[논문]산업부산물 탈황석고 혼입 레디믹스트콘크리트 회수수를 이용한 콘크리트의 특성

김영엽; 이한승

doi:10.14190/jrcr.2020.8.4.395

산업부산물 탈황석고 혼입 레디믹스트콘크리트 회수수를 이용한 콘크리트의 특성
Characteristics of Concrete Using Ready-Mixed Concrete Recycled Water Mixed with Industrial By-Product Desulfurization Gypsum 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.4, 2020년, pp.395 - 403

김영엽 (한양대학교 건축시스템공학과) , 이한승 (한양대학교 건축시스템공학과)

초록
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CaO원 산업부산물은 CaO, SO3 및 Al2O3 등으로 구성되어 있어 CaO 화합물의 원료로 사용되고 있다. 이러한 CaO원 산업부산물을 레미콘 회수수에 적용할 경우 슬러지수의 pH를 높여주어 콘크리트 분말 원료의 수화 반응을 촉진하여 콘크리트 조직을 치밀하게 하여 성능 향상이 가능할 것이다. 본 연구에서는 레미콘 회수수에 CaO원 산업부산물 중 하나인 탈황석고를 혼입하여 제조된 활성슬러지의 효과를 확인하기 위해 콘크리트의 특성을 분석하였다. 그 결과 콘크리트에 대한 시험 결과 작업성을 확보하면서 강도 및 건조수축에 대한 문제점이 없는 것을 확인할 수 있었으며, 활성슬러지를 이용한 콘크리트 적용에 대한 가능성을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

CaO-based by-product, which consist of CaO, SO3, Al2O3 and so on, has being used to raw materials of CaO compound. When It was applied to recycling water of remicon, concrete performance can be enhanced because hydration reaction of powder material is accelerated. In this study, activated-sludge, which was putted desulfurization gypsum of CaO-based in recycling water, was manufactured to verify effect of them, and then they was investigated by characteristics of redy-mixde concrete. As a result of concrete tests, it was confirmed that there is no problem of strength or drying shrinkage while ensuring workability. Therefore, the possibility of specific application using activated sludge was confirmed.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Schematic idea of concrete production using activated sludge
표 Table 1. Chemical analysis of CaO-based by-products in Korea (Unit : %)
그림 Fig. 2. Manufacture of recycling water using recycling water concentration meter
그림 Fig. 3. Concrete mixing
표 Table 2. Chemical composition of cement and material admixture (Unit : %)
표 Table 3. Mix proportion of concrete
그림 Fig. 4. Slump(21MPa)
그림 Fig. 5. Slump loss(21MPa)
그림 Fig. 6. Slump(24MPa)
그림 Fig. 7. Slump loss(24MPa)
그림 Fig. 8. Air contents(21MPa)
그림 Fig. 9. Air contents loss(21MPa)
그림 Fig. 10. Air contents(24MPa)
그림 Fig. 11. Air contents loss(24MPa)
그림 Fig. 12. Slump and air contents correlation
그림 Fig. 13. Compressive strength(nomal strength: 21MPa)
그림 Fig. 14. Compressive strength(nomal strength: 24MPa)
그림 Fig. 15. Splitting tensile and flexural strength
그림 Fig. 16. Splitting tensile and flexural strength
그림 Fig. 17. Length change and ratio of length change
그림 Fig. 18. Length change and ratio of length change

AI 본문요약
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문제 정의

앞서 산업부산물 탈황석고를 활용하여 시멘트 경화체 및 모르 타르 기초실험연구를 통해 물리적 특성을 확인한 바 있으며, 본 연구에서는 레미콘 회수수 활성화에 사용할 수 있는 산업부산물로 탈황석고를 활용하여 콘크리트의 물리적 특성을 확인하고자 하였다. Fig.

제안 방법

2017). 각 배합은 활성슬러지가 혼입되지 않은 Plain, 회수수 단독으로 혼합된 배합 그리고 활성슬러지가 혼합된 배합 총 3수준이며, 회수수 농도별로 사용량을 조절하였다. 배합 수준별 명칭은 Re 회수수를 의미하며, 첫번째 숫자는 회수수 농도, 두번째 숫자는 활성슬러지 탈황석 고 치환율을 표현한 것이다.
길이변화 특성은 호칭강도 24MPa에 대해 평가하였으며 Fig. 17는 30일 및 60일 경과 후 각 배합에 대한 길이변화량 및 길이변 화율을 나타낸 것이다.
사전 모르타르 시험 결과에 따라 회수수 농도 1.0, 2.0, 3.0%에 대하여 그 효과가 검증 된 CaO원 산업부산물 탈황석고를 5.0% 혼입하여 활성슬러지를 제조하였다(Lee et al. 2017). 각 배합은 활성슬러지가 혼입되지 않은 Plain, 회수수 단독으로 혼합된 배합 그리고 활성슬러지가 혼합된 배합 총 3수준이며, 회수수 농도별로 사용량을 조절하였다.
압축강도, 쪼갬인장강도 및 휨 강도 공시체는 각각 KS F 2403에 제시된 방법에 따라 원주형 공시체(Ø100×200mm)와 입방형 공시체(150×150×530mm)를 각 배합에 대하여 재령별 각각 3개 씩 제작하였으며, 공시체 탈형 후 20±2℃의 수중 양생을 실시한 후 KS F 2405, KS F 2423 및 KS F 2408에 제시된 방법에 따라 재령 3일, 7일, 28일 압축강도, 쪼갬인장강도 및 휨 강도 시험을 실시하였다. 사용된 활성슬러지는 CaO원을 함유하고 있는 산업부 산물을 회수수에 혼합하여 제조한 것으로서 슬러지수의 pH를 높 여주어 콘크리트의 수화반응을 촉진시킬 수 있다.
2017). 앞선 모르타르 실험결과를 통해 적절한 활성슬러지 제조를 위한 혼입률을 확인 하였으며, 이에 대하여 콘크리트 제조를 통해 레미콘에서의 적용 가능성을 확인하고자 슬럼프, 공기량 및 압축강도 등 물리 성능을 확인하였다.
배합 수준별 명칭은 Re 회수수를 의미하며, 첫번째 숫자는 회수수 농도, 두번째 숫자는 활성슬러지 탈황석 고 치환율을 표현한 것이다. 작업성 확보를 위하여 활성 슬러지 배합은 단위수량을 약 10%추가하였으며, 회수수 농도측정은 레이 저(광학기술)광원에 의한 산란방식(Kwon et al. 2014)을 이용한 회 수수 고형분 측정기를 이용하여 고형분 함량을 레이저광 산란에 의한 측정값을 확인하여 회수수 농도를 조절하였다. Table 3은 콘 크리트 배합표를 나타낸 것이다.
콘크리트 배합은 목표 강도 21, 24MPa, 슬럼프 150mm, 공기량 4.5%로 콘크리트 표준 시방서에 규정된 배합설계 방법에 따라 예비배합시험을 실시하여 기준배합(21:W/B=54.0%, S/a=50.0%, 24: W/B=51.0%, S/a=49.5%)을 결정하였다.
콘크리트 제조를 통해 레미콘에서 적용 가능성을 확인하고자 활성슬러지를 혼입한 콘크리트를 제조하여 물리적 특성을 다양한 시험을 통해 확인하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
콘크리트의 혼합은 Fig. 3의 순서에 따라 펜타입 믹서를 사용하 여, 골재, 결합재를 투입하고, 저속(20rpm)으로 30초간 건비빔을 실시하였고, 그 다음 물을 넣고 60초간 중속(30rpm)으로 비빈 후, 혼화제를 첨가하여 고속(40rpm)으로 90초간 비빔을 실시한 후 배 출하는 것으로 하였다.
사용된 활성슬러지는 CaO원을 함유하고 있는 산업부 산물을 회수수에 혼합하여 제조한 것으로서 슬러지수의 pH를 높 여주어 콘크리트의 수화반응을 촉진시킬 수 있다. 활성슬러지가 혼입된 콘크리트의 영향을 확인하고자 길이변화량 측정을 위한 입방형 시험체(100mmX100mmX400mm)를 제작하였으며, 제작시 스트레인 게이지를 매립하여 60일 동안 길이변화 시험을 수행하여 변화량을 확인하였다.

대상 데이터

90g/cm3 , 분말도 4,450 cm2 /g인 고로슬래그 미분말(이하 BS라 약함)을 사용하였다. 그리 고, 작업 환경 확보 및 워커빌리티 조절을 위하여 폴리카르본산계 인 고성능 감수제(이하 SP라 약함)를 사용하였다. Table 2는 시멘 트 및 광물질 혼화 재료의 화학성분을 나타낸 것이다.
15g/cm3 이고, 분말도는 3,200cm2 /g 수준의 시 멘트를 사용하였으며, 골재는 경기도 양주지역에서 생산된 부순 굵은 골재와 인천 옹진군에서 채취한 해사를 잔골재로 사용하였다. 또한, 광물질 혼화 재료는 밀도 2.22g/cm3 , 분말도 3,317cm2 /g 인 플라이애쉬(이하 FA라 약함) 와 밀도 2.90g/cm3 , 분말도 4,450 cm2 /g인 고로슬래그 미분말(이하 BS라 약함)을 사용하였다. 그리 고, 작업 환경 확보 및 워커빌리티 조절을 위하여 폴리카르본산계 인 고성능 감수제(이하 SP라 약함)를 사용하였다.
사용된 시멘트는 KS L 5201 규정에 적합한 1종 보통포틀랜드 시멘트로 밀도는 3.15g/cm3 이고, 분말도는 3,200cm2 /g 수준의 시 멘트를 사용하였으며, 골재는 경기도 양주지역에서 생산된 부순 굵은 골재와 인천 옹진군에서 채취한 해사를 잔골재로 사용하였다. 또한, 광물질 혼화 재료는 밀도 2.
압축강도, 쪼갬인장강도 및 휨 강도 공시체는 각각 KS F 2403에 제시된 방법에 따라 원주형 공시체(Ø100×200mm)와 입방형 공시체(150×150×530mm)를 각 배합에 대하여 재령별 각각 3개 씩 제작하였으며, 공시체 탈형 후 20±2℃의 수중 양생을 실시한 후 KS F 2405, KS F 2423 및 KS F 2408에 제시된 방법에 따라 재령 3일, 7일, 28일 압축강도, 쪼갬인장강도 및 휨 강도 시험을 실시하였다. 사용된 활성슬러지는 CaO원을 함유하고 있는 산업부 산물을 회수수에 혼합하여 제조한 것으로서 슬러지수의 pH를 높 여주어 콘크리트의 수화반응을 촉진시킬 수 있다. 활성슬러지가 혼입된 콘크리트의 영향을 확인하고자 길이변화량 측정을 위한 입방형 시험체(100mmX100mmX400mm)를 제작하였으며, 제작시 스트레인 게이지를 매립하여 60일 동안 길이변화 시험을 수행하여 변화량을 확인하였다.

이론/모형

활성슬러지가 혼입된 콘크리트가 작업성 확보가 가능한지에 대하여 일반적으로 표준화된 방법인 KS F 2402 및 KS F 2421에 따라 슬럼프 및 공기량 측정 시험을 각각 30분, 60분 경과시간 변화에 대하여 오차 범위 내에서 만족하는지에 대하여 실시하였다.

성능/효과

1. 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프, 공기량 시험을 통하여 Plain과 활성슬러지가 혼입된 배합들의 경우 전체적으로 경시변화 시간과 상관없이 슬럼프 및 공기량 허용오차 내에 들어오는 것을 확인할 수 있었으며, 슬럼프 및 공기량 Loss는 허용오 차 내에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 활성슬 러지가 혼입된 배합들의 경우 규격에 상관없이 슬럼프 및 공 기량 허용오차 내에서 만족하는 것을 나타내고 있어 작업성 에는 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다.
2. 경화 콘크리트의 압축강도, 쪼갬인장강도 및 휨 강도측정을 통하여 재령 3일에서 보면 전체적으로 초기에 Plain 보다 높은 측정결과를 나타내고 있으며, 회수수의 경우 내부에 미수 화 시멘트 입자들이 수화반응을 촉진하여 Plain에 비해 높은 측정결과를 나타낸 것으로 생각된다. 활성슬러지의 경우 사 용수의 pH를 높여 주어 콘크리트 분말 원료의 수화 반응성 을 증대시킴에 따라 수화반응을 촉진시켰기 때문으로 생각된다.
3. 경화 콘크리트의 건조수축 정도를 확인하기 위한 길이변화 시험에서 회수수 농도가 높아질수록 수축량은 커지는 것을 확인할 수 있었으며, Plain과 비교하여 큰 수축량을 나타내었다. 이와 반대로 활성슬러지가 혼입된 콘크리트의 경우 Plain과 비교하여 수축량이 현저히 적은 것을 확인할 수 있었다.
30일 및 60일 경과 후 길이변화량은 각각 –317.0∼-474.0μm 및 –363.5∼-528.0μm를 나타내었고, 길이변화율은 각각 -0.079 ∼-0.119% 및 -0.091∼-0.132%를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 회수수 농도가 높아질수록 수축량은 커지는 것을 확인할 수 있었으며, Plain과 비교하여 큰 수축량을 나타내었다.
Fig. 12와 같이 경시변화 60분에서 각 배합별(호칭강도 21MPa, 24MPa) 슬럼프 및 공기량의 상관성을 비교하여 나타낸 것을 보면 활성슬러지가 혼입된 배합들의 경우 규격에 상관없이 슬럼프 및 공기량 허용오차 내에서 만족하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 13에서 보면 재령 3일, 7일, 28일에서의 압축강도는 각각 10.8∼13.9MPa, 18.2∼21.7MPa, 28.8∼34.6MPa를 나타내고 있 었으며, 대체적으로 Plain보다 높은 압축강도 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 특히 회수수 농도 1.
Fig. 14에서 보면 재령 3일, 7일, 28일에서의 압축강도는 각각 12.9∼16.5MPa, 22.1∼25.5MPa, 33.9∼39.7MPa를 나타내고 있 었으며, 회수수 농도 2.0%에서 활성슬러지를 혼입한 배합을 제외 하고 대체적으로 Plain보다 높은 압축강도 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 호칭강도 21MPa 배합 콘크리트와 유사한 결과를 나타낸 것이다.
Fig. 4, Fig. 6에서 보면 회수수 농도 2.0 및 3.0%의 경우 믹싱 후에도 슬럼프 허용오차 하한치인 125mm를 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있었으며, 회수수 농도 1.0%의 경우도 30분 경과 후 슬럼프 허용오차를 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig.
굳지 않은 콘크리트의 슬럼프, 공기량 시험을 통하여 Plain과 활성슬러지가 혼입된 배합들의 경우 전체적으로 경시변화 시간과 상관없이 슬럼프 및 공기량 허용오차 내에 들어오는 것을 확인할 수 있었으며, 슬럼프 및 공기량 Loss는 허용오 차 내에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 활성슬 러지가 혼입된 배합들의 경우 규격에 상관없이 슬럼프 및 공 기량 허용오차 내에서 만족하는 것을 나타내고 있어 작업성 에는 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다.
7에서 보면 슬럼프 Loss는 회수수 농도가 높아질수록 커지는 경향을 나타내고 있다. 그에 반해 Plain과 활성슬러지가 혼입된 배합들의 경우 전체적으로 경시변화 시간과 상관없이 슬럼 프 허용 오차 내에 들어오는 것을 확인할 수 있었으며, 슬럼프 Loss 또한 허용 오차 내에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 활성슬러지를 혼입한 배합의 경우 활성슬러지 농도에 따른 단위수 량을 조정하였기 때문에 목표 슬럼프 값을 만족한 것으로 판단된다.
이와 반대로 활성슬러지가 혼입된 콘크리트의 경우 Plain과 비교하여 수축량이 현저히 적은 것을 확인할 수 있었다. 또한 Plain과 회수수를 혼입한 배합이 유사한 패턴을 보이고 있으며, 회수수 농도에 상관없이 활성슬러지를 혼입한 배 합들이 유사한 패턴을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다.
특히 된비빔 배합, 작은 W/C, 회수수 발생기간이 많이 경과된 경우에서는 그 저하가 크다. 또한 슬럼프 Loss는 기존 연구결과(Kwon, et al. 2014)에서 나타나고 있는 바와 같이 믹싱 후 초기 수화반응에 의해 슬럼프 Loss가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
재령 7일에서 보면 호칭강도에 근접하게 압축강도가 발현한 것을 확인할 수 있었으며, 재령 28일에서는 모든 배 합이 호칭강도를 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 쪼 갬 인장강도 및 휨 강도의 경우 압축강도와 유사한 결과를 확인할 수 있었으며, 특히 시멘트 사용량이 줄어들었음에도 불구하고 활성슬러지를 혼입한 배합들이 Plain 보다 높거나 유사한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다
레미콘 산업은 1965년 도입 이후 현재까지 국가 건설산업의 발 전을 담당하며 현재(2019년 기준) 약 1200개 공장의 생산능력은 632 백만 m3의 설비를 갖추고 있으며, 생산 공장 수 증가 및 생산 량의 증가뿐만 아니라 콘크리트의 품질 향상 등 성장을 이루어왔다. 또한, 레미콘 생산량이 증가함에 따라 레미콘 회수수 발생량 또한 증가하였다.
3MPa로 나타내고 있다. 모든 배합 에서 대체적으로 Plain보다 높은 쪼갬인장강도 및 휨강도 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 결과는 배합별(호칭강도 21MPa, 24MPa) 압축강도 시험결과와 유사한 결과임을 확인할 수 있었다.
믹싱 후 슬럼프 값은 120∼165mm를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 경시변화에 따른 슬럼프 값은 30분, 60분에서 각각 80∼150mm, 65∼140mm를 나타내고 있었다. 슬럼프 Loss는 30분 경과 후 15∼40mm가 발생하였으며, 60분 경과 후에는 25∼ 55mm가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
재령 3일에서 보면 전체적으로 초기에 Plain 보다 높은 압축강 도를 나타내고 있으며, 재령 7일에서 보면 호칭강도 24MPa에 근 접하게 강도가 발현한 것을 확인할 수 있었다. 또한 압축강도를 보장하는 재령인 28일에서는 모든 배합이 호칭강도를 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
(1998)의 연구와 같이 사용수의 pH를 높여 주어 콘크리트 분말 원료의 수화 반응성을 증대시킴에 따라 수화반응을 촉진시켰기 때문으로 생각된다. 재령 7일에서 보면 호칭강도 21MPa에 근접하 게 강도가 발현한 것을 확인할 수 있었으며, 재령 28일에서는 모든 배합이 호칭강도를 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
활성슬러지의 경우 사 용수의 pH를 높여 주어 콘크리트 분말 원료의 수화 반응성 을 증대시킴에 따라 수화반응을 촉진시켰기 때문으로 생각된다. 재령 7일에서 보면 호칭강도에 근접하게 압축강도가 발현한 것을 확인할 수 있었으며, 재령 28일에서는 모든 배 합이 호칭강도를 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 쪼 갬 인장강도 및 휨 강도의 경우 압축강도와 유사한 결과를 확인할 수 있었으며, 특히 시멘트 사용량이 줄어들었음에도 불구하고 활성슬러지를 혼입한 배합들이 Plain 보다 높거나 유사한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다
6MPa를 나타내고 있 었으며, 대체적으로 Plain보다 높은 압축강도 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 특히 회수수 농도 1.0%에서 가장 높은 압축강도 값을 나타내었으며, 활성슬러지가 혼입된 배합들의 경우도 회수수 농도와 상관없이 Plain보다 높으면서 유사한 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 재령 3일에서 보면 전체적으로 초기에 Plain 보다 높은 압축강도를 나타내고 있으며, 회수수의 경우 내부 에 미수화 시멘트 입자들이 수화반응을 촉진 하여 Plain에 비해 높은 압축강도를 나타냈을뿐 아니라, 회수수의 높은 알칼리로 인하여 콘크리트 제조 사용재료중 고로슬래그미분말의 반응을 촉진 시킨 것으로 판단됩니다.
132%를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 회수수 농도가 높아질수록 수축량은 커지는 것을 확인할 수 있었으며, Plain과 비교하여 큰 수축량을 나타내었다. 이와 반대 로 활성슬러지가 혼입된 콘크리트의 경우 Plain과 비교하여 수축 량이 현저히 적은 것을 확인할 수 있었다.

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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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