KR100962319B1 - 포집 미분슬래그를 이용한 콘크리트 혼합재용 조성물 - Google Patents

포집 미분슬래그를 이용한 콘크리트 혼합재용 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포집 미분슬래그를 이용한 콘크리트 혼합재용 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제철, 제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그를 매립처리 방식에서 벗어나 콘크리트용 혼합재로 재활용함으로써 플라이애시의 단점인 제품의 불균일성을 극복하고 치환사용량을 증가시킬 수 있는 콘크리트 혼합재용 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 콘크리트 혼합재용 조성물은 제철 또는 제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그 20 내지 30중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 제철, 제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그를 이용함으로써 기존의 플라이애시의 단점인 제품의 불균일성을 극복하고 슬래그의 고단가 문제를 해결함과 동시에 매립처리하는 자원을 재활용할 수 있다. 따라서 본 발명의 콘크리트용 혼합재는 시멘트 중량에 대하여 내할 30 내지 40%까지 치환대체가 가능하다.
콘크리트, 혼합재, 시멘트, 더스트, 슬래그, 포집 미분슬래그

Description

포집 미분슬래그를 이용한 콘크리트 혼합재용 조성물{Compound for concrete admixture using slag dust}
본 발명은 포집 미분슬래그를 이용한 콘크리트 혼합재용 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제철,제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그를 매립처리 방식에서 벗어나 콘크리트용 혼합재로 재활용함으로써 플라이애시의 단점인 제품의 불균일성을 극복하고 치환사용량을 증가시킬 수 있는 콘크리트 혼합재용 조성물에 관한 것이다.
콘크리트의 고강도화가 요구되면서 실리카흄(silica fume), 메타카린(metacaoline), CSA계 클링커(clinker) 등을 콘크리트 혼화재로 사용하여 콘크리트를 제조하고 있다. 그런데, 상기의 혼화재들은 그 가격이 매우 비싸기 때문에 콘크리트 구조물의 시공단가를 상승시키는 요인이 되는 단점이 있다.
이러한 혼화재의 사용에 따른 시공단가를 줄이기 위하여 산업폐기물인 플라이애쉬(Fly-ash), 슬래그(slag), 폐제올라이트(zeolite) 등의 포졸란(pozzolan) 재료를 콘크리트 혼합재로 사용하고 있다. 이러한 혼합재는 상대적으로 고가인 시멘트량을 치환해서 사용함으로서 경제적일 뿐 아니라 자원 재활용에 기여하고 장기강 도 발현, 화학저항성 증대, 콘크리트 수화열 저감을 통한 등 내구성 향상에도 기여할 수 있는 기능성 콘크리트 제조에 유용한 재료로서 그 사용실적이 늘어나고 있는 추세이다.
현재 국내에서 주로 사용되고 있는 산업폐기물계 포졸란 재료로 슬래그, 플라이애쉬 등이 있으며, 이들의 분말도는 3000∼4500㎠/g이다. 콘크리트 양생시 상기 슬래그, 플라이애쉬 등으로 시멘트량의 10 내지 20%정도를 치환대체하여 사용하고 있다.
슬래그는 제철 및 제강과정에서 부산되는 고로슬래그를 일정한 분말도로 분쇄한 것으로서 자체적으로는 수경성(물과 반응하여 굳는 성질)을 가지고 있지 않지만 시멘트와 같은 알카리성 재료와 공존하면 수경성을 띠는 잠재수경성 재료로서 토목구조물에는 물론 원가절감을 목적으로 건축물에까지 사용실적이 증가하고 있으며, 시멘트에 가장 근접한 재료로 인식되고 있다. 하지만 슬래그는 높은 분말도로 분쇄하여야 하는 추가공정이 더 필요로 하고, 특히 슬래그의 단가가 높으므로 혼합재의 단가상승의 요인이 되고 있다. 또한, 플라이 애쉬는 높은 강열감량으로 인하여 사용량이 증가하면 콘크리트의 air loss발생 및 편차가 불균일하다는 문제점이 있다.
따라서 종래의 혼합재는 치환사용량이 10 내지 20%정도로 제한을 받는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 제철,제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그를 매립처리 방식에서 벗어나 콘크리트용 혼합재로 재활용함으로써 플라이애시의 단점인 제품의 불균일성을 극복하고 슬래그의 고단가 문제를 해결하여 치환사용량을 증대시킬 수 있는 콘크리트 혼합재용 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 본 발명의 콘크리트 혼합재용 조성물은 제철 또는 제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그 20 내지 30중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
규석광산에서 포집하여 분급한 포집 미분실리카 10 내지 15중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
슬래그 40 내지 50중량%, 플라이 애쉬 15 내지 25중량%, 무수석고 3 내지 7중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬래그는 수재 슬래그, 괴재 슬래그, 정련슬래그 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 콘크리트 혼합재용 조성물은 분말도 4110cm2/g, 강열감량 1.2%이며, 시멘트 중량에 대하여 내할 30 내지 40%치환되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 제철, 제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그를 20 내지 30중량% 함유함으로써 플라이애시의 단점인 제품의 불균일성을 극복하고 슬래그의 고단가 문제를 해결함과 동시에 매립처리하는 자원을 재활용할 수 있다.
따라서 본 발명의 콘크리트 혼합재용 조성물은 시멘트 중량에 대하여 내할 30 내지 40%까지 치환대체가 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 포집 미분슬래를 이용한 콘크리트 혼합재용 조성물에 대해서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 콘크리트 혼합재용 조성물은 제철 또는 제강공정에서 발생하는 포집 미분슬래그를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 이용되는 포집 미분슬래그는 제철 및 제강과정 등에서 부산물로 발생한다. 포집 미분슬래그는 용광로 또는 전기로에서 연도의 정전 집진 과정 중 집진기에 포집되어 수집된다. 이렇게 포집된 미분슬래그는 다량의 산화철(Fe2O3), 산화아연(ZnO), 실리카(SiO2) 산화칼슘(CaO) 등으로 구성된다. 수집된 포집 미분슬래그는 분말도가 약 3700 내지 4000cm2/g이고, 밀도는 3.0 내지 3.2g/cm3이다.
포집 미분슬래그의 함량은 콘크리트 혼합재용 조성물에서 20 내지 30중량%이다.
구분 분체량(kg/m3) 물(kg/m3) 모래(kg/m3) 자갈(kg/m3) 감수제(kg/m3) 압축강도(MPa) 공기량(vol%)
시멘트 SD 3일 7일 28일
PC 435 0 168 762 946 3.48 30.6 38.5 45.1 5.0
PC+SD10% 417.6 17.4 168 762 946 3.48 29.8 37.4 45.0 4.9
PC+SD20% 400.2 34.8 168 762 946 3.48 28.5 36.9 46.5 4.9
PC+SD30% 382.8 52.2 168 762 946 3.48 28.0 35.0 47.8 4.9
PC+SD40% 365.4 69.6 168 762 946 3.48 26.4 30.0 43.5 5.2
시멘트 중량에 대하여 혼합재용 조성물이 내할 40%치환되는 것을 기준으로 하면, 혼합재용 조성물과 시멘트가 혼합된 분체의 총량 435kg에서 혼합재용 조성물의 양은 174kg이다. 따라서 혼합재용 조성물에서 포집 미분슬래그의 조성비가 10중량%, 20중량%, 30중량%, 40중량%인 경우 포집 미분슬래그의 함량은 17.4, 34.8, 52.2, 69.6kg이다.
상기 표 1은 포집 미분슬래그 17.4, 34.8, 52.2, 69.6kg을 포함하여 총 양이 435kg인 분체를 혼합한 콘크리트 양생실험결과이다. 표 1에서 PC는 포틀랜트 시멘트, SD는 포집 미분슬래그를 뜻한다.
상기 표 1의 결과를 살펴보면, 포집 미분슬래그의 함량이 30중량%를 초과하는 경우 포틀랜트 시멘트에 비해 3, 7, 8일 강도가 저하됨을 알 수 있다. 이는 포집 미분슬래그의 함량이 30%를 초과하게 되면 재료 분리 저항성이 현저하게 떨어져 재료분리 현상이 나타나기 때문인 것으로 보인다. 그리고 포집 미분슬래그의 함량이 20중량% 미만인 경우 강도는 포틀랜트 시멘트와 거의 차이가 없지만 활성도 부분의 우수성이 없는 것으로 나타났다.
본 발명의 콘크리트 혼합재용 조성물은 상기 포집 미분슬래그 외에 포집 미분실리카가 더 포함될 수 있다. 포집 미분실리카는 규석광산에서 포집하여 분말도 3500 내지 3700cm2/g로 분급하여 사용한다. 포집 미분실리카는 주 성분이 실리카로 이루어진다. 본 발명에서 포집 미분실리카는 는 강열감량의 안정화 및 콘크리트 작업성능의 향상시킨다. 포집 미분실리카의 함량이 높아지면 활성도가 저하되고, 함량이 적으면 강열감량을 안정화시키기 어렵다. 바람직하게 포집 미분실리카의 함량은 콘크리트 혼합재용 조성물에서 10 내지 15중량%이다.
구분 분체량(kg/m3) 물(kg/m3) 모래(kg/m3) 자갈(kg/m3) 감수제(kg/m3) 압축강도(MPa) 공기량(vol%)
시멘트 SiD 3일 7일 28일
PC 435 0 168 762 946 3.48 30.6 38.5 45.1 5.0
PC+SiD5% 426.3 8.7 168 762 946 3.48 29.5 37.2 44.9 4.9
PC+SiD10% 417.6 17.4 168 762 946 3.48 31.0 39.2 46.2 5.1
PC+SiD15% 408.9 26.1 168 762 946 3.48 30.5 38.4 45.3 4.9
PC+SiD20% 400.2 34.8 168 762 946 3.48 28.9 35.9 42.9 5.2
시멘트 중량에 대하여 혼합재용 조성물이 내할 40%치환되는 것을 기준으로 하면, 혼합재용 조성물과 시멘트가 혼합된 분체의 총량 435kg에서 혼합재용 조성물의 양은 174kg이다. 따라서 혼합재용 조성물에서 포집 미분실리카의 조성비가 5중량%, 10중량%, 15중량%, 20중량%인 경우 포집 미분말실리카의 함량은 8.7, 17.4, 26.1, 34.8,kg이다.
상기 표 2는 포집 미분실리카 8.7, 17.4, 26.1, 34.8kg을 포함하여 총 양이 435kg인 분체를 혼합한 콘크리트 양생실험결과이다. 표 2에서 SiD는 포집 미분실리카를 뜻한다.
상기 표 2의 결과를 살펴보면, 포집 미분실리카의 함량이 15중량%를 초과하는 경우 포틀랜트 시멘트에 비해 강도가 저하되고, 활성도가 떨어지는 것으로 나타났다. 그리고 포집 미분말실리카의 함량이 10% 미만인 경우 강도가 저하됨을 알 수 있다.
본 발명은 상기 포집 미분슬래그 및 포집 미분실리카 외에 슬래그, 플라이 애쉬, 무수석고를 더 포함한다.
슬래그는 제철소에서 발생되는 슬래그를 이용한다. 구체적으로 슬래그로 고로 슬래그, 제강슬래그 등을 이용할 수 있다. 이외에도 제강의 예비처리 공정에서 발생되는 예비처리 슬래그, 전기로의 산화 및 환원시 발생되는 슬래그, 스테인레스 제강공정의 정련로 슬래그 등을 이용할 수 있다.
바람직하게는 물을 분사하여 냉각시킨 수재슬래그(granulated slag-water cooled)를 이용한다. 수재슬래그는 냉각과정에서 미립화되어 괴재슬래그보다 분쇄비용이 상대적으로 낮다.
슬래그는 조성물 중 40 내지 50중량%가 함유된다. 슬래그의 함량이 50%를 초과하게 되면 원재료비가 크게 상승한다는 문제점이 있다. 따라서 슬래그의 함량은 최대 50%까지 함유되는 것이 바람직하다. 다만, 40중량% 미만인 경우 활성도가 저하될 수 있다.
여러 종류의 슬래그를 혼합하여 사용하는 경우, 예를 들어 수재슬래그, 괴재슬래그, 정련로 슬래그를 혼합하여 사용하는 경우 콘크리크 혼합재용 조성물에서 수재슬래그 30 내지 36중량%, 괴재슬래그 5 내지 7중량%, 정련슬래그 5 내지 7중량%가 함유될 수 있다.
플라이애쉬는 유연탄을 사용하는 발전소에서 포집된 미분말을 이용한다. 플라이 애쉬는 조성물 중 15 내지 25중량%가 함유된다.
구분 분체량(kg/m3) 물(kg/m3) 모래(kg/m3) 자갈(kg/m3) 감수제(kg/m3) 압축강도(MPa) 공기량(vol%)
시멘트 FA 3일 7일 28일
PC 435 0 168 762 946 3.48 30.6 38.5 45.1 5.0
PC+FA5% 426.3 8.7 168 762 946 3.48 29.0 36.8 45.2 4.9
PC+FA15% 417.6 26.1 168 762 946 3.48 28.3 35.8 46.4 4.7
PC+FA25% 408.9 43.5 168 762 946 3.48 27.5 34.1 45.3 4.5
PC+FA35% 400.2 60.9 168 762 946 3.48 24.0 31.2 43.8 3.2
시멘트 중량에 대하여 혼합재용 조성물이 내할 40%치환되는 것을 기준으로 하면, 혼합재용 조성물과 시멘트가 혼합된 분체의 총량 435kg에서 혼합재용 조성물의 양은 174kg이다. 따라서 혼합재용 조성물에서 플라이애시의 조성비가 5중량%, 15중량%, 25중량%, 35중량%인 경우 플라이애시의 함량은 8.7, 26.1, 43.5, 60.9kg이다.
상기 표 3은 플라이애시 8.7, 26.1, 43.5, 60.9kg을 포함하여 총 양이 435kg인 분체를 혼합한 콘크리트 양생실험결과이다. 표 3에서 FA는 플라이애시를 뜻한다.
상기 표 3의 결과를 살펴보면, 플라이애시의 함량이 25중량%를 초과하는 경우 강열감량의 불안전으ㅗㄹ 공기량이 현저하게 저하되고 28일 강도도 포틀랜트 시멘트에 비해 낮다. 그리고 플라이애시의 함량이 15% 미만인 경우 원가 상승이 문제가 될 수 있다.
무수석고는 혼합재용 조성물에서 3 내지 7중량%로 함유된다. 상기의 비율로 혼합된 무수석고는 초기 강도 발현이 우수하고 재료분리성향이 우수하다.
상기와 같이 조성된 본 발명의 콘크리트 혼합재용 조성물은 시멘트 중량에 대하여 내할 30 내지 40% 치환대체가 가능하다. 이는 플라이 애쉬나 슬래그 미분말로 이루어진 종래의 혼합재가 10 내지 20%의 치환대체가 가능한 것에 비해 치환량을 크게 증대시킨 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 후술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
포스코 광양 공장에서 발생한 수재슬래그, 정련슬래그, 괴재슬래그를 미분말로 분쇄하여 슬래그를 준비하여 포스코 협력업체인 부국산업에서 발생한 분말도 3850cm2/g의 포집 미분슬래그와, 유연탄을 사용하는 발전소에서 포집된 분말도 3780cm2/g의 플라이 애쉬와, 남해화학에서 발생한 이수석고를 소성하여 얻어진 분말도 3400cm2/g의 무수석고와, 규석광산에서 포집하여 분말도 3600cm2/g으로 분급한 포집 미분실리카와 혼합하여 콘크리트 혼합재용 조성물을 제조하였다.
혼합비율은 수재슬래그 30중량%, 괴재슬래그 5중량%, 정련슬래그 5중량%, 포집 미분슬래그 25중량%, 플라이애쉬 20중량%, 무수석고 5중량%, 포집 미분실리카 10중량%이다.
상기 각 재료의 주요성분을 하기 표 4에 나타내었다.

구분		 성분(%)
SiO2 Al2O3 T-Fe M-Fe CaO MgO TiO2 S C P SO3 Na2O K2O
수재슬래그 35.16 14.92 0.40 42.86 4.29
포집미분슬래그 25.20 1.40 20.00 41.50 6.50 0.1
플라이애쉬 56.27 23.36 7.28 4.72 1.31 1.23 3.52 0.37 3.18 0.56 1.11
무수석고 53.5 35.5
포집미분실리카 90.8
정련슬래그 31.93 1.9 0.27 0.19 53.5 9.19 0.33 0.04
괴재슬래그 35.02 16.32 0.46 42.73 4.26
상기 각 재료의 물리적 특성은 하기 표 5에 나타냈다.
구분 밀도(g/cm3) 분말도(cm2/g) 외관
수재슬래그 2.9 4600 유백색분말
포집미문슬래그 3.1 3850 회백색분말
플라이애쉬 2.2 3780 회백색분말
무수석고 2.9 3400 유백색분말
포집미분실리카 2.7 3600 유백색분말
정련슬래그 2.8 4500 유백색분말
괴재슬래그 2.9 4300 회백색분말
상기 실시 예 1에서 제조된 콘크리트 혼합재용 조성물을 30%, 40%, 50% 내할 치환한 콘크리트의 양생실험결과를 하기 표 6에 나타냈다.
구분 분체량(kg/m3) 물(kg/m3) 모래(kg/m3) 자갈(kg/m3) 감수제(kg/m3) 압축강도(MPa) 공기량(vol%)
시멘트 혼합재 3일 7일 28일
PC 435 0 168 762 946 3.48 30.6 38.5 45.1 5.0
PC+혼합재30% 304.5 130.5 168 762 946 3.48 27.9 36.9 51.4 4.8
PC+혼합재40% 261 174 168 762 946 3.48 26.0 33.9 49.8 4.7
PC+혼합재50% 217.5 217.5 168 762 946 3.48 23.5 31.2 41.7 3.4
상기 표6의 결과를 살펴보면, 30% 및 40% 내할 치환된 콘크리트의 강도는 포틀랜트 시멘트에 비해 더 나은 것으로 나타났다. 하지만 50% 내할 치환된 콘크리트의 강도 및 공기량은 포틀랜트 시멘트에 비해 크게 저하됨을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 콘크리트 혼합재용 조성물은 30 내지 40%까지 치환가능함을 확인할 수 있었다.
그리고 하기 표 7에서 플라이애쉬와 실시예의 혼합재용 조성물을 치환사용한 콘크리트의 특성을 나타냈다. 대조구는 플라이애쉬를 시멘트 중량에 대하여 내할 20%치환한 것이고, 시험구는 실시예의 혼합재 조성물을 시멘트 중량에 대하여 내할 35%치환한 것이다.
시험항목 단위 시험기준
(KS F 5405)		 시험구 대조구
밀도 g/cm2 1.95이상 2.81 2.21
플로우값비 % 95이상 106 101
분말도(비표면적) cm2/g 3000이상 4100 3780
분말도(45㎛망체) % 40이하 18.8 20.9
활성도지수
 %
 28일:80이상 103 102
91일:90이상 118 114
수분 % 1.0이하 0.1 0.1
SiO2 % 45.0이상 47.10 55.1
강열감량 % 5.0이하 2.5 3.9
상기 표 7의 결과를 살펴보면, 35%가 치환대체된 시험구는 시험기준에 적합한 것으로 나타났다. 그리고 강열감량에 있어서 시험구가 대조구에 비해 낮은 것으로 나타났다. 강열감량이 높을수록 콘크리트의 안정성이 저하된다.
그리고 하기 표 8에서 수재슬래그와 실시예의 혼합재를 치환사용한 콘트리트의 특성을 나타냈다. 대조구는 수재슬래그를 시멘트 중량에 대하여 내할 40%치환한 것이고, 시험구는 실시예의 혼합재를 시멘트 중량에 대하여 내할 35%치환한 것이다.
시험항목 단위 시험기준
(KS F 5405)		 시험구 대조구
밀도 g/cm2 1.95이상 2.81 2.92
분말도(비표면적) cm2/g 4000이상 4100 4600

활성도지수
%
 재령7일: 55이상 85 72
재령28일: 95이상 103 101
재령91일: 95이상 122 125
플로우값비 % 95이상 108 106
산화마그네슘 % 10이하 3.5 2.5
삼산화황 % 4.0이하 1.6 1.5
강열감량 % 5.0이하 2.5 0.9
염화물이온 0.02이하 0.009 0.012
상기 표 8의 결과를 살펴보면, 35%가 치환대체된 시험구는 시험기준에 적합한 것으로 나타났다. 또한, 수재슬래그를 40%치환한 대조구와 비교시 시험결과에 큰 차이가 없었다. 이는 본 발명이 단가가 높은 수재슬래그를 충분히 대체할 수 있음을 보여준다.
이상에서 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제철 또는 제강공정 연도의 집진기에서 포집되며 분말도 3850cm2/g이고 밀도 3.1g/cm3인 포집 미분슬래그 20 내지 30중량%와, 규석광산에서 포집되며 분말도 3600cm2/g이고 밀도 2.7g/cm3인 포집 미분 실리카 10 내지 15중량%와, 분말도 4600cm2/g이고 밀도 2.9g/cm3인 수재슬래그 30 내지 36중량%와, 분말도 4300cm2/g이고 밀도 2.9g/cm3인 괴재슬래그 5 내지 7중량%와, 분말도 4500cm2/g이고 밀도 2.8g/cm3인 정련슬래그 5 내지 7중량%와, 분말도 3780cm2/g이고 밀도 2.2g/cm3인 플라이 애쉬 15 내지 25중량%와, 분말도 3400cm2/g이고 밀도 2.9g/cm3인 무수석고 3 내지 7중량%를 포함하며,
    시멘트 중량에 대하여 내할 30 내지 40%치환되는 것을 특징으로 하는 포집 미분슬래그를 이용한 콘크리트 혼합재용 조성물.
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