고로슬래그미분할 활용을 위한 과제와 전망
- 이 한 승
- Lee, Han-Seung
- 한양대학교 에리카캠퍼스 건축학부 교수
- Professor, Hanyang Univ., ERICA
- ercleehs@hanyang.ac.kr
1. 서언
콘크리트용 혼화재료인 고로슬래그미분말은 고성능콘크리트의 제조 및 CO2 저감 건설재료로서 각광을 받고 있다. 특히, 다른 혼화재료와 비교하여 품질안정성이 크고 대량 치환이 가능하다는 장점이 있어 그 사용량은 제철산업에 대응하여 지속적으로 증가할 것으로 판단된다. 그러나, 이와 같은 수많은 장점에도 불구하고 활용 용도에 따라 적재적소에 사용하지 않을 경우에는 예기치 못한 하자발생 및 클레임의 요인으로 작용할 수 있다. 따라서, 본 고에서는 현대 콘크리트제조에서 필수불가결한 고로슬래그미분말의 적재적소 사용을 위한 기초자료를 제공하기 위하여, 고로슬래그미분말의 제조, 반응메커니즘, 장점 및 사용시 유의사항, 지속가능 건설재료로서의 과제와 전망을 조명해 보고자 한다.
2. 고로슬래그미분말의 제조방법 및 시멘트와의 반응메커니즘
고로슬래그는 용광로에서 선철을 제조할 때에 부산물로서 생성되는 것으로, 고온의 용융슬래그를 대기중에서 냉각하는
서냉슬래그와 압력수로 급냉하는 수쇄슬래그로 나누어 지며, 수쇄슬래그는 유리질(비정질)이며 알칼리자극에 의해 경화하는
성질(잠재수경성)을 갖는다. 고로슬래그미분말은 수쇄슬래그를 볼밀 등에서 건조·미분쇄한 후, 분급기에서 소정의 분말도의 것을
선별하여 제조되며, 용도에 따라 석고를 첨가한 것도 제조 된다.
콘크리트 및 모르타르의 혼화재로서 사용되는 콘크리트용 고로슬래그 미분말(Ground granulated blast-furnace
slag for use in concrete)은 KS F 2563에 그 적용범위 및 품질규격이 정해져 있으며, 표 2처럼 비표면적(cm2/g)에
따라 1종(8000∼10000), 2종(6000∼8000), 3종(4000∼6000)의 3종류가 사용되고 있으며, 현재, 현장에서 유통되는
종류는 3종 고로슬래그미분말로서 여기에 석고를 첨가하여 활용되고 있다.
표1. 콘크리트용 고로슬래그미분말의 제조 과정
활성도지수는 보통포틀랜드시멘트와 슬래그 치환율 50%의 모르라트 강도의 비율이며, 고로슬래그미분말의 강도발현성을 나타내는 지표로서, 분말도가 높을수록 초기재령의 강도발현성은 크게 되지만, 발열속도는 빠르게 되기 때문에 매스콘크리트용 : 4000, 고강도콘크리트용 : 6000 등을 목적에 따라 선택할 수 있다.
표 2. 고로슬래그미분말의 품질 규격 (KS F 2563)과 치환율에 따른 활용 용도(예)
고로슬래그미분말의 평균적인 화학성분은 SiO2 = 33%, Al2O3 = 14%, CaO = 42%, MgO = 6%, TiO2 = 1%, Fe2O3 = 0.5% 정도이고, 보통포틀랜드시멘트와 비교하여 CaO가 적고, SiO2와 Al2O3가 각각 10% 정도 많은 특징을 가지고 있다. 또한, 수냉에 의한 급속냉각으로 비정질의 유리상태 광물로 되어 있다. 규석처럼 Si와 O의 결정구조가 강인하면 알칼리 용액 중에서도 간단하게 용해하지 않지만, 고로슬래그미분말은 Si와 O의 구조에 간극이 있는 망상구조이고, 알칼리 용액중에서 OH의 침입이 용이하게 되어 망상구조가 파괴되어 수화반응이 일어나 이를 잠재수경성이라고 한다. 이러한 수화반응은 고온에서는 특히 가속되므로 증기양생에서는 초기 압축강도가 높게되어 프리캐스트콘크리트 제조에 유리한 측면이 많고, 콘크리트표면의 기포발생이 적어 수려한 콘크리트면을 얻을 수 있다.
표 3. 고로슬래그미분말의 조성 및 잠재수경성 반응 메커니즘
3. 고로슬래그미분말 사용시 유의 사항
고로슬래그미분말을 콘크리트용 혼화재료로서 사용한 경우에는 그 치환율에 따라 특징적인 성능을 발휘할 수 있다. 특히, 고로슬래그미분말을 대량 치환한 경우에는 그 치환율에 따라, 아래 표에 나타낸 바와 같이 1) 발열속도가 저감되어 콘크리트의 온도상승을 억제 2) 장기강도가 무혼입 콘크리트 보다 큼 3) 내해수성, 내산성, 내황산염성에 대하여 효과가 큼 4) 치밀한 콘크리트를 얻을 수 있어 수밀성 및 염분차폐성이 향상됨 5) 적절한 치환율을 설정하면 알칼리실리카(ASR) 반응 억제 효과가 향상된다. 그러나, 초기강도 발현이나 탄산화(중성화) 저항성, 양생의 영향 등, 고로슬래그미분말의 치환율이 크게 되면 변화가 커지는 성능이 있기 때문에 사용에는 세심한 주의가 필요하다. 따라서, 적용범위나 사용환경 등을 사전에 파악하는 것이 매우 중요하다고 판단되며, 고로슬래그미분말의 사용에 의한 성능은 아직 해명되지 않은 점도 존재하기 때문에 금후 화학적인 접근 연구 등을 포함하여 해명할 부분이 남아 있다.
표 1. 고로슬래그미분말 치환에 따른 플레인콘크리트 비교 성능 평가
표 2. 고로슬래그미분말 치환율에 따른 콘크리트의 특성
4. 지속가능 건설재료로서 고로슬래그미분말의 미래
고로슬래그미분말은 철강산업에서 생성되는 유용한 리싸이클 재료로서, 치환율에 대응하여 시멘트사용량이 적게 되고, 시멘트의 주원료인 석회석 등의 천연자원을 절감하고, 지구환경 보호에 연결된다. 또한, 고로슬래그미분말의 제조에서는 시멘트와 같은 소성공정이 없고 에너지가 절감된다. 따라서, 석회석사용량이나 에너지소비가 적기 때문에 석회석의 열분해나 연료의 연소에 기인하는 CO2 배출량이 저감되어 지구온난화의 억제에 효과가 있다. 또한, 콘크리트의 수밀성, 화학물질에 대한 저항성, 알칼리실리카반응 억제, 염분차폐성 등의 내구성이 향상되므로 콘크리트 구조물의 라이프싸이클이 길게 되어 메인터넌스나 스크랩앤드빌드(Scap & Build)에 따른 에너지나 자원을 절약할 수 있다.
시멘트 수화반응에서 생성되는 불안정한 수산화칼슘과 반응하며, 안정한 수화물을 형성하고 경화체조직을 치밀하게하고, 더욱이, 시멘트와 비교하여 염소이온이나 알카리이온의 고정능력(능동적 열화원인 제어 가능성)이 크다. 그 때문에, 고로슬래그미분말을 콘크리트 혼화재로서 사용하면 수밀성, 화학저항성, 내해수성, 염분차폐성, 알칼리실리카반응제어 등 내구성이 향상되는 등, 지속가능한 콘크리트를 제조 할 수 있다. 또한, 수산화칼슘의 생성량이 감소하기 때문에 에후로렛센스(백화와 유사)의 저감, 내화·폭렬저항성의 향상 등의 성질과 함께 콘크리트 내화성능이 우수하다는 보고도 있다. 그러나, 이러한 장점에서 불구하고 현재 고로슬래그미분말을 시멘트공장에서 시멘트의 원료 또는 고로시멘트의 원료로 사용하는 경우에는 CO2 저감량 산정에 포함되나, 레미콘공장에서 혼하재로서 사용하는 경우에는 CO2 저감량 산정에 포함되지 않기 때문에 레미콘공장에서 활용되는 고로슬래그미분말을 CO2 저감방법으로 법제화하는 과제가 남아 있다고 할 수 있다.
5. 결언
고로슬래그미분말은 고강도콘크리트, 고유동콘크리트, 고내구성콘크리트로 구성되는 고성능콘크리트 혼화재료로서 매우 유효한 재료라고 확신하며 그 사용량도 더욱 확대될 것으로 전망된다. 특히, 요즘에 화두로 되어 있는 지속가능한 콘크리트 제조에는 가장 적합한 혼화재료라고 판단된다. 그러나, 한편으로는 고로슬래그미분말이 만능재료가 아니라는 점을 이해하고, 적재적소에 이용하는 것이 과제라고 판단되며, 특히, 고로슬래그미분말을 대량사용하는 경우에는, 그 특징을 정확히 이해한 상태에서 치환율을 조절해 가야하는 과제가 남아 있다고 판단된다. 이를 위해서, 아직 불분명한 고로슬래그미분말의 반응이나 특징을 설명하는 메커니즘 해명이 더욱 활발하게 진행되기를 금후 기대해 본다.
참고문헌 : 伊代田, “고로슬래그미분말을 대량 사용한 콘크리트”, 콘크리트공학, Vol. 52, No. 5, 2014. 5
