고로 슬래그

고로 슬래그, 고로재, 고로광재, 고로 시멘트, 고로 수쇄(ground granulated blast-furnace slag, GGBS 또는 GGBFS)는 용광로에서 용융된 철 슬래그(철강 생산의 부산물)를 물 또는 증기로 담금질하여 유리질의 과립형 제품을 생산한 다음, 건조하여 미세한 분말로 분쇄하여 얻는다. 고로 슬래그 미분말은 물과 접촉 후 규산 칼슘 수화물(C-S-H)을 형성하는 잠재적 수경성 결합재이다. 이것은 콘크리트의 내구성을 향상시키는 강도 증진 화합물이다. 이는 야금 시멘트(유럽 표준 EN 197의 CEM III)의 구성 요소이다. 주요 장점은 수화열을 천천히 방출하여 시멘트 응결 및 콘크리트 양생 중 또는 더운 여름철 콘크리트 타설 중 대량의 콘크리트 구성 요소 및 구조물의 온도 상승을 제한할 수 있다는 것이다.

"분쇄된 고로 슬래그"(왼쪽) 및 "과립 고로 슬래그"(오른쪽) 샘플

생산 및 구성

슬래그의 화학적 조성은 철 생산 공정의 원료 조성에 따라 상당히 달라진다. 광석과 코크스의 규산염 및 알루민산염 불순물은 용광로에서 슬래그의 점성도를 낮추는 융제와 결합된다. 선철 생산의 경우, 융제는 주로 석회암과 포스터라이트 또는 일부 경우 백운암의 혼합물로 구성된다. 용광로에서 슬래그는 철 위에 떠서 분리를 위해 따라낸다. 슬래그 용융물을 천천히 냉각시키면 Ca-Al-Mg 규산염의 집합체로 구성된 비활성 결정질 재료가 생성된다. 양호한 슬래그 반응성 또는 수경성을 얻으려면 메르비나이트와 멜릴라이트의 결정화를 방지하기 위해 슬래그 용융물을 800 °C 이하로 급속하게 냉각하거나 담금질해야 한다. 슬래그를 냉각하고 파쇄하기 위해, 용융 슬래그를 가압된 물 또는 공기 제트 스트림에 노출시키는 과립화 공정이 적용될 수 있다. 또는 펠릿화 공정에서 액체 슬래그는 물로 부분적으로 냉각된 후 회전 드럼에 의해 공중으로 분사된다. 적절한 반응성을 얻기 위해 얻은 파편은 포틀랜드 시멘트와 동일한 미세도를 달성하도록 분쇄된다.

고로 슬래그의 주요 성분은 CaO (30–50%), SiO₂ (28–38%), Al₂O₃ (8–24%), MnO, MgO (1–18%)이다. 일반적으로 슬래그의 CaO 함량이 증가하면 슬래그의 염기도가 증가하고 압축강도가 증가한다. MgO와 Al₂O₃ 함량은 각각 10–12%와 14%까지 동일한 경향을 보이며, 그 이상으로는 더 이상 개선되지 않는다. 여러 조성비 또는 소위 수경 지수는 슬래그 조성과 수경성 활성을 상관시키는 데 사용되었으며, 후자는 주로 결합제 압축강도로 표현된다. 포틀랜드 시멘트와 혼합하기에 적합한 슬래그의 유리 함량은 일반적으로 90에서 100% 사이로 다양하며 냉각 방법과 냉각이 시작되는 온도에 따라 달라진다. 담금질된 유리의 유리 구조는 Si 및 Al과 같은 망 형성 요소와 Ca, Mg 및 덜한 정도로 Al과 같은 망 변형 요소의 비율에 크게 의존한다. 망 변형 요소의 양이 증가하면 망 탈중합도와 반응성이 높아진다.

고로 슬래그의 일반적인 결정질 성분은 메르비나이트와 멜릴라이트이다. 점진적인 결정화 동안 형성될 수 있는 다른 미량 성분으로는 벨라이트, 몬티셀라이트, 랭키나이트, 규회석 및 포스터라이트가 있다. 환원된 황의 미량은 일반적으로 올드하마이트로 발견된다.^[1]

적용

GGBS는 일반 포틀랜드 시멘트 및 기타 포졸란 재료와 결합하여 내구성이 강한 콘크리트 구조물을 만드는 데 사용된다. GGBS는 유럽에서 널리 사용되었으며, 특히 미국과 아시아(특히 일본과 싱가포르)에서 콘크리트 내구성의 우수성으로 인해 건물 수명을 연장하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다.

GGBS의 두 가지 주요 용도는 품질이 향상된 슬래그 시멘트, 즉 포틀랜드 고로 시멘트(PBFC) 및 고슬래그 고로 시멘트(HSBFC) 생산에 있으며, GGBS 함량은 일반적으로 30~70%이다. 그리고 레미콘 또는 현장 혼합된 내구성 콘크리트 생산에 사용된다.

GGBS 시멘트로 만든 콘크리트는 시멘트질 재료의 GGBS 양에 따라 일반 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트보다 더 느리게 굳지만, 생산 조건에서 더 오랜 기간 동안 강도를 계속 얻는다. 이는 낮은 수화열과 낮은 온도 상승을 초래하고 콜드 조인트를 피하기 쉽게 만들지만, 빠른 경화가 필요한 건설 일정에 영향을 미칠 수도 있다.

GGBS를 사용하면 알칼리 골재 반응(ASR)으로 인한 손상 위험을 크게 줄이고, 염화 이온 침투에 대한 저항성을 높여 철근 부식 위험을 줄이며, 황산염 및 기타 화학 물질의 공격에 대한 저항성을 높인다.^[2]

GGBS 시멘트 사용

GGBS 시멘트는 콘크리트 제조업체의 배치 플랜트에서 포틀랜드 시멘트, 골재 및 물과 함께 콘크리트에 추가될 수 있다. 혼합물에서 골재와 물 대 시멘트질 재료의 일반적인 비율은 변하지 않는다. GGBS는 포틀랜드 시멘트의 직접적인 대체품으로, 중량 기준으로 1:1로 사용된다. GGBS의 대체 수준은 30%에서 최대 85%까지 다양하다. 일반적으로 대부분의 경우 40%에서 50%가 사용된다.

유럽에서 콘크리트에 포틀랜드 시멘트 외에 GGBS를 사용하는 것은 콘크리트 표준 EN 206:2013에 명시되어 있다. 이 표준은 일반 포틀랜드 시멘트와 함께 콘크리트에 추가되는 두 가지 범주의 첨가물(거의 비활성 첨가물(유형 I) 및 포졸란 또는 잠재적 수경성 첨가물(유형 II))을 설정한다. GGBS 시멘트는 후자 범주에 속한다. GGBS 시멘트가 포틀랜드 시멘트보다 약간 저렴하므로 GGBS 시멘트로 만든 콘크리트는 일반 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트와 비슷한 가격이 책정될 것이다.

혼합 비율에 따라 부분적으로 사용된다.

건축 및 공학적 이점

내구성

GGBS 시멘트는 황산염 공격과 염화물 공격 모두에 대한 보호를 제공하기 위해 콘크리트에 일상적으로 지정된다. GGBS는 우수한 성능과 SRPC에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 인해 황산염 저항성을 위한 황산염 저항성 포틀랜드 시멘트(SRPC)를 시장에서 효과적으로 대체했다. 더블린 독랜드의 대부분 프로젝트는 스펜서 독을 포함하여 황산염 저항성을 위해 지하 콘크리트에 GGBS를 사용하고 있다.

벌크 전기 저항은 콘크리트 샘플의 저항을 측정할 수 있는 테스트 방법이다. (ASTM 1876–19) 더 높은 전기 저항은 더 높은 이온 전달 저항과 따라서 더 높은 내구성을 나타낼 수 있다. 콘크리트에 GGBS를 최대 50%까지 대체함으로써 연구자들은 일부 내구성 특성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었다.^[2]

염화물 공격에 대한 보호를 위해 GGBS는 콘크리트에서 50% 대체 수준으로 사용된다. 염화물 공격 사례는 해양 환경의 철근 콘크리트와 콘크리트가 제설염의 튀김에 노출되는 도로교에서 발생한다. 아일랜드의 대부분의 NRA 프로젝트에서 GGBS는 이제 염화물 공격에 대한 보호를 위해 교량 교각 및 교대의 구조용 콘크리트에 지정된다. 이러한 경우 GGBS를 사용하면 포틀랜드 시멘트만 사용했을 경우보다 구조물의 수명이 최대 50% 증가하며, 더 비싼 스테인리스강 보강재가 필요하지 않다.

GGBS는 또한 대규모 콘크리트 타설 시 온도 상승을 제한하는 데 일상적으로 사용된다. GGBS 시멘트의 더 점진적인 수화는 포틀랜드 시멘트보다 낮은 온도 피크와 낮은 총 열량을 생성한다. 이는 콘크리트의 열 구배를 줄여 콘크리트를 약화시키고 내구성을 떨어뜨릴 수 있는 미세 균열 발생을 방지하며, 코크의 잭 린치 터널 건설에 이러한 목적으로 사용되었다.

외관

포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트의 돌색 회색과 대조적으로, GGBS 시멘트의 거의 흰색은 건축가가 추가 비용 없이 노출된 미려면 콘크리트 마감에 더 밝은 색상을 얻을 수 있도록 한다. 더 밝은 색상 마감을 얻으려면 GGBS는 일반적으로 50%에서 70% 사이의 대체 수준으로 지정되지만, 최대 85%의 수준도 사용할 수 있다. GGBS 시멘트는 GGBS 입자의 미세함으로 인해 더 매끄럽고 결함 없는 표면을 생성한다. 먼지는 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트보다 GGBS 콘크리트에 쉽게 부착되지 않아 유지 보수 비용을 줄인다. GGBS 시멘트는 탄산 칼슘 침전물로 인한 콘크리트 표면의 얼룩인 백화 현상 발생을 방지한다. 훨씬 낮은 석회 함량과 낮은 투수성으로 인해 GGBS는 50~60%의 대체 수준으로 사용될 때 백화 현상을 효과적으로 방지한다.

강도

GGBS 시멘트를 포함하는 콘크리트는 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트보다 궁극적인 강도가 더 높다. 포틀랜드 시멘트만으로 만든 콘크리트보다 강도를 향상시키는 규산 칼슘 수화물(CSH)의 비율이 높고, 콘크리트 강도에 기여하지 않는 유리 석회 함량이 감소한다. GGBS로 만든 콘크리트는 시간이 지남에 따라 계속 강도를 얻으며, 10~12년에 걸쳐 28일 강도가 두 배가 되는 것으로 나타났다.

콘크리트 대체용 분쇄 고로 슬래그(GGBS)의 최적 투입량은 시멘트만으로 만든 콘크리트보다 높은 압축강도를 제공하기 위해 중량 기준으로 20-30%인 것으로 보고되었다.^[2]

지속 가능성

GGBS는 철강 제조 공정의 부산물이기 때문에 콘크리트에 GGBS를 사용하는 것은 LEED, 그리고 홍콩의 Building Environmental Assessment Method (BEAM) Plus 등에서 프로젝트의 지속 가능성을 향상시키는 것으로 인정되어 LEED 및 BEAM Plus 인증에 점수를 추가한다. 이러한 점에서 GGBS는 콘크리트가 염화물 및 황산염과 접촉하는 경우 외에도 상부 구조에도 사용될 수 있다. 단, 상부 구조의 타설을 위한 느린 경화 시간이 정당화되는 경우에 한한다.