최근 산업발전에 따른 천연자원 고갈, 공해물질 배출, 폐기물 발생 등과 같은 부가적인 문제는 세계적으로 이슈화되고 있다. 현재 국내 산업부산물은 연간 600만 톤이 발생하며, 매립, 소각, 저장과 같은 1차원적인 처리에도 한계가 발생하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 산업폐기물인 플라이애시 재활용 연구의 일환으로 플라이애시와 실리카퓸을 숏크리트에 활용하여 자원의 재활용 문제뿐만 아니라 숏크리트에 적용함으로써 플라이애시의 사용을 확대하고자 한다. 그러나 숏크리트에 적용하기에 앞서 최근 범지구적으로 이슈화되고 있는 환경문제에 보다 적극적으로 대처하기 위하여 환경유해성 평가가 반드시 필요하며, 본 연구에서는 예비 배합 및 압축강도 시험을 통해 도출한 10가지 배합에 대하여 화학성분 분석시험과 중금속 용출시험을 통해 환경 영향평가를 실시하였다. 압축강도 시험결과, 모든 배합에서 국내외 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 중금속 용출시험의 경우 Cr, Cd, Hg 성분은 검출되지 않고 Pb 성분은 플라이애시가 함유된 일부분의 경우에서만 검출되었다. 그리고 Cu, As 성분이 모든 배합에서 검출되었으나 국내외 기준에 모두 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
최근 산업발전에 따른 천연자원 고갈, 공해물질 배출, 폐기물 발생 등과 같은 부가적인 문제는 세계적으로 이슈화되고 있다. 현재 국내 산업부산물은 연간 600만 톤이 발생하며, 매립, 소각, 저장과 같은 1차원적인 처리에도 한계가 발생하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 산업폐기물인 플라이애시 재활용 연구의 일환으로 플라이애시와 실리카퓸을 숏크리트에 활용하여 자원의 재활용 문제뿐만 아니라 숏크리트에 적용함으로써 플라이애시의 사용을 확대하고자 한다. 그러나 숏크리트에 적용하기에 앞서 최근 범지구적으로 이슈화되고 있는 환경문제에 보다 적극적으로 대처하기 위하여 환경유해성 평가가 반드시 필요하며, 본 연구에서는 예비 배합 및 압축강도 시험을 통해 도출한 10가지 배합에 대하여 화학성분 분석시험과 중금속 용출시험을 통해 환경 영향평가를 실시하였다. 압축강도 시험결과, 모든 배합에서 국내외 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 중금속 용출시험의 경우 Cr, Cd, Hg 성분은 검출되지 않고 Pb 성분은 플라이애시가 함유된 일부분의 경우에서만 검출되었다. 그리고 Cu, As 성분이 모든 배합에서 검출되었으나 국내외 기준에 모두 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
The problems such as natural resource exhaustion, pollutant emission and waste generation are increasing worldwide with the industrial development. The quantity of the industrial by-product in Korea is 6 million tons a year, and even its basic treatment processes including landfill, incineration and...
The problems such as natural resource exhaustion, pollutant emission and waste generation are increasing worldwide with the industrial development. The quantity of the industrial by-product in Korea is 6 million tons a year, and even its basic treatment processes including landfill, incineration and storage have reached their limits. In this study, fly ash and silica fume were applied to shotcrete to develop a method for the reuse of resources and to increase the use of fly ash, which is an industrial waste. An environmental hazard evaluation is a must to actively address the worldwide environmental problems, though. Therefore, an environmental impact assessment was conducted using the chemical content analysis test and heavy metal exudation test, for ten mixtures that were obtained through the pre-mixing and compressive strength tests. The results of the compressive strength test showed that all mixtures satisfied national and international standards. Cr, Cd and Hg were not detected, and Pb was detected only in some cases with fly ash. Cu and As were detected in all mixtures, but all of them satisfied national and international standards.
The problems such as natural resource exhaustion, pollutant emission and waste generation are increasing worldwide with the industrial development. The quantity of the industrial by-product in Korea is 6 million tons a year, and even its basic treatment processes including landfill, incineration and storage have reached their limits. In this study, fly ash and silica fume were applied to shotcrete to develop a method for the reuse of resources and to increase the use of fly ash, which is an industrial waste. An environmental hazard evaluation is a must to actively address the worldwide environmental problems, though. Therefore, an environmental impact assessment was conducted using the chemical content analysis test and heavy metal exudation test, for ten mixtures that were obtained through the pre-mixing and compressive strength tests. The results of the compressive strength test showed that all mixtures satisfied national and international standards. Cr, Cd and Hg were not detected, and Pb was detected only in some cases with fly ash. Cu and As were detected in all mixtures, but all of them satisfied national and international standards.
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문제 정의
도출된 10가지 예비 배합을 이용한 중금속 용출시험을 통하여 예비 배합의 환경적 유해성 여부를 검토하였다. 검증된 시험을 이용한 안전성 검토를 통하여 향후 플라이애시 및 실리카퓸에 대한 숏크리트 적용의 적합성을 도출하고자 하였다.
따라서 본 연구는 산업부산물인 플라이애시를 구조재료인 시멘트에 혼입하여 사용함으로써 산업부산물의 재활용 효과를 극대화시키기 위한 방안으로, 숏크리트로의 적용 가능성을 검증하고자 한다. 숏크리트로 적용하기 위해서는 초기강도 발현에 유의해야 하므로 초기강도 발현에 다소 불리한 플라이애시를 보완하기 위해 초기강도에 유리한 실리카퓸을 혼입하기도 하였다.
따라서 본 연구는 산업부산물인 플라이애시와 실리카퓸을 숏크리트용 혼화재로 재활용하기 위한 연구의 일환으로, 플라이애시 및 실리카퓸이 혼입된 숏크리트용 시멘트의 최적배합비를 도출하고, 압축강도 시험을 통해 사용성을 검증한 후, 화학 조성 및 환경 유해성을 평가하였다.
본 연구는 산업부산물인 플라이애시와 실리카퓸을 재활용하여 숏크리트에 적용하기 위한 연구의 일환으로 환경적 안전성을 검증하기 위해 실시하였으며, 결과는 다음과 같다.
본 연구는 산업부산물인 플라이애시와 실리카퓸을 재활용하여 숏크리트에 적용하기 위한 연구의 일환으로, 환경적 안전성을 검증하기 위해 진행되었다. 먼저 압축강도 시험을 통하여 Table 3과 같이 배합비에 따른 10가지 예비 배합을 도출하였다.
본 연구에서는 납(Pb), 구리(Cu), 비소(As), 수은(Hg), 크롬(Cr) 및 카드뮴(Cd)과 같은 6가지 중금속을 분석하여 유해성 여부를 판별하였다.
제안 방법
검출된 성분의 유해성을 판단하기 위해 Table 6에서 제시한 여러 가지 국내외 환경기준과 비교 · 분석해보았다.
도출된 10가지 예비 배합을 이용한 중금속 용출시험을 통하여 예비 배합의 환경적 유해성 여부를 검토하였다. 검증된 시험을 이용한 안전성 검토를 통하여 향후 플라이애시 및 실리카퓸에 대한 숏크리트 적용의 적합성을 도출하고자 하였다.
또한 본 시험에서 사용한 분석기기는 유도결합 플라즈마 발광분석기(ICP; Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy)로 알곤가스를 플라즈마 가스로 사용하여 수정 발진식 고주파 발생기로부터 발생된 주파수 27.13MHz 영역에서 유도코일에 의하여 플라즈마를 발생시키는 원리이다.
시편은 KS F 2403(콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 따라 각 배합수준별 100x~200mm의 실린더형 공시체를 제작하여 표준양생(20±2oC)을 실시한 후, 재령 1일, 3일 및 28일 압축강도를 측정하였다.
예비 배합은 28일 강도를 기준으로 하였으며, 물-결합재비(W/B) 45%, 슬럼프 100±20mm, 공기량 4~6%, 그리고 플라이애시와 실리카퓸의 함량은 각각 0~20%, 0~7%의 범위로 제한하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 플라이애시(Fly ash, Pulverised fuel ash)는 ‘미분탄 연소 보일러의 연소 가스로부터 집진기로 채취하는 재’로 KS L 5405 규정에 의하였다.
본 연구에서 사용한 고성능 감수제는 나프탈렌 설폰산 포르말린 축합물을 주성분으로 하는 콘크리트용 화학혼화제로서 암갈색의 액체 상태이며 비중 1.20±0.2(20oC), pH 7±1(20oC)의 특성을 지닌다.
본 연구에서는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 굵은 골재는 10mm의 쇄석을 사용하였다. 현재 국내에서 사용되고 있는 숏크리트에서의 굵은 골재 최대치수는 Table 1에 나타난 바와 같이 한국도로공사에서 제시하고 있는 13mm이나, 숏크리트 타설시 리바운드량을 감소시키고 시공성을 확보하기 위해 본 연구에서는 10mm로 낮춰 사용하였다.
본 연구에서는 Photo 3과 같이 한국폐기물공정시험법에 의한 용출시험을 실시하였으며, 각 변수별로 시료를 5mm이하로 분쇄하여 사용하였다. 또한 본 시험에서 사용한 분석기기는 유도결합 플라즈마 발광분석기(ICP; Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy)로 알곤가스를 플라즈마 가스로 사용하여 수정 발진식 고주파 발생기로부터 발생된 주파수 27.
또한 조성에 관계없이 대부분의 플라이애시는 콘크리트의 단위수(水)량을 감소시키고 유동적인 흐름과 이온 확산에 대한 저항성을 증가시키려는 경향이 있다(Thomas 등, 1999). 본 연구에서는 사용된 플라이애시는 보령산으로 SEM 촬영 사진은 Photo 1과 같다.
본 연구에서는 최근 환경 친화적인 급결제로 주목받고 있는 시멘트광물계 급결제를 사용하였으며, 연회색의 분말상태로 진비중 2.76, 부피비중 0.7±0.1, pH 11.5±0.5의 특성을 지닌다.
국외의 경우 8mm까지 낮춰 사용하고 있고 국내의 한국표준협회의 기준에 만족하는 값이므로 10mm를 사용하는 것이 가능할 것으로 판단되었다. 잔골재는 비중 2.61, 조립률 2.65의 강사를 사용하였다.
본 연구에서는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 굵은 골재는 10mm의 쇄석을 사용하였다. 현재 국내에서 사용되고 있는 숏크리트에서의 굵은 골재 최대치수는 Table 1에 나타난 바와 같이 한국도로공사에서 제시하고 있는 13mm이나, 숏크리트 타설시 리바운드량을 감소시키고 시공성을 확보하기 위해 본 연구에서는 10mm로 낮춰 사용하였다. 국외의 경우 8mm까지 낮춰 사용하고 있고 국내의 한국표준협회의 기준에 만족하는 값이므로 10mm를 사용하는 것이 가능할 것으로 판단되었다.
이론/모형
본 연구에서는 국내의 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토양환경보전법, 수도법, 먹는물관리법 및 지하수법과 미국 EPA(Environmental Protection Agency, 환경보호청)의 TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, 독성여과법)를 사용하였다. 검출된 성분을 상기 기준에 적용하였을 때, 국내 기준의 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹는물 관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다.
플라이애시 및 실리카퓸 혼입에 따른 압축강도 특성을 알아보기 위하여 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 준하여 시험을 실시하였다. 시편은 KS F 2403(콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 따라 각 배합수준별 100x~200mm의 실린더형 공시체를 제작하여 표준양생(20±2oC)을 실시한 후, 재령 1일, 3일 및 28일 압축강도를 측정하였다.
성능/효과
1) 압축강도 시험의 경우, 플라이애시와 실리카퓸의 ¡t량을 각각 0~20%, 0~7%의 범위로 하여 최적 배합비 도출을 위해 배합비를 달리한 10가지 예비 배합에서 모두 기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
10가지 예비 배합을 이용한 공시체에 대한 중금속 용출시험 결과는 Table 5와 같이 나타났다. 10가지 공시체 모두 Cr, Cd, Hg 성분의 경우 검출한계 이하로 나타났고, Pb 성분 또한 플라이애시가 함유된 일부분의 경우에서만 검출되었다. 그리고 Cu, As 성분은 모든 공시체에서 검출되었으며 검출된 성분에 대하여 가시적인 그래프로 나타내면 Fig.
1) 압축강도 시험의 경우, 플라이애시와 실리카퓸의 ¡t량을 각각 0~20%, 0~7%의 범위로 하여 최적 배합비 도출을 위해 배합비를 달리한 10가지 예비 배합에서 모두 기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 1일 강도의 경우 플라이애시 배합비가 15% 이상일 때 급격한 강도저하를 보였고, 3일 강도의 경우 실리카퓸 7%를 배합하였을 때 가장 높은 강도발현을 보였으며 플라이애시 배합비가 증가함에 따라 점차 낮아지는 경향을 보였다. 28일 강도의 경우, 재령 1일에서 낮은 강도발현을 보였던 플라이애시 15% 이상의 배합에서 높은 강도가 나타나는 것으로 확인되었다.
2) 중금속 용출시험의 경우, 10가지 공시체 모두 Cr, Cd, Hg 성분은 검출되지 않았고 Pb 성분 또한 플라이애시가 함유된 일부분의 경우에서만 검출되었다. 그리고 Cu, As 성분이 모든 공시체에서 검출되었다.
본 연구에서는 국내의 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토양환경보전법, 수도법, 먹는물관리법 및 지하수법과 미국 EPA(Environmental Protection Agency, 환경보호청)의 TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, 독성여과법)를 사용하였다. 검출된 성분을 상기 기준에 적용하였을 때, 국내 기준의 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹는물 관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다. 또한 미국의 TCLP에도 만족하는 결과를 보여, 산업부산물(플라이 애시)을 숏크리트 건설재료로 활용하는 것이 가능한 것으로 판단된다.
그리고 Cu, As 성분이 모든 공시체에서 검출되었다. 검출된 성분의 유해성을 판단하기 위하여 여러 가지 국내외 환경기준에 적용하여 비교해본 결과, 국내 기준의 경우 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹는물관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다. 또한 미국의 TCLP에도 만족하는 결과를 보여, 국내외 기준에 모두 적합한 것으로 판단되었다.
현재 국내에서 사용되고 있는 숏크리트에서의 굵은 골재 최대치수는 Table 1에 나타난 바와 같이 한국도로공사에서 제시하고 있는 13mm이나, 숏크리트 타설시 리바운드량을 감소시키고 시공성을 확보하기 위해 본 연구에서는 10mm로 낮춰 사용하였다. 국외의 경우 8mm까지 낮춰 사용하고 있고 국내의 한국표준협회의 기준에 만족하는 값이므로 10mm를 사용하는 것이 가능할 것으로 판단되었다. 잔골재는 비중 2.
검출된 성분의 유해성을 판단하기 위하여 여러 가지 국내외 환경기준에 적용하여 비교해본 결과, 국내 기준의 경우 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹는물관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다. 또한 미국의 TCLP에도 만족하는 결과를 보여, 국내외 기준에 모두 적합한 것으로 판단되었다.
검출된 성분을 상기 기준에 적용하였을 때, 국내 기준의 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹는물 관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다. 또한 미국의 TCLP에도 만족하는 결과를 보여, 산업부산물(플라이 애시)을 숏크리트 건설재료로 활용하는 것이 가능한 것으로 판단된다.
급결제는 터널의 숏크리트에 있어서 작업능률을 높이고 부착한 콘크리트의 자중에 의한 박락을 최소화하기 위하여 콘크리트의 응결을 촉진할 목적으로 사용된다. 특히 급결제를 사용함으로써 숏크리트의 초기강도 및 장기강도 발현에 큰 영향을 주며, 첨가량을 증가하면 리바운드량이 감소하며 동시에 높은 조기강도를 얻을 수 있다.
후속연구
이상의 결과를 종합적으로 고려할 때, 산업부산물인 플라이애시 및 실리카퓸을 숏크리트에 적용하기 위해 도출한 배합을 바탕으로 환경 유해성 검증을 실시한 결과, 국내외 기준에 만족하는 것으로 확인되었으며, 추후 현장 적용성을 위한 추가적인 내구성 및 실내시험에 관한 연구 및 고찰이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라이애시와 실리카퓸을 재활용하여 숏크리트에 적용하기 위한 연구 결과는?
1) 압축강도 시험의 경우, 플라이애시와 실리카퓸의 ¡t량을 각각 0~20%, 0~7%의 범위로 하여 최적 배합비 도출을 위해 배합비를 달리한 10가지 예비 배합에서 모두 기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 1일 강도의 경우 플라이애시 배합비가 15% 이상일 때 급격한 강도저하를 보였고, 3일 강도의 경우 실리카퓸 7%를 배합하였을 때 가장 높은 강도발현을 보였으며 플라이애시 배합비가 증가함에 따라 점차 낮아지는 경향을 보였다. 28일 강도의 경우, 재령 1일에서 낮은 강도발현을 보였던 플라이애시 15% 이상의 배합에서 높은 강도가 나타나는 것으로 확인되었다.
2) 중금속 용출시험의 경우, 10가지 공시체 모두 Cr, Cd, Hg 성분은 검출되지 않았고 Pb 성분 또한 플라이애시가 함유된 일부분의 경우에서만 검출되었다. 그리고 Cu, As 성분이 모든 공시체에서 검출되었다. 검출된 성분의 유해성을 판단하기 위하여 여러 가지 국내외 환경기준에 적용하여 비교해본 결과, 국내 기준의 경우 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹는물관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다. 또한 미국의 TCLP에도 만족하는 결과를 보여, 국내외 기준에 모두 적합한 것으로 판단되었다.
산업혁명은 언제 시작 되었는가?
18세기에 시작된 산업혁명을 바탕으로 포틀랜드 시멘트 가 발명된 이후, 이를 기반으로 한 사회기반 시설물 및 여러가지 부가산업이 발달하게 되었다. 시멘트와 천연골재를 이용한 건설 산업은 현재에 이르기까지 비약적인 발전을 거듭해오고 있으나, 산업이 발전함과 동시에 환경에 미치는 영향 즉, 천연자원 고갈, 공해물질 배출, 산업부산물 발생, 에너지의 과소비 및 인류의 건강에 미치는 영향 등과 같은 다양한 문제가 발생하게 되었다.
숏크리트는 어디에 사용되는가?
또한 숏크리트는 급속한 경제성장으로 인한 사회기반 시설 확충 및 국토이용의 효율성을 위한 터널 및 지하 공간 건설 공사에 많이 사용되고 있다. 하지만 아직까지 국내 숏크리트 관련 기술은 국가적인 제도의 미비와 재료의 단가부담 등으로 선진국에 비해 상당히 낮은 수준에 머물러 있는 실정이다(마상준 등, 2007; 박철우 등, 2008).
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