석탄화력 발전의 부산물 중에서 플라이애쉬는 콘크리트 혼화재료로서 많은 공학적 장점을 가지고 있으므로 다양하게 활용되고 있다. 그러나 바텀 애쉬를 포함한 나머지 부산물 등은 주로 매립되어 공학적 활용성이 떨어진다. 본 연구에서는 매립된 부산물인 매립회 (PA: Pond Ash)를 이용하여 시멘트 모르타르를 제조하였으며, 매립회 시멘트 모르타르의 공학적 특성을 평가하였다. 이를 위해 두 매립지로부터 유연탄 및 무연탄 매립회를 채취하였으며, 2가지 물-시멘트 비 (0.385, 0.485)와 3가지 잔골재 치환률 (0%, 30%, 60%)을 고려하여 시공성, 역학성능, 내구성능을 평가하였다. 흡수율이 높은 무연탄 매립회의 경우, 적절한 시공성, 우수한 강도발현과 내구성능을 확보하였는데, 매끈한 표면과 내부의 풍부한 자유수로 인해 조직구조가 치밀한 시멘트 모르타르가 제조되었기 때문이다. 매립회 중에서도 우수한 성능을 가진 무연탄 매립회의 경우 일반 잔골재의 성능을 확보하고 있으므로, 자원의 재활용이 가능하리라 판단된다.
석탄화력 발전의 부산물 중에서 플라이애쉬는 콘크리트 혼화재료로서 많은 공학적 장점을 가지고 있으므로 다양하게 활용되고 있다. 그러나 바텀 애쉬를 포함한 나머지 부산물 등은 주로 매립되어 공학적 활용성이 떨어진다. 본 연구에서는 매립된 부산물인 매립회 (PA: Pond Ash)를 이용하여 시멘트 모르타르를 제조하였으며, 매립회 시멘트 모르타르의 공학적 특성을 평가하였다. 이를 위해 두 매립지로부터 유연탄 및 무연탄 매립회를 채취하였으며, 2가지 물-시멘트 비 (0.385, 0.485)와 3가지 잔골재 치환률 (0%, 30%, 60%)을 고려하여 시공성, 역학성능, 내구성능을 평가하였다. 흡수율이 높은 무연탄 매립회의 경우, 적절한 시공성, 우수한 강도발현과 내구성능을 확보하였는데, 매끈한 표면과 내부의 풍부한 자유수로 인해 조직구조가 치밀한 시멘트 모르타르가 제조되었기 때문이다. 매립회 중에서도 우수한 성능을 가진 무연탄 매립회의 경우 일반 잔골재의 성능을 확보하고 있으므로, 자원의 재활용이 가능하리라 판단된다.
Among the byproducts from thermal power plant using coal combustion, fly ash as mineral admixture is widely utilized in concrete manufacturing for its engineering merits. However residuals including bottom ash are usually reclaimed. This study presents an evaluation of engineering properties in ceme...
Among the byproducts from thermal power plant using coal combustion, fly ash as mineral admixture is widely utilized in concrete manufacturing for its engineering merits. However residuals including bottom ash are usually reclaimed. This study presents an evaluation of engineering properties in cement mortar with pond ash (PA). For this work, two types of pond ash (anthracite and bituminous coal) are selected from two reclamation sites. Cement mortar specimens considering two w/c (0.385 and 0.485) ratios and three replacement ratio of sand (0%, 30%, and 60%) are prepared and their workability, mechanical, and durability performance are evaluated. Anthracite pond ash has high absorption and smooth surface so that it shows reasonable workability, strength development, and durability performance since it has dense pore structure due to smooth surface and sufficient mixing water inside. Reuse of PA is expected to be feasible since PA cement mortar has reasonable engineering performance compared with normal cement mortar.
Among the byproducts from thermal power plant using coal combustion, fly ash as mineral admixture is widely utilized in concrete manufacturing for its engineering merits. However residuals including bottom ash are usually reclaimed. This study presents an evaluation of engineering properties in cement mortar with pond ash (PA). For this work, two types of pond ash (anthracite and bituminous coal) are selected from two reclamation sites. Cement mortar specimens considering two w/c (0.385 and 0.485) ratios and three replacement ratio of sand (0%, 30%, and 60%) are prepared and their workability, mechanical, and durability performance are evaluated. Anthracite pond ash has high absorption and smooth surface so that it shows reasonable workability, strength development, and durability performance since it has dense pore structure due to smooth surface and sufficient mixing water inside. Reuse of PA is expected to be feasible since PA cement mortar has reasonable engineering performance compared with normal cement mortar.
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문제 정의
(4) 본 연구는 매립회를 사용한 시멘트 모르타르의 활용성에 대한 연구이다. 무연탄계 매립회는 높은 흡수율을 가지고 있으나, 표면건조 포화상태로 적용할 경우 내부수화를 촉진하여 우수한 공학적 성능을 나타내었다.
본 연구에서는 국내 화력발전소 매립지 중 두 곳을 선택하여 매립회를 채취하였으며, 이 매립회를 이용하여 시멘트 모르타르를 제조하였다. 매립회 시멘트 모르타르의 워커빌리티, 역학성능 및 내구성능이 평가되었으며, 이를 통하여 건설재료로서의 활용 가능성을 평가하였다. Fig.
본 실험에서는 동결융해 300cycle 이후의 압축강도를 평가하여 동결융해 저항성을 평가하였다. 고성능 감수제를 사용한 재령 28일 매립회 모르타르가 사용되었으며, Fig.
본 연구는 이렇게 매립된 재료를 매립회 (Pond Ash)라 고 정의하고 이에 대한 건설재료 활용성을 검토하기로 한다. 기존의 연구에서도 바텀 애쉬가 아닌 매립회를 잔골재로 활용한 연구가 있으며 콘크리트로 제조하여 적용성을 평가한 연구를 확인할 수 있다 (Lee et al.
제안 방법
(1) T site (유연탄) 매립회 모르타르는 목표 플로우를 맞추기 위해 D site (무연탄)보다 7~13.5배의 고성능 감수제를 필요로 하였다. 이는 T 매립회의 경우 미립분이 많고 표면이 거칠어서 작업성이 좋지 않기 때문이다.
공극률 평가를 위하여 MIP (Mercury Intrusion Porosimerty- 수은압입법)이 수행되었다. 또한 염해 및 탄산화 저항성을 상대적으로 평가하기 위해 전기영동실험 (NT BIULD 492)에 따른 촉진 염화물 확산계수 실험과 촉진탄산화실험이 수행되었다. 또한 흡수율이 큰 PA 골재를 사용하므로, 동결융해 실험을 수행하여 건전성을 평가하였다.
매립회의 잔골재 치환률을 세가지로 분류하여 플로우 시험이 수행되었으며, 목표 플로우를 위한 고성능 감수제의 사용량이 분석되었다. 또한 응결시간 (setting time)은 잔존하는 탄소량 및 흡수된 배합수량에 영향을 받으므로 이를 고려하기 위해 응결시간이 측정되었다. 압축강도 평가를 위해 직육면체몰드 (50×50×50mm)가 사용되었으며, 재령 3일, 7일, 28일, 90일에 해당하는 강도가 평가되었다.
또한 염해 및 탄산화 저항성을 상대적으로 평가하기 위해 전기영동실험 (NT BIULD 492)에 따른 촉진 염화물 확산계수 실험과 촉진탄산화실험이 수행되었다. 또한 흡수율이 큰 PA 골재를 사용하므로, 동결융해 실험을 수행하여 건전성을 평가하였다. 특히 동결융해시험에서는 -18℃~+4℃의 1 cycle을 300회 실시한 후 압축강도변화를 재령에 따라 측정하였다.
전술한대로 매립회는 플라이 애쉬, 바텀 애쉬, 토양 미립분들을 포함하고 있는 상태이다. 많은 혼입물들이 매립회에 있으므로 세척을 통하여 불순물을 제거한 뒤 실험을 수행하였다. 50배로 확대한 매립회 사진을 Fig.
매립 장소는 주로 해안가에 있으므로 세척을 통하여 염화물량 및 이물질의 제거가 필요하다. 매립회 지반을 대상으로 시추를 통해 지하수의 염화물 함유량을 조사하였다. T지역에서는 0.
시멘트 모르타르의 워커빌리티는 플로우 시험으로 평가하였다. 매립회의 잔골재 치환률을 세가지로 분류하여 플로우 시험이 수행되었으며, 목표 플로우를 위한 고성능 감수제의 사용량이 분석되었다. 또한 응결시간 (setting time)은 잔존하는 탄소량 및 흡수된 배합수량에 영향을 받으므로 이를 고려하기 위해 응결시간이 측정되었다.
시멘트 모르타르의 워커빌리티는 플로우 시험으로 평가하였다. 매립회의 잔골재 치환률을 세가지로 분류하여 플로우 시험이 수행되었으며, 목표 플로우를 위한 고성능 감수제의 사용량이 분석되었다.
압축강도 평가를 위해 직육면체몰드 (50×50×50mm)가 사용되었으며, 재령 3일, 7일, 28일, 90일에 해당하는 강도가 평가되었다.
촉진염화물 확산계수를 NT BUILD 492에 따라 고성능 감수제를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우로 나누어 평가하였으며, 결과를 Fig. 11에 나타내었다.
또한 흡수율이 큰 PA 골재를 사용하므로, 동결융해 실험을 수행하여 건전성을 평가하였다. 특히 동결융해시험에서는 -18℃~+4℃의 1 cycle을 300회 실시한 후 압축강도변화를 재령에 따라 측정하였다. 이상의 실험에 대한 항목과 관련규격을 Table 7에 정리하였다.
대상 데이터
무연탄의 경우 50% 정도가 철강제품 생산에 사용되고 30%정도는 화력발전에 사용되는 것으로 알려져 있다 (KCL, 2010). 10개의 채취 가능한 화력발전소에서 2개의 매립지가 선정되었으며 (T site, D site), 각 매립지당 2개의 채취장소를 만들어 매립회를 입수하였다. 전술한대로 매립회는 플라이 애쉬, 바텀 애쉬, 토양 미립분들을 포함하고 있는 상태이다.
9에 나타내었다. Fig. 8 및 Fig. 9에서는 고성능 감수제를 사용하지 않는 T 및 D 매립회 모르타르를 대상으로 하였다.
XRF (X-ray Flourescence Spectrometry)를 이용한 화학 조성분석결과와 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다. 또한 체가름 실험을 통하여 입경 0.15mm~5mm에 해당하는 매립회를 잔골재로 사용하였다. 시멘트는 1종 보통 시멘트 (OPC: Ordinary Portland Cement)를 사용하였으며, 그 화학적 조성은 Table 2에 나타내었다.
매립회를 사용한 시멘트 모르타르를 제조하기 위하여 2가지 조건의 w/c (0.385, 0.485)가 사용되었으며 잔골재 치환률은 3가지 (1%, 30%, 60%)가 고려되었다. 목표 플로우는 w/c 0.
시멘트는 1종 보통 시멘트 (OPC: Ordinary Portland Cement)를 사용하였으며, 그 화학적 조성은 Table 2에 나타내었다. 목표 플로우를 얻기 위하여 고성능 감수제 (HWRA: High Water Reducing Agent)를 사용하였으며, 그 성분 Table 3에 나타내었다. 또한 기준조건에 사용될 일반 잔골재의 물리적 성질은 Table 4에 나타내었다.
특히 해수와 인접한 매립지에서는 염화물 이온이 포함되어 있기도 하다 (KCL, 2010). 본 연구에서는 국내 화력발전소 매립지 중 두 곳을 선택하여 매립회를 채취하였으며, 이 매립회를 이용하여 시멘트 모르타르를 제조하였다. 매립회 시멘트 모르타르의 워커빌리티, 역학성능 및 내구성능이 평가되었으며, 이를 통하여 건설재료로서의 활용 가능성을 평가하였다.
15mm~5mm에 해당하는 매립회를 잔골재로 사용하였다. 시멘트는 1종 보통 시멘트 (OPC: Ordinary Portland Cement)를 사용하였으며, 그 화학적 조성은 Table 2에 나타내었다. 목표 플로우를 얻기 위하여 고성능 감수제 (HWRA: High Water Reducing Agent)를 사용하였으며, 그 성분 Table 3에 나타내었다.
이론/모형
시멘트 경화체 내부의 공극은 유해이온의 이동에 직접적으로 연관되므로 내구성평가의 기본이 된다. 공극률 평가를 위하여 MIP (Mercury Intrusion Porosimerty- 수은압입법)이 수행되었다. 또한 염해 및 탄산화 저항성을 상대적으로 평가하기 위해 전기영동실험 (NT BIULD 492)에 따른 촉진 염화물 확산계수 실험과 촉진탄산화실험이 수행되었다.
성능/효과
(2) 강도 및 내구성 실험에서, 고성능 감수제가 없는 T 매립회 모르타르는 w/c 0.385의 경우 내부에 양생을 촉진할 수 있는 배합수가 부족하여 강도 및 내구성능이 부족하게 평가되었다. 그러나 D 매립회 모르타르의 경우, 높은 흡수율을 기반으로 건조시 내부수화 (internal curing)를 위한 자유수를 충분히 제공함으로서 강도, 동결융해, 염화물 확산계수, 탄산화 저항성 등에 대해 기존 시멘트 모르타르와 동등 이상의 성능을 나타내었다.
(3) D 매립회의 경우, T 매립회보다 우수한 공학적 특성을 나타내고 있었는데, 매끈한 표면과 높은 흡수율이 주된 원인이라고 할 수 있다. 단위수량이 큰 배합이나 고성능 감수제가 혼입된 배합에서는 큰 차이가 나타나지 않았으나, 단위수량이 작고 감수제가 없는 배합에서는 D 매립재와 T 매립회의 역학적, 내구적 성능에서 큰 차이를 나타내었다.
주된 원인으로는 T 매립회의 낮은 내부 배합수와 많은 미립분을 들 수 있다. 0.075mm 체의 통과율은 D 매립회의 경우 1.2~1.8%, 일반 잔골재의 경우 6.4~6.9%, T 매립회의 경우 14.7~17.9%로 조사되었다. 또한 D 매립회에 플라이 애쉬 성분이 좀 더 많이 함유되었을 것으로 추측된다.
D 매립회의 경우 높은 탄소함량에도 불구하고 이미 충분한 플로우를 보이고 있으므로 낮은 고성능 감수제 사용량을 나타낸다. D site의 매립회에 비하여 T 30% 치환률에서는 7.5~8배 정도 감수제가 더 필요하였으며, T 60% 치환률에서는 8~13배의 감수제가 필요하였다.
(3) D 매립회의 경우, T 매립회보다 우수한 공학적 특성을 나타내고 있었는데, 매끈한 표면과 높은 흡수율이 주된 원인이라고 할 수 있다. 단위수량이 큰 배합이나 고성능 감수제가 혼입된 배합에서는 큰 차이가 나타나지 않았으나, 단위수량이 작고 감수제가 없는 배합에서는 D 매립재와 T 매립회의 역학적, 내구적 성능에서 큰 차이를 나타내었다.
이로 인해 동일한 감수제량을 사용할 경우 슬럼프 손실이 발생하여 작업성이 안 좋아질 수 있다. 두가지 PA 매립회 모두 일반 잔골재보다 높은 흡수율을 가지고 있었는데, DH의 무연탄 매립회는 6.32%의 높은 흡수율을 가지고 있었다. 일반적으로 흡수율이 높은 다공성골재는 표면건조 포화상태로 배합을 할 경우 내부양생 (internal curing)을 촉진시키는 것으로 알려져 있다 (Du and Folliard, 2005).
385인 T 모르타르에서 가장 큰 탄산화 깊이가 평가되었는데, 이 결과는 이전의 실험들과 같은 이유라고 할 수 있다. 모두 같은 단위 시멘트량을 가지고 있으므로 생성되는 수산화칼슘량은 비슷하겠으나 조밀하지 못한 구조를 가진 배합(w/c 0.385, TA 60% 치환)에서는 이산화탄소의 확산성이 가장 크므로 가장 높은 탄산화 깊이가 평가되었다. D 모르타르의 경우 w/c 및 치환률에 상관없이 기준 시멘트 모르타르와 비슷한 탄산화 저항성을 나타내었다.
387kg/m3으로 조사되었다. 침지일수에 따라 각각 염화물량이 다르게 평가되었지만, 4일 침지 및 세척을 통하여 염화물량은 거의 없는 것으로 조사되었다. Table 5에서는 D 및 T 지역의 매립회에 대하여 세척 및 침지일수에 따른 염화물량의 변화를 나타내고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화력발전의 특징은 무엇인가?
화력발전은 국내 발전산업 중 가장 큰 전력생산원이며, 다른 발전시설에 비하여 비교적 저렴한 시공과 안정성 있는 재료공급으로 인해 꾸준하게 사용되고 있다 (Lee et al., 2010).
석탄 미분탄은 연소 뒤 어떻게 분류되는가?
그러나 추가적으로 생산되는 화석연료로 인한 대기오염문제와 발생하는 부산물로 인한 피해도 많이 보고되고 있다. 석탄 미분탄은 연소한 뒤, 발생 위치에 따라 플라이 애쉬, 바텀 애쉬, EP (Electrical Precipitator) 애쉬, C (Cinder) 애쉬 등으로 분류할 수 있다 (KCL, 2010). 일반적으로 총 발생량의 75~90%를 차지하는 플라이 애쉬는 EP 애쉬, C 애쉬를 포함하기도 한다.
석탄 미분탄 중 플라이 애쉬의 장점은 무엇인가?
일반적으로 총 발생량의 75~90%를 차지하는 플라이 애쉬는 EP 애쉬, C 애쉬를 포함하기도 한다. 플라이 애쉬는 콘크리트 혼화재로 적극적으로 사용되고 있는데, 많은 문헌에서 볼베어링 효과에 의한 워커 빌리티 증가, 장기장도의 증가, 수화열 저감, 내구성 증가 등혼화재료로 사용시 많은 장점이 있다 (Song et al., 2005; KCI, 2010; Thomas and Bamforth, 1999).
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