본 연구는 화력발전소에서 배출되는 석탄회 중 바텀애시의 재활용에 대한 실험적 연구이다. 석탄회는 일반적으로 플라이애시, 바텀애시, 신더애시 등으로 구분된다. 이 중 플라이애시의 경우 콘크리트 재료 중 시멘트 대체재로 많은 양이 재활용되고 있다. 반면, 바텀애시의 경우 다공성 및 높은 흡수율 등의 특징에 의해 석탄회 중 재활용률이 가장 낮은 실정이다. 이에 본 연구에서는 바텀애시를 콘크리트의 잔골재로 0~30%까지 단계별로 치환하여 제조한 콘크리트에 대한 내구성능을 평가하였다. 바텀애시 잔골재를 사용한 콘크리트의 내구성능 평가 결과, 동결융해의 경우 바텀애시 혼입 유무와 관계없이 적정한 연행공기를 통해 저항성을 확보할 수 있었고 염소이온침투 저항성, 건조수축 및 중금속에 대한 영향을 검토한 결과 바텀애시 혼입량 증가에 따른 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 반면, 탄산화 촉진 실험결과 바텀애시 사용이 증가함에 따라 탄산화 침투가 다소 컸으나 적절한 배합설계를 통해서 바텀애시를 콘크리트 잔골재로 활용하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구는 화력발전소에서 배출되는 석탄회 중 바텀애시의 재활용에 대한 실험적 연구이다. 석탄회는 일반적으로 플라이애시, 바텀애시, 신더애시 등으로 구분된다. 이 중 플라이애시의 경우 콘크리트 재료 중 시멘트 대체재로 많은 양이 재활용되고 있다. 반면, 바텀애시의 경우 다공성 및 높은 흡수율 등의 특징에 의해 석탄회 중 재활용률이 가장 낮은 실정이다. 이에 본 연구에서는 바텀애시를 콘크리트의 잔골재로 0~30%까지 단계별로 치환하여 제조한 콘크리트에 대한 내구성능을 평가하였다. 바텀애시 잔골재를 사용한 콘크리트의 내구성능 평가 결과, 동결융해의 경우 바텀애시 혼입 유무와 관계없이 적정한 연행공기를 통해 저항성을 확보할 수 있었고 염소이온침투 저항성, 건조수축 및 중금속에 대한 영향을 검토한 결과 바텀애시 혼입량 증가에 따른 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 반면, 탄산화 촉진 실험결과 바텀애시 사용이 증가함에 따라 탄산화 침투가 다소 컸으나 적절한 배합설계를 통해서 바텀애시를 콘크리트 잔골재로 활용하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
This study is about the reuse of bottom ash, which is released as a necessity in thermal power plant. In general, coal-ash are classified as fly-ash, bottom-ash, cinder-ash. Of these, a large amount of fly ash is being recycled as cement substitutes. While, recycling rates of bottom ash are the lowe...
This study is about the reuse of bottom ash, which is released as a necessity in thermal power plant. In general, coal-ash are classified as fly-ash, bottom-ash, cinder-ash. Of these, a large amount of fly ash is being recycled as cement substitutes. While, recycling rates of bottom ash are the lowest due to its porosity and high absorption. In this study, the durability of the concrete using bottom ash as a concrete fine aggregate was evaluated. The using level of the bottom ash ranges to step-by-step from 0% to 30%. According to the result of the durability test, regardless of the presence of the bottom ash, freeze-thaw durability could be secured by air entrainment. In case of the resistance to chloride ions penetration, the length change, and the effects on heavy metals, the replacement of bottom ash as fine aggregate was not critical. Although carbonation penetration was higher as the replacement level of bottom ash increased, the experiment showed that it could be possible to use bottom ash as concrete fine aggregate with proper mix design.
This study is about the reuse of bottom ash, which is released as a necessity in thermal power plant. In general, coal-ash are classified as fly-ash, bottom-ash, cinder-ash. Of these, a large amount of fly ash is being recycled as cement substitutes. While, recycling rates of bottom ash are the lowest due to its porosity and high absorption. In this study, the durability of the concrete using bottom ash as a concrete fine aggregate was evaluated. The using level of the bottom ash ranges to step-by-step from 0% to 30%. According to the result of the durability test, regardless of the presence of the bottom ash, freeze-thaw durability could be secured by air entrainment. In case of the resistance to chloride ions penetration, the length change, and the effects on heavy metals, the replacement of bottom ash as fine aggregate was not critical. Although carbonation penetration was higher as the replacement level of bottom ash increased, the experiment showed that it could be possible to use bottom ash as concrete fine aggregate with proper mix design.
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문제 정의
본 연구에서는 바텀애시를 콘크리트용 잔골재로 사용한 콘크리트의 내구성능을 검토하여 향후 바텀애시의 재활용을 독려하고 바텀애시 잔골재가 콘크리트 구조물에 활용되기 위한 기초적 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
마지막으로 염해저항성 검토를 위해서 촉진 염화물 침투 확산 시험 방법인 NT Build 492의 시험방법으로 재령 28일과 91일 시험체에 대하여 염소이온확산계수를 도출하여 비교하였다. 또한, 28일간 표준양생한 후 측정면을 제외한 부분을 페인팅하여 염화물이온의 침투를 제어하고 3% 염화나트륨 용액에 연속 침지하는 방법으로 장기침지에 의한 염화물 침투 확산시험을 실시하였다. 침지된 시편은 1년 후 용액에서 꺼내 시험체를 건조시키고 표면의 염화물을 제거한 후 직경 100mm의 코어를 채취하여 표면으로부터 거리 0.
바텀애시의 물성 이외에 바텀애시 혼입량 증가에 따른 환경 영향을 검토하기 위하여 시험콘크리트를 대상으로 구리, 납, 비소, 수은, 카드뮴 및 6가크롬 등의 전처리 및 함량 실험 방법을 규정한 폐기물공정시험기준(Ministry of Environment 2014)에 의해 중금속함량을 측정하였고, 폐기물관리법 유해물질 기준에 적합한지 검토하였다.
본 연구에서는 바텀애시를 콘크리트 재료 중 잔골재로 사용한 콘크리트의 압축강도 및 중금속함량을 측정하고 동결융해 저항성, 탄산화 저항성 및 염소이온침투 특성을 검토하였으며 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 영흥화력발전소에서 채취한 5mm 이하의 바텀애시를 사용하여 잔골재 치환재료로 사용하였고, 바텀애시를 치환하지 않은 콘크리트(이하 PL) 및 잔골재의 10%를 치환한 콘크리트(이하 BA10), 20%를 치환한 콘크리트(이하 BA20), 30%를 치환한 콘크리트(이하 BA30)를 제작하였다. 바텀애시를 혼입한 콘크리트의 내구성능을 검토하기 위한 콘크리트 시방배합 및 굳지 않은 콘크리트의 물성을 Table 1에 나타내었다.
콘크리트의 내구성능 평가항목으로는 동결융해 저항성, 탄산화 저항성 및 염해저항성을 검토하였다. 동결융해저항성의 경우 ASTM C 666(A TYPE)에 준하여 동결융해 촉진시험을 실시하였고 탄산화저항성의 경우 KS F 2584에 준하여 ∅100×200mm의 원주형 공시체를 제작하여 이산화탄소 농도 5±0.
콘크리트의 비빔은 용량 100ℓ의 강제식 팬타입 믹서를 사용하였으며 비빔 순서는 시멘트, 잔골재, 굵은 골재, 바텀애시를 투입하여 30초 동안 건비빔을 실시한 후 물과 고성능 감수제를 투입하여 3분간 비빔한 후 배출하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 시멘트는 밀도 3.15g/cm3의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 별도의 결합재는 사용하지 않았다. Table 2에 사용된 시멘트의 물리적 성질을 나타내었다.
본 연구에서 사용된 잔골재는 밀도 2.61g/cm3의 포천산 부순 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대 치수 25mm, 밀도 2.59g/cm3인 포천산 화강암질 부순 자갈을 사용하였다.
본 연구에서는 영흥화력발전소에서 채집한 비중 2.11, 강열감량은 12%인 바텀애시를 5mm체로 선별하여 사용하였다. Table 3에 바텀애시의 화학적 성질을 나타내었고 Fig.
데이터처리
마지막으로 염해저항성 검토를 위해서 촉진 염화물 침투 확산 시험 방법인 NT Build 492의 시험방법으로 재령 28일과 91일 시험체에 대하여 염소이온확산계수를 도출하여 비교하였다. 또한, 28일간 표준양생한 후 측정면을 제외한 부분을 페인팅하여 염화물이온의 침투를 제어하고 3% 염화나트륨 용액에 연속 침지하는 방법으로 장기침지에 의한 염화물 침투 확산시험을 실시하였다.
이론/모형
본 연구에서는 K사의 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였으며 적정한 공기연행을 위하여 양질의 공기연행제를 사용하였다.
굳은 콘크리트의 압축강도 측정을 위하여 공시체는 KS F 2403에 준하여 ∅100×200mm의 크기로 제작하고 1일 후 탈형하여 23±2℃의 수중에서 양생하였으며 재령별 압축강도를 측정하였다. 압축강도 실험은 KS F 2405에 준하여 실시하였으며 측정값은 공시체 3개의 평균값이다. 또한 바텀애시 혼입에 따른 콘크리트의 건조수축 특성을 파악하기 위하여 KS F 2424에 준하여 100×100×400mm의 각주형 공시체를 제작하여 기간에 따른 건조수축량을 9개월간 측정하였다.
또한, 28일간 표준양생한 후 측정면을 제외한 부분을 페인팅하여 염화물이온의 침투를 제어하고 3% 염화나트륨 용액에 연속 침지하는 방법으로 장기침지에 의한 염화물 침투 확산시험을 실시하였다. 침지된 시편은 1년 후 용액에서 꺼내 시험체를 건조시키고 표면의 염화물을 제거한 후 직경 100mm의 코어를 채취하여 표면으로부터 거리 0.0-40mm부분에서 2.0mm씩 깊이별 시료를 대상으로 적정시험을 통해 염화물이온 농도를 측정하였으며, AASHTO T259-02에 준하여 실험을 진행하였다.
성능/효과
1. 본 연구에서 사용된 바텀애시는 미분량이 많은 특성으로 사용량 증가에 따라 유동성 확보를 위한 단위수량 증가가 필요하였고 바텀애시 사용을 위해서는 단위수량을 조절하거나 감수제를 사용하는 등 유동성 확보 대책이 필요한 것을 알 수 있었다.
3. 동결융해저항성 검토 결과 바텀애시 사용량 증가에 따른 특징은 확인할 수 없어 콘크리트 배합 시 적절히 연행공기를 확보한다면 동결융해저항성을 확보할 수 있을 것으로 사료되며, 바텀애시 사용량 증가에 따른 중금속 용출 및 수축에 대한 영향은 미미한 것으로 판단된다.
4. 내구성 검토항목 중 탄산화의 경우 바텀애시 혼입량 증가에 따라 침투깊이가 다소 증가하였으나, 염해저항성 검토 결과 바텀애시 혼입에 따른 내구성 저하는 크지 않은 것으로 나타나 적절한 배합설계를 통해 바텀애시를 콘크리트용 잔골재로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
바텀애시의 혼입에 따른 콘크리트의 중금속에 대한 영향을 검토하기 위하여 중금속 함량 실험을 실시하였고 Table 4에 결과를 나타내었다. 실험결과 구리를 제외한 중금속 용출은 없었고, 구리가 소량 용출되는 것으로 나타났으나 용출 기준인 3mg/ℓ 이하였으며, 바텀애시 사용량 증가에 따라 오히려 감소하는 결과를 보였다. 이러한 이유는 콘크리트가 경화하면서 중금속 용출이 어려지고 구리의 경우 바텀애시 함량에 따라 용출량이 줄어드는 것을 확인할 수 있어 잔골재에서 소량 용출된 성분으로 추측된다.
후속연구
나타난 바와 같이 기준콘크리트와 모든 바텀애시 콘크리트는 80% 이상의 상대동탄성계수비를 나태내고 있어 바텀애시 사용에 따른 동결융해저항성에 대한 영향은 미미한 것으로 판단된다. 따라서 적절한 배합설계를 통하여 공기량을 확보한다면 우수한 동결융해저항성을 갖는 바텀애시 콘크리트의 제조가 가능할 것으로 판단된다.
반면, 91일 강도의 경우 재령이 증가하면서 바텀애시 치환량이 증가함에 따라 강도가 회복되는 경향을 보였다. 이러한 결과를 보인 이유는 28일 이후 바텀애시의 포졸란반응으로 인해 강도가 회복되었기 때문으로 사료되며 장기적 관찰을 통하여 바텀애시의 포졸란 반응에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다(Singh et al. 2015).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석탄회는 어떻게 처리되고 있는가?
석탄회 중 플라이애시의 경우 전체 발생량의 80%를 차지하고 있고 대부분이 시멘트 대체재로서 활용되고 있는 반면, 바텀애시는 전체 발생량의 10~20% 정도를 차지하지만 재활용에 대한 열악한 조건 때문에 대부분이 매립되거나 폐기되는 실정이다(Kwon et al. 2010).
유럽 및 일본의 석탄회 재활용 비율은?
유럽의 경우 화력발전소에서 배출되는 석탄회는 약 86%가 재활용되고 있고 일본의 경우 약 81% 정도가 재활용되고 있다. 국내의 경우 재활용이 많지 않은 실정이고, 바텀애쉬의 활용성에 관한 연구로는 바텀애쉬를 사용한 모르타르의 특성(Song et al.
바텀애시를 콘크리트 재료 중 잔골재로 사용한 콘크리트의 내구성은 어떠한가?
4. 내구성 검토항목 중 탄산화의 경우 바텀애시 혼입량 증가에 따라 침투깊이가 다소 증가하였으나, 염해저항성 검토 결과 바텀애시 혼입에 따른 내구성 저하는 크지 않은 것으로 나타나 적절한 배합설계를 통해 바텀애시를 콘크리트용 잔골재로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
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