KR100954155B1 - 피씨 침목용 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PC 침목용 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 조강 포틀랜트 시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 15∼30 중량부, 잔골재로 아토마이징 처리된 제강슬래그 220∼280중량부, 굵은 골재 230∼300중량부 및 물 30∼40 중량부를 포함하는 PC 침목용 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 PC 침목용 콘크리트 조성물은 우수한 강도특성과 내염성, 동결융해저항성을 나타내면서도 산업폐기물인 고로슬래그와 제강슬래그를 다량 함유하여 시멘트와 천연 골재를 대체함으로써 환경적으로 친화적인 효과가 있다.
철도, 침목, 고로슬래그, 제강슬래그, 시멘트, 콘크리트

Description

피씨 침목용 콘크리트 조성물{Concrete Composition for Prestressed Concrete Sleeper}
본 발명은 PC침목(Prestressed Concrete Sleeper)용 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 다량의 제강슬래그 및 고로슬래그를 포함하여 친환경적이면서 압축강도와 같은 기계적인 물성이 우수한 철도의 자갈 궤도에 사용되는 PC 침목용 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
제철소에서는 매년 산업부산물로 고로슬래그 및 제강슬래그의 발생량이 해마다 급증하고 있으나, 발생되는 양에 비해 이들 부산물에 대한 용도개발과 적용노력이 미진함에 따라 대부분은 별도로 마련한 사업장내의 부지에 매립하거나 방치함에 따라 환경문제가 심각하게 부각되고 있다.
그러나, 이들 부산물들은 적절한 선별과 가공공정을 거치면 재활용(Recycling)이 충분히 가능한 재료이며, 특히, 건설분야의 콘크리트용 재료로서 고로슬래그는 시멘트의 대체재로 사용이 가능하여 이산화탄소 저감 효과가 있으며, 용융 제강슬래그는 잔골재 대체자원으로 활용이 가능하여 천연모래를 대체할 수 있어 모래 채취에 의한 환경파괴를 최소화할 수 있다.
이와 관련된 선행 기술을 살펴보면, 예를 들어, 특허문헌 1에서는 제강슬래그 및 고로슬래그를 이용한 친환경적인 컬러화 콘크리트 구조물을 제공하고 있고, 특허문헌 2에서는 제강슬래그를 골재로 사용하는 해양용 콘크리트를 개시하고 있다. 특허문헌 3에서는 고로시멘트의 초기 강도를 증진시키는 방법을 개시하고 있다.
한편, 침목은 철도궤도를 구성하는 요소로서 레일의 간격을 유지하고, 레일로부터 전달되는 차량의 하중을 도상으로 분포시키는 역할을 한다. 대개 침목은 침목 본체와 상기 침목 본체에 레일을 고정시키기 위한 체결 부재를 포함하여 이루어진다.
이러한 침목은 소정의 강도가 요구되기 때문에 주로 콘크리트 제품으로 제작되고, 경우에 따라서는 상기 콘크리트 제품에 철근을 배근하기도 한다. 즉 상기 콘크리트 침목에 철근을 배근함으로써 인장 응력 또는 휨 응력에 효과적으로 대응할 수 있는 것이다.
이와 같이, 기존의 침목은 소정의 고강도(압축강도 50MPa)가 요구되기 때문에 산업부산물인 고로슬래그 및 제강슬래그를 첨가한 예가 없는 실정이다.
더욱이, 침목은 태양 광, 눈, 비, 온도변화 등과 같은 자연환경에 장시간 노출되므로 환경적으로 친화적인 제품이 바람직하다. 즉, 자연환경에 장시간 노출시, 유해성분의 용출이 없어야 한다.
특허문헌 1: 한국 등록특허 제10-0693391호
특허문헌 2: 한국 등록특허 제10-0694267호
특허문헌 3: 한국 등록특허 제10-0451821호
이에 본 발명에서는 대표적인 재활용 물질인 고로슬래그와 제강슬래그를 친환경적 활용의 일환으로 철도 PC 침목의 구성재료로 활용을 검토하였고, 이를 통해 침목에 요구되는 바람직한 강도특성과 내구성, 환경특성 등을 얻을 수 있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 제강슬래그 및 고로슬래그를 포함하여 친환경적이면서도 철도 PC 침목에 요구되는 바람직한 강도특성과 내구성, 및 환경특성 등을 만족시킬 수 있는 PC 침목용 콘크리트 조성물을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PC 침목용 콘크리트 조성물은 조강 포틀랜트 시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 분말 15∼30 중량부, 잔골재로 아토마이징 처리된 제강슬래그 220∼280중량부, 굵은골재로 쇄석 230∼300중량부 및 물 30∼40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 PC 침목용 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 조성물은 섬유보강제, 혼화제 또는 이들의 조합을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 PC 침목용 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 제강슬래그의 밀도는 3.4∼3.6인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 세계적으로 21세기의 주요한 이슈 중 하나인 환경문제 해결을 위한 지속 가능한 발전의 개념을 바탕으로 자원 재활용과 환경 친화적인 개발의 필요성을 충족시키는데 중요한 기술로 환경보전 및 자원을 재활용하는 효과가 있다. 예를 들어, 침목의 기계적인 물성이 우수하고, 모래와 같은 천연골재를 산업폐기물인 제강슬래그로 상당량 대체할 수 있기 때문에 자연환경보전에 기여하고 폐기물을 재활용하며, 중금속이 거의 용출되지 않아 친환경적인 효과가 있다.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 PC 침목용 콘크리트 조성물은 조강 포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 분말, 잔골재로 제강슬래그, 굵은골재로 쇄석 및 물을 포함한다.
본 발명에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜트 시멘트)에 따른 Type Ⅲ(조강) 시멘트(이하 "조강 시멘트"라고도 한다)로서 강도특성이 매우 우수한 시멘트이다. 일반적으로, 시멘트는 토목산업에 매우 중요한 건설재료로 사용되어 왔지만 그 제조 과정에 있어서 발생하는 온난화의 주범인 탄산가스(CO2)를 다량 배출하여 환경문제를 유발시키는 원인이 되었다. 따라서, 시멘트의 사용량을 줄이는 것 자체가 환경적으로 매우 바람직한 것이다.
본 발명에서는 이러한 시멘트의 대체물로 산업폐기물인 고로 슬래그 분말을 조강 포틀랜트 시멘트 100중량부에 대해 15∼30중량부로 사용한다. 고로 슬래그 분말은 선철을 제조할 때 발생하는 부산물인 고온 용융 상태의 고로 슬래그를 급냉 처리한 고로 수쇄 슬래그를 건조 및 분쇄하여 제조한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 고로 슬래그를 15중량부 미만으로 사용하면 고로 슬래그 분말 첨가에 의한 장기적이고 지속적인 강도 증진효과와 내염성 증진효과가 작다는 문제점이 있으며, 30중량부를 초과하면 고로 슬래그 함량이 많아지고 조강 포틀랜트 시멘트 비율이 상대적으로 감소해짐에 따라 초기 및 28일 강도 발현이 떨어지고 소요강도를 만족하기 위해 전체 콘크리트 배합에서 결합재(조강시멘트+고로슬래그)의 사용량이 증가되어 경제적으로 불리한 문제점이 있다.
한편, 철강 산업은 다량의 원료와 에너지를 소비하는 업종으로 제선, 제강, 압연 등의 복잡한 생산 공정을 거치면서 부산물인 제강 슬래그를 다량 발생시킨다. 이러한 제강슬래그는 선철, 고철과 같은 제강원료를 정련하는 전로(Converter Furnace) 또는 전기로(Electric Arc Furnace) 산업 폐기물로서, 이를 활용하지 않고 그대로 폐기시키는 경우 비산먼지, 침출수와 같은 환경문제의 발생은 물론 대규모의 처리장을 확보해야 하는 것에 따른 경제적인 문제 등으로 인하여 이를 활용하기 위한 다양한 연구가 있어왔다. 제강슬래그는 본질적으로 철보다 가벼운 것이 비중차에 의해 분리된 것이므로 중금속을 거의 함유하지 않고 있어 환경 유해성이 낮으므로 건설 산업용 재료로 사용하고자 하는 연구가 비교적 활발하였다.
그러나, 내부에 유리 산화칼슘(free-CaO)을 함유하고 있어 물과 접촉 시 화학반응을 일으켜 부피가 팽창하므로 도로용 또는 콘크리트용으로 사용될 경우 균열을 발생하게 되므로, 이와 같은 경우에는 에이징(aging)과 같은 후처리공정을 두어 화학적으로 안정화시킨 후 사용하는 방법이 제안되고 있으나 아직까지 그 신뢰성이 높지 않아 실제의 적용은 많지 않다.
그러나, 최근에는 고속의 공기를 이용하여 용융상태의 제강 슬래그를 급냉시키는 방법으로 유리 산화칼슘(free-CaO)의 생성량을 제어하는 방법이 개발되었다. 상기의 방법에 의해 생산된 제강슬래그는 구형화 되었기 때문에 아토마이징 제강 슬래그(ASS, Atomizing Steel Slag)라고도 하고, 급냉공정에 의해 제조되었으므로 급냉 제강슬래그(RCSS, Rapid Cooled Steel Slag)라고도 한다.
이와 같은 아토마이징 처리된 제강 슬래그는 유리 산화칼슘에 의한 팽창 붕괴의 위험이 적으며, 입형이 구형에 가까운 잔골재 형태를 갖기 때문에 콘크리트용 건설재료로써 활용할 경우 볼베어링 효과(Ball Bearing Effect)에 의해 유동성이 증가하는 장점이 있으나, 다른 재료에 비하여 밀도가 높아 재료분리(Segregation)의 가능성이 높아 특수 용도의 콘크리트 외에는 적용하기가 곤란한 문제점이 있다.
본 발명에 따르면, 이렇게 아토마이징 처리된 제강 슬래그의 잔골재로서의 품질특성은 0.3㎜ 이하의 잔입자가 기준치 이하로 작은 것을 제외하고는 제반특성이 양호하다.
특히, 침목은 궤도의 안정화를 위해 중량화가 요구되는 궤도 구성품으로, 아토마이징 처리된 제강 슬래그의 고밀도(3.4∼3.6)는 기존의 잔골재(모래의 밀도 2.5∼2.6)에 비해 바람직하다.
아토마이징 처리된 제강 슬래그는 입형이 구형에 가깝기 때문에 콘크리트 조성물용 잔골재 및/또는 굵은 골재로 사용할 경우 콘크리트의 유동성 개선 효과 및 압축강도의 증진 효과가 있다.
본 발명에서는 이러한 아토마이징 처리된 제강슬래그를 모래와 같은 잔골재의 대체물로 조강 포틀랜트 시멘트 100중량부에 대해 220∼280중량부로 사용한다. 상기 제강슬래그의 사용량이 220중량부 미만이면 상대적으로 콘크리트가 거칠어져서 작업성이 저하되고 몰드(mold) 성형시 표면이 거칠어 진다는 문제점이 있고, 280중량부를 초과하게 되면 굵은 골재 함량비율이 상대적으로 많이 적어지기 때문에 소요 작업성을 얻기 위한 단위 수량이 증가되고 이에 따라 결합재량이 증가되며 굵은 골재 비율이 적음에 따라 콘크리트 침목의 수축이 커져 부재의 안정성도 떨어지게 되는 문제점이 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 굵은 골재는 수분함량이 0.05% 이하가 되도록 건조하여 사용하였으며, 일반적으로 콘크리트에 사용되는 강자갈 또는 쇄석 등 어느 것이나 제한이 없으며, 본 발명의 조강 포틀랜트 시멘트 100중량부에 대하여 230∼300중량부로 사용하는 것이 바람직하다.
이는 230중량부 미만의 경우에는 시멘트의 소요량이 증가하는 문제가 있으며, 300중량부를 초과하는 경우에는 충전율이 감소하여 콘크리트의 강도가 저하되는 문제가 있기 때문이다.
마지막 성분으로 상기 성분들을 잘 혼합하기 위해 물을 조강 포틀랜트 시멘 트 100중량부에 대해 바람직하게는 30∼40중량부로 사용하나, 이에 특별히 제한받지 않고 당업자의 적절한 선택에 의해 사용량은 변화될 수 있다.
또한, 필수성분은 아니지만, 섬유보강제 및/또는 혼화제 등을 더욱 포함할 수 있다. 상기 섬유보강제는 콘크리트의 균열 저감과 경화콘크리트의 2차 보강을 목적으로 사용하는 친수성 나이론계 합성섬유 등이 바람직하다. 상기 혼화제는 폴리카르본산계의 고성능 AE 감수제 등을 사용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 철도 침목을 제조하기 위한 콘크리트 배합 조성은 침목 제조에서 요구되는 지속적인 강도발현과 내염성, 부재의 안정성, 작업성 등과 같은 효과발현에 매우 중요하고, 아울러, 경제적이지 못할 수 있다.
따라서, 상술한 범위 내에서 본 발명의 철도 침목용 콘크리트 조성물은 매우 우수한 물성을 나타낸다.
이하 실시 예 및 비교 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시 예 1-2 및 비교 예 1-3
1. 재료의 준비
(가) 시멘트
본 시험에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜트시멘트)에 따른 Type Ⅲ (조강) 시멘트로서 쌍용양회공업에서 제조한 것을 사용하였다.
(나) 고로슬래그 미분말
KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분말)으로서 규격화된 것을 사용하였다.
(다) 모래
잔골재는 인천산 세척 해사를 사용하였으며, KS F 2526(콘크리트용 골재)에 따른 사용 모래의 품질특성을 만족하는 것을 사용하였다.
(라) 아토마이징 처리된 제강슬래그
본 시험에 사용된 아토마이징 처리된 제강슬래그는 조립율이 3.06으로 입자가 다소 크지만, 흡수율이 0.22%로 매우 작고, #200체 통과량과 안정성이 0.8%인 것을 사용하였다. 특히, 밀도가 3.48로 일반 천연 잔골재의 1.35배 정도 무거운 것을 사용하였다.
(마) 굵은 골재(평균입자크기 약 20㎜)
굵은 골재는 화성 비봉산 쇄석골재(삼표산업)를 사용하였으며, KS F 2526(콘크리트용 골재)에 따른 규정을 만족하는 것을 사용하였다.
(바) 섬유 보강제
나일론 섬유 보강재의 표준 길이는 6∼12㎜ 범위인 것을 사용하였다.
(사) 콘크리트용 혼화제
본 시험에 사용된 혼화제는 폴리카르본산계의 고성능 AE 감수제(제조사:동남기업, 품명: Flowmix 3000S)를 사용하였다.
상기 성분들을 하기 표 1에 기재된 양으로 잘 혼합한 다음, 철도 침목용 공 시체를 다음과 같이 제조하였다.
먼저, 상기 혼합물을 몰드에 타설하고, 약 2시간 동안 상온에서 방치한 다음, 시간당 약 15℃이하의 속도로 55℃까지 승온하였다. 그 후, 약 6시간 동안 유지한 다음, 시간당 약 10℃이하의 속도로 하강하여 상온에서 약 2시간 동안 방치하였다. 그리고, 탈형한 다음, 습윤양생시켜 공시체를 제조하였고, 그 물성을 측정하여 하기 표 2에 기재하였다.
구분 단위 재료 사용량(㎏/㎥)
물 결합재 잔골재 굵은 골재 섬유 보강재 혼화제
조강시멘트 고로슬래그 모래 제강슬래그
비교 예 1 147 470 - 694 - 1066 - 3.76
비교 예 2 147 392 98 667 - 1069 - 3.68
비교 예 3 142 473 - - 974 1046 - 3.78
실시 예 1 137 382 95 - 968 1053 - 3.34
실시 예 2 137 373 93 - 978 1055 0.6 3.73
비교 예 1 비교 예 2 비교 예 3 실시 예 1 실시 예 2
압축강도 (MPa) 1일 36 30 35 33 32
28일 55 56 54 58 57
56일 59 64 59 66 64
28일 쪼갬 인장강도 (MPa) 3.9 4.2 4.5 4.4 4.6
동결융해저항성(%), (300cycle 후) 86 89 88 92 91
염분침투저항성1 )(coulombs) (28일 재령) 2,879 1,567 2,845 1,438 1,407
콘크리트 중의 중금속 함유량 (㎎/㎏) Cu2 ) 200≥ 0.673 0.184 미검출 0.080 -
As 20≥ 1.841 2.046 0.952 0.768 -
Zn 800≥ 42.8 38.1 77.1 62.5 -
Ni 160≥ 4.83 6.55 3.55 4.04 -
CN- 120≥ 미검출 미검출 미검출 미검출 -
페놀 20≥ 미검출 미검출 미검출 미검출 -
PCBs 12≥ 미검출 미검출 미검출 미검출 -
Cd3 ) 100≥ 미검출 미검출 미검출 미검출 -
Hg 1000≥ 미검출 미검출 미검출 미검출 -
Pb 1000≥ 38 32 29 21 -
Cr+6 1000≥ 미검출 미검출 미검출 미검출 -
* 1)염분침투저항성: KS F 2711 전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험 방법
2) Cu부터 PCBs까지: 토양오염공정기준 시험방법, 공장/산업지역 토양오염 우려기준(환경부)
3) Cd부터 Cr+6까지: RoHS IEC 62321 시험방법, RoHS 기준
이와 같이, 본 발명에 따른 PC 침목용 콘크리트 조성물은 우수한 강도특성과 내염성, 동결융해저항성을 나타내면서도 산업폐기물인 고로슬래그와 제강슬래그를 다량 함유하여 시멘트와 천연 골재를 대체함으로써 탄산가스(CO2) 배출 감소와 고갈되어가는 천연골재의 보호측면에서 환경적으로 친화적인 효과가 있다. 또한, 기존 PC 침목 (비교 예 1)에 비해 약 106 ~ 107%의 동결융해저항성(내구성 향상)을 보임으로, 향후 PC 침목의 사용내구연한의 증가와 더불어 PC 침목 유지보수비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.

Claims (3)

  1. 조강 포틀랜트 시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 15∼30 중량부, 잔골재로 밀도가 3.4∼3.6인 아토마이징 처리된 제강슬래그 220∼280중량부, 굵은 골재 230∼300중량부 및 물 30∼40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 침목용 피씨(PC) 콘크리트 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 조성물은 섬유보강제, 혼화제 또는 이들의 조합을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 PC 침목용 콘크리트 조성물.
  3. 삭제
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