CBS-Dust의 공학적 특성 및 고로슬래그 미분말을 사용하는 콘크리트에의 활용 = Engineering Characteristics of Chlorine Bypass System-Dust and Its Application to the Concrete Incorporating Blast Furnace Slag

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, tests are carried out to offer efficient way of reuse of CBS-Dust, which is produced as by-products during the manufacturing process of the cement. There have been emerging concerns of various by-products during the cement manufacturing process in cement industry. In the side of mitigating environmental burden and facilitating recycling activities, It is necessary to have effective way of recycling by-products during the cements manufacturing process. CBS-Dust is one of the by-products in cement industry and cement manufacturing companies have had difficulties in handling CBS-Dust effectively. Most of CBS-Dust have been buried and far from recycling because they could not find adequate alternatives. CBS-Dust contains large amount of chloride and alkali ions in it, which can contribute to enhance the properties of cement based materials when properly added.
Therefore, the objective of the study is to present the way of effective reuse of CBS-Dust as the concrete making materials. More specifically, the effect of CBS-Dust as an alkali activator on the properties of high volume blast furnace slag concrete are studied. As a first step of study, chemical components and physical properties of CBS-Dust are studied to identify whether CBS–Dust can be applicable to the concrete. And then, engineering characteristics of mortar and concrete subjected to various contents of CBS-Dust are tested to study the effect of CBS on strength enhancement of the concrete. Based on the results, efficient reuse of CBS-Dust are provided.
This paper is composed of six chapters and the contents of each chapters are as follows

Chapter 1 describes the background of the study, the necessities of the study. Chapter 2 depicts the cement manufacturing process and the discharge of CBS-Dust as by-product in the manufacture of cement. Chapter 3 shows the engineering characteristics of CBS-Dust in terms of physical and chemical properties. Chapter 4 explains the characteristics of mortar incorporating BS with CBS-Dust. It has the result of experiments and discussion for the fresh mortar, hardened mortar and microscopic characteristics. Chapter 5 gives a detailed account of concrete incorporating BS with CBS-Dust. It has the result of experiments and discussion for the fresh mortar, hardened mortar with comparison with and without CBS-Dust.

Chapter 6 summarizes overall result and discussions of the study. Followings could be drawn as the conclusions of the study.

1) As the physical properties of CBS-Dust, the density is 2.40g/cm3, lighter than cement, the pH is 12.50, strong alkaline, and in the case of particle size, it is 11.70㎛ finer than cement.

2) In the case of chemical components, calcium oxide (CaO) has a high content of 35.10%, potassium oxide (K2O) is 32.43%, potassium chloride (KCl) is 19.46%, sulfur trioxide (SO3) is 6.81%, and contents of other chemical components are in the order of SiO2, Fe2O3, Al2O3, MgO, and others.

3) Compressive strength tended to decrease with increasing CBS-Dust substitution rate in case of BS 0%. However, in the case of BS 45%, the CBS-Dust substitution rate of 5 to 10% showed a maximum strength increase rate of 123% than Plain. In addition, in the case of BS 65%, the substitution rate of CBS-Dust showed a strength increase rate of 154% and 123% at 3 and 7 days of age. On the other hand, the flexural strength was found to increase on 3 days of age at a binder composition ratio of BS 45 and 65% and a CBS-Dust substitution rate of 5 to 10%.

4) Compressive strength showed higher strength as the CBS-Dust substitution rate increased, and compared to CBS-Dust 0%, the strength development rate for 3 days was about 260% in the early age and more than 200% for 7 days when replacing 10% of CBS-Dust. It was found that tensile strength showed a similar tendency to compressive strength.

5) In all CBS-Dust substitution ratio changes, the strength range of 40MPa or less showed higher strength than that of CBS-Dust, but in the case of higher strength than 50MPa of long-term age was higher when CBS-Dust was not used. As a result of comprehensive analysis of the quality of concrete, around 5% of CBS-Dust was found to be the optimal replacement rate for improving quality.

In summary, when CBS-Dust is used on BS blended cement concrete at the substitution ratio of 5%, the usage as a concrete admixture for early age strength development of structures without reinforcing bars can also be considered.
In addition, when used in the production of concrete secondary products with large amounts of fine BS powder, a large amount of chloride can be expected to improve the early age strength without any problems, and alkalis and sulfates can act as an activator of BS. It is considered to be a reasonable alternative in terms of recycling resource utilization and quality assurance.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 시멘트 제조시 부산물로 발생하는 CBS-Dust를 콘크리트용 재료로서 효율적으로 재활용하는 방법을 모색하고자 일련의 실험을 진행하였다. 이를 위해 먼저, CBS-Dust의 화학성분 및 물리적 특성을 분석하였고, 이를 이용한 다양한 배합 및 치환률 조건하에서 모르타르 및 콘크리트 실험을 진행하여, 그 특성을 토대로 효율적인 활용 방법을 제시하고자 하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) CBS-Dust의 물리적 성질로 밀도는 2.40g/cm3으로 시멘트보다 가볍고, pH는 12.50으로 강알칼리성이며, 입도의 경우 시멘트보다 미세한 11.70㎛로 나타났다.

2) CBS-Dust의 화학성분은 산화칼슘(CaO)이 35.10%로 높은 함유량을 나타내었고, 산화칼륨(K2O)이 32.43%, 염화칼륨(KCl)가 19.46% 삼산화황(SO3)이 6.81%이었고, 그 이외의 화학성분으로는 SiO2, Fe2O3, Al2O3, MgO, 기타 등의 순으로 나타났다.

3) 압축강도는 BS 0%의 경우는 CBS-Dust 치환율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 하지만, BS 45%에서는 CBS-Dust 치환율 5∼10%의 경우 Plain보다 최대 123%의 강도증가율을 나타냈다. 또한, BS 65%의 경우 CBS-Dust의 치환율 5∼10%의 경우 재령 3일 및 7일에서 최대 154% 및 123%의 강도증가율을 나타냈다. 한편 휨강도는 결합재 조성비 BS 45 및 65%에서 CBS-Dust 치환율 5∼10%의 경우 재령 3일의 휨강도가 증가하는 것으로 나타났다.

4) 압축강도는 CBS-Dust 치환율이 증가할수록 높은 강도를 나타냈으며, 강도발현율은 CBS-Dust 0%와 비교하여 초기재령에 CBS-Dust 10% 치환시 3일 재령의 경우 약 260%, 7일 재령은 약 200% 이상으로 강도가 크게 발현되는 것으로 나타났다. 인장강도는 압축강도와 유사한 경향으로 나타났다.

5) 본 연구범위에서 CBS-Dust 치환시 40MPa 이하의 강도 영역에서는 CBS-Dust 사용하지 않은 경우보다, 동등이상의 높은 강도를 나타냈지만, 장기재령 조건에서 50MPa 이상의 경우는 CBS-Dust를 사용하지 않은 경우에서 강도가 높게 나타났다. 콘크리트의 품질을 종합적으로 분석한 결과, CBS-Dust 5% 전후가 제반품질이 향상되는 최적의 치환율로 판단된다.

6) 고로슬래그를 함유한 콘크리트에서 슬럼프 및 슬럼프 플로는 고로슬래그 다량치환시 CBS-Dust 5%에서 소폭 증가하였으나, 슬럼프 및 슬럼프 플로의 증가는 CBS-Dust보다 고로슬래그의 영향이 더 큰 것으로 판단된다.

7) CBS-Dust를 시멘트 대체재로 일부 치환사용하는 것보다 고로슬래그미분말을 다량으로 치환한 콘크리트에서 알칼리 자극재로서의 활용성이 더욱 효과적일 것으로 나타났다.

이상을 종합하면 본 연구범위에서 CBS-Dust는 5% 범위내에서 치환시 철근 무보강 콘크리트 구조물의 초기강도 발현용 혼화재로서 재활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 고로슬래그 미분말을 다량 치환한 콘크리트 2차 제품의 제조에 이용할 경우, 다량의 염화물은 문제시되지 않으면서 초기강도 증진 효과를 기대할 수 있고, CBS-Dust에 존재하는 알칼리 및 황산염은 BS의 자극제로 작용할 수 있으며, 순환자원 활용과 품질확보 차원에서 합리적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서, CBS-Dust는 혼화재 다량치환 철근무보강 콘크리트 2차 제품제조시 조강성 혼화재로 사용할 경우 알칼리 자극제로서 작용하여 콘크리트의 강도증진을 포함한 품질을 개선하여 효과적인 활용방안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구범위 및 방법 2
• 1.3 연구동향 3
• 2. 이론적 고찰 7
• 2.1 폐자원 활용과 CBS-Dust의 발생 7
• 2.1.1 시멘트 제조공정 7
• 2.1.2 시멘트 제조시 폐자원 활용 12
• 2.1.3 시멘트 공정의 CBS 개요 16
• 2.1.4 CBS-Dust의 발생 17
• 2.2 고로슬래그 미분말 및 고로슬래그 시멘트 19
• 2.2.1 정의 및 생산 19
• 2.2.2 고로슬래그 미분말의 품질규격 23
• 2.2.3 고로슬래그 미분말의 수화반응 25
• 2.3 고로슬래그 미분말 다량치환 콘크리트의 반응촉진 27
• 2.3.1 황산염 자극 물질 27
• 2.3.2 알칼리 자극 물질 33
• 3. CBS-Dust의 공학적 특성 37
• 3.1 서언 37
• 3.2 실험계획 37
• 3.3 실험방법 38
• 3.4 실험결과 및 분석 41
• 3.4.1 물리적 특성 41
• 3.4.2 화학적 특성 46
• 3.5 소결 52
• 4. CBS-Dust를 활용한 고로슬래그 모르타르의 특성 53
• 4.1 서언 53
• 4.2 실험계획 및 방법 53
• 4.2.1 실험계획 53
• 4.2.2 사용재료 55
• 4.2.3 실험방법 58
• 4.3 실험결과 및 분석 64
• 4.3.1 굳지 않은 모르타르 64
• 4.3.2 경화 모르타르 68
• 4.3.3 미시적 특성 78
• 4.3.4 종합분석 80
• 4.4 소결 92
• 5. CBS-Dust를 활용한 고로슬래그 콘크리트의 특성 95
• 5.1 서언 95
• 5.2 실험계획 및 방법 95
• 5.2.1 실험계획 95
• 5.2.2 사용재료 97
• 5.2.3 실험방법 101
• 5.3 실험결과 및 분석 104
• 5.3.1 굳지 않은 콘크리트 104
• 5.3.2 경화 콘크리트 111
• 5.3.3 상호비교 118
• 5.3.4 종합분석 120
• 5.4 소결 122
• 6. 결론 125
• 참고문헌 129
• ABSTRACT 135