KR101944249B1

KR101944249B1 - 페로니켈 슬래그 혼합 시멘트계 결합재, 이를 이용한 시멘트 모르타르 조성물, 시멘트 콘크리트 조성물 및 경량 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR101944249B1
Application number: KR1020170183320A
Authority: KR
Inventors: 이종규; 추용식
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-01-31

Abstract

본 발명은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그계 혼합재 10∼40중량부와, 상기 슬래그계 혼합재 100중량부에 대하여 Na₂CO₃ 0.1∼5중량부를 포함하며, 상기 슬래그계 혼합재는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재, 이를 이용한 시멘트 모르타르 조성물, 시멘트 콘크리트 조성물 및 경량 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 시멘트를 일부 대체하여 산업 폐기물인 페로니켈 슬래그를 사용할 수 있으므로 경제적이고, 폐기물인 페로니켈 슬래그를 재활용할 수 있으므로 매립 비용 등을 절감할 수 있으며, 압축강도 특성, 동결융해 등이 우수하다.

Description

페로니켈 슬래그 혼합 시멘트계 결합재, 이를 이용한 시멘트 모르타르 조성물, 시멘트 콘크리트 조성물 및 경량 콘크리트 조성물{Cement-based binder mixed with ferronikel slag, cement mortar composition, cement concrete composition and lightweight concrete composition using the binder}

본 발명은 페로니켈 슬래그 혼합 시멘트계 결합재, 이를 이용한 시멘트 모르타르 조성물, 시멘트 콘크리트 조성물 및 경량 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트계 결합재, 이를 이용한 시멘트 모르타르 조성물, 시멘트 콘크리트 조성물 및 경량 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

스테인레스 스틸의 주원료인 페로니켈 생산 공정에서 페로니켈 슬래그가 발생하고 있다.

스테인레스 스틸의 주원료인 페로니켈은 전기로 또는 로터리 킬른에서 제련하여 생성되며, 이때 페로니켈 슬래그가 필수적으로 발생된다. 보통 니켈 1톤당 약 30톤의 슬래그가 발생하는 것으로 알려져 있으며, 국내에서 발생되는 페레니켈 슬래그는 년간 약 200만톤으로 향 후 500만톤으로 증가되리라 예상된다. 하지만, 페로니켈 슬래그의 재활용은 미미한 수준으로 단순 매립에 의존하고 있는 실정이다.

페로니켈 슬래그는 반응성이 없고, 강도가 낮으며 시간의 경과에 따라 부스러짐 등의 문제가 발생하여 건축용 소재로 대량사용에 한계가 있다고 알려져 있다. 일본 등에서는 노반재, 비료원료, 콘크리트용 잔골재로 이용되고 있으나, 국내에서는 위와 같은 문제로 주로 성토재만으로 사용되고 있어 재활용율이 낮다.

따라서, 페로니켈 슬래그의 재활용률을 높이기 위해 반응성 및 강도를 향상시킬 수 있는 방안을 도출하고, 무기바인더 및 콘크리트/아스콘용 골재로의 활용가능성을 검토하여 건축용소재로의 대량활용을 가능성을 도출할 필요가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0928402호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트계 결합재, 이를 이용한 시멘트 모르타르 조성물, 시멘트 콘크리트 조성물 및 경량 콘크리트 조성물을 제공함에 있다.

본 발명은, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그계 혼합재 10∼40중량부와, 상기 슬래그계 혼합재 100중량부에 대하여 Na₂CO₃ 0.1∼5중량부를 포함하며, 상기 슬래그계 혼합재는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재를 제공한다.

상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그와 고로슬래그가 혼합되어 있을 수 있다. 상기 고로슬래그는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 10∼50중량부를 이루는 것이 바람직하다.

상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그와 고로슬래그가 용융 반응되어 활성화된 물질을 포함할 수 있다. 상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 상기 고로슬래그가 10∼50중량부를 이루게 용융 반응된 것일 수 있다. 상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그와 고로슬래그가 1300∼1500℃의 온도에서 용융된 후 급냉되어 분쇄된 물질을 포함할 수 있다.

상기 시멘트계 결합재는 상기 페로니켈 슬래그의 경화를 촉진하기 위한 MgCl₂를 더 포함할 수 있다. 상기 MgCl₂는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 0,1∼5중량부 함유되는 것이 바람직하다.

상기 시멘트계 결합재는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 MgCO₃ 0.01∼5중량부 더 포함할 수 있다.

상기 시멘트계 결합재는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 CaCO₃ 0.01∼5중량부 더 포함할 수 있다.

상기 시멘트계 결합재는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 KNO₃ 0.01∼5중량부 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 시멘트계 결합재에 모래가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 시멘트계 결합재에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 콘크리트 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 시멘트계 결합재와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 모래 20∼125중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 생석회 12∼35중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 석고 5∼17중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 발포제 0.5∼12중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 기포안정제 0.01∼1중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 콘크리트 조성물을 제공한다.

상기 발포제는 알루미늄(Al) 분말을 포함할 수 있다.

상기 발포제는 흑연(Graphite)을 포함할 수 있다.

상기 발포제는 CaCO₃를 포함할 수 있다.

본 발명의 시멘트계 결합재에 의하면, 시멘트를 일부 대체하여 산업 폐기물인 페로니켈 슬래그를 사용할 수 있으므로 경제적이고, 폐기물인 페로니켈 슬래그를 재활용할 수 있으므로 매립 비용 등을 절감할 수 있으며, 압축강도 특성, 동결융해 등이 우수하다.

도 1은 페로니켈 슬래그의 활성화 실험을 통하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하는 과정의 실험 절차를 나타낸 공정도이다.
도 2는 MgO-Based 시멘트 제조 실험 절차를 간략하게 나타낸 공정도이다.
도 3은 ALC(Autoclaved lightweight concrerte)를 제조하는 실험 절차를 나타낸 공정도이다.
도 4는 발포제를 이용한 고온 발포 실험 절차를 나타낸 공정도이다.
도 5a는 페로니켈 괴재 슬래그의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 나타낸 도면이고, 도 5b는 페로니켈 수재 슬래그의 X-선회절(XRD) 패턴을 나타낸 도면이다.
도 6a는 페로니켈 괴재 슬래그의 입도 분포를 보여주는 도면이고, 도 6b는 페로니켈 수재 슬래그의 입도 분포를 보여주는 도면이다.
도 7은 페로니켈 슬래그(괴재/수재) 첨가량에 따른 압축강도 변화를 보여주는 도면이다.
도 8은 Na₂CO₃수용액과 페로니켈 슬래그 반응 후의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 Na₂CO₃수용액 반응에 따른 압축강도 변화를 보여주는 도면이다.
도 10은 Na₂CO₃분말과 페로니켈 슬래그 용융반응 시료의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 11은 Na₂CO₃과 페로니켈 슬래그 용융반응 시료의 모르타르 압축강도를 보여주는 도면이다.
도 12a는 SN5F5 (고로슬래그50%+페로니켈 슬래그50%)의 고온현미경 사진이고, 도 12b는 SN3F7 (고로슬래그30%+페로니켈 슬래그70%)의 고온현미경 사진이다.
도 13은 고로슬래그, SN5F5, SN3F7의 XRD 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 14는 SN5F5와 SN3F7의 SEM 사진이다.
도 15a 내지 도 15c는 고로슬래그와 페로니켈 슬래그의 혼합용융후의 압축강도 변화를 보여주는 도면이다.
도 16a는 페로니켈 슬래그(수재), SNNC30-1, SNNC50-1 및 SNNC70-1에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 도면이고, 도 16b는 고로슬래그, SNNC30-2, SNNC50-2 및 SNNC70-2에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 17은 SNNC-1군(단순혼합)의 모르타르 압축강도를 나타낸 도면이다.
도 18은 SNNC-2군(용융혼합)의 모르타르 압축강도를 나타낸 도면이다.
도 19는 SNNC-1군(단순혼합)과 SNNC-2군(용융혼합)의 28일 압축강도 비교하여 나타낸 도면이다.
도 20은 페로니켈 슬래그와 시판 고로슬래그를 혼합한 시료를 투입한 시편의 압축강도를 나타낸 도면이다.
도 21은 슬래그 대체 모르타르의 OPC 대비 압축강도를 나타낸 도면이다.
도 22는 Na₂CO₃로 활성화시킨 페로니켈 슬래그 모르타르의 압축강도를 나타낸 도면이다.
도 23a는 동결융해 저항시험으로서 상대 동 탄성 계수를 나타낸 도면이고, 도 23b는 공시체 무게변화를 나타낸 도면이다.
도 24는 동결융해 저항시험으로서 매 30cycle 마다의 공시체의 마모 정도를 관찰하여 나타낸 도면이다.
도 25는 MgO 단독과 MgO에 페로니켈 슬래그를 첨가하고 경화촐진제로 MgCl₂ 수용액을 사용하여 수화 반응시킨 후의 XRD 및 SEM 사진을 나타낸 도면이다.
도 26은 M30MC15와 M0MC0의 압축강도를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 27은 M50MC15와 M0MC0의 압축강도를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 28은 M50MC25와 M0MC0의 압축강도를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 29는 MgO와 MgCl₂를 이용한 페로니켈 슬래그 모르타르의 압축강도를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 30은 페로니켈 슬래그를 잔골재로 활용한 모르타르의 압축강도를 보여주는 도면이다.
도 31은 페로니켈 슬래그를 잔골재로 활용한 콘크리트 공시체의 압축강도를 보여주는 도면이다.
도 32는 페로니켈 슬래그를 활용한 ALC(Autoclaved lightweight concrerte)의 비중을 보여주는 도면이다.
도 33은 페로니켈 슬래그를 활용한 ALC의 압축강도를 보여주는 도면이다.
도 34는 페로니켈 슬래그를 활용한 ALC의 열전도율을 보여주는 도면이다.
도 35는 페로니켈 슬래그를 활용한 ALC 공시체의 단면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 36은 발포제 종류에 따른 경량골재의 비중을 보여주는 도면이다.
도 37은 유리분말과 발포제 비율에 따른 경량골재의 비중을 보여주는도면이다.
도 38은 유리분말과 발포제 비율에 따른 경량골재의 형태를 보여주는 도면이다.
도 39에 유리분말과 발포제 비율에 따른 경량골재의 단면 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시멘트계 결합재는, 시멘트와, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그계 혼합재 10∼40중량부와, 상기 슬래그계 혼합재 100중량부에 대하여 Na₂CO₃ 0.1∼5중량부를 포함하며, 상기 슬래그계 혼합재는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시멘트계 결합재는 물(water)을 더 포함할 수 있다. 상기 물(water)은 시멘트계 결합재에 20∼60중량% 함유되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시멘트 모르타르 조성물은, 상기 시멘트계 결합재에 모래가 혼합되어 있는 것이다. 상기 시멘트 모르타르 조성물은 물(water)을 더 포함할 수 있다. 상기 물(water)은 시멘트 모르타르 조성물에 20∼60중량% 함유되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시멘트 콘크리트 조성물은, 상기 시멘트계 결합재에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것이다. 상기 시멘트 콘크리트 조성물은 물(water)을 더 포함할 수 있다. 상기 물(water)은 시멘트 콘크리트 조성물에 20∼60중량% 함유되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경량 콘크리트 조성물은, 상기 시멘트계 결합재와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 모래 20∼125중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 생석회 12∼35중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 석고 5∼17중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 발포제 0.5∼12중량부와, 상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 기포안정제 0.01∼1중량부를 포함한다. 상기 경량 콘크리트 조성물은 물(water)을 더 포함할 수 있다. 상기 물(water)은 경량 콘크리트 조성물에 20∼60중량% 함유되는 것이 바람직하다.

상기 발포제는 알루미늄(Al) 분말을 포함할 수 있다.

상기 발포제는 흑연(Graphite)을 포함할 수 있다.

상기 발포제는 CaCO₃를 포함할 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

스테인레스 스틸의 주원료인 페로니켈은 전기로 또는 로터리 킬른에서 제련하여 생성되며, 이때 페로니켈 슬래그가 필수적으로 발생된다. 보통 니켈 1톤당 약 30톤의 슬래그가 발생하는 것으로 알려져 있으며, 국내에서 발생되는 페레니켈 슬래그는 년간 약 200만톤으로 향 후 500만톤으로 증가되리라 예상된다. 하지만, 페로니켈 슬래그의 재활용은 미미한 수준으로 단순 매립에 의존하고 있는 실정이다. 국내에서 대부분 성토재로의 활용에 그치고 있다. 일본에서는 페로니켈 슬래그를 노번재나 비료원료 및 콘크리트용 잔골재로 이용하기도 한다.

페로니켈 슬래그의 주성분은 마그네슘 실리케이트 화합물로 주성분은 MgO 와 SiO₂이다. 이들의 주요 결정상은 enstatite(MgO·SiO₂) 및 forsterite(2MgO·SiO₂)로 구성되어 있으며. MgO 성분은 30~35% 이며, SiO₂ 성분은 약 55~60%를 차지하고 있다. 이와 같이 다량의 MgO를 함유하고 있기 때문에 MgO를 추출하는 기술이나 MgO를 기본으로 하는 마그네시아 시멘트의 제조가 가능할 것이다. 페로니켈 슬래그를 산 용액에서 분해하여 Mg 이온을 얻기 위한 연구가 진행되고 있다. 이는 Mg 이온이 Mg 금속 제조 및 MgCl₂ 혹은 MgSO₄ 등의 Mg 화합물을 제조하기 위한 기본 원료로 사용될 수 있으며, 위의 금속 및 화합물 등은 페로니켈 슬래그를 고부가가치화 한 제품이기도 하다.

페로니켈 슬래그의 활성화 기술을 이용하여 페로니켈 슬래그의 반응성을 높일 수 있으며, 이들 원료를 활용하여 마그네시아계 시멘트의 제조도 가능할 것으로 생각된다.

슬래그나 알루미노 규산염 광물 같은 잠재수경성 광물들은 물만 존재하는 경우 반응이 진행되지 않는다. 슬래그의 경우에는 물과 접하자마자 표면에 불투수층이 생성되어 더 이상의 반응을 차단하는 역할을 한다. 슬래그나 알루미노 규산염 광물이 해리되어 축중합을 통해 안정한 수화물을 생성하기 위해서는 자극제나 촉진제가 필요하다. 시멘트 수화에서 방출되는 Ca(OH)₂나 알칼리, 석고 등이 슬래그의 수화 자극제의 역할을 할 수 있다. 특히 NaOH와 같은 알칼리는 Ca(OH)₂보다 더 큰 효과가 있어서 슬래그나 알루미노 규산염 광물의 수화는 알칼리 활성화에 기인할 수 있다. 따라서, 페로니켈 슬래그의 활성화를 위해서는 석고 및 알칼리 등을 포함하는 원료배합 기술이 필요할 것이라고 생각된다.

페로니켈 슬래그 분말을 단독으로 시멘트 혼합재로 사용할 경우 압축강도가 저하된다. 압축강도의 저하를 완화시키거나 개선하기 위해서는 앞서 설명한 알칼리 자극제 등의 첨가도 필요하겠지만, 잠재 수경성이 높은 CaO가 포함되어 있는 슬래그를 첨가하여 활성을 높이는 방법의 검토가 필요하다. 이러한 점을 고려하여 페로니켈 슬래그와 고로 슬래그를 혼합 용융하여 골재의 특성과 반응성에 미치는 영향을 검토할 필요가 있을 것이다.

페로니켈 슬래그의 활용분야 중 괴재의 페로니켈 슬래그를 이용하여 경량소재화 기술의 검토가 필요하다. 일반적으로 경량화 기술로는 발포기술이 널리 사용되어지고 있다. 무기소재의 발포기술 중 가장 대표적인 것이 무기분체와 발포체를 혼합하여 적정온도에서 발포시켜 경량소재를 얻는 방법이다.

후술하는 실험예에서 스테인레스 스틸의 주원료인 페로니켈 생산공정에서 발생하는 페로니켈 슬래그의 대량활용 기술에 대한 기초연구로서 페로니켈 슬래그를 이용하여 활성화를 통한 바인더 기술, 시멘트 혼합재로의 활용기술, 콘크리트용 골재기술 및 발포기술을 응용한 경량소재 제조기술 등 건축소재로의 활용가능성을 검토하였다.

1. 페로니켈 슬래그의 반응성 향상 실험

첫번째로 페로니켈 슬래그를 활성화시키기 위한 방법으로 알칼리 첨가를 택하였다. 본 실험에서는 페로니켈 슬래그와 알칼리인 Na₂CO₃를 수용액에 용해시키거나 전기로에서 용융 반응시킨 시료를 X-선회절(X-ray diffraction; 이하 'XRD'라 함)을 분석하여 특성을 파악하고, 보통포틀랜드시멘트(이하 'OPC'라 함)와 혼합하여 4×4×16cm 크기의 모르타르 공시체를 제작한 후 압축강도를 비교해보았다. Na₂CO₃의 양은 페로니켈 슬래그 내 SiO₂와 몰비 1:1로 첨가하였다. 수용액 실험의 경우 각각 80℃, 90℃, 100℃의 온도에서 60분 간 반응 후 80℃ 건조기에서 건조하여 분쇄하였다. 수용액 농도는 Na₂CO₃의 용해도를 고려하여 각 온도에서 포화상태가 될 수 있도록 80℃ 용액은 30.5%, 90℃ 용액은 30.5%, 100℃ 31.3%로 진행하였다. 반응 후 XRD에 Na₂CO₃의 피크(peak)만 추가된 것으로 보아 페로니켈 슬래그와 Na₂CO₃의 반응은 진행되지 않았음을 확인할 수 있었다. 100℃에서 반응시킨 시료를 괴재로 반응시킨 경우 'AQG100', 수재로 반응시킨 경우 'AQS100'이라 칭하였고, 모르타르에서 OPC의 30%를 위 시료로 대체하여 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다.

두번째로 용융반응실험을 위한 시료는 페로니켈 슬래그 분말과 Na₂CO₃ 분말을 알루미나 도가니에 넣어 전기로에서 1000℃까지 10℃/분으로 승온하여 20분 간 소성한 후 급냉하고, 얻어진 시료는 분쇄하고 90㎛ 체로 체거름하여 OPC 수준의 입도를 유지하도록 하였다. 이때 페로니켈 슬래그 분말과 Na₂CO₃의 배합비는 수용액 반응과 마찬가지로 몰비 1:1로 하였다. 괴재를 반응시킨 시료를 'MG1000', 수재를 반응시킨 시료를 'MS1000'이라 칭하였고, 모르타르에서 OPC의 30%를 위 시료로 대체하여 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다.

세번째로 SNNC 고로슬래그 분말과 페로니켈 슬래그(수재) 분말 용융반응을 통해 페로니켈 슬래그를 활성화시키는 실험을 진행하였다. OPC 수준의 입도로 분쇄한 SNNC 고로슬래그 분말과 페로니켈 슬래그 분말을 각각 5:5, 3:7로 혼합한 후 백금 도가니에 넣어 고온에서 용융반응시키고 이렇게 얻어진 시료를 다시 OPC 수준의 입도로 분쇄하였다. 시료는 각각 'SN5F5', 'SN3F7'이라 칭하였다. 이때 용융반응 온도는 고온현미경으로 시료의 융점을 파악하여 설정하였다. 위 시료를 OPC의 30%만큼 대체하여 2×2×2cm의 모르타르 공시체로 제작하여 재령 1일, 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다.

네번째로 SNNC 고로슬래그와 페로니켈 슬래그를 혼합하여 활성화를 시킬 때 용융반응을 시킨 시료와 반응을 시키지 않고 단순히 혼합한 시료의 반응성 향상 정도를 비교하기 위해 다음과 같은 실험을 진행하였다. 먼저, 단순히 혼합하는 시료는 SNNC 고로슬래그와 페로니켈 슬래그를 각각 3:7, 5:5, 7:3의 중량비로 혼합한 후, OPC 입도 수준으로 분쇄하였고, 시료는 각각 'SNNC30-1', 'SNNC50-1', 'SNNC70-1' 칭하였다. 용융시킨 시료는 SNNC 고로슬래그와 페로니켈 슬래그를 각각 3:7, 5:5, 7:3의 비율로 용융시킨 시료를 입수하여 마찬가지로 OPC 입도 수준으로 분쇄하여 각각 'SNNC30-2', 'SNNC50-2', 'SNNC70-2'로 칭하였다. 이렇게 얻은 시료를 모르타르 반죽에 OPC 대신 30%를 투입하여 4×4×16cm의 공시체로 만들어 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다. 추가로 SNNC 고로슬래그가 아닌 시판 고로슬래그와 혼합한 시료를 모르타르에 OPC 30% 대체로 투입하여 압축강도를 측정해보았다.

다섯번째로 알칼리를 이용하여 페로니켈 슬래그를 활성화시키는 실험을 수행하였다. 알칼리로는 Na₂CO₃ 분말을 사용하였다. 모르타르 믹스에서 OPC의 30%를 페로니켈 슬래그 수재분말로 대체하고 Na₂CO₃는 분말의 총중량 대비 각각 1%와 3%를 첨가하여 시료명은 각각 'FNS30N1', 'FNS30N3'으로 나타내었다. 모르타르는 4×4×16cm 공시체로 만들어 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하여 알칼리를 첨가하지 않고 페로니켈 슬래그 30%만 투입한 공시체와 압축강도를 비교해보았다.

여섯번째로 마그네시아를 이용하여 페로니켈 슬래그를 활성화시키는 실험을 진행하였다. MgO를 MgCl₂ 수용액과 반응시키면 수화반응하여 단단하게 경화되는 성질을 이용하였다. MgO와 MaCl₂ 수용액이 수화반응한 모습과 페로니켈 슬래그를 혼합한 후에도 수화반응이 제대로 일어났는지를 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope; 이하 'SEM' 이라 함) 사진을 촬영하고 XRD 분석을 수행하였다. 실험에 사용할 MgO는 MgCO₃를 알루미나 도가니에 담아 1000℃까지 10℃/분으로 승온하여 1000℃에서 60분간 소성하여 MgO 시료를 준비하였다. 모르타르 반죽에 OPC는 사용하지 않고 MgO와 페로니켈 슬래그를 일정비율로 혼합하고, 혼합수에 MgCl₂를 먼저 용해시킨 후에 분말과 표준사에 혼합하여 4×4×16cm 공시체로 성형하여 재령 1일, 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다. 기본적으로 KS L SIO 679 규격에 따라 모르타르 공시체를 만들었으나, 물/시멘트 비(w/c) 0.5로 실험을 진행하면 MgO분말이 다 섞이지 않을 정도로 혼합수가 부족해 공시체 성형이 불가능하기 때문에 플로우(flow)가 190mm 이상의 수준을 유지하는 것을 기준으로 물비를 조절하였고, 수조에 넣지 않고 공기 중에서 경화시켰다.

끝으로 KS F 2456규격에 의거하여 동결융해 대한 콘크리트 저항 시험을 수행하여 콘크리트의 바인더로서의 활용 가능 여부도 시험해 보았다. 콘크리트 공시체를 OPC만을 사용한 것과 페로니켈 슬래그를 30% 대체한 것 두 종류로 만들어 각각을 P, S로 칭하였고, 각각 2개씩 만들어 14일 동안 항온수조에서 양생한 후 한 세트를 꺼내어 동결융해 실험을 진행하고 나머지 한 세트는 계속 항온수조에서 양생하였다. 동결융해 실험은 100cycle로 진행하였으며 약 7일이 걸렸고, 동결융해가 끝난 공시체는 다시 항온수조에 넣어 28일까지 양생한 후 재령 28일에 두 세트의 공시체를 꺼내어 28일 강도를 측정하여 비교해보았다. 100cycle을 진행할 때 페로니켈 슬래그(FN slag)를 30% 넣은 모르타르 공시체의 압축강도가 저하되었던 것을 고려하여 10cycle을 우선적으로 진행한 후 동 탄성계수를 측정하여 큰 변화가 없는 것을 확인하고 남은 90cycle을 30cycle씩 3번 진행하였다.

도 1에는 페로니켈 슬래그의 활성화 실험을 통하여 시편을 제작하고 압축강도를 측정하는 과정의 실험 절차를 나타내었으며, 도 2에는 MgO-Based 시멘트 제조 실험 절차를 간략하게 나타내었다.

2. 페로니켈 슬래그의 골재 특성 실험

페로니켈 슬래그(수재 슬래그)의 입도는 굵은 골재 및 잔골재의 입도 범위에 걸쳐 형성되고 있으나, No.4(4.75mm) 체로 82.1%가 통과하여 대부분의 양이 잔골재의 입도 범위에 포함된다고 할 수 있으므로 잔골재 시험규격에 적용하여 콘크리트용 잔골재 시험, 골재 안정도 시험, 모르타르 시험, 콘크리트 배합 시험을 통해 콘크리트용 잔골재로서의 페로니켈 슬래그 성능 평가를 하였다.

잔골재 시험은 체가름한 수재 페로니켈 슬래그를 동 슬래그 잔골재 품질기준, 콘크리트용 잔골재 품질기준에 의거하여 단위용적 중량, 공극율, 실적율, 절대건조 비중, 흡수율, 조립률 등을 비교하였고, 골재안정도 시험은 KS F 2507에 의거하여 황산나트륨 수용액에 침수시켜 파괴정도와 질량 손실을 관찰하였다. 모르타르 실험은 모르타르에서 표준사의 일부를 수재 페로니켈 슬래그로 대체하여 압축강도를 측정하였으며, 콘크리트 배합시험은 콘크리트 믹스에서 잔골재의 일부를 수재 페로니켈 슬래그로 대체하여 압축강도를 측정하였다.

3. 페로니켈 슬래그의 경량과 실험

페로니켈 슬래그를 Autoclaved lightweight concrerte(이하 'ALC'라 함)와 경량골재에 적용하여 경량 소재로서의 성능 평가 시험을 수행하였다.

ALC는 기본적으로 규사, OPC, 생석회, 이수석고, 발포제인 Al 분말을 먼저 혼합한 후 기포안정제를 섞은 혼합수를 분말에 투입하여 뭉치는 분말이 없도록 충분히 혼합한 후, 이 혼합물을 상온에서 24시간 동안 양생한 후에 탈형하고 오토클레이브처리하여 180℃에서 5시간 동안 수열합성하고 수열합성이 완료된 시편은 오토클레이브에서 꺼내 건조시켜 만들어진다. 본 실험에서는 ALC 원재료 중 규사의 일부를 페로니켈 슬래그로 대체하여 ALC을 만들었으며, 80℃에서 24시간 건조하여 압축강도를 측정하고, 다시 100℃에서 건조하여 비중과 열전도율을 측정하였다. 도 3에 ALC를 제조하는 실험 절차를 나타내었다.

경량골재는 유리분말과 발포제를 혼합한 후 물유리를 투입하여 이 반죽을 Pelletinzing하고, 로에서 소성한 후 급냉시켜 만들 수 있다. 본 실험에서는 유리분말의 일부 또는 전체를 페로니켈 슬래그로 대체하여 경량골재 성능을 시험하였다. 물유리는 25%로 고정하였고, 발포제 양에 따라 반죽의 되기가 달라지는데 물유리는 발포효과를 가지므로 물유리가 아닌 혼합수를 첨가하여 조절하였다. Pellet 당 크기는 직경 13mm 내외, 무게 3g 내외로 조절하였다. 소성은 분당 5℃로 설정 온도까지 승온한 후 20분간 소성하여 로에서 급냉시켰다. 경량골재의 발포 성능을 확인하기 위해 비중을 측정하는데 각 펠렛의 부피를 구할 때는 펠렛을 구 형태로 가정하고 6방향에서 직경을 측정해서 평균값을 반지름으로 가정하여 부피를 계산하였다. 도 4에 발포제를 이용한 고온 발포 실험 절차를 나타내었다.

4. 결과 및 고찰

(1) 페로니켈 슬래그의 반응성 향상 기술

원재료인 페로니켈 슬래그의 특성을 파악하기 위해 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석, XRF(X-ray fluorescence) 분석, 분쇄 후의 입도측정, 비중 측정, 분말도 측정, XRD 분석을 수행하였다. 원재료(페로니켈 슬래그)의 입도는 OPC 입도 수준에 부합하도록 진동밀로 분쇄한 후 90㎛ 체로 체가름하였고, 실험 전반에 걸쳐 같은 방식으로 시료를 준비하였다.

표 1에 본 실험에 사용된 원재료(페로니켈 슬래그)의 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석 결과를, 표 2에 원재료(페로니켈 슬래그)의 XRF(X-ray fluorescence) 분석 결과를 나타내었다.

	MgO	SiO₂	Fe₂O₃	Al₂O₃
괴재 슬래그	31.6	55.7	8.6	2.17
수재 슬래그	33.2	55.4	7.38	2.26

시료	시험·분석 항목	시험·분석 결과		시험·분석 방법
괴재 슬래그	XRF(정성)	주성분	Fe, Si	기기분석
		부성분	Mg, Ca, Mn, Ni, Cr
		미량성분	Al, P, S, Cl, K, V, Zn, Zr
수재 슬래그		주성분	Fe, Si
		부성분	Al, Mg, Ca, Mn, Cr
		미량성분	P, S, K, Ti, Ni, Zn, Zr, Sn

도 5a에 페로니켈 슬래그(괴재 슬래그)의 XRD 결과를 나타내었고, 도 5b의 페로니켈 슬래그(수재 슬래그)의 XRD 결과를 나타내었다. 괘재, 수재 슬래그의 결정상은 Enstatite(MgSiO₃)와 Forsterite(Mg₂SiO₄) 였다.

도 6a는 페로니켈 괴재 슬래그의 입도 분포를 보여주는 도면이고, 도 6b는 페로니켈 수재 슬래그의 입도 분포를 보여주는 도면이다. 괴재 슬래그의 평균 입경은 37㎛ 였고, 수재 슬래그의 평균 입경은 52㎛ 였다.

아래의 표 3에 OPC와 페로니켈 슬래그의 비중 및 분말도를 나타내었다.

	OPC	괴재 슬래그	수재 슬래그
비중(g/㎤)	3.15	3.27	3.05
분말도(㎠/g)	3420	2530	2850

페로니켈 슬래그를 시멘트 혼합재로 활용하기 위한 연구를 수행하기 위해 먼저 페로니켈 슬래그를 OPC 수준의 입도로 분쇄한 페로니켈 슬래그 분말을 OPC와 단순히 혼합한 모르타르를 4×4×16cm의 직육면체 공시체로 제작하고 재령 3일, 7일 28일의 압축강도와 플로우를 측정해 보았다. OPC 투입량의 10%, 20%, 30%를 페로니켈 슬래그 괴재, 수재 분말로 대체하였으며, 실험방법은 "시멘트의 강도시험방법(KS L ISO 679)"을 이용하였다. 본 실험에 사용한 재료의 배합비는 아래의 표 4와 같다.

시 편	OPC	페로니켈 슬래그	표준사	물비
OPC	100	-	300	50
괴재10%	90	10	300	50
괴재20%	80	20	300	50
괴재30%	70	30	300	50
수재10%	90	10	300	50
수재20%	80	20	300	50
수재30%	70	30	300	50

도 7에 페로니켈 슬래그 첨가량에 따른 압축강도 변화를 나타내었다. 페로니켈 슬래그를 첨가량이 증가함에 따라 압축강도는 저하되고 있음을 알 수 있다. 슬래그의 종류, 즉, 괴재 슬래그와 수재 슬래그 간의 차이는 수재 슬래그를 사용할 경우 압축강도의 저하가 완화되고 있음을 알 수 있다. 이에 따라 차후 시멘트 혼합재로의 활용 실험에서는 수재 슬래그를 사용하여 실험을 진행하였다.

표 5에는 페로니켈 슬래그 첨가량에 따른 압축강도 변화 수치를 나타내었으며, 표 6에는 페로니켈 슬래그 첨가량에 따른 플로우의 변화를 나타내었다.

	OPC	OPC+괴재 슬래그			OPC+수재 슬래그
	OPC	10%	20%	30%	10%	20%	30%
3일강도 (MPa)	42.8	33.3	30	21.4	32.4	29	21.9
7일강도 (MPa)	61.9	51.4	43.7	33.1	48.8	44	35.6
28일 강도 (Mpa)	76.7	65.1	56.5	44.9	64.4	56.4	50.0
3일강도 증진율(%)	100%	78%	70%	50%	76%	68%	51%
7일강도 증진율 (%)	100%	83%	71%	53%	79%	71%	58%
28일강도 증진율 (%)	100%	85%	74%	59%	84%	74%	65%

	OPC	OPC+괴재 슬래그			OPC+수재 슬래그
	OPC	10%	20%	30%	10%	20%	30%
플로우(mm)	20.3	21.9	21.5	20.6	20.4	20.6	19.8
OPC대비(%)	100%	108%	106%	101%	100%	101%	98%

페로니켈 슬래그의 활성도를 높이기 위한 방법으로 알칼리 첨가를 택하였다. 본 실험에서는 페로니켈 슬래그와 알칼리인 Na₂CO₃를 수용액에 용해시키거나 전기로에서 용융 반응시킨 시료를 XRD 분석하여 특성을 파악하고, OPC와 혼합하여 4×4×16cm 크기의 모르타르 공시체를 제작한 후 압축강도를 비교해보았다. Na₂CO₃의 양은 페로니켈 슬래그 내 SiO₂와 몰비 1:1로 첨가하였다. 수용액 실험의 경우 각각 80℃, 90℃, 100℃의 온도에서 60분 간 반응 후 80℃ 건조기에서 건조하여 분쇄하였다. 수용액 농도는 Na₂CO₃의 용해도를 고려하여 각 온도에서 포화상태가 될 수 있도록 80℃ 용액은 30.5%, 90℃ 용액은 30.5%, 100℃ 31.3%로 진행하였다. 반응을 마친 시료의 XRD 분석 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에서 (1)은 괴재 반응 전, (2)는 수재 반응 전, (3)은 괴재 80℃, (4)는 수재 80℃, (5)는 괴재 90℃, (6)은 수재 90℃, (7)은 괴재 100℃, (8) 수재 100℃에 대한 것이다. 반응 후 XRD에 Na₂CO₃의 피크(peak)만 추가된 것으로 보아 페로니켈 슬래그와 Na₂CO₃의 반응은 진행되지 않았음을 확인할 수 있었다.

100℃에서 반응시킨 시료를 괴재로 반응시킨 경우 'AQG100', 수재로 반응시킨 경우 'AQS100'이라 칭하였고, 모르타르에서 OPC의 30%를 위 시료로 대체하여 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하여 그 결과를 표 7 및 도 9에 나타내었다.

재령 28일 압축강도를 기준으로 OPC 대비 약 80% 수준의 압축강도를 보이며, 활성화시키지 않은 페로니켈 슬래그만 첨가했을 때보다 20%가량 강도가 증진된 것을 확인할 수 있었다.

구분	배합비					압축강도
구분	OPC	FNS	활성FNS	표준사	물	3일	7일	28일
OPC	450	-	-	1350	225	42.8	61.9	76.7
수재30%	315	135(수재)	-	1350	225	21.9	35.6	50
AQG100 30%	315	-	135(괴재)	1350	225	16.6	43.7	60.2
AQS100 30%	315	-	135(괴재)	1350	225	15.9	44	61.8

용융반응 실험을 위한 시료는 페로니켈 슬래그 분말과 Na₂CO₃ 분말을 알루미나 도가니에 넣어 전기로에서 1000℃까지 10℃/분으로 승온하여 20분 간 소성한 후 급냉하고, 얻어진 시료는 분쇄하고 90 ㎛ 체로 체거름하여 OPC 수준의 입도를 유지하도록 하였다. 이때 페로니켈 슬래그 분말과 Na₂CO₃의 배합비는 수용액반응과 마찬가지로 몰비 1:1로 하였다. 괴재를 반응시킨 시료를 'MG1000', 수재를 반응시킨 시료를 'MS1000'이라 칭하였고, 모르타르에서 OPC의 30%를 위 시료로 대체하여 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다. 소성 후의 XRD 분석결과와 모르타르 배합비, 압축강도는 도 10, 표 8, 도 11에 나타내었다.

구분	배합비					압축강도
구분	OPC	FNS	활성FNS	표준사	물	3일	7일	28일
OPC	450	-	-	1350	225	42.8	61.9	76.7
수재30%	315	135	-	1350	225	21.9	35.6	50.0
MG1000 30%	315	-	135(괴재)	1350	225	11.1	12.5	19.2
MS1000 30%	315	-	135(수재)	1350	225	10.4	13.1	18.8

XRD 분석결과를 통해서 페로니켈 슬래그와 Na₂CO₃을 1000℃에서 용융반응시키면 Na₂MgSiO₄가 생성됨을 확인할 수 있었다. Na₂MgSiO₄는 반응성이 거의 없는 안정한 물질이기 때문에 이 시료를 투입한 경우 모르타르의 압축강도가 현저히 저하되었다.

다음으로 고로슬래그 분말과 페로니켈 슬래그(수재) 분말 용융반응을 통해 페로니켈 슬래그를 활성화시키는 실험을 실험실에서 진행하였다. OPC 수준의 입도로 분쇄한 고로슬래그 분말과 페로니켈 슬래그 분말을 각각 5:5, 3:7로 혼합한 후 백금 도가니에 넣어 고온에서 용융반응 시키고 이렇게 얻어진 시료를 다시 OPC 수준의 입도로 분쇄하였다. 시료는 각각 'SN5F5', 'SN3F7'이라 칭하였다. 실험에 적용할 반응온도를 결정하기 위해 고온현미경으로 온도상승에 따라 시료의 거동을 관찰하였다. SN5F5의 경우 1264℃에서 용융되기 시작하여 1269℃에서 반구 형태를 띄고 1284℃에서 완전히 용융되었고, SN3F7은 1287℃에서 용융시작, 1292℃에서 반구 형태를 띄고 1301℃에서 완전히 용융되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 고로슬래그와의 용융반응을 통한 슬래그 활성화 실험을 반응온도는 1300℃, 1400℃, 1500℃로 설정하였다. 고온현미경 사진과 각 시료의 XRD 분석결과 및 SEM 사진을 각각 도 12a와 도 12b, 도 13 그리고 도 14에 나타내었다. 도 12a는 SN5F5 (고로슬래그50%+페로니켈 슬래그50%)의 고온현미경 사진이고, 도 12b는 SN3F7 (고로슬래그30%+페로니켈 슬래그70%)의 고온현미경 사진이다. 페로니켈 슬래그 함량이 많을수록 용융온도가 약간 낮아짐을 알 수 있었다. 그리고 각 조성에서 용융 반응 시킨 후 급냉 시킨 후의 XRD에서는 대부분 비정질로 되어 있음을 알 수 있다.

각각의 혼합 용융된 슬래그를 OPC(보통 포틀랜드 시멘트)에 30% 치환한 각각 시료 SN5F5, SN3F7의 공시체로 만들어 재령 1일, 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다. 모르타르 시편의 압축강도를 도 15a 내지 도 15c에 나타내었다. 도 15a 내지 도 15c는 고로슬래그와 페로니켈 슬래그의 혼합 용융후의 압축강도 변화를 보여주는 도면이고, 도 15a는 1300℃, 도 15b는 1400℃, 도 15c는 1500℃에서 용융시킨 경우를 보여준다. 고로슬래그를 첨가한 공시체의 압축강도가 가장 높았고, OPC만 넣은 기준 공시체보다 8% 가량 높았다. 이는 고로슬래그가 후기강도의 증진에 기여하기 때문이다. 또한 페로니켈 슬래그와 고로슬래그를 혼합용융 시킨 시편에서(고로슬래그 30% + 페로니켈 슬래그 70%) OPC보다 높은 강도값을 보여주고 있다. 또한 용융온도에 따른 변화에서 1400℃ 에서 용융시킨 시편에서 가장 높은 압축강도 값을 보였다. 따라서 페로니켈 슬래그와 고로슬래그를 고온에서 혼합 용융시킨 혼합슬래그를 첨가하면 압축 강도의 증진을 기대할 수 있다.

페로니켈 슬래그(FNS)와 고로슬래그를 혼합하여 반응성을 향상시킬 때 용융반응을 시킨 시료와 용융반응을 시키지 않고 단순히 혼합한 시료의 반응성 정도를 비교하기 위해 다음과 같은 실험을 실험실이 아닌 포스코 현장에서 시료 준비를 하였다. 먼저 단순히 혼합하는 시료는 고로슬래그와 페로니켈 슬래그를 각각 3:7, 5:5, 7:3으로 혼합한 후 OPC(보통 포틀랜드 시멘트) 입도 수준으로 분쇄하였고, 시료는 각각 SNNC30-1, SNNC50-1, SNNC70-1로 칭하였다. 용융시킨 시료는 SNNC 고로슬래그와 페로니켈 슬래그를 각각 3:7, 5:5, 7:3의 비율로 용융시킨 시료를 입수하여 마찬가지로 OPC 입도 수준으로 분쇄하여 각각 SNNC30-2, SNNC50-2, SNNC70-2로 칭하였다. 이때의 XRD 결과를 도 16a 및 도 16b에 나타내었다. 도 16a에서 (1)은 페로니켈 슬래그(수재), (2)는 SNNC30-1, (3)은 SNNC50-1, (4)는 SNNC70-1에 대한 것이고, 도 16b에서 (5)는 고로슬래그, (6)은 SNNC30-2, (7)은 SNNC50-2, (8)은 SNNC70-2에 대한 것이다.

도 16a에서 (1)~(4)를 보면 고로슬래그를 단순히 혼합한 경우 고로슬래그가 첨가될수록 피크의 세기가 작아지기는 하나 여전히 결정성의 피크가 보여지고 있으며, 고로슬래그의 첨가량이 증가할수록 비정질의 피크도 증가하고 있음을 알 수 있다. 반면 도 16b에서 (5)~(8)에 나타난 바와 같이 두 슬래그를 용융반응 시킨 경우, 페로니켈 슬래그 30% 첨가 까지는 약하게나마 페로니켈 슬래그(FNS)의 피크를 유지하지만 대체로 비정질의 피크로 이루어지고 있음을 알 수 있다. 고로슬래그 함량이 증가할수록 용융반응 시킨 후의 XRD 피크는 완전 비정질로 전이됨을 알 수 있다.

이렇게 얻은 시료(단순 혼합슬래그 및 용용 혼합슬래그)를 모르타르 배합에서 OPC(보통 포틀랜드 시멘트) 대비 30%를 투입하여 4×4×16cm의 공시체로 만들어 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다. 자세한 배합비와 압축강도 결과는 각각 SNNC-1군(단순 혼합)은 표 9, 도 17에, SNNC-2군(용융혼합)은 표 10, 도 18에 나타내었다.

	OPC(%)	고로 슬래그 ( % )	FNS ( % )	고로슬래그:FNS	압축강도( Mpa )
	OPC(%)	고로 슬래그 ( % )	FNS ( % )	고로슬래그:FNS	3일	7일	28일
OPC	100	0	0	-	36.3	45.5	55.5
수재 30%	70	0	30	0:10	16.8	22.8	36.1
SNNC 30-1	70	9	21	3:7	17.9	25.7	38.2
SNNC 50-1	70	15	15	5:5	19.8	28.7	40.2
SNNC 70-1	70	21	9	7:3	21.6	30.8	44.5
SNNC100-1	70	30	0	10:0	23.6	35.5	48.8

	OPC ( % )	고로 슬래그 ( % )	FNS ( % )	고로슬래그:FNS	압축강도( Mpa )
	OPC ( % )	고로 슬래그 ( % )	FNS ( % )	고로슬래그:FNS	3일	7일	28일
OPC	100	0	0	-	36.3	45.5	55.5
SNNC 30-2	70	9	21	7:3	17.9	26	39.4
SNNC 50-2	70	15	15	5:5	21.6	29.6	43.9
SNNC 70-2	70	21	9	3:7	22.7	32.3	48

고로슬래그의 비율이 높아질수록 3일, 7일, 28일 압축강도 모두 증진된 것을 확인할 수 있었다. 특히 3일 강도보다 7일 강도, 28일 강도증진율이 더 큰 것으로 보아 고로슬래그는 초기보다 후기강도 증진율이 큰 것으로 판단할 수 있다. 도 17과 도 18에 나타낸 것과 같이 재령 3일, 7일, 28일 모두 용융반응을 시킨 경우가 압축강도가 더 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 용융반응 전후의 시료를 넣은 모르타르 공시체의 압축강도를 비교한 그래프는 도 19에 나타내었다. 특히 재령 28일 강도의 경우 고로슬래그만 단독으로 30% 넣은 경우 OPC 대비 강도가 87.9%, SNNC70-2를 30% 넣은 경우 OPC 대비 강도가 86.5%로 거의 비슷한 수준의 강도 값을 보여주고 있다. 따라서 페로니켈 슬래그와 고로슬래그를 혼합하여 용융시키면 강도의 저하 없이 시멘트 혼합재로서 활용될 수 있다.

그러나 일반 고로슬래그 시멘트의 경우 후기강도가 OPC 이상의 압축강도를 보이고 있는 것에 비해 포스코에서 제공받은 고로슬래그는 분말의 형태 및 첨가제 등 시판 고로슬래그와 차이가 있었던 점을 고려하여 포스코에서 제공받은 고로슬래그를 시판 고로슬래그로 대체하여 용융반응 시키지 않고 단순히 혼합한 시료를 모르타르에 OPC(보통 포틀랜드 시멘트)에 대해 30% 치환 투입하여 4×4×16cm 공시체를 만들고, 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정해보았다. 시판 고로슬래그의 배합비, 압축강도 결과는 각각 표 11, 도 20, 도 21에 나타내었다.

	OPC ( % )	고로슬래그 ( % )	FNS ( % )	고로슬래그:FNS	압축강도( Mpa )
	OPC ( % )	고로슬래그 ( % )	FNS ( % )	고로슬래그:FNS	3일	7일	28일
OPC	100	0	0	-	31.6	42.1	53
고로 0-3	70	0	30	0:10	15.2	21.7	35
고로 30-3	70	9	21	3:7	17.1	25.8	40.4
고로 50-3	70	15	15	5:5	20.6	32.2	48.5
고로 70-3	70	21	9	7:3	22	36	55
고로100 -3	70	30	0	10:0	24.1	38.3	58.3

도 20, 도 21에서 확인할 수 있듯이 후기강도 증진율이 매우 크고, 특히 고로슬래그를 70%, 100% 혼합한 시료의 경우 28일 압축강도가 OPC보다 각각 4%, 10% 높은 것을 확인할 수 있다. 페로니켈 슬래그와 시판 고로슬래그를 5:5 로 혼합해서 시멘트 대비 30% 치환했을 경우에도 28일 압축강도가 OPC 대비 91.5% 수준을 보여 시멘트 대체제로서의 가능성을 확인할 수 있었다. 본 실험에서는 페로니켈 슬래그와 시판 고로슬래그를 3:7로 혼합된 슬래그를 OPC 대비 30% 치환하였을 경우, OPC를 단독으로 사용하였을 때보다 높은 압출강도를 보이고 있다.

다음으로 알칼리를 이용하여 페로니켈 슬래그를 활성화시키는 실험을 수행하였다. 알칼리로는 Na₂CO₃ 분말을 사용하였다. 모르타르 배합에서 OPC의 30%를 페로니켈 슬래그 수재 분말로 대체하고 Na₂CO₃는 분말의 총중량 대비 각각 1%와 3%를 첨가하여 시료명은 각각 FNS30N1, FNS30N3으로 나타내었다. 모르타르는 4×4×16cm 공시체로 만들어 재령 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하여 알칼리를 첨가하지 않고 페로니켈 슬래그 30%만 투입한 공시체와 압축강도를 비교해보았다. 자세한 배합비와 압축강도 결과는 표 12와 도 22에 나타내었다. 28일 강도 기준으로 FNS30N1은 20%, FNS30N3은 28% 강도를 증진시키는 효과를 보였다. Na₂CO₃는 1% 첨가했을 때보다 3% 첨가했을 때 강도 증진에는 유리했으나, 모르타르를 배합하는 단계에서 알칼리가 많을수록 경화되는 속도가 다소 빨라 성형 시 주의를 기울여야 할 것이고, 성형하는 데 시간이 지체되면 바인더와 표준사가 알갱이의 형태로 뭉쳐버려 모르타르 공시체로 성형할 때 층분리 현상이 일어나 성능이 저하될 수 있다.

	OPC ( % )	FNS ( % )	Na ₂ CO ₃ ( % )	압축강도( MPa )
	OPC ( % )	FNS ( % )	Na ₂ CO ₃ ( % )	3일	7일	28일
FNS30N0	70	30	0	19.5	32.7	49.8
FNS30N1	70	30	1	25.4	40.2	59.8
FNS30N3	70	30	3	27.3	43.5	63.7

OPC의 30%를 페로니켈 슬래그로 대체한 콘크리트 공시체를 준비하여 KS F 2456규격에 따라 동결융해 대한 콘크리트 저항 실험을 진행해보았다. 콘크리트 공시체를 OPC만을 사용한 것과 페로니켈 슬래그를 30% 대체한 것 두 종류로 만들어 각각을 P, S로 칭하였고, 각각 3개씩 만들어 14일 동안 항온수조에서 양생한 후 한세트를 꺼내어 동결융해 실험을 진행하고 나머지 한 세트는 계속 항온수조에서 양생하였다. 동결융해 실험은 100cycle로 진행하였다. 동결융해가 끝난 공시체는 다시 항온수조에 넣어 28일까지 양생한 후 재령 28일에 두 세트의 공시체를 꺼내어 28일 강도를 측정하여 비교해보았다. 콘크리트 공시체의 배합비는 표 13에, 동결융해 저항시험의 결과는 표 14에 나타내었다. 도 23a는 동결융해 저항시험으로서 상대 동 탄성 계수를 나타낸 도면이고, 도 23b는 공시체 무게변화를 나타낸 도면이다.

표 14의 결과를 보면 동 탄성계수가 미세하게 변화하기는 하나 그 차이가 5% 미만으로 사실 상 실험오차 수준일 뿐 거의 변화가 없다고 할 수 있다. 상대 동 탄성 계수 역시 거의 100% 수준으로 변화가 없다는 것을 확인할 수 있고, 100cyle후에 페로니켈 슬래그를 첨가한 공시체에서만 미세하게 동 탄성계수가 감소하였으나 이 역시 5% 미만으로 무시할 만한 수준이라고 판단할 수 있다. 동결융해 매 30cycle(첫 번째만 10cycle)이 진행된 후에 공시체를 꺼내어 마모된 부분이 있는 지 공시체의 형태와 무게를 통해 관찰하여 도 24에 나타내었는데, 도 24에서 보는 바와 같이 특별히 손상되는 부분은 없었고 공시체의 무게 역시 거의 변하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 도 24는 동결융해 저항시험으로서 매 30cycle 마다의 공시체의 마모 정도를 관찰하여 나타낸 도면이다.

규격	혼합수		결합재 = 333 kg/m³			골재		혼화제
	W/B	water	OPC	FNS	계	잔골재	굵은골재	준 PC
	(%)	(kg/m³)	(kg/m³)	(kg/m³)	(kg/m³)	(kg/m³)	(kg/m³)
P	51.2	170	100%	0	100%	829	916	0.50%
			332	0	332
S	51.2	170	70%	30%	100%
			232	100	332

		0cycle	10cycle	40cycle	70cycle	100cycle
동 탄성 계수(Hz)	P	652	650	649	647	647
동 탄성 계수(Hz)	S	650	649	645	642	639
상대 동 탄성 계수 (%)	P	-	99.4	99.1	98.5	98.5
상대 동 탄성 계수 (%)	S	-	99.7	98.5	97.6	96.6
공시체 무게 (kg)	P	3188	3185	3183	3184	3184
공시체 무게 (kg)	S	3200	3198	3197	3197	3197
압축강도 28일 (Mpa)	P	13.9 (동결융해 전)				12.1
압축강도 28일 (Mpa)	S	9.8 (동결융해 전)				8.5

페로니켈 슬래그에는 MgO 성분이 30~35% 함유하고 있다. 이 마그네시아 성분을 활용하여 마그네시아계 시멘트를 제조하였다. 원료로는 페로니켈 슬래그와 마그네시아를 주성분으로 사용하였다. MgO를 MgCl₂ 수용액과 반응시키면 수화반응하여 단단하게 경화되는 성질이 있다. 그러나 MgO 만으로는 강도가 약하고 특히 내수성을 포함한 내구성이 약하다. 따라서 마그네슘실리케이트 화합물인 페로니켈 슬래그를 첨가하여 강도 특성 및 내구성에 대한 평가를 하였다.

도 25에 MgO 단독과 MgO에 페로니켈 슬래그를 첨가하고 경화촐진제로 MgCl₂ 수용액을 사용하여 수화 반응시킨 후의 XRD 및 SEM 사진을 나타내었다.

실험에 사용할 MgO는 MgCO₃를 알루미나 도가니에 담아 1000℃까지 10℃/분으로 승온하여 1000℃에서 60분간 소성하여 MgO 시료를 준비하였다. 모르타르 반죽에 OPC는 사용하지 않고 MgO와 페로니켈 슬래그를 일정비율로 혼합하고, 혼합수에 MgCl₂를 먼저 용해시킨 후에 분말과 표준사에 혼합하여 4×4×16cm 공시체로 성형하여 재령 1일, 3일, 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다. 기본적으로 KS L SIO 679 규격에 따라 모르타르 공시체를 만들었으나, w/c=0.5로 실험을 진행하면 MgO 분말이 다 섞이지 않을 정도로 혼합수가 부족해 공시체 성형이 불가능하기 때문에 플로우(flow)가 190mm 이상의 수준을 유지하는 것을 기준으로 물비를 조절하였고, 수조에 넣지 않고 공기 중에서 경화시켰다. 자세한 배합비는 표 15에 나타내었다.

		OPC	수재	MgO	MgCl₂	물
M0MC0	질량(g)	450	0	0	0	225
M0MC0	비율(%)	100	0	0	0	w/c=0.5
M30MC15	질량(g)	0	315	135	67.5	240
M30MC15	비율(%)	0	70	30	15	w/c=0.53
M50MC15	질량(g)	0	225	225	67.5	250
M50MC15	비율(%)	0	50	50	15	w/c=0.56
M70MC15	질량(g)	0	135	315	67.5	260
M70MC15	비율(%)	0	30	70	15	w/c=0.58
M50MC25	질량(g)	0	225	225	112.5	250
M50MC25	비율(%)	0	50	50	25	w/c=0.56

도 26과 도 27에 MgO-페로니켈 슬래그-MgCl₂ 배합비에 따란 압축강도 변화를 나타내었다. MgO를 30%, MgCl₂를 15% 넣은 M30Mc15의 경우 재령 1일, 3일, 7일, 28일 모두 M0MC0(보통 보틀랜드 시멘트)의 압축강도에 미치지 못하고, 28일 압축강도는 M0MC0의 65% 수준인 반면 MgO를 50% 넣은 M50MC15는 1일, 3일, 7일 강도는 M0MC0 압축강도를 7% 이상 웃돌고 28일 강도만이 10% 가량 낮을 뿐이었다. MgO의 비율을 더 높인 M70MC15의 경우 역시 1일, 3일, 7일 강도는 M0MC0의 압축강도보다 20% 이상 웃돌지만 28일 강도는 M0MC0의 97.2%로 다소 저하되었다. MgO와 MgCl₂를 혼합한 경우 초기강도 발현은 굉장히 우수하나 후기강도 발현이 다소 약하다고 판단할 수 있었다. 도 28을 통해 MgCl₂를 15%에서 25%로 증가시키면 재령 28일 강도가 M0MC0보다 약 1.93배 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 29에 MgO-페로니켈 슬래그-MgCl₂ 배합비에 따른 전체적인 압축강도 변화를 나타내었다. 따라서, 페로니켈 슬래그를 활용한 MgO-based 시멘트의 경우 배합비에 따라 OPC(보통 포틀랜드 시멘트)보다 높은 강도값을 얻을 수 있음을 확인하였다.

(2) 페로니켈 슬래그의 골재 특성 평가

페로니켈 슬래그 수재 슬래그의 입도는 굵은 골재 및 잔골재의 입도 범위에 걸쳐 형성되고 있으나, No.4(4.75mm) 체로 82.1%가 통과하여 대부분의 양이 잔골재의 입도 범위에 포함된다고 할 수 있으므로 잔골재 시험규격에 적용하여 콘크리트용 잔골재로서의 페로니켈 슬래그 성능 평가 시험을 진행하였다. 성능 평가를 위해 콘크리트용 잔골재 시험, 모르타르 시험, 콘크리트 배합 실험을 수행하였다. 잔골재로서의 시험결과는 아래 표에 나타내었다. 표 16 내지 표 19, 표 20을 보면 KS F 2502에 의거하여 No.4 체가름 전 시료의 입도는 1.2~10mm 범위에 분포하여 KS F 2526(콘크리트용 골재)의 잔골재 조립률 기준에는 부적합하고, 표 21을 보면 No.4 통과분 시료의 경우에도 주로 입도가 0.6~4mm 범위에 분포하여 콘크리트용 골재의 잔골재 조립률 기준에는 부적합하다. 표 22에서 확인할 수 있듯이 단위용적 중량, 공극율, 실적율, 절대건조 비중, 흡수율은 KS F 2526(콘크리트용 골재)의 잔골재 기준에 적합하며 조립률의 경우 No.4 통과분 시료의 경우에도 주로 입도가 0.6~4mm 범위에 분포하여 KS F 2526(콘크리트용 골재)의 잔골재 조립률 기준에 부적합하다.

표 16은 잔골재 입도 시험 (KS F 2504 의거), 표 17은 흡수율 (KS F 2504 의거), 표 18은 단위용적 질량 (KS F 2505 의거), 표 19는 실적율 (KS F 2505 의거)을 보여준다.

구분	밀도
표건밀도	2.94
절건밀도	2.91

구분	흡수율
FNS	1.42%

구분	단위용적질량
No 4. 체가름 전	1.599
No 4. 통과분	1.67

구분	실적율
FNS	57.39

표 20은 No.4 체가름 전 페로니켈 슬래그(수재) 시료의 체가름 결과를 나타낸 것이고, 표 21은 No.4 체 통과분에 대한 페로니켈 슬래그(수재) 시료의 체가름 결과를 나타낸 것이며, 표 22는 골재 시험 결과를 종합하여 나타낸 것이다.

No.	크기	시료량 (g)	누가잔류량 (g)	누가잔류율 (%)	통과율(%)
-	10mm	0	0	0	100
4	5mm	150.1	150.1	30.02	70
8	2.5mm	247.9	398	79.6	21.4
16	1.2mm	74.9	472.9	64.6	5.4
30	0.6mm	24.9	497.8	99.6	0.4
50	0.3mm	1.6	499.4	99.9	0.1
100	0.15mm	0.6	500	100	0
접시		0	500	100	0
조립률(F.M)		5.04

No.	크기	시료량(g)	누가잔류량(g)	누가잔류율(%)	통과율(%)
-	10mm	0	0	0	100
4	5mm	0	0	0	100
8	2.5mm	301.5	301.5	60.3	39.7
16	1.2mm	128.9	430.4	86.1	13.9
30	0.6mm	54.3	484.7	96.9	3.1
50	0.3mm	9.2	493.9	98.8	1.2
100	0.15mm	4.5	498.4	99.7	0.3
접시		1.6	500	100	0
조립률(F.M)		4.42

구분	동슬래그 잔골재 품질기준 (KS F 2453)	페로니켈 슬래그 잔골재 품질기준 (KS F 2790)	콘크리트용 잔골재 품질기준 (KS F 2526)	시험 결과
단위용적 중량 (t/m³)	2.0 ~ 2.5	1.5이상	2.0 ~ 2.5	1.67
공극율 (%)	30 ~ 50	30 ~ 50	30 ~ 50	42.61
실적율 (%)	50 ~ 70	50 ~ 70	50 ~ 70	57.39
절대건조 비중	3.40 ~ 3.80	2.70이상	2.50이상	2.91
표면건조 비중	3.40 ~ 3.80	-	-	2.94
흡수율 (%)	0.05 ~ 1.80	3.0이하	3.0이하	1.42
조립율	3.0 ~ 3.5	1.95~3.43	2.15~3.38	5.04 (No. 4 체가름 전 시료) 　 4.42 (No. 4 통과 시료)

다음으로 KS F 2507에 의거하여 골재 안정성 평가 시험을 수행하였다. 체가름한 골재를 시험용 용액에 16~18시간 동안 담구어 110℃로 설정된 건조기에서 건조시키는 과정을 10회 정도 반복한 후 건조기에서 꺼낸 시료를 염화바륨용액을 가해도 흐려지지 않을 때까지 물로 세척한다. 세척하여 건조시킨 시료 질량손실과 파괴 상황(붕괴, 갈라짐, 이빠짐, 잔금 등)을 주의 깊게 관찰한다. 체가름 후 각 군의 질량 백분율 결과 표 23에 나타내었다. 골재의 손실 질량 백분율은 4.1%인데, 10% 미만이므로 KS F 2526(콘크리트용 잔골재 품질기준)에 의거하여 콘크리트용 잔골재 품질기준에 적합하였다.

No.	크기	시료량 (g)	누가잔류량 (g)	시험 전		시험 후		손실 질량 백분율
No.	크기	시료량 (g)	누가잔류량 (g)	누가잔류율 (%)	통과율 (%)	누가잔류율 (%)	통과율 (%)	(%)
-	10mm	0	0	0	100	0	100	3.42
4	5mm	150.1	150.1	30.02	70	29.6	70.4	1.5
8	2.5mm	247.9	398	79.6	21.4	77.2	22.8	3
16	1.2mm	74.9	472.9	84.6	5.4	93.5	6.5	1.12
30	0.6mm	24.9	497.8	99.6	0.4	99.4	0.6	0.2

다음으로 OPC와 표준사를 이용한 모르타르 시험을 실시해 보았다. KS L ISO 679 에 의거하여 시험을 진행하였고, 표준사 대비 페로니켈 슬래그를 25%, 50%, 75% 치환하여 페로니켈 슬래그 증가에 따른 압축강도와 플로우(Flow)의 변화를 관찰하였다. 배합비와 압축강도 결과는 표 24와 도 30에 자세히 나타내었다. 표준사 대비 페로니켈 슬래그의 양이 증가함에 따라 유동성이 증가하나, 페로니켈 슬래그 100%에서는 표준사와 비슷한 수준의 유동성을 나타냈다. 압축강도의 경우 페로니켈 슬래그 25%를 활용한 경우 표준사 100%와 유사한 수준의 압축강도를 나타내나, 페로니켈 슬래그 50% 이상에서는 압축강도가 저하되는 것을 확인할 수 있다.

구분	W/B %	OPC %	OPC : Sand = 1 : 3		Flow (mm)	압축강도( MPa )
구분	W/B %	OPC %	표준사	FNS	Flow (mm)	3일	7일	28일
FNS0	50	100%	100%	-	225	28.3	33.2	44.5
FNS25	50	100%	75%	25%	250	28.2	36.4	45.8
FNS50	50	100%	50%	50%	250 (22회)	26.8	33.1	41.1
FNS75	50	100%	25%	75%	250 (20회)	24.3	28	36.1
FNS100	50	100%	-	100%	225	20.2	23.4	31.3

다음으로 페로니켈 슬래그를 잔골재로 활용하여 콘크리트 배합 실험을 진행하였다. 배합비는 표 25에, 실험 결과는 표 26, 도 31에 각각 나타내었다. 표 26에서 확인할 수 있듯이 잔골재 대비 페로니켈 슬래그의 대체율이 높을수록 슬럼프가 개선되어 작업성이 우수해지나, 블리딩 현상이 증가하고, F50, F75, F100의 경우 콘크리트의 점성이 없고 골재의 재료분리현상이 증가하였다. 탈형 후에 페로니켈 슬래그의 혼입이 많을수록 공시체 내부의 공극이 많아졌다. 압축강도는 F50이 비교적 우수하였으며, 잔골재 대비 페로니켈 슬래그의 대체율은 20~40% 수준이 적절할 것으로 판단된다.

규격	혼합수		결합재 = 333 kg /m ³				골재		혼화제
	W/B ( % )	water (kg/m ³ )	OPC (kg/m ³ )	SP (kg/m ³ )	FA (kg/m ³ )	계 (kg/m ³ )	잔골재 (kg/m ³ )	굵은골재 (kg/m ³ )	준 PC
25-24-15	52.8	176	62%	25%	13%	100%	1726	1678	0.50%
			207	83	43	333

구분	잔골재 대비 FNS 대체율 ( % )	slump (mm)	Air ( % )	압축강도( MPa )
구분	잔골재 대비 FNS 대체율 ( % )	slump (mm)	Air ( % )	3일	7일	28일
F0	0	145	4.5	13.3	18.9	32.9
F25	25	165	5.1	12.7	19.4	33.6
F50	50	185	4.3	13.5	21.3	38.6
F75	75	200	4.5	15.1	20.7	34.9
F100	100	200	5.3	11.8	16.3	27.9

(3) 페로니켈 슬래그를 활용한 경량화 기술

페로니켈 슬래그는 안정된 마그네슘 실리케이트 화합물로 구성되어 있고, 다량으로 발생하고 있기 때문에 건축소재용의 단열재나 경량골재 등으로 활용가능성이 높다. 먼저 괴재의 페로니켈 슬래그를 ALC(Autoclaved lightweight concrerte)와 경량골재에 적용하여 경량 소재로서의 적용 가능성과 성능 평가 시험을 수행하였다. 본 실험에서는 ALC 원재료 중 규사를 페로니켈 슬래그로 일정비율 대체하여 페로니켈 슬래그 증가에 따른 ALC의 성능을 평가해보았다. 페로니켈 슬래그를 ALC에서 적용하기 위해 먼저 페로니켈 슬래그, 규사, OPC, 생석회, 이수석고를 OPC 수준으로 분쇄한 시료와 기포안정제, 발포제로서 알루미늄 파우더를 준비하였다. 분말류를 우선적으로 혼합한 후 기포안정제를 혼합한 혼합수를 투입하여 분말과 혼합하였다. 이때 석고가 뭉치지 않도록 충분히 혼합하였다. 이 혼합물을 상온에서 24시간 동안 양생한 후에 탈형하고 오토클레이브 처리하여 180℃에서 5시간 동안 수열합성하였다. 수열합성이 완료된 시편은 오토클레이브에서 꺼내 건조기에 넣어 80℃에서 24시간 건조하여 압축강도를 측정하고, 다시 100℃에서 건조하여 비중과 열전도율을 측정하였다. 배합비는 표 27에 나타내었다. 그리고 비중과 압축강도, 열전도율 그래프를 각각 도 32, 도 33, 도 34에 나타내었다. 표 28에 페로니켈 슬래그를 활용한 ALC의 열전도율을 나타내었다. 도 32와 도 33에서 확인할 수 있듯이 페로니켈 슬래그의 비율이 증가할수록 비중이 작아지는, 즉, 발포효율이 좋아지지만 압축강도는 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 특히 페로니켈 슬래그를 규석 대비 70% 치환한 시편 S70의 경우 수열합성 후에 패널을 만들 수 없을 정도로 심하게 파열되어 열전도율을 측정할 수 없었다. 도 34로부터 페로니켈 슬래그의 비율이 증가할수록 열전도율이 감소해 단열효과가 우수해지는 것을 확인할 수 있었다. 종합하면 규사의 일부를 페로니켈 슬래그로 대체한 ALC가 강도는 저하되었으나 단열과 경량성이 더 우수해졌다고 판단할 수 있다. 도 35는 페로니켈 슬래그를 활용한 ALC 공시체의 단면을 보여주는 SEM 사진이며, 도 35에서 (1)은 S0, (2)는 S10, (3)은 S30, (4)는 S70에 대한 것이다.

	규사	FNS(괘재)	생석회	이수석고	시멘트	혼합수	Al	기포안정제
Ref	51.40%	0	12.40%	5%	31.20%	70%	0.18%	0.10%
Ref	1028	0	248	100	624	1400	3.6	2
S10	46.30%	5.14%	12.40%	5%	31.20%	70%	0.18%	0.10%
S10	925.2	102.8	248	100	624	1400	3.6	2
S30	36%	15.42%	12.40%	5%	31.20%	70%	0.18%	0.10%
S30	719.6	308.4	248	100	624	1400	3.6	2
S70	15.42%	36%	12.40%	5%	31.20%	70%	0.18%	0.10%
S70	719.6	308.4	248	100	624	1400	3.6	2

	Conductivity(W/mK)	Heat flux(W/m ² )
Ref	0.08786	56.75
S10	0.08094	51.24
S30	0.07718	49.77

앞에서는 비교적 저온(180℃)에서 발포가 진행되는 경량 발포 콘크리트 기술을 응용하여 발포체를 제조하였다. 여기서는 페로니켈 슬래그와 발포제를 혼합하여 고온에서 발포시키는 기술을 응용하여 경량골재 및 내화 단열소재로 활용가능한 경량패널을 제조할 수 있는 발포실험을 실시하였다. 분쇄한 페로니켈 슬래그 분말에 발포제와 유리분말을 일정 비율로 투입해 분말을 1차 혼합한 후 분말 대비 25% 만큼의 물유리를 가하여 원재료를 혼합하였다. 원재료의 비율이 달라짐에 따라 반죽의 되기가 달라지는데 물유리는 발포효과가 있기 때문에 반죽의 되기를 조절하기 위해 물유리를 추가로 첨가하는 대신 물을 첨가하여 되기를 조절하였다. 물유리는 규산소다 2-1호를 사용하였다. 반죽이 완료되면 펠렛 당 무게가 3g, 직경 13mm 내외로 펠렛화(pelletizing) 하여 상온인 25℃에서 24시간 동안 건조시킨 후 설정온도까지 분당 5℃로 승온하여 20분간 유지하여 소성하였다. 경량골재의 발포 성능을 확인하기 위해 비중을 측정하는데 각 펠렛의 부피를 구할때는 펠렛을 구형태로 가정하고 6방향에서 직경을 측정해서 평균값을 반지름으로 가정하여 부피를 계산하였다. 첫번째 실험은 CaCO₃와 흑연(Graphite)을 발포제로 하여 2%, 5% 첨가하고 페로니켈 슬래그를 80%, 100% 첨가하여 1200℃에서 소성하였고, 이 경량 골재의 비중 측정 결과는 표 29에, 발포제 종류에 따른 경량골재의 비중을 비교하는 그래프는 도 36에 나타내었다.

FNS:유리분말	발포제(%)	비중(g/cm ³ )
FNS:유리분말	발포제(%)	CaCO₃	Graphite
10:00	2%	2.59	2.5
10:00	5%	2.32	1.81
8:02	2%	2.29	1.19
8:02	5%	2.01	1.43

발포제로 흑연(Graphite)을 첨가한 경우에 비중이 더 낮고, 2%를 첨가했을 때 가장 발포가 잘 되었다. 유리분말은 첨가한 경우가 첨가하지 않은 경우보다 발포가 잘 되었고, 유리분말을 넣을 경우 발포제의 양이 적을수록 발포가 잘 되었다고 판단할 수 있었다. 이 실험을 토대로 유리분말 비율과 발포제의 양을 조금 더 세분화 하여 두번째 실험을 진행하였다. 1000℃ 이상에서 발포를 시작한다는 것을 확인하여 실험온도는 1200℃보다 낮은 1100℃로 설정하였고, 물유리의 비율은 똑같이 25%, 유리분말은 비율은 10%, 15%, 20%로 세분화하고 발포제로는 흑연(Graphite)을 사용하여 첨가 비율은 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%로 세분화하였다. 이 경량골재의 비중 측정 결과는 표 30에, 유리분말과 발포제 비율에 따른 경량골재의 비중 측정 결과는 도 37에 각각 나타내었다. 도 38에 유리분말과 발포제 비율에 따른 경량골재의 형태를 나타내었고, 도 39에 유리분말과 발포제 비율에 따른 경량골재의 단면 사진을 나타내었다. 유리분말의 비율이 높을수록, 발포제인 흑연(Graphite)의 양이 적을수록 비중이 작아 발포가 잘 된다는 것을 확인할 수 있었다. 유리분말을 20% 투입하고 발포제의 양이 0.5%일 때 비중이 가장 작았지만 소성 후에 펠렛이 구형을 유지하지 못하고 납작하게 형태가 무너진 것으로 보아 형태를 유지하는데 불리한 배합이라고 판단하였다. 형태를 잘 유지하면서도 발포효과가 좋은 유리분말 15%, 흑연(Graphite) 0.5%가 경량 골재로서 적합하다.

FNS:유리분말	비중(g/cm ³ )
	Graphite(%)
	0.50%	1.00%	2.00%	5.00%
8:2	1.053	1.461	2.14	2.156
8.5:1.5	1.389	1.552	2.06	2.156
9:1	1.465	1.743	2	2

내열, 단열소재로의 활용가능성을 검토하기 위해 유리분말의 비율을 50~80% 로 늘리고 페로니켈 슬래그 분말을 20~30% 치환하였을 경우 양호한 블록형태의 발포체를 얻을 수 있었다. 도 40은 유리분말과 발포제 비율에 따른 경량 블록을 보여주는 사진이다.

페로니켈 슬래그를 활용하여 건축소재용 제품의 시작품을 제조하였다. MgO-based 시멘트 몰탈, 발포기술을 응용한 경량골재 및 발포블록 그리고 ALC 기술을 응용한 발포패널의 시제품 사진을 도 41에 나타내었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

시멘트;
상기 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그계 혼합재 10∼40중량부; 및
상기 슬래그계 혼합재 100중량부에 대하여 Na₂CO₃ 0.1∼5중량부를 포함하며,
상기 슬래그계 혼합재는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 포함하고,
상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그와 고로슬래그가 용융 반응되어 활성화된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제1항에 있어서, 상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그와 고로슬래그가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제2항에 있어서, 상기 고로슬래그는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 10∼50중량부를 이루는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
삭제
제1항에 있어서, 상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 상기 고로슬래그가 10∼50중량부를 이루게 용융 반응된 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제1항에 있어서, 상기 슬래그계 혼합재는 상기 페로니켈 슬래그와 고로슬래그가 1300∼1500℃의 온도에서 용융된 후 급냉되어 분쇄된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제1항에 있어서, 상기 페로니켈 슬래그의 경화를 촉진하기 위한 MgCl₂를 더 포함하고,
상기 MgCl₂는 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 0,1∼5중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제1항에 있어서, 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 MgCO₃ 0.01∼5중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제1항에 있어서, 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 CaCO₃ 0.01∼5중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제1항에 있어서, 상기 페로니켈 슬래그 100중량부에 대하여 KNO₃ 0.01∼5중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 결합재.
제1항에 기재된 시멘트계 결합재에 모래가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르 조성물.
제1항에 기재된 시멘트계 결합재에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 콘크리트 조성물.
제1항에 기재된 시멘트계 결합재;
상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 모래 20∼125중량부;
상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 생석회 12∼35중량부;
상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 석고 5∼17중량부;
상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 발포제 0.5∼12중량부; 및
상기 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 기포안정제 0.01∼1중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 콘크리트 조성물.
제13항에 있어서, 상기 발포제는 알루미늄(Al) 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 콘크리트 조성물.
제13항에 있어서, 상기 발포제는 흑연(Graphite)을 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 콘크리트 조성물.
제13항에 있어서, 상기 발포제는 CaCO₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량 콘크리트 조성물.