본 연구는 제지 슬러지 소각재의 보다 근본적이고 장기적인 처리방안으로 인공경량골재를 제조하여 고부가 자원으로의 개발과 대량으로 처리할 수 있는 기술에 관한 연구이다. 따라서 배합비, 성형 및 소성조건을 달리하여 골재를 제조하고 이에 따른 골재의 물성을 평가하고자 하였다. 실험결과 제지 슬러지 소각재 단독으로는 인공경량골재의 원료로 부적합하여 점토, 플라이 애쉬 등의 부원료의 첨가가 필요하였으며, 적정 배합비는 제지 슬러지 소각재 30~50 % , 점토 30~50 %, 플라이애쉬 0~40 %, 제지 슬러지 0~10 %, 산화철 2~3% 이었다. 또한 본 배합비를 이용하여 절건 비중이 약 0.6~l.4의 다양한 경량골재 제조가 가능하였다. 골재의 물성 시험 결과 10% 세립치 파쇄강도 및 흡수율은 5~10 ton 및 10~20%로 나타나 골재의 물성은 비구조용 및 구조용 인공경량골재로 적합하였으며, 외국제품에 비해서도 거의 동등한 물성을 나타내었다.
경량골재 사전흡수에 의한 콘크리트 내 수분이동 변화와 수축 저감 효과를 파악하기 위하여 일반콘크리트 및 경량콘크리트의 수분이동, 열전달, 변형률의 다중물리모델의 해석과 실험을 수행하였다. 그 결과 동일 물-결합재비일 경우 경량 콘크리트와 일반 콘크리트와의 습도 변화 비교는 모두 경량 콘크리트가 일반 콘크리트보다 초기재령, 장기 재령 모두에서 작은 습도 감소를 나타내어 경량 골재 사전흡수수에 의한 수분 공급이 효과적으로 이루어진 것으로 판단된다. 이에 따라 경량 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 수축변형률 크기 및 분포 모두 감소하였으며, 수축저감효과는 물-시멘트비 0.3에서는 초기재령에서, 물-시멘트비 0.5에서는 초기재령, 장기재령 모두에서 효과적인 것으로 나타났다. 수분이동 및 변형률 해석과 모형실험을 통해 일련된 연구에서 도출한 수분이동 특성값과 습도, 수축 관련식은 적합한 것으로 판단되며, 향후 경량콘크리트의 부등수축해석에 적절히 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
콘크리트 중의 골재가 차지하는 비율은 약 70~80 vol%로서 콘크리트의 고온 역학적 성상에 큰 영향요소로 작용할 수 있다. 이 연구는 고온시 콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위한 일환으로써 다양한 환경조건, 즉 고온조건, 하중조건에 따른 역학적 특성을 비교하기 위하여 목표강도 60 MPa급 보통 골재 및 경량 골재 콘크리트를 대상으로 선정하였다. 사용된 시험체는 ${\phi}100{\times}200mm$로서 상온 압축강도의 0%, 20%, 40% 하중을 재하한 상태에서 고온에 따른 강도, 탄성계수, 열팽창 변형(thermal strain), 전체 변형(total strain), 내력저하수축(transient creep) 등 고온에서의 역학적 특성을 평가하였다. 시험 결과 골재의 열팽창계수가 작은 경량 콘크리트는 열팽창 변형이 일반 골재를 사용한 콘크리트에 비하여 전반적으로 작게 나타났으며, 고온조건인 $700^{\circ}C$에서도 압축강도 저하가 상온강도에 대하여 80% 수준으로 나타났다. 또한 재하에 의한 내력저하수축은 $500^{\circ}C$를 기준으로 콘크리트의 변형을 팽창에서 수축으로 전환시키는 영향요인으로써, 콘크리트와 골재의 열팽창 변형비(concrete /aggregate)가 수축의 경향이 큰 경우 콘크리트의 내력저하가 적은 경향을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 보통 및 경량 굵은 골재를 사용한 콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위해 압축강도와 초음파 속도를 측정하였다. 압축강도에서는 재령 초기에서 보통골재 콘크리트가 높은 경향을 나타냈으나 시간 경과에 따라 경량골재 콘크리트가 높아지는 것을 알 수 있으며, 경량골재의 특징 중 높은 흡수율의 영향이라고 판단된다. 초음파 속도에서는 일정 시간을 제외하고 대부분 보통골재가 높은 경향을 나타냈으며, 골재의 내부 공극의 차이라고 판단된다. 압축강도와 초음파 속도의 상관관계를 통한 예측식의 상관계수(R2)가 0.95를 상회하며, 본 실험을 통한 예측식으로 강도 예측의 신뢰성이 높다고 판단된다.
화력발전소에서 발생하는 석탄 바닥재(Coal bottom ash)를 준설토(Dredged soil) 및 적점토(Clay)와 혼합하여 조립기(Pelletizer)로 성형 후, 이를 로타리 킬른에서 $1125^{\circ}C$에서 소성하여 인공경량골재를 제조였다. 제조된 인공경량골재에 대한 중금속 용출 실험(TCLP) 결과, 폐기물 관리법 시행규칙의 중금속 검출량 기준치 이하로 나타났다. 바닥재가 60$\sim$70 wt% 첨가된 인공경량골재는 부피비중 1.45$\sim$1.49, 흡수율 17.2$\sim$18.5%의 값을 나타냈으며, 골재충격시험결과 건조 상태와 표건 상태의 충격값이 각각 27.4$\pm$1.3 및 23.4$\pm$2.6%를 나타내었다. 인공경량골재를 이용하여 제조된 콘크리트 공시체의 28일 압축강도는 첨가된 골재종류에 따라 $22.7\sim27.8 N/mm^2$ 이었다. 바닥재가 60 및 70% 첨가된 골재를 사용한 콘크리트의 슬럼프 값은 각각 7.9와 14.3 cm를 나타내었고, 단위용적질량은 골재조성에 상관없이 $1.84 ton/m^3$ 이하를 나타내어 토목 건축공사 표준시방서에 제시된 경량콘크리트 특성을 만족하였다.
이 연구의 목적은 바텀애시 및 준설토 기반의 인공 경량골재 콘크리트의 합리적 배합설계 절차를 제시하는 것이다. 25 배합의 실험결과를 바탕으로 경량골재 콘크리트의 목표성능(압축강도, 절건 밀도, 초기 슬럼프, 공기량)에 대하여 물-시멘트 비, 단위 시멘트양, 경량 잔골재 치환율을 결정하는 식을 제시하였다. 제안된 식과 절대용적 배합의 개념으로부터 각 구성요소들의 단위용적중량을 산정하였다. 제시된 배합설계 절차는 기존 결정에 효율적으로 이용될 수 있다.
Bottom ash, which is discharged through a wet process in a thermal power plant, contains much unburned coal due to quenching and much salt due to seawater. However, dry bottom ash discharged through a dry process contains low unburned coal and salt, and has light -weight due to many pores. Therefore, it is expected that it can be used as lightweight aggregate. This study deals with the basic properties of concrete used dry bottom ash as coarse aggregate. As a results, the concrete having high content of dry bottom ash aggregate showed high slump by using water reducing agent and its air content was within 5±1.5% as designed value, similarly to normal weight concrete. It also showed a lower compressive strength than 100% of crushed stone.
본 연구는 구조용 단열콘크리트의 개발을 위한 기초적 연구로서 HMS를 사용한 경량골재콘크리트의 물리, 역학적 특성 및 열전도 특성을 검토한 결과, HMS의 사용으로 인해 슬럼프의 감소가 발생하여 혼화제 사용량의 증가가 필요한 것으로 나타났으며, HMS 치환율의 증가에 따라 압축강도는 HMS의 낮은 계면부착력에 기인하여 감소하는 것으로 나타났다. HMS의 치환에 따라 일반콘크리트 및 경량골재콘크리트 대비 각각 최고 32, 68%의 열전도율 값을 나타내어 열전도율이 크게 개선되는 것으로 나타났다. 또한 물시멘트비의 증가는 압축강도를 감소시켰으나 열전도율은 개선하는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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