탄소중립을 위한 페로실리콘 산업부산물 활용 시멘트 콘크리트의 내구성능 평가

Abstract

As part of a study to use iron silicate, a ferrosilicon industrial by-product for carbon neutrality, as a mixing material for concrete, the basic physical properties, mechanical properties, and durability of cement hardeners manufactured with different substitution rates were evaluated. Iron silicate, an industrial by-product generated during ferrosilicon smelting, is made up of about 91% of silica (SiO2), which increases the reactivity of the binder itself, filling the pore structure more tightly and improving long-term strength. In addition, since the specific surface area of iron silicate was about twice as high as that of general silica fume, it is expected to be more useful.Basic physical properties and mechanical performance were evaluated for cement hardeners with different replacement rates of iron silicate and silica fume in order to be used as an alternative material for silica fume. As the replacement rate of iron silicate and silica fume increased, the compressive strength increased, and iron silicate showed slightly higher results than silica fume because of its low proportion in material properties, a larger amount of iron silicate particles filled the voids to form a tight structure. On the other hand, the condensation time of concrete used by replacing iron silicate was slightly faster than that of OPC, and iron silicate was measured 10 to 20 minutes longer than silica fume, ensuring a little more household time. In addition, in order to evaluate the durability of concrete using iron silicate industrial byproducts, the characteristics of each replacement rate of mixed materials were examined through analysis of corrosion resistance and pore structure and accelerated chloride penetration tests. The average pore diameter was the largest in OPC, and silica fume and iron silicate varied according to the replacement rate, but pores with smaller sizes than OPC were distributed on average. As a result of the accelerated chloride penetration test of concrete using iron silicate, it was confirmed that a much smaller amount of current flowed when using iron silicate compared to OPC, and durability could be expected to improve by using iron silicate. On the other hand, an environmental impact assessment was conducted through an experiment on whether alkali ions and heavy metal ions of concrete were leached using iron silicate industrial byproducts. As a result, alkali ions have had a slight impact on the outside environment, but they are considered sufficient to recover with self-cleaning capacity, and further research is needed on how the quantitative increase in leachate affects the amount of concrete used in the structure. In addition, in the case of the heavy metal ion leaching test, heavy metal ion indicators for drinking water quality standards were not detected in leachate. Finally, as a result of evaluating the economic feasibility using a triangular technique in consideration of the material characteristics, basic properties, durability, and environmental impact of iron silicate industrial by-products, it was predicted that the iron silicate industrial by-products would score better than existing OPC and silica fume in terms of performance-to-performance.Based on the above results, various experiments were conducted to use iron silicate by-products for carbon neutrality as mixtures for concrete, and within the scope of this study, it was determined that the use of iron silicate was sufficiently possible as a silica fume alternative material by showing results equivalent to those of silica fume in terms of basic physical properties, mechanical properties, and durability. In addition, in terms of economic feasibility, it shows superior results compared to existing mixed materials, which is considered to be advantageous in field application.|탄소중립을 위한 페로실리콘 산업부산물인 규산철을 콘크리트용 혼화재료로 사용하기 위한 연구의 일환으로 치환율을 달리하며 제조한 시멘트 경화체의 기초적 물성과 역학적 특성 및 내구성능을 평가하였다. 페로실리콘 제련과정에서 발생하는 산업부산물인 규산철은 약 91%가 실리카성분(SiO2)으로 이루어져 있으며, 이 성분은 바인더 자체의 반응성을 높여주어서 공극 구조를 더욱 밀실하게 채워주어 장기 강도를 증진시키는 주된 요인이라고 판단된다. 또한 규산철의 비표면적은 일반 실리카퓸보다 약 2배가량 높게 나타났기 때문에 사용성이 더 좋을 것으로 예측된다. 실리카퓸 대체재료로 사용하기 위하여 규산철과 실리카퓸의 치환율을 달리한 시멘트 경화체를 대상으로 기초적 물성과 역학적 성능을 평가하였다. 규산철 및 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 압축강도는 증가하였으며, 규산철이 실리카퓸보다 약간 높은 결과를 나타내었는데 이는 재료적 특성에서 비중이 낮아서 더 많은 양의 규산철 입자가 공극을 메워 밀실한 구조를 형성하였기 때문이라고 판단된다. 한편 규산철을 치환하여 사용한 콘크리트의 응결시간은 OPC보다 다소 빨라졌으며, 규산철은 실리카퓸에 비하여 초결과 종결이 10~20분 길게 측정되어 가사시간이 조금 더 확보되는 것으로 판단되었다. 그리고 규산철 산업부산물을 사용한 콘크리트의 내구성 평가를 위하여 부식저항성 및 공극구조 분석과 촉진 염화물침투시험을 통해 혼화재료의 치환률별 특성을 살펴보았다. 평균공극지름은 OPC가 가장 크게 나타났으며, 실리카퓸 및 규산철은 치환율에 따라 편차가 있었으나 OPC보다 작은 크기의 공극들이 평균적으로 분포하는 것을 볼 수 있었다. 규산철을 사용한 콘크리트의 촉진염화물침투시험결과, OPC의 경우에 비하여 규산철을 사용한 경우가 훨씬 적은 양의 전류가 흐르는 것을 확인하였으며, 규산철을 사용함으로서 내구성능이 향상되는 것을 예상할 수 있었다. 한편, 규산철 산업부산물을 사용한 콘크리트의 알칼리이온과 중금속 이온의 침출여부에 대한 실험을 통하여 환경영향성 평가를 수행하였다. 그 결과, 알칼리이온은 외기 환경에 미미한 영향을 미쳤으나 자정능력으로 충분히 복구 가능한 수준이라 판단되며, 구조물에 사용되는 콘크리트 물량이 많을 경우 침출수의 양적인 증가가 어떻게 영향을 미치는지에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 중금속이온 침출시험의 경우 음용수 수질 기준에 대한 중금속 이온 지표들에 대하여 침출수에서 검출되지 않았다. 마지막으로 규산철 산업부산물의 재료특성, 기초물성, 내구성, 환경영향성을 고려하여 삼각기법으로 경제성 평가를 실시한 결과, 성능 대비 가격 경쟁력 측면에서 규산철 산업부산물이 기존 OPC 및 실리카퓸에 비해 좋은 점수를 받아 현장 적용에 유리할 것으로 예측되었다. 이상의 결과를 바탕으로 탄소중립을 위한 규산철 부산물을 콘크리트용 혼화재로 사용하기 위한 다양한 실험을 실시한 결과, 본 연구범위 내에서는 규산철을 사용함에 있어 기초적 물성과 역학적 특성 그리고 내구성 측면에서 실리카퓸과 동등한 정도의 결과를 나타냄으로서 실리카퓸 대체재료로 충분히 가능성이 있다고 판단되었다. 뿐만아니라 경제성 면에서도 기존 혼화재료에 비하여 우수한 결과를 나타내어 현장적용시 유리할 것으로 판단된다.