[논문]제철 슬래그 골재를 이용한 SMA 혼합물의 역학적 특성

김혁중; 나일호

doi:10.14190/jrcr.2021.9.1.109

제철 슬래그 골재를 이용한 SMA 혼합물의 역학적 특성
The Mechanical Properties of SMA Concrete Mixture Using Steel Slag Aggregate 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.9 no.1, 2021년, pp.109 - 116

김혁중 (국립한경대학교 산학협력단) , 나일호 (한국석유공업 건자재사업본부)

초록
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본 연구에서는 제철소에서 발생되는 전기로 산화슬래그로써 제철 슬래그 골재를 사용한 SMA 혼합물에 대한 역학적 특성을 평가하였다. 실험 변수는 일반골재와 제철 슬래그 골재 10mm 및 13mm이다. 슬래그 골재의 기본 물성과 품질(비중, 흡수율등)은 KS기준을 만족하였다. 아스팔트콘크리트 혼합물의 역학적 실험을 수행한 결과, 슬래그 골재 혼합물은 최적아스팔트 함량이 일반 골재 혼합물 대비 낮게 도출되었으나 다른 품질 기준은 모두 만족하였다. 제철 슬래그 골재 혼합물이 일반 골재 혼합물 대비 다소 높은 값으로 측정되었고, 모든 시편에서 동적안정도 시험은 2,000pass/mm 기준을 만족하였다. 또한, 제철 슬래그 골재 혼합물의 회복탄성계수는 일반 골재를 사용한 혼합물에 비해 개선된 값을 나타내었다. 이에, 하중 재하 이후 회복하는 속도가 향상되어 차량의 반복적 통행하중에 따른 공용성능 개선 효과가 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to replace mineral aggregate used as road pavement materials with steel slag aggregate, this present study evaluated mechanical properties of SMA Concrete mixtures using steel slag aggregate as oxidized slag from electric furnace in iron works. The variables of this experiment are the aggregate type of mineral and steel slag and the sieve sized of 10mm and 13mm. The physical properties inclu ding the specific gravity and absorption rate etc. of the slag aggregate mixtu res satisfied the KS standard as asphalt mixtu re. As a resu lt of evalu ating the mechanical properties of the asphalt mixtures, the optimum asphalt content of the slag aggregate mixtures were lower than that of the mineral aggregate mixtures, but other quality standards were all satisfied. In the deformation strength evaluation, the slag aggregate mixtures were measu red slightly higher than that of the mineral aggregate mixtu res, and the dynamic stability test satisfied the 2,000pass/mm standard value in all specimens. And, the moduli of resilient of the slag aggregate mixtures showed an improved value compared with the mineral aggregate mixtures. Therefore, as the resilient rate of the slag aggregate mixtures improved, it is speculated that there will be an effect of improving public performance according to the repeated traffic load of the vehicle.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Volume comparison of specimens using steel slag aggregate and mineral aggregate
표 Table 1. Conditions of PSMA Mixture
그림 Fig. 2. Passing percent-sieve size curve of mineral PSMA
그림 Fig. 3. Passing percent-sieve size curve of steel slag PSMA
표 Table 2. Physical properties of steel slag aggregate
표 Table 3. Criteria of Mix design of SMA
표 Table 4. Evaluation method of SMA
그림 Fig. 4. Testing apparatus for deformation strength of asphalt and load-strain curve
그림 Fig. 5. Typical of the resilient of modulus
표 Table 5. Mechanical properties of asphalt mixtures
그림 Fig. 6. Comparison of dynamic stability by type of aggregate and mixture
그림 Fig. 7. Relationship between dynamic stability of DSKS and and DS₂ and final rut depth
표 Table 6. Final rout depths and dynamic stability values of asphalt mixtures
그림 Fig. 8. Modulus of resillent of aggregate type according to temperature
표 Table 7. Results of modulus of resilient

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 5^oC에서 25^oC, 40^oC로 온도가 증가함에 따라 회복 탄성계수는 크게 낮아지는 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 아스팔트와 같은 점탄성 재료의 전형적인 특징이며, 각각의 시험온도에서 제철 슬래그를 적용한 혼합물이 일반 골재 혼합물에 비하여 대체적으로 높은 값으로 측정되었다.
본 연구에서는 SMA 혼합물에서 제철 슬래그의 영향을 분석하기 위해 제철 슬래그의 체적특성 및 영구변형, 온도별 강성변화를 평가하였다. SMA 혼합물의 역학적 평가 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에, 본 실험에서는 아스팔트 혼합물의 제조에 사용되는 천연골재를 제철 슬래그 골재로 대체 시 일반 혼합물과의 품질과 차별성 및 내구공용성을 평가함으로써 제철 슬래그 골재의 아스팔트 도로포장용 재료로써 활용 가능성을 검토하고자 한다.

가설 설정

여기서, M_RI는 순간회복탄성계수(MPa)이며, M_RT는 전체회복 탄성계수(MPa)이며, u_RI는 순간회복 포아송비(25^oC 조건에서 0.35로 가정)이며, u_RT는 전체회복 포아송비(25^oC 조건에서 0.35로 가정) 이며, P는 반복하중(N)이며, t는 공시체 두께(mm)이며, #는 순간 회복 수평변형(mm)이며,#는 전체회복 수평변형(mm)이다.

제안 방법

6종 SMA 혼합물(일반, 제철 슬래그 골재를 사용한 혼합물)을사용하여 반복주행(wheel tracking: WT) 시험을 수행하기 위하여 305×305×50mm의 슬래브 몰드에 혼합물을 담아 롤러 압축 다짐기로 다짐하여 슬래브 공시체를 제작하였다. 제작된 공시체는 24 시간 상온 양생 후 60^oC에 6시간 보관 후 시험에 사용되었다.
이는 실제 도로 포장 시공에 더 많은 아스팔트 혼합물을 사용하게 되는 것을 의미한다. 따라서 실험에 필요한 공시체의 크기로 제조하기 위해 밀도를 반영하여 공시체를 제작하였다.
제철 슬래그의 높은 밀도는 일반 혼합물과 같은 무게의 혼합물을 다짐할 때 보다 부피가 작은(높이가 낮아짐) 공시체로 제조되었다. 본 실험에서는 동일한 높이의 공시체를 제조하기 위해 일반 혼합물과의 밀도차이를 확인하여 1.2배 높은 무게(더 많은 양 제작) 로공시체를 제조하였다.
본 연구를 수행하기 위해 Table 3의 기준으로 배합설계를 실시하였고, 제철 슬래그 아스팔트 혼합물의 역학적 성능을 평가하고자 국토교통부의 아스팔트 콘크리트 포장 시공지침 및 KS 시험 방법에 따라 변형강도, 반복주행시험, 회복탄성계수 시험을 수행하여 Table 4와 같이 평가 지표들을 확인하였다.
제작된 공시체는 24 시간 상온 양생 후 60^oC에 6시간 보관 후 시험에 사용되었다. 시험은 60^oC에서 수행되었고, 재하 윤하중은 686N, 통과횟수 42 회/min로 60분 동안 2, 520회 반복주행에 따른 변형량을 측정하였다.
제조된 공시체의 아스팔트 기초 물성을 검토하기 위하여 이론 밀도, 높이, 건조무게, 수중무게, 표면건조포화상태무게 및 변형 강도를 측정하였다.

대상 데이터

PSMA 혼합물 제조에는 공용성 등급(performance grade) PG76-22 개질 아스팔트와 시인성 확보를 위해 주로 적용되는 적색 칼라 아스팔트를 사용하고, 골재는 일반 골재와 제철 슬래그 골재를 사용하였다.
본 연구에서는 현장플랜트에서 생산 된 SMA 혼합물을 사용하였다. PSMA 혼합물 제조에는 공용성 등급(performance grade) PG76-22 개질 아스팔트와 시인성 확보를 위해 주로 적용되는 적색 칼라 아스팔트를 사용하고, 골재는 일반 골재와 제철 슬래그 골재를 사용하였다.

데이터처리

11mm로 측정되었다. 결과값의 신뢰도 제고를 위해 DS₂를 계산하였다. 각각의 입도별로 비교해보면 일반 PSMA 혼합물보다 제철 슬래그 PSMA 13mm를 제외한 모든 제철 슬래그 PSMA 혼합물이 높은 값을 나타내었다.

이론/모형

Wheel tracking 시험을 통한 최종변형깊이와 동적안정도를 DS_KS와 새로이 개발된 DS₂ 방법으로 구하였다. 시험 결과는 Table 6에서 보여주듯이 각각의 혼합물은 PSMA 혼합물 품질기준인 2, 000pass/mm 이상의 동적안정도(DS_KS)를 보이며, 일반 PSMA 혼합물보다 제철 슬래그 PSMA 혼합물이 높은 값이 측정되어 변형강도와 경향이 유사함을 알 수 있다.
동적안정도의 변별력을 높이기 위해 기존의 KS 방법과 함께 초기, 중기, 말기의 변형 특성을 고려하여 동적안정도를 구하는 모델인 DS₂(Cho et al. 2020)를 계산하였다. 계산식은 식 (4) 와같다.

성능/효과

2. 제철 슬래그 골재가 가지는 높은 밀도 및 낮은 흡수율로 인해 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content : OAC)은 일반 골재 혼합물보다 낮게 결정되며 낮은 OAC에서도 공극률, 간극률, 포화도, 변형강도는 품질기준을 만족함에 따라 현장 적용에는 큰 문제가 되지 않을 것으로 사료되나 제철 슬래그 골재의 밀도 및 흡수율로 인한 낮은 최적아스팔트 함량의 기준 정립이 필요할 것으로 판단된다.
3. 동적안정도의 경우 각각의 혼합물은 PSMA 혼합물 품질기준인 2, 000pass/mm 이상의 동적안정도(DS_KS)를 보이며 일반 PSMA 혼합물보다 제철 슬래그 PSMA 혼합물이 높은 값이 측정되어 변형강도와 경향이 유사함을 알 수 있다. 또한 DS_KS에 비하여 DS₂가 최종 변형 깊이와 크게 높은 상관관계를 보여, 윤하중에 의한 최종 변형깊이로 나타나는 소성변형 특성을 DS₂가 더 정확히 반영함을 확인하였다.
4. 회복탄성계수(MR) 시험 결과 제철 슬래그 골재로 인한 저온 및 고온 모두에서 강성이 증가하였고, 이는 하중 재하 이후 회복하는 속도가 증진됨으로 차량의 반복적 통행하중에 의한 공용성능 개선에 효과가 있을 것으로 판단된다. 하지만 제강슬래그 일부 골재가 유독 저온(5^oC)에서의 강성이 크게 나타나 저온 균열에 대한 우려가 있음으로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
제철 슬래그를 사용한 PSMA 혼합물은 PSMA 일반 13mm 혼합물에 비하여 공극이 낮게 측정되었다. PSMA 일반 혼합물의 경우 품질기준을 모두 만족하였고, PSMA 제철 슬래그 혼합물의 경우 제철 슬래그 골재의 높은 밀도 및 낮은 흡수율로 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)은 일반 골재 혼합물보다 낮게 결정된 것을 알 수 있다. 아스팔트 함량을 제외한 공극률, 간극률, 포화도는 품질기준을 만족하였다.
결과값의 신뢰도 제고를 위해 DS₂를 계산하였다. 각각의 입도별로 비교해보면 일반 PSMA 혼합물보다 제철 슬래그 PSMA 13mm를 제외한 모든 제철 슬래그 PSMA 혼합물이 높은 값을 나타내었다.
결과적으로는, 변형 강도와 동적안정도간의 경향이 유사하게 관찰되었고 제철 슬래그 혼합물에서 높은 값이 도출되어 영구변형과 강도 측면으로 제철 슬래그골재의 혼합물이 일반골재 혼합물 대비 내구 공용성 측면으로 성능 향상이 되었음을 확인할 수 있었다.
때문에 일반 천연 골재에 비해 높다. 기초물성평가 결과는 Table 2와 같으며, 연구에 사용된 제철 슬래그는 당진 H 제철소에서 생산된 것으로 밀도가 3.32g/cm³이고, 흡수율은 1.62%로 아스팔트 혼합물용 골재 품질기준을 만족하였다.
동적안정도의 경우 각각의 혼합물은 PSMA 혼합물 품질기준인 2, 000pass/mm 이상의 동적안정도(DS_KS)를 보이며 일반 PSMA 혼합물보다 제철 슬래그 PSMA 혼합물이 높은 값이 측정되어 변형강도와 경향이 유사함을 알 수 있다. 또한 DS_KS에 비하여 DS₂가 최종 변형 깊이와 크게 높은 상관관계를 보여, 윤하중에 의한 최종 변형깊이로 나타나는 소성변형 특성을 DS₂가 더 정확히 반영함을 확인하였다.
또한, 온도에 따라 제철 슬래그 골재와 일반 골재를 비교시 5^oC 는 1.54배, 25^oC는 1.32배, 40^oC는 1.50배로 제철 슬래그 골재가 각 온도마다 모두 큰 값을 나타냈다.
방법으로 구하였다. 시험 결과는 Table 6에서 보여주듯이 각각의 혼합물은 PSMA 혼합물 품질기준인 2, 000pass/mm 이상의 동적안정도(DS_KS)를 보이며, 일반 PSMA 혼합물보다 제철 슬래그 PSMA 혼합물이 높은 값이 측정되어 변형강도와 경향이 유사함을 알 수 있다.
PSMA 일반 혼합물의 경우 품질기준을 모두 만족하였고, PSMA 제철 슬래그 혼합물의 경우 제철 슬래그 골재의 높은 밀도 및 낮은 흡수율로 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)은 일반 골재 혼합물보다 낮게 결정된 것을 알 수 있다. 아스팔트 함량을 제외한 공극률, 간극률, 포화도는 품질기준을 만족하였다.
크게 낮아지는 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 아스팔트와 같은 점탄성 재료의 전형적인 특징이며, 각각의 시험온도에서 제철 슬래그를 적용한 혼합물이 일반 골재 혼합물에 비하여 대체적으로 높은 값으로 측정되었다. 저온인 5^oC에서 PSMA 10mm와 PSMA 13mm 제철 슬래그 혼합물은 다른 혼합물에 비해 회복 탄성 계수가 약 1.
일반 PSMA 10mm 혼합물에서 2.61mm의 값이 측정되었고, 제철 슬래그 PSMA 13mm 혼합물에서 1.11mm로 측정되었다. 결과값의 신뢰도 제고를 위해 DS₂를 계산하였다.
일반 혼합물의 변형강도는 PSMA 10mm 3.76MPa, PSMA 13mm 3.45MPa로 국토교통부 일반 혼합물의 기준인 3.2MPa를 만족하는 값을 보였다. 제철 슬래그 골재 사용한 PSMA 혼합물은 일반 혼합물의 기준인 3.
이러한 현상은 아스팔트와 같은 점탄성 재료의 전형적인 특징이며, 각각의 시험온도에서 제철 슬래그를 적용한 혼합물이 일반 골재 혼합물에 비하여 대체적으로 높은 값으로 측정되었다. 저온인 5^oC에서 PSMA 10mm와 PSMA 13mm 제철 슬래그 혼합물은 다른 혼합물에 비해 회복 탄성 계수가 약 1.7배 크게 나타났고, 5^oC의 모든 혼합물의 평균은 6, 028MPa이다. 40^oC에서는 혼합물의 평균은 약 337MPa의 값으로 5^oC와 40^oC 온도간 약 17.
35배 높게 나타났다. 제철 슬래그 PSMA 적색 혼합물의 동적안정도는 10, 13mm 각각 6, 600, 14, 130pass/mm로 매우 높게 측정되었고 최종변형깊이는 모두 3mm 이하로 매우 낮은 변형 깊이를 보였으나 분당 변형깊이는 일반 골재 혼합물보다 제철 슬래그 골재 혼합물이 작게 나타났다.
제철 슬래그 PSMA 혼합물의 동적안정도는 10, 13mm 각각 4, 854, 4, 667pass/mm로 측정되어 일반 PSMA 혼합물과 비교하여 각각 1.22, 1.35배 높게 나타났다. 제철 슬래그 PSMA 적색 혼합물의 동적안정도는 10, 13mm 각각 6, 600, 14, 130pass/mm로 매우 높게 측정되었고 최종변형깊이는 모두 3mm 이하로 매우 낮은 변형 깊이를 보였으나 분당 변형깊이는 일반 골재 혼합물보다 제철 슬래그 골재 혼합물이 작게 나타났다.
2MPa를 만족하는 값을 보였다. 제철 슬래그 골재 사용한 PSMA 혼합물은 일반 혼합물의 기준인 3.2MPa을 모두 상회하였으며, 각각의 골재 최대치수가 동일한 일반 골재 혼합물보다 높은 3.91MPa, 3.48MPa의 값을 보였다. 제철 슬래그 골재를 사용한 적색 칼라 PSMA 혼합물이 각각 4.
제철 슬래그 골재를 사용한 SMA 혼합물은 제철 슬래그 골재의 높은 밀도로 인하여 일반 혼합물보다 높은 밀도가 측정되었다. 제철 슬래그의 높은 밀도는 일반 혼합물과 같은 무게의 혼합물을 다짐할 때 보다 부피가 작은(높이가 낮아짐) 공시체로 제조되었다.
48MPa의 값을 보였다. 제철 슬래그 골재를 사용한 적색 칼라 PSMA 혼합물이 각각 4.48MPa, 4.29MPa로 가장 높게 측정되었다.

후속연구

제철 슬래그 골재를 사용시 높은 비중으로 인해 일반 골재를 사용 시 보다 부피가 작게 나타났고 이로 인해 실내실험에서 공 시체 제작시 더 많은 양으로 공시체 제작이 요구된다. 따라서, 현장적용시 포장면적이 일반 혼합물보다 작아질 수 있음에 따라 경제적, 제도적 측면에서의 현장 적용 실효성을 위해서는 그에 따른 경제적 보완점이 필요할 것으로 사료된다.
회복탄성계수(MR) 시험 결과 제철 슬래그 골재로 인한 저온 및 고온 모두에서 강성이 증가하였고, 이는 하중 재하 이후 회복하는 속도가 증진됨으로 차량의 반복적 통행하중에 의한 공용성능 개선에 효과가 있을 것으로 판단된다. 하지만 제강슬래그 일부 골재가 유독 저온(5^oC)에서의 강성이 크게 나타나 저온 균열에 대한 우려가 있음으로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (10)

Ali, N., Chan, J.S., Theriault, E.G., Papagiannakis, A.T., Bergan, A.T. (1991). SYSCO electric arc furnace slag as an asphalt concrete aggregate, Proceedings of the 36th Annual of Canadian Technical Asphalt Association, Quebec, Canada, 26-44.
Ann, H.S. (2016). A Study on Decision Making System for Steel Making Slag Aggregate using the Economic Evaluation, Master's Thesis, Myongji University, Korea [in Korean].
Asi, I.M. (2007). Evaluating skid resistance of different asphalt concrete mixes, Building and Environment, 42, 325-329.

상세보기
Cho, B.J., Park, T.W., Doh, Y.S. Kim, K.W. (2008). Determination of proper loading speed for deformation strength test of asphalt concretes, Journal of the Korean Society of Road Engineers, 10(4), 225-234 [in Korean].
Cho, G.T., Kim, Y.S., Kim, S.U., Kim, K.W. (2020). Problems in dynamic stability assessment of asphalt concrete in Korea and suggestion, Journal of the Korean Asphalt Institute, 10(1), 14-26 [in Korean].
Jo, S.H., Kim, K.N., Kim, N.S. (2015). A study on aggregate gradation of 10mm dense-graded asphalt mixture using slag aggregate, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 35(6), 1367-1375 [in Korean].

원문보기 상세보기
Kehagia, F. (2009). Skid resistance performance of asphalt wearing courses with electric arc furnace slag aggregates, Waste Management & Research, 27(3), 288-294.

상세보기
Kim, K.N., Jo, S.H., Kim, N.S., Kim, H.W. (2018). A study on a steel slag asphalt concrete design method considering density and absorption, Journal of the Korean Society of Road Engineers, 20(1), 59-67 [in Korean].
Kim, K.W., Kim, S.T., Kwon, O.S., Doh, Y.S. (2004). Correlation analysis between rut resistance and deformation strength for superpave mixtures, Journal of the Korean Society of Road Engineers, 6(4), 45-53 [in Korean].
Korea Iron & Steel Association (2021). Steel Slag Recycling Performance in 2020 and Plans for 2021, KISA Report.

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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