이다.
이러한 현상은 아직까지 정확하게 밝혀지지 않은 부분이라 추후 재령(시간)별 XRD 실험을 통해 명확하게 규명해야 할 부분이라 판단된다. 또한 환원 슬래그와 석고를 사용한 CR2G경우는 CR2에 비해서 2차 수화열 발생을 촉진시키는 것으로 나타났다. 이는 4 %첨가된 SO3가 CaO와 SiO₂의 수화반응을 촉진 시킴으로 나타나는 현상으로 판단된다.
실험결과이다. 수화발열 곡선을 살펴보면 환원 슬래그는 알루미네이트의 반응으로 1차피크가 높게 나타나는 것으로 나타났으며 본 연구에서 사용한 Calorimeter의 측정범위보다 높게 났다. 이는 환원슬래그가 다량의 칼슘 알루미네이트 광물이 존재하는 이유와 SO₃의 성분이 없음으로 수화 발열 지연작용이 없기 때문에 나타나는 현상으로 사료된다.
미소수화열 실험결과를 나타낸 그림이다. 수화열 실험 결과 Plain의 경우 일반적은 수화발열 곡선을 나타냈으며 환원 슬래그의 혼입량이 증가함에 따라 1차피크가 높게 나타났다. 그러나 2차피크의 경우 혼입량이 증가할수록 재령 30시간 이후부터 미약하게 낮게 나타났다.
실험결과를 나타낸 그림이다. 실험결과 환원 슬래그의 치환량이 증가함에 따라 Plain에 비해 탄산화 저항성이 감소되는 것으로 나타났다. 이는 환원슬래그가 치환량이 증가함에 따라 강도발현이 낮기 때문에 나타나는 현상으로 사료된다.
나타낸 그림이다. 실험결과 환원슬래그 사용량이 증감함에 상대동 탄성계수는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 기존 문헌을 조사한 결과 실험체를 저온에서 양생하였을 때 0.
실험결과 환원슬래그는 수화초기부터 높은 수화열을 나타났다. 그러나 재령24시간이내 수화발열은 종료되는 것으로 나타났다.
<그림 6>은 저온(-5 ℃)에서의 압축강도 실험결과를 나타낸 그림이다. 실험결과 환원슬래그의 치환량이 증가할수록 압축 강도는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 [표 2]에서 나타나듯이 환원슬래그의 성분에는 SO₃, SiO₂의 성분이 없기 때문에 초기 수화열만 상승했을 뿐 압축강도 증진에는 영향을 미치지 못했다.
그림이다. 유동성은 OPC만 사용한 실험체(Plain)대비 환원슬래그의 혼입량이 증가함에 따라 유동성은 저하되는 것으로 나타났다. 이는 치환된 환원슬래그의 분말도 증가로 인해 물과의 흡착 부족으로 나타나는 현상으로 사료된다.
입도 분석결과 환원슬래그는 10 ㎛이하의 입자가 OPC에 비해 많은 것으로 나타났으며 평균입경 또한 OPC는 15.02 ㎛, 환원슬래그는 5.13 ㎛로 나타났다. 따라서 환원 슬래그는 평균입경이 낮음으로 인해 물과의 접촉계면이 증가하여 수화속도가 빠른 것으로 판단된다.
^[7] 또한 환원슬래그는 SO₃의 성분이 없는 것으로 나타났다. 재생석고는 53.63 %의 높은 SO₃함량이 있는 것으로 나타났다. SO₃는 급결을 방지 할뿐만 아니라 초결 이후 시멘트의 성분중 C₃A와 반응하여 초기에 에트링자이트 형성에 촉진시켜 장점이 있으며 현재 슬래그 시멘트나 일반 포틀랜드 시멘트에 필수적으로 사용된다.
평가 결과 환원 슬래그를 구성하는 주성분중 C₁₂A₇에 의하여 초기수화열이 증가하였으나 강도증진에는 효과가 없는 것으로 판단되었으며 환원슬래그의 혼입량이 증가함에 따라 유동성은 저하되는 것으로 나타났다. 이는 치환된 환원슬래그에 SO₃의 성분이 없기 때문에 급결로 인하여 유동성이 낮게 나타는 것으로 사료 된다.
[표 1]은 시멘트와 환원슬래그, 재생석고의 화학적 성분실험결과를 나타낸 것이다. 환원슬래그는 Al₂O₃의 성분이 일반 포틀랜드 시멘트에 비해 함량이 높은 것으로 나타났다. 환원슬래그에 포함된 Al₂O₃계의 C₁₂A₇는 물과의 수화반응시 높은 수화열을 발생시키며 응결 시간을 과도하게 단축하여 급결이 나타날 수 있다.

후속연구

그러나 SiO₂와SO₃의 함량이 미량으로 나타남에 따라 환원슬래그는 SiO₂와 SO3 의 함량 부족으로 자체적인 강도 발현은 불가능 할 것으로 판단된다. 그러나 일반시멘트와 환원슬래그를 혼용하여 사용 하였을시 환원슬래그의 높은 C₁₂A₇ 의하여 수화반응 초기에 수화열을 높게 발생시켜 저온에서의 초기동해를 방지 할 수 있는 재료로서의 활용가능성은 있을 것이다.
또한 석고가 4 % 첨가된 CRS2G의 실험체의 경우는 Plain실험체 비해 유동성이 확보되는 것으로 나타났으며 압축강도 또한 석고가 사용되지 않은 실험체에 비해 높게 나타났다. 따라서 환원슬래그를 사용하여 개발된 콘크리트는 적절한 SO3를 필히 사용해야 할 것이다. 본 실험을 통해 동절기 콘크리트 개발위해 환원슬래그와 재생석고의 활용 가능성을 평가하였으나 실용화를 위해서는 추가적인 검증이 필요 하며 추후 이를 사용하여 제품개발이 완성된다면 산업부산물의 고부가치화와 경제적, 환경적 효과는 매우 클 것으로 기대된다.
따라서 환원슬래그를 사용하여 개발된 콘크리트는 적절한 SO3를 필히 사용해야 할 것이다. 본 실험을 통해 동절기 콘크리트 개발위해 환원슬래그와 재생석고의 활용 가능성을 평가하였으나 실용화를 위해서는 추가적인 검증이 필요 하며 추후 이를 사용하여 제품개발이 완성된다면 산업부산물의 고부가치화와 경제적, 환경적 효과는 매우 클 것으로 기대된다.
재령 6시간까지는 환원 슬래그의 화합물중 C₁₂A₇의 반응으로 나타나는 현상이고 36시간이후는 시멘트의 화합물중 CaO와 SiO₂의 반응으로 인하여 나타나는 현상으로 사료된다. 이러한 현상은 아직까지 정확하게 밝혀지지 않은 부분이라 추후 재령(시간)별 XRD 실험을 통해 명확하게 규명해야 할 부분이라 판단된다. 또한 환원 슬래그와 석고를 사용한 CR2G경우는 CR2에 비해서 2차 수화열 발생을 촉진시키는 것으로 나타났다.
1 ㎛ 이상의 모세관 공극은 동결융해 반복 작용으로 공극 중에 있는 수분이 동결하여 그 팽창압에 의해 공극조직이 파괴됨으로써 콘크리트의 동결융해 저항성이 크게 저하되는 것으로 판단된다. 이와 같이 저온에서 양생된 콘크리트는 전체 공극량이나 비교적 큰 모세관공극에 상당하는 공극량이 증가하여 콘크리트의 성능 저하와 밀접한 관계가 있을 것으로 판단되어 추후 정확한 공극크기 및 공극량 실험을 진행할 예정이다.

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
Lim CK, Han MC. Curing and Mixture Design of Cold Weather Concrete Applying Heat Insulation and Heat Supplying Curing. Journal of the Architectural Institute of Korea. 2010 June;26(6):77-84
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상세보기
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KA MA. Microstructure of cement hardened body and freezing of concrete, Concrete engineering, apan Concrete Institute of Technology. 1981 June;19(11):36-42

저자의 다른 논문 :

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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