KR101078951B1

KR101078951B1 - 고로슬래그 미분말 조성물 및 이를 포함한 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR101078951B1
Application number: KR1020110006938A
Authority: KR
Inventors: 정용; 유정훈; 최훈국
Original assignee: 주식회사 삼표
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2011-11-01

Abstract

본 발명은 고로슬래그, 제강슬래그 및 석고로 이루어진 고로슬래그 미분말 조성물 및 이를 결합재로 포함하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
이에 따라 본 발명은 「고로수쇄슬래그 81.5~99.8wt%, 석고 0.1~8.5wt% 및 제강슬래그 0.1~10.0wt%를 혼합하여 분쇄한 고로슬래그 미분말 조성물」을 제공한다. 제강슬래그는 조직이 치밀하고 경도가 높아 고로수쇄슬래그 입자 사이에서 볼과 같은 마모작용을 하여 고로수쇄슬래그의 분쇄시간을 단축시킬 수 있다.

Description

고로슬래그 미분말 조성물 및 이를 포함한 콘크리트 조성물{Slag Powder Composition and Concrete Composition comprising the same}

본 발명은 고로슬래그, 제강슬래그 및 석고로 이루어진 고로슬래그 미분말 조성물 및 이를 결합재로 포함하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

철강슬래그는 고로슬래그와 제강슬래그로 구분된다. 고로슬래그는 고온에서 철광석으로부터 선철을 제조하는 과정중에 발생하며, 냉각방식에 따라 고로수쇄슬래그와 고로괴재슬래그로 구분된다. 제강슬래그는 선철을 전기로(電氣爐) 또는 전로(轉爐)에서 정련하여 불순물인 탄소, 인, 유황 등을 제거하는 과정중에 발생된다. 또한, 제강슬래그는 그 생산 방식에 따라 전기로 슬래그와 전로 슬래그로 구분되며, 전기로 슬래그는 전기로 산화 슬래그와 환원슬래그로 구분된다. 고로수쇄슬래그는 물과는 반응하지 않으나 수산화칼슘과 같은 강알카리와 석고 등의 자극제가 존재하면 시멘트와 같이 수화하는 잠재수경성을 가지고 있어 시멘트를 대체하는 결합재로 이용되고 있고, 제강슬래그는 비료, 도로 보조기층용 및 성토용 골재 등으로 사용되거나 특수시멘트의 철성분 공급용 원료로 사용되고 있다([표 1] - 「철강 슬래그의 주요 성분비(질량비)」 참조).

구 분	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	Fe₂O₃	Ig.loss
고로수쇄슬래그	33.2	15.2	43.0	4.25	0.67	·
전기로 산화 슬래그	15.3	7.39	27.7	6.61	31.8	·
전로 슬래그	8.0	5.06	40.1	7.56	31.8	·

이 중 고로슬래그에 대해 살펴보면 다음과 같다.

제철공장의 고로작업시 철광석, 석회석, 코크스를 원료로 하여 적당한 비율로 조합하고 고온에서 용해하여 환원시키면 원료 중의 철분은 비중이 크기 때문에 고로의 밑부분에 가라앉게 되며, 고로의 윗부분에는 SiO₂, Al₂O₃ 등을 주성분으로 하는 암석이 석회석으로부터의 성분과 화합하고 고온으로 용해된 채 떠다닌다. 이것이 고로슬래그이며, 이것을 고로에서 배출할 때 고압의 물, 공기 등을 분사하여 급속하게 냉각시켜 입상화·유리화 한 것이 고로수쇄슬래그이다. 이러한 고로수쇄슬래그를 건조시키고 분쇄기에서 미세하게 분쇄하여 제조한 것이 고로슬래그 미분말이며, 이는 물과 직접적으로 반응하지는 않으나, 수산화칼슘과 같은 알카리의 조건에서 물과 반응하여 시멘트 같이 굳는 성질이 있어 시멘트 대체제로 사용되고 있다. 특히 시멘트는 고온에서 석회석 등의 원료를 사용하여 크링커라는 반제품을 만들고, 다시 분쇄하여 시멘트를 제조하는데, 고로슬래그 미분말은 철 제조시 부산물로 발생하기 때문에 석회석등 천연자원의 보존과 시멘트 제조에 드는 연료소비량 및 이산화탄소 배출량을 저감할 수 있어 21세기에 각광받는 중요한 친환경재료이다. 고로슬래그 미분말이 배합된 콘크리트는 작업성, 불투수성, 화학적 침투저항성과 높은 압축강도 및 인장강도를 보이는 장점이 있으나 초기강도가 저하되는 문제가 있으므로, 현재 시판되는 고로슬래그 미분말에는 콘크리트의 초기강도 증진을 위한 석고가 소량 혼입되어 있다. 또한, 중성화 촉진, 건조수축 등의 단점은 NaOH, Na₂CO₃, Ca(OH)₂, CaSO₄등과 같은 활성화제를 혼화제로 참가함으로써 해결할 수 있으므로 고로슬래그 미분말을 결합재로 사용할 때의 문제점은 기술적으로 모두 해소된다고 할 수 있다.

따라서, 이제는 고로슬래그 미분말을 결합재로 사용하기 위한 기술보다는 고로수쇄슬래그로부터 미분말을 얻는 과정에서 분쇄효율을 높이고, 이러한 미분말의 활성도지수를 높이기 위한 기술 개발에 더욱 중점을 둘 때에 이르렀다고 할 수 있다.

본 발명은 고로슬래그 미분말의 분쇄효율을 높이고, 분쇄에너지를 감소시키며, 종래의 고로슬래그 미분말이 갖고 있었던 결합재로서의 강점이 훼손되지 않는 새로운 고로슬래그 미분말 및 이를 적용한 콘크리트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에서는 제강슬래그를 활용하여 위의 과제를 해결한다.

제강슬래그는 내부에 Fe 성분을 함유하고 있고 경도가 높아 고로수쇄슬래그 입자 사이에서 볼과 같은 마모작용을 하여 고로수쇄슬래그의 분쇄시간을 단축시킬 수 있다.

이에 따라 본 발명은 「고로수쇄슬래그 81.5~99.8wt%, 석고 0.1~8.5wt% 및 제강슬래그 0.1~10.0wt%를 혼합하여 분쇄한 고로슬래그 미분말 조성물」을 제공한다.

이 때 상기 제강슬래그로는 전기로 산화 슬래그 또는 전로 슬래그를 적용할 수 있으며, 상기 전기로 산화 슬래그와 전로 슬래그의 직경은 0.01~8.0㎜인 것을 적용하여 혼합분쇄 하였을 때 고로수쇄슬래그는 분쇄매체에 의한 1차적인 미분말화 뿐만 아니라 제강슬래그에 의해 2차적으로 더욱 미분말화된다. 이 과정에서 2차적인 분쇄매체 역할을 하는 전기로 산화 슬래그와 전로 슬래그도 1차 분쇄매체에 의하여 미분말화 된다.

또한, 본 발명은 「결합재, 굵은골재, 잔골재 및 물이 배합된 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 결합재는 전술한 고로슬래그 미분말 조성물 1~50wt%와 포틀랜드 시멘트 50~99wt%로 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.

또한, 본 발명은 「결합재, 굵은골재, 잔골재 및 물이 배합된 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 결합재는 전술한 고로슬래그 미분말 조성물 1~50wt%, 플라이애쉬 1~25wt% 및 포틀랜드 시멘트 25~98wt%로 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.

본 발명에 따르면 다음의 효과가 있다.

1. 수쇄슬래그 보다 경도가 높은 제강슬래그 입자가 수쇄슬래그 입자 사이에서 볼과 같은 마모작용을 하여 미분말 제조를 위한 분쇄시간이 감소된다.

2. 제강슬래그가 0.1~10.0wt% 함유된 고로슬래그 미분말 조성물은 KS 기준에 부합되는 활성도 지수를 갖으며, 제강슬래그 중 전기로 산화 슬래그를 적용하는 경우에는 종래의 고로슬래그 미분말 시제품에 비해 활동도 지수가 더욱 향상된다.

3. 본 발명에 따른 고로슬래그 미분말 조성물을 결합재로 적용한 경우에도 강도 발현상의 문제는 없으며, 특히 전기로 산화 슬래그를 혼입한 고로슬래그 미분말 조성물의 경우에는 종래의 고로슬래그 미분말 시제품과 비교하여 동등하거나 향상된 압축강도가 발현된다.

본 발명은 제강슬래그의 마찰 및 분쇄작용을 통해 고로수쇄슬래그의 분쇄시간을 단축시키고자 한 것으로서, 고로수쇄슬래그 81.5~99.8wt%, 석고 0.1~8.5wt% 및 제강슬래그 0.1~10.0wt%를 혼합하여 분쇄한 고로슬래그 미분말 조성물을 제공한다. 상기 제강슬래그로는 전기로 산화 슬래그 또는 전로 슬래그를 적용할 수 있으며, 상기 전기로 산화 슬래그와 전로 슬래그의 직경이 0.01~8.0㎜인 것을 적용하면 수쇄슬래그와 같이 분쇄 후 미분말화되어 콘크리트에 배합하였을 때 모두 수화반응을 일으키게 된다. 상기 석고는 [배경기술]에서 서술한 바와 같이 고로슬래그 미분말을 결합재로 사용한 콘크리트의 조기강도를 증진시키기 위해 혼입시키는 것이며, 천연석고, 불산석고, 인산석고, 탈황석고 중 어느 것을 사용하더라도 무방하다.

고로슬래그 미분말은 비표면적에 따라 등급이 분류되며, 비표면적이 8,000~10,000㎠/g인 것은 1종, 비표면적이 6,000~8,000㎠/g인 것은 2종, 4,000~6,000㎠/g인 것은 3종으로 분류된다. 본 발명의 발명자들은 고로수쇄슬래그로부터 3종에 해당하는 비표면적이 얻어지기까지의 분쇄시간을 측정하였으며, 위 실험을 위한 종래 기술에 따른 비교예와 본 발명에 따른 실시예는 아래의 [표 2]와 같다.

구 분	고로수쇄슬래그	제강슬래그	석고
비교예(시제품)	96.5wt%	0wt%	3.5wt%
실시예 1	95.5wt%	전기로 산화 슬래그 1wt%
실시예 2	91.5wt%	전기로 산화 슬래그 5wt%
실시예 3	95.5wt%	전로 슬래그 1wt%
실시예 4	91.5wt%	전로 슬래그 5wt%

아래의 [표 3]은 위의 비교예와 실시예들이 비표면적 4,300㎠/g 가량의 미분말로 분쇄되는 시간을 측정한 것이다.

구 분	비표면적(㎠/g)	분쇄시간(분)
비교예	4,354	210
실시예 1	4,299	200
실시예 2	4,360	190
실시예 3	4,323	205
실시예 4	4,257	200

위 실시예들 모두 비교예에 비하여 모두 분쇄시간이 절감되는 것으로 나타났으며, 전기로 산화 슬래그를 적용한 실시예 1,2의 경우 각각 5, 10%, 전로 슬래그를 적용한 실시예 3,4의 경우 각각 2.5, 5%의 시간단축 효과가 있는 것으로 나타나 고로슬래그 미분말 제조시의 전력에너지 및 CO₂ 발생량을 크게 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

한편, 고로슬래그 미분말의 품질평가방법은 KS F 2563에 규정되어 있으며, 고로슬래그 미분말의 활성도 지수는 다음 식에 의해 계산하고, 그 수치는 정수로 끝맺음한다.

A : 활성도 지수(%)

C₁ : 각 재령에서 기준 모르타르 공시체 3개의 압축강도(MPa) 평균값

C₂ : 각 재령에서 시험 모르타르 공시체 3개의 압축 강도(MPa) 평균값

아래의 [표 4]는 활성도 지수 산출을 위한 몰드 1개 분의 모르타르 배합표이고, [표 5]는 위의 비교예와 실시예들을 시료로 한 몰드로 측정한 재령 7일과 재령 28일의 활성도 지수를 나타낸 것이다.

모르타르의 종류	시멘트	시료	잔골재	물
기준 모르타르	450±2	-	1,350±5	225±1
시험 모르타르	225±1	225±1	1,350±5	225±1

단위 : g

구 분	재령 7일	재령 28일
비교예	69	104
실시예 1	78	117
실시예 2	75	113
실시예 3	70	105
실시예 4	68	98

3종 고로슬래그 미분말의 경우 KS에서 규정한 활성도 지수는 재령 7일에서는 55이상, 재령 28일에서는 75이상이다. 위의 비교예와 실시예들의 활성도 지수는 모두 KS 규정치 이상으로 나타났으며, 특히, 실시예 1,2의 경우는 활성도 지수가 비교예에 비해 재령 7일에서는 4~7%, 재령 28일에서는 9~13% 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 실시예 3에서는 비교예와 동일한 수준의 활성도 지수를 보였으나, 실시예 4에서는 비교예에 비하여 활성도 지수가 다소 떨어진 것으로 나타났다. 따라서, 활성도 지수 향상을 위해서는 전기로 산화 슬래그를 적용하는 것이 더욱 바람직한 것으로 판단된다.

한편, 본 발명은 전술한 고로슬래그 미분말 조성물을 결합재로 배합한 콘크리트 조성물을 함께 제공한다. 즉, 전술한 고로슬래그 미분말 조성물을 포함한 2성분계 또는 3성분계 결합재와 굵은골재, 잔골재 및 물을 배합하여 설계강도가 발현되도록 할 수 있다.

2성분계 결합재의 경우는 본 발명이 제공하는 고로슬래그 미분말 조성물 1~50wt%와 포틀랜드 시멘트 50~99wt%로 조성하고, 3성분계 결합재의 경우는 본 발명이 제공하는 고로슬래그 미분말 조성물 1~50wt%, 플라이애쉬 1~25wt% 및 포틀랜드 시멘트 25~98wt%로 조성할 수 있다.

위의 [표 4]의 배합표에 따라 몰드를 제작하여 압축강도를 시험한 결과 종래의 고로슬래그 미분말 시제품과 본 발명에 따른 고로슬래그 미분말 조성물을 콘크리트용 혼화재로 사용하여 비교한 결과, 모두 설계강도(24MPa)는 만족하는 것으로 나타났으며, 특히 전기로 산화 슬래그를 혼입하여 제조한 미분말의 경우는 시제품과 동등 이상의 강도를 발현하는 것으로 나타났다(하기 [표 7] 참조).

구 분	재령 3일	재령 7일	재령 28일
비교예	8.2	16.0	27.7
실시예 1	8.2	17.9	28.2
실시예 2	7.0	17.2	27.5
실시예 3	7.3	15.5	27.3
실시예 4	7.0	14.3	25.3

단위 : MPa

본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 실시예와 관련하여 설명되었으나 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 적용이 가능하다.

Claims

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고로수쇄슬래그 81.5~99.8wt%, 석고 0.1~8.5wt% 및 직경이 0.01~8.0㎜인 전로슬래그 0.1~10.0wt%를 혼합하여 분쇄한 고로슬래그 미분말 조성물.
결합재, 굵은골재, 잔골재 및 물이 배합된 콘크리트 조성물에 있어서,
상기 결합재는 제3항의 고로슬래그 미분말 조성물 1~50wt%와 포틀랜드 시멘트 50~99wt%로 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
결합재, 굵은골재, 잔골재 및 물이 배합된 콘크리트 조성물에 있어서,
상기 결합재는 제3항의 고로슬래그 미분말 조성물 1~50wt%, 플라이애쉬 1~25wt% 및 포틀랜드 시멘트 25~98wt%로 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.