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Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 28, No. 7, pp. 52-57, November 2013

Copyright@2013 by The Korean Society of Safety (pISSN 1738-3803) All right reserved. http://dx.doi.org/10.14346/JKOSOS.2013.28.7.052

급속 냉각 전로슬래그 골재를 이용한 콘크리트의

차폐특성에 관한 실험적 연구

홍기남․한상훈†․이상래

*

충북대학교 토목공학부․*동양시멘트 삼척플랜트

(2013. 9. 23. 접수 / 2013. 11. 13. 채택)

Experimental Study on Radiation Shielding Properties of Concrete

Utilizing Rapid Chilled Converter Slag(RCCS) Aggregate

Ki Nam Hong․Sang Hoon Han†․Sang Rae Lee

*

Department of Civil Engineering, Chungbuk National University*Samcheok Plant, Tongyang Cement & Energy Corperation

(Received September 23, 2013 / Accepted November 13, 2013)

Abstract : This study experimentally evaluated the radiation shielding capacity and mechanical properties of concretes made with rapid

chilled converter slag(RCCS) aggregate. Air content, slump test and unit volume weight test were performed for fresh concretes and

compressive strength test, chloride penetration test and radiation shielding capacity test were performed for the harden concretes.

Compressive strength and chloride penetration resistance of RCCS aggregate concrete was higher and lower than normal concrete,

respectively. In addition, the radiation shielding capacity of RCCS was higher than normal concrete. Therefore, it was conformed that RCCS

aggregate can be effectively used for the radiation shielding concrete.

Key Words : radiation shielding capacity, RCCS aggregate, converter slag, mechanical property

†Corresponding Author: Sang Hoon Han, Tel : +82-43-261-2404, E-mail : shhan@chungbuk.ac.kr

Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, 52, Naesudong-ro, Heungduk-gu, Chungju 361-763, Korea

1. 서 론

철을 생산하는 과정에서 발생하는 부산물 중 가장 많

은 비율을 차지하고 있는 것이 슬래그이다. 2011년 한국

에서도 약 2천 4백만 톤의 슬래그가 발생하였다1). 슬래그

는 고로슬래그와 제강슬래그로 분류되며, 제강슬래그는

다시 전로슬래그와 전기로슬래그로 분류된다. 고로슬래그

는 콘크리트용 골재 또는 혼화재료, 시멘트 첨가제 등으

로 활발하게 사용되고 있다. 그러나 제강슬래그는 높은

철산화물 함유량을 이용하여 시멘트 원료로 일부 재활용

되고 있으며, 단순매립이나 도로의 노반재 등의 저부가가

치 형태로 처리되고 있는 실정이다2). 많은 연구가 도로의

노반재로서 제강슬래그의 이용과 콘크리트 혼화재로의

고로슬래그의 이용에 대해 수행되었지만, 소수의 연구만

이 제강슬래그를 콘크리트 재료로 이용하기 위해 수행되

어왔다3)~7)

. 그리고 Ducman et al.8)과 Netiger et al.

9)은 EAF

슬래그 골재 콘크리트의 내화 실험을 실시하고 고온에서

제강 슬래그 골재의 팽창은 콘크리트 역학 특성을 크게

감소시킨다고 발표하였다.

한편, 방사선은 여러 분야에서 다각적으로 이용되고 있

으며, 현재 우리 일상생활에 없어서는 안될 만큼 중요한

역할을 하고 있다. 최근 일본에서 발생한 동일본 대지진

에 의한 후쿠시마 원자력발전소의 사고는 방사선의 위험

성과 방사선 차폐에 대한 중요성을 다시 한 번 일깨워주

는 계기가 되었다. 원자로와 핵융합로 등의 핵연료 사용

시설이나 의료용, 연구용가속기 등의 방사선을 이용하는

시설에는 일반 환경으로의 방사선 유출방지를 목적으로

성능이 우수한 차폐 콘크리트를 많이 사용해 왔으며 이에

대한 많은 연구가 수행되어 왔다10)~16)

. 차폐콘크리트에 대

한 기존 연구 중 제강슬래그를 중량콘크리트의 재료로 이

용하려는 연구가 소수의 연구자들에 의해서 수행되어 왔

다17)~19)

.

콘크리트 재료로 제강슬래그를 활용하기 위한 기존 연

구들은 대부분 전로슬래그 내의 유리된 석회와 마그네슘

은 수분을 접할 경우 좀 더 큰 용적을 갖는 수산화물이

되며, 철은 계속적인 산화 과정을 통하여 용적이 성장하

게 되기 때문에 전로슬래그는 건설 재료로서 적합하지 않

기 때문이다20)

. 그러나 전로슬래그를 급랭시킴으로써 유

리석회와 유리마그네슘의 유리화 가능성을 매우 낮추고,

산화철을 유리질 상태로 고정하는 기술이 개발되었다2).

이 방법에 의해 만들어진 급냉 제강슬래그는 견경한 유리

질 표면을 가진 잔골재 크기의 구형 입자로서, 기존의 서

냉 제강슬래그에서 문제점으로 지적된 낮은 체적 안정성

급속 냉각 전로슬래그 골재를 이용한 콘크리트의 차폐특성에 관한 실험적 연구

한국안전학회지, 제28권 제7호, 2013년 53

을 크게 개선하였을 뿐만 아니라 실적률과 화학적 안정성

이 우수하다. 그러나 높은 비중 때문에 일반콘크리트에

적용할 경우 다른 재료로부터 쉽게 분리됨으로써 사용상

의 제약점이 될 수 있다.

이에 본 연구에서는 높은 밀도를 보이는 급냉 처리된 전

로슬래그를 방사선 차폐 콘크리트의 잔골재로 활용하기

위한 기초 연구의 일환으로 RCSS 골재 콘크리트의 방사능

차폐 성능 및 공학적 특성들을 실험적으로 규명하였다.

2. 실험계획

2.1 배합설계

본 연구에서는 RCCS 골재의 치환율 변화에 따른 콘크

리트의 공학적 특성과 차폐특성을 분석함으로써 차폐용

골재로서 RCCS의 활용 가능성을 검토하였다. RCCS 골재

치환율 변화에 따른 차폐콘크리트의 특성분석을 위한

실험계획은 Table 1과 같고, 콘크리트 배합설계는 Table 2

와 같다.

골재 치환량은 굳지 않은 콘크리트의 단위 용적질량을

2,400 kg/m3, 2,600 kg/m

3, 2,800 kg/m

3 총 3수준으로 설정

하여 적정 단위 용적 질량을 만족하도록 설정하였다. 일

반적으로 잔골재 및 굵은 골재로 중량 골재를 사용한 방

사선 차폐콘크리트의 단위 중량은 3.2~4.0 t/m3 이지만

19),

본 연구에서는 RCCS가 잔골재로 사용된 콘크리트의 공

학특성 및 차폐특성을 평가하기 위해 굵은 골재로 중량골

재를 사용하지 않았다. RCCS 골재 콘크리트의 배합에서

Sand (%) Gravel (Max25mm) (%)

CS1)

IO2)

RCCSS3)

RS4)

CG5)

RCCSG6)

NN 100 0 0 0 100 0

IO50 70 30 0 0 100 0

IO65 35 65 0 0 100 0

RC40 0 0 60 0 100 0

RC100 0 0 100 0 75 25

1) CS: Crushed Sand

2) IO: IonⅡOxide

3) RCCSS: RCCS Sand

4) RS: River Sand

5) CG: Crushed Gravel

6 )RCCSG: RCCS Gravel

Table 1. Replacement ratio of aggregate

Unit weight of ingredient (kg/m3), W/C=40%, S/a=49%

W C CS IO RS RCCSS CG RCCSG AD1)

NN 165 413 869 - - - 897 - 2.06

IO50 165 413 604 456 - - 897 - 6.69

IO65 165 413 302 988 - - 897 - 18.75

RC40 165 413 - - 341 720 897 - 2.06

RC100 165 413 - - - 1200 693 312 2.06

1)AD: Admixture

Table 2. Mixture design

물·결합재비, 단위 시멘트량, 그리고 잔골재율은 기존 차

폐콘크리트와 동일하게 각각 40%, 413kg/m3, 그리고 49%

로 설계되었다. 기본배합에 대하여 목표 슬럼프 및 공기

량은 각각 150±25 mm 및 3.5% 이하로 설정되었으며, 골

재의 치환율은 산화 제2철과 RCCS 골재에 대하여 Table

2와 같이 5수준으로 변화시켜 실험체를 제작하였다. 또한,

일반적으로 차폐 콘크리트용 골재로 알려진 산화제2철

(Fe2O3)을 상기 실험계획에 설정된 단위 용적 질량에 만족

하도록 잔골재로 치환한 콘크리트를 사용한 콘크리트를

제조하였다. 이 콘크리트로 만들어진 실험체에 대해서도

동일한 실험을 수행하여 그 결과를 RCCS 골재 콘크리트

의 결과와 비교하였다.

실험항목으로 굳지 않은 콘크리트에 대해서는 슬럼프,

공기량, 단위 용적 질량 실험들이 수행되었으며 경화 콘크

리트에 대해서는 압축강도, 기건 단위 용적 질량, 염화물

확산계수, 콘크리트 차폐성능에 대한 실험이 수행되었다.

2.2 사용재료

배합설계에 사용된 시멘트는 국내산 T사의 1종 보통

포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 그 화학적 특성은 Table

3과 같다.

잔골재로 RCCS 잔골재, 부순 잔골재, 산화제2철 및 강

모래가 사용되었으며 굵은 골재로는 진천에서 생산되는

25 mm 부순 굵은 골재 및 RCCS 굵은 골재를 사용하였

다. 사용 잔골재의 물리적 성질은 Table 4에 제시되었다.

단, 산화제2철은 공업용 시료로서 분말형을 사용하였으며

RCCS 굵은 골재는 5~13 mm 범위에 분포하는 것을 사용

하였다.

혼화재는 국내 T사의 폴리카르본산계 감수제를 사용하

였으며 그 물리적 성질은 Table 5와 같다.

SiO AlO FeO CaO NgO

20.50　 5.20　 3.29 61.63　 3.41

Table 3. Chemical properties of used cement

Specific

gravity (g/cm3)

Fine

modulus

Absorption

(%)

0.08 mm sieve

passing rate (%)

CS　 2.62 3.10 1.70　 4.0

RS 2.60 1.85 1.40 1.2

RCCSS 3.63 4.12 0.89 0.9

IO 4.60 powder - -

Table 4. Physical properties of fine aggregates

Principal element Color Specific gravity Solid content (%)

Poly carbon acid　 Light brown　 1.06 15　

Table 5. Physical properties of Chemical admixture

홍 기 남․한 상 훈․이 상 래

Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 7, 201354

2.3 실험방법

2.3.1 굳지 않은 콘크리트

굳지 않은 콘크리트의 유동성 평가로써 슬럼프 시험은

ISO 4109에 의거하여 실시되었다. 공기량 시험은 ISO

4848에 규정에 따라 측정하였으며 단위 용적 질량 시험은

ISO 6276에 준하여 계산되었다.

2.3.2 실험체 제작 및 양생

압축강도 측정용 공시체는 ISO 2736-2 규정에 의거하

여 Ø100×200 mm 크기의 실린더로 제작되었으며 20±2℃

의 수조에서 계획된 재령동안 표준양생 되었다. 또한, 방

사선 차폐율 공시체는 정사면체 50 mm×300 mm×300 mm

의 크기로 제작되었으며 28일간 20±2℃의 수조에서 표준

양생되었다.

2.3.3 기건 단위 용적 질량

기건 단위 용적 질량 실험은 Ø100×200 mm 크기의 실

린더를 28일 동안 표준양생하고 24시간 동안 50±10℃의

건조로에서 건조한 후 실시되었다.

2.3.4 염화물 확산시험

염화물 확산시험은 Ø100×200 mm 실린더 시험체를 50

mm 두께로 절단하여 제작된 Ø100×50 mm 크기의 시험체

를 대상으로 실시되었다. 염화물 확산시험은 Fig. 1에 나

타낸 것과 같이 유럽의 시험규준인 NT BUILD 492에 준

하여 실시되었다. 시험은 0.3 N의 NaOH 수용액을 양극으

로, 10% NaCl 수용액을 음극으로 하여 30 V의 전압을 가

하였을 때의 전류값에 기초하여 적용 전압 수준 및 시험

지속시간을 선정하여 시험을 진행하였다. 시험이 종료된

후 시편들은 할렬파괴 되었다. 염화물 침투깊이는 0.1 N

질산은 용액을 할렬 파괴된 콘크리트 표면위에 분무하였

을 때, 변색되는 시편의 깊이를 버니어캘리퍼스로 측정하

여 결정하였다. 시험체 두께, 적용된 전압, 시험 지속시간,

염화물 침투깊이 및 수용액의 온도 등의 결과에 기초하여

염화물 확산계수를 산정하였다. Fig. 1에 염화물 확산시험

전경을 나타내었다.

Fig. 1. Setup of chloride diffusion test

Fig. 2. Setup of radiation shielding test

2.3.5 방사선 차폐성능 평가

재령 28일간의 표준양생 이후, 단위 용적 질량 시험 및

방사선 차폐 성능 시험이 방사선 차폐 시험체들에 대해

실시되었다. 방사선 차폐성능 실험은 Fig. 2와 같이 공시

체를 조사선원(Co-60 Activity 360, 576Ci, 평균에너지 1.25

MeV급)에서 발생한 방사선의 조사선량을 선원으로부터

3.25 m 떨어진 detector에 감지된 방사선의 누출량을 측정

하는 방식으로 진행되었다. 방사능 차폐율은 차폐체가 없

는 경우의 누출량과 차폐체가 있는 경우의 누출량의 비로

정의하였다. 차폐 실험에 사용된 장비는 MDS NORDION

사의 IR-221(GAMMA Irradiator)이며, 선량측정은 Harwell

사의 Harwell Amber perspex Dosimeter를 사용하였다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 굳지 않은 콘크리트

3.1.1 슬럼프

Fig. 3에 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 시험결과를 나

타내었다.

산화제2철 골재를 사용한 IO30과 IO65 콘크리트는 목

표 슬럼프를 만족시키기 위해 NN 콘크리트보다 각각 2배

Fig. 3. Comparison of slumps of each admixture

급속 냉각 전로슬래그 골재를 이용한 콘크리트의 차폐특성에 관한 실험적 연구

한국안전학회지, 제28권 제7호, 2013년 55

사용한 콘크리트의 슬럼프는 치환율이 증가할수록 증가

하는 경향을 나타내었다. 이는 RCCS 골재의 흡수율이

낮아 골재 표면의 배합수 흡착이 작고, 밀도가 높아 슬럼

프 형상의 붕괴가 용이하게 발생하였기 때문으로 사료된

다. 결과적으로 모든 배합의 슬럼프는 150±25 mm의 목표

슬럼프를 만족함을 Fig. 3을 통해 확인할 수 있다.

3.1.2 공기량

Fig. 4에 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험결과를 나

타내었다. 공기량은 골재 종류 및 치환량과 관계없이 모

두 목표 범위인 3.5% 이하를 만족하였다. 산화 제2철을

사용한 콘크리트는 산화제2철 양이 증가할수록 공기량이

감소하는 경향을 나타내었다. 이는 산화제2철의 분말도가

매우 크기 때문인 것으로 사료된다. 한편 RCCS 골재 콘

크리트는 RCCS 골재 사용량과 관계없이 NN 콘크리트와

거의 유사한 공기량을 나타내었다.

3.1.3 단위용적질량

Fig. 5에 각 배합의 굳지 않은 콘크리트의 단위용적질

량 시험결과를 나타내었다.

Fig. 4. Comparison of air contents of each admixture

Fig. 5. Comparison of unit volume weight of each admixture

NN 콘크리트의 단위용적질량은 2,437 kg/m3으로 목표

단위용적질량 2,400 kg/m3과 거의 유사한 값을 나타내었

다. IO30과 RC40 콘크리트의 단위용적질량은 각각 2,608

kg/m3을 만족하였다. 또한 IO65와 RC100 콘크리트의 단

위용적 질량도 각각 2,781 kg/m3과 2,824 kg/m

3으로 목표

단위용적질량 2,800kg/m3을 만족하였다.

3.2 경화 콘크리트

3.2.1 압축강도

Fig. 6에 재령 3일, 7일, 28일 그리고 56일에 실시된 압

축강도 시험결과를 나타내었다.

전 재령에서 IO65, NN, IO30, RC40 그리고 RC100 콘

크리트 순으로 압축강도가 높게 발현되었다. 예를 들어,

재령 28일 IO65, NN, IO30, RC40 그리고 RC100의 압축강

도는 각각 47.4 MPa, 49.6 MPa, 54.0 MPa, 58.5 MPa 그리

고 63.9 MPa이었다. IO65, IO30, RC40 그리고 RC100 콘

크리트의 28일 압축강도는 NN 콘크리트를 기준으로 각각

–4.4%, 8.9%, 18.5% 그리고 28.8% 증가하였다. 이를 통

해 압축강도는 산화제2철 치환율이 증가할수록 감소하는

반면, RCCS 골재의 치환율이 증가할수록 높게 발현됨을

확인할 수 있다. 따라서 RCCS 골재는 콘크리트의 강도특

성을 개선하므로 잔골재로 사용하는데 강도상 문제점이

없을 것으로 사료된다.

3.2.2 기건 단위 중량

Fig. 7에 각 콘크리트의 기건 단위용적질량을 나타내었

다. NN, IO30, IO65, RC40 그리고 RC100 콘크리트의 기

건 단위용적질량은 각각 2,393 kg/m3, 2,571 kg/m

3, 2,753

kg/m3, 2,603 kg/m

3, 2,794 kg/m

3으로 나타났다. 굳지 않은

콘크리트의 단위용적질량과 비교할 때, 경화 콘크리트의

단위용적질량은 모든 콘크리트 배합에서 30~40 kg/m3의

범위에서 감소하였다. 이는 28일 재령동안 잉여수분이 증

발하였기 때문으로 사료된다.

Fig. 6. Comparison of compressive strengths of each admixture

홍 기 남․한 상 훈․이 상 래

Journal of the KOSOS, Vol. 28, No. 7, 201356

Fig. 7. Comparison of Air dried unit volume weights of each

admixture

3.2.3 염화물 확산계수

Fig. 8에 각 콘크리트에 대한 염화물 침투저항성 시험

을 통해 계산된 염화물 확산계수를 나타내었다. 확산계수

를 NN, RC40, RC100, IO30 그리고 IO65 콘크리트 순으로

다소 크게 나타났다. Fig. 8을 통해 RCCS 골재 및 산화제

2철 치환율이 증가할수록 콘크리트의 염화물 저항성이 다

소 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 또한 RCCS 골재가

산화제2철보다 염화물 저항성에 대한 영향이 작게 나타남

을 확인할 수 있다. 따라서 RCCS 및 산화제2철 골재 모두

NN 콘크리트 수준의 염화물 저항성을 확보하기 위해서는

조립률 및 입도 선정에 특별한 주의가 필요할 것으로 사

료된다.

3.2.4 차폐특성

Fig. 9에 각 콘크리트의 방사선 차폐성능 시험결과를

나타내었다. 앞에서 언급한 바와 같이 방사능 차폐율은

차폐체가 없는 경우의 누출량과 차폐체가 있는 경우의 누

출량의 비로 정의되었다. Fig. 9는 NN, IO30, IO65, RC60,

Fig. 8. Comparison of chloride diffusion coefficients of each

admixture

Fig. 9. Comparison of proportions of radiation shielding of each

admixture

RC100 콘크리트의 차폐율이 각각 33.1%, 35.3%, 38.2%,

34.7%, 39.4%임을 보이고 있다. NN 콘크리트와 비교하여

RCCS 골재 및 산화제2철 골재를 사용한 콘크리트의 차폐

율이 우수함을 알 수 있다.

일반적으로 콘크리트의 차폐효과는 단위용적 질량이

클수록 우수한 것으로 알려져 있다. Fig. 10에 콘크리트의

단위중량과 차폐율과의 관계를 나타내었다. Fig. 10은 콘

크리트의 단위용적질량과 차폐율 사이에 선형관계가 있

음을 보이고 있다. 따라서 단위 용적질량이 콘크리트의

차폐성능에 가장 큰 영향을 미침을 확인할 수 있다.

방사선 차폐실험을 통해 사용재료에 관계없이 단위용

적질량이 콘크리트의 차폐성능에 주된 영향을 미침을 확

인하였다. 따라서 현재 차폐콘크리트의 잔골재로 주로 사

용되고 있는 밀도 4.60의 산화제2철이 밀도 3.63의 RCCS

골재보다 차폐성능이 우수할 것으로 사료된다. 또한

RCCS 골재는 고가의 산화제2철이나 중정석 골재보다 수

급과 경제적인 면에서도 매우 유리한 것으로 생각된다.

Fig. 10. Relationship between air dried volume weight and

radiation shielding rate

급속 냉각 전로슬래그 골재를 이용한 콘크리트의 차폐특성에 관한 실험적 연구

한국안전학회지, 제28권 제7호, 2013년 57

4. 결 론

본 연구에서는 수쇄에 의해 급랭 처리된 제강슬래그골

재를 사용한 콘크리트의 공학 및 방사능 차폐 성능을 실

험적으로 규명하였으며 그 결과를 통해 다음과 같은 결론

을 도출하였다.

1) 경화 콘크리트의 압축강도는 IO65 콘크리트를 제외

하고 NN 콘크리트보다 높게 나타났다. 특히, RCCS

골재는 치환율이 증가할수록 압축강도가 크게 증가

하였다. 염화물 침투저항성은 RCCS 및 산화제2철

골재 모두 치환율이 증가할수록 다소 감소하는 경향

을 나타내었다. 따라서 RCCS 및 산화제2철 골재 모

두 NN 콘크리트 수준의 염화물 침투저항성을 확보

하기 위해서는 조립률 및 입도 선정에 특별한 주의

가 필요할 것으로 사료된다.

2) 방사선 차폐실험을 통해 사용재료에 관계없이 단위

용적질량이 콘크리트의 차폐성능에 주된 영향을 미

침을 확인하였다. 따라서 현재 차폐콘크리트의 잔골

재로 주로 사용되고 있는 밀도 4.60의 산화제2철이

밀도 3.63의 RCCS 골재보다 차폐성능이 우수하다.

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