KR101477145B1

KR101477145B1 - Ｐｈｃ 파일용 골재 제조방법 및 이를 이용한 ｐｈｃ 파일 제조용 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR101477145B1
Application number: KR1020120034510A
Authority: KR
Inventors: 송기용; 김길희; 류득현
Original assignee: 이엑스티 주식회사; 공주대학교 산학협력단; 유진기업 주식회사
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2014-12-29
Also published as: KR20130112266A

Abstract

PHC 파일용 골재 제조방법이 개시된다. PHC 파일용 골제 제조방법은 전기로에 의한 제강 과정에서 발생되는 전기로 슬래그 중 조성 성분이 산화철을 포함하는 용융 전기로 산화 슬래그를 냉각하는 단계; 냉각된 상기 전기로 산화 슬래그를 파쇄하는 단계; 파쇄된 상기 전기로 산화 슬래그를 자력으로 철분의 성분별로 선별하는 단계; 및 파쇄된 상기 전기로 산화 슬래그를 체가름하여 분리하는 단계;를 포함한다. 따라서, 전기로 철강 제조과정에서 발생하는 산업폐기물인 슬래그를 이용하여, 천연골재를 대체할 수 있으므로, 친환경적이며, 에너지 소모량이 많은 오토클레이브 공정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.

Description

ＰＨＣ 파일용 골재 제조방법 및 이를 이용한 ＰＨＣ 파일 제조용 콘크리트 조성물{Method for fabrication of aggregate used in PHC pile and Concrete composition for fabrication PHC pile using the same}

본 발명은 PHC 파일용 골재 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 PHC 파일 제조용 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건물의 기초에 사용되는 PHC 파일의 제조과정에 콘크리트와 함께 혼합되는 골재의 제조방법 및 이에 의해 생산된 골재를 포함하는 PHC 파일 제조용 콘크리트 조성물에 과한 것이다.

PHC 파일이란 Pretensioned spun High strength Concrete의 약자로서, 원심력을 응용하여 만든 것으로서, 콘크리트의 압축강도가 78.5N/mm² 이상인 프리텐션 방식에 의한 고강도 말뚝을 말한다.

PHC 파일은 프리스트레스용 강선과 강선 지지하는 콘크리트 기둥으로 이루어져 있다. PHC 파일의 제조방법은 형틀에 강선 및 철선을 편성하는 단계와, 형틀에 골재와 함께 혼합된 콘크리트를 타설하는 단계, 형틀을 조립후, 강선을 인장하여, 원심 회전성형하는 단계, 70도 내외의 온도로 1차 양생하는 단계, 인장한 강선 양단을 풀어서, 파일에 응력을 도입하는 단계, 고온고압양생하는 오토클레이브 단계를 포함한다.

이와 같은 PHC 파일의 제조에는 많은 비환경적인 요소가 있다. 첫 째는, 콘크리트와 함께 많은 천연 골재를 사용하고 있어, 천연 골재 채취에 따른 환경 파괴가 있다는 점이다. 둘 째는, 오토클레이브 단계에서 많은 연료, 및 전력을 소요한다는 단점이 있다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 천연골재를 사용하지 않으면서, 자원을 재활용할 수 있으며, 에너지 소모가 많은 오토클레이브 과정을 생략할 수 있는 PHC 파일용 골재 제조방법 및 이를 이용한 PHC 파일 제조용 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 전기로에 의한 제강 과정에서 발생되는 전기로 슬래그 중 조성 성분이 산화철을 포함하는 용융 전기로 산화 슬래그를 냉각하는 단계; 냉각된 상기 전기로 산화 슬래그를 파쇄하는 단계; 파쇄된 상기 전기로 산화 슬래그를 자력으로 철분의 성분별로 선별하는 단계; 및 파쇄된 상기 전기로 산화 슬래그를 체가름하여 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일용 골재 제조 방법을 제공한다.

여기서, 상기 냉각하는 단계 이전에, 상기 용융 전기로 산화 슬래그에 알루미늄등의 환원제를 첨가하여 산화철을 분리하는 단계; 상기 산화철을 분리하는 단계 이후에, 이산화 규소를 첨가하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 카테고리로서, 전술한 방법에 의해 제조된 PHC 파일용 골재를 잔골재로 사용하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조용 콘크리트 조성물이 제공된다.

여기서, 상기 잔골재와 일반 굵은 골재의 비율이 33~39 중량부인 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

먼저, 전기로 철강 제조과정에서 발생하는 산업폐기물인 슬래그를 이용하여, 천연골재를 대체할 수 있으므로, 친환경적이다.

또한, 위와 같은 방법은 제조된 골재 및 상기 골재를 사용한 콘크리트 조성물에 의해 제조된 PHC 파일은 강도가 강하며, 수분흡수율이 낮아 에너지 소모가 많은 오토클레이브 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.

그리고, 성분에 철성분 함유량을 조절할 수 있어, 인장강선과 최적의 결합력을 가지는 골재를 생산할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 PHC 파일용 골재 제조방법을 단계별로 표시한 순서도
도 2는 잔골재 굵은골재 비율별 생산된 PHC파일의 절단단면사진

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 PHC 파일용 골재 제조방법을 단계별로 표시한 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 PHC 파일용 골재 제조방법은, 전기로에 의한 제강 과정에서 발생되는 전기로 슬래그 중 조성 성분이 산화철을 포함하는 용융 전기로 산화 슬래그를 냉각하는 단계(100)와, 냉각된 상기 전기로 산화 슬래그를 파쇄하는 단계(200)와, 파쇄된 상기 전기로 산화 슬래그를 자력으로 철분의 성분별로 선별하는 단계(300)와, 파쇄된 상기 전기로 산화 슬래그를 체가름하여 분리하는 단계(400)를 포함한다.

상기 냉각하는 단계(100) 이전에, 용융 슬래그 전처리 단계(500)를 포함한다.

전처리 단계(500)는, 상기 용융 전기로 산화 슬래그에 알루미늄등의 환원제를 첨가하여 산화철을 분리하는 단계(510)와, 상기 산화철을 분리하는 단계 이후에, 이산화 규소를 첨가하는 단계(520)를 포함한다.

철강 슬래그는 크게 고로 슬래그(Blast Furnace Slag)와 제강 슬래그(製鋼, Steel Slag)로 구분되고, 제강 슬래그는 다시 전기로 슬래그(Electric Arc Furnace Slag)와 전로 슬래그(Converter Slag)로 구분된다.

고로 슬래그란 철광성, 코크스, 석회석을 원료로 선철을 만들어 내는 소결 및 제선 공정에서 발생되는 슬래그(용광로-고로)를 말하고, 전로 슬래그란 선철을 이용한 철강을 제조하는 제강 공정에서 발생되는 슬래그(용광로-전로)를 말하며, 전기로 슬래그란 고철을 주원료로 하는 제강 공정에서 발생하는 슬래그(용광로-전기로)를 말한다.

전기로에 의한 제강의 과정에 생기 용융 산화 슬래그의 조성성분은 산화 칼슘이 24.9%, 산화 알루미늄이 8.3%, 이산화규소15.0%, 산화망간이 7.0%, 산화 마그네슘이 3/2%, 산화 크롬이 2.0%, 산화철이 36.1%이 있으며, 불안정한 광물상(팽창 반응성 잠재)으로 유리석회(Free-CaO), 유리 마그네시아 등이 있다.

산화철은 유가 금속으로 재활용이 가능하므로 너무 많은 양의 산화철을 골재로 사용하는 것은 자원의 낭비이므로 이의 환원이 필요하다. 또한, 후술하는 실험결과에서 알 수 있듯이 산화철이 많이 함유될 경우, 강도를 향상시키는 효과는 있으나, 흡수율을 증대시킨다는 단점이 있다. 따라서, 적절한 비율의 산화철을 유지하는 것이 필요하다.

산화철 분리단계(510)는 환원제인 Al₅₀을 4~5kg/cm² 의 압축 질소와 함께 용융 슬래그에 불어 넣어 교반하면, 산화철이 분리되어 슬래그 용기의 바닥에 침전된다. 이와 같이 하여 슬래그에 잔존하는 산화철의 비율을 조절할 수 있다.

전기로 슬래그 중 유리석회(Free-CaO)는 물과 반응 시 팽창의 특성을 지닌다는 단점이 있다.

따라서, 유리석회의 함유량이 1% 이상인 경우 팽창 붕괴 발생의 가능성이 있어 추후에 PHC 파일의 구조 안전도에 영향을 미칠 수 있다.

이산화 규소를 첨가하는 단계(520)는 천연규사를 첨가하고 압축질소를 송풍한 후 충분히 교반하는 것을 의미한다. 이와 같이, 천연규사을 주입한 후 교반을 하면, 유리 석회가 석회석과 규사로 반응되어 팽창의 우려를 제거할 수 있다.

산화 슬래그를 냉각하는 단계(100)는 흙속에서 서서히 냉각하는 토간 냉각(110)과, 팬을 이용하여 급속 냉각(120)하는 방법과, 입화하여 미스트로 냉각(130)하는 방법이 있다. 토간냉각의 경우 서서히 냉각되어 결정질이 크게 형성되어 파쇄시 굵은 골재을 형성하기 쉬우며, 급속 냉각의 경우 결정질이 작게 형성되어 파쇄의 정도에 따라서 굵은 골재 뿐만 아니라, 잔골재도 쉽게 형성할 수 있다는 장점이 있다. 미스트 냉각의 경우 별도의 파쇄 공정없이 잔골재로 형성할 수 있다는 장점이 있다.

파쇄하는 단계(200)는 토간냉각을 거친 경우 하는 거친 파쇄(210)와, 거친 파쇄(210) 후 및 팬 냉각 후 최종 파쇄(220)를 포함한다.

자력 선별은 일정한 크기의 자기력을 가해서, 철분 비율에 따라 분리하여, 철분 비율이 많은 경우 다시 전처리 단계(500)를 처리하여, 일정한 철분성분이 유지가 되도록 한다.

그 다음 체가름 단계(400)에서 원하는 크기의 골재를 선별한다.

전술한 방법을 이용하여 생산된 골재의 산화철 비율에 따른 물성치를 측정하여 보면, 아래의 표1과 같다.

산화철 성분비	1.1%	4.4%	27.9%	화강암
흡수율	0.30%	0.32%	0.35%	0.43%
굽힘강도(kg/cm2)	468	480	543	163
비커스 경도(Kg/cm2)	1661	1717	1837	1570
내열온도(°C)	825	875	950	575

표1에서 확인할 수 있듯이, 일반 골재로 사용되는 화강암에 비해, 본 발명의 일실시예로 제조된 골재는 흡수율, 굽힘강도, 비커스 경도 및 내열온도 면에서 모두 우수함을 알 수 있다. 따라서, 적은 양의 콘크리트를 사용하여도 종래와 동일한 강도를 얻을 수 있어, 사용되는 시멘트 및 골재의 양을 줄일 수 있다.

표 2 내지 4는 전술한 제조방법으로 제조된 골재를 사용한 콘크리트 응결시간을 나타낸 것이다.

아래의 표들에서, 범례에 표기된 기호는 아래와 같다.

'ST'- 전기로 골재를 사용하지 않고, 일반 골재만을 사용한 경우

'EG'- 잔골재로서 일반 골재만 사용하고, 굵은 골재로서 부분적 또는 전체적으로 전기로 슬래그를 사용한 경우(EG25는 전기로 슬래그 굵은 골재 25중량%, 일반 굵은 골재 75중량%(전체 굵은 골재량 대비)를 사용했음을 의미)

'ES'-굵은 골재는 일반 골재만 사용하고, 잔골재로 부분적 또는 전체적으로 전기로 슬래그를 사용한 경우(ES25는 전기로 슬래그 잔골재 25중량%, 일반 잔골재 75중량%(전체 잔 골재량 대비)를 사용했음을 의미함)

전기로 슬래그의 잔 골재 대체율이 증가할수록 응결 시간은 단축되는 경향을 나타냈는데, 이는 응결시험 방법상 블리딩수를 제거해야 하기 때문에 실질적으로 시험체 내부의 자유수가 상대적으로 감소하여 물-결합재비가 저하됨에 따른 효과인 것으로 판단된다.

표 5 내지 7은 재령별 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다.

전기로 슬래그의 잔 골재 대체율이 증가할수록 압축강도도 증가하는 경향 뚜렷하였고, 전기로 슬래그를 굵은 골재로 사용한 경우도 강도가 증가하지만 잔 골재로 사용한 경우에 비해 증가 효과는 미비하였다.

이는 전기로 슬래그의 밀도가 일반 골재에 비해 높기 때문에, 슬래그 골재에 의한 하중 부담이 증대되어 강도가 증가하는 것으로 파악된다. 따라서 전기로 슬래그를 콘크리트의 골재로 사용함에 있어서, 굵은 골재로 사용하는 것보다 잔 골재로 사용하는 것이 유리함을 확인할 수 있었다.

PHC 파일의 제조공정은 철근을 편성하여 원통형의 편성망을 형성하는 편성공정, 하부몰드에 편성망을 위치한 후, 콘크리트를 타설하는 공정, 상부몰드를 결합하는 공정, 고속으로 회전시켜 원심성형하는 공정, 1차 양생하는 공정, 탈형하는 공정 및 오토클레이브로 증기양생하는 공정으로 이루어진다.

즉, PHC 파일 제조공정은 일반 콘크리트 구조물과 상이하게 고속으로 회전하여, 콘크리트 조성물이 고압으로 압축되어 강성이 증대된다는 점에서 차이가 있다. 아래에서는 전기로 슬래그를 이용한 잔골재와, 일반 굵은 골재를 사용하되, 잔골재와 일반골재의 비율을 달리하여, PHC파일을 제조한 결과이다. 본 실험에 사용된 굵은 골재의 최대치수는 19mm이며, 물시멘트비(W/B)는 20%이며, 분체량은 574kg/m³이며, 사용된 시멘트 혼화제는 2중량% 사용되었으며, 시멘트와 무수석고의 비율은 90/10이다.

잔골재/굵은골재(s/a)-중량기준	1일강도(MPa)
30	75.4
33	85.6
36	80.6
39	84.9
42	85,4

위의 표로부터, 전기로 슬래그를 이용한 잔골재와, 일반 굵은 골재의 중량비가 33 이상에서 1일강도(하루동안 건조 후의 강도)가 80MPa 이상으로 월등히 높음을 알 수 있다. 이와 같이, 조기강도인 1일 강도가 월등히 높음으로써, 조기강도 발현을 위한 오토글래이브(Auto clave) 양생 과정을 생략할 수 있다. 따라서, PHC파일 제조공정에서 가장 많은 에너지를 소모하는 공정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 잔골재 굵은 골재 비율이 42를 초과하는 경우, 도 2와 같이, 공시체 외부에 슬래그 잔골재가 쏠리는 현상이 발생한다. 도 2에서 보듯이 잔골재 비율이 증대될 수록 공시체 외부(도 2를 기준을 상측)로 검은 색의 잔골재가 쏠려있는 것을 확인할 수 있다. 이는 전기로 슬래그의 비중이 일반골재에 비해서 높아서 원심분리현상이 발생하는 것으로 추정된다. 이로 인해서 전체적인 압축강도에는 큰 문제는 없으나, PHC 파일의 내측의 강성이 줄어드는 영향이 있을 것으로 판단된다. 따라서, 잔골재 굵은 골재비율이 33~39가 PHC 파일의 제조를 위해서는 최적의 범위인 것으로 판단된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100: 전기로 산화 슬래그를 냉각하는 단계
200: 전기로 산화 슬래그를 파쇄하는 단계
300: 자력 선별 단계
400: 체가름 분리하는 단계
510: 산화철을 분리하는 단계
520: 이산화 규소를 첨가하는 단계

Claims

전기로에 의한 제강 과정에서 발생된 전기로 슬래그를 이용하여 제조된 잔골재와 일반 굵은 골재를 포함하고,
상기 잔골재와 상기 일반 굵은 골재의 중량기준 비율(잔골재 중량/일반 굵은 골재 중량)이 33~39며,
상기 잔골재는,
전기로에 의한 제강 과정에서 발생되는 전기로 슬래그 중 조성 성분이 산화철을 포함하는 용융 전기로 산화 슬래그를 냉각하는 단계; 냉각된 상기 전기로 산화 슬래그를 파쇄하는 단계; 파쇄된 상기 전기로 산화 슬래그를 자력으로 철분의 성분별로 선별하는 단계; 및 상기 선별하는 단계에서 선별된 상기 전기로 산화 슬래그를 체가름하여 잔골재를 분리하는 단계;를 포함하는 PHC 파일용 골재 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조용 콘크리트 조성물.
삭제
하부몰드에 철근을 편성하여 형성된 편성망을 위치하는 단계;
상기 하부몰드에 일반 굵은 골재 및 전기로 슬래그를 이용한 잔골재가 함께 혼합된 콘크리트를 타설하는 단계; 및
상기 하부몰드에 상부몰드를 결합하여 원심성형하는 단계;를 포함하며,
상기 전기로 슬래그 잔골재와 상기 일반 굵은 골재 중량기준 비율(잔골재 중량/일반 굵은 골재 중량)이 30~42인 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조방법.
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