전기로 산화슬래그를 이용한 아스콘용 골재 및 이를 이용한 아스팔트 콘크리트{THE ASPHALT CONCRETE WHICH AND USES THIS USES THE OXIDIZED SLAG AS THE ELECTRICITY}

본 발명은 전기로 산화슬래그를 이용한 아스콘용 골재 및 이를 이용한 아스팔트 콘크리트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제강공정 중 전기로에서 강을 생산하는 과정에서 부산물로 발생하는 전기로의 산화슬래그를 이용하는 아스콘용 골재를 제조하고, 이를 단독 또는 일반골재와 혼합하여 사용함으로써 각종 물성이 향상되는 전기로 산화슬래그를 이용한 아스콘용 골재 및 이를 이용한 아스팔트 콘크리트에 관한 것이다.

현재 국내의 전기로 산화슬래그 재활용 실정은 고로슬래그 미분말 및 도로용 노반재 등에 지나지 않아 그 사용 방법 및 활용도 측면에 있어서 상당히 미비한 실정이고, 전기로 산화슬래그의 사용에 대한 인식 및 연구 등은 아직 관심 밖의 일어서 산화슬래그를 이용한 우수제품의 개발이 필요한 실정있었다.

근래들어 산업폐기물로만 인식되던 슬래그가 부산물로 개념이 바뀌면서 점차 고부가가치 산업으로서 활용도가 매우 다각화되고 있있으며, 이에 본 출원인은 전기로에서 발생되는 산화슬래그의 물성이 우수하다는 것에 착안하여 본 발명을 완성하게 이르렀다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 전기로 산화슬래그를 양질의 아스콘용 골재로 생산·관리하여 높은 품질의 제품을 제공할 수 있도록 하여 국내에 취약한 전기로 산화슬래그의 활용 여건을 개선할 수 있는 계기로 삼는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기로 산화슬래그를 이용한 아스콘용 골재는 상기 아스콘용 골재는 상기 아스콘용 골재는 SiO ₂ 19.0 ~ 31.1wt.%, Fe ₂ O ₃ 29.6 ~ 38.2wt.%, Al ₂ O ₃ 7.0 ~ 13.9wt.%, CaO 14.5 ~ 38.0wt.%, MgO 6.0 ~ 8.1wt.%, K ₂ O 0.14 ~ 0.28wt.%의 함량을 갖는 전기로의 산화슬래그를 파쇄 및 분쇄하고, 이 분쇄물에서 철성분을 제거한 다음, 크기별로 선별하여 얻어지는 것을 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 전기로 산화슬래그를 이용한 아스팔트 콘크리트는 최대입도 13mm인 78호 산화슬래그 골재 40.0 ~ 50.0(46.5)wt.%와, 최대입도 5mm인 No.4 산화슬래그 골재 30.0 ~ 40.0(36.8)wt.%와, 최대입도 5mm인 No.1 일반골재 9.0 ~ 13.0(11.8)wt.%와, 채움재 3.0 ~ 6.0(5.0)wt.%를 혼합하여 형성되는 표층용 혼합 골재 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.55 ~ 6.35 중량부를 혼합하여 포장되는 표층용 13mm 혼합물과; 최대입도 20mm인 67호 일반골재 18.0 ~ 25.0(21.8)wt.%와, 최대입도 13mm인 78호 산화슬래그 골재 25.0 ~ 30.0(27.0)wt.%와, 최대입도 5mm인 No.4 산화슬래그 골재 30.0 ~ 40.0(36.3)wt.%와, 최대입도 5mm인 No.1 일반골재 5.0 ~ 10.0(8.8)wt.%와, 채움재 4.0 ~ 7.0(6.1)wt.%를 혼합하여 형성되는 표층용 혼합 골재 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.25 ~ 5.95 중량부를 혼합하여 포장되는 표층용 20mm 혼합물과; 최대입도 40mm인 467호 일반골재 25.0 ~ 30.0(27.0)wt.%와, 최대입도 25mm인 57호 산화슬래그 골재 20.0 ~ 25.0(22.0)wt.%와, 최대입도 20mm인 67호 일반골재 8.0 ~ 12.0(9.9)wt.%와, 최대입도 13mm인 78호 산화슬래그 골재 9.0 ~ 13.0(11.2)wt.%와, 최대입도 5mm인 No.4 산화슬래그 골재 15.0 ~ 20.0(17.1)wt.%와, 최대입도 5mm인 No.1 일반골재 8.0 ~ 11.0(9.1)wt.%와, 채움재 3.0 ~ 5.0(3.6)wt.%를 혼합하여 형성되는 기층용 혼합 골재 100중량부에 아스팔트 바인더 3.225 ~ 4.925 중량부를 혼합하여 포장된 기층용 BB-2 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전기로 산화슬래그를 이용한 아스콘용 골재는 전기로에서 발생된 슬래그를 환원슬래그와 산화슬래그로 분리한 다음 분리된 산화슬래그만을 조 크러셔 및 로드밀로 파쇄 및 분쇄하고, 자력 선별기로 파쇄물 및 분쇄물에 포함된 철성분을 분리한 다음 각 사이즈별 스크린을 이용하여 입도 크기별로 선별한 다음 사용된다.

이때 전기로에서 발생되어 분리된 산화슬래그는 SiO ₂ 19.0 ~ 31.1wt.%, Fe ₂ O ₃ 29.6 ~ 38.2wt.%, Al ₂ O ₃ 7.0 ~ 13.9wt.%, CaO 14.5 ~ 38.0wt.%, MgO 6.0 ~ 8.1wt.%, K ₂ O 0.14 ~ 0.28wt.%의 함량을 갖는다.

상기 스크린에서 선별되는 산화슬래그 골재는 입도 크기별로 57호 산화슬래그 골재, 78호 산화슬래그 골재 및 No.4 산화슬래그 골재가 사용되고 각각의 입도(체분석)는 아래와 같다.

먼저, 상기 57호 산화슬래그 골재(이하, "#57" 또는 "57호"라 칭함.)는 최대입도 25mm이고, 40mm체에서 100% 통과하고, 25mm체에서 95 ~ 100% 통과하며, 13mm체에서 25 ~ 60% 통과하고, 5mm체에서 0 ~ 10% 통과하며, 2.5mm체에서 0 ~ 5% 통과하는 입도를 갖는다.

상기 78호 산화슬래그 골재(이하, "#78" 또는 "78호"이라 칭함.)는 최대입도가 13mm이고, 20mm체를 100% 통과하며, 13mm체에서 95 ~ 100% 통과하며, 10mm체에서 40 ~ 75% 통과하고, 5mm체에서 5 ~ 25% 통과하며, 2.5mm체에서 0 ~ 10% 통과하고, 1.2mm체에서 0 ~ 5% 통과하는 입도를 갖는다.

상기 No.4 산화슬래그 골재(이하, "No.4"라 칭함.)는 최대입도 5mm이고, 10mm체를 100% 통과하며, 5mm체에서 80 ~ 100% 통과하며, 2.5mm체에서 65 ~ 100% 통과하고, 1.2mm체에서 40 ~ 80% 통과하며, 0.6mm체에서 20 ~ 65% 통과하고, 0.3mm체에서 7 ~ 40% 통과하며, 0.15mm체에서 2 ~ 20% 통과하고, 0.08mm체에서 0 ~ 10% 통과하는 입도를 갖는다.

더불어 본 발명에 사용되는 467호 일반골재, 67호 일반골재, No.1 일반골재 및 채움재 각각의 입도(체분석)는 아래와 같다.

먼저, 상기 467호 일반골재(이하, "#467" 또는 "467호"라고 칭함.)는 최대입도 40mm이고, 50mm체를 100% 통과하며, 40mm체에서 95 ~ 100% 통과하며, 20mm체에서 35 ~ 70% 통과하고, 10mm체에서 10 ~ 30% 통과하며, 5mm체에서 0 ~ 5% 통과하는 입도를 갖는다.

상기 67호 일반골재(이하, "#67" 또는 "67호"라고 칭함.)는 최대입도 20mm이고, 25mm체를 100% 통과하며, 20mm체에서 90 ~ 100% 통과하고, 10mm체에서 20 ~ 55% 통과하며, 5mm체에서 0 ~ 10% 통과하고, 2.5mm체에서 0 ~ 5% 통과하는 입도를 갖는다.

상기 No.1 일반골재(이하, "No.1"이라 칭함.)는 최대입도 5mm이고, 10mm체를 100% 통과하며, 5mm체에서 95 ~ 100% 통과하며, 2.5mm체에서 70 ~ 100% 통과하고, 1.2mm체에서 40 ~ 80% 통과하며, 0.6mm체에서 20 ~ 65% 통과하고, 0.3mm체에서 7 ~ 40% 통과하며, 0.15mm체에서 2 ~ 20% 통과하고, 0.08mm체에서 0 ~ 10% 통과하는 입도를 갖는다.

상기 채움재는 최대입도 0.3mm이고, 0.6mm체를 100% 통과하며, 0.3mm체에서 95 ~ 100% 통과하며, 0.15mm체에서 90 ~ 100% 통과하고, 0.08mm체에서 70 ~ 100% 통과하는 입도를 갖는다.

상기와 같은 각각의 골재에 대한 기본물성은 아래와 같다.

1. 비중, 흡수율

먼저, 비중 및 흡수율 시험결과는 아래의 표 1과 같다.

표 1에 나타난 바와같이 일반골재(#467, #67, No.1)의 비중은 2.65 ~ 2.74인데 비하여 전기로 산화 슬래그 골재(#57, #78, No.4)는 비중값이 3.0이상으로 큰 값을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 전기로 산화 슬래그 골재는 일반골재에 비하여 상대적으로 높은 흡수율을 보이나 KS F 2535 규정 3.0% 이하의 조건에는 모두 만족하는 것으로 나타났다.

2. 수침 팽창율

수침팽창율 시험 결과는 아래의 표 2와 같다.

3. LA마모시험

아래의 표 3은 본 발명에 사용된 전기로 산화슬래그 골재(#57, #78, No.1)의 마모시험결과를 보여주는 것으로서, 표 3에서 보는 바와같이 마모감량은 KS F 2508의 35% 이하에 충분히 만족함을 볼 수 있다.

4. 안정성시험

아래의 표 4는 본 발명에 사용된 전기로 산화슬래그 골재(#57, #78, No.1)의 황산나트륨 용액을 사용한 안정성시험 결과를 보여주는 것으로서, 표 4에서 보는 바와같이 KS F 2507에서 황산나트륨을 사용한 경우 안정성시험 감량 시방기준이 12% 이하인데 본 발명에 사용된 전기로 산화 슬래그 골재는 모두 만족함을 볼 수 있다.

5. 피막박리시험

본 발명에 사용된 전기로 산화슬래그 골재(#57, #78, No.1)에 대한 피막박리시험 KS F 2355를 실시한 결과 일반골재와 비교하였을 때 아스팔트의 피막박리 상태가 아주 양호하며 피복면적이 95% 이상으로 나타났다.

6. 편평 및 세장편 함유량시험

전기로 산화슬래그 골재는 일반쇄석골재와는 달리 편장석이 거의 없는 것이 특징이며, 편장석 시험결과는 아래의 표 5에서 나타내었으며, 편평 및 세장편 함유량 시방기준은 20%이하이며, 본 시험에 사용된 전기로 산화슬래그 골재 모두 시방기준에 만족하는 것으로 나타났다.

7. 화학분석시험

전기로 산화슬래그 골재에서 가장 문제시되는 부분이 혹시나 발생하게 도리지도 모르는 F-CaO 및 F-MgO의 함유에 의한 팽창에 대한 부분이다. 이러한 F-CaO 및 F-MgO는 전기로 슬래그에 CaO 또는 MgO의 형태로 잠재하여 수분과 접하였을 때 CaOH ₂ 및MgOH ₂ 로 변환하여 혼합물의 팽창을 야기하여 망상균열(Net Crack)을 일으키는 원인이 된다.

그래서, 산화슬래그를 X선 회절분석을 통한 전량분석을 실시하였으며, 그 결과는 아래의 표 6과 같다.

JIS A 5011-4:2003에 따르면 화학분석 결과에 따라 염기도를 측정하고 있다. 염기도란 CaO/SiO ₂ 비로서 슬래그 골재 중의 F-CaO의 함유율을 관리하는 값이다. 콘크리트용 전기로 산화슬래그 골재에 대한 JIS A 5011-4의 규격에서는 염기도를 2.0이하로 규정하고 있다. 아직 아스팔트 콘크리트용 전기로 산화슬래그 골재가 JIS 규격으로 제정되지 않았지만 콘크리트용 보다 팽창붕괴를 야기시키는 F-CaO 또는 F-MgO의 관리에 있어서 조금 더 완화된 값으로 관리하여야 할 것이다.

XRF 화학분석을 통한 염기도의 계산값은 1.45로서 기준치에 만족하고 있다.

8. 중금속 용출시험

전기로 산화슬래그 골재의 사용상에 있어서 골재 자체의 중금속 등의 유해 물질이 용출될 우려를 판단하기 위하여 용출시험을 실시하였으며, 그 결과는 아래의 표 7과 같다.

미국 TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure) 시험방법은 미국 EPA의 시험 방법 중 시험번호 1311번으로서 미국에서 환경에 관련하여 중금속류의 유해물질 용출시험에 사용되는 방법이고, KOEP는 우리나라 환경부에서 중금속류의 유해성분에 대한 함량을 관리하는데 사용되고 있는 폐기물공정시험방법으로서, 표 7에 나타난 바와같이 두 가지 시험방법에 따른 중금속의 용출 시험에서 대부분 불검출되거나 혹여 검출된 값은 기준치 이하를 만족하고 있다.

본 발명에 따른 전기로 산화슬래그를 이용한 아스팔트 콘크리트는 표층용 13mm 혼합 골재 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.55 ~ 6.35 중량부를 혼합하여 포장되는 표층용 13mm 혼합물과; 표층용 20mm 혼합 골재물 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.25 ~ 5.95 중량부를 혼합하여 포장되는 표층용 20mm 혼합물과; 기층용 혼합 골재 100중량부에 아스팔트 바인더 3.225 ~ 4.925 중량부를 혼합하여 포장된 기층용 BB-2 혼합물로 이루어진다.

상기 표층용 13mm 혼합 골재는 78호 산화슬래그 골재 40.0 ~ 50.0wt.%와, No.4 산화슬래그 골재 30.0 ~ 40.0wt.%와, No.1 일반골재 9.0 ~ 13.0wt.%와, 채움재 3.0 ~ 6.0wt.%를 혼합하여 형성된다.

상기 중간층용 골재는 67호 일반골재 18.0 ~ 25.0wt.%와, 78호 산화슬래그 골재 25.0 ~ 30.0wt.%와, No.4 산화슬래그 골재 30.0 ~ 40.0wt.%와, No.1 일반골재 5.0 ~ 10.0wt.%와, 채움재 4.0 ~ 7.0wt.%를 혼합하여 형성된다.

상기 기층용 골재는 467호 일반골재 25.0 ~ 30.0wt.%와, 57호 산화슬래그 골재 20.0 ~ 25.0wt.%와, 67호 일반골재 8.0 ~ 12.0wt.%와, 78호 산화슬래그 골재 9.0 ~ 13.0wt.%와, No.4 산화슬래그 골재 15.0 ~ 20.0wt.%와, No.1 일반골재 8.0 ~ 11.0wt.%와, 채움재 3.0 ~ 5.0wt.%를 혼합하여 형성된다.

이때 상기 57호 산화슬래그 골재, 78호 산화슬래그 골재, No.4 산화슬래그 골재, 467호 일반골재, 67호 일반골재, No.1 일반골재 및 채움재에 대한 입도(체분석)은 앞에서 설명하였기에 설명을 생략한다.

마찬가지로 상기 산화슬래그 골재들은 앞에서 설명한 것과같이 SiO ₂ 19.0 ~ 31.1wt.%, Fe ₂ O ₃ 29.6 ~ 38.2wt.%, Al ₂ O ₃ 7.0 ~ 13.9wt.%, CaO 14.5 ~ 38.0wt.%, MgO 6.0 ~ 8.1wt.%, K ₂ O 0.14 ~ 0.28wt.%의 함량을 갖는 전기로의 산화슬래그를 파쇄 및 분쇄하고, 이 분쇄물에서 철성분을 제거한 다음, 크기별로 선별하여 얻어지는 것을 사용한다.

본 발명에 따른 전기로 산화슬래그를 이용한 아스팔트 콘크리트의 바람직한 일실시예를 들어 설명한다.

본 일실시예에 사용된 산화슬래그 골재, 일반골재 및 채움재의 체분석 시험 성과표는 아래의 표 8과 같다.

그리고, 본 발명에 사용된 상기 아스팔트 바인더의 물성은 아래의 표 9과 같다.

상기와 같은 산화슬래그 골재, 일반골재 및 아스팔트 바인더를 사용하여 아스팔트 콘크리트를 제조하게 되는데, 기본적으로 혼합물에 사용되는 골재들의 입도합성은 동일한 혼합물에 사용되는 골재들의 비중이 동일하다는 조건에서 실시되기 때문에 서로 비중 값이 0.2 이상 차이가 나는 골재의 경우에는 먼저 입도합성을 실시한 후 결정된 배합비에 대하여 각 골재별 비중 값에 대한 배합비 보정을 실시해야 한다. 이렇게 구해진 합성입도는 전기로 산화슬래그 골재(#57, #78, No.4)의 비중 값이 모래(No.1)와 일반골재(#467, #67)의 비중 값에 비하여 상대적으로 크기 때문에 배합설계에서는 골재에 대한 배합비 보정을 반드시 실시해야 한다. 아래의 표 10a 내지 10c은 각 혼합물에 대하여 배합비 보정 절차와 합계 배합비 보정 후의 수정배합비를 보여준다.

표 10a은 표층용 골재혼합물의 골재배합비 결정에 대한 것이고, 표 10b는 중간층 골재혼합물의 골재배합비 결정에 대한 것이며, 표 10c은 기층용 골재혼합물의 골재배합비 결정에 대한 것이다.

상기와 같이 각각의 골재혼합물은 여러 골재들이 혼합되어 제조된 것으로서 표 11에서와 같은 합성입도를 보여준다.

아래의 그림 1-1 내지 그림 1-3은 상기와 같은 골재혼합물들의 입도곡선을 나타낸것으로서, 그림 1-1은 표층용 골재혼합물의 합성입도곡선이고, 그림 1-2는 중간층용 골재혼합물의 합성입도곡선이며, 그림 1-3은 기층용 골재혼합물의 합성입도곡선이다.

[그림 1-1]

[그림 1-2]

[그림 1-3]

아스팔트을 각 층을 구성하는 혼합물의 배합설계에 가장 중요한 영향을 미치는 요인은 이론 최대밀도이며, 이 값이 공극율, 포화도를 결정하는 기준이 된다. 이론최대밀도를 결정하는 방법에는 각 골재의 비중값을 이용한 계산방법과 이론최대밀도 결정을 위한 실내시험에 의한 방법이 있는데 본 발명에서는 일반적으로 사용되는 비중값을 이용한 계산방법을 사용하였고, 각 층을 구성하는 혼합물의 이론밀도는 표 11a 내지 표 11c과 같다.

상기 표 11a 내지 표 11c에 의해 이론 최대 밀도가 계산된 것을 바탕으로 최적아스팔트 함량(OAC)를 결정하였다.

이때 최적아스팔트 함량(OAC)은 타격회수 양면 75회, 공극율 기준 3 ~ 6%, 포화도 기준 65-80%, 마샬안정도 7500 이상, 마샬흐름값 20 ~ 40의 기준을 사용하여 결정하였으며, 마샬배합설계를 위한 각 아스팔트 층별 혼합물 공시체의 물성 및 마샬안정도 시험결과는 표 12a 내지 표 12c에 나타내었다. 그리고, 각 아스팔트 층별 혼합물의 최적아스팔트 함량(OCA) 결정과정을 그림 2-1 내지 2-3에 나타내었다.

[그림 2-1]

[그림 2-2]

[그림 2-3]

상기 표 12a 내지 표 12c 및 그림 2-1 내지 2-3을 통하여 아스팔트 각 층별 최적아스팔트 함량을 결정한 결과, 표층용 13mm 혼합물은 표층용 13mm 혼합 골재 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.55 ~ 6.35 중량부를 혼합하고, 표층용 20mm 혼합물은 표층용 20mm 혼합 골재 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.25 ~ 5.95 중량부를 혼합하며, 기층용 BB-2 혼합물은 기층용 BB-2 혼합 골재 100중량부에 아스팔트 바인더 3.225 ~ 4.925 중량부를 혼합하는 것이 바람직할 것이다.

그리고, 최적의 아스팔트 함량(OAC)은 표층 13mm 혼합물은 표층용 13mm 혼합 골재 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.9 중량부를 혼합하고, 표층 20mm 혼합물은 표층용 20mm 혼합 골재 100 중량부에 아스팔트 바인더 5.6 중량부를 혼합하며, 기층 BB-2 혼합물은 기층용 BB-2 혼합 골재 100중량부에 아스팔트 바인더 4.1 중량부를 혼합하는 것이 바람직할 것이다.

따라서, 본 실시예에서는 각 층별 상기의 최적아스팔트 함량(OAC)을 적용한 각 혼합물에 대하여 공시체를 제작하고, 마샬안정도시험 및 간접인장강도시험을 수행하였다. 또한, 아스팔트 함량별 휠트랙킹용 공시체를 제작하여 휠트랙킹 시험을 수행하였다.

1. 마샬안정도시험

각 혼합물의 시험결과와 일반 혼합물의 마샬안정도를 비교하였으며, 그 결과를 표 13에 나타내었다. 그리고, 마샬잔류안정도의 시방기준은 75%이며 표 14는 마샬잔류안정도 시험결과를 보여준다.

전기로 산화슬래그 표층(중간층)용 및 기층용 혼합물의 마샬안정도 값이 일반혼합물보다 1.2 ~ 1.5배 정도 높게 나타나며 마샬흐름값은 거의 같은 범위에 존재한다.

또한, 표층(중간층)용 및 기층용 혼합물 모두 마샬 잔류안정도 시험에서 잔유안정도가 시방기준 75% 이상으로 나타났다.

2. 간접인장강도

간접인장강도시험은 원주면에 대하여 하중을 50mm/min 속도로 가하여 실시하였고, 그 결과를 표 15에 나타내었다.

간접인장강도시험에서는 표층(중간층)용 및 기층용 혼합물이 다소 크게 측정되고 있으며, 혼합물의 인성을 나타내는 최대수직변위 값은 모두 일반 아스팔트 혼합물 보다 크게 나타난다.

3. 휠트랙킹 시험

본 시험은 공시체를 60℃에서 6시간 양생한 후 1시간 동안 폭 5cm의 차륜을 통과시켜 45 ~ 60분 사이의 바퀴패임 깊이의 변화를 측정하여 아스팔트 혼합물의 동적안정도(Dynamic Stability)를 보여주는 것으로서, 그 결과는 표 16에 나타내었다.

휠트랙킹시험 결과 산화슬래그 포함 혼합물의 동적안정도 값은 일반 혼합물보다 최소 2배 정도 큰 동적안정도를 나타내고 있으며, 이것은 산화슬래그 포함 아스팔트 혼합물이 소성변형에는 더욱 잘 저항하는 것을 나타내는 것이다.

상술한 바와같이 본 발명에 따른 전기로 산화슬래그를 이용한 아스콘용 골재는 마샬안정도시험, 간접인장강도 및 휠트랙킹시험에서 일반골재보다 좋은 결과를 보여줌으로써 일반골재를 대체하여 보다 향상된 물성을 발휘할 수 있는 골재를 제공할 수 있고, 이에 따라 전기로 산화슬래그를 고부가가치의 제품으로 활용할 수 있는 여건이 마련되는 효과가 있다.

또한, 향상된 물성을 갖는 산화슬래그 골재를 이용하여 아스팔트 콘크리트를 포설함으로써 아스팔트 콘크리트의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.