[논문]순환유동층 보일러 바텀애시의 혼합시멘트 자극제 활용을 위한 타당성 연구

박종탁; 정권수; 강창호; 오홍섭

doi:10.14190/jrcr.2020.8.3.255

초록
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순환유동층 보일러는 낮은 온도에서 연소되기 때문에 플라이 애시와 바텀애시내에 Fe₂O₃, free-CaO, SO₃ 등의 함유량이 높아 시멘트 수화반응시 고온과 이상응결 등이 발생하고, 입자가 크기 때문에 콘크리트에서의 활용도가 제한적이다. 본 연구에서는 고로슬래그와 바텀애시를 혼합 분쇄하여 미분말을 석고대체제 자극제로 활용하고, 볼밀로 혼합분쇄시 폐철은 분리함으로서 재활용율을 높이고자 하였다. 원상태와 소량의 수분으로 기수화시킨 바텀애시를 슬래그와 혼합분쇄하여 자극제로서 시멘트강도에 미치는 영향을 분석하였으며, 기수화된 바텀애시를 사용한 경우 초기강도에 효과적인 것으로 나타났다. 혼합시멘트의 초기강도 향상을 위한 고로슬래그와 바텀애시 혼합비를 5:95와 10:90으로 혼합한 자극제를 혼합시멘트에 6% 정도 첨가하였으며, 석고와 유사한 초기 강도를 발현하는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Blended cement with fly ash and bottom ash from Circulating Fluidized Bed Combustor boiler(CFBC) burned at a low temperature, can be high heat of hydration and abnormal setting caused by higher volumn contents of Fe2O3, free-CaO, SO3. In this study, the ground CFBC bottom ash powder mixed with blast...

Blended cement with fly ash and bottom ash from Circulating Fluidized Bed Combustor boiler(CFBC) burned at a low temperature, can be high heat of hydration and abnormal setting caused by higher volumn contents of Fe2O3, free-CaO, SO3. In this study, the ground CFBC bottom ash powder mixed with blast furnace slag was used as substitute activator of gypsum and recycled iron slag was produced from mix and pulverized by ball mill to increase the recycling rate. The effect on compressive strength of cements with the mixture of original and hydrated bottom ash mixtures with BFS with small water, respectively, was analyzed, and it was found that the hydrated bottom ash activator was more effective in initial strength development. To improve the initial strength of blended cement, an activator mixed with a blast furnace slag and bottom ash mixing ratio of 5:95 and 10:90, respectively, the slag cement by about 6%, and it was analyzed to develop an initial strength similar to gypsum as a conventional activator.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Ash deposition process of the circulating fluidized bed combustion boiler system
그림 Fig. 2. Particle images of blast furnace slag and circulating fluidized bed combustor ashes
표 Table 1. Chemical compositions of cement and various admixtures
그림 Fig. 3. SEM images of CFBC-BA-O particles
그림 Fig. 4. SEM images of CFBC-BA-H particles
표 Table 2. Blended cement mix proportion and SO₃ contents
표 Table 3. Chemical compositions of admixtures with BFS and CFBC-BA
표 Table 4. Blended cements mix proportion and SO3 contents with BFS and CFBC-BA
그림 Fig. 5. Comparison of compressive strength of blended cements series 1, 2, 3 and 4 according to the curing days
표 Table 5. Chemical compositions of activator as series 5 using BFS and CFBC-BA
표 Table 6. Blended cement mix proportion and SO3 contents with BFS and CFBC-BA
그림 Fig. 6. Comparison of compressive strength of blended cements series 5 and 6 according to the curing days
표 Table 7. Mix proportion of blended cement using CFBC-BA and CFBC-A as substitute materials of NAG-an
표 Table 8. Chemical compositions of blended cement in series 6

AI 본문요약
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문제 정의

바텀애시로 무수석고 제조시 고로 수재 슬래그를 5~10% 첨가한 것은 고로 수재슬래그에 함유된 수분에 의한 CFBC-BA-O가 수화반응되어 시멘트 페이스트의 위응결과 압축강도 저하에 영향이 있는 free-CaO 등에 대한 안정화와 순수한 황산염이 Ettringite 수화생성에 활발히 진행되도록 하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 순환유동층 플라이애쉬와 바텀애시의 건설재료 활용성을 높이기 위하여 애시내의 SO₃ 성분을 활용하여 고로 슬래그 시멘트 또는 혼합시멘트의 Ettringite 자극제, Pozzolan 반응 활성제로 사용함으로서 기존 조기강도 증진을 위해 사용하는 석고를 대체하고자 한다.

제안 방법

Series 3과 4는 바텀애시를 자극제로 사용하기 위하여 고로 수재슬래그와 바텀애시를 혼합분쇄하는 방법으로 제조하였으며, CFBC-BA-O와 CFBC-BA-H를 분쇄되지 않은 고로 수재 슬래그 BFS와 5%:95%, 10%:90%, 15%:85% 비율로 혼합하여 고로 수재 슬래그 미분말 제품을 제조한 후 혼합시멘트를 제조하였다. 미분말의 화학성분과 시멘트의 혼합비율 등은 각각 Table 3과 4에 정리하였다.

대상 데이터

고로 수재 슬래그 미분말(GGBFS)은 D사의 공장제품을 사용하였으며, 고로 수재 슬래그(BFS)는 POSCO 광양제철소에서 발생한 폐자원을 수분 1% 이하로 직접 건조한 후, 볼밀을 이용하여 1,000g 당 5,000회 회전/분쇄한 미분말을 사용하였다.
기준혼합시멘트는 S사의 보통포틀랜드 시멘트(OPC, 1종)와 기본자극제로 태국산 천연무수석고를 분쇄한 제품(CaSO₄, anhydrite Ⅱ Type)을 각 변수 실험시 혼합하여 활용하였다.
연구에서는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC 1종), 제품화된 상용 고로 수재 슬래그 미분말(GGBFS-D사 : Ground Granulated Blast Furnace Slag), 가공되지 않은 원상태의 고로 수재 슬래그(BFS : Blast Furnace Slag), 원상태의 바텀애시(CFBC-BA-O.: Circulating Fluidized Bed Combustor Bottom Ash-Original)와 기수화시킨 수화 바텀애시(CFBC-BA-H.: Circulating Fluidized Bed Combustor Bottom Ash-Hydration), 순환유동층 보일러 플라이 애시(CFBC-A : Circulating Fluidized Bed Combustor Fly Ash)를 사용하였다. 그리고 자극제로서 Park and Oh(2009)의 연구에서와 같이 천연무수석고(NAG-an(CaSO₄, anhydriteⅡ) : natural anhydrous gypsum)를 실험변수로 활용하였다.

이론/모형

: Circulating Fluidized Bed Combustor Bottom Ash-Hydration), 순환유동층 보일러 플라이 애시(CFBC-A : Circulating Fluidized Bed Combustor Fly Ash)를 사용하였다. 그리고 자극제로서 Park and Oh(2009)의 연구에서와 같이 천연무수석고(NAG-an(CaSO₄, anhydriteⅡ) : natural anhydrous gypsum)를 실험변수로 활용하였다.
배합에 활용된 재료는 KS L 5120(포틀랜드 시멘트의 화학 분석 방법)에 의해 분석하였으며, 분말도는 KS L 5106(공기 투과장치에 의한 포틀랜드 시멘트의 분말도시험 방법)에 의해 측정하여 Table 1에 정리하였다.
시멘트의 물리특성을 측정하기 위하여 고로 슬래그시멘트(KS L 5210)의 기준으로 시멘트 강도시험방법(KS L ISO 679)에 따라 재령3일, 7일, 28일 압축강도를 측정하였고, 압축강도의 내, 외부 실험편차를 고려하여 변수별 시멘트 제조시 매회 천연무수석고 첨가 기준배합 시멘트의 강도를 같이 평가하였다.

성능/효과

1) 순환유동층 보일러 바텀애시를 원상태와 기수화상태를 분쇄한 결과 CFBC-BA-O의 분쇄도가 높은 것으로 나타났으며, CFBC-BA-H의 CaO, SO₃가 CFBC-BA-O보다 낮은 반면 LOI는 높게 분석되었는데 이는 free CaO가 수분에 의해 수화되며 Ca(OH)₂로 변화되었기 때문으로 판단된다.
2) CFBC-BA-H 시료군은 기수화반응에 의해 유해성분이 안정화되면서 공극충진 역할과 순수한 황산염에 의한 Ettringite 수화생성이 활발히 진행됨에 따라 초기 강도발현이 원활히 진행된 것으로 판단된다.
3) 고로 슬래그 시멘트 또는 다성분계 혼합시멘트 제조시 고로 수재 슬래그 자극제로 사용되는 석고를 대체하기 위하여 고로 수재 슬래그에 CFBC-BA-O와 CFBC-BA-H에 혼합하여 분쇄한 결과 분쇄수율은 고로 수재 슬래그 대비 95%이상으로 나타났다. 화학분석결과 SO₃성분 중 CFBC-BA-O에서는 3.
4) Series 6의 적정배합 도출 및 CFBC-A 배합시험과 같이 바텀애시의 단독분쇄, 고로 수재 슬래그에 혼합분쇄, 석고제품화 분쇄의 최적 배합비를 도출하였으며, CFBC-A를 2.0%추가 혼합하여 시멘트를 제조 압축강도를 측정한 결과 재령3일, 재령7일에서 전반적으로 양호한 결과가 발현되는 것을 알 수 있다.
CFBC-BA-O 적용시멘트는 무수석고에 비하여 강도가 전체적으로 낮게 발현되었으나, 9% 첨가시 무수석고와 거의 동일한 강도를 나타내었다. CFBC-BA-O의 강도 특성은 첨가량 증가에 따라 높아진 SO₃ 양에 의해 고로 수재 슬래그의 반응촉진이 발생하였으나, free-CaO에 의해 초기 강도는 낮게 발현된 것으로 판단된다.
혼합자극제 제조는 수분이 함유된 고로 수재 슬래그 BFS와 CFBC-BA 시료를 100℃에서 건조한 후 일지수시험기(볼밀)에 각 1,000g의 시료를 넣고 5,000회 회전 분쇄하였다. 혼합 분쇄결과 CFBC-BA-O시료군에서 CFBC-BA-H보다 분말도가 높게 측정되었으며 SO₃값은 24.12%~26.50%로 분석되었다. LOI(강열감량)은 CFBC-BA-H시료군에서 높게 분석되었으며, 이는 free CaO가 수분에 의해 Ca(OH)₂로 수화되어 나타난 것으로 판단된다.
혼합시멘트의 압축강도는 CFBC-BA-O시료군이 기준대비 재령 3일에서 97%, 93% 재령 7일에서 99%, 96%로 발현 되었으며, CFBC-BA-H시료는 재령3일에서 101%, 100% 재령7일에서 98%, 97%로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 대다수 화력발전소의 발전 설비는 어떤 방식을 사용하고 있는가?	국내 대다수 화력발전소의 발전 설비는 75㎛이하의 미분탄 연소(Pulverized Coal Combustion)방식의 보일러를 사용하고 있으나, 질소 산화물, 황산화물 등의 오염물질과 미세먼지에 의한 공해문제로 발전량이 감소하는 추세이다(Lee et al. 2015).
	순환유동층 (Circulating Fluidized Bed Combustor)보일러의 특징은?	2015). 최근 오염물질 배출을 낮추고, LNG 발전에 비해 경제적인 방법으로 800~900℃의 낮은 온도에서 탄을 연소시키는 순환유동층 (Circulating Fluidized Bed Combustor)보일러를 사용함에 따라 CFBC 보일러 연소시 발생하는 플라이애시와 바텀애시를 콘크리트에 재활용하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다(Kang et al. 2018; Park and Oh 2018; Park et al.
	CFBC 보일러 내에서 순환유동층 바텀애시를 콘크리트 혼화제 등으로 사용하기 위해 필수적인 것은?	이때 플라이애시에 비해 크기가 크고, 비정형으로 생성되는 순환유동층 바텀애시는 적철계 Fe2O3, free-CaO, SO3 등의 성분을 과다 함유하고, 45㎛~4.75mm의 크기를 갖고 있어 콘크리트 혼화제 등으로 활용하기 위해서는 수화 반응시의 유해성분을 안정화시키고 분쇄기에 의해 미분말화하는 것이 필요하다(Sim et al. 2012; Wang and Song 2013).

참고문헌 (13)

Chi, M., Huang, R. (2014). Effect of circulating fluidized bed combustion ash on the properties of roller compacted concrete, Cement and Concrete Composites, 45, 148-56.

상세보기
Havlica, J., Brandstetr, J., Odler, I. (1998). Possibilities of utilizing solid residues from pressured fluidized bed coal combustion (PFBC) for the production of blended cements, Cement and Concrete Research, 28, 299-307.
Jeong, J.Y., Jang, S.Y., Choi, Y.C., Jung, S.H., Kim, S.I. (2015). Effects of replacement ratio and fineness of GGBFS on the hydration and pozzolanic reaction of high-strength high-volume GGBFS blended cement pastes, Journal of the Korea Concrete Institute, 27(2), 115-125 [in Korean].
Kang, Y.H., Jung, S.H. (2017). Material properties of circulating fluidized bed combustion fly ash and utilization of non-sintered cement field, Magazine of RCR, 12(2), 26-32 [in Korean].
Kang, Y.H., Lim, G.H., Kim, S.J., Choi, Y.C. (2018). Feasibility study on the use of CFBC ash as non-sintered binder, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(5), 119-126 [in Korean].
Lee, G.H., Lee, S.H., Jo, U.J., Kim, G.S. (2015). Properties of modified slag binder using circulating fluidized bed combustion fly ash as activator, Proceeding of Korea Concrete Institute, 501-502 [in Korean].
Park, J., Oh, H. (2018). A study on the pozzolan reactivity and mechanical characteristic of blended portland cements using CFBC fly ash, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 6(3), 207-213 [in Korean].
Park, J., Oh, H., Jung, G.S., Kang, C.H. (2020). Application on the CFBC fly ash as a stimulant to improve the early strength of hydration portland cement, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 8(1), 8-16 [in Korean].
Park, J.T., Oh, H.S. (2009). Experimental study on the material characteristics of slag cement with various phosphogypsum materials, Journal of the Korea Concrete Institute, 21(6), 729-735 [in Korean].
Sheng, G., Li, Q., Zhai, J., Li, F. (2007). Self-cementitious properties of fly ashes from CFBC boilers co-firing coal and high-sulphur petroleum coke, Cement and Concrete Research, 37, 871-876.

상세보기
Sim, J.S., Lee, K.G., Kim, Y.T., Kang, S.K. (2012). Hydration characteristics of coal-fly ash containing high CaO compound, Journal of the Korean Ceramic Society, 49(2), 185-190 [in Korean].
Wang, B., Song, Y.M. (2013). Methods for the control of volume stability of sulfur-rich CFBC ash cementitious system, Magazine of Concrete Research, 65(1), 1-5.
Xia, Y., Yan, Y., Hu, Z. (2013). Utilization of circulating fluidized bed fly ash in preparing non-autoclaved aerated concrete production, Construction and Building Materials, 47, 1461-1467.

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