Study on Utilization of Electric Arc Furnace Oxidizing Slag as Fine Aggregates for Cement Concrete

콘크리트工學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第3A 號·2008年 5月 pp. 407 ~ 415

전기로 산화 슬래그의 콘크리트용 잔골재 활용

Study on Utilization of Electric Arc Furnace Oxidizing Slag as Fine Aggregates for Cement Concrete

김상명*·박주원**·이훈하***·김기호****

Kim, Sang Myoung

·

Park, Ju Won

·

Lee, Hoon Ha

·

^{Kim, Ki Ho}

···

Abstract

Hydration reaction of Free-CaO is thought to be the main reason of expansion failure of slag. A lot of research institutions are conducting studies on solutions to this problem, and moreover it has been carried out how to make use of aggregates for concrete. While studies covering wide rage of blast furnace slag have been accomplished in the country, studies on steel- making slag are insufficient. Therefore, this study aimed at analyzing basic physical properties of electric arc furnace oxidizing slag, which is the main material, and furthermore it focused on how to make use of aggregates for concrete examining chem- ical mechanism, which can be put to practical use. To address this issue, components of electric arc furnace oxidizing slag were analyzed with measurement of physical properties, followed by long-term strength and detailed durability analysis, which can evaluate the appropriateness of application of cement concrete. Besides the environmental conservation and recycling which can be obtained by application of industry byproducts, commercializing of electric arc furnace oxidizing slag as fine aggre- gates for cement concrete are expected.

Keywords : electric arc furnace oxidizing slag, Free-CaO, aggregates for concrete, durability

···

요 지

슬래그의 팽창성 붕괴는 주로 Free-CaO의 수화 반응이 주된 원인으로 분석되고 있으며, 이 문제의 해결 방안을 마련하기 위해 여러 기관에서 연구가 진행되고 있고, 더불어 콘크리트용 골재로의 활용 방안을 지속적으로 연구하고 있다. 현재, 국내 에서는 고로 슬래그에 대한 연구는 많이 이루어지고 있지만, 전기로 및 전로 슬래그와 같은 제강 슬래그에 대한 연구는 극 히 미비한 실정이다. 이에, 본 연구의 주재료인 전기로 산화 슬래그의 기초적인 물성 분석뿐만 아니라, 화학적인 메커니즘을 규명하여 콘크리트용 잔골재로서의 활용 가능성을 분석하고, 실생활에 응용하는데 그 목적이 있다고 하겠다. 그렇기 때문에, 본 연구의 진행 방향으로 전기로 산화 슬래그의 성분 분석과 함께 기본 물성을 측정하고, 이후에 중/장기 강도 및 세부적인 내구성 분석을 실시하여, 시멘트 콘크리트 적용의 적합성 평가 후, 규격을 제안하는 절차를 밟았다. 본 연구에 대한 기대 효과는 산업 부산물의 활용에 따른 환경 보전 및 재활용이라는 측면 이외에도, 전기로 산화 슬래그의 시멘트 콘크리트용 잔 골재서의 상용화에 있다고 하겠다.

핵심용어

:

전기로 산화 슬래그, Free-CaO, 콘크리트용 골재, 내구성

···

1.

서 론

한국전쟁 이후, 피폐해진 우리나라 경제사정으로 인해 의 식주 문제를 해결하지 못해 힘들게 살던 시대를 지나고, '60 년대 후반기부터 점차적으로 주거환경 개선에 대한 노력과 사회간접시설에 대한 투자가 확대되었다. 이에 따라서, 토목

/

건축과 같은 건설 산업이 활기를 띄게 되었고, 더불어 여러 관련 산업의 발전이 동시에 이루어지게 되었다. 이로 인해, 건설기술이 발전하게 되었고, 현재의 기술은 세계수준에 견

줄만큼 성장해 있다(변동균 등, 2003). 그러나, 재료적인 측 면에 있어서는, 한정된 자연 자원에서 건설재료로써 수급·

사용하려고 하다 보니, 시간이 경과할수록 그 양은 점차적으 로 줄어들고 있다. 특히, 건설재료 중에서 대량으로 사용되 고 있는 골재에 대한 부족 현상은 심각한 수준이라고 할 수 있다. 이미, 천연 골재 중에서 강모래와 강자갈 등의 하상골 재는 고갈 문제와 더불어 환경적인 문제까지 대두되어 그 사용량을 엄격히 금지하고 있다(이장화, 2001). 이를 대신하 여 바다에서 채취하는 해양골재를 세척하여 사용하고 있으

*정회원·한국건자재시험연구원 신뢰성평가센터 센터장 (E-mail : [email protected])

**교신저자·한국건자재시험연구원신뢰성평가센터연구원 (E-mail : [email protected])

***정회원·포항산업과학연구원 환경연구실 책임연구원 (E-mail : [email protected])

****충북대학교신소재공학과교수 (E-mail : [email protected])

나, 이 또한 수급 문제에 어려움을 겪고 있는 것이 현실이 다. 현재, 대체 골재로 부순 골재 등의 사용량이 증가하고 있는데, 품질면에서 자연 상태의 골재보다 질의 저하가 있는 것이 사실이고, 이 또한 자연 자원을 부수어서 사용하는 것 이기 때문에 한계에 다다를 것이고, 환경적인 문제도 대두될 수 있다. 이에, 천연 골재와 비슷한 수준의 성능을 가진 대 체 골재에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

2.

전기로 산화 슬래그의 이론적 배경

2.1

철강 슬래그의 분류

일반적으로 철강산업은 대량의 원료와 다량의 에너지를 소 비하는 대표적인 업종으로 제선, 제강, 압연 등의 복잡한 일 련의 생산 공정을 거치면서 철강생산과 더불어 여러 가지 산업 부산물과 폐기물을 발생시킨다. 그중에서 대표적인 것 으로 (철강)슬래그를 들 수 있는데, 이는 선철의 제조 공정 중에 발생하는 고로 슬래그와 제강 공정 중에 발생하는 제 강 슬래그로 나눌 수 있다(유정훈, 2003).

이 중, 고로 슬래그는 용융 상태에서 냉각하는 방식에 따라 고압의 물을 살수하여 급냉시킨 수재(급냉) 슬래그와 서냉시킨 괴재(서냉) 슬래그로 구분할 수 있다(Bijen, j., 1996: Hogen,

F.J., 1981; Fulton, G., 1974).

제강 슬래그는 용융 상태의 선

철로부터 탄소, 규소, 인 등의 불순물을 제거 또는 조정하는 정련 공정에서 발생되는 것으로, 일관 제철소의 고로에서 나온 용선을 전로에 장입하고 scrap, flux를 투입하면서 고압의 산소 를 취입하여 용강을 만들 때 발생되는 전로 슬래그와, 전기로 를 사용하는 미니밀 공정에서 고철 등을 용융, 정련할 때 생성 되는 전기로 슬래그로 크게 구별할 수 있다(Swamy, R.N.,

1990; Schemmel J.J., 1993: Skalny, J., 1982).

2.2

전기로 산화 슬래그의 특징

슬래그의 팽창성 붕괴는 주로 Free-CaO의 수화 반응이 주된 원인으로 분석되고 있으며, 이 문제의 해결 방안을 마

련하기 위해 여러 연구가 진행되고 있고, 더불어 콘크리트용 골재로의 활용 방안도 지속적으로 연구되어지고 있다. 현재, 국내에서는 고로 슬래그에 대한 연구는 활발히 이루어지고 있지만, 전기로 및 전로슬래그와 같은 제강 슬래그에 대한 연구는 극히 미비한 실정이다. 이에, 본 연구의 주재료인 제 강 슬래그의 기초적인 물성 분석뿐만 아니라, 화학적인 메커 니즘을 규명하여 콘크리트용 잔골재로서의 활용 가능성을 분 석하고, 실생활에 응용하는데 그 목적이 있다고 하겠다.

그러므로, 본 연구의 진행 방향으로 전기로 산화 슬래그의 성분 분석과 함께 기본 물성을 측정하고, 이후에 중/장기 강 도 및 세부적인 내구성 분석을 실시하여 시멘트 콘크리트 적용의 적합성을 판단하기로 하였다. 본 연구에 대한 기대 효과는 산업 부산물의 활용에 따른 환경 보전 및 재활용이 라는 내용 이외에도, 전기로 산화 슬래그의 시멘트 콘크리트 골재로서의 상용화에 있다고 할 수 있다.

일반적으로, 제강 슬래그는 표 1에서 보는 것처럼, SiO

2, CaO

등의 함유율이 높다(이승한, 1993). 앞에서 언급한 것 과 같이, 제강 슬래그는 생석회 등의 원료를 투입하기 때문 에 성분중에 Free-CaO가 존재하게 되고, 이에 따라 염기도

(

보통 2.0 이상)가 높아지기 때문에 콘크리트 제조 후의 팽 창성에 문제가 될 수 있다. 그러나, 제강 슬래그 중의 전기 로 산화 슬래그(Electric arc Furnace oxidizing Slag, EFS) 는 슬래그에 함유된 유리석회(Free-CaO)가 상대적으로 적어 염기도가 1.5 이하로 작게 나타나기 때문에, 기타 제강 슬래 그에 비하여 화학적으로 안정하다고 할 수 있다. 또한, 전기 로 산화 슬래그의 활용처를 살펴보면, 이전에는 공지 매립 및 도로 노반재 등과 같은 저부가가치용으로 활용이 되었지 만, 그 쓰임새가 좀 더 본질적으로 고부가가치 형태로 활용 이 된다면 경제적인 이유뿐만 아니라, 환경 보존적인 측면에 서도 국가적인 이익이 될 것이라고 판단된다.

2.3

전기로 산화 슬래그의 생산현황

일반적으로, 우리나라에서 현재 발생하고 있는 고로 슬래 그와 제강 슬래그는 각각 950만톤과 750만톤으로 총 1,700 만톤 정도 생산되고 있으며, 제강 슬래그 중 전기로 슬래그 의 발생량은 340만톤, 전로슬래그는 약 410만톤 정도이다.

슬래그의 재활용률을 살펴보면, 고로 슬래그와 제강 슬래그 그림

1.

철강 슬래그 생산공정

사진

1.

철강 슬래그의 종류

표

1.

주요 화학성분

Comp. Al₂O₃ SiO₂ T-Fe Cr₂O₃ CaO MnO MgO TiO₂ P₂O₅

Content (%) 2.75 21.17 24.00 11.84 30.20 2.17 6.78 0.79 0.30

모두 100%에 근접하고 있으나, 제강 슬래그는 아직까지 부 가가치가 낮은 분야에 사용이 되고 있어, 부가가치를 높일 수 있는 방안이 필요하다고 할 수 있다. 이에, 제강 슬래그 중 염기도가 가장 낮은 전기로 산화 슬래그의 국내/외 사용 실태와 품질 기준 현황 등을 파악하고, 재료의 고유 특성을 분석하여 콘크리트 골재로서의 활용 가능성을 판단하기로 한 다. 현재, 전기로 산화 슬래그는 전국적으로 100만톤(포항, 광양 일대 55만톤) 정도가 생산되어 잔골재로서의 활용 가 치는 충분하다고 판단되며, 적정 배합을 통해 시멘트 모르타 르 및 콘크리트를 배합하여 역학적/내구적 특성 분석 및

Mock-Up Test

를 활용한 실제 열화 현상을 분석하여 잔골재

로서의 활용성을 높이고자 한다.

3.

전기로 산화 슬래그의 실험결과

3.1

실험변수

전기로 산화 슬래그의 잔골재 치환률은 표 3에서 보는 것 과 같다. 실험에 있어서 치환률 0%를 제외하고, 25, 50,

75, 100%

의 4가지 경우로 나누어 실험을 실시하였으며, 잔

골재 입도에 따른 내구성 변화 형상을 분석하기 위해서, 일 반 5 mm 이하 잔골재(-5 mm)와 2 mm 이하 잔골재(-2

mm)

로 나누어 실험을 진행하여, 총 9가지의 변수로 나누어 실험이 진행되었다.

3.2

실험결과

3.2.1

슬럼프와 공기량

표 4에 콘크리트 배합시의 슬럼프와 공기량을 나타내었다.

아래와 같이, 타설할 때의 Workability는 일반 콘크리트와 동등한 값을 나타내는 것으로 분석되었다. 단지, 슬래그의 함 유량이 많아질수록 슬럼프가 약간씩 작아지긴 하였지만, 작 업성에는 특별한 영향을 주지 않았다. 또한, 에이징(경시변화, 재료 중의 황의 성분을 공기 및 물에 의해 산화시켜 화학적 으로 안정화시키는 처리를 에이징이라 하며, 본 연구에서는 공기중 에이징 방법 실시)에 따른 안정화, 팽창성 등 상태 변화를 평가하기 위해서, 無에이징부터 2개월에이징까지의 공시체를 제작하여 동일한 실험을 기간별로 반복 실험하였 다. 에이징(경시변화)을 하게 되는 이유로, 제강 슬래그와 같 은 경우는 콘크리트를 배합하게 되면 재료의 팽창성으로 인 한 균열 등의 손상이 나타날 수 있기 때문에, 이러한 손상 을 예방하는 방법으로써, 물이나 공기 등을 콘크리트 배합 이전에 접촉시켜 CaO의 양을 감소시키는 작업을 한다.

3.2.2

압축강도(KS F 2405)

콘크리트의 성질을 나타내는 가장 기본적인 값으로써, 일 반 콘크리트와 비교해서 낮은 값을 나타내면, 사용성에 문제 가 될 수 있다. 본 슬래그 치환 콘크리트는 그래프에서 나 타난 것처럼, 일반 콘크리트와 동등 이상의 강도를 나타내었 다. 일반적으로, 재활용 골재를 사용하면 강도가 낮아지는 문 제가 발생할 수 있기 때문에 역학적 특성에서 어느 정도의 값이 발현되어 주어야 한다. 본 실험결과에 의하면, 슬래그 의 재활용에 있어서 강도 저하 문제는 발생하지 않을 것으 로 판단된다. 슬래그의 Free-CaO 존재가 안정화에 위해가 될 수 있다는 것을 가정하고, 에이징(경시변화) 기간에 따라 그림 2~4와 같이 강도의 변화를 분석하였다. 결과에 나타난 것과 같이, 에이징(경시변화)에 따른 차이 또는 변화는 의미 가 없는 것으로 분석되었다. 전기로 산화 슬래그는 염기도

(

보통 CaO 함량/SiO

2

함량)가 일반 제강 슬래그보다 낮아 팽창에 대한 안정성을 확보하고자 실시하는 에이징(경시변화) 의 필요성이 낮다고 할 수 있다. 결과적으로, 콘크리트가

Free-CaO

의 영향 아래 있다고 한다면, 에이징(경시변화)별

차이가 나타날 수도 있으나, 그 차이가 거의 없는 것으로 분석해 본다면, 본 전기로 산화 슬래그는 Free-CaO에 대한 표

2.

전기로 산화 슬래그의 물리적 성질

물 성 항 목

0.08 mm

체통과량

(%)

입자모양 판정 실적율

(%)

포화상태 밀도 표면건조

(g/cm³)

흡수율

(%)

단위용적질량

(kg/L)

안정성

(%)

결 과

2.8 57.2 3.18 1.63 1.947 2.8

표

3.

콘크리트 배합 및 실험변수 설계 강도

(MPa)

굵은골재 최대치수

(mm)

슬럼프 목표

(cm)

공기량

(%) W / C

(%) S / a

(%)

잔골재 치환율

(%)

27 25 15 5 45 43 0, 25, 50, 75, 100

표

4.

슬럼프와 공기량

none-aging 1 month-aging 2 month-aging Slump

(cm) Air (%)

Slump (cm)

Air (%)

Slump (cm)

Air (%)

plain 16 5.0 15 4.7 15 6.1

-2 mm

25% 15 4.8 15 4.8 15 5.5

50% 11 5.0 11 4.9 11 4.9

75% 8 3.5 10 3.8 10 4.3

100% 11 4.8 12 4.8 12 5.2

-5 mm

25% 18 5.0 16 5.2 16 5.3

50% 17 5.0 15 5.1 15 5.1

75% 14 4.0 13 4.2 13 5.6

100% 14 5.0 14 5.1 14 5.1

*

목표 공기량:5(±1.5)

사진

2.

제강 슬래그의 에이징

(

경시변화

)

처리

콘크리트의 반응성이 거의 없다고 할 수 있다.

기본적으로, 에이징(경시변화)을 실시하지 않은 경우, 28일

재령의 -2 mm[100%], -5 mm[50%]에서 일반 콘크리트보다 낮은 값을 나타내었고, -2 mm[50%]에서는 보통 콘크리트보 다 약 16.8% 증가한 값을 나타내었다. 이러한 경향은 중/장 기 재령까지 지속적으로 이어져, 91일 이후에는 압축강도가 모두 30 MPa 이상의 값을 나타내었다. 180일 재령에서, 약 간 낮은 값을 나타내었던 -2 mm[100%], -5 mm[50%]도 일반 콘크리트와 동등한 값을 나타내었고, -5 mm[100%]는

plain

콘크리트보다 약 17% 증가한 값으로 40 MPa이 넘는

값을 나타내고 있다. 이로 미루어 볼 때, 잔골재로서 슬래그 를 치환하더라도 역학적으로는 우수하다고 할 수 있으며, 오 히려 치환률을 적절하게 조절한다면 양질의 구조물을 제작 할 수 있으리라고 판단된다.

3.2.3

휨강도(KS F 2408: 중앙점 재하법)

휨강도는 압축강도와 비교해서 값의 차이가 작아서 계열별 차이점을 찾기는 쉽지 않았다. 그러나, 그림 5에서 보는 것 처럼, 실험에서 얻은 결과는 일반 콘크리트와 전기로 산화 슬래그를 포함한 골재가 휨강도면에서 별다른 차이점이 없 다는 것을 확인할 수 있었다.

3.2.4

동결융해(KS F 2456)

동결융해 시험의 일반적인 상대동탄성계수 합격기준을

80%

로 나타내고 있다. 그림 6~7에 나타낸 것과 같이, 본 실험에서는 모든 계열에서 95% 이상의 아주 양호한 결과를 나타내었다. 無에이징에서부터 2개월에이징까지 분석한 결과, 골재의 에이징에 따른 변화도 없는 것으로 나타났다. 그림은 지면 관계상 無에이징과 2개월에이징만을 표기하였다. 우리 그림

2.

재령별 압축강도

(

無에이징

)

그림

3.

재령별 압축강도

(1

개월 에이징

)

그림

4.

재령별 압축강도

(2

개월 에이징

)

나라와 같이 4계절이 뚜렷한 나라에서 동절기에 동해에 의 한 열화가 쉽게 찾아올 수 있고, 또한 콘크리트 중의 수분 동결로 인한 부피팽창과 균열 또한 야기될 수 있다. 그러나, 본 실험에서 나타난 것과 같이 슬래그를 치환하는 데 있어 서, 동해에 의한 열화 현상은 나타나지 않는 것으로 나타났 다. 모든 계열에서 동해에 대한 저항성이 우수하게 분석되어,

AE

제 등의 적절한 혼입에 의해서 동결융해 저항성은 쉽게 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

3.2.5

중성화(KS F 2584)

그림 8~9는 잔골재의 슬래그 치환률에 따른 중성화 깊이 를 나타낸 것으로서, 대부분의 계열에서 편차가 크게 나타나 지 않았다. 대표적으로 無에이징 결과를 분석해 보면, 전반 적인 그래프 형상을 볼 때 슬래그 치환률에 따른 중성화 깊 이는 비슷한 수준이라고 할 수 있다. 일반적으로 슬래그를 시멘트 치환하게 되면, 중성화가 단점이 될 수 있다. 그러나, 본 슬래그는 골재 대용으로 사용하는 것이고, 골재는 반응성 이 없이 충전재의 역할을 하는 것이기 때문에, 일반적으로 동일한 시멘트를 사용하여 비슷한 결과를 나타내고 있다고 할 수 있다. 그래프에서는 無에이징과 2개월에이징을 대표적 으로 나타내고 있는데, 슬래그를 치환한 계열에서 더 양호한 결과를 나타내고 있다. 이것은 실험상에서 나타날 수 있는 약간의 차이라고 본다면, 결과적으로 모든 계열에서 중성화 에 대한 저항성은 비슷하다고 할 수 있다. 그리고, 슬래그를 그림

6. Cycle

에 따른 상대동탄성계수

(

無에이징

)

그림

5.

재령별 휨강도

(

無에이징

)

그림

7. Cycle

에 따른 상대동탄성계수

(2

개월 에이징

)

골재 치환하더라도 중성화에 대한 열화 정도는 일반 골재와 비슷한 수준이라고 할 수 있다.

3.2.6

알칼리 골재 반응(KS F 2545)

그림 10과 같이 알칼리 골재 반응 시험 결과, 모두 무해 한 골재로 판명되었다. 즉, 전기로 산화 슬래그는 알칼리 성 분과 골재의 실리카 성분의 작용으로 인한 손상 혹은 부피 팽창은 발생하지 않는 것으로 여러 차례의 실험을 통해서 확인하였다.

3.2.7

마모시험(KS F 2429)

마모시험은 대표적으로 골재 치환률 0, 50, 100%를 기준 으로 진행하였다. 한 계열당 3개의 시편, 총 5계열 15개의 시편을 가지고 마모에 대한 저항성을 분석하였다. 표에서 보 는 것과 같이, 마모감량 역시 모든 계열에서 우수한 값을

나타내었다. 일반적으로, 제강 슬래그는 고로 슬래그보다 마 모감량이 두배 이상 좋은 것으로 분석되고 있으며, 일반 골 그림

8.

재령에 따른 중성화 깊이

(

無에이징

)

그림

9.

재령에 따른 중성화 깊이

(2

개월에이징

)

그림

10.

전기로 산화 슬래그의 알칼리 골재 반응

표

5.

콘크리트 마모 저항성 실험

변 수

plain -2 mm[50%] -2 mm[100%] -5 mm[50%] -5 mm[100%]

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

시험전 질량 (kg)

8.88 9.30 9.20 9.42 9.36 9.50 9.80 9.74 9.62 9.28 9.22 9.14 9.06 9.50 9.12

시험후 질량 (kg)

8.78 9.22 9.12 9.32 9.26 9.40 9.70 9.64 9.53 9.19 9.12 9.04 8.95 9.40 9.02

마모질량 (kg)

0.10 0.08 0.08 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.09 0.09 0.10 0.10 0.11 0.10 0.10

마모율 (%)

1.13 0.86 0.87 1.06 1.07 1.05 1.02 1.03 0.94 0.97 1.08 1.09 1.21 1.05 1.10

마모율 평균

0.95 1.06 1.00 1.05 1.12

마모감량 (cm

³/cm²) 0.10 0.08 0.08 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.09 0.09 0.10 0.10 0.11 0.10 0.10

마모감량평균

0.09 0.10 0.10 0.10 0.10

재와 비교해서도 동등이상의 값을 나타내는 것으로 분석되 고 있다. 본 실험에서도 마찬가지로 계열별 마모감량은 모두 동등한 수준으로 나타나고 있다. 즉, 일반 콘크리트를 포함 하는 모든 계열의 마모감량은 동일하다고 할 수 있다. 마모 율에서도 1.00% 안팎으로 모두 특별한 손상 징후없이 우수 한 결과를 나타내었다. 두 결과 모두 상관성 있는 데이터이 기 때문에 비슷한 결과를 나타내고 있으며, 따라서 콘크리트 구조물 제작시, 아주 가혹한 경우를 제외한다면 일반적으로 마모에 의한 손상은 없을 것으로 판단된다.

3.2.8

투수계수시험(ASTM D 5084)

모든 계열에서 불투수성이 우수하다고 할 수 있다. 일반 계열을 비롯해서, 슬래그를 포함한 계열 모두 투수계수가 낮 게 나타났으며, 일반 콘크리트를 대신하여 슬래그 치환 콘크 리트를 사용한다고 해도, 투수성 항목에서는 무방한 값을 나 타낸다고 할 수 있다.

3.2.9

기타 내구성 평가

팽창성의 유/무를 평가하기 위해 건조수축에 의한 길이변 화율을 측정하였다. 그림 11에서 보는 것과 같이, 슬래그를 포함한 계열이 일반 콘크리트와 비교해서 특별한 차이를 보 이지 않고 있다. 이는 1개월, 2개월 에이징에서도 마찬가지 로 비슷한 결과를 나타내고 있어, 팽창성에 의한 수축에 대 한 문제는 없는 것으로 나타났다.

또한, 수침에 의한 팽창율을 조사해 보았으나, 일반적인 계 열과 비슷한 팽창성을 보이고 있었다. 에이징에 따른 팽창율

역시 비슷하게 나타나고 있어, 본 슬래그의 팽창 가능성이 작게 나타나고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

골재의 Free-CaO 존재 유무를 분석하기 위해, 그림 12와 같은 DTA 분석을 실시하였다. 일반적으로 CaO의 peak 형 태가 450 안팎에서 나타나게 되는데, 그림과 같이 일반 제 강 슬래그는 확실한 형상을 나타내었으나, 전기로 산화 슬래 그에서는 거의 나타나지 않았다. 이 실험을 통하여 본다면, 전기로 산화 슬래그의 Free-CaO 함유량은 일반 제강 슬래 그보다 상대적으로 작다고 할 수 있다.

4. Mock-Up Test

−

시편제작 변수 : 총 5개 변수

plain, -2 mm[50%], -2 mm[100%], -5 mm[50%], -5 mm [100%]

사진 3에서 보는 것과 같이 Mock-Up 시편을 제작하여 상태 변화를 관찰해 나갔다. 시편은 약 1년 남짓 경과하였 으며, 현재까지 사진에서와 같이 특별한 손상 없이 깔끔한 모습을 하고 있었다. 1년 정도의 기간 동안에 팽창성에 문 표

6.

투수계수

변 수 투수계수 투수계수 평균

plain

1 4.1×10⁻⁹

4.5×10⁻⁹

2 4.5×10⁻⁹

3 4.9×10⁻⁹

-50

1 2.0×10⁻⁹

2.0×10⁻⁹

2 2.0×10⁻⁹

3 1.9×10⁻⁹

-100

1 4.7×10⁻⁹

4.7×10⁻⁹

2 4.6×10⁻⁹

3 4.8×10⁻⁹

±50

1 2.1×10⁻⁹

2.0×10⁻⁹

2 2.1×10⁻⁹

3 1.9×10⁻⁹

±100

1 7.0×10⁻⁹

7.2×10^-9

2 7.4×10⁻⁹

3 7.3×10⁻⁹

표

7.

수침 팽창율

에이징

plain -2 mm -5mm

25% 50% 75% 100% 25% 50% 75% 100%

無

0.2 0.2 0.3 0.2 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3

1

개월

0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.2 0.2

2

개월

0.2 0.2 0.2 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

그림

11.

재령에 따른 길이 변화율

(

無에이징

)

제가 야기된다면 어떤 방식으로든지 손상의 징후가 나타날 것이나, 여러 가지 내구성 실험을 진행하고, Mock-Up 시험 을 실시하면서 특별한 열화 현상이 나타나지 않았다. 그러므 로, 본 전기로 산화 슬래그를 실제 구조물에 적용을 해도 양호한 결과를 얻을 수 있으리라고 판단된다.

5.

결 론

전기로 산화 슬래그를 이용하여 콘크리트용 잔골재로 사용 하기 위한 여러 가지 내구성 실험을 진행하였다. 결과적으로, 모두 상태가 양호하게 나타났으며, 콘크리트용 잔골재로 슬 래그를 치환해서 사용을 한다고 해도 특수한 경우가 아니라 면, 일반 콘크리트와 비교해서 거의 동등한 값을 발현할 수 있을 것으로 판단된다. 이에 대한 세부 결론은 다음과 같다.

1.

전기로 산화 슬래그 콘크리트의 역학적 특성

① 압축강도 시험 결과, 대부분의 계열에서 plain 콘크리트 와 동등 이상의 값을 나타내었다. 에이징별 반복적인 압

축강도 측정 결과, 본 슬래그를 이용한 콘크리트 타설시 일반 콘크리트와 거의 동등한 강도를 얻을 수 있을 것 이라고 분석된다.

② 휨강도 측정 결과, 편차가 압축강도만큼 크지 않기 때 문에 특별한 비교점을 찾는 데에는 무리가 있었다. 그 러나, 압축강도와 마찬가지로 일반 콘크리트와 동등한 값을 나타내고 있었기 때문에, 일반적인 휨부재에서는 잔골재 대용으로 본 슬래그를 사용해도 무방할 것으로 판단된다.

2

전기로 산화 슬래그 콘크리트의 내구성

① 동결융해에 대한 저항성은 모든 계열에서 상대동탄성계 수 95% 이상인 매우 양호한 결과를 나타내었다. 그러므 로, 전기로 산화 슬래그 혼입 콘크리트를 실생활에 활용 하고자 할 때, AE제의 적당량 혼입에 의해, 동해에 대한 저항성을 쉽게 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

② 중성화 시험 결과, 일반 콘크리트와 거의 동등하게 나 타났다. 더 낮게 측정된 계열도 있었지만, 그 차이가 미미하기 때문에 일반 콘크리트보다 더 우수하다고 말 하기는 힘들어도, 최소한 일반 콘크리트와 동등한 저항 성을 보여준다고 할 수 있다.

③ 알칼리 골재 반응 시험 결과, 본 전기로 산화 슬래그는 알칼리 성분과의 반응성에서 무해한 것으로 나타났다.

④ 그 밖에 건조수축에 의한 길이변화 등을 분석하였으나, 모든 계열에서 비슷한 값을 나타내었고, T.A 분석을 통해

Free-CaO

의 에이징에 따른 변화상을 비교해 보았으나, 기

간별 차이점은 거의 없었고, 일반 제강 슬래그보다 상대 적으로 작은 함량을 보유하고 있었다. 또한, 본문에서 언 급한 것과 같이, 마모감량 또는, 투수성 시험에서도 일반 콘크리트와 동등 이상의 양호한 결과를 나타내어 전기로 산화 슬래그를 골재 대용으로 사용한다고 해도 무방할 것이라 판단된다.

3.

전기로 산화 슬래그의 팽창성

① 팽창성을 알아보기 위해서, 시편을 옥외의 열악한 자연 환경에 방치하여 놓고 지속적으로 관찰하였다. 그러나, 현재 1년이 지났음에도 특별한 열화 현상이나, 손상 징 후는 발견되지 않고 있다.

② Free-CaO의 영향으로 본 재료가 팽창한다면, 성분의 특성으로 인해 대부분 조기에 열화(팽창성) 현상이 나 타나게 되는데 특별한 손상이 나타나지 않았고, 또한 장기 손상(팽창)에 영향을 줄 수 있는 Free-MgO의 영향 도 발생할 수 있지만, 본 재료는 그 양이 극히 적기 때 문에, 장기간의 팽창은 일어나지 않을 것으로 분석된다.

③ 옥외에 Mock-Up 시편을 제작하여 폭로시키면서, 변화 상을 관찰해 보았다. 현재, 1년 남짓 관찰 중에 있으며, 특별한 열화 현상이 발견되지 않았다. 이론적인 분석도 중요하고, 또한 실험을 통해서 얻는 결과도 중요한 것 으로 어느 정도의 정확성을 가지고 있다고 판단을 하 는데, 콘크리트 적용 실험을 하면서 팽창에 대한 문제 점은 발견되지 않았고, 따라서 콘크리트 재료로서 본 전기로 산화 슬래그를 사용한다면, 자원의 절약 및 환 경 친화적인 면에서 큰 의의를 가질 수 있다고 할 수 있다.

그림

12.

전기로 산화 슬래그의

DTA

분석

사진

3. Mock-Up

시험

4.

종합 결론

재료의 기초 물성 분석을 시작으로, 콘크리트의 역학적인 특성, 내구성을 분석하고, 사용성을 알아보기 위해서 표면 관찰 시험과 Mock-Up Test를 실시하였다. 실험 결과, 본 재료가 화학적으로 안정된 재료라는 것을 확인할 수 있었 고, 역학적 측면에서도 일반 콘크리트와 동등 이상의 우수 한 결과를 나타내어, 잔골재로의 활용에 있어서 적절한 재 료라는 것을 확인할 수 있었다. 전기로 산화 슬래그에 대 한 내구성 실험을 하고 관련 규격을 제안하면서, 본 재료 가 일반 잔골재보다 우수하다고 섣부른 판단은 못하겠지 만, 최소한 잔골재로서 동등 이상의 기능을 발휘할 것이라 는 결론을 얻었고, 앞으로도 더욱 좋은 콘크리트 재료가 개발되어 부족한 천연 자원의 대체재로서의 역할을 해 나 갈 것으로 기대된다.

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(

접수일: 2008.1.30/심사일: 2008.3.1/심사완료일: 2008.3.1)