Bottom Ash를 재활용한 저강도 고유동 재료의 내구성 및 환경영향 평가 Durability Characteristics and Environmental Assessment of Controlled tow-Strength Materials Using Bottom Ash원문보기
본 연구의 목적은 저강도 고유동 재료(CLSM)로서 매립처리 되는 bottom ash의 재활용 가능성을 실험하는데 있다. 저강도 고유동 재료는 포틀랜드 시멘트, 플라이애시, 모래, 물의 혼합으로 만들어지는 결합성 재료로서 재료의 타설과 동시에 유동성과 셀프레벨링성을 나타낸다. 플라이애시만을 사용한 배합이 bottom ash가 저강도 고유동 재료로서 사용가능한 내구성능을 나타내는지 비교하기 위하여 같이 실험되었다. bottom ash를 사용한 배합의 내구성능은 해로운 물리, 화학적 환경에서 실험되었으며 그 결과로서 bottom ash를 사용한 저강도 고유동 재료의 내구성능은 비구조 부재의 충전을 위한 적용분야에서 사용가능하게 나타났다. 또한 bottom ash를 첨가한 저강도 고유동 재료는 환경적으로도 안전하게 나타났다.
본 연구의 목적은 저강도 고유동 재료(CLSM)로서 매립처리 되는 bottom ash의 재활용 가능성을 실험하는데 있다. 저강도 고유동 재료는 포틀랜드 시멘트, 플라이애시, 모래, 물의 혼합으로 만들어지는 결합성 재료로서 재료의 타설과 동시에 유동성과 셀프레벨링성을 나타낸다. 플라이애시만을 사용한 배합이 bottom ash가 저강도 고유동 재료로서 사용가능한 내구성능을 나타내는지 비교하기 위하여 같이 실험되었다. bottom ash를 사용한 배합의 내구성능은 해로운 물리, 화학적 환경에서 실험되었으며 그 결과로서 bottom ash를 사용한 저강도 고유동 재료의 내구성능은 비구조 부재의 충전을 위한 적용분야에서 사용가능하게 나타났다. 또한 bottom ash를 첨가한 저강도 고유동 재료는 환경적으로도 안전하게 나타났다.
The main intent of this research was to determine the feasibility of utilizing recycling bottom ash as CLSM (controlled low-strength material). CLSM is a cementitious material, commonly a blend of portland cement, fly ash, sand, and water, that is usually flowable and self-leveling at the time of pl...
The main intent of this research was to determine the feasibility of utilizing recycling bottom ash as CLSM (controlled low-strength material). CLSM is a cementitious material, commonly a blend of portland cement, fly ash, sand, and water, that is usually flowable and self-leveling at the time of placement. The durability characteristics of mixtures made bottom ash we compared with those of fly ash CLSM in order to evaluate the effectiveness and suitability of bottom ash as material in CLSM. A comprehensive evaluation of the bottom ash in CLSM and mix proportions indicated that the bottom ash are capable of performing as CLSM mixtures. The durability characteristic of CLSM incorporating the bottom ash under various physical and chemical causes of deterioration were investigated. Test results indicated that CLSM using bottom ash has acceptable durability performance. CLSM incorporating with bottom ash were also found to be environmentally safe.
The main intent of this research was to determine the feasibility of utilizing recycling bottom ash as CLSM (controlled low-strength material). CLSM is a cementitious material, commonly a blend of portland cement, fly ash, sand, and water, that is usually flowable and self-leveling at the time of placement. The durability characteristics of mixtures made bottom ash we compared with those of fly ash CLSM in order to evaluate the effectiveness and suitability of bottom ash as material in CLSM. A comprehensive evaluation of the bottom ash in CLSM and mix proportions indicated that the bottom ash are capable of performing as CLSM mixtures. The durability characteristic of CLSM incorporating the bottom ash under various physical and chemical causes of deterioration were investigated. Test results indicated that CLSM using bottom ash has acceptable durability performance. CLSM incorporating with bottom ash were also found to be environmentally safe.
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문제 정의
건조-습윤반복실험은 저강도 고유동 재료가 여름철 건조와 습윤이 반복되는 환경에 노출되었을 경우 수분 함유에 의한 팽창과 건조상태에서 수분 손실로 인한 수축에 의한 열화정도를 알아보기 위해서 실험을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 강도와 유동특성에서 유사한 특성을 나타내는 플라이애시만을 사용한 배합과 bottom ash를 첨가한 배합의 내구성능을 비교하여 보았다. 모든 배합은 28일 강도를 기준으로 인력에 의해 굴착가능한 강도(hand) 7 kgecm2이하, 백호와 같은 장비에 의한 굴착가능한 강도 (machine) 7 ~ 14kgf/cm2, 굴착이 불가능한 강도(non) 22 魇忱1恃이상으로 목표강도를 나누었으며 이러한 강도범위를 만족하는 배합은 예비실험을 통하여 Table 5와 같이도출하였다侦刀.
따라서 본 연구에서는 예비 실험을 통해 도출되어진 배합들을 이용하여 외부 환경변화에 따른 내구성능을 평가하기 위하여 투수성, 동결융해저항성, 건조-습윤 반복실험을 실시하여 외부환경에 대한 내구특성을 평가하였다. 또한 재료의 적용분야가 대부분 트렌치나 지중공극을 되메우는 분야에 적용되어짐에 따라 재료 자체에서의 중금속 이온의 용출에 의한 지하수의 오염가능성을 평가하기 위하여 회분식 용출시험을 실시하였다.
본 연구는 화력발전소에서 석탄 부산물로서 재활용 되어지지 못하고 매립처리되는 bottom ash를 저강도 고 유동재료에 플라이애시와 함께 사용함으로써 폐자원인 석탄회의 재활용율을 높이고 bottom ash를 혼합한 저강도 고 유동 재료의 내구성 및 환경영향 평가를 실시하였으며, 결과는 다음과 같다.
가설 설정
5) 본 연구의 결과를 살펴보면 저강도 고유동 재료는 외부환경에 대한 저항성은 크지 않다. 하지만 적용되는 분야가 주로 지중 되메움재로 사용됨에 따라 내구성능을 크게 고려하지 않아도 되며, 환경영향 평가결과 허용기준안을 만족하여 플라이애시와 bottom ash를 첨가한 저강도고 유동 재료의 사용은 환경적으로나 자원재활용 측면에서 매우 이롭다고 할 수 있다.
제안 방법
또한 재료의 적용분야가 대부분 트렌치나 지중공극을 되메우는 분야에 적용되어짐에 따라 재료 자체에서의 중금속 이온의 용출에 의한 지하수의 오염가능성을 평가하기 위하여 회분식 용출시험을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 강도와 유동특성에서 유사한 특성을 나타내는 플라이애시만을 사용한 배합과 bottom ash를 첨가한 배합의 내구성능을 비교하여 보았다. 모든 배합은 28일 강도를 기준으로 인력에 의해 굴착가능한 강도(hand) 7 kgecm2이하, 백호와 같은 장비에 의한 굴착가능한 강도 (machine) 7 ~ 14kgf/cm2, 굴착이 불가능한 강도(non) 22 魇忱1恃이상으로 목표강도를 나누었으며 이러한 강도범위를 만족하는 배합은 예비실험을 통하여 Table 5와 같이도출하였다侦刀. bottom ash를 사용한 경우의 non굴착은 bottom ash의 불균질한 성질로 인하여 강도의 차이가 나타날 것을 고려하여 균질한 성질을 나타내는 플라이애쉬만을 사용한 배합에 비하여 높은 강도의 배합을 선택하였다.
본 실험은 현재 규정된 실험방법이 없어 28일 습윤양생한 공시체를 12시간동안 23±2℃의 물속에서 포화시킨 후, 12시간동안 60℃의 오븐에서 건조시키는 것을 1싸이클로하여 총 25싸이클을 수행하였으며 압축강도 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 투수계수를 즉정하기 위해서 Fig. 1과 같은 시험장치를 이용하여 압력식 정수위 투수시험을 실시하였다. 시험은 압력기를 이용하여 물을 압송하여 cell 내로 압력을 가해지도록 하였고 시료가 포화될 때까지 계속적으로 압력을 가한 후 메스실린더를 이용하여 정해진 시간 내에 흘러나오는 수량을 측정하였다.
본 연구에서는 폐기물 공정시험 방법에 있는 용출시험방법에 따라 시험을 실시하였으며 시료 100g을 3차 증류수와 1:10 (W:V)의 비율로 2000ml 삼각플라스크에 넣어 혼합하였다. 혼합액은 상온, 상압에서 진탕 회수가 매분당약 200회 진폭이 4~5cm의 진탕기를 사용하여 6시간 연속 진탕한 다음 1.
1과 같은 시험장치를 이용하여 압력식 정수위 투수시험을 실시하였다. 시험은 압력기를 이용하여 물을 압송하여 cell 내로 압력을 가해지도록 하였고 시료가 포화될 때까지 계속적으로 압력을 가한 후 메스실린더를 이용하여 정해진 시간 내에 흘러나오는 수량을 측정하였다. 재료의 투수 정도에 따라 cell내로 가하는 압력을 1~6kg淇人杰범위에서 차이 있게 적용하였는데 여기서 압력 Ikgf/cife 10m의 수두 차를 의미하는 수치이다.
시험 공시체는 저강도 고유동 재료의 저강도 특성상 기준안 크기의 각주형 공시체를 적용하였을 경우 표면박리 현상으로 탄성계수 측정이 어려움에 따라 압축 강도용 공시체(50x50x50mm)를 다량 제작하여 동결융해 공시체로 사용하였다. 시험은 재령 28일에서 실시하였으며 KS 규정인 주파수를 이용한 상대 동탄성계수를 측정하지않고 본 연구에서는 5싸이클마다 공시체 3개의 일축 압축강도를 측정하여 싸이클에 대한 강도 변화율로 동결융해 저항성 정도를 나타내었으며 중량변화를 측정하였다.
bottom ash를 사용한 경우의 non굴착은 bottom ash의 불균질한 성질로 인하여 강도의 차이가 나타날 것을 고려하여 균질한 성질을 나타내는 플라이애쉬만을 사용한 배합에 비하여 높은 강도의 배합을 선택하였다. 실시되어진 내구성시험들은 재료의 성질이 저강도임에 따라 콘크리트에 적용되는 기준안을 그대로 적용하는데 어려움이 있어 실험방법을 약간 변형하여 실험하였으며 용출시험은 폐기물 공정시험 방법에 준하여 시험을 실시하였다.
저강도 고유동 재료에 대한 용출시험은 재령 7일과 28 일에서 공기 중 기건한 공시체와 23±2℃의 양생수조에서 양생한 공시체를 이용하여 주위의 수분에 의한 용출차이를 시험하였으며 재령에 따른 수소이온 농도 및 오염물질함량의 변화를 측정하였다.
혼합액은 상온, 상압에서 진탕 회수가 매분당약 200회 진폭이 4~5cm의 진탕기를 사용하여 6시간 연속 진탕한 다음 1.0㈣의 유리섬유여과지에 여과하고 적당량을 취하여 용출시험용 검액으로 하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 시멘트는 국내 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 품질 시험 결과는 Table 1 과 같다.
실시하였다9>. 시험 공시체는 저강도 고유동 재료의 저강도 특성상 기준안 크기의 각주형 공시체를 적용하였을 경우 표면박리 현상으로 탄성계수 측정이 어려움에 따라 압축 강도용 공시체(50x50x50mm)를 다량 제작하여 동결융해 공시체로 사용하였다. 시험은 재령 28일에서 실시하였으며 KS 규정인 주파수를 이용한 상대 동탄성계수를 측정하지않고 본 연구에서는 5싸이클마다 공시체 3개의 일축 압축강도를 측정하여 싸이클에 대한 강도 변화율로 동결융해 저항성 정도를 나타내었으며 중량변화를 측정하였다.
잔골재는 강모래를 사용하였으며 품질시험 결과는 Table 2와 같다.
이론/모형
저강도 고유동 재료의 동결융해 저항성을 알아보기 위하여 본 연구에서는 KS F 2456(급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법)중 B법(공기 중에서 급속 동결하여 수중에서 융해시키는 시험방법)을 이용하여 시험을 실시하였다9>;. 시험 공시체는 저강도 고유동 재료의 저강도 특성상 기준안 크기의 각주형 공시체를 적용하였을 경우 표면박리 현상으로 탄성계수 측정이 어려움에 따라 압축 강도용 공시체(50x50x50mm)를 다량 제작하여 동결융해 공시체로 사용하였다.
재료의 투수 정도에 따라 cell내로 가하는 압력을 1~6kg淇人杰범위에서 차이 있게 적용하였는데 여기서 압력 Ikgf/cife 10m의 수두 차를 의미하는 수치이다. 투수계수는 Darcy법칙에 의하여 다음과 같이 구하였다8).
성능/효과
1) 투수계수 시험결과는 모든 배합에서 점토와 실트질의 투수계수인 10 5~10 "m/sec의 범위를 나타내었다. 모든 굴착가능성별 배합에서 bottom ash를 사용한 배합이정제 플라이애시만을 사용한 배합에 비하여 투수계수가더 크게 나타나는데 이는 bottom ash의 입자형태가 다공성으로 인하여 내부의 공극이 다량 존재하기 때문으로 사료된다.
2) 동결융해 저항성 시험결과는 저강도로 인하여 동결융해에 대한 저항성은 좋지 않아 모든 배합에서 5싸이클 이전에 처음 강도의 60% 이내로 강도가 저하되었다. 또한 중량변화 측정결과와 육안 관찰결과 bottom ash를 첨가한 배합이 표면 스케일링으로 인한 부서짐 정도가 더 컸다.
3) 건조-습윤 반복시험결과 정제 플라이애시만을 사용한 배합에서는 반복횟수가 증가할수록 강도가 증가하여 배합설계 시 목표로 하는 굴착성을 넘어서는 결과가 나타났으나 bottom ash를 사용한 배합에서는 반복횟수가 증가하여도 강도의 증진정도가 적어 요구되는 굴착성의 강도를 넘지 않는 결과가 나타났다. 이러한 결과는 저강도고 유동 재료가 필요로 하는 굴착성을 유지한다는 점에서 bottom ash를 첨가한 배합이 정제 플라이애시만을 사용한 배합에 비하여 우수하다고 할 수 있다.
4) 폐기물 관리법 기준에서 플라이애시와 bottom ash는 일반폐기물로 분류되며 저강도 고유동 재료의 용출시험 결과 폐수배출허용기준에서 pH만을 제외하고는 모든 기준안을 만족하였다. 그러나 국내의 토양특성이 일반적으로 산성을 나타내므로 저강도 고유동 재료로부터 흘러나오는 침출수가 흙속을 통과하여 중성화 되는 효과를 고려하면 큰 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
배출되어지는。日 이온으로 인하여 재령 증가에 따라 pH는 증가하였으며 기건 양생 공시체에 비하여 수중양생 공시체의 pH가 더 높았다.
공시체들은 동결융해 싸이클이 증가됨에 따라 표면에 스케일링 현상이 발생하였으며 저강도의 배합에서는 표면 박리현상이 나타났다. 정제 플라이애시만을 사용한 배합에 비하여 bottom ash를 첨가한 배합의 공시체에서 표면 박리현상이 더 크게 발생하였다.
정제 플라이애시만을 사용한 배합에 비하여 bottom ash를 첨가한 배합의 공시체에서 표면 박리현상이 더 크게 발생하였다. 따라서 bottom ash를 첨가한 배합의 중량변화량이 더 크게 나타났으며 강도가 증가할수록 변화량이 적어 non 굴착배합에서는 그 양이 매우 적었다 상대 압축강도는 반복횟수가 증가할수록 크게 저하하여 5싸이클 이내에 모든 배합의 상대 압축강도가 60 %이하로 떨어졌다. 또한 굴착가능성별 배합들이 플라이애시만을 사용한 배합과 bottom ash를 첨가한 배합에서 거의 같은 경향을 나타내었다.
또한 중량변화 측정결과와 육안 관찰결과 bottom ash를 첨가한 배합이 표면 스케일링으로 인한 부서짐 정도가 더 컸다. 재료의 동결융해저항성은 나쁘게 나타났지만 사용 분야가 입상토 충전재를 대신하는 재료로서 저강도 고 유동 재료가 실트나 점토의 투수계수를 나타내는 점을 감안하였을 때 기존에 사용되는 입상토 충전재에 비하여 동결융해 저항성은 크게 문제가 되어지지 않을 것으로 본다.
투수계수 시험결과 각 굴착가능성별 배합에서 bottom ash를 첨가하지 않은 배합의 투수계수가 더 작은 수치를 나타내었다. 이는 bottom ash의 입자형태가 다공성이기 때문에 내부의 공극이 완전히 채워지지 않아 미소공극을 함유하고 있어 투수성이 더 큰 것으로 사료되어진다.
Brewer, W. E., "Durability Factors Affecting CLSM," SP 150-3, American Concrete Institute, Detroit, 1994, pp.39-51.
Ronald L. Larsen, "Sound Uses of CLSMs in the Environment," Concrete International, July, 1990, pp.26-29.
Nantung, T.E. and Scholer, C. F., "Freezing and Thawing Durability and Early Set and Strength Development of CLSM," SP150-4, American Concrete Institute, Detroit, 1994, pp.53-86.
Janardhanam and F. Bums, "Mix Design for Flowable Fly-Ash Backfill Material," Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 4, No.3, August, 1992, pp.252-263.
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