본 연구는 석탄가스화복합발전소(이하 IGCC)에서 발생하는 석탄가스화 용융슬래그(이하 CGS)의 콘크리트용 골재화 가능성을 분석하고자 일련의 연구를 진행하였다. 즉, CGS에 대한 콘크리트용 골재로서의 기초적인 물성과 모르타르 및 콘크리트에 잔골재로 사용 시 품질특성을 분석하였고, Mock-up Test를 통해 콘크리트의 제반특성을 입증하였으며, 실무에서 합리적으로 사용하기 위한 활용방안을 제시하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 콘크리트용 골재로서의 물성으로 1∼6회분은 SO3를 제외하고 품질기준에 적합한 것으로 나타났으나, 7~12회분은 탄종이 변화하면서 입자가 굵고 표면에 공극이 다수 분포함에 따라 품질기준에 부적합한 항목이 다수 발견되었다. 따라서 일반 골재와 혼합하여 사용하는 것이 유효한 방법인 것으로 판단되었다.

2) 모르타르의 특성으로 CGS를 일반 골재와 혼합하여 사용하였는데, CGS 치환율이 증가할수록 플로는 증가하였으며, 공기량은 저하하였다. 압축강도 및 휨강도는 포물선 경향을 보였는데, 양호한 품질의 석산 잔골재(이하 CSa)와 혼합한 경우 25%, 불량한 입도의 석산 잔골와 해사를 혼합한 잔골재(CSb+SS)와 혼합한 경우 50%에서 가장 높은 강도를 발휘하였다. 상호비교로서 잔골재 종류에 따른 압축강도는 유사한 것으로 나타났고, CGS 사용 유무에 따른 압축강도는 낮은 강도 영역에서는 유사하지만 높은 강도 영역에서는 CGS를 사용한 경우가 더 크게 나타났다. 종합분석 결과, CGS 50 % 전후로 치환 활용 시 가장 최적인 것으로 나타났다.

3) 콘크리트는 모르타르와 동일한 요령으로 검토하였는데, CGS 치환율이 증가할수록 슬럼프 및 슬럼프 플로, 재료분리저항성이 증가하였고 공기량은 저하하였다. 압축강도는 CSa와 혼합한 경우 저하하였으나, CSb+SS와 혼합한 경우 포물선 경향으로 CGS 50%, 인장강도는 CGS 25%에서 가장 높게 나타났다. 상호비교로서 잔골재 종류에 따른 압축강도는 CSa가 크게 나타났고, CGS 사용 유무에 따른 압축강도는 높은 강도 영역에서 CGS를 사용한 경우가 크게 나타났다. 종합분석 결과, 모르타르와 동일하게 CGS 50 % 전후로 치환 활용 시 가장 최적인 것으로 나타났다.

4) Mock-up Test로서 CGS 치환율이 증가할수록 슬럼프 및 슬럼프 플로는 증가하였고, 공기량은 감소하였다. 응결시간은 CGS가 사용되었을 때 Plain 대비 약 30~90분 정도 단축되는 것으로 나타났다. 압축강도는 양생조건에 관계없이 CGS 치환율이 증가할수록 증가하였고, 슈미트햄머는 압축강도 결과와 동일한 경향으로 나타났다. 수화열은 CGS 치환율이 증가할수록 최고온도 및 평균온도 모두 저하하는 것으로 나타났고, 건조수축은 CGS 치환율이 증가할수록 길이변화율이 작게 나타나 전반적인 콘크리트 품질에 양호한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

5) CGS가 콘크리트용 골재로서 합리적으로 활용되기 위해서는 혼합비율 관리가 핵심적인 요인으로 나타났다. 따라서 KS F 2527의 혼합골재 개정을 통해 활용기반을 확보하는 것이 필요할 것으로 판단되어, KS 개정안으로 용어의 정의, 분류, 품질, 표시, 제조에서 CGS 및 혼합골재에 대한 세부적인 내용을 추가하여 KS기준 내에서 관리가 가능하도록 제안하였다.

이상을 종합하면, CGS 50% 전후로 일반 잔골재와 혼합하여 사용하는 것이 콘크리트 품질향상 측면에서 가장 합리적인 방안으로 분석되었다. 또한, CGS가 안전하게 사용되기 위해서는 혼합골재에 대한 KS개정이 필요한 것으로 나타났다. 궁극적으로 CGS의 콘크리트용 골재화가 골재자원 확보 및 순환자원 활용에도 긍정적인 기여를 할 수 있을 것으로 사료되며, 양질의 골재자원으로 발전이 가능할 것으로 판단된다.

The objective of this paper is to analyze the feasibility of coal gasification slag(CGS) generated from integrated coal gasification combined cycle(IGCC) as a concrete aggregates. This study investigated the engineering properties of CGS as a concrete aggregates as well as the quality properties of CGS as a fine aggregates of mortar and concrete. Moreover, various properties of concrete were examined using a mock-up test and a method for practical application was suggested. The results can be summarized as follows.

1) According to the first to sixth samples of CGS, all CGS properties as a concrete aggregates met the quality criteria except for SO3. However, from seventh to twelfth samples, many items were identified as in appropriate in terms of quality criteria because the particles thickened and pores were widely distributed on the surface as the coal type changed. These results indicated that a mixture of general aggregates and CGS was useful.

2) Because of the properties of mortar, as the CGS contents increased, the flow increased and air content fell using the combination of CGS and general aggregate. The compressive and flexural strengths formed a parabolic shape. The highest strengths were found at 25% when mixing with CSa and 50% for CSb+SS and the compressive strengths were similar in accordance with each type of fine aggregates. Irrespective of CGS use, the compressive strengths were similar at the low compressive strength range. However, the compressive strength with CGS was higher than that observed without CGS at the high compressive strength range. After comprehensively analyzing the resulting values, the optimum CGS substitution rate was determined to be approximately 50%.

3) The concrete was examined using the same method as the mortar. As the CGS contents increased, slump, slump flow, and segregation resistance increased and air content decreased. Compressive strength declined when mixing with CSa, while for CSb+SS, the highest compressive strength was found at a CGS contents of 50%, exhibiting a parabolic curve where the highest tensile strength occurred at the rate of 25%. The compressive strength with CSa was the highest for each type of fine aggregates and compressive strength with CGS was higher than that observed without CGS at the high strength range. After comprehensively analyzing the resulting values, the optimum CGS contents was determined to be approximately 50%, the same as in the mortar.

4) In the mock-up test, as the CGS contents increased, slump and slump flow increased and air content decreased. The setting time was reduced by 30 to 90 min compared to the control when CGS was used. Regardless of curing condition, the compressive strength increased with increasing CGS contents, and the schmidt hammer results also showed a trend identical to the compressive strength results. In terms of hydration heat, the maximum and average temperatures decreased with increasing CGS contents. In the drying shrinkage test, as the CGS contents increased, the rate of the length change was largely unchanged, indicating a favorable impact on the concrete quality.

5) Mixing ratio management was an essential factor for practically using CGS as a concrete aggregates. Therefore, it was necessary to determine the basis for its application through amendment to KS F 2527 regarding pre-mixed aggregates. Furthermore, we proposed that details regarding CGS and pre-mixed aggregates such as terminology definitions, classification, quality, indicators, and manufacturing should be supplemented through the KS amendment to enable proper management by KS criteria.

In conclusion, the combination of general aggregates and CGS at a contents of approximately 50% was optimal for improving the concrete quality. Furthermore, it was necessary to revise KS with regard to pre-mixed aggregate to safely use CGS. Ultimately, the application of CGS to concrete aggregate will positively contribute to securing aggregate resources and using recycled resources, as well as enable the development of high-quality aggregate resources.