[논문]C12A7을 함유한 열연슬래그를 혼입한 레미콘 회수수 활용 및 시멘트 모르타르의 적용 특성

김영엽; 이한승

doi:10.14190/jrcr.2021.9.1.92

C12A7을 함유한 열연슬래그를 혼입한 레미콘 회수수 활용 및 시멘트 모르타르의 적용 특성
Utilization of Ready-mixed Concrete Recycling Water Mixed with Hot-rolled Slag Containing C12A7 and Application Characteristics of Cement Mortar 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.9 no.1, 2021년, pp.92 - 99

김영엽 (한양대학교 건축시스템공학과) , 이한승 (한양대학교 건축시스템공학과)

초록
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CaO 화합물의 원료로는 일반적으로 CaO, SO3, Al2O3 등으로 구성된 CaO 기반인 산업부산물이 있다. 이러한 CaO 계 산업부산물을 레미콘의 회수수에 적용할 경우 시멘트, 플라이애시, 슬래그미분말 등의 콘크리트 분말 원료의 수화 반응이 가속화되어 콘크리트 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 레미콘의 회수수에 C12A7을 함유한 열연 슬래그를 혼입하여 레미콘의 회수수에 적용할 수 있는 활성슬러지를 제조하였으며, 시멘트 페이스트 응결시간 및 모르타르 압축강도 성능 테스트를 통해 수화반응에 대한 영향을 확인하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

CaO-based by-products composed of CaO, SO3, Al2O3, etc. are generally used as raw materials for CaO compounds. When applied to the recovered water of ready-mixed concrete, the hydration reaction of the powder material is accelerated and concrete performance can be improved. In this study, activated sludge was prepared to apply to the recovered water of ready-mixed concrete by mixing CaO-based hot-rolled slag(C12A7) in the recycling water of ready-m ixed concrete. Cem ent paste setting time and mortar compressive strength performance tests confirmed the effect on the hydration reaction. Therefore, the possibility of concrete application using activated sludge was confirmed.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of hydration promotion by active slurry
그림 Fig. 2. XRD pattern of hot rolled slag
그림 Fig. 3. SEM images of hot rolled slag
표 Table 1. Chemical composition of cemnet and hot rolled slag (Unit : %)
표 Table 2. Mix ratio of recycling water
표 Table 3. Mixing ratio of cement paste and mortar
그림 Fig. 4. Cement paste and mortar mixing process
그림 Fig. 5. XRD pattern of hydrate with different modulu
그림 Fig. 6. SEM images and EDAX of hydrate with different modulu
그림 Fig. 7. Setting time of cement paste
그림 Fig. 8. Autoclave test of cement
그림 Fig. 9. Flow value of cement mortal
그림 Fig. 10. Compressive strength of cement mortal

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 레미콘 회수수 활성화에 사용할 수 있는 CaO 원산업 부산물로 열연슬래그(C₁₂A₇)를 사용하였으며, 이들을 혼입한 레미콘 회수수를 제조하여 시멘트 페이스트 내에서의 특성을 확인하기 위하여 응결 시간, XRD 및 SEM 분석을 통한 수화 특성을 확인하였다. 또한, 레미콘 회수수를 시멘트 모르타르 배합수로 사용하여 플로우 및 압축강도를 측정하여 열연슬래그(C₁₂A₇)의 레미콘 회수수 활용 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 레미콘 회수수 활성화에 사용할 수 있는 산업부산물 중 하나인 열연슬래그(C₁₂A₇)를 활용하여 시멘트 및 모르타르의 수화반응 특성, 응결 특성, 압축강도 특성을 확인하여 레미콘에 적용 가능성을 검토하고자 하였다.

제안 방법

0%로 선정하였다. Table 2와 같이 물, 시멘트, 플라이애시, 고로슬래그미분말을 혼입하여 12시간 동안 회전 교반기를 이용하여 교반 하였으며, 그 후 시멘트 페이스트 및 모르타르 배합에 사용되는 시멘트 양에 대비하여 열연슬래그 (C12A7)를 0, 1.0, 3.0, 5.0, 7.0%로 제조된 레미콘 회수수에 혼입하여 회전 교반기를 이용하여 4∼5시간 동안 교반하여 사전 수화된 회수 수를 제조하였다. 레미콘 회수수 수준별 명칭은 R는 회 수수를 의미하며, 첫 번째 숫자는 회수수 농도, 두 번째 숫자는 열연 슬래그(C12A7) 치환율을 표현하였다.
또한, 레미콘 회수수를 시멘트 모르타르 배합수로 사용하여 플로우 및 압축강도를 측정하여 열연슬래그(C₁₂A₇)의 레미콘 회수수 활용 가능성을 확인하였다.
레미콘 회수수는 레미콘 공장에서 발생하는 회수수를 묘사하여 제조하였으며, 회수수 농도는 3.0%로 선정하였다. Table 2와 같이 물, 시멘트, 플라이애시, 고로슬래그미분말을 혼입하여 12시간 동안 회전 교반기를 이용하여 교반 하였으며, 그 후 시멘트 페이스트 및 모르타르 배합에 사용되는 시멘트 양에 대비하여 열연슬래그 (C12A7)를 0, 1.
모르타르의 반죽 질기는 KS L 5105에서 규정한 플로우 테스트기를 이용하여 실시하였고, 압축강도는 플로우 값 측정 후, 40×40×160mm의 공시체를 3, 7, 28일 재령에 맞추어 3개씩 제작하였다. 각 재령 시 까지 20±1^oC로 유지된 양생 수조에서 침수시킨 후 압축강도는 KS LISO₆₇9에서 규정한 방법에 따라 압축강도를 측정하였다(Korea an Agency for Technology and Stand ards, KS LISO₆₇9.
9과 같이 나타내었다. 모르타르의 플로우 시험은 작업성 확보를 위하여 열연슬래그 (C12A7)혼입량 증가에 따라 비례하여 5, 9, 13, 17%로 단위 수량을 추가 하였다. 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량에 따른 모르타르의 플로값은 203.
산업부산물 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 레미콘 회수수를 제조하여 시멘트 페이스트 및 모르타르에 적용하여 시멘트 수화 특성, 응결 특성, 안정도 특성, 모르타르 작업 성능, 모르타르 압축강도 특성에 관하여 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
시멘트 경화체 및 모르타르의 혼합은 각 조합된 시료를 혼합기를 이용하여 기계적으로 혼합하였다. 혼합 과정은 맨 처음 혼합용기에 제조된 레미콘 회수수를 붓고 시멘트를 투입한 이후 저속으로 혼합기를 30초 동안 작동시킨다.
열연슬래그(C₁₂A₇)를 제조된 레미콘 회수수에 사용시멘트 대비 5%를 첨가하여 4∼5시간 동안 회전 교반기를 이용하여 교반 하여 슬러리 상태로 제조 후, pH 메타기를 이용하여 pH변화량을 측정하였으며, 진공펌프를 이용하여 여과하여 남은 슬러지를 채취하였다. 채취된 슬러지를 이용하여 Ca(OH)₂의 수화 변화량을 확인하기 위하여 X-ray 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD), 전자 주사 현미경(FE-SEM)을 이용하여 평가하였다.
채취된 슬러지를 이용하여 Ca(OH)₂의 수화 변화량을 확인하기 위하여 X-ray 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD), 전자 주사 현미경(FE-SEM)을 이용하여 평가하였다.
레미콘 회수수 수준별 명칭은 R는 회 수수를 의미하며, 첫 번째 숫자는 회수수 농도, 두 번째 숫자는 열연 슬래그(C12A7) 치환율을 표현하였다. 회수수 농도 측정은 레이저(광학기술) 광원에 의한 산란 방식(Kwon et al. 2014)을 이용한 회 수수 고형분 측정기를 이용하여 고형분 함량을 레이저광 산란에 의한 측정값을 확인하여 회수수 농도를 조절하였다.

대상 데이터

또한, 레미콘 회수수 제조를 위한 CaO 원산업 부산물인 열연슬래그(C₁₂A₇)의 주성분은 CaO, Al₂O₃ 등으로 구성되어 있다. 모르타르의 경우 잔골재는 KS LISO₆₇9에서 규정한 ISO 기준모래를 사용하였다. Table 1은 본 실험에 사용된 시멘트와 제철소(L/F(Ladle Furnace) 공정에서 발생) 열연슬래그(C12A7) 의 화학성분에 대한 분석 결과를 나타낸 것이며, Fig.
본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201 규정에 적합한 1종 보통 포틀랜드 시멘트(이하 OPC라 약함)로 밀도는 3.15g/cm³이고, 분말도 는 3, 200cm²/g이다. 또한, 레미콘 회수수 제조를 위한 CaO 원산업 부산물인 열연슬래그(C₁₂A₇)의 주성분은 CaO, Al₂O₃ 등으로 구성되어 있다.
본 연구에서는 레미콘 회수수의 활용도를 높이기 위한 방안으로 전기로에서 철 스크랩을 용해시켜 1차 산화정련 및 2차 정련공정 과정을 거쳐 배출되는 CA계 환원슬래그 칼슘실리케이트계 화합물 중 하나인 열연슬래그(C₁₂A₇)(Yoo et al. 2016)를 활용하였다. Kim and Han(1997)에 따르면 정련공정을 거쳐 배출된 환원 슬래그는 비산먼지 발생과 냉각을 위해 살수된 물에 의해 CaO가 용출되며 강알칼리 침출수가 발생함에 따라 환경오염을 유발하는 산업부산물 중 하나이다.

이론/모형

각 재령 시 까지 20±1^oC로 유지된 양생 수조에서 침수시킨 후 압축강도는 KS LISO₆₇9에서 규정한 방법에 따라 압축강도를 측정하였다(Korea an Agency for Technology and Stand ards, KS LISO₆₇9. 2006).
1996). 또한, 회수수내 혼입된 열연슬래그(C₁₂A₇)내의 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 성분으로 인한 잠재적 팽창도를 확인하기 위하여 KS L 5107에서 규정한 방법인 오토클래이브 팽창도 시험에 따라 의한 안정도 실험을 실시하였다(Korea an Agency for Technology and Standards, KS L 5107. 2001).
시멘트 경화체의 특성을 확인하기 위한 응결(초결, 종결) 시험을실시하였으며, 해당 시험을 위하여 KS LISO 9597에서 규정한 방법에 따라 표준 주도를 결정하고 이때의 물함량을 기록하여 사용하였다. 해당 배합은 물/시멘트비는 29%이고 각 1회분 재료의 양은 시멘트 500g, 물 145g이다.
응결 시험은 KS L 5103에서 규정에 따라 실시하였다(Korea an Agency for Technology and Standards, KS L 5103. 1996). 또한, 회수수내 혼입된 열연슬래그(C₁₂A₇)내의 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 성분으로 인한 잠재적 팽창도를 확인하기 위하여 KS L 5107에서 규정한 방법인 오토클래이브 팽창도 시험에 따라 의한 안정도 실험을 실시하였다(Korea an Agency for Technology and Standards, KS L 5107.

성능/효과

1.기준 레미콘 회수수보다 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 레미콘 회 수수의 경우 pH는 증가하고 있음을 확인하였다. 또한 XRD pattern, SEM Images, EDAX 분석을 통해 기준 레미콘 회수수슬러지와 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 슬러지 모두 주 결정상은 Ca(OH)₂로 나타나고 있음을 확인할 수 있었으며, 열연슬래그(C12A7)가 혼입된 슬러지의 경우 Ca(OH)₂뿐 아니라 미수화열연슬래그(C12A7)도 함께 관찰됨을 확인할 수 있었다.
2.기준 레미콘 회수수를 배합수로 사용한 시멘트 페이스트의 경우 응결시간(초결, 종결)이 가장 짧았으며, 열연슬래그(C12A7)를치환한 레미콘 회수수를 배합수로 사용한 시멘트 페이스트 모두 기준 레미콘 회수수보다 응결시간(초결, 종결)이 늘어난 것으로 측정되었다. 이는 기존 연구자들이 주장하였던 수화 메커니즘에 의해 응결 지연되고 있음을 확인할 수 있었다.
3.시멘트 경화체의 안정도는 대체적으로 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 시멘트 경화체의 안정도가 높은 것을 학인 할 수 있었다.
4.열연슬래그(C12A7) 치환율이 높아질수록 플로우 값은 큰 차이가 없거나 오히려 더 높은 플로우 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 이유는 레미콘 회수수 배합수에 혼입된 열연 슬래그(C12A7) 혼입량이 증가할수록 단위 수량을 조정한 결과로판단되어진다.
5.열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량에 따른 모르타르의 압축강도 값은 재령 3일, 7일, 28일에 관한 압축강도를 측정한 결과 열연슬래그 (C12A7) 혼입량이 증가할수록 재령 3일 압축강도는 하락하는 경향을 나타내었으나, 재령 7일, 28일에서는 열연슬래그(C12A7) 혼입량이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 나타내었다. 압축강도 발현율 또한, 압축강도 재령이 늘어날수록 발현율이 증가하는 경향을 나타내었다.
XRD pattern, SEM Images, EDAX에서와 같이 기준 레미콘 회 수수 슬러지와 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 슬러지 모두 주 결정상은 Ca(OH)₂로 나타나고 있음을 확인할 수 있었으며, 열연슬래그 (C12A7)가 혼입된 슬러지의 경우 Ca(OH)₂뿐 아니라 미수화 열연슬래그(C12A7)도 함께 관찰되었다.
7과 같이 나타내었다. 기준 레미콘 회수수 및 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 회 수수를 배합수로 사용한 시멘트 페이스트의 초결 및 종결시간을 나타낸 결과에서 보면 회수수 농도 3.0%에서 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입률에 따라 초결은 1시간29분∼2시간40분, 종결은 4시간27분∼5 시간49분을 나타내었다. 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량 별로 비교한 결과 기준 레미콘 회수수를 배합수로 사용한 시멘트 페이스트 (R-3-0)의 경우 응결 시간(초결, 종결)이 가장 짧았으며, 열연슬래그(C12A7)를 치환한 레미콘 회수수를 배합수로 사용한 시멘트 페이스트((R-3-1)∼(R-3-7) 모두 기준 레미콘 회수수(R-3-0)보다 응결 시간(초결, 종결)이 길게 측정되었다.
8과 같이 나타내었다. 기준 레미콘 회수수 및 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 회수수를 배합 수로 사용한 시멘트 경화체에 대한 안정도를 보면회수수 농도 3.0%에서 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입율에 따라 안정도가 0.09∼ 0.12%를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 대체적으로 열연슬래그(C12A7)를 혼입한 시멘트 경화체가 안정도는 높은 것을 확인 할 수 있었다.
기준 레미콘 회수수의 pH 측정 결과 12.48이었으며, 열연슬래그(C12A7)를 레미콘 회수수에 시멘트량 대비 5% 첨가하여 슬러리 상태로 제조하였을 경우 pH 측정 결과 12.79로 측정되었다. 기준레미콘 회수수보다 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 레미콘 회 수수의 경우 pH는 0.
12%를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 대체적으로 열연슬래그(C12A7)를 혼입한 시멘트 경화체가 안정도는 높은 것을 확인 할 수 있었다.
기준 레미콘 회수수보다 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 레미콘 회 수수의 경우 pH는 증가하고 있음을 확인하였다. 또한 XRD pattern, SEM Images, EDAX 분석을 통해 기준 레미콘 회수수슬러지와 열연슬래그(C₁₂A₇)를 혼입한 슬러지 모두 주 결정상은 Ca(OH)₂로 나타나고 있음을 확인할 수 있었으며, 열연슬래그(C12A7)가 혼입된 슬러지의 경우 Ca(OH)₂뿐 아니라 미수화열연슬래그(C12A7)도 함께 관찰됨을 확인할 수 있었다.
열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량에 따른 모르타르의 압축강도 값은 재령 3일, 7일, 28일에 관한 압축강도를 측정한 결과 열연슬래그 (C12A7) 혼입량이 증가할수록 재령 3일 압축강도는 하락하는 경향을 나타내었으나, 재령 7일, 28일에서는 열연슬래그(C12A7) 혼입량이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향을 나타내었다. 압축강도 발현율 또한, 압축강도 재령이 늘어날수록 발현율이 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 이유는 열연슬래그(C12A7) 의 잠재수경성 반응으로 장기 재령 강도에 효과가 있는 것으로 사료된다.
5mm를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 열연 슬래그(C12A7) 치환율이 높아질수록 플로우 값은 큰 차이가 없거나 오히려 더 높은 플로우 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 이유는 레미콘 회수수 배합수에 혼입된 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량이 증가할수록 단위 수량을 조정한 결과로 보인다.
0%에서 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입률에 따라 초결은 1시간29분∼2시간40분, 종결은 4시간27분∼5 시간49분을 나타내었다. 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량 별로 비교한 결과 기준 레미콘 회수수를 배합수로 사용한 시멘트 페이스트 (R-3-0)의 경우 응결 시간(초결, 종결)이 가장 짧았으며, 열연슬래그(C12A7)를 치환한 레미콘 회수수를 배합수로 사용한 시멘트 페이스트((R-3-1)∼(R-3-7) 모두 기준 레미콘 회수수(R-3-0)보다 응결 시간(초결, 종결)이 길게 측정되었다. 이러한 이유는 Majumdar et al.
10과 같이 나타내었다. 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량에 따른 모르타르의 압축강도 값은 재령 3일에서 압축강도는 23.2∼35.5MPa, 재령 7일에서 압축강도는 34.5∼50.3MPa, 재령 28일에서 압축강도는 54.3∼ 62.9MPa를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량에 따른 압축강도 발현율은 재령 3일에서 65∼78%, 재령 7일에서 69∼84%, 재령 28일에서 86∼94%로 나타났으며, 이는열연슬래그(C12A7)의 잠재수경성 반응과 혼입량 증가에 따른 시멘트 사용량 감소의 영향으로 생각된다(Moon 2001).
모르타르의 플로우 시험은 작업성 확보를 위하여 열연슬래그 (C12A7)혼입량 증가에 따라 비례하여 5, 9, 13, 17%로 단위 수량을 추가 하였다. 열연슬래그(C₁₂A₇) 혼입량에 따른 모르타르의 플로값은 203.4∼210.5mm를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 열연 슬래그(C12A7) 치환율이 높아질수록 플로우 값은 큰 차이가 없거나 오히려 더 높은 플로우 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
열연슬래그(C₁₂A₇)를 레미콘 회수수에 혼입하여 사용할 때 단위 수량을 조절할 경우 작업성을 확보할 수 있을 것으로 사료되며, 시멘트 사용량이 줄더라도 장기 강도 발현율은 증가하는 경향을 보이는 것으로 보아 레미콘 회수수에 열연슬래그(C₁₂A₇)를 적절하게 혼입하여 레미콘 회수수 제조 및 레미콘 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
이러한 산업부산물을 레미콘 회수수에 첨가하여 슬러리 상태로 제조하여, 급격히 수화하는 CaO를 미리 Ca(OH)₂로 결정을 전이 시켜, Ca(OH)₂의 증가로 회수수 자체의 pH를 높이고, 콘크리트 제조에, 사용되는 분말 원료(시멘트, 고로슬래그미분말, 플라이애시 등)의 수화 반응 및 포졸란 반응, 잠재수경성 반응을 촉진시킴으로써 시멘트 사용량을 줄일 수 있고 산업부산물을 재활용 함으로써 환경 부하를 저감할 수 있을 것으로 판단된다.

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상세보기
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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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