2.2.1. KS F 4571(콘크리트용 전기로 산화슬래그 골재)

2007년도에 콘크리트용 전기로 산화슬래그 잔골재로 KS 규격으로 제정되었으며, 2012년도 굵은 골재에 대한 규정이 추가 되면서 현재의 KS규격이 개정되었다. 하지만, 국내에서 는 아직 활용성에 문제가 있다고 판정하고 있어, 사용성이 전 무한 실정이다. 또한, 전기로 산화슬래그는 지역적으로 한정 되어 생산되며, 높은 비중으로 인한 운송비의 문제가 있는 실 정이다. 전기로 산화슬래그 골재 관련 품질 규준인 ^{KS F 4571}(콘크리트용 전기로 산화슬래그 골재)에서 제시하고 있 는 화학조성은 Table 1과 같다. ^{KS F 4571}에서는 품질 관리 기 준으로서 산화칼슘 및 산화마그네슘, 전철, 염기도 등 4가지 항목에 대해서 화학 성분을 규정하고 있으며, 산화칼슘(CaO) 에 대한 규정은 최대 40% 이하로 관리 규정되어 있다.

2.2.2. 철강슬래그 및 석탄재 배출사업자의 재활용지침

환경부고시 제 2014-193호에서는 (철강슬래그 및 석탄재 배출사업자의 재활용지침)이 고시되어 있다. 슬래그의 크기에 따른 숙성기간을 설정하고 있는데, 슬래그의 크기가 100 mm 이상인 경우에는 3개월 이상 야적을 하여야 하며, 100 mm 이 하인 경우에는 최소 1개월 이상 야적을 하도록 규정되어 있다. 또한 충분한 통기성을 확보하기 위하여 야적높이를 3 m에서 8 m로 규정하고 있다. 이러한 규정은 철강 슬래그 내의 free CaO의 팽창 문제로 충분한 에이징 처리를 위하여 장기간 야 적을 요구하고 있다. 하지만, 전기로 산화슬래그와 같은 free CaO의 함량이 적은 철강슬래그에서는 제약조건으로 발생 되 고 있다.

2.3.1. 철강 슬래그의 80°C 수침팽창 시험방법

철강 슬래그를 토목용 재료로도 많이 사용하고 있어 철강 슬래그의 팽창성에 대한 시험 방법의 필요성이 높다고 판단 되어 도로용 철강 슬래그의 규격으로부터 독립시켜 제정되었 다. 철강 슬래그의 수침팽창비는 2.0% 이하로 규정되어 있다.

2.3.2. 골재의 알칼리 잠재 반응성 시험방법

골재의 알칼리 잠재 반응으로 인한 체적팽창을 확인하는 방법으로 25.4 × 25.4 × 254 mm의 모르타르 봉을 제작하여 길 이 변화를 측정하는 방법이다. 반응성 판정은 공시체 3개의 평균 팽창률이 6개월 후에 0.1% 미만의 경우는 “반응성이 없 음”으로 하고, 0.1% 이상의 경우는 “반응성이 있음”으로 한 다. 단, 3개월에서 0.05% 이상의 팽창을 보인 경우는 그 시점 에서 “반응성이 있음”으로 해도 좋다.

2.3.3. 골재의 알칼리 실리카 반응성 신속 시험방법

골재의 알칼리·실리카 반응성을 신속히 알아보기 위한 시 험방법으로 40 × 40 × 160 mm의 모르타르 봉을 제작하여 고 온·고압에서 양생하여 그 특성의 변화를 측정하여 신속하게 판정하는 시험 방법이다. 초음파 전파 속도율 95% 이상, 상대 동탄성계수 85% 이상 및 길이 변화율이 0.1% 미만의 반응 시 “반응성이 없음”으로 판정한다.

2.3.4. 시멘트의 오토클레이브 팽창도 시험방법

포틀랜드 시멘트에 있는 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘 (MgO) 또는 이 두 가지 성분으로 인한 잠재적으로 지연되어 있는 팽창의 지표를 알아보기 위한 시험방법이다. 25.4 × 25.4 × 254 mm로 시험편을 제작하여 양생 후 탈형하여 초기 길이를 측정한 후 45~75분에 증기압이 2 ± 0.07 MPa이 되도록 오토 클레이브의 온도를 올리며, 3시간 유지한다. 3시간 경과한 뒤 에 가열을 중지하고, 다시 1시간 30분 뒤에는 압력이 0.07 MPa 이하가 되도록 오토클레이브를 냉각한다. 오토클레이브를 열 고 시험체를 즉시 90°C 이상의 물 속에 담근 후 찬물에 15분 동안 23°C가 되도록 균일하게 유지한다. 이 후 시험체를 꺼내 어 표면이 건조하면 길이를 측정한다.

3.3.1. 오토클레이브를 이용한 굵은 골재 체가름 시험방법

오토클레이브를 이용한 굵은골재 체가름 시험방법은 전기 로 산화슬래그 골재를 자체적으로 팽창여부를 판별하기 위하 여 고안한 방법이다. 오토클레이브의 고온, 고압으로 인하여 전기로 산화슬래그 내부의 free CaO가 H₂O와 결합하게 되면 골재 자체적으로 팽창이 진행됨에 따라 조립률이 변화 될 수 있을 것으로 판단된다. 실험은 ^{KS F 2502}(굵은 골재 및 잔골 재의 체가름 시험 방법) 기준으로 25 mm이하의 골재를 대상 으로 전기로 산화슬래그 굵은 골재와 일반 쇄석의 체가름 시 험을 진행 하여 초기 조립율을 측정한 후 ^{KS L 5107}[시멘트의 오토클레이브 팽창도 시험방법]을 기준으로 45~75분에 증기 압 2±0.07 MPa에서 3시간 가열한 후 1시간 30분동안 압력이 0.07 MPa이하로 냉각한다. 오토클레이브를 열어 90°C이상의 물 속에 담근 후 찬물에 15분 동안 23°C가 되도록 유지한 후 골재 표면이 건조하면 체가름 시험을 진행하여 조립률을 측 정한다. 이과 같은 방법으로 12시간, 24시간, 36시간, 48시간 으로 체가름 시험과 오토클레이브 실험을 진행하여 각 시료 의 조립률을 산출하였다.

3.3.2. 오토클레이브를 이용한 모르타르바법 시험방법

오토클레이브를 이용한 모르타르바법은 ^{KS L 5107}(시멘 트의 오토클레이브를 팽창도 시험방법)을 이용하여 실험을 진행하였다. 표준사를 이용한 모르타르와 전기로 산화슬래그 잔골재와 free CaO가 다량 함량 된 전기로 환원슬래그 잔골재 를 혼입한 모르타르(전기로 산화슬래그 90%:전기로 환원슬 래그 10%, 전기로 산화슬래그 80%:전기로 환원슬래그 20%) 를 25.4 × 25.4 × 254 mm로 제작한다. 시험편 양생(20°C, 24시 간) 한 후 탈형하여 시험편의 초기길이를 측정한 후 오토클레 이브에 넣고 45~75분에 증기압 2±0.07 MPa에서 3시간 가열 한 후 1시간 30분 동안 압력이 0.07 MPa이하로 냉각한다. 오 토클레이브를 열어 90°C이상의 물속에 담근 후 찬물에 15분 동안 23°C가 되도록 유지한 후 시험편 표면이 건조하면 길이 를 측정한다. 이와 같은 방법으로 12시간, 24시간, 36시간, 48 시간에 따른 길이변화율을 산출하였다. 길이변화율의 결과는 ^{KS F 2546}(골재의 알칼리 잠재 반응성 시험방법), ^{KS F 2825} (골재의 알칼리 실리카 반응성 신속 시험방법)에서 나타내고 있는, 0.1% 미만을 기준으로 하였다.

다음 Table 7은 시험체 배합 사항을 나타낸 것이며, Fig. 1와 2 는 오토클레이브 시험 장비와 길이 변화 측정 장치를 나타낸 것이다. 시험체 배합 사항은 전기로 산화슬래그(EOS)와 전기 로 환원슬래그(ERS)의 밀도를 고려하여 중량배합으로 실험 을 진행하였다.

Fig. 1.

Autoclave

Fig. 2.

Length measuring device

3.3.3. Ethylene glycol 시험 방법

Ethylene glycol 시험법은 시멘트 내의 소량의 free CaO 함 량을 신속하고 정량적으로 분석하는 방법으로 이용되어 왔다 (^{Chalasani, et al., 1986}; ^{Javellana, et al., 1982}). 본 연구에서는 Ethylene glycol 시험을 진행하기 위하여 OPC(Ordinary Portland Cement-시멘트)를 기준으로 실험을 진행하였으며, EOS, ERS, GBFS(Ground granulated Blast Furnace Slag-고로 슬래그 미분말), CS(Converter Slag-전로 슬래그) 등의 철강슬 래그의 free CaO 함량을 평가하였다. Ethylene glycol 시험을 진행하기 위하여 시료는 ^{KS F 2501}(골재의 시료 채취 방법) 을 기준으로 채취하였으며, ^{KS F 2553}(골재의 시료 분취 방 법)으로 진행하였다. 채취한 시료는 80°C의 건조로에서 1시 간 건조한 후 disk mill로 파쇄를 하여 100 μm의 크기로 제작 하여 공기가 통하지 않도록 보관한다. Ethylene glycol 시험은 각 시료당 3개씩 실험을 진행하여 평균으로 결과값을 구했다. Ethylene glycol 시험법은 실험 재료의 함유량에 따라 혼입량 을 조절하여야 한다. 실험 재료의 free CaO 함유량 3% 이하일 때에는 1 g을 채취하며, 3% 이상일 때에는 0.5g을 채취한 뒤 100 ml 삼각 플라스크에 넣고 ethylene glycol 50 ml를 넣는다. 시험체는 60~80°C로 조절된 물중탕 안에서 5분 간격으로 20~40분간 재료가 ethylene glycol에 잘 녹아들도록 한다. 처 리된 시료는 buchner funnel에 No.5B 여지 2장으로 흡입 여과 하여 ethylene glycol 30ml로 3회 세척한다. 여액을 흡입용 삼 각 플라스크에 받아 Brom cresol green 용액 2~3방울을 적가 하고 N/10-HCl 용액으로 청색에서 맑은 녹색이 나타나는 점 을 종점으로 한다. N/10-HCl 표준용액의 첨가에 따른 소비량 을 기준으로 free CaO의 정량을 평가한다. Fig. 3은 ethylene glycol 시험법 실험 순서를 나타 낸 것이며 Fig. 4는 사용 재료 이다. 다음 식 (1)을 이용하여 재료의 free CaO를 정량 평가하 였다.

Fig. 3.

Test sequence of Ethylene glycol

Fig. 4.

Test material of Ethylene glycol

본 연구에서는 Ethylene glycol 시험을 이용하여 전기로 산 화슬래그의 free CaO 함량을 정량 분석하기 위하여, 다음과 같이 실험을 진행하였다.

4.1.1. 전기로 산화슬래그 골재

전기로 산화슬래그 골재의 오토클레이브를 이용한 체가름 시험 결과는 다음 Table 8에 나타냈다. 실험전을 기준으로 48 시간 후의 총중량이 약 3 g이 감소하고 있으며, 가장 큰 변화 로는 10 mm체와 접시에서 나타나고 있다. 전기로 산화슬래 그 골재는 입형이 다공성임에 따라 굵은 골재가 미세분을 머 뭄고 있는 경향이 있다. 체가름 시험을 통하여 각 체와 골재와 의 마찰이 커서 미세분이 배출되어 접시의 중량이 증가하는 것으로 판단된다. Fig. 5는 시간에 따른 전기로 산화슬래그 골 재의 표준입도곡선 변화를 나타낸 것으로, 큰 차이가 나타나 고 있지 않음을 확인할 수 있다.

Fig. 5.

Grading curve of EOS aggregate

4.1.2. 일반 쇄석

일반 쇄석은 전기로 산화슬래그 골재와 비교하기 위하여 실험을 진행하였다. 일반 쇄석의 오토클레이브를 이용한 체 가름 시험 결과는 다음 Table 9에 나타냈다. 전기로 산화슬래 그 골재와의 차이점으로는 접시 중량이 크게 변화가 나타나 고 있지 않으며, 5 mm에서 일정량 증가하고 있다. 체가름 시 험을 통하여 각 체와 골재의 마찰이 큼에 따라 일부 골재가 깨 져서 나타나는 것으로 판단된다. Fig. 6은 시간에 따른 일반 쇄 석의 표준입도곡선 변화를 나타낸 것이다.

Fig. 6.

Grading curve of crushed aggregate

4.2.1. 길이변화율

다음 Fig. 7은 오토클레이브를 이용한 모르타르의 길이변 화율 실험 결과를 나타낸 것이다. N과 O는 길이변화율이 0.1% 이내로 팽창률 기준에 만족하고 있다. 하지만, O9:R1과 O8:R2에서는 36시간 이후부터 0.1% 이상의 변화율을 나타내 고 있어 팽창성이 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7.

Experimental results of length change rate of mortar using autoclave

4.2.2. 염기도 분석

O9:R1과 O8:R2는 전기로 환원슬래그가 일부 함유하고 있 는 free CaO로 인하여 팽창이 진행 된 것으로 판단된다. 길이 변화율 실험 결과를 바탕으로 EOS, O9:R1, O8:R2, ERS의 미 분말의 XRF 분석 결과는 다음 Table 10에 나타냈으며, 염기 도 비교 결과는 다음 Table 11에 나타냈다. O9:R1의 염기도는 2.08, O8:R2의 염기도는 2.36, ERS의 염기도는 3.08로 나타남 에 따라 ^{KS F 4571}의 염기도 기준인 2.0이상으로 나타남을 확 인할 수 있었다.

4.3.1. EOS, ERS, OPC, GBFS, CS의 free CaO 함량 평가

Ethylene glycol 시험을 이용하여 EOS, ERS, OPC, GBFS, CS의 free CaO 함량을 평가하였다. free Cao 함량 평가를 하기 위해 각 시료의 화학성분 분석을 진행하였다. 다음 Table 12는 각 시료의 화학성분을 나타낸 것이며, 다음 Table 13은 Ethylene glycol 시험을 이용하여 free CaO 함량을 평가한 결과를 나타 낸 것이다. EOS에서 가장 낮은 0.28%의 함량이 나타났으며, ERS에서는 1.26%, OPC에서는 0.62%, GBFS에서는 0.34%로 나타났으며, CS에서 3.59%로 가장 높은 free CaO 함량이 나 타남을 확인하였다.

4.3.2. Ethylene glycol의 온도 및 시간변화에 따른 EOS의 free CaO 분석

Ethylene glycol 시험은 물중탕의 온도 및 시간에 따라서 free CaO의 함량 차이가 나타날 수 있다. Ethylene glycol 시험 법을 이용하여 물중탕의 온도는 60°C, 80°C로 실험을 진행하 였으며, 물중탕 시간은 20분, 30분, 40분에 따라 EOS의 free CaO 함량을 분석하였다. 다음 Fig. 8은 온도 및 시간변화에 따 른 EOS의 free CaO 함량을 나타낸 것이다. Ethylene glycol을 이용하여 물중탕의 온도는 60°C, 40분과 80°C, 20분에서 비 슷한 결과 값이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8.

Free CaO content of EOS with temperature and time

4.3.3. EOS의 에이징 기간에 따른 free CaO 정량 평가

Ethylene glycol 시험을 이용하여 EOS의 에이징 기간에 따 른 free CaO의 함량을 평가하였다. 실험 재료는 야적장에서 약 1주일 이내 공기 중 에이징 처리된 A사 당진, 인천의 EOS 를 대상으로 실험을 진행하였다. 다음 Fig. 9는 EOS의 에이징 기간별 free CaO 정량 평가한 결과이다. 에이징 기간에 따라 소량 free CaO의 함량이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, free CaO의 함량이 0.5% 미만으로 나타나고 있다.

Fig. 9.

Results of free CaO quantitative analysis according to EOS aging period

4.3.4. EOS의 야적 위치에 따른 free CaO 정량 평가

Ethylene glycol 시험을 이용하여 EOS의 야적 위치에 따른 (야적 된 슬래그의 1m 깊이 안과 밖의 위치) free CaO의 함량 을 평가하였다. 실험 재료는 A사 당진, 인천의 EOS를 대상으 로 실험을 진행하였다. 다음 Table 14는 EOS의 야적 위치에 따른 free CaO 평가 결과를 나타낸 것이다. CaO의 함량은 같 지만 야적 내부에서의 free CaO의 함량이 야적 외부보다 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

4.3.5. EOS의 free CaO 정량 평가 결과

Ethylene glycol 시험을 이용하여 EOS의 지역별, 에이징 기 간에 따른, 야적 위치에 따른 실험을 진행하였다. Ethylene glycol 시험을 이용하여 EOS의 정량 평가가 가능함을 확인할 수 있었다. 다음 Fig. 10은 Ethylene glycol 시험을 이용하여 EOS의 CaO 함량에 따른 free CaO의 함량 분석 결과를 나타 낸 것이다. EOS는 CaO 함량이 모두 40% 이하로 나타나고 있 으며, free CaO 함량이 0.5% 이하로 나타나고 있다. ^{KS F 4571} 의 기준인 CaO 40%이하를 모두 만족하고 있었다.

Fig. 10.

Results of CaO(%) - free CaO(%) analysis of EOS