KR101200280B1 - 준설슬러지 고화재 및 이를 이용한 준설혼합토 제조방법 - Google Patents
준설슬러지 고화재 및 이를 이용한 준설혼합토 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 준설슬러지 고화재 및 준설혼합토 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수 및 발열작용을 이용하여 준설슬러지의 함수율을 저감시키고, 탈취 및 미생물이 멸균되는 준설슬러지 고화재 및 이를 이용한 준설혼합토 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 준설슬러지 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 산화칼슘 함량이 0.1~5%인 플라이애시(fly ash) 5~50중량부를 포함한다.
본 발명에 의한 준설슬러지 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 산화칼슘 함량이 0.1~5%인 플라이애시(fly ash) 5~50중량부를 포함한다.
Description
본 발명은 준설슬러지 고화재 및 매립/성토용 준설혼합토 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수 및 발열작용을 이용하여 준설슬러지의 함수율을 저감시키고, 이를 저지대농경지 매립/성토재로 활용하거나 슈퍼제방을 구축하는 등으로 활용하는 준설슬러지 고화재 및 이를 이용한 준설혼합토 제조방법에 관한 것이다.
우리나라는 최근 2001년에서 2006년까지 항로유지준설을 포함하는 준설작업으로 인한 준설량이 지속적으로 증가하여 2006년에 최대를 이루고 그 이후 급감하였으나 년간 약 1,300~22,400만m3 범위로 이러한 준설토의 처리로 매년 수백억 예산이 소요되고 있다. 이 시기 동안 전국적으로 약 729,151,000 m3의 준설이 수행되었으며 대부분 육상 투기장으로 처분되었으며(약 89%), 외해투기는 평균 4.6%, 준설토의 유효 재활용은 매우 낮다. 한편 2008년 한 해 동안 부산앞바다 기타해역과 3개 지정해역에 버려진 준설토는 1천 55만 9천 톤으로 2007년도 398만 9천 톤에 비해 2.6배나 증가하였다. 한편 최근에는 홍수와 가뭄 대처, 수질개선과 생태하천 조성, 강 중심의 지역발전과 일자리 창출 등을 목표하는 4대강 살리기 사업에 대한 환경영향평가가 마무리됨에 따라 16개 보를 중심으로 하여 공사가 시작(2009. 11. 10)되었으며, 낙동강 달성보와 구미보, 합천보 그리고 영산강 승촌보 등 4개 보에 대한 공사가 시작되었다. 이와 더불어 하천준설과 정비사업 등 일반공사도 곧 시작(2009. 11. 16)되고, 곧 순차적으로 모든 공사가 시작되어 2년 뒤인 2012년 모든 사업이 마무리 될 계획이다. 4대강 살리기의 마스터플랜(2009)에 의하면 총 준설물량은 약 5.7억이며, 이중 골재(모래)는 약 2.6억로 46%에 해당하고 54%에 달하는 3.1억의 준설슬러지가 발생할 것으로 추정된다. 골재로서의 가치가 있는 2.6억m3의 모래는 환경적인 문제가 없다면 선별작업을 거쳐서 직접 판매할 수 있으나, 준설슬러지의 경우에는 응집제를 투입하여 응집 침전에 의한 처리 후 탈수한 후 준설토 처리장에 매립하여야 한다. 이런 준설슬러지에 관한 법적인 규제사항을 보면 준설슬러지가 환경적으로 안전할 경우 "건설폐기물 재활용촉진에 관한 법률 시행규칙 별표1의2" 및 "폐기물관리법 시행규칙 별표17"에 따라 수분함량이 70% 이하가 되도록 탈수, 건조하여 성토재, 보조기층재, 도로 기층재 및 매립시설 복토용, 농지, 저지대 등에 재활용 할 수 있다.
한편, 준설슬러지가 "폐기물관리법 시행규칙 별표1" 및 "토양환경보전법 시행규칙 별표3"의 기준치를 초과하는 경우는 "폐기물관리법 시행규칙 별표5"에 따라 고화재로 고형화처리 하거나 수분함량 85% 이하로 안정화 처리하여 지정폐기물 매립가능한 관리형 매립시설에 매립하여야 한다.
이런 실정에서 준설토를 재활용하는 기술이 연구되고 있는데, 이들 기술은 표 1과 같이 대부분은 석회석을 주원료로 하여 생산되는 포틀랜드 시멘트를 준설토와 혼합하여 사용하는 기술들이다.
| 연구자 | 준설토 초기함수비 | 첨가제 종류, 함유율 | 고화제 종류, 함유율 | 일축압축강도 | 최적 고화제비 | E50-qu |
| 김주철과 이종규(2002) | 100~160 | 식물성기포, 체적비 13~19.9% |
시멘트 4, 6, 8, 10% |
100~600kPa |
6.6(수중양생) 4(대기양생) |
E50=82.857qu(UC) E50=22~167qu(TC) 구속압=50~300kPa |
| 김수삼 등(2002) | 90~180% | EPS beads 1, 2, 3% | 시멘트 1,2,3% |
150~450kPa | - | - |
| 윤길림과 김병탁(2004) | 125~200 | 식물성기포, 0.9~1.6% |
시멘트 6~18 % |
200~500kPa | - | E50=18~120,구속압=50~400kPa |
| 윤길림과 김병탁(2002) | 90, 135, 180% | EPS beads, | 시멘트 1,2,3 % |
200~500kPa | 시멘트: 2%, 구속압=50kPa EPS:3~4% |
E50=22qu(UC) E50=20~40qu(TC) 구속압=50~300kPa |
| 남정만과 윤중만(2004) | 130~133.5% | 포졸란제, 계면활성제 | 시멘트 | 100~500kPa | - | |
| 김윤태 등(2005) | 125~250% | 폐어망, 기포 1,2,3,4,5% | 시멘트 8, 12, 16, 20% |
10~80kPa(무보강), 20~100kPa(폐어망 보강시) | - | (무보강) |
| 김윤태 등(2006) | 125~250% | 기포 1,2,3,4,5% | 시멘트 8, 12, 16, 20% |
10~80kPa | - |
|
| 김윤태와 강효섭(2008) | 140% | 폐타이어분말 0~100%, 저회100% | 시멘트 20% | 180~450kPa | - | |
| 김윤태와 한우종(2008) | 120% | 저회100%, 합성계면활성제계 기포제 2%, 모노필라멘트 단섬유 0.25~1% | 시멘트 20% | 130~200kPa | - |
포틀랜드 시멘트 및 석회는 석회석(CaCO3, CaO?CO2)의 CO2 분해를 위한 하소공정에서 약 0.55톤, 소성 공정에서 화석 연료의 연소 시 약 0.40톤의 이산화탄소를 배출되므로 결국 1톤의 시멘트 및 생석회를 생산할 때마다 약 1톤의 이산화탄소가 배출되는 재료로 대기 중 CO2 농도와 시멘트 생산량은 매우 상관성이 높다. 2009년 덴마크 코펜하겐에서 열린 기후 온난화 방지를 위한 국제적 협의에서 우리 정부는 중장기 국정과제로 온실가스 배출량을 오는 2020년까지 기준전망(Business as Usual) 대비 30% 감축하는 자발적 목표를 국내외적으로 공표했다.
이와 관련하여 향후 온실가스 감축은 시멘트 및 석회 업계의 가장 큰 현안으로 등장할 것이며 생산량을 50% 이상이나 감축해야할 것으로 예견된다. 따라서 지금까지 국외와 국내를 막론하고 사용된 시멘트를 이용한 준설토 재활용 기술로는 4대강 살리기 사업을 통하여 준설될 엄청난 량의 준설토를 재활용하기 위해서는 막대한 경제적인 비용을 지불해야 함을 물론 친환경적인 사업을 위하여 막대한 양의 CO2를 배출하고 자연환경을 훼손하는 문제를 동반하게 된다.
따라서 준설슬러지를 재활용하기 위하여 필수적으로 투입되는 생석회, 시멘트 및 황산철을 전혀 사용하지 않는 새로운 개념의 고화재 및 이를 이용한 준설슬러지의 재활용 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소각잔재에 다량 함유된 CaO의 흡수 및 발열작용을 이용하여 준설슬러지의 함수율을 저감시키고, 이를 저지대농경지 매립/성토재로 활용하거나 슈퍼제방을 구축하는 등으로 활용하는 준설슬러지 고화재 및 이를 이용한 준설혼합토 제조방법을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 준설슬러지 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 산화칼슘 함량이 0.1~5%인 플라이애시(fly ash) 5~50중량부를 포함한다.
또한 상기 소각잔재는 석탄재, 제지 슬러지 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 소각잔재는 비표면적이 2,500~6,000㎠/g인 것이 바람직하다.
또한 상기 플라이애시는 미연소 탄소 함유량이 8% 이상인 것이 바람직하다.
또한 준설슬러지가 고화되어 생성된 고화물이 재슬러리화되는 것을 방지하기 위하여 강도발현제가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 강도발현제는 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 슬래그 미분말은 고로슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 강도발현제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 5~50중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 준설슬러지가 조속히 고화되도록 촉진하기 위하여 고화촉진제가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 고화촉진제는 칼슘알루미네이트 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 고화촉진제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 0.1~10중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 상기 고화재 또는 준설슬러지가 고화되어 생성된 고화물을 제조 또는 이송하는 과정에서 제조설비에 고착되는 것을 방지하기 위하여 고착방지제가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 고착방지제는 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말 및 화강석 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것인 것이 바람직하다.
또한 상기 고착방지제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 10~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 준설혼합토 제조방법은 1) 상술한 고화재를 제조하는 단계; 2) 준설슬러지 100중량부에 대하여, 상기 고화재 5~100중량부를 혼합하는 단계; 및 3) 상기 준설슬러지와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함한다.
또한 상기 3)단계는 상기 혼합물을 상온양생 또는 가열양생하여 수행되는 것이 바람직하다.
또한 상기 3)단계는 상기 혼합물의 함수율이 60%이하가 될 때까지 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 소각잔재에 다량 함유된 CaO를 이용하여 준설슬러지의 함수율을 저감시키는 효과가 있다.
특히, CaO의 발열 작용으로 수분이 증발하는 효과도 있다.
또한 다공성인 소각잔재와 플라이애시에 존재하는 미연소 탄소가 암모니아가스를 흡착하여 탈취하는 효과도 있다.
또한 초기에 pH 12 이상으로 유지시켜 준설슬러지에 포함되어 있는 미생물을 멸균하는 효과도 있다.
도 1a는 발생 당시 준설 슬러지의 외관을 나타낸 사진이며 도 1b는 본 발명에 의한 준설 혼합토 공시체 외관 사진이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 준설혼합토의 일축압축강도를 나타낸 것이다.
도 3은 준설 슬러지에 본 발명에 의한 고화재를 혼합한 고화물의 전자현미경사진이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 준설혼합토의 일축압축강도를 나타낸 것이다.
도 3은 준설 슬러지에 본 발명에 의한 고화재를 혼합한 고화물의 전자현미경사진이다.
이하, 본 발명에 의한 준설슬러지 고화재 및 이를 이용한 준설혼합토의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 준설슬러지 고화재의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 준설슬러지 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 소각잔재와, 산화칼슘 함량이 0.1~5%미만인 플라이애시를 포함한다.
소각잔재에 다량 함유된 산화칼슘은 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6 mol-1
통상 소각잔재는 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재는 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.
따라서 본 발명은 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능한 소각잔재들을 이용하는 것이다.
즉, 함수율이 높은 준설슬러지와, 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재를 혼합하면, 위의 반응으로 수산화칼슘이 생성되면서 준설슬러지의 수분이 저감되는 것이다. 또한 역시 위의 반응으로 발생되는 열이 준설슬러지의 수분을 증발시키기 때문에 더욱 더 준설슬러지의 함수율을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 산화칼슘이 20%이상 함유된 소각잔재는 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, RDF 소각잔재 및 RPF 소각잔재 등이다.
상기 소각잔재의 비표면적은 2,500~6,000/g인 것이 바람직하다. 상기 소각잔재의 비표면적이 2,500/g 미만일 경우 미립분이 부족하여 준설슬러지의 고화시 함수율 저감효과가 저하되고, 비표면적이 6,000/g 초과일 경우 고화재의 이송시 겉보기 밀도가 낮아져 계량 및 이송 중에 비산되고 설비 가동성이 저하된다.
석탄재는 발전소에서 많이 생성되는데, 특히, 노내 탈황방식을 갖는 발전소에서 생성되는 석탄재가 산화칼슘의 함유량이 높다. 노내 탈황방식의 경우, 석탄과 석회석을 혼합연소하기 때문에 석탄재에 다량의 Free CaO가 함유되게 된다.
이와 달리 별도의 탈황설비를 갖는 발전소에서 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 5% 미만이다.
별도의 습식 탈황설비를 갖춘 발전소 석탄재와 노내 탈황방식에 의한 발전소 석탄재의 차이점을 표 2에 나타내었다.
| 항 목 | 별도의 탈황설비를 갖춘 발전소 석탄재 | 노내 탈황방식을 하는 발전소 석탄재 |
| 연소 연료 | 석탄(수입 유연탄) | 석탄, 석회석, 폐타이어(일부발전소) |
| 연소 온도 | 약 1350 -연소효율이 높아 경제적 발전소 운전, 석탄재 발생비율 감소 및 고품질석탄재 배출 |
약 850 -탈탄산반응 온도범위이면서 질산화물 배출 감소 |
| 배기가스 탈황 설비 | 별도 습식탈황설비 구비 | 석회석 혼소로 탈황반응 |
| 배기가스 탈질 설비 | 별도 탈질설비 구비 | 낮은 연소온도 유지 및 보일러에 암모니아 및 기타 약품 분무 |
| 화학성분 | SiO2 , Al2O3 , Fe2O3 | 석회석 혼소로 인해 Free CaO 성분이 높다. |
| 유리화정도 | 높다 | 낮다 |
| 주 재활용 용도 | 콘크리트혼화재로 성수기 발생전량 재활용 |
점토 대체용 시멘트원료, 장거리 운송을 통한 폐기물처리장 매립 |
| 콘크리트혼화재로 사용시 장점 및 문제점 | - 포졸란활성으로 장기강도 증진 - 작업성개선 - 단위수량 감소(내구성, 강도 향상) - 수화열 감소(구조물 크랙 방지) |
- Free CaO 발열반응 - 단위수량 증가(강도, 내구성 하락) - 수화열 증가(구조물 크랙발생) - 작업성 하락 |
| 기타 | KS L 5405 적합제품 발생 | 가공을 해도 KS L 5405 화학성분, 물리성능을 만족하지 않음 |
즉, 노내 탈황방식으로 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 다량 함유되어 있으나, 별도의 탈황장치를 갖춘 설비에서 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 매우 적은 양이 함유되어 있다. 따라서 상술한 바와 같이, 별도의 탈황장치를 갖춘 설비에서 생성되는 석탄재는 산화칼슘이 미량 함유되어 있어 콘크리트 혼화재료로서 재활용이 가능한 것이다.
다시 말하면, 본 발명의 고화재에 이용되는 소각잔재는 CaO함량이 많은 노내 탈황방식으로 생성되는 석탄재이다.
또한 상기 플라이애시는 산화칼슘 함량이 5%미만으로서, 수분을 흡수하는 성질이 소각잔재에 비해 상대적으로 작다.
한편 시멘트 혼화재료로 사용하기 위한 플라이애시의 KS규격이 미연소 탄소 함유량 5%이하이므로, 이에 적합하지 않아 시멘트 혼화재료로 사용이 불가능한 플라이애시, 즉, 발생당시 미연소 탄소 함유량 12%이상인 플라이애시 또는 정제 후 선별된 미연소 탄소 함유량 8% 이상인 조립분 플라이애시를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 플라이애시에 함유된 미연소 탄소는 다공성이어서 준설슬러지의 고화시 발생되는 암모니아 가스 및 중금속을 흡착하는 성질을 갖는다.
따라서 본 발명의 고화재는 콘크리트 혼화재료로 재활용이 불가능한 소각잔재와 플라이애시를 주원료로 사용하는 것이다.
상기 소각잔재와 플라이애시의 혼합비율은 소각잔재 100중량부에 대하여 플라이애시 5~50중량부가 바람직한데, 플라이애시의 혼입량이 5중량부 미만이면 암모니아 및 중금속 흡착성능이 떨어지고, 50중량부 초과이면 준설슬러지의 함수율 저감효과가 저하된다.
또한 본 발명에 의한 고화재는 준설슬러지가 고화되어 생성된 고화물이 재슬러리화되는 것을 방지하기 위하여 강도발현제가 더 포함되는데, 상기 강도발현제는 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 슬래그 미분말은 고로슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이고, 상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 수화반응에 따른 초기 재령에서의 강도발현은 다량의 에트링가이트(ettringite)를 골격으로 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H겔은 에트링가이트를 감싸며 재령이 경과함에 따라 생성량이 지속적으로 증가하고 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 높은 강도발현을 한다.
상기 강도발현제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 5~50중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 상기 강도발현제의 혼입량이 5중량부 미만이면 수화물 생성량이 부족하여 재슬러리화현상이 발생할 수 있고, 50중량부 초과이면 수화물이 과량 생성되어 강도는 크게 증가되나 너무 단단하여 흙 대체제인 매립/성토재로 사용할 수가 없다.
또한 본 발명에 의한 고화재는 칼슘알루미네이트 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트 등의 고화촉진제가 더 혼입될 수 있다. 상기 고화촉진제가 더 혼입되면 준설슬러지가 조속히 고화되어 고화물의 강도를 단시간내에 발휘하여 매립/성토재로 활용이 가능해진다.
또한 본 발명에 의한 고화재에는 고착방지제로서 석회석, 장석, 규석, 화강석 미분말 등을 더 혼합할 수 있다. 이는 고화재 또는 준설슬러지가 고화되어 생성된 고화물을 제조 또는 이송하는 과정에서 제조설비에 고착되는 것을 방지하여 생산성을 높이기 위한 것이다.
상기 고착방지제의 혼입량은 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 10~100중량부를 혼입한다. 만약, 고착방지제의 혼입량이 소각잔재 100중량부에 대하여 10중량부 미만이면 고착방지효과가 없고, 100중량부를 초과하면 함수율 저감효과가 저하된다.
이하에서는 본 발명에 의한 준설혼합토 제조방법을 설명한다.
먼저, 상술한 고화재를 제조한 다음, 준설슬러지 100중량부에 대하여 고화재 5~100중량부를 균일하게 혼합한다. 고화재를 5중량부 미만으로 혼합하면 함수율이 충분히 저감되지 않아 매립/성토재로서 사용이 불가능하고, 100중량부를 초과하여 혼합하면 함수율이 너무 낮아져 고화물이 비산되고 매립/성토작업이 곤란해진다.
마지막으로 상기 준설슬러지와 고화재의 혼합물을 함수율이 70%이하가 될 때까지 상온양생 또는 가열양생한다.
실시예
1
먼저, 노내 탈황방식으로 산화칼슘 함량이 42%인 석탄재 100중량부에 대하여, 미연소 탄소 함유량이 11%이고 산화칼슘 함량이 0.6인 플라이애쉬 20중량부와, 강도발현제로서 고로슬래그 미분말 60중량%와 황산칼슘 40중량%로 이루어진 혼합물 20중량부와, 고화촉진제로서 칼슘알루미네이트 시멘트 3중량부와, 고착방지제로서 석회석 20중량부를 균일하게 혼합하여 고화재를 제조하였다.
다음으로 함수율이 100%인 준설슬러지 100중량부에 대하여, 위와 같이 제조된 고화재 10중량부를 혼합하여 상온양생하여 준설혼합토를 제조하였다.
실시예
2
함수율이 100%인 준설슬러지 100중량부에 대하여, 상기 실시예1과 동일한 고화재를 15중량부를 혼합하여 상온양생하여 준설혼합토를 제조하였다.
실시예
3
함수율이 100%인 준설슬러지 100중량부에 대하여, 상기 실시예1과 동일한 고화재를 20중량부를 혼합하여 상온양생하여 준설혼합토를 제조하였다.
준설혼합토의 성능시험방법 및 결과
아래 표 3에 나타낸 바와 같이 함수량 측정은 KS F 2306 방법에 의해 실시하고 압축강도와 투수시험은 KS F 2343, KS F 2322 방법에 의해 실시하였다.
| 실험 | 방법 | 비고 |
| 함수량 | KS F 2306 | 흙의 함수량 측정방법 |
| 압축강도 | KS F 2343 | 일축압축강도법 |
(1) 함수량 변화
시간경과에 따라 상기 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 준설혼합토의 함수율을 아래 표 4에 나타내었다. 표 4에서 확인되는 바와 같이, 고화재 혼합 전 준설슬러지의 함수율이 100%였으나, 시간이 지남에 따라 함수비가 급격히 저감된다는 것을 알 수 있다. 이와같이 함수율이 큰 폭으로 저감되는 것은 상술한 바와 같이, 고화재가 준설슬러지와 혼합되는 즉시 발열반응이 일어나고 수화반응이 동시에 진행되기 때문이다. 또한 시간이 경과함에 따라 수화물 생성 및 자연건조에 의해 급격히 함수율은 줄어드는 결과를 보여주고 있다. 실시예 1의 1일양생 결과만 제외하고, 실시예2와 실시예3의 경우 1일 양생만으로 준설혼합토를 성토재 등으로 재활용하기에 적합한 개량이 이루어 졌음을 알 수 있다. 자연 양생 3일 이후에 성토재로 활용한다면 보다더 취급이 용이할 뿐 아니라 압축강도 증가에도 기여할 것으로 기대된다.
도1a은 준설 슬러지의 배출당시 외관을 나타낸 것이고, 도 1b는 실시예 2에 의해 고화된 준설 혼합토 공시체 외관을 나타낸 것이다. 준설토 고화체의 색깔이 천연 황토색과 유사해 발생당시 준설토와 비교할 때 성토재로 활용하더라도 지역 주민이나 기술자들에게 심리적인 거부감을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
| 구분 | 준설토 원시료 | 1일 | 3일 |
| 실시예1 | 100% | 72.4% | 68.7% |
| 실시예2 | 100% | 66.5% | 57.3% |
| 실시예3 | 100% | 65.1% | 53.55% |
(2)
일축압축강도의
변화
첨부된 도 2a 내지 도 2c는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 준설혼합토의 일축압축강도의 변화를 나타낸 것이다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 양생 7일에 실시예 1은 1.45kgf/cm2, 실시예 2는 3.61kgf/cm2, 실시예 3은 4.37kgf/cm2로 증가하는 결과를 보였다. 이는 복토재 및 성토재의 강도 기준인 0.5kgf/cm2 및 1.0kgf/cm2를 크게 상회하는 값이며, 연약지반 개량재, 차수재, 뒷채움재 등 다양한 지반용 재료로도 활용할 수 있는 강도 발현을 보였다. 이것은 고화재와 혼합시 흡수발열반응에 의해 수분절감 및 준설슬러지의 표면 개질이 일어나 입자의 단결화를 이루어 압밀 촉진 효과를 얻을 수 있고 CaO와 SiO2 성분에 의해 칼슘실리케이트 반응이 유도되어 압축강도를 확보할 수 있는 고화반응이 일어나 강도를 증진시키기 때문이다. 이에 더하여 고화재의 흡수성에 의해 준설슬러지의 함수율이 상대적으로 낮아지며 고화재의 흡수성 및 이온교환, 포졸란 및 탄산화 반응에 의해 미립자인 점토, 콜로이드 성분이 단립화되고 이에 따라 입도분포가 변화하여 양질토로 개량되어 일축압축강도가 증가된다.
도 3은 실시예 3에 의해 제조된 준설혼합토의 미세구조를 나타낸 것이다. 본 발명에 의해 제조된 준설혼합토는 침상결정의 에트린가이트와 벌집형 C-S-H gel의 반응생성물이 다수 관찰되고 있다.
(3) 침수 전후의
일축압축강도의
변화
본 발명에 의해 제조된 준설혼합토를 매립/성토재로 사용할 경우, 소요의 강도를 가져야 함과 동시에 우리나라의 기후 특성인 폭우, 폭설 등의 침수에 의한 재슬러리화 현상과 강도감소 현상이 발생하지 않아야 할 것이다. 따라서 본 실험에서는 7일간 양생한 준설혼합토에 대해서 1일 침수 전후의 일축압축강도 변화를 조사하였다.
침수 전 후의 일축압축강도의 변화를 아래 표 5에 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 준설혼합토는 -0.07kg/kg/cm2, 실시예 2에 의해 제조된 준설혼합토는 -0.10kg/cm2, 실시예 3에 의해 제조된 준설혼합토는 -0.18kg/cm2 강도 변화율이 나타났다.
이상의 결과에서 알 수 있듯이 고화재의 혼합비별 준설혼합토의 침수 전후의 일축압축강도 변화가 비교적 적은 감소율을 보였는데 이것은 준설슬러지가 고화처리에 의해 수화물을 생성하면서 치밀한 결정구조로 바뀌어 침수가 되어도 뚜렷한 수분의 흡수현상이 발생하지 않는 것으로 판단된다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 준설혼합토를 매립지에 사용할 경우, 적설에 의한 침수에 재슬러리화나 강도저하 현상은 미미하여 이를 저지대농경지 매립/성토재로 활용하거나 슈퍼제방을 구축하는 등으로 활용하여도 우천 시 차량 및 장비의 작업에 큰 지장을 주지 않을 것으로 예상된다.
고화재 투입에 따른 초기 재령에서의 강도발현은 강도발현제가 다량의 에트린가이트를 골격으로 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트린가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 높은 강도발현을 한다. 따라서 고화물의 용도에 따라 강도발현제의 함량을 높인다면 복토재뿐 아니라 성토재, 차수재, 뒷채움재 등 다양한 지반용 재료로도 활용할 수 있는 강도를 발현할 수 있다.
| 침수 전(kg/) | 침수 후(kg/) | 강도변화 | |
| 실시예1 | 1.45 | 1.38 | 0.07 |
| 실시예2 | 3.61 | 3.51 | 0.10 |
| 실시예3 | 4.37 | 4.19 | 0.18 |
(4)
pH
변화
준설슬러지와 고화재의 혼합물의 자연 양생일에 따른 pH변화를 표 6에 나타내었다. 실험결과 강알칼리에서 준설슬러지의 물리적 변화가 끝난 시점인 4~5일부터 pH8.9~9.1정도로 약알칼리성으로의 변화를 보여 pH로 인한 주변 환경오염을 최소화할 수 있을 것으로 판단되고 특정 중금속 구리 용출의 억제인자로 작용할 것으로 사료된다.
본 발명에 의한 고화재는 초기에는 CaO가 물과 반응해 Ca(OH)2로 전이되면서 고화물이 강알칼리 상태를 나타내지만 양생공정이 진행되면서 Ca(OH)2가 플라이애시 및 슬래그 미분말의 수화반응에 점차 소비되어 pH가 저하되면서 약알칼리 상태로 변화되는 것으로 사료된다.
| 혼합직후 | 혼합후 3시간 | 1일 | 3일 | 5일 | 7일 | 9일 | 11일 | 13일 | |
| 실시예1 | 11.8 | 11.5 | 11.5 | 11.0 | 10.0 | 9.0 | 8.9 | 9.0 | 8.9 |
| 실시예2 | 11.9 | 11.5 | 11.6 | 11.0 | 10.2 | 9.1 | 9.0 | 9.2 | 9.1 |
| 실시예3 | 12.1 | 11.6 | 11.6 | 11.2 | 10.3 | 9.1 | 9.1 | 9.2 | 9.2 |
(5) 중금속 용출
아래 표 7은 실시예 1에 의해 제조되는 준설혼합토의 중금속 용출실험 결과를 나타낸 것이다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이 대부분의 중금속이 용출되지 않았으며 우리나라의 폐기물용출시험법에 적용시 납과 수은, 비소는 미량 검출되었지만 환경 기준치를 만족하는 것으로 나타났다. 이는 수화반응에서 생성되는 수화물에 의해 고착되어 결정구조 내로 중금속이 치환 또는 고정되기 때문이다. 따라서 이 모든 실험에서의 용출농도는 판정기준치보다 훨씬 낮은 수치를 나타내거나 불검출되어 준설슬러지를 고화 처리하여 매립/성토재로 사용하여도 중금속 용출로 인한 2차 오염은 우려되지 않을 것으로 판단된다.
| 유해물질 용출방법 |
Cd | As | Pb | Hg | Cr6+ | Cu | Org.P | TCE | PCE | |
| 폐기물용출시험법 (KSLP) |
기준 | 0.3 | 1.5 | 3.0 | 0.05 | 1.5 | 3.0 | 1.0 | 0.1 | 0.3 |
| 고화물 | N.D. | 0.004 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.28 | N.D. | N.D. | N.D. | |
| US EPA (TCLP) |
기준 | 1.0 | - | 5.0 | 0.2 | 5.0 | - | - | - | - |
| 고화물 | N.D. | - | 0.002 | N.D. | N.D. | - | - | - | - | |
| *N.D : Not Detected | ||||||||||
(6) 매립/성토재의 안정성 평가를 위한 소형 모형시험 평가
소형 모형실험은 실제 매립시 성능발휘를 알아보기 위한 실험으로 지름10cm, 높이15cm의 원통을 제작하여 하부 4cm 부분에 밸브를 설치 상부 11cm의 공간에 고화 준설슬러지를 넣은 후 해수를 10, 20, 25, 30, 35, 40, 45%의 비율로 조절하여 혼합한 뒤 28일 후에 압축시험기로 축하중을 가하여 강도를 산정하고 축하중 재하 시 아래로 흘러나오는 유출수의 COD, pH, 중금속함유량시험 및 유기물 함량을 측정하였다.
그 결과, pH, 유기물, 중금속 용출, BOD 및 COD와 같은 환경공학적 실험결과 pH는 7.7로서 약알칼리성을 나타내었고, 중금속 용출량은 (Cd, Cu, Pb, Cr, Zn)은 0.00102~0.3427 사이로 폐기물관리법 시행규칙 침출수배출허용기준을 만족하였다. 도한 BOD 및 COD의 경우에도 폐기물관리법 시행규칙에 규정된 150mg/L 및 70mg/L값을 모두 만족하는 값을 보였다.
(7) 매립시 침하량 평가를 위한 토조시험
토조시험은 높이 105cm, 폭 42cm, 길이 78cm인 토조를 이용하여 실제 매립시 침하량을 분석하였다. 최대 500kg까지 재하하여 시간에 따른 하중과 침하량 관찰하였다. 토조시험 결과 값은 80시간 이내에 거의 모든 침하가 이루어진다는 것을 알 수 있었다. 이것은 다시 말해 본 발명에 의해 제조된 준설혼합토는 침하가 길지 않아 매립/성토재로 사용하기에 적합하다는 것이다.
모든 실험결과 본 발명에 의해 제조되는 준설혼합토는 성토재 및 해양매립재로 활용가능성이 크다고 할 수 있다. 이의 결과치를 아래의 표 7에 요약하여 나타내었다.
| 구분 | 본 개발제품 성능치 |
| 혼합물 외관 | 천연 황토색 |
| 재슬러리화 현상 | 없음(재령 7일 경과 후) |
| pH | 배출 후 ~3일 : pH 11 ~12 3일 이후 : pH 9 ~10 |
| 함수율 | 약 53-68 %(혼합 후 3일 경과) |
| 일축압축강도 | 적합(약 1.5 - 4.5kgf/cm2, 재령 7일) |
| 중금속 용출 | 적합(재령 7일, 기준치 1/10 이하 수준) |
| 소형모형실험(BOD, COD) | BOD 10 이하(기준치 150 mg/L) COD 40 이하(기준치 70 mg/L) |
| 토조실험 | 80시간 이내에 거의 모든 침하가 이루어짐 |
Claims (18)
- 산화칼슘(CaO) 함량이 20~70중량%인 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 산화칼슘 함량이 0.1~5중량%인 플라이애시(fly ash) 5~50중량부와, 슬래그 미분말과 황산염 자극제의 혼합물로 이루어진 강도발현제 5~50중량부를 포함하며,
상기 플라이애시는 미연소 탄소 함유량이 8중량% 이상인 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제1항에 있어서,
상기 소각잔재는 석탄재, 제지 슬러지 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제2항에 있어서,
상기 소각잔재는 비표면적이 2,500~6,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 슬래그 미분말은 고로슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제1항에 있어서,
상기 황산염 자극제는 황산칼슘, 황산알루미늄, 황산마그네슘 및 황산나트륨 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
준설슬러지가 조속히 고화되도록 촉진하기 위하여 고화촉진제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제10항에 있어서,
상기 고화촉진제는 칼슘알루미네이트 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제11항에 있어서,
상기 고화촉진제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 0.1~10중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제1항에 있어서,
상기 고화재 또는 준설슬러지가 고화되어 생성된 고화물을 제조 또는 이송하는 과정에서 제조설비에 고착되는 것을 방지하기 위하여 고착방지제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제13항에 있어서,
상기 고착방지제는 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말 및 화강석 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 제14항에 있어서,
상기 고착방지제는 상기 소각잔재 100중량부에 대하여 10~100중량부 혼입되는 것을 특징으로 하는 준설슬러지 고화재.
- 1) 제1항 내지 제3항, 제7항, 제8항, 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항의 고화재를 제조하는 단계;
2) 준설슬러지 100중량부에 대하여, 상기 고화재 5~100중량부를 혼합하는 단계; 및
3) 상기 준설슬러지와 고화재의 혼합물을 양생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 준설혼합토 제조방법.
- 제16항에 있어서,
상기 3)단계는 상기 혼합물을 상온양생 또는 가열양생하여 수행되는 것을 특징으로 하는 준설혼합토 제조방법.
- 제16항에 있어서,
상기 3)단계는 상기 혼합물의 함수율이 60중량%이하가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 준설혼합토 제조방법.
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| KR1020100018190A KR101200280B1 (ko) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | 준설슬러지 고화재 및 이를 이용한 준설혼합토 제조방법 |
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