[논문]산업부산물(바텀애시)의 콘크리트 재료로써 활용 방안 및 연구동향

이현기

doi:10.14190/mrcr.2019.14.3.039

[국내논문] 산업부산물(바텀애시)의 콘크리트 재료로써 활용 방안 및 연구동향
Research Trends and Applications of Industrial By-Product (Bottom Ash) for Concrete Materials 원문보기

Magazine of RCR = 한국건설순환자원학회지, v.14 no.3, 2019년, pp.39 - 43

이현기 ((주)브리콘랩)

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표/그림 (5)

표 [표 1] 발전설비 추이 (발전형식 및 연료원별) (단위 : MW)²⁾
그림 그림 1. 석탄회의 발생 공정 및 종류
그림 그림 2. 석탄회 발생량 및 재활용량³⁾
그림 그림 3. 건식공정 바텀애시 배출방식 개념도⁴⁾
그림 그림 4. 석탄회 매립지 (ash pond) [상: Duke Energy plant ash pond (미국), 하: 삼천포화력발전소 제1석탄회 매립지]⁵⁾

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문제 정의

현재 플라이애시는 시멘트 대체제 및 콘크리트 혼화재 등 건설재료로써 재활용이 활발히 이루어지고 있지만, 바텀애시는 그에 비해 발생량은 적으나 건설재료로의 재활용에 어려움이 있어 재활용의 범위가 제한적이고 재활용률 또한 낮은 편이다. 따라서, 본 고에서는 화력발전소에서 발생하는 바텀애시의 콘크리트 재료로써 활용방안 및 연구동향을 살펴보고자 한다.
최홍범 등은 염화물 함량이 낮은 건식공정 배출방식을 통한 바텀애시를 이용해 경량골재 연구를 수행하여 콘크리트 품질 특성을 평가하였다. 연구는 경량골재 콘크리트의 굳지않은 상태 및 경화상태에서의 다양한 특성을 실험적으로 검토함으로서 바텀애시 경량골재가 경량골재 콘크리트용 잔골재로서의 사용 가능성이 있는지의 여부를 평가하였다. 연구결과 건식 바텀애시 대체율 75%까지 슬럼프 저하가 크지 않게 나타났고, 공기량은 건식 바텀애시의 대체율에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

제안 방법

박승호는 바텀애시의 세립 분말 및 미연탄소 함량을 줄임으로써 재료 특성을 개선하였고 이를 잔골재로 사용하여 활용성을 평가하였다. 바텀애시를 잔골재로 사용할 경우 특별한 조치를 하지 않은 상태에서는 잔골재의 30 % 미만까지 대체하는 것이 가능하였고 바텀애시 30 % 이상 사용하기 위해서는 배합수나 화학혼화제를 추가 혼입하여 유동성을 확보함으로써 사용이 가능하였다.
정장희는 바텀애시를 골재로 이용하여 KS F 4419에 만족하는 보차도용 인터로킹 블록을 제조하여 천연골재의 부족을 대체하고자 하였다. 이를 위하여 5 mm이하의 바텀애시, 시멘트, 탈황석고를 사용하였고 유동화제를 첨가하여 가압성형 한 후 인장강도 및 흡수율을 측정하였다. 물-시멘트비가 일반 모래를 사용한 경우보다 바텀애시를 사용하였을 경우 약 2배 이상 높았으며 연구결과 KS F 4419에서 요구하는 규정을 만족하지 못하였으며, 바텀애시를 인터로킹 블록용 골재로 사용하기 위해서는 흡수율을 낮추기 위한 방안이 필요하다고 보고되고 있다.
조병완 외 2인은 석탄회(플라이애시와 바텀애시)를 안정적으로 재활용하기 위하여 알칼리 활성화된 석탄회 경화체 및 인공경량골재를 제조하였으며 알칼리 활성화 석탄회 인공경량골재의 콘크리트 적용을 위한 실험적 연구를 수행하였다. 따라서 알칼리 활성화된 석탄회 경화체의 최적 배합비, 알칼리 활성화 석탄회 경화체와 인공경량골재의 기본적 특성, 역학적 특성과 환경안전성, 알칼리 활성화 석탄회 인공경량골재를 사용한 콘크리트의 역학적 특성과 동결융해저항성을 파악하였다. 실험결과 알칼리 활성화 석탄회 인공경량골재를 제조하기 위한 경화체의 최적 배합비는 시멘트 10%, Water glass 15%, NaOH 10%, MnO₂ 였으며, 혼합물을 50℃ 항온습윤양생 24 hr 후 상온 공기중 양생을하여 7일 압축강도 36.
박승호는 또한 바텀애시를 분쇄하여 재료 특성을 개선함으로써 시멘트 대체 재료로 사용하였으며 성능개선 전후 바텀애시와 플라이애시를 혼입한 시험체에 대하여 물리・내구성능을 비교・검토하여 활용성을 평가하였다. 바텀애시를 분쇄하여 성능을 개선한 바텀애시에 대한 포졸란 반응 및 물리・내구 특성을 검토한 결과 바텀애시의 비표면적이 약 3,000 cm²/g이상으로 분쇄된 경우 플라이애시 사용한 경우와 유사한 성능을 발현하는 것을 확인함으로써 분쇄하여 성능 개선한 바텀애시가 시멘트 대체 재료로 사용하는 것이 가능함을 확인할 수 있었다.
044 mm 체)에 잔류하는 입자가 중량의 5 % 미만이 될 때까지 분쇄하여 포졸란 반응성을 개선하였다. 분쇄 전후의 바텀애시를 모르타르와 콘크리트로 배합하여 물리적 및 화학적 특성을 비교하였다. 시멘트 대체재로서 미분쇄 바텀애시 20~30%를 혼입한 모르타르의 압축 강도는 초기발현강도는 시멘트 모르타르보다 훨씬 낮았지만, 재령 60일 이후에는 시멘트 모르타르보다 압축강도가 더 높게 나타났다.

성능/효과

그러므로 화력발전의 유지 및 확대는 기후변화에 악영향을 미치고 국민 건강을 위협하는 요인이 된다. 기후변화 인자에 대한 관리 및 완화가 중요하고 미세먼지로 인한 사회/환경적 문제가 대두되고 있는 요즘의 현실에서 이산화탄소의 주요 배출원인 화력발전의 비중을 줄여나가며 지속적으로 관리할 필요가 있지만, 우리나라 발전현황 추이는 화력발전의 비중이 여전히 높은 것을 확인할 수 있다.
특히, 한국의 석탄화력발전 비중은 다른 나라들에 비해 높은 편이다. 주요 석탄 수출국인 호주와 제조업 강국인 독일을 제외하면 한국의 석탄화력발전 비중은 다른 선진국들에 비해 압도적으로 높은 것으로 나타났다. 참고로 2016년 세계적으로 석탄화력발전량이 가장 많은 국가는 중국 (4,242 TWh)이며 뒤를 미국 (1,354TWh), 인도 (1,105 TWh), 일본 (349TWh), 독일 (273TWh), 한국 (235TWh), 남아프리카 공화국 (226 TWh), 러시아 (171 TWh)와 호주 (163 TWh), 인도네시아 (135 TWh)가 따르고 있다.
박승호는 바텀애시의 세립 분말 및 미연탄소 함량을 줄임으로써 재료 특성을 개선하였고 이를 잔골재로 사용하여 활용성을 평가하였다. 바텀애시를 잔골재로 사용할 경우 특별한 조치를 하지 않은 상태에서는 잔골재의 30 % 미만까지 대체하는 것이 가능하였고 바텀애시 30 % 이상 사용하기 위해서는 배합수나 화학혼화제를 추가 혼입하여 유동성을 확보함으로써 사용이 가능하였다. 이 때 물-시멘트 비 45% 이하인 고내구성의 콘크리트 제조를 위해서는 바텀애시 혼입량이 30%로 한정되었다.
연구는 경량골재 콘크리트의 굳지않은 상태 및 경화상태에서의 다양한 특성을 실험적으로 검토함으로서 바텀애시 경량골재가 경량골재 콘크리트용 잔골재로서의 사용 가능성이 있는지의 여부를 평가하였다. 연구결과 건식 바텀애시 대체율 75%까지 슬럼프 저하가 크지 않게 나타났고, 공기량은 건식 바텀애시의 대체율에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 콘크리트의 블리딩량은 건식 바텀애시 대체율 75%이하에서는 0.
025 cm³/cm²미만으로 나타났으며, 콘크리트 경화 후 압축강도에서는 대체율 75 %까지 강도 저하율이 10 % 미만으로 나타났다. 잔골재를 건식 바텀애시로 100% 대체시 절건 단위질량은 8.9%의 감소를 보였고, 건식 바텀애시 잔골재 대체율이 증가할수록 건조수축이 감소하는 경향을 보였다. 콘크리트 탄성계수는 건식 바텀애시 잔골재 대체율 50 %까지는 저하를 보이지 않았지만, 대체율이 그 이상으로 증가시 탄성계수가 저하하였다.
콘크리트 탄성계수는 건식 바텀애시 잔골재 대체율 50 %까지는 저하를 보이지 않았지만, 대체율이 그 이상으로 증가시 탄성계수가 저하하였다. 이상의 결과로부터 건식 바텀애시는 잔골재로 사용 시 다른 잔골재와 혼합 사용할 경우 품질의 저하 없이 사용하는 것이 가능함을 알 수 있다.⁸⁾
따라서 알칼리 활성화된 석탄회 경화체의 최적 배합비, 알칼리 활성화 석탄회 경화체와 인공경량골재의 기본적 특성, 역학적 특성과 환경안전성, 알칼리 활성화 석탄회 인공경량골재를 사용한 콘크리트의 역학적 특성과 동결융해저항성을 파악하였다. 실험결과 알칼리 활성화 석탄회 인공경량골재를 제조하기 위한 경화체의 최적 배합비는 시멘트 10%, Water glass 15%, NaOH 10%, MnO₂ 였으며, 혼합물을 50℃ 항온습윤양생 24 hr 후 상온 공기중 양생을하여 7일 압축강도 36.4 MPa를 얻을 수 있었다. 제조된 골재의 폴리머 함침 결과 10% 파쇄강도를 150% 향상시킬 수 있었으며, 콘크리트용 굵은 골재로의 활용가능성을 파악할 수 있다.
4 MPa를 얻을 수 있었다. 제조된 골재의 폴리머 함침 결과 10% 파쇄강도를 150% 향상시킬 수 있었으며, 콘크리트용 굵은 골재로의 활용가능성을 파악할 수 있다.¹⁰⁾
박승호는 또한 바텀애시를 분쇄하여 재료 특성을 개선함으로써 시멘트 대체 재료로 사용하였으며 성능개선 전후 바텀애시와 플라이애시를 혼입한 시험체에 대하여 물리・내구성능을 비교・검토하여 활용성을 평가하였다. 바텀애시를 분쇄하여 성능을 개선한 바텀애시에 대한 포졸란 반응 및 물리・내구 특성을 검토한 결과 바텀애시의 비표면적이 약 3,000 cm²/g이상으로 분쇄된 경우 플라이애시 사용한 경우와 유사한 성능을 발현하는 것을 확인함으로써 분쇄하여 성능 개선한 바텀애시가 시멘트 대체 재료로 사용하는 것이 가능함을 확인할 수 있었다.⁷⁾
분쇄 전후의 바텀애시를 모르타르와 콘크리트로 배합하여 물리적 및 화학적 특성을 비교하였다. 시멘트 대체재로서 미분쇄 바텀애시 20~30%를 혼입한 모르타르의 압축 강도는 초기발현강도는 시멘트 모르타르보다 훨씬 낮았지만, 재령 60일 이후에는 시멘트 모르타르보다 압축강도가 더 높게 나타났다. 콘크리트 배합의 경우 각각 440 및 260kg/m³의 바텀애시 시멘트 치환한 경우, 재령 14일 및 60일 이후에 보통 콘크리트보다 압축강도가 더 높게 나타났다.
콘크리트 배합의 경우 각각 440 및 260kg/m³의 바텀애시 시멘트 치환한 경우, 재령 14일 및 60일 이후에 보통 콘크리트보다 압축강도가 더 높게 나타났다. 압축 강도 시험을 통해 확인한 결과, 미분쇄된 바텀애시는 우수한 포졸란 반응성을 가진 시멘트 대체재로 사용될 수 있다고 결론내었다.¹²⁾

후속연구

향후에는 탄소배출이 많은 시멘트를 아예 사용하지 않는 “시멘트 제로 콘크리트”를 개발할 예정이다.
세립 바텀애시를 제거하고 미연탄 함량을 감소시켜 성능을 개선한 바텀애시 잔골재를 사용한 경우 굳지 않은 콘크리트의 물성이 크게 개선되었고 물-결합재 비는 40% 이하로 낮아져 고내구성 콘크리트 제조가 가능하였다. 또한 레미콘으로 모의 부재를 제작 한 후 시험체를 채취하여 실내에서 제작된 경우와 비교・검토한 결과 현장에서 다소 성능이 저하하는 것을 확인하였으나 적절한 배합설계 및 현장 품질관리를 통해 고내구성 콘크리트의 제조 및 현장 적용이 가능할 것으로 판단된다.⁷⁾
강수태 외 3인은 화력발전소에서 나오는 석탄재(바텀애시)를 다량으로 활용하여 사용되는 시멘트(생산 시 다량의 이산화탄소 배출)의 양을 줄이고 20도 정도의 상온양생을 통해 20~30 MPa 정도의 강도를 가진 콘크리트(아파트 구조물에 사용 될 수 있는 콘크리트의 강도)를 생산하는 기술을 확보하였다. 연구진은 이번에 개발된 친환경 콘크리트가 조만간에 아파트와 같은 건물공사에도 활용 될 수 있게 할 예정이다. 향후에는 탄소배출이 많은 시멘트를 아예 사용하지 않는 “시멘트 제로 콘크리트”를 개발할 예정이다.
다만 아직까지 국내에서는 폐자원에 대한 신뢰성 및 인식이 낮아 바텀애시를 재활용하기 위해서는 활용타당성 검증 및 안전성 검증으로 폐자원에 대한 사회적 인식 개선이 선행되어야 할 것이다. 이러한 점을 감안하여 자원순환을 위하여 문제점을 보완한 적극적인 연구 및 제도적 뒷받침이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적극적인 연구 및 제도적 뒷받침이 필요한 이유는 무엇인가?	다만 아직까지 국내에서는 폐자원에 대한 신뢰성 및 인식이 낮아 바텀애시를 재활용하기 위해서는 활용타당성 검증 및안전성 검증으로 폐자원에 대한 사회적 인식 개선이 선행되어야 할 것이다. 이러한 점을 감안하여 자원순환을 위하여 문제점을 보완한 적극적인 연구 및 제도적 뒷받침이 필요할 것으로 판단된다.
	석탄회는 어떻게 구분되는가?	석탄회(Coal ash)는 화력발전소에서 사용하는 미분탄이 연소된 후 발생되는 산업부산물로, 석탄회가 포집되는 장소에 따라 크게 플라이애시(Fly ash), 바텀애시(Bottom ash)로 구분할 수 있다. 플라이애시는 석탄화력발전소에서 석탄 연소 후 발생되는 발전소 부산물로 집진기에서 포집되는 미분말 형태로서 그 화학적/물리적 특성상 알루미노 실리카 계역의 구형 입자 형태로 포졸란성(Pozzolan)을 지니고 있을 뿐만 아니라 여러 측면에서 시멘트 대체재로 우수한 특성을 지니고 있다.
	석탄회란 무엇인가?	석탄회(Coal ash)는 화력발전소에서 사용하는 미분탄이 연소된 후 발생되는 산업부산물로, 석탄회가 포집되는 장소에 따라 크게 플라이애시(Fly ash), 바텀애시(Bottom ash)로 구분할 수 있다. 플라이애시는 석탄화력발전소에서 석탄 연소 후 발생되는 발전소 부산물로 집진기에서 포집되는 미분말 형태로서 그 화학적/물리적 특성상 알루미노 실리카 계역의 구형 입자 형태로 포졸란성(Pozzolan)을 지니고 있을 뿐만 아니라 여러 측면에서 시멘트 대체재로 우수한 특성을 지니고 있다.

참고문헌 (12)

The World Bank (2018). Electricity production from coal sources (% of total). Retrieved from https://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.COAL.ZS
전력통계정보시스템, 발전설비 추이 (발전형식별). http://epsis.kpx.or.kr 에서 검색
한국동서발전 발전소별 석탄 재활용 정보 (2019). 공공데이터포털. www.data.go.kr 에서 검색
International Soild Waste Association (ISWA) (2015). Bottom Ash from WtE Plants Metal Recovery and Utilization
경남도민일보 (2013)."석탄회 재활용 방안 찾아야"
한국환경산업기술원 (2016). 건식공정 바텀애시를 이용한 친환경 저밀도 건설용 소재 개발. http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cnTRKO201700005468 에서 검색
박승호 (2018). 콘크리트용 잔골재 및 결합재로 활용하기 위한 바텀애시의 성능개선, 박사학위논문, 대진대학교 대학원
최홍범, 김진만 (2018). 건식 바텀애시 경량 잔골재와 소성 인공경량 굵은골재를 사용한 콘크리트의 기초 특성, 한국건설순환자원확회논문집, 6(4), 267-274
정장희 (2001). Bottom Ash를 골재로 이용한 보차도용 인터로킹 블록의 물성에 관한 연구, 석사학위논문, 중앙대학교 건설대학원
조병완, 방승국, 권병윤 (2004). 알칼리 활성화 석탄회(Fly ash, Bottom Ash) 인공경량골재 및 콘크리트 적용, 콘크리트학회 논문집, 16(6), 751-757

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강수태, 류금성, 고경택, 이장화 (2011). 바텀애쉬를 결합재로 사용한 알칼리 활성화 시멘트 모르타르의 최적배합에 관한 연구, 콘크리트학회 논문집, 23(4), 487-494

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Jaturapitakkul, C. and Cheerarot, R. (2003). Development of Bottom Ash as Pozzolanic Material, Journal of Materials in Civil Engineering, 15(1), 48-53. doi: 10.1061/(asce)0899-1561(2003)15:1(48)

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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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