[논문]하수 슬러지를 이용한 비구조용 초경량골재의 개발

문경주; 위영미; 박희열; 이무성; 소양섭

문제 정의

발포를 일으키기 때문에 기존 소성 경량골재에 비해 비중과 소성 에너지를 현저하게 낮출 수 있다. 따라서 제조된 인공골재의 기본적인 물성 및 품질 정도를 파악하여 건설재료로서의 재활용 가능성에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다
본 연구는 하수 슬러지의 효과적인 처리와 동시에 고부가성 초경량골재로 제조 가능성을 평가하기 위한 것으로, 하수 슬러지의 발열에 의한 내부에서 가스가 발생되어 순간적으로 용융.발포를 일으키기 때문에 기존 소성 경량골재에 비해 비중과 소성 에너지를 현저하게 낮출 수 있다.
하수슬러지는 첨가량이 적을 시는 수분함량 80~90중량%인 탈수케이크 상태의 그대로 사용할 수도 있고 첨가량이 많을 경우에는 수분함량 30~60중량%로 건조하여 사용하거나 완전 건조 후 분쇄하여 수분함량 80~90중량%인 탈수케이크 상태와 혼합하여 전체 수분함량 20~40중량%로 하여 사용할 수도 있다. 이는 골재의 성형 시 수분을 일체 첨가하지 않기 위함인데 이에 따라 하수슬러지의 혼입량을 많게 함으로써 발포를 극대화시킬 수 있고 하수 슬러 지의 건조비용을 최소화하여 경제성을 확보하고자 했다.

제안 방법

점토 및 하수슬러지에 존재하는 각각의 원소에 대한 정량적인 분석은 형광X선 분석기(XRF)로 분석하였으며, 하수슬러지의 수분함량, 발열량 및 유기물 함량 시험 등을 실시하였다. 또한 하수슬러지의 광물학적 분석을 위해 100±SC의 건조기①ry oven)에서 24시간 건조된 시료에 대해 X-선 회절 분석과 1001~120 Ot, lOY/min로 열분석(TG-DTA)을 수행하였다. 또한 하수슬러지 내에 중금속 함량 시험은 EPA 3050A (Acid Digestion Method32)에 준하여 모든 성분을 용해한 후 ICP를 이용하여 분석하였다.
본 실험에서는 스페인산 경량골재와 본 실험에 의한 각 배합비에 따른 마모율을 비교하기 위한 것으로 KS규준에 의거하여 Table 4와 같은 조건으로 설정하여 실험을 실시하였으며 그 결과가 Table 5이다. Table 4와 같은 조건에서 경량골재의 마모에 의한 손실 백분율은 18.
인공경량골재 제조방법은 점토 100중량%에 대하여 하수슬러지(탈수케익상태중량 기준) 100~500중량%로 Table 1과 같이 배합하였으며 이때의 혼합방식은 케이크 상태의 습식 재료와 건조된 분체형 재료와의 균질한 페이스트 제조를 위해 쟁기식 믹서기로 1차 혼합한 후 순환형 롤러 압축혼합기에 투입 후 2차 혼합을 실시하였다. 이 페이스트를 직경 2~6mm 직경으로 압출시키고, 직경과 동일한 직경 크기로 절단하여 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형한 다음, 성형체를 건조시키고, 건조된 성형체를 온도 900~1,050X：의 조건에서 투입하고, 소성 온도 1,050~1,2501의 온도에서 10~25분간 소성하였다. 하수슬러지는 첨가량이 적을 시는 수분함량 80~90중량%인 탈수케이크 상태의 그대로 사용할 수도 있고 첨가량이 많을 경우에는 수분함량 30~60중량%로 건조하여 사용하거나 완전 건조 후 분쇄하여 수분함량 80~90중량%인 탈수케이크 상태와 혼합하여 전체 수분함량 20~40중량%로 하여 사용할 수도 있다.
인공경량골재 제조방법은 점토 100중량%에 대하여 하수슬러지(탈수케익상태중량 기준) 100~500중량%로 Table 1과 같이 배합하였으며 이때의 혼합방식은 케이크 상태의 습식 재료와 건조된 분체형 재료와의 균질한 페이스트 제조를 위해 쟁기식 믹서기로 1차 혼합한 후 순환형 롤러 압축혼합기에 투입 후 2차 혼합을 실시하였다. 이 페이스트를 직경 2~6mm 직경으로 압출시키고, 직경과 동일한 직경 크기로 절단하여 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형한 다음, 성형체를 건조시키고, 건조된 성형체를 온도 900~1,050X：의 조건에서 투입하고, 소성 온도 1,050~1,2501의 온도에서 10~25분간 소성하였다.
점토 및 하수슬러지에 존재하는 각각의 원소에 대한 정량적인 분석은 형광X선 분석기(XRF)로 분석하였으며, 하수슬러지의 수분함량, 발열량 및 유기물 함량 시험 등을 실시하였다. 또한 하수슬러지의 광물학적 분석을 위해 100±SC의 건조기①ry oven)에서 24시간 건조된 시료에 대해 X-선 회절 분석과 1001~120 Ot, lOY/min로 열분석(TG-DTA)을 수행하였다.
제조된 인공경량골재의 미세구조를 관찰하기 위하여 전자 현미경(SEM)을 이용하여 분석하였다.
마모율. 파쇄율 및 충격율 등을 KS 규준을 근거로 실시하였으며, 현재 국내에 수입되고 있는 S산의 인공경량골재와 비교·평가하였다.

대상 데이터

본 실험의 주재료로 사용된 하수 슬러지는 이의 하수종말처리장에서 채취하였으며, 점토는 Y군의 인근 토양에서 채취한 것으로, 자연 건조한 후 배합물의 균질한 혼합을 위하여 50mesh로 이하로 파쇄 및 분쇄하여 사용하였다.

이론/모형

또한 하수슬러지의 광물학적 분석을 위해 100±SC의 건조기①ry oven)에서 24시간 건조된 시료에 대해 X-선 회절 분석과 1001~120 Ot, lOY/min로 열분석(TG-DTA)을 수행하였다. 또한 하수슬러지 내에 중금속 함량 시험은 EPA 3050A (Acid Digestion Method32)에 준하여 모든 성분을 용해한 후 ICP를 이용하여 분석하였다.
제조된 골재의 중금속 용출 특성을 알아보기 위하여 한국의 폐기물 공정시험법과 미국의 EPA 법에 따라 용출시험을 실시하였다.

성능/효과

1) 하수슬러지의 혼입량이 증가할수록 유기성 물질의 발열 및 연소에 의한 완전한 내부소결성이 증가와 함께 가스발생에 의한 발포가 활발하여 비중이 감소되었고, 하수슬러지 300% 이상을 혼입한 경우 수입산 골재와 비중이 유사한 초경량 골재의 제조가 가능하였다.
2) 하수슬러지의 혼입량이 증가할수록 하수슬러지의 발열에 의한 내부 용융이 더욱 잘 이루어짐으로써 홉수 율이 낮아지는 특성을 보였으며 전반적으로 수입산에 비하여 월등하게 우수한 흡수특성을 나타내었다.
3) 본 실험을 통해 제조된 골재의 강도 특성은 하수슬러지의 혼입량이 증가할수록 약간씩 감소하는 특성을 보였으나 그 차이는 크지 않았으며, 전반적으로 스입산 골재보다 동등 이상의 우수한 강도 특성을 나타내었다.
4) 제조된 골재의 용출시험 결과 유해 중금속은 거의 불검출 되었고 일부 미량의 중금속이 용출되었으나 환경에 미치는 영향은 미비할 것으로 판단된다.
따라서, 고온에서 일어나는 골재의 팽창은 원료의 점성에 좌우되며 원료의 점성을 결정하는 인자는 화학 조성이다. Table 2에서 알 수 있듯이 하수슬러지는 일반 점토의 성분과 유사하며 SiQ와 AI2O₃가 주성분으로 약 73%를 차지하는 것으로 나타났으며 고온에서 급격한 점성 변화를 유발시키는 성분인 CaO, MgO 성분이 10 % 이하로 함유되어 있기 때문에 고온에서 급격하게 용융될 가능성은 없을 것으로 판단되었다. 일반적으로 AhO/SiQ; 의 비가 크면 소지의 용융온도가 높고 점성이 크지만 하수슬러지는 AbOs/SiCb의 비가 크지 않아 소지의 용융점이 낮을 것으로 기대된다.
본 실험에서는 스페인산 경량골재와 본 실험에 의한 각 배합비에 따른 마모율을 비교하기 위한 것으로 KS규준에 의거하여 Table 4와 같은 조건으로 설정하여 실험을 실시하였으며 그 결과가 Table 5이다. Table 4와 같은 조건에서 경량골재의 마모에 의한 손실 백분율은 18.2~20.2%로서 점토 대비 하수슬러지가 300% 이하 혼입된 A, B에서는 모두 스페인산보다 우수한 내마모특성을 나타내었으며, 300% 이상 혼입된 C, D, E에서는 스페인산에 비하여 마모율이 약간 높게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다.
본 시험에 사용된 골재가 초경량골재이기 때문에 KS규준에 의거하여 Table 6과 같은 조건으로 설정하여 실험을 실시하였으며, 그 결과를 Table 7에 나타내었다. 스페인산의 시험결과는 35-1%로 나타났고 본 실험 배합비에 따른 파쇄손실 백분율은 31.3~36.1%이고 전반적으로 점토 대비 하수슬러지의 혼입량이 증가할수록 파쇄 강도 특성이 점차 약해지는 특성을 보였다.
동적 압축하중에 대한 골재의 저항성은 전반적으로 정적 압축하중에 대한 저항성 및 마모율과 비슷한 경향을 보이고 있다. 전반적으로 본 실험에서 제조한 경량골재는 스페인산 골재보다 동등 이상의 우수한 충격 저항성을 나타내었다.
하수슬러지의 혼입량이 100%로 가장 낮은 A골재와 500%로 가장 높은 골재인 E골재를 선택하여 용출시험을 실시한 결과 대부분의 중금속은 불검출되었다. Mn, Ni, 그리고 Zn이 소량 용출되었으나 환경에 미치는 영향은 미비할 것으로 판단된다.
흡수율은 비중과 오히려 반대적 성상을 나타내었는데 일반적으로 비중이 증가할수록 홉수율은 감소하는 특성을 보이나 본 실험결과에서는 하수슬러지의 발열에 의한 내부 용융이 더욱 잘 이루어짐으로써 비중이 낮아질수록 반대로 흡수율이 낮아지는 특성을 보였다.

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