Characteristics of Properties of Concrete Recycled Heavyweight Waste Glass as Fine Aggregate
- 주제(키워드) 도움말 Heavyweight Waste Glass , Recycling , Heavy metal leaching , Mechanical properties , Volume Change , Pore structure , Structural behavior
- 발행기관 강릉원주대학교
- 지도교수 도움말 양은익
- 심사위원 정우영, 박상순, 장승엽, 김길희, 양은익
- 사용가능일 20190222
- 저작권일 20190222
- 발행년도 2019
- 학위수여년월 2019. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 토목공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000010425
- UCI I804:42001-000000010425
- 본문언어 영어
초록/요약 도움말
전 세계적으로 콘크리트는 중요한 건설 재료이며, 콘크리트에 대한 필요성은 2050년 까지 7.5 억 m3 (약 180억 톤)으로 증가할 것으로 보고되었다. 큰 규모의 인프라는 천연자원의 고갈을 가속화하며, 몇 국가들은 천연 자원이 고갈되는 문제에 직면해 있고 골재 공급이 어려운 상황으로 수입에 의존하고 있다. 이러한 상황을 해결하기 위하여, 콘크리트의 대체 자원 개발을 위한 구체적인 기술 개발이 진행되고 있다. 반면에, 전자폐기물의 급격한 발생으로 인하여 재활용 기술이 세계적으로 관심을 받고 있다. 게다가, 대한민국에서는 2012년 이후 아날로그 형식의 방송이 종료되면서 디지털 방송 시스템이 시작되었으며, 많은 양의 CRT TV와 모니터가 처분되고 있다. CRT 유리는 전면부 유리와 후면부로 구분되며, 현재 전면부 유리는 세척 후 유리로 재사용 되고 있다. 반면, 후면부 유리(=고밀도 폐유리)의 경우에는 많은 양의 철, 납 등과 같은 중금속을 함유하고 있어 현재 기술로는 처리하기 어려운 상황이다. 그러므로 본 연구의 목적은 환경오염을 완화시키기 위하여 고밀도 폐유리의 재활용 기술을 개발하는 것이고 고갈된 천연 골재를 대체할 수 있는 골재를 개발하는 것이다. 고밀도 폐유리의 대체율에 따라 모르타르의 ASR 팽창 및 중금속 용출 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 ASR 팽창 실험 및 중금속 용출 실험을 실시하였다. 유동성, 단위용적질량, 압축강도 및 휨강도와 같은 모르타르의 역학적 특성 또한 실험적으로 평가하였다. 모르타르의 공극구조 및 미세공극과 거시공극의 분포, 체적밀도와 공극률을 측정하였다. 고밀도 폐유리의 대체율 변화가 모르타르의 체적 변화에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 대체율 변화에 따른 건조수축을 측정하였고, 그 결과를 예측모델과 비교 하였다. 실험 결과에 따르면, ASR에 의한 팽창은 고밀도 폐유리 대체율이 증가함에 따라 비례적으로 증가하였으며, 플라이애시 20% 및 고로슬래그 미분말 50% 이상을 시멘트 대비 사용하면, ASR에 의한 팽창은 제어할 수 있는 것으로 나타났으며, 특히 ASTM C 1260 기준에 의해 재령 14일에서의 팽창 한계인 0.1%미만을 확보하였다. 중금속 용출 실험결과, 비소, 카드뮴, 구리 및 수은은 미국 음용수 기준보다 낮은 양 검출된 반면, 납과 구리의 경우는 기준치 이상 용출되는 것으로 나타나, 모르타르 안에 포함된 중금속을 유지할 수 있는 추가적인 방법이 요구된다. 고밀도 폐유리의 대체율이 증가함에 따라, 모르타르의 유동성, 단위용적중량이 증가하였으나, 모르타르의 압축강도 및 휨강도는 고밀도 폐유리의 대체율에 따라 점진적으로 감소하였다. 또한, 미세공극구조 역시 고밀도 폐유리 대체에 따라 영향을 받는 것으로 나타났다. 반면에, 고밀도 폐유리의 대체율이 증가함에 따라 건조수축은 감소하였으나, 예측모델은 실험결과를 반영하지 못하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 종합하면, 고밀도 폐유리를 잔골재로 전량 대체하기 위해서는 물-결합재비 35%이하를 확보해야 한다. 광물질 혼화재를 사용하면 모르타르의 성능 저하를 방지할 수 있으며 FA보다는 BFS를 사용하는 것이 효율적인 것으로 나타났다. 고밀도 폐유리를 잔골재로 사용한 콘크리트의 축방향 거동을 압축강도 및 탄성계수를 이용하여 평가하였고, 압축강도와 휨강도를 비교하였다. 또한 고밀도 폐유리를 혼입한 콘크리트의 구조적 거동을 평가하기 위하여 RC 부재의 휨 실험을 실시하여 실험적, 해석적 결과를 비교하였다. 실험결과, 고밀도 폐유리의 대체는 압축강도 및 휨강도 감소를 감소시켰으며, 이러한 현상은 고밀도 폐유리와 시멘트 페이스트 사이의 부착력 감소에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 탄성계수는 압축강도에 의존하기 때문에 고밀도 폐유리 대체에 따라 감소하였다. 게다가, 고밀도 폐유리의 대체율은 응력- 변형률 곡선에 영향을 미치지 않았다. 그러나 광물질 혼화재를 결합재로 사용하게 되면, 강도 감소가 개선되었으며, 이것은 광물질 혼화재의 장기재령에서 포졸란 반응에 기인한 것으로 판단된다. 한편, 고밀도 폐유리를 잔골재로 대체한 RC 부재의 경우, 고밀도 폐유리 대체율에 따라 균열 발생 패턴과 RC 부재의 압축영역에서의 압괴의 발생 가능성이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 하중 저항 능력, 연성비 및 휨강성은 고밀도 폐유리 대체율에 따라 영향을 받는 것으로 나타났으나, 광물질 혼화재를 함께 사용하거나 상대적으로 낮은 물-결합재비에서는 휨 성능을 개선할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구 결과, 고밀도 폐유리를 콘크리트의 잔골재로 대체하기 위해서는 낮은 물-결합재비 혹은 광물질 혼화재를 사용하여 콘크리트의 성능을 향상시켜야 할 것으로 사료된다. 특히, 고밀도 폐유리를 전량 콘크리트의 잔골재로 대체할 경우, 물-결합재비 비율을 45% 미만이어야 하고, 광물질 혼화재를 첨가하면 콘크리트의 성능 저하를 방지할 수 있으며 BFS의 경우가 FA의 경우보다 유리하였다. 광물질 혼화재 사용하지 않는 경우, 물-결합재비는 35% 이하가 바람직하다. ABAQUS 해석을 통해 얻은 하중-처짐 곡선은 고밀도 폐유리를 사용하지 않은 부재의 실험결과와는 잘 일치하였다. 그러나 ABAQUS는 하중 저항 능력의 감소를 반영하지 않고 예측하였으며, 고밀도 폐유리를 사용한 RC 부재의 실험결과와는 일치하지 않았다. 따라서 고밀도 폐유리를 포함하는 RC 부재의 휨 성능을 평가하기 위해서는 개선된 해석 방법이 요구된다.
more초록/요약 도움말
Concrete is the major material used globally in construction, and the demand for concrete will increase to almost 7.5 billion cubic meter (approximately 18 billion ton) a year by 2050. The rapid development of large-scale infrastructures is depleting natural resources; the sources of aggregates are being exhausted, and several countries are facing a shortage of natural resources. Therefore, these countries are relying on imports to satisfy their aggregate requirements. To handle this situation, many studies are being performed to develop alternative constituents for concrete. Meanwhile, electric waste recycling has been emphasized as a global issue, owing to its rapidly growing volume and complex nature. Additionally, since 2012, when the analog television (TV) broadcasting ended, TV systems were converted to digital broadcasting system in South Korea, and a large volume of cathode ray tube (CRT) TVs and monitors were discarded. CRT glass products can be classified into panels and funnels. The panels may be reused as glass after washing, but it is difficult to treat the funnels (heavyweight waste glass) using conventional recycling technology because they contain a large number of heavy metals such as iron and lead. Therefore, the main objectives of this study are to ensure the recycling technology for heavyweight waste glass to mitigate the environmental pollution, and to develop an aggregate to replace the scarcely available natural sand in concrete. The alkali-silica reaction (ASR) expansion and heavy metal leaching properties of mortar were experimentally studied to evaluate the variation with different ratios of heavyweight waste glass as fine aggregate. The mechanical properties of mortar such as fluidity, unit volume weight, compressive strength and flexural strength were also experimentally evaluated. Further, the pore structure in the mortar, micro-pore and macro-pore distributions, bulk density, and porosity were measured. To evaluate the effects of different ratios of heavyweight waste glass on the volume change properties of mortar, drying shrinkage of specimens with different substitution ratios were experimentally determined and the results were compared with the values from the available prediction model. The results of this study demonstrated that the ASR expansion of mortar gradually increased with an increase in the heavyweight waste glass substitution ratio. When cement was replaced by fly ash (FA) 20% or blast furnace slag (BFS) 50% as binder in mortar specimens, the ASR expansion could be controlled to the permitted limit of 0.1% at 14days (ASTM C 1260 criteria). Moreover, the leached concentrations of As, Cd, Cu, and Hg from the mortar were below the drinking water regulatory levels; however, the concentrations of Pb and Cr in the mortar were above the drinking water regulatory levels. Hence, additional methods to retain the heavy metal in mortar specimens are required for utilizing heavyweight waste glass as fine aggregate. It was found that the fluidity and unit volume weight of mortar increased with increase in the heavyweight waste glass substitution ratio, but the compressive and flexural strength of the mortar gradually decreased. The micro-pore size distribution was also significantly affected by the substitution of heavyweight waste glass. On the other hand, when the heavyweight waste glass substitution ratio increased, the drying shrinkage decreased. Furthermore, there were discrepancies between the results from the existing prediction models and experiment. Conclusively, when the fine aggregate is completely replaced by heavyweight waste glass in mortar, the water-binder ratio should be less than 35%. In particular, the addition of mineral admixtures as binder can prevent the deterioration of mortar, and the addition of BFS was found to be more efficient than FA. The axial behavior of concrete under uniaxial compression was investigated by the compressive strength test. The elastic modulus was estimated, and, the compressive strength and flexural strength were compared. Further, the bending tests and simulations were performed to evaluate the flexural behavior of RC member with different substitution ratios of heavyweight waste glass and the corresponding experimental and analytical results were compared. The results demonstrated that the use of heavyweight waste glass decreased the compressive and flexural strength of concrete. This phenomenon is most likely due to the poor adhesion between the smooth surface of the glass and the cement paste. Similarly, the elastic modulus, which depends on the compressive strength, decreased with the increase in the heavyweight weight waste glass substitution ratio. Further, the heavyweight waste glass substitution ratio did not affect the characteristics of stress-strain curve of concrete. However, the use of mineral admixture as binder controlled the strength reduction. The improvement in mechanical properties of concrete by using mineral admixture as binder could be attributed to their pozzolanic reaction at later ages. The heavyweight waste glass substitution ratio in RC member affected the crack occurrence patterns, and the possibility of a sudden failure of the member increased, owing to concrete crushing in the compression zone. Moreover, the load capacity, ductility index, and flexural rigidity were significantly affected by the heavyweight waste glass substitution ratio. However, the flexural performance could be improved by using mineral admixture as binder or by adopting a low water-binder ratio. Hence, this study demonstrates that to substitute the fine aggregate in concrete with heavyweight waste glass, the performance of concrete should be enhanced by reducing the water-binder ratio or by using mineral admixture as binder. Especially, when the fine aggregate is completely replaced by heavyweight waste glass in concrete, the water-binder ratios should be less than 45%. And, the addition of mineral as binder can prevent the deterioration concrete, and the addition of BFS was found to be more efficient than FA. Without the addition of mineral admixtures, the water-binder ratio should be less than or equal to 35%. The load-displacement curves obtained from the ABAQUS analysis correlate well with the experimental results of RC members without heavyweight waste glass. On the other hand, because ABAQUS predicts the load-displacement relationship without considering the reduction in load capacity, the analysis results of RC members containing heavyweight waste glass were erroneous. Therefore, the analysis of RC member with heavyweight waste glass requires improved methods.
more목차 도움말
TABLE OF CONTENTS
ABSTRACT i
TABLE OF CONTENTS vii
LIST OF TABLES xi
LIST OF FIGURES xii
CHAPTER 1 INTRODUCTION
1.1 Research Background and Motivation 1
1.2 Objectives 3
1.2.1 Detailed objectives 3
1.3 Scope 4
1.4 Dissertation Outline 5
CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW
2.1 Introduction 6
2.2 Definition of Heavyweight Waste Glass 8
2.3 Literature Review about Waste Glass in Concrete 11
2.3.1 Fundamental Properties of Waste Glass 11
2.3.2 Fluidity of Concrete Containing CRT Glass as Fine Aggregate 14
2.3.3 ASR of Concrete Containing CRT Glass as Fine Aggregate 17
2.3.4 Strength of Concrete Containing CRT Glass as Fine Aggregate 20
2.3.5 Leaching Behavior of CRT Glass 23
CHAPTER 3 APPLICABILITY OF HEAVYWEIGHT WASTE GLASS AS FINE AGGREGATE IN MORTAR
3.1 Introduction 25
3.2 Experimental procedure 27
3.2.1 Materials 27
3.2.2 Test variables and speicmens 29
3.2.3 Mix proportion 32
3.2.4 Test Method 34
3.3 Results and discussion 39
3.3.1 Fundamental properties 39
3.3.2 Expansion owing to alkali-silica reaction 46
3.3.3 Leaching properties of heavy metal in mortar specimens 51
3.3.4 Mechanical properties 57
3.3.5 Pore structure 64
3.3.6 Drying shrinkage 72
CHAPTER 4 EVALUATION ON AXIAL AND FELXURAL BEHAVIOR OF CONCRETE USING HEAVYWEIGHT WASTE GLASS AS FINE AGGREGATE
4.1 Introduction 79
4.2 Behavior of Concrete using Heavyweight Waste Glass as Fine Aggregate under Uniaxial Compression 81
4.2.1 Materials 81
4.2.2 Test variables and speicmens 82
4.2.3 Mix proportion 82
4.2.4 Test Method 86
4.2.5 Results and Discussion 89
4.3 Flexural Behavior of RC Member using Heavyweight Waste Glass as Fine
Aggregate 106
4.3.1 Test method 106
4.3.2 Results and discussion 110
4.4 Flexural Analysis of RC Member using Heavyweight Waste Glass as Fine Aggregate 135
4.4.1 Analysis method 135
4.4.1 Comparison of Analytical and Test Results 139
CHAPTER 5 CONSLUCIONS
5.1 Summary and Discusstion 149
5.2 Suggestions for Further study 154
SUMMARY (IN KOREAN) 156
REFERENCES 160
CURRICULUM VITAE 168
