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문제 정의
- 하수슬러지 소각재에 관한 연구는 그간 일부 진행되고 있으나 내구성능이나 환경에의 영향에 관련한 내용은 거의 취급되지 않고 있다.4,5) 본 연구에서는 이러한 내용을 고려하여 하수슬러지 소각재를 잔골재로서 콘크리트에 적용하기 위하여 대체율을 달리하여 제작한 콘크리트의 압축강도시험, 탄산화저항성 시험 및 환경적 측면에서의 용출시험을 실시한 후 이러한 결과들로부터 하수슬러지 소각재의 건설재료로서의 적용성을 판단한다.
- 본 연구에서는 점점 발생량이 증가하고 있는 하수슬러지의 효율적인 사용을 위하여 건설재료로서 적용성을 검토하기 위하여 하수슬러지 소각재를 콘크리트 잔골재로 대체하여 제작한 후 각 종 시험을 실시하였다. 이로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 9) 따라서 이러한 조건을 만족하기 위하여 폴리칼본산계의 고성능감수제(SP)를 시멘트 사용량의 1.5% ~ 1.79% 로 하여 첨가하였다.
- 본 연구에도 규정에 의거 온도 20 ± 2°C, 상대습도 60 ± 5%, CO2농도 5 ± 0.2%의 촉진조건으로 13주 동안 시험을 실시하였다.
- 하수슬러지 소각재의 대체율은 기존 연구 등을 참고하여 0 ~ 20% 로 변화시켜 시험체를 제작하였으며 이 경우 목표 슬럼프는 80 ± 20 mm, 공기량은 5 ± 1% 로 하였으며 설계강도는 35 MPa로 하였다.
- 한편, 인화합물인 P2O5가 약 15%정도 함유된 것으로 나타났는데 이는 콘크리트의 응결과정에서 악영향을 미칠 수 있으므로 응결시험을 실시하여 이에 대한 유해성을 판별하였다.
대상 데이터
- 65의 쇄석을 사용하였다. 또한, 본 연구에서 사용하는 하수슬러지 소각재는 전북지역의 하수처리시설에서 얻어진 고분자계 소각재이며 그 물성치 및 형상을 Table 2 및 Fig. 1에 나타내었다. Table 2에서 하수슬러지 소각재의 비중은 2.
- 시험체는 100 × 100× 400 mm의 각주형 시험체 이며 중성화의 촉진조건은 온도 20 ± 2°C, 상대습도 60 ± 5%, CO2농도 5 ± 0.2%로 실시하였다.
- 시험체는 Fig. 4와 같이 Φ100 × 200 mm의 원주형 시험체를 제작하여 결과를 도출하였다.
- Table 1에 사용재료의 물성을 나타내었다. 콘크리트 제작에 사용된 시멘트는 보통포틀랜드시멘트(OPC) 이며, 잔골재는 비중 2.6의 강모래 및 이를 일부 대체하여 하수슬러지 소각재를 사용하였다. 굵은 골재는 최대 크기 20 mm, 비중 2.
이론/모형
- 압축강도 시험은 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험)에 의거 실시하였으며 시험결과를 Fig. 5에 나타내었다. 압축강도 시험 결과, 하수슬러지 소각재의 대체율에 따라 강도는 증가하였으며 첨가하지 않은 시험체에 비하여 강도가 높아 강도 증진측면에서 효과적 이었다.
- 제작한 시험체 유해물의 용출량은 폐기물 공정시험법인 환경부고시 제2004-185호에 의한 용출시험법에 의거 실시하였다. 시험체는 Fig.
- 촉진중성화시험은 KS F 2584(콘크리트 촉진 탄산화 시험)에 의거 실시하였다. 시험체는 100 × 100× 400 mm의 각주형 시험체 이며 중성화의 촉진조건은 온도 20 ± 2°C, 상대습도 60 ± 5%, CO2농도 5 ± 0.
- 하수슬러지 소각재의 단점중의 하나인 응결시간 지연에 대한 영향을 고찰하기 위하여 KS F2436(관입저항침에 의한 콘크리트의 응결시험방법)에 의거 대체율에 따른 응결시간을 측정하였다. Fig.
성능/효과
- 1. 압축강도 시험 결과, 하수슬러지 소각재의 대체율에 따라 일반적으로 강도는 증가하여 강 도증진 측면에서 효과적 이었다. 이는 결합재로서 유효한 CaO, SiO2 등이 주성분이며 비표면적이 크므로 이로 인한 콘크리트 조직의 밀실화에 기여한 것으로 판단된다.
- 2. 응결시험결과, 하수슬러지 소각재의 대체율이 높을 수록 콘크리트 시험체의 응결속도가 지연되는 것으로 나타났다. 그러나 대체율 20%에서도 하수슬러지 소각재를 첨가하지 않은 시험체에 비하여 압축강도는 동등 이상으로 나타나 본 연구의 경우는 하수슬러지 소각재의 첨가에 따른 콘크리트 품질의 악영향은 거의 없는 것으로 판단된다.
- 3. 촉진 중성화시험 결과, 하수슬러지 소각재의 첨가에 따라 중성화 깊이가 줄어들어 장기적인 내구저항성 증진에도 유리한 것으로 판단된다.
- 4. 용출시험 결과, 전 항목에서 기준치에 비해 크게 낮아 문제가 없을 것으로 판단되었다. 이러한 관점에서 하수슬러지 소각재를 사용한 콘크리트 구조물의 경우 침출수로 인한 2 차 피해 등의 영향은 거의 없을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용한 하수슬러지 소각재의 P2O5의 함유량은 약 15% 정도인데 시험 결과, 콘크리트의 응결속도에 다소간 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다. 결과로부터, 하수슬러지 소각재의 대체율이 높을수록 콘크리트 시험체의 응결속도가 지연되는 것으로 나타났다. 그러나 대체율 20%에서도 하수슬러지 소각재를 첨가하지 않은 시험체에 비하여 압축강도는 동등 이상으로 나타나 본 연구의 경우는 P2O5의 함유에 따른 콘크리트 품질의 악영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
- 결과로부터, 하수슬러지 소각재의 대체율이 높을수록 콘크리트 시험체의 응결속도가 지연되는 것으로 나타났다. 그러나 대체율 20%에서도 하수슬러지 소각재를 첨가하지 않은 시험체에 비하여 압축강도는 동등 이상으로 나타나 본 연구의 경우는 P2O5의 함유에 따른 콘크리트 품질의 악영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 일반적으로 하수슬러지 소각재의 품질은 변화가 심하고 그 성분 또한 일정하지 않으므로 하수슬러지 소각재를 건설재료로 사용하기 위해서는 항상 조성분의 확인이 필요하며 P2O5가 다량으로 함유되어 있는 경우 콘크리트의 안정적인 성능을 위해서는 응결촉진제의 활용을 동시에 적용할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
- 즉, 대체율 10% 까지는 하수슬러지 소각재 대체율의 증가에 따라 중성화 깊이가 줄어들었으며 그 이후의 대체율에서는 다시 증가하였으며 대체율 20%에서는 하수슬러지 소각재 무혼입 시험체와 거의 비슷한 결과를 나타내었다. 따라서 대체율 10% 범위 정도 까지는 압축강도 뿐만 아니라 장기적인 내구저항성 증진에도 유리한 것으로 판단된다. 한편, 대체율이 10%를 초과하면서 효과적이지 못한 이유는 압축강도의 저하 이유와 유사한 것으로 응결반응성의 지연으로 조직이 치밀하지 못해 CO2의 침입이 용이해진 것으로 판단된다.
- 6과 같다. 본 연구에서 사용한 하수슬러지 소각재의 P2O5의 함유량은 약 15% 정도인데 시험 결과, 콘크리트의 응결속도에 다소간 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다. 결과로부터, 하수슬러지 소각재의 대체율이 높을수록 콘크리트 시험체의 응결속도가 지연되는 것으로 나타났다.
- 5에 나타내었다. 압축강도 시험 결과, 하수슬러지 소각재의 대체율에 따라 강도는 증가하였으며 첨가하지 않은 시험체에 비하여 강도가 높아 강도 증진측면에서 효과적 이었다. 하수슬러지 소각재의 첨가에 따라 압축강도가 증가하는 이유는 결합재로서 유효한 CaO, SiO2 등이 주성분이기 때문인 것으로 판단되며 또한 일반적인 포졸란 재료의 마이크로 필러 효과 까지는 아니지만 하수슬러지 소각재 또한 비표면적이 크므로 이로 인한 콘크리트 조직의 밀실화에 기여할 것으로 판단된다.
- 7에 나타내었는데 압축강도 시험 결과와 같은 경향을 나타내고 있다. 즉, 대체율 10% 까지는 하수슬러지 소각재 대체율의 증가에 따라 중성화 깊이가 줄어들었으며 그 이후의 대체율에서는 다시 증가하였으며 대체율 20%에서는 하수슬러지 소각재 무혼입 시험체와 거의 비슷한 결과를 나타내었다. 따라서 대체율 10% 범위 정도 까지는 압축강도 뿐만 아니라 장기적인 내구저항성 증진에도 유리한 것으로 판단된다.
- 한편, 하수슬러지 소각재 대체율 10%까지는 대체율의 증가에 따라 압축강도는 증가하였으나 그 이상의 대체율에서는 오히려 강도가 약간 저하하는 경향을 나타내었다. 이러한 이유는 하수슬러지 소각재 대체율의 증가에 따른 초기 응결 지연현상이 원인으로 이로부터 콘크리트 조직이 약화된 것으로 다음에 실시하는 응결시험 결과와 함께 종합적으로 판단할 수 있다.
후속연구
- 5. 이러한 사항을 종합적으로 검토하면, 하수슬러지 소각재의 적정 대체율은 잔골재 사용량의 약 10% 정도로 판단되며 추 후 장기적인 재령에서의 검토 또한 필요할 것으로 판단 된다.
- 석탄계 하수슬러지 소각재는 탈수과정에서 소석탄 및 염화제이철 등의 응집제를 첨가한 후 얻어지며, 소각재 중에 포함되어 있는 다량의 칼슘화합물 등의 생성으로 흡수발열반응 및 포졸란 반응 등의 발생이 기대된다.8) 고분자계 하수슬러지 소각재는 고분자계 응집제를 첨가하여 얻어지는 것으로서, 다량의 규산성분이 함유되어 블록 등의 콘크리트 2차제품 등의 원료로서 이용되어 진다.
- 불소의 경우도 다른 항목에 비해서 상대적으로 수치가 높으나 기준치에 비해서는 안전하므로 큰 문제가 없을 것으로 판단된다. 이러한 관점에서 하수슬러지 소각재를 사용한 콘크리트 구조물의 경우 침출수로 인한 2차 피해 등의 영향은 거의 없을 것으로 보이나 추 후 장기적 사용에 따른 용출시험 결과의 확인 또한 필요할 것으로 판단된다.
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