[논문]시멘트 혼합재로의 전처리 제지애쉬 적용가능성 연구

정재현; 서성관; 추용식

doi:10.7844/kirr.2016.25.6.58

시멘트 혼합재로의 전처리 제지애쉬 적용가능성 연구
A Study on Pretreated Paper Sludge Ash for Cement Admixture 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.25 no.6, 2016년, pp.58 - 64

정재현 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부) , 서성관 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부) , 추용식 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부)

초록
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제지산업은 다량의 산업부산물을 배출하고 있으며, 제지애쉬 발생량도 증가하고 있다. 본 연구에서는 제지애쉬를 시멘트 혼합재로 사용하기 위해서 수화수를 사용하여 전처리 하였다. 전처리 제지애쉬와 석고를 혼합하여 혼합재를 제조하였으며, 이후 시멘트를 대체하여 사용하였다. 제지애쉬 혼합시멘트는 제지애쉬 함량에 따라 물성이 변화하였으나, 10% 이하 사용시에는 기존 OPC와 동등 물성이 발현되었다. 이때 압축강도는 수화물 중 $Ca(OH)_2$의 생성량과도 일정 상관성을 나타내었으며, 3일 강도는 $Ca(OH)_2$ 함량이 증가할수록, 28일 강도는 감소할수록 압축강도가 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Paper industry discharges many by-products and quantity of PSA (Paper sludge ash) has been increased. In this study, hydration water was added to PSA for use as cement admixture. PSA with added water was mixed with anhydrite and this mixture was used as cement substitute. Physical properties of PSA cement were changed by contents of PSA, but PSA cement containing PSA less than 10% had similar properties to those of OPC. Compressive strength of PSA cement mortar had a certain relationship with $Ca(OH)_2$ content. Compressive strength at 3 days increased, as $Ca(OH)_2$ content increased. However, the strength at 28 days increased, as $Ca(OH)_2$ content decreased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 칼슘 알루미네이트(C₃A, C₁₂A₇) 성분의 급격한 수화와 다량의 C-A-H 생성은 급결현상의 원인 이기도 하다. 따라서 본 논문에서는 prehydration과 더불어 무수석고를 첨가하여 에트링자이트 생성을 통한 메트릭스 치밀화 및 급경 방지 효과를 얻고자 하였다.
본 연구에서는 제지산업에서 발생하는 제지애쉬를 시멘트 혼합재로 적용하기 위해서 수화수 전처리 및 석고 혼합 방법을 사용하였다. 이때 수화수 함량은 5 ~ 16% 로 변화시켜 제지애쉬 수화상태 등을 분석하였다.
본 연구에서는 제지애쉬 전처리를 위해 수화수를 적용하는 방안을 검토하였으며, 더불어 석고를 혼합·투입하는 방안도 연구하였다.
본 연구에서는 제지애쉬 전처리를 위해 수화수를 적용하는 방안을 검토하였으며, 더불어 석고를 혼합·투입하는 방안도 연구하였다. 즉 제지애쉬를 모르타르에 적용하기 전에 Prehydration 과정을 거쳐 1차 수화물로 제조한 후 사용하고자 하였다. 이후 석고를 혼입한 전처리 제지애쉬를 모르타르에 적용하여 작업성 및 강도 특성 등도 분석하였다.

가설 설정

⁹⁾ Fig. 2는 (a) A社 제지애쉬와 (b) 제지애쉬에 존재하는 유기 섬유를 분리한 것이다. 일반적으로 제지슬러지는 800 ~ 900°C의 소각로에서 2 ~ 3초 정도 체류하며 연소되는데 짧은 슬러지 체류시간으로 인하여 일부 미연 셀룰로오스 섬유가 제지애쉬 내에 잔존하게 된다.

제안 방법

실험에 활용된 시멘트는 국내 H社의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 모래는 합천 강모래 6호사를 사용하였다. 더불어 prehydration이 완료된 제지애쉬를 혼합수와 혼합하여 제지애쉬 수화물을 제조하고 수화특성을 분석하였다. 수화물 제조시 혼합수 함량은 분체량 기준 40%로 고정하였다.
따라서 본 연구에서도 제지애쉬 혼합시멘트 수화물들의 XRD를 측정하여, 압축강도와 상호 비교·분석하였다.
전처리 제지애쉬 혼합시멘트의 물리적 특성을 검토하기 위해 모르타르 플로우 및 압축강도를 측정하였다. 또한 수화물과 압축강도와의 상관성을 도출하기 위해 제지애쉬 혼합시멘트의 페이스트를 제조하여 양생일별 XRD 패턴을 관찰하였다.
이때 수화수 함량은 5 ~ 16% 로 변화시켜 제지애쉬 수화상태 등을 분석하였다. 또한 전처리 제지애쉬를 시멘트와 혼합하여 수화특성과 더불어 물리적 특성을 분석하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 제지산업에서 발생하는 제지애쉬를 시멘트 혼합재로 적용하기 위해서 수화수 전처리 및 석고 혼합 방법을 사용하였다. 이때 수화수 함량은 5 ~ 16% 로 변화시켜 제지애쉬 수화상태 등을 분석하였다. 또한 전처리 제지애쉬를 시멘트와 혼합하여 수화특성과 더불어 물리적 특성을 분석하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.
즉 제지애쉬를 모르타르에 적용하기 전에 Prehydration 과정을 거쳐 1차 수화물로 제조한 후 사용하고자 하였다. 이후 석고를 혼입한 전처리 제지애쉬를 모르타르에 적용하여 작업성 및 강도 특성 등도 분석하였다.
제지애쉬 Prehydration을 위해서 수화수를 제지애쉬 대비 5%, 8%, 12% 및 16% 투입한 후 볼밀에서 30분동안 혼합하였다. 이후 제지애쉬의 외관, CaO와 C₁₂A₇의 미세구조 등을 관찰하였다.
전처리 제지애쉬 혼합시멘트의 물리적 특성을 검토하기 위해 모르타르 플로우 및 압축강도를 측정하였다. 또한 수화물과 압축강도와의 상관성을 도출하기 위해 제지애쉬 혼합시멘트의 페이스트를 제조하여 양생일별 XRD 패턴을 관찰하였다.
제지애쉬를 전처리하기 위해 수화수 5%, 8%, 12% 및 16% 투입 후, 제지애쉬와 무수석고를 9 : 1 비율로 혼합하였다. 전처리(수화수 처리와 무수석고 혼합)가 완료된 제지애쉬는 5%, 10% 및 15% 비율로 시멘트와 혼합하여 모르타르 압축강도와 플로우 특성도 검토하였다. 압축강도 시험은 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험방법)을 기반으로 하되 W/B 비와 S/B 비는 실제 현장에서 적용중인 건조 모르타르의 배합을 기준으로 조정하였으며 배합비는 Table 1과 같다.
압축강도 시험은 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험방법)을 기반으로 하되 W/B 비와 S/B 비는 실제 현장에서 적용중인 건조 모르타르의 배합을 기준으로 조정하였으며 배합비는 Table 1과 같다. 제작된 시편은 항온항습기에서 24시간(습도: 90%, 온도: 23 ℃) 동안 양생 후 각각의 양생일(3, 7, 28일) 동안 수중 양생하였다. 모르타르의 플로우 측정은 KS L 5105 (수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험)에 준하여 실시하였다.
제지애쉬 Prehydration을 위해서 수화수를 제지애쉬 대비 5%, 8%, 12% 및 16% 투입한 후 볼밀에서 30분동안 혼합하였다. 이후 제지애쉬의 외관, CaO와 C₁₂A₇의 미세구조 등을 관찰하였다.
제지애쉬의 화학 조성을 분석하기 위해 유도결합플라즈마분광기(ICP-OES 8300, Perkin Elmer社, US)를 이용하였고, 주사전자현미경(SEM, SM300, Topcon社, JAPAN)을 이용하여 원료의 입형, 표면상태, 수화물의 미세구조를 분석하였다. 제지애쉬 및 제지애쉬 수화물의 결정성은 X-선 회절기 (XRD, D/MAX-3000, Rigaku社, JAPAN)를 사용하여 분석하였다.
제지애쉬를 전처리하기 위해 수화수 5%, 8%, 12% 및 16% 투입 후, 제지애쉬와 무수석고를 9 : 1 비율로 혼합하였다. 전처리(수화수 처리와 무수석고 혼합)가 완료된 제지애쉬는 5%, 10% 및 15% 비율로 시멘트와 혼합하여 모르타르 압축강도와 플로우 특성도 검토하였다.
본 연구에서는 산성초지 제조과정에서 발생하는 칼슘계 제지애쉬 2종을 사용하였다. 제지애쉬의 화학 조성을 분석하기 위해 유도결합플라즈마분광기(ICP-OES 8300, Perkin Elmer社, US)를 이용하였고, 주사전자현미경(SEM, SM300, Topcon社, JAPAN)을 이용하여 원료의 입형, 표면상태, 수화물의 미세구조를 분석하였다. 제지애쉬 및 제지애쉬 수화물의 결정성은 X-선 회절기 (XRD, D/MAX-3000, Rigaku社, JAPAN)를 사용하여 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 산성초지 제조과정에서 발생하는 칼슘계 제지애쉬 2종을 사용하였다. 제지애쉬의 화학 조성을 분석하기 위해 유도결합플라즈마분광기(ICP-OES 8300, Perkin Elmer社, US)를 이용하였고, 주사전자현미경(SEM, SM300, Topcon社, JAPAN)을 이용하여 원료의 입형, 표면상태, 수화물의 미세구조를 분석하였다.
모르타르의 플로우 측정은 KS L 5105 (수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험)에 준하여 실시하였다. 실험에 활용된 시멘트는 국내 H社의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 모래는 합천 강모래 6호사를 사용하였다. 더불어 prehydration이 완료된 제지애쉬를 혼합수와 혼합하여 제지애쉬 수화물을 제조하고 수화특성을 분석하였다.
제지애쉬는 국내 A社 및 B社에서 발생하는 제지애쉬를 사용하였으며, 이들 애쉬 색상은 노란색과 회색 계열이었다. Table 2에서와 같이, 제지애쉬의 주요 화학성분은 CaO, SiO₂ 및 Al₂O₃ 등이, 미량성분은 Fe₂O₃, Na₂O, SO₃ 등이 존재하였다.

이론/모형

제작된 시편은 항온항습기에서 24시간(습도: 90%, 온도: 23 ℃) 동안 양생 후 각각의 양생일(3, 7, 28일) 동안 수중 양생하였다. 모르타르의 플로우 측정은 KS L 5105 (수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험)에 준하여 실시하였다. 실험에 활용된 시멘트는 국내 H社의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 모래는 합천 강모래 6호사를 사용하였다.
전처리(수화수 처리와 무수석고 혼합)가 완료된 제지애쉬는 5%, 10% 및 15% 비율로 시멘트와 혼합하여 모르타르 압축강도와 플로우 특성도 검토하였다. 압축강도 시험은 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험방법)을 기반으로 하되 W/B 비와 S/B 비는 실제 현장에서 적용중인 건조 모르타르의 배합을 기준으로 조정하였으며 배합비는 Table 1과 같다. 제작된 시편은 항온항습기에서 24시간(습도: 90%, 온도: 23 ℃) 동안 양생 후 각각의 양생일(3, 7, 28일) 동안 수중 양생하였다.
8은 페이스트 수화물 (Ca(OH)₂, 에트링자이트)의 XRD 피크 강도와 압축강도의 상관성을 그래프화 한것이다. 이때 상관성은 Origin 8.0 프로그램을 사용하였으며, 상관관계방정식은 2차 방정식을 적용하였다. 3일압축강도와 Ca(OH)₂ 함량과의 상관관계 계수 (R)는 -0.

성능/효과

1) 제지애쉬는 주로 CaCO₃, CaO 및 C₁₂A₇ 등으로 구성되어 있으며, 이 중 CaO와 C₁₂A₇ 등은 급결현상을 야기하므로, 미리 수화반응을 진행시켜야 함을 알 수 있었다.
¹³⁾ 하지만 CSH는결정 형태 및 구성 성분들의 몰비에 따라서도 다양한 종류가 존재하여, 정확한 함량분석 등은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.¹³⁾ 본 연구에서 제조한 시멘트 페이스트에 존재하는 일부 Ca(OH)₂ 도 양생일 증가에 따라 CSH 수화물로 변화된 것으로 사료되며, 이에 따라 Ca(OH)₂ 감소 및 압축강도 증가 현상이 발생한 것으로 추정할 수 있었다.
2) 수화수가 5%에서 16%로 증가함에 따라 C-A-H 피크 강도가 증가하였으며, CaO 및 C₁₂A₇ 피크는 큰폭으로 감소하였다. 하지만 수화수 16%에서는 제지애쉬 일부가 1 ~ 2mm의 알갱이로 생성되었다.
이 값들은 3일 계수보다 낮은 값이며, 특히 에트링자이트 함량은 압축강도와의 상관성이 존재치 않는다고 언급할 수 있는 수준이었다. 28일 압축강도와 Ca(OH)₂ 함량과의 상관관계 계수 (R)는 -0.59이었으며, 에트링자이트와는 +0.49이었다. 28일 압축강도는 3일 압축강도와는 달리 Ca(OH)₂ 함량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
3) 제지애쉬 혼합시멘트의 압축강도는 제지애쉬 발생 처에 따라 차이가 있으나, 제지애쉬 10% 이하에서는 OPC와 유사한 강도값이 발현되었다. 특히 압축강도는 시멘트 수화물 중 Ca(OH)₂ 함량과도 상관성이 존재하는 것으로 판단되었다.
4) 상기 결론으로부터, 제지애쉬를 전처리하기 위한 최적 수화수 함량은 12%로, 전처리 제지애쉬를 사용한 시멘트 혼합량은 10% 이하로 추정되었다. 즉 전처리 제지애쉬는 적정량 사용시 시멘트를 대체·사용할 수 있을 것으로 판단되었다.
하지만 A社 및 B社 제지애쉬 15% 조건에서는 OPC 보다 낮은 강도값이 발현되었으며, 이는 OPC 대비 각각 95% 및 91% 수준이었다. 그러나 7일 및 28일 양생조건에서는 OPC와 큰 차이를 보이지 않았으며, 일부 시편에서는 OPC 보다 양호한 강도값이 발현되었다.
수화수 처리 전후 제지애쉬의 외관 관찰 결과, 수화수 12%까지는 제지애쉬 전처리 후에도 분말상태로 존재하였다. 하지만 수화수 16%에서는 제지애쉬 일부가 알갱이로 변화 (다량의 수화수에 의해 입자들이 엉겨 붙어 1 ~ 2mm 크기로 알갱이 지는 현상) 하였다.
10이었다. 이 값들은 3일 계수보다 낮은 값이며, 특히 에트링자이트 함량은 압축강도와의 상관성이 존재치 않는다고 언급할 수 있는 수준이었다. 28일 압축강도와 Ca(OH)₂ 함량과의 상관관계 계수 (R)는 -0.
7MPa이었다. 제지애쉬 혼합시멘트에서는 특정 경향을 도출하기 어려웠으나, 3일 양생시 제지애쉬 10% 혼합조건에서 우수한 강도가 발현되었다. 특히 A社 제지애쉬 10% 혼합조건에서 가장 우수한 강도값 (24.
즉 전처리 제지애쉬는 적정량 사용시 시멘트를 대체·사용할 수 있을 것으로 판단되었다.
제지애쉬 혼합시멘트에서는 특정 경향을 도출하기 어려웠으나, 3일 양생시 제지애쉬 10% 혼합조건에서 우수한 강도가 발현되었다. 특히 A社 제지애쉬 10% 혼합조건에서 가장 우수한 강도값 (24.1MPa)이 도출되었으며, 이는 OPC 대비 105% 수준이었다. 하지만 A社 및 B社 제지애쉬 15% 조건에서는 OPC 보다 낮은 강도값이 발현되었으며, 이는 OPC 대비 각각 95% 및 91% 수준이었다.
66이었다. 특히 Ca(OH)₂ 피크 강도가 증가할수록 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으나, 약 7500 CPS 이상에서는 압축강도가 유사해지는 경향이 발현되었다. 즉 Ca(OH)₂함량이 일정량 이상일 경우에는 더 이상 압축강도가 증가하지 않음을 의미한다고 추정된다.
패턴에서는 34°부근의 Ca(OH)2 피크 강도(Intensity, CPS (count per second))가 매우 낮게 검출되었으나, 수화수 함량 증가에 따라 피크 강도는 더욱 커지는 것으로 관찰되었다.
1MPa)이 도출되었으며, 이는 OPC 대비 105% 수준이었다. 하지만 A社 및 B社 제지애쉬 15% 조건에서는 OPC 보다 낮은 강도값이 발현되었으며, 이는 OPC 대비 각각 95% 및 91% 수준이었다. 그러나 7일 및 28일 양생조건에서는 OPC와 큰 차이를 보이지 않았으며, 일부 시편에서는 OPC 보다 양호한 강도값이 발현되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐수를 처리하는 과정에서 발생하는 제지 슬러지는 연간 얼마인가?	하지만 비약적 성장과 더불어 산업부산물 또는 폐기물 발생량도 증가하였다1,2). 특히 폐수를 처리하는 과정에서 발생하는 제지 슬러지는 연간 160만톤 수준이며, 제지 슬러지 소각재의 발생량은 연간 50만톤으로 추정된다. 제지 슬러지는 응집된 셀룰로오스 섬유 찌꺼기와 충전제 등의 무기물질로 구성되어 있다.
	제지 슬러지는 무엇으로 구성되어 있는가?	특히 폐수를 처리하는 과정에서 발생하는 제지 슬러지는 연간 160만톤 수준이며, 제지 슬러지 소각재의 발생량은 연간 50만톤으로 추정된다. 제지 슬러지는 응집된 셀룰로오스 섬유 찌꺼기와 충전제 등의 무기물질로 구성되어 있다. 슬러지는 기계적 탈수과정인 여과, 원심탈수, 압착과정을 통해 수분함량 80% 내외의 여과케이크로 변화된다3,4).
	제지 슬러지는 여과케이크로 변화하고, 이후 어떻게 처리되는가?	슬러지는 기계적 탈수과정인 여과, 원심탈수, 압착과정을 통해 수분함량 80% 내외의 여과케이크로 변화된다3,4). 이후 매립 또는 소각 등으로 처리되거나, 일부 재활용되고 있다5).

참고문헌 (13)

Cho, J. H. 2015: "Environmental Characteristics of Pulp and Paper Industry", Report of National Environmental Information Center, No.2015-47, pp. 1-2, Korea.
Korea Ministry of Environment, 2015:"Gneration and Trearment Status of the National Solid Waste Year of 2014", pp. 718-1222, Korea.
Yoon, K.J. 2012:"Application of Environment Friendly Materials with Recycling Paper Mill Sludges", M.S Thesis, Chungbuk National University, Korea.
Jeong, H.J. 2013:"Solidification Processing of Sewage Sludge by Using Paper Sludge Ash", M.S Thesis, Seoul National University of Science and Technology, Korea.
Jeong, M.I. 2004: "An Experimental Study on the Effects of the Crack Control of Concrete Using Paper Sludge Ash", M.S Thesis, Chungbuk National University, Korea.
Moon, K.J., Kim, J.S., Soh, Y.S. 2001: Manufacturing of Sintered Lightweight Aggregate using Paper Mill Sludge Ash, Journal of the Korea Concrete Institute, 13(2), pp. 114-122.
Goni, S. et al., 2013: Decalcification of Activated Paper Sludge-Fly ash -Portland Cement Blended Pastes in Pure Water, Cement and Concrete Composites, 40(1), pp. 1-6.

상세보기
Vegas I. et al., 2014: Aging and Durability of Ternary Cements Containing Fly Ash and Activated Paper Sludge, Construction and Building Materials, 52(15), pp. 253-260.

상세보기
Bai, J. et al., 2003: Compressive Strength and Hydration of Wastepaper Sludge Ash-Ground Granulated Blastfurnace Slag Blended Pastes, Cement and Concrete Research, 33(8), pp. 1189-1202.

상세보기
Mozaffari E. et al., 2006: Improving Strength Development of Wastepaper Sludge Ash by Wet-milling, Cement and Concrete Composites, 28(2), pp. 144-152.

상세보기
Park, S.H. et al., 2013: Properties of Shrinkage Reducing Agent and Mortar Using Anhydrite and $C_{12}A_7$ -Based Slag, Journal of Korean Recycled Construction Resources Institute, 1(2), pp. 101-106.

원문보기 상세보기
Rafael Talero, 1996: Comparative XRD analysis ettringite originating from pozzolan and from portland cement, Cement and Concrete Research, 26(8), pp. 1277-1283.

상세보기
Jae Eun Oh, 2011: Does the Al substitution in C-S-H(I) change its mechanical property, Cement and Concrete Research, 41, pp. 102-106.

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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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