[논문]쓰레기 소각재 용융슬래그 미분말을 혼입한 모르타르의 압축강도 특성에 대한 연구

이용무; 김영수

doi:10.5345/jkibc.2016.16.1.053

쓰레기 소각재 용융슬래그 미분말을 혼입한 모르타르의 압축강도 특성에 대한 연구
An Study on Compressive Strength Properties of Mortar with Municipal Solid Waste Incineration Ash Melted Slag Powder 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.16 no.1, 2016년, pp.53 - 58

이용무 (Department of Architectural Engineering, Pusan National University) , 김영수 (Department of Architectural Engineering, Pusan National University)

초록
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본 연구는 쓰레기 소각재 용융슬래그 미분말을 혼화재료로 사용하기 위한 연구로 소각재 용융슬래그 미분말을 혼입한 모르타르에 대한 연구를 수행한 것이다. 쓰레기 소각재 용융슬래그 미분말의 혼입율을 10, 20, 30, 40, 50%로 다양하게 한 후 굳지 않은 모르타르의 플로 특성과 재령 3, 7, 14, 28, 56일의 압축강도를 평가하였다. 실험결과 쓰레기 소각재 용융슬래그 미분말의 혼입율이 증가할수록 유동성이 증가하였고, 3일, 7일의 압축강도는 점진적으로 감소하였으나, 재령 28, 56일 압축강도는 증가하는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to investigate the feasibility of municipal solid waste incineration ash melted slag powder as admixture, an experimental study was performed on cement mortar with municipal solid waste incineration ash melted slag powder. Fresh mortar properties and strength properties with various municipal solid waste incineration ash melted slag powder replacement ratios were estimated. There replacement ratio adopted in this study was 0, 10, 20, 30, 40, 50%. After then flow properties was considered as properties of fresh mortar. And compressive strength was determined 3, 7, 14, 28, 56 days for the hardened mortar specimens. According to the test results, the flow of mortar was increased with in replacement amount of municipal solid waste incineration ash melted slag powder. Furthermore, compressive strength at early age was decreased, whereas the compressive strength at the age of 28, 56day was increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 쓰레기 소각시설인 자원회수시설에서 1500℃이상의 고온의 열로 생활폐기물 소각재를 용융화 시키는 과정에 발생되는 부산물인 용용슬래그를 콘크리트용 혼화재료로 재활용하기 연구로 유리상으로 골재화 되어 있는 용융슬래그를 자연 건조시킨 후 미분쇄하여 콘크리트의 혼화재료로 활용하고자하는 연구를 진행하고자 한다.
본 실험에서는 MSWI-SP를 혼화재로 활용하여 모르타르의 유동성과 강도특성을 검토하기 위하여 MSWI-SP를 실험인자로 선정하였다. W/B 50%배합(시리즈 Ⅰ)과 30% + 0.
본 연구에서는 쓰레기 소각재 용융슬래그 미분말(이하 “MSWI-SP”로 명함)의 기본적인 특성을 파악하기 위하여 입도시험, 중금속 함유량에 대한 시험을 수행하였다.

제안 방법

MSWI-SP의 혼입율을 0∼50%까지 각각 10%씩 시멘트 대체하여 혼입하여 실험을 진행하였고, 실험인자 및 평가항목은 Table 2와 같다.
본 실험에서는 MSWI-SP를 혼화재로 활용하여 모르타르의 유동성과 강도특성을 검토하기 위하여 MSWI-SP를 실험인자로 선정하였다. W/B 50%배합(시리즈 Ⅰ)과 30% + 0.25%의 고성능 감수제를 첨가한 배합(시리즈Ⅱ)로 선정하였다. MSWI-SP의 혼입율을 0∼50%까지 각각 10%씩 시멘트 대체하여 혼입하여 실험을 진행하였고, 실험인자 및 평가항목은 Table 2와 같다.
또한 굳지 않은 특성인 플로는 KS L 5105 ”수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법”을 통해 유동성을 알아보았다.
생활폐기물을 소각하면서 발생하는 부산물MSWI-SP를 콘크리트용 혼화재료로서 활용성을 평가하기 위하여 모르타르에 적용하여 유동성 및 압축강도 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된MSWI-SP는 Y 지역 소재 자원회수 시설에서 부산물로 발생한 것으로, 물리·화학적 특성은 아래 Table 6, 7과 같다.
본 연구에서 사용한 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였고, 시멘트의 화학적 성분과 물리적 특성에 관한 내용은 Table 4에 나타내었다.
본 연구에서 사용한 잔골재는 표준사를 사용하였으며, 물리적 특성은 Table 5에 나타내었다.
시료는 쓰레기를 소각하는 자원회수시설에서 부산물로 발생한 MSWI-Slag를 골재상태로 채취하여 자연건조 시킨 후 분쇄하여 미분말화 시킨 것으로 물리적 특성으로 밀도는 2.81g/㎤, 분말도는 4.250㎠/g이었다.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 KS F 2568 “일반폐기물, 하수슬러지 또는 그 소각재를 용융 고화시킨 콘크리트용 용융슬래그 골재“에 의해 유해물질 용출량과 함유량에 대한 시험과기준을 적용하였고, 그 결과는 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 배합은 질량배합으로 실시하였고, 모르타르의 혼합과 시험제 제작은 KS L ISO 679 “시멘트의 강도 시험방법”의 규정에 따라 실시하였다.
본 연구에서는 시멘트 : 모래비 1 : 2.45배합의 모르타르에 MSWI-SP를 혼입하였고, 혼합시험은 KS L 5109 “수경성 시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합 방법”에 준하여 실시하였다.
압축강도 평가용 공시체는 KS L ISO 679 “시멘트의 강도 시험 방법“에 준하여 40×40×160mm의 공시체를 각 재령별로 3개씩 제작하였으며, 제작된 공시체는 모르타르용 다짐 진동기(vibrating table)를 사용하여 기계다짐을 실시하였다.

성능/효과

1) MSWI-SP의 주성분 및 화학성분은 SiO₂ 39.5%, CaO 37.7%, Al₂O₃ 16.2%로 주성분을 이루고 있으며, 기타 미량의 광물질을 포함하고 있었다. 분말화된 입경은 미세하고 균등하며 시멘트와 유사하였다.
2) 유해물질 용출량과 함유량 시험결과 As가 소량 검출되었으나, 유해물질기준치 이하였고, 콘크리트 혼화재로 사용할 경우 환경적인 문제가 없을 것으로 판단된다.
3) MSWI-SP의 입자표면이 유리질 형태이며 흡수율이 낮게 나타나 MSWI-SP의 혼입율이 증가할수록 시리즈 Ⅰ에서 플로는 OPC와 유사하였지만 시리즈 Ⅱ의 경우 OPC와 비교하여 상당히 증가하였다.
4) 압축강도 측정결과 MSWI-SP의 혼입율이 증가할수록 재령 3일, 7일 압축강도는 OPC보다 낮게 측정되어 조기강도를 확보할 수 있는 방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다. 재령 28, 56일의 압축강도는 단위 시멘트량이 감소함에도 불구하고 OPC대비 증가하거나 비슷한 수준으로 나타나 콘크리트의 혼화재로 사용하면 도움이 될 것으로 판단된다.
MSWI-SP유해물질 분석결과 As만 4.4mg/kg으로 미량이 함유되어 있을 뿐 지정 유해물질 기준 이하였고, 기타항목에서는 일체의 유해물질이 나타나지 않았다. 그러므로 MSWI-SP의 콘크리트용 혼화재료로 활용하고자 할 경우 환경적인 문제는 없을 것으로 판단된다.
3MPa로 측정되었고 재령 56에서도 28일과 마찬가지로 MSWI-SP의 혼입율 40%까지는 OPC보다 높게 측정되었다. 가장 높은 압축강도는 MSWI-SP 혼입율 10%에서 측정되었다. 이러한 결과로 볼 때 단위 시멘트량이 감소함에도 불구하고, 압축강도가 저하되지 않으므로 소각재 용융슬래그 미분말의 혼입율 40%까지는 재활용이 가능할 것으로 판단된다.
그러나 재령 14에서는 MSWI-SP혼입율 10∼ 20%까지 각각 86.3, 91.2MPa로 측정되어 OPC의 86.1MPa보다 증가하였으나, 혼입율 30%이상에서는 압축강도가 OPC보다 낮게 측정되었다.
본 연구에 사용된 MSWI-SP의 주성분 및 화학분석 결과 MSWI-SP의 주성분은 SiO₂ 가 39.5%, CaO가 37.7%, Al₂O₃가 16.2%로 주성분을 이루고 있으며, 기타 소량의 광물질로 구성되어 있었다.
소각재 용융슬래그 미분말의 평균입경 분포는 시멘트와 유사하였고, 플라이애시보다는 작은 입경분포로 입자가 미세하다는 것을 알 수 있었고, 입형은 각진 입형으로 유리질화된 상태였다.
시리즈 Ⅰ에서 압축강도는 재령 3, 7, 14일의 경우 MSWI-SP의 혼입율이 증가할수록 압축강도는 점진적으로 감소하였다. 특히, 재령 3일의 경우 MSWI-SP혼입율 50%에서 압축강도는 15.
시리즈 Ⅱ에서 압축강도는 조기재령인 3, 7일의 경우 MSWI-SP의 혼입율이 증가할수록 점진적으로 강도가 감소하였다. 그러나 재령 14에서는 MSWI-SP혼입율 10∼ 20%까지 각각 86.
시리즈Ⅰ에서는 OPC의 플로는 220mm로 MSWI-SP를 10∼50%까지 혼입할 경우 220∼225mm범위로 MSWI-SP 혼입율이 증가할수록 유동성이 증가하였으나, OPC와 유사한 플로가 나타나 유동성의 차이는 없는 것으로 나타났다.
가장 높은 압축강도는 MSWI-SP 혼입율 10%에서 측정되었다. 이러한 결과로 볼 때 단위 시멘트량이 감소함에도 불구하고, 압축강도가 저하되지 않으므로 소각재 용융슬래그 미분말의 혼입율 40%까지는 재활용이 가능할 것으로 판단된다.
0MPa로 측정되다. 재령 56일에서 OPC의 압축강도는 93.5MPa로 재령 28일과 마찬가지로 혼입율 30%까지는 OPC보다 높았으나 40%이상에서는 압축강도가 저하되는 현상이 나타나MSWI-SP 혼입량은 30%이내가 절적할 것으로 판단된다.
재령28일의 경우MSWI-SP의 혼입율 10∼40%까지는 OPC의 53.4MPa보다 높은 59.7, 57.2, 55.9, 54.3MPa로 측정되었고 재령 56에서도 28일과 마찬가지로 MSWI-SP의 혼입율 40%까지는 OPC보다 높게 측정되었다.
그러나 시리즈Ⅱ에서의 플로는 230∼248mm범위로 OPC 230mm보다 10∼18mm 증가하여 MSWI-SP의 혼입율이 증가할수록 유동성의 상당히 향상되었다. 특히, MSWI-SP혼입율 50%에서는 유동성이 OPC보다 약 8% 향상되었다.
시리즈 Ⅰ에서 압축강도는 재령 3, 7, 14일의 경우 MSWI-SP의 혼입율이 증가할수록 압축강도는 점진적으로 감소하였다. 특히, 재령 3일의 경우 MSWI-SP혼입율 50%에서 압축강도는 15.4MPa로 OPC의 33.4MPa의 46%수준이었고, 재령 7일에서는 26.6MPa로 OPC의 45.5MPa의 58%수준으로 조기재령에서 강도발현이 늦게 나타나 조기에 수화반응을 활성화 시켜 재령 3일, 7일 압축강도를 증진시키는 방안이 고려되어야 할 것으로 판단된다.

후속연구

따라서 여러 종류의 각종 산업부산물을 발굴하여 재활용하는 것은 향후 환경보전 뿐만 아니라 천연자원 고갈로 인한 대체재로 확보라는 부분에서 사회·경제적 이점 및 환경적인 부분까지 많은 장점이 있을 것으로 기대되므로 지속적으로 발굴해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소각재의 유해물질을 분리할 수 있는 방법에는 어떠한 것이 있는가?	이러한 소각재에는 인체에 유해한 유기물과 납, 구리 등과 같은 중금속을 함유하고 있기 때문에 원료로 재활용하기에는 환경적인 문제로 인하여[6,7] 재활용하기 어려웠다. 그러나 최근에 쓰레기를 소각하는 방식이 열분해하는 용융방식이 도입되어 고온에서 쓰레기를 용융화 시키면 유기성 유해물질이 분해되고 중금속을 분리시킬 수 있다. 또한, 물리·화학적으로 매우 안정한 상태의 유리상으로 슬래그화[8,9]되어 콘크리트 재료로서의 재활용이 가능할 것으로 예상되며 현재 소각재 용융슬래그 발생량은 약 15,000톤/년 정도로 추정된다.
	현재 콘크리트 산업에서 고부가 가치 제품을 생산하기 위한 노력은 무엇인가?	이러한 결과로 현재 콘크리트 산업에서는 플라이애시, 고로슬래그와 같은 산업부산물을 자원화하여 고기능, 고품질의 콘크리트 생산을 위한 기술을 상용화 시켜 고부가 가치 제품을 생산하기 위한 노력을 지속적으로 하고 있다. 따라서 여러 종류의 각종 산업부산물을 발굴하여 재활용하는 것은 향후 환경보전 뿐만 아니라 천연자원 고갈로 인한 대체재로 확보라는 부분에서 사회·경제적 이점 및 환경적인 부분까지 많은 장점이 있을 것으로 기대되므로 지속적으로 발굴해야 할 것이다.
	소각재를 재활용 하기 어려웠던 이유는 무엇인가?	이러한 소각재에는 인체에 유해한 유기물과 납, 구리 등과 같은 중금속을 함유하고 있기 때문에 원료로 재활용하기에는 환경적인 문제로 인하여[6,7] 재활용하기 어려웠다. 그러나 최근에 쓰레기를 소각하는 방식이 열분해하는 용융방식이 도입되어 고온에서 쓰레기를 용융화 시키면 유기성 유해물질이 분해되고 중금속을 분리시킬 수 있다.

참고문헌 (10)

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Jeong JS, Lee JC, Yang KY, So KH. Utilization of stone sludge produced by stone block manufacturing process as concrete admixtures. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2008 Dec;8(6):83-9.

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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