HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발
류득현ㅣ 유진기업 기술연구소 소장, 공학박사 박조범ㅣ 유진기업 기술연구소 연구원, 공학박사
1. 서론
전 세계적으로 기후변화 대응을 위한 여러 가지 탄소중심의 환경정책들이 시행1)되고 있 고, 기업 및 국가수준의 산업활동에 대한 온 실가스 배출량 검증 필요성이 대두되면서 건 설분야에서도 탄소배출을 최소화하기 위한 노력이 요구되고 있다. 건설산업의 주요 건 설재료인 콘크리트는 과거 성장기부터 최근 까지 꾸준히 증가하여 매년 우리나라 인구 1인당 2.5m3 정도를 사용2)하고 있다. 반면 에 콘크리트의 결합재로 사용하는 시멘트는 제조과정에서 이산화탄소를 900kg/t 정도 배출3)한다고 알려져 있다. 따라서 최근에는 콘크리트 제조분야에서도 이산화탄소 감축 을 위해서 시멘트 사용량을 낮추고, 성능개
선을 위한 혼화재를 사용함으로써 이러한 정 책에 대응하려는 노력을 진행4)하고 있다.
최근에는 경제성장과 더불어 전력수요의 증가로 인하여 화력발전소 증설에 따른 석탄 재의 발생이 증가하고 있으며, 철강산업에서 도 산업의 고도화에 따라 제철과정의 부산물 인 고로슬래그의 발생이 늘어나고 있는 실정 이다. 따라서 이러한 산업부산물은 콘크리트 용 혼화재로 대량으로 사용하는 것이 환경부 하 저감과 재활용 측면에서 유효하며, 시멘 트산업에서는 클링커의 생산을 줄일 수 있어 시멘트 생산시 발생하는 이산화탄소 감축에 도 크게 기여를 할 수가 있다.
본 기술개발사례에서는 최근의 이러한 배 경에 근거하여 건설산업에서의 이산화탄소 감축을 목적으로 건설재료 중에서 가장 많 이 사용하고 있는 콘크리트 제조분야의 이
1) 대한민국 법제처, 『저탄소 녹색성장 기본법』(법률 제9931호), 제정 2010. 1. 13, 시행 2010. 4. 14.
2) 한국레미콘공업협회, “레미콘 통계자료(2009)”, http://www.krmcia.or.kr, 2011. 3.
3) 최동욱, “콘크리트 산업의 기후변화 대응을 위한 기초 조사”, 『한국콘크리트학회 가을학술발표대회』, 친환경콘크리트위 원회 전문발표자료, 2009. 11.
4) 국토해양부, 『탄소저감형 건설재료 기술개발 기획보고서』, R&D/10 기술혁신 D02-01, pp.56~58, 2011. 6.
산화탄소 저감사례를 보여주고자 하였다.
그리하여 콘크리트 제조과정에서 시멘트 사 용량을 줄이고, 철강산업과 발전산업의 부 산물로 발생하는 고로슬래그 미분말과 플 라이애시를 대량으로 사용한 고강도 혼화 재 대량사용 콘크리트를 제조하였다. 이러 한 콘크리트는 보통콘크리트에 비하여 시멘 트량이 적기 때문에 응결지연과 강도발현도 낮아지는 단점이 있으나, 이산화탄소를 크 게 감소시킬 수 있는 장점이 있으므로, 혼 화재 대량사용 콘크리트의 강도증진에 대한 기술과 이를 레미콘으로 제조하여 현장에 적용한 기술을 개발하였다. 따라서 본 사례 에서는 이러한 혼화재 대량사용 콘크리트의 성능을 높인 고강도 HVMA 콘크리트(high volume mineral admixture concrete, 혼 화재 대량사용 콘크리트)의 실용화 기술에 대한 소개를 하고자 한다.
2. 기술의 구성
본 연구는 국토교통부와 국토교통과학기술 진흥원에서 실시하고 있는 ‘탄소저감형 콘크 리트 구조재료 및 에너지 절감형 건축재료·
자재 개발’ 연구단의 한 세부과제로서, 2012 년에 시작하여 5년에 걸쳐서 진행되고 있는 국책연구과제이다. 현재는 5차년도의 연구과 제가 진행중에 있으며, 콘크리트 제조와 현장 적용에 관한 연구는 완료되었고, 현장실용화 를 위한 기반구축에 대한 연구를 진행하고 있 다. 연구과제의 연차별 세부적인 내용은 <표 1>과 같다.
1) HVMA 결합재 성능향상 기술개발
시멘트를 10%만 사용한 고강도 HVMA 콘 크리트를 개발하기 위하여 결합재의 성능을 (2012) ○ 결합재 수화분석, 모르타르 실험 - 최적 혼화재비율 도출
2차년
(2013) 화학혼화제 개발 ○ 수화활성 위한 알칼리자극제 선정
○ HVMA용 혼화제 특성 평가 - HVMA 혼화제 최적화 - 혼화제 영향성 평가 3차년
(2014) 고강도 HVMA
콘크리트 개발 ○ 고강도 HVMA 콘크리트 실험
○ HVMA 콘크리트 최적배합 도출 - 최적배합 위한 실험재료, 환경조건 제시
4차년
(2015) 콘크리트 실용화 ○ 고강도 HVMA 레미콘 제조
○ 레미콘 mock up 및 test bed 적용 - 고강도 HVMA 레미콘 현장실용화
5차년
(2016) 실용화 기반구축 ○ 콘크리트 시공 및 품질관리 지침
○ HVMA 콘크리트 CO2 정량평가 - 공사시방서 작성 - 콘크리트 CO2량 산정
HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발
개선하기로 하였다. 결합재에서 많은 비율을 차지하는 고로슬래그 미분말과 플라이애시는 반응성이 매우 낮기 때문에, 분말도를 높여 혼 화재의 반응성을 향상시키고자 하였다. 또한 시멘트량이 적은 상태에서 많은 양의 혼화재 가 수화반응을 할 수 있는 수화물도 부족하므 로, 수화반응을 촉진시키기 위한 조강성 결합 재를 선정하여 콘크리트의 강도발현에 기여하 고자 하였다.
결 합 재 성 능 향 상 을 위 한 실 험 결 과 , 플 라 이 애 시 ( f l y a s h ) 는 분 말 도 를 상 향 (3000→5000cm2/g)시켰으나, 분말도대비 압 축강도 발현정도는 크지 않았고, 분말도 상향 을 위한 단가상승으로 경제성이 떨어지는 것 으로 나타났다. 고로슬래그 미분말은 분말도 를 높임(4000→7000cm2/g)으로써 강도증진
은 우수하나, 비표면적 증가에 따른 작업성이 감소하였고, 재령 28일에서는 수화조직이 밀 실하지 못해 상대적으로 강도가 저하하였다.
강도발현을 위한 열병합발전소의 부산물인 고칼슘애시는 free CaO에 따라 5%까지는 강 도발현이 향상되었으나, 그 이상에서는 강도 가 지연되었고, 무수석고는 5∼6%까지는 초 기강도가 향상되었으나, 그 이상은 다시 감소 하였다. 또한 혼화재의 수화반응 촉진을 위하 여 고칼슘애시와 무수석고를 함께 사용함으로 써, 시멘트에 의한 수화생성물이 적은 HVMA 콘크리트에서 무수석고의 SO3에 의한 초기강 도와 고가칼슘애시의 CaO에 의한 장기강도 증진을 기대할 수 있었다.
미세구조 분석결과, 주요 수화물은 에트린 자이트(ettringite)가 초기부터 생성되어 강도
<표 2> 고강도 HVMA 콘크리트용 최적 결합재 비율
결합재 opc GGBS* flyash HCA** gypsum***
비 율(%) 10 45~62 20 5~10 3~5
주) *고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast-furnace Slag), **고칼슘애시(High Calcium Ash), ***무수석고(anhydrous Gypsum)
<그림 1> 조강재 혼합 HVMA 결합재의 대표적인 수화생성물 형상
주) C : CSH, E : Ettringite, CH : Ca(OH)2
이러한 결과를 바탕으로 도출한 최적 결합재 비율은 <표 2>와 같고, 시멘트 페이스트를 대 상으로 한 전자현미경(SEM) 형상은 <그림 1>
과 같다. 페이스트에서 시멘트 사용량은 10%
로 매우 적었으나, 조강형 결합재(고칼슘애 시, 무수석고)가 고로슬래그 미분말과 플라이 애시의 수화반응을 촉진시켜 많은 수화생성물
고강도 HVMA 콘크리트를 제조하기 위한 화학 혼화제는 단위 시멘트량이 적은 콘크리 트에서 압축강도를 확보하는 데에 있어서 매 우 중요한 역할을 한다. 콘크리트의 압축강도 발현을 위하여 w/b와 단위수량을 저감시켜야 하고, 광물질 혼화재량이 많기 때문에 단위수
<표 3> 화학혼화제 종류별 콘크리트 실험결과
종 류
항 목 폴리카르본산계
(PC) 나프탈렌계
(PNS) 멜라민계
(PMS) 리그닌계
(LIG)
감수율 매우 우수 중 간 우 수 매우 저하
경시변화 매우 우수 중 간 매우 저하 매우 저하
작업성 매우 우수 중 간 저 하 저 하
강도발현 우 수 경화지연 우 수 미경화
<그림 2> 고성능 감수제의 분산작용
① 물리적 혼합 ② 흡 수 ③ 분산작용
HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발
량이 낮은 상태에서 유동성을 확보할 수 있는 분산력이 높은 특성을 가져야 한다.
따라서 본 연구에서는 이러한 성능을 발휘 할 수 있는 혼화제를 개발하기 위하여 일반적 으로 사용하고 있는 혼화제를 대상으로 실험 을 실시하고, 분산력을 높일 수 있는 폴리카 르본산(Poly Carboxylate)계 고성능 감수제 를 선정하였다. 또한 결합재 뿐만아니라 화학 혼화제에서도 콘크리트의 강도발현에 기여를 할 수 있는 알칼리 자극제를 선정하였고, 기 존의 연구와 실험을 통하여 나트륨(Na+) 계 열의 자극제와 조강형 보조제를 화학 혼화제 에 적용하였다. <표 3>은 혼화제를 선정하 기 위한 종류별 실험결과를 나타낸 것이고,
<그림 2>는 혼화제의 분산작용에 대한 이해 를 돕기 위하여 그림으로 표현한 것이다.
고강도 HVMA 콘크리트용 고성능 감수제 를 선정을 위한 실험 후에 나트륨계 자극제와 조강형 보조제를 혼합 사용할 경우에는 초기 재령의 압축강도는 소폭 감소하지만, 재령 7 일 이후에는 높은 강도발현 특성을 확인할 수 있었다. 따라서 HVMA 콘크리트용 고성능 감수제의 최적 배합은 폴리카르본산계 혼화 제를 기본으로 조강형 보조제(3∼4%)와 나트 륨계 알칼리 자극제(0.025∼0.050%)의 혼합 사용이 효과적인 것으로 분석되었다.
이러한 과정으로 개발한 화학 혼화제를 고 강도 HVMA 콘크리트 실험에 적용하여 혼화 제의 21%의 감수율과 재령 2일에 10.3MPa 의 조기강도를 확보할 수 있었다. 따라서 시 멘트를 결합재의 10%만 사용한 혼화재 대량 사용 콘크리트에서도 조기강도 발현형 보조 제와 나트륨 계열의 알칼리 자극제를 화학 혼
화제에 소량 사용함으로써, 보통콘크리트와 동일한 유동성을 확보하고, 압축강도 발현이 가능한 HVMA 콘크리트를 제조할 수 있는 것으로 나타났다.
3) 고강도 HVMA 콘크리트 개발
선행연구를 통하여 HVMA 콘크리트의 강 도증진을 목적으로 조강형 결합재를 선정하였 으며, 단위수량이 적은 상태에서 결합재의 분 산과 강도발현을 위하여 나트륨계열의 알칼리 자극제를 적용한 폴리카르본산계 고성능 감수 제를 선정하였고, 이를 콘크리트 실험에 사용 하였다.
콘크리트 실험에서는 w/b와 s/a, 단위수 량, 그리고 결합재 비율과 결합재량 등의 변경 하고, 다양한 실험인자를 대상으로 실험을 진 행하였다. 또한 실험평가 항목으로 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프 플로(500mm 도달시 간 포함)와 공기량을 측정하였으며, 굳은 콘크 리트에서는 재령 3, 7, 28, 91일에 압축강도 를 측정하여 연구목표(압축강도 50MPa)를 만 족하는지 확인하였다. 그리고 예비실험의 결 과를 바탕으로 실시한 본 실험에서는 탄성계 수와 길이변화를 함께 측정하여 구조용 콘크 리트로서 활용 가능성을 평가하였다. 마지막 으로 내구성 실험에서는 탄산화와 동결융해저 항성, 그리고 황산염침지, 알칼리골재반응 시 험을 진행하였다.
실험결과, 고강도 HVMA 콘크리트 제조를 위한 최적배합은 w/b 0.26, s/a 0.45, water 155kg/m3인 것으로 분석되었으며, 고성능 감 수제는 결합재의 0.95%를 적용함으로써, 굳
지 않은 콘크리트의 유동성(600±100mm)을 만족하는 것으로 나타났다. 이러한 콘크리트 의 최적배합에서는 슬럼프 플로가 650mm, 공기량이 2.5%, 500mm 도달시간은 8.54초 로 측정되었다. 또한 재령 28일의 압축강도와 탄성계수는 각각 53.4MPa와 33.2GPa로 나 타나 압축강도 목표수준인 50MPa를 만족하 였다.
내구성 결과에서는 탄산화시험에서 비교배 합인 3성분계 배합은 알칼리도가 낮아 탄산화 가 촉진되었으나, HVMA 배합과 opc 20% 배 합은 탄산화 깊이가 낮았다. 5% 황산과 10%
황산나트륨 저항성은 HVMA와 3성분계, opc 20% 배합 모두 opc 100% 배합보다 우수하였 다. 동결융해 저항성은 배합별로 차이가 없었
으며, 알칼리골재반응에서 HVMA 콘크리트 는 0.01%로 나타나 기준값인 0.1% 미만을 만 족하였고, opc 100% 배합보다 알칼리골재반 응성이 우수하였다.
4) 고강도 HVMA 콘크리트 실용화
앞선 연구내용의 실용화를 위하여 도출한 최적배합을 대상으로 고강도 HVMA 콘크리 트의 현장적용을 실시하였다. 현장적용은 본 연구과제를 함께 진행하고 있는 여러 연구기 관의 성과물을 집약할 수 있는 연구단의 실 증하우스(test bed)에 적용하였다. 1, 2, 3차 년도의 연구과정에서 얻은 고강도 HVMA 콘 크리트 최적배합을 대상으로 배치 플랜트에 0.26 0.45 155 60
(10%) 358 (60%) 119
(20%) 30 (5%) 30
(5%) 693 864 5.66 (0.95%)
<그림 3> 콘크리트 최적배합 선정 실험
압축강도 & 탄성계수 측정 탄산화시험 염소이온투과 저항성시험
HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발
서 레미콘을 제조하고, 연구단의 실증하우스 건설을 위한 현장에 콘크리트를 타설하였다.
고강도 HVMA 콘크리트 적용을 위한 구조물 부위는 혼화재를 대량사용 콘크리트의 특성 을 감안하여 수화열 감소를 목적으로 기초매 트에 타설하였다.
실용화를 위한 레미콘을 대상으로 한 콘 크리트의 실험결과, 레미콘 플랜트에서 생산 한 고강도 HVMA 콘크리트는 굳지 않은 콘 크리트의 특성에서 슬럼프 플로가 680mm, 500mm 도달시간은 10.0초, 공기량은 2.1%
로 측정되었다. 그리고 굳은 후의 콘크리트 특성으로 재령 28일 압축강도가 52.7MPa, 인장강도는 4.70MPa로 측정되었으며, 실험 실에서 제조한 콘크리트의 측정결과와 큰 차
이가 없었다. 또한 현장에서 기초매트의 수화 온도를 측정한 결과, HVMA 콘크리트와 비 교를 위한 일반 3성분계 콘크리트 배합(opc 75%, ggbs 15%, flyash 10%)보다 기초매트 의 최고 수화온도가 약 29.3℃ 정도 낮았으 며, 온도균열지수가 상부에서 3.19 이상, 중 앙부에서는 2.95 이상으로 확보가 가능하여 균열발생을 안정적으로 제한할 수 있을 것으 로 판단되었다.
5) 고강도 HVMA 콘크리트 실용화 기반 구축
본 연구과제의 마지막 단계로 고강도 HVMA 콘크리트의 실용화 기반을 마련하기 위하여 제도적인 뒷받침을 구축하고자 하였
<그림 4> 고강도 HVMA 콘크리트 현장적용
굳지 않은 콘크리트 시험
레미콘 타설
압축강도 시험체 제작
레미콘 타설
다. 따라서 고강도 HVMA 콘크리트의 실용 화를 위한 콘크리트 공사시방서와 이를 위한 품질기준과 관리지침의 작성하였다. 고강도 HVMA 콘크리트는 시멘트 사용량이 적고, 고로슬래그 미분말과 플라이애시의 광물질 혼화재 사용량이 많으므로, 기존의 일반적으 로 사용하고 있는 콘크리트와는 콘크리트 재 료 선정부터 콘크리트 구조물 유지관리까지 모두 다른 특성을 나타낸다.
그리하여 본 연구에서는 고강도 HVMA 콘 크리트의 제조를 위한 원재료 관리, 레미콘 공장에서 공사현장까지의 운반관리, 공사현 장에서의 레미콘 타설, 시공, 마감 등의 공사 관리, 그리고 콘크리트의 유지관리에 관한 모 든 공정을 포함하는 공사시방서를 작성함으 로써, 향후 고강도 HVMA 콘크리트공사와 유지관리에 대한 기반을 구축하고자 한다.
3. HVMA 고강도 콘크리트의 이산화탄소 배출량 예측평가
보통포틀랜드 시멘트(OPC)의 이산화탄
소 배출계수는 전 세계에서 산정한 평균으로 0.815CO2/t으로 평가하였다. 반면 본 연구에 서 대량으로 사용한 고로슬래그 미분말과 플 라이애시는 소성과정을 거친 산업부산물로 써, 원자재 생산에서 화학적 반응에 의한 이 산화탄소 배출량은 없으며, 고로슬래그의 분 쇄공정과 플라이애시의 포집과정에서 에너지 에 의한 이산화탄소 배출량은 매우 적다.
고강도 콘크리트의 압축강도가 50MPa이 고 시멘트만 사용한 배합(OPC 100%)과 본 연구에서 개발한 HVMA 콘크리트의 재료 운 반, 그리고 콘크리트 양생을 고려한 이산화탄 소 배출량과 고강도 HVMA 콘크리트의 이산 화탄소 저감량 예측평가 결과를 <표 5>에 나 타냈다.
시멘트만 사용한 배합은 콘크리트 1m3를 생산하는데, 재료, 생산 및 운반과정의 이산 화탄소 배출량은 592kg이며, 이 중에서 시 멘트에 의한 이산화탄소 배출량은 531kg으 로 전체 배출량의 약 89.7%이다. 한편, 운 반과정에서 배출된 이산화탄소는 32.3kg으 로 전체 배출량의 5.46%에 불과하다. 반면 본 연구에서 개발한 고강도 HVMA 콘크리 트에서의 전체 이산화탄소 배출양은 118kg
개발제품(HVMA) 90.76 26.91 117.67
이산화탄소 저감량
(기존제품–개발제품) 468.59 5.39 473.98(80.1%)
HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발
이며, 이중에서 시멘트에 의한 이산화탄소 배출량은 51.2kg이고, 전체 배출량 의 43.5%이다. 그리고 전 체 결합재의 이산화탄소 배 출량은 63.2kg이고, 운반과 정에서 배출한 이산화탄소는 26.9kg으로 전체 배출량의 22.9%이다. 따라서 기존의 시멘트만 사용한 배합(OPC 100%)과 비교하면 본 연구 에서 개발한 HVMA 레미콘 의 이산화탄소 발생량은 약 80.1%의 절감효과를 나타낸 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구과제의 결과물인 고강도 HVMA 콘 크리트는 산업부산물을 재활용한 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 대량으로 사용하였으 며, 콘크리트의 성능은 기존의 콘크리트와 동 등하거나 그 이상인 것으로 나타났다. 특히, 단위 시멘트량이 보통 콘크리트보다 적어서 수화열 저감의 가장 큰 이점이 있고, 대형 구 조물의 기초매트, 단면이 큰 매스콘크리트 등 에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 지구온난화의 원인이 되고 있는 이산화탄소를 크게 저감시켜 탄소저감이 요구되는 대규모 프로젝트, 정부 발주공사 등에서는 필연적으 로 사용하여야 할 것으로 전망된다.
[참고문헌]
1. 대한민국 법제처, 『저탄소 녹색성장 기본법』
(법률 제9931호), 제정 2010. 1. 13, 시행 2010. 4. 14.
2. 한국레미콘공업협회, “레미콘 통계자료 (2009)”, http://www.krmcia.or.kr, 2011.
3.
3. 최동욱, “콘크리트 산업의 기후변화 대응을 위한 기초 조사”, 『한국콘크리트학회 가을학 술발표대회』, 친환경콘크리트위원회 전문발 표자료, 2009. 11.
4. 국토해양부, 『탄소저감형 건설재료 기술개발 기획보고서』, R&D/10 기술혁신 D02-01, pp.56~58, 2011. 6.
레미콘은 산업표준화법에 의하여 인증을 받은 한국산업 표준(KS F 4009)에 적합한 제품으로 기존의 보통콘크리 트를 혼화재 대량사용 콘크리트로 대체함으로써, 친환경 콘크리트, 탄소저감 콘크리트의 이점을 살린다면 레미콘 시장에서의 선점이 기대된다. 이러한 연구개발 성과의 제 품화를 위해서는 연구결과를 중심으로 KS제품으로 등록 하는 것이 가장 중요하며, 정부와 학계, 그리고 건설회사 등이 적극적으로 탄소저감에 대한 중요성을 인식하여 관 련법규와 정책의 완화, HVMA 콘크리트 생산 및 수요처 에 인센티브 부여 등의 중요한 정책이 이루어져야 할 것 이다.
