KR101322911B1 - 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업현장에서 부생하는 고로 수재 슬래그를 재활용하여 골재의 일부를 대체할 수 있는 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물은 시멘트와, 잔골재, 굵은 골재를 포함하고, 상기 잔골재는 30 내지 50중량%의 고로 수재 슬래그를 포함한다.

Description

수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법{Concrete compound using granulated slag-water cooled and manufacturing method thereof}
본 발명은 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업현장에서 부생하는 고로 수재 슬래그를 재활용하여 골재의 일부를 대체할 수 있는 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
통상 콘크리트(concrete)라 함은 시멘트에 자갈과 같은 굵은 골재와 모래와 같은 잔골재를 섞고 물을 가해 반죽한 것 또는 그것을 굳힌 것을 의미한다.
상기 콘크리트에 요구되는 규격은 콘크리트 표준 시방서에 잘 나타나 있는데, 이를 살펴보면 콘크리트는 시멘트, 물, 잔골재, 굵은 골재 및 혼화재 등으로 구성되어 있다.
이중 잔골재는 상기 콘크리트 표준 시방서에 의하면 체의 치수(크기) 체를 통과하는 골재의 중량 백분율이 10mm 100%, 5mm 95~100%, 2.5mm 80~100%, 1.2mm 50~85%, 0.6mm 25~60%, 0.3mm 10~30%, 0.15mm 2~10%의 입도 분포를 만족시키는 골재를 말하는데, 이외에도 콘크리트의 품질을 보증하기 위하여 깨끗하고, 강하고, 내구적이고, 먼지, 흙, 유기 불순물, 염분 등의 유해물을 함유해서는 안된다는 조건에 부합하여야 한다.
또한, 그 모양은 입방체 또는 구형에 가까운 형상이어야 하며, 시멘트와의 부착력이 큰 표면조직을 가져야 하며, 지나치게 가벼우면 재료분리가 생길 위험이 있으므로 적당한 소요중량을 가져야 하고, 내마모성이 요구되는 경우도 있다.
상기와 같은 잔골재로 사용되는 재료는 강모래를 원칙적으로 사용하였으나, 환경보호 차원에서 강모래의 사용량은 점차 감소하는 추세이며 이를 대체하기 위하여 바닷모래, 부순 모래 또는 재생 모래의 사용량이 점차 증가하는 추세이다. 그러나, 바닷모래의 경우에도 강 모래와 유사하게 연안파괴 등을 일으킬 수 있으므로 그 채취 방식이 연안 인근 채취로부터 원양채취방식으로 바뀌고 있어 채취 원가가 상승할 뿐만 아니라 염분 존재로 인한 특별한 처리가 필요하고 사용시 주의가 요망되는 등 많은 단점을 가진다. 또한, 부순 모래는 그 품질이 열악하여 이를 처리하기 위한 부가 비용이 증대되고, 재생모래의 경우에도 품질이 불안정한 등 고품질의 콘크리트에 적용하기에는 많은 난점이 있었다.
따라서, 종래의 잔골재를 대체하기 위한 노력이 계속되어 왔으며, 그 노력의 결과 고로 슬래그(Blast Furnace slag) 골재, 동 슬래그(Copper slag) 골재 및 연(Lead slag) 슬래그와 같은 대체 골재가 개발되어 한국산업규격(KS) 기준으로 제정되어 있다.
동 슬래그 골재는 KS에서 규정하는 방식에 따라 시험하여 화학적 안정성 확인을 하도록 하게 되어 있어 그 사용절차가 복잡하고, 연 슬래그 골재는 중금속(Pb) 용출가능성으로 인하여 사용범위가 제약된다는 문제점이 있다.
따라서 고로 슬래그를 이용한 골재가 주로 사용되고 있는데, 고로 슬래그는 덩어리 형태의 수재 슬래그를 파쇄한 후 적당한 입도의 잔골재로 사용한다.
고로 슬래그는 철광석, 코크스, 석회석을 고로에서 용융하면서 약 1500℃의 쇳물과 함께 광물성분이 용해되어 발생된다. 용융 슬래그는 비중의 차이를 이용하여 쇳물과 분리하게 되는 데 냉각방법에 따라 공기 중에서 서서히 냉각시킨 괴재슬래그(palletized slag-air cooled)와 물을 분사하여 냉각시킨 수재슬래그(granulated slag-water cooled)로 구별된다.
괴재슬래그와 수재슬래그는 화학적 조성이 거의 동일하나 물리적 성질과 결정(結晶)의 형태가 판이하게 다르다. 수재 슬래그는 용융상태의 슬래그에 물을 분사하여 급랭시키므로 결정이 구상(球狀)으로 형성될 수 있는 충분한 시간적 여유가 없어 유리질의 침상(針狀) 결정이 형성된다. 따라서 수재 슬래그는 바늘처럼 가늘고 끝이 뾰족한 침상 결정 때문에 콘크리트 작업 환경에 유해하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 수재슬래그의 침상 결정을 파괴하여 구상화시킴으로써 산업현장에서 부생하는 수재 슬래그를 안전하게 재활용하여 골재를 일부를 대체할 수 있는 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물은 시멘트와, 잔골재, 굵은 골재를 포함하고, 상기 잔골재는 30 내지 50중량%의 고로 수재 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고로 수재 슬래그는 침상결정을 파괴하여 구상화시킨 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물의 제조방법은 고로 수재 슬래그를 잘게 파쇄하는 단계와; 상기 고로 수재 슬래그의 침상결정을 파괴하여 구상화시키는 단계와; 상기 고로 수재 슬래그를 입자 크기별로 분류하는 선별단계와; 상기 선별된 고로 수재 슬래그를 포함하는 잔골재를 얻는 단계와; 상기 잔골재에 시멘트, 굵은 골재를 배합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 잔골재는 상기 고로 수재 슬래그를 30 내지 50중량% 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 수재슬래그의 침상 결정을 파괴하여 구상화시킴으로써 산업현장에서 부생하는 수재 슬래그를 안전하게 재활용하여 골재 일부를 대체할 수 있다.
도 1 및 도 2는 수재 슬래그의 입자를 나타낸 사진이고,
도 3은 콘크리트의 압축강도를 나타낸 그래프이고,
도 4 내지 도 6은 슬럼프 시험을 나타내는 사진이고,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조방법을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 콘크리트 조성물의 제조방법은 크게 수재 슬래그를 잘게 파쇄하는 단계와, 상기 수재 슬래그의 침상결정을 파괴하여 구상화시키는 단계와, 상기 수재 슬래그를 입자 크기별로 분류하는 선별단계와, 상기 선별된 수재슬래그를 포함하는 잔골재를 얻는 단계와, 상기 잔골재에 시멘트, 굵은 골재를 배합하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 이용되는 슬래그는 제철소의 제철공정에서 발생되는 고로 수재 슬래그를 이용한다. 고로 슬래그는 철광석, 코크스, 석회석을 고로에서 용융하면서 약 1500℃의 쇳물과 함께 광물성분이 용해되어 발생된다. 용융된 슬래그는 비중의 차이를 이용하여 쇳물과 분리하게 되는 데 냉각방법에 따라 공기 중에서 서서히 냉각시킨 괴재슬래그(palletized slag-air cooled)와 물을 분사하여 냉각시킨 수재슬래그(granulated slag-water cooled)로 구별된다.
본 발명에서는 수재슬래그를 이용한다. 본 발명에서 사용된 슬래그로 포스코 광양제철소에서 배출된 수재슬래그를 사용하였으며, 이의 조성은 하기 표1과 같다.
SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 MgO P2O5 TiO2 Zn
33.45 wt% 41.07 wt% 0.55 wt% 13.62 wt% 6.78 wt% 0.01 wt% 0.62 wt% 0.002 wt%
본 발명에 적용된 수재 슬래그는 SiO2 및 CaO를 주성분으로 한다. 여기서 '주성분'이란 SiO2 및 CaO가 합계량으로 수재 슬래그 전체 성분 중에 60중량% 이상 함유되어 있는 것을 말한다.
준비된 수재 슬래그는 냉각과정에서 수분이 포함되어 있으므로 건조시키는 것이 바람직하다. 건조 공정은 수재 슬래그를 건조로에 통과시켜 열풍건조시킨다. 이때 건조로의 내부 온도를 200 내지 400℃로 유지시키고 출구 온도는 80 내지 100℃로 유지한다. 그리고 건조로를 통과하는 시간은 20 내지 60분 정도 인것이 적당하다.
건조공정을 거친 수재 슬래그는 잘게 파쇄한다. 슬래그의 냉각공정에서 입자화된 수재 슬래그는 입자 크기별로 분류하여 각 크기에 따른 분쇄 공정을 달리 적용할 수 있다.
입자가 큰 수재 슬래그는 조 크라샤(jaw crusher)로 1차 분쇄를 하고, 다음으로 콘 크라샤(cone crusher), 샌드밀(sand mill)을 거쳐 분쇄된다. 그리고 입자가 비교적 작은 수재 슬래그는 콘 크라샤(cone crusher), 샌드밀(sand mill)을 거쳐 분쇄된다. 또한, 분쇄단계는 생산하고자 하는 주물사의 입자 크기에 따라 분쇄하는 과정이 적절히 조절될 수 있다. 분쇄단계에서 수득된 수재 슬래그는 0.1 내지 20mm의 크기를 갖는다.
다음으로 수재 슬래그의 침상결정을 파괴하여 구상화(球狀化)시키는 과정을 수행한다.
구상화 과정은 분쇄 또는 연마 방식이 적용될 수 있다. 분쇄방식으로 볼밀(ball mill), 진동밀 등을 적용할 수 있고, 연마방식으로 회전드럼을 이용할 수 있다. 연마방식을 이용하면 고속으로 회전하는 회전드럼의 원심력에 의하여 회전드럼 내에서 수재 슬래그 입자의 마찰에 의해 침상구조가 파괴된다. 이때 연마효율을 높이기 위해 회전드럼 내에 연마제가 투입될 수 있다.
상술한 구상화 과정에 의해 수재슬래그의 침상 결정은 파괴되고 구상화된 수재 슬래그를 얻을 수 있다.
다음으로 침상결정을 파괴한 구상화 수재 슬래그를 입자 크기별로 분류하는 선별단계를 수행한다. 선별단계에서 0.15 내지 10mm의 크기의 입자를 선별한다. 바람직하게 10mm, 5mm, 2.5mm, 1.2mm, 0.6mm, 0.3mm, 0.15mm 체눈크기의 표준체를 각각 통과하는 수재 슬래그의 중량 백분율이 10mm 100%, 5mm 95~100%, 2.5mm 80~100%, 1.2mm 50~85%, 0.6mm 25~60%, 0.3mm 10~30%, 0.15mm 2~10%를 만족할 수 있는 입자를 선별한다.
선별과정이 완료되면 선별된 수재 슬래그를 함유하는 잔골재를 준비한다. 잔골재는 모래 50 내지 70중량%, 수재 슬래그 30 내지 50중량%를 함유하는 것이 바람직하다. 수재슬래그의 함량이 30중량% 미만이면 골재의 대체 효과가 낮고, 50중량%를 초과하게 되면 혼합성질이 부족하여 슬럼프 특성이 저하된다.
잔골재가 준비되면 시멘트, 굵은 골재, 물과 함께 배합하여 콘크리트 조성물을 조성한다. 상기 시멘트는 통상적인 포틀랜드 시멘트를 의미한다. 굵은 골재는 자갈, 쇄석 등 5mm 이상의 골재를 의미한다. 이외에 콘크리트 조성물은 통상적인 콘크리트 혼화제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 콘크리트 조성물의 재료들의 배합비는 공지의 콘크리트 조성물의 배합비와 동일하다. 가령, 콘크리트 조성물 1m3 당 물 150~180kg, 시멘트300 내지 350kg, 잔골재 800 내지 900kg, 굵은 골재 1000 내지 1100kg을 배합하여 조성한다.
상술한 본 발명의 콘크리트 조성물은 종래의 콘크리트에 사용되는 잔골재의 30 내지 50중량%를 수재 슬래그로 대체할 수 있어 잔골재로 사용하는 모래의 사용량을 크게 감소시킬 수 있다. 이와 함께 본 발명의 콘크리트 조성물로 제조된 콘크리트는 압축강도, 인장강도 및 휨강도 면에서 종래의 콘크리트에 비해 뒤지지 않는 물성을 갖는다.
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.
(실시 예1)
상기 표 1에 기재된 조성을 갖는 고로 수재 슬래그를 열풍건조시킨 후 파쇄한 다음 볼밀(WBTM-10, 웅비기계, 한국)과 진동밀(CVM-650, 웅비기계, 한국)을 각각 이용하여 침상 결정을 파괴시켜 구상화 수재 슬래그를 얻었다.
그리고 구상화 수재 슬래그 257kg과 모래 601kg을 혼합하여 잔골재를 준비한 다음 물 162kg, 시멘트 305kg, 굵은 골재 1013kg을 배합하여 콘크리트 조성물 1m3을 제조하였다.
(실시 예 2)
상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 콘크리트 조성물을 제조하되, 구상화 수재 슬래그 429kg과 모래 429kg을 혼합하여 잔골재를 준비하였다.
(비교예 1)
상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 콘크리트 조성물을 제조하되, 잔골재로 모래 100%를 적용하였다.
(비교예 2)
상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 콘크리트 조성물을 제조하되, 구상화시키지 않은 수재슬래그를 이용하였다.
상술한 실시 예 1 및 2와 비교 예 1 및 2의 조성을 하기 표 2에 정리하였다.

구분
시멘트(kg/m3)
물(kg/m3)
굵은골재(kg/m3)		 잔골재(kg/m3)
모래 수재슬래그
실시예1 305 162 1013 601 257
실시예2 305 162 1013 429 429
비교예1 305 162 1013 858
비교예2 305 162 1013 601 257
<제 1시험예: 구상화 방식에 따른 입도 분포>
구상화 방식에 따른 수재 슬래그의 입도 분포를 살펴보기 위해 상기 실시 예 1에서 얻은 수재 슬래그의 체통과율을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 구상화 방식으로 볼밀, 진동밀을 각각 이용하여 10, 20, 30분간 가공하였다. 그리고 이와 비교하기 위해 구상화 전의 수재슬래그의 결과를 함께 나타내었다.


구분
 체통과율(%)
체눈크기(mm) 10 5 2.5 1.2 0.6 0.3 0.15
상한 100 100 100 85 60 30 10
하한 100 95 80 50 25 10 2
구상화 전 100 99.8 98.5 76.4 31.3 9.8 2.7


구상화 후
 볼밀 10분 100 100 99.8 91.9 45.3 14.6 4.0
볼밀 20분 100 100 99.7 93.7 52.7 20.5 7.1
볼밀 30분 100 100 99.9 96.5 60.1 24.7 8.8
진동밀10분 100 100 100 96.9 52.2 18.3 5.8
진동밀20분 100 100 100 99.0 58.6 22.5 7.4
진동밀30분 100 100 100 99.7 69.2 30.6 13.1
볼밀10분 30%:모래 70% 100 99.4 94.5 80.7 47.3 16.2 3.1
볼밀10분 50%:모래 50% 100 99.6 97.6 83.2 49.7 17.1 4.3
상기 표 3의 결과를 참조하면, 볼밀로 10분 동안 구상화한 경우 가장 적합한 것으로 나타났다.
그리고 도 1 및 도 2에 구상화 전과 볼밀로 10분 동안 구상화한 슬래그의 입자 사진을 나타내었다. 도 1을 보면 구상화 전에 슬래그에는 다수의 침상 결정들이 존재함을 알 수 있다. 그리고 도 2에 나타난 바와 같이 구상화 후에는 슬래그의 침상 결정들이 파괴되어 비교적 둥근 구상화 입자 형태로 존재함을 확인할 수 있다.
<제 2시험 예: 압축강도시험>
상기 실시 예 1 및 2, 비교예 1 및 2의 콘크리트 조성물로 제조된 콘크리트의 압축강도 시험을 하였다. 실시 예 1 및 2의 콘크리트 조성물은 볼밀로 10분 동안 구상화한 슬래그를 이용하였다.
시험은 한국산업규격(KS) F 2405에 규정된 방법으로 실시하였다. 결과를 평가하기 위하여 한국산업규격(KS) F 2403의 다짐방법으로 제조된 지름 10cm, 높이 20cm인 공시체(specimen)를 제조하였다.
하기 표 4에 한국산업규격(KS) F 2403의 다짐방법으로 제조된 공시체의 압축강도를 측정하여 나타내었다.
구분
(21MPa기준)		 3일 7일 28일 60일 90일
MPa 증진율(%) MPa 증진율(%) MPa 증진율(%) MPa 증진율(%) MPa 증진율(%)
실시예1 6.8 32.4 18.3 87.1 27.3 130 28.5 135.7 29.2 139.0
실시예2 6.2 29.5 17.7 84.3 26.5 126.2 27.9 132.9 28.7 136.7
비교예1 5.1 24.3 17.1 81.4 25.2 120 27.2 129.5 28.0 133.3
비교예2 5.3 25.2 17.2 81.9 25.8 122.9 27.4 130.5 28.2 134.3
상기 표 4의 결과는 도 3에 그래프로 정리하였다. 상기 표 4 및 도 3의 결과를 참조하면, 7일간의 양생 후 압축 강도 결과 실시 예 1의 압축강도는 비교 예 1 및 2에 비해 5.7% 초기강도 증진이 높은 것으로 나타났다.
그리고 28일간의 양생 후 압축 강도 결과 역시 10%이상 효과를 나타내고 있으며, 장기압축강도 측정결과에서도 비교 예 1 및 2에 비해 향상된 것으로 보이고 있다.
<제 3시험예: 슬럼프, 공기량, 염화물 값 측정>
실시 예 1 및 2, 비교예 1의 콘크리트 조성물에 대한 슬럼프, 공기량, 염화물 값을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. 하기 표 5의 비교예 3은 잔골재로 구상화된 수재슬래그 100%를 적용한 콘크리트 조성물이다.
구분 슬럼프(mm) 공기량(%) 염화물(kg/m3)
비교예1 120 4.2 0.016
비교예3 180 5.0 0.027
실시예1 130 4.5 0.019
실시예2 120 4.5 0.018
상기 표 5를 참조하면, 모래 100%를 사용한 비교예 1과 비교해볼 때 실시 예 1 및 2의 경우 슬럼프, 공기량, 염화물 값이 모두 양호하여 콘크리트로서 품질이 적합한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 도 4 및 도 5에 나타난 사진을 통해서도 확인할 수 있다. 하지만, 수재슬래그 100%를 사용한 비교예 3의 경우 도 6에 나타난 바와 같이 재료분리 현상에 의해 반죽이 무너져 슬럼프 값이 높게 나타났다. 이는 수재슬래그만을 잔골재로 적용하게 되면 재료 간의 혼합성질이 부족할 것으로 판단된다. 따라서 잔골재 중 수재슬래그의 함량은 30 내지 50중량%인 것이 바람직하다.
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 (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 고로 수재 슬래그를 내부 온도 200 내지 400℃로 유지되는 건조로에서 20 내지 60분 동안 건조시키는 단계와;
    상기 건조된 고로 수재 슬래그를 0.1 내지 20mm의 크기로 잘게 파쇄하는 단계와;
    상기 파쇄된 고로 수재 슬래그를 볼밀에서 10분 동안 분쇄하여 상기 고로 수재 슬래그의 침상결정을 파괴하여 구상화시키는 단계와;
    상기 침상결정이 파괴된 고로 수재 슬래그 중 0.15 내지 10mm 크기의 입자를 선별하는 선별단계와;
    상기 선별된 고로 수재 슬래그 30 내지 50중량%, 모래 50 내지 70중량%를 혼합하여 잔골재를 얻는 단계와;
    상기 잔골재에 시멘트, 굵은 골재를 배합하는 단계;를 포함하고,
    상기 선별단계는 상기 침상결정이 파괴된 고로 수재 슬래그를 10mm, 5mm, 2.5mm, 1.2mm, 0.6mm, 0.3mm, 0.15mm 체눈크기의 표준체에 각각 통과시켜 10mm 표준체를 통과하는 상기 고로 수재 슬래그의 중량 백분율이 100%, 5mm 표준체를 통과하는 상기 고로 수재 슬래그의 중량 백분율이 95~100%, 2.5mm 표준체를 통과하는 상기 고로 수재 슬래그의 중량 백분율이 80~100%, 1.2mm 표준체를 통과하는 상기 고로 수재 슬래그의 중량 백분율이 50~85%, 0.6mm 표준체를 통과하는 상기 고로 수재 슬래그의 중량 백분율이 25~60%, 0.3mm 표준체를 통과하는 상기 고로 수재 슬래그의 중량 백분율이 10~30%, 0.15mm 표준체를 통과하는 상기 고로 수재 슬래그의 중량 백분율이 2~10%를 만족하는 입자를 선별하는 것을 특징으로 하는 수재 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물의 제조방법.
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