KR101701996B1 - 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물에 관한 것으로서, 양질토로 활용이 불가능하여 폐기처분이 불가피한 현장발생 불량토와 석탄화력발전 부산물인 석탄회, 제철산업의 부산물인 슬래그, 무근콘크리트 파쇄물, 준설토 등 다양한 형태로 발생되어 고형물의 주요 골재로 사용이 가능한 모든 형태의 산업부산물을 이용한 유동성 혼합조성물 제조시, 상세하게는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성된 흡수액을 첨가제로 유동성 혼합 조성물에 혼합하여 조기강도의 발현, 고화재 함량 절감, 동결융해 특성 개선, 내마모성 개선, 유동성 및 재료분리특성을 개선하도록 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물에 관한 것이다.

Description

이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물{LIQUIDITY MIXED COMPOSITION USING CARBON DIOXIDE COLLECTING BY-PRODUCT}

본 발명은 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물에 관한 것으로서, 상세하게는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성된 흡수액을 첨가제로 유동성 혼합 조성물에 혼합하여 조기강도의 발현, 보통 포틀랜드 시멘트 함량 절감, 동결융해 특성 개선, 내마모성 개선, 유동성 및 재료분리특성을 개선하도록 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물에 관한 것이다.

일반적으로 건설현장에서 되매우기나 뒷채움은 주로 현장발생토를 활용한 다짐으로 진행된다. 이때 공종에 따라 다짐에 대한 품질관리기준이 존재하는데, 기관별 세부기준에 다소 차이가 있기는 하나 통상 노체의 경우 실내실험에서 구한 최대건조단위중량을 기준으로 다짐도 90% 이상, 노상의 경우 다짐도 95% 이상, 포장하부 되매우기의 경우 다짐도 95% 이상, 일반 뒷채움의 경우 다짐도 95% 이상, 일반 되매우기의 경우 다짐도 90% 이상 등으로 구분되며, 다짐토사에서 200번체를 통과하는 세립분 함량은 대개 입도시험에 의한 총 통과중량 백분율을 기준으로 15~30 중량% 이하로 규정하고 있다.

한편, 현장 다짐 함수비는 실내다짐시험에서 산정된 최적함수비를 기준으로, 각 다짐도에 따라 90%와 95% 수준 이내에서 허용 범위를 두고 있다.

다짐구간에 불량이 발생하게 되면 우수 및 지하수 침투 등에 따른 공동 및 유로 형성, 하중 재하시 입자의 재배열 등의 원인으로 인하여 지반침하가 발생하게 되고 인접 구조물의 안정성에 영향을 미치게 된다. 이러한 다짐불량의 주요 원인은 현장토의 함수비가 다짐기준을 초과하거나 세립분 함량이 기준치를 초과하는 경우 야적시 또는 다짐시 원활한 배수가 이루어지지 않아 스펀지 현상이 발생하기 때문이다. 이 경우에 대한 기존의 해결방법은 현장토에 200번체에 잔류하는 조립질 성분을 추가로 혼입시켜 최종적으로 세립질 함량이 기준범위인 15~30 중량% 이내에 해당하도록 입도를 맞추어 조성한 후 충분히 건조시켜 함수비 기준에 도달시 다짐시공하거나, 불량토를 전량 반출하여 사토시키고 기준에 부합하는 양질의 토사를 반입하는 방법이 사용되고 있는데, 이는 시간과 비용이 과다하게 발생하는 문제가 있다.

한편, 불량토의 처분에 필요한 비용 절감을 위해 불량토를 재활용하기 위한 방법으로서, 불량토사를 일단 포설한 후 상부에 고화재를 포설하고 소정의 물을 첨가한 상태에서 혼합다짐하여 최종적으로 고화시키는 형태의 방법이 사용되기도 하나, 이는 다짐층 전체에 대해 고화재와 토사의 배합이 균질하지 않게 조성되므로 다짐 및 고화 후 강도가 일정하게 나오지 않고 다량의 고화재가 투입될 뿐만 아니라, 대부분 백호 등 일반장비를 이용한 현장배합이 이루어지기 때문에 시공기간이 매우 장기간 소요된다는 문제점이 존재한다.

이러한 문제점을 해결하고 경제적이며 고품질의 다짐지반을 신속히 형성하기 위해, 다짐시공에 부적합한 불량토사를 분쇄 후 체가름하여 혼합기에 투입하고 고화재를 첨가하여 교반함으로써 균질한 혼합물을 조성하고, 이를 다짐이 요구되는 위치에 포설하여 필요에 따라 물을 투입하면서 다짐장비로 다진 후 고화시킴으로서 균질한 지반을 형성시키거나, 불량토사를 굴착한 후 물과 고화재를 지정된 비율로 투입하여 완전 교반 후 유동성 혼합조성물을 제조하여 소요 위치에 타설한 후 다짐 없이 양생시키는 방법 등의 발명이 현장에 적용되고 있으며, 이와 관련 특허로는 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 대한민국 특허등록공보 제10-0947555호, 제10-0971002호, 제10-1094863호, 제10-1241364호 등이 있다.

한편, 산업의 발달과 함께 이산화탄소의 대기중 농도증가로 인한 지구온난화 문제가 대두되고 있는데, 대기중 이산화탄소 농도가 증가하는 원인 중 가장 큰 원인은 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, 액화천연가스 등의 화석연료의 사용이다.

산업화가 시작된 19세기 초반부터 대기중에 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 황화수소(H₂S), 황화카르보닐(COS) 등의 온실 가스농도가 증가하게 되었고 20세기 중반 이후 급속하게 증가하였다.

이러한 온실가스의 증가로 인한 지구 온난화 형상이 가속화되면서 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심이 점차로 높아지고 있으며, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 2010년 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감 방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다. 특히 지구온난화현상을 야기하는 온실가스 중 80%정도를 차지하는 이산화탄소의 분리는 더욱 중요한 문제로 대두되었다.

이산화탄소 배출량을 억제하기 위한 기술로는 배출감소를 위한 에너지 절약기술, 배출되는 이산화탄소의 분리회수기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생 에너지기술 등이 있다.

지금까지 연구된 이산화탄소 분리회수기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 현실성 있는 대안으로 제시되고 있다. 특히, 흡수법은 대용량의 가스처리가 용이하고, 저농도의 가스 분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 현재 상업 운전중에 있다.

또한, 배출가스의 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소를 제거하고, 흡수액과 배출가스를 반응시켜 부산물로 고가의 원료물질인 탄산칼슘(CaCO₃)을 얻을 수 있는 기술이 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 국내특허등록공보 제10-1313720호 등에서 개발되었다.

그러나, 이러한 탄산칼슘(CaCO₃)은 그 활용이 제한되어 다양한 분야에 적용이 요구되고 있는 실정이다.

또한, 탄산칼슘(CaCO₃)을 얻고, 활용하기 위해서는 별도의 탈수, 건조, 분말화 공정을 거쳐야만 하기 때문에 제조 비용이 증대되고, 탄산칼슘이 분리된 탈리액이 그대로 버려져 환경오염을 일으키는 문제점이 있다.

대한민국 특허등록공보 제10-0947555호, 대한민국 특허등록공보 제10-0971002호 대한민국 특허등록공보 제10-1094863호 대한민국 특허등록공보 제10-1241364호 대한민국 특허등록공보 제10-1313720호

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성된 흡수액을 첨가제로 유동성 혼합 조성물에 혼합하여 조기강도의 발현, 보통 포틀랜드 시멘트 함량 절감, 동결융해 특성 개선, 내마모성 개선, 유동성 및 재료분리특성을 개선하도록 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 탄산칼슘(CaCO₃)을 별도로 분리하지 않고, 흡수액 자체를 그대로 활용하여 불량토 및 매립 석탄회 등 기존 산업부산물과 혼합하여 소성 고결체를 조성함으로써, 경제성을 증대시키도록 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

양질토로 활용이 불가능하여 폐기처분이 불가피한 현장발생 불량토, 석탄화력발전 부산물인 석탄회, 제철산업의 부산물인 슬래그, 무근콘크리트 파쇄물, 준설토와 같이 다양한 형태로 발생되어 고형물의 주요 골재로 사용이 가능한 모든 형태의 산업부산물 1~99 중량%와, 목표강도 도달일자에 따라 요구되는 함수비를 부여하도록 이산화탄소 포집 부산물 1~99 중량%를 혼합한 혼합물 10~95 중량%에 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 5~90 중량%를 혼합하여 구성된 산업부산물 혼합물에 상기 산업부산물 혼합물 100 중량% 대비 첨가제 0.01~5 중량%를 배합하여 이루어지는 것을 특징한다.

여기에서, 상기 이산화탄소 포집 부산물은 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액에 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃) 분말이 생성된 혼합액이다.

여기에서 또한, 상기 혼합액은 Ph 8~14이다.

여기에서 또, 상기 혼합액은 탄산칼슘(CaCO₃) 분말이 10~90 부피%로 함유된다.

여기에서 또, 상기 첨가제는 상기 산업부산물의 침강시 응집 및 플록형성을 위한 가교작용 촉진을 위한 응집제와, 응집 보조제 및 플록형성 보조제중 선택된 어느 하나이다.

여기에서 또, 상기 응집제는 금속염과, 알루미늄염 및 철염중 선택된 어느 하나이다.

여기에서 또, 상기 알루미늄염은 폴리염화알루미늄 또는 황산알루미늄이다.

여기에서 또, 상기 응집보조제는 소석회와, 소다회와, 가성소다 및 탄산칼슘중 선택된 어느 하나이다.

여기에서 또, 상기 플록형성 보조제는 활성규산 계열의 첨가제 또는 (-)하전의 미세 콜로이드이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물에 따르면, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성된 흡수액을 첨가제로 유동성 혼합 조성물에 혼합하여 조기강도의 발현, 보통 포틀랜드 시멘트 함량 절감, 동결융해 특성 개선, 내마모성 개선, 유동성 및 재료분리특성을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 탄산칼슘(CaCO₃)을 별도로 분리하거나 탈수 및 분말화 작업을 거치지 않고, 흡수액 자체를 그대로 활용하여 불량토 및 매립 석탄회 등 기존 산업부산물과 혼합하여 소성 고결체를 조성함으로써, 경제성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 탄산칼슘으로 조성한 유동성 충진재의 재령일자별 대표적인 응력-변형률 거동을 나타낸 그래프이다.
도 2는 탄산칼슘 유동성 채움재의 응력-변형률 곡선을 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 4는 결합재 함량별 재령일자에 따른 일축압축강도 변화 및 재령일자별 건조시료 대비 결합재 함량에 따른 일축압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 고결강도의 영향인자로서 물시멘트비(W/C)에 따른 재령 일자별 일축압축강도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 시멘트 함량별 재령일자에 따른 E50의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 시멘트 함량별 일축압축강도에 따른 E50의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 시멘트 함량별 일축압축강도에 따른 Es의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 동결융해 반복횟수에 따른 일축압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 28일 강도를 기준으로 정규화한 동결융해 사이클에 따른 일축압축강도의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 산업부산물 1~99 중량%, 목표강도 도달일자에 따라 요구되는 함수비를 부여하도록 이산화탄소 포집 부산물 1~99 중량%를 혼합한 혼합물 10~95 중량%에 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 5~90 중량%를 혼합하여 구성된 산업부산물 혼합물에 산업부산물 혼합물 100 중량% 대비 첨가제 0.01~5 중량%를 배합하여 이루어진다.

이때, 산업부산물은 양질토로 활용이 불가능하여 폐기처분이 불가피한 현장발생 불량토, 석탄화력발전 부산물인 석탄회, 제철산업의 부산물인 슬래그, 무근콘크리트 파쇄물 및 준설토 등과 같이 다양한 형태로 발생되어 고형물의 주요 골재로 사용이 가능한 모든 형태의 부산물을 말한다.

그리고, 산업부산물을 사용하기 위해 산업부산물의 물리적 특성을 미리 조사한 후, 실내 배합시험을 실시하여 산업부산물의 물리적 특성에 따라 산업부산물, 이산화탄소 포집 부산물 및 고화재의 혼합 비율을 결정하는 것이 바람직하다.

이때, 혼합물의 혼합 비율은 산업부산물 1~99 중량%, 이산화탄소 포집 부산물 1~99 중량%로 배합하는 것이 바람직한 데, 산업부산물이 1 중량% 미만인 경우에는 골재 작용을 하는 대부분이 이산화탄소 포집부산물로만 구성되어 고결체의 결합강도가 약할 수 있는 단점이 있고, 99중량%를 초과인 경우 이산화탄소 포집부산물의 함량이 작아 첨가 효과가 미미한 단점한 단점이 있으며, 이산화탄소 포집 부산물이 1 중량% 미만인 경우 이산화탄소 포집부산물의 함량이 작아 첨가 효과가 미미한 단점한 단점이 있고, 99 중량%를 초과인 경우 골재 작용을 하는 대부분이 이산화탄소 포집부산물로만 구성되어 고결체의 결합강도가 약할 수 있는 단점이 있다.

한편, 산업부산물와 준설토를 혼합하기 위해 산업부산물와 이산화탄소 포집 부산물의 물리적 특성을 미리 조사한 후, 실내 배합시험을 실시하여 산업부산물과 이산화탄소 포집 부산물의 물리적 특성에 따라 산업부산물과 이산화탄소 포집 부산물의 혼합 비율을 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)가 5 중량% 미만인 경우 고결체의 강도가 작은 단점이 있고, 90 중량%를 초과인 경우 고결체의 강도는 크게 발현되나 함량에 비해 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

또, 이산화탄소 포집 부산물은 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액에 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃) 분말이 생성된 혼합액으로서, Ph 8~14를 가지고, 탄산칼슘(CaCO₃) 분말이 10~90 부피%로 함유되는 것이 바람직하다.

계속해서, 첨가제는 콜로이드 분말성분의 플라이애시와 조립질 성분의 바텀애시로 이루어지는 산업부산물의 침강시 응집 및 플록형성을 위한 가교작용 촉진을 위한 응집제와, 응집 보조제 및 플록형성 보조제중 선택된 어느 하나이다. 이때, 첨가제가 0.01 중량% 미만인 경우 일반적으로 (+)하전을 갖는 콜로이드 입자표면의 반발력과 분산작용으로부터 (-)하전상태로 변화시켜 응집을 진행하기에 (-)하전의 양이 과부족되는 단점이 있고, 5 중량%를 초과하면 (-)하전의 표면이 외관상 (+)하전의 입자와 같이 변화하는 하전 역전현상이 발생하여, 콜로이드 입자는 다시 상호간에 반발하고 재차 수중에 분산하여 하얀 탁도물질의 부유현상이 관찰되는 재분산(재안정화) 상태가 되어 응집의 효과가 떨어지는 단점이 있다.

계속해서, 응집제는 산업부산물에 혼합액을 첨가하는 경우 발생하는 콜로이드의 하전을 중화하는 능력과 콜로이드 입자를 상호 결합시키는 가교능력을 발휘하기 위해 쉽게 가수분해되어 (+)하전의 폴리머를 형성하기 위해 금속염, 알루미늄염, 철염중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 이때, 알루미늄염은 산업부산물의 침강 이후 발생하는 혼탁한 상등수의 수질을 개선하여 상등수 제거시 주변오염을 예방하기 위해 액체/고형 폴리염화알루미늄 또는 액체/고형 황산알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.

이어서, 응집보조제는 금속염의 경우 물에 투여시 pH가 저하되는 데, 필요 이상으로 저하되는 경우 응집제의 작용능력이 약화되므로 산업부산물에 일정수준의 pH를 유지시키기 위해 소석회와, 소다회와, 가성소다 및 탄산칼슘중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 플록형성 보조제는 산업부산물에 포함된 (-)하전의 극히 낮은 농도를 갖는 콜로이드 성분을 응집시켜 침강특성을 개선시키고자 할 때 수중의 (-)하전 콜로이드의 부족분을 보충하기 위해 활성규산 계열의 첨가제 또는 (-)하전의 미세 콜로이드를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명인 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물에 따른 효과를 실험예를 바탕으로 설명하면 다음과 같다.

《응력-변형률 거동, 일축압축강도 및 강도정수변화 실험》

먼저, 이산화탄소 포집공정에서 발생한 탄산칼슘은 처리용액의 영향으로200~300%의 고함수비 상태로 존재한다. 따라서, 배합시험시 초기 조건을 균일하게 조성하기 위하여 습윤 상태로 입수한 탄산칼슘을 침강이 완료될 때까지 24시간 이상 방치한 후 상등수를 제거한 후, 함수비를 측정하였다. 측정된 함수비는 평균 130±5%의 범위에 해당하였다. 이후 습윤 상태의 원시료 중량 대비 물과 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 투입하여 완전한 교반이 이루어질 수 있도록 교반기에서 15분간 교반하였다. 유동성 혼합조성물로 활용하기 위해서는 포설이 진행된 후 흐름이 용이하게 발생하여야 하는데, 이를 위해 문헌을 참조하여 양호한 충진용 재료로 활용하기 위한 최소 플로우 값인 150㎜이지만 채움재로 유동성 혼합조성물을 사용시 흐름값이 높아야 채움이 원활하고 작업성이 용이해지기 때문에 플로우 200㎜를 흐름값 기준으로 산정하였다. 따라서, 습윤상태의 탄산칼슘 시료에 보통 포틀랜드 시멘트를 지정된 중량으로 투입하여 교반한 후 플로우를 측정하고, 200㎜에 도달할 때가지 단계적으로 물을 첨가하여 재차 교반을 진행하는 과정을 반복하여 시료를 조성하였다. 배합이 완료된 시료의 최종 플로우 값은 200±10㎜의 오차범위에 해당한다. 공시체는

5㎝×H10㎝의 EP몰드를 이용하여 재령일자별로 5개씩 제작하였으며, 데이터 분석시에는, 최대값과 최소값을 제외한 데이터 3개의 평균값을 분석에 이용하였다. 아래의 표 1에는 재령일자별 배합시험 조건을 제시하였다.

시료명	이산화탄소 포집 부산물 대비 보통 포틀랜트 시멘트 중량비(%)	플로우 (㎜)	시료 함유수 포함 W/C
CA-A05	11.50	200±10	1130
CA-A10	23.00	200±10	565
CA-A15	34.50	200±10	377
CA-A20	46.00	200±10	283
CA-A30	69.00	200±10	188
CA-A40	92.00	200±10	141

<응력-변형률 거동>

도 1은 탄산칼슘으로 조성한 유동성 충진재의 재령일자별 대표적인 응력-변형률 거동을 도시하였다. 재령일자가 작은 공시체의 경우 아직 고결이 완성되지 않은 이유로 다소 큰 변형률 조건에서 파괴가 발생하였으며, 그 양상은 벌징(bulging) 형태의 압축파괴에 해당하였다. 한편, 재령일자가 경과되면서 파괴양상은 취성파괴(brittle) 현장을 보이며 파괴시의 변형률 값 또한 작아지는 경향을 나타내었다. 이는 선행 연구결과로부터 제시되고 있는 다양한 재료로 구성된 유동성 채움재의 거동과도 매우 유사한 현상이다. 또한, 명확한 취성파괴 거동을 보이는 시점은 대략 재령 7일 경과시점이 될 것으로 추정된다.

도 2에서는 탄산칼슘 유동성 채움재의 응력-변형률 곡선을 도시하였다. 결합재 함량이 작은 경우에는 고결이 완료된 이후에도 명확한 파괴점이 보이지 않았으나, 건조시료 중량 대비 약 50% 이상의 결합재가 배합된 경우에는 취성파괴의 양상이 보다 명확히 나타났으며, 파괴에 도달하는 변형률의 수준도 감소하는 경향을 나타내고 있다.

<일축압축강도>

도 3과 도 4에는 결합재 함량별 재령일자에 따른 일축압축강도 변화 및 재령일자별 건조시료 대비 결합재 함량에 따른 일축압축강도 변화를 제시하였다. 동경도 토목 재료 시방서에 따르면 일반적인 유동성 채움재에서 공용하중의 경우 약 1.3kgf/㎠의 일축압축강도 값이 요구되며, 재령 28일 이상경과시 5.5kgf/㎠, 재굴착을 필요로 하지 않는 영구적인 고결체로서의 일축압축강도 값은 10.0kgf/㎠ 이상을 요구하고 있다(Amon,1990). 이상의 기준에 따라 실험 결과를 분석하면, 최소 공용하중 값을 만족하는 결합재 소요량은 건조 탄산칼슘 중량의 34.5% 이상으로 추정된다. 또한, 재령 28일차 이내에서 일축압축강도가 요구되는 결합재 함량은 69% 정도이며, 재굴착이 불필요한 영구적인 고결체로서 탄산칼슘을 활용하기 위해서는 90% 이상의 결합재 함량이 요구된다고 볼 수 있다.

도 5는 고결강도의 영향인자로서 물시멘트비(W/C)에 따른 재령 일자별 일축압축강도의 변화를 도시하였다. 시료 조성단계에서 유동성 충진재 로서의 활용을 위한 최소 플로우 값을 200±10㎜로 고정하였기 때문에, 도 5의 결과는 요구되는 강도의 확보를 위한 물시멘트비의 최대 수준을 제시한다고 할 수 있다.

분석 결과 공용하중 수준의 확보를 위한 최대 W/C는 380% 이내, 재령28일 기준 일축압축강도 수준의 강도 확보를 위한 최대 W/C는 200% 이내, 그리고 재굴착 없이 영구적인 강도수준인 10kg/㎠을 확보하기 위한 W/C는 약 140% 이내임을 확인할 수 있었다.

이상의 실험 결과로부터 탄산칼슘을 이용한 유동성 혼합조성물의 소요 강도수준을 확보하기 위한 시멘트 함량과 물시멘트비의 결정이 가능할 것으로 판단된다.

< 강도정수 변화>

유동성 채움재를 실제 적용하기 위해서는 설계에 필요한 강도정수를 산정하여야 한다. 대표적인 강도정수로는 접선탄성계수인 E₀, 파괴시 변형률에 대한 할선계수인 Es와 최대 변형률의 50% 수준에 대한 할선탄성계수인 E50을 들 수 있다. 이 중 접선탄성계수 E₀는 강성을 과다평가하고, 할선탄성계수인 Es는 강성을 과소평가하기 때문에 일반적으로 E₅₀ 값을 널리 사용하며, 매우 보수적인 설계를 위해서는 Es의 값을 사용하기도 한다.

도 6은 시멘트 함량별 재령일자에 따른 E50의 변화를 도시하였다. 실험 결과, 시멘트 함량이 높은 경우 E50의 값 또한 크며, 재령일자에 따른 증가 폭도 큰 것으로 제시되었다.

도 7에는 시멘트 함량별 일축압축강도에 따른 E50의 변화를 나타내었다. 일축압축강도와 E50은 서로 비선형적인 상관성을 보이는데, 이러한 경향은 고화재의 함량에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 도 8에는 참조용으로 Es의 변화를 나타내었다. Es는 E₅₀에 비해 작은 값을 갖지만 재령일자에 따른 전체적인 변화는 E₅₀ 과 거의 유사한 경향을 나타내었다.

《동결융해 실험》

유동성 혼합조성물은 주로 채움재로 사용되고, 채움재는 도포 포장체 하부나 토층 하부에 위치하는 암거 및 관로의 되메우기에 사용되므로, 하절기와 동절기를 반복적으로 경험하는 국내의 조건에서는 동결융해에 따른 고결체의 강도변화를 파악할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 지정된 배합비로 조성된 탄산칼슘 유동성 채움재를 대상으로, 최초 28일의 양생이 경과된 시점을 기준으로 하여 90사이클의 동결 융해 반복시험을 실시하고 강도 변화를 측정하였다.

동결은 대형 냉동고에서 ­40℃ 상태에서 24시간 동안 진행하였으며 융해 과정은 다시 항온항습조에서 40℃로 24시간을 진행하여 1 사이클로 하였다. 각각 10 사이클이 경과된 공시체에 대해 일축압축시험을 진행하였다.

동결융해 과정은 공시체 내부에 포함된 함유수의 양에 따라 영향을 받을 수 있기 때문에, 본 실험에서는 시료 함유수 포함 W/C를 75%~600%까지 변화시켜 공시체를 제작하였다.

시료명	이산화탄소 포집 부산물 대비 보통 포틀랜트 시멘트 중량비(%)	초기 플로우 (㎜)	시료 함유수 포함 W/C
CA-C10	11.11	200±10	412~600
CA-C20	25.00	200±10	258~341
CA-C30	42.86	200±10	200~222
CA-C40	66.67	200±10	100~141
CA-C50	100.00	200±10	75~92

되메우기나 뒷채움에 적용되는 유동성 충진재의 경우에는 동해에 따른 재료의 안정성이 매우 중요한 역할을 할 수 있으며, 반복적인 동결과 융해에 따라 구조적 안성성에 문제가 발생할 것으로 판단되는 경우에는 적절한 안전율을 두어 안정적인 적용이 되도록 구상하여야 한다.

본 동결융해 실험은 이러한 목적으로 수행되었으며, 도 9는 동결융해 반복횟수에 따른 일축압축강도 변화를 도시하였다. 국내의 경우 사계절로 일년이 구성되어 있으므로, 실제 동결융해 1 사이클은 1년을 나타낸다고 할 수 있다.

실험 결과는 고화재 함량이 작은 경우와 일축압축강도가 작은 경우에 동결융해 사이클에 따른 강도변화의 편차가 작은 것으로 나타났다. 이는 앞 절에서 검토한 바와 같이 재령 28일이 경과된 이후에도 강도가 56일까지 증가하는 것으로 보아 강도발현 메커니즘은 일정 기간 동안 계속 발생하게 되며 이 과정에서 필수적으로 물의 반응이 발생하므로 동결융해에 다소 영향을 받을 수 있다는 것을 의미한다. 더욱이 높은 강도를 발현시키기 위해 많은 양의 시멘트가 투입되게 되면, 이에 따라 동일한 플로우 값을 확보하기 위한 물의 투입량도 증가되게 되므로 동결시 더욱 영향을 받을 수 있다는 것을 의미한다.

도 10은 28일 강도를 기준으로 정규화한 동결융해 사이클에 따른 일축압축강도의 변화로서, 이를 연도로 환산하여 판단하면 유동성 충진이 완료된 후 약 10년까지는 강도발현에 필요한 물의 영향으로 약 60%까지 강도의 저하가 발생하고, 이후 약 20년을 주기로 강도의 증가와 감소가 반복되는 경향을 나타내었다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (9)

1. 양질토로 활용이 불가능하여 폐기처분이 불가피한 현장발생 불량토, 석탄화력발전 부산물인 석탄회, 제철산업의 부산물인 슬래그, 무근콘크리트 파쇄물, 준설토와 같이 다양한 형태로 발생되어 고형물의 주요 골재로 사용이 가능한 모든 형태의 산업부산물 1~99 중량%와, 목표강도 도달일자에 따라 요구되는 함수비를 부여하도록 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액에 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃) 분말이 생성된 혼합액으로 탄산칼슘(CaCO₃) 분말이 10~90 부피%로 함유되고, Ph 8~14인 이산화탄소 포집 부산물 1~99 중량%를 혼합한 혼합물 10~95 중량%에 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 5~90 중량%를 혼합하여 구성된 산업부산물 혼합물에 상기 산업부산물 혼합물 100 중량% 대비 첨가제 0.01~5 중량%를 배합하여 이루어지며,
   상기 첨가제는,
   상기 산업부산물의 침강시 응집 및 플록형성을 위한 가교작용 촉진을 위한 폴리염화알루미늄, 황산알루미늄 및 철염중 선택된 어느 하나인 응집제와; 소석회와, 소다회와, 가성소다 및 탄산칼슘중 선택된 어느 하나인 응집 보조제; 및 활성규산 계열의 첨가제 또는 (-)하전의 미세 콜로이드인 플록형성 보조제중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물.
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