시멘트 킬른 더스트(CKD)의 유효이용에 대한 고찰

차 완호, 연 영훈, 김 성수*

<아세아시멘트 제천공장>

Ⅰ. 서  론

시멘트 제조공정에서 발생되는 시멘트 킬른 더스트(이하 CKD)는 배출가스에 포함된 비산분진을 집진한 것으로서, 오늘날 현대의 설비에서는 대부분 시멘트 원료로 재투입되면서 일정량이 순환하는 시스템으로 구성되어 있으며, 그 순환율은 공장에 따라 7∼15%에 이르는 것으로 알려져 있다.

이러한 CKD는 시멘트 원료의 성분분리에 의한 저급의 석회석분말로 시멘트 보다도 미세한 입도를 갖고, 휘발성분인 알카리나 SO3함량이 높은 것이 특징이며, 그 물리화학적 특성 역시 설비조건이나 구성원료 등에 따라서도 크게 다르다고 할 수 있다1).

이러한 CKD를 시멘트 혼화재로 이용하려는 시도는 비교적 품질관리가 엄격한 일본보다 필라시멘트를 규격화하고 있는 유럽에서 석회석미분말 대체 목적으로 적극 이루어졌으며, 80년대 이후 관련문헌이 다수 발표되기도 하였다. 이미 몇몇 국가에서는 자국의 시멘트 규격이 허용하는 한도내에서 경제성 및 환경측면에서 시멘트 혼화재로 이용하고 있는 것이 현실이다. 또한 일부에서는 CKD의 조성변동을 감안하더라고 경험적으로 4%까지는 시멘트 품질영향없이 안정적으로 사용이 가능하다고 하였다1),2).

본 실험에서는 이러한 CKD가 갖는 특성에 착안하여, 당사 CKD의 물리화학적 특성을 평가하고, 원가절감 및 시멘트·콘크리트 성능개선을 위한 혼화재로서의 활용 가능성을 검토하였다.

Ⅱ. 실험방법

1. 실험개요

CKD의 활용 검토를 위해 각각 실험(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)으로 구분하여 실시하였다. 실험(Ⅰ)은 시멘트 혼화재로서의 검토시험으로 시멘트의 단순치환, 혼합분쇄시험, 석고치환의 경우에 대해 물성을 비교하였다. 실험(Ⅱ)는 콘크리트 혼화재로서의 성능시험으로 물성비교를 위하여 동일 첨가량의 플라이애시 첨가경우와 비교하였다. 또한 실험(Ⅲ)에서는 슬래그미분말을 다량 첨가한 혼합시멘트계에서의 CKD의 첨가결과 및 초기강도 촉진효과를 파악하고자 하였다.

2. 실험재료

본 실험에 사용한 시멘트 및 클링커는 당사 1종 보통의 공정채취 시료를 이용하였으며, 실험(Ⅲ)에서 사용한 슬래그미분말은 Blaine 4200□/g의 표준 시판품을 이용하였다. 한편 각 실험에 사용한 CKD의 화학성분 및 분말도를 <표 1>에, 입도분포도를 <그림 1>에, XRD 분석결과를 <그림 2>에 각각 나타냈다.

<표 1> CKD의 화학성분 및 분말도

LOI	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O
37.1	12.8	3.9	1.4	42.4	1.2	0.7	0.9

평균입경(□)	10□ 이하	Blaine(□/g)
5.4	70%	8200

<그림 1> CKD의 입도 분포도

Ⅲ. 실 험 (Ⅰ)

1. 배합비

□ 단순혼합(Series1) : 시멘트에 CKD의 단순

치환

□ 혼합분쇄, 클링커치환(Series2) : 배합수준

별로 시험용 Ball Mill에서 혼합분쇄

□ 혼합분쇄, 석고치환(Series3) : 배합수준별

로 시험용 Ball Mill에서 혼합분쇄

Series별 배합비를 <표 2>에 나타냈으며, KS방법에 준하여 몰탈의 물리성능을 측정하였다.

<표 2> 배합비

구 분	CKD(%)	시멘트	클링커	석 고	CKD
Series 1	0	100	-	-	-
	3				3
	5				5
	7				7
	9				9
Series 2	0	-	95.5	4.5	-
	3		92.5		3
	5		90.5		5
	7		88.5		7
	9		86.5		9
Series 3	10	-	95.5	4.05	0.45
	20			3.60	0.90
	30			3.15	1.35
	50			2.25	2.25
	100			0	4.5

<그림 2> CKD의 XRD 분석 결과

2. 결과 및 고찰

2. 1 응결시간

응결시간은 CKD의 첨가방법에 따라 단축 또는 지연되었으며, CKD의 첨가량이 응결시간에 영향을 미치고 있으나 그 정도는 미미한 것으로 나타났다. 특히 석고를 치환한 Series3의 경우 50%치환까지도 완만한 응결 단축현상을 나타내 문헌3),4)에서 제시하는 바와 같이 CaCO3가 칼슘카보알루미네이트(CCA)를 형성하여 응결지연에 기여하고 있는 것으로 추측된다.  <그림 3> 참조

2. 2 압축강도

압축강도는 첨가방법에 관계없이 기준과 유사하거나 상회하는 것으로 나타나 강도하락 현상은 보이지 않았다. 특히 혼합분쇄한 Series2의 경우 전재령에서의 강도증진이 두드러졌으며, 그 임계점은 약 5% 전후로 나타났다. 따라서 CKD치환에 의한 품질하락은 미분말 충진이나 □Filler effect"5) 등에 의해 보상됨을 알 수 있다. 석고를 치환한 Series3의 경우에도 30%까지는 기준과 유사한 정도의 강도발현을 나타냈다. <그림 4> 참조

2. 3 기타 물성

기타 물성에의 영향은 없었으나, 동일물량에서의 Flow값이 다소 감소하였으며, 이는 비표면적 증가 및 입형의 영향으로서 콘크리트 작업성 측면에서는 다소 불리할 것으로 판단된다.

<표 3> 실험결과

구 분	CKD (%)	표준주도 (%)	Flow (□)	Vicat (분)	Gilllmore		압축강도(□/□)
					초결	종결	1일	3일	7일	28일
Series 1	0	26.8	169	205	230	330	123	223	298	385
	3	26.8	169	195	225	320	126	244	310	380
	5	26.8	164	185	210	300	125	240	300	382
	7	26.4	161	165	200	295	122	242	308	386
	9	26.2	161	160	195	285	119	248	315	390
Series 2	0	23.4	176	250	260	345	93	196	264	354
	3	23.0	164	260	275	350	100	224	298	374
	5	22.6	159	270	280	355	106	242	315	379
	7	22.4	156	270	285	360	97	238	301	393
	9	22.2	154	275	285	360	90	217	289	354
Series 3	10	22.4	160	270	280	380	98	208	288	362
	20	22.4	164	265	275	370	98	202	286	360
	30	22.6	164	255	260	345	94	200	283	356
	50	22.8	159	240	245	330	81	176	254	351
	100	32.4	107	100	110	210	57	171	230	300

<그림 3> 몰탈 응결시간

<그림 4> 몰탈 압축강도

Ⅳ. 실 험 (Ⅱ)

1. 배합비

CKD의 콘크리트 혼화재로서의 적용시험은 배합규격 25-210-15와 25-270-15에 대하여 실시하였으며, 동일 치환량의 플라이애시의 경우와 성능을 비교하였다. 배합비는 <표 4>에 나타냈다.

<표 4> 배합비

규 격	CKD (%)	W/B (%)	S/A (%)	단위 수량	배 합(□/□)
					C1	C2(CKD)	S	G	AD
25-210-15	0	56.4	49.5	180	319	-	861	882	0.95
	5				303	16
	7				297	22
	10				287	32
25-270-15	0	47.5	47.5	183	385	-	798	882	1.35
	5				366	19
	7				358	27
	10				346	39

<표 5> 시험결과

규 격	CKD (%)	슬럼프 (□)	공기량 (%)	압축강도(□/□)
				3일	7일	28일
25-210 -15	0	15.5	6.0	83	185	290
	5	15.0	4.4	86	190	288
	7	14.0	4.0	90	200	300
	10	16.0	3.9	80	178	254
25-270 -15	0	15.5	5.5	96	211	298
	5	15.5	4.5	88	232	343
	7	14.5	4.2	73	229	333
	10	16.0	4.3	80	221	321

2. 결과 및 고찰

CKD의 치환량이 증가할수록 공기량이 낮아지는 경향을 나타냈으며, 압축강도는 몰탈이 3일 이후부터 증가한 반면 콘크리트에서는 C-S-H수화물이 활발하게 형성되는 7일 이후 재령에서 강도발현이 두드러졌다.

강도 증가폭은 시멘트 부배합인 배합규격 270에서 높게 나타났으며, 한계첨가량은 5∼7%인 것으로 나타났다. <표 5> 및 <그림5>에 시험결과 나타냈다.

<그림 5> 콘크리트 압축강도

Ⅴ. 실 험 (Ⅲ)

1. 배합계획

본 실험에서는 슬래그미분말을 사용한 혼합시멘트계에서 초기강도 촉진효과6),7),8),9)를 파악하고자 하였으며, CKD만을 사용한 단일계와 석고와 병행한 혼합계로 구분하여 실험을 실시하였으며, 콘크리트 시험은 혼합계에 대해서만 실시하였다.  <표 6>에 실험계획을 나타냈다.

<표 6> 실험계획

구분	배합계획·수준			실험항목
몰탈	배합비		C/S = 1:2.45(표준사)	- Flow - 압축강도 (1,3,7,28일)
	W/C		48.5%
	혼화재	슬래그미분말	C □ 20, 30%
		석고	SO3 30% 기준
		CKD	C □ 2, 4, 6%
콘크리트	배합규격		25 - 240 - 15	- 슬럼프 - 공기량 - 압축강도 (3,7,28일)
	W/C		50%
	혼화재	슬래그미분말	C □ 20, 30%
		CKD	C □ 2, 5% (석고 SO3 2% 고정)

〈그림 6〉CKD 단일계의 몰탈 압축강도비

2. 결과 및 고찰

2. 1 CKD 단일계의 몰탈특성

CKD만을 단독 첨가한 경우의 몰탈 Flow比 및 압축강도比를 <표 7> 및 <그림 6>에 나타냈다.  CKD의 치환량이 증가할수록 전재령에서 강도가 증진되었으며, 한계첨가량은 5% 전후로 나타났다. 한편 초기강도 보상효과는 1, 3일 재령에서 OPC보다 낮은 수준으로 기대치에 미치지 못하였으나  7일에서의 강도증진이 양호한 것으로 나타나, 실험Ⅰ,Ⅱ의 결과와 유사하였으며, 역시 C-S-H수화물 형성시기와 밀접한 관계가 있는 것으로 추측된다.

<표 7> CKD 단일계의 몰탈 시험결과

슬래그미분말	CKD	기호명	Flow比 (%)	압축강도比(%)
				1일	3일	7일	28일
-	-	PL	100	100	100	100	100
20%	-	S2PL	99	68	83	95	106
	2%	S2K2	97	73	90	111	106
	5%	S2K5	94	81	98	114	112
	10%	S2K10	94	82	94	105	100
30%	-	S3PL	101	64	77	80	100
	2%	S3K2	102	65	78	101	108
	5%	S3K5	99	70	89	104	100
	10%	S3K10	99	75	85	102	101

2. 2 CKD-석고 혼합계의 몰탈특성

CKD와 석고를 혼합첨가한 경우의 몰탈 Flow比 및 압축강도比를 <표 8>와 <그림 7>에 나타냈다. CKD만을 치환한 경우와 매우 상이한 강도발현 패턴을 보였으며, 특히 1,3일 압축강도가 OPC의 수준을 상회하여 뚜렸한 초기강도 보상효과가 나타났으나, 오히려 7일 강도에서는 저조하여 OPC의 수준을 유지한 것이 특징이었다.

<표 8> CKD-석고 혼합계의 몰탈 실험결과

슬래그미분말	CKD	기호명	Flow比 (%)	압축강도比(%)
				1일	3일	7일	28일
-	-	PL	100	100	100	100	100
20%	-	S2PL	101	68	83	95	106
	2%	S2M2	99	118	105	98	100
	4%	S2M4	102	117	108	98	107
	6%	S2M6	98	123	110	98	97
30%	-	S3PL	99	64	77	80	100
	2%	S3M2	99	104	100	97	100
	4%	S3M4	101	104	100	99	99
	6%	S3M6	101	110	101	97	96

〈그림 7〉CKD-석고 혼합계의 몰탈 압축강도비

2. 3 CKD-석고 혼합계의 콘크리트 특성

CKD와 석고를 혼합첨가한 경우의 콘크리트 시험결과를 <표 9>와 <그림 8>에 나타냈다. 몰탈의 경우와 달리 CKD 치환량이 증가할수록 3, 7, 28일 전재령에서 고르게 OPC의 강도를 상회하는 것으로 나타났으며, 특히 28일재령에서도 강도증진이 큰 것으로 나타났다.

<표 9> CKD-석고 혼합계의 콘크리트 실험결과

슬래그미분말	석고 형태	CKD	기호명	슬럼프 (□)	공기량 (%)	압축강도比(%)
						3일	7일	28일
-	-	-	PL	15.0	5.0	100	100	100
20%	-	-	S2PL	15.5	4.8	92	91	109
	이수 석고	0%	S2GY	15.0	4.2	92	95	114
		2%	S2M2	14.0	4.1	113	114	126
		5%	S2M5	14.5	3.8	115	116	124
30%	-	-	S3PL	15.0	4.7	87	97	110
	이수 석고	0%	S3GY	14.5	4.7	98	88	111
		2%	S3M2	14.0	4.4	106	105	129
		5%	S3M5	15.0	2.9	122	122	122

〈그림 8〉CKD-석고 혼합계의 콘크리트 압축강도비

Ⅵ. 결 론

시멘트 제조공정에서 발생되는 CKD를 시멘트 및 콘크리트 혼화재로서의 검토결과를 정리하면 다음과 같다.

1. 시멘트 혼화재로서 CKD는 치환량 증가에 따라 3일 이후의 압축강도가 상승하였으며, 한계 첨가량은 5% 전후로 나타났다. 한편 석고를 치환한 실험 결과는 치환량 30%까지 큰 물성 저하 나타나지 않아 CaCO3의 응결지연효과를 확인할수 있었다.

2. 콘크리트 혼화재로서 CKD는 치환량 증가에 따라 7일 이후의 압축강도가 상승하였으며, 한계첨가량은 5 ∼ 7%로 나타났다. 한편 강도증진효과는 시멘트 부배합에서 크게 나타났으며, 분체량이 적은 시멘트 빈배합에서는 작업성 및 재료분리 측면에서 오히려 유리하게 작용하였다.

3. 슬래그미분말 첨가계에서 초기강도 증진재로서의 CKD는 단독 또는 석고와의 적정비 첨가에 의해 초기강도 증진효과가 나타났으며, 이는 CKD의 미분말 충진효과외에 일부 화학조성에 의한 자극재로서의 상승작용으로 추측된다.

CKD의 시멘트·콘크리트 혼화재로서의 활용은 上記 결론 사항외에 비표면적 증가에 의한 유동성 저하에 유의해야 하며, 콘크리트 부문에서는 장기재령의 강도 및 내구성 영향에 대해서는 추가적인 검증이 요구된다.

□ 참고문헌

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Technology, No.12

2) S. K. Mohanty, G. Goswami & J.D. Panda,

All India Seminar on Cement

Manufacture, 1981, p537

3) Kevin D. Ingram & Kenneth E.

Daughetry,  Cement & Concrete

Composities, 13, 1991, p165

4) Kevin D. Ingram & Kenneth E.

Daughetry,  9th International Congress

On The Chemistery Of Cement, 1992,

p180

5) 坂井□鄕 外, □□□-□□□□, □□□□·

□□□□-□, No.546, 1992, p129

6) 岳上廣光 外, 高爐□□□□□□□□□□□

强度□耐久性□□□□□石灰石粉末□影響,

□□□□技術年報, 32, 1978.

7) Muhammad S Y Bhatty, Use of

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World Cement, May 1984.

8) S P Ghosh 外, Study on Effects of Kiln

Dust Addition to Portland and Blended

Cements, 9th ICCC, 1992.

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Posco Forum 발표집, 한국콘크리트학회, 1999.

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