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문제 정의
- 본 연구에서는 매립장에 쌓여 있는 매립회를 별도의 분리나 선별과정 없이 인공경량골재의 원료로 적용하기 위하여 매립회의 물리· 화학적, 열적 특성 등의 기초 물성을 분석 후, 매립회를 이용하여 인공경량골재를 제조하고 경량콘크리트에 적용 가능 여부를 확인하였다.
제안 방법
- 각 매립회의 화학조성분석은 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 사용하였으며, 결정상 분석과 열적특성 분석은 각각 XRD(X'pert pro, PANalytical Co. Netherlands)와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch, Germany)를 사용하였다.
- Netherlands)와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch, Germany)를 사용하였다. 매립회를 고액비(무게비)=1:20의 용액에서 용출시킨 후 양이온과 음이온의 종류와 양을 각각 ICP(OPTIMA 4300DV, Perkin-Elmer, USA)와 IC(DX-500, DIONEX, USA)를 사용하여 분석하였으며, SEM(JSM-6500F, JOEL, Japan)과 EDS(Oxford EDS7557, Oxford, UK)를 이용하여 매립회의 미세구조와 입자별 화학성분을 관찰하였다.
- 매립회와 점토는 120℃/48 h의 조건으로 건조 후 롤러 밀(roller mill)을 이용한 1차 조분쇄와 핀 밀(pin mill)을 이용한 2차 미분쇄 공정을 거쳐 150 µm 이하의 입자크기로 제어하였다. 분쇄된 매립회와 점토를 리본 믹서기(ribbon mixer)를 이용하여 1시간동안 건식혼합 후, 조립성형기를 이용하여 지름 8~10 mm 크기의 구형 인공골재를 성형하였다. 성형된 인공골재는 건조기에서 120℃/48 h 동안 건조 후, 로타리 킬른에서 1125℃/15 min의 조건으로 소성하였다.
- 원료에 물을 20 wt% 첨가하여 혼합 후 지름 8~10 mm의 구형 성형체를 제조하였다. 성형된 건조체는 각각 1050/1100/1150/1200℃의 온도로 예열된 전기로에 직접 투입하여 10분간 직화 소성하였다. 전기로에서 소성된 인공경량골재의 비중/흡수율(KS F 2503 “굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험방법”)을 측정하였으며, 광학현미경(DCS-105, Sometech-vision, Korea)과 SEM을 이용하여 미세구조를 관찰하였다.
- 성형된 인공골재는 건조기에서 120℃/48 h 동안 건조 후, 로타리 킬른에서 1125℃/15 min의 조건으로 소성하였다. 소성된 인공골재의 물성분석을 위하여 광학현미경, SEM을 관찰하였으며 비중/흡수율을 측정하였다.
- 점토와 매립회는 전기건조기에서 120℃/48 h 건조 후 핀 밀(pin mill)을 이용한 분쇄공정으로 통해 지름 150 µm 이하의 입자를 사용하였다. 원료에 물을 20 wt% 첨가하여 혼합 후 지름 8~10 mm의 구형 성형체를 제조하였다. 성형된 건조체는 각각 1050/1100/1150/1200℃의 온도로 예열된 전기로에 직접 투입하여 10분간 직화 소성하였다.
- 전기로에서 소성된 인공경량골재의 비중/흡수율(KS F 2503 “굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험방법”)을 측정하였으며, 광학현미경(DCS-105, Sometech-vision, Korea)과 SEM을 이용하여 미세구조를 관찰하였다.
대상 데이터
- 3종류의 매립회중 S 매립회를 점토와 다양한 무게비로 혼합하여 인공골재를 제조하였으며 그 배합비는 Table 1에 나타내었다. 점토와 매립회는 전기건조기에서 120℃/48 h 건조 후 핀 밀(pin mill)을 이용한 분쇄공정으로 통해 지름 150 µm 이하의 입자를 사용하였다.
- 인공골재 적용을 위한 매립회는 국내 ‘S’, ‘D’, ‘H’ 화력발전소에서 발생되는 매립회를 사용하였다.
성능/효과
- 5는 S 매립회를 기본으로 점토와 여러 배합비로 제조한 성형체를 전기로에서 1050/1100/1150/1200℃의 온도로 10분간 직화 소성 후 비중/흡수율을 측정한 결과이다. (a)의 부피비중의 측정결과, 인공경량골재는 소성 온도가 증가할수록 부피비중 값이 낮아지는 것을 관찰할 수 있다. 특히 매립회 첨가량이 낮은 시편일수록 소성온도 변화에 따른 부피비중 감소변화가 큰 것을 관찰할 수 있다.
- (a)는 절단된 골재의 중심부분을 관찰한 결과로서, 수십µm 크기의 미세 기공들이 다수 관찰되며, 조직이 치밀하지 않은 것을 확인 할 수 있다. 그림 (b)는 절단된 골재의 껍질부분을 관찰한 결과로서, 중심부분에 비해 상대적으로 치밀한 구조를 이루고 있음을 확인 할 수 있었다. 이는 앞의 전기로에서 소성된 인공경량골재 미세구조와 비슷한 경향을 나타냄을 확인할 수 있다.
- 1. 일부 매립회에 포함되어 있는 다량의 미연탄소 성분과 알카리/알카리토류 산화물들은 인공골재 제조 시 액상 형성과 기공형성을 통한 경량화에 적합할 것으로 판단된다.
- 2. 매립회에 대한 용출실험 결과 중금속이 기준치 이하로 검출되었으며, IC 분석결과 매립회의 종류에 따라 Cl-이온과 SO42- 이온이 검출되었다. 매립회를 인공경량골재의 원료로 사용하기 위해서는 매립회의 종류에 따라 수세공정이 필요할 것으로 판단된다.
- 4. 매립회와 적점토의 배합비와 온도변화에 따른 인공골재의 비중/흡수율 분석결과, 비중 1.1~1.8, 흡수율 10~30%의 경량특성을 갖는 인공골재를 얻을 수 있었다.
- 5. 매립회50 wt%-적점토50 wt% 조성의 인공골재를 로타리 킬른에서 1125℃/15 min 조건에서 대량 소성한 결과 부피비중 1.73, 흡수율 15.2%의 인공경량골재를 얻을 수 있었다.
- 6. 본 연구에서 개발한 매립회 재활용 골재는 일반 인 공경량골재의 비중 2.0 이하 기준은 만족하고 있지만 흡수율이 15.2%로 높게 나타났다. 흡수율 증가에 의한 콘크리트 타설 시 문제점을 극복하기 위해서는 골재의 표면개질 및 기공제어에 대한 추가 실험이 필요할 것으로 판단된다.
- 3%로 매우 낮게 측정되었다. H 매립회는 CaO와 MgO 알카리토류 산화물들이 각각 8.0%와 2.3%로 세 가지의 매립회중 가장 높게 나타났으며, 미연탄소 함량은 3.5%로 낮지만 강열감량이 8.1%로 비교적 높게 나타났다. 매립회의 성분이 발전소별로 다른 것은 사용되는 석탄의 종류와 운전조건의 차이에 의한 것으로 판단되며, 인공경량골재 제조를 위한 원료로는 융제와 발포제 성분이 많이 포함된 S와 H 매립회가 적절한 것으로 판단된다.
- 179 ppm으로 상대적으로 높게 검출되었으며, H 매립회는 Ni 이온과 Pb 이온이 상대적으로 높게 검출되었다. ICP 분석결과 모든 매립회에서 중금속 양이온들이 소량씩 검출되었으나 이는 폐기물 관리법의 중금속 용출 기준이하로 나타나 매립회를 인공경량골재의 원료로 사용하는데 문제가 없을 것으로 판단된다.7)
- 모든 매립회의 주 결정상은 Quartz(SiO2)와 Mullite(2SiO2·3Al2O3)로 나타났다. Mullite 결정상은 화력발전소에서 고온 열처리 시 석탄에 포함되어 있는 SiO2와 Al2O3 성분의 결합에 의한 것으로 매립회의 결정상은 일반적인 석탄회에서 나타나는 결성상과 동일함을 확인할 수 있었다.
- 매립회 별로 Cl- 이온의 농도 차이는 매립회를 묻는 회 처리장의 위치 때문으로 예상되며, 회 처리장이 바닷가와 가까울 경우 매립회가 바닷물에 포함된 Cl- 이온에 쉽게 노출되기 때문으로 판단된다. 모든 매립회에서 SO42- 이온이 상당량 관찰되었는데 S 매립회가 가장 낮은 232 ppm 나타냈으며, H 매립회는 가장 높은 688 ppm을 나타내었다. 콘크리트의 알칼리 농도가 낮아지거나, 콘크리트에 유해성분이 혼입되면 철근은 활성화 상태로 되어 쉽게 부식하게 된다.
- 모든 매립회의 주 결정상은 Quartz(SiO2)와 Mullite(2SiO2·3Al2O3)로 나타났다.
- 1 인공경량골재의 경우 내부와 표면의 중간에 계면이 형성됨을 관찰할 수 있다. 인공경량골재의 계면형성은 온도가 증가할수록 확실 구별되며, 1200℃에서 직화 소성된 인공경량골재들은 거대기공의 형성으로 인해 다공성 구조를 갖는 중심부분(core)과 상대적으로 치밀한 구조를 갖는 껍질부분(shell)을 형성하는 것이 관찰되었다. 이와 같이 세라믹 내부에 형성되는 검은 부분을 블랙 코어(black core)라고 한다.
- 2%를 갖는 인공경량골재를 얻을 수 있었다. 전기로 실험조건과 비교하여 부피비중은 높고, 흡수율은 낮은 것을 확인할 수 있다. 전기로 소성골재의 경우 낮은 비중과 높은 흡수율은 골재의 우수한 발포특성을 나타내는 것으로, 예비가열 없이 바로 1150℃로 직화 소성되면서 골재 내부의 가스 발생과 표면에 점성을 갖는 유리질의 형성이 동시에 발생하면서 골재가 발포된 것이다.
후속연구
- 2%로 높게 나타났다. 흡수율 증가에 의한 콘크리트 타설 시 문제점을 극복하기 위해서는 골재의 표면개질 및 기공제어에 대한 추가 실험이 필요할 것으로 판단된다.
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