KR100620602B1 - 소각재 및 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 혼합 시멘트조성물, 이를 함유하는 모르타르 및 콘크리트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소각재 및 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 혼합 시멘트 조성물, 이를 이용하여 제조된 모르타르 및 콘크리트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생활폐기물 쓰레기 소각장에서 발생하는 비산재 또는 바닥재 등의 소각재와 규조토, 플라이애쉬 등의 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 혼합 시멘트 조성물, 이를 이용하여 제조된 모르타르 및 콘크리트에 관한 것이다. 본 발명의 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조된 모르타르 및 콘크리트는 일반 시멘트만을 이용한 모르타르 및 콘크리트에 비하여 우수한 압축강도 증진 효과를 보이고, 또한 소각재중에 포함되어 있는 다양한 종류의 중금속에 대한 우수한 고정효과를 가지므로, 인체에 유해한 중금속을 다량 함유하고 있어 매립이 금지되어 있는 소각재에 대한 재활용 방안으로 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 소각재 및 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 혼합 시멘트 조성물, 이를 이용하여 제조된 모르타르 및 콘크리트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생활폐기물 쓰레기 소각장에서 발생하는 소각재와 규조토, 플라이애쉬 등의 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 혼합 시멘트 조성물, 이를 이용하여 제조된 모르타르 및 콘크리트에 관한 것이다.
국민생활 수준이 향상됨에 따라 건설 폐기물 및 생활폐기물의 발생량도 급증하여 사회 및 환경 문제를 야기시키고 있다. 환경부는 폐기물의 발생과 처리상황, 종류별 발생량, 지역적 분포 및 변화추세 등을 파악하기 위하여 전국폐기물통계조사를 5년마다 실시하고 있는데, 2001년∼2002년도 조사 자료에 의하면 5년 전에 비해 쓰레기 발생량은 30% 줄어든 반면 재활용품은 21% 증가하였으며, 대형폐기물과 국립공원 등에서 발생되는 쓰레기는 126% 증가하였다(환경부 환경백서 2000). 이 렇게 발생된 생활 쓰레기는 주로 소각에 의해 처리되고 있는데, 최근 쓰레기 소각시에 다이옥신 등과 같은 인체에 유해한 환경호르몬들이 다량 발생되는 것으로 밝혀지면서 쓰레기 소각 및 소각재의 처리가 새로운 환경문제로 대두되고 있다. 소각재는 크게 비산재(FA, fly ash)와 바닥재(BA, bottom ash)로 분류되는데, 이들 소각재 중에는 환경호르몬 뿐만 아니라 인체에 유해한 중금속들이 다량 함유되고 있으므로 일반 매립지에는 이들 소각재의 매립이 금지되어 있다.
2000년 기준으로 국내 대형 생활폐기물 소각시설에서는 연간 약 30여만톤 정도의 소각재가 주로 지정폐기물 매립지나 공해상에서 처리되고 있다. 1일 50톤 이상 생활쓰레기 소각시설에서 발생되는 소각재는 전체 소각량의 14.7%∼19.5% (평균 16.2%) 정도로 추정되고 있으며, 이중 약 5∼10%는 비산재이고 90∼95%는 바닥재이다. 소각재에는 Pb, Cu, Cr, Hg 등의 유해 중금속 및 미량의 다이옥신 등이 함유되어 있기 때문에 대개 고화재(固化材)와 일반 시멘트를 소각재 무게의 10∼30% 정도로 첨가하여 안정화시킨 후 매립처리하고 있는데, 이러한 화학적 안정화 처리는 소각재의 재활용 대상이 아니고 단지 관리형 매립에 불과하므로 이들 소각재에 대한 적정처리 방법의 개발이 시급한 실정이다(이수구, 도시 폐기물 소각재 처리현황 및 관리방안, 서울특별시 토론회 자료집, 서울산업대, 1999).
한편, 본 발명자들은 쓰레기를 비롯한 산업폐기물에 존재하는 유해한 중금속 물질들을 제거하기 위한 방법을 개발하기 위해 노력한 결과, 전기로에서 발생되는 제강 분진을 분쇄한 후 독성여과공정을 거쳐 얻어지는 중금속 용액에 분쇄된 규조토를 섞어서 함침시키고 건조시킨 다음, 상기 규조토를 보통의 포틀랜드 시멘트와 혼합시킴으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 부식 방지용 시멘트 모르타르를 개발하였고 이를 특허등록받은 바 있다(등록번호 제197795호). 그러나, 상기 방법은 산업폐기물에 존재하는 유해한 중금속을 제거하는 데는 매우 유용하게 사용될 수 있으나 폐기물 자체의 재활용 방안과는 거리가 멀고, 또한 중금속을 제거한 후 남은 폐기물을 별도로 처리해야 하는 등의 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 소각재에 존재하는 유해한 중금속 물질이 주위 환경으로 배출되는 것을 방지하고, 또한 소각재를 산업현장에서 유용하게 사용될 수 있는 재활용 자원으로 이용할 수 있는 방안에 대하여 연구한 결과, 소각재 및 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 혼합 시멘트 조성물을 제조하였고, 상기 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조되는 모르타르 및 콘크리트가 일반 시멘트를 이용하여 제조되는 모르타르 및 콘크리트에 비하여 우수한 압축강도 증진 효과를 보이며, 아울러 소각재중에 포함되어 있는 다양한 종류의 유해 중금속에 대한 우수한 고정효과를 가진다는 것을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 소각재 및 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 혼합 시멘트 조성물과, 상기 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하며 우수한 압축강도 증진 효과 및 소각재중에 포함되어 있는 다양한 종류의 중금속에 대한 우수한 고정효과를 보이는 모르타르 및 콘크리트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소각재 및 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 시멘트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조되는 모르타르를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조되는 콘크리트를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 소각재 및 포졸란 물질을 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 시멘트 조성물을 제공한다.
상기에서, "소각재"는 쓰레기 소각시설에서 생활쓰레기를 소각하고 남은 물질들을 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 바닥에 가라앉는 바닥재와 공중에 부유하는 비산재로 구분하였다. 본 발명의 혼합 시멘트 조성물에 있어서, 소각재는 바닥재와 비산재가 단독으로 사용되거나 또는 이들이 혼합되어 사용될 수 있으며, 총 혼합 시멘트 조성물 질량에 대하여 1 내지 30 중량% 포함되는 것이 바람직하고, 5 내지 20 중량% 포함되는 것이 더욱 바람직하며, 10 중량% 포함되는 것이 가장 바람직하다.
또한, "포졸란 물질"은 주로 실리카 물질로 구성되어 있으며 시멘트 수화반응시 생성된 석회와 상온에서 서서히 반응을 일으켜 불용성 화합물을 생성시킴으로써 경화되어 모르타르 및 콘크리트의 강도 증진에 기여하는 성질을 지니고 있는 물질을 통칭하는 것으로서, 천연 포졸란 물질에는 규조토, 화산재, 규산백토, 규산토 등이 있고 인공 포졸란 물질에는 열처리한 점토나 혈암, 플라이애쉬 등이 있다. 본 발명의 혼합 시멘트 조성물에는 상기와 같은 천연 및/또는 인공 포졸란 물질이 제한 없이 사용될 수 있고, 이들이 단독 또는 혼합되어 사용될 수 있으며, 규조토, 비산재 또는 번트 클레이(burnt clay)가 사용되는 것이 바람직하고, 규조토가 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 포졸란 물질은 총 혼합 시멘트 조성물 질량에 대하여 1 내지 30 중량% 포함되는 것이 바람직하고, 5 내지 20 중량% 포함되는 것이 더욱 바람직하며, 10 중량% 포함되는 것이 가장 바람직하다.
또한, 시멘트는 1종 보통 시멘트, 2종 중용열 시멘트, 3종 조강 시멘트, 4종 저열 시멘트 및 5종 내황산염 시멘트로 구성된 군으로부터 선택되는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement)를 사용하는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 초조강 시멘트, 초속경 시멘트, 마이셈, 고강도 시멘트, 알루미나 시멘트, 방통 시멘트 및 슬래그 시멘트로 구성된 군으로부터 선택되는 특수 시멘트를 사용할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 포항지구에서 생산되는 규조토를 하소(calcination)하여 활성화시킨 가소성 규조토를 사용하였고, 소각재는 서울 및 경기 지역에 위치한 소각장에서 수집한 4종류의 비산재와 3종류의 바닥재를 사용하였으며, 이를 이용하여 다양한 비율의 혼합 시멘트 조성물을 제조하였다(표 1 내지 표 3 참조). 소각재에 포함된 화학성분을 분석한 결과, 소각재의 화학성분은 일반 시멘트의 화학성분과 전체적으로 유사하나 그 성분비율에는 약간의 차이가 있으며, 소각재의 종류에 따라서도 화학성분의 비율에 차이가 있었다(표 4 참조). 또한, 중금속 함량의 경우 비산재에서는 대체적으로 허용기준치를 만족하였으나 Pb 및 Cu 등의 일부 중금속 원소의 경우에는 허용기준치를 초과하는 경우가 발생하였고, 바닥재의 경우에도 대체적으로 중금속 함량이 허용기준치를 만족하였으나 Pb의 경우에는 허용기준치를 훨씬 초과하는 경우가 발생하였으므로(표 5 참조) 이에 대한 적절한 안전처리 대책이 절실히 필요함을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조되는 모르타르 또는 콘크리트를 제공한다.
상기에서, "모르타르"는 시멘트와 모래를 물로 반죽한 것을 의미하고, "콘크리트"는 시멘트가 물과 반응하여 굳어지는 수화반응(水和反應)을 이용하여 골재(骨材)를 시멘트풀(시멘트를 물로 개어 풀처럼 만든 것)로 둘러싸서 다진 것을 말하는 것으로서, 통상적으로 굵은 골재(자갈), 가는 골재(모래) 및 시멘트를 물로 반죽한 것을 의미한다. 본 발명의 모르타르 또는 콘크리트는 상기 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하며, 모르타르의 경우에는 본 발명의 혼합 시멘트 조성물 15 내지 25 중량%, 모래 40 내지 55 중량% 및 물 25 내지 40 중량%를 서로 반죽하여 제조되는 것이 바람직하며, 콘크리트의 경우에는 본 발명의 혼합 시멘트 조성물 10 내지 25 중량%, 모래 25 내지 35 중량%, 자갈 25 내지 35 중량% 및 물 20 내지 40 중량%를 서로 반죽하여 제조되는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 다양한 함량비의 포졸란 물질과 소각재를 함유하는 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 모르타르 및 콘크리트를 제조하였다(표 2, 표 3 및 표 10 참조).
본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조된 모르타르 및 콘크리트 공시체의 중금속 유출 정도와 압축 강도에 대하여 측정해 본 결과, 비산재와 혼합적정량(10%)의 규조토를 혼합한 모르타르에서의 중금속 이온 용출량은 혼합시킨 비산재의 종류에 따라 다소간의 차이가 있었으나 대체적으로 유해중금속이 거의 고정되어(약 95% 이상) 용출량이 국내 환경기준을 만족하였다. 또한, 바닥재와 10% 규조토를 혼합시킨 모르타르의 경우에도 유해중금속이 99% 이상 고정되어 용출량이 국내 환경기준을 만족시켰다. 특히, 일부 바닥재에서 34∼149 ppm 정도로 높은 함량을 보였던 Pb는 0.4 ppm 정도만이 용출되어 완전한 고정율을 보였으며, Cu, Hg, Cr 등의 이온들도 시멘트 페이스트의 수화물내에 고정화되거나 수화생성물로 변이하면서 용출량이 감소되는 효과를 얻었다(표 7 참조).
본 발명의 혼합 시멘트 조성물을 포함하는 모르타르 및 콘크리트의 압축강도의 경우, 비산재를 시멘트에 대체하여 제조한 모르타르의 재령 28일 압축강도는 비산재를 혼합하지 않은 모르타르에 비하여 약 14∼15% 증가되었고, 비산재를 잔골재에 대체하여 제조한 모르타르의 재령 28일 압축강도의 경우에는 비산재를 혼합하지 않은 모르타르에 비하여 39∼54% 증가됨으로써, 본 발명의 혼합 시멘트 조성물을 사용하여 모르타르를 제조하였을 때 우수한 압축강도 증진 효과가 있음을 확인하였다(표 9 참조). 또한, 비산재와 규조토를 포함하는 본 발명의 혼합 시멘트 조성물로 제조한 콘크리트의 압축강도는 보통 포틀랜드 시멘트만을 사용하여 제조한 콘크리트에 비하여 40∼80% 증가되었다(표 11 참조).
이하, 본 발명의 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하 기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 혼합 시멘트 조성물 및 모르타르의 제조
<1-1> 활성 규조토의 제조
본 발명자들에 의해 등록된 특허(등록번호 제197795호)에 기재된 공정에 준하여 활성 규조토를 제조하였다. 규조토는 담수와 해수의 경계에서 번식하는 규조류가 침적하여 긴 세월동안 원형질 및 그 밖의 다른 유기물들이 부패·분해되고 남은 광물질 유해인 규각으로 구성되어 있으며, 미세한 기공이 무수히 함유되어 있기 때문에 가볍고 흡수력이 매우 높은 성질이 있다. 규조토는 시멘트 첨가제인 포졸란 물질로 사용되고 있으며, 여러 가지 불순물이 섞여 있기 때문에 본 발명에서는 유기물을 하소한 후 정제하여 사용하였다. 규조토를 활성화시키기 위해서는 대개 낮은 온도에서 하소를 하게 되는데 이때의 하소온도는 490∼710℃가 최적인 것으로 알려져 있다(Nam. W. Lim, et al, "Effect of Sodium Hydoxide on the Shear Strength of Thermally Decomposed Clays", University of New South Wales, Kensington, NSW, Australia, UNICIV Report No. R-219, 1984; Nam. W. Lim and A.W. Manton-Hall, "Pozzolanic Activity of Calcined Diatomite in Relation to Temperature and Time", University of New South Wales, Kensington NSW Australia, UNICIV Report No. R-230, 1986). 본 발명에서는 포항지구에서 생산되는 규조토를 650℃에서 0.5시간 동안 하소하여 활성화시켰으며, 이를 가소성 규조토 "D650"이라 명명하였다.
<1-2> 소각재의 제조
소각재는 서울 및 경기 지역에 위치한 소각장에서 모두 4종류의 비산재(FA, fly ash)와 3종류의 바닥재(BA, bottom ash)를 수집하였다. 비산재(FA)는 수집된 소각장의 위치에 따라 FA1, FA2, FA3 및 FA4라 구분하였으며, 이들을 각각 양천소각장, 대덕소각장, 강남소각장 및 일산소각장을 나타낸다. 또한, 바닥재(BA)는 BA1, BA2, BA3로 구분하였으며, 각각 양천소각장, 대덕소각장, 강남소각장 및 일산소각장을 나타낸다.
<1-3> 혼합 시멘트 조성물 및 모르타르의 제조
본 발명자들은 시멘트와 첨가제인 D650 및 소각재를 함유하는 혼합 시멘트 조성물을 제조하였다. 이때, 원료 시멘트로는 보통의 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 모르타르 및/또는 콘크리트에 사용하기 적합한 D650 및 소각재의 비율을 조사하기 위하여 비산재(FA) 및 바닥재(BA)를 잔골재(모래) 중량에 대하여 각각 10%씩 대체하여 사용하였으며, D650은 포틀랜드 시멘트에 대하여 0 내지 20%, 시멘트와 잔골재의 비율 1:3, 목표 플로우 110±10으로 하여 배합을 선정하였다.
하기 표 1 내지 표 3에 실험에 사용한 다양한 비율의 모르타르 배합비를 나타내었다.
[표 1]
D650 첨가에 따른 모르타르 배합(%)
| 번호 | OPC | D650 | 모래 | 전체 | 물 |
| 1 | 29.0 | - | 71.0 | 100 | 41.0 |
| 2 | 27.55 | 1.45 | 71.0 | 100 | 41.0 |
| 3 | 26.10 | 2.90 | 71.0 | 100 | 42.0 |
| 4 | 23.20 | 5.80 | 71.0 | 100 | 46.0 |
[표 2]
비산재를 혼합한 모르타르 배합(%)
| 번호 | OPC | D650 | 모래 | FA1 | FA2 | FA3 | FA4 | 전체 | 물 |
| 5 | 27.55 | 1.45 | 61.0 | 10.0 | - | - | - | 100 | 50.0 |
| 6 | 26.10 | 2.90 | 61.0 | 10.0 | - | - | - | 100 | 50.0 |
| 7 | 23.20 | 5.80 | 61.0 | 10.0 | - | - | - | 100 | 48.0 |
| 8 | 27.55 | 1.45 | 61.0 | - | 10.0 | - | - | 100 | 79.0 |
| 9 | 26.10 | 2.90 | 61.0 | - | 10.0 | - | - | 100 | 40.0 |
| 10 | 23.20 | 5.80 | 61.0 | - | 10.0 | - | - | 100 | 43.0 |
| 11 | 27.55 | 1.45 | 61.0 | - | - | 10.0 | - | 100 | 58.0 |
| 12 | 26.10 | 2.90 | 61.0 | - | - | 10.0 | - | 100 | 56.0 |
| 13 | 23.20 | 5.80 | 61.0 | - | - | 10.0 | - | 100 | 58.0 |
| 14 | 27.55 | 1.45 | 61.0 | - | - | - | 10.0 | 100 | 56.0 |
| 15 | 26.10 | 2.90 | 61.0 | - | - | - | 10.0 | 100 | 57.0 |
| 16 | 23.20 | 5.80 | 61.0 | - | - | - | 10.0 | 100 | 48.0 |
[표 3]
바닥재를 혼합한 모르타르 배합(%)
| 번호 | OPC | D650 | 모래 | BA1 | BA2 | BA3 | 전체 | 물 |
| 3 | 26.10 | 2.90 | 71.0 | - | - | - | 100 | 42.0 |
| 17 | 26.10 | 2.90 | 61.0 | 10.0 | - | - | 100 | 35.0 |
| 18 | 26.10 | 2.90 | 61.0 | - | 10.0 | - | 100 | 40.0 |
| 19 | 26.10 | 2.90 | 61.0 | - | - | 10.0 | 100 | 39.0 |
상기 표 1 내지 표 3에서, OPC는 보통의 포틀랜드 시멘트를 나타낸다.
<실험예 1> 시료의 특성 분석
<1-1> 화학성분 분석
본 발명자들이 사용한 소각재 시료 및 시멘트에 포함된 화학성분을 분석하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
[표 4]
시료의 화학적 성질 (wt%)
| 성분 | 시멘트 | 비산재 | 바닥재 | |||||
| FA1 | FA2 | FA3 | FA4 | BA1 | BA2 | BA3 | ||
| SiO2 | 18.8 | 5.31 | 33.30 | 38.10 | 27.50 | 6.88 | 11.10 | 7.11 |
| Na2O | 1.07 | 6.02 | 3.41 | 4.51 | 3.58 | 8.24 | 7.06 | 5.82 |
| MgO | 3.68 | 3.06 | 1.20 | 2.05 | 2.02 | 2.51 | 4.47 | 1.96 |
| K2O | 0.8 | 4.30 | 1.71 | 1.50 | 1.52 | 5.62 | 5.74 | 3.98 |
| CaO | 63.11 | 37.80 | 18.30 | 19.50 | 20.10 | 28.30 | 25.60 | 38.90 |
| Fe2O3 | 3.63 | 0.64 | 3.86 | 5.95 | 9.77 | 0.63 | 0.72 | 0.79 |
| MnO | - | 0.02 | 0.04 | 0.14 | 0.12 | 0.02 | 0.09 | 0.03 |
| Al2O3 | 6.72 | 2.85 | 12.80 | 8.92 | 10.20 | 2.87 | 5.18 | 3.41 |
| P2O3 | - | 0.76 | 0.98 | 2.30 | 2.73 | 0.67 | 0.89 | 0.91 |
| LOI | 0.8 | 35.40 | 19.60 | 11.50 | 14.00 | 44.20 | 37.60 | 34.40 |
상기 결과로부터 알 수 있듯이, 소각재의 화학성분은 시멘트의 화학성분과 전체적으로 유사하였으나 그 성분비율에는 약간의 차이가 있었으며, 또한 소각재의 종류에 따라서도 화학성분의 비율에 차이가 있음을 확인하였다.
<1-2> 소각재 중에 함유된 중금속 함량 분석
소각재 중에 함유되어 있는 중금속은 자연환경을 훼손하고 인체에 유해하므로 이에 대한 충분한 검토와 대책이 필요하다. 소각재 중에 함유된 중금속 이온의 용출 정도를 측정하기 위하여, 먼저 9.5 ㎜ 체를 통과하고 2.5 ㎜ 체에 남는 시료에 증류수를 넣은 후, 0.5 N 아세트산으로 pH 4.9±0.2가 되도록 조정하였다. 교반속도 200 rpm으로 교반하여 중금속을 용출시켰으며, 원자흡광 분석기를 이용하여 시료속에 함유된 중금속의 함량을 분석하였고, 그 결과를 표 5에 나타내었다.
[표 5]
소각재 중의 중금속 함량 (㎎/ℓ)
| 시료 | Pb | Cu | As | Hg | Cd | Cr6+ |
| FA1 | 33.2 | 0.142 | 0.035 | 0.0033 | 0.003 | 0.690 |
| FA2 | 0.648 | 5.92 | 0.028 | 0.0017 | 0.002 | 0.689 |
| FA3 | 2.84 | 2.87 | 0.016 | 0.0015 | N.D. | 0.023 |
| FA4 | 0.127 | 1.20 | 0.014 | 0.0006 | N.D. | 0.039 |
| BA1 | 149.0 | 0.703 | 0.027 | 0.0033 | 0.003 | 0.300 |
| BA2 | 34.4 | 0.285 | 0.020 | 0.0022 | 0.002 | 0.686 |
| BA3 | 1.49 | 0.47 | 0.02 | 0.0031 | 0.002 | 0.201 |
| 허용치 | 3.00 | 3.00 | 1.500 | 0.005 | 0.300 | 1.500 |
N.D.(No Detection) : 불검출
상기 결과로부터 알 수 있듯이, 비산재의 경우에는 대체적으로 중금속 함량이 허용기준치를 만족하였으나 Pb 및 Cu의 경우에는 허용기준치를 초과하는 경우도 발생하였다. 또한, 바닥재의 경우에도 대체적으로 중금속 함량이 허용기준치를 만족하였으나 Pb의 경우에는 허용기준치를 훨씬 초과하는 경우가 발생하였으므로 이에 대한 안전처리 대책이 절실히 필요함을 확인하였다.
<실험예 2> 소각재 함유 모르타르의 특성 분석
<2-1> 유동성 및 압축강도 측정
D650의 최적비율 및 바닥재와 D650의 혼합비율을 조절하여 혼합한 모르타르의 유동성 및 재령 7 및 28일의 압축강도를 측정하였다. 구체적으로, 표 1 내지 표 3의 조성을 가지는 5 ㎝ ×5 ㎝ ×5 ㎝의 모르타르 공시체를 제작하여 20±1℃의 수중에서 양생한 후, 재령 7 및 28일에 KS L 5105 에 준하여 모르타르의 압축강도를 측정하였다.
모르타르가 동일한 유동성을 얻기 위한 단위수량은 시료의 종류에 따라 변한다. 즉, 소각재는 미분말이므로 표준 플로우값을 얻기 위해서는 단위수량을 첨가해야 하며, 이 때 측정된 플로우 값과 물-시멘트비를 플로우 상수로 정의하여 수학 식 1과 같이 계산함으로써 소각재 종류별 유동성을 평가하였다. 하기 식으로부터 플로우 상수가 클수록 첨가수량이 작게 되고, 또한 유동성이 크게됨을 알 수 있다.
[수학식 1]
상기에서, FLc는 플로우 상수, FL은 플로우 값, W/C는 물과 시멘트의 비를 나타낸다.
상기와 같은 방법으로 모르타르의 유동성 및 압축강도 측정하였으며, 그 결과를 표 6에 나타내었다.
[표 6]
모르타르 시료의 플로우 및 압축강도 측정
| 번호 | 플로우 값 (㎜) | 플로우 상수 (㎜/%) | 압축강도 및 압축강도 비율 | |||
| 7일 | 28일 | |||||
| ㎏f/㎠ | % | ㎏f/㎠ | % | |||
| 1 | 114 | 2.78 | 348 | 100.00 | 357 | 100.00 |
| 2 | 112 | 2.74 | 341 | 97.99 | 429 | 120.17 |
| 3 | 113 | 2.70 | 367 | 105.46 | 458 | 128.29 |
| 4 | 112 | 2.44 | 307 | 88.22 | 404 | 113.17 |
| 5 | 109 | 2.18 | 154 | 44.25 | 232 | 64.99 |
| 6 | 114 | 2.28 | 151 | 43.39 | 239 | 66.95 |
| 7 | 115 | 2.40 | 140 | 40.23 | 210 | 58.82 |
| 8 | 112 | 2.87 | 205 | 58.91 | 316 | 88.52 |
| 9 | 113 | 2.83 | 215 | 61.78 | 364 | 101.96 |
| 10 | 115 | 2.68 | 209 | 60.06 | 373 | 104.48 |
| 11 | n.f | 0.00 | 268 | 77.01 | 290 | 81.23 |
| 12 | n.f | 0.00 | 256 | 73.56 | 320 | 89.64 |
| 13 | n.f | 0.00 | 251 | 72.13 | 310 | 86.83 |
| 14 | n.f | 0.00 | 195 | 56.03 | 325 | 91.04 |
| 15 | n.f | 0.00 | 199 | 57.18 | 287 | 81.04 |
| 16 | n.f | 0.00 | 203 | 58.33 | 252 | 70.59 |
| 17 | 106 | 3.10 | 315 | 90.52 | 350 | 98.04 |
| 18 | 115 | 2.90 | 331 | 95.11 | 414 | 115.97 |
| 19 | 110 | 2.85 | 337 | 96.84 | 397 | 111.20 |
상기 결과로부터 알 수 있듯이, D650의 혼합비율이 증가함에 따라 유동성이 떨어졌으며(2번 내지 4번 시료 참조) 동시에 비산재 및 바닥재의 종류에 따라 모르타르의 유동성이 다소 상이함을 알 수 있었다. P2O3 성분이 1% 이상 함유되어 있는 FA3 및 FA4의 플로우 값은 급결현상이 발생하여 측정할 수 없었다(11번 내지 16번 시료 참조). 또한, 바닥재가 혼합된 모르타르의 유동성은 기준 모르타르에 비하여 양호하였다(17번 내지 19번 시료 참조). 이는 시멘트의 이상응결을 일으키는 화학성분이 D650을 혼합함으로써 안정화되었기 때문으로 추측된다.
D650의 최적 혼합비율은 10%로 나타났으며, 소각재를 혼합한 시멘트 모르타르에 D650을 10%의 혼합비율로 혼합할 때 기준 모르타르에 비하여 약 35% 정도 압축강도가 강화되었다(1번 내지 4번 시료의 압축강도 참조). 비산재와 D650을 혼합한 모르타르의 압축강도를 비교해 본 결과, 일반 모르타르는 재령 28일에 357 ㎏f/㎠ 정도의 압축강도를 보였으나, 비산재 FA1, FA3, FA4를 포함한 경우에는 D650 혼합비율이 증가함에 따라 압축강도가 감소하였다. 그러나, 비산재 FA2를 혼합한 모르타르의 압축강도는 D650 혼합비율이 10% 및 20%인 경우에 각각 일반 모르타르보다 2% 및 5% 정도 압축강도가 증가하였다(9번 및 10번 시료의 압축강도 참조). 바닥재와 D650을 혼합한 모르타르의 압축강도는 바닥재 종류에 따라 약간 차이가 있었는데, 바닥재의 종류에 따른 재령 28일 압축강도는 기준 모르타르에 비하여 약 80% 이상의 압축강도를 나타내었으며, 압축강도 발현 순서는 BA1 ＜ BA3 ＜BA2 이었다.
<2-2> 중금속 용출 정도 측정
비산재 및 바닥재를 잔골재 중량에 대하여 10% 대체하고 D650을 시멘트 중량의 10%를 혼합하여 제조한 모르타르의 중금속 용출량을 상기 실험예 <1-2>과 동일한 방법으로 측정하였고, 그 결과를 표 7에 나타내었다.
[표 7]
소각재 함유 모르타르의 중금속 이용 용출량 (㎎/ℓ)
| 번호 | Pb | Cu | As | Hg | Cd | Cr6+ |
| 6 | 0.263 | 0.019 | 0.021 | 0.0009 | 0.0001 | 0.006 |
| 9 | 0.185 | N.D. | 0.020 | 0.0008 | N.D. | 0.004 |
| 12 | 0.102 | 0.003 | 0.023 | 0.0007 | 0.001 | 0.010 |
| 15 | 0.133 | N.D. | 0.021 | 0.0007 | 0.001 | 0.007 |
| 17 | 0.430 | 0.053 | 0.012 | 0.0005 | N.D. | 0.063 |
| 18 | 0.425 | 0.088 | 0.021 | 0.0005 | N.D. | 0.027 |
| 19 | 0.426 | N.D. | 0.012 | 0.0005 | N.D. | 0.032 |
| 허용치 | 3.00 | 3.00 | 1.500 | 0.005 | 0.300 | 1.500 |
N.D. : 불검출
상기 결과로부터 알 수 있듯이, 비산재와 D650을 혼합적정량(10%)으로 혼합한 모르타르의 중금속 이온 용출량은 비산재의 종류에 따라 차이가 있었으나 유해중금속이 거의 고정되어(약 95% 이상) 국내 환경기준에 만족하였다(6번 내지 15번 시료 참조). 또한, 바닥재와 10% D650을 혼합한 모르타르의 경우에는 유해중금속이 99% 이상 고정되어 국내 환경기준 이하를 보였다(17번 내지 19번 시료 참조). 특히, 바닥재중 BA1과 BA2에서 149 및 34 ppm 정도로 높은 함량을 보여준 Pb는(표 5 참조) 0.4 ppm 정도만이 용출되어 완전한 고정율을 보임을 확인하였다. 또한, Cu, Hg, Cr 이온 등도 시멘트 입자의 수화물내에 고정화되거나 수화생성물로 변하면서 용출량이 크게 감소되는 효과를 얻었다.
<실험예 3> 소각재와 D
650
이 동시에 함유된 시멘트 모르타르와 콘크리트의 압축강도 측정
시멘트는 비중이 3.15인 보통 포틀랜드 시멘트와 비산재와 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 제조한 혼합 시멘트를 사용하였다. 또한, 잔골재는 비중이 2.63인 부순 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수가 25 ㎜이고 비중이 2.63인 부순 자갈을 사용하였다.
<3-1> 모르타르의 압축강도 측정
비산재와 D650을 혼합한 첨가재를 시멘트 중량의 10%로 대체한 내할 방법과 잔골재 중량의 10%로 대체한 외할 방법에 대하여 모르타르와 콘크리트의 특성을 분석하였다. 이때, 표 8과 같이 시멘트와 잔골재의 비율 1:3, 목표 플로우 110±10으로 하여 배합을 선정하였다.
[표 8]
| 종류 | 소각재 대체 | 시멘트(%) | D650(%) | 모래(%) | 비산재(%) |
| CTM | 기준 모르타르 | 29.0 | 0.0 | 71.0 | 0.0 |
| FA1MR | 시멘트 | 23.5 | 2.9 | 71.0 | 2.6 |
| FA2MR | 23.5 | 2.9 | 71.0 | 2.6 | |
| FA3MR | 23.5 | 2.9 | 71.0 | 2.6 | |
| FA4MR | 23.5 | 2.9 | 71.0 | 2.6 | |
| FA1MA | 잔골재 | 26.1 | 2.9 | 61.0 | 10.0 |
| FA2MA | 26.1 | 2.9 | 61.0 | 10.0 | |
| FA3MA | 26.1 | 2.9 | 61.0 | 10.0 | |
| FA4MA | 26.1 | 2.9 | 61.0 | 10.0 |
FAMR : 소각재로 시멘트를 대체한 모르타르,
FAMA : 소각재로 잔골재를 대체한 모르타르
상기 실험예 <2-1>과 동일한 방법으로 모르타르의 압축강도를 측정하였으며, 그 결 과를 표 9에 나타내었다.
[표 9]
| 종류 | 소각재 대체 | 7일 | 28일 | ||
| ㎏f/㎠ | % | ㎏f/㎠ | % | ||
| CM10 | 기준 모르타르 | 261 | 100 | 273 | 100 |
| FA1MR | 시멘트 | 303 | 116 | 311 | 114 |
| FA3MR | 310 | 119 | 314 | 115 | |
| FA4MR | 255 | 98 | 267 | 98 | |
| FA1MA | 잔골재 | 322 | 123 | 379 | 139 |
| FA3MA | 327 | 125 | 401 | 147 | |
| FA4MA | 340 | 130 | 421 | 154 | |
상기 결과로부터 알 수 있듯이, 비산재를 시멘트 및 잔골재에 대체하여 제조한 모르타르의 압축강도는 비산재를 혼합하지 않은 기준 모르타르에 비하여 크게 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 시멘트에 대체한 경우가 잔골재에 대체한 경우에 비하여 오히려 강도발현 효과가 크게 나타났다. 효과적인 강도발현은 비산재 중에 함유된 CaO의 높은 함량과 포졸란 물질인 활성 규조토의 활발한 반응에 의한 것으로 간주된다.
<3-2> 콘크리트의 압축강도 측정
배합 설계기준(양생 28일에 압축강도 240 ㎏/㎠)에 따라 혼합 시멘트에 부순 골재를 대체한 콘크리트의 압축강도를 측정하였다. 구체적으로, 표 10과 같은 배합을 사용하여 콘크리트 시편(ψ100 ㎜ ×L 200 ㎜)을 제작하였으며, 이때 공기량은 4.5%±1.5%, 슬럼프(slump)는 12.0 ㎝±2.0 ㎝ 범위 내로 조절하였다.
[표 10]
| 종류 | Gmax (mm) | W/(C+FA) (%) | s/a (%) | 단위량 (㎏/㎥) | 혼화제 (C×%) | 공기량 (%) | 슬럼프 (cm) | |||||
| W | C | S | G | FA | AE | SP | ||||||
| CTMC | 25 | 53.3 | 47.3 | 178 | 334 | 836 | 933 | 0 | 0.25 | 0.50 | 6.0 | 14.0 |
| FA1C | 25 | 53.3 | 47.3 | 178 | 301 | 836 | 933 | 33 | 0.25 | 0.50 | 6.0 | 13.5 |
| FA3C | 25 | 53.3 | 47.3 | 178 | 301 | 836 | 933 | 33 | 0.25 | 0.50 | 4.5 | 14.0 |
| FA4C | 25 | 53.3 | 47.3 | 178 | 301 | 836 | 933 | 33 | 0.25 | 0.50 | 3.5 | 11.5 |
W : water, C : cement, S : sand, G : gravel, FA : fly ash,
AE : air entrainment, SP : special pozzolia
상기 실험예 <2-1>과 동일한 방법으로 콘크리트의 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 표 11에 나타내었다.
[표 11]
| 물 성 | 일반 콘크리트 | 비산재와 D650이 혼합된 콘크리트 | |||
| FA1C | FA3C | FA4C | |||
| 중금속 용출 | NIL | NIL | NIL | NIL | |
| 슬럼프 (㎝) | 14.0 | 13.5 | 14.0 | 11.5 | |
| 공기량 | 6.0 | 6.0 | 4.5 | 3.5 | |
| AE제(C×0.5%) | 1.67 | 1.67 | 1.67 | 1.67 | |
| 압축강도 (㎏f/㎠) | 7일 | 152 | 195 | 226 | 235 |
| 28일 | 194 | 273 | 338 | 350 | |
상기 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 비산재와 D650을 혼합한 콘크리트의 압축강도는 보통 포틀랜드 시멘트만을 사용한 콘크리트에 비하여 크게 증가하여, FA1C, FA3C 및 FA4C의 재령 7일 및 28일 압축강도는 일반 콘크리트에 비하여 각각 28%, 49%, 55% 및 41%, 74%, 80% 증가되었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 혼합 시멘트 조성물을 이용하여 제조된 모르타르 및 콘크리트는 일반 시멘트만을 이용한 모르타르 및 콘크리트에 비하여 우수한 압축강도 증진 효과를 보이고, 또한 소각재중에 포함되어 있는 다양한 종류의 중금속에 대한 우수한 고정효과를 가진다. 따라서, 본 발명의 혼합 시멘트 조성물은 인체에 유해한 중금속 및 환경호르몬을 다량 함유하고 있어 매립이 금지되어 있는 소각재에 대한 재활용 방안으로 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (7)
- 바닥재, 비산재 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 소각재 및 650℃에서 0.5시간 동안 하소하여 활성화시킨 가소성 규조토를 첨가제로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 시멘트 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 총 혼합 시멘트 조성물 중량에 대하여 활성화된 규조토는 5 내지 20 중량% 포함되고, 소각재는 5 내지 20 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 혼합 시멘트 조성물.
- 제 1항의 혼합 시멘트 조성물 15 내지 25 중량%, 모래 40 내지 55 중량% 및 물 25 내지 40 중량%를 서로 반죽하여 제조되는 것을 특징으로 하는 모르타르.
- 제 1항의 혼합 시멘트 조성물 10 내지 25 중량%, 모래 25 내지 35 중량%, 자갈 25 내지 35 중량% 및 물 20 내지 40 중량%를 서로 반죽하여 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
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