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문제 정의
- 본 연구에서는 삼척화력발전소에서 발생하는 석탄회의 화학적 특성을 감안하여 free-CaO와 CaSO4를 활용할 수 있는 CLSM를 개발하여 폐금속광산 갱도충전용 재료로의 활용성 확대를 목표로 연구하였다.
제안 방법
- 갱내 시료 잔류물은 갱도 내부의 벽체에 붙어있는 잔광, 갱내 바닥에 고여 있는 갱내 슬럿지를 여과한 갱내 잔류수와 여과후의 슬럿지로 구분하여 분석하였다. 분석은 Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer(ICPAES)로 분석하였으며, 대상 시료는 갱내 잔광의 경우 분쇄한 후 시료를 4분법 시료 채취 방법으로 시료를 채취하였다.
대상 데이터
- NFA를 기준으로 CLSM로서의 압축강도 및 경화특성 향상을 위하여 고로슬래그 및 탈황석고를 부재료로 사용하였다. 또한 장거리 충전을 위한 workability 향상을 위하여 물-결합재(W/B) 비율은 0.
- 기포의 사용비율은 부피비로 30%로 혼합하여 사용하였다. 기포가 혼합된 CLSM을 갱도 입구에서 약 400m 거리에 위치한 폐갱도를 대상으로 충전하였으며, 폐갱도의 크기는 2 m×2 m×40m 이었으며, 폐갱도 길이 20 m당 콘크리트 차수벽을 설치하였다. 20 m 간격으로 설치한 콘크리트 차수벽 상부로 기포 혼합 CLSM을 주입, 타설하였다.
- 대상 폐금속광산은 삼척시 가곡면에 위치한 제2연화광산(가곡광산)의 폐갱도를 대상으로 하였다. 제2연화광산은 아연광을 주로 채취하였던 광산으로, 현재에도 일부 채광을 하고 있는 광산으로서, 채광이 완료된 갱도를 대상으로 하였다.
- 삼척시 가곡면에 위치한 제2연화광산의 폐갱도를 대상으로 CLSM을 충전한 후 압축강도, 및 중금속 이온 고정화 실험을 진행하였다. 장거리 압송성을 고려하여 CLSM에 경량기포 콘크리트에 사용하는 기포를 혼합하여 사용하였다.
- 석탄회는 한국남부발전 삼척화력발전소에서 발생하는 석탄회(NFA)를 사용하였다. 사용한 석탄회의 화학분석 결과를[표 3], 각각의 석탄회에 함유되어 있는 free-CaO 함량의 분석결과를 [표 4]에 나타내었다.
- 석탄회의 고화를 위하여 고로슬래그(BFS)와 탈황석고(USG)를 사용하였다. 고로슬래그는 POSCO에서 발생하는 고로수쇄 슬래그를 분쇄한 것으로 사용하였으며, 고로슬래그와 탈황석고의 화학조성을 [표 5]에 나타내었다.
- 폐갱도 내부에 잔류된 잔류물의 시료를 채취하여 분석하였다. 시료 채취 장소는 개발 CLSM의 충전 대상 갱도 부근에 있는 시료를 채취하였으며, 갱도 내부에 남아있는 갱내수, 갱내 슬럿지, 잔광 등을 채취하여 분석하였다.
- 대상 폐금속광산은 삼척시 가곡면에 위치한 제2연화광산(가곡광산)의 폐갱도를 대상으로 하였다. 제2연화광산은 아연광을 주로 채취하였던 광산으로, 현재에도 일부 채광을 하고 있는 광산으로서, 채광이 완료된 갱도를 대상으로 하였다. 폐갱도 내부에 잔류된 잔류물의 시료를 채취하여 분석하였다.
이론/모형
- 갱내 시료 잔류물은 갱도 내부의 벽체에 붙어있는 잔광, 갱내 바닥에 고여 있는 갱내 슬럿지를 여과한 갱내 잔류수와 여과후의 슬럿지로 구분하여 분석하였다. 분석은 Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer(ICPAES)로 분석하였으며, 대상 시료는 갱내 잔광의 경우 분쇄한 후 시료를 4분법 시료 채취 방법으로 시료를 채취하였다. 잔광 시료는 시료 량을 0.
- 실험은 KSL ISO 679에 의하여 페이스트로 실험을 진행하였으며, 재령 3, 7, 28에서의 압축강도를 측정하였다.
성능/효과
- 1) 석탄회를 이용한 CLSM의 물성은 배합설계에 의해 달라질 수 있으며, 적절한 배합설계에 의해 다양한 특성을 발현시킬 수 있음을 확인하였다.
- 2) 제2연화광산(가곡광산) 광미를 대상으로 석탄회를 이용한 CLSM의 환경성 실험 결과, 광미 중에 함유되어 있는 중금속 이온의 제거율은 약 99% 이상으로서, 석탄회를 이용한 CLSM은 중금속 이온 고정화 효과가 우수한 것으로 나타났다.
- 3) 제2연화광산(가곡광산) 폐갱도 주입실험 결과, 기포 CLSM은 장거리 타설에서 압송능력이 우수하고, 충전성이 우수한 것으로 나타나, 폐갱도의 충전용 재료로 적합함을 확인하였다.
- 4) 압송성 및 주입성을 고려한 기포 CLSM의 물성은 비중, 압축강도 발현이 우수하며, 중금속 이온 고정화 효과가 우수한 것으로 나타나, 폐갱도 안정성 및 환경복원용으로 적당함을 확인하였다.
- 이는 CLSM 상부에 폐광 슬럿지가 위치한 것으로서 슬럿지에서 용출되는 중금속 이온이 개발된 CLSM을 통과하면서 CLSM에 흡착 또는 CLSM의 구성 성분과 반응하기 때문인 것으로 판단된다. C type은 개발 CLSM와 슬럿지를 혼합한 type으로서 B type보다 중금속 이온의 고정화 효과가 큰 것으로 나타났다. 따라서 개발 CLSM은 중금속 이온 고정화 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
- C type은 개발 CLSM와 슬럿지를 혼합한 type으로서 B type보다 중금속 이온의 고정화 효과가 큰 것으로 나타났다. 따라서 개발 CLSM은 중금속 이온 고정화 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
- [표 13]의 결과를 보면, 비중의 경우, 설계비 중보다 실측 비중이 약간 높게 나타났는데, 이는 압송과정에서 압송 호스 내벽의 마찰로 인하여 혼합된 기포가 부분적으로 소포되었기 때문인 것으로 판단된다. 압축강도 측정결과, 재령 28일에서 7.45 MPa, 7.91 MPa로 나타났으며, 이는 미국 ACI의 CLSM 기준 값인 8.3 MPa 이하로 규정한 값을 충분히 만족함을 알 수 있다.
후속연구
- 함량이 ASTM 및 KS 기준 보다 낮아 콘크리트용 시멘트 치환재료로 활용하기 위한 포졸한 반응 재료로는 적합하지 않다. 또한, free-CaO의 함량이 높아 콘크리트에 직접 사용할 경우 free-CaO의 수화에 의한 높은 수화열과 free-CaO의 수화에 의한 Ca(OH)2의 생성으로 경화 후 콘크리트에 균열을 야기할 수 있으며, CaSO4의 존재로 에트링자이트(ettringite) 생성에 의한 콘크리트의 팽창균열을 야기할 수 있기 때문에 삼척화력 발전소의 석탄회는 콘크리트 중의 시멘트 치환재료로의 활용 보다는 화학적 특성을 고려한 다른 용도로의 활용이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 삼척화력발전소 발생 석탄회는 free-CaO 함량이 높고, SiO2 및 Al2O3 함량이 ASTM 및 KS 기준 보다 낮아 콘크리트용 시멘트 치환재료로 활용하기 위한 포졸한 반응 재료로는 적합하지 않다. 또한, free-CaO의 함량이 높아 콘크리트에 직접 사용할 경우 free-CaO의 수화에 의한 높은 수화열과 free-CaO의 수화에 의한 Ca(OH)2의 생성으로 경화 후 콘크리트에 균열을 야기할 수 있으며, CaSO4의 존재로 에트링자이트(ettringite) 생성에 의한 콘크리트의 팽창균열을 야기할 수 있기 때문에 삼척화력 발전소의 석탄회는 콘크리트 중의 시멘트 치환재료로의 활용 보다는 화학적 특성을 고려한 다른 용도로의 활용이 바람직 할 것으로 판단된다.
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