재생시멘트의 성능개선을 위한 실험적 고찰 = (An) Experimental Study for the Performance Improvement of Recycled Cement

국문 초록 (Abstract)

최근 신축의 증가와 재건축의 활성화로 인한 부작용으로 환경보전과 자원고갈의 문제가 이미 심각한 상태에 와있다. 특히 건설폐기물의 50% 이상을 차지하고 있는 폐콘크리트에 관한 재활용방안은 국내·외적으로 국가적 연구과제로 활발히 진행되고 있다.
한편, 국내의 경우 향후 건설폐기물의 발생량 예측에 의하면 2005년도에 14,953천톤의 폐콘크리트가 발생되고, 2020년도에는 이보다 6.8배가 많은 101,293천톤의 폐콘크리트가 발생할 것으로 예상하고 있다. 이에 환경부와 건설교통부에서는 1999년 7월에 발표된 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 및 시행령에 의한 건설폐자재 배출사업자의 재활용지침을 통해 건설폐자재 중 폐콘크리트의 재활용 목표율을 2000-2001년에는 70%, 2002년 이후 부터는 75%로 할 것을 규정하고 개정 고시함으로써 건축물의 철거로 발생되는 건설폐자재의 재활용을 촉진하고 있다. 그러나 국내의 폐콘크리트의 재활용은 아직 초기 단계이며, 주로 도로공사의 성토재료나 매립지의 복토 재료로만 활용하고 있는 실정이다. 이에 저자 등은 폐콘크리트의 보다 효율적이고 이상적인 재활용을 위하여, 재생콘크리트 개발이라는 목표 아래 2000년부터 골재를 포함한 시멘트 경화체 부분까지의 재생을 위한 실험을 시행하였다. 그 결과, 폐콘크리트 미분말의 수화 회복가능성을 확인하였으며, 재생시멘트 제작과정에 필수적이라 할 수 있는 소성온도 및 시간에 있어 온도는 700℃ 전후, 소성시간은 길어질수록 높은 강도를 나타내는 것을 확인한 바 있다. 또한 그 제조과정에서 경화 시멘트 페이스트와 골재간의 원활한 분리가 이루어지지 않아 재생모르터의 유동성 및 압축강도의 저하를 초래하고, 재생시멘트의 경우도 다량으로 혼입된 골재 미분말로 인하여 품질이 저하되는 것을 확인하였다.
본 연구는 재생시멘트 제조에 있어서 골재와 시멘트 페이스트 부분의 상이한 열적 성질을 감안하여 반복적인 가열과 냉각을 통해 효과적인 골재분리 방법을 고찰하고, 본 소성에 있어 최적의 소성시간을 찾아내어 그에 따른 미시구조 및 화학조성의 변화를 실험적으로 고찰함으로써, 고품질의 재생시멘트 제조방법을 구축하기 위한 기초적 자료를 얻는 데에 목적을 두었다. 본 연구에서는 얻은 결론은 아래와 같다.
1) Non-BC는 7일, 28일 강도에서 반복가열냉각을 한 재생모르터에 비해 압축강도가 가장 낮게 나타났다. 이는 계면분리 과정의 생략으로 인해 골재 미분 함유량이 증가하였기 때문으로 사료되어진다.
2) Non-BC와 BC6O-3의 EDS 분석을 비교해 본 결과 BC6O-3의 경우 Non-BC에 비해 주요 화합물을 제외한 황(S)만이 줄어든 것을 확인하였다. 따라서 반복가열냉각과정에서는 특별한 화학반응을 일으키지 않으므로 본소성에는 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
3) 반복가열냉각을 통해 수화 시멘트 페이스트와 골재의 계면분리상태를 파악하기 위해 SEM(x5O) 촬영을 한 결과 반복가열냉각 과정을 거친 골재의 표면에서는 수화 시멘트 페이스트가 확인되지 않았다. 이는 반복가열냉각이 수화 시멘트 페이스트와 골재의 분리를 촉진시킨 것으로 사료된다.
4) 반복가열냉각에 의해 골재와 수화 시멘트 페이스트의 분리가 촉진되면서 SiO_(2)함유량이 상대적으로 줄어들고 C_(3)S함유량이 증가함에 따라 강도회복에 유리한 것으로 사료되어진다. 금후, 건식 세퍼레이터를 이용한 재생시멘트 분급과정의 어려움과 한계를 보완하기 위해서는 비중 차 둥으로 미세분급이 가능한 흡입식 분급기 등을 이용하여 실험오차에 관한 문제점을 명확히 할 수 있을 것으로 생각된다.
5) 재생시멘트의 수화 회복율에 따른 최적 소성시간은 T120으로써 소성시 간별 압축강도 T60,T90,T120,T150 중 T120에서 가장 높은 강도 발현을 보이며 120분 이상의 소성시간에서는 강도가 감소함을 알 수 있었다.
6) 주사현미경 촬영을 통해 T120과 T150은 이미 수화반응이 진행되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 28일 이후의 장기강도에 있어서는 강도회복율이 떨어질 것으로 판단된다. 반면, 여전히 수화반응이 일어나고 있는 T60과 T90은 28일 이후의 강도에서도 꾸준한 회복율을 나타낼 것으로 사료된다.
7) 재생모르터의 제작과정에 있어 잔골재미분의 증가로 인한 SiO_(2)의 증가는 강도저하를 초래한다고 판단된다. 그러므로 재생시멘트 제작시 잔골재미분의 유입을 줄일 수 있는 보다 효과적인 분급방법을 고찰하고, 재생모르터의 배합에 있어 이미 유입된 골재 미분의 양을 고려하여 S/M을 낮춘다면 더욱 높은 강도를 발현할 것으로 기대된다.
8) X선 회절분석을 통해 모든 재생모르터에서 原모르터와 같이 수화생성물인 Ca(OH)_(2)의 Peak가 고르게 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한 T60과T90에서는 단기강도 발현에 기여하는 C_(3)A의 Peak가 높게 나타났으며 T120과 T150에서는 장기강도에 기여하는 C_(3)βC_(2)S의 Peak가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 재생모르터 Sample들의 초기와 28일 강도 발현그래프의 내용과 일치하는 것이다.
본 실험을 통하여 폐콘크리트 미분말을 이용한 재생시멘트는 실용화를 위한 물성평가가 이루어졌으며, 금후 재생시멘트의 보다 적절한 물성개선과 합리적인 생산방법을 모색하여 콘크리트산업에 적극 도입함으로써 건설 분야의 필수과제인 건설폐기물의 합리적인 재활용에 크게 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Serious problems of the environment protection and resource exhaustion are exhibited, due to the increase of the construction materials and activation of the remodeling, recently. Especially, most of the advanced countries, recycling plan for the waste concrete is vigorously progressing. The recycle of domestic waste concrete is, however, still in an early stage, and it has been only partially being used for the road tillers. As a counter-plan of activating recycled concrete, we have confirmed the hydration possibility of the waste concrete powder from the experiment on recycling the aggregate powder since 2000. Though that study, we have known that the strength is increasing when the baking time is longer, and baking temperature maintain in 700℃. Also, the quality is lowered because of the fine aggregate powder which has a bad influence on flowability ＆ compression strength by adhesion of mortar on the aggregate face.
Therefore, mortar and interfacial separation of aggregate are large in proper quality for concrete recycling is expected that affect.
The purpose of this study is to investigate effective aggregate separation and to determine the most suitable production method controlling the duration of baking time for recycled cement from the compressive strength, X-ray diffraction and ingredient analysis test.
The conclusions of this study are as follows :
1) The strength of Non-BC is lower than recycled mortar baked and cooling in compressive strength test(7days, 284days). This can be judged that aggregate powder increase in quantity.
2) It is confirmed that, in case of bake and cooling, the only sulfur(S) decreases in quantity. Therefore, it can be judged that bake and cooling have little effect on the main baking.
3) It can be judged that bake and cooling accelerate separating the aggregate from hydrated cement paste(HCP).
4) Because of the decrease of the aggregate content(mostly SiO_(2)), bake and cooling have the advantage of strength recovering.
5) We can know that 120 minutes is the optimum baking time in the manufacturing process of recycled cement by compressive strength test.
6) It can be judged that the hydration of T120 and T150 have been already progressed in from SEM pictures. Therefore, the strength recovering rate should be lower than T60 and T90 in long-term compressive strength.
7) In the manufacturing process of recycled mortar, it can be judged that the increasing SiO_(2) brings about a lowering of the compressive strength by the admixture of aggregate powder.
8) From X-ray diffraction and ingredient analysis test, we can know that the high peaks of Ca(OH)_(2) are discovered in 진1 recycled mortar samples like original mortar. Therefore, it can be judged that recycled cement also has the hydrate ability.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅳ
• 요약 = ⅰ
• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구의 계획 및 진행방법 = 5
• 1.3 연구의 구성 = 7
• 2. 이론적 고찰 = 9
• 2.1 폐기물 발생현황 = 9
• 2.1.1 건설산업에 있어서의 문제점과 국내실태 = 9
• 2.1.1.1 콘크리트 산업에 있어서의 문제점 = 9
• 2.1.1.2 자원 및 환경문제와 건설폐기물에 관한 국내실태 = 10
• 2.2 시멘트의 수화반응 메카니즘 = 14
• 2.2.1 알루미네이트류의 반응 = 15
• 2.2.2 실리게이트류의 수화 = 17
• 2.3 X선에 의한 결정해석 = 20
• 3. 재생시멘트의 성능개선을 위한 실험적 고찰 = 24
• 3.1 반복가열냉각에 의한 수화시멘트 페이스트와 골재 분리 = 24
• 3.1.1 실험목적 = 24
• 3.1.2 실험개요 = 25
• 3.1.2.1 콘크리트의 열적 성질 = 25
• 3.1.2.2 실험방법 및 범위 = 26
• 3.1.2.3 사용재료 및 물성 = 26
• 3.1.2.4 실험인자 및 수준 = 27
• 3.1.3 실험결과 및 고찰 = 29
• 3.1.3.1 재령에 따른 재생모르터의 압축 강도 = 29
• 3.1.3.2 재생모르터의 성상 = 30
• (1) 주사현미경 사진 = 30
• (2) EDS분석 = 31
• (3) 재생시멘트의 X선 회절분석 = 33
• 3.2 소성시간에 따른 재생시멘트의 물성 평가 = 34
• 3.2.1 실험목적 = 34
• 3.2.2 실험개요 = 35
• 3.2.2.1 사용재료 = 35
• 3.2.2.2 실험인자 및 배합 = 35
• 3.2.2.3 실험방법 = 37
• 3.2.3 실험결과 및 고찰 = 38
• 3.2.3.1 압축강도 = 38
• 3.2.3.2 재생모르터의 성상 = 39
• 3.2.3.3 X선 회절분석 = 42
• 4. 결론 = 44
• 연구의 총괄 및 금후의 과제 = 44
• 참고문헌 = 46
• Abstract = 48
• Appendix = 51