현무암 석분 슬러지를 재활용한 인공경량골재의 물성개선을 위한 폐유리분말과 탄산칼슘의 활용 Application of Powdered Waste Glasses and Calcium Carbonate for Improving the Properties of Artificial Lightweight Aggregate Made of Recycled Basalt Powder Sludge원문보기
박수제
(Department of Biology, Jeju National University)
,
이성은
(Department of Equine Resource, Cheju Halla University)
,
최희복
(Department of Architectural Engineering, Jeju National University)
본 연구는 최근 제주도 지역내 현무암 가공과정에서 발생되는 폐기물인 석분슬러지를 재활용하기 위한 방안으로서, 인공경량골재의 제조가능성에 대해 실험하였다. 또한, 현무암 석분 슬러지로 제조된 인공경량골재의 물성을 개선하기 위해 폐유리분말과 탄산칼슘이 사용되었다. 현무암 석분 슬러지와 폐유리분말 그리고 소성방법의 복합적인 요인을 고려할 때 경량골재 내부의 발포성 향상을 위해서 탄산칼슘의 양은 9 wt.%가 적당하였다. 또한, 제조된 인공경량골재의 흡수율을 저하시키기 위해서는 폐유리 분말은 50 wt.%이내로 사용함과 동시에 직화소성의 방법을 적용하는 것이 더 효과적이다. 좀 더 낮은 비중과 흡수율을 가진 고품질의 인공경량골재를 성형하기 위해서는 성형된 경량골재의 표면에 폐유리분말을 도포한 후 그 시료를 직화소성법으로 소성하는 것이 더 효과적일 것으로 판단된다.
본 연구는 최근 제주도 지역내 현무암 가공과정에서 발생되는 폐기물인 석분슬러지를 재활용하기 위한 방안으로서, 인공경량골재의 제조가능성에 대해 실험하였다. 또한, 현무암 석분 슬러지로 제조된 인공경량골재의 물성을 개선하기 위해 폐유리분말과 탄산칼슘이 사용되었다. 현무암 석분 슬러지와 폐유리분말 그리고 소성방법의 복합적인 요인을 고려할 때 경량골재 내부의 발포성 향상을 위해서 탄산칼슘의 양은 9 wt.%가 적당하였다. 또한, 제조된 인공경량골재의 흡수율을 저하시키기 위해서는 폐유리 분말은 50 wt.%이내로 사용함과 동시에 직화소성의 방법을 적용하는 것이 더 효과적이다. 좀 더 낮은 비중과 흡수율을 가진 고품질의 인공경량골재를 성형하기 위해서는 성형된 경량골재의 표면에 폐유리분말을 도포한 후 그 시료를 직화소성법으로 소성하는 것이 더 효과적일 것으로 판단된다.
This study was carried out to investigate the manufacturability of artificial lightweight aggregate as a way to recycle basalt powder sludge, which is a waste produced during the manufacturing process of basalt in Jeju. Powdered waste glasses and calcium carbonate are used to improve the characteris...
This study was carried out to investigate the manufacturability of artificial lightweight aggregate as a way to recycle basalt powder sludge, which is a waste produced during the manufacturing process of basalt in Jeju. Powdered waste glasses and calcium carbonate are used to improve the characteristics of manufactured artificial lightweight aggregate. Especially, considering the complex factors of basalt powder sludge, powdered waste glasses, and sintering method, the amount of calcium carbonate is appropriate at the 9 wt.% in order to improve the intumescent of lightweight aggregate. Also, the amount of powdered waste glasses is effective with using less than 50 wt.% and applying the direct sintering method at the same time on decreasing the absorption of lightweight aggregate. Furthermore, in order to manufacture artificial lightweight aggregate of high quality with a low specific gravity and low water absorption, it is considered to be more effective to apply the direct sintering method after the surface of artificial lightweight aggregate is covered with powdered waste glasses.
This study was carried out to investigate the manufacturability of artificial lightweight aggregate as a way to recycle basalt powder sludge, which is a waste produced during the manufacturing process of basalt in Jeju. Powdered waste glasses and calcium carbonate are used to improve the characteristics of manufactured artificial lightweight aggregate. Especially, considering the complex factors of basalt powder sludge, powdered waste glasses, and sintering method, the amount of calcium carbonate is appropriate at the 9 wt.% in order to improve the intumescent of lightweight aggregate. Also, the amount of powdered waste glasses is effective with using less than 50 wt.% and applying the direct sintering method at the same time on decreasing the absorption of lightweight aggregate. Furthermore, in order to manufacture artificial lightweight aggregate of high quality with a low specific gravity and low water absorption, it is considered to be more effective to apply the direct sintering method after the surface of artificial lightweight aggregate is covered with powdered waste glasses.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구는 높은 발포성 성분을 함유하고 있는 현무암 석분슬러지를 재활용한 인공경량골재의 내부 및 표면의 발포성 향상뿐만 아니라 발포된 기공 주위에 코팅 효과를 향상시켜 흡수율을 줄일 수 있도록 폐유리 분말과 탄산칼슘을 사용한 저에너지 경량골재의 제조 가능성을 평가한다.
본 연구는 최근 제주도 지역내 현무암 가공과정에서 발생되는 폐기물인 석분슬러지를 재활용하기 위한 방안으로서, 인공경량골재의 제조가능성에 대해 실험하였다. 또한, 현무암 석분 슬러지로 제조된 인공경량골재의 물성을 개선하기 위해 폐유리분말과 탄산칼슘이 사용되었다.
본 연구는 현무암 석분 슬러지의 재활용을 통한 경량골재의 성형방법과 성형된 경량골재의 물성을 향상시키기 위해 폐유리 분말과 탄산칼슘을 사용하여 성형된 인공경량골재의 물성을 평가하였으며, 도출된 결과는 다음과 같다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 현무암 석분 슬러지를 사용한 인 공경량골재에 대해 소성법에 따른 직화소성법과 승화소성법의 두 가지 방법에 따른 특성변화를 관찰하기 위해, 직 화소성의 경우는 시료를 1100 ℃의 소성로에 투입하고 30분 동안 존치시킨 후 바로 배출하였고, 승화소성의 경 우는 800 ℃의 소성로에 시료를 투입하고 승화속도를 10 ℃/min.로 30분 후 1100 ℃가 되면 바로 배출하였다.
하나는 고온에서 가스를 포집하기에 충분한 점성을 갖는 융제(flux)성분이고, 다른 하나는 가스를 발 생시키는 성분이다. 따라서, SiO2, Al2O3 그리고 융제 (FeO, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O)를 축으로 하는 삼성분계를 작성하여 소성 시 우수한 발포특성을 발현할 수 있도록 충분한 점성을 갖는 점토의 조성구간을 제안하였다. Riley가 제안한 3성분계의 각축은 전통적인 산화물 분류에 의거하여 산성산화물(SiO2, TiO2, ZrO2, P2O5), 중성산화물(Al2O3, Cr2O3) 그리고 염기성산화물(Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, ZnO, MnO)로 대체할 수 있다.
사용재료와 가열방법에 따라 제조된 인공경량골재를 이용하여 비중과 흡수율은 KS F 2503 ‘굵은골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법’을 이용하여 측정하였고, 인공경량골재 의 표면 및 내부 미세구조는 광학현미경으로 관찰하였다.
Table 3에 의해, 각 시료를 혼합하고, 직경 8 ∼ 10mm의 구형 성형체를 제조하여 대기 중에 24시간 존치 시켰다. 제조된 성형체를 110 ℃ 건조기에서 24시간 동안 건조 후, 전기로에 투입하여 30분 동안 소성하여 인공 경량골재를 제조하였다. 본 연구에서 실시한 인공경량골재의 제조공정을 Figure 2에 흐름도로 나타내었다.
대상 데이터
본 연구는 최근 제주도 지역내 현무암 가공과정에서 발생되는 폐기물인 석분슬러지를 재활용하기 위한 방안으로서, 인공경량골재의 제조가능성에 대해 실험하였다. 또한, 현무암 석분 슬러지로 제조된 인공경량골재의 물성을 개선하기 위해 폐유리분말과 탄산칼슘이 사용되었다. 현무암 석분 슬러지와 폐유리분말 그리고 소성방법의 복합적 인 요인을 고려할 때 경량골재 내부의 발포성 향상을 위해서 탄산칼슘의 양은 9 wt.
본 연구에 사용된 현무암 석분 슬러지(basalt powder sludge)는 제주도 현무암 판석 가공 공장에서 발생되는 시료를 사용하였다. 점토는 전라도 지역의 적점토를 사용하였고, 폐유리는 생활 주변에서 발생되는 유리 중 흰색 종류의 유리를 파쇄하여 사용하였으며, 현무암 석분 슬러지와 점토 그리고 폐유리 분말의 화학성분은 Table 1에 정리하였다.
본 연구에 사용된 현무암 석분 슬러지(basalt powder sludge)는 제주도 현무암 판석 가공 공장에서 발생되는 시료를 사용하였다. 점토는 전라도 지역의 적점토를 사용하였고, 폐유리는 생활 주변에서 발생되는 유리 중 흰색 종류의 유리를 파쇄하여 사용하였으며, 현무암 석분 슬러지와 점토 그리고 폐유리 분말의 화학성분은 Table 1에 정리하였다.
성능/효과
Figure 3(b)를 보면, Figure 3(a)의 결과와 상반되게 폐유리 분말을 첨가할수록 그리고 석분슬러지의 양이 증가할수록 골재의 비중은 대체적으로 증가하였다. 직화소성법에 비해 승온소성법에 의한 인공경량골재의 비중이 감소하는 것으로 나타났다.
1) CaCO3는 경량골재 내부에 발포성이 유도되었으며, CaCO3의 함량이 증가할수록 발포성은 더 효과적으로 증대되었고, 현무암 석분 슬러지를 사용한 인공 경량골재의 발포성을 고려할 때 CaCO3의 함량은 9 wt.%가 적당할 것으로 판단된다.
2) 폐유리 분말은 고온 하에서 용융되어 액상상태로 변한 뒤 소성 시 골재 내부에서 빠져나간 가스에 의해 생긴 기공을 메우고, 표면 일부를 용융된 액상이 코팅함으로서 흡수율을 저하시켰다. 폐유리 분말은 고온에서 용융되어 골재표면을 코팅하여 흡수율을 제어할 수 있지만, 용융 후 식히는 과정에서 검게 변하기 때문에 이를 고려할 때 폐유리 분말을 50 wt.
3) 승화소성방법에 비해 직화소성법이 장시간 고온에서 소성되기 때문에 골재의 비중을 낮추는데 더 효과적이었다. 그러나 유리 등 고온에서 용융상태로 존재 하는 물질을 함께 사용할 경우 내부에서 외부로 빠져나간 공극을 용융된 물질이 채움으로서 오히려 비중이 증가되었다.
만을 사용한 시료는 최소 15%이상의 흡수율을 보이고 있다. 그러나 폐유리 분말을 첨가한 시료의 경우는 10%이하의 흡수율을 보이고 있으며, 폐유리 분말과 함께 석분 슬러지를 사용하면 흡수율은 더 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Figure 4의 골재 표면 및 단면구조와 연계하여 고찰해보면, 경량골재의 표면구조에서 소성 시 가스가 빠져나간 개기공(open pore)을 폐유리 분말 성분이 용융된 액상이 개기공의 일부를 채우고, 용융된 액상의 일부는 골재 표면을 코팅하였기 때문인 것으로 판단된다.
을 사용함과 동시에, 폐유리 분말을 사용하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 또한 향상된 물성을 가진 인공 경량골재를 성형하기 위해서, 특히 폐유리 분말은 재료 혼합 시 다른 재료들과 함께 투입하는 것보다 경량골재 성 형 후 소성하기 전에 골재 표면에 폐유리 분말을 도포하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 본 연구의 결과로부터 인공경량골재 소성 시 골재 표면에서 용융된 폐유리 분말 의 액상이 골재 표면에 융착되어 흡수율감소 및 강도증진에 다소 효과가 있는 것으로 판단되었기 때문이며, 또한 이 경우 소성방법은 직화소성이 좀 더 효과적인 방법일 것으로 판단된다.
또한 향상된 물성을 가진 인공 경량골재를 성형하기 위해서, 특히 폐유리 분말은 재료 혼합 시 다른 재료들과 함께 투입하는 것보다 경량골재 성 형 후 소성하기 전에 골재 표면에 폐유리 분말을 도포하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 본 연구의 결과로부터 인공경량골재 소성 시 골재 표면에서 용융된 폐유리 분말 의 액상이 골재 표면에 융착되어 흡수율감소 및 강도증진에 다소 효과가 있는 것으로 판단되었기 때문이며, 또한 이 경우 소성방법은 직화소성이 좀 더 효과적인 방법일 것으로 판단된다.
이를 통해 현무암 석분 슬러지를 재활용하여 경량골재의 제조가 가능함을 확인할 있었다. 현무암 석분 슬러지를 많이 사용할수록 대조군(석분 슬러지를 함유하지 않은 시료 100-0-3-0 및 100-0-9-0)의 비중과 유사하게 나타났다.
Figure 3(b)를 보면, Figure 3(a)의 결과와 상반되게 폐유리 분말을 첨가할수록 그리고 석분슬러지의 양이 증가할수록 골재의 비중은 대체적으로 증가하였다. 직화소성법에 비해 승온소성법에 의한 인공경량골재의 비중이 감소하는 것으로 나타났다. 직화소성법에 의한 골재의 비중이 높은 이유는 승온소성법에 비해 일정한 고온의 소성 과정에서 긴 시간에 걸쳐 미연탄소 및 유기화합물들이 연소하여 발생된 가스들이 시편 밖으로 충분히 빠져나갈 수 있었지만, 그 자리를 소성과정에 의해 석분슬러지와 폐유리 분말로 치밀화(den-sification) 되었기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
% 이내로 사용하는 것이 적정할 것으로 판단된다. 다만, 좀 더 폐유리 분말의 효과적인 사용을 위해서 폐유리분말의 함유율에 대한 실험변수를 다양화하여 그 결과를 도출할 필요가 있다.
이를 Riley가 제안한 세라믹 3성분계 에 적용한 결과 발포현상이 가능한 구간 내에는 속하고 있진 않지만 매우 근접함을 Figure 1에서 확인할 수 있다. 이에 발포성능을 향상시킬 수 있는 물질을 첨가함으로 써 현무암 석분 슬러지의 경량화가 가능 할 것으로 판단 된다.
%이내로 사용함과 동시에 직화소성의 방법을 적용하는 것이 더 효과적이다. 좀 더 낮은 비중과 흡수율을 가진 고품질의 인공경량골재를 성형하기 위해서는 성형된 경량골재의 표면에 폐유리분말을 도포한 후 그 시료를 직화소성법으로 소성하는 것이 더 효과적일 것으로 판단된다.
향후, 폐기물 슬러지를 재활용한 인공경량골재의 낮은 비중과 낮은 흡수율을 확보하기 위해서는 발포재로서 CaCO3을 사용함과 동시에, 폐유리 분말을 사용하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 또한 향상된 물성을 가진 인공 경량골재를 성형하기 위해서, 특히 폐유리 분말은 재료 혼합 시 다른 재료들과 함께 투입하는 것보다 경량골재 성 형 후 소성하기 전에 골재 표면에 폐유리 분말을 도포하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
참고문헌 (7)
Park IM, Oh JS. Lightweight aggregate made from dewatered sludge of sewage treatment plant. Journal of Korea Solid Wastes Engineering Society. 2000;17(1):102-110.
Kang MA, Kang SG. Manufacturing of artificial lightweight aggregates using a coal fly ash discharged from fluidized bed combustor. Journal of the Korea Institute of Resources Recycling. 2011;20(1):54-60.
Kim SM, Lee JM, Kim JS, Song KG. Evaluation of performance for the tonghae CFBC with operation parameters. Journal of Korea society for energy engineering. 2000;9(3):250-260.
Riley CM. Relation of chemical properties to the bloating of clay. Journal of the American Ceramic Society. 1951;34(4):121-128.
Shin SW. The development and application of high strength lightweight concrete. 96 Construction Technology R&D Program Report No.96-0115, Seoul, Ministry of Land, Infrastructure and Transport. 1998 May. 203 p.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.