KR101834777B1 - 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법 - Google Patents

전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 제조에 사용되던 시멘트를 기존 대비 80% 이상 절감할 수 있으며, 조기강도 발현이 가능한, 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.

Description

전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF ENVIRONMENT-FRIENDLY READY-MIXED CONCRETE FOR SAVING CEMENT USING ELECTRIC ARC FURNACE REDUCING SLAG}
고로슬래그는 잠재수경성을 가지고 있는 물질로서 단독으로 수화하지 못하여 알칼리 조건이 형성되어야 수화가 가능하다. 이와 같은 이유로, 종래에는 알카리 자극제로 특급시약 등을 활용하였으나 경제성 등의 문제로 상용화가 어려웠다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제를 해결하고, 콘크리트 제조에 사용되던 시멘트를 기존 대비 80% 이상 절감할 수 있으며, 조기강도 발현이 가능한, 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.
레디믹스트 콘크리트(Ready-mixed concrete, 레미콘)는 설비를 갖춘 고장에서 제조한 굳지 않은 프레시 콘크리트(fresh concrete)로, 뛰어난 성형성, 안전성, 내구성 등의 특성으로 건설공사에서 보편적으로 적용되는 기초재료이다.
건설공사의 필수자재인 레미콘은 연간 수요가 1억4천만㎥에 달할만큼 큰 시장규모를 가지고 있으나 공급업체수 또한 지속적으로 증가하여 2013년 12월말 기준으로 업체수 951개, 배쳐플랜트 1,343기수로 생산능력이 5억4천만㎥에 달해 대표적인 공급과잉 품목으로 분류되고 있는 실정이다.
따라서 과당경쟁으로 많은 문제점을 야기하고 있는 것은 주지의 사실이며 특히나 굳지 않은 반제품 상태인 제품의 특성상 자재 및 생산관리가 품질확보를 위해 가장 중요한 요인이나 지나친 가격 경쟁에 의해 소홀히 되고 있는 실정이다.
본 발명은 레미콘 제조비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 시멘트의 사용량을 80% 이상 줄임으로써 레미콘의 가격 경쟁력 및 품질안정성을 확보하고, CO2 과다 배출 등 대표적인 환경부하 가중 품목인 시멘트의 제조 및 사용시 발생하는 환경적, 경제적 부담을 완화하고자 한다.
레미콘은 시메트, 잔골재, 굵은골재, 물로 구성되며 구성재료 중 중량 1t 기준 가격은 시멘트가 78,000원, 골재가 10,000원으로 원재료비용 중 시멘트가 차지하는 비중이 가장 크다. 따라서 제조비용의 절감을 위해서는 시멘트의 사용량을 과학적 근거를 기초로 합리적으로 제한하는 것이 가장 효과적인 방안이다.
현재와 같은 가격주조 및 과당경쟁체제에서는 원가절감의 이유로 근거없이 임의로 시멘트의 사용량을 줄이는 경우까지 발생하게 되어 구조물의 내구성 및 안전성을 위협하고 있는 실정이다.
시멘트 제조업은 대표적인 환경오염산업으로 분류되고 있으며 시멘트의 제조 및 사용상의 안전성 검증에 대한 요구가 끊임없이 이어지고 있으나, 건설재료 사용량의 20%에 달하는 시멘트에 대한 대안이 없는 상황에서 대책 수립은 요원한 실정이다.
시멘트의 주원료인 석회석은 공정중 1,200℃ 이상의 고온 소성과정에서 산화칼슘과 CO2로 분해하게 되는데 이 과정에서 CO2가 대량으로 발생하게 되며 통상 시멘트 1t 생산량 기준으로 0.8~0.9t의 CO2를 배출하는 것으로 알려져 있다.
또한 소성원료로 사용되고 있는 유연탄은 대부분 수입에 의존하고 있으며, 폐타이어, 폐플라스틱, 폐유등을 보조연료로 사용함에 따라 환경오염에 대한 우려가 커지고 있으나 배출가스에 대한 규제 기준을 설정하여 관리하고 있는 외국과는 달리 우리의 경우 허용기준도 마련되어 있지 않은 실정이다.
그리고 시멘트 공정중 발생하는 분진은 공기역학적 직경이 0.05~5.0㎛ 수준의 미세한 호흡성 분진으로 노출시 진폐증, 만성폐쇄성 폐질환, 폐암을 유발하게 되며, 실제 탄분진에 의한 진폐증은 점차 감소하고 있으나 시멘트 분진에 의한 진폐증은 증가 추세이며 COPD와 폐암등 다양한 건강피해를 일으키고 있어 대책이 필요하다.
철강 슬래그는 크게 고로슬래그와 제강슬래그로 구분되는데 고로슬래그의 경우 70% 이상이 고부가가치산업에 재활용되고 있으나 제강슬래그의 경우 불안정한 화학조성과 미반응 유리석회(free-CaO)의 높은 함량으로 활용율이 제한적이다.
상기 제강슬래그는 팽창성반응에 의한 자체붕괴가 일어나게됨에 따라 장기간 aging을 거쳐 노반재료로 활용되고 있으나 이 또한 원지반이 불안정해진다는 이유로 사용이 꺼려지고 있으며 aging 과정에서 침출수, 비산먼지등의 문제점을 야기한다.
따라서 연간 900만톤에 달하는 제강슬래그의 자원화 및 고부가가치화에 관한
연구가 필요하며 본 연구에서는 전기로 환원슬래그를 활용하여 고로슬래그 미분말의 표면 개질을 통해 수경성을 부여함에 따라 고가의 결합재인 시멘트의 사용량을 80% 이상 절감하면서, 강도, 작업성, 내구성등 품질이 확보된 레미콘의 제조 기술을 확보하고자 한다.
대한민국 등록특허 10-1159913(등록일자 2012.06.19) 대한민국 등록특허 10-1193750(등록일자 2012.10.16) 대한민국 등록특허 10-1328613(등록일자 2013.11.06) 대한민국 등록특허 10-1210595(등록일자 2012.12.04) 대한민국 등록특허 10-0942032(등록일자 2010.02.04) 대한민국 공개특허 10-2011-0066124(공개일자 2011.06.16) 대한민국 등록특허 10-1014869(등록일자 2011.02.08)
본 발명은 레미콘 제조 비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 시멘트의 사용량을 대폭 절감할 수 있고, 시멘트 대체제의 개발을 통한 환경부담을 완화시키며, 전기로 슬래그의 자원화 및 고부가가치화를 이룰 수 있도록 하는, 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 전기로 환원 슬래그 50~80wt%, 플라이애시 10~30wt%, 석고 5~20wt%를 혼합하는 단계(S10)와,
상기 단계(S10)를 거쳐 생성된 혼합물을 1차 분쇄하는 단계(S20)와,
상기 단계(S20)를 거쳐 생성된 분쇄 혼합물을 소성하는 단계(S30)와,
상기 단계(S30)를 거쳐 생성된 소성물을 2차 분쇄하여 알칼리 자극제를 제조하는 단계(S40)와,
상기 단계(S40)를 거쳐 제조된 알칼리 자극제, 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC), 고로슬래그 미분말, 물(water), 잔골재, 부순잔골재, 부순굵은골재, 혼화제를 혼합하여 콘크리트를 조성하는 단계(S50)를 포함하여 이루어지는 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법은 다음의 효과를 갖는다.
첫째. 기존에 콘크리트용 재료로 활용되지 않고 있던 전기로 환원슬래그를 알칼리 자극제로 활용함으로써, 기존에 비해 시멘트 사용량을 80%이상 절감하여 높은 경제성을 확보할 수 있고, 초기강도 확보를 통해 거푸집 탈영시간의 개선이 가능하다는 장점을 갖는다.
둘째. 레미콘 제조 비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 시멘트의 사용량을 대폭 절감함으로써 가격 경쟁력을 확보할 수 있고, 또한 시멘트 대체제 개발을 통한 환경부담을 완화시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
셋째. 전기로 슬래그의 자원화 및 고부가 가치화가능하다.
도 1은 본 발명의 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법에 따른 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 레디믹스트 콘크리트 현장 시험을 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 레디믹스트 콘크리트 공시체 재령 3일 압축강도 평균을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 레디믹스트 콘크리트 공시체 재령 7일 압축강도 평균을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 레디믹스트 콘크리트 공시체 재령 28일 압축강도 평균을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 레디믹스트 콘크리트의 시험결과에 대한 분석결과를 나타낸 그래프.
도 7은 지연제 적용에 따른 레디믹스트 콘크리트의 유동특성 및 압축강도 특성을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명에 따른 기술 구성에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법은,
전기로 환원 슬래그 50~80wt%, 플라이애시 10~30wt%, 석고 5~20wt%를 혼합하는 단계(S10)와,
상기 단계(S10)를 거쳐 생성된 혼합물을 1차 분쇄하는 단계(S20)와,
상기 단계(S20)를 거쳐 생성된 분쇄 혼합물을 소성하는 단계(S30)와,
상기 단계(S30)를 거쳐 생성된 소성물을 2차 분쇄하여 알칼리 자극제를 제조하는 단계(S40)와,
상기 단계(S40)를 거쳐 제조된 알칼리 자극제 0.1~0.5wt%, 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC) 1~5wt%, 고로슬래그 미분말 10~15wt%, 물(water) 6~15wt%, 잔골재 20~35wt%, 부순잔골재 10~15wt%, 부순굵은골재 35~45wt%, 혼화제 0.07~0.15wt%를 혼합하여 콘크리트를 조성하는 단계(S50)를 포함하여 이루어진다.
전기로에서는 철 스크랩을 전기아크열로 용애하고 산소를 불어넣고 생석회를 투입해서 철 스크랩 중의 불순물을 제거하는 공정에서 산화슬래그가 발생되며, 용융된 용강을 다시 2차 정련로에서 합금철과 생석회를 넣어 O2와 S를 제거하는 공정에서 환원슬래그가 발생된다. 이들 산화슬래그와 환원슬래그를 합쳐서 전기로 슬래그라고 부른다.
산업부산물인 전기로 환원슬래그에는 열연, 형강, 봉강공정등 공정마다 다소간의 차이는 있을수 있으나 CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2 등이 다량 함유되어있어, 조기강도 증진이 가능한 CSA(Calcium Sulfo Aluminate)계 자극제로 활용이 가능하다.
아래의 표 1은 전기로 환원슬래그의 화학 조성을 표기한 것이다.
전기로 환원슬래그의 화학 조성

SiO2

Al2O3
Fe2O3
CaO
gO
Na2O
K2O
SO3
F		 The
Others		 lg.
loss
Total

3.8
29.3
0.6
54.3
7.6
0.02
0.01
2.6
1.6
0.3
-
100.0
또한 산업부산물인 전기로 환원슬래그의 환경위해성 여부의 판단을 위해서는 Pb, Cu등의 중금속 함량의 분석이 필요하며 기기분석(I.C.P) 결과 시멘트 소성로에 사용하는 폐기물의 중금속 함량기준을 크게 하회하는 것으로 나타났다.(표 2 및 표 3)
전기로 환원 슬래그 기기분석 결과

Item
 Content of heavy metals(mg/㎏)
Pb Cu Cd As Hg
EAF reducing slag N.D 7.7 N.D 185.9 N.D
시멘트 소성로에 사용하는 중금속 함량 기준

Item		 Content of heavy metals(mg/㎏)
Pb Cu Cd As Hg
Copper slag <3,200 <10,000 <100 <900 <2
Zinc slag <7,000 <14,000 <60 <500 <2
Dust <4,000 <3,000 <100 <500 <2
CSA(Calcium Sulfo Aluminate)계 자극제는 CaO, Al2O3 및 SO3가 각각 4:3:1의 몰비로 결합되는 것이 이상적이기 때문에, 상기 전기로 환원슬래그의 사용량은 혼합물 전체 중량에 대해 50~80wt%의 범위 내로 한정하는 바람직하다.
플라이애시의 구성성분은 사용연료인 석탄의 질과 연소조건에 따라 변동의 폭이 크며, 0.5~100㎛ 정도의 크기로 구형의 glass질 입자와 미연소 탄소 및 부정형의 입자로 구성되어 있다.
플라이애시의 성분 중에 포함된 미연소 탄소는 그 함유량에 따라 검은 횟핵에서 밝은 회색에 이르기까지 색상이 다양하다. 플라이애시의 구성성분은 사용원료의 질에 따라 다소의 차이는 있으나 전국의 화력발전소에서 거의 비슷한 경향을 보이며, SiO2, Al2O3, Fe2O3의 양이 전체의 80% 이상을 차지한다.
상기 플라이애시를 사용하는 이유는 Al2O3 성분은 활용하기 위한 것으로 그 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 함량부족으로 Al2O3 성분을 충분히 활용하기 어렵고, 30wt%를 초과하게 되는 경우에는 Al2O3 양이 지나쳐 몰비를 만족하지 못하므로, 상기 플라이애시의 사용량은 혼합물 전체 중량에 대해 10~30wt%의 범위 내로 한정하는 바람직하다.
상기 석고는 초기강도 확보를 위해 사용하는 것으로서, 그 사용량이 5wt% 미만인 경우에는 초기 강도의 확보가 어렵고, 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 급결 및 팽창성으로 인해 양생과정 및 경화과정에서 탈락 등의 문제가 발생하게 되므로, 상기 석고의 사용량은 혼합물 전체 중량에 대해 5~20wt%의 범위 내로 한정하는 바람직하다.
상기 전기로 환원 슬래그 50~80wt%, 플라이애시 10~30wt%, 석고 5~20wt%의 혼합으로 조성된 혼합물은 1차 분쇄과정을 거친다. 상기 1차 분쇄과정은 미분쇄 효율성을 향상시키기 위해 5mm 이하로 분쇄한다.
상기 단계(S20)를 거쳐 분쇄된 혼합물은 소성과정을 거치게 되며, 이때 소성은 조강성 등의 기능성을 향상시키기 위해 1,300~1,400℃의 온도에서 소성한다.
이와 같이 소성과정을 거친 소성물은 2차 분쇄과정을 거침으로써 알칼리 자극제로 제조된다.
상기 2차 분쇄는 4,000 blaine(㎠/g)로 분쇄한다. 이때 4,000 blaine(㎠/g) 미만으로 분쇄되는 경우에는 수화반응이 지연되고, 4,000 blaine(㎠/g) 초과시에는 분쇄효율성이 저하되므로, 상기 2차 분쇄는 4,000 blaine(㎠/g)로 하는 것이 바람직하다.
잠재수경성을 가지는 고로 슬래그의 활성화를 위해 강알칼리 조건에서 수화반응을 유도하기 위해 Na나 K 계열의 알칼리 자극제를 사용하여 고로슬래그 미분말의 표면을 개질함으로써 시멘트 사용량을 대폭적으로 절감할 수 있다.
이러한 알칼리 자극제는 수화물의 알칼리량을 지나치게 높이게 됨에 따라 실리카질 골재와 사용하면 이상 팽창을 일으키는 알칼리골재반응을 유발할 수 있으며 수화반응에서 급결이나 내구성 저하를 일으킬 수 있다.
상기 알칼리 자극제는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC), 고로슬래그 미분말, 물(water), 잔골재, 부순잔골재, 부순굵은골재, 혼화제와 함께 혼합함으로써 콘크리트를 조성하게 된다.
상기 알칼리 자극제는 콘크리트 전체 중량에 대해 0.1~0.5wt%의 범위 내에서 배합된다.
상기 알칼리 자극제의 사용량이 0.1wt% 미만인 경우에는 강도 발현 등의 내구성에 문제가 생기며, 0.5wt%를 초과하게 되는 경우에는 과량 투입으로 오히려 강도가 저하되므로, 상기 알칼리 자극제의 사용량은 콘크리트 전체 중량에 대해 0.1~0.5wt%의 범위 내로 한정하는 바람직하다.
상기 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC)는 다음의 표 4에 제시된 물성을 갖는 것을 사용한다.
포틀랜드 시멘트 1종, Ordinary portland cement (OPC)의 물성
시험항목 단위 시험결과 시험방법
비중 (20 ℃) g/㎤ 3.15 KS L 5110 : 2001
분말도(비표면적, blaine) ㎤/g 3 430


KS L 5210 : 2013
안정도(오토클래이브 팽창도) % 0.13
응결시간(비카시험) - 초결 분 200
응결시간(비카시험) - 종결 시간 : 분 05 : 00
압축강도 - 28일 MPa 55.2
MgO % 2.9
SO3 % 2.4
강열감량 % 2.6
상기 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC)는 콘크리트 전체 중량에 대해 1~5wt%의 범위 내에서 배합된다.
상기 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량이 1wt% 미만인 경우에는 시멘트 수화에 따른 알칼리 환경 형성에 문제가 있고, 5wt%를 초과하게 되는 경우에는 초기 강도 확보 등 콘크리트 제조는 용이해지나 제조 원가의 상승으로 인해 본 발명의 목적인 레미콘 제조를 위한 경제성이 부족해지는 문제가 있으므로, 상기 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량은 콘크리트 전체 중량에 대해 1~5wt%의 범위 내로 한정하는 바람직하다.
상기 고로슬래그 미분말은 다음의 표 5에 제시된 물성을 갖는 것을 사용한다.
고로슬래그 미분말의 물성
시험항목 단위 시험결과 시험방법
밀도 g/㎤ 2.90

KS F 2563 :2009
비표면적 ㎤/g 4 330
플로값 비 % 102
활성도 지수 - 재령 7일 % 64
활성도 지수 - 재령 28일 % 101
활성도 지수 - 재령 91일 % 112
MgO % 3.4
SO3 % 0.6
강열감량 % 0.3
염화물 이온 % 0.003
본 발명에서는 전기로 환원슬래그를 활용하여 고로슬래그의 미분말의 표면 개질을 통해 수경성을 부여함에 따라 고가의 결합재인 시멘트의 사용량을 기존 대비 80% 이상을 절감하면서, 강도, 작업성, 내구성 등 품질이 확보된 레미콘을 제공할 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 콘크리트 전체 중량에 대해 10~15wt%의 범위 내에서 배합된다.
상기 고로슬래그 미분말은 시멘트 치환율과 비례해서 사용량이 결정되는 것으로서, 콘크리트 전체 중량에 대해 10~15wt%의 범위 내로 사용량을 한정하는 바람직하다.
상기 고로슬래그 미분말은 원재료를 밀에서 분쇄, Return 후 소정의 분말도까지 분쇄를 반복하는 공정을 통해 생산된다. 이와 같은 과정을 거쳐 생산된 고로슬래그 미분말은 4,000 blaine(㎠/g) ~ 6,500 blaine(㎠/g)의 분말도를 갖는다.
분말도의 증가에 따라 활성도가 증가하는 것으로 알려져 있으며, 미분말의 활성도 증가는 곧 시멘트의 사용량을 줄일수 있는 중요 요인으로 작용하게 된다. 이 과정에서 분말도 6,500 blaine대의 미분말을 만들기 위해서는 생산비용이 상당부분 증가하게 된다.
따라서 일정부분 강도증진의 효과는 확인되나 비용대비 효과가 크지 않은 것으로 나타남에 따라 일반적인 분말도 수준의 고로 슬래그 미분말을 적용이 현실적이다.
상기 고로슬래그 미분말의 크기가 4,000 blaine(㎠/g) 미만인 경우에는 활성도 부족으로 내구성 저하의 문제가 있고, 6,500 blaine(㎠/g)를 초과하게 되는 경우에는 생산비용의 증가로 경제성 확보가 어려우므로, 상기 고로슬래그의 분말도는 4,000 blaine(㎠/g) ~ 6,500 blaine(㎠/g)의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
고로슬래그 미분말은 원재료를 밀에서 분쇄, Return 후 소정의 분말도까지 분쇄를 반복하는 공정으로 생산되며 이 과정에서 분말도 6,500 blaine대의 미분말을 만들기 위해서는 생산비용이 상당부분 증가하게 된다.
상기 레디믹스트 콘크리트 혼합에 사용되는 물은 상수도물 이외의 물을 사용하는 것으로서, 표 6의 특성을 갖는 물을 사용한다.
레디믹스트 콘크리트 혼합에 사용되는 물의 특성
시험항목 단위 시험결과 시험방법
염소 이온(Cl-)량 mg/L 10 KS I 3206 : 2008
현탁 물질의 양 g/L 0.1

KS F 4009 : 2011
용해성 증발 잔류뮬의 양 g/L 0.1
시멘트 응결 시간의 차-초결 분 10
시멘트 응결 시간의 차-종결 분 5
모르타르 압축강도비-7일 % 100
모르타르 압축강도비-28일 % 101
상기 잔골재는 다음의 표 7에 제시된 물성을 갖는 것을 사용한다.
잔골재의 물성
시험항목 단위 시험결과 시험방법
입도(10 mm) % 100


KS F 2502 : 2014
입도(5mm) % 98
입도(2.5 mm) % 91
입도(1.2 mm) % 78
입도(0.6 mm) % 57
입도(0.3 mm) % 27
입도(0.15 mm) % 7
조립률 - 2.41 KS F 2526 : 2007
안정성(Na2SO4) % 4 KS F 2507 : 2007
표면 건조 포화 상태의 밀도 g/㎤ 2.57
KS F 2504 : 2014
절대 건조 상태의 밀도 g/㎤ 2.55
흡수율 % 0.9
점토덩어리 % 0.5 KS F 2512 : 2007
0.08 mm 체 통과량 % 2.3 KS F 2511 : 2007
염화물 0.001 KS F 2515 : 2014
유기불순물 kg/L 표준색 용액 보다 연함 KS F 2510 : 2002
단위용적질량(다짐봉시험) % 1.61 KS F 2505 : 2002
상기 부순잔골재는 다음의 표 8에 제시된 물성을 갖는 것을 사용한다.
부순잔골재의 물성
시험항목 단위 시험결과 시험방법
입도(10 mm) % 100

KS F 2502 : 2014
입도(5 mm) % 99
입도(2.5 mm) % 80
입도(1.2 mm) % 55
입도(0.6 mm) % 33
입도(0.3 mm) % 17
입도(0.15 mm) % 7
조립률 - 3.08 KS F 2526 : 2007
안정성(Na2SO4) % 4 KS F 2507 : 2007
표면 건조 포화 상태의 밀도 g/㎤ 2.58

KS F 2504 : 2014
절대 건조 상태의 밀도 g/㎤ 2.55
흡수율 % 1.2
0.08 mm 체 통과량 % 2.2 KS F 2511 : 2007
단위용적질량(다짐봉시험) kg/L 1.65 KS F 2505 : 2002
입자 모양 판정 실적률 % 65 KS F 2527 : 2007
상기 부순굵은골재는 다음의 표 9에 제시된 물성을 갖는 것을 사용한다.
부순굵은골재의 물성
시험항목 단위 시험결과 시험방법
입도(40 mm) % 100

KS F 2502 : 2014
입도(25 mm) % 100
입도(13 mm) % 45
입도(5 mm) % 3
입도(2.5 mm) % 1
조립률 - 6.88 KS F 2526 : 2007
안정성(Na2SO4) % 4 KS F 2507 : 2007
점토덩어리 % 0.06 KS F 2512 : 2012
0.08 mm 체 통과량 % 0.4 KS F 2511 : 2007
마모감량-입도구분(B) % 16 KS F 2508 : 2007
표면 건조 포화 상태의 밀도 g/㎤ 2.60
KS F 2503 : 2014
절대 건조 상태의 밀도 g/㎤ 2.57
흡수율 % 1.0
단위용적질량(다짐봉시험) kg/L 1.61 KS F 2505 : 2002
실적률 % 63 KS F 2527 : 2007
입자 모양 판정 실적률 % 59 KS F 2527 : 2007
연석량 % 0.0 KS F 2516 : 2014
상기 혼화제는 고형분 조성을 통해, 콘크리트 배합과정에서 고로슬래그 미분말 치환율의 증가로 인해 유동성이 지나치게 높게 나타나는 것을 방지한다.
상기 혼화제로는 AE 감수제를 사용한다.
본 발명에서는 레디믹스트 콘크리트 제품의 작업성 확보를 위한 방안으로서 지연제를 적용하는 것 또한 주요 기술 구성으로 한다.
상기 지연제의 사용으로 인해 본 발명에 따른 상기 레디믹스트 콘크리트의 유동성은 타설 완료 허용시간인 90까지 유지할 수 있게 된다.
상기 지연제의 첨가량은 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC)과 고로슬래그 미분말로 이루어진 바인더(Binder)의 전체 중량을 기준으로, 0.01wt%~1wt%의 범위 내에서 정한다.
혼화제의 주요 기능은 분산과 유지로 대별되며 유동성의 지속 위해서는 유지기능에 강화된 지연제를 검토하였으며 지연제는 유기계 지연제인 구연산, 당류, 글루콘산 중 선택되는 어느 1 종 또는 2종 이상을 사용한다.
상기 유기계 지연제는 무기계 화합물인 인산염 보다 응결지연성능이 우수하기 때문에 본 발명에 따른 레디믹스트 콘크리트를 이용한 작업시간 확보에 더 유리하다.
상기 유기계 지연제 중에서 더욱 바람직한 것은 구연산이다. 이는 다른 지연제가 서서히 수화반응을 일으키며 경화하는 반면, 구연산을 적용한 배합은 초기 응결지연성능이 높아, 시간의 경과에 따라 물과의 급격한 반응에 의해 다른 지연제에 비해 훨씬 높은 압축강도를 발현하게 된다.
상기 구연산의 물리·화학적 성질은 다음의 표 10에 제시한 바와 같다.

지연제
(무수구연산)
 겉모양 밀도 녹는점(℃) 분자량
백색 분말
 1.67 153 192.12
이하, 상기의 기술 구성에 대해 실시예를 통해 구체적으로 살펴보고자 한다.
[실시예 1]
본 실시예 1은 1차 자극제 시제품 제작 및 모르타르 분석을 위한 것이다.
상기 1차 자극제는 전기로 환원 슬래그와 플라이애시, 석고의 비율을 중량비 65 : 20 : 15의 비율로 Pilot scale의 소성로와 분쇄 설비를 활용하여 1차 분쇄(Jaw crusher, Cone crusher), 소성(Rotary kiln 소성온도 1,100℃) 및 2차 분쇄의 공정을 거쳐 제조된다.
고로슬래그 미분말은 원재료를 밀에서 분쇄, Return 후 소정의 분말도까지 분쇄를 반복하는 공정으로 생산되며 이 과정에서 분말도 6,500 blaine을 초과하는 미분말을 만들기 위해서는 생산비용이 상당부분 증가하게 된다.
따라서 일정부분 강도증진의 효과는 확인되나 비용대비 효과가 크지 않은 것으로 나타남에 따라 본 발명에서 제시하는 분말도 수준의 고로 슬래그 미분말을 적용이 바람직하다.
아래의 표 11은 6,200 blaine(㎠/g)의 고로 슬래그 미분말 압축강도 시험결과를 보인 표이다.
6,200 blaine 고로 슬래그 미분말 압축강도 시험결과
구분 압축강도(MPa)-재령 7일 압축강도(MPa)-재령 28일
OPC S/P X1 X2 X3 AVE X1 X2 X3 AVE
40 60 24.3 25.8 24.8 25.0 41.7 43.5 43.9 43.0
30 70 22.1 21.8 21.6 21.8 39.2 38.8 38.2 38.7
20 80 19.8 19.8 19.5 18.7 34.3 35.8 33.9 34.7
100 - 27.4 27.4 26.9 27.9 27.4 41.5 40.6 40.9
모르타르 시험을 위해, OPC(Ordinary portland cement): SP(Slag powder)의 비율을 20 : 80, 10 : 90의 비율로 하여 바인더(Binder)를 구성한다.
그리고 1차 자극제에 이수석고 혼입량을 달리하여 Type Ⅰ, Ⅱ로 구분한 후, 각각 바인더(Binder) 양의 7wt%, 9wt%, 11wt%에 해당하는 양을 바인더(Binder)에 첨가, 혼합하여 강도 발현 특성을 분석하였다.(표 12)
1차 시제품 모르타르 시험결과
구분
 압축강도(MPa)
재령 1일(평균) 재령 3일(평균) 재령 7일(평균)
OPC 10.0 30.0 53.9
28 1.46 4.33 15.6
28 I 7 1.65 4.96 17.0
28 I 9 1.67 3.76 12.0
28 I 11 1.88 2.13 7.50
19 I 7 1.01 2.55 6.04
19 I 9 1.07 수중양생(재령2일, 수중1일) 중 몰드 파손
19 I 11 1.25 수중양생(재령2일, 수중1일) 중 몰드 파손
28 Ⅱ7 1.51 4.29 14.7
28 Ⅱ9 1.65 2.64 9.58
28 Ⅱ11 1.60 1.80 5.21
19 Ⅱ7 0.927 수중양생(재령2일, 수중1일) 중 몰드 파손
19 Ⅱ9 1.14 수중양생(재령2일, 수중1일) 중 몰드 파손
19 Ⅱ9 1.24 수중양생(재령2일, 수중1일) 중 몰드 파손


배합조건
＊28 = Ordinary portland cement(OPC) : Slag powder(SP) 20 : 80
＊19 = OPC : BFS 10 : 90
＊7, 9, 11 = Binder 대비 혼합량
분석결과 전체적인 시료의 강도 발현율이 Plain(OPC : SP, 20 : 80) 대비 증진효과가 미미하며 일부 시료의 경우 3일 재령일 이전 수중 양생 과정에서 표면 균열 내지 탈락 현상이 발견되었다.
이는 자극제의 팽창성이 지나쳐 나타나는 현상으로 자극제의 투입량 및 석고의 혼합비율이 과도한 것으로 판단됨에 따라 mol ratio 재산정 및 fly ash, gypsum 등 혼합재의 배합비 조정을 통해 자극제 2차 소성을 실시한다.
[실시예 2]
본 실시예 2는 2차 자극제 시제품 제작 및 모르타르 분석을 위한 것이다.
상기 2차 자극제는 혼합재의 투입량을 달리하여 M type 과 C Type 의 두 종류로 구분 소성하였으며 1차 시제품과 달리 분쇄시 gypsum 량을 최적화 하여 제작한다.
그리고 Mortar 배합은 Binder로 OPC와 SP를 각각 10 : 90, 20 : 80로 Plain을 구성하고 여기에 M type 과 C type 자극제를 Binder 양의 2wt%와 4wt%로 투입한다.(표 13)
2차 시제품 모르타르 배합표
Sample No.
Binder(%) 자극제(%) 비고
OPC SP Sum 종류 첨가량
K-P20 20 80 100 - - Plain
K-P10 10 90 100 - - Plain
K-M20-2 19.6 78.4 98 M 2.0 -
K-M20-4 19.2 76.8 96 M 4.0 -
K-M10-2 9.8 88.2 98 M 2.0 -
K-M10-4 9.6 86.4 96 M 4.0 -
K-C20-2 19.6 78.4 98 C 2.0 -
K-C20-4 19.2 76.8 96 C 4.0 -
K-C10-2 9.8 88.2 98 C 2.0 -
K-C10-4 9.6 86.4 96 C 4.0 -


배합조건
＊20 = Ordinary portland cement(OPC) : Slag powder(SP) 20 : 80
＊10 = OPC : BFS 10 : 90
＊2, 4 = Binder 대비 혼합량
분석 결과 1차 시제품과 달리 양생중 붕괴등의 현상은 없으며 초기강도인 재령 3일에서 M type, C type 모두 시멘트 치환율 20 %, 자극제 2% 치환시 각각 15.1 Mpa, 14.1 MPa로 초기강도에 양호한 결과를 보이며 이는 재령 7일, 28일 등 장기강도에서도 동일한 양상을 보인다.(표 14)
2차 시제품 모르타르 시험결과
Sample No. 압축강도(MPa) 비고
재령 3일 재령 7일 재령 28일
K-P20 10.0 23.0 68.5 Plain
K-P10 8.2 15.1 55.9 Plain
K-M20-2 15.1 30.0 81.9 -
K-M20-4 14.3 25.5 57.3 -
K-M10-2 10.3 16.9 51.8 -
K-M10-4 9.5 14.9 42.7 -
K-C20-2 14.1 29.7 82.4 -
K-C20-4 14.1 30.0 66.5 -
K-C10-2 8.8 15.9 57.8 -
K-C10-4 7.3 15.1 54.1 -
[실시예 3]
앞서 모르타르 분석결과 K-M20-2, K-20-2 배합의 경우가 초기 및 장기 강도 발현에 가장 적합한 것으로 확인되었으나, 골재, 혼화제 등의 사용조건의 변화에 따른 양상 분석을 위해 모르타르 분석과 동일한 시료구성으로 콘크리트 배합 시험을 수행하였다.
상기 골재의 사용 조건은 잔골재(S1)와 부순잔골재(S2)를 7 : 3의 비율로 혼합하여 사용하였으며 굵은골재의 경우 부순굵은골재 57(25 mm), 혼화제는 AE감수제 표준형으로 바인더의 0.7% Type을 사용하였다.
다음의 표 15는 콘크리트의 구체적인 배합조성을 제시한 것이다.
콘크리트 시방 배합표

W/B
(%)
S/a
(%)		 Unit Weight (㎏/㎥)

W
Binder
Aggregate		 Adm.
(B×0.7%)
C SP Sum S1 S g
53.8 48.5 172 32
(10%)		 288
(90%)		 320
(100%)		 599 257 947 2.24
53.8 48.5 172 64
(20%)		 256
(80%)		 320
(100%)		 599 257 947 2.24
도 2는 콘크리트 현장 시험을 도시한 도면으로서, 콘크리트 배합과정에서 고로슬래그 미분말의 치환율율 증가로 유동성이 지나친 현상이 나타났으며 강도 발현율의 비교 분석을 위해 혼화제의 고형분 조정을 통해 슬럼프를 일정 수준으로 유지하면서 공시체를 제작하였다.
다음의 표 16은 콘크리트 공시체 재령별 압축강도 분석 결과를 제시한 것이며, 도 3 내지 도 5는 각각 재령 3일 압축강도 평균, 재령 7일 압축강도 평균, 재령 28일 압축강도 평균을 나타낸 그래프이다.
콘크리트 공시체 재령별 압축강도 분석 결과

Sample
 Slump
(mm)

 Air
(%)

 압축강도(Mpa)
3일 7일 28일
x1 x2 x3 ave x1 x2 x3 ave x1 x2 x3 ave
K-P10 125 4.2 1.6 1.6 1.4 1.5 5.2 5.3 5.3 5.3 16.5 16.7 17.4 16.9
K-P20 130 4.5 2.1 2.2 2.2 2.2 8.3 7.9 7.9 8.0 23.3 24.1 22.4 23.3
K-M20-2 120 4.3 6.0 5.7 5.9 5.8 12.9 13.8 13.9 13.5 27.8 28.3 28.5 28.2
K-M20-4 130 5.0 4.2 4.2 4.5 4.3 12.8 12.7 12.9 12.8 26.3 25.2 25.5 25.7
K-M10-2 125 4.3 2.3 2.5 2.1 2.3 6.5 6.2 5.9 6.2 19.2 19.8 19.1 19.4
K-M10-4 125 4.4 1.7 2.0 1.8 1.8 5.1 4.5 5.2 4.9 18.6 18.6 18.0 18.4
K-C20-2 120 4.3 6.2 6.4 5.7 6.1 13.6 13.7 14.3 13.9 26.3 26.5 27.1 26.6
K-C20-4 120 4.5 6.1 5.9 6.4 6.1 13.2 13.5 13.9 13.5 25.2 24.9 24.6 24.9
K-C10-2 130 3.9 4.9 4.5 4.8 4.7 9.5 8.9 9.1 9.2 18.1 18.5 18.6 18.4
K-C10-4 120 4.1 5.0 4.6 4.2 4.6 8.8 9.3 9.5 9.2 18.5 17.5 18.6 18.2
강도 분석 결과, 모르타르 시험 양상과 동일하게 두종류 모두 사용량 2%에서 가장 강도발현이 양호한 것으로 나타났으며 K-C20-4의 경우 3일, 7일 강도에서 K-M20-2의 경우보다 조금 높거나 동일한 수준의 강도를 보이나 28일 재령에서 불리한 결과를 보였다.
그리고 사용량이 증가할수록 강도가 저하되는 경향을 보였으며, 앞선 모르타르 시험결과의 고찰에 따라 최적 혼입량은 2%가 가장 적합함을 확인하였다.
[실시예 4]
유동 특성의 분석을 위해 고로슬래그 미분말의 치환율 80%, 자극제 투입량 2%로 고정하고 단위 수량을 1~3% 범위로 줄이면서 배합시험을 수행하였다.
다음 표 17은 유동성 분석을 위한 배합비율을 제시한 것이다.
유동성 분석을 위한 시료 배합표
No
 W/B(%)
 W(kg)
 단위수량
감소율(%)
 Binder Weight(kg)
C SP
1 52.2 175 - 67 268
2 51.2 175 2 67 268
3 50.7 170 3 67 268
4 49.1 165 6 67 268
5 48.6 163 7 67 268
6 47.5 159 9 67 268
7 47.0 158 10 67 268
8 46.0 154 12 67 268
9 44.4 149 15 67 268
상기 표 17의 배합표별로 공기량 시험 후 초기 슬럼프량과 30분, 60분, 90분 후의 슬럼프 손실량을 비교 분석하고 각 배합별로 압축강도 시험을 수행하였다. 그 시험결과는 다음의 표 18에 제시한 바와 같다. 도 6은 상기 시험결과에 대한 분석결과를 그래프로 나타낸 것이다.

NO		 Slump(mm) 압축강도(MPa) 적용 운반시간
초기 30분 60분 90분 3일 7일 28일
1 215 210 185 16 5.2 10.8 24.2 -
2 200 195 170 145 5.8 11.5 26.1 -
3 190 180 165 145 5.8 12.1 26.2 -
4 180 165 150 135 5.9 12.8 26.5 -
5 160 150 130 125 6.5 13.4 27.6 90분 이내
6 145 135 115 100 6.5 13.2 27.5 60분 이내
7 145 130 110 100 6.8 13.6 27.6 30분 이내
8 125 110 95 85 7.1 14.3 28.5 즉석 타설
9 115 105 90 80 7.3 14.2 28.9 -
분석 결과 적용가능한 배합은 Case-5, 6, 7, 8로 일반적인 OPC 배합대비 단위 수량을 7%~12%까지 감소시켜야 하는 것으로 나타났으며, 유동성 지속 시간을 고려할 때 운반시간 및 운반거리 별로 단위수량을 달리 적용할 필요가 있는 것으로 확인되었다.
따라서 상기 표 18에 제시한 바와 같이 작업성 확보 및 내구성을 고려할 때 W/B의 비를 48.6%에서 46.0%로 운반시간대별로 유동적으로 시방배합을 적용하도록 하며 현장 적용시 표면수 및 입도 조절을 통해 현장배합으로 활용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
운반 거리별 적용 시방 배합표 (규격 25-21-120)
현장 타설
W/B
(%)		 S/a
(%)		 Unit Weight(kg/㎥)
W C SP S1 S2 G Adm
46.0 52.3 154 67 268 734 247 907 2.35
30분 이내
W/B
(%)		 S/a
(%)		 Unit Weight(kg/㎥)
W C SP S1 S2 G Adm
47.0 52.3 158 67 268 734 247 907 2.35
60분 이내
W/B
(%)		 S/a
(%)		 Unit Weight(kg/㎥)
W C SP S1 S2 G Adm
47.5 52.3 159 67 268 734 247 907 2.35
90분 이내
W/B
(%)		 S/a
(%)		 Unit Weight(kg/㎥)
W C SP S1 S2 G Adm
48.6 52.3 163 67 268 734 247 907 2.35
상기 표 19에 개발제품의 운반시간별 시방배합표를 제시하였으며 KS 표준(KS F 4009)에서도 슬럼프의 측정은 배출지점을 기준으로 설정되어 일반 레미콘의 경우도 작업성 및 내구성의 확보를 위해서는 운반거리 및 시간별로 별도의 시방배합 관리가 필요하다.
[실시예 5]
본 발명에 따른 레디믹스트 콘크리트의 작업성 확보를 위한 또 다른 방안으로 지연제를 적용하였으며, 레디믹스트 콘크리트의 유동성을 타설 완료 허용시간인 90분까지 유지할 수 있도록 배합이 고려되었다.
다음의 표 20은 지연제 적용 시료 배합표로서 지연제 초기 슬럼프가 기준에 근접한 단위수량을 적용하였으며, 표 17의 No.8과 9의 배합을 기준으로 Binder 대비 0.05% 및 0.1%를 사용하였다.
표 21은 지연제 적용 콘크리트 슬럼프 손실량 및 압축강도 시험 결과를 제시한 것이다. 그리고 도 7은 이와 같은 시험 결과의 분석결과를 그래프로 표시한 것이다.
지연제 적용 시료 배합표
NO
 W/B(%)
 W(kg)
 지연제(Kg)
 Binder 대비
사용량(%)
 Binder Weight(kg)
C SP
8-1 46.0 154 0.168 0.05 67 268
8-2 46.0 154 0.335 0.1 67 268
9-1 44.4 149 0.168 0.05 67 268
9-2 44.4 149 0.335 0.1 67 268
지연제 적용 콘크리트 슬럼프 손실량 및 압축강도 시험 결과
NO
 Slump(mm) 압축강도(MPa)
초기 30분 60분 90분 3일 7일 28일
8-1 120 120 115 100 6.9 14.2 27.2
8-2 125 125 120 115 6.1 14.2 28.5
9-1 120 120 110 100 7.1 14.9 28.7
9-2 120 120 120 115 6.9 14.2 27.9
지연제 적용에 따라 운반 허용시간인 90분까지의 작업성은 확보가능 한 것으로 확인되었으며, 사용량의 경우 0.05 % Type과 0.1 % Type 모두 기준을 상회하는 양호한 결과를 보였다.
본 발명에 따르면 작업성의 확보를 위해서는 단위수량 조절 및 지연제의 적용으로 품질 확보가 가능한 것으로 확인되나 생산조건 및 경제성 등의 측면에서 운반거리별 단위수량의 설정이 효과적일 것으로 판단된다. 이는 KS표준에서 규정하고 있는 배출지점에서의 슬럼프 확인 요구에도 부합되는 것이다.
본 발명에 따른 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법은 레미콘 제조 비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 시멘트의 사용량을 대폭 절감할 수 있고, 시멘트 대체제의 개발을 통한 환경부담을 완화시키며, 전기로 슬래그의 자원화 및 고부가가치화를 이룰 수 있도록 함으로써 산업상 이용가능성이 매우 크다.

Claims (5)

  1. 전기로 환원 슬래그 50~80wt%, 플라이애시 10~30wt%, 석고 5~20wt%를 혼합하는 단계(S10)와,
    상기 단계(S10)를 거쳐 생성된 혼합물을 1차 분쇄하는 단계(S20)와,
    상기 단계(S20)를 거쳐 생성된 분쇄 혼합물을 소성하는 단계(S30)와,
    상기 단계(S30)를 거쳐 생성된 소성물을 2차 분쇄하여 알칼리 자극제를 제조하는 단계(S40)와,
    상기 단계(S40)를 거쳐 제조된 알칼리 자극제, 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC), 고로슬래그 미분말, 물(water), 잔골재, 부순잔골재, 부순굵은골재, 혼화제를 혼합하여 콘크리트를 조성하는 단계(S50)를 포함하여 이루어지는 것에 있어서,

    상기 콘크리트는 알칼리 자극제 0.1~0.5wt%, 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement;OPC) 1~5wt%, 고로슬래그 미분말 10~15wt%, 물(water) 6~15wt%, 잔골재 20~35wt%, 부순잔골재 10~15wt%, 부순굵은골재 35~45wt%, 혼화제 0.07~0.15wt%를 혼합하여 조성되는 것임을 특징으로 하는 전기로 환원 슬래그를 활용한 시멘트 절감형 친환경 레디믹스트 콘크리트 제조방법.

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KR101991092B1 (ko) * 2018-03-29 2019-06-19 목원대학교 산학협력단 전기분해 알칼리 환원수 자극제를 이용한 고강도 시멘트 모르타르 조성물

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