본 연구는 순환자원인 저회, 잔사회 그리고 준설토로 인공 경량골재를 제조할 때 철분의 종류와 양이 발포기구에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 원료의 화학적 특성을 X선 회절 분석과 X선 형광 분석으로 측정하였다. 준설토 50 %, 저회 15 % 그리고 잔사회 35 %를 무게비로 혼합하고 철분함량을 5 % 단위로 30 %까지 첨가하였으며, 철분의 종류는 $Fe_2O_3$와 $Fe_3O_4$로 선정하였다. 성형된 골재는 급속 소성법으로 $40^{\circ}C$ 간격으로 $1060^{\circ}C$에서 $1180^{\circ}C$까지 소결하고, 비중과 흡수율을 측정하였다. 인공 경량골재는 철분 함유량이 10~15 %일 때 가장 낮은 비중을 보이며, 철분량이 증가할수록 액상 소결이 되어 비중이 증가하였다.
본 연구는 순환자원인 저회, 잔사회 그리고 준설토로 인공 경량골재를 제조할 때 철분의 종류와 양이 발포기구에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 원료의 화학적 특성을 X선 회절 분석과 X선 형광 분석으로 측정하였다. 준설토 50 %, 저회 15 % 그리고 잔사회 35 %를 무게비로 혼합하고 철분함량을 5 % 단위로 30 %까지 첨가하였으며, 철분의 종류는 $Fe_2O_3$와 $Fe_3O_4$로 선정하였다. 성형된 골재는 급속 소성법으로 $40^{\circ}C$ 간격으로 $1060^{\circ}C$에서 $1180^{\circ}C$까지 소결하고, 비중과 흡수율을 측정하였다. 인공 경량골재는 철분 함유량이 10~15 %일 때 가장 낮은 비중을 보이며, 철분량이 증가할수록 액상 소결이 되어 비중이 증가하였다.
The purpose of this study was to figure out the impacts of iron oxide types and dosages to bloating when producing artificial lightweight aggregates by utilization of recycled resources such as bottom-ash, reject-ash and dredgedsoil. In order to figure out chemical characteristics of raw materials, ...
The purpose of this study was to figure out the impacts of iron oxide types and dosages to bloating when producing artificial lightweight aggregates by utilization of recycled resources such as bottom-ash, reject-ash and dredgedsoil. In order to figure out chemical characteristics of raw materials, XRD and XRF analyses were performed. 50 wt% of dredged-soil, 15 wt% of bottom-ash and 35wt.% of reject-ash were mixed, then the amount of iron oxide was varied at 5 to 30 wt% with intervals of 5 wt% with $Fe_2O_3$ and $Fe_3O_4$ respectively. As molded aggregates were sintered by rapid sintering in intervals of $40^{\circ}C$ from $1060^{\circ}C$ to $1180^{\circ}C$, specific gravity and water absorption were measured. As a result, the artificial lightweight aggregate with iron oxide of 10~15 vol% showed the lowest specific gravity, and it was identified that the more iron oxide vol% increases, the more specific gravity increases because of liquid phase sintering.
The purpose of this study was to figure out the impacts of iron oxide types and dosages to bloating when producing artificial lightweight aggregates by utilization of recycled resources such as bottom-ash, reject-ash and dredgedsoil. In order to figure out chemical characteristics of raw materials, XRD and XRF analyses were performed. 50 wt% of dredged-soil, 15 wt% of bottom-ash and 35wt.% of reject-ash were mixed, then the amount of iron oxide was varied at 5 to 30 wt% with intervals of 5 wt% with $Fe_2O_3$ and $Fe_3O_4$ respectively. As molded aggregates were sintered by rapid sintering in intervals of $40^{\circ}C$ from $1060^{\circ}C$ to $1180^{\circ}C$, specific gravity and water absorption were measured. As a result, the artificial lightweight aggregate with iron oxide of 10~15 vol% showed the lowest specific gravity, and it was identified that the more iron oxide vol% increases, the more specific gravity increases because of liquid phase sintering.
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문제 정의
이에 본 연구는 인공경량골재의 경량화에 중요한 역할을 하는 철분의 양과 종류에 따른 발포거동을 규명하여 석탄회 재활용율 제고에 의의를 두었다.
제안 방법
Fe2O3, Fe3O4의 차이점을 확인하기 위해 각각의 물질을 첨가하였을 때 배합된 총량에서 차지하는 Fe의 무게비가 5~20 wt%까지 5 wt% 간격이 되도록 맞추어 실험을 진행하였으며, Fe양에 따른 발포특성을 살펴보기 위해 Fe2O3의 경우 30 wt%까지 실험을 진행하였다.
Fe의 함량에 따른 골재의 발포특성을 확인하기 위해 Fe2O3의 양을 변화시켜 골재를 제조하여 물성을 관찰하였으며, Fig. 5, Fig. 6에 Fe2O3의 wt%에 따른 비중 및 흡수율과 각각의 wt%에 따른 표면 및 단면 이미지를 나타내었다. 비중 값이 15 wt%까지 감소하다 다시 증가하여 25 wt% 이상에서는 같은 비중 값을 갖는 것을 알 수 있다.
골재의 발포를 위한 석탄회와 준설토의 최적 함량비를 찾기 위하여 저회와 잔사회의 3:7로 고정시키고 준설토의 함량비를 증가시키면서 골재를 제조하고 물성을 관찰하였다.
원료는 pin mill을 이용하여 100 µm 이하로 분쇄하여 사용하였다. 분쇄된 원료의 화학적인 조성을 XRF(ZSR-100e, Rigaku, Japan)를 통해 분석하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
배합된 원료는 약 10 mm의 구형으로 인공경량골재를 성형하였다. 성형된 골재는 105℃에서 24시간 동안 건조 후 소성하였으며, 각 온도마다 투입 후 10분간 유지시키고 배출시키는 급속 소성법을 사용하였다.
위 실험결과에 따라 Fe2O3와 Fe3O4를 첨가하는 실험에서의 저회, 잔사회, 준설토 등 각 원료의 비는 잔사회의 재활용률을 최대화하고 인공경량골재의 발포에 최적 조건인 15 wt% : 35 wt% : 50 wt%로 고정하였다. 첨가제의 차이에 따른 인공경량골재의 발포특성을 관찰하기 위해 Fe2O3(Kanto Chemical Co.
준설토의 함량에 따른 발포특성을 관찰하고 첨가제의 효과를 극대화시킬 수 있는 적정 준설토 함량을 찾기 위하여 저회와 잔사회의 비율을 고정시키고 준설토의 함량을 변화시키며 인공경량 골재를 제조하여 물성을 측정하였다. 준설토 함량에 따른 비중 및 흡수율 값을 Fig.
대상 데이터
본 실험에 사용된 원료는 Y 화력발전소에서 발생된 저회(Bottom-ash, B/A), 잔사회(Reject-ash, R/A) 및 준설토(Dredged-soil, D/S)를 사용하였다. 원료는 pin mill을 이용하여 100 µm 이하로 분쇄하여 사용하였다.
를 첨가하는 실험에서의 저회, 잔사회, 준설토 등 각 원료의 비는 잔사회의 재활용률을 최대화하고 인공경량골재의 발포에 최적 조건인 15 wt% : 35 wt% : 50 wt%로 고정하였다. 첨가제의 차이에 따른 인공경량골재의 발포특성을 관찰하기 위해 Fe2O3(Kanto Chemical Co., Inc, 95.0 %, Japan)와 Fe3O4(Kanto Chemical Co., Inc, 95.0 %, Japan) 첨가제로 사용하였다. Fe2O3, Fe3O4의 차이점을 확인하기 위해 각각의 물질을 첨가하였을 때 배합된 총량에서 차지하는 Fe의 무게비가 5~20 wt%까지 5 wt% 간격이 되도록 맞추어 실험을 진행하였으며, Fe양에 따른 발포특성을 살펴보기 위해 Fe2O3의 경우 30 wt%까지 실험을 진행하였다.
이론/모형
인공경량골재는 소성 후 KS L 3114 규격에 의한 방법으로 부피비중 및 흡수율을 측정하였으며, 각 조성 및 온도에 따른 골재의 미세구조를 Camscope(DSC-105, Sometech Vision, Korea)를 통해 관찰하였다.
성능/효과
1에 나타내었다. 저회(a)와 잔사회(b)의 경우 RO2 group상이 주로 나타났으며, Fe의 경우 Hematite가 아닌 Hercynite와 같은 화합물로 존재하고 있음을 확인 할 수 있었다. 또한 dredged-soil(c)는 Albite, Anorthite, Halloysite 등 R2O3, RO/R2O 등의 group이 포함되어 있다.
1) XRD 분석 결과 coal-ash는 주로 RO2 group으로 이루어져 있고, 준설토는 R2O3와 RO/R2O group을 포함하고 있어 이를 이용한 도자기 삼성분계의 생성이 가능하다.
2) 준설토의 함량이 증가할수록 융제가 증가하고, 이에 따라 골재의 비중은 감소하지만 기공이 골재 표면에 주로 형성되고 골재 내부는 낮은 온도로 소성 거동으로 큰 판상형의 빈 공간 형태로 기공이 존재하여 골재의 물성을 저하시킬 것으로 사료된다.
20 wt% 이상에서는 1100℃ 이하의 소결온도에서는 상전이가 이루어진 FeO가 고상으로 존재하여 발포가스를 포집하지 못하므로 상대적으로 고상 FeO가 많이 생성된 Fe3O4를 첨가제로 사용한 골재가 더 높은 비중 값을 보여 주었으나, 그 이상의 온도에서는 액상 FeO가 발포가스를 포집하여 골재가 경량화가 이루어지며 두 첨가제 사이의 비중 값의 차이가 없었다.
3) 철분 첨가제의 함유량이 15 wt% 이하에서는 Fe2O3와 Fe3O4 두 물질 사이의 비중 값의 차이는 거의 없었다. 20 wt% 이상에서는 1100℃ 이하의 소결온도에서는 상전이가 이루어진 FeO가 고상으로 존재하여 발포가스를 포집하지 못하므로 상대적으로 고상 FeO가 많이 생성된 Fe3O4를 첨가제로 사용한 골재가 더 높은 비중 값을 보여 주었으나, 그 이상의 온도에서는 액상 FeO가 발포가스를 포집하여 골재가 경량화가 이루어지며 두 첨가제 사이의 비중 값의 차이가 없었다.
4) Fe2O3 함유량이 5 wt% 이하에서는 FeO 용융상이 적어 골재의 발포에 의한 경량화가 어려우며, 15 wt% 이상에서는 과다하게 생성된 FeO 용융상이 표면을 깨고 나와 골재의 제조가 어려우므로 10 wt%가 적정 함유량으로 판단된다.
4에 Fe2O3와 Fe3O4의 각 wt%에 따른 비중을 비교하여 나타내었다. 두 가지 물질 모두 온도가 증가함에 따라 비중이 낮아지는 경향을 보여주었으며, Fe2O3와 Fe3O4의 차이에 따른 비중값의 차이는 거의 없었다. 특히 20 wt%, 1060℃의 경우 두 물질 간에 약간의 비중 값의 차이는 보여주고 있는 것을 알 수 있다.
또한 생성된 기공이 골재 표면 쪽으로 집중되어 있고 준설토의 양이 증가할수록 표면에 생성되는 기공의 양이 증가하며, 골재 내부에는 빈 공간이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
그러나 비중 값이 가장 낮은 15 wt%의 경우도 FeO 용융상이 골재 표면을 깨고나오는 현상을 보여주고 있어 골재간의 융착 현상으로 인해 표면처리를 위한 연구가 더 진행되어야 할 것으로 사료된다. 반면 10 wt%로 제조된 골재의 경우에는 비중은 1180℃에서 1.03으로 15wt%에서 제조된 0.91보다는 다소 높지만 경량골재로 충분히 활용 가능한 물성 값이며 골재간의 융착 현상이 없을 것으로 판단되어 골재제조에 가장 적합한 Fe의 wt%는 10 wt%일 것으로 판단된다.
2에 나타내었다. 준설토의 함량이 증가함에 따라 비중은 감소하고 흡수율은 증가하는 경향을 보여주었다. 비중의 감소는 준설토의 양이 많아질수록 RO/R2O상의 증가로 융제가 증가하여 인공경량 골재 표면이 액상 소결 기구로 치밀하게 되어 발생하는 가스가 포집되면서 기공이 형성되기 때문이며, 흡수율의 증가는 표면이 점성 거동으로 인공경량 골재의 개기공이 폐기공으로 바뀌면서 내부에 가스가 압력에 의해 배출되면서 표면의 형성을 방해하여 개(開)기공의 수가 증가하기 때문인 것으로 사료된다.
후속연구
그러나 비중 값이 가장 낮은 15 wt%의 경우도 FeO 용융상이 골재 표면을 깨고나오는 현상을 보여주고 있어 골재간의 융착 현상으로 인해 표면처리를 위한 연구가 더 진행되어야 할 것으로 사료된다. 반면 10 wt%로 제조된 골재의 경우에는 비중은 1180℃에서 1.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄회는 어떻게 분류되는가?
우리나라 석탄 화력발전소에서 발생하는 석탄회는 2010년도 약 900만 톤이었으나 지식경제부에 의하면 2017년까지 약 1,400만톤의 석탄회가 발생할 것으로 예상된다[1]. 석탄회는 비산회와 저회로 분류되며 비산회 중에는 KS L 5405의 규격을 만족시키지 못하는 잔사회가 있으며, 이 잔사회와 저회는 거의 재활용되지 못하고 매립에 의존하고 있어 석탄회 재활용 연구가 매우 시급한 실정이다[2, 3]. 국내의 경우 석탄회 재활용은 주로 비산재를 콘크리트 혼화재로 이용하는 분야에 집중되어 있으며 그 외에는 구조물 뒷채움으로 활용하거나, 도로 기층재 및 시멘트 모르타르의 잔골재 대체재로의 적용가능성에 대한 연구가 보고되었다[4].
국내에서 수행중인 저회를 재활용하기 위한 연구의 한계점은
국내에서도 저회를 재활용하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 최근 바닥재를 콘크리트용 골재로 재활용할 수 있는 길이 열리게 되어 자원낭비를 줄이고 폐기물을 처리할 수 있게 되었다[8, 9]. 그러나 현재 대부분의 연구들은 석탄회의 비산재와 바닥재를 구별하여 사용하는 방향으로 진행되고 있어 이미 비산재와 바닥재가 함께 매립되어 있는 회 처리장 매립회와 잔사회, 저회 등의 석탄회를 재활용 하는데 한계가 있다.
국내의 석탄회 재활용은 주로 어떻게 이루어지는가?
석탄회는 비산회와 저회로 분류되며 비산회 중에는 KS L 5405의 규격을 만족시키지 못하는 잔사회가 있으며, 이 잔사회와 저회는 거의 재활용되지 못하고 매립에 의존하고 있어 석탄회 재활용 연구가 매우 시급한 실정이다[2, 3]. 국내의 경우 석탄회 재활용은 주로 비산재를 콘크리트 혼화재로 이용하는 분야에 집중되어 있으며 그 외에는 구조물 뒷채움으로 활용하거나, 도로 기층재 및 시멘트 모르타르의 잔골재 대체재로의 적용가능성에 대한 연구가 보고되었다[4].
참고문헌 (15)
Ministry of Knowledge Economy, "The 5th Basic plan for Long-term Electricity Supply and Demand" (2010-2024).
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KS F 4569 : Bottom ash aggregate for road construction (2007).
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