KR102315095B1 - 페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물 - Google Patents

페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 페로니켈슬래그가 결합재의 일 성분으로 적용된 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「결합재, 잔골재 및 물이 혼합된 모르타르 조성물에서, 상기 결합재는 OPC 80~85wt% 및 페로니켈슬래그 미분말 15~20wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물」을 제공한다.

Description

페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물{Mortar composition containing ferronickel slag as binder}
본 발명은 페로니켈슬래그가 결합재의 일 성분으로 적용된 모르타르 조성물에 관한 것이다.
최근 국내에서도 스테인리스의 주원료인 니켈 확보를 위한 페로니켈 생산체제가 갖추어짐에 따라 연간 200만톤 이상의 페로니켈슬래그가 부산물로서 발생하고 있는 실정이다. 페로니켈슬래그는 페로니켈의 용해 및 제련 시에 발생되는 부산물로 니켈 1톤 생산 시 약 30톤의 페로니켈슬래그가 발생되고 있으며 니켈과 철의 비율이 약 2:8로 이루어져 있다.
일반적으로 페로니켈슬래그는 냉각방식에 따라 공랭시켜 생산되는 괴재 페로니켈슬래그와 물을 분사하여 급랭시켜 생산되는 수쇄 페로니켈슬래그로 분류되어 콘크리트용 골재로서의 연구 및 활용이 진행되고 있다. 페로니켈슬래그의 주성분은 SiO2와 MgO 등으로 이루어져 있으며, 이중 MgO의 경우 콘크리트의 팽창에 기여하지 않는 것으로 파악되고 있으며 또한 기존 연구문헌에서도 페로니켈슬래그 혼입 콘크리트의 팽창성은 나타나지 않은 것으로 보고되고 있다.
일본의 경우 1992년 JIS A 5011 콘크리트용 슬래그 골재표준에 페로니켈슬래그 잔골재가 추가되고 1994년 일본 토목학회 콘크리트 위원회에서 페로니켈슬래그 잔골재 콘크리트 시공지침이 제정되는 등 콘크리트용 및 노반재용 골재 등으로 활발히 활용되고 있으며 최근에는 발생되고 있는 페로니켈슬래그의 전량이 재활용 되고 있는 것으로 보고되고 있다.
국내의 경우 2008년 페로니켈 제련소가 완공된 이후로 매년 다량의 페로니켈슬래그가 발생하였고 이중 절반 정도가 성토재, 노반재 및 콘크리트용 골재로 활용되었으며 나머지 절반 가량의 페로니켈슬래그는 제철소 내 야적장에 매립 및 방치가 되고있는 실정으로 이로 인한 페로니켈슬래그의 비산먼지로 인해 지역단체와의 환경 및 건강 문제가 사회적으로 대두되는 등 페로니켈슬래그의 재활용률을 증대시키기 위한 방안마련이 시급한 실정이다.
최근 들어 철강관련 기업과 일부 연구기관을 중심으로 페로니켈슬래그를 건설소재로서 재활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며 일부 현장 적용 사례도 보고되고 있으나 주로 콘크리트용 잔골재로 활용하기 위한 연구가 대부분이며 페로니켈슬래그를 콘크리트용 결합재로서 활용하기 위한 연구는 미비한 실정이다.
본 발명은 최근 발생량이 증가하고 있는 철강산업부산물인 페로니켈슬래그의 건설생산현장에서의 재활용율을 높이기 위한 것으로, 페로니켈슬래그 미분말을 결합재의 일부 성분으로 사용한 모르타르의 미소수화열, 유동성, 응결시간, 압축강도 및 건조수축특성을 종합 검토하여 도출된 것이다.
1. 등록특허 10-1944249 "페로니켈 슬래그 혼합 시멘트계 결합재, 이를 이용한 시멘트 모르타르 조성물, 시멘트 콘크리트 조성물 및 경량 콘크리트 조성물" 2. 등록특허 10-1247707 "페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트, 모르타르 및 콘크리트용 혼합재" 3. 공개특허 10-2019-0061307 "페로니켈 슬래그 분말을 이용한 속경성 보수용 모르타르 제조방법" 4. 등록특허 10-1638084 "페로니켈 슬래그를 활용한 팽창성 그라우트 조성물"
페로니켈슬래그를 콘크리트용 결합재로 활용하기 위한 결합재 및 모르타르 조성을 제공함에 목적이 있다.
본 발명은 「결합재 340~425kg/㎥, 잔골재 820~870kg/㎥ 및 물-결합재비 40~50wt% 기준으로 혼합된 모르타르 조성물에서, 상기 결합재는 OPC 80~85wt% 및 페로니켈슬래그 미분말 15~20wt%를 포함하되, 상기 페로니켈슬래그 미분말에 대한 알칼리자극제를 첨가하지 않고, 모르타르 플로우 190~240mm; 초결시간 220~230분; 종결시간 360~375분; 72시간 누적 미소수화열 60cal/g 미만; 재령 91일 건조수축율 0.12% 미만 및 재령 28일 압축강도 30MPa 이상의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물」을 제공한다.
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또한 본 발명은 「상기 페로니켈슬래그는 분말도 2,500~4,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.
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본 발명은 페로니켈슬래그를 미분말화하여 결합재로 적용토록 하는 최소 기준을 제시하며, 결합재 중 페로니켈슬래그 미분말의 함량별 발현 물성의 특성에 따라 페로니켈슬래그의 사용처를 다변화시킬 수 있다.
[도 1]은 시멘트와 페로니켈슬래그 미분말을 촬영한 사진이다.
[도 2]는 페로니켈슬래그 미분말의 SEM 사진이다.
본 발명은 「결합재 340~425kg/㎥, 잔골재 820~870kg/㎥ 및 물-결합재비 40~50wt% 기준으로 혼합된 모르타르 조성물에서, 상기 결합재는 OPC 80~85wt% 및 페로니켈슬래그 미분말 15~20wt%를 포함하되, 상기 페로니켈슬래그 미분말에 대한 알칼리자극제를 첨가하지 않고, 모르타르 플로우 190~240mm; 초결시간 220~230분; 종결시간 360~375분; 72시간 누적 미소수화열 60cal/g 미만; 재령 91일 건조수축율 0.12% 미만 및 재령 28일 압축강도 30MPa 이상의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물」을 제공한다.
본 발명의 결합재는 보통포틀랜드시멘트(이하 'OPC')의 일부를 페로니켈슬래그 미분말로 치환 적용한 것인데, 이와 같이 결합재에 페로니켈슬래그 미분말이 포함되더라도 아래 [표 1]에 나타난 OPC의 압축강도 표준허용치 기준을 충족시킬 것을 최소 요건으로 한다.
Figure 112020036061631-pat00001
이하에서는 페로니켈슬래그 미분말을 결합재로 사용한 모르타르의 미소수화열, 유동성, 응결시간, 압축강도 및 건조수축특성 등에 대한 종합 검토과정을 시험예와 함께 설명하기로 한다.
이하의 각 시험예들에 적용된 OPC는 비중 3.15g/㎤, 분말도 3,430㎠/g인 것이며, 화학 조성은 아래 [표 2]에 나타난 바와 같다.
Figure 112020036061631-pat00002
이하의 각 시험예들에 적용된 페로니켈슬래그 미분말은 수쇄 페로니켈 잔골재를 볼밀링하여 분말도 2,500~4,000㎠/g로 분쇄한 것으로서, 그 화학 성분은 아래 [표 3]과 같이 페로니켈슬래그 잔골재와 유사하게 나타났다.
Figure 112020036061631-pat00003
이하의 각 시험예들에 적용된 잔골재는 천연모래로, 조립률 2.73, 비중 2.6이며, 잔골재 전부를 표건상태로 조정하여 시험을 진행하였다. 아래 [표 4]는 잔골재 조립률 시험방법 및 시험결과를 나타낸 것이다.
Figure 112020036061631-pat00004
(1) 기초실험
페로니켈슬래그 미분말을 결합재로 적용한 경화체의 기초적 분석 및 배합선정을 위한 기초실험을 진행하였다. 아래 [표 5]는 페이스트 및 모르타르의 시험체별 배합표이다.
Figure 112020036061631-pat00005
우선, OPC 중량에 페로니켈슬래그 미분말을 0, 5, 10, 15, 20wt% 대체하여 페이스트 실험을 진행하였으며 양생온도에 따른 강도특성을 파악하기 위해 20℃ 양생과 60℃ 양생을 진행하였다. 이 실험에 사용된 페로니켈슬래그 미분말의 분말도는 2,670cm2/g이다.
페이스트 실험결과 페로니켈슬래그 미분말 혼입에 따른 시멘트 페이스트의 유동성은 대체적으로 유사하게 나타났다.
압축강도의 경우 페로니켈슬래그 미분말 대체율이 높아질수록 다소 작은 압축강도를 나타내었다. 20℃ 양생의 경우 재령 28일 기준 페로니켈슬래그 미분말을 5, 10, 15wt% 대체한 FNS5, FNS10, FNS15 시험체에서 46~47MPa의 유사한 압축강도가 발현되었으나 20wt% 대체한 FNS20 시험체에서는 가장 작은 압축강도를 나타내었다.
60℃ 양생의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 15, 20wt% 대체한 FNS15, FNS20 시험체에서 가장 작은 압축강도를 나타내었으며 대체적으로 페로니켈슬래그 미분말 혼입에 따른 강도 감소 폭은 20℃ 양생 조건보다 60℃ 양생 조건에서 더 작게 나타났다(아래 [그래프 1] 내지 [그래프 3] 참조).
[그래프 1] - 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 페이스트 플로우 변화
Figure 112020036061631-pat00006
[그래프 2] - 페이스트 압축강도 변화(20℃ 양생 조건)
Figure 112020036061631-pat00007
[그래프 3] - 페이스트 압축강도 변화(60℃ 양생 조건)
Figure 112020036061631-pat00008
모르타르 실험의 경우 OPC 중량에 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 각각 15wt%씩 대체 적용한 시험예와 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 각 7.5wt% 대체 적용한 시험예로 구분하여 실험을 진행하였다. 이 실험에 사용된 페로니켈슬래그 미분말의 분말도는 3,500cm2/g 이다.
모르타르 실험결과 산업부산물 혼입에 따른 모르타르의 유동성은 대체로 유사하게 나타났으며, 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 사용한 배합에서 유동성이 가장 높게 나타났다.
압축강도의 경우 재령 3일, 재령 7일에서는 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 사용한 FNS15, BFS15, FA15 배합에서 유사한 강도가 발현되었으나, 재령 28일에서는 고로슬래그 미분말을 사용한 배합이 OPC와 동등한 강도를 발현하였으며, 페로니켈슬래그 미분말을 적용한 FN15 배합에서는 약 35MPa로 가장 작은 압축강도가 나타났다.
[그래프 4] - 모르타르의 유동성 변화
Figure 112020036061631-pat00009
[그래프 5] - 모르타르의 압축강도 변화
Figure 112020036061631-pat00010
(2) 페로니켈슬래그 미분말 적용 배합의 미세구조 분석을 통한 반응성 검토
페로니켈슬래그 미분말의 SEM분석 성상은 분말도 2,670cm2/g, 3,500cm2/g에서 [도 2]에 나타난 바와 같이 비교적 거친 입자를 가지고 있으며 분쇄 과정에서 입자의 모양이 거칠게 나타난 것으로 판단된다.
유동성 실험결과에서 페로니켈슬래그 미분말 혼입 시험체의 유동성은 증진되는 것으로 나타났는데 이는 산업부산물인 플라이애시의 특성인 구형의 입자로 인한 ball-bearing 효과가 아닌 시멘트의 수화반응 저하로 인한 유동성 상승으로 판단된다.
페로니켈슬래그 미분말 혼입 및 산업부산물 혼입에 따른 미소수화열은 시멘트만 사용한 배합에서 가장 높게 나타났으며 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 시멘트 중량에 20% 대체한 배합에서 비교적 적게 나타났다.
고로슬래그 미분말이나 플라이애시를 사용한 배합에서는 유사한 미소수화열량이 나타났으며 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합에서는 가장 적은 미소수화열량이 나타났다. 이에 OPC 단독 사용의 경우와 OPC 중량에 대하여 페로니켈슬래그 미분말(분말도 3,500cm2/g, 분말도 14,740cm2/g 구분)을 10, 20wt% 대체하여 실험을 진행하였다. 실험결과, 페로니켈슬래그 미분말의 분말도에 따른 미소수화열 특성은 분말도 3,500cm2/g 및 분말도 14,740cm2/g 경우 모두 약 53.51~53.90cal/g 수준의 유사한 미소수화열 특성을 나타내었다.
경시 변화에 따른 미소수화열량을 살펴보면 OPC만 사용한 경우 배합 후부터 12시간 까지 약 14cal/g의 미소수화열이 나타났으며 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 배합에서는 약 12cal/g의 미소수화열을 나타내었다. 또한 페로니켈 슬래그 미분말을 사용한 배합에서는 약 8cal/g의 미소수화열을 나타내어 가장 낮은 초기 수화열이 나타났다.
또한 페로니켈 슬래그 미분말 대체율에 따른 응결시간 특성을 평가하기 위하여 모르타르 실험을 진행하였다. [표 6]은 실험배합표를 나타낸 것으로 물-결합재비 50wt%, 잔골재율 49vol%의 콘크리트 배합에서 굵은골재를 제외한 배합에 대하여 모르타르 실험을 진행하였다.
Figure 112020036061631-pat00011
위의 [표 6]에서 알 수 있듯, SeriesⅠ은 페로니켈 슬래그 미분말의 대체율에 따른 특성을 검토하기 위해 단위시멘트량에 대해 페로니켈 슬래그 미분말을 0, 5, 10, 15, 20wt% 혼입한 시험체이다. SeriesⅡ는 기존 산업부산물과의 비교·검토를 위하여 페로니켈 슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 각각 15wt% 대체한 시험체이다.
실험결과 페로니켈 슬래그 미분말 혼입율에 따른 모르타르 응결시간(SeriesⅠ)은 [그래프 6]에 나타낸 바와 같이 초결시간의 경우 모든 배합에서 220~230분 정도로 나타나 페로니켈 슬래그 미분말 혼입에 관계없이 유사하게 나타났다.
[그래프 6]
Figure 112020036061631-pat00012
종결시간의 경우 시멘트만 단독 사용한 C100배합에서는 약 360분의 종결시간을 나타내었으며 페로니켈슬래그 미분말을 5~15wt% 혼입한 FN5, FN10, FN15배합의 경우 약 360~375분의 종결시간을 나타내어 C100배합과 큰 차이는 보이지 않았다.
[그래프 7]은 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 혼입한 모르타르의 응결시간 변화(SeriesⅡ)를 나타낸 것으로 종결시간의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 FN15배합에서 약 375분으로 나타나 BS15배합(405분) 및 FA15배합(405분)에 비해 다소 빠른 종결시간을 나타내고 있다. 대체적으로 페로니켈슬래그를 사용한 배합에서 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 경우보다 빠른 초결 및 종결시간 특성을 나타낸다.
[그래프 7]
Figure 112020036061631-pat00013
(3) 알칼리활성화제 종류 및 첨가율에 따른 페로니켈슬래그 포함 경화체의 수화특성 및 실험 및 평가
페로니켈슬래그 미분말 사용 배합의 알칼리활성화제 혼입에 따른 경화체의 특성을 검토하기 위하여 고로슬래그 미분말 및 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합에 대하여 페이스트 실험을 진행하였다.
페이스트 배합은 [표 7]에 나타낸 바와 같이 물-결합재비는 50wt%로 고정하고 고로슬래그 미분말의 알칼리활성화제로 주로 사용되고 있는 수산화나트륨(NaOH) 및 물유리(Na2SiO3)를 단위결합재량에 5wt%씩 사용하여 실험을 진행하였으며 시험체의 양생은 40℃ 고온양생을 진행하였다.
Figure 112020036061631-pat00014
액상알칼리활성제를 사용한 무시멘트 배합의 압축강도는페로니켈 슬래그 미분말을 100% 사용한 배합의 경우 경화되지 않았으며 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 배합에서는 약 18MPa 수준의 압축강도가 발현되었다. 또한 고로슬래그 미분말과 페로니켈 슬래그 미분말을 중량비 5:5 비율로 혼합한 시험체의 경우 약 16MPa 수준의 압축강도를 발현하여 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 배합에 비해 상대적으로 낮은 압축강도가 나타났다.
또한 분말형태의 알칼리활성제 사용시의 특성을 검토하기 위하여 분말상태의 알칼리활성화제인 소석회(SL) 및 무수석고(AG)를 사용한 무시멘트 배합에 대하여 실험을 진행하였다. 알칼리활성화제의 사용량은 [표 8]에서 볼 수 있듯이 무수석고를 20wt%로 고정하고 소석회를 각각 2wt%(AA-1) 및 4wt%(AA-2)혼입한 배합에 대하여 실험을 진행하였다. 이때 시험체의 양생은 40℃ 고온양생을 실시하였다.
Figure 112020036061631-pat00015
[그래프 8]은 소석회 및 무수석고 혼입에 따른 무시멘트 페이스트의 압축강도를 나타낸 것으로 액상알칼리 활성화제를 사용할 때와 동일하게 페로니켈슬래그 미분말을 100% 사용한 배합의 경우 시험체의 경화가 이루어지지 않았다.
[그래프 8]
Figure 112020036061631-pat00016
소석회의 대체율이 4wt%인 경우 2wt%보다 비교적 높은 압축강도 특성을 나타내었다. 또한 페로니켈슬래그 미분말과 고로슬래그 미분말을 중량비 5:5 비율로 혼합하여 사용한 시험체의 경우 약 13.42MPa 수준으로 나타나 고로슬래그 미분말을 100% 사용한 시험체보다 약 22%정도 낮은 압축강도를 나타내었다.
본 실험결과 액상 및 분말형 알칼리활성화제를 사용한 무시멘트 배합에서 페로니켈슬래그 미분말을 사용할 경우 고로슬래그 미분말을 사용한 배합에 비해 상대적으로 낮은 압축강도 특성을 나타냄으로서 알칼리활성화제 사용배합에서 페로니켈 슬래그 미분말의 자체적인 강도증진 효과는 미미한 것으로 판단된다.
따라서 고로슬래그 미분말 기반 무시멘트 배합에서 액상 알칼리활성화제를 사용할 경우 배합과정에서 발생되는 열을 조절하기 위한 페로니켈슬래그 미분말의 적정 대체율 등에 대해서는 추가적인 후속연구가 필요할 것으로 사료된다.
또한 알칼리활성화제로서 인산암모늄을 사용한 페로니켈슬래그 미분말 사용 모르타르 배합에 대하여 실험을 진행하였다. 페로니켈슬래그의 주요 화학조성은 SiO2 48wt%, MgO 32wt% 정도로 이루어져 있어 다른 시멘트 무기질 재료보다 MgO 성분이 높은 특징을 가지고 있다. 아래 [화학식 1] 내지 [화학식 3]은 MgO성분과 인산염 성분의 화학반응식을 나타낸 것이다.
[화학식 1]
MgO + NH4H2PO4 + 5H2O → NH4MgPO4·6H2O
[화학식 2]
MgO + NH4MgPO4 → NH4MgPO4·H2O
[화학식 3]
NH4MgPO4 ·6H2O → NH4MgPO4·H2O + 5H2O
[표 9]는 배합표를 나타낸 것으로 OPC의 15wt%를 페로니켈슬래그 미분말로 치환 적용한 배합에 대해 인산암모늄을 결합재량에 3wt%정도 추가적으로 혼입하여 실험을 진행하였다.
Figure 112021111019527-pat00036
실험결과 인산암모늄 혼입 모르타르의 압축강도는 [그래프 9]에 나타낸 바와 같이 페로니켈슬래그 미분말을 15wt% 혼입한 FN15 시험체와 인산암모늄을 3wt% 혼입한 FN15-AP3시험체의 압축강도가 28.60~28.89MPa 수준으로 유사하게 나타났다. 이는 페로니켈슬래그에 함유된 MgO는 수화반응을 일으키는 유리-마그네시아 성분이 존재하지 않아 페로니켈 슬래그의 MgO의 경우 수화반응 및 팽창성에 영향이 없는 것으로 사료된다.
[그래프 9]
Figure 112021111019527-pat00037
(4) 혼화재 및 페로니켈슬래그분말 대체에 따른 경화체의 수화특성 실험 및 평가
페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 3성분계결합재를 사용한 경화체의 특성을 평가하기 위해 모르타르 실험을 진행하였다.
[표 10]은 실험배합표를 나타낸 것으로 물-결합재비 50wt%, 잔골재율 49vol%의 콘크리트 배합에서 굵은골재를 제외한 모르타르 실험을 진행하였으며, 결합재는 OPC 기반으로 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말, 플라이애시 중 2가지를 선택적으로 15wt%씩 혼입한 3성분계 배합으로 실험을 진행하였다.
Mix W/B
(%)		 S/a
(%)		 Unit weight (kg/m3)
W C FN BS FA S G
C100 50 49 170 340 - - - 882 918
FN-BS 170 238 51 51 - 871 907
FN-FA 170 238 51 - 51 871 907
BS-FA 170 238 - 51 51 871 907
[그래프 10]은 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 2가지를 선택적으로 혼입한 3성분계 모르타르의 플로우 변화를 나타낸 것으로 모든 배합에서 148~165mm 수준의 플로우값을 나타내었다.
[그래프 10]
Figure 112020036061631-pat00019
페로니켈 슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 2가지를 선택적으로 혼입한 3성분계 모르타르의 응결시간은 [그래프 11]에 나타낸 바와 같이 FN-BS배합, FN-FA배합 및 BS-FA배합에서 약 260~280분으로 나타나 시멘트만 사용한 C100배합보다 비교적 느린 초결시간을 나타내었다. 또한 종결시간은 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 동시에 혼입한 FN-FA배합에서 375분으로 나타나 FN-BS배합(420분) 및 BS-FA배합(435분)보다 빠른 종결시간 특성을 나타내었다.
[그래프 11]
Figure 112020036061631-pat00020
3성분계 모르타르 배합에서 FN-FA, FN-BS, BS-FA배합 순서대로 종결시간 특성을 나타내어 선행 응결시간 시험결과에서 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합이 고로슬래그 미분말 및 플라이애시보다 빠른 응결시간 특성을 나타낸 결과와 마찬가지로 페로니켈슬래그 미분말을 혼입한 배합에서 비교적 빠른 종결시간 특성이 나타났다.
3성분계 모르타르의 압축강도는 [그래프 12]에 나타낸 바와 같이 재령 7일의 경우 페로니켈 슬래그와 플라이애시를 동시에 사용한 FN-FA배합에서 약 24MPa의 압축강도를 발현하여 3성분계 모르타르 중 가장 높은 압축강도를 발현하고 있는데 이는 FN-FA배합에서 비교적 빠른 종결시간을 나타낸 결과에 기인한 것으로 판단된다.
[그래프 12]
Figure 112020036061631-pat00021
재령 28일의 경우 시멘트만 사용한 C100배합에서 약 41MPa의 가장 높은 압축강도를 나타내었으며 FN-BS 및 BS-FA배합에서는 약 34~36MPa로 나타나 C100배합에 비해 약 14~17%정도 낮은 압축강도를 나타내고 있음. 또한 페로니켈 슬래그 미분말과 플라이애시를 혼입한 FN-FA배합에서는 약 30MPa로 가장 낮은 압축강도를 발현하였다.
재령 56일의 경우 모든 배합에서 지속적으로 강도증진이 이루어졌으며 재령 28일과 마찬가지로 FN-BS 및 BS-FA배합에서 약 37~38MPa의 유사한 압축강도를 발현하였으며 C100배합보다 약 17~21% 정도 낮게 나타났다.
따라서 페로니켈 슬래그 미분말을 사용할 경우 플라이애시를 사용한 배합과 초기강도는 유사하게 나타났으나 장기강도에서는 다소 감소하였으며 3성분계 모르타르 배합의 경우 FN-BS배합과 BS-FA배합은 모든 재령에서 유사한 압축강도를 발현하는 것으로 나타나 페로니켈 슬래그 미분말 단독 혼입배합보다는 고로슬래그 미분말과 동시 혼입한 배합이 압축강도 발현 측면에서 유리할 것으로 사료된다.
(5) 종합시험
[표 11]은 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 모르타르 특성(SeriesⅠ) 및 대체 혼화재의 종류에 따른 모르타르 특성(SeriesⅡ) 검토를 위한 시험체별 배합표와 시험항목을 나타낸 것이다.
Figure 112020036061631-pat00022
아래 [표 12]는 결합재로 사용된 각 원료의 성분을 나타낸 것이다.
Figure 112020036061631-pat00023
아래 [표 13]은 응결시간, 압축강도, 건조수축 등에 대한 KS 시험 방법에 따른 시험 결과를 정리한 것이다.
Figure 112021111019527-pat00038
1) 미소수화열
페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 시험체의 미소수화열량을 나타낸 [그래프 13]에서 보는 바와 같이 배합 후 12시간까지의 미소수화열량은 시멘트만 단독으로 사용시 약 14cal/g를 나타내고 있으며 페로니켈슬래그 미분말을 10wt% 사용한 FN10배합 및 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 20wt% 사용한 BS20, FA20배합에서는 약 12cal/g 로 유사한 미소수화열량값을 나타내고 있다. 페로니켈슬래그 미분말을 20wt% 사용한 FN20 배합의 경우 약 8cal/g로 상대적으로 가장 낮은 미소수화열 값을 나타내었다. 72시간 누적 미소수화열의 경우 시멘트만 단독 사용한 C100배합이 약 6629cal/g로 가장 높게 나타났으며 고로슬래그 미분말, 플라이애시를 20% 혼입한 BS20 및 FA20배합에서는 각각 5530, 5578cal/g로 유사한 미소수화열을 나타내고 있다. 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 경우에도 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 배합과 동일한 경향으로 시멘트 단독 사용 배합에 비해 낮은 미소수화열을 나타내었으며 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 변화를 살펴보면 페로니켈슬래그 미분말을 10, 20% 혼입한 FN10 및 FN20배합에서 각각 6053, 5351cal/g으로 나타나 페로니켈슬래그 미분말을 10% 대체 시 시멘트 단독배합에 비해 미소수화열량이 약 10% 씩 감소하는 것으로 나타났다. 대체적으로 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합에서 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 배합에 비해 미소수화열이 낮게 나타나고 있는데 이는 페로니켈슬래그 미분말의 반응성이 고로슬래그 미분말 및 플라이애시보다 낮기 때문인 것으로 사료된다.
[그래프 13]
Figure 112020036061631-pat00025
2) 모르타르 플로우
페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 모르타르의 플로우 변화를 나타낸 [그래프 14]에서 볼 수 있는바와 같이 페로니켈슬래그 미분말을 대체한 경우 시멘트만 단독으로 사용한 C100배합에 비해 상대적으로 높은 플로우값을 나타내고 있는데 이는 페로니켈슬래그 입자의 유리질 특성에 기인한 것으로 페로니켈슬래그를 잔골재로서 사용한 경우와 유사한 경향을 나타내었다.
[그래프 15]는 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 모르타르의 플로우 변화를 나타낸 것으로 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 경우 플라이애시를 사용한 배합과 유사한 플로우값을 보이고 있으며 동일한 양의 고로슬래그 미분말을 사용한 배합에 비해서는 다소 높은 플로우값을 나타내고 있다. 또한 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 동시에 사용한 FN-FA배합의 경우 플라이애시만을 사용한 FA15배합과 유사한 플로우값을 나타내고 있다.
[그래프 14] - 모르타르 플로우(SeriesⅠ)
Figure 112020036061631-pat00026
[그래프 15] - 모르타르 플로우(SeriesⅡ)
Figure 112020036061631-pat00027
3) 응결시간
페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 모르타르 응결시간의 변화를 나타낸 [그래프 16]에서 볼 수 있듯이 초결시간의 경우 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 관계없이 약 220∼230분 수준으로 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한 종결시간의 경우 시멘트만 단독 사용한 C100배합과 페로니켈슬래그 미분말을 5∼15wt% 대체한 FN5, FN10, FN15배합의 종결시간이 약 360∼375분 수준으로 유사하게 나타나고 있다. 또한 페로니켈슬래그 미분말을 20% 혼입한 FN20배합의 경우에는 종결시간이 약 390분으로 시멘트만 사용한 C100배합에 비해 약 30분정도 종결시간이 느린 것으로 나타났다.
[그래프 17]은 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 모르타르의 응결시간을 나타낸 것으로 초결시간을 살펴보면 페로니켈슬래그 미분말과 고로슬래그 미분말을 사용한 FN15 및 BS15 배합의 경우 초결시간이 약 230분으로 유사하게 나타났으며 플라이애시를 혼입한 FA15 배합에서는 초결시간이 상대적으로 느린 것으로 나타났다. 종결시간의 경우에는 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 FN15 배합의 종결시간이 BS15 및 FA15 배합에 비해 상대적으로 빠른 것으로 나타났다. 대체적으로 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 경우 시멘트 단독사용 배합보다는 응결시간이 상대적으로 느린 것으로 나타났으며 동일한 양의 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 경우에 비해서는 빠른 응결시간을 나타내고 있다.
[그래프 16] - 응결시간(SeriesⅠ)
Figure 112020036061631-pat00028
[그래프 17] - 응결시간(SeriesⅡ)
Figure 112020036061631-pat00029
4) 압축강도
[그래프 18]은 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 모르타르의 압축강도 변화를 나타낸 것이다. 재령별로 살펴보면 재령 3일의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 대체한 모든 배합에서 약 23∼24MPa 수준으로 유사한 압축강도를 발현하고 있으며 재령 7일의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 압축강도값이 시멘트만 단독으로 사용한 C100배합에 비해 약 12∼15% 가량 낮게 나타났다. 재령 28일의 경우 C100배합의 압축강도가 약 41MPa로 가장 높은 압축강도를 발현하였으며 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합에서 약 33∼36MPa의 압축강도를 발현함으로서 C100배합에 비해 약 10∼20% 낮은 수준의 압축강도값을 보이고 있다. 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 배합의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 10, 15wt% 대체한 FN10 및 FN15배합에서 압축강도가 약 36MPa로 상대적으로 높은 압축강도를 발현하고 있다.
[그래프 19]는 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 모르타르의 압축강도를 나타낸 것으로 재령 3일의 경우 고로슬래그 미분말을 사용한 BS15배합에서 C100배합과 유사한 압축강도를 발현하고 있으며 페로니켈슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 FN15 및 FA15 배합에서는 약 22MPa 수준의 압축강도를 발현하였다. 재령 7일의 경우 FN15, BS15, FA15 배합 모두 약 30MPa 수준의 유사한 압축강도를 발현하고 있으며 C100 배합에 비해 약 10% 정도 낮은 압축강도를 발현하였다. 재령 28일의 경우 시멘트 단독 사용한 C100배합과 고로슬래그 미분말을 사용한 BS15배합에서 약 39MPa로서 가장 높은 압축강도를 발현하였으며 페로니켈슬래그 미분말을 사용한 FN15배합의 경우 C100배합에 비해 약 20% 낮은 압축강도를 발현하고 있다. 또한 페로니켈슬래그 미분말과 플라이애시를 각각 75%씩 혼입한 FN-FA배합의 경우 모든 재령에서 플라이애시를 15% 혼입한 FA15배합과 유사한 압축강도를 발현하고 있으며, 특히 재령 28일 압축강도의 경우 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용한 FN15배합보다 약 15% 높은 압축강도를 나타내고 있어 압축강도 발현 측면에서 페로니켈슬래그 미분말을 단독으로 사용하는 것 보다 플라이애시와 함께 3성분계 배합으로 사용하는 것이 상대적으로 유리할 것으로 판단된다.
[그래프 18] - 압축강도(SeriesⅠ)
Figure 112020036061631-pat00030
[그래프 19] - 압축강도(SeriesⅡ)
Figure 112020036061631-pat00031
5) 건조수축
[그래프 20]은 페로니켈슬래그 미분말 대체율에 따른 모르타르의 건조수축 변화를 나타낸 것으로, 그림에서 볼 수 있듯이 페로니켈슬래그 미분말을 사용하지 않은 C100배합과 페로니켈슬래그 미분말을 5wt% 및 10wt% 대체한 FN5, FN10배합의 경우 재령 91일 기준으로 약 0.120∼0.122%의 유사한 건조수축값을 나타내고 있으며 페로니켈슬래그 미분말을 15wt% 혼입한 FN15배합에서 약 0.114%로 상대적으로 가장 낮은 건조수축을 보이고 있다.
[그래프 21]는 페로니켈슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 혼입한 모르타르의 건조수축을 나타낸 것으로 고로슬래그 미분말을 사용한 BS15배합의 경우 C100배합에 비해 상대적으로 높은 건조수축값을 보이고 있으며 페로니켈슬래그 미분말 및 플라이애시를 사용한 FN15 및 FA15배합에서는 약 0.190%로 상대적으로 낮은 건조수축값을 나타내고 있다. 따라서 페로니켈슬래그 미분말을 시멘트에 대체하여 적절히 사용할 경우 모르타르 및 콘크리트의 건조수축저감에 유효할 것으로 사료된다.
[그래프 20] - 건조수축(SeriesⅠ)
Figure 112020036061631-pat00032
[그래프 21] - 건조수축(SeriesⅡ)
Figure 112020036061631-pat00033
상기의 실시예들을 통해 본 발명 조성물의 물성 및 효과를 검토하였으나, 본 발명은 상기의 실시예들 에만 한정되는 것은 아니라 할 것이며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다소간의 변형 및 변경이 가능하다고 할 것이다.
해당없음

Claims (5)

  1. 결합재 340~425kg/㎥, 잔골재 820~870kg/㎥ 및 물-결합재비 40~50wt% 기준으로 혼합된 모르타르 조성물에서,
    상기 결합재는 OPC 80~85wt% 및 페로니켈슬래그 미분말 15~20wt%를 포함하되, 상기 페로니켈슬래그 미분말에 대한 알칼리자극제를 첨가하지 않고,
    모르타르 플로우 190~240mm;
    초결시간 220~230분;
    종결시간 360~375분;
    72시간 누적 미소수화열 60cal/g 미만;
    재령 91일 건조수축율 0.12% 미만 및
    재령 28일 압축강도 30MPa 이상의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 페로니켈슬래그는 분말도 2,500~4,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 페로니켈슬래그가 결합재로 포함된 모르타르 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
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