[논문]석탄가스화 용융슬래그를 혼합잔골재로 사용한 콘크리트의 기초적 특성 및 내구성 분석

최일경; 한민철

doi:10.5345/jkibc.2020.20.4.331

석탄가스화 용융슬래그를 혼합잔골재로 사용한 콘크리트의 기초적 특성 및 내구성 분석
Analysis of Fundamental Properties and Durability of Concrete Using Coal Gasification Slag as a Combined Aggregate 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.20 no.4, 2020년, pp.331 - 338

최일경 (Department of Architectural Engineering, Cheong ju University) , 한민철 (Department of Architectural Engineering, Cheong ju University)

초록
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본 연구는 CGS를 콘크리트용 혼합골재로서 활용성을 검토하기 위하여 양호한 입도분포의 부순잔골재(CSa) 및 미립자인 해사와 굵은 입자의 부순잔골재를 혼합한 혼합골재(MS)에 CGS의 치환율 변화에 따른 콘크리트의 기초적 특성 및 내구성을 분석하였다. 실험결과, 슬럼프 및 슬럼프 플로는 CSa 및 MS 모두 CGS 치환율이 증가할수록 증가하였으며, 공기량은 반대로 감소하였다. 압축강도는 CSa를 사용한 경우 CGS 치환율이 증가할수록 저하하였지만, MS를 사용한 경우는 CGS 50 %에서 최대치를 나타내었다. 콘크리트 내구성을 검토한 결과로, 건조수축 및 탄산화 깊이측정의 경우는 CGS 치환율에 따라 양호한 성능을 나타내었다. 하지만, 내동해성에서는 전반적으로 CGS 치환율이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, CGS를 치환 사용하는 혼합잔골재 콘크리트의 경우는 공기량 감소를 보완할 수 있도록 AE제 추가 투입 등의 대책을 수립한다면, 큰 문제 없을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of the research is to evaluate the possibility of using coal gasification slag (CGS) as a combined aggregate for concrete mixture. To achieve this goal, the fundamental properties and the durability of concrete were analyzed depending on various combining ratio of CGS into both fine aggregate with favorable gradation and relatively coarse particles. According to the results of the experiment, slump and slump flow were increased with content of CGS regardless of crushed fine aggregate with good and poor gradations while the air content was decreased. For the compressive strength of the concrete, in the case of using the crushed aggregate with good gradation, increasing CGS content decreased compressive strength of the concrete, while when the concrete used crushed aggregate with poor gradation, the compressive strength was the maximum at 50% of CGS content. As a durability assessment, drying shrinkage was decreased and carbonation resistance was improved by increasing CGS content. On the other hand, for freeze-thawing resistance, CGS influenced adverse effect on freeze-thawing resistance. Therefore, it is known that an additional air entrainer is needed to increase the freeze-thawing resistance when CGS was used as a combined aggregate for concrete.

주제어

표/그림 (17)

표 Table 1. Experimental plan
표 Table 2. Mixture proportions of concrete
그림 Figure 1. Cumulative distributions with type of fine aggregate
표 Table 3. Physical properties of cement
표 Table 4. Physical properties of aggregate
표 Table 5. Physical properties of CGS
표 Table 6. Fineness modulus of CGS mixed aggregate
표 Table 7. Chemical and physical properties of admixtures
그림 Figure 2. Slump & slump flow with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 3. Air content with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 4. Compressive strength with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 5. Strength development with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 6. Shrinkage with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 7. Resistance of shrinkage with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 8. Carbonation depth with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 9. Resistance of carbonation depth development with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 10. Resistance of carbonation depth with fine aggregate type and CGS replacement

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 CGS를 일반 잔골재에 혼합 활용하여 콘크리트에 미치는 기초적 특성과 더불어 내구성을 검토하여 효율적인 활용성을 분석하고자 한다.
본 연구는 CGS를 콘크리트용 잔골재로의 활용성을 검토 하기 위하여 양호한 입도의 부순잔골재(CSa)와 혼합잔골재 (MS)에 대하여 CGS를 치환율별로 혼합함에 따른 콘크리트의 기초적 특성 및 내구성을 검토하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구는 CGS를 콘크리트용 혼합골재로서 활용성을 검토하기 위하여 양호한 입도분포의 부순잔골재(CSa) 및 미립자인 해사와 굵은 입자의 부순잔골재를 혼합한 혼합골재(MS)에 CGS의 치환율 변화에 따른 콘크리트의 기초적 특성 및 내구성을 분석하였다. 실험결과, 슬럼프 및 슬럼프 플로는 CSa 및 MS 모두 CGS 치환율이 증가할수록 증가하였으며, 공기량은 반대로 감소하였다.

제안 방법

Figure 1은 잔골재의 입도분포를 나타낸 것으로 양호한 입도분포인 CSa를 단독으로 사용한 경우와 가늘고 미세한 입자분포인 바다모래(이하 SS)와 다소 굵고 표준입도분포 범위를 벗어나는 입도분포인 부순잔골재(이하 CSb)를 5 : 5 로 혼합한 혼합잔골재(이하 MS) 2수준으로 계획하였다. 이때, 각 골재 변수에 대하여 CGS를 0, 25, 50, 75, 100 %인 5수준으로 치환함으로서 콘크리트에 미치는 영향을 검토하고자 하였다.
또한, 콘크리트의 내구성 평가로서 건조수축의 경우 길이 변화율 측정은 100×100×400 mm 휨몰드 공시체에 스트레인 게이지를 내부매립한 후 데이터 로거를 활용하여 계획된 재령의 콘크리트 수축량을 측정 분석하였다.
실험 사항으로 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프 및 슬럼프 플로, 공기량을 측정하였고, 경화 콘크리트에서는 재령 별로 압축강도를 측정하였으며, 콘크리트의 내구성 평가로는 건조수축, 탄산화 깊이 및 동결융해 저항성을 측정하는것으로 하였다.
Figure 1은 잔골재의 입도분포를 나타낸 것으로 양호한 입도분포인 CSa를 단독으로 사용한 경우와 가늘고 미세한 입자분포인 바다모래(이하 SS)와 다소 굵고 표준입도분포 범위를 벗어나는 입도분포인 부순잔골재(이하 CSb)를 5 : 5 로 혼합한 혼합잔골재(이하 MS) 2수준으로 계획하였다. 이때, 각 골재 변수에 대하여 CGS를 0, 25, 50, 75, 100 %인 5수준으로 치환함으로서 콘크리트에 미치는 영향을 검토하고자 하였다.

대상 데이터

CGS는 국내 T화력 발전소에 건설된 IGCC에서 발생하는 것으로 주 1회씩 12주를 매주 샘플링하여 총 12회분을 1개 시료로 혼합하여 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 5와 같다. 이때, CGS는 KS의 입도기준에 만족하도록 체가름하여 사용하였다.
본 연구의 사용재료로서 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 3과 같다. 골재로서 부순 굵은골재(이하 CG)와 CSa 및 CSb는 국내 석산에서 생산된 것을, SS는 배타적경제수역(EEZ)에서 채취된 것을, MS는 각각 별도 계량하여 믹서 내에서 혼합하여 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 4와 같다.
본 연구의 사용재료로서 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 3과 같다. 골재로서 부순 굵은골재(이하 CG)와 CSa 및 CSb는 국내 석산에서 생산된 것을, SS는 배타적경제수역(EEZ)에서 채취된 것을, MS는 각각 별도 계량하여 믹서 내에서 혼합하여 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 4와 같다.

이론/모형

콘크리트의 촉진 탄산화 시험의 경우는 KS F 2584에 의거하였고, 콘크리트 탄산화 깊이는 KS F 2596 규정에 맞추어 촉진 시험 개시 후 촉진 기간 1, 4, 8, 13, 26주가 되었을 때 페놀프탈렌인을 이용하여, 탄산화 깊이를 측정하였다. 동결융해 저항성 평가 시험은 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법인 KS F 2456 중 A(수중 급속 동결 융해)방법으로 시험하였고, 동 탄성계수는 KS F 2437의 규정에 따라 측정하였다.
본 연구의 실험방법으로 굳지 않은 콘크리트의 실험중 슬럼프 및 슬럼프 플로는 KS F 2402 및 KS F 2594 공기량은 KS F 2421에 의거하여 실시하였고, 경화 콘크리트의 실험으로 압축강도는 KS F 2403의 규정에 의거 φ100x200 mm 원주형 공시체를 제작하여, 수중양생 한 후, 3 MN UTM을 이용하여 KS F 2405의 규정에 의거하여 압축강도를 구하였다.
콘크리트의 촉진 탄산화 시험의 경우는 KS F 2584에 의거하였고, 콘크리트 탄산화 깊이는 KS F 2596 규정에 맞추어 촉진 시험 개시 후 촉진 기간 1, 4, 8, 13, 26주가 되었을 때 페놀프탈렌인을 이용하여, 탄산화 깊이를 측정하였다. 동결융해 저항성 평가 시험은 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법인 KS F 2456 중 A(수중 급속 동결 융해)방법으로 시험하였고, 동 탄성계수는 KS F 2437의 규정에 따라 측정하였다.

성능/효과

1) 슬럼프 및 슬럼프 플로는 CSa 및 MS 모두 CGS 치환율이 증가할수록 증가하였으나, 공기량의 경우는 반대로 크게 감소하였다.
2) 압축강도의 경우는 CSa 및 MS 입자분포에 따라 CGS를 일정량 혼합하였을 때, 입도분포 변화에 따라 강도 발현성이 다르게 나타나는데 즉, CSa의 경우는 전반적으로 감소하는 경향을 나타났으나, MS의 경우는 50% 전후에서 연속입도분포 경향에 기인하여 가장 높은 강도발현을 나타내었다.
3) 건조수축 길이변화의 경우는 CSa 및 MS에 CGS를 치환함에 따른 영향으로 CSa의 경우는 CGS의 흡수율 및 혼합에 따른 조립률 및 낮은 강도발현에 기인하여 건조수축이 증가하는 것으로 나타났지만, MS를 사용한 경우는 CGS 치환율 50 %에서 연속입도분포에 따라 최밀충전으로 건조수축 길이변화율이 감소하는 것으로 나타났는데, 최대 약 16 %의 건조수축이 저감되었다.
4) 탄산화 깊이의 경우는 CSa 및 MS 모두 CGS 치환율이 증가할수록 Plain(CGS 0%) 대비 낮아진 공기량등에 기인하여 탄산화가 저감되는 것으로 나타났는데, 특히 MS에서 CGS 치환율 50 %일 때 가장 큰 약 60%의 탄산화 저항성을 나타내었다.
5) 동결융해 저항성의 경우는 CSa 및 MS 모두 CGS치환율 증가에 따라 전반적으로 동결융해 사이클 120 cycles 전후에서 공기량 저하에 기인하여 상대 동탄성 계수가 60 %미만으로 감소하였다.
Figure 6은 CGS 치환율별 재령 경과에 따른 건조수축 길이변화율 측정결과를 그래프로 나타낸 것이고, Figure 7은 Plain(CGS 0 %) 대비 CGS 치환율에 따른 6개월 건조수축을 비율로 나타낸 그래프이다. 먼저, CSa를 사용한 경우 CGS 치환율에 따른 영향으로 치환율이 증가할수록 건조수축 길이변화율이 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 이는 CGS의 흡수율 및 CGS 혼합에 따른 조립률 및 입도분포 변화에 기인한 것으로 판단된다.
Figure 4는 잔골재 종류 및 재령별 CGS 치환율 변화에 따른 압축강도를 나타낸 것이고, Figure 5는 강도 변화에 비율을 나타낸 것이다. 먼저, CSa의 경우 재령에 관계없이 CGS 치환율 증가에 따라 재령별 압축강도는 점차 감소하는 경향을 보였는데, CGS 25 %에서 가장 낮은 감소율로 나타났다. 특히, 28일 재령에서는 CGS 25 %로 치환한 경우 CGS를 사용하지 않은 배합보다 소폭 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구는 CGS를 콘크리트용 혼합골재로서 활용성을 검토하기 위하여 양호한 입도분포의 부순잔골재(CSa) 및 미립자인 해사와 굵은 입자의 부순잔골재를 혼합한 혼합골재(MS)에 CGS의 치환율 변화에 따른 콘크리트의 기초적 특성 및 내구성을 분석하였다. 실험결과, 슬럼프 및 슬럼프 플로는 CSa 및 MS 모두 CGS 치환율이 증가할수록 증가하였으며, 공기량은 반대로 감소하였다. 압축강도는 CSa를 사용한 경우 CGS 치환율이 증가할수록 저하하였지만, MS를 사용한 경우는 CGS 50%에서 최대치를 나타내었다.
이상을 종합하면 CGS를 잔골재와 혼합하여 사용하면 유동성 확보 및 입도보정에 따른 강도증진, 건조수축 및 탄산화 감소로 잔골재의 효용가치가 충분한 것으로 사료된다. 하지만, 내동해성 저하 문제를 해결하기 위해서는 콘크리트용 혼합골재로 활용 시에 공기량 감소를 보완할 수 있도록 AE제 추가 투입 등의 대책이 필요할 것으로 분석된다.

후속연구

하지만, 내동해성에서는 전반적으로 CGS 치환율이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, CGS를 치환 사용하는 혼합잔골재 콘크리트의 경우는 공기량 감소를 보완할 수 있도록 AE제 추가 투입 등의 대책을 수립한다면, 큰 문제 없을 것으로 판단된다.
이상을 종합하면 CGS를 잔골재와 혼합하여 사용하면 유동성 확보 및 입도보정에 따른 강도증진, 건조수축 및 탄산화 감소로 잔골재의 효용가치가 충분한 것으로 사료된다. 하지만, 내동해성 저하 문제를 해결하기 위해서는 콘크리트용 혼합골재로 활용 시에 공기량 감소를 보완할 수 있도록 AE제 추가 투입 등의 대책이 필요할 것으로 분석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄 가스화 용융 슬래그가 생성되는 과정은?	하지만, IGCC에서는 원료인 석탄회가 고온에서 용융되면서 슬래그 형태로 배출되는 석탄 가스화 용융 슬래그 (Coal Gasification Slag, 이하 CGS)는 기존 슬래그와 유사한 수냉 방식으로 슬래그의 입형이 구형에 가까운 잔골재 형태를 갖게 된다[9].
	석탄 가스화 복합발전은 무엇인가?	이에 따라 발전업계 및 관련 전문가들은 기존의 석탄화력의 대안으로 석탄 가스화 복합발전(Integrated Coal Gasification Combined Cycle, 이하 IGCC)을 제시하고 있다[6,7]. IGCC는 석탄을 고온·고압 하에서 산소, 수증기와 반응시켜 발생한 합성가스를 연료로 활용하여 가스터빈과 아울러 증기터빈을 구동하는 복합발전시스템이다[8].
	석탄 화력발전소의 부정적 인식이 생긴 이유는 무엇인가?	이와 같이 제조업 공장 중 특히 석탄 화력발전소는 미세먼지 등 대기오염물질을 다량 배출시키는 주요 요인 중 하나로 밝혀지면서, 석탄 화력발전에 대한 부정적인 인식이 점차 높아지고 있다[3]. 하지만, 석탄 화력발전은 2018년 전체발전량 중의 약 41 %를 차지하는 매우 중요한 전력공급원으로서, 유연탄의 경우 2019년 kWh당 정산단가가 77.

참고문헌 (16)

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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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