KR19980084532A - 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재에 관한 것으로서, 특히 잠재수경성을 갖는 경질수재슬래그에 자극제로 포틀랜트시멘트와 팽창재(CSA)를 첨가하여 수화시키되, 상기 수재슬래그의 양에 대하여 포틀랜트시멘트를 15∼17.5%, 팽창재(CSA)를 2.5%, 물을 20%의 비율로 배합하여 형성함에 따라 공학적으로 요구되는 소정의 강도, 투수성 및 내구성을 구비할 수 있으므로, 열차통과시에 발생되는 동적하중과 진동에 대해서도 궤도를 안전하게 지지할 수 있으며, 또한 산업폐기물인 수재슬래그를 재활용함에 따라 자원의 효율적인 이용이 가능하고, 아울러 종래의 노반재에 비해 경량 및 투수성의 특징을 가짐에 따라 강화노반재로 뿐만 아니라 뒷채움재, 성토재 등으로도 활용할 수 있다.

Description

수재슬래그를 이용한 철도강화노반재

본 발명은 철도 노반재에 관한 것으로서, 특히 열차통과시에 발생되는 동적하중과 진동에 대해서도 궤도를 안전하게 지지할 수 있는 소정의 강도, 투수성 및 내구성을 갖는 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재에 관한 것이다.

일반적으로, 열차의 하중을 지지하는 지반 구조물로는 궤도(track), 도상(ballast), 노반(roadbed), 노상 등이 있는데, 철도노반은 일반적으로 도 8에 도시된 바와같이 시공기면과 자연지반의 고저차에 따라 성토와 절토를 하여 축조한다.

상기와 같은 철도노반으로는 일반적으로 성토, 절토 또는 원지반에 구성되는 토질노반이 사용되는데, 토질노반으로 사용되는 노반토질은 분니가 발생되지 말아야 하며 진동이나 유수에 대하여 안정하고 또한 다짐에 의하여 열차하중을 지지할 수 있는 충분한 강도를 지녀야 한다.

한편, 토질노반의 분니현상, 동상현상, 침하현상 및 흙입자의 풍화현상을 극복하기 위하여 강화노반이 사용되기도 한다. 강화노반은 도상의 아래에서 궤도를 견고하게 지지하고, 궤도에 적당한 탄성을 부여하며 상부노반에 내압강도 이하로 하중을 분산·전달하고, 아울러 우수의 침입을 방지하는 기능을 수행한다.

상기와 같은 강화노반에는 쇄석강화노반과 슬래그강화노반이 있는데, 쇄석강화노반은 도 9a에 도시된 바와같이 상부 아스팔트 콘크리트와 하부 입도조정쇄석 또는 입도조정 슬래그쇄석의 2층 합성구조로 이루어져 있고, 슬래그 강화노반은 도 9b에 도시된 바와같이 수경성 입도조정 고로 슬래그 쇄석의 단일층 구조로 이루어져 있다.

그러나, 종래의 토질노반과 강화노반은 열차의 하중에 의한 도상과 노반의 압력증가 및 노반의 배수불량, 불량노반토 등으로 인하여 연약화되며, 또한 상기한 바와같이 열차속도의 고속화 및 통과중량의 증대, 통과회수의 빈도증가로 인해 연약화가 가속화 된다.

상기와 같이 노반이 연약화되면 도상표면으로 이토가 분출되는 분니현상(mud pumping), 흙속의 수분의 이동으로 인한 동상현상 및 레일에 걸리는 열차하중에 의한 침하현상이 발생하게 된다.

즉, 분니현상이 발생되면 노반토등이 진흙화되어 도상표면까지 분출하기 때문에 궤도침하가 발생하고, 도상의 간극이 이토에 의해 충진되기 때문에 도상의 탄성력이 저하된다. 이와같이 분니현상이 발생되는 곳은 강우시 침목이 침하되므로 현저한 궤도처짐현상이 발생하고, 건조시에는도 도상이 고결되어 궤도처짐의 보수에 상당한 곤란을 초래한다.

또한, 기온이 빙점이하로 강하되면 토립자 사이에 얼음의 결정이 생기고 이 얼음결정이 토층으로 부터 수분을 흡수하여 렌즈모양으로 발달하는 동상현상이 발생하는데, 이 동상현상이 발생되면 렌즈모양의 얼음위에 있는 흙이 윗쪽으로 떠밀려 융기됨에 따라 요철이 발생하여 열차에 큰 동요를 줄 뿐만 아니라 궤도틀림현상이 발생하고 융해에 의해 노반의 연약화 현상인 침하현상이 발생하게 된다.

상기와 같이 종래의 철도노반은 도상 및 노반의 압력, 배수불량 등의 원인으로 분니, 동상, 침하현상이 발생하여 연약화되고, 이로인해 궤도의 변형 내지는 파괴를 유발시킴에 따라 열차의 안전운행에 큰 문제를 야기할 수 있다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 열차통과시에 발생되는 동적하중과 진동에 대해서도 궤도를 안전하게 지지할 수 있는 소정의 강도, 투수성 및 내구성을 갖는 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 철도 노반재에 있어서, 잠재수경성을 갖는 수재슬래그에 자극제로 포틀랜트시멘트와 팽창재(CSA)를 첨가하여 수화시켜 생성한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 철도강화노반재의 팽창재 첨가량에 따른 압축강도의 변화를

재령에 따라 나타낸 도면으로,

도 1a는 팽창재를 첨가하지 않은 경우를 나타낸 도면,

도 1b는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 2.5%인 경우를 나타낸 도면,

도 1c는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 5%인 경우를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 의한 철도강화노반재의 시멘트 첨가량에 따른 압축강도의 변화를 재령에 나타낸 도면으로,

도 2a는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 10%인 경우를 나타낸 도면,

도 2b는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 12.5%인 경우를 나타낸 도면,

도 2c는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 15%인 경우를 나타낸 도면,

도 2d는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 17.5%인 경우를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 의한 철도강화노반재의 혼화재 첨가량에 따른 압축강도의 변화를

재령에 따라 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 의한 철도강화노반재의 팽창재 첨가량에 따른 투수계수의 변화를

재령에 따라 나타낸 도면으로,

도 4a는 팽창재를 첨가하지 않은 경우를 나타낸 도면,

도 4b는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 2.5%인 경우를 나타낸 도면,

도 4c는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 5%인 경우를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 의한 철도강화노반재의 시멘트 첨가량에 따른 투수계수의 변화를 재령에 따라 나타낸 도면으로,

도 5a는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 10%인 경우를 나타낸 도면,

도 5b는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 12.5%인 경우를 나타낸 도면,

도 5c는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 15%인 경우를 나타낸 도면,

도 5d는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 17.5%인 경우를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에 의한 철도강화노반재의 주사전자현미경 관찰결과를 나타낸

도면으로,

도 6a 및 6b는 포틀랜트 시멘트 15%와 팽창재 5%를 첨가한 재령 14일 및 28일

의 철도강화노반재를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 의한 철도강화노반재의 X선 회절분석결과를 나타낸 도면으로,

도 7a 내지 7c는 포틀랜트 시멘트 15%와 팽창재 5%를 첨가한 재령 7일, 14일

및 28일의 철도강화노반재를 나타낸 도면,

도 8은 일반적인 철도노반의 구조를 나타낸 도면,

도 9는 일반적인 강화노반의 구조를 나타낸 도면으로,

도 9a는 쇄석강화노반의 구조를 나타낸 도면,

도 9b는 슬래그강화노반의 구조를 나타낸 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

용선(pig iron)을 생산하기 위하여 용선의 원료가 되는 철광석, 코크스(coke), 석회석 등을 고로에 투입하고 약 1200℃의 가열공기를 불어 넣으면 코크스가 연소되는데, 이 연소반응으로 열과 환원가스가 발생되며 이것에 의해 철광석은 환원 및 용해된다. 이 과정에서 부산물로 고로슬래그가 생성된다.

고로에서 배출된 고로슬래그는 그 처리공정에 따라 서냉(괘재)슬래그와 급냉(수재)슬래그로 구분된다. 즉, 약 1400℃의 고온용융상태의 고로슬래그를 슬래그방류장(dry pit)으로 흘러내려 공냉 및 적당한 양의 물을 살수하면서 2∼4일간 냉각 고화시키면 그 형상이 괴상(塊狀)이며 결정질구조(crystalline structure)를 갖는 서냉슬래그가 생성되고, 용융상태의 고로슬래그를 대량의 물로 급냉시키면 잠재수경성을 갖는 세립의 유리질구조(amorphous or glassy structure)의 급냉(수재)슬래그가 생성된다.

상기와 같이 생성되는 수재슬래그는 수재화온도에 따라 그 특성이 변화되는데, 수재화 온도가 1200℃이상이고 용융슬래그내에 질소(N)가 증가되면 팽창되어 거품구조를 갖는 소립의 백색 또는 황백색을 띄는 연질수재슬래그가 생성되고, 수재화온도가 낮으면 흑갈색 입자의 경질수재슬래그가 생성된다.

생성된 경질수재슬래그를 강화노반재료로 사용하기 위해서는 소정의 강도를 갖도록 수재슬래그를 자극하여 수화반응을 일으켜야 한다. 그러나, 수재슬래그는 잠재수경성 물질이므로 물과 접촉할 때 자기촉발적인 수화반응을 개시하지 않는다.

즉, 수재슬래그와 물과의 접촉반응에서는 규산염이 풍부한 겔의 박막이 치밀하게 형성됨에 따라 중심부까지 물의 침입이 어렵다. 따라서, 수재슬래그가 수화작용을 일으키게 하기 위해서는 강알카리나 황산염을 첨가하여 이 겔을 성근구조를 갖는 겔로 변화시키는 자극작용이 요구된다. 본 발명에서는 이와같은 자극작용을 하는 물질(acceleator)로 포틀랜트시멘트와 팽창성시멘트를 사용하였다.

수재슬래그에 포틀랜트시멘트와 팽창성시멘트를 혼합하면 시멘트의 수화반응으로 생성된 Ca(OH)₂에 의해 자극받아 용출된 Al₂O₃와 CaSO₄와의 수화반응으로 인해 에트링가이트(ettringgite)가 형성되고, 또한 이들 용출성분의 반응으로 C-S-H와 C-A-H가 생성되어 후기 강도를 발현하게 된다.

또한, 팽창재의 주성분인 Hauyne의 수화반응은 시멘트의 CaO소비를 촉진시켜 전체적으로 시멘트의 수화를 촉진함에 따라 자극작용을 하는 Ca(OH)₂의 생성을 원활하게 한다. 이론적으로 수재슬래그는 중량의 약 10%에 상당하는 Ca(OH)₂와 결합하고 포틀랜트시멘트는 약 25%의 Ca(OH)₂를 방출하므로, 시멘트와 수재슬래그의 혼합비가 25:75의 비율을 이룰때 까지는 수재슬래그의 전부를 활성화하는데 충분한 Ca(OH)₂를 확보할 수 있으며, 이때 팽창성시멘트는 시멘트양의 5∼10%를 혼합하는 것이 적정하다.

다음은 본 발명에 따른 철도강화노반재의 시멘트 첨가량 및 팽창재 첨가량에 따른 특성변화를 분석하기 위한 실험결과를 설명한다. 본 실험의 실험항목 및 범위는 하기의 [표1]과 같으며 이때 물의 첨가량은 25%로 고정하였다.

팽창재 첨가량에 따른 본 발명에 의한 철도강화노반재의 압축강도가 도 1에 도시되어 있는데, 도 1a는 팽창재를 첨가하지 않은 경우를 나타낸 도면이고, 도 1b는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 2.5%인 경우를 나타낸 도면이며, 도 1c는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 5%인 경우를 나타낸 도면이다.

한편, 도 2는 본 발명에 의한 철도강화노반재의 시멘트 첨가량에 따른 압축강도의 변화를 재령에 따라 나타낸 도면으로, 도 2a는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 10%인 경우를 나타낸 도면이고, 도 2b는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 12.5%인 경우를 나타낸 도면이며, 도 2c는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 15%인 경우를 나타낸 도면이고, 도 2d는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 17.5%인 경우를 나타낸 도면이다.

[표1] 실험항목 및 범위

실험항목	실험내용	변화인자	범 위	실험규정
일축압축강도시험	압축강도측정	혼합비	시멘트 : 10, 12.5, 15,17.5%팽창재 : 0, 2.5, 5%	KS F 2314
		재령	3, 7, 14, 21,28, 60일
투수시험	투수특성측정	혼합비	강도시험과 동일	KS F 2322
		재령	7, 14, 28, 35, 60일
주사전자현미경관찰	조직변화관찰	혼합비	강도시험과 동일
		재령	14, 28일
XRD분석	생성광물검토	혼합비	강도시험과 동일
		재령	7, 14, 28일

도면에 도시된 바와같이, 재령에 따른 강도변화가 초기 7일까지는 급격히 증가하고 28일까지도 현저하게 증가하나 28일 이후로는 강도의 증가가 완만한 양상을 보인다. 일반적인 콘크리트의 경우에 14일 이후로는 강도의 증가가 매우적은 것과 비교하면 수재슬래그의 경우 장기적으로 수화가 계속 진행됨을 알수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와같이 팽창재가 시멘트의 자극작용을 촉진하여 압축강도를 증가시킴을 알 수 있다.

즉, 혼화재의 첨가량(시멘트와 팽창재를 합한량)이 수재슬래그양의 17.5%이상으로 배합된 경우에는 종래의 슬래그강화노반(재령 14일)의 기준강도인 12kg/cm²이상의 압축강도를 얻을 수 있었다.

또한, 투수시험에서도 도 4는 및 도 5에 도시된 바와같이 일반적인 투수층의 기준치인 0.001(1x10^-3)cm/sec 이상의 값을 얻을 수 있었다.

도 4는 본 발명에 의한 철도강화노반재의 팽창재 첨가량에 따른 투수계수의 변화를 재령에 따라 나타낸 도면으로, 도 4a는 팽창재를 첨가하지 않은 경우를 나타낸 도면이고, 도 4b는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 2.5%인 경우를 나타낸 도면이며, 도 4c는 팽창재 첨가량이 슬래그양의 5%인 경우를 나타낸 도면이다.

또한, 도 5는 본 발명에 의한 철도강화노반재의 시멘트 첨가량에 따른 투수계수의 변화를 재령에 따라 나타낸 도면으로, 도 5a는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 10%인 경우를 나타낸 도면이고, 도 5b는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 12.5%인 경우를 나타낸 도면이며, 도 5c는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 15%인 경우를 나타낸 도면이고, 도 5d는 시멘트 첨가량이 슬래그양의 17.5%인 경우를 나타낸 도면이다.

도면에 도시된 바와같이, 투수계수가 28일까지는 급격히 감소하며 그후 35일까지는 완만하게 감소하나 35일 이후로는 감소율이 현저히 줄어들어 60일까지는 거의 변화를 보이지 않고있다. 실험결과 혼화재의 첨가에 따라 투수계수는 감소하나 상기한 바와같이 본 실험의 모든 배합비 내에서는 일반적인 투수층의 기준치인 0.001(1x10^-3)cm/sec 이상의 값을 얻을 수 있었다.

도 6은 본 발명에 따른 철도강화노반재의 주사전자현미경 관찰결과를 나타낸 도면으로, 도 6a 및 6b는 각각 포틀랜트 시멘트 15%와 팽창재 5%를 첨가한 재령 14일 및 28일의 철도강화노반재를 나타낸 도면이다. 도면에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 철도노반강화재는 매우 많은 공극을 함유하고 있음을 알수 있다.

또한, 시멘트와 팽창재를 혼합하여 만든 철도강하노반재는 X선 회절분석결과 도 7에 도시된 바와같이 CSH의 결정에 의해 명확한 피크를 얻을 수 있다. 도 7은 본 발명에 의한 철도강화노반재의 X선 회절분석결과를 나타낸 도면으로, 도 7a 내지 7c는 포틀랜트 시멘트 15%와 팽창재 5%를 첨가한 재령 7일, 14일 및 28일의 철도강화노반재를 나타낸 도면이다.

X선 회절분석결과 수화생성물에는 차이가 없으나 재령이 증가하면서 CSH의 피크만이 탁월해지는데 이는 재령 28일이 되면 에트링가이트가 CSH로 변화하기 때문이다.

상기의 실험결과를 분석하면 진동감쇠특성과 투수특성을 가지며 소정의 기준강도를 만족시킬 수 있는 본 발명에 따른 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재의 최적배합비는 수재슬래그의 양에 대하여 포틀랜트시멘트 15∼17.5%, 팽창재(CSA) 2.5%, 물 20% 였다.

상기와 같이 본 발명에 따른 철도강화노반재는 공학적으로 요구되는 소정의 강도, 투수성 및 내구성을 구비함에 따라 열차통과시에 발생하는 동적하중과 진동에 대해서도 궤도를 안전하게 지지할 수 있다.

또한, 산업폐기물인 수재슬래그를 재활용함에 따라 자원의 효율적인 이용이 가능하며, 아울러 종래의 노반재에 비해 경량 및 투수성의 특징을 가지고 있으므로, 강화노반재로 뿐만 아니라 뒷채움재, 성토재 등으로도 활용할 수도 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구의 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 철도 노반재에 있어서, 잠재수경성을 갖는 수재슬래그에 자극제로 포틀랜트시멘트와 팽창재(CSA)를 첨가하여 수화시켜 생성한 것을 특징으로 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수재슬래그의 양에 대하여 포틀랜트시멘트를 15∼17.5%, 팽창재(CSA)를 2.5%, 물을 20%의 비율로 배합한 것을 특징으로 하는 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 수재슬래그는 경질수재슬래그인 것을 특징으로 하는 수재슬래그를 이용한 철도강화노반재.