우리나라의 주물공장에서 발생되는 폐주물사는 연간 80만 톤 정도로서 90 %이상이 매립되고 있으므로 토양 덴 지하수 오염 문제로 인한 피해가 우려된다. 또한, 폐기물관리법이 크게 강화됨으로써 폐주물사의 재활용 방안에 대한 대책 수립이 절실히 요망된다. 본 연구에서는 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구의 일환으로 폐주물사의 품질 및 폐주물사를 대체한 모르타르 및 콘크리트의 물성에 관한 실험결과에 대하여 고찰하였다. 폐주물사의 비중은 천연골재와 비슷하였으나, 단위용적 중량 및 실적률은 작았으며, 흡수율이 다소 큰 문제점이 있었다. 폐주물사의 입도는 천연골재로서 적정비율로 대체, 유해원소 및 유기불순물은 세척처리 함으로써 콘크리트용 잔골재로 사용 가능하였다. 폐주물사 대체 모르타르의 유동성은 보통모르타르와 비교하여 약간 떨어졌으나, 압축강도는 대체율 20 %에서 크게 나타났다. 한편, 폐주물사 대체 콘크리트의 응결시간은 보통콘크리트보다 약간 빨랐으나, 블리딩률은 오히려 작았으며, 슬럼프 손실률이 다소 큰 문제점은 있었다. 그러나 폐주물사를 30 % 대체한 콘크리트의 압축, 인장강도 및 탄성계수는 재령에 관계없이 좋은 결과를 나타내었다.
우리나라의 주물공장에서 발생되는 폐주물사는 연간 80만 톤 정도로서 90 %이상이 매립되고 있으므로 토양 덴 지하수 오염 문제로 인한 피해가 우려된다. 또한, 폐기물관리법이 크게 강화됨으로써 폐주물사의 재활용 방안에 대한 대책 수립이 절실히 요망된다. 본 연구에서는 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구의 일환으로 폐주물사의 품질 및 폐주물사를 대체한 모르타르 및 콘크리트의 물성에 관한 실험결과에 대하여 고찰하였다. 폐주물사의 비중은 천연골재와 비슷하였으나, 단위용적 중량 및 실적률은 작았으며, 흡수율이 다소 큰 문제점이 있었다. 폐주물사의 입도는 천연골재로서 적정비율로 대체, 유해원소 및 유기불순물은 세척처리 함으로써 콘크리트용 잔골재로 사용 가능하였다. 폐주물사 대체 모르타르의 유동성은 보통모르타르와 비교하여 약간 떨어졌으나, 압축강도는 대체율 20 %에서 크게 나타났다. 한편, 폐주물사 대체 콘크리트의 응결시간은 보통콘크리트보다 약간 빨랐으나, 블리딩률은 오히려 작았으며, 슬럼프 손실률이 다소 큰 문제점은 있었다. 그러나 폐주물사를 30 % 대체한 콘크리트의 압축, 인장강도 및 탄성계수는 재령에 관계없이 좋은 결과를 나타내었다.
The amount of $CO_2$-silicate bonded waste foundry sand(WFS) occurred in Korea is over 800,000 ton per year. WFS, as a by-product, is generated through manufacturing process of foundry may affect our environmental contamination, The reason is that WFS has been buried itself not less than ...
The amount of $CO_2$-silicate bonded waste foundry sand(WFS) occurred in Korea is over 800,000 ton per year. WFS, as a by-product, is generated through manufacturing process of foundry may affect our environmental contamination, The reason is that WFS has been buried itself not less than 90% out of total WFS. So, it can give damage on the ground of contamination in soil and underwater. Therefore, it is necessary to establish the method recycling WFS because of being intensified waste management law. In this study, we performed the research with respect to harmful component analysis, the qualities of WFS mortar and concrete mixed with WFS. As the results the specific gravity of WFS is the same as that of natural aggregate while unit weight and percentage of solids of WFS are smaller than those of it. But it is found that WFS can be used by substituting WFS for natural aggregate after control of poor grade of WFS. The flowability of mortar and concrete with WFS is inferior to those of natural aggregate, and the setting time of concrete with WFS is faster than that with only natural aggregate, On the contrary, the bleeding of concrete with WFS is shown good result, and compressive and tensile strength of concrete substituted WFS for 30% are higher than those with only natural aggregate regardless of elapsed time.
The amount of $CO_2$-silicate bonded waste foundry sand(WFS) occurred in Korea is over 800,000 ton per year. WFS, as a by-product, is generated through manufacturing process of foundry may affect our environmental contamination, The reason is that WFS has been buried itself not less than 90% out of total WFS. So, it can give damage on the ground of contamination in soil and underwater. Therefore, it is necessary to establish the method recycling WFS because of being intensified waste management law. In this study, we performed the research with respect to harmful component analysis, the qualities of WFS mortar and concrete mixed with WFS. As the results the specific gravity of WFS is the same as that of natural aggregate while unit weight and percentage of solids of WFS are smaller than those of it. But it is found that WFS can be used by substituting WFS for natural aggregate after control of poor grade of WFS. The flowability of mortar and concrete with WFS is inferior to those of natural aggregate, and the setting time of concrete with WFS is faster than that with only natural aggregate, On the contrary, the bleeding of concrete with WFS is shown good result, and compressive and tensile strength of concrete substituted WFS for 30% are higher than those with only natural aggregate regardless of elapsed time.
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문제 정의
부족하다고한다。그래서 주물공장에서 폐기물로 발생되는 (X》형 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구에 착안하게 되었다.
또한, 폐주물사가 콘크리트용 잔골재로 사용 가능 여부를 평가하기 위하여 폐주물사 대체 콘크리트의 응결시간, 블리딩률, 워커빌리티, 압축, 인장강도 및 탄성계수를 측정한 결과에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 국내에서 점차 증가추세로 발생되는 CO2 형 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구의 일환으로 폐주물사의 비중, 흡수율, 입도 유기불순물 및 유해원소 등 품질에 대하여 천연골재와 비교 평가하였다. 그리고 천연골재를 폐주물사로 대체한 모르타르의 유동성 및 강도 등 물성에 대하여 고찰하였다.
그래서 세척왕사를 폐주물사로 30, 40 및 50% 대체하므로써 표준입도곡선을 만족흐}는 입도분포를 나타내는 좋은 결과를 나타냈기 때문에 본 논문에서는 세척왕사를 폐주물사로 대체하게 되었다.
그리고 천연골재를 폐주물사로 대체한 모르타르의 유동성 및 강도 등 물성에 대하여 고찰하였다.
물—시멘트비 go%, 단위시멘트량 600g, 단위수량 360g 으로 정하여 플로우값 100±5 %를 목표로 모르타르를 제조한 후, KS F 2514에 의하여 모르타르의 플로우값 및 압축강도를 측정하였다.
폐주물사로 잔골재와 대체한 콘크리트의 슬럼프 값 및 공기량을 각각 12±1.5cm 및 4.5+1 % 목표로 정하여 콘크리트를 제조하였으며, 사용된 감수제 및 AE제 양을 나타낸 것이 Fig. 13이다. 이 그림에서 폐주물사의 대체율이 증가함에 따라 감수제 및 AE제의 사용량이 각각 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다.
표준 양생한 재령 28일의 모르타르 공시체를 건조로에서 105±5 ℃로 24시간 건조시켜 비중 및 흡수율을 측정하였다.
한편, 모르타르의 공극량을 간접적으로 알아보기 위하여 5x5x5 cm인 공시체를 105±5 ℃로 건조시킨 후 Hall의 시험 방법®을 참고로 하여 Fig. 1과 같이 공시체 한쪽 면을 물에 48시간 동안 침지시킨 후 경과시간 180분까지의 흡수율을 측정하였다
따라서 폐주물사를 잔골재와 0, 10, 20, 30, 40 및 50%로 대체한 모르타르의 배합을 Table 6과 같이 선정하였다. 한편, 콘크리트의배합은 모르타르의 실험결과를 토대로 하여 Table 7과 같으며, 이때 압축강도 300kgfcm2 정도의 콘크리트를 제조하기 위하여 물-시멘트비 50%, 목표 슬럼프 및 공기량을 각각 12+1.5cm 및 4.5±1%로 정하였다
대상 데이터
잔골재는 주문진산 표준사 (SS)와 바다모래를 세척한왕사(washed coarse sand, WCS 및 왕사), 세척중사 (washed medium sand, WMS 및 중사) 및 부순모래 (crushed sand, CRSX 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 25nm인 부순골재로서 물리적 성질은 Table 2와 같다
주성분이 calcium ligno sulphonate계인 감수제(이하 WA)와 공기연행제(이하 AEA)를 병용하여 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질은 Table 5와 같다.
이론/모형
주물을 제작한 후 폐기처분된 폐주물사가 인체 및 환경에 유해한 원소성분을 함유하고 있는지 여부를 알아보기 위하여 Ca, Mg는 원자흡광 광도법 (atomic absorption spectrcphotometiy, AA)을 이용하였으며, 그 외의 원소는 유도결합 플라즈마 질량 분석법(inductively cupled plasma spectroscopy, ICP-MS)을 이용하여 정량적인 분석을 실시하였다.
폐주물사를 사용한 콘크리트의 경과시간에 따른 슬럼프 손실 정도를 알아보기 위하여 믹싱 직후 0, 30, 60 및 90분에 슬럼프 값을 KS F 2402에 의하여 측정하였다.
폐주물사를 사용한 콘크리트의 응결시간 및 블리딩은 각각 KS F 2436 및 KS F 2414에 의하여 측정하였다.
성능/효과
1) 폐주물사의 비중 및 흡수율은 각각 2.60과 2.30 %로서, 비중은 천연골재와 비슷하였으나 흡수율은 컸으며, 단위용적 중량 및 실적률은 작았다. 한편, 입도분포는 표준 입도를 벗어나므로 천연골재를 적정비율로 대체하므로써 잔골재로 사용 가능하였다.
3) 폐주물사 대체율의 증가에 따른 콘크리트의 초결 및 종결 시간은 폐주물사 입자 표면에 존재하는 규산소다의 반응으로 보통콘크리트보다 30분 정도 빨랐다. 한편, 폐주물사 대체 콘크리트의 블리딩률은 경과시간 3시간에서 보통콘크리트의 경우 4.
4) 폐주물사 대체 콘크리트의 목표 슬럼프값과 공기량을 확보하기 위하여 혼화제의 양이 많이 요구되었으나, 슬럼프 손실률은 보통콘크리트보다 오히려 증가하였다. 그러나, 폐주물사를 30 % 대체한 콘크리트의 압축 및 인장강도는 재령에 관계없이 가장 컸으며, 압축강도 증가와 더불어 인장강도 및 탄성계수도 선형적으로 증가하였다.
그러나 본 실험에 사용된 폐주물사의 옅은 농황색은 세척처리 등에 의하여 콘크리트용 골재로 사용 가능하다고 판정되었다.
그러나, 폐주물사를 30 % 대체한 콘크리트의 압축 및 인장강도는 재령에 관계없이 가장 컸으며, 압축강도 증가와 더불어 인장강도 및 탄성계수도 선형적으로 증가하였다.
'이 표에서 인체에 유해한 Cd(카드뮴)은 검출되지 않았으며, As(비소), Cr(크롬), Cu(구리) 및 Pb(납)등은 폐기물 관리법 9)에서 규정하고 있는 규제값 이하로 나타났다. 따라서 본 연구에서 사용된 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 활용할 경우, 인체 또는 환경에 나쁜 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
2 로서, 이 그림에서 피크강도가 가장 큰 것이 Si以였으며, FezOs 및 AI2Q3의 순으로 나타났다. 또한 폐주물사의 XRF 분석에 의한 화학성분 중 SiQ가 囹 %이상인 Table 3의 결과와도 잘 일치함으로써 콘크리트용 골재로서 사용가능함을 확인하였다.
또한, 이들 5종류 골재의 단위용적중량과 실적률과의 관계를 나타낸 것이 Fig. 4이며, 이 그림에서 알 수 있듯이 폐주물사의 경우, Fig. 3의 비중과 흡수율과의 관계와는 달리 폐주물사를 포함시키더라도 결정계수 98 %로 매우 좋은 비례관계를 나타내었다.
본 연구에 사용된 폐주물사의 품질은 천연골재와 비교하여 다소 떨어졌으나, 천연골재와 적절히 대체하여 사용함으로써 충분히 개선 가능하다고 판단되었다. 한편, 폐주물사를 잔골재와 50 %까지 대체한 모르타르 및 콘크리트의 물성실험결과, 유동성은 보통콘크리트와 비교하여 약간 떨어졌으나, 강도 면에서는 오히려 좋은 결과를 얻었다.
이 그림에서 알 수 있듯이 재령에 관계없이 폐주물사의 대체율 30%에서 압축 및 인장강도 값이 가장 컸으며, 왕사만을 사용한 콘크리트와 비교하여 압축 및 인장강도는 각각 8 % 및 4 % 정도 큰 값임을 알 수 있다. 폐주물사 30 % 대체한 콘크리트의 압축 및 인장강도가 가장 큰 이유는 폐주물사 입자 표면에 있는 규산소다가 강도 발현을 촉진시켰을 뿐만 아니라 폐주물사의 입도 분포가8 콘크리트의 공극을 최소화하는데 영향을 미쳤다고 생각된다.
이 그림에서 폐주물사의 대체율이 증가함에 따라 경과 시간별 블리딩률이 감소함을 알 수 있으며, 경과시간 3시간에서 블리딩률은 왕사만을 사용한 콘크리트 4.65 % > 폐주물사 30% 대체한 콘크리트 3.10% > 폐주물사 50% 대체한 콘크리트 2.40% 순으로 나타났다.
5이다. 이 그림에서 폐주물사의 입도곡선은 콘크리트 표준시방서 골재의 체가름 시험방법 KS F 2502에서 정하는 잔골재의 표준입도 범위를 약간 벗어날 뿐만 아니라 잔입자가 많은 조립률 2.39를 나타내었으나, 일반적인 콘크리트용 잔골재의 조립률 2.30~3.10의 범위 내에 있음을 알 수 있다
이 표에서 알 수 있듯이 폐주물사의 비중은 2.60, 흡수율은 2.30 %로서 KS F 2526, “콘크리트용 골재”에서 규정하고 있는 콘크리트용 잔골재의 비중 2.50 이상, 흡수율 3.0 % 이하의 값임을 알 수 있었다.
이번에는 폐주물사로 대체한 모르타르의 흡수율을 경과 시간별 및 대체율별로 정리한 것이 Fig. 9이며, 경과시간 180분에서 왕사만을 사용한 모르타르의 흡수율을 폐주물사로 대체한 모르타르와 비교해보면 대체율이 증가할 수록흡수율이 약간 커지는 경향을 나타내었다.
폐주물사를 천연 잔골재와 100 %까지 대체한 모르타르의 예비실험 결과로부터 폐주물사의 적정 대체율이 50% 정도까지의 범위에 해당됨을 확인하였다. 따라서 폐주물사를 잔골재와 0, 10, 20, 30, 40 및 50%로 대체한 모르타르의 배합을 Table 6과 같이 선정하였다.
한편, 폐주물사로 대체한 모르타르의 대체율별 및 재령별 압축강도가 약간 상이하였으며, 대체율 20 %에서 재령에 관계없이 가장 큰 압축강도 값을 나타내었다. 그러나 초기재령 3 및 7일에서는 폐주물사의 대체율이 증가할수록 모르타르의 압축강도가 왕사만을 사용한 경우보다 약간 작음을 알 수 있다.
충분히 개선 가능하다고 판단되었다. 한편, 폐주물사를 잔골재와 50 %까지 대체한 모르타르 및 콘크리트의 물성실험결과, 유동성은 보통콘크리트와 비교하여 약간 떨어졌으나, 강도 면에서는 오히려 좋은 결과를 얻었다.
후속연구
2) 폐주물사 대체율의 증가에 따른 모르타르의 유동성은 보통모르타르와 비교하여 약간 떨어지므로 잔골재량을 줄이는 등 대책이 요망된다. 한편, 폐주물사 대체 모르타르의 압축강도는 대체율 20 %에서 재령에 관계없이 가장컸으나, 초기 재령에서는 폐주물사의 대체율이 증가할수록 압축강도가 보통모르타르보다 약간 작았다.
폐주물사를 매립하므로써 야기되는 토양 및 지하수 오염과 같은 2차 환경오염 문제로 인한 피해가 우려되므로 폐주물사를 부가가치가 높은 콘크리트용 잔골재로 재활용하기 위한 연구가 요망된다.
현재 폐주물사를 잔골재로 활용한 콘크리트의 백화현상, 중성화, 동결융해 저항성 및 내약품성 등과 관련된 연구를 수행 중이므로 이들 연구결과에 대한 충분한 검토 이후 실용화가 가능할 것으로 생각된다.
참고문헌 (15)
한국경제신문, “건설현장 모래 품귀,” 2001. 12. 5. bada@hankyung.com.
American Foundrymen's Society, "Alternate Utilization of Foundry Sand," Report to Illinois Department of Commerce and Community Affairs, Chicago, 1991.
Tarun R. N., et. al, "Application of Foundry By-Product Materials in Manufacture of Concrete and Masonry Products," ACI Materials Journal, Vol. 93, No. 1, 1996, pp.41-50.
Paul T., Mike G., and Ray Regan, "Properties of Controlled Low Strength Material Containing Foundry Sand," ACI Materials Journal, Vol. 97, No. 6, 2000, pp.698-702.
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