2.1 사용 재료

실험에 사용된 시멘트는 고로슬래그 시멘트 2종을 사용하였으며, 혼화제는 벤젠술폰산(C₆H₅SO₃H)과 트리에탄올아민(C₆H₁₅NO₃)이 혼합된 상용 제품을 사용하였다. 해당 혼화제는 건식 콘크리트 블록 제조 시 초기 강도 발현 및 작업성 확보를 목적으로 적용하였다^{(Lee et al. 2022)}. 제강슬래그 골재는 국내 H사에서 발생한 제강슬래그를 사용하였으며, 비교를 위한 부순 잔골재는 경상북도 영천시를 산지로 하는 천연 골재를 사용하였다.

Table 1은 KS F 2527^{(KATS 2024)}에서 규정하는 부순 잔골재 및 EOS 골재의 물성 기준과 본 연구에 사용된 부순 잔골재 및 제강슬래그 골재의 물성을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 확보가 가능한 제강슬래그 중 BOS와 EOS 골재를 대상으로 물성 분석을 수행하였다. EOS 골재는 절대건조밀도, 흡수율 및 단위용적질량 등 주요 항목에서 KS F 2527의 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 한편 BOS 골재의 경우 별도의 명문화된 규정이 없어 KS F 2527의 EOS 골재 기준을 준용하여 비교하였으며, 해당 기준을 만족하는 물성을 보였다.

Table 2는 KS F 2527에서 규정하는 EOS 골재의 화학성분 기준과, 본 연구에 사용된 제강슬래그 골재의 화학성분 분석 결과를 비교한 것이다. 본 연구에서는 BOS, EOS 골재 외에도 ERS 골재를 포함하여 화학성분 분석을 수행하였다. EOS 골재는 CaO, MgO 및 염기도(CaO/SiO₂) 항목에서 KS F 2527 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 반면 BOS 및 ERS 골재는 염기도가 기준치를 상회하는 경향을 보였으며, 이는 상대적으로 높은 CaO 함량에 기인한 것으로 판단된다. ERS 골재의 경우 MgO 함량이 기준치를 초과하는 결과를 보여, 이후 팽창 안정성에 미치는 영향에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다. FeO 성분은 본 연구의 주요 평가 항목과 직접적인 연관성이 낮아 분석 대상에서 제외하였다.

화학성분 분석 결과 제강슬래그 골재는 천연 골재에 비해 CaO 함량이 상대적으로 높게 나타났으며, 이는 제강슬래그를 적용한 콘크리트 블록에서 이산화탄소가 광물 탄산화 반응을 통해 고정될 가능성을 시사한다. 다만 제강슬래그의 현장 적용이 제한적인 주요 원인으로 Free-CaO에 기인한 팽창 안정성 문제가 지적되어 왔으며^{(Kim et al. 2023; Lim et al. 2023),} 본 연구에서는 제강슬래그 골재에 함유된 Free-CaO 성분을 추가로 분석하였다. Free-CaO 함량은 에틸렌 글리콜을 용매로 사용하는 방법을 적용하였으며, Table 3에 제시된 절차(ASTM STP 985) ^{(Gebhardt 1988)}를 기반으로 분석하였다^{(Sim et al. 2023)}.

Table 4는 제강슬래그 종류별 Free-CaO 함량을 나타낸 것으로, BOS 골재에서 가장 높은 Free-CaO 함량이 확인되었다. BOS 골재의 Free-CaO 함량은 EOS, ERS에 비해 약 10배 높은 수준이었으나, 전체 CaO 함량과는 직접적인 비례 관계를 보이지 않았다. 이러한 결과는 제강슬래그 종류에 따라 팽창 안정성 및 광물 탄산화 반응 특성이 상이하게 나타날 수 있음을 시사한다.

2.2 배합 설계 및 제조 공정

Table 5는 실험실 제조 공정과 콘크리트 2차 제품 제조 업체인 S사의 실제 생산 공정을 비교한 것이다. 실험실 여건상 진동과 가압을 동시에 적용하는 것이 어려워, 본 연구에서는 진동 다짐과 가압 다짐을 분리하여 수행하였다.

또한 가압력은 실험 장비 및 안전상의 제약으로 인해 실제 생산 설비 대비 약 1/10~1/15 수준인 50 kN으로 설정하였다. Fig. 1은 S사의 실제 생산 공정을 모사하여 실험실에서 적용한 제조 공정을 개념적으로 나타낸 것이다.

본 연구에서는 실험실 제조 공정을 통해 보도용 콘크리트 블록의 요구 성능을 충족할 수 있는 배합 조건을 도출하는 것을 목표로 하였다. 보도용 콘크리트 블록의 요구 성능은 KS F 4419 ^{(KATS 2025)}에 따라 휨강도 5.0 MPa 이상, 흡수율은 개별 10 % 이하 및 평균 7 % 이하로 규정되어 있으며, 해당 기준을 Table 6에 정리하였다.

본 연구의 예비 실험은 보도용 콘크리트 블록 제조업체에서 실제 적용 중인 기준배합을 기준점으로 설정하여 수행하였다(Table 7). 기준배합의 W/C는 20 %이며, 예비 실험은 두 단계로 나누어 진행하였다. 먼저 1단계에서는 W/C 20 % 조건을 유지한 상태에서 잔골재 중 일부를 제강슬래그 골재로 치환하여 치환율의 영향을 검토하였다. 이후 2단계에서는 치환율을 고정한 상태에서 W/C를 변수로 설정하여 배합을 구성하였다. 모든 배합에서 감수제 사용량은 동일하게 유지하여, 제강슬래그 치환율과 W/C 변화에 따른 영향을 독립적으로 평가하고자 하였다.

Table 8은 부순 잔골재의 일부를 EOS 골재로 치환한 시편(n=3)의 재령 7일 휨강도 결과를 나타낸 것이다. 제강슬래그 치환율은 향후 시제품의 품질 및 경제성을 고려하여 35 %와 50 %로 설정하였다. 본 연구에서는 예비 실험 단계에서 배합 간 상대 비교를 목적으로 하여, 재령 7일의 휨강도를 기준으로 평가를 수행하였다. 실험 결과 35 % 치환 조건에서 50 % 치환 조건에 비해 약 2배 높은 휨강도를 나타내었으며, 실험실 제조 공정 및 조건을 고려할 때 실제 시제품 제조 시에도 안정적인 성능 확보가 가능할 것으로 판단하였다.

이후 EOS 골재 치환율 35 %를 기준으로 W/C의 영향을 검토하였다. KS F 4419에서 보차도용 블록의 W/C를 25 % 이하로 규정하고 있어, 본 연구에서는 17 %, 21 %, 24 %의 조건으로 실험을 수행하였다. Table 8에 나타난 바와 같이 W/C 24 % 조건에서 재령 7일에 기준 휨강도를 초과하는 결과를 확인하였으며, 이를 최종 W/C로 선정하였다.

Fig. 1 Schematic Comparison of Manufacturing Processes for Concrete Blocks

2.3 최종 배합 선정

Table 9는 예비 실험을 통해 도출된 결과를 바탕으로 시제품 생산에 적용한 최종 배합을 정리한 것이다. 해당 배합은 기준배합(Table 7)을 기반으로 하되, 예비 실험에서 선정된 조건을 반영하여 구성하였다. 즉, 잔골재 대비 제강슬래그 치환율은 35 %, W/C는 24 %로 설정하고, BOS, EOS, ERS 골재를 각각 적용하여 시제품을 제조하였다. 이는 동일한 배합 조건에서 제강슬래그 종류에 따른 시제품의 성능 차이와 실증 생산공정 적용성을 비교·검토하기 위함이다.

시제품은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 S사의 보도용 콘크리트 블록 성형 설비를 활용하여 일반 제품과 동일한 공정으로 제조하였다.

Fig. 2 On-site manufacturing process of concrete blocks

3.1 평가 방법

시제품의 성능 평가는 제품 요구 성능, 팽창 안정성, 그리고 이산화탄소 포집 성능의 세 가지 항목으로 구분하여 수행하였다.

먼저 제품 요구 성능의 충족 여부를 확인하기 위해 보차도용 콘크리트 인터로킹 블록에 대한 KS F 4419 규정에 따라 휨강도 및 흡수율 시험을 수행하였다. 각 배합별로 시편 3개를 사용하였으며, 재령 7일, 28일, 91일에서 측정하였다. 다만 ERS 35 시편의 경우 재령 7일 시험 결과가 확보되지 않아 해당 자료는 제시하지 않았다. 또한 KS F 4419^{(KATS 2025)}에는 포함되어 있지 않으나, 시제품의 장기 내구 성능을 평가하기 위해 동결융해시험 후 휨강도 측정을 추가로 수행하였다. 시험 방법은 KS F 2456^{(KATS 2023)}의 ‘기중 급속 동결 후 수중 융해 시험 방법(방법 B)’을 준용하였으며, 4 °C에서 -18 °C까지의 온도 변화를 1사이클로 하여 총 100사이클을 수행한 후 휨강도를 측정하였다.

팽창 안정성 평가는 수중 침지 후 체적 변화 관찰과 오토클레이브 팽창 시험을 통해 수행하였다. 수중 침지 시험은 시편을 약 90일간 수조에 침지한 후 침지 전·후의 체적 변화를 비교하는 방식으로 진행하였으며, 체적 측정은 버니어 캘리퍼스를 이용하였다. 또한 제강슬래그에 함유된 Free-CaO 및 MgO에 의한 잠재적 후기 팽창 가능성을 평가하기 위해 시멘트의 오토클레이브 팽창 시험 방법(KS L 5107)^{(KATS 2021)}을 준용하였다. 본 연구에서는 규정과 동일한 조건의 온도, 압력 및 습도 환경에서 시험을 수행하되, 시편의 형상 제약으로 인해 길이 변화 측정 대신 시험 후 시편의 파손 및 변형 여부를 중심으로 평가하였다. 해당 시험은 Free-CaO 함량이 가장 높은 BOS 35 시편을 중심으로 수행하였다.

이산화탄소 포집 성능은 열중량 분석(TG-DTA)과 페놀프탈레인 용액을 이용하여 평가하였다. 제강슬래그에 포함된 Free-CaO는 광물 탄산화 반응을 통해 CaCO₃로 전환될 수 있으며, TG-DTA를 이용하여 600~800 °C 구간에서 CaCO₃의 열분해에 따른 질량 감소를 분석함으로써 이산화탄소 포집량을 추정하였다^{(Lim et al. 2015)}. 포집 성능 평가는 재령 7일과 28일 시편을 대상으로 수행하였다. 양생은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 2단계로 진행하였다. 1차 양생은 KS F 4419에서 규정하는 적산온도 500 °C·h 이상을 충족하도록 60 °C에서 약 10시간 이상 실내 양생을 실시하였다. 이후 2차 양생은 실제 사용 환경을 모사하기 위해 외부 야적장에 비치하여 대기 조건에서 진행하였다. 재령 7일 및 28일이 도달한 시점에 시편을 채취하여 각각 탄소 포집 성능 평가를 수행하였다.

Fig. 2와 같이 보차도용 콘크리트 블록은 표면층과 본층으로 구성되며, KS F 4419에서는 표면층 두께를 6 mm 이상으로 규정하고 있다. 본 연구에서는 제강슬래그를 표면층이 아닌 본층 콘크리트에만 적용하였으므로, 표면층의 영향을 배제하고 제강슬래그가 포함된 본층을 대표할 수 있도록 시편을 절단한 후 상부 단면으로부터 약 1.5 cm 깊이에서 TG-DTA 분석용 시료를 채취하였다. 건식 성형 방식으로 제조된 블록 내부에는 기공이 분포하고 있어 본층에서도 CO₂ 확산에 따른 광물 탄산화 반응이 진행될 수 있는 것으로 판단된다.

추가로, 대기 중에서 충분히 양생된 시편을 절단한 후 페놀프탈레인 용액을 분무하여 광물 탄산화 진행 양상을 육안으로 확인하였다. 페놀프탈레인 용액은 pH 8.2 이상에서 자주색을 띠는 특성을 가지며, 이를 통해 시편 내부의 중성화 및 탄산화 영역을 확인하고자 하였다.

Fig. 3 Curing procedure and evaluation scheme for CO2 capture analysis

3.2 평가 결과 및 고찰

3.2.1 제품 요구 성능

Table 10은 시제품의 재령별 휨강도 및 흡수율 측정 결과를 나타낸 것이다. 휨강도의 경우 모든 시제품이 재령 91일에서 KS F 4419에서 규정하는 기준값인 5.0 MPa를 초과하였다. 특히 BOS 35 및 EOS 35 시편은 재령 28일에 이미 기준 강도를 만족하여, 기준배합(Ref) 대비 초기 강도 발현 측면에서 우수한 성능을 나타냈다.

흡수율의 경우 개별 시편 결과는 재령 28일에 KS 기준($\le$10 %)을 만족하였으며, 평균 흡수율은 EOS 35를 제외한 모든 시편에서 재령 91일에 기준($\le$7 %)을 충족하였다. 흡수율이 재령 증가에 따라 지속적으로 감소하는 경향을 보인 점을 고려할 때, 제품 출하 시점을 기준으로 하는 KS 규정 충족에는 문제가 없을 것으로 판단된다. 특히 제강슬래그를 적용한 시편의 경우 시간 경과에 따라 내부 공극이 반응 생성물로 채워질 가능성이 있어, 장기적으로 흡수율 감소 효과를 기대할 수 있다.

Table 11은 동결융해시험 후 휨강도 측정 결과를 나타낸 것이다. BOS 35 및 EOS 35 시편은 시험 전과 유사한 휨강도를 유지하였으며, Fig. 4에 나타난 바와 같이 시험 후에도 균열, 박리 또는 표면층 분리와 같은 외관상의 결함은 관찰되지 않았다. 보도용 콘크리트 블록이 계절 및 기후 변화에 직접 노출된다는 점을 고려할 때, 동결융해시험 결과는 시제품의 장기 내구 성능이 양호함을 시사한다. 반면 ERS 35 시편은 상대적으로 낮은 휨강도를 나타냈다. 이러한 결과는 화학성분 분석에서 확인된 높은 MgO 함량과 염기도 특성에 기인했을 가능성이 있으며, 기존 연구에서도 ERS 슬래그는 반응성 MgO 및 미세구조 특성으로 인해 초기 강도 발현 및 장기 안정성 측면에서 불리하게 작용할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 다만 시편 수가 제한적이고 흡수율 특성 또한 상이하여 동결융해 영향으로 단정하기에는 한계가 있다.

Table 10 Comparison of flexural strength and water absorption of prototypes

Mixture ID		Flexural strength (MPa)			Water absorption (%)
		7 days	28 days	91 days	7 days	28 days	91 days
Ref	Spec 1	3.6	3.4	5.1	10.0	10.0	7.0
	Spec 2	4.1	3.9	5.7	10.0	10.0	9.0
	Spec 3	3.6	3.7	5.4	10.0	10.0	7.0
	Avg.	3.8	3.7	5.4	10.0	10.0	7.7
BOS 35	Spec 1	4.5	5.5	4.8	9.0	9.0	7.0
	Spec 2	4.6	5.1	5.7	10.0	9.0	7.0
	Spec 3	4.6	4.8	5.4	9.0	9.0	7.0
	Avg.	4.6	5.1	5.3	9.3	9.0	7.0
EOS 35	Spec 1	4.0	4.6	5.9	10.0	9.0	9.0
	Spec 2	4.0	5.7	5.7	11.0	10.0	8.0
	Spec 3	4.0	4.8	5.8	10.0	10.0	9.0
	Avg.	4.0	5.0	5.8	10.3	9.7	8.7
ERS 35	Spec 1	-	3.7	5.6	-	10.0	6.0
	Spec 2	-	3.9	4.7	-	10.0	7.0
	Spec 3	-	3.7	4.8	-	12.0	6.0
	Avg.	-	3.8	5.0	-	10.7	6.3

Notes: Spec: specimen; Avg.: average

Table 11 Flexural strength after freeze-thaw cycles

Mixture ID	Flexural strength (MPa)
BOS 35	5.9
EOS 35	6.4
ERS 35	3.6

Fig. 4 Photographs after freeze-thaw cycles (BOS 35, EOS 35, ERS 35 from left to right)

3.2.2 팽창 안정성

Table 12는 90일간 수중 침지 전·후 시편의 체적 변화를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 모든 시편에서 체적 변화는 측정 오차 범위 내에서 0으로 나타났으며, 장기간 수중 침지를 통해 팽창 반응을 가속화했음에도 불구하고 유의미한 체적 증가는 관찰되지 않았다. 일부 시편에서는 표면 미세공극이 감소한 양상이 관찰되었는데, 이는 제강슬래그 내 CaO 및 MgO 성분이 수분과 반응하여 추가적인 반응 생성물을 형성한 결과로 판단된다. 다만 이러한 반응은 체적 변화로 이어질 정도는 아니었으며, 건식 공정으로 제조된 콘크리트 블록의 다공성 구조가 팽창 거동을 효과적으로 완화한 것으로 해석된다.

Fig. 5는 BOS 35 시편의 오토클레이브 시험 전·후 모습을 나타낸 것이다. 고온·고압의 가혹한 시험 조건에서도 시편의 파괴나 변형은 발생하지 않았다. 다만 본 연구에서는 제강슬래그의 에이징 시간에 따른 영향을 고려하지 못하였으며, 팽창 안정성과 슬래그 에이징의 상관성에 대해서는 향후 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다^{(Lim and Lee 2014)}.

Table 12 Volume change of specimens after 90 days of immersion

Mixture ID		Dimension
		W (cm)	L (cm)	H (cm)	V (cm3)
Ref	Before	19.80	19.80	6.00	2,352.24
	After	19.80	19.80	6.00	2,352.24
	Difference	0.00	0.00	0.00	0.00
BOS 35	Before	19.80	19.80	6.00	2,352.24
	After	19.80	19.80	6.00	2,352.24
	Difference	0.00	0.00	0.00	0.00
EOS 35	Before	19.80	19.80	6.05	2,371.84
	After	19.80	19.80	6.05	2,371.84
	Difference	0.00	0.00	0.00	0.00
ERS 35	Before	19.80	19.80	6.10	2,391.44
	After	19.80	19.80	6.10	2,391.44
	Difference	0.00	0.00	0.00	0.00

Notes: W: width; L: length; H: height; V: volume

Fig. 5 Photographs of BOS 35 specimens before and after autoclave expansion test

3.2.3 이산화탄소 포집 성능

이산화탄소 포집 성능은 TG-DTA 분석을 통해 평가하였으며, 600~800 °C 구간에서 CaCO₃의 열분해에 따른 질량 감소를 기준으로 이산화탄소 포집량을 추정하였다^{(Lim et al. 2015)}. Fig. 6은 TG-DTA 분석 결과를 바탕으로 시편별 CaCO₃ 석출량을 정리한 것으로, 제강슬래그 적용 여부 및 종류에 따른 광물 탄산화 반응의 상대적 차이를 정량적으로 비교하기 위한 지표로 활용하였다. Ref 시편의 경우 재령 증가에 따라 CaCO₃ 석출량이 감소하는 경향을 보인 반면, 제강슬래그를 적용한 시편에서는 재령 28일에서 광물 탄산화 반응이 더욱 활성화되는 양상이 나타났다. 특히 BOS 35 및 EOS 35 시편은 CaCO₃ 석출량이 Ref 대비 현저히 높아, 대기 중 이산화탄소 포집이 충분히 가능함을 시사한다.

EOS 35 시편을 기준으로 보도용 콘크리트 블록 1장(약 5 kg)에 대해 시편 내 CaCO₃ 석출 비율(2.69 %)과 CaCO₃ 내 CO₂ 질량비(44 %)를 고려할 경우^{(Rivera et al. 2023),} 광물 탄산화 반응을 통해 약 0.059 kg의 CO₂가 고정될 수 있는 것으로 추정된다. 이를 국내 연간 보도블록 생산량에 단순 환산하면, 상당한 수준의 CO₂ 저감 잠재력을 가질 수 있음을 시사한다. 다만 해당 수치는 실험 조건을 기반으로 한 추정치로, 실제 현장 적용 시에는 양생 환경, 공기 노출 조건 및 장기 사용 환경에 따라 달라질 수 있다.

Fig. 7은 대기 조건에서 충분히 양생된 시편을 절단한 후 페놀프탈레인 용액을 분무한 결과를 나타낸 것이다. Ref 시편과 비교하여 제강슬래그를 적용한 시편에서는 표면으로부터 내부 방향으로 광물 탄산화가 진행되고 있음을 육안으로 확인할 수 있었다. 이는 제강슬래그 골재가 이산화탄소 포집을 가속화하는 매개체로 작용함을 보여주며, 앞선 TG-DTA 분석 결과와도 일치하는 경향을 나타낸다.

Fig. 6 Estimated Amount of CaCO3 Precipitation per Specimen Based on TG-DTA Analysis

Fig. 7 Analysis of CO2 capture performance with phenolphthalein solution (top-right: reference, top-left: EOS 35, bottom-right: BOS 35, bottom-left: ERS 35)