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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 하수슬러지의 매립 금지로 인해지속적으로 증가되는 소각 처리 방법의 부산물인 하수슬러지 소각재를 재활용한 신개념 건설 소재를 개발하여 부족한 천연자원을 대체하고, 고도의 폐기물 자원화 기술 확보 및 2차 환경오염 문제를 근본적으로 해결 하고자 하였다.
- 본 연구에서는 하수슬러지 소각재를 시멘트 대체 자원으로 개발하기 위하여 하수슬러지 소각재의 재료적 실험을 통해 경화 메커니즘을 구명하였고, 하수 슬러지 소각재 모르타르를 제작하여 적정 배합비 및 일축압축강도, 기공률, 건조수축량 등의 역학적 특성을 구명하였다.
- 하수슬러지 소각재를 친환경 건설 소재로 개발하기 위하여 재료적 특성과 모르타르 경화체의 물리적 및 역학적 특성에 대하여 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- CaO)를 혼화재로 사용하다. 강도 증진과 내구성 증진을 위해 고로슬래그 (blast furnace slag, BFS)의 첨가량을 변화시킨 배합들의 압축강도를 비교하였다.
- 시험체의 건조수축 측정을 KS F 2424에 재령 1, 4, 8주 및 3, 6, 9, 12개월로 규정되어 있으나, 하수슬러지 소각재의 높은 흡수율의 영향으로 초기 건조수축이 클 것으로 예상되어, 선행 연구3)의 실험 방법을 바탕으로 탈형 후 1일간 건조로에서 건조양생한 후 처음 1일간은 12시간 간격, 이후 재령 7일까지는 1일 간격, 재령 10일, 14일, 17일, 21일, 28일을 측정 시간으로 정하였다. 규정된 측정 시간마다 공시체를 다이얼게이지로 측정하고, 그 길이를 표준척을 사용하여 보정하였다.
- 하수슬러지 소각재를 길이 변화 측정용 몰드에 타설하고, 90℃ 건조 양생하였다. 시험체의 건조수축 측정을 KS F 2424에 재령 1, 4, 8주 및 3, 6, 9, 12개월로 규정되어 있으나, 하수슬러지 소각재의 높은 흡수율의 영향으로 초기 건조수축이 클 것으로 예상되어, 선행 연구3)의 실험 방법을 바탕으로 탈형 후 1일간 건조로에서 건조양생한 후 처음 1일간은 12시간 간격, 이후 재령 7일까지는 1일 간격, 재령 10일, 14일, 17일, 21일, 28일을 측정 시간으로 정하였다. 규정된 측정 시간마다 공시체를 다이얼게이지로 측정하고, 그 길이를 표준척을 사용하여 보정하였다.
- 알칼리 활성화 하수슬러지 소각재 모르타르의 안정성을 평가하기 위하여 제작된 재령 28일에 모르타르 기공률을 측정하였다.
- 하수슬러지 소각재를 변수에 따라 KS L 5109, 수경성 시멘트페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합 방법, 을 참고하여 50 x 50 x 50mm의 각주형 시험체를 제조하였다. 양생방법은 20의 공기중 양생과 90℃의 건조양생을 실시하였다. 하수슬러지 소각재와 Ca (OH%의 반응성을 알아보기 위해 하수슬러지 소각재에 생석회 및 고로슬래그 치환양을 0~20%로 변화하여 시험체를 제작한 후, 양생방법별 재령 3, 7, 14, 28일 압축강도를 측정하였다.
- 기공률을 측정하였다. 측정 방법은 재령 28일 이상의 알칼리 활성화 하수슬러지 소각재 모르타르를 80~90℃ 에서 24시간 이상 건조시켜 무게 (Wi)를 측정하고, 끓는 물에 2시간 동안 넣어둔 다음 상온이 될 때까지 방냉한후 모르타르를 꺼내어 물기 제거 후 무게 (WD를 측정하고, 측정값을 이용하여 아래의 식에 의해 겉보기 기공률을 구하였다.
- 플라이애쉬나 화산재와 같이 높은 온도에서 소각된 하수 슬러지 특성은 포졸란 특성 및 안정된 유리질 구조로 판단하고, 선행 연구'的를 통해 알칼리 활성제로서 수산화나트륨 (NaOH)을 사용하여 모르타르를 제작하였다. 또한, 하수슬러지 소각재의 모르타르 제작에 있어 잔골재는 비중 2.
- 하수슬러지 소각재 모르타르의 강도 증진을 위하여 Table 3의 고로슬래그가 첨가된 배합에 알칼리 활성화제 비율을 12~24% 올려 모르타르를 제작한 후 재령 28일 압축강도를 측정하였다. Fig.
- 같이 배합하였다. 하수슬러지 소각재를 변수에 따라 KS L 5109, 수경성 시멘트페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합 방법, 을 참고하여 50 x 50 x 50mm의 각주형 시험체를 제조하였다. 양생방법은 20의 공기중 양생과 90℃의 건조양생을 실시하였다.
- 양생방법은 20의 공기중 양생과 90℃의 건조양생을 실시하였다. 하수슬러지 소각재와 Ca (OH%의 반응성을 알아보기 위해 하수슬러지 소각재에 생석회 및 고로슬래그 치환양을 0~20%로 변화하여 시험체를 제작한 후, 양생방법별 재령 3, 7, 14, 28일 압축강도를 측정하였다.
- 하수슬러지 소각재의 건설 소재 개발을 위한 기초 단계로 하수슬러지 소각재의 화학적 조성, 시료의 pH, 중금속 용출시험, X선회절분석 (XRD), 전자현미경분석 (SEM) 등을 통해 재료적 특성을 파악하고, 모르타르를 제작하여 기공률 및 변수별 압축강도 측정을 통해 적정 배합을 찾았으며, 마지막으로 모르타르의 건조수축 측정을 통해 하수슬러지 소각재 모르타르의 물리적 특성을 알아보았다.
- 하수슬러지 소각재의 재료적 특성 파악을 위해 성분 분석기를 이용하여 화학적 조성을 조사하였고, 하수슬러지의 소각 후 유해물질을 파악하기 위해 H연구원에 의뢰하여 하수슬러지 소각재에 대한 중금속용출시험 (KS M 1426)을 시행하였다.
- 하수슬러 지 소각재 의 알칼리 활성 화 반응 전. 후의 입자 모양과 형태, 알칼리 활성화 반응 후의 화합물 조성 등을 통해 경화 메커니즘에 접근하기 위하여 전자현미경 (SEM, J사의 JSM-6700F)과 X선 회절분석기 (XRD, R 사의 D/MAX RINT 2000)를 통하여 그 특성 및 수화 생성물을 확인해 보았다.
대상 데이터
- 실시하였다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 공시체의 크기는 25 x25 X 310mm 로서 양단에 길이 변화 측정용 스터드 (stud)를 매설하였으며 각 배합비마다 3개씩 제작하였다. 하수슬러지 소각재를 길이 변화 측정용 몰드에 타설하고, 90℃ 건조 양생하였다.
- 제작하였다. 또한, 하수슬러지 소각재의 모르타르 제작에 있어 잔골재는 비중 2.6, 조립률 2.9인 국내 표준사를 사용하였으며 그 특징은 Table 2에서 보여주고 있다.
- 본 실험에서 사용한 하수슬러지 소각재 (sewage sludge, SS)는 서울의 9개 구와 광명시의 하수를 처리하는 서남하수처리장 내 소각장에서 채취한 것으로 하수슬러지의소각재는 수분함량이 80%인 탈수케익 상태의 슬러지를유동층 방식 (Table 1)으로 850℃에서 소각한 시료이다.
이론/모형
- Table 3의 모든 배합비에 대하여 KS F 2424 '모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법, 에서 콘크리트 규정에 준하는 방법에 따라 길이 변화 실험을 실시하였다. Fig.
- 6으로 중성에 가까운 값을 나타내었다. 시험은 폐기물 공정시험 법상 고상 폐기물 pH 시험 방법에 따라 실시하였다. 시험 결과, 대부분의 소각재들이 강알칼리성의 성질을 갖는 것과 비교할 때 다량의 에트린자이트 생성을 통해 활발한 경화 반응을 유도하기 위해 알칼리 자극제의 사용이 필요한 것으로 판단되었다.
- 알칼리 활성화 하수슬러지 소각재 모르타르의 유해물질 유출정도와 수분의 외부로부터 침투 정도, 내화물의 침식 등의 정도를 알아보기 위하여 KS L 3114 내화 벽돌의 겉보기 기공률 흡수율 및 비중 측정 방법에 준하는 방법으로 기공률을 측정하였다. 측정 방법은 재령 28일 이상의 알칼리 활성화 하수슬러지 소각재 모르타르를 80~90℃ 에서 24시간 이상 건조시켜 무게 (Wi)를 측정하고, 끓는 물에 2시간 동안 넣어둔 다음 상온이 될 때까지 방냉한후 모르타르를 꺼내어 물기 제거 후 무게 (WD를 측정하고, 측정값을 이용하여 아래의 식에 의해 겉보기 기공률을 구하였다.
- 압축강도 실험은 모든 배합비에 대해 KS F2405 '콘크리트의 압축강도 시험 방법, 의 규정 방법에 따라 실험을 시행하였다.
- 하수슬러지 소각재의 중금속용출시험은 H연구원에 의뢰하여 폐기물 공정 시험법에 의한 방법으로 Table 6와같이 유해 성분이 모두 기준치 이하였다. 또한 Table 6 의 시험성적서에서 나타나듯이 강열감량이 1.
성능/효과
- 2(b)는 하수슬러지 소각재에 생석회를 첨가하여 알칼리 활성화 반응을 시켰을 때의 SEM 촬영으로 Fig. 2(a)와 비교하였을 때 입자상의 공극이 많이 줄어들었고, 입자 자체의 공극 사이에 수화물이 채워지는 것을 확인할 수 있었다.
- 1) 서남하수처리장 하수슬러지 소각재 성분을 확인한 결과, 중금속 함유율은 모두 기준치 이하로 안정성을 나타났으며, SiO2 + Al2O3 + CaO 성분량은 미국재료실험학회 규격의 포졸란 물질 활성도의 기준인 70% 이상으로 나타나 포졸란 물질로 판단되었다. 2) 하수슬러지 소각재의 SEM 및 XRD 촬영 결과, 하수슬러지 소각재를 알칼리 화학반응한 결과, 포졸란 반응의 주요 성분인 Ca(OH)2가 생기지 않음에 따라 하수슬러지 소각재 자체에는 CaO 성분이 매우
- 3) 하수슬러지 소각재 모르타르 압축강도는 생석회와 고로슬래그의 치환량이 각각 소각재의 약 20% 일 때 높은 값을 나타내었다. 특히 고로슬래그의 치환량이 압축강도 증가에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
- 4) 하수슬러지 소각재 모르타르의 건조수축 변형률은 270~32(以10-6으로 일반 시멘트나 플라이애쉬 경화체의 건조수축 변형률에 비하여 상당히 작은 변형률이 나타났다. 이것은 50% NaOH에 포함된 물만으로 모르타르를 제작하였기 때문에 물비가 낮아 건조수축 변형률이 낮게 나타난 것으로 판단된다.
- 5) 하수슬러지 소각재 모르타르의 기공율 측정 결과, 기공율은 약 7~10% 정도의 분포로 생석회와 고로슬래그의 첨가량이 많을 수록 낮은 기공률을 보였다. 이는 생석회와 고로슬래그의 포졸란반응에 의해 수화물이 치밀해져 내부 공극이 줄어들기 때문인 것으로 판단된다.
- Fig. 12와 같이 알칼리 활성화 하수슬러지 소각재 모르타르의 기공율은 7~10%의 분포를 보였고, 압축강도와 비교하여 보았을 때 기공율이 낮을수록 강도가 증진되는 특징을 보였다. 이는 높은 강도의 배합들이 내부 반응이 더욱 활발히 일어나 수화생성물이 많아지면서 공극이 치밀해 지는 것으로 판단된다.
- 12 MPa를 나타내었는데, 이는 NaOH비가 일정 비율 이상으로 들어가게 되면 물-결합재비의 증가로 인해 오히려 강도 저하의 원인이 된다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 배합의 결과를 토대로 NaOH의 적정 배합은 전체 중량의 20~23% 정도가 적당한 것으로 판단된다. 알칼리 활성화 반응에서 중요한 요소인 NaOH는 하수슬러지 소각재 모르타르의 입자 표면을 부식시켜 Na와 Si, Al, Fe, Ca등과 반응하여 입자 표면에서 내부로 수화생성물을 만드는 작용을 한다.
- 2(c)는 고로슬래그를 추가한 것으로 입자 자체의 공극이 확연히 줄고 입자 주위에 수화생성물로 덮여 견고히 되어지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 생석회와 고로슬래그는 하수슬러지 소각재의 경화 과정에서 강도증가의 주요한 첨가물이 될 것으로 판단되었다.
- 변수별 압축강도 측정값 중 높은 값을 나타낸 실험배합비를 이용하여 NaOH의 적정량을 알아본 결과, 알칼리 활성화 하수슬러지 소각재는 수경성이 약한 물질로써 물은 오히려 강도 저하의 원인이 될 것으로 판단되어서 본 실험에서는 적정 배합비를 위하여 물-결합재비를 최대한 낮추고 NaOH 양을 늘렸다.
- 본 연구에서는 건조수축 측정 결과, Fig. 9와 같이 알칼리 활성화 하수 슬러지 소각재 모르타르는 건조수축변형률이 270~320xl(y6이었다. 다른 사람들 연구에서 일반 콘크리트의 건조수축변형률 400~700x10-6과 비교해보면 약 3배이고, 시멘트페이스트는 수배로'증가하며, 플라이애쉬 경화체의 건조수축 변형률은 재령 28일까지 550~660x1 甘을 나타내는 것 *과 비교하였을 때 매우 적은 변형률을 보여주고 있다.
- 부족하여 활발한 포졸란반응성을 갖기에 불리한 것으로 보이며, 이에 포졸란반응의 활성화를 위해 생석회를 치환한 경우, 다량의 Ca(OH)2가 생성되는 것으로 나타났다.
- 낸다. 수화생성물인 Ca(OH)2은 상온에서 SiO》AIQr CaO 등으로 이루어진 또다른 수화생성물과 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 C-S-H 또는 C-A-H 형태의 수화물 등을 생성하여 강도발현을 하는 것으로 나타났다.
- 시험은 폐기물 공정시험 법상 고상 폐기물 pH 시험 방법에 따라 실시하였다. 시험 결과, 대부분의 소각재들이 강알칼리성의 성질을 갖는 것과 비교할 때 다량의 에트린자이트 생성을 통해 활발한 경화 반응을 유도하기 위해 알칼리 자극제의 사용이 필요한 것으로 판단되었다.
- 8에서 보이듯이 NaOH의 비율을 12~24% 증가시킨 후 재령 28일 강도가 전체적으로 향상되었다. 이 중 S2C4B2-2 모르타르보다 S2C4B2-1 모르타르가 가장 높은 강도인 42.12 MPa를 나타내었는데, 이는 NaOH비가 일정 비율 이상으로 들어가게 되면 물-결합재비의 증가로 인해 오히려 강도 저하의 원인이 된다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 배합의 결과를 토대로 NaOH의 적정 배합은 전체 중량의 20~23% 정도가 적당한 것으로 판단된다.
- 높은 값을 나타내었다. 특히 고로슬래그의 치환량이 압축강도 증가에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이는 고로슬래그가 잠재수경성 성질을 가지고 있어 물과 만나면 강한 포졸란반응성을 가져오기 때문으로 판단된다.
- 05%로 기준을 만족하고 있다. 하수슬러지 소각재를 성분별로 확인해보면, 실리카 (SiOj 성분은 47.05%로써 KS에 규정된 포졸란 물질의 기준 45% 이상 보다 조금 높게 나왔으나, 포졸란 반응에서 주요한 성분중 하나인 CaO 함량은 6.72%로 매우 저조하게 나와 보다 활발한 포졸란반응을 유도하기 위해서는 화학적 변화가 필요한 것으로 판단되었다.
후속연구
- 한편, 국내 하수슬러지의 발생량은 2004년 말 기준으로 전국 268개 하수종말처리시설에서 연간 2, 426, 070톤이 발생하여 육상매립 및 해양투기를 80% 이상, 소각을 12% 정도 하고 있으며, 농지환원이나 조경 등 재 이용은 약 5% 에 그치고 있다. 그러나 슬러지의 육상매립은 2003년도 이후 완전 금지되어 현재 80% 이상의 슬러지를 해양 배출에만 의존하고 있으나, 런던덤핑협약에 의해 앞으로 5년 안에 해양 투기가 제한될 예정이다. 국내 연구는 전 무한실정이며, 국외동향을 살펴보면 일본은 "metro brick, 라불리는 벽돌, 하천공사 석재를 만들며, 미국에서는 4Naturite TM, 라 명명된 인공토가 토양개량제, 매립지복토재, 경사지녹화토 등으로 다양하게 이용되어지고 있다.
- 본 연구 결과와 같이 적정한 강도 발현의 가능성과 건조수축 등의 유리한 점을 고려할 때 하수슬러지 소각재는 알칼리 활성화에 의해 포졸란반응성을 갖는 경화 체로 활용될 수 있음을 알 수 있었고, 추후 소각 기술의 지속적 기술 개발로 하수슬러지 소각재의 지역, 계절 등에 관계없이 특성 및 성분을 규격화 할 수 있다면 시멘트 대체재로서의 기능을 충분히 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.
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