This study aimed to investigate the engineering and environmental characteristics of phosphogypsum-cement-soil mixtures composed of phosphogypsum, soil, and a small amount of cement was analysed on the basis of the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test...
This study aimed to investigate the engineering and environmental characteristics of phosphogypsum-cement-soil mixtures composed of phosphogypsum, soil, and a small amount of cement was analysed on the basis of the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, the wetting and drying test, SEM and EDS analysis, XRD analysis and Leaching test. The specimens were manufactured with soil, cement and phosphogypsum. The cement contents was 10 %, and the phosphogypsum contents was 10, 20, 30, and 40 % by the weight of total dry soil. Each specimen was manufactured after curing at constant temperature and humidity room for 3, 7 and 28 days, after which the engineering characteristics of phosphogypsum-cement-soil mixtures were investigated using the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, the wetting and drying test. The basic data were presented for the application of phosphogypsum-cement-soil mixtures as construction materials. To investigate the environmental characteristics, leaching test was performed and the leaching test results were far below than of regulatory requirement of Waste Management Act in Korea. Therefore the results show that phosphogypsum is environmentally safe and can be used as construction materials in environmental aspect.
This study aimed to investigate the engineering and environmental characteristics of phosphogypsum-cement-soil mixtures composed of phosphogypsum, soil, and a small amount of cement was analysed on the basis of the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, the wetting and drying test, SEM and EDS analysis, XRD analysis and Leaching test. The specimens were manufactured with soil, cement and phosphogypsum. The cement contents was 10 %, and the phosphogypsum contents was 10, 20, 30, and 40 % by the weight of total dry soil. Each specimen was manufactured after curing at constant temperature and humidity room for 3, 7 and 28 days, after which the engineering characteristics of phosphogypsum-cement-soil mixtures were investigated using the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, the wetting and drying test. The basic data were presented for the application of phosphogypsum-cement-soil mixtures as construction materials. To investigate the environmental characteristics, leaching test was performed and the leaching test results were far below than of regulatory requirement of Waste Management Act in Korea. Therefore the results show that phosphogypsum is environmentally safe and can be used as construction materials in environmental aspect.
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문제 정의
본 연구는 이러한 기조하에 진행되는 인산석고의 건설자재로의 활용을 위한 기초적 연구로서 인산석고 및 시멘트 혼합률에 따른 혼합토의 다짐 특성, 압축강도, 인장강도, 동결융해, 건습 특성, 미세구조 등의 분석을 통해 인산석고-시멘트 혼합토의 강도 및 내구 특성을 구명하고, 이를 통해 현장에서 인산석고 시멘트 혼합토를 건설재료로서 활용하는데 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 인산석고 혼입율에 따른 인산석고 시멘트 혼합토의 압축강도, 인장강도, 동결융해, 건습 특성, 미세구조 분석, 용출시험 등의 분석을 통해 인산석고 시멘트 혼합토의 강도 및 환경적 특성을 구명하고자 하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
각 시료의 최적함수비 및 최대건조밀도 산출을 위한 다짐은 ø50×100 mm 몰드용 다짐봉에 의한 다짐방법에 의해 실시하였으며, 강도 측정을 위한 공시체 제작 시에도 동일함 방법으로 다짐시험을 수행하였다.
건습시험은 KS F 2330 (다져진 흙 시멘트 혼합물의 습윤 및 건조 시험 방법)에 준하여 공시체를 성형한 후에 습윤 양생실에서 7일간 양생한 후 5시간의 수침과 42시간동안 71 ℃의 건조로에서 건조하기를 12주기 반복하여 동결융해시험과 동일한 방법으로 흙-시멘트 손실량을 측정하였다.
다짐시험에서 산출된 최적함수비와 최대건조단위중량을 기준으로 하여 수량 및 물량을 산정한 후 다짐 시험과 동일한 수준의 다짐에너지를 나타낼 수 있도록 ø50×100 mm 몰드에 재료를 투입하고 3층으로 나누어 다짐을 실시하였다.
동결융해 시험은 KS F 2332 (다져진 흙 시멘트 혼합물의 동결 융해 시험 방법)에 준하여 공시체를 성형한 후에 습윤 양생실에서 7일간 양생한 후 －23 ℃보다 높아지지 않는 동결캐비닛에 24시간의 동결과 온도 21 ℃, 상대습도 100 %인 습윤 양생실에서 24시간동안 융해하기를 12주기 반복하여 다음의 (1)식에 의해 흙-시멘트 손실량을 측정하였다.
보다 정량적인 분석을 위해 Fig. 8 및 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 SEM 분석을 수행한 시료에 대하여 EDS 분석과 XRD 분석을 수행하였다. Fig.
인산석고 시멘트 혼합토의 배합 설계는 Lee et al. (2001)의 연구를 참고하여 최적 배합 조건을 찾기 위해 토질역학 분야에서 주로 사용되는 혼합토의 전체 중량에 대한 중량비로 결정하였으며, Table 4에 나타낸 바와 같이 시멘트는 10 %, 인산석고는 10, 20, 30, 40 %를 혼입하는 네 가지 조건으로 하여 시험을 수행하였다.
인산석고 시멘트 혼합토의 환경적 영향 분석을 위해 재령 0일 및 28일된 공시체에서 샘플을 채취하여 국내 폐기물공정시험법에 따른 용출시험을 수행하였다.
인산석고의 혼합률에 따른 일축압축강도 및 인장강도의 영향을 분석하기 위하여 시멘트비를 10 %로 일정하게 고정시킨 다음 인산석고의 혼합률을 10, 20, 30, 40 %로 달리하여 공시체를 만든 후 일축압축 및 인장강도시험을 실시하였다.
인장강도시험은 KS F 2423 (콘크리트의 쪼갬 인장 강도 시험 방법)에 준하여 재령 3, 7일 및 28일에 ø50×100 mm인 공시체를 일축압축시험기를 사용하여 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하여 측정하였다.
일축압축강도시험은 KS F 2314 (흙의 일축 압축 시험 방법)에 준하여 재령 3, 7일 및 28일에 ø50×100 mm인 공시체를 일축압축시험기를 사용하여 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하였다.
다짐시험에서 산출된 최적함수비와 최대건조단위중량을 기준으로 하여 수량 및 물량을 산정한 후 다짐 시험과 동일한 수준의 다짐에너지를 나타낼 수 있도록 ø50×100 mm 몰드에 재료를 투입하고 3층으로 나누어 다짐을 실시하였다. 재령에 따른 강도 특성을 구명하기 위하여 재령 3, 7일 및 28일 동안 양생을 실시하였다.
혼합토의 수화특성을 분석하기 위하여 재령 0일 및 7일된 공시체에서 샘플을 채취하여 주사전자현미경 (scanning electronic microscope, SEM)을 이용하여 수화생성물의 형태 및 분포를 비교하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 혼합토는 ◯◯대학교 인근 현장의 터파기 시 발생된 굴착토를 사용하였으며, 인산석고는 전남 여수시 소재 ◯◯화학 공장에서 발생하고 있는 폐석고를 채취하여 사용하였다.
본 연구에서 용출시험은 국내 폐기물공정시험법에 의하여 인산석고 시멘트 혼합토에 대하여 용출시험을 실시하였으며, ◯◯대학교 공동실험실습관의 기자재를 활용하였다. 시료는 인산석고 혼합비 40 %인 혼합토의 재령 0일과 28일 두 시료를 대상으로 시험을 실시하였다.
시멘트는 국내 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, Table 2∼3은 각각 사용된 골재 및 시멘트의 역학적 특성과 화학적 성분을 나타낸다
이론/모형
본 연구에서 용출시험은 국내 폐기물공정시험법에 의하여 인산석고 시멘트 혼합토에 대하여 용출시험을 실시하였으며, ◯◯대학교 공동실험실습관의 기자재를 활용하였다. 시료는 인산석고 혼합비 40 %인 혼합토의 재령 0일과 28일 두 시료를 대상으로 시험을 실시하였다.
혼합토의 수화특성을 분석하기 위하여 재령 0일 및 7일된 공시체에서 샘플을 채취하여 에너지 분산법 (Energy dispersive spectroscopy, EDS) 및 X-선 회절분석법 (X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 수화생성물의 구성성분을 확인하였다.
성능/효과
1. 인산석고 시멘트 혼합토는 인산석고 혼합비율이 증가함에 따라 압축강도 및 인장강도는 감소하는 경향을 나타냈으며, 인산석고 혼합률이 20 % 이상일 때 강도 감소률은 급격히 줄어드는 것으로 나타났다
2. 인산석고 혼합률이 10∼40 %인 인산석고 시멘트 혼합토의 7일 강도는 28일 강도의 45∼90 %를 나타내며, 인장강도는 71∼96 % 정도인 것으로 나타났다.
3. 인산석고 시멘트 혼합토는 시멘트 혼합토에 비해 28일 강도 기준으로 25% 수준에 미치지 못하는 것으로 나타났으며 이는 인산석고의 혼합율이 높아질수록 인산석고가 시멘트와 반응하지 못하고 경화체 내부에 석고 자체 그대로 존재하며 시멘트의 수화반응을 방해하기 때문으로 판단된다.
4. 동결융해 및 건조 습윤시험 결과 인산석고의 혼합율이 10, 20, 30 40 %인 경우 모두 4 % 이하로 나타나 동결융해 및 건조 습윤 저항성을 확보한 것으로 나타나 인산석고 혼합이 동결융해 및 건조 습윤에 대한 저항력 증진에 일정 정도 역할을 담당하는 것으로 나타났다.
Fig. 9는 7일 경과 후의 수화 생성물 확인을 위해 XRD 분석을 수행한 결과를 나타낸 것으로 인산석고 혼합률 10 % 및 40 % 모두 gypsum 및 SiO2가 주성분으로 나타났으며 7일 경과 후 Ettringite가 생성 되었음을 확인할 수 있다. 다만 인산석고 10 %의 경우가 Ettringite 생성이 더 확연하며 인산석고 혼합률 40 %의 경우에 규산칼슘 수화물 생성이 미미함을 알 수 있다.
7은 인산석고 10 % 및 40 %가 혼합된 인산 석고 시멘트 혼합토에 대한 재령 0일 및 7일 시료에 대하여 주사전자현미경 (SEM, S-4300 Hitachi)에 의해 10,000배로 측정한 재료 내부의 미세 구조를 나타낸 것이다. 샘플 표면의 SEM 분석 결과 재령 7일에서 시멘트 수화에 의하여 수화 생설물이 생성된 것을 볼 수 있으며, 인산석고 혼합비 40 %보다 10 %의 경우에서 침상의 에트린자이트 생성이 더 확연함을 알 수 있다.
인산석고 시멘트 혼합토에 발생되는 침출수 분석 결과, Table 7에서 보는 바와 같이 두 시료 모두 수질환경보전법에서 요구하는 항목을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 인산석고 시멘트 혼합토는 환경적 영향이 미미한 것으로 볼 수 있으며 건설 재료로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
5는 동결융해 싸이클에 따른 인산석고 시멘트 혼합토의 손실량과 인산석고 혼합률과 관계를 나타낸 것이다. 인산석고 혼합율 10, 20, 30 40 %에 따른 동결융해 실험 결과 손실율은 각각 0.877, 1.146, 2.151, 3 %이었으며, 건습시험 후 손실율은 각각 1.356, 1.441, 2.266, 3.438 %로 나타났다. 인산석고 혼합률이 클수록 손실률도 커지는 경향을 보였는데, 인산석고 시멘트 혼합토의 동결융해 및 건습시험에서는 시멘트의 수화작용의 역할이 중요하게 작용함을 반증하는 것이라 할 수 있다.
후속연구
인산석고 시멘트 혼합토에 발생되는 침출수 분석 결과, Table 7에서 보는 바와 같이 두 시료 모두 수질환경보전법에서 요구하는 항목을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 인산석고 시멘트 혼합토는 환경적 영향이 미미한 것으로 볼 수 있으며 건설 재료로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 인산석고 재활용 공장을 현장에 설치하여 벽돌 또는 블록과 같은 건설자재를 생산하는 방식으로 폐기물의 고부가가치 자원화를 이룩함으로서 운송비에 대한 부담을 완화할 수 있는 방안을 고려해 볼 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 폐석고는 어떻게 구분될 수 있는가?
최근 고도의 경제성장 및 활발한 국가기간 산업의 확충으로 파생된 산업폐기물 및 생활폐기물의 환경오염이 심각한 가운데 해양투기 및 매립이 금지되어 폐기물의 처리 및 재활용에 대한 연구가 국가적인 차원에서 시급한 실정이다. 국내 폐석고는 비료 공업에서 부산물로 발생되는 인산석고 (Phosphogypsum), 불산 제조 시 부산되는 불산Ⅱ형 무수석고, 화력발전소에서 발생되는 배연 탈황석고, 그 외 티타늄 공장에서 폐기물로 나오는 티탄석고로 구분될 수 있다.
2006년 기준, 국내 인산석고의 누적량 규모는 어떠한가?
그러나 1997년 IMF 이후 국내 건설경기의 침체로 석고소비량이 급감하고 중국산 저가 석고제품 사용 및 탈황석고 발생량의 증가 등으로 인산석고의 잉여량이 급격하게 증가하고 있다. 이에 따라 적치량도 크게 증가하여 2006년 기준으로 인산석고의 누적량은 약 1,948만톤에 이르고 있으며, 지속적으로 증가하는 추세이므로 인산석고의 재활용 방안 개발이 시급히 요청되고 있다 (Kim, 2010).
인산석고의 누적 잉여량이 IMF 이후 급격히 증가하고 있는 이유는?
국내에서 탈황석고, 인산석고, 티탄석고 등을 포함한 부산석고의 발생량은 약 400만톤/년이며 이 중 화력발전소의 배연탈황석고는 약 180만톤이 발생되어 석고보드, 시멘트 원료 등으로 전량 소비되고 있으며, 인산비료 생산과정에서 발생되는 인산석고는 약 200만톤/년 이상 발생되어 시멘트 원료, 석고보드, 비료용 등으로 인산석고 전체 발생량의 약 65 %인 130만톤/년이 재활용되고 있다. 그러나 1997년 IMF 이후 국내 건설경기의 침체로 석고소비량이 급감하고 중국산 저가 석고제품 사용 및 탈황석고 발생량의 증가 등으로 인산석고의 잉여량이 급격하게 증가하고 있다. 이에 따라 적치량도 크게 증가하여 2006년 기준으로 인산석고의 누적량은 약 1,948만톤에 이르고 있으며, 지속적으로 증가하는 추세이므로 인산석고의 재활용 방안 개발이 시급히 요청되고 있다 (Kim, 2010).
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