1. 서론

최근 산업부산물로 배출되는 슬래그의 유효활용에 대하여 관심이 높아지고 있다. 이중 재활용 방법으로는 콘크리트용 골재로 사용하는 방법이 있다. 일본에서 JIS규격화 되어있는 슬래그 세골재는 동슬래그 골재, 고로슬래그 골재, 페로니켈 슬래그 골재, 전기로 산화 슬래그 골재, 일반폐기물과 하수찌꺼기와 이들의 소각재를 용융 고화한 콘크리트용 슬래그골재의 5종류가 있다. 그러나 슬래그 세골재의 유효 활용으로는 시멘트 원료와 샌드 슬래그재 등이 주로 사용되고 있어, 앞으로 유효 활용을 증가시키기 위해서는 콘크리트용 골재로의 용도확대가 필요하다. 5종에 대하여 간단히 현황을 정리하면 다음과 같다.

 

- 고로슬래그 : 고로 슬래그는 고로에서 선철과 동시에 생성하는 용융슬래그를 냉각한 것으로 세골재로는 급냉 슬래그가 주로 사용된다. 고로슬래그는 2007년에 2,548만톤 발생하고 있고 이중 약 97%인 2,469만톤이 유효 활용되었다. 용도는 주로 시멘트재료다..

- 전기로 산화 슬래그 : 철 스크랩을 용해할 때 발생하는 것으로, 산화 정련 과정에서도 발생하는 것을 산화 슬래그라 한다. 2009년도에 전기 슬래그 생산량은 233만 이다. 사용은 주로 도로용, 토목용으로 사용되며, 콘크리트용 골재로 이용은 약 0.8%이다.

- 페로니켈 슬래그 : 페로니켈 슬래그는 페로니켈을 제조할 때 부생하는 용융슬래그를 냉각하고, 분쇄·입도 조절을 한 것이다. 페로니켈 슬래그는 년간 200~300만 톤 발생하고 있다. 2009년도에는 유효활용 중 약 10%가 콘크리트용 세골재로 사용되었다.

- 동 슬래그 : 노에서 동을 정련할 때 철분이 산화되면서 부생되는 용융슬래그를 수쇄하며 제조한 것이다. 년간 생산량은 약 300만 톤이며 주요 용도로는 시멘트용 철 원료와 샌드 브라스트용이다. 콘크리트용 세골재 판매량은 약 5%정도이다.

- 용융슬래그 : 도시 쓰레기 등의 일반 폐기물 및 하수처리 찌꺼기를 원료로 하여 용융고화 시설에서 1,200℃이상의 고온으로 용융되어 냉각 고화한 것이다. 2006년도 생산실적은 약 63만 톤이다. 유효 이용으로는 도로용 골재 (27.8%), 콘크리트용 골재 (24.0%)이다.

 

지금까지 슬래그 세골재를 혼입한 콘크리트에 관한 연구는 많이 수행되어 왔다. 각종 슬래그 세골재를 이용한 콘크리트의 시공지침이 제시되고, 혼합율의 어느 일정량(30~ 50%)이하의 범위라면 보통 세골재와 동등하게 취급하는 것이 가능한 상태이다. 그러나, 최근 들어 슬래그 세골재를 콘크리트에 80 ~ 100% 혼입하는 대량혼합방법이 주목되고 있고 관련된 연구가 수행되고 있다. 이 보고서에서의 슬래그 연구의 수행 흐름도를 그림에 나타낸다.

 

 

표1. 연구 검토 흐름도

   

 

 이 연구에서는 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 항만 콘크리트 구조물, 특히 소파 블럭과 다짐 블록등의 무근 콘크리트 구조물에의 적극적인 적용을 목적으로 하고 있다. 품질개량 없이 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 역학특성, 내구성, 시공성에 관하여 실험적 검토를 수행하였다. 이들 결과를 바탕으로 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 항만 콘크리트 구조물에의 적용성에 관하여 고찰하였다.

 

2. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 역학 특성

이 장에서는 각종 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 역학특성에 관하여 실험적으로 명확히 하고 무근 콘크리트의 구조물 및 철근 콘크리트 구조물에의 적용성에 대하여 검토하였다.

구체적으로는 무근 콘크리트 구조물에서는 주로 압축강도와 정탄성계수, 단위용적 질양에 대하여 검토하였다. 또한 철근 콘크리트 구조물에서는 압축강도와 함께, 블리딩에 의한 콘크리트철근 계면에서의 공극 형성에 의해 부착력이 저하되는 것이 우려되기 때문에 부착강도에 대한 검토를 수행하였다.

 

3. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 내구성

이 장에서는 각종 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 내구성에 관하여 검토하였다. 우선 해수에서는 Mg²⁺와 SO₄^2-가 포함되며 이들이 콘크리트의 표면 열화에 영향을 끼치는 것이 지적되고 있다. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트를 1.8%의 MgSO₄ 수용액에 침적시켜 해수에 의한 표면열화를 촉진하는 내해수성에 대한 검토를 수행하였다. 다음으로 철근의 부식발생이 우려된다. 이에, 폭로실험에 의해 콘크리트의 염화물 이온의 개략 확산계수를 구하고, 제작한 철근 콘크리트 시험체를 해양환경에 폭로하는 자연전위의 경시변화로부터 슬래그 골재를 대량 혼입한 콘크리트의 방식 성능에 관하여 검토하였다. 부식용 실험체의 제원을 아래에 나타낸다.

 

그림1. 부식용 실험체의 제원

 

 

4. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 시공성

슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 역학특성 및 내구성 블리딩량이 약 0.5㎤/㎠정도라면, 보통 콘크리트와 동등인 것을 나타냈다. 그러나, 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트는 블리딩량의 증가와 밀도도 골재의 침하에 의한 재료 분리에 의해 시공성의 저하가 우려되었다. 4장에서는 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 시공성 중 특히 타설 방법에 주목하였다. 일반적으로 소파 블록 등의 타설은 호퍼를 사용한 직접 타설이 주류이다. 그러나, 일부에서는 제작 야드로부터 펌프압송이 필요한 경우도 있다. 보고서에서는 동 슬래그 세골재를 대상으로 혼입율을 변화시키면서 콘크리트의 압송 실험을 실시하였다. 펌프 압송실험 배관조건을 그림으로 나타내었다.

 

 

그림2. 펌프압송 시험의 배관조건

 

 

 실제 시공 시험에서 제작한 소파블럭들은 보통콘크리트와 외관상 문제가 없는 것과 표면에 물자국, 곰보자국이 생긴 것이 있었다. 이들은 소파성능에는 충분한 저항성을 가지나 검토할 필요가 있는 부분이었다. 그러나, 미관적인 면에서 완성도를 본다면 동슬래그 세골재의 혼입량이나 허용 블리딩량을 작게 할 필요가 있다고 생각되었다. 실험 사진을 다음에 나타낸다.

 

 

 

배합65-0                      배합65-70                  배합65-100

 

사진 1. 제작된 소파블럭 배합 별 표면상태

 

보고서 부록에서 제작된 소파 블럭의 내하 성능에 관한 검토를 수행하였다. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트로 제작된 소파 블록의 내력은 보통 콘크리트보다 크게 나타났다. 이들 결과로부터 적절한 방법을 선택하여 타설하는 것이 슬래그 세골재를 대량으로 혼입한 콘크리트의 소파 블럭에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.      

 

5. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 항만 콘크리트 구조물에의 적용성

이 장에서는 앞장에서의 실험결과에 기초하여 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 항만 콘크리트 구조물에 대한 적용성을 고찰하였다.

무근 콘크리트구조물에의 적용성 검토에서 보면, 역학실험에서는 0.5㎤/㎠정도의 블리딩 량이라면 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 역학특성은 보통 콘크리트와 동등하였다. 내해수성에 관한 촉진실험 결과로부터 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 내해수성은 보통 콘크리트와 거의 동등하고, 무근 콘크리트 구조물에 적용하여도 문제가 없다고 생각되었다. 시공성 관점에서도 슬래그 세골재 혼합량이 50%, 블리딩량이 0.3㎠/㎤보다 적으면 펌프 압송이 가능하다. 이와 같은 결과로 보면 무근 콘크리트 구조물에의 적용은 충분히 가능하다고 생각된다. 

철근 콘크리트 구조물에의 적용성 검토에서 보면, 역학 특성뿐 만 아니라, 철근에의 부착, 방식성능을 적절히 평가 할 필요가 있다. 실험에서는 0.5㎤/㎠정도의 블리딩 량까지 라면 글래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 역학 특성, 염화물 이온의 개략 확산계수, 철근 콘크리트의 부착강도는 보통 콘크리트와 거의 동등하였다.

그러나, 블리딩 증가에 의한 철근계면의 공극이 발생하고, 부식촉진과 부착력 저하가 지적되었다. 이번 시험에서는 시험체가 비교적 적어 이러한 문제점이 확인되지 못하였으나, 향후 실물 부재 사이즈의 시험체를 이용한 검증을 계속하여 검토해 나갈 필요가 있다고 생각한다.

 

6. 결론

이 보고서에서 검토한 각종 특성과 성과는 다음과 같다.

- 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 품질개선을 하지 않아도 무근 콘크리트 구조물에의 적용은 충분한 역학적 성능을 가진다.

- 1.0㎤/㎠정도의 과도한 블리딩을 발생하는 콘크리트에서는 실질 물시멘트비와 강도의 관계가 보통 콘크리트와 다르다. 이 실험결과에서는 적어도 0.5㎤/㎠ 이하라면 실제 물시멘트비와 강도 관계는 보통 콘크리트와 동등한 경향을 나타내었다.

- 해양 환경에서의 1년간 폭로 실험에 의하면, 보통 콘크리트와 동등한 결과를 나타내었다.

- 슬래그 세골재를 혼입한 콘크리트에서 압송품질은 보통 콘크리트와 거의 동등하였다. 실험 범위에서는 슬래그 세골재의 혼입율이 50%, 블리딩 량이 0.3㎤/㎠ 이하라면 펌프 압송에 의한 시공이 가능하다.

- 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 적절한 시공방법을 선택하면 항만의 무근 콘크리트 구조물에 적용하는 것이 충분히 가능하다고 생각되었다.

 

 

▣ 원문제목 : スラグ細骨材を大量混合したコンクリートの各種特性

 

 

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

 

1. 서론

1.1 배경

1.2 슬래그 콘크리트용 세골재로서의 유효 이용에 관한 현황

1.3 슬래그 세골재를 이용한 콘크리트에 관한 기존 연구 정리

1.4 기존 연구 과제와 본 연구의 목적 및 의미 부여

 

2. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 역학 특성

2.1 실험개요

2.2 실험결과 및 고찰

 

3. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 내구성

3.1 실험개요

  3.2 실험개요 및 고찰

 

4. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 시공성

4.1 실험개요

  4.2 실험결과 및 고찰

 

5. 슬래그 세골재를 대량 혼입한 콘크리트의 항만 콘크리트

구조물에의 적용성

5.1 무근 콘크리트 구조물의 적용성

5.2 철근 콘크리트 구조물에의 적용성

 

 6. 결언