지속가능한 건설을 위한 폐콘크리트 자원화 모르타르의 성능 평가 = Performance Evaluation of Waste Concrete Resources Mortar for Sustainable Construction Industry

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 현 건설업이 당면한 건설폐기물 발생량 증가 및 천연자원 고갈에 따른 품질 문제, 시멘트 생산 과정의 CO2 발생으로 인한 환경오염에 대처하고자 하였다. 따라서 건설폐기물을 매립하지 않고 자원으로 활용하기 위해 폐콘크리트로부터 생산 혹은 발생하는 순환골재와 슬러지를 건설재료로 사용하여 실험을 진행하였다. 순환골재와 슬러지 각각을 혼입한 모르타르를 타설하여 성능을 검증하고, SEM, XRD, TGA를 통해 미세구조 및 화학적 조성을 분석하였다. 또한 친환경적인 건설재료를 사용함으로써 기대되는 경제성과 환경성을 평가하였다.
첫 번째로, 모르타르에 사용되는 천연강사를 순환골재로 대체한 실험을 진행하였다. 천연골재의 입도 불량을 개선하기 위해 순환골재를 50% 혼입한 모르타르(R5N5)와 입도 기준을 만족하는 순환골재 모르타르(RM)의 성능을 입도가 불량한 천연골재 모르타르(NM)와 비교하였다. 그 결과, 강도 측면에서는 순환골재를 50% 혼입한 모르타르가 가장 우수하였으며, 순환골재만 사용한 모르타르의 강도는 천연골재 모르타르보다 감소하였으나, 그 차이가 미미하였다. 천연골재 모르타르와 순환골재 모르타르의 SEM 이미지를 분석하였을 때, 일반적으로 순환골재 모르타르 또는 콘크리트에서 문제를 유발하는 ITZ의 부착 모르타르가 관찰되지 않았다. 실험 결과로부터 부착 모르타르가 잘 제거된 고품질의 순환골재를 사용할 경우. 골재로 인해 발생하는 성능 저하가 크게 관찰되지 않음을 확인하였다.
두 번째로, 폐콘크리트를 순환골재로 생산하는 과정에서 발생하는 슬러지 케이크를 미분말 상태로 잘 분쇄하여 시멘트 대체재로 활용한 연구를 수행하였다. 슬러지룰 전처리하지 않은 일반 슬러지(PS)와 700도에서 3시간 소성한 전처리 슬러지(CS)를 준비하여 원재료의 화학 조성 및 포졸란 반응성을 확인하였으며, 각 슬러지를 시멘트 중량 대비 5, 10, 15, 20% 치환한 모르타르의 성능을 검증하고자 하였다. 일반 슬러지 모르타르의 경우, 슬러지의 치환율이 증가할수록 강도가 감소한 반면, 소성 슬러지 모르타르의 경우, 15% 혼입율까지 치환율이 증가할수록 강도가 증가하였으며, XRD 및 TGA 분석을 통해 소성 슬러지 모르타르의 포졸란 반응이 일반 슬러지에 비해 원활하게 발생하는 것을 확인하였다.
세 번째로, 슬러지를 건설 현장에 적용하였을 때, 현장 상황을 고려하여 슬러지 케이크의 분쇄 정도를 줄임으로써 전처리를 최소화한 슬러지를 사용하여 실험을 진행하였다. 또한 경제성 및 환경성을 확보하기 위해 슬러지(S*)의 치환율을 0, 20, 40, 60, 80%로 확대하고, 포졸란 재료(P*)를 0, 20, 40% 혼입하였다. 포졸란 재료를 혼입하여 슬러지 치환율 증가에 따른 강도 저하를 일부 개선할 수 있었으며, 포졸란 치환율이 20%일 때 강도 특성이 가장 우수하였다. 각 모르타르의 강도, 경제성, 환경성을 종합적으로 고려하였을 때, 일반 콘크리트 블록 또는 벽돌의 압축강도 기준을 만족하는 S2P2, S4P2, S2P4를 고강도를 필요치 않는 상황에 적용함으로써 절대적 비용 절감 효과 및 환경성을 확보할 수 있을 것으로 보았다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to address several current challenges in the construction industry, including the increasing volume of construction waste, depletion of natural resources leading to quality concerns, and environmental pollution caused by CO2 emissions during cement production. Therefore, in order to utilize construction waste as a resource rather than disposing of it in landfills, experiments were conducted using recycled aggregates and sludge, both of which are produced or generated from waste concrete, as construction materials. Mortars incorporating either recycled aggregates or sludge were cast to verify their performance, and microstructural and chemical analyses were carried out using SEM, XRD, and TGA. Furthermore, the economic and environmental performance of using these eco-friendly construction materials was evaluated.
First, an experiment was conducted to replace the natural fine aggregate used in mortar with recycled aggregate. Mortars with 50% recycled aggregate (R5N5), designed to improve the poor particle size distribution of the natural aggregate, and mortars using only recycled aggregate(RM) that satisfied particle size distribution standards were compared with mortar using poorly graded natural aggregate (NM). The results showed that R5N5 exhibited the highest strength. The strength of RM was slightly lower than that of natural aggregate mortar, the difference was negligible. SEM images of NM and RM revealed no significant presence of adhered mortar at the ITZ(Interfacial transition zone), which typically causes issues in recycled aggregate mortar or concrete. These findings suggest that when high-quality recycled aggregate with well-removed adhered mortar is used, performance degradation attributable to the aggregate itself is minimal.
Second, a study was conducted on utilizing sludge cake, generated during the production of recycled aggregate from waste concrete, as a cement substitute after finely grinding it into powder. Two types of sludge were prepared: untreated sludge (Plain Sludge, PS) and sludge pretreated by calcination at 700°C for 3 hours (Calcined Sludge, CS). Following this the chemical composition and pozzolanic reactivity of the raw materials were examined. Mortars were prepared by replacing cement with 5%, 10%, 15%, and 20% of each sludge type to evaluate performance. In the case of PS mortars, compressive strength decreased as the replacement rate increased. Conversely, CS mortars exhibited increased strength up to a 15% replacement rate. XRD and TGA analyses confirmed that pozzolanic reactions occurred more actively in CS mortars than in PS ones.
Third, in consideration of on-site application, an experiment was conducted using sludge with lower degree of grinding than the previously tested untreated sludge(PS). To secure economic and environmental performance, the replacement rate of this sludge (S*) was expanded to 0%, 20%, 40%, 60%, and 80%, and pozzolanic materials (P*) were incorporated at 0%, 20%, and 40%. The incorporation of pozzolanic materials partially mitigated the strength reduction associated with increasing sludge replacement, and the best strength performance was observed at a pozzolanic replacement rate of 20%. Considering compressive strength, economic and environmental performance, it was concluded that mortars such as S2P2, S4P2, and S2P4, which met the compressive strength standards for concrete blocks or bricks, could be applied in situations where high strength is not required, thereby achieving cost savings and environmental benefits.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 6
• 1.3 연구 목적 및 방법 10
• 2. 이론적 배경 및 연구 방법론 12
• 2.1 순환골재 생산 과정 12
• 2.2 시멘트의 화학 반응 13
• 2.3 순환골재 및 슬러지 재료 특성 15
• 2.4 화학적 분석 방법 16
• 2.4.1 X-선 회절분석 (XRD) 16
• 2.4.2 열중량분석 (TGA) 18
• 3. 순환골재 모르타르 특성 분석 20
• 3.1 원재료 분석 20
• 3.2 배합 및 시편 제작 23
• 3.3 실험 결과 및 분석 25
• 3.3.1 재령별 압축강도 결과 25
• 3.3.2 물리적 특성 비교 26
• 3.3.3 미세구조 분석 28
• 3.3.4 경제성 및 환경성 분석 30
• 4 . 일반 및 소성 슬러지를 활용한 모르타르 성능 평가 37
• 4.1 슬러지 원재료 특성 분석 37
• 4.1.1 슬러지의 분말도에 따른 반응성 38
• 4.1.2 XRF를 통한 슬러지 구성 성분 분석 39
• 4.1.3 원재료 슬러지의 XRD 결과 40
• 4.1.4 원재료의 TGA 분석 42
• 4.1.5 전처리에 따른 슬러지의 포졸란 반응성 분석 43
• 4.2 모르타르 시편 제작 46
• 4.3 전처리에 따른 슬러지 모르타르의 성능 평가 48
• 4.3.1 압축강도 결과 48
• 4.3.2 모르타르의 화학적 분석 결과 50
• 4.3.3 경제성 및 환경성 분석 54
• 5 . 포졸란 재료를 활용한 슬러지 혼입 친환경 모르타르 최적 배합 결정 62
• 5.1 포졸란 및 슬러지 치환율에 따른 배합 결정 63
• 5.2 결과 분석 65
• 5.2.1 압축강도 결과 65
• 5.2.2 TGA 결과 67
• 5.2.3 TGA 정량적 분석 70
• 5.2.4 경제성 및 환경성 분석 73
• 5.3 최적 배합 제시 77
• 5.3.1 슬러지 분말도의 영향 77
• 5.3.2 최적 배합 제시 79
• 6. 결론 80
• 6.1 결론 80
• 6.2 본 연구의 한계 및 제언 82
• 참고문헌 84
• ABSTRACT 96