KR100429669B1

KR100429669B1 - 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR100429669B1
Application number: KR10-2001-0060866A
Authority: KR
Inventors: 유정근; 김상철
Original assignee: 한국후라이애쉬시멘트공업(주)
Priority date: 2001-09-29
Filing date: 2001-09-29
Publication date: 2004-05-03
Also published as: KR20030027531A

Abstract

화력발전소에서 발생되고 있는 일반 폐기물인 버톰 애쉬(Bottom Ash)를 사용하는 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 버톰 애쉬의 물리·화학적 성분 분석 결과, 버톰 애쉬가 건설재료로서 골재의 요구조건을 만족하고 있으며 콘크리트에 적용하여도 강도나 내구성 측면에서 천연골재를 사용한 콘크리트와 거의 동등하거나 그 이상의 강도나 내구성을 가지므로, 콘크리트의 배합 강도 210∼300kgf/cm²의 범위에서 사용되며, 버톰 애쉬를 모래의 대체재로써 모래의 단위량의 5% 내지 40% 첨가한 콘크리트 조성물을 마련한다.

이러한 콘크리트 조성물을 토목이나 건축 구조물 축조용 콘크리트 배합에 활용함으로써 현재 하천골재의 고갈에 따른 건설자재의 부족에 효율적으로 대처할 수 있을 뿐만 아니라 폐기 매립하여 발생되는 환경오염이나 회사장 부족에 따른 문제점을 해소할 수 있다.

Description

버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물{Concrete Mixing using the Bottom Ash}

본 발명은 화력발전소에서 발생되고 있는 일반 폐기물인 버톰 애쉬(Bottom Ash)를 사용하는 콘크리트 배합용 골재에 관한 것으로, 특히 버톰 애쉬를 대체재로 사용하여 콘크리트 배합에 적용하여 발전소 주변에 폐기매립 처리되고 있는 자원을 재활용하고 천연 고재의 사용을 경감시킬 수 있는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 석탄 화력발전소에서 부산물로 발생되는 석탄회는 연소로(燃燒盧)내에서 석탄의 유기성 가연 성분이 연소된 후에 남는 잔류 광물질로, 연소로의 하부로 배출되는 버톰 애쉬(바닥재 혹은 저회)와 연소가스와 함께 상부로 배출되는 플라이 애쉬(fly ash, 비회)로 구분된다. 이들 석탄회는 연소설비 내에서 포집되는 위치가 다르기 때문에 소결 상태, 밀도, 입자의 크기 등 물성이 다르게 나타나게 된다.

플라이 애쉬는 연소과정에서 생성된 석탄회 중에서 미세한 크기의 입자로 연소가스와 함께 연소로를 통과하여 배출되며, 총 석탄회 발생량의 75∼90%를 차지하므로 일반적으로 석탄회라 하면 이 플라이애쉬를 지칭한다. 플라이 애쉬는 발전설비의 향상에 따라 그 품질도 향상되어 그 재활용율이 1998년에는 32.2%, 1999년도에는 42.5%로 점차 증가하고 있으며, 90%이상이 콘크리트의 혼화재와 시멘트 원료로 활용되고 있다.

한편, 버톰 애쉬란 연소로 내에서 소결에 의해 입자가 형성된 상태에서 보일러 하부로 낙하하여 고형화된 물질을 분쇄기를 사용하여 25mm이하의 입도로 분쇄시킨 것이다. 일반적으로 분쇄기에 의해 파쇄된 버톰 애쉬는 1∼10mm 정도의 입경 범위를 갖고 있으며 클린커 애쉬(clinker ash) 또는 배드 애쉬(bad ash)라고도 한다. 이 버톰 애쉬는 총 석탄회 발생량의 10∼15%정도가 발생한다.

도 1은 일반 화력 발전소에서 사용되고 있는 석탄회 포집 절차를 도시한 것이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 버톰 애쉬는 발전소의 보일러에서 미분탄이 연소한 후 보일러의 하부에 집적되는 것이다.

통상, 환경보존과 자원의 재활용이 강조되는 시점에서 석탄 화력발전소의 부산물인 이들 석탄회는 발전소에 부가로 설치된 석탄회 처리장(회사장)에서 주로 처리되었다. 과거 국토의 이용율이 높았던 시기에는 회처리가 다소 용이하였으나, 최근 높은 경제 성장률로 인한 급격한 공장부지의 증가와 토지 값 상승으로 발전소 설비 면적의 3∼4배를 필요로 하는 회사장을 구하기란 상대적으로 어려워지고 있는 것이 현실이다.

따라서, 플라이애쉬의 경우는 그 활용방안에 대해 각계 연구소나 학계에서 꾸준한 연구를 수행한 결과, 시멘트 혼화재, 성토재, 토지 개량재, 경량골재 등 다양한 분야에 사용되어 왔으며 특히, 콘크리트의 혼화재와 시멘트 원료로는 사용이 활성화되어 있어 전체 재활용율의 약 90%를 차지하고 있다.

이러한 플라이 애쉬의 활용방법에 대해서는 미국특허공보 US pat. 6,068,131, US pat. 5,936,216, US pat. 5,5456,363, US pat. 5,227,047, US pat. 6,123,813, US pat. 6,074,458, US pat. 6,064,022, US pat. 5,967,331, US pat. 5,944,875, US pat. 5,513,755, US pat. 6,038,987, US pat. 5,976,331, US pat.5,887,724, US pat. 5,299,692, US pat. 5,868,084, US pat. 5,749,308, US pat. 5,735,403, US pat. 5,555,821, US pat. 5,399,194, 한국 공개특허 1996-033525, 한국공개특허 1997-068549, 한국공개특허 1997-046374, 한국공개특허 1996-027658, 한국공개특허 1996-026663, 한국공개특허 1996-026662, 한국공개특허 1997-000749, 한국공개특허 1996-033525, 한국공개특허 1996-073565, 한국공개특허 1994-000209 및 일본공개특허05-138151 등에 개시되어 있다.

그러나 버톰 애쉬의 경우는 거의 대부분이 발전소 주변 회사장에 단순 폐기 매립되거나, 내륙 또는 해안 매립지에 플라이 애쉬와 혼합하여 매립되기도 하고, 발전소 주변의 노반 성토재로써 소량 사용되고 있는 실정이다. 따라서, 회처리 용지확보의 어려움은 물론이고, 환경 오염의 문제를 야기하는 주재료로써 이에 대한 처리가 문제로 되고 있다.

국내 콘크리트의 구성성분으로 사용되고 있는 골재의 주요 현황을 살펴보면 1980년대 초까지는 하천골재의 비율이 약 90%이상을 차지하고 있어 골재의 주 공급원이 강이나 하천이었다. 그러나 하천골재를 그 동안 많이 사용하여 왔고 하천의 유지관리 및 보호 차원에서 골재 채취가 제한됨으로써 양질의 하천골재를 구하기가 점점 어려워질 뿐만 아니라 점차 고갈되고 있어 이에 대한 대체재의 활용이 요구되고 있는 현실이다. 최근 이에 대한 대책방안으로 부순 골재, 바다모래, 콘크리트 폐자재 등이 이미 활용선상에 있으며 그 외에도 인공골재 및 고로 슬래그 골재의 사용이 적극 검토되어 활성화되고 있는 추세이다.

따라서, 본 발명자들은 이러한 천연골재의 고갈 추세에 비추어 화력발전소에서 발생되어 현재 폐기 매립 처리되고 있는 버톰 애쉬를 콘크리트용 골재로써 활용한다면 폐재의 매립으로 인한 환경문제를 해결한다는 측면 외에 자원을 효율적으로 이용한다는 측면에서도 큰 의의가 있을 것으로 착안하여 버톰 애쉬를 콘크리트 골재로써의 활용에 대해 검토하였다.

버톰 애쉬는 포집 후 급격한 냉각이나 인위적 분쇄에 의해 입자가 형성되므로 모래와 흡사한 형상이며 또한, 다공질 입자로 되어 있어 구조물을 경량화할 수 있다는 구조적 특징을 갖고 있다.

최근의 구조물은 대형화 및 초고층화되고 있는 추세에 있고, 그로 인해 구조물의 자중이 크게 되어 지반 침하 등의 문제가 유발되고 있어 구조물 자체를 가능한 한 경량화시키려고 노력하고 있다. 이러한 관점에서 볼 때 버톰 애쉬를 콘크리트의 골재 대체재로 활용한다면, 그 가치는 매우 높게 될 것이다.

본 발명자들은 5mm 이하의 버톰 애쉬를 잔골재의 대체재로 혼입율을 다르게 하여 강도와 내구성 측면에서 광범위한 연구를 수행한 결과, 천연골재인 강모래만을 사용한 콘크리트와 거의 동일한 강도와 내구성이 확보되는 점을 확인하여 본 발명을 달성할 수 있었다.

특히, 강도 측면에서는 동일한 물-시멘트 비에서 골재의 흡수 효과 때문에 오히려 강도 상승효과가 있는 것이 확인되었다. 또, 공기량에서도 일반 천연골재를 사용한 경우와 거의 동일한 결과를 얻어 콘크리트의 동결융해 저항성에 거의 영향을 미치지 않는 것이 확인되었고, 천연골재보다 단위중량이 작으므로 골재 침강에 따른 콘크리트 재료분리 방지 측면에서도 매우 유리한 것으로 나타났다.

작업성 확보 차원에서 필요로 하는 슬럼프를 얻기 위해 배합수를 추가시키지 않는 한 일반 천연골재를 사용한 경우보다는 감수제의 사용량이 증가되어야 하나, 현재 건설현장에서 주로 사용되고 있는 일반 강도의 범위(210∼300kgf/cm²)내에서는 다소 일반 골재를 사용할 때보다 가수(加水)를 하여도 버톰 애쉬 골재의 흡수효과 때문에 버톰 애쉬내부에 배합수가 내포되어 이 범위의 강도 확보에는 문제가 없다는 것이 확인되었다.

본 발명의 목적은 버톰 애쉬를 대체재로 활용하여 콘크리트 배합에 적용함으로써 현재 발전소 주변에 폐기매립 처리되고 있는 자원을 재활용할 수 있는 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 버톰 애쉬를 콘크리트에 적용하여 강도나 내구성 측면에서 천연골재를 사용한 콘크리트와 거의 동등하거나 그 이상의 강도나 내구성을 갖는 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 버톰 애쉬를 콘크리트에 적용하여 하천골재의 고갈에 따른 건설자재의 부족에 효율적으로 대처할 수 있는 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

도 1은 버톰 애쉬의 생성 과정을 설명하기 위해 일반적인 석탄회의 포집 과정을 나타낸 도면

도 2는 하천 골재인 강모래와 화력발전소에서 발생되고 있는 일반 폐기물인 버톰 애쉬의 입도 분포를 나타낸 도면

도 3은 버톰 애쉬의 S.E.M 분석사진을 통해 입형이 원형으로 되어 있어 건설재료로 활용이 가능한 것을 나타낸 도면

도 4는 버톰 애쉬의 X-ray 분석결과를 나타낸 도면

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 강모래만을 사용한 콘크리트 배합비를 버톰 애쉬를 혼입한 콘크리트에 그대로 적용하였을 때 대체율에 따른 슬럼프의 변화를 나타낸 도면

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 강모래를 사용한 콘크리트 배합비를 버톰 애쉬를 혼입한 콘크리트에 동일하게 적용하였을 때 공기량 변화를 나타낸 도면

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 버톰 애쉬를 강모래 대체재로 일부 치환하여 사용하였을 때의 재령에 따른 강도변화를 나타낸 도면

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘크리트 조성물은 물, 시멘트, 모래, 자갈, 감수제, 배합수 등을 배합하여 사용하는 콘크리트 조성물에 있어서, 콘크리트가 배합 강도 210∼300kgf/cm²의 범위에서 사용되며, 모래의 대체재로써 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 입경 5㎜이하의 버톰 애쉬가 모래의 단위량의 5% 내지 40% 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물에 있어서, 버톰 애쉬는 모래의 단위량의 10%가 첨가된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물에 있어서, 버톰 애쉬의 입형은 대략 원형인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물에 있어서, 버톰 애쉬는 화력발전소에서 배출된 후 미립분이 유실되지 않도록 살수 처리되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

먼저 버톰 애쉬가 콘크리트용 골재로 활용되기 위해서는 적절한 경도와 용도에 따라 적당한 무게를 가질 것, 물리적, 화학적으로 유해하지 않을 것, 입형이 입방체 또는 원형에 가까울 것, 시멘트 페이스트와 부착강도가 클 것, 깨끗하며 유해물이 포함되어 있지 않을 것 등과 같은 골재에 요구되는 일반적 특성을 만족하여야 한다.

따라서 버톰 애쉬가 골재로 활용될 수 있는지의 여부를 파악하기 위하여 먼저 물리·화학적 특성에 대해 조사하였다.

도 2는 하천 골재인 강모래와 화력발전소에서 발생되고 있는 일반 폐기물인버톰 애쉬의 입도 분포를 나타낸 도면으로서, 한국산업규격에서 규정하고 있는 입도 범위는 다소 벗어나고 있으나, 건설재료로써 활용이 활성화되거나 기존 잔골재(강모래)와 혼합 사용할 경우에는 미립분의 확보가 가능하여 문제가 없는 골재의 입도 분포를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이 버톰 애쉬의 입도 분포는 입경이 0.1∼1mm인 입자가 50%, 1mm이상의 입자가 50%를 차지하고 있어 강모래와 혼합하여 입도 조정을 하면 잔골재로써의 활용이 가능한 것을 알 수 있다. 다만, 일반 잔골재에 비해 다소 미립분이 적은 것이 단점인데, 이는 버톰 애쉬를 식히는 과정에서 상당량의 미립분이 해수에 의해 씻겨 나가 발생된 것으로 버톰 애쉬를 재활용 산업부산물로 활성화될 경우에는 배출된 버톰 애쉬를 큰 수조로 유출하고 담수로 살수 처리하여 미립분이 유실되지 않도록 한다면 미립분 부족에 따른 문제는 발생하지 않게 된다.

그 이외에도 배합시 단순히 버톰 애쉬만을 전량 사용하는 것보다는 적당량의 천연 잔골재와 혼용하여 사용하는 것이 바람직하다는 것이 실험을 통해 확인된 바, 천연골재에는 충분한 양의 미립분이 함유되어 있으므로 입도 조정에는 문제가 없게 된다.

입형은 콘크리트의 워커빌리티에 큰 영향을 미치는 요소로써 상술한 바와 같이, 이것이 원형이나 입방체에 가까울수록 단위수량이 적고 워커빌리티가 우수한 콘크리트를 얻게 된다.

입형의 특성을 조사하기 위하여 서천 화력발전소에서 생산된 검은 색(시료 A), 갈색 또는 회색(시료 B), 검은 색과 갈색이 혼합(시료 C)된 버톰 애쉬 시료 3종류에 대해 S.E.M 분석을 한 결과, 도 3에 도시한 바와 같이 대체적으로 원형에 가까운 입형이 확인되었다. 도 3은 버톰 애쉬의 S.E.M 분석사진을 통해 입형이 원형으로 되어 있어 건설재료로 활용이 가능하다는 것을 나타낸 도면이다.

다만, 검은 색과 갈색이 혼합된 시료 C에서 입자들이 서로 결집되어 있는 형상이 관측되고 있으나, 버톰 애쉬를 크루세(crusher)를 통과하여 재 분쇄시키면 당초 이들의 부착력은 약하기 때문에 쉽게 입자간 분리가 가능하였다. 대체적으로 버톰 애쉬는 입형이 원형을 띠고 있기 때문에 현재 강모래 부족으로 사용되고 있는 모가 나 있는 부순 모래(쇄사)를 혼합한 경우에 비해 콘크리트 워커빌리티 개선 효과는 크게 나타난다.

골재 내부에 포함되어 있는 미연소 탄소는 콘크리트 배합시 소요 효과를 얻기 위해 감수제나 AE제의 사용량을 증가시켜야 하는 유해요소로 작용하기 때문에 그 함유량이 적을수록 경제적 콘크리트 생산이 가능하다. 버톰 애쉬에 포함된 미연소 탄소 함유량을 측정하기 위해 앞서 3종류의 시료에 대해 700℃로 3시간 강열을 하고 무게의 감량을 측정한 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이 회색을 띄고 있는 시료(B시료)는 미연소 탄소 함유량이 0.08%로 작은 반면, 검은 색(A시료)과 회색과 검은 색이 혼합된 시료(C시료)는 각각 18%, 12%로써 천연 강모래의 최고 0.42%에 비해 크게 나타났다.

그러나, 실제 콘크리트 배합을 통해 강모래를 사용한 콘크리트와 버톰 애쉬를 혼합하여 사용한 콘크리트와 동일하게 AE제를 투입하고 공기량을 측정한 결과에 따르면 거의 비슷한 공기량이 측정되었다. 따라서, 버톰 애쉬에 포함되고 있는미연소 탄소분은 화학적으로 안정한 상태를 유지하고 있다고 할 수 있으므로, 미연소 탄소 함유량이 천연골재에 비해 많더라도 화학 혼화제의 흡입에는 영향을 미치지 않는 것이 실험을 통해 확인되었다.

표 1버톰 애쉬에 포함되어 있는 미연 탄소 함유량 분석 결과

구 분	시료무게	태운 후 시료무게	시료무게변화	미연소탄소 함유율(%)
A:검은색	2.0467	1.6766	0.3701	18.08
B:회 색	2.0658	2.0641	0.0017	0.08
C:혼 합	2.0069	1.7582	0.2487	12.39

골재의 안정성 측면에서 살펴보면 버톰 애쉬는 상술한 바와 같이, 내부에 공극이 많이 포함되어 있기 때문에 24시간 수중에 침지하여 흡수율을 구하면 5mm이하의 버톰 애쉬에서는 6%정도, 5∼13mm의 골재에서는 8%정도가 측정되었다. 이 정도의 흡수율에서는 콘크리트 배합시 물을 흡수하며 그 흡수정도에 따라 콘크리트의 성질에 영향을 미치게 된다. 따라서, 보다 안정적 콘크리트 성질을 유지하기 위해서는 버톰 애쉬 골재를 미리 충분히 흡수시킨 상태에서 사용하는 이른바 프리웨팅(pre-wetting) 방법을 사용할 필요가 있다. 그러나 충분히 흡수시킨 다소 입도가 큰 13mm정도의 버톰 애쉬를 골재로 사용한 콘크리트에서는 동결융해시험결과 골재의 내부 공극 속에 포함되어 있는 수분이 동결시 시멘트 페이스트로 이동하여 이 부분이 열화되는 관계로 강자갈을 사용하였을 때에 비해 내구성이 떨어지는 것으로 나타났다.

그러나, 충분히 흡수시키지 않았을 때에는 동결융해에 의한 열화의 정도가 크지 않았으며, 건조시킨 골재를 사용하고 수중 양생한 콘크리트에서는 그 정도가미비하였다. 특히, 본 발명에 주 대상재료로 하고 있는 5mm이하의 버톰 애쉬를 콘크리트용 모래 대체재로 사용하였을 때에는 동결융해에 의한 열화현상이 강모래를 사용하였을 때와 거의 동등하거나 약간 저하되는 것이 실험을 통해 확인되었다.

다음에, 버톰 애쉬에 대한 화학적 구성성분은 I.C.P 및 X-ray를 이용하여 5mm이하 크기의 시료 중에서 검은 색을 띤 시료 (시료 A)와 갈색 또는 회색을 띤 시료 (시료 B), 2.5mm 크기의 검은 색 갈색이 혼합된 시료 (시료 C) 3종류에 대해 분석하였다.

도 4는 버톰 애쉬의 X-ray 분석결과를 화학성분상에 콘크리트에 유해한 성분이 포함되어 있지 않다는 것을 나타낸 도면으로, 플라이 애쉬의 경우와 매우 유사한 결과를 보여주고 있다. 이는 버톰 애쉬의 주성분이 12∼18% 함유된 미연탄분과 함께 플라이 애쉬와 마찬가지로 주로 Al₆SiO₁₃과 SiO₂로 이루어져 있음을 나타낸다.

즉, 본 발명자들이 물리, 화학적 분석을 통해 버톰 애쉬를 평가하여 본 결과, 건설재료로 활용하는데 무리가 없는 것이 확인되었다.

최종적으로 버톰 애쉬를 콘크리트 배합용 골재로 사용하여 이 재료가 콘크리트에 혼입되었을 때, 콘크리트 강도 및 내구성 등 품질확보 상에 유해한 영향을 미치는지를 검토하여 모래 대체재로써의 활용성 유무에 대해 평가하였다. 설계강도는 일반 구조물에서 활용되고 있는 210∼300kgf/cm²의 범위에서 강모래에 대한 버톰 애쉬의 대체 비율을 변경하면서 콘크리트 배합비 및 강도에 미치는 영향을 평가하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 강모래만을 사용한 콘크리트 배합비를 버톰 애쉬를 혼입한 콘크리트에 그대로 적용하였을 때 대체율에 따른 슬럼프의 변화를 나타낸 도면으로, 대체율이 증가할수록 슬럼프의 저하가 크게 나타나고 있어 버톰 애쉬를 혼입하여 사용할 경우에는 반드시 감수제나 배합수의 증가가 필요하다는 것을 의미한다. 또, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 강모래를 사용한 콘크리트 배합비를 버톰 애쉬를 혼입한 콘크리트에 동일하게 적용하였을 때 공기량 변화를 측정한 도면으로, 다소 공기량의 저하가 나타나고 있으나 시방서에서 규정하고 있는 허용오차 범위 ±1%내에 존재하고 있어 대체율에 따른 공기량 저하의 우려는 그리 크지 않다는 것을 나타낸다.

표 2 및 표3과 도 5 및 도 6은 그 대표적인 실시예만을 나타낸 것으로, 설계강도는 현재 구조물에서 가장 많이 적용하고 있는 270kgf/cm²로 하고, 물-시멘트 비(W/C)는 40%와 45%에 대해 나타낸 것이다.

이 때, 버톰 애쉬의 효과를 검토하기 위해 강모래만을 사용하였을 때의 배합비를 버톰 애쉬 대체 비율에 관계없이 그대로 적용하여 슬럼프 량을 측정한 결과, 아래 표와 도 5 및 도 6과 같이 워커빌리티를 나타내는 슬럼프는 버톰 애쉬를 소량 대체하여도 급격하게 감소되었으며, 20%이상 대체할 경우에는 거의 슬럼프가 측정되지 않아 작업이 곤란한 것으로 나타났다.

이는 버톰 애쉬에 포함되어 있는 내부 기공이 콘크리트 배합시 물을 흡수하여 발생된 것으로 작업성, 즉 워커빌리티를 향상시키기 위해서는 일반 강모래만을사용하였을 때보다 배합수나 감수제의 증가가 필요하다는 것을 나타낸다. 그러나, 공기량에 있어서는 버톰 애쉬의 대체 비율을 증가시킬수록 공기량이 다소 감소되는 경향이 있으나 그 영향은 그리 심각하지 않는 것으로 나타났다.

표 2동일 배합조건에서의 슬럼프 및 공기량 변화 (강도 270kgf/cm², W/C=45%, s/a=47%)

번호	단위량(kg/m³)	감수제(g/m³)	AE제(g/m³)	측정치
번호	물	감수제(g/m³)	AE제(g/m³)	시멘트	모래	B/A	자갈	슬럼프(cm)	공기량(%)
B00(270-45)	166	369	821	0	962	488	110.7	12.0	4.5
B05(270-45)	166	369	780	33	962	488	110.7	6.5	4.2
B10(270-45)	166	369	739	66	962	488	110.7	4.0	4.3
B20(270-45)	166	369	657	133	962	488	110.7	3.3	3.7
B40(270-45)	166	369	493	265	962	488	110.7	0	3.0
B60(270-45)	166	369	329	398	962	488	110.7	-	-
B80(270-45)	166	369	164	531	962	488	110.7	-	-
BP (270-45)	166	369	0	664	962	488	110.7	-	-

또한, 강도 270kgf/cm²의 조건에서 물-시멘트 비를 45%로 고정하고 슬럼프를 콘크리트 시방서에서 제시하고 있는 규준치인 12cm가 되도록 하여 추가되는 감수제의 소요량을 측정하였다. 표 4는 그 결과를 나타낸 것으로 감수제만을 슬럼프 조절용으로 조정할 경우, 버톰 애쉬가 증가할수록 그 소요량은 증가되고 그 한계는 모래 대체 비율이 20%이하일 때로 나타났다. 대체 비율이 이 이상일 때에는 많은 양의 감수제를 사용하여야 하므로 비경제적일 뿐만 아니라, 다량의 감수제 사용에 따른 경화 지연으로 인해 콘크리트 품질에 악영향을 미친다.

따라서, 20%이상 버톰 애쉬를 모래와 대체하여 사용하고자 할 때에는 반드시 배합수의 증가가 필요하게 된다. 공기량에 있어서는 상술한 바와 같이, 버톰 애쉬의 대체 비율이 증가할수록 소량의 AE제를 추가하여도 목표로 하는 소정의 공기량 확보가 가능한 것이 확인되었다.

표 3동일 배합조건에서의 슬럼프 및 공기량 변화 (강도 270kgf/cm², W/C=40%, s/a=47%)

번호	단위량(kg/m³)	감수제(g/m³)	AE제(g/m³)	측정치
번호	물	감수제(g/m³)	AE제(g/m³)	시멘트	모래	B/A	자갈	슬럼프(cm)	공기량(%)
B00(270-40)	166	415	804	0	941	976	124.7	12	4.1
B05(270-40)	166	415	763	32.5	941	976	124.7	7	3.5
B10(270-40)	166	415	723	64.9	941	976	124.7	6	3.4
B20(270-40)	166	415	643	130	941	976	124.7	3	2.7
B40(270-40)	166	415	482	260	941	976	124.7	0	3.1
B60(270-40)	166	415	321	389	941	976	124.7	-	-
B80(270-40)	166	415	161	519	941	976	124.7	-	-
BP (270-40)	166	415	0	649	941	976	124.7	-	-

표 4슬럼프를 고정한 상태에서의 소요 감수제 변화 (강도 270kgf/cm², s/a=47%, 슬럼프=12cm) 기본 W/C=45%

번호	단위량(kg/m³)	감수제(g/m³)	AE제(g/m³)	측정치
번호	물	감수제(g/m³)	AE제(g/m³)	시멘트	모래	B/A	자갈	슬럼프(cm)	공기량(%)
B00(270-45)	166	369	821	0	962	488	110.7	12.0	4.5
B05(270-45)	166	369	780	33	962	600	110.7	12.0	4.4
B10(270-45)	166	369	739	66	962	2,941	110.7	12.0	4.0
B20(270-45)^*	173	369	657	133	962	4,706	117.6	12.5	3.0
B40(270-45)^*	187	369	493	265	962	4,706	123.5	12.0	4.8

주 : * 감수제의 사용량을 4,706g/m³으로 고정한 후 소요 슬럼프 확보를 위 해 배합수를 추가함

이상의 배합비를 토대로 여러 번의 실험을 거쳐 재령에 따른 콘크리트 강도를 측정한 대표적인 결과의 예는 도 7과 같다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 버톰 애쉬를 강모래 대체재로 일부 치환하여 사용하였을 때의 재령에 따른 강도변화를 도시한 도면으로서, 일반 건설에서 사용하고 있는 강도범위에서는 문제가 없는 것을 나타내고 있으며, 일반 강모래에서는 기대할 수 없는 장기재령에 따른 강도상승효과가 나타났다.

도 7 상에서 볼 때, 모든 경우에 있어 28일 설계기준강도 270kgf/cm²(배합강도 310kgf/cm², 할증 15%적용) 이상을 모두 만족하고 있으며, 버톰 애쉬를 일부 모래 대체재로 사용하였을 때가 단순히 강모래만을 사용하였을 때보다 강도의 상승효과가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

특히, 버톰 애쉬를 모래량의 10% 대체하였을 때에 가장 높은 강도 상승이 발생하고 있는데, 이와 같은 현상이 발생된 이유를 살펴보면 콘크리트 배합시 버톰 애쉬가 배합수를 흡수함으로써 물-시멘트비가 낮아져 강도 상승이 발생된 것이라 할 수 있다. 그 일례를 나타내는 것이 버톰 애쉬를 20%나 40%로 대체량을 증가시킬 경우, 대체율이 증가할수록 오히려 강도가 감소되었다. 이 대체범위에서는 감수제 사용량의 한계로 인해 소요 슬럼프를 얻기 위해 감수제 대신 단위수량을 증가시켰기 때문에 물-시멘트비가 상승하게 되어 강도 저하가 발생하였다.

그러나, 단순히 모래만을 적용하였을 때의 강도보다는 높게 측정되고 있어 버톰 애쉬는 유효한 모래 치환재임을 알 수 있으며, 설계기준강도에 따라 다르겠으나 감수제의 사용량을 줄이기 위해 강모래만 사용한 배합비의 단위수량에 비해5∼15%정도 수량을 증가시켜도 강모래만을 이용한 콘크리트와 거의 동일한 강도를 얻을 수 있었다.

또한, 주지하여야 할 사항으로 도 7과 같이 강모래를 사용하였을 때에는 28일 강도가 14일 강도에 비해 강도 상승이 그리 크지 않고 있으나, 버톰 애쉬를 골재로 사용한 경우에는 지속적인 강도 상승이 나타나고 있다. 이는 버톰 애쉬가 플라이 애쉬와 마찬가지로 성분상 약간의 잠재수경성을 갖고 있어 발생한 것이라 판단되며, 강모래 사용에서는 고려할 수 없는 콘크리트 배합 설계시 장기 강도 발현을 이용할 수 있는 장점이 있다.

이상의 결과를 종합하면, 버톰 애쉬는 강모래 대체재로써 일부를 치환하여 사용할 경우, 현재 구조물에 적용되고 있는 일반 강도 확보에 전혀 문제가 없는 재료임이 확인되었다. 또한, 버톰 애쉬의 흡수성으로 인해 배합시 발생되는 작업성 즉, 워커빌리티의 저하는 강모래를 이용한 일반 배합비보다 단위수량을 다소 크게 하여도 거의 동일, 혹은 그 이상의 강도발현이 발생되며 오히려 강모래에서는 기대할 수 없는 장기 강도 발현이 나타났다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트에 의하면, 화력발전소의 부산물인 버톰 애쉬를 현재 구조물에서 사용되고 있는 콘크리트 강도의 범위에서 강모래에 대신 치환 사용하여도 강도나 내구성 상에 문제가 없으며, 일반 콘크리트에서 사용된 단위수량보다 다소 크게 하여도 본 재료의 흡수성 때문에 거의 동등하거나 그 이상의 강도 발현을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 오히려 강모래를 사용하였을 때에는 기대할 수 없었던 장기 강도발현이 나타난다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명의 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트에 의하면, 버톰 애쉬를 콘크리트의 골재 대체용으로 사용함으로써 골재고갈에 따른 문제점 해결은 물론이고 폐기 매립 처리되고 있는 폐기물을 건설자원으로 활용함으로써 환경보존에도 기여하게 된다는 효과도 얻어진다.

Claims

물, 시멘트, 모래, 자갈, 감수제, 배합수 등을 배합하여 사용하는 콘크리트 조성물에 있어서,

상기 콘크리트는 배합 강도 210∼300kgf/cm²의 범위에서 사용되며,

상기 모래의 대체재로써 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 입경 5㎜이하의 버톰 애쉬가 상기 모래의 단위량의 5% 내지 40% 첨가된 것을 특징으로 하는 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물.
제 1항에 있어서,

상기 버톰 애쉬는 상기 모래의 단위량의 10%가 첨가된 것을 특징으로 하는 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물.
제 1항에 있어서,

상기 버톰 애쉬의 입형은 대략 원형인 것을 특징으로 하는 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 버톰 애쉬는 화력발전소에서 배출된 후 미립분이 유실되지 않도록 살수 처리되는 것을 특징으로 하는 버톰 애쉬를 사용한 콘크리트 조성물.