[논문]석탄 저회로 제조한 인공토양의 기능성 건설재 적용 가능성

김강덕; 이영생

doi:10.4191/kcers.2014.51.4.300

석탄 저회로 제조한 인공토양의 기능성 건설재 적용 가능성
Application for Functional Construction Materials of Artificial Soil Manufactured Using Coal Bottom Ash 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.51 no.4, 2014년, pp.300 - 306

Abstract ▼ AI-Helper

To recycle coal bottom ash(denoted here as CBA) generated from thermal power plants as a functional construction material, artificial soil(denoted as AS) containing CBA with dredged soil(denoted as DS) at a ratio(wt%) of 70 : 30 was manufactured by means of material engineering with sintering in a rotary kiln at $1125^{\circ}C$ using a green body formed via extrusion processing. The properties of the soil mechanics of the AS and the as-received CBA were analyzed and compared. Compaction testing results determined an optimum moisture content of the AS and CBA at 18%. During these tests, the maximum dry unit weights of the materials were similar, at 1.57 and 1.58 $t/m^3$, respectively. The compressive strength levels of the AS and CBA concrete specimens were 5.1 and 5.4 $t/m^3$, respectively, both of which increased after materials engineering processing. In a consolidation test, the compression index of the AS and CBA was found to be $0.114{\pm}0.001$ in both cases. The values were similar regardless of the materials engineering processes, but during the consolidation of AS, its coefficient was higher than that of the CBA materials.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

CBA와 AS의 기초물성분석을 위해 비중(KS F 2308 ‘흙의 비중 시험 방법’), 입도 분포(KS F 2302 ‘흙의 입도 시험 방법’), 그리고 액성 한계 · 소성 한계값(KS F 2303 ‘흙의 액성 한계·소성 한계 시험 방법’)을 측정하였다.
CBA와 AS의 화학조성분석은 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였다. CBA와 AS의 기초물성분석을 위해 비중(KS F 2308 ‘흙의 비중 시험 방법’), 입도 분포(KS F 2302 ‘흙의 입도 시험 방법’), 그리고 액성 한계 · 소성 한계값(KS F 2303 ‘흙의 액성 한계·소성 한계 시험 방법’)을 측정하였다.
다짐 시험에서 최대 건조 단위 중량을 나타내는 최적 함수비 18%에서 CBA와 AS로 각각 공시체(Φ = 15 cm, L = 30 cm)를 만들어 일축압축시험을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
또한 각 원료의 다짐 특성(KS F 2312 ‘흙의 다짐 시험 방법’) 및 투수 시험(KS F 2322 ‘흙의 투수 시험 방법’)을 수행하였다.
마지막으로 CBA와 AS로 각각 공시체를 제작하여 일축 압축 강도(KS F 2314 ‘흙의 일축 압축 시험방법’) 및 직접 전단 시험(KS F 2343 ‘압밀 배수 조건에서 흙의 직접 전단 시험방법’)을 수행하였으며, 각 원료의 압축특성 분석을 위해 압밀 시험(KS F 2316 ‘흙의 압밀 시험 방법’) 을 수행하였다.
본 연구에서는 가공 전 저회의 토질 역학적 특성을 규명하고, 저회에 오염토양의 준설작업 시 발생되는 무기성 폐자원인 준설토(dredged soil)를 첨가하여 경량 건설재료를 제조하여 그 특성을 저회와 비교, 분석하였다. 이를 위해서 가공 전 저회와 가공된 건설재료의 입도분포, 다짐 시험, 일축 압축 강도 시험, 직접 전단 시험을 통한 토질 공학적 특성을 평가하였으며, 저회를 기능성 건설재료의 원료로 대량 재활용 하는 기술의 개발 가능성을 예측하였다.
소성된 원료는 다시 롤러 밀(roller mill)과 핀 밀(pin mill)을 이용하여 미분쇄하였다. 본 연구에서는 재료공학적으로 처리된 건설재료를 인공토양(artificial soil, 이하 AS)으로 명명하였다.
본 연구에서는 가공 전 저회의 토질 역학적 특성을 규명하고, 저회에 오염토양의 준설작업 시 발생되는 무기성 폐자원인 준설토(dredged soil)를 첨가하여 경량 건설재료를 제조하여 그 특성을 저회와 비교, 분석하였다. 이를 위해서 가공 전 저회와 가공된 건설재료의 입도분포, 다짐 시험, 일축 압축 강도 시험, 직접 전단 시험을 통한 토질 공학적 특성을 평가하였으며, 저회를 기능성 건설재료의 원료로 대량 재활용 하는 기술의 개발 가능성을 예측하였다.
저회의 재료공학적 처리를 위해 저회와 준설토를 150 μm 이하로 미분쇄한 뒤 7 : 3의 무게비로 건식혼합한 후 압출성형기(extruder)를 이용하여 실린더형태(지름 = 10 ± 0.5 mm, 길이 = 10 ± 2 mm)로 성형하였다.
화력발전소에서 발생되는 저회를 건축 및 토목용 건설 재료로 대량 재활용하기 위하여 재료 공학적으로 가공한 후 가공 전과 후 재료의 토질 역학적 특성을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. CBA와 AS의 비중은 각각 2.

대상 데이터

실험에 사용된 원료로는 인천 ‘Y’ 화력발전소에서 발생되는 저회(coal bottom ash, 이하 CBA)와 화력발전소 준설작업 시 발생된 준설토(dredged soil, 이하 DS)를 사용하였다.

이론/모형

원료의 압축지수와 압밀계수는 KS F 2316에 의한 식 (7)을 이용해 측정하였으며, 구조물의 하중이나 성토된 재료의 자중에 의한 특성 관찰이 가능하였다.
전단시험의 경우 KS F 2343에 의한 식 (6)에 따라 흙의 전단강도, 점착력, 내부마찰각을 측정하였으며, 전단강도를 통해 외부 응력에 대한 흙의 최대저항력을 예측할 수 있었다.

성능/효과

58 t/m³, 최적 함수비는 약 18%로 비슷한 결과를 나타내었다.¹⁰⁾ 일반적인 도로성토재로 사용되는 화강토(granite soil)의 경우 최대 건조 단위중량이 1.81 ~ 1.88 t/m³, 최적 함수비가 12.1 ~ 14.7로 알려져 있으며, CBA와 AS 모두 화강토와 비교하여 최대 건조 단위중량은 낮고 최적 함수비는 높게 나타났다.²⁾ 위의 결과는 CBA와 AS가 화강토와 비교하여 상대적으로 입도분포가 균일하여 다짐에 의한 재료의 치밀화가 어렵고, 물에 의해 재료 표면에 발생되는 표면장력의 저항에 의한 것으로 판단된다.
¹¹⁾ 일반적으로 투수계수가 높은 모래에 비해 투수계수가 낮은 점토의 경우가 즉시침하보다 압밀침하 크기가 훨씬 크며, 또 침하에 소요되는 시간도 긴 문제점을 갖고 있어 구조물 축조 시 심각하게 고려되어야 한다고 보고되고 있다.¹¹⁾ 본 실험의 경우 AS의 압밀계수 값이 CBA 비해 증가한 것을 볼 수 있다. 압밀계수 값이 증가한다는 것은 압밀 소요 시간이 감소한다는 것을 의미하며 AS의 압밀이 빨리 진행된다고 판단할 수 있다.
본 연구에 사용된 CBA나 AS가 도로의 보조기층재로 활용되기 위해서는 일축강도값이 20 t/m², 기층재로 활용하기 위해서는 일축강도값이 30 t/m²을 만족하여야 한다.¹²⁾ Chun등의 결과에 보고된 것처럼, 본 연구에 사용된 CBA와 AS의 경우 내부에 존재하는 공극으로 인하여 일축강도값이 기준값을 만족시키지 못하기 때문에 도로 기층재로 단독 사용 시 지반 침하현상 발생이 예상되므로, 화강토 등의 재료를 혼합하여 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.²⁾
9 범위에 있으며 압축지수 값이 증가할수록 토양의 연약함을 나타낸다.¹⁴⁾ 따라서 CBA와 AS는 점토에 비해 상대적으로 낮은 압축지수값을 나타내기 때문에 토목용 지반재로 사용하는 것이 유리하다.
7로 알려져 있으며, CBA와 AS 모두 화강토와 비교하여 최대 건조 단위중량은 낮고 최적 함수비는 높게 나타났다.²⁾ 위의 결과는 CBA와 AS가 화강토와 비교하여 상대적으로 입도분포가 균일하여 다짐에 의한 재료의 치밀화가 어렵고, 물에 의해 재료 표면에 발생되는 표면장력의 저항에 의한 것으로 판단된다.¹¹⁾
8) Table 2의 결과에서 재료공학적으로 처리된 AS는 비중이 2.4로 일반 모래나 점토에 비해 가볍지만 CBA보다 비중이 0.3 증가하였으며 이는 CBA에 혼합된 DS로 인한 비중 증가와 1125°C의 열처리 공정에 의한 AS의 치밀화에 의한 것으로 판단된다.
액상한계 및 소성한계 시험 결과 CBA와 AS의 소성지수(plasticity index, Ip)가 모두 4 이하로 비소성(non-plastic)의 특성을 갖는 재료로 분류되었다.⁸⁾ 위의 분석 결과를 종합하여 볼 때 CBA와 AS 재료 모두 통일분류법(unified soil classification system, USCS)에 따른 분류기준에서 실트질 모래(silty sand, SM) 계열로 속하는 것으로 판단되었다.⁹⁾
9) CBA와 AS의 투수계수는 실트질 점토(silty clay)의 투수계수 10-3~ 10-5 cm/sec 범위에 포함되어 토목용 뒤 채움재로 활용은 가능하지만 물을 막는 차수층으로 사용되기 위한 기준 투수계수(1.0 × 10−7 cm/sec)를 만족시키지 못하기 때문에 불투수층 재료로의 적용은 어려울 것으로 판단된다.
CBA와 AS 모두 기존점토나 모래에 비해 무게가 감소하는 경량 특성을 나타내며 토목용 뒤채움재로는 적합하지만, 보조기층재나 성토재의 원료로 단독 재활용하기에 적합하지 않은 것으로 판단된다. CBA와 AS의 대량 재활용을 위해서는 기존의 다른 원료와 혼합하여 투수계수 및 일축압축강도 그리고 전단특성의 제어가 필요할 것으로 판단된다.
CBA와 AS의 투수계수는 각각 5.77 × 10−5 cm/sec와 8.33 × 10−5 cm/sec로 AS의 투수계수가 약간 감소함을 확인 할 수 있었다.
2와 Table 3에 나타내었다. CBA의 건조 단위중량(dry unit weight)은 함수비(water content)가 증가하면서 서서히 증가하다가 함수비 18%에서 최대값에 이른 후 다시 감소하는 경향 (Fig. 2)을 나타내었다. 다짐 곡선 분석결과 최적 함수비 (optimum water content, Wopt) 18%에서 최대 건조 단위중량(maximum dry unit weight, γdmax) 1.
58 t/m³을 나타내었으며, CBA와 비슷한 경향을 나타내었다(Table 2). Chun등은 석탄회에 대한 다짐시험 결과 최대 건조 단위중량은 1.04 ~ 1.58 t/m³, 최적 함수비는 10.5 ~ 35%로 주장하였으며, 본 연구의 경우 CBA와 AS의 다짐시험에서 최대 건조 단위중량이 1.57 ~ 1.58 t/m³, 최적 함수비는 약 18%로 비슷한 결과를 나타내었다.¹⁰⁾ 일반적인 도로성토재로 사용되는 화강토(granite soil)의 경우 최대 건조 단위중량이 1.
다짐 곡선 분석결과 최적 함수비 (optimum water content, Wopt) 18%에서 최대 건조 단위중량(maximum dry unit weight, γdmax) 1.57 t/m3을 나타내었다(Table 3).
다짐 시험 결과 CBA와 AS의 최적 함수비는 18%로 나타났으며, 그때 최대 건조 단위중량은 각각 1.57과 1.58 t/m³로 매우 유사하였다. 투수시험 결과 CBA와 AS의 투수계수는 각각 5.
8 보다 경량으로 나타났다. 또한 가공 여부에 상관없이 액상한계 및 소성한계 분석에서 비소성(non-plastic)으로 판명되었으며, 통일 분류법 기준으로 실트질 모래로 분류되었다.
33 × 10⁻⁵ cm/sec로 뒤채움재로는 적합하지만 차수층에 사용하기는 부적합한 것으로 나타났다. 또한 일축압축시험 결과 CBA와 AS는 5 ~ 6 t/m³의 압축 강도값을 나타내 보조기층재 사용을 위한 기준강도의 1/4에 불과하였으며, 직접전단시험 결과 도로성토재로 사용되는 화강암보다 낮은 점착력과 높은 내부마찰각을 나타내었다. 압밀실험결과 CBA와 AS 압축지수는 각각 0.
본 연구에 사용된 CBA의 비중(specific gravity, G_s)은 2.1로 국내에 존재하는 일반 모래나 점토의 비중 2.6 ~ 2.8보다 훨씬 가볍게 나타났다(Table 2). Fig.
3에 나타내었다. 실험결과 CBA와 AS의 일축압축강도는 각각 5.1과 5.4 t/m²을 나타냈으며, AS의 일축압축강도가 0.3 t/m³ 증가한 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구에 사용된 CBA나 AS가 도로의 보조기층재로 활용되기 위해서는 일축강도값이 20 t/m², 기층재로 활용하기 위해서는 일축강도값이 30 t/m²을 만족하여야 한다.
또한 일축압축시험 결과 CBA와 AS는 5 ~ 6 t/m³의 압축 강도값을 나타내 보조기층재 사용을 위한 기준강도의 1/4에 불과하였으며, 직접전단시험 결과 도로성토재로 사용되는 화강암보다 낮은 점착력과 높은 내부마찰각을 나타내었다. 압밀실험결과 CBA와 AS 압축지수는 각각 0.113과 0.115로 비슷하였으며, 압밀계수의 경우 AS가 약간 높은 값을 나타내었다.
4로 비교적 우수한 입도 특성을 나타내었다. 액상한계 및 소성한계 시험 결과 CBA와 AS의 소성지수(plasticity index, Ip)가 모두 4 이하로 비소성(non-plastic)의 특성을 갖는 재료로 분류되었다.⁸⁾ 위의 분석 결과를 종합하여 볼 때 CBA와 AS 재료 모두 통일분류법(unified soil classification system, USCS)에 따른 분류기준에서 실트질 모래(silty sand, SM) 계열로 속하는 것으로 판단되었다.
투수시험 결과 CBA와 AS의 투수계수는 각각 5.77 × 10−5과 8.33 × 10−5 cm/sec로 뒤채움재로는 적합하지만 차수층에 사용하기는 부적합한 것으로 나타났다.

후속연구

^5,6) 그 외에 기존에 콘크리트용 잔골재로 사용되는 강모래, 해사 및 부순모래를 저회 및 비회로 대체함으로써 환경보호 및 잔골재 세척에 의해 발생되는 미립분 손실의 보완을 통한 콘크리트의 물성을 개선시키기 위한 재활용 연구도 수행되었으나, 아직까지 저회의 재활용 실적이 낮은 상황이다.⁷⁾ 토목 및 건축분야에서 저회의 활발한 재활용을 위해서는 저회의 토질 역학적 특성규명 뿐만 아니라, 저회의 단독사용 이외에 다른 폐자원과의 혼합을 통한 기능성 건설재료의 개발이 필요하다.
CBA와 AS 모두 기존점토나 모래에 비해 무게가 감소하는 경량 특성을 나타내며 토목용 뒤채움재로는 적합하지만, 보조기층재나 성토재의 원료로 단독 재활용하기에 적합하지 않은 것으로 판단된다. CBA와 AS의 대량 재활용을 위해서는 기존의 다른 원료와 혼합하여 투수계수 및 일축압축강도 그리고 전단특성의 제어가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안정적인 저회의 대량 재활용기술 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	1-3) 국내 10개의 석탄 화력발전소에서 발생하여 회처리장에 매립되고 있는 석탄회는 연간 840만 톤을 상회하는 것으로 알려져 있으며 이중 저회의 재활용률은 매우 낮은 실정이다. 현재 대부분의 저회는 화력발전소 내에 위치한 회 처리장(ash pond)에 매립되고 있으나, 향후 매립지의 부족 및 관리비 증가, 주변지역의 환경오염 등의 문제로 인하여 안정적인 저회의 대량 재활용기술 개발이 필요한 실정이다.1-3)
	저회가 비회에 비해 재활용률이 낮은 이유는 무엇인가?	화력발전소에서 발생되는 저회(coal bottom ash)는 입자가 크고 거칠며, 입자의 형태의 불균일 이외에 화학적 조성의 다양함으로 인하여 비회(coal fly ash)와 비교하여, 재활용률이 낮은 상황이다.1-3) 국내 10개의 석탄 화력발전소에서 발생하여 회처리장에 매립되고 있는 석탄회는 연간 840만 톤을 상회하는 것으로 알려져 있으며 이중 저회의 재활용률은 매우 낮은 실정이다.
	국내에서 저회의 활발한 재활용을 위해 수행된 연구에는 어떤 것들이 있는가?	국내의 경우 저회와 폐타이어 및 일반풍화토를 혼합하여 제조된 시험용 성토체의 성토재 적용 가능성에 대한 연구와 굴착 후 되메움이 필요한 공사현장의 채움재로 기존의 현장발생토인 점토와 황토를 대신하여 산업 폐기물인 석탄 매립회를 활용한 유동성 채움재 활용을 위한 연구가 수행되었다.1,4) 또한 저회와 점토를 혼합 후 소성하여 비중 1.5 이하의 인공경량골재나 흡착제와 같은 기능성 세라믹 제품과 결정화 유리의 원료로 재활용하는 연구들이 수행되어 왔다.5,6) 그 외에 기존에 콘크리트용 잔골재로 사용되는 강모래, 해사 및 부순모래를 저회 및 비회로 대체함으로써 환경보호 및 잔골재 세척에 의해 발생되는 미립분 손실의 보완을 통한 콘크리트의 물성을 개선시키기 위한 재활용 연구도 수행되었으나, 아직까지 저회의 재활용 실적이 낮은 상황이다.7) 토목 및 건축분야에서 저회의 활발한 재활용을 위해서는 저회의 토질 역학적 특성규명 뿐만 아니라, 저회의 단독사용 이외에 다른 폐자원과의 혼합을 통한 기능성 건설재료의 개발이 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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