1. 서 론
2. 시험개요
2.1 시험 시료
2.2 시료 조성
2.3 시험방법
3. 실험 결과 및 분석
3.1 리그노설포네이트(LS)의 분말형태의 내화벽돌(CB) 팽창 저감 효과
3.2 유동성 시험
3.3 일축압축강도
3.4 함수비, 부피변화율과 단위중량
3.5 미세구조 확인
4. 결 론
1. 서 론
철강산업은 건설, 자동차, 인프라 등 다양한 분야의 근간을 이루며, 꾸준히 수요가 증가하고 있다. 전 세계의 조강 생산량은 연간 144백만 톤으로 집계되었으며, 특히 인도와 같은 신흥시장에서는 철강의 수요가 계속해서 확대되고 있다(AISBL, 2025). 제강공정에서는 용광로, 전기로 등의 고온을 견디는 내화물은 필수적인데, 내화재료의 반복적인 사용으로 내화물의 기능이 저하되기 때문에 정기적인 내화물 교체가 요구되며, 이에 따라 전 세계적으로 연간 약 28~32백만톤의 폐 내화물이 발생한다(Spyridakos et al., 2022). 과거의 경우 폐 내화물을 매립하여 처리하였으나, 최근에는 내화물 원료로 재생하거나, 시멘트 부원료로 활용하거나, 연료로 활용하는 등의 재활용을 통해 자원 순환 경제에 기여하는 방향으로 나아가고 있다(Fang et al., 1999; Kumar et al., 2023; Zawrah and Khalil, 2002).
분쇄과정을 거치는 폐 내화물은 폐 내화골재(Waste refractory aggregate)로서 성토재 및 복토재로 사용될 수 있는 친환경적인 재료로써의 잠재력이 평가되고 있다(Altaf et al., 2024). 그러나 폐 내화물은 산화 마그네슘(MgO)과 산화 칼슘(CaO)과 같은 성분을 다량 포함하고 있어 수분과 반응하여 팽창하는 특징을 가질 수 있기에 각별한 주의가 필요하다. 실제로 최근 매립되었던 폐 내화물의 수화반응으로 인한 지반 융기 및 기초 파괴가 보고된 바 있으며(Ryu, 2021), 팽창압과 팽창량이 약 9MPa와 115%로 계측되어 고팽창성 지반재료로 분류된다는 연구결과도 있다(Yoon et al., 2022).
팽창성 지반을 안정화하기 위해서 여러 혼화재를 활용한 안정화 공법이 널리 사용되어왔다(Alazigha et al., 2016; Ishihara et al., 1975). 전통적으로는 시멘트와 같은 재료를 사용하곤 하였지만 최근 알칼리성 혼화재로 인한 환경문제와 이산화탄소(CO2) 배출량에 대한 우려로 인하여 환경 친화적인 대체제에 대한 관심이 증가하였다(Oh et al., 2014; Schofield and Wroth, 1968). 이러한 측면에서 제지 및 목재산업의 아황산(Sulfite) 펄프 공정에서 발생하는 부산물인 리그노설포네이트(Lignosulfonate)가 친환경적인 안정화제로 주목을 받고 있다(Sharmila et al., 2021; Zhang et al., 2020). 리그노설포네이트는 식물의 주요 성분이자 두번째로 풍부한 천연 고분자인 리그닌(Lignin)이 설폰화 과정을 거치며 형성되며, 설폰기, 하이드록실기, 알코올성 하이드록실기와 같은 친수성 작용기와 탄소사슬과 같은 소수성 작용기를 동시에 포함하는 비독성 고분자이다(Shen et al., 2008; Thakur et al., 2014). 선행연구들은 리그노설포네이트가 토양 입자의 표면에 흡착되어 토양 입자의 응집을 유도하며, 토양의 강도와 내구성을 증가시키고 팽창을 억제한다고 보고하였다(Alazigha et al., 2018; Fernández et al., 2021).
저강도 유동화 채움재(Controlled Low Strength Materials, CLSM)는 고유동성의 시멘트 기반의 재료로, 다짐이 어려운 지중 매설물의 상부나 배면의 채움재 등으로 활용된다(Lim et al., 2017; Wang et al., 2022). 굴착여부와 용도에 따라 요구되는 압축강도는 일반적으로 인력굴착의 경우 약 0.3MPa, 기계굴착의 경우 0.7~1.4MPa, 굴착이 필요하지 않은 경우 8.3MPa 이하로 규정하고 있다(ACI Committee, 2013). CLSM은 상대적으로 짧은 시간 내에 경화되어 충분한 강도를 발현하기 때문에 활용범위가 점차 확대되어, 지반 침하나 도로 공동 발생 시 긴급 복구용으로도 사용된다(Zeng and Zhou, 2019). 특히 최근에는 산업부산물을 활용한 CLSM의 유효성이 높아지면서 이에 대한 관심이 증가하고 있다. 가장 널리 알려진 산업부산물은 비회(Fly Ash)로, 주로 석탄 화력발전소에서 발생한다. 비회는 입자가 구형이고 미세하여 CLSM의 유동성을 개선하고 블리딩과 수축을 줄이는데 기여할 뿐 아니라 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)가 풍부하여 포졸란 성질을 갖고 있기에 강도증진에도 기여한다(Khadka et al., 2023; Parhi et al., 2023). 최근에는 비회만 사용한 CLSM 사례도 보고되었으며, 이는 시멘트를 완전히 대체할 수 있는 가능성을 보여준다(Chompoorat et al., 2021; Lim et al., 2017).
본 연구에서는 산업 부산물인 폐 내화물을 비회 기반의 CLSM의 골재로써의 기능을 살펴보고자, 배합조건에 따른 유동성 시험, 각 재령 일 별 함수 비, 부피변화, 단위중량과 일축압축강도를 측정하였다. 폐 내화물의 팽창성의 영향을 고려하기 위하여 리그노설포네이트를 안정화제로 적용하였다. 배합비와 재령 일이 다른 시료에 대해 전자주사현미경(SEM-EDS, Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy)을 통해 미세구조를 관찰하였다.
2. 시험개요
2.1 시험 시료
본 연구에서는 국내 화력발전소에서 발생한 사용된 비회(fly ash, FA)의 표면에 부착된 불순물을 제거하기 위하여 증류수를 이용하여 3-4회 세척하고, 저온(<105°C)에서 건조하여 비회 내부의 화학적 구조의 변화를 미연에 방지하였다(Lee and van Deventer, 2002). FA의 비중(Gs)은 2.65로 일반적인 흙과 유사하였으며, 중간입자크기(median particle size, D50)은 0.075mm의 세립토이다. 액성한계(BS-1377 1990)는 47.5%로 측정되어 통일분류법(ASTM D2487)에 따라 저 소성 실트(low plasticity silt)로 분류되었다. Fig. 1은 FA의 입도분포를 나타내며, Table 1에는 FA의 공학적 물성치를 정리하였다. X-선 회절 분석(XRD) 결과 2θ = 20.7°, 26.5°, 42.3°, 68°에서 강한 회절 피크가 관찰되었으며(Fig. 2(a)), 이로부터 FA는 높은 결정성을 가지며 주로 석영(Quartz, SiO2)와 멀라이트(Mullite, Al6Si2O13)로 구성되어 있음을 확인하였다.
Table 1.
Mechanical properties of materials used in this study
| Gs | D50 (mm) | LL (%) | USCS | |
| Fly ash, FA | 2.65 | 0.08 | 47.5 | ML |
| Crushed brick, CB | 3.42 | 0.16 | NP | SP |
폐 내화물(Waste refractory)을 모사하기 위하여 폐 내화물을 일부 원료로 사용하여 제조한 내화벽돌(Posco Chemical Co.)을 구매하여 사용하였으며, 수령 된 내화벽돌을 파쇄 하여 분말형태로 만들어 사용하였다. 분말형태의 파쇄 내화벽돌(CB)은 10번 체를 통과한 시료만 사용하였다. 측정된 D50은 0.16mm였으며 통일분류법에 따라 빈입도의 사질토(SP)로 분류되었다. 특히 CB는 다소 높은 비중의 3.42를 갖는데, 이는 Fig. 2(a)에서 확인할 수 있듯이 CB가 주로 페리클라제(Periclase, MgO)로 구성되었기 때문으로 판단된다.
갈색 분말 형태로 B&B Co.(South Korea)로부터 수령 된 리그노설포네이트(Lignosulfonate, LS)는 별도의 전처리 없이 사용하였으며, D50은 0.206mm로 CB보다 조금 크게 나타났다(Fig. 1). Fig. 2(b)는 LS의 푸리에 변환 적외선 분광(FTIR, Agilent Cary 630 FTIR spectrometer) 결과를 나타낸다. 기존 연구와 일치하게, LS는 설폰기(S=O, 1,110cm-1), 벤젠 고리(C=C, 650cm-1 and 1,585cm-1), 그리고 하이드록실기(-OH, 3,437cm-1)와 같은 친수성과 CH2(2,840cm-1) 및 C-H(2,930cm-1) 신축 진동으로 나타나는 소수성 탄소사슬로 구성되어 있음을 보여준다(Hu et al., 2012).
2.2 시료 조성
폐 내화물의 저 강도 유동화 채움재(Low strength controlled material, CLSM)로서의 적용성을 확인하기 전에, 리그노설포네이트(LS)가 폐 내화물의 수화반응으로 인한 팽창을 저감 시킬 수 있는지 사전 시험을 통하여 LS의 효과를 확인하였다. 이후 분말형태의 내화벽돌(CB)을 골재로, 비회(FA)를 결합재로 하는 CLSM시료를 조성하였다. 이 때 질량비는 전체질량(WT)에 대한 재료의 무게(Wi)의 비, 즉 Wi/WT로 정의하였으며, 이 때 WT는 CB의 무게(WCB)와 FA의 무게(WFA)의 합으로, WT = WCB + WFA를 만족한다. CB의 무게비를 25%, 50%로 달리하여 시료를 조성하였으며, 해당 시료들을 각각 CB25FA75와 CB50FA50이라 명명하였다. 각 CB의 무게비에 대해서 CLSM을 조성할 때 필요한 증류수의 무게(Wwater)는 유동성 시험(ASTM D6103)을 통하여 유동성 기준(흐름직경=200mm)을 만족하는함수비(Wwater/WT)에 해당하는 Wwater로 결정하였다. LS는 결정된 Wwater의 1%에 해당하는 무게(즉, WLS/Wwater = 0%와 1%)를 증류수에 녹여 사용하였다. 각 시료에서의 재료 배합은 Table 2에 정리하였다. CB의 주성분인 산화마그네슘(MgO)의 반응성을 단기간에 유도하기 위하여 0.1 M의 아세트산마그네슘(Mg(CH3COO)2)을 촉매로 사용하였다(Matabola et al., 2010; Yoon et al., 2022).
Table 2.
Specimen preparation
| Mixture type | Binder | Aggregate |
Water (wt.%) |
Lignosulfonate (wt. %) |
| Fly ash (wt. %) | Crushed refractory brick (wt. %) | |||
| CB25FA75 | 75 | 25 | 51 | 0 and 1 |
| CB50FA50 | 25 | 75 | 43 |
CLSM 시료는 Table 2의 배합조건에 따라 골재와 결합재를 건조상태에서 약 10분간 섞은 후 LS를 포함하거나 포함하지 않은 증류수를 섞어 교반기에서 일정한 속도(60rpm)로 15분간 혼합한 뒤, 50cm×50cm×50cm의 큐브 몰드에 채워서 조성하였다. 이후 수분의 손실을 방지하기 위하여 랩으로 씌운 후, 60°C의 오븐에서 3일 양생 후 탈영하여 오븐에서 추가 건조시켰다.
2.3 시험방법
2.3.1 팽창시험
리그노설포네이트(LS)의 내화물의 팽창 저감 효과를 확인하기 위하여 LS의 유·무에 따라 분말형태의 내화벽돌(CB)의 팽창성을 관찰하였다. 시료의 팽창성을 유도하기 위하여 0.1M의 아세트산마그네슘 용액을 사용하였으며, LS가 포함된 경우는 용액 내 물의 무게의 1%에 해당하는 질량을 용액에 섞어서 준비하였다. 200ml의 실린더에 LS가 포함되거나 포함되지 않은 0.1M의 아세트산마그네슘 용액을 70ml 채우고 20g의 CB 시료를 10번에 걸쳐 투입된 시료가 가라앉을 때까지 충분히 기다린 뒤 채워줬다(ASTM D5890). 이후 실린더 벽면에 묻은 잔여 시료를 씻어주며 눈금 100ml까지 용액을 채워주었다. 그 후 실리더를 60°C의 항온수조에 넣어 56일동안 CB의 부피 팽창 변화를 관측하였다.
2.3.2 유동성시험
CB를 포함한 저 강도 유동화 채움재(CLSM)의 유동성은 가로 600mm와 세로 600mm의 비흡수성 판 위에 CLSM의 몰타르를 직경 75mm 높이 150mm의 원통에 채운 뒤, 원통을 수직으로 올려 흘러나온 몰타르의 직경을 측정하였다(ASTM D6103). CLSM 시료의 함수비(즉, 증류수의 무게 Wwater)를 증가시키며 직경을 측정하였고, 흐름 직경이 200mm일 때의 함수비를 내삽을 통해 산정하였다.
2.3.3 단위중량 및 일축압축강도 측정
오븐에서 3일, 7일, 14일, 그리고 28일 양생한 시료에 대해 일축압축강도 시험기를 이용하여 일축압축강도(qucs)를 측정하였다. 하중을 1mm/min의 속도로 재하하며 1초마다 하중과 변위 량을 측정하였고, 응력-변형률 곡선에서부터 측정된 최대 응력을 qucs로 결정하였다. 시료의 낮은 경도를 고려하여 시료 상·하부에 비접착식 캡을 씌워 시험기와 시료 사이의 접촉을 양호하게 하였다. Table 2의 시료 배합에 대해서 각 3개의 시료를 준비하여 qucs는 3개 시료의 평균값으로 결정하였다.
일축압축시험 전에 시료의 부피와 중량을 측정하여 부피변화와 단위중량(bulk density, kN/m3)을 계산하였고, 일축압축시험 후 시료를 회수하여 함수비를 측정하였다.
2.3.4 미세구조 관찰
경화시간 및 LS의 유⸱무에 의한 미세구조를 확인하기 위하여 시료에 대해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)을 이용하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 리그노설포네이트(LS)의 분말형태의 내화벽돌(CB) 팽창 저감 효과
Fig. 3은 LS의 유⸱무에 따른 분말형태의 내화벽돌(CB)의 시간에 따른 팽창률(Swelling ratio)을 보여준다. 이 때 팽창률은 부피 증가 량을 초기 부피로 나눈 값이다. LS가 포함되지 않는 CB의 경우 약 204%의 부피 팽창률이 측정된 반면, LS가 포함된 CB의 경우 약 131%의 부피 팽창률이 측정되어 약 65%의 부피 팽창 저감 효과를 확인하였다. 이는 추후 미세결정구조에서 확인될 수 있는데, LS가 CB의 표면을 효과적으로 뒤덮어, 수분과의 접촉을 방지하기 때문이다.
또 Fig. 3으로부터 CB 100%의 시료는 본 시험에서 사용된 조건, 즉 60°C의.1M의 아세트산마그세슘(Mg(CH3COO)2) 용액 속에서 약 7일에 거쳐 활발한 수화반응이 일어나며, 이 기간동안 급격한 팽창률의 증가가 관찰된다. 반면 약 10일 이후에는 팽창률이 수렴하는 형태를 보인다. 따라서 본 시험에 사용된 CB를 기반으로 제조된 저 강도 유동화 채움재(CLSM)의 초기 거동과 장기적인 안정성을 구분하여 분석하는 것이 중요할 것으로 보인다. 특히, 약 10일 이후의 팽창 수렴 현상은 CLSM의 장기적 구조적 안정성을 평가하는데 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.
3.2 유동성 시험
CLSM의 유동성은 시공성과 작업의 효율성을 결정하는데 큰 영향을 미치는 특성이므로, 일정 함수비 이상으로 혼합물을 배합하는 게 중요하다. Table 2에 정리된 각 혼합물에 대해 측정된 CLSM의 유동성을 Fig. 4에 도시하였다. CB=0% (즉 비회, FA = 100%)일 때 유동성 기준인 흐름직경 200mm를 만족하는 함수비는 약 57%였으며, CB가 증가함에 따라 유동성 기준을 만족하기 위해 요구되는 물 양은 감소하였다. 이는 골재의 양이 증가하면서 상대적으로 감소하는 미세입자 FA로 인해 필요한 물의 양이 감소하며(Sun et al., 2003), 추가적으로 거친 골재 자체가 높은 유동성을 제공하기 때문이다(Harini et al., 2012). Fig. 4에서 측정된 유동성 기준을 만족하는 함수 비 51%와 43%를 각각 CB=25%일 때와 CB=50%의 CLSM시료를 제작할 때에 적용하였다.
3.3 일축압축강도
Fig. 5에 각 혼합물에 대해 측정된 양생시간에 따른 일축압축강도(qucs)를 정리하였다. 일반적으로 CLSM의 주 바인더로써 활용되는 FA는 주로 실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)를 포함하며, 이 성분들은 캄슘하이드록사이드(Ca(OH)2)가 있는 알칼리 환경에서 Ca(OH)2와 반응하여 칼슘실리케이트수화물(Calcium silicate hydrate, C-S-H) 및 기타 결합제를 형성한다. 이 때 C-S-H는 시멘트 기반 재료의 수화반응에서 재료의 강도와 내구성을 증가시키는 역할을 한다(Richardson, 1999; Tural et al., 2024). 따라서 Fig. 5에 뚜렷하게 나타난 CB가 포함된 CLSM 시료의 강도발현은 CB가 함유하고 있는 소량의 산화칼슘(CaO) 성분으로 인한 알칼리성 환경이 FA의 포졸란 반응(Pozzolanic Reaction)을 유발한 것이라 볼 수 있다. CB=50%인 경우가 CB=25%인 경우보다 더 높은 qucs를 나타내는 것은 FA에 포함된 SiO2와 Al2O3의 양, 그리고 CB로 인한 알칼리성 환경이나 Ca(OH)2의 용해량 간의 상호 균형(counter balance)에 의해 영향을 받은 것으로 판단된다.
CB의 함량에 관계없이 LS를 포함한 시료에서 더 높은 qucs가 측정된 것은 LS의 물리적/화학적 특징으로 인한 결과로 보인다. LS는 강력한 분산제(dispersant)로 작용하여 혼합물 내 입자간의 응집을 방지하고 입자들이 균일하게 분포하도록 도와 물 입자가 혼합물 내에서 고르게 분포하도록 한다(Ouyang et al., 2009; Yang et al., 2007). 또한 LS는 공기 혼입(air entrainment)을 높이고(Zhor and Bremner, 1999; Zou et al., 2024) 미세공극을 채우므로(Roshan et al., 2022), 혼합물 내 수분 보유 능력을 높여 최종적으로 효과적인 FA의 수화반응을 유도하여 qucs를 증가시켰을 것이다. 그러나 모든 경우에 대해 양생시간에 대해 qucs가 증가하였고, 약 14일 이후 수렴하는 양상을 보여 LS는 수화 반응 속도에는 영향을 미치지 않는다.
중요한 것은 qucs의 크기로, CLSM의 압축강도는 대부분의 경우 3MPa 이하를 갖도록 설계하며, 구조용 되메우기의 경우 최대 8.3MPa까지 가능한 것으로 알려져 있다(ACI Committee 2013). 따라서 강도측면에서는, CB=25%의 경우가 LS의 함량에 관계없이 CLSM의 용도로 적합하며, CB함량이 증가할수록 LS함량의 조절을 통해서 강도를 조절해야 할 것이다.
3.4 함수비, 부피변화율과 단위중량
준비된 시료의 양생시간에 따라 측정된 함수비는 Fig. 6(a)에 나타냈다. 함수비는 양생 3일차부터 꾸준히 감소하여 모든 경우에 대해서 함수비는 약 14일이후 1% 미만의 값으로 수렴한다. FA의 높은 비표면적으로 인하여 물이 흡착되어 있는 면적이 증가하기 때문에 FA함량이 증가할수록 (즉 CB함량이 감소할수록) 양생시간에 따른 함수비는 크게 나타났다. 또한 LS가 있는 CLSM 시료의 함수비가 항상 크게 측정되어, 앞서 추측되었던 LS의 물리적/화학적 특징으로 인한 혼합물 내 수분 보유 능력의 영향도 확인할 수 있다.
양생 시간에 따른 부피변화율을 Fig. 6(b)에 도시하였으며, 부피변화율은 각 재령 일에서 일축압축강도 실험에 사용된 시료의 부피(Vi)와 초기 부피(V0, 50mm×50mm×50mm)의 차이를 의미하며, Eq. (1)에 따라 계산한 값이다. 따라서 음의 값은 부피수축을 의미하며, 반대로 양의 값은 부피팽창을 의미한다.
대체로 양생이 진행됨에 따라 포졸란 성질을 갖는 재료의 수화반응은 물을 소비하므로 CLSM 내부의 자유수(free water)를 감소시켜 CLSM의 건조수축이 발생한다(Tran et al., 2021). Fig. 6(b)에서도 대부분 건조수축이 나타났지만, LS가 포함되지 않은 경우가 LS가 포함된 경우보다 부피변화율이 더 적었다. 특히 14일차에는 미약한 부피팽창이 관찰되었는데, 이는 LS의 부재로 인해 CB 내 산화 마그네슘(MgO)이 수화되어 FA의 수화로 인한 건조수축을 상쇄(counteract)했기 때문으로 판단된다. 즉, LS가 혼합물 내 수분 보유 력을 증가시키고 이를 고르게 분포시키면서 추가적으로 CB의 수화반응을 방지하지만, CB의 수화반응 자체는 건조수축을 억제하는 효과가 있음을 보여준다.
Table 1에서 확인하였듯이, CB의 높은 비중으로 인해 CB함량이 큰 CLSM의 경우의 단위중량(bulk density)이 눈에 띄게 더 컸으며 양생시간이 증가함에 따라 수분 손실이 발생하여 단위중량이 감소하였다(Fig. 6(c)). LS가 포함된 CLSM의 수분손실이 더 적기에 LS가 포함된 시료의 단위중량이 더 컸다. ACI Committee에서는 CLSM의 단위중량을 약 14.1 ~ 15.7 kN/m3정도로 제안하고 있기에, CB=25%인 경우가 CLSM의로서 적합하다고 판단된다.
3.5 미세구조 확인
CB와 LS를 포함한 CLSM의 미세구조를 관찰하였으며, 순수한 FA와 비교하기 위하여 수화 전 FA의 미세구조도 Fig. 7에 정리하였다. Fig. 7(a)는 FA의 미세구조를 나타내며, 과거 연구 결과와 동일하게 석탄 연소 과정에서 광물질의 급속 냉각으로 인해 형성되는 구형의 입자가 관찰되었다(Fisher et al., 1976; Matsunaga et al., 2002). CB와 LS가 섞여 3일 양생 된 시료에서는 FA의 구형 입자의 표면의 미세구조가 변한 것이 관찰되었고(Fig. 7(b)) 이는 양생시간이 증가함에 따라 더욱 분명하게 관찰되었다.
Fig. 7(c)와 7(d)는 각각 CB=50%에서 LS가 부재하거나 포함된 28일 경화체의 미세구조이다. Fig. 7(c)에서는 CB 내 산화 마그네슘의 수화산물인 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)이 FA입자 주변에 형성된 것이 뚜렷하게 관찰되었다. 본 연구에서 적용한 수화 및 양생 조건으로 인하여(즉, 고온 및 특정 pH조건), Fig. 7(c)에서 관찰된 Mg(OH)2는 일반적인 육각형의 판상구조가 아니라 마이크로/나노 플라워 구조(micro/nano-flower structure)를 갖는다(Das et al., 2013; Yan et al., 2005). 반면, Fig. 7(d)에서 보이는 LS포함 시료의 경우 Mg(OH)2 결정체의 과도한 성장이 억제되었으며, 미세구조가 조밀하고 공극이 줄어든 모습이 관찰되었다. 모양이 다른 생성물의 성분을 파악하기위해 실시한 EDS분석의 결과에서는 모두 O, Mg, Al, Si가 주성분으로 측정되었으나, LS가 있는 Fig. 7(d)의 경우에서 더 높은 Al과 Si 성분이 관찰되었다(Table 3). 즉, LS가 FA 내의 비결정질 SiO2와 Al2O3의 포졸란반응을 활발하게 유도하여 더 조밀한 미세구조를 유도하며, 그로 인해 qucs가 증가한다.
4. 결 론
본 연구에서는 제강 산업의 부산물인 폐 내화물의 재활용 방안 중 하나로 비회(Fly ash, FA)를 기반으로 하는 저 강도 유동화 채움재(Controlled Low Strength Material, CLSM)의 골재로써의 활용을 평가하였다. 이를 위하여 분쇄된 내화벽돌(Crushed refractory brick, CB)을 사용하였으며, CB와 FA의 배합비에 따른 유동성을 측정하고, 흐름 직경 200mm를 만족하는 함수비를 도출하여 CLSM을 제조하였다. 또한제지산업의 부산물인 리그노설포네이트(Lignosulfonate, LS)를 첨가하여 CB의 수화반응 억제 효과를 분석하고, CLSM의 일축압축강도(qucs), 단위중량, 함수비 그리고 부피변화율을 제령기간에 따라 평가하였다. 또한 미세구조 관찰을 통해 제령기간과 CB 및 LS의 역할을 추가적으로 검토하였다. 종합적으로 다음의 결과를 정리할 수 있다.
(1) CB가 포함된 CLSM 시료의 유동성은 CB함량이 증가할수록 감소하였으며, CB=25%일 때 53%이고 CB=50%일 때 43%의 함수비에서 흐름직경 200mm를 만족하였다.
(2) CB함량이 증가할수록 FA의 포졸란 반응에 필요한 Ca2+공급량이 증가하는 것으로 추정되며, 이에 따라 qucs가 증가하였다. LS는분산제 역할을 하며 공기혼입을 높여 CLSM 내에서 효과적인 FA의 수화반응을 촉진하여 qucs를 증가시켰다.
(3) LS가 포함되지 않은 CLSM은 CB함량에 관계없이 상대적으로 낮은 건조수축을 나타냈으며, 특히 제령 14일 시점에서는 미미한 부피 팽창이 관측되었다. CB 함량이 증가할수록 단위중량은 증가하였으나 LS 함량에 따른 영향은 크지 않았다.
(4) SEM을 이용한 미세구조 관찰 결과, LS포함 시료의 경우 Mg(OH)2 결정체의 과도한 성장이 억제되었으며, 미세구조가 조밀하고 공극이 줄어든 모습이 관찰되었으며, 이는 양생시간이 증가함에 따라 더욱 분명하게 관찰되었다.
결론적으로 본 연구에서 적용한 배합비를 기준으로 볼 때 CB=25%(CB25FA75) 배합이 강도와 중량 측면에서 CLSM으로서의 적절한 성능을 갖출 수 있을 것으로 판단된다. CB=50%의 경우 CB=25%의 경우보다 qucs와 단위중량이 증가하는 것을 고려할 필요가 있다. 추가적으로 주목할만한 것은 LS가 없는 경우 qucs는 감소하지만, CB의 수화작용으로 인해 건조수축이 상쇄되는 경향을 보여, CB 함량 조절을 통해 부피 변화율을 효과적으로 조절할 수 있을 것으로 보여 비회와 LS를 혼합하여 폐내화물의 CLSM 골재 적용 가능성을 제시하였다.
