[논문]석탄 바닥재를 이용한 인공경량골재의 제조 및 경량 콘크리트에 적용

김강덕; 강승구

초록
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화력발전소에서 발생하는 석탄 바닥재(Coal bottom ash)를 준설토(Dredged soil) 및 적점토(Clay)와 혼합하여 조립기(Pelletizer)로 성형 후, 이를 로타리 킬른에서 $1125^{\circ}C$에서 소성하여 인공경량골재를 제조였다. 제조된 인공경량골재에 대한 중금속 용출 실험(TCLP) 결과, 폐기물 관리법 시행규칙의 중금속 검출량 기준치 이하로 나타났다. 바닥재가 60$\sim$70 wt% 첨가된 인공경량골재는 부피비중 1.45$\sim$1.49, 흡수율 17.2$\sim$18.5%의 값을 나타냈으며, 골재충격시험결과 건조 상태와 표건 상태의 충격값이 각각 27.4$\pm$1.3 및 23.4$\pm$2.6%를 나타내었다. 인공경량골재를 이용하여 제조된 콘크리트 공시체의 28일 압축강도는 첨가된 골재종류에 따라 $22.7\sim27.8 N/mm^2$ 이었다. 바닥재가 60 및 70% 첨가된 골재를 사용한 콘크리트의 슬럼프 값은 각각 7.9와 14.3 cm를 나타내었고, 단위용적질량은 골재조성에 상관없이 $1.84 ton/m^3$ 이하를 나타내어 토목 건축공사 표준시방서에 제시된 경량콘크리트 특성을 만족하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The artificial lightweight aggregate (ALA) was manufactured in a rotary kiln at $1125^{\circ}C$ using green body formed by pelletizing the batch powder composing of coal bottom ash (CBA) produced from power plant, clay and dredged soil (DS). The TCLP (Toxicity characteristic leaching proc...

The artificial lightweight aggregate (ALA) was manufactured in a rotary kiln at $1125^{\circ}C$ using green body formed by pelletizing the batch powder composing of coal bottom ash (CBA) produced from power plant, clay and dredged soil (DS). The TCLP (Toxicity characteristic leaching procedure) results showed that the dissolution concentration of heavy metal ions of ALA fabricated in this study was below the limitation defined by the enforcement regulations of wastes management law in Korea. The ALA containing 60$\sim$70 wt% CBA had a bulk density of 1.45$\sim$1.49 and a water absorption of 17.2$\sim$18.5 %. The impact values for oven-dry state and saturated-surface dry state of ALA were 27.4$\pm$1.3 and 23.4$\pm$2.6 % respectively. The 28-days compressive strength of concrete made with various ALA was $22.7\sim27.8 N/mm^2$. The slump of concrete with ALA containing CBA 60 and 70 wt% were 7.9 and 14.3 cm respectively. The unit weight of concrete made with any ALA fabricated in this study was satisfied with the standard specifications of lightweight concrete for the civil engineering and construction presented by Korea as below $1.84 ton/m^3$.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 화력발전소에서 발생하는 석탄 바닥재, 준설 작업 시 발생된 준설토 그리고 적점토를 혼합하여인공경량골재를 제조하고 그 물성을 평가하였다. 인공경량골재를 이용한 경량 콘크리트 공시체를 제조하여 압축강도 및 단위용적질량, 슬럼프값 등을 측정하여 구조용경량 콘크리트 판넬과 같은 고부가가치 콘크리트 제품의적용가능성을 제시하고자 한다.
인공경량골재를 이용한 경량 콘크리트 공시체를 제조하여 압축강도 및 단위용적질량, 슬럼프값 등을 측정하여 구조용경량 콘크리트 판넬과 같은 고부가가치 콘크리트 제품의적용가능성을 제시하고자 한다.

제안 방법

각 원료의 화학조성은 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan) 를 이용하여 분석하였다. 원료의 결정상 분석과 열적특성 분석은 XRD(RINT-8100H/PC, Rigaku, Japan)와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch Co.
준설토내의 중금속 양이온과 음이온 측정을 위하여 ICP(OPTIMA 4300DY Perkin-Eime, USA) 와 IC(Advanced Metrom, Switzerland)분석을 수행하였다. 또한 제조된 인공경량골재의 유해물질 용출량을 분석하기 위하여 TCLP시험을 수행하였다. 인공경량골재의비중/흡수율 측정은 KS F 2503의 실험방법을 사용하였다.
바닥재를 이용하여 제조된 인공경량골재의 콘크리트용 골재로서의 타당성을 평가하기 위하여 콘크리트 공시체를 제조하고, 공시체의 슬럼프, 기건 비중, 압축강도를 측정하였다.
소성체 절단면의 미세구조는 광학현미경 (DCS-105, Sometech Vision, Korea)을 사용하여 관찰하였다. 바닥재를 이용하여 제조된 인공경량골재의 콘크리트용 골재로서의 타당성을 평가하기 위하여 콘크리트 공시체를 제조하고, 공시체의 슬럼프, 기건 비중, 압축강도를 측정하였다.
이용하여 분석하였다. 원료의 결정상 분석과 열적특성 분석은 XRD(RINT-8100H/PC, Rigaku, Japan)와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch Co., Germany)를 각각 사용하였다. 준설토내의 중금속 양이온과 음이온 측정을 위하여 ICP(OPTIMA 4300DY Perkin-Eime, USA) 와 IC(Advanced Metrom, Switzerland)분석을 수행하였다.
, Germany)를 각각 사용하였다. 준설토내의 중금속 양이온과 음이온 측정을 위하여 ICP(OPTIMA 4300DY Perkin-Eime, USA) 와 IC(Advanced Metrom, Switzerland)분석을 수행하였다. 또한 제조된 인공경량골재의 유해물질 용출량을 분석하기 위하여 TCLP시험을 수행하였다.

대상 데이터

분쇄된원료를 무게비율로 3종류 조성의 배치를 준비하였다 (Table 1). 각 배치 분말을 건식 혼합 후, 조립기를 이용하여 지름 6~8 mm의 구형 골재를 제조하였다. 제조된성형체를 열풍건조기에서 U0℃/48 hr 조건으로 건조 후, Rotary kiln에서 1125℃의 온도로 15분 소성하였다.
173, 315kg/n?로 선정하였으며, 여기에 혼화재로서 유동화제틀 0.5 % 사용하여 인공경 량골재 콘크리트 배합을 수행히였다. DS15 인공경량골재를 시용한 콘크리트 공시체의 슬럼프 값은 14.
본 연구에 사용된 석탄 바닥재와 준설토는 T시 화력발전소에서 발생한 폐부산물을 사용하였으며 적점토는일반 점토벽돌 제조에 쓰이는 원료를 사용하였다.
석탄바닥재와 준설토r 적점토를 혼합하여 비중 1.5 이하, 흡수율 17~18%의 인공경량골재를 제조하였다. 바닥재 첨가량 증가와 골재의 균일한 물성확보를 위하여 100 (.

이론/모형

인공경량골재의비중/흡수율 측정은 KS F 2503의 실험방법을 사용하였다. 골재충격시험은 KS F 2581의 방법을 사용하였으며, 골재 충격값은 규격에 의하여 충격에 의한 골재의 세립분양을 전체 시료의 백분율로 규정하고, 기건 상태와 표건 상태에서의 충격 저항성의 두 종류로 구분하여 다음과 같이 규정하였다.
또한 제조된 인공경량골재의 유해물질 용출량을 분석하기 위하여 TCLP시험을 수행하였다. 인공경량골재의비중/흡수율 측정은 KS F 2503의 실험방법을 사용하였다. 골재충격시험은 KS F 2581의 방법을 사용하였으며, 골재 충격값은 규격에 의하여 충격에 의한 골재의 세립분양을 전체 시료의 백분율로 규정하고, 기건 상태와 표건 상태에서의 충격 저항성의 두 종류로 구분하여 다음과 같이 규정하였다.

성능/효과

5 % 사용하여 인공경 량골재 콘크리트 배합을 수행히였다. DS15 인공경량골재를 시용한 콘크리트 공시체의 슬럼프 값은 14.3 cm로 일반 골재를 사용한 콘크리트 공시체의 슬럼프값 13 cm보다 더 높게 나타났다. 그러나 DS20 인공경량골재를 이용한 콘크리드 공시체의경우 슬럼프 값이 7 cm로 일반 골재가 사용된 공시체보다 낮게 나타났다.
TCLP법을 이용히여 인공경량골재에 대한 증금속 용출실험을 행한 결과(Table 4)를 보면, 폐기물 관리법 시행규칙 기준으로 Pb, Cd, Cr, Cu, Hg, As 의 6가지 중금속이 전혀 검출되지 않았으며, 따라서 바닥재를 이용한인공경량골재의 사용이 환경적으로 안전한 것으로 판단된다.
4 wt% 존재한다. 또한 알칼리 산화물(NaaO, JO)과 알칼리토류 산화물(MgO, CaO)이 점토에 비해 약 1.5배 많이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 준설토는 A12O₃ 성분이 낮고 1, 2족 산화물 성분을 많이 포함하고 있어 점토만 이용하여 제조된 골재보다 낮은 온도에서 소결이 가능할것으로 예상된다.
일반적으로 구형의 골재는 쇄석형 골재보다 슬럼프 값이 높으며, 유동성 증가로 인한 콘크리트의 작업성이 우수하고, 단위수량 감소에 따른 강도 증진효과가 있다μ 1]. 본 실험에서는 바닥재의 첨가량이높은 인공경량골재를 사용한 공시체의 슬럼프 값이 증가하고, 준설토의 첨가량이 높은 인공경량골재를 사용한공시체가 낮은 슬럼프 값을 나타내고 있다. 이는 골재의입형 외에 골재의 표면 상태에 기인한 것으로 판단되며추가적인 연구가 필요한 것으로 생각된다.
tin 이하로 제어하였다. 소성골재의 충격시험결과일반 쇄석 골재보다 기건 상태 충격값이 1.8배 높고, 표건 상태 충격값이 1.6배 높아 포장 콘크리드용 골재로시용하기에는 경도가 약한 것으로 나타났다. 소성골재 TCLP 용출시험에서 Pb, Cd, Cr, Cu, Hg, As 의 6가지중금속이 전혀 검출되지 않아 바닥재 및 준설토를 재활용 하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
8시.84 torv'n?의 범위에 분포하여 건죽공사표준시방서 및 토목공사표준시방서에서 규정하고 있는 경량콘크리트의 규정값을 모두 만족하는 것으로 나타났다.

후속연구

골재 내부와 외부에서 관찰되는 검은 점들은 바닥재의 미연탄소 성분들이 소성시간 동안 완전히 연소되지 못하고 남아있는 것이다. 본실험에 사용한 바닥재의 경우 C의 함량이 약 18% 이므로 향후 충분한 하소 및 소성시간 제어를 통해 C를충분히 연소시킴으로서 미연탄소를 제거할 필요가 있다고 사료된다.
6배 높아 포장 콘크리드용 골재로시용하기에는 경도가 약한 것으로 나타났다. 소성골재 TCLP 용출시험에서 Pb, Cd, Cr, Cu, Hg, As 의 6가지중금속이 전혀 검출되지 않아 바닥재 및 준설토를 재활용 하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 인공경량골재를이용하: 콘크리트 공시체 시험결과에서는 설계강도 24 N/mn?에는 약간 낮은 22~23 N/mn?의 압축강도를 나타냈으나, 슬럼프 특성이 우수하고 기건 단위용적질량이 1.

참고문헌 (12)

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F. Canpolat, K. Yilmaz and M.M. Kse, "Use of zeolite, coal bottom ash and fly ash as replacement materials in cement production", Cem. & Conc. Res. 34 (2004) 731

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O. Ozkan, I. Yuksel and O. Muratoglu, "Strength properties of concrete incorporating coal bottom ash and granulated blast furnace slag", Waste Management 27 (2007) 161

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C. Kang, K.W. Kang, E.G. Kawg and G.C. Jung, "Site application of the light weight foamed concrete partition wall using bottom ash", Proceeding of Architectural Institute of Kor. 25(1) (2005) 369
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Y.T. Kim, Y.K. Kwon and H.J. Kim, "Comparison of compressive behavior characteristics between un-reinforced and reinforced lightweight soils for recycling of dredged soils", J. of Ocean Eng. & Tech. 19(6) (2005) 44
S.S. Kim, B.I. Kim, S.J. Han and H.Y. Shin, "Strength characteristics of light-weighted soils mixed with EPS and dredged soils", J. of Kor. Soc. for Railway 5(2) (2002) 61
K.D. Kim and S.G. Kang, "Manufacturing artificial lightweight aggregates using coal bottom ash and clay", J. Kor. Cry. Growth & Cry. Tech. 17(6) (2007) 277
KS F 2581; Testing method for determination of aggregates impacting value-Method of test for production control of aggregates, Korean Standards Association (2003)
Korea concrete institute, "New Concrete Engineering" Kimundang, Korea (2007)
Architectural Institute of Korea, "Standard specification of building construction", Kimundang, Korea (2006)

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