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문제 정의
- 상기 기술한 바와 같이 다양한 분야에서 CFBC 플라이애시를 재활용하기 위한 연구가 진행됨은 산업폐기물매립에 따른 환경적·경제적 부담을 최소화 하고, 적합한 용도로 활용함에 따라 시멘트 사용량 절감 등에 따른 천연자원 사용량을 저감하기 위한 것으로, 본 연구도 같은 일환으로 화력발전설비가 증가추세에 있는 베트남지역의 CFBC 발전소에서 발생한 플라이애시를 지반고화재로 활용하고자 하였다.
제안 방법
- 50×50×50 mm 크기의 정육면체 몰드로 제작한 공시 체는 28일 간 양생 후 5% 농도의 H2SO4 용액에 침지시켜 내산성 시험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 5 및 Table 7에 표현하였다.
- 개량된 재료는 건조 상태에서 1차 비빔하여 균일하게 혼합한 후 물을 추가하여 슬러리 상태로 제조하였으며 물·바인더 비율(water/binder ratio)은 0.8로 고정하였다.
- 또한 개량된 연약 지반은 산성을 띄는 비나 침출수, 해수 등에 노출될 가능성도 있기 때문에 50×50×50 mm 크기로 별도 제작한 시험체를 28일간 양생하여 내산성 평가를 OPC 시험체와 비교하여 진행하였다.
- 사용재료 중 보통 포틀랜드 시멘트(OPC, Ordinary potland cement)의 경우 재활용 재료를 최대한 활용하기 위한 연구의 목적 상 10 wt%로 고정 사용하였으며,다른 재료들의 배합비는 고로슬래그 분말 30~60 wt%,무수석고 30~20 wt% 그리고 플라이애시 10~30 wt%로 조절하였으며 예비시험 결과를 참고하여 자체 고화 강도를 가지며 고로슬래그의 잠재수경성에 대한 자극효과를 낼 수 있는 무수석고와 고로슬래그 비율은 1:1,1:3 두 수준으로 진행하였다. 또한 국내 상용화 되어 있는 지반고화재의 사용량이 200~300 kg/m3인 것, 추후 현장시험시공 시 설계 목표 강도가 2 MPa인 것을 고려하여 고화재 사용비율은 200 kg/m3, 240kg/m3 두 조건으로 설정하였으며 전체 배합표는 Table 6과 같다.
- 상기 기술한 바와 같이 다양한 분야에서 CFBC 플라이애시를 재활용하기 위한 연구가 진행됨은 산업폐기물매립에 따른 환경적·경제적 부담을 최소화 하고, 적합한 용도로 활용함에 따라 시멘트 사용량 절감 등에 따른 천연자원 사용량을 저감하기 위한 것으로, 본 연구도 같은 일환으로 화력발전설비가 증가추세에 있는 베트남지역의 CFBC 발전소에서 발생한 플라이애시를 지반고화재로 활용하고자 하였다. 또한 천연자원으로 제조되는 시멘트사용량을 최소화하기 위해 또 다른 산업부산물인 고로슬래그를 활용하여 지반고화재로 사용하였을때의 특성을 분석하였다.
- 일반적인 콘크리트에서 골재의 사용량은 70% 수준으로 골재의 품질이 콘크리트 품질에 미치는 영향이 크듯,고화재의 경우 목표 설계강도에 따라 m3당 200~300kg 가량이 사용되기 때문에 토사의 특성에 따라 고화재를 사용하여 개량한 지반의 특성 또한 달라지게 마련이다. 본 연구에서는 추후에 이루어질 현장시공시험 계획을 고려하여 CFBC 플라이애시의 수급이 용이한 베트남 하노이 인근 지역의 연약지반을 시험 사이트로 결정한 후 그 지반의 토질을 조사하였으며 31개 지점의 시료를 채취하여 분석한 결과는 Table 4와 같다. 조사된 토사에 자갈은 존재하지 않았으며 평균 모래는 14.
- 사용재료 중 보통 포틀랜드 시멘트(OPC, Ordinary potland cement)의 경우 재활용 재료를 최대한 활용하기 위한 연구의 목적 상 10 wt%로 고정 사용하였으며,다른 재료들의 배합비는 고로슬래그 분말 30~60 wt%,무수석고 30~20 wt% 그리고 플라이애시 10~30 wt%로 조절하였으며 예비시험 결과를 참고하여 자체 고화 강도를 가지며 고로슬래그의 잠재수경성에 대한 자극효과를 낼 수 있는 무수석고와 고로슬래그 비율은 1:1,1:3 두 수준으로 진행하였다. 또한 국내 상용화 되어 있는 지반고화재의 사용량이 200~300 kg/m3인 것, 추후 현장시험시공 시 설계 목표 강도가 2 MPa인 것을 고려하여 고화재 사용비율은 200 kg/m3, 240kg/m3 두 조건으로 설정하였으며 전체 배합표는 Table 6과 같다.
- 이 후 수분의 증발을 막기 위해 각 몰드를 고분자 필름으로 밀봉하여 20±3oC 온도조건에서 양생을 실시하였으며 3, 7, 14, 28일 재령에서 탈형 후 압축강도 측정을 진행하였다.
- 제조된 고화제 슬러리는 함수율이 50%로 조절된 토사와 다시 혼합하여 직경 5 cm, 높이 10 cm의 원통형 플라스틱 몰드에 채워 공시체를 제작하였으며, 세 번에 걸쳐 나누어 채우면서 나무망치로 몰드를 두드려 기포를 제거하였다.
대상 데이터
- 고로슬래그(Ground granulated blast furnace slag,이하 GGBFS)는 시멘트·콘크리트 분야에서 폭넓게 활용되고 있는 산업부산물로서 본 실험에서는 국내 H사에서 발생한 3종 고로슬래그를 사용하였으며, 시멘트는 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 또한, 플라이애시는 상기 서술된 베트남 Cao Ngan지역의 CFBC 플라이애시를 사용하였으며, 토사의 경우 수분조건을 일정하게 유지하기 위해 건조기에서 110oC로 24시간 이상 건조한 뒤, 시험 직전 수분을 첨가 및혼합하여 함수비를 50%로 고정하여 사용하였으며 밀도는 플라이애시가 2.23, 토사는 1.63g/cm3로 측정되었다.
- 본 연구에서 사용한 플라이애시는 베트남 북부 Cao Ngan 지역의 CFBC 발전소에서 발생된 것이며, 재료의 특성상 공기 중 수분과 접촉하여 풍화될 가능성이 크기 때문에 시료는 배출 즉시 채취하여 밀봉하였다.
이론/모형
- 실험은 KS F 2328 ‘흙 시멘트의 압축강도 시험방법’에 준하여 공시체를 제작하고 압축 강도시험을 진행하였다14).
성능/효과
- 1) 베트남 CFBC 플라이애시는 부정형의 입형을 띠고 있으며, 주성분은 SiO2, CaO, SO3, Al2O3, 강열감량은 15.9%, 주 구성광물은 Quartz, Gypsum, Hematite,Graphite 등으로 분석되었다.
- 2) 실험에 사용된 현지 연약지반 분석결과, 모래와 세립토는 평균 14.27%, 85.73%, 액성한계는 34.90~88.40%, 소성한계는 18.00~51.80% 범위로, 고소성의 무기질 실트인 샘플이 가장 많은 것으로 나타났다.
- 3) 압축강도 시험결과 바인더로 사용된 무수석고와 고로슬래그 사용비율 1:1, 1:3 조건 중 1:3 비율이 강도 발현에 보다 효과적이었으며 고로슬래그의 사용량이 증가함에 따라 압축강도가 비례하여 증가하는 추세를 보였다.
- 4) 배합에 10~30% 사용된 플라이애시의 경우 사용량 증감에 따른 강도변화 추이가 크지 않았다. 이는 플라이애시의 성분분석 및 광물상 분석결과로 유추해 볼 때,20.
- 5) 고화재 사용량 200 kg/m3과 240 kg/m3 조건을 비교하여 볼 때, 200 kg/m3 조건 일부 배합에서 28일기준 강도 2 MPa를 달성하는 것이 가능하였지만, 안전율 및 플라이애시 사용량을 고려할 경우 고화재 사용량은 240 kg/m3, 바인더 배합비율은 고로슬래그 45, 석고 15, 플라이애시 30, 시멘트 10이 적합한 것으로 나타났다.
- 6) 고화재로서 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 시험체와 고로슬래그 및 플라이애시를 시멘트와 함께 사용한 시험체의 내황산염 비교시험결과 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 시험체는 침지 2주차부터 시험체의 붕괴가 시작되었으며, 4주차에서는 시험체의 본체와 탈락물을 구분하기 어려운 정도가 되었으나, 플라이애시를 사용한 배합의 시험체는 중량손실이 2주차 16.0%, 4주차 16.9%로 나타났지만 그 형태를 유지하고 있어 보통포틀랜드 시험체를 사용한 시험체보다 내산성이 뛰어난 것으로 확인되었다. 이는 석고가 주성분인 CFBC 플라이애시와 고로슬래그가 주성분인 시험체가 시멘트만을 사용한 시험체에 비해 수화물중 산과 쉽게 반응하는 수산화칼슘의 양이 적기 때문16)으로 판단된다.
- PCC 발전소에서 발생하는 플라이애시와 비교하기 위하여 국내 중부화력에서 발생되는 PCC 플라이애시와비교분석하였으며, 주사전자현미경(SEM, Scanning electron microscope)을 사용하여 관찰한 결과, 알려진 바와 같이 PCC 플라이애시는 구형에 가까운 입형을,CFBC 플라이애시는 부정형의 입형을 보였다. X-선 형광분석기(WD-XRF)와 ASTM C 114 (Standard test methods for chemical analysis of hydraulic cement)의 과염소산 적정 유리석회 측정법에 따라 화학조성과 유리석회를 분석11)한 결과는 Table 1과 같다.
- PCC 플라이애시는 SiO2와 Al2O3가 주성분으로 각 59.87,21.39 wt%, CFBC 플라이애시는 SiO2와 Al2O3는 32.19,14.93 wt%로 분석되었으며 CaO와 SO3가 주성분으로 각각 20.86, 16.67 wt%, 950±25 oC로 가열하여 강열감량이 15.87 wt%로 나타났다.
- 고로슬래그분말 사용량 증가에 따라 압축강도 발현 또한 증가하였으며, 플라이애시의 사용량은 감소할수록 압축강도 발현이 증가하였다. 강도발현 그래프의 추세에 따라 분석해보면 고화재 사용량이 200 kg/m3 일 경우와 240 kg/m3일 경우 모두 강도차이가 균등한 편에 속하여 플라이애시 사용량 보다 고로슬래그 사용량이 강도발현에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단되며, 고로슬래그의 잠재수경성발현 및 자체 강도발현을 목적으로 포함된 석고와 고로슬래그의 비율은 1:3 비율이 적합한 것으로 나타났다.
- 고로슬래그분말 사용량 증가에 따라 압축강도 발현 또한 증가하였으며, 플라이애시의 사용량은 감소할수록 압축강도 발현이 증가하였다. 강도발현 그래프의 추세에 따라 분석해보면 고화재 사용량이 200 kg/m3 일 경우와 240 kg/m3일 경우 모두 강도차이가 균등한 편에 속하여 플라이애시 사용량 보다 고로슬래그 사용량이 강도발현에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단되며, 고로슬래그의 잠재수경성발현 및 자체 강도발현을 목적으로 포함된 석고와 고로슬래그의 비율은 1:3 비율이 적합한 것으로 나타났다.
- 5정도의 안전율을 고려하였을 때, 9번 배합부터 28일 재령에서 3 MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 9번 배합의 플라이애시 사용비율이 10%로 낮은 점, 무수석고가 사용량이 많은 점(바인더 내 40%)을 감안하면, 배합표 상 10번에 해당하는 배합비율(고로슬래그 45, 석고 15, 플라이애시 30, 시멘트 10)이 연구의 목적인 CFBC플라이애시를 재활용하기에 보다 적합한 것으로 판단된다.
- 또한, 추후 진행될 현장시험시공에서 28일 기준 목표설계기준 강도가 2 MPa 정도인 것과 1.5정도의 안전율을 고려하였을 때, 9번 배합부터 28일 재령에서 3 MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 9번 배합의 플라이애시 사용비율이 10%로 낮은 점, 무수석고가 사용량이 많은 점(바인더 내 40%)을 감안하면, 배합표 상 10번에 해당하는 배합비율(고로슬래그 45, 석고 15, 플라이애시 30, 시멘트 10)이 연구의 목적인 CFBC플라이애시를 재활용하기에 보다 적합한 것으로 판단된다.
- Table 2에 KS에서 규정하고 있는 플라이애시의 등급별 기준과 연구에서 사용한 CFBC 플라이애시의 특성을 표기하였다. 본연구에 사용된 플라이애시의 경우 그 발생공정이 달라 대부분의 특성이 콘크리트 혼화재로 사용되는 PCC 플라이애시와는 다른 것으로 나타났다. 플라이애시의 강열감량은 보일러 운용 중 다 타지 않은 미연탄소로부터 발생하는데 탄소는 유분을 흡착하는 성질이 있어 콘크리트에 사용되는 혼화제의 기능을 저하시키기 때문에 그 함량을 제한하고 있지만, 본 연구에서는 플라이애시를 지반고화재로서 활용 하는 것이기 때문에 그 영향은 크지 않을 것으로 판단된다.
- 액성한계(Liquid limit)는 34.90~88.40%, 소성한계는 18.00~51.80% 범위에 있었으며, Table 3에 표기된 KS F 2324 ‘흙의 공학적 분류방법’에 사용된 통일분류법(USCS, Unified soil classification system)에 따라 구분한 결과13), 고소성 무기질 실트(MH)인 샘플이 15개로 가장 많은 것으로 나타났다.
- 이상의 결과 산업부산물인 CFBC 발전소 플라이애시와 고로슬래그를 지반고화재로 사용하여 적정수준의 강도를 확보하고 보통포틀랜드 시멘트를 활용한 시험체에 비해 높은 내산성을 확보하는 것이 가능하였다. 그러나CFBC 발전소 플라이애시의 강열감량이 15%로 미연탄소 함량이 높고, 분말도가 상용재료인 시멘트나 고로슬래그 미분말의 절반 이하인 것을 감안할 때 분리선별공정을 거쳐 플라이애시 내 미연탄소함량을 줄이고 분쇄공정을 통해 재료의 분말도를 향상시키면 지반고화재로서 활용에 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다
- 본 연구에서는 추후에 이루어질 현장시공시험 계획을 고려하여 CFBC 플라이애시의 수급이 용이한 베트남 하노이 인근 지역의 연약지반을 시험 사이트로 결정한 후 그 지반의 토질을 조사하였으며 31개 지점의 시료를 채취하여 분석한 결과는 Table 4와 같다. 조사된 토사에 자갈은 존재하지 않았으며 평균 모래는 14.27%,세립토는 85.73%로 분석되었다. 액성한계(Liquid limit)는 34.
- 2는 CFBC 플라이애시의 광물상을 분석하기 위한 XRD 측정결과이다. 주성분인 Quartz의 피크를 확인할 수 있었으며, 다른 주성분인 칼슘의 경우 칼슘산화물의 형태로 존재하기도 하지만 황성분과 함께 무수석고의 형태로 존재하는 것이 확인되었다
- 침지 2주 후 OPC 고화재를 사용한 고화체는 육안으로도 시험체의 파괴 및 붕괴를 확인할 수 있었으며, 붕괴가 일어난 시험체의 가장 큰 덩어리를 제외한 부분을 탈락물로 구분하였을 때 중량 손실률은 평균 33.2%로 나타났다. 플라이애시를 사용한 개발 고화재로 고화시킨 경우 표면의 탈락은 있었지만 붕괴는 일어나지 않아 중량손실률이 평균 16.
- 2%로 나타났다. 플라이애시를 사용한 개발 고화재로 고화시킨 경우 표면의 탈락은 있었지만 붕괴는 일어나지 않아 중량손실률이 평균 16.0%로 OPC 고화재를 사용한 경우의 중량손실률에 비해 절반 이하 수준으로 나타났다.
후속연구
- 이상의 결과 산업부산물인 CFBC 발전소 플라이애시와 고로슬래그를 지반고화재로 사용하여 적정수준의 강도를 확보하고 보통포틀랜드 시멘트를 활용한 시험체에 비해 높은 내산성을 확보하는 것이 가능하였다. 그러나CFBC 발전소 플라이애시의 강열감량이 15%로 미연탄소 함량이 높고, 분말도가 상용재료인 시멘트나 고로슬래그 미분말의 절반 이하인 것을 감안할 때 분리선별공정을 거쳐 플라이애시 내 미연탄소함량을 줄이고 분쇄공정을 통해 재료의 분말도를 향상시키면 지반고화재로서 활용에 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다
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