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문제 정의
- 이 때문에 토사 구조물의 자재로서 잔토를 활용할 수 있는 장소가 없어서 급기야는 건설 발생토와 오니가 광의의 의미로 폐기물로 처리되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 건설 오니를 이용하여 부가가치 높은 건설자재 활용을 위한 특성 분석 및 고화제의 첨가재료로 슬러지의 재료적 세부분석을 하였다.
- 굴착 슬러지는 현장의 암반이나 토양의 성분에 의해 슬러지의 화학조성및 광물조성이 정해지므로 전형적인 현장 한 군데의 시료를 택하였다. 또한 고화제로의 재활용이 더 용이할 것으로 보이는 폐콘크리트 슬러지는 성분상의 큰 변동은없을 것으로 보이지만 3개사의 시료를 샘플링하여 회사별 공정의 차이, 침강제 등 첨가물의 여부 등에 따라 슬러지의 특성에 차이를 초래하는지를 확인하고자 하였다.
- 하여 별도의 선별.정제과정 없이 분석하였는데, 이는 발생 상태 그 자체를 고화제용 원료로 활용할 수있는지를 보고자 한 것이다. 건조 상태의 시료를 필요로 하는 측정에는 케이크를 건조하여 시료로 사용하였으며, 각각의 시료 번호와 발생원은 Table 1과 같다.
제안 방법
- 각 슬러지에 대하여 외관 관찰로 냄새, 색깔, 건조의 용이성 및 건조 후의 강성 등을 관찰하였다. 슬러지의 pH는 pH meter로, 슬러지의 비중은 1000 cc의 무게(용중, litter weight)로 측정하였으며, 슬러지나 케이크의수분함량은 #의 건조기에서 항량이 되도록 건조한후 무게를 달아 측정하였다.
- 슬러지의 입자 크기와 입도분포는 슬러리의 현탁액을 만들어 입도분석기(PSA, LS230, Coulter Corportion, USA)로 측정하였다. 슬러지 분말의 미세구조와 응집체의 특성은 슬러지의 건조체를 가볍게 파쇄한 시료의 파단면을 주사전자현미경 (SEM, ABT-32, Topcon, Japan 및 S-4200, HITACHI, Japan)으로 관찰하여 평가하였다. 슬러지의 화학성분은 X-선 형광분석기(XRF, Phillips, PW2400, Holland)로, 광물상은 X선 회절분석기(XRD, PW 3710, Phillips, Holland)로 각각 분석 및 동정하였으며 슬러지의 열적특성 및 가열 중의 휘발 성분의 양은시차열/열중량분석기 (DTA/TG SDT2960, TA Instrum ents, USA)로 분석하였다.
- 슬러지의 pH는 pH meter로, 슬러지의 비중은 1000 cc의 무게(용중, litter weight)로 측정하였으며, 슬러지나 케이크의수분함량은 #의 건조기에서 항량이 되도록 건조한후 무게를 달아 측정하였다. 슬러지의 입자 크기와 입도분포는 슬러리의 현탁액을 만들어 입도분석기(PSA, LS230, Coulter Corportion, USA)로 측정하였다. 슬러지 분말의 미세구조와 응집체의 특성은 슬러지의 건조체를 가볍게 파쇄한 시료의 파단면을 주사전자현미경 (SEM, ABT-32, Topcon, Japan 및 S-4200, HITACHI, Japan)으로 관찰하여 평가하였다.
- 슬러지 분말의 미세구조와 응집체의 특성은 슬러지의 건조체를 가볍게 파쇄한 시료의 파단면을 주사전자현미경 (SEM, ABT-32, Topcon, Japan 및 S-4200, HITACHI, Japan)으로 관찰하여 평가하였다. 슬러지의 화학성분은 X-선 형광분석기(XRF, Phillips, PW2400, Holland)로, 광물상은 X선 회절분석기(XRD, PW 3710, Phillips, Holland)로 각각 분석 및 동정하였으며 슬러지의 열적특성 및 가열 중의 휘발 성분의 양은시차열/열중량분석기 (DTA/TG SDT2960, TA Instrum ents, USA)로 분석하였다.
대상 데이터
- 건설 현장과 건설 폐기물 처리 현장에서 일정하게 발생되는 몇 가지의 대표적 오니를 선택하여, 고화제 제조 원료 원료로서의 물리 .화학적 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서 사용한 시료는 4개사의 현장에서 일정하게 다량 발생되는 오니로서 현장에서 발생한 여과 케이크 4종과 여과 전의 슬러지 3종이다. 굴착 슬러지는 현장의 암반이나 토양의 성분에 의해 슬러지의 화학조성및 광물조성이 정해지므로 전형적인 현장 한 군데의 시료를 택하였다.
- 본 연구에서 사용한 시료는 터널 굴착 슬러지 및 폐콘크리트 슬러지로서 212 Jim의 표준체를 거의 전량 통과하는 분말로써 흙과 돌이 들어있는 일반 토목공사의 건설 발생토와는 성상이 달라 이 분야에서 실시되는 물성 시험항목들은 대부분 적용할 수 없었다. 또한 슬러리 중의 물의 양이나 비중은 thickener, filter pressing 공정에서 매우 가변적이고, 고화제의 제조를 위해서는건조분을 원료로 사용하는 경우가 대부분이므로 분석항목을 생략하였다.
성능/효과
- 1. 굴착 슬러지나 폐콘크리트 슬러지는 모두 다량의화학성분이 비정질 상으로 존재함으로서 정교한 열분해를 통한 활성화나, 수경성 클링커 광물의 저온 합성에매우 유리한 물질상태인 것이 확인되어 이를 활용한 고화제의 제조에 매우 고무적인 결과를 얻었다. 또한 시료로 사용한 슬러지들은 모두 강한 알칼리성을 띄나, 이는 계면화학적인 면에서 슬러지의 활용에 오히려 유리하게 작용한다고 보이며 수쇄 슬래그나 pozzolan 물질의 혼합시에는 알칼리 자극제로서의 작용도 기대할 수있을 것으로 보인다.
- 4는 슬러지 시료들의 열분석 결과를 나타낸 것이다. 1400℃까지의 TG 감량은 굴착 슬러지가 약 20%, 폐콘크리트 슬러지인 B、C 및 D 시료가 각각 15%, 15% 및 18% 정도를 나타내고 있으며, 온도 상승에 따른 곡선의 기울기나 700℃ 부근의 CaCO3의탈탄산 반응에 의한 CO2 gas의 방출에 따른 무게 감량 스텝이 매우 유사함을 알 수 있다. 그런데 700℃ 부근에서 탈 탄산반응에 의해 방출되는 gas의 양은 모든 시료에서 약 1% 정도로서, 전체 감량에 비하여 매우 적으며, 대부분의 감량은 온도가 600℃에 이르기 전에 일어나는 것이 확인된다.
- 3. 대부분의 슬러지, 특히 굴착 슬러지의 입자는 고화제 클링커 합성용 분체원료나 고화제 혼합용 혼합재로서 충분히 작은 입도와 입도 분포를 보이나, 폐콘크리트 슬러지의 경우는 콘크리트의 종류에 따라 슬러지의입도와 입형이 쉽게 변동되므로 이를 활용한 고화제의제조에는 입도분리나 재분쇄 등 슬러지의 품질관리를위한 적절한 전처리 관리 방안이 수립되어져야 할 것이며 화학조성의 변동 또한 같은 개념에서 관리하지 않으면 안 될 것으로 보인다.
- 결정수가 모두분해된 후의 온도부터 나타나는 DTA 곡선상의 몇 개의변곡점들은 새로운 광물들의 생성반응을 뜻하며 이는 열분해 산물들의 반응성이 매우 활성화 된 상태임을 나타내고 있다. X선 회절 pattern에 나타났던 calcita의 분해는 TG 곡선 상에는 거의 나타나지 않음으로서 그 양이 매우 적었음을 보여주며, 따라서 화학 분석치 상의상당량의 CaO 성분도 대부분 비정질 상으로 존재할 가능성이 큼을 알 수 있다. 한편 1170~1180℃ 부근에서일어나는 감량은 시멘트 경화체에서 기인된 황산화물의분해로 보이나 감량이 극히 미미하므로 중요시하지 않아도 될 것으로 생각된다.
- 또한 슬러리 중의 물의 양이나 비중은 thickener, filter pressing 공정에서 매우 가변적이고, 고화제의 제조를 위해서는건조분을 원료로 사용하는 경우가 대부분이므로 분석항목을 생략하였다. 또한 충분히 습윤된 미분말 상태인 flow table을 사용하여 측정한 슬러지의 유동성은 물의함량에 비례하는 것으로 나타났다. Table 2는 사용한오니 시료의 4가지 외관과 성상을 나타낸 것이다.
- 2는 케이크 시료 건조물의 파단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과로서, 일차입자의 형태와 그들의 응집상태 및 분말의 morphology 등에 대하여 유용한 정보를 제공하고 있다. 본 연구에 사용된 모든 시료에서는 기본적으로 0.1 pun 정도 크기의 구형을 나타내는 일차 입자와 이들이 응집한 이차입자를 구별할 수 있는데, 굴착 슬러지와 폐콘크리트 슬러지 B에서는 배향성이 없는 응집체가 보이는 반면, 폐콘크리트 슬러지 C와 D에서는 막대 상의 응집체가 확인된다. 폐콘크리트 슬러지에서 형성된 막대 상의 응집체는 형태나 크기로 보아시멘트 경화체 중에 존재할 수 있는 막대상 수화물인에트링자이트#에 기초하여 생성되었을 가능성이 클 것으로 생각된다.
- 1은 4종류 시료의 입도분석 결과를나타낸 것이다. 이 결과에 따르면 골재 표면에 부착된시멘트 페이스트 경화체를 분리시키는 공정에서 발생되는 폐콘크리트 슬러지에 비하여 굴착 공정에서 발생한분말이 더 미세함을 알 수 있다. 굴착 슬러지의 소립경측 입자 군에는 미세한 벤토나이트의 몬모릴로나이트 (montmorillonite) 입자가 다량 혼입되어 있을 것으로 보이며, 전반적으로 입도는 20 이하로서, 고화제를 비롯한 각종 무기질 재료의 합성용 분체원료나 고화제 혼합용 원료로서 충분한 분말도이다.
- 굴착 슬러지의 소립경측 입자 군에는 미세한 벤토나이트의 몬모릴로나이트 (montmorillonite) 입자가 다량 혼입되어 있을 것으로 보이며, 전반적으로 입도는 20 이하로서, 고화제를 비롯한 각종 무기질 재료의 합성용 분체원료나 고화제 혼합용 원료로서 충분한 분말도이다. 폐콘크리트 슬러지는굴착 슬러지에 비하여 다양한 입도의 분말이 혼합되어있음을 알 수 있는데, 이는 시멘트 페이스트 경화체가마멸되어 생긴 입자와, 콘크리트의 파쇄 중에 발생된 골재 성분의 분쇄물이 혼합된 결과로 보이며, 미립분 측의분말에는 시멘트 페이스트 경화체가, 조립분 측 분말에는 충격에 의해 발생된 조골재 및 세골재의 분말이 주류를 이룰 것으로 보인다. 폐콘크리트 슬러지 중 B 시료의 입도가 가장 작은 이유는 풍력을 활용한 미립분의선별 등 회사 고유의 공정에 따른 차이로 보이나, 입도면에서만 본다면 분말도가 작은 것은 고화제로의 재활용에 유리하다고 할 수 있을 것이다.
후속연구
- 2. 슬러지에는 우려할만한 중금속은 포함되어 있지 않지만 골재로부터 분쇄된 광물로 인하여 시멘트 경화체의 조성에 비하면 SiO2, AI2O3, K20 및 MgO가 과다하고 CaO는 과소한, 전혀 다른 조성으로 이루어져 있으므로 열처리를 통하여 수경성 광물을 합성하고자 할 경우에는 상당량의 CaO 성분을 추가로 혼합하여 염기도를 높여 주어야하는 조성이며, K2O 성분으로 인한 고화제의 알칼리골재반응성 우려에 대해 주의 깊게 검증 할 필요가 있다.
- 폐콘크리트 슬러지에서 형성된 막대 상의 응집체는 형태나 크기로 보아시멘트 경화체 중에 존재할 수 있는 막대상 수화물인에트링자이트#에 기초하여 생성되었을 가능성이 클 것으로 생각된다. 그러나에트링자이트에 어떠한 상이 응집되어 사진에서와 같은응집체를 이루었는지에 대해서는 더 구체적인 미세구조적 연구와 현장에서 추가되는 첨가제의 거동에 대한 연구가 있어야 할 것으로 보인다. 전자현미경 사진을 확대하여 관찰하면 굴착 슬러지에서는 시료 분말이 대체적으로 각진 형태를 보이는데 비하여 폐콘크리트 슬러지에서는 대체적으로 둥글거나 판상인 입자를 보이고있음을 알 수 있다.
- 굴착 슬러지나 폐콘크리트 슬러지는 모두 다량의화학성분이 비정질 상으로 존재함으로서 정교한 열분해를 통한 활성화나, 수경성 클링커 광물의 저온 합성에매우 유리한 물질상태인 것이 확인되어 이를 활용한 고화제의 제조에 매우 고무적인 결과를 얻었다. 또한 시료로 사용한 슬러지들은 모두 강한 알칼리성을 띄나, 이는 계면화학적인 면에서 슬러지의 활용에 오히려 유리하게 작용한다고 보이며 수쇄 슬래그나 pozzolan 물질의 혼합시에는 알칼리 자극제로서의 작용도 기대할 수있을 것으로 보인다.
- 대부분의 시료는 Si6와 AI2O3의 합이 62~78%로서, 열처리를 통하여 수경성 광물을 합성하고자 할 경우에는 염기도가 대폭 부족하므로 상당량의 CaO 성분을 추가로 혼합해야 하는 조성임을 알 수 있다. 이러한 경우 P2O5, MnO, TiO2 및 Cle 함량으로 볼 때 고화 제의합성에는 별 영향이 없을 것으로 보이지만 K2。의 함량이 다소 많은 점은 추후 슬러지로 제조한 고화제가 특정의 골재와 알칼리골재반응(alkah-aggregate reaction)을야기할 우려는 없는지 면밀한 검토가 필요할 것이다.
- 이러한 해석은 A12O3 단일 성분으로 이루어진 광물(골재)이 우리나라에는 거의 없음에도 불구하고 이 함량이 비교적 높으므로 SiC>2는 세골재인 모래에서 분쇄되어 나온 것뿐만 아니라 다량이 자갈에서 마멸되어 혼합된 것이라는 추론에 의한 것이다. 이렇게 시멘트 페이스트의 함량이 적고규산알미늄 성분이 많이 함유된 슬러지가 열처리에 의한 pozzolan화로 재수화성을 부여하는 방식의 고화제 합성에 더 유리할 것인지는 확인 실험이 필요할 것이다. 대부분의 시료는 Si6와 AI2O3의 합이 62~78%로서, 열처리를 통하여 수경성 광물을 합성하고자 할 경우에는 염기도가 대폭 부족하므로 상당량의 CaO 성분을 추가로 혼합해야 하는 조성임을 알 수 있다.
- 폐콘크리트 슬러지 중 B 시료의 입도가 가장 작은 이유는 풍력을 활용한 미립분의선별 등 회사 고유의 공정에 따른 차이로 보이나, 입도면에서만 본다면 분말도가 작은 것은 고화제로의 재활용에 유리하다고 할 수 있을 것이다. 한편 폐콘크리트슬러지 D에는 100 gm 이상의 비교적 굵은 입자가 혼합되어 있음을 알 수 있는데, 별도의 실험에서는 이 조립분이 검출되지 않는 경우도 있으므로 이는 폐콘크리트의 종류, 특히 콘크리트에 사용된 골재의 종류에 기인하는 변동 때문일 것으로 보이며, 이는 순환골재 공장에서 발생하는 폐콘크리트 슬러지를 활용하여 고화제를 제조하고자 할 경우 재분쇄나 입도분리 등의 전처리가 필요할 수도 있음을 의미하는 것이다.
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