근래 도시 재개발사업 및 사회기반 시설의 확충 등으로 건설현장에서는 막대한 양의 건설폐기물이 발생량은 매년 증가되는 추세에 있다. 이와 같은 건설폐기물의 처리는 국가, 사회적으로 이슈로 부각되고 있으며, 이중 폐콘크리트의 중간처리 과정에서 발생되는 폐슬러지는 현재까지 유효활용되지 못하고 대부분 폐기 또는 매립되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 건설폐기물 중간처리시설 중 습식방식에 의한 순환골재 생산시 필연적으로 부산되는 폐슬러지를 시멘트 복합체용 사용재료(바인더, 충진재 등)로 활용하기 위한 방안을 모색하기 위하여 순환미분말의 가열온도, 혼입조건, 적용용도별에 따른 모르타르의 물리, 역학적 특성을 검토하였다. 연구결과 모든 가열온도 조건에서 순환미분말의 주성분은 $SiO_2$와 CaO인 것으로 나타났으며, 여기에서 유의할 점은 순환미분말의 CaO 함량은 종래 일반적으로 활용되는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 작은 함량을 나타냈다. 그리고 건조 및 가열온도 조건별에 따른 모르타르의 유동특성은 가열온도가 증가함에 따라 감소되는 결과를 나타냈고 압축강도 및 기공특성의 경우는 $600^{\circ}C$에서 가장 우수한 특성을 나타냈다. 따라서 건설폐기물 중간처리시설에서 발생되는 순환미분말의 재수화성 부여를 위한 유효 온도조건은 $600^{\circ}C$인 것으로 확인되었다.
근래 도시 재개발사업 및 사회기반 시설의 확충 등으로 건설현장에서는 막대한 양의 건설폐기물이 발생량은 매년 증가되는 추세에 있다. 이와 같은 건설폐기물의 처리는 국가, 사회적으로 이슈로 부각되고 있으며, 이중 폐콘크리트의 중간처리 과정에서 발생되는 폐슬러지는 현재까지 유효활용되지 못하고 대부분 폐기 또는 매립되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 건설폐기물 중간처리시설 중 습식방식에 의한 순환골재 생산시 필연적으로 부산되는 폐슬러지를 시멘트 복합체용 사용재료(바인더, 충진재 등)로 활용하기 위한 방안을 모색하기 위하여 순환미분말의 가열온도, 혼입조건, 적용용도별에 따른 모르타르의 물리, 역학적 특성을 검토하였다. 연구결과 모든 가열온도 조건에서 순환미분말의 주성분은 $SiO_2$와 CaO인 것으로 나타났으며, 여기에서 유의할 점은 순환미분말의 CaO 함량은 종래 일반적으로 활용되는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 작은 함량을 나타냈다. 그리고 건조 및 가열온도 조건별에 따른 모르타르의 유동특성은 가열온도가 증가함에 따라 감소되는 결과를 나타냈고 압축강도 및 기공특성의 경우는 $600^{\circ}C$에서 가장 우수한 특성을 나타냈다. 따라서 건설폐기물 중간처리시설에서 발생되는 순환미분말의 재수화성 부여를 위한 유효 온도조건은 $600^{\circ}C$인 것으로 확인되었다.
Recently, urban redevelopment programs and expansion of social infrastructure have caused massive amounts of construction waste in construction fields, and the mounds of it keep increasing every year. The disposal of construction waste is emerging as a national and social issue and the recycled powd...
Recently, urban redevelopment programs and expansion of social infrastructure have caused massive amounts of construction waste in construction fields, and the mounds of it keep increasing every year. The disposal of construction waste is emerging as a national and social issue and the recycled powder generated by the treatment process of waste concrete is all being abolished or buried. Therefore, the purpose of this study is to utilize waste sludge generated by the wet-type treatment process of waste concrete as materials(binder, filler) for cement composite. This study evaluates physical and mechanical properties of mortar using recycled powder according to heating temperature, contents and applications. As a result of the chemical analysis, recycled powder is composed mainly of CaO and $SiO_2$, and that it is even lower in the content of CaO than OPC. The charateristics of mortar using recycled powder, according to drying and heating temperature, shows that as the heating temperature increases, flow decreases. Also, compressive strength and porosity of mortar using recycled powder was superior when heating temperature was $600^{\circ}C$. Thus, it is revealed that an effective development of recycled powder is possible since the binder by cement composite recovers a hydraulic property during heating at $600^{\circ}C$.
Recently, urban redevelopment programs and expansion of social infrastructure have caused massive amounts of construction waste in construction fields, and the mounds of it keep increasing every year. The disposal of construction waste is emerging as a national and social issue and the recycled powder generated by the treatment process of waste concrete is all being abolished or buried. Therefore, the purpose of this study is to utilize waste sludge generated by the wet-type treatment process of waste concrete as materials(binder, filler) for cement composite. This study evaluates physical and mechanical properties of mortar using recycled powder according to heating temperature, contents and applications. As a result of the chemical analysis, recycled powder is composed mainly of CaO and $SiO_2$, and that it is even lower in the content of CaO than OPC. The charateristics of mortar using recycled powder, according to drying and heating temperature, shows that as the heating temperature increases, flow decreases. Also, compressive strength and porosity of mortar using recycled powder was superior when heating temperature was $600^{\circ}C$. Thus, it is revealed that an effective development of recycled powder is possible since the binder by cement composite recovers a hydraulic property during heating at $600^{\circ}C$.
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문제 정의
건설폐기물 중간처리시설 중 습식방식에 의해 발생되는 폐슬러지를 시멘트 복합체용 사용재료로 활용하기 위한 가능성을 평가하기 위하여 순환미분말의 건조 및 가열조건, 혼입량에 따른 모르타르의 물리·역학적 특성을 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
따라서 본 논문은 건설폐기물 중간처리시설 중 습식방식에 의하여 발생되는 폐슬러지의 재활용을 위한 다양한 방안을 제시하기 위한 연구의 일환으로서 200℃에서 건조시킨 순환미분말을 충진재로서 검토하고, 200℃로 건조된 순환미분말과 600℃ 및 1000℃에서 가열시킨 순환미분말을 시멘트 대체재로서 활용하기 위하여 재수화 반응성을 검토하였다.
제안 방법
건설폐기물 중간처리시설(습식)에서 발생되는 폐슬러지를 시멘트복합체용 결합재 및 충진재로 활용하기 위하여 건조 및 가열온도를 변화시켜 순환미분말을 제조하였으며, 그 특성은 다음과 같다.
그리고 폐슬러지를 시멘트 복합체용 결합재로 활용하기 위한 검토의 위한 일환으로서 200℃로 건조된 순환미분말과 전기로를 이용하여 600℃ 및 1000℃로 2시간 동안 가열한 순환미분말을 시멘트 대체비율별로 혼입한 모르타르를 제작하여 유동성, 강도 및 기공률 등을 분석하였다. 또한 건조 및 가열온도조건별에 따른 순환미분말의 자체물성을 각각 측정하였다.
그리고 폐슬러지를 시멘트 복합체용 결합재로 활용하기 위한 검토의 위한 일환으로서 200℃로 건조된 순환미분말과 전기로를 이용하여 600℃ 및 1000℃로 2시간 동안 가열한 순환미분말을 시멘트 대체비율별로 혼입한 모르타르를 제작하여 유동성, 강도 및 기공률 등을 분석하였다. 또한 건조 및 가열온도조건별에 따른 순환미분말의 자체물성을 각각 측정하였다.
먼저 시멘트 복합체의 충진재로서의 적용성을 검토하기 위하여 폐슬러지를 200℃에서 24시간 동안 항량건조시켜 순환미분말을 제조한 후 시멘트 및 잔골재 대체율에 따른 모르타를 제작하여 플로우, 재령별 압축강도 및 길이변화율을 측정하였다.
모르타르의 길이변화 시험은 40×40×160mm의 공시체를 제작한 후 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 준하여 측정하였으며, 공시체는 24시간 탈형 후 20±1℃에서 수중양생을 실시하고 소정의 재령마다 온도 20±1℃, 상대습도 60±5%의 항온항습 조건에서 길이변화를 측정하였다.
본 연구에서는 건설폐기물 중간처리시설에서 발생되는 최종 부산물인 폐슬러지의 유효활용 방안을 도출하기 위하여 Table 1과 같이 실험조건 및 배합변수를 설정하여 실험을 수행하였다.
순환미분말을 활용한 모르타르의 압축강도용 시험체는 KS L 5105에 준하여 50×50×50mm의 공시체를 제작하였으며, 탈형 후 소정의 재령까지 20±1℃에서 수중양생을 실시한 후 만능재료시험기(U.T.M)를 이용하여 압축강도를 측정하였다.
순환미분말을 활용한 모르타르의 흐름 측정은 KS L 5111에 규정된 흐름 시험판 위에 몰드를 놓고 모르타르를 2층으로 투입하여 20회씩 다진 후, 몰드를 들어 올리고 흐름시험판을 15초 동안 25회의 속도로 1.27cm의 높이에서 낙하시켜 모르타르의 흘러 퍼진 지름을 측정하여 산출하였다.
1, 2는 본 연구에 사용된 폐슬러지의 발생과정을 나타낸 것으로서 습식 중간처리 시설에서 발생되는 폐슬러지는 침전조를 거쳐 1차 분리된 후 최종적으로 필터프레스를 통해 함수율 45% 정도의 케익상태로 배출된다. 이와 같은 폐슬러지를 건조시킨 후 분쇄기를 이용하여 순환 미분말을 제조하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 시멘트는 국내 H사 제품의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 그 특성은 Table 2,3에 나타낸 것과 같다.
본 연구에 사용된 잔골재는 일반 강사를 사용하였으며, 물성은 Table 4에 나타낸 것과 같다.
이론/모형
가열온도 조건별에 따른 순환미분말을 활용한 모르타르의 수밀성을 분석하기 위하여 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry)측정장치를 이용하여 복합체의 기공률을 ISO 1590-1에 준하여 측정하였다. 이때 수은의 High Pressure 범위를 30,000psi로 하여 시험을 실시하였다.
모르타르의 단위수량 감소 및 워커빌리티를 개선시키기 위하여 폴리카본산계 고성능 AE감수제를 사용하였으며, 특성은 Talbe 5에 나타낸 것과 같다.
휨강도 시험용 공시체는 KS F 2476에 준하여 40×40×160mm의 각주형 공시체를 제작하였으며, 소정의 재령까지 수중양생을 실시한 후 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 단순보의 중앙점 하중법에 의해 휨강도를 측정하였다.
성능/효과
1) 가열온도가 증가할수록 순환미분말의 밀도는 증가하는 것으로 나타났으며, 강열감량은 크게 감소하는 결과를 나타냈다. 그리고 미분말의 주성분은 SiO2와 CaO인 것으로 나타났으나 CaO의 경우는 시멘트 비하여 작은 함량을 나타냈다.
2) 건조 순환미분말을 활용한 모르타르의 유동성 시험결과, 목표 플로우 충족을 위한 혼화제 사용량은 시멘트 대체재로 혼입한 경우는 큰 영향을 나타내지 않았으나 잔골재 대체로 활용한 경우는 최대 10배 정도까지 혼화제 사용량이 증가되었다.
3) 시멘트 대체재로 건조 순환미분말을 활용한 모르타르의 압축강도는 미분말 혼입량이 증가함에 따라 강도는 감소되는 결과를 나타냈으나 잔골재 대체재로 혼입한 경우는 모든 물-시멘트비 및 재령에서 무혼입의 경우보다 우수한 강도특성을 발현하였다.
4) 600℃ 및 1000℃로 가열한 순환미분말 모르타르의 유동성은 가열온도가 증가함에 따라 저하되어 순환미분말을 100% 사용한 경우는 미분말을 50% 사용한 경우의 60% 수준까지 감소하였다.
5) 가열 순환미분말을 혼입한 모르타르의 압축강도 시험결과 물-시멘트비 50%, 가열온도 600℃인 경우는 무혼입 모르타르 대비 60% 수준의 강도를 나타냈으나 200℃ 및 1000℃의 경우는 40% 수준의 강도를 발현하였다. 그리고 물-시멘트비가 65%이고 순환미분말만을 사용한 경우는 강도발현이 매우 작은 것으로 나타났다.
6) 600℃로 가열한 순환미분말 혼입 모르타르의 기공률은 19% 정도를 나타내 건조된 미분말을 활용한 경우에 비하여 수밀성이 약 14%까지 향상되는 것으로 나타났으며, 이는 순환미분말의 재수화에 의해 복합체의 내부 매트릭스 구조가 치밀해졌기 때문으로 판단된다.
가열온도 600℃의 순환미분말은 5.3MPa로서 강도발현성을 나타내고 있으나 가열온도 200℃ 및 1000℃에서는 강도가 거의 발현되지 않는 것으로 나타났다.
가열온도별에 따른 순환미분말의 밀도 측정결과는 Fig. 3에 나타낸 것과 같으며, 시험결과 가열 전의 미분말 밀도는 2.58g/cm3 이었으나 가열온도가 증가할수록 밀도도 증가하여 최고 온도인 1000℃에서는 순환미분말의 밀도가 2.80g/cm3 을 나타냈다.
시험결과를 고찰하여 보면 미분말을 시멘트에 대하여 대체한 모르타르의 건조수축은 무혼입 모르타르와 비교하여 유사한 수준을 보이고 있다. 그러나 순환미분말을 잔골재에 대하여 대체한 모르타르의 건조수축은 순환미분말 무혼입 모르타르와 비교하여 크게 나타나고 있으며, 대체율이 증가할수록 건조수축이 큰 것으로 나타났다.
따라서 상기 압축강도 시험결과를 종합하여 보면 모든 물-시멘트비 조건에서 순환미분말을 600℃로 가열한 경우가 다른 가열온도조건에 비하여 가장 우수한 강도특성을 나타내 본 연구조건만을 고려할 경우 순환미분말의 재수화성에 유효한 가열온도 범위대는 600℃ 정도인 것으로 나타났다.
또한 Fig.11은 W/C 65%, 순환미분말을 시멘트 대체비로 각각 50% 및 100% 혼입한 모르타르의 플로우 측정결과로서 시멘트에 대하여 100% 대체한 모르타르의 플로우는 50% 대체한 모르타르와 비교하여 감소하는 것으로 나타났으며, 600℃이상 가열하여 사용하게 되면 약 60% 수준으로 저하하는 것으로 나타났다. 이와 같은 이유는 가열 및 건조된 순환미분말의 비표면적이 3600～4000cm2/g으로 시멘트의 경우에 비하여 상대적으로 크게 때문에 순환미분말의 혼입률이 증가할 수 록 플로우가 감소된 것으로 사료된다.
또한 기공률 분포를 살펴보면 순환미분말을 혼입한 모르타르의 세공직경별 피크치는 약 1～2㎛에서 최대치를 나타내었으며, 600℃의 경우보다는 가열한 200℃의 경우가 보다 뚜렷한 경향을 나타냈다.
순환미분말의 화학성분 결과를 고찰하여 보면 강열감량의 경우 가열온도가 증가함에 따라 감소되는 뚜렷한 경향을 나타냈으며, 이는 가열온도가 높아질수록 미분말의 자유수와 화학적 결합수가 손실될 뿐만 아니라 순환미분말에 포함되어 있는 유기물질이 제거되어 강열감량이 감소된 것으로 판단된다. 또한 순환미분말의 주요 구성성분은 CaO와 SiO2인 것으로 나타났으며, 가열온도 증가에 따른 구성성분의 변화정도는 강열감량에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
미분말 가열온도 600℃의 압축강도는 무혼입 모르타르와 비교하여 60%수준을 나타내고 있으나 200℃ 및 1000℃의 압축강도는 약 40%수준으로 저하하고 있어 순환미분말을 600℃에서 가열하는 하는 것이 가장 효율적인 것으로 나타났다.
순환미분말을 활용한 모르타르의 기공률 시험결과 200℃로 건조한 순환미분말을 시멘트 대체비율로 50%로 혼입한 경우는 20.61～22.08%의 기공률을 나타냈으며, 600℃로 가열한 순환미분말을 50% 혼인한 경우는 18.18～19.00%의 기공률을 나타내 건조한 경우보다 복합체의 수밀성이 보다 우수한 것으로 나타났다. 이는 600℃로 가열한 경우는 순환미분말에 포함되어 있는 시멘트 수화물의 탈수반응에 의해 미분말과 혼합수 사이의 재수화가 이루어져 복합체의 수밀성이 개선된 것으로 판단된다.
순환미분말의 화학성분 결과를 고찰하여 보면 강열감량의 경우 가열온도가 증가함에 따라 감소되는 뚜렷한 경향을 나타냈으며, 이는 가열온도가 높아질수록 미분말의 자유수와 화학적 결합수가 손실될 뿐만 아니라 순환미분말에 포함되어 있는 유기물질이 제거되어 강열감량이 감소된 것으로 판단된다. 또한 순환미분말의 주요 구성성분은 CaO와 SiO2인 것으로 나타났으며, 가열온도 증가에 따른 구성성분의 변화정도는 강열감량에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
12는 W/C가 50%이고 가열온도별 순환미분말을 시멘트 대체비로 50%혼입한 모르타르의 압축강도 측정결과를 나타낸 것이다. 시험결과 W/C 50%의 경우 순환미분말을 혼입하지 않은 모르타르의 압축강도는 54.4MPa를 나타내고 있지만, 순환미분말을 시멘트에 대하여 50% 대체한 모르타르의 압축강도는 19.2～33.1MPa 수준을 나타내고 있다.
10은 W/C가 50%이고 가열온도별 순환미분말을 시멘트 대체비로 50%혼입한 모르타르의 플로우 측정결과를 나타낸 것이다. 시험결과 가열한 순환미분말을 50% 혼입한 모르타르의 플로우는 시멘트만을 사용한 모르타르와 비교하여 약 60～ 72%수준인 것으로 나타났으며 가열온도가 높을수록 플로우는 감소하는 것으로 나타났다.
이상으로 본 연구결과를 종합하여 보면, 건조된 순환미분말의 경우 시멘트 복합체용 충진재로서의 가능성을 확인할 수 있었으며, 또한 본 실험조건만을 고려할 경우 순환미분말의 재수화를 위한 적정 가열 온도 범위는 600℃ 정도인 것으로 확인되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건설 폐기물의 재활용 촉진에 관한 법률이 시행되어 무엇을 의무화하며, 무엇을 도모하고 있나요?
국내의 경우 2005년 1월부터 시행되어오고 있는 「건설 폐기물의 재활용 촉진에 관한 법률」이 시행되어져 순환골재의 활용을 의무화하고 있으며, 이에 따라서 순환골재의 품질기준(안)을 마련하여 천연골재와 동등한 수준의 품질확보를 통한 순환골재의 활용을 도모하고 있다2) . 순환골재의 품질이 높아질수록 순환골재 제조시에 다량의 미립분이 부산물로 발생되기 때문에 고품질 순환골재 생산기술과 더불어 부산물인 미립분의 용도개발도 해결해야할 중요한 과제로 대두되고 있다.
습식처리 방식의 장단점은?
습식처리 방식은 분급을 위하여 물을 사용함으로서 공기를 활용한 건식에 비하여 상대적으로 분급효율이 우수한 특징을 갖고 있으나 별도의 수처리시스템이 필요하고 고함수율의 슬러지가 대량 발생하는 문제점을 갖고 있다. 하지만 국내의 경우 고품질의 순환골재 생산을 위하여 대부분의 건설폐기물 중간처리 시설이 습식방식을 채택하고 있으며, 콘크리트용 순환잔골재 생산시 전체 처리량의 20% 이상이 폐슬러지로 부산되고 있는 실정이다.
가열온도별 습식방식 폐슬러지를 활용한 모르타르의 물리·역학적 특성 연구의 결론은?
1) 가열온도가 증가할수록 순환미분말의 밀도는 증가하는 것으로 나타났으며, 강열감량은 크게 감소하는 결과를 나타냈다. 그리고 미분말의 주성분은 SiO2와 CaO인 것으로 나타났으나 CaO의 경우는 시멘트 비하여 작은 함량을 나타냈다.
2) 건조 순환미분말을 활용한 모르타르의 유동성 시험결과, 목표 플로우 충족을 위한 혼화제 사용량은 시멘트 대체재로 혼입한 경우는 큰 영향을 나타내지 않았으나 잔골재 대체로 활용한 경우는 최대 10배 정도까지 혼화제 사용량이 증가되었다.
3) 시멘트 대체재로 건조 순환미분말을 활용한 모르타르의 압축강도는 미분말 혼입량이 증가함에 따라 강도는 감소되는 결과를 나타냈으나 잔골재 대체재로 혼입한 경우는 모든 물-시멘트비 및 재령에서 무혼입의 경우보다 우수한 강도특성을 발현하였다.
4) 600℃ 및 1000℃로 가열한 순환미분말 모르타르의 유동성은 가열온도가 증가함에 따라 저하되어 순환미분말을 100% 사용한 경우는 미분말을 50% 사용한 경우의 60% 수준까지 감소하였다.
5) 가열 순환미분말을 혼입한 모르타르의 압축강도 시험결과 물-시멘트비 50%, 가열온도 600℃인 경우는 무혼입 모르타르 대비 60% 수준의 강도를 나타냈으나 200℃ 및 1000℃의 경우는 40% 수준의 강도를 발현하였다. 그리고 물-시멘트비가 65%이고 순환미분말만을 사용한 경우는 강도발현이 매우 작은 것으로 나타났다.
6) 600℃로 가열한 순환미분말 혼입 모르타르의 기공률은 19% 정도를 나타내 건조된 미분말을 활용한 경우에 비하여 수밀성이 약 14%까지 향상되는 것으로 나타났으며, 이는 순환미분말의 재수화에 의해 복합체의 내부 매트릭스 구조가 치밀해졌기 때문으로 판단된다.
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