KR101210595B1

KR101210595B1 - 서냉 전기로 산화슬래그를 이용한 중량콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR101210595B1
Application number: KR1020100094051A
Authority: KR
Inventors: 고태훈; 한성호; 황선근; 고태환
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-12-11
Also published as: KR20120032626A

Abstract

제강산업의 부산물인 서냉 전기로 산화슬래그와 고로 슬래그를 다량으로 포함하여 제조된 본 발명의 범주로써 중량콘크리트 제품인 철도용 PC침목을 통해 지금까지의 철도에 사용되는 콘크리트 PC제품과는 달리 이산화탄소를 배출량을 크게 절감시키고, 자연환경보존을 위한 폐자원의 활용을 극대화시킴으로써 친환경적인 중량콘크리트 제품을 만들 수가 있게 되었다. 특히 본 발명의 기술은 제품의 성능 면에 있어서도 기존의 기술과는 달리 장기적으로 압축강도와 같은 기계적인 물성이 증진되고, 내구성 향상, 중량콘크리트 제품 확보를 통한 궤도의 안정성 등과 같은 효과가 기대되는 특장점이 있다.
상기 슬래그 부산물을 이용한 중량콘크리트 조성물은 조강시멘트 100중량부에 대해 고로 슬래그 미분말 42~67중량부, 잔골재로 밀도가 3.3~3.8인 서냉 전기로 산화슬래그 290~310중량부, 굵은 골재 260~290중량부 및 물 40~45중량부를 포함하며, 화학혼화제를 포함하게 된다.

Description

서냉 전기로 산화슬래그를 이용한 중량콘크리트 조성물{Heavyweight Concrete Composition using Slag By-products}

본 발명은 제강산업의 부산물로 발생하는 슬래그를 이용한 중량콘크리트 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전기로에서 발생하는 서냉 전기로 산화 슬래그 및 고로에서 발생하는 고로 슬래그 미분말을 콘크리트용 잔골재와 시멘트 대체용 결합재로 다량 활용케 함으로써 친환경적이면서 압축강도 등 기계적인 물성이 우수하도록 하여 철도용 PC침목 등과 같은 중량콘크리트 제품에 특히 유리한 서냉 전기로 산화슬래그를 이용한 중량콘크리트 조성물에 관한 것이다.

제철소에서는 매년 산업부산물로 고로 슬래그 및 제강 슬래그의 발생량이 해마다 급증하고 있으나, 발생 되는 양에 비해 이들 부산물에 대한 용도개발과 적용노력이 미진함에 따라 대부분은 별도로 마련한 사업장 내의 부지에 매립하거나 방치함에 따라 환경문제가 심각하게 부각되고 있다.

그러나, 이들 부산물들은 적절한 선별과 가공공정을 거치면 재활용이 충분히 가능한 재료이며, 특히, 건설분야의 콘크리트용 재료로서 고로 슬래그는 시멘트의 대체재로 사용하면 시멘트 제조시 발생되는 이산화탄소의 배출량 절감 효과가 있으며, 제강 슬래그는 잔골재 대체자원으로 활용이 가능하여 천연모래를 대체할 수 있어 모래 채취에 의한 환경파괴를 최소화할 수 있다.

이와 관련된 선행 기술들을 살펴보면, 예를 들어,

특허문헌 1(한국 등록특허 제10-0693391호)에서는 제강 슬래그 및 고로 슬래그를 이용한 친환경적인 컬러화 콘크리트 구조물을 제공하고 있고,

특허문헌 2(한국 등록특허 제10-0694267호)에서는 제강 슬래그를 골재로 사용하는 해양용 콘크리트를 개시하고 있다.

특허문헌 3(한국 등록특허 제10-0451821호)에서는 고로 시멘트의 초기 강도를 증진시키는 방법을 개시하고 있다.

한편, 침목은 철도 궤도구성품으로서 궤간을 일정하게 유지하고, 열차하중을 지지하면서 이를 도상에 넓게 분산시키는 역할을 한다. 대개 침목은 침목 본체와 상기 침목 본체에 레일을 고정 시키기 위한 체결장치로 이루어져 있다.

이러한 침목은 열차하중을 지지할 수 있는 소정의 강도가 요구되며, 궤도의 좌굴에 대한 안정성을 효과적으로 확보하기 위해 주로 콘크리트 제품으로 제작된다.

이와 같이, 철도용 침목은 소정의 고강도(압축강도 50MPa)가 요구되기 때문에 산업부산물인 고로 슬래그 및 제강 슬래그를 첨가하여 제조한 예가 특허문헌 4(한국 등록특허 제10-0954155호)이다.

이러한 특허문헌 4는 조강시멘트 100중량부에 대해 고로 슬래그 15~30중량부, 잔골재로 밀도가 3.4~3.6인 아토마이징 처리된 제강 슬래그 220~280중량부, 굵은 골재 230~300중량부 및 물 30~40중량부를 포함하며, 섬유보강제, 혼화제 또는 이들의 조합을 더 포함하는 침목용 피씨(PC) 콘크리트 조성물을 제시하고 있음을 알 수 있다.

이러한 콘크리트 조성물에 의한 침목용 콘크리트 조성물은 우수한 강도특성과 내염성, 동결융해저항성을 나타내면서도 산업폐기물인 고로 슬래그와 제강 슬래그를 다량 함유하여 시멘트와 천연골재를 대체함으로써 환경적으로 친화적인 효과가 있게 됨을 알 수 있다.

이에 각 조성물을 구체적으로 살펴보면,

콘크리트 조성물로써 먼저 시멘트의 경우 예컨대 KS L 5201(포틀랜트시멘트)에 따른 3종(조강) 시멘트(이하 "조강시멘트"라고도 한다)가 사용됨을 알 수 있다.

다음으로 시멘트와 같은 결합재로써 고로 슬래그 미분말은 KS F 2563(콘크리트용 고로 슬래그 미분말)으로서 규격화된 것을 사용함을 알 수 있다.

상기 고로 슬래그는 제철소의 고로에서 선철을 제조 때 철광석과 코크스에 존재하는 불순물인 규석 등 점토질 광물과 회분이 고온에서 석회와 반응하여 생성된 일종의 폐기물이다.

이러한 폐기물은 공기 중에서 서냉 시키면 안정된 다공질 괴상의 괴재가 되고 수중에서 급냉시키면 불안정한 유리질 입상인 수재가 된다.

상기 수재는 알칼리성에 노출되면 미세구조가 파괴되어 반응성 규산 등이 용출되고, 이 물질은 바로 알칼리와 반응하여 시멘트의 수화반응과 같은 수화생성물을 생성함으로써 수경성을 발현한다. 즉 시멘트와 같은 역할을 함으로써 시멘트를 대체할 수 있게 된다.

이러한 고로 슬래그를 조강시멘트 100중량부에 대해 15~30중량부를 사용함을 알 수 있다.

다음으로 잔골재로써 아토마이징 처리된 제강 슬래그를 사용하게 되는데 이러한 아토마이징 처리된 제강 슬래그는 조립율이 3.06으로 입자가 다소 크지만, 흡수율이 0.22%로 매우 작고, #200체 통과량과 안정성이 0.8%인 것을 사용함을 알 수 있는데 밀도가 3.48로 일반 천연 잔골재의 1.35배 정도 무거운 것을 사용하게 함을 알 수 있다.

통상 선철 제조 공정에서 상기 고로 슬래그가 발생되는 반면 용융상태의 선철로부터 탄소, 규소, 인, 황 등의 불순물을 제거 또는 조정하는 제강 및 정련 공정에서 제강 슬래그가 다량 발생된다.

이러한 제강 슬래그에는 전로(Converter Furnace)슬래그 및 전기로(Electric Arc Furnace)슬래그가 있다.

먼저 전로 슬래그는 고로에서 나온 용선을 전로에 장입하고, 스크랩(Scrap,고철), 용제(Flux,생석회)를 투입하면서 고압의 산소를 혼입하여 용강을 만들 때 발생되는 슬래그이고,

전기로를 사용하는 미니 밀 공정에서 고철 등을 용융, 정련할 때 생성되는 슬래그가 전기로 슬래그인데, 이러한 전기로 슬래그 중 고철 등을 용융, 정련할 때 산소를 혼입시키는 과정을 통해 생성된 것이 전기로 산화 슬래그(Electric Arc Furnace Oxidizing Slag)이고,

상기 혼입된 과잉의 산소제거와 탈황을 위하여 환원제로 알루미늄 가루를 살포하고 생석회 등 용제를 투입하여 환원처리하는 과정에서 발생되는 것이 전기로 환원 슬래그(Electric Arc Furnace Reducing Slag)이다.

이와 같은 상기 제강 슬래그를 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.

이에 상기 제강 슬래그는 본질적으로 철보다 가벼운 것이 비중 차에 의해 분리된 것이므로 중금속을 거의 함유하지 않고 있어 환경 유해성이 낮으므로 건설 산업용 재료로 사용하고자 하는 연구가 비교적 활발하였다.

하지만 상기 제강 슬래그의 경우 내부에 유리 산화칼슘(Free-CaO, 유리석회)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 않았다(물과 접촉 시 고알칼리성 용출수의 생성, 백탁수 및 백탁침전 발생 등의 문제점이 발생).

이에 최근에는 고속의 공기를 이용하여 용융상태의 제강 슬래그를 급냉시키는 방법으로 유리 산화칼슘(Free-CaO)의 생성량을 제어하는 방법이 개발되었다.

상기의 방법에 의해 생산된 제강 슬래그는 도 1과 같이 구형화되었기 때문에 아토마이징 제강 슬래그(ASS, Atomizing Steel Slag)라고도 하고, 급냉 공정에 의해 제조되었으므로 급냉 제강 슬래그(RCSS, Rapid Cooled Steel Slag)라고도 한다.

즉, 아토마이징 처리된 제강 슬래그는 스피넬 구조에 의한 유리 산화칼슘의 용출을 차단시켜 제강 슬래그의 팽창 붕괴의 위험이 적으며, 입형이 구형에 가까운 잔골재 형태를 갖기 때문에 콘크리트용 건설재료로써 활용할 경우 볼베어링 효과(Ball Bearing Effect)에 의해 유동성이 증가하고 압축강도 증진의 장점이 발현된다.

이에 아토마이징 처리된 제강 슬래그를 모래와 같은 잔골재의 대체재료로 조강시멘트 100중량부에 대해 220~280중량부로 사용함을 알 수 있다.

다음으로 굵은 골재(최대치수 약 20㎜)는 KS F 2526(콘크리트용 골재)에 따른 규정을 만족하는 것을 사용함을 알 수 있으며, 다음으로 섬유 보강제로써 나일론 섬유 보강재의 표준 길이는 6~12㎜ 범위인 것을 사용됨을 알 수 있으며, 콘크리트용 혼화제는 폴리카르본산 계의 고성능 AE 감수제를 사용함을 알 수 있다.

하지만 위와 같은 아토마이징 처리된 제강 슬래그는 잔골재 대체재로써 여러 장점이 있으나, 현재 아토마이징 처리기법 자체가 국내독점기업의 소유로 인해 제조공장이 지역적으로 한정되어 있기 때문에 운반비의 상승, 비교적 적은 생산량으로 인한 공급 부족, 고가의 설비운영에 따른 재료비 상승 등의 문제가 발생하므로, 이러한 기법을 사용하여 제조된 잔골재 대체재의 가격 상승은 피할 수 없는 문제이다. 따라서 이러한 비효율적인 재료공급의 안정성신뢰성이 문제시되어 그 사용이 매우 제한적이었다.

이에 본 발명에서는 선철 및 제강 제조공정에서 발생되는 대표적인 부산물인 고로 슬래그와 제강 슬래그(전기로 슬래그)를 친환경적 활용의 일환으로 특히 중량콘크리트 제품에 유리한 콘크리트 조성물을 제조하기 위하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 제강 슬래그 및 고로 슬래그를 포함하여 친환경적이면서도 철도 PC 침목과 같은 중량콘크리트 제품에 요구되는 바람직한 강도특성과 내구성 및 환경특성 등을 만족시킬 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 위와 같은 콘크리트 조성물을 제공함에 있어, 천연잔골재(도착도기준, 1.2 ~ 1.6만원/㎥)에 비해 고가(도착도기준, 4 ~ 10만원/㎥)이면서 발생지역(2개 지역)과 연간 발생량(제철소 2개소에서 20만톤/년)이 극히 제한적인 아토마이징 처리된 제강 슬래그를 사용하지 않고서도 천연잔골재에 비해 저가의 서냉 전기로 산화슬래그(도착도기준, 1.0 ~ 1.4만원/㎥)를 사용하여 중량콘크리트 제품에 요구되는 바람직한 강도특성과 내구성 및 환경특성 등을 만족시킬 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 중량콘크리트 조성물은 조강시멘트 100중량부에 대해 고로 슬래그 미분말 42~67중량부, 잔골재로 밀도가 3.3~3.8인 서냉 전기로 산화슬래그 290~310중량부, 굵은 골재로 260~290중량부 및 물 40~45중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 기본적으로 콘크리트 조성물 중, 결합재인 시멘트의 일부를 알칼리 환경하에서 잠재 수경성이 있는 고로 슬래그와 잔골재 역할을 하는 제강 슬래그를 이용하되, 특히 제강 슬래그로써 서냉 전기로 산화슬래그를 사용함에 그 기술적 특징이 있다.

이러한 서냉 전기로 산화슬래그는 도 2와 같이 예컨대 용융된 전기로 산화슬래를 고온상태에서 배제장에 배제한 후, 시간이 경과함에 따른 자연적인 방법으로 냉각, 즉 서냉으로 냉각고화시키고, 파쇄 공정라인에 유입시켜 단계별 파쇄공정을 통해 소정의 크기로 파쇄, 선별한 것으로써 파쇄공정라인에서 자석으로 철분이 제거되도록 한 것이다.

이러한 서냉 전기로 산화슬래그는 급냉 전기로 산화슬래그와 달리 급냉에 필요한 여러 공정 및 설비가 필요하지 않을 뿐만 아니라, 가난한 제조 공정, 대량 제조 등으로 인해 그 제조원가가 낮으면서도 잔골재로 사용될 경우 원하는 물성을 충분히 발휘할 수 있도록 하는 중요한 역할을 확보하게 된다.

또한 본 발명의 중량 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 조성물은 화학혼화제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 세계적으로 21세기의 주요한 이슈 중 하나인 환경문제 해결을 위한 지속 가능한 발전의 개념을 바탕으로 이산화탄소 배출량 절감, 폐자원의 재활용을 통한 환경 친화적인 건설자재 개발의 필요성을 충족시키는데 중요한 기술로 환경보전 및 자원을 재활용하는 효과가 있다.

즉 콘크리트 제품에 사용되어 여러 기계적인 물성이 우수하고, 시멘트와 천연 모래를 산업부산물인 슬래그로 상당량 대체할 수 있기 때문에 이산화탄소 배출량 절감을 통한 대기질 환경개선과 자연환경보전에 기여하고, 지정부산물인 제강슬래그의 재활용을 위한 공정이 간단하여, 대량 생산이 가능하므로 기존 천연골재보다 경제성이 있으며, 중금속이 거의 용출되지 않아 친환경적인 효과가 있다.

또한 골재원으로서 제강 슬래그 중 대부분 매립, 폐기되고 있는 서냉 전기로 산화슬래그를 이용함에 따라 필요한 기계적 물성을 확보할 수 있으면서도 콘크리트 제품의 제조원가를 절감할 수 있어 매우 효율적인 콘크리트 조성물 제공이 가능하게 된다.

도 1은 종래 제강 슬래그로써 사용되는 아토마이징 제강슬래그(급냉)의 실제 사진,
도 2는 본 발명에 사용되는 서냉 전기로 산화슬래그의 실제 사진.
도 3은 본 발명에 사용되는 조강시멘트의 실제 사진,
도 4는 본 발명에 사용되는 고로 슬래그 미분말의 실제 사진,
도 5는 본 발명에 사용되는 굵은골재(쇄석)의 실제 사진이다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 중량콘크리트 조성물은 조강시멘트, 고로 슬래그 미분말, 잔골재로 서냉 전기로 산화슬래그, 굵은 골재로 쇄석 및 물을 포함한다.

본 발명에 사용된 시멘트는 도 3과 같이 KS L 5201(포틀랜트시멘트)에 따른 3종(조강) 시멘트로서 강도특성이 매우 우수한 시멘트이다.

일반적으로, 시멘트는 토목건축 등 건설산업에 있어서 매우 중요한 건설기반재료로 사용되어 왔지만, 그 제조 과정에 있어서 발생하는 온난화의 주범인 이산화탄소(CO₂)를 다량 배출(시멘트 1.0ton 생산 시 약 0.9 ~ 1.0ton의 CO₂ 배출)하여 환경문제를 유발시키는 원인이 되었다. 따라서, 친환경 녹색성장의 배경 하에서는 건설재료로 사용되는 콘크리트의 주재료인 시멘트의 사용량을 줄이는 것 자체가 환경적으로 매우 바람직한 것이다.

본 발명에서는 이러한 시멘트의 일부 대체 재료로 도 4와 같이 산업부산물인 고로 슬래그 미분말을 조강시멘트 100중량부에 대해 42~67중량부로 사용한다.

본 발명에 따르면, 상기 고로 슬래그를 42중량부 미만으로 사용하면 고로 슬래그 미분말 첨가에 의한 장기적지속적 강도 및 내염성 증진효과가 감소하는 문제점이 있으며, 67중량부를 초과하면 조강시멘트 비율이 상대적으로 감소함에 따라 초기 및 28일 강도 발현이 저하되는 문제가 발생하므로 소요강도를 만족하기 위한 결합재(조강시멘트+고로 슬래그)의 사용량을 증가시켜야 하는 결과를 초래한다. 따라서 고로슬래그 미분말이 67중량부를 초과하면 오히려 경제적으로 불리한 문제점이 발생하게 된다.

한편, 철강 산업은 다량의 원료와 에너지를 소비하는 업종으로 제선, 제강, 압연 등의 복잡한 생산 공정을 거치면서 고로 슬래그 뿐만 아니라 제강 슬래그를 다량 발생시킨다.

이러한 제강 슬래그는 고온의 용융상태에서 본질적으로 철보다 가벼운 것이 비중 차에 의해 분리된 것이므로 중금속을 거의 함유하지 않고 있어 환경 유해성이 낮으므로 건설 산업용 재료로 사용하고자 하는 연구가 비교적 활발함은 앞서 살펴본 것과 같다.

하지만 역시 앞서 살펴본 것과 같이 제강 슬래그는 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 제안되어 있으며,

최근에는 고속의 공기를 이용하여 용융상태의 제강 슬래그를 급냉시키는 방법으로 유리 산화칼슘(Free-CaO)의 생성량을 제어하는 방법에 의한 도 1과 같이 아토마이징 제강 슬래그(급냉)가 개발된바 있음도 역시 살펴보았다.

하지만 상기 아토마이징 제강 슬래그(급냉)는 별도의 아토마이징 공정(국내 독점기업 소유)을 제공하기 위한 고가의 특수설비 운영과 재료이송 및 저장을 위한 기존설비의 변경이 불가피하고, 비교적 적은 생산량으로 인한 공급량 부족으로 인해 천연 잔골재(모래) 보다 오히려 비용이 고가이므로 현재 활용성이 낮다는 문제점이 발생되고 있다. 따라서 이를 해결할 수 있는 대체재가 필요하여 본 발명에서는 특히 잔골재로써 서냉 전기로 산화슬래그를 이용하게 되었다.

먼저, 제강 슬래그는 전로 슬래그와 전기로 슬래그로 크게 구분되는데 전기로 슬래그는 특히 전로(용광로)가 아닌 전기로를 사용하는 경우에 있어 발생되는 제강 슬래그라 할 수 있다.

통상 전로(국내의 경우, 포항제철소 및 광양제철소) 보다는 환경 문제 때문에 전기로를 많이 국내외에서 많이 사용하고 있으므로 본 발명은 구입이 용이한 전기로 슬래그를 이용할 수 있도록 하되, 이러한 전기로 슬래그 중에서 골재로서의 안정성이 국내외적으로 검증된 전기로 산화 슬래그를 이용하였다.

이는 전기로 슬래그 중 전기로 환원 슬래그보다 전기로 산화 슬래그가 상대적으로 유리 산화칼슘(Free-CaO)의 함유량이 작아 화학적으로 안정하다는 장점이 있기 때문이다.

즉, 종래 아토마이징 제강 슬래그(급냉)는 스피넬 구조에 의한 유리 산화칼슘(Free-CaO)의 용출을 제어하는 방법에 의한 것이고, 본 발명은 아토마이징 방법이 제강 슬래그 제조 비용을 증가시키는 요인이므로, 유리 산화칼슘(Free-CaO)의 함유량이 적은 서냉 전기로 산화슬래그를 이용하게 된 것이다.

이에 서냉 전기로 산화슬래그는 전기로에서 발생되는 제강 슬래그이므로 국내외에서 다양한 발생지역(국내의 경우, 7개 지역)과 풍부한 생산량(제철소 10개소에서 약 500만톤/연)으로 재료공급의 안정성과 재료 자체의 신뢰성(KS F 4571 콘크리트용 전기로 산화슬래그 잔골재)이 확보되었으며, 유리 산화칼슘(Free-CaO)의 함유량이 적어 중량콘크리트 조성물에 잔골재로 사용하더라도 그 팽창성에 의한 유해요소를 제거할 수 있도록 한 것이다.

특히, 열차하중을 지지하는 콘크리트침목은 궤도좌굴에 대한 안정성을 확보하기 위해 중량화(중량콘크리트로 제조)가 요구되어지는 제품으로, 고밀도의 서냉 전기로 산화슬래그(3.3~3.8)는 기존의 천연 잔골재(2.5~2.6)에 비해 바람직함을 알 수 있다.

본 발명에서는 이러한 서냉 전기로 산화슬래그를 세척사, 부순모래 등과 같은 잔골재의 대체물로 조강시멘트 100중량부에 대해 290~310중량부로 사용한다.

상기 서냉 전기로 산화슬래그의 사용량이 290중량부 미만이면 상대적으로 작업성이 저하되어 콘크리트 성형시 표면이 거칠어지는 문제점이 있고, 310중량부를 초과하게 되면 굵은 골재 비율이 상대적으로 크게 감소하기 때문에 콘크리트 제품의 수축가능성이 커져 부재의 안정성이 저하될 수 있으며, 소요 작업성을 얻기 위한 단위 수량 및 결합재량이 함께 증가하게 되므로 콘크리트 제품의 내구성 및 경제성이 저하된다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 굵은 골재는 도 5와 같이 일반적으로 콘크리트에 사용되는 강자갈 또는 쇄석 등이 가능하며, 조강시멘트 100중량부에 대하여 260~290중량부로 사용한다.

이는 260중량부 미만의 경우에는 시멘트의 함량이 증가하게 되며, 290중량부를 초과하는 경우에는 충전율이 감소하여 콘크리트의 강도가 저하되는 문제가 있기 때문이다.

마지막 성분으로 상기 성분들을 잘 혼합하기 위해 물을 조강시멘트 100중량부에 대해 40~45중량부로 사용하였다.

또한, 단위수량 저감과 연행공기량 확보를 위해 화학혼화제로 폴리카르본산계의 고성능 감수제, 고성능 AE 감수제 등을 사용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 본 발명의 범주로써 중량콘크리트 제품인 철도 PC침목을 제조하기 위한 콘크리트 배합 조성은 PC침목 제조에서 요구되는 15시간 이내의 강연선 인장을 위한 초기강도 발현, 지속적인 장기강도 발현, 부재의 안정성, 작업성 등과 같은 기본적인 품질에 적절해야 하고, 아룰러 장기적인 사용을 위해 내염성, 동결융해 저항성 등도 만족해야 한다. 그러나 이러한 품질 외에도 배합에 사용된 재료의 경제성 또한 만족해야 최적의 콘크리트 배합 조성이 완성된다고 할 수 있다. 이러한 측면에서 서냉 전기로 산화슬래그 잔골재의 사용이 종래 아토마이징 제강 슬래그(급냉) 잔골재보다 유리하다고 할 수 있다.

따라서, 상술한 범위 내에서 본 발명의 철도 침목용 콘크리트 조성물은 매우 우수한 물성을 나타낸다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1, 2 및 비교예 1~3]

1. 재료의 준비

(가) 시멘트

본 시험에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜트시멘트)에 따른 3종(조강) 시멘트를 사용하였다.

(나) 고로 슬래그 미분말

KS F 2563(콘크리트용 고로 슬래그 미분말)에 따라 규격화된 분말도(비표면적) 4000~6000cm²/g의 Type 3종을 사용하였다.

(다) 모래

잔골재는 KS F 2526(콘크리트용 골재)에 따른 사용 모래의 품질특성을 만족하는 것을 사용하였다.

(라) 서냉 전기로 산화슬래그

본 시험에 사용된 서냉 전기로 산화슬래그의 물리적성질, 골재입도, 화학성분은 다음 [표 1] 내지 [표 3]과 같다. 여기서

[표 1]은 서냉 전기로 산화슬래그의 물리적 성질,

[표 2]는 서냉 전기로 산화슬래그의 골재 입도특성,

[표 3]은 서냉 전기로 산화슬래그의 화학성분에 대한 것이다.

조립율	밀도 (g/cm³)	흡수율 (%)	# 200 체 통과량(%)	단위용적중량 (kg/m³)	알칼리골재반응(화학법)
3.21	3.40	1.81	0.12	3,568	무해함

구분	체 호칭치수별 통과량 중량백분율 (%)
구분	10 mm	5 mm	2.5 mm	1.2 mm	0.6 mm	0.3 mm	0.15 mm
측정결과	100	99.0	78.7	50.2	30.1	19.0	6.2
입도범위	100	90~100	80~100	50~90	25~65	10~35	2~15

구분	화 학 성 분 (%)
구분	산화마그네슘 (MgO)	산화칼슘 (CaO)	전철 (FeO)	염기도 (CaO/SiO₂)
측정결과	6.6	24.1	26.0	1.3
기 준	10.0 이하	40.0 이하	50.0 이하	2.0 이하

(마) 굵은 골재(최대치수 약 20㎜)

굵은 골재는 KS F 2526(콘크리트용 골재)에 따른 규정을 만족하는 것을 사용하였다.

(바) 콘크리트용 혼화제

본 시험에 사용된 혼화제는 폴리카르본산계의 고성능 AE 감수제를 사용하였다.

상기 성분들을 하기 [표 4]에 기재된 양으로 혼합 후, 혼합물을 몰드에 타설하고, 증기양생과정(약 2시간 동안 상온에서 방치, 시간당 약 15℃이하의 속도로 55℃까지 승온, 약 6시간 동안 유지, 시간당 약 10℃이하의 속도로 하강하여 상온에서 약 2시간 동안 방치)을 거친 후, 탈형한 다음, 습윤양생시켜 공시체를 제조하였다. 공시체에 대한 물리적 및 역학적 특성을 평가하여 하기 [표 5]에 기재하였다.

구분	단위 재료 사용량(kg/m³)
	물	결합재		잔골재			굵은 골재	혼화제
	물	조강시멘트	고로 슬래그	모래	아토마이징처리된 제강슬래그	서냉 전기로 산화 슬래그	굵은 골재	혼화제
비교예 1	147	470	-	694	-	-	1066	3.76
비교예 2	147	392	98	667	-	-	1069	3.68
비교예 3	137	382	95	-	968		1053	3.34
실시예 1	144	344	148	-		1042	939	3.20
실시예 2	144	328	219	-	-	999	922	3.55

			비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예 1	실시예 2
압축강도 (MPa)	1일		36	30	33	39	33
	28일		55	56	58	59	64
	56일		59	64	66	68	70
28일 쪼갬 인장강도 (MPa)			3.9	4.2	4.4	4.6	4.4
동결융해저항성(%), (300cycle 후)			86	89	92	92	91
염분침투저항성¹ ⁾(coulombs) (28일 재령)			2,879	1,567	1,438	1,024	894
콘크리트 중의 중금속 함유량 (mg/kg)	Cu² ⁾	200≥	0.673	0.184	0.080	0.135	0.124
	As	20≥	1.841	2.046	0.768	1.052	0.984
	Zn	800≥	42.8	38.1	62.5	72.5	79.2
	Ni	160≥	4.83	6.55	4.04	5.43	4.68
	CN-	120≥	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출
	페놀	20≥	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출
	PCBs	12≥	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출
	Cd³ ⁾	100≥	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출
	Hg	1000≥	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출
	Pb	1000≥	38	32	21	42	38
	Cr⁺⁶	1000≥	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출

상기 비교예 1은 기존 PC침목의 배합비를 나타내는데, 즉, 조강시멘트와 천연 잔골재(모래)를 사용한 경우이고, 비교예 2는 조강시멘트와 고로 슬래그 미분말을 조강시멘트 100중량부에 대해 15~30중량부로 사용한 경우이고, 비교예 3은 조강시멘트와 고로 슬래그 미분말을 조강시멘트 100중량부에 대해 15~30중량부로 사용하고 잔골재의 대체재료로 아토마이징 처리된 제강 슬래그를 조강시멘트 100중량부에 대해 220~280중량부로 사용한 경우를 나타낸다.

여기서,

1) 염분침투저항성: KS F 2711 전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험 방법을 의미하고,

2) Cu부터 PCBs까지: 토양오염공정기준 시험방법, 공장/산업지역 토양오염 우려기준(환경부)으로 측정하고,

3) Cd부터 Cr⁺⁶까지: RoHS IEC 62321 시험방법, RoHS 으로 측정한다.

상기 실시예 1, 2와 같이, 본 발명의 범주로써 중량콘크리트 제품인 PC침목용 콘크리트 조성물은 시멘트 대체재로 고로슬래그 미분말과 천연골재 대체재로 서냉 전기로 산화슬래그를 다량으로 사용하면서도, 기존의 PC침목조성물 조건(비교예 1)이나 아토마이징 처리된 제강 슬래그를 사용하는 조건(비교예 3)에 비해 우수한 장기 강도특성과 염분에 대한 높은 저항성을 보여 주고 있으며, 동결융해저항성과 같은 내구성은 동일한 것으로 나타났다. 이와 같은 본 발명의 기술은 산업폐기물인 고로 슬래그와 서냉 전기로 산화슬래그를 다량 함유토록 하여 시멘트와 천연 골재를 대체함으로써 이산화탄소(CO₂) 배출량 절감과 고갈되어가는 천연골재의 보호측면에서 환경적으로 친화적인 효과가 크다. 또한, 기존 PC침목 (비교예 1)에 비해 장기적인 강도증진효과(약 115~118%)는 동결융해에 대한 저항성(내구성 향상)을 높이고 아울러 염분침투저항성의 평가에서도 전기전도 저항성이 기존 PC침목조건에 비해 2.5~3배 정도 크게 향상됨으로써, 향후 PC 침목의 사용내구연한의 증가와 더불어 PC 침목 유지보수비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.

Claims

조강시멘트 100중량부에 대해 고로 슬래그 미분말 42~67중량부, 잔골재로 서냉 전기로 산화슬래그 290~310중량부, 굵은 골재 260~290중량부 및 물40~45 중량부를 포함하는 것으로서, 콘크리트용 화학혼화제를 포함하며, 상기 서냉 전기로 산화슬래그는 밀도가 3.3~3.8인 것을 특징으로 하는 서냉 전기로 산화슬래그를 이용한 중량콘크리트 조성물.
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