KR20140082100A - 철강슬래그를 이용한 성토재 - Google Patents

철강슬래그를 이용한 성토재

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Abstract

본 발명은 굵은 골재인 괴재슬래그, 잔골재인 수재슬래그; 및 자극재인 탈황 슬래그, 탈인 슬래그 및 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상을 포함하는 성토재를 제공한다.
본 발명의 성토재는 제철과정의 부산물을 사용하기 때문에 천연골재를 사용하는 종래의 성토재와는 달리 친환경적이고, 장기간의 에이징(aging)을 요하는 제강슬래그를 사용하지 않기 때문에 에이징을 위한 시간적, 공간적 제한이 적다.
또한, 본 발명의 성토재는 수경성이 있는 수재슬래그를 잔골재로 사용함으로써, 굵은 골재와 잔골재간의 결합력이 증대되어 성토재의 압축강도가 향상될 수 있고, 자극재인 탈황슬래그, 탈인슬래그 및 석고는 골재간의 공간을 메울 뿐만 아니라, 괴재슬래그에 함유된 SiO2와 반응하여 CaO-SiO2-H2O 및 CaO-Al2O3-CaSO4-H2O의 수화체를 생성하여 성토 후 단기간 내에 높은 강도를 발현시킬 수 있다.

Description

철강슬래그를 이용한 성토재{Fill-up Materials using iron and steelmaking slag}
본 발명은 제철공정에서 발생하는 괴재슬래그 및 수재슬래그를 굵은 골재 및 잔골재로 사용하고, 제강공정에서 발생하는 탈황슬래그 및 탈인슬래그와 석고를 포함하는 성토재에 관한 것이다.
각종 건설공사에는 각종 재료들이 사용되는데 그 중에서도 가장 많은 양이 소모되며, 기본적인 필수재료로서 다양한 분야에 사용되는 재료가 성토재료이다. 성토재료로서는 지금까지 거의 모든 분야에서 천연 재료인 흙을 사용하고 있는데, 일반적으로 건설공사에 있어서 말하는 흙이란 실트, 점토, 모래 및 자갈 등을 모두 포함하는 것이다.
그러나, 성토공사에 필요한 성토재료를 육상토취장을 개발하여 사용할 경우, 토취장 개발에 따른 환경파괴 및 토취장의 개발사용 후 산림복구의 비용의 문제가 발생한다. 최근 이에 대한 대책방안으로 일부 인조 성토재료들이 사용되고 있으나, 대부분 기존 성토재료의 소량만을 치환하는 단순 대체재이므로 자연환경 보전, 경제성 등의 측면에서 여전히 해결되지 못한 문제들이 존재한다. 따라서, 기존의 성토재료인 천연 흙재료를 대체할 만한 새로운 성토재료의 개발이 시급한 실정이다.
이에 최근에 제철공정에서 발생하는 제강슬래그, 고로슬래그 또는 파이넥스 슬래그를 성토재료로 사용하는 방안이 제시될 수 있다. 다만, 제강슬래그는 염기도(CaO/SiO2 함량비)가 2.0 이상으로 높아 팽창에 대한 안정성이 낮기 때문에, 6개월 이상의 양생처리를 하거나 스팀이나 오토클레이브로 가속 에이징(aging) 처리를 하는 것이 필요하다. 또한, 제조 강종에 따라 성분의 차이가 있어 품질의 편차가 크고, 높은 CaO 함량에 의해 pH가 높으므로 주변 환경에 미치는 영향에 대하여 주의를 할 필요가 있다.
한편, 고로슬래그는 냉각 방식에 따라 공랭 처리하여 얻을 수 있는 괴재슬래그 및 수냉 처리하여 얻을 수 있는 수재슬래그로 구분될 수 있는데, 상기 괴재슬래그는 괴상 형태로 발생되며 일정한 크기 이하로 파쇄 후 성토재나 로반재로 사용되고 있는 친환경 소재이다. 또한, 염기도가 1.2~1.4정도로 낮아 팽창에 대한 안정성이 매우 높다는 장점이 있어, 제강슬래그와 혼합하여 복합슬래그 형태로 성토재나 로반재 형태로 사용되기도 한다.
또한, 파이넥스 슬래그는 고로슬래그와 성질면에서 유사하다. 상기 파이넥스 슬래그에 대해 팽창성 시험을 한 결과 고로슬래그와 유사한 0.02%를 나타내었는데, 이는 성토재 및 로반재로 활용하기 위한 팽창성 기준값인 1.5%를 훨씬 하회하는 수치이다. 또한, 파이넥스 슬래그는 염기도가 낮다는 점에서도 고로슬래그와 유사하므로 토목용 골재로서의 활용성이 매우 높다고 할 수 있다.
다만, 성토 후에 큰 침하량이 예상되는 연약지반 또는 상부 구조물이 성토재로 인한 팽창이나 지반 침하에 대해 민감한 경우에는 일반적인 성토재보다 높은 결합강도가 요구되기 때문에, 성토재료로서 제강슬래그를 단독으로 사용하거나 또는 괴재슬래그와 함께 복합슬래그의 형태로 사용하기 어렵다. 이러한 경우에는 굵은 골재를 포설한 후 시멘트 그라우팅을 실시하는 프리팩트 콘크리트 공법을 사용할 수 있으나, 이는 높은 비용이 요구된다.
따라서, 일반적인 성토재료보다 결합강도가 높아 성토 후 자연 침하량이 매우 낮으며, 경제적이면서 친환경적인 대체 성토재가 요구된다.
본 발명의 한 측면은 제철공정에서 발생하는 괴재슬래그 및 수재슬래그를 굵은 골재 및 잔골재로 사용하고, 제강공정에서 발생하는 탈황슬래그, 탈인슬래그 또는 석고를 자극재로 첨가함으로써, 골재간의 결합강도가 높으며 단기간에 고강도가 발현되어 성토 후 자연 침하량이 매우 낮으며, 경제성 및 친환경성이 높은 성토재를 제공하고자 한다.
본 발명은 굵은 골재인 괴재슬래그, 잔골재인 수재슬래그; 및 자극재인 탈황 슬래그, 탈인 슬래그 및 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상을 포함하는 성토재를 제공한다.
상기 괴재슬래그는 고로 괴재슬래그, 파이넥스 괴재슬래그 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 수재슬래그는 고로 수재슬래그, 파이넥스 수재슬래그 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 석고는 이수 석고, 반수 석고 및 무수 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상일 수 있다.
상기 성토재는 성토재 100 중량부에 대하여 수재슬래그 1~5 중량부; 자극재 1~5 중량부 및 잔부 괴재슬래그를 포함할 수 있다.
본 발명의 성토재는 제철과정의 부산물을 사용하기 때문에 천연골재를 사용하는 종래의 성토재와는 달리 친환경적이고, 장기간의 에이징(aging)을 요하는 제강슬래그를 사용하지 않기 때문에 에이징을 위한 시간적, 공간적 제한이 적다.
또한, 본 발명의 성토재는 수경성이 있는 수재슬래그를 잔골재로 사용함으로써, 굵은 골재와 잔골재간의 결합력이 증대되어 성토재의 압축강도가 향상될 수 있고, 자극재인 탈황슬래그, 탈인슬래그 및 석고는 골재간의 공간을 메울 뿐만 아니라, 괴재슬래그에 함유된 SiO2와 반응하여 CaO-SiO2-H2O 및 CaO-Al2O3-CaSO4-H2O의 수화체를 생성하여 성토 후 단기간 내에 높은 강도를 발현시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명은 제철공정에서 발생하는 괴재슬래그 및 수재슬래그를 골재로 사용하고, 제강공정에서 발생하는 탈황슬래그 및 탈인슬래그와 석고를 자극재로 포함하는 성토재에 관한 것이다. 굵은 골재로 사용되는 괴재슬래그 사이에 잔골재인 수재슬래그가 혼합되면, 수재슬래그의 수경성에 의해 굵은 골재와 잔골재간의 결합력이 증가하여 성토재의 결합강도가 향상될 수 있다. 또한, 탈황슬래그, 탈인슬래그 및 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상을 자극재로 성토재에 첨가함으로써 성토 후 단기간 내에 결합강도를 향상시킬 수 있다.
상기 괴재슬래그는 슬래그를 공랭 처리한 괴상 형태의 슬래그이며, 염기도(CaO/SiO2 비)는 1.2~1.3 정도로 낮기 때문에 골재 팽창에 대한 우려가 적다. 상기 염기도가 2 이상인 경우에는 슬래그를 구성하는 결정상에 3CaO·SiO2가 생성될 수 있다. 상기 3CaO·SiO2는 수경성이 강하므로 다량으로 골재에 함유되어 있는 경우, 골재는 불안정하게 되며 수화 팽창에 의해 골재 파괴가 일어날수 있다.
또한, 3CaO·SiO2 성분은 용융상태에서 냉각되는 경우, 2CaO·SiO2 와 자유 CaO(free-CaO)로 분해될 수 있는데, 이러한 분해는 용융제강슬래그를 서냉할 경우 발생되기 쉽다. 따라서, 염기도가 2이상으로 높은 경우, 서냉된 제강슬래그 골재 내부에는 3CaO·SiO2가 분해되어 자유 CaO가 다량으로 생성될 수 있다. 상기 자유 CaO는 수화에 의해 Ca(OH)2로 전환되면서 약 2.2배 정도로 부피가 팽창하게 되어 골재 팽창을 야기시키며, 심할 경우에는 골재 파괴가 생길 수 있어 골재로서의 활용성이 떨어지게 된다.
상기 괴재 슬래그는 염기도가 낮아 제강슬래그를 골재로 활용하는 경우와 달리 장기간의 에이징이 요구되지 않으므로 시간적, 공간적 제약을 받지 않는다는 장점이 있다. 상기 괴재슬래그의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 고로 괴재슬래그, 파이넥스 괴재슬래그 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 수재슬래그는 슬래그를 수냉 처리하여 급냉시킨 것으로서, 굵은 골재 사이에서 공극을 메우는 역할을 한다. 상기 수재슬래그는 수경성을 갖기 때문에, 굵은 골재 사이에서 수분과 반응하여 공극을 메우고 굵은 골재간의 결합강도를 증가시킨다. 상기 수재슬래그의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 고로 수재슬래그, 파이넥스 수재슬래그 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 수재슬래그는 성토재 전체 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부가 포함될 수 있다. 상기 수재슬래그가 1중량부 미만으로 포함되는 경우 굵은 골재인 고로 괴재슬래그 또는 파이넥스 괴재슬래그에 비해 잔골재의 비율이 적기 때문에 공극을 메우는 것이 용이하지 않다. 또한, 잔골재의 부족으로 인하여 수경성이 약화되어 굵은 골재와 잔골재간의 결합강도가 증가되기 어렵다. 한편, 상기 수재슬래그가 5중량부를 초과하여 포함되는 경우 결합강도가 추가적으로 증가되지 않으므로 경제성이 떨어진다.
본 발명의 성토재와 같이, 성토재를 포설한 후 단기간에 고강도의 결합강도가 요구되거나 자연 침하량을 줄일 수 있는 지반 강화 성능이 요구되는 경우에는 성토 후 강도가 발현되는 데 오랜 시간이 요구되며, 성토할 때 다짐 작업이 불완전한 경우에는 자연 침하량이 클 우려가 있다. 따라서, 상기 괴재슬래그 및 수재슬래그를 골재로 사용하는 것 외에 골재간의 결합강도를 단기간에 발현시킬 수 있는 자극재가 첨가되어야 한다. 본 발명의 성토재에는 자극재로서 탈황슬래그, 탈인슬래그 및 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상이 포함됨으로써 골재간의 결합강도를 강화시킬 수 있다.
상기 탈황슬래그, 탈인슬래그 또는 석고에 함유된 CaO 성분은 고로 또는 파이넥스 슬래그에 함유된 SiO2 성분과 반응하여 CaO-SiO2-H2O 수화체를 형성한다. 또한, 석고에 함유된 CaSO4는 고로 또는 파이넥스 슬래그에 함유된 Al2O5 성분 및 CaO 성분과 반응하여 CaO-Al2O5-CaSO4-H2O 수화체를 형성한다. 상기 수화체는 공극을 메움과 동시에 골재간의 결합강도를 향상시켜, 성토재의 자연 침하량을 저감시킬 수 있다. 상기 석고의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어 이수 석고, 반수 석고 및 무수 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상일 수 있다.
상기 자극재는 성토재 전체 100 중량부에 대하여 1~5 중량부가 포함될 수 있다. 상기 자극재가 1중량부 미만인 경우 슬래그를 자극하여 수화체를 형성하는 알칼리 성분인 Al2O5 성분 및 CaO 성분이 부족하여 성토재의 단기간의 고강도 발현이 어렵다. 5중량부를 초과하는 경우 수화체가 다량으로 생성되어 성토재의 팽창성이 과도하게 되므로, 성토재가 경화된 후에 균열이 발생할 우려가 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
하기 표 1의 성토재 구성비와 같이 골재를 혼합하였으며, 수분 함유율은 11%가 되도록 하여 실시예 1의 성토재를 제조하였다. 상기 성토재를 10x20cm 실린더 몰더에 3단으로 다진 후 20℃에서 3일 및 28일 양생하여 압축강도를 측정하였다. 또한, 상기 성토재를 CBR 몰더에 다진 후 80℃에서 10일을 경과시킨 후 수침팽창비를 측정하였다.
구분 성토재 구성비(%) 3일
압축강도
(MPa)		 28일
압축강도
(MPa)		 수침
팽창비
(%)
실시예1 고로괴재(95)+고로수재(3)+
탈황슬래그(2)		 1.2 10.5 0.02
실시예2 고로괴재(95)+고로수재(3)+
탈인슬래그(2)		 1.3 11.6 0.02
실시예3 고로괴재(95)+고로수재(3)+
무수석고(2)		 1.5 14.3 0.02
비교예1 고로괴재(93)+고로수재(7) 0.1 4.1 0.02
비교예2 고로괴재(90)+고로수재(0)+
무수석고(8)+탈인슬래그(2)		 0.8 8.5 0.56
[실시예 2 및 3]
상기 표 1과 같이 성토재 구성비를 달리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 성토재를 제조하여 3일 압축강도, 28일 압축강도 및 수침 팽창비를 측정하였다.
[비교예 1 및 2]
상기 표 1과 같이 성토재 구성비를 달리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 성토재를 제조하여 3일 압축강도, 28일 압축강도 및 수침팽창비를 측정하였다.
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 3의 성토재는 고로괴재슬래그 및 고로수재슬래그를 골재로 사용하고, 자극재로서 탈황슬래그, 탈인슬래그 또는 무수석고를 1 내지 5 중량부로 사용함으로써, 수침팽창비를 증가시키지 않으면서 초기강도와 장기강도가 향상됨을 알 수 있었다.
한편, 상기 비교예 1과 같이 고로슬래그에 자극재를 첨가하지 않은 경우에는 실시예 1 내지 3에 비해 초기 강도가 낮음을 알 수 있었다. 또한, 비교예 2와 같이 자극재가 5중량부를 초과하는 경우에는 CaO-Al2O5-CaSO4-H2O 수화체가 다량으로 생성되어 수침팽창성이 증가하게 되므로, 수축이나 팽창이 우려되는 성토나 로반 공사에 활용하기 어려워 본 발명의 목적을 달성하기 어려움을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (5)

  1. 굵은 골재인 괴재슬래그, 잔골재인 수재슬래그; 및
    자극재인 탈황 슬래그, 탈인 슬래그 및 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상을 포함하는 성토재.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 괴재슬래그는 고로 괴재슬래그, 파이넥스 괴재슬래그 또는 이들의 혼합물인 성토재.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 수재슬래그는 고로 수재슬래그, 파이넥스 수재슬래그 또는 이들의 혼합물인 성토재.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 석고는 이수 석고, 반수 석고 및 무수 석고로부터 선택되는 최소 일종 이상인 성토재.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 성토재 100 중량부에 대하여 수재슬래그 1~5 중량부; 자극재 1~5 중량부 및 잔부 괴재슬래그를 포함하는 성토재.
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