[논문]CO2 고정화된 CFBC 석탄재를 활용한 저강도 고유동 채움재의 특성평가

조용광; 남성영; 이용무; 김춘식; 서신석; 조성현; 이형우; 안지환

doi:10.5322/jesi.2017.26.11.1267

CO2 고정화된 CFBC 석탄재를 활용한 저강도 고유동 채움재의 특성평가
Characterization of Controlled Low-Strength Materials Utilizing CO2-Solidified CFBC Coal Ash 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.26 no.11, 2017년, pp.1267 - 1274

조용광 (한일시멘트 테크니컬센터) , 남성영 (한일시멘트 테크니컬센터) , 이용무 (한일시멘트 테크니컬센터) , 김춘식 (한일시멘트 테크니컬센터) , 서신석 (한일시멘트 테크니컬센터) , 조성현 (한일시멘트 테크니컬센터) , 이형우 (한일시멘트 테크니컬센터) , 안지환 (한국지질자원연구원 탄소광물화사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

A Controlled Low-Strength Materials (CLSM) is suitable for mine backfilling because it does not require compaction owing to it high fluidity and can be installed quickly. Therefore, a CLSM utilizing $CO_2$-solidified Circulating Fluidzed Bed Combustion (CFBC) coal ash was developed and it's properties were investigated, since. $CO_2$-solidification of CFBC coal ash can inhibit exudation of heavy metals. The chemical composition and specific surface area of Pulverized coal Combustion fly ash and CFBC fly ash were analyzed. The water ratio, compressive strength and length change ratio of CLSM were confirmed. The water ratios differed with the specific surface area of the CLSM. It was confirmed that the porosity of CLSM affected its compressive strength and length change ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 폐광산의 지반침하, 토양오염 등의 문제를 방지하기 위해 CLSM 개발을 연구하였으며 환경적인 안정성을 위해 CFBC보일러에서 배출되는 석탄재를 탄산화 시켜 제조한 비산재(“CFBC-F” 라 명함)와 바닥재(“CFBC-B”라 명함)를 활용한 것과 PC석탄재(“PC-F” 라 명함)를 주재료로 사용한 것을 활용하여 제조한 CLSM의 물성평가를 실시하였다.
본 연구에서는 PC석탄재 및 CO₂고정화된 CFBC석탄재를 활용하여 채굴적 공간에 맞는 CLSM의 기초 물성을 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

, 2010). CFBC석탄재와 PC석탄재의 비표면적을 확인하기 위해 측정한 BET 분석을 실시하였다. 비표면적 분석결과 CFBC비산재의 비표면적이 29.
CFBC석탄재와 PC석탄재의 형상을 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM, JSM5410, JEOL, Japan)을 사용하여 확인하였으며, 화학적 성분을 분석하기 위해 X선 형광분석기(XRF, ZSX100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였다. 또한 비표면적을 확인하기 위해 BET분석기(TriStar3000, Micromeritics, Norcross, USA)를 이용하여 확인하였다.
XRD측정조건은 45 kV, 200 mA의 CuKα radiation(λ=1.54 )을 조사하여 5°/min의 scan speed로 10 ~ 60°의 범위를 측정하였다.
시험체 제작은 KS L 4151에 의거하여 40 * 40 *160 mm³ 몰드에서 7일 간 양생실에서 양생한 후 탈형과 동시에 20 ±3°C의 온도조건에서 기건 양생 및 밀봉 양생을 실시하였다. 길이변화율은 제작된 시험체를 KSF2424 기준에 의거하여 콘택트 스트레인게이지(293-252, Japan)를 통해 탈형 후 3, 7, 14, 21, 28일 기준으로 측정하여 건조수축변화 및 팽창성을 확인하였다. 압축강도는 압축강도 측정기(X2000, Montauban, France)를 사용하였으며, 제작된 시험체를 KS L ISO 679에 의거하여 재령 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다.
CFBC석탄재와 PC석탄재의 형상을 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM, JSM5410, JEOL, Japan)을 사용하여 확인하였으며, 화학적 성분을 분석하기 위해 X선 형광분석기(XRF, ZSX100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였다. 또한 비표면적을 확인하기 위해 BET분석기(TriStar3000, Micromeritics, Norcross, USA)를 이용하여 확인하였다. 한편 CO₂고정화 여부를 확인하기 위해서 X-Ray Diffraction (XRD, SmartLab, Rigaku, Japan)을 이용하였다.
시험체 제작은 KS L 4151에 의거하여 40 * 40 *160 mm3 몰드에서 7일 간 양생실에서 양생한 후 탈형과 동시에 20 ±3°C의 온도조건에서 기건 양생 및 밀봉 양생을 실시하였다.
길이변화율은 제작된 시험체를 KSF2424 기준에 의거하여 콘택트 스트레인게이지(293-252, Japan)를 통해 탈형 후 3, 7, 14, 21, 28일 기준으로 측정하여 건조수축변화 및 팽창성을 확인하였다. 압축강도는 압축강도 측정기(X2000, Montauban, France)를 사용하였으며, 제작된 시험체를 KS L ISO 679에 의거하여 재령 7일, 28일의 압축강도를 측정하였다.
54 )을 조사하여 5°/min의 scan speed로 10 ~ 60°의 범위를 측정하였다. 유동성을 확인하기 위해 ACI Committee229에서 규정하고 있는 방법으로 지름이 76 mm 높이가 152 mm인 원형 실린더 몰드를 사용하였으며, 몰드를 들어 올린 다음 30초 후 퍼진 지름의 4방향으로 측정한 후 평균을 구하여 유동성을 확인하였다. 시험체 제작은 KS L 4151에 의거하여 40 * 40 *160 mm³ 몰드에서 7일 간 양생실에서 양생한 후 탈형과 동시에 20 ±3°C의 온도조건에서 기건 양생 및 밀봉 양생을 실시하였다.
또한 비표면적을 확인하기 위해 BET분석기(TriStar3000, Micromeritics, Norcross, USA)를 이용하여 확인하였다. 한편 CO₂고정화 여부를 확인하기 위해서 X-Ray Diffraction (XRD, SmartLab, Rigaku, Japan)을 이용하였다. XRD측정조건은 45 kV, 200 mA의 CuKα radiation(λ=1.

대상 데이터

CFBC 비산재와 바닥재는 Y지역의 화력발전소에서 발생되는 것을 탄산화 시켜 사용하였으며, PC비산재는 A지역의 화력발전소에서 발생되는 것을 사용하였다. 시멘트의 수화반응을 통한 CLSM에 강도를 부여하기 위해 1종 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)를 사용하였으며, CLSM의 건조수축변화 안정성을 확보하기 위해 팽창제로 사용된 Calcium Sulfo-Aluminate(CSA)는 H사의 것을 사용하였다.
시멘트의 수화반응을 통한 CLSM에 강도를 부여하기 위해 1종 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)를 사용하였으며, CLSM의 건조수축변화 안정성을 확보하기 위해 팽창제로 사용된 Calcium Sulfo-Aluminate(CSA)는 H사의 것을 사용하였다. CLSM의 단위수량을 감소시키고 유동성을 증가시키기 위해 사용된 polycarbonate (PC계) 유동화제는 C사의 것을 사용하였다.
CFBC 비산재와 바닥재는 Y지역의 화력발전소에서 발생되는 것을 탄산화 시켜 사용하였으며, PC비산재는 A지역의 화력발전소에서 발생되는 것을 사용하였다. 시멘트의 수화반응을 통한 CLSM에 강도를 부여하기 위해 1종 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)를 사용하였으며, CLSM의 건조수축변화 안정성을 확보하기 위해 팽창제로 사용된 Calcium Sulfo-Aluminate(CSA)는 H사의 것을 사용하였다. CLSM의 단위수량을 감소시키고 유동성을 증가시키기 위해 사용된 polycarbonate (PC계) 유동화제는 C사의 것을 사용하였다.

이론/모형

CFBC-F와 CFBC-B는 가속탄산화 방법을 통하여 CO₂를 고정화 시켜 사용하였다. 각 시료의 혼합방법은 KS L ISO 670의 규정방법에 따라 모르타르 혼합기를 통해 1분 동안 혼합하여 CLSM을 제조하였다.

성능/효과

1. CFBC비산재, CFBC바닥재의 경우 PC-F와 비교하여 SiO₂와 Al₂O₃와 같은 주요광물의 함량이 상대적으로 낮은 편이나 CaO 및 SO₃ 함량이 높게 나타난 것을 확인하였다. 비표면적 분석결과 CFBC-F의 비표면 적이 29.
2. XRD 분석결과 CaO가 탄산화 과정을 거치면서 CaCO₃가 생성됨에 따라 CFBC석탄재에 CO₂고정화가 성공적으로 이루어진 것을 확인하였다.
3. F-1의 경우 주재료인 PC-F의 비표면적이 상대적으로 작음에 따라 물 비율이 감소하였으며, F-2~6의 경우 주재료인 CFBC-F의 비표면적이 상대적으로 크므로 물 비율이 증가되는 것을 확인하였다
4. 압축강도 측정결과 밀봉양생한 경우 수분이 증발하지 못하고 장기적으로 수화반응을 진행할 수 있는 충분한 수분이 남아 있기 때문에 기건양생 대비 압축강도가 증가하였다. F-1의 경우 F-2~6 대비 물 비율이 적어 압축강도가 상대적으로 높은 것을 확인하였으며, F-1~6 배합 모두 백호굴착이 가능한 압축강도 2.
5. 길이변화 측정결과 환경적인 조건 등의 영향으로 인해 기건양생한 경우 -0.05 ~ -0.50% 범위의 수축이 발생하였으나, 밀봉양생한 경우에서는 0.05 ~ 0.60%의 범위 내에서 팽창이 발생한 것을 확인하였다.
)등이 구성되어 있는 것을 확인하였다. CFBC 석탄재의 탄산화 전과 후의 시료를 비교하여 보면 탄산화 전에 있던 CaO성분이 가속탄산화 과정을 거치면서 탄산화 후에는 석탄재의 표면에 CaCO₃가 생성되는 XRD분석결과를 통해 확인할 수 있다. 따라서 이러한 결과는 내부에 불안정한 상태로 존재하는 중금속 용출을 억제할 수 있을 것으로 판단된다.
화학조성분석 결과는 Table 2에 나타내었다. CFBC비산재, CFBC바닥재의 경우 PC-F와 비교하여 SiO₂와 Al₂O₃와 같은 주요광물의 함량이 상대적으로 낮은 편이나 CaO 및 SO₃ 함량이 높게 나타났고, PC-F에는 존재하지 않는 Ig와 TiO₂ 함량이 존재하는 것을 확인하였다. 이러한 화학적 조성 함량을 가지는 이유는 일반적으로 탈황설비가 갖추어 진 PC연소방식과 달리 CFBC연소방식은 보일러 내부에서 탈황을 하기 위해 석회석을 투입하기 때문이며, 보통 투입되는 석회석의 양은 Ca/S 몰비 기준 2.
CFBC석탄재의 주요성분을 살펴보면 Lime(CaO), Periclase(MgO), Quartz(SiO₂), Anhydrite(CaSO₄)등이 구성되어 있는 것을 확인하였다. CFBC 석탄재의 탄산화 전과 후의 시료를 비교하여 보면 탄산화 전에 있던 CaO성분이 가속탄산화 과정을 거치면서 탄산화 후에는 석탄재의 표면에 CaCO₃가 생성되는 XRD분석결과를 통해 확인할 수 있다.
압축강도 측정결과 밀봉양생한 경우 수분이 증발하지 못하고 장기적으로 수화반응을 진행할 수 있는 충분한 수분이 남아 있기 때문에 기건양생 대비 압축강도가 증가하였다. F-1의 경우 F-2~6 대비 물 비율이 적어 압축강도가 상대적으로 높은 것을 확인하였으며, F-1~6 배합 모두 백호굴착이 가능한 압축강도 2.0 MPa 이상의 압축강도를 발현하는 것을 확인하였다
따라서 이러한 특성으로 인해 F-1~6의 배합 모두 CLSM의 목표 강도인 2.O MPa 이상의 압축강도가 발현되는 것을 확인하였다.
이러한 결과는 밀봉양생한 경우 수분이 증발하지 못하고 장기적으로 수화반응을 진행할 수 있는 수분이 충분히 남아 있기 때문에 기건양생 대비 압축강도가 증가한 것으로 판단된다. 각 배합별 압축강도를 비교한 결과 다른 배합 대비 F-1의 압축강도가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 F-1의 경우 물 비율이 상대적으로 적은 35%로 인해 경화 후CLSM의 공극률이 적고 이로 인해 수밀성이 향상되어 압축강도가 증가한 것으로 판단되어진다(Ishida etal.
지하공동구의 조건과 유사한 밀봉 양생한 조건에서는 환경적인 요인으로 인해 수분증발이 느려지고 팽창재의 CSA역할로 인해 팽창한 것을 확인할 수 있다. 따라서 14일 이전까지 팽창이 진행되었다가 수분증발이 어느 정도 진행되면서 14일 이후부터는 서서히 건조수축이 일어나는 것을 확인할 수 있다. CSA팽창 메커니즘은 CSA에 포함된 CaO 수화반응에 의해 수산화칼슘 결정이 생성되고 결정 성장이 팽창에 기여하며, 아우인(Hauyne)과 반응하여 알루미산석회수화물과의 고용체 형성에 의해 감소되며 이어서 생성된 참상결정(ettringite)에 의해 팽창이 발생한다고 보고되고 있다(Won et al.
이러한 결과는 F-1의 주재료인 PC-F의 경우 SEM측정을 통해 확인하였듯이 구형의 형상을 가지고 있으므로 채움재 내에서 볼-베어링 역할로 인해 유동성 향상에 기여한 것으로 볼 수 있다. 또한 비표면적 분석 결과에서도 확인할 수 있듯이 PC-F의 비표면적은 상대적으로 작은 4.12 m²/g이며, 이로 인해 물비율(W/R)이 감소한 것으로 판단된다. F-2의 경우 300±10 mm의 flow 얻기 위해 물비율(W/R)이 가장 많은 149%가 소요되었다.
CFBC비산재, CFBC바닥재의 경우 PC-F와 비교하여 SiO₂와 Al₂O₃와 같은 주요광물의 함량이 상대적으로 낮은 편이나 CaO 및 SO₃ 함량이 높게 나타난 것을 확인하였다. 비표면적 분석결과 CFBC-F의 비표면 적이 29.95 m²/g으로 가장 큰 것을 확인할 수 있었으며, CFBC바닥재의 경우 3.45 m²/g 이며, PC-F의 경우 4.12 m²/g으로 CFBC비산재 대비 상대적으로 비표면 적이 작은 것을 확인하였다.
CFBC석탄재와 PC석탄재의 비표면적을 확인하기 위해 측정한 BET 분석을 실시하였다. 비표면적 분석결과 CFBC비산재의 비표면적이 29.95m^₂/g로 가장 큰 것을 확인하였으며, CFBC바닥재의 경우 3.45 m²/g 이며, PC-F는 4.12 m²/g으로 CFBC비산재 대비 상대적으로 비표면적이 작은 것을 확인하였다.
1에 나타내었다. 순환유동층보일러의 석탄재인 비산재 및 바닥재의 경우 거친 부정형을 형상을 나타내고 있는 것을 확인하였다. 반면 PC석탄재인 PC-F의 경우 구형의 형상을 가지고 있는 것을 확인하였다.

후속연구

이러한 결과는 CFBC석탄재의 활용방안을 넓히고 각기 다른 지하공동·폐광산에 따라 CLSM을 설계 하는데 있어 기초 연구 자료로서 활용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적인 산업부산물의 종류는?	, 2010). 대표적인 산업부산물은 화력발전소에서 석탄연소 후 발생되는 석탄재(coal ash), 탈황공정에서 배연탈황 처리 후 발생되는 탈황석고, 제철산업에서 발생되는 고로슬래그(blast furnace slag), 제강슬래그(steel making slag) 등이 있다. 이중에서 화력발전소에서 발생되는 석탄재는 비산재(Fly ash)와 바닥재(Bottom ash)로 나누어지며 발생량의 70% 이상이 비산재로 알려져 있다(Lim et al.
	지하 공동이 존재하는 광산의 문제점은?	, 2015). 이러한 지하 공동의 존재는 광산의 지반침하로 인한 안전사고를 일으킬 우려가 있으며, 산성배수와 침출수에 의한 토양오염 등의 환경적인 문제를 발생 시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 폐광산의 지반침하, 토양오염 등의 문제를 방지하기 위해 CLSM 개발을 연구하였으며 환경적인 안정성을 위해 CFBC보일러에서 배출되는 석탄재를 탄산화 시켜 제조한 비산재(“CFBC-F” 라 명함)와 바닥재(“CFBC-B”라 명함)를 활용한 것과 PC석탄재(“PC-F” 라 명함)를 주재료로 사용한 것을 활용하여 제조한 CLSM의 물성평가를 실시하였다.
	CFBC보일러의 장점은?	, 2011). CFBC보일러의 경우 고체 입자를 유동화하여 연소하는 방식으로 저품위 석탄 등의 다양한 가연성 물질에 대해 광범위한 연소 사용이 가능하며 1,300 ~ 1,600°C 연소되는 PC보일러 대비 약 900°C의 낮은 연소로 질소산화물 생성을 억제할 수 있는 장점이 있어 청정 화력발전으로 인식되고 있으며 그 결과 전 세계에서 차지하는 비율이 점차 증가하는 추세이다(Jang et al., 2017).

참고문헌 (18)

ACI, 229R, 2005, Controlled low strength materials, American Concrete Institute, Farminington Hills, MI, USA.
Anthony, E. J., Granatstein, D. L., 2001, Sulfation phenomena in fluidzed bed combustion systems, Prog. Energy Combust. Sci., 27, 215-236.

상세보기
Han, W. J., Lee, J. S., Byun, Y. H., Cho, S. D., Kim, J. Y., 2016, Study on characteristics of controlled low strength material using time domain reflectometry, Journal of the Korean Geo-Environmental Society, 17, 33-37.
Ishida, T., Maekawa, K., Kishi, T., 2007, Enhanced modeling of moisture equilibrium and transport in cementitious materials under arbitrary temperature and relative humidity history, Cement and Concrete Research, 37, 565-578.

상세보기
Jang, J. G., Ji, S. W., Ahn, J. W., 2017, Utilization of circulating fluidzed bed combustion ash and related specifications for mine backfills, J. of Korea Inst. of Resources Recycling, 26, 71-79.

원문보기 상세보기
Jang, J. G., Lee, H. K., 2016, Effect of fly ash characteristics on delayed high-strength development of geopolymers, Construction and Building Materials, 102, 260-269.

상세보기
Kim, S. L., Park, J. H., 2015, Research and development trends for mine subsidence prevention technology in Korea, Tunel & Underground Space, 25, 408-416.

원문보기 상세보기
Kong, J. Y., Kang, H. N., Chun, B. S., 2010, Characteristics of unconfined compressive strength and flow in controlled low strength materials made with coal ash, J. of The Korean Geotech. Soc., 26, 75-83.
Lee, B. K., Kim, G. Y., Koo, K. M., Shin, K. S., 2014, Properties of compressive strength of mortar based on high-activated blast furnace slag using the Slag by-product as an activator, Journal of the Korea Institute of Building Construction, 14, 37-44.

원문보기 상세보기
Lee, N. K., Kim, H. K., Kim, J. S., 2011, Characteristics of co-combustion of anthracite with bituminous coal in a 200-MWe circulating fluidized bed boiler, Energy, 36, 5703-5709.

상세보기
Lim, S. Y., Choo, H. W., Lee, W. J., Lee, C. H., 2016, The characterization of Controlled Low Strength Material (CLSM) using high CaO fly ash without chemical alkaline activator, J. of the Korean Geo- Environmental Soc., 17, 17-26.
Lin, K. L., Wang, K. S., Lin, C. H., 2004, The hydration of pastes containing municipal solid waste incinerator fly ash slag, Journal of Hazardous Materials, 109, 173-181.

상세보기
Nam, S. Y., Seo, J. B., Thriveni, T., Ahn, J. W., 2012, Accelerated carbonation of municipal solid waste lncineration bottom ash for $CO_2$ sequestration, Geosyst. Eng., 15, 305-311.

상세보기
Ryu, G. S., Koh, K. T., Chung, Y. S., 2012, Analysis of mechanical properties and micro structure of fly ash based alkali-activated mortar, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, 21, 27-38.
Ryu, J. H., Jeon, H. K., 2008, A Study on development method for early-strength concrete, Proceedings of the Korea Concrete Institute, 20, 681-684.

원문보기 상세보기
Shun, D. W., Bae, D. H., Oh, C. S., Kim, H. C., 2010, Circulating fluidized bed combustion of Korean anthracite and fabricated anthracite fines, Applied Chemistry for Engineering, 21, 553-558.
Won, J. P., Lee, Y. S., 2001, Properties of controlled low-strength material containing bottom ash, Journal of the Korea Concrete Institute, 13, 294-300.
Yang, K. H., Seo, E. A., 2013, Evaluation of shrinkage strain of alkali-activated slag concrete, Journal of the Korea Concrete Institute, 25, 593-599.

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표제어: PCR

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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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