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문제 정의
- 본 연구는 인공경량골재의 융착 방지 및 골재 물성을 효과적으로 개선하기 위하여 골재의 조성비, CaCO3 코팅량, 소성온도를 변화시켜 골재의 물성을 측정하고 비교 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다. CaCQ를 코팅한 인공경량골재는 소성시 CaCQ 코팅층이 골재 표면에 CaO 분말 또는 Ca-Si-Al-0계 결정립을 형성하여 골재 표면에 형성된 유리질을 차단하여 골재 간 융착 현상을 현저히 감소시킬 수 있었다.
- 세계 각국에서는 고품질순환 골재를 생산하기 위하여 기술 개발에 심혈을 기울이고 있으나, 개발된 기술의 대부분의 공정이 매우 복잡하고 또한 기존 인공경량골재 생산 공장에서 새로운 설비 투자 등이 요구되는 단점이 있어 현실적으로 그 적용이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 기존의 방법과는 달리 특별한 설비투자를 하지 않고 인공경량골재 표면에 석회석(CaCQ)을 코팅함으로써 Rotary kiln 소성 과정에서 발생하는 과열에 의한 골재간의 융착 또는 노 벽과의 융착 현상 방지하고, 또한 흡수율 저감 등을 통해 인공 경량 골재의 물성을 향상시키고자 하였다.
제안 방법
- 현상이 발생해 균일한 코팅이 되지 않았다. 각 조성별 코팅 상태 및 온도에 따른 골재의 변화를 관찰하기 위하여 소성 골재를 다이어몬드 컷터로 절단한 후 캠스코프(cam scope)로 접사관찰 하여 Fig. 1에 나타내었다.
- 광학적으로는 확인하기 어려운 골재 표면의 미세구조를 관찰하기위해 주사전자현미경 (SEM) 관찰을 수행하였다. 코팅 유무에 따라 1150℃에서 소성한 K73골재의 표면 SEM 사진을 Fig.
- 본 연구에 사용된 바닥재와 준설토의 화학성분은 Table 1에 나타냈으며, XRF(ZSR-100e, Rigaku, Japan) 를 이용하여 분석하였다. 바닥재는 국내 유연탄 화력발전소에서 배출되는 석탄 바닥재를 사용하였고, 준설토는 발전소 건설시 발생한 것으로서 가소성이 일반 적점토 보다 우수하였다.
- 골재를 성형하였다. 성형된 골재에 CaCQ를 첨가해 조립기를 이용하여 코팅한 뒤 열풍건조기에서 110/24 hr 조건으로 건조 하였다. 골재의 심볼에 따른 조성 및 기타 조성을 Table 2에 나타내었다.
- 코팅 양에 따라 표면의 융제 형성억제 정도를 광학현미경 관찰로 정량화 하기는 힘드나, 코팅 양이 증가할수록 CaO 분말 또는 Ca-Al-Si-0계 결정상이 형성되어 표면 융제가 외부로 노출되는 것을 억제시킬 것으로 사료되나 최적의 코팅 비율은 현미경 관찰로 판단할 수 없었다. 코팅층의 상을 판단하기 위해 XRD분석을 수행하였다. 매우 작은 CaO 피크는 관찰되나 뚜렷한 Ca-Al-Si-0계 결정상은 해석할 수 없었다.
대상 데이터
- 이용하여 분석하였다. 바닥재는 국내 유연탄 화력발전소에서 배출되는 석탄 바닥재를 사용하였고, 준설토는 발전소 건설시 발생한 것으로서 가소성이 일반 적점토 보다 우수하였다. 본 연구에서는 K73조성 (coal bottom ash70 wt% : dredged soil 30wt%)과 K82조성 (coal bottomash 80 wt% : dredged soil 20 wt%)^로 골재를 제조하였다(Table 2 조성표 참조).
- 바닥재는 국내 유연탄 화력발전소에서 배출되는 석탄 바닥재를 사용하였고, 준설토는 발전소 건설시 발생한 것으로서 가소성이 일반 적점토 보다 우수하였다. 본 연구에서는 K73조성 (coal bottom ash70 wt% : dredged soil 30wt%)과 K82조성 (coal bottomash 80 wt% : dredged soil 20 wt%)^로 골재를 제조하였다(Table 2 조성표 참조).
- 인공경량골재는 각 원료를 핀밀(pin mill)을 이용하여 100)im 이하로 분쇄하여 사용하였으며, 건식 혼합 후 조립기 (pelletizer)를 이용하여 지름 7~8 mm 크기의 구형 골재를 성형하였다. 성형된 골재에 CaCQ를 첨가해 조립기를 이용하여 코팅한 뒤 열풍건조기에서 110/24 hr 조건으로 건조 하였다.
이론/모형
- 이후 CaC0 표면처리에 따른 골재의 물성변화를 측정하기 위해 KS F 2503(굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험 방법)에 따라 부피비중 및 흡수율을 측정하였다. 또한 광학현미경을 이용하여 골재의 표면 및 형태를 관찰하였고, 미세구조를 관찰하기 위해 SEM(JSM-6500F, JEOL)을 이용하였다.
- 골재의 소성은 각각의 소성 온도인 1075~1200℃(25℃ 간격)에서 직접 시편을 전기로 내에 투입하여 10분 동안 소성과정을 거친 후 공기 중에서 냉각하였다. 이후 CaC0 표면처리에 따른 골재의 물성변화를 측정하기 위해 KS F 2503(굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험 방법)에 따라 부피비중 및 흡수율을 측정하였다. 또한 광학현미경을 이용하여 골재의 표면 및 형태를 관찰하였고, 미세구조를 관찰하기 위해 SEM(JSM-6500F, JEOL)을 이용하였다.
성능/효과
- 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다. CaCQ를 코팅한 인공경량골재는 소성시 CaCQ 코팅층이 골재 표면에 CaO 분말 또는 Ca-Si-Al-0계 결정립을 형성하여 골재 표면에 형성된 유리질을 차단하여 골재 간 융착 현상을 현저히 감소시킬 수 있었다. 또한 CaCQ 코팅 양이 증가 할수록 골재의 껍질(shell)은 두꺼워 지고 블랙 코어 면적은 줄어드는 경향을 보였으며, 거대 기공의 양도 감소하였다.
- CaCQ를 펠레타이저를 이용해 코팅시 골재는 코팅량이 증가할수록 표면은 흰색빛을 띠게 되며 3 % 코팅 시 가장 균일하게 코팅 되었으며, 10% 코팅시에는 건조 시 박리 현상이 발생해 균일한 코팅이 되지 않았다. 각 조성별 코팅 상태 및 온도에 따른 골재의 변화를 관찰하기 위하여 소성 골재를 다이어몬드 컷터로 절단한 후 캠스코프(cam scope)로 접사관찰 하여 Fig.
- 대신 Ca-Al-Si-0계 스피넬로 추정되는 수없이 작은 피크들만이 관찰되었다. 결론적으로 XRD 분석에 의해 소성 과정 중 형성된 코팅층의 정확한 상분석을 할 수 없었다.
- 또한 각 온도별 인공경량골재의 흡수율은 코팅처리 전보다 코팅처리 후에 괄목 할 만하게 낮아졌으며, K73 시편의 경우 흡수율 감소 비율이 K82 시편의 경우보다 높은 것으로 나타났다. 두 시편 모두 코팅의 양이 증가할수록 흡수율 감소 비율이 높아지는 경향을 보였다. 특이할만한 사항은 K73 시편의 경우 CaCO3 10wt/%를 코팅하여 1075℃에서 소성했을 때 코팅을 하지 않은 시편과 비교사여 흡수율이 13 %에서 8% 이하로 감소되어 매우 우수한 흡수율 특성을 보였다.
- CaCQ를 코팅한 인공경량골재는 소성시 CaCQ 코팅층이 골재 표면에 CaO 분말 또는 Ca-Si-Al-0계 결정립을 형성하여 골재 표면에 형성된 유리질을 차단하여 골재 간 융착 현상을 현저히 감소시킬 수 있었다. 또한 CaCQ 코팅 양이 증가 할수록 골재의 껍질(shell)은 두꺼워 지고 블랙 코어 면적은 줄어드는 경향을 보였으며, 거대 기공의 양도 감소하였다. 비중 흡수율을 측정한 결과 CaCC>3 10 wt/% K73 골재 시편의 경우 비중은 온도에 따라 0.
- 5에서 볼 수 있듯이 온도가 증가 할수록 증가 하다가 1150℃를 기점으로 점점 감소하는 경향을 보이는데, 이는 인공경량골재 표면에 유리질이 형성되어 치밀한 구조와 점성을 가지게 되어 골재 내부에 폐기 공이 많이 형성된 것으로 사료된다. 또한 각 온도별 인공경량골재의 흡수율은 코팅처리 전보다 코팅처리 후에 괄목 할 만하게 낮아졌으며, K73 시편의 경우 흡수율 감소 비율이 K82 시편의 경우보다 높은 것으로 나타났다. 두 시편 모두 코팅의 양이 증가할수록 흡수율 감소 비율이 높아지는 경향을 보였다.
- 4 % 정도 감소하는 물성 개선 효과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용된 CaCQ 표면 코팅에의한 표면개 질은 인공경량골재의 소성 과정에서 골재간 융착 방지 및 인공경량골재의 물성개선에 효과적이었으며 실제 생산 공정에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 CaCQ 코팅 양이 증가 할수록 골재의 껍질(shell)은 두꺼워 지고 블랙 코어 면적은 줄어드는 경향을 보였으며, 거대 기공의 양도 감소하였다. 비중 흡수율을 측정한 결과 CaCC>3 10 wt/% K73 골재 시편의 경우 비중은 온도에 따라 0.07~0.11 정도 증가하고 흡수율은 1.4~3.4 % 정도 감소하는 물성 개선 효과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 사용된 CaCQ 표면 코팅에의한 표면개 질은 인공경량골재의 소성 과정에서 골재간 융착 방지 및 인공경량골재의 물성개선에 효과적이었으며 실제 생산 공정에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과에서 보듯이 K73 인공경량골재의 경우 소성 시 CaC0 코팅층에 의하여 융착 현상을 효과적으로 방지할 수 있었으며 흡수율 개선효과도 큰 것으로 나타났다. 또한 CaCQ 코팅을 함으로서 소성온도 범위가 1150~1200℃로 매우 넓어지기 때문에 골재 소성시 안정된 조업이 가능할 것으로 사료된다.
- 두 시편 모두 코팅의 양이 증가할수록 흡수율 감소 비율이 높아지는 경향을 보였다. 특이할만한 사항은 K73 시편의 경우 CaCO3 10wt/%를 코팅하여 1075℃에서 소성했을 때 코팅을 하지 않은 시편과 비교사여 흡수율이 13 %에서 8% 이하로 감소되어 매우 우수한 흡수율 특성을 보였다.(흡수율이 코팅 후 44% 저하됨) 따라서 흡수율 12% 이하의 값을 가지는 골재의 경우에는 구조용 경량 콘크리트에 적용 가능하며, 경량콘크리트 타설 시 발생될 수 있는 펌핑(pumping) 원활성 문제도 발생하지 않을 것으로 판단되었다.
- 변화를 표로 정리하였다. 표에서 알 수 있듯이 CaCO3 코팅 효과는 비중 값 변화보다는 흡수율의 변화가 크게 나타났고, 특히 저온에서의 흡수율 감소 효과가 크게 나타났다. 이는 코팅을 한 시편의 경우 표면에는융제가 관찰되지 않지만 현미경 사진상에 보이는 미세분말들 즉, CaO 분말 또는 Ca-Si-A1.
후속연구
- 또한 CaCQ 코팅을 함으로서 소성온도 범위가 1150~1200℃로 매우 넓어지기 때문에 골재 소성시 안정된 조업이 가능할 것으로 사료된다.
- 들이 혼재되어 있는 것으로 판단된다. 이들 상에 대한 정밀한 분석 연구는 향후 더 추진해야할 과제이며 이와 관련된 XRD 및 EDS 자료는 본 논문에는 싣지 않고 향후 연구에 보완하여 발표할 예정이다.
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