[논문]고속회전형 마쇄기술을 통한 순환골재 품질향상에 관한 연구

이기원; 여운호

doi:10.14190/jrcr.2019.7.4.341

고속회전형 마쇄기술을 통한 순환골재 품질향상에 관한 연구
A Study on the Quality Improvement of Recycled Coarse Aggregate by High Speed Rotating Grinder 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.4, 2019년, pp.341 - 348

이기원 (인천대학교 건설환경공학과) , 여운호 (인천대학교 환경에너지공학과)

초록
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본 연구에서는 기존 건설폐기물 파·분쇄 기술의 문제점을 분석하여 저품질 순환골재의 문제점을 진단하고 콘크리트용 순환골재의 고품질화 방안으로 새로운 회전형 마쇄기술을 개발하고자 하였으며, 회전형 마쇄기술의 해석 모델링을 통하여 해당 기술의 현장 적용전 모르타르 박리 유효성을 확인하고, 현장에 적용하여 생산된 순환골재의 품질특성을 확인하여 콘크리트용 순환굵은골재로의 적합성을 확인하는 것을 목적으로 한다. 모르타르 박리기술을 현장에 제작·설치하여 기술 투입전, 투입후 순환골재의 모르타르 부착량, 절대건조밀도 및 흡수율의 상관관계를 분석하였으며, 콘크리트용 순환굵은골재의 핵심 품질특성인 입도, 절대건조밀도 및 흡수율을 시험분석 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyzed the problems of existing construction waste shredding technology to diagnose the problems of low quality recycled aggregates and to develop a new mortar peeling technique to produce high-quality recycled coarse aggregate for concrete. The purpose of this study is to verify the effectiveness of mortar peeling technique by doing simulation prior to on-site application and to check the quality properties of recycled coarse aggregate produced by applying a mortar peeling technique. We manufactured and installed High speed Rotating Grinder on-site and analyzed the correlation between mortar adhesion amount, dry density and water absorption rate of recycled coarse aggregate.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Processing ratio change by processing method
그림 Fig. 2. Perspective plan of model
그림 Fig. 3. 3D Modelling
그림 Fig. 4. Two contiguous rigid bodies
그림 Fig. 5. Cell-linked list
그림 Fig. 6. Normal contact
그림 Fig. 8. Modelling a body of revolution
그림 Fig. 7. Tangential contact
그림 Fig. 9. Simulation model for multibody dynamics
그림 Fig. 10. Result of simulation
그림 Fig. 11. External drum
그림 Fig. 12. Inner driving body
그림 Fig. 13. Relation of density and mortar amount
그림 Fig. 14. Relation of absorption and mortar amount
그림 Fig. 15. Grading of input aggregate
그림 Fig. 16. Grading of output aggregate
표 Table 1. Comparison of grading for input and output
표 Table 2. Dry density and absorption rate of input and output
그림 Fig. 17. Dry density and absorption rate of input
그림 Fig. 18. Dry density and absorption rate of output

AI 본문요약
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문제 정의

이를 joint 로 연결하여 실제 회전이 가능한 모델링을 하였다. 강체동역학적 해석 방법으로 해석하였을 경 우, 순환골재와 같은 비중으로 모델링된 구모델의 이송에 대해 시각적으로 확인해 보았다. 구끼리는 서로 뭉쳐지기도 하고 흩어질 수도 있으므로 여기서는 서로 contact(접촉) 조건을 부여하지 않았고, 구는 회전체 모델에 contact 조건을 적용하였다.
강체동역학적 해석을 통해 실제 박리기에서 회전에 의한 타격력을 확인해 보았다. 크기 약 25mm 정도의 순환골재가 약 100g 수준으로 가정하였을 경우 실제 박리기의 회전속도를 변환해보면 26.
따라서 본 연구에서는 순환골재에 내부균열과 같은 골재의 손상을 최소화하면서 부착되어 있는 모르타르를 효과적으로 제거할 수 있는 고속회전형 마쇄기술을 개발하여 건설폐기물 중간처리현장에 적용하여, 해당 회전형 마쇄기술의 우수성과 생산된 콘크리트용 순환굵은골재의 품질특성을 시험을 통해 검토하였다.
본 연구에서는 기존 건설폐기물 파⋅분쇄 기술의 문제점을 분석하여 저품질 순환골재의 문제점을 진단하고 콘크리트용 순환골 재의 고품질화 방안으로 새로운 회전형 마쇄기술을 개발하고자 하였으며, 연구결과를 종합 정리하면 다음과 같다.
본 해석 모델링은 회전형 마쇄기의 내부 운동상태를 육안으로 확인할 수가 없으므로, Multibody Dynamics(다물체 동역학) 해석 기법을 적용하여 회전형 마쇄기 내부의 운동상태를 확인하고, 그 성능을 예측하는데 목적이 있다. 본 해석에 사용된 회전형 마쇄기의 3D Model은 다음과 같다.

제안 방법

2. 고품질의 콘크리트용 순환굵운골재를 생산하기 위하여 왕복 회전각 운동을 하는 드럼과 드럼 내부의 회전형 해머블레이드사이에서 순환골재에 부착된 모르타르를 제거하는 마 쇄기술을 개발하여, 해석 모델링을 실시하였다. 실시 결과 투입된 순환골재에 가해지는 충격량은 최초 4800N으로 확인되었으며, 이는 투입부터 배출까지 연속 마쇄 메카니즘을 고려하면 효과적인 모르타르 박리가 구현될 것으로 판단 된다.
강체동역학적 해석 방법으로 해석하였을 경 우, 순환골재와 같은 비중으로 모델링된 구모델의 이송에 대해 시각적으로 확인해 보았다. 구끼리는 서로 뭉쳐지기도 하고 흩어질 수도 있으므로 여기서는 서로 contact(접촉) 조건을 부여하지 않았고, 구는 회전체 모델에 contact 조건을 적용하였다. 해석 모델은 상하 Y 축방향을 기준으로 –1g(9.
본 기술은 상위 처리공정에서 40mm 이하로 파쇄된 순환골재를 드럼 내부로 투입하여 고속회전하는 해머블레이드와 드럼내부 라이너 사이에서의 마쇄작용을 유도하여, 순환골재의 표면에 부착된 모르타르를 효과적으로 제거하도록 고안되었다.
순환골재에 부착되어 있는 모르타르의 부착량과 골재의 절대건조밀도 및 흡수율의 상관관계를 확인하기 위해서 회전형 마쇄기 투입전/후 순환골재를 무작위로 샘플링하여 모르타르 부착량과 절대건조밀도 및 흡수율을 시험분석하였다. 모르타르 부착량 시험 은 KS F 2416(경화된 콘크리트의 시멘트 함유량 시험방법)을 준용하여 진행하였으며, 그 절차는 다음과 같다.
시뮬레이션을 통한 해석결과를 바탕으로 고속회전형 마쇄기를 제작하였으며 현장에 적용하여 콘크리트용 순환굵은골재를 기술투입 전⋅후로 샘플링을 실시하였다.
순환골재의 입도시험은 관련 인용규격인 KS F 2502 : 2014(굵 은 골재 및 잔골재의 체가름 시험방법)을 적용하여 시험하였다. 시험 진행은 회전형 마쇄기 통과전 시료와 통과후 시료에 대해서 진행하였으며 입도 개선 효과는 다음 Table 1과 Fig. 15, 16에서 보는 것처럼 회전형 마쇄기 투입 전 시료의 입도곡선은 기준치 경계선 밖으로 많이 벗어나 있지만 투입후 시료의 입도곡선은 기 준치 경계선 안쪽으로 들어와 콘크리트용 순환굵은골재(20mm)의 입도조건을 만족시켰다.
17r/s이다. 이를 joint 로 연결하여 실제 회전이 가능한 모델링을 하였다. 강체동역학적 해석 방법으로 해석하였을 경 우, 순환골재와 같은 비중으로 모델링된 구모델의 이송에 대해 시각적으로 확인해 보았다.

대상 데이터

모델링은 하나의 축으로 joint를 설정하여 위에서 계산된 r/min을 적용하였다. 본 해석은 RECURDYN V8R1을 사용하여 해석하였다

이론/모형

위의 식 (17)과 Cell-Linked List 알고리즘을 이용하여 입자들의 접촉 쌍을 검색하고 각각 접촉하고 있는 입자들의 δ를 이용해서 접촉력을 계산한다. 두 입자 간의 접촉력을 계산하기 위해서 Hertzian 접촉모델과 Voigt 접촉모델을 적용하였다. Fig.
수 많은 입자가 포함된 다물체 동역학에서는 접촉 검색을 하는 것이 많은 시간이 소요되기 때문에 이를 빨리 하는 것이 전체 해석 시간을 줄이는 데에 많은 도움이 된다. 따라서 입자들간의 접촉검 색을 빨리 하기 위해 Cell-Linked List를 적용하였다. Cell-Linked List는 전체 공간에 대해 작은 크기의 셀(cell)로 나눈다.
순환골재에 부착되어 있는 모르타르의 부착량과 골재의 절대건조밀도 및 흡수율의 상관관계를 확인하기 위해서 회전형 마쇄기 투입전/후 순환골재를 무작위로 샘플링하여 모르타르 부착량과 절대건조밀도 및 흡수율을 시험분석하였다. 모르타르 부착량 시험 은 KS F 2416(경화된 콘크리트의 시멘트 함유량 시험방법)을 준용하여 진행하였으며, 그 절차는 다음과 같다.
본 연구에서는 다물체 동역학 해석을 위해 순환 기구학적 방정식을 사용하였다. 3차원 공간에 접촉하고 있는 두 강체 사이의 좌표 시스템은 Fig.
순환골재의 입도시험은 관련 인용규격인 KS F 2502 : 2014(굵 은 골재 및 잔골재의 체가름 시험방법)을 적용하여 시험하였다. 시험 진행은 회전형 마쇄기 통과전 시료와 통과후 시료에 대해서 진행하였으며 입도 개선 효과는 다음 Table 1과 Fig.
순환골재의 절건밀도 및 흡수율 시험은 관련 인용 규격인 KS F 2503 : 2014(굵은골재의 밀도 및 흡수율 시험방법)을 적용하여 시험하였다. 시험결과는 Table 2와 Fig.

성능/효과

1. 일선의 건설폐기물 파쇄 설비로는 1차 죠크러셔, 2차 더블죠 크러셔, 3차 콘크러셔 혹은 임팩트 크러셔를 사용하고 있는 것으로 조사되어, 압축 및 충격 방식에 의한 골재의 단순 파쇄 기술을 사용하고 있는 것으로 확인되었으며 순환골재의 부착 모르타르가 제거되지 않아 콘크리트용 순환골재의 품질기준을 만족시키지 못하고 있다
3. 순환굵은골재의 부착 모르타르량을 시험한 결과, 박리기 통과전 순환골재의 모르타르 부착율이 평균 17.4%에서 통과후 평균 4.8%로 감소하였으며, 그에 따른 흡수율 또한 4.93%에 서 2.76%로 감소하였다. 이는 KSF 2573에서 규정하고 있는 흡수율 3.
4. 회전형 마쇄기 투입 전 시료의 입도곡선은 기준치 경계선 밖으로 많이 벗어나 있지만 투입후 시료의 입도곡선은 기준치 경계선 안쪽으로 들어와 콘크리트용 순환굵은골재 (20mm)의 입도조건을 만족시켰다. 절대건조밀도는 투입전 평균 2.
순환골재의 절건밀도 및 흡수율 시험은 관련 인용 규격인 KS F 2503 : 2014(굵은골재의 밀도 및 흡수율 시험방법)을 적용하여 시험하였다. 시험결과는 Table 2와 Fig. 17, 18에서 보는 것처럼 절대건조밀도는 투입전 평균 2.29g/cm³ 에서 2.52g/cm³로 증가되었으며, 흡수율은 5.65%에서 2.73%로 감소되었다. 이는 회전형 마쇄기를 통한 부착모르타르의 제거를 통해 순환골재의 절대건조 밀도 및 흡수율이 투입전 대비 개선되어 콘크리트용 순환굵은골재의 기준치를 만족한 것으로 판단된다.
고품질의 콘크리트용 순환굵운골재를 생산하기 위하여 왕복 회전각 운동을 하는 드럼과 드럼 내부의 회전형 해머블레이드사이에서 순환골재에 부착된 모르타르를 제거하는 마 쇄기술을 개발하여, 해석 모델링을 실시하였다. 실시 결과 투입된 순환골재에 가해지는 충격량은 최초 4800N으로 확인되었으며, 이는 투입부터 배출까지 연속 마쇄 메카니즘을 고려하면 효과적인 모르타르 박리가 구현될 것으로 판단 된다.
76%로 감소하였다. 이는 KSF 2573에서 규정하고 있는 흡수율 3.0% 기준치를 만족시켰으며, 평균 5% 내외의 박리 효율을 유지한다면 콘크리트용 순환굵은골재에서 중요한 물성 인자인 흡수율을 기준치 이내로 만족시킬 수 있을 것이다.
시험결과는 Table 2와 Fig. 17, 18에서 보는 것처럼 절대건조밀도는 투입전 평균 2.29g/cm³ 에서 2.52g/cm³로 증가되었으며, 흡수율은 5.65%에서 2.73%로 감소되었다. 이는 회전형 마쇄기를 통한 부착모르타르의 제거를 통해 순환골재의 절대건조 밀도 및 흡수율이 투입전 대비 개선되어 콘크리트용 순환굵은골재의 기준치를 만족한 것으로 판단된다.
콘크리트 혼합에 사용될 순환굵은골재의 부착 모르타르량을 시험한 결과, 박리기 통과전 순환골재의 모르타르 부착율이 평균 17.4%에서 통과후 평균 4.8%로 감소하였으며, 그에 따른 흡수율 또한 4.93%에서 2.76%로 감소하였다. 효율적인 모르타르 박리로 KS F 2573에서 규정하고 있는 흡수율 3.
76%로 감소하였다. 효율적인 모르타르 박리로 KS F 2573에서 규정하고 있는 흡수율 3.0% 이하의 물성을 만족시 켰으며, 평균 5% 내외의 박리효율을 유지한다면 콘크리트용 순환 굵은골재에서 중요한 물성 인자인 흡수율을 기준치 이내로 만족시 킬 수 있을 것이다. 그 결과는 다음 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	순환골재란 무엇인가?	순환골재는 건축물의 해체 등 건설공사에서 발생되는 폐콘크리트의 파⋅분쇄과정과 분리⋅선별과정 등을 통하여 건설공사에 사용할 수 있는 일정 품질 이상의 골재로 재생산한 것을 의미한다.
	콘크리트용 순환골재 생산방식의 문제점은 무엇인가?	특히 콘크리트용 순환골재를 생산하기 위해서는 파분쇄되고 이물질이 선별된 골재의 모르타르를 제거하여 흡수율을 낮추고 밀도를 증가시키기 위해 4차 이상의 파⋅분쇄과정을 통해 골재에 부착된 모르타르를 박리한다. 하지만 순환골재는 충격 및 타격식의 생산 방식 때문에 순환골재 표면으로부터 부착 모르타르를 완전히 제거하기란 매우 어려울 뿐만 아니라 충력으로 인해 골재 표면과 내부에 미세균열이 발생될 수 있다. 이러한 내부균열은 골재의 내구성 저하 및 흡수율 증가라는 결과를 초래할 수 있다. 이러한 순환골재의 특성이 순환콘크리트에 영향을 미쳐 천연골재를 사용한 콘크리 트보다 단기적/장기적 품질 및 내구성능이 저하될 수 있다(Choi et al.

참고문헌 (7)

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Cho, H.D., Jaung, J.D., Lee, D.H., Jun, M.H. (2004). The experimental study regarding the affix mortar quantity measurement of the recycled fine aggregate, Journal of the Korea Concrete Institute, 16(2), 189-192 [in Korean].
Jaung, J.D., Lee, D.H. (2008). A study for improvement of the testing method for quality control of recycled aggregate, Journal of the Korea Institute of Building Construction, 8(42), 105-114 [in Korean].

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Kim, S.H., Jeon, C.S., Lee, S.H. (2018). An experimental study on the estimation of compressive strength and the physical properties of recycled aggregate concrete of fixed slump, Journal of Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(2), 51-58 [in Korean].
KS F 2573 (2014). Recycled Aggregates for Concrete.
Lee, D.H., Jun, M.H., Bae, K.S. (2011). Correlation between density and absorption of domestic recycled aggregate, Proceeding of the Korea Recycled Construction Resource Institute, 11(1), 95-96 [in Korean].
Ministry of Land, Infrastructure and Transport. (2017). Recycled aggregate quality standard, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017-1711.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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