[논문]페로니켈 슬래그 미분말 적용 초고성능 PHC말뚝의 배합연구 및 현장적용

김정회; 이창홍

doi:10.14190/mrcr.2020.15.1.070

페로니켈 슬래그 미분말 적용 초고성능 PHC말뚝의 배합연구 및 현장적용
Mixing Study and Field Application of ultra high performance PHC pile by using ferro-nickel slag powder 원문보기

Magazine of RCR = 한국건설순환자원학회지, v.15 no.1, 2020년, pp.70 - 77

김정회 (아이에스동서(주) 콘크리트사업부문 기술연구소) , 이창홍 (포스코건설 R&D센터 인프라연구그룹)

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표/그림 (17)

그림 그림 1.페로니켈 슬래그 원재료 특징
표 [표 1] 페로니켈 슬래그 국내 인증현황
그림 그림 2.페로니켈 슬래그 혼합시멘트의 반응 메커니즘(출처 : 17년 한국건설순환자원학회 가을학술발표)
그림 그림 3. PHC말뚝 제작 방법
그림 그림 4. FNS PHC말뚝 제작공정
그림 그림 5. FNS PHC말뚝(78.5 MPa) 실험결과
그림 그림 6. 초고강도 FNS PHC말뚝(110 MPa) 실험결과
그림 그림 7.FNS PHC말뚝의 구조성능 실험
그림 그림 8. 동재하실험 전경
표 [표 2] 동재하실험 모니터링 리스트 [2018.10 기준]
표 [표 3] 시험말뚝 제원 및 시험현황
표 [표 4] 시험말뚝의 건전도 평가
표 [표 5] 말뚝손상 판단기준
표 [표 6] 시험말뚝의 건전도 평가
표 [표 7] 허용지지력 결정 [단위 : tonf/pile]
그림 그림 9.FNS PHC말뚝 연구개발
그림 그림 10.FNS PHC말뚝

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문제 정의

그러나 최근 품질이 우수하고 고로슬래그 대비 경제성을 갖는 페로니켈 슬래그(Ferro-Nickel Slag)의 연구가 진행되면서 건축, 토목 분야의 2차 제품 적용에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 기사에서는 이러한 페로니켈 슬래그를 적용한 PHC말뚝(이하, FNS PHC말뚝)의 배합연구와 현장 적용 사례를 소개하고자 한다.
본 연구는 국내 최대 규모의 PHC말뚝 생산량을 자랑하는 아이에스동서&영풍파일과 국내 유일의 페로니켈 슬래그 보유사인 SNNC, 그리고 페로니켈 슬래그에 대한 전문 연구와 전체 프로젝트를 기획한 포스코건설이 함께 진행한 연구과제로 기술개발자 및 적용 관계자들의 자부심을 끌어올릴 수 있는 계기가 된 성공적인 대형 프로젝트이다.

제안 방법

FNS PHC말뚝과 초고강도 FNS PHC말뚝의 현장 적용을 위해 최초 7개 현장의 동재하실험을 모니터링 하였다. 그 결과 모든 현장에서 FNS PHC말뚝과 초고강도 FNS PHC말뚝의 현장 적용에 대한 항타응력 및 허용지지력 등 우수한 성능을 갖는 것으로 나타났다.
PHC말뚝 제조 방법에는 AC(Auto Clave)방법과 NAC(None Auto Clave)방법이 있으나, 당사에서 수행한 실험연구에서는 상대적으로 바인더 량이 높은 NAC방식을 적용하여 FNS PHC 말뚝(78.5 MPa)과 초고강도 FNS PHC말뚝(110 MPa)의 배합 실험을 진행하였다.
배합실험은 여러 번의 실내 배합실험을 거쳐 최적 배합비를 도출하고, 이를 현장 배합실험에 적용하여 시제품 생산 및 검수를 수행하였으며, 각 단계별 평가지표의 부합 여부에 따라 검증이 이루어졌다. 평가지표는 콘크리트 압축강도, 본체 외관 성형 정도(배합 및 원심성형 불충분에 따른 재료분리 유무), 내공/단면 형성 정도(굳지 않은 콘크리트의 점성 및 경화 속도에 따른 형상 불량 유무)로 정하여 평가하였다.
FNS PHC말뚝 제작은 <그림 4>와 같이 PC강봉 가공 및 강봉망을 편성하여 몰드에 배치시킨 후 배처 플랜트에서 콘크리트를 배합하여 몰드에 투입한다. 이후 PC강봉망을 일괄 긴장하고 원심성형 후 증기양생을 수행하는 NAC PHC말뚝 제작방법과 동일한 방법으로 말뚝의 배합실험을 진행하였다.

성능/효과

FNS PHC말뚝, 초고강도 FNS PHC말뚝의 동재하시험결과 D600 고강도, 초고강도의 허용지지력이 시험체별 280.24〜 302.84, 306.40 kN으로 나타났다. 국내 대형 건설사들의 건축 현장에 적용하는 PHC PILE의 허용지지력이 180 kN(고강도), 230 kN(초고강도)인 점을 감안한다면, FNS PHC PILE은 기준 대비 155.
FNS PHC말뚝의 전단/휨 강도는 KS F 4306에 제시된 D500 기준 강도보다 전단강도는 20 %이상, 휨강도는 33 %이상 높게 나타나 KS기준에 제시된 PHC말뚝 구조성능시험에도 적합한 결과가 도출되었다.
40 kN으로 나타났다. 국내 대형 건설사들의 건축 현장에 적용하는 PHC PILE의 허용지지력이 180 kN(고강도), 230 kN(초고강도)인 점을 감안한다면, FNS PHC PILE은 기준 대비 155.7〜168.2 %(고강도), 133.2 %(초고강도)의 높은 허용지지력을 보유한 것으로 나타났으며, 이를 안전율로 환산하면 2.5의 안전율을 고려한 기준 대비 3.9〜4.2, 3.3로 나타나는 것으로 충분한 안전율을 확보하였다. 인천 송도 더샵 센토피아 현장 이외에도 현장 적용성 검토를 위해 모니터링 한 6개의 현장에서도 위와 같이 말뚝의 건전도 평가결과 기존 PHC말뚝과 동등한 성능을 보였다.
FNS PHC말뚝과 초고강도 FNS PHC말뚝의 현장 적용을 위해 최초 7개 현장의 동재하실험을 모니터링 하였다. 그 결과 모든 현장에서 FNS PHC말뚝과 초고강도 FNS PHC말뚝의 현장 적용에 대한 항타응력 및 허용지지력 등 우수한 성능을 갖는 것으로 나타났다.
시험체별 에너지 전달율은 #01-1, #01-2, #02 각각 69.9 %, 66.9 %, 64.6 %로 양호하게 나타났으며, 말뚝의 건전도 평가 결과 모든 시험체가 100 %의 B.T.A를 나타나 80 %이상의 경우 본 말뚝으로 사용가능한 기준을 만족하였으며, 말뚝의 손상 판단기준은 U.N(Uniform Normal)로 나타났다.
실험결과 FNS PHC말뚝과 초고강도 FNS PHC말뚝의 페로니켈 슬래그 치환율은 각각 22 %, 10 %까지 치환이 가능한 것으로 나타났으며, <그림 5, 6>과 같이 공시체 및 시제품의 내공/단면/외형 모두 우수한 품질로 생산이 가능하였다.
국내에서는 페로니켈 슬래그를 시멘트 치환재로서 활용하기 위한 기초실험 연구의 일환으로 페로니켈 슬래그 혼합콘크리트의 강도특성에 관한 연구를 수행한 결과 일반시멘트 대비 조기 강도 성능은 떨어지나 장기강도는 일반 콘크리트와 유사한 강도가 발현되는 결과가 도출되었다. 조기강도 개선 및 치환율 증진을 위해 수행된 실험에서는 개선 활성화제 개발을 통해 준재령 강도 회복이 가능하다는 것을 실험을 통해 입증하였으며, 재료의 강점 특성 분석/개발에 대한 실험에서는 페로니켈 슬래그 혼합콘크리트의 원재료 특성이 내투수성, 전단저항성, 내산성 측면에서 일반콘크리트 대비 우수한 것으로 나타났다.
품질의 안정성 및 경제성을 갖춘 페로니켈 슬래그의 적용을 통해 PHC말뚝의 가성비 증가는 물론 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 CO₂ 배출 절감에 기여할 수 있는 제품 개발과 현장 적용 및 사업화가 성공적으로 진행되었다.

후속연구

향후 AC제작 방식 적용 및 페로니켈 슬래그 치환율 극대화 등의 PHC말뚝 적용 이외에도 PC부재, 타일, 도기 등 페로니켈 슬래그 활용에 대한 추가 연구를 통해 페로니켈 슬래그의 적용을 점차 확대할 예정이며, 산업부산물 활용 연구의 모범적인 사례 자료로 활용되길 희망해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페로니켈 슬래그란 무엇인가?	페로니켈 슬래그는 스테인리스강 생산을 위해 니켈광석, 유연탄 등에서 페로니켈을 분리하고 얻어진 산업부산물이다. 이러한 산업부산물인 페로니켈 슬래그는 국내 유수의 인증기관에서 원재료의 안정성 및 순환자원으로의 활용성에 대한 인증을 실시하여 [표 1]과 같이 각 용도별 KS기준과 환경마크 및 지침들에 대한 인증을 받았다.
	PHC말뚝의 압축 강도 기준은 무엇인가?	최근 전 세계적으로 CO2 저감 기술에 대한 관심이 산업전반에 확산되고, 국내 건설현장에서는 최적설계에 대한 관심이 높아지면서 콘크리트말뚝 분야에서는 CO2 배출량 저감 및 경제성 확보를 위해 시멘트 대체재 활용에 대한 배합연구가 활발히 진행되고 있다. 콘크리트말뚝 중 PHC말뚝은 콘크리트 압축강도가 78.5 MPa이상의 고강도가 확보되어야하기 때문에 사용 재료의 품질 안정성 확보가 최우선되고 있다. 이러한 이유로 시멘트 대체재 연구에 있어 원산지에 따라 품질이 다소 유동적인 플라이애시(Fly-ash) 보다 상대적으로 품질이 안정적인 고로슬래그(Blast Furnace slag)에 대한 연구 및 현장 적용이 활발히 이루어졌다.
	페로니켈 슬래그를 시멘트 치환재로서 활용 시 일반 콘크리트 대비 우수한 점은 무엇인가?	국내에서는 페로니켈 슬래그를 시멘트 치환재로서 활용하기 위한 기초실험 연구의 일환으로 페로니켈 슬래그 혼합콘크리트의 강도특성에 관한 연구를 수행한 결과 일반시멘트 대비 조기 강도 성능은 떨어지나 장기강도는 일반 콘크리트와 유사한 강도가 발현되는 결과가 도출되었다. 조기강도 개선 및 치환율 증진을 위해 수행된 실험에서는 개선 활성화제 개발을 통해 준재령 강도 회복이 가능하다는 것을 실험을 통해 입증하였으며, 재료의 강점 특성 분석/개발에 대한 실험에서는 페로니켈 슬래그 혼합콘크리트의 원재료 특성이 내투수성, 전단저항성, 내산성 측면에서 일반콘크리트 대비 우수한 것으로 나타났다.

참고문헌 (5)

김정회, 이창홍, 박영식 (2018), "FNS 시멘트 활용 초고성능 PHC파일 적용 기술", 2018년 한국콘크리트학회 가을 학술발표회, pp. 759-760.
박상순, 소병탁, 임법규, 정세영 (2016), "페로니켈슬래그 미분말을 혼합한 모르타르의 강도 및 내구성 평가", 2016년 한국콘크리트학회 봄 학술발표회, pp. 321-322.
박상순, 조설아, 정태준, 남상구 (2017), "진동전압 생산방식에 따른 페로니켈슬래그 미분말 혼합 모르타르의 내구성 평가", 2017년 한국콘크리트학회 봄 학술발표회, pp. 927-928.
이창홍 (2017), "페로니켈슬래그시멘트 활용 염해성능개선 PC 방음벽기초에 관한 실험적 연구", 2017년 한국콘크리트학회 가을 학술발표회, pp. 397-398.
이창홍, 심상효 (2017), "페로니켈슬래그시멘트 활용 지경형 해상심층 DCM에 관한 실험적 연구", 2017년 한국콘크리트학회 가을 학술발표회, pp. 393-394.

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