도시와 산업의 급속한 성장에 따라 폐기물의 발생량이 급증하고 있어 그 처리가 중요한 문제로 대두되고 있다. 현재 폐기물 처리에 대한 국내의 정책방향은 폐기물의 발생 자체를 억제하고, 기 발생된 폐기물은 적절한 환경적 처리를 거쳐 재활용하는 자원순환형 폐기물 관리체계로 정착되어 가는 추세이기 때문에 폐기물 및 산업부산물의 재활용이 크게 부상되고 있다. 대량으로 발생되는 폐기물의 하나인 폐석고는 지정폐기물로 분류되어 왔으나, 1994년 이후에는 일반폐기물로 분류되었으며, 처리비용 및 불순물 제거기술 부족 등으로 재활용이 극히 미비하였다. 그러나 최근들어 반건식 탈황공정 등을 이용한 불순물 제거기술이 개발되어 폐석고의 재활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 폐석고를 콘크리트용 시멘트 대체재로의 활용 가능성을 규명하고 적정대체율을 도출하기 위하여 볼밀처리 전 후의 폐석고의 특성을 분석하였으며, 시멘트 사용량의 0, 5.0, 7.5, 10.0 및 12.5%를 폐석고로 대체한 콘크리트 시험체에 대한 강도 및 특성시험을 수행하였다.
도시와 산업의 급속한 성장에 따라 폐기물의 발생량이 급증하고 있어 그 처리가 중요한 문제로 대두되고 있다. 현재 폐기물 처리에 대한 국내의 정책방향은 폐기물의 발생 자체를 억제하고, 기 발생된 폐기물은 적절한 환경적 처리를 거쳐 재활용하는 자원순환형 폐기물 관리체계로 정착되어 가는 추세이기 때문에 폐기물 및 산업부산물의 재활용이 크게 부상되고 있다. 대량으로 발생되는 폐기물의 하나인 폐석고는 지정폐기물로 분류되어 왔으나, 1994년 이후에는 일반폐기물로 분류되었으며, 처리비용 및 불순물 제거기술 부족 등으로 재활용이 극히 미비하였다. 그러나 최근들어 반건식 탈황공정 등을 이용한 불순물 제거기술이 개발되어 폐석고의 재활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 폐석고를 콘크리트용 시멘트 대체재로의 활용 가능성을 규명하고 적정대체율을 도출하기 위하여 볼밀처리 전 후의 폐석고의 특성을 분석하였으며, 시멘트 사용량의 0, 5.0, 7.5, 10.0 및 12.5%를 폐석고로 대체한 콘크리트 시험체에 대한 강도 및 특성시험을 수행하였다.
As amount of waste matter rapidly increases with fast growth of cities and industry, how to dispose them has arisen as an important problem. Current policy of the government on disposal of waste is repressing generation of waste itself and in case of already generated waste, resource cycle waste man...
As amount of waste matter rapidly increases with fast growth of cities and industry, how to dispose them has arisen as an important problem. Current policy of the government on disposal of waste is repressing generation of waste itself and in case of already generated waste, resource cycle waste management system that recycles waste after proper environmental process is getting established. Therefore recycling of waste and industrial by-products is rising hugely. One of largely wasted matters is waste gypsum, which was categorized as designated waste but changed to general since 1994. Due to disposal cost and lack of impurities removal technology, recycling of it was quite low. However, as impurities removal technology using semi-dried desulfurization process is developed lately, study on recycling of waste gypsum is going on lively. This study examines possibility of utilizing waste gypsum as alternative for concrete cement and analyzed attributes of waste gypsum before and after ball mill process to find out proper alternation ratio, and conducted strength and property tests on concrete subject whose percentage of cement use is substituted with 0, 5.0, 7.5, 10.0 and 12.5% of waste gypsum.
As amount of waste matter rapidly increases with fast growth of cities and industry, how to dispose them has arisen as an important problem. Current policy of the government on disposal of waste is repressing generation of waste itself and in case of already generated waste, resource cycle waste management system that recycles waste after proper environmental process is getting established. Therefore recycling of waste and industrial by-products is rising hugely. One of largely wasted matters is waste gypsum, which was categorized as designated waste but changed to general since 1994. Due to disposal cost and lack of impurities removal technology, recycling of it was quite low. However, as impurities removal technology using semi-dried desulfurization process is developed lately, study on recycling of waste gypsum is going on lively. This study examines possibility of utilizing waste gypsum as alternative for concrete cement and analyzed attributes of waste gypsum before and after ball mill process to find out proper alternation ratio, and conducted strength and property tests on concrete subject whose percentage of cement use is substituted with 0, 5.0, 7.5, 10.0 and 12.5% of waste gypsum.
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문제 정의
본 논문은 폐석고의 대량 재활용을 목적으로 이를 시멘트 대체재로의 활용가능성을 규명하고, 적정 대체율을 도출하기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 볼밀 처리 전·후의 폐석고를 시멘트 대체재로 활용한 콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 XRD, SEM분석 및 역학적 시험결과를 비교 . 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
성분을 분석하였다. 또한 SEM(Scanning Electron Microscope)촬영으로 OPC콘크리트 및 폐석고를 대체한 콘크리트의 내부 형상을 확인하였으며 각각의 측정 광경은 Fig. 3 및 Fig. 4와 같다.
5%로 대체한 콘크리트에 대하여 XRD 및 SEM을실시하여 포졸란 반응 및 수화반응물 등을 고찰하였으며, 분말도 시험을 통하여 볼밀 전 , 후의 폐석고의 분말상태를 평가 하였다. 또한 재령 28일의 강도 및 특성시험 결과를 비교 . 분석하였다.
본 연구에서 폐석고의 대체율은 시멘트 사용량의 0, 5.0, 7.5, 10.0 및 12.5%로 하였는데, 폐석고에 관련된 기존 선행연구 결과(안양진 외, 2004), 일반적인 적정 대체율은 약 7.5% 정도로 알려져 있으며 본 연구에서는 이를 참고로 하여 7.5%를 중심으로 최대 12.5%까지 대체율을 변화시켜가면서 실험하였다. 한편, 콘크리트 시험체의 설계기준강도는 24.
즉, 폐석고는 입자의 조성이 불규칙하고 입자의 크기가 시멘트에 비해서 큰 특징이 있어 본 연구에서는볼밀처리(ball-milling)하여 폐석고 입자의 균일성을확보하였으며 폐석고의 볼밀처리가 콘크리트의 특성에미치는 영향을 고찰하기 위하여 볼밀처리 전 , 후의 폐석고를 각각 시멘트 사용량의 0, 5.0, 7.5, 10.0 및 12.5%로 대체한 콘크리트에 대하여 XRD 및 SEM을실시하여 포졸란 반응 및 수화반응물 등을 고찰하였으며, 분말도 시험을 통하여 볼밀 전 , 후의 폐석고의 분말상태를 평가 하였다. 또한 재령 28일의 강도 및 특성시험 결과를 비교 .
콘크리트의 압축강도는, l> 100x200mm 원주형 시험체를 제작하여 KS F 2405에 따라, 20±2℃ 에서 28 일간 수중양생한 후 3회 측정하여 그 평균값을 구하였으며 측정 광경은 Fig. 5와 같다.
콘크리트의 할열인장강도는, l>100x200mm 원주형시험체를 제작하여 KS F 2565에 따라, 20±2C 에서 28일간 수중양생한 후 3회 측정하여 그 평균값을 구하였다. 측정 광경은 Fig.
개량용으로 주로 이용되고 있는 부산석고를 폐석고로 사용하였다. 폐석고는 볼밀처리 전 건식 분쇄하였으며 볼밀 처리 이후에는 24시간 건조한 후 No. 200체를 이용한 체가름을 실시하였다. 폐석고의 볼밀처리 과정 및 광경은 긱각 Fig.
폐석고의 대체율에 따른 포졸란 반응을 분석하기 위하여 OPC 콘크리트 및 폐석고를 대체한 콘크리트에 대하여 XRD(X-Ray Diffractometer)를 이용하여 구성 성분을 분석하였다. 또한 SEM(Scanning Electron Microscope)촬영으로 OPC콘크리트 및 폐석고를 대체한 콘크리트의 내부 형상을 확인하였으며 각각의 측정 광경은 Fig.
폐석고의 혼입에 따른 포졸란 반응을 고찰하기 위하여 OPC콘크리트와 볼밀 전·후의 폐석고를 시멘트사용량의 각각 5.0, 7.5, 10.0 및 12.5% 대체한 콘크리트 시험체를 제작하여, XRD분석을 실시한 결과는 각각 Table 4 및 Table 5와 같고, 이를 각각 Fig. 8 및 Fig. 9에 나타내었다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 굵은골재와 잔골재는 각각 쇄석과 하천사를 사용하였으며 물리적 특성은 Table 1과같다.
본 연구에서는 보통포틀랜트시멘트(OPC)와 현재 토양 개량용으로 주로 이용되고 있는 부산석고를 폐석고로 사용하였다. 폐석고는 볼밀처리 전 건식 분쇄하였으며 볼밀 처리 이후에는 24시간 건조한 후 No.
이론/모형
7과 같다. 일반적으로 시멘트 분말도시험은 체분석법, 피크노메타법 및 브레인법 등이 있으며 본 연구에서는 간편하면서도 신뢰성이 높은 브레인법을 이용하여 폐석고의 분말도를 측정하였다.
폐석고의 분말도는 KS L 5106의 시멘트 분말도 시험방법에 의거 실시하였으며 측정광경은 Fig. 7과 같다. 일반적으로 시멘트 분말도시험은 체분석법, 피크노메타법 및 브레인법 등이 있으며 본 연구에서는 간편하면서도 신뢰성이 높은 브레인법을 이용하여 폐석고의 분말도를 측정하였다.
성능/효과
1) 폐석고의 활용은 콘크리트의 C-A계를 활성 화 시켜 수화반응의 촉진효과가 있었으나, C-S-H계의 활성화는 오히려 감소하여 장기강도의 발현은 기대할 수 없을 것으로 판단된다.
2) 볼밀처리한 폐석고의 분말도가 OPC보다 크게 개선되어, 볼밀처리는 폐석고를 활용한 콘크리트의강도개선에 효과적임을 알 수 있었다.
3) 압축 및 할열인장강도는, 폐석고 대체율의 증가에따라 증가하였으나, 대체율이 10.0%를 초과 하게되면 오히려 OPC 콘크리트보다 감소하므로 강도개선 측면에서 폐석고의 적정대체율은 7.5 ~10.0% 정도로 판단된다.
XRD분석 결과로 부터 볼밀처리 전 , 후의 폐석고를각각 대체한 콘크리트의 각 성분의 결정피크가 거의유사하게 나타나 볼밀처리가 폐석고의 성분의 결정형성에 미치는 영향은 미비한 것으로 나타났다. 또한 볼밀처리 여부에 관계없이 폐석고의 대체율이 증가할수록 C-A계인 Ca(OH)2의 결정피크가 증가하였는데 그증가율은 대체율이 12.
결과에서 알 수 있듯이 폐석고의 분말도는 볼밀처리의 실시 여부에 따라 차이가 있었으며, 특히 볼밀처리를 한 경우 입자의 분쇄로 분말도가 크게 나타났다. 일반적으로 분말도가 클수록 혼합시 접촉 면적이 크기 때문에 수화작용이 원활하여 강도의 증진을 나타낸다.
13에 나타내었다. 결과에서알 수 있듯이 볼밀처리 여부에 관계없이 폐석고 대체율 10.0%까지는 OPC콘크리트보다 압축강도가 증가하였으나, 대체율이 12.5%인 경우에는 감소되는 경향을 나타내고 있어 압축강도 증진 측면에서 폐석고의적정대체율은 7.5%~10.0% 정도로 판단된다. 또한볼밀처리한 경우가 처리하지 않은 경우보다 모든 대체율에서 압축강도가 높게 나타나 볼밀처리의 효과를 알수 있었다.
일반적으로 분말도가 클수록 혼합시 접촉 면적이 크기 때문에 수화작용이 원활하여 강도의 증진을 나타낸다. 따라서 볼밀처리를 실시한 폐석고는 처리 전 보다 분말 도가 증가 되므로 강도 발현에 유리하며 이 결과는 압축강도 및 할열 인장강도의 시험결과에서 확인할 수 있었다.
미치는 영향은 미비한 것으로 나타났다. 또한 볼밀처리 여부에 관계없이 폐석고의 대체율이 증가할수록 C-A계인 Ca(OH)2의 결정피크가 증가하였는데 그증가율은 대체율이 12.5%인 경우 OPCC 보다 약 2 배정도로 가장 크게 나타났다. 그러나 칼슘실리케이트수화물인 C-S-H계는 대체율 5%인 경우만 약간 증가하였으며 이후 대체율이 증가할수록 감소하였다.
0% 정도로 판단된다. 또한볼밀처리한 경우가 처리하지 않은 경우보다 모든 대체율에서 압축강도가 높게 나타나 볼밀처리의 효과를 알수 있었다. 이러한 현상은 볼밀처리 시 폐석고 입자의분쇄로 인한 분말도 향상으로 수화반응이 보다 더 활성화 되었기 때문이라고 판단된다.
본 연구 결과, 폐석고를 볼밀처리하여 시멘트 사용량의 7.5 ~10.0% 정도를 대체 활용할 경우 OPC 콘크리트와 동등의 품질의 발현이 가능하여 폐석고는 시멘트의 대체재로 활용이 가능하다고 판단된다.
이러한 결과로부터 폐석고를 시멘트 대체재로 활용할 경우 C-A계의 활성화를 통해 초기의 수화반응을촉진하여 강도의 향상을 기대 할 수 있으나, C-S-H 계는 별다른 활성화 반응이 나타나지 않아 포졸란 반응으로 인한 장기강도 증진에는 효과가 없는 것으로판단된다.
한편 OPCC, NBG-7.5C 및 BG-7.5C의 SEM촬영 결과는 각각 Fig. 10, Fig. 11 및 Fig. 12와 같으며, 이들을 고찰한 결과 OPC콘크리트에 비해서 폐석고를 대체한 콘크리트의 공극이 보다 더 밀실 하였으며, 특히 볼밀 처리한 폐석고를 대체한 콘크리트가 더욱 더 밀실한 것으로 나타나 볼밀처리가 콘크리트를 밀실하게 하는데 효과적임을 알 수 있었다.
후속연구
또한 대체율이 동일한 경우 볼밀 처리한 시험체의압축강도가 볼밀처리 하지 않은 경우보다 약 7.0%정도 증가한 것으로 나타나 볼밀처리 공정에서 소요되는시간과 경비를 고려할 때 현 단계에서의 볼밀처리의 실시는 경제적이지 못할 것으로는 판단되나, 향후 폐석고를 활용한 콘크리트가 실용화 되어 대량으로 소요될 경우는 볼밀을 이용한 폐석고의 전처리는 유용한 방법이 될 것으로 기대된다.
참고문헌 (8)
？배국진, "부산석고의 발생 및 재활용 동향", 산업기술정보원, 1998.
오영인, 김광일, 신은철, "폐석고를 활용한 성토매립지반의 지반공학적 특성 및 환경적 영향분석", 대한토목학회 21권 1-C, 2001, pp 19-26.
김기형, 최재진, 최연왕, "플라이 애시 및 석고를 활용한 고강도 콘크리트의 성능개선", 한국콘크리트 학회, 1999.
이의학, 전준영, 김진욱, 유창진, "석고형태 및 첨가량이 시멘트 경화체의 품질에 미치는 영향성 검토", 한국양회공업협회 시멘트화학.
Manjit Singh, Mridul Garg, "Study on anhydrite plaster from waste phosphogypsum for use in polymerised flooring composition", Construction and Building Materials 19, 2005, pp. 25-29.
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