[논문]석탄가스화발전 용융슬래그의 치환율 변화에 따른 빈배합 모르타르의 특성 분석

박경택; 한민철; 현승용

doi:10.5345/jkibc.2019.19.5.391

[국내논문] 석탄가스화발전 용융슬래그의 치환율 변화에 따른 빈배합 모르타르의 특성 분석
Properties of Lean Mixed Mortar with Various Replacement Ratio of Coal Gasification Slag 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.5, 2019년, pp.391 - 399

박경택 (Department of Architectural Engineering, Cheong ju University) , 한민철 (Department of Architectural Engineering, Cheong ju University) , 현승용 (Department of Architectural Engineering, Cheong ju University)

초록
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본 연구는 국내에 새롭게 도입하고자 시운전중인 석탄가스화복합발전(IGCC)에서 발생하는 석탄가스화 용융슬래그(CGS)를 국내의 부족한 골재자원으로 재활용 가능성을 검토하였다. 즉, 부족한 골재자원확보를 위해 IGCC에서 발생하는 CGS를 빈배합 모르타르인 콘크리트 2차제품용 잔골재로 활용하고자 국내 건설산업에서 가장 많이 사용되고 있는 석산의 부순 잔골재로 양호한 품질의 CSa 및 굵은 입자로 표준입도를 벗어난 CSb와 해사인 SS를 혼합한 혼합잔골재에 CGS를 0~100 % 범위에서 치환하는 것을 검토하였다. 연구결과, CSa 혹은 CSb+SS에 CGS를 25~50% 정도 치환할 경우 골재의 입도측면 및 시멘트 모르타르의 유동성 및 압축강도 측면에서 양호한 결과가 얻어져 활용가능함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study reviewed the possibility of recycling into exhausted aggregate resources in Korea as a means of utilizing coal gasification slag(CGS) from integrated gasification combined cycle(IGCC) while being commissioned in order to introduce the new system to Korea. In other words, in order to solve the problem of insufficient aggregate resources, CGS generated by IGCC as a residual aggregate for concrete secondary products, which is an empty mortar, was considered to replace CGS in the range of 0 to 100 % for mixed residual aggregate mixed with crushed sand A(CSa) of good quality and sea sand(SS) of deep particles, which are the most commonly used in the domestic construction industry. According to the study, replacing CGS with CSa or crushed sand B(CSb)+SS by 25 % to 50 % resulted in good results in the aspect of the granularity of the aggregate and the workability and compressive strength of cement mortar, which were found to be usable.

주제어

표/그림 (26)

그림 Figure 1. Integrated gasification combined cycle(IGCC)
그림 Figure 2. Process of occurrence of CGS
표 Table 1. Physical properties of CGS
표 Table 2. Chemical properties of CGS
표 Table 3. Hazardous substance properties of CGS
표 Table 4. Chemical properties of CGS
표 Table 5. Experimental plan
표 Table 6. Mixture proportions of mortar
표 Table 7. Physical properties of cement
그림 Figure 3. High-resolution microscope of CGS
그림 Figure 4. Grading curve depending on different types of fine aggregate
그림 Figure 5. Grading curve depending on different types of mixed aggregate(CSb+SS)
표 Table 8. Physical properties of fine aggregate
표 Table 9. Physical properties of mixed fine aggregate(CSb+SS)
표 Table 10. Physical properties of mixed fine aggregate(CGS)
그림 Figure 6. Grading curve depending on different types of mixed aggregate(CSa+CGS)
그림 Figure 7. Grading curve depending on different types of mixed aggregate(CSb+SS+CGS)
그림 Figure 8. Flow with fine aggregate type and CGS replacement
표 Table 11. Result of experiment
그림 Figure 9. Air contents with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 10. Compressive strength with fine aggregate type and age(CGS replacement 0~100 %)
그림 Figure 11. Compressive strength with fine aggregate type and CGS replacement(3~28 days)
그림 Figure 12. Compressive strength generation rate with fine aggregate type and CGS replacement
그림 Figure 13. Correlation between compressive strength CSa+CGS and compressive strength with CSb+SS+CGS
그림 Figure 14. SEM of CGS concrete
표 Table 12. Analysis of quality change rate

AI 본문요약
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문제 정의

한편, 현재 국내 건설 산업은 천연골재 고갈, 해사 채취 금지 등으로 골재자원 부족현상이 문제시되고 있는데, 특히 굵은 골재보다 잔골재의 부족현상이 더욱 심각한 실정이 다. 그러므로 본 연구에서는 CGS의 품질이 확인되지 않은 상태이므로 비교적 낮은 강도의 품질을 요구하는 콘크리트 벽돌, 블록, 보강토옹벽 등 콘크리트 2차제품에 우선적으로 적용 가능성을 확인하고자 한다. 즉, 부족한 잔골재 자원확보 방안으로 콘크리트 2차 제품 생산업체에서 사용하는 단일골재 및 혼합골재에 IGCC에서 발생하는 CGS를 일정비율 치환하여 잔골재로 활용할 수 있는지에 대하여 모르타르 상태에서의 가능성을 검토하고자 한다.
그러므로 본 연구에서는 CGS의 품질이 확인되지 않은 상태이므로 비교적 낮은 강도의 품질을 요구하는 콘크리트 벽돌, 블록, 보강토옹벽 등 콘크리트 2차제품에 우선적으로 적용 가능성을 확인하고자 한다. 즉, 부족한 잔골재 자원확보 방안으로 콘크리트 2차 제품 생산업체에서 사용하는 단일골재 및 혼합골재에 IGCC에서 발생하는 CGS를 일정비율 치환하여 잔골재로 활용할 수 있는지에 대하여 모르타르 상태에서의 가능성을 검토하고자 한다.

제안 방법

본 연구는 국내에 새로운 발전방식을 도입하고자 시운전 중인 IGCC에서 발생하는 CGS의 처리 및 활용방안으로써 빈배합 모르타르인 콘크리트 2차제품용 잔골재로써의 가 능성을 분석하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
실험계획에서 서술한 바와 같이 각 골재에 대한 CGS의 치환율은 0, 25, 50, 75, 100 %로 하였다. Table 10은 CGS 치환율 변화에 따른 잔골재의 물리적 성질을 나타낸 것이고, Figure 6 및 7은 혼합되는 비율에 따른 입도분포 를 나타낸 것이다.
실험사항으로 굳지않은 모르타르에서는 플로, 공기량, 경화 모르타르에서는 3, 7, 28일의 압축강도 측정 및SEM 촬영하는 것으로 하였다.
5 %로 배합설계하여 모든 실험변수에 이를 동일하게 적용하였다. 이때 결합재는 OPC만을 사용 하는 것에, 골재 변수로는 양호한 품질의 석산A(CSa), 불 량 입도의 석산B(CSb)와 해사(SS)를 5 : 5비율로 혼합한 혼합골재 2수준에 대하여 CGS의 치환율을 0, 25, 50, 75, 100 %의 5수준으로 총 10배치를 실험계획하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 재료로써, 먼저 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)를 사용하였고, 잔골재로는 KS F 2527 콘크리트용 골재 규격에 만족하는 골재(이하 CSa), 모든 품질 항목은 KS 표준에 만족하나 입도분포 만큼은 표준입도 범위를 벗 어난 골재(이하 CSb), 입자가 너무 가늘어서 표준입도범위 를 벗어난 해사(이하 SS) 모두는 국내산을 사용하였다. CGS의 경우는 T화력발전소에 있는 IGCC의 가스화기내에 서 원료가 녹아 벽면을 타고 흘러내려 하부에 있는 물에서 수냉되어 발생한 시료를 채취하여 사용하였다. 각 각의 물 리·화학적 성질은 Table 1, 2, 7 및 8과 같다.
본 연구에 사용한 재료로써, 먼저 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)를 사용하였고, 잔골재로는 KS F 2527 콘크리트용 골재 규격에 만족하는 골재(이하 CSa), 모든 품질 항목은 KS 표준에 만족하나 입도분포 만큼은 표준입도 범위를 벗 어난 골재(이하 CSb), 입자가 너무 가늘어서 표준입도범위 를 벗어난 해사(이하 SS) 모두는 국내산을 사용하였다. CGS의 경우는 T화력발전소에 있는 IGCC의 가스화기내에 서 원료가 녹아 벽면을 타고 흘러내려 하부에 있는 물에서 수냉되어 발생한 시료를 채취하여 사용하였다.

이론/모형

본 연구의 실험방법으로 먼저 모르타르의 혼합은 KS L 5109에 의거하여 진행하였다. 굳지않은 모르타르의 특성 실험으로 플로는 KS L 5111, 공기량은 KS F 2421에의거 하여 실험하였으며, 경화 모르타르의 실험으로 재령별 압 축강도는 KS F 2326에 의거하여 측정하였다.
본 연구의 실험방법으로 먼저 모르타르의 혼합은 KS L 5109에 의거하여 진행하였다. 굳지않은 모르타르의 특성 실험으로 플로는 KS L 5111, 공기량은 KS F 2421에의거 하여 실험하였으며, 경화 모르타르의 실험으로 재령별 압 축강도는 KS F 2326에 의거하여 측정하였다.

성능/효과

1) 골재의 입도분포 측면에서는 굵은 입자가 많아 표준입 도를 벗어난 CSb와 가는 입자가 많아 표준입도를 벗 어난 SS를 5:5의 비율로 혼합하면 표준입도범위를 만족하는 것을 알 수 있었다. 또한, 양호한 입도의 CSa와 CSb : SS를 5 : 5로 혼합한 혼합잔골재에 CGS를 50 % 전후 치환할 때 표준입도범위의 중앙에 안정적으로 분포함을 알 수 있었다.
2) 모르타르 실험 중 플로는 CGS의 치환율이 증가할 경우 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히, CSb+SS 배합의 경우는 CSa보다 비교적 크게 증가 하는 것을 확인하였다.
3) 공기량은 CGS 치환율 증가에 따라 CGS에 포함되어 있는 미연소탄분에 의한 AE제 흡착작용에 기인하여 감소하는 것으로 나타났는데, 콘크리트 2차제품 생산 현장에 적용할 때에는 AE제량 증가 등 공기량 감소에 대한 대책에 충분한 고려가 필요할 것으로 사료된다
4) 압축강도는 CSa 배합의 경우 CGS를 25% 정도 치환 할 때 증가하였고, CSb+SS 배합의 경우에는 50 % 정도 치환할 때 압축강도가 증가하는 것으로 나타났 다. 단, 75∼100%치환 할 경우는 약간 저하하는 경향 이지만 전반적으로 큰 문제는 없는 것으로 사료된다.
Figure 8은 잔골재의 종류별 CGS 치환율 변화에 따른 플로치를 나타낸 것이다. CSa 배합에서는 CGS 치환율변 화에 따라 모든 배합이 목표 범위를 만족하며 CGS 치환율 이 증가할수록 플로값이 증가하는 것으로 나타났다. CSb+SS 배합에서는 CGS 치환율 0, 25 %의 경우 목표 범위보다 작은 값으로 나타났으나, CGS 치환율이 증가함 에 따라 비례적으로 유동성이 증가하여 목표범위를 만족하 는 것으로 나타났다.
Table 12는 CGS를 치환하지 않은 배합을 100 %로 하여 골재 종류별 및 CGS 치환율 변화에 따른 품질 변화율을 종합적으로 분석하여 나타낸 것이다. CSa 배합의 경우에 는 CGS를 25 % 정도 치환하여 사용할 때 전반적인 품질이 향상되는 것으로 나타났고, CSb+SS 배합의 경우에는 CGS를 50 % 정도 치환하여 사용할 때 전반적인 품질이 양호한 것으로 밝혀졌다.
Figure 9는 잔골재의 종류별 CGS 치환율 변화에 따른 공기량을 나타낸 것이다. CSa와 CSb+SS 배합 모두 비슷 한 경향으로 나타났는데, CGS 치환율이 증가함에 따라 공 기량도 감소하는 것이 확인되었다. 이는 CGS 치환율 증가에 따라 골재의 입도가 조정되어 공극충전효과에 기인한 것으로 갇힌 공기가 감소하여 공기량이 감소된 것으로 판단 된다.
즉, CGS 치환율 0 %인 배합의 압축강도를 100 %로 하였을 때 CGS 치환율 변화에 따른 압축강도의 비를 나타낸 것이다. 그 결과 CGS 를 25∼50 %정도 치환할 경우 모든 배합에서 약간 증가하 거나 혹은 비슷한 수준의 압축강도를 발휘하는 것으로 나타 났다. 특히, CSb+SS에 CGS를 치환한 경우에는 재령 3일 을 제외하고는 큰 문제가 없는 것으로 나타났다.
이는 현 재 실무에서 많이 사용하고 있는 석산과 해사를 혼합하여 사용하는 배합과 CGS 치환한 배합이 비슷한 수준의 압축 강도를 발휘하는 것을 의미한다. 따라서 CGS를 콘크리트 2차제품용 잔골재로 활용할 때 CSa 배합에서는 CGS 치환 율 25 %, CSb+SS에서는 50 %에서 가장 큰 압축강도를 발휘하는 것이 확인되었다.
1) 골재의 입도분포 측면에서는 굵은 입자가 많아 표준입 도를 벗어난 CSb와 가는 입자가 많아 표준입도를 벗 어난 SS를 5:5의 비율로 혼합하면 표준입도범위를 만족하는 것을 알 수 있었다. 또한, 양호한 입도의 CSa와 CSb : SS를 5 : 5로 혼합한 혼합잔골재에 CGS를 50 % 전후 치환할 때 표준입도범위의 중앙에 안정적으로 분포함을 알 수 있었다.
본 논문의 결과, CGS의 치환율 50 %까지 압축강도가 양호하게 발휘되는 것으로 나타났다. 단, 일본 연구의 경우 에는 CGS의 치환율이 증가함에 따라 비례적으로 증가하는 것으로 나타나고 있는데, 이는 CGS의 포졸란반응에 기인 한 것으로 분석하고 있다.
본 논문의 결과는 CGS의 치환율이 증가함에 따라 유동 성도 증가하는 경향을 나타내었는데, 일본 연구에서도 본 논문과 동일하게 CGS의 구형 입자가 유동성을 증진 시킨 것으로 나타났다. 공기량은 CGS의 치환율이 증가함에 따 라 공기량이 감소하는 것으로 나타났는데, 일본 연구와 유 사한 결과로 이는 미연탄분에 의한 AE제 흡착작용에 기인 하여 저하한 것으로 분석하고 있다.
또한, CSa 배합의 경우는 CSb+SS 배합보다 재령의 초반부인 3∼7일간보다 후반부인 7∼28일 사이에 서 압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 골재 의 입자분포특성으로 빈배합의 경우는 조립률이 크고, 0.3 mm 이하 미립자량이 많을수록 유리한데, CSb+SS보다 CSa가 조립률도 크고 미립자량이 많음에 기인한 결과로서 이 경향은 특히 7일과 28일 사이의 강도발현에 중요한 영향을 미치게 됨을 알 수 있었다
이상을 종합하면 CGS를 콘크리트 2차제품용 잔골재로 25∼50 % 정도 치환하여 사용하면 유동성 증가 및 강도증 진 및 폐기물처리에 긍정적인 효과로 기대됨에 CGS의 활 용가능성을 확인할 수 있다. 향후의 연구로써 내구성 평가, 시제품 생산 및 경제성 분석 등을 통하여 실무적용가능성을 검토하고자 한다.
Figure 13은 CSa+CGS 배합과 CSb+SS+CGS 배합을 상호 비교한 것이다. 전반적으로 CSa 배합에서 CGS를 치 환한 것이 CSb+SS에 CGS를 치환한 배합에 비해 높은 압 축강도를 발휘하고 있는데, 특히 재령 28일과 같이 재령이 경과할수록 그 차이가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 CSb+SS의 입도보다 CSa의 입도가 양호함에 기 인한 것으로 분석된다.
2) 모르타르 실험 중 플로는 CGS의 치환율이 증가할 경우 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히, CSb+SS 배합의 경우는 CSa보다 비교적 크게 증가 하는 것을 확인하였다.

후속연구

이상을 종합하면 CGS를 콘크리트 2차제품용 잔골재로 25∼50 % 정도 치환하여 사용하면 유동성 증가 및 강도증 진 및 폐기물처리에 긍정적인 효과로 기대됨에 CGS의 활 용가능성을 확인할 수 있다. 향후의 연구로써 내구성 평가, 시제품 생산 및 경제성 분석 등을 통하여 실무적용가능성을 검토하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 골재자원 부족현상의 원인은 무엇인가?	한편, 현재 국내 건설 산업은 천연골재 고갈, 해사 채취 금지 등으로 골재자원 부족현상이 문제시되고 있는데, 특히 굵은 골재보 다 잔골재의 부 족현상이 더욱 심각한 실정이 다. 그러므로 본 연 구 에 서 는 CGS의 품질이 확인되지 않은 상태이므로 비 교적 낮은 강도 의 품질을 요구 하는 콘크리트 벽돌, 블록, 보 강토옹벽 등 콘크리트 2차제품에 우선적으로 적용 가능성 을 확인하고자 한다.
	IGCC란 무엇인가?	이에 국내의 모발전사에서는 석탄화력발전소를 대체할 수 있는 Figure 1과 같은 새로운 발전방식으로 석탄가스화 복합발전(Integrated gasification combined cycle, 이 하 IGCC)을 도입하여 현재 시운행중에 있다[3]. IGCC는 고온고압으로 석탄을 쪄내어 발전하는 방식으로 미세먼지, 온실가스 배출량이 기존의 석탄화력발전소에 비해 현저히 적다.
	석탄가스화 복합발전 시 발생하는 부산물은 무엇인가?	하지만 IGCC에서는 석탄가스화발전 용융슬래그(Coal gasification slag, 이하 CGS)라고하는 기존 석탄화력발 전소와는 다른 형태로 부산물이 발생하고 있다. 따라서 IGCC가 국내에 처음 도입됨에 따라 CGS의 발생도 처음이기 때문에 CGS의 처리방안 및 활용방안 모색이 필요한 상 황이다.

참고문헌 (7)

Yonhap news agency[Internet]. Korea:[2019 Mar 19]. Available from: https://www.yna.co.kr/view/AKR2019031-9054700063?input1195m
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The Financial News[Internet]. Korea:[2018 May 03]. Available from: http://www.fnnews.com/news/2018050314-22284039
Han JH, Lee YJ, Hyun SY, Park KT, Han MC, Han CG. Properties of cement mortar using cgs as mixed fine aggregate. Proceedings of The Korea Institute of Building Construction; 2018 May 16; Jeju, Korea. Seoul(Korea): The Korea Institute of Building Construction; 2018. p. 138-9.
Han JH, Lee YJ, Hyun SY, Park KT, Han MC, Han CG. Engineering properties of general strength mortar using cgs as mixed fine aggregate. Proceedings of Korea Concrete Institute; 2018 May 2; Changwon, Korea. Seoul(Korea): Korea Concrete Institute; 2018. p. 185-6.
Masahumi K. Possibility of utilization of the coal gasification slag as fine aggregate for concrete. Miyagi Daigaku Shokusangyou Gakubu Kiyou. 2006. p. 35-43.
Masafumi K. Fundamental studies on the utilization of the coal gasification slag as fine aggregate for concrete. Japan Concrete Institute. 2006. p. 71-6.

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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