KR101743601B1 - 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재 및 이를 이용한 고화토 제조방법 - Google Patents

순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재 및 이를 이용한 고화토 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법은, 제1플라이 애시를 소정의 입경 범위를 가지도록 필터링하는 A단계; 상기 A단계를 통해 소정의 입경 범위로 필터링된 제1플라이 애시를 분쇄하는 B단계; 상기 B단계를 통해 분쇄된 제1플라이 애시에 제2플라이 애시 및 슬래그(Slag) 미분말을 혼합하여 연약지반 강화용 고화재를 제조하는 C단계; 및 상기 C단계를 통해 제조된 고화재에 연약지반 대상토 및 물을 혼합하여 고화토를 제조하는 D단계;를 포함하며, 상기 제1플라이 애시는 페트로 코크스(Petro-Cokes) 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시이며, 상기 제2플라이 애시는 유연탄 및 페트로 코크스 연료를 혼합하여 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시(순환자원)를 주성분으로 하는 고화재를 연약지반 강화 또는 개량에 사용함으로써 소성이 필요하지 않아 CO2 발생량을 최소화시켜 환경에 유해한 6가 크롬이 발생하지 않기 때문에 환경오염 및 플라이 애시의 처리 비용을 줄일 수 있다.

Description

순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재 및 이를 이용한 고화토 제조방법{solidifying agent and manufacture method for improving ground using the same}
본 발명은 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재 및 이를 이용한 고화토 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고화재는 시멘트 및 생석회와 함께 혼합하여 연약지반 강화용도 등으로 많이 이용되고 있다. 특히, 토목공사와 같은 지반개량공사가 많이 이루어지는 경우 구조물의 대형화에 따라 그 하중 등을 견딜 수 있도록 지반의 안정화를 위해서는 고화재를 이용한 안정적인 처리 공법이 많이 이용되고 있다. 또한, 최근에는 해상 및 육상 심층혼합처리공법 등에서 시공성 또는 경제성 등의 효율적인 이점을 가지고 있기 때문에 시공실적이 증가 추세에 있다.
이러한 연약지반 개량에 사용되는 시멘트계 고화재는 1975년대로 일본의 시멘트 회사에서 지반개량용, 강호수 퇴적물이나 오니의 고화용, 산업페기물 처리용 등 여러 종류의 고화용 특수 시멘트를 개발하여 시판하였다. 이와 같은, 특수 시멘트는 경제적인 고화처리를 위해 유효성분을 첨가하거나 조성을 조정한 시멘트 클링커를 사용하였으며, 분말도를 조정하는 등 여러 가지 변형을 주었다. 하지만, 기본적으로 시멘트를 모체로 하기 때문에 통칭해서 시멘트계 고화재로 불리게 되었다. 또한, 생석회를 모재로 하는 경우엔 석회계 고화재, 생석회와 시멘트를 복합적으로 사용하는 경우는 생석회(CaO) 복합 고화재 라고도 일컫는다.
최근에는 고함수 및 유기질 토양 등에 일반 보통 포틀랜드 시멘트로는 지반개량이 어려운 것을 개선하기 위해 포졸란(pozzolan) 물질, 무수석고, 칼슘 설포 알루미네이트계(calcium sulfoaluminate system) 화합물 등을 혼합하여 시멘트의 사용량을 줄이면서 강도증진 및 팽창저감 효과를 발휘하여 보다 지반 개량에 효과적인 제품이 개발되고 있다.
이와 관련하여 대한민국 등록특허공보 제10-0876222호(이하, ‘종래기술’이라 함)에서는 연약지반 개량용 기능성 고화재를 제시하고 있다.
구체적으로, 종래기술은 60 ~ 65중량%의 포틀랜드시멘트와, 고로슬래그 미분말, 석탄회 미분말, 화산재, 왕겨재, 규조토, 실리카흄 및 제올라이트 중의 하나인 10~15중량%의 포졸란물질과, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)와 석고 또는 CSA와 알루미나시멘트 중의 하나인 10~15중량%의 조강제와, 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 분산제 중의 하나인 10~15중량%의 분산제로 구성되고, 4,000cm2/g의 분말도를 가지는 기술이다.
하지만, 종래기술은 시멘트를 모체로 사용한 것으로, 이러한 시멘트는 천연 석회석을 소성하여 제조하게 되는데, 제조과정에서 CO2를 다량으로 배출하고, 그 성분상에는 환경에 유해한 6가 크롬(chromium)이 일부 존재하는 문제점이 있다.
또한, 종래기술은 연약지반을 개량 또는 강화하기 위해 고가의 석고 및 첨가제를 사용하기 때문에 제조원가가 증가하여 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로써, 본 발명의 목적은 연약지반의 강화 또는 개량하기 위해 플라이 애시를 이용하여 환경에 유해한 6가 크롬을 발생시키지 않으며, 고가의 천연 무수석고 및 생석회 성분을 대체할 수 있는 기술을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재는, 제1플라이 애시(Fly Ash) 30 내지 90 중량부; 제2플라이 애시 0.1 내지 60 중량부; 및 슬래그(Slag) 미분말 0.1 내지 20 중량부;를 포함하며, 상기 제1플라이 애시는 페트로 코크스(Petro-Cokes) 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시이며, 상기 제2플라이 애시는 유연탄 및 페트로 코크스 연료를 혼합하여 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2플라이 애시는 유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부로 혼합된 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법은, 제1플라이 애시를 소정의 입경 범위를 가지도록 필터링하는 A단계; 상기 A단계를 통해 소정의 입경 범위로 필터링된 제1플라이 애시를 분쇄하는 B단계; 상기 B단계를 통해 분쇄된 제1플라이 애시에 제2플라이 애시 및 슬래그(Slag) 미분말을 혼합하여 연약지반 강화용 고화재를 제조하는 C단계; 및 상기 C단계를 통해 제조된 고화재에 연약지반 대상토 및 물을 혼합하여 고화토를 제조하는 D단계;를 포함하며, 상기 제1플라이 애시는 페트로 코크스(Petro-Cokes) 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시이며, 상기 제2플라이 애시는 유연탄 및 페트로 코크스 연료를 혼합하여 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2플라이 애시는 유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부로 혼합된 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 A단계는, 제1플라이 애시에 대해 제1입경 보다 작은 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 A-1단계; 및 상기 A-1단계를 통해 필터링된 제1플라이 애시에 대해 제2입경 보다 큰 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 A-2단계;를 포함하며 상기 A-2단계를 거쳐 필터링된 제1플라이 애시는 제1입경 내지 제2입경 사이의 입경을 가지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 A-1단계의 제1입경은 10㎛이며, 상기 A-2단계의 제2입경은 40㎛인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 C단계에서 제조되는 연약지반 강화용 고화재는, 상기 제1플라이 애시 30 내지 90 중량부; 상기 제2플라이 애시 0.1 내지 60 중량부; 및 상기 슬래그 미분말 0.1 내지 20 중량부;를 포함한다.
추가적으로, 상기 D단계에서 제조되는 고화토는, 상기 연약지반 대상토 100 중량부; 상기 연약지반 강화용 고화재 15 내지 45 중량부; 및 상기 물 5 내지 30 중량부;를 포함한다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시(순환자원)를 주성분으로 하는 고화재를 연약지반 강화 또는 개량에 사용함으로써 소성이 필요하지 않아 CO2 발생량을 최소화시켜 환경에 유해한 6가 크롬이 발생하지 않기 때문에 환경오염 및 플라이 애시의 처리 비용을 줄일 수 있다.
둘째, 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시(순환자원)를 주성분으로 하는 고화재를 제조함으로써 시멘트계 고화재에 성분 중 고가의 천연 무수석고 및 생석회를 대체할 수 있기 때문에 제조원가를 대폭 절감할 수 있다.
셋째, 유연탄 및 페트로 코크스를 연료로 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시를 고화재의 주성분으로 사용함으로써 시멘트계 고화재를 통해 가공된 수준의 강도와 동등 또는 그 이상의 강도를 제공할 수 있다.
넷째, 제1플라이 애시는 필터링 및 분쇄 단계를 거쳐 고화재로 제조됨으로써 무수석고의 함유량을 증가시켜 다량의 에트링자이트(Ettringite)의 침상결정을 생성하는데 기여하고, 물과 반응하는 입자의 표면적이 넓어지기 때문에 물과의 수화반응이 더욱 원활하게 이루어져 연약지반 대상토의 함수비를 낮출 수 있다.
도1은 본 발명의 연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법을 도시한 순서도이다.
도2는 본 발명의 제1플라이 애시의 필터링 단계를 거치기 전 제1플라이 애시의 성분을 분석하여 나타낸 그래프이다.
도3은 본 발명의 제1플라이 애시의 필터링 단계를 거친 후 제1플라이 애시의 성분을 분석하여 나타낸 그래프이다.
도4는 본 발명의 제1플라이 애시를 (Rietveld)법에 따라 구성광물 및 분율(%)을 분석하여 나타낸 그래프이다.
도5는 본 발명의 제2플라이 애시를 (Rietveld)법에 따라 구성광물 및 분율(%)을 분석하여 나타낸 그래프이다.
도6은 본 발명의 순환유동층 보일러에서 발생된 제1플라이 애시의 입자 형태를 SEM(주사전자현미경)을 통해 나타낸 사진이다.
도7은 본 발명의 순환유동층 보일러에서 발생된 제2플라이 애시의 입자 형태를 SEM(주사전자현미경)을 통해 나타낸 사진이다.
이하, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1 및 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
<순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재에 관한 설명>
본 발명의 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재에 대해 설명하면, 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재는 제1플라이 애시(Fly Ash), 제2플라이 애시 및 슬래그(Slag) 미분말을 포함하여 구성된다.
제1플라이 애시는 페트로 코크스(Petro-Cokes) 연료를 100% 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시를 말한다. 구체적으로, 제1플라이 애시는 미반응 CaO(생석회)와 탈황공정반응이 완료된 CaSO4(무수석고)를 주성분으로 하는 부산물이며, 고화재의 유효한 기능을 부여하는 중요한 성분이기 때문에 이러한 생석회 및 무수석고는 기존 시멘트계 고화재와 동등한 효과를 나타낼 수 있어 고가의 생석회나 천연 무수석고를 대체할 수 있다.
또한, 생석회는 지반속의 물과 반응하여 발열반응에 의해 함수비를 낮추는 역할을 하고, 무수석고는 다량의 에트링자이트(Ettringite)의 침상결정을 생성하는데 기여한다. 여기서, 에트링자이트는 다량의 물을 결합수로써 흡수하여 함수비를 저하시킴과 동시에 고화토 내 토립자의 이동을 구속하여 고화되기 쉬운 상태를 만드는 물질이다. 따라서, 본 발명은 전술한 작용들에 의해 함수비가 높거나 유기질이 많은 토양에서도 연약지반을 강화하기 위한 고화재로서 우수한 효과를 발휘할 수 있는 것이다.
그리고, 제1플라이 애시는 30 내지 90 중량부로 마련될 수 있으며, 이는 제1플라이 애시가 30 내지 90 중량부 범위를 벗어날 경우, 연약지반 대상토를 고화시킬 때 고화토의 압축강도 및 지지력이 떨어지는 문제점이 생기기 때문이다.
제2플라이 애시는 유연탄 및 페트로 코크스 연료를 혼합하여 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시를 말한다. 또한, 제2플라이 애시는 대부분의 순환유동층 보일러를 사용하는 열병합 발전소는 다양한 종류의 저급 유연탄을 사용하거나, 페트로 코크스를 혼합하여 사용한다. 이는 고화재로 사용하기 위해서 그 특성을 정확하게 파악하고, 활용률을 높여 품질의 다양화 및 안정성을 부여하기 위해서이다. 따라서, 제2플라이 애시는 유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부로 혼합된 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시로 마련될 수 있다.
또한, 제2플라이 애시는 0.1 내지 60 중량부로 마련될 수 있으며, 이는 제2플라이 애시가 60 중량부 범위를 초과하여 마련될 경우, 연약지반 대상토를 고화시킬 때 고화토의 압축강도 및 지지력이 떨어지는 문제점이 생기기 때문이다.
슬래그 미분말은 에트링자이트 수화물의 생성량을 늘리는데 기여하는 성분으로, 철강 속의 불순물과 코크스의 재, 석회석이 반응하여 생긴 용융물인 고로슬래그 미분말로 마련되는 것이 바람직하다. 이는 고로슬래그 미분말의 주성분이 CaO, SiO2(이산화 규소), Al2O3(산화 알루미늄)로 이루어져 있고, 에트링자이트 수화물의 주성분이 CaO, SO3(삼산화황), Al2O3으로 이루어져 있기 때문에 에트링자이트 수화물의 생성량을 늘리기 위해 부족한 Al2O3 성분을 고로슬래그 미분말이 보충해 주기 때문이다. 즉, 제1플라이 애시 및 제2플라이 애시는 Al2O3 성분이 부족하기 때문에 제1플라이 애시 및 제2플라이 애시에 Al2O3 성분을 보충하여 에트링자이트 수화물의 생성량을 늘리기 위해 고로슬래그 미분말을 혼합함으로써 고로슬래그 미분말은 연약지반의 함수비를 저하시킴과 동시에 고화토 내 토립자의 이동을 구속하여 연약지반의 압축강도를 높이는데 기여한다.
그리고, 슬래그 미분말은 0.1 내지 20 중량부로 마련될 수 있으며, 이는 슬래그 미분말이 20 중량부를 초과하여 마련될 경우, 연약지반 대상토를 고화시킬 때 고화토의 압축강도 및 지지력이 떨어지는 문제점이 생기기 때문이다.
따라서, 본 발명의 순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재는 순환유동층 보일러 애시의 성분 특성을 활용하여 고가의 결합재(칼슘 설포 알루미네이트계, 석고 등)를 대체할 수 있기 때문에 고화재의 제조원가를 절감할 수 있을 뿐만이 아니라, 플라이 애시와 같은 순환재료(재생재료)를 사용함으로써 환경오염 및 처리 비용을 줄일 수 있다.
<연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토의 제조방법에 관한 설명>
본 발명의 연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토의 제조방법이 어떠한 과정으로 이루어지는지에 대해 이하에서 도1의 순서도를 참조하여 상세하게 설명한다.
1. 제1플라이 애시 필터링단계 <S100, A단계 >
본 단계에서는 제1플라이 애시를 소정의 입경 범위를 가지도록 필터링(Filtering)하는 과정이 이루어진다.
여기서, 제1플라이 애시는 페트로 코크스(Petro-Cokes) 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시를 말한다.
또한, 본 단계는 제1입경 보다 작은 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 제1필터링 단계(A-1단계) 및 제2입경 보다 큰 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 제2필터링 단계(A-2단계)를 포함하여 구성된다.
구체적으로 제1필터링 단계(A-1단계)는 제1플라이 애시가 제1입경 보다 작은 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 단계이며, 상기 제1입경은 10㎛로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 제2필터링 단계(A-2단계)는 상기 제1필터링 단계(A-1단계)를 통해 필터링된 제1플라이 애시에 대해 제2입경 보다 큰 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 단계이며, 상기 제2입경은 40㎛로 마련되는 것이 바람직하다.
따라서, 제1플라이 애시는 제1필터링 단계(A-1단계) 및 제2필터링 단계(A-2단계)를 거쳐 필터링되어 제1입경 내지 제2입경 사이의 입경, 즉 10㎛이상 40㎛이하의 입경을 가지게 된다. 하지만, 전술한 제1플라이 애시의 입경 범위 또는 제1입경 및 제2입경은 본 발명을 설명하기 위한 하나의 실시예이기 때문에 반드시 이에 한정되지는 않는다.
2. 제1플라이 애시 분쇄단계<S200, B단계 >
본 단계에서는 상기 제1플라이 애시 필터링단계(S100, A단계)를 통해 소정의 입경 범위로 필터링된 제1플라이 애시를 분쇄수단을 이용하여 분쇄하는 과정이 이루어진다.
좀 더 구체적으로, 본 단계에서는 상기 제1플라이 애시 필터링단계(S100, A단계)를 통해 제1입경 내지 제2입경 사이의 입경, 즉 10㎛ 내지 40㎛ 사이의 입경 범위로 필터링된 제1플라이 애시를 분쇄하는 것이 바람직하다.
본 단계를 통해 제1플라이 애시는 분쇄됨으로써 분말도가 향상되어 물과 반응하는 제1플라이 애시 입자의 표면적이 넓어지기 때문에 물과의 수화반응이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다.
3. 연약지반 강화용 고화재 제조단계<S300, C단계 >
본 단계에서는 상기 제1플라이 애시 분쇄단계(S200, B단계)를 통해 분쇄된 제1플라이 애시에 제2플라이 애시 및 슬래그 미분말을 혼합하여 연약지반 강화용 고화재를 제조하는 과정이 이루어진다.
여기서, 제2플라이 애시는 유연탄 및 페트로 코크스 연료를 혼합하여 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시를 말한다. 또한, 제2플라이 애시는 대부분의 순환유동층 보일러를 사용하는 열병합 발전소는 다양한 종류의 저급의 유연탄을 사용하거나, 페트로 코크스를 일부 혼합하여 사용한다. 이는 고화재로 사용하기 위해서 그 특성을 정확하게 파악하고, 활용률을 높여 품질의 다양화 및 안정성을 부여하기 위해서이다. 따라서, 제2플라이 애시는 유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부로 혼합된 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시로 마련될 수 있다.
또한, 제2플라이 애시는 0.1 내지 60 중량부로 혼합될 수 있으며, 이는 제2플라이 애시가 60 중량부 범위를 초과하여 마련될 경우, 연약지반 대상토를 고화시킬 때 고화토의 압축강도 및 지지력이 떨어지는 문제점이 생기기 때문이다.
슬래그 미분말은 에트링자이트 수화물의 생성량을 늘리는데 기여하는 성분으로, 철강 속의 불순물과 코크스의 재, 석회석이 반응하여 생긴 용융물인 고로슬래그 미분말로 마련되는 것이 바람직하다. 이는 고로슬래그 미분말의 주성분이 CaO, SiO2(이산화 규소), Al2O3(산화 알루미늄)로 이루어져 있고, 에트링자이트 수화물의 주성분이 CaO, SO3(삼산화황), Al2O3으로 이루어져 있기 때문에 에트링자이트 수화물의 생성량을 늘리기 위해 부족한 Al2O3 성분을 고로슬래그 미분말이 보충해 주기 때문이다. 즉, 제1플라이 애시 및 제2플라이 애시는 Al2O3 성분이 부족하기 때문에 제1플라이 애시 및 제2플라이 애시에 Al2O3 성분을 보충하여 에트링자이트 수화물의 생성량을 늘리기 위해 고로슬래그 미분말을 혼합함으로써 고로슬래그 미분말은 연약지반의 함수비를 저하시킴과 동시에 고화토 내 토립자의 이동을 구속하여 연약지반의 압축강도를 높이는데 기여한다.
그리고, 슬래그 미분말은 0.1 내지 20 중량부로 마련될 수 있으며, 이는 슬래그 미분말이 20 중량부를 초과하여 마련될 경우, 연약지반 대상토를 고화시킬 때 고화토의 압축강도 및 지지력이 떨어지는 문제점이 생기기 때문이다.
4. 고화토 제조단계<S400, D단계 >
본 단계에서는 상기 연약지반 강화용 고화재 제조단계(S300, C단계)를 통해 제조된 연약지반 강화용 고화재에 연약지반 대상토 및 물을 혼합하여 개량된 고화토를 제조하는 과정이 이루어진다.
구체적으로, 본 단계에서는 연약지반 대상토 100 중량부, 연약지반 강화용 고화재 15 내지 45 중량부 및 물 5 내지 30 중량부를 혼합하여 고화토를 제조하며, 고화토의 압축강도 높이기 위해 연약지반 대상토 100 중량부, 연약지반 강화용 고화재 30 중량부 및 물 12 중량부를 혼합하여 고화토를 제조하는 것이 바람직하다.
< 실시예 >
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제1플라이 애시의 중금속 함유량 및 6가 크롬 측정
페트로 코크스를 연료로 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 제1플라이 애시의 중금속 함유량 및 6가 크롬(chromium) 측정 결과를 하기의 표1에 나타내었다.
시험분석 항목 시험분석 결과(mg/Kg) 시험분석 방법 및 비고
Ni(니켈) 120 토양오염공정시험법, Ni 항목의 경우,
토양오염 대책기준 만족
As(비소) 불검출
Hg(수은) 불검출
Pb(납) 불검출
Cd(카드뮴) 불검출
Cu(구리) 불검출
Cr6 + 불검출
<평가기준 : 한국표준용출시험법인 KSLT>
상기 표1을 통해 알 수 있듯이, 6가 크롬이 불검출로 측정되었고, Ni(니켈)을 제외한 모든 중금속 항목에 대하여 검량 한계 미만의 불검출로 측정되었으며, Ni의 경우 토양오염 대책기준을 만족하였다.
제1플라이 애시의 필터링 단계(S100, A단계 ) 전후 비교
페트로 코크스를 연료로 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생되는 제1플라이 애시의 성분을 분석한 결과, 중량 기준으로 CaSO4 약 49.0%, CaO 약 37.9%로 주성분이 이루어져 있음을 확인했으며, CaCO3가 약 10%, 그밖에 약 2%의 페트로코크스가 연소되지 않은 상태로 혼합되어 있었다. 이에 대한 성분분석 그래프를 도2에 도시하였다.
하지만 이 가운데 10㎛ 내지 40㎛ 범위의 입경으로 필터링한 후 성분 분석을 한 결과 CaSO4 약 76.4%, CaO 약 18.6%로 구성됨을 확인할 수 있었다. 이에 대한 성분분석 그래프를 도3에 도시하였다.
즉, 입자 크기에 따라 제1플라이 애시를 필터링하는 과정을 거칠 경우 필터링되지 않은 제1플라이 애시에 비해 무수석고(CaSO4) 비율은 크게 증가되었고, 이를 하기에 표1에 정리하였다.
성분 CaO CaCO3 CaSO4
필터링 전 제1플라이 애시 28 내지 38% 8 내지 10% 47 내지 50%
필터링 후 제1플라이 애시 16 내지 20% 1 내지 2% 74 내지 80%
다시 말해, 상기 표2을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 제1플라이 애시 필터링 단계(S100, A단계)를 거쳐 필터링된 제1플라이 애시는 무수석고(CaSO4) 74~80 중량%, 생석회(CaO) 16~20 중량% 및 탄산칼슘(CaCO3) 1~2 중량%의 구성비를 갖게 되는 것이다. 즉, 무수석고는 다량의 에트링자이트(Ettringite)의 침상결정을 생성하는데 기여하기 때문에 제1플라이 애시를 필터링 하여 고화재의 주요한 성분으로 사용되기 적합하다. 또한, 이러한 고가의 천연 무수석고를 대체하여 고화재의 주성분으로 이용되기 때문에 제조원가를 절감할 수 있다.
연약지반 강화용 고화재의 성분 및 광물 분석
연약지반 대상토에 고화재를 첨가하여 개량된 고화토를 제조하기 위해 먼저 고화재의 주성분인 제1플라이 애시 및 제2플라이 애시의 성분에 대하여 분석하였다.
제1플라이 애시는 페트로 코크스를 연료로 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시(현대오일뱅크(주), 군장에너지 4호기)를 사용하였다. 또한, 제2플라이 애시는 유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부로 혼합된 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시(군장에너지 GE1, 2)를 사용하였다. 이러한 제1플라이 애시 및 제2플라이 애시의 화학성분을 하기의 표3에 나타내었다.
성분 화학분석(%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 LOI
제1플라이 애시(현대 오일뱅크(주)) 7.9 0.2 0.3 54.2 1.1 24.5 11.8
제2플라이 애시(군장에너지 1, 2호기) 42.1 5.7 1.9 26.7 2.1 7.1 13.3
다음은 제1플라이 애시 및 제2플라이 애시의 구성광물에 대한 분석을 진행하였다.
페트로 코크스 연료를 100% 사용하는 군장에너지 4호기(2014년 6월 발생된 플라이 애시)는 현대오일뱅크(주)의 플라이 애시와 설비와 사용원료로 페트로 코크스가 100% 유일하게 사용되기 때문에 본 연구에서는 현대오일뱅크(주)의 플라이 애시로 진행하였다. 각 애시의 정성분석과 정량분석을 위하여 고분해능 X-선 회절기(X-ray Diffraction, XRD)로 측정한 후, 분석소프트웨어 Rietveld분석을 실시하였다.
또한, 군장에너지(주)에서 발생된 제2플라이 애시의 XRD-Rietveld로 구한 광물학적 조성을 검토하였다. 순환유동층 보일러의 플라이 애시는 로내 탈황공정 및 연소과정을 거쳐서 발생되기 때문에 일반 석탄화력 발전소의 플라이 애시의 광물 및 화학성분이 다르며, 생성되는 광물과 화학성분은 열원으로 사용하는 탄의 종류에 따라서 다르다. 대부분의 순환유동층 보일러를 사용하는 열병합 발전소는 다양한 종류의 저급의 유연탄을 사용하거나, 페트로 코크스를 일부 혼소하여 사용하기 때문에 고화재로 사용하기 위해서 그 특성을 정확히 파악하는 것이 필요하며, 활용률을 높이고, 품질의 다양화 및 안정성을 부여하기 위해 혼합하여 사용한다.
먼저, 군장에너지 4호기(현대오일뱅크) 순환유동층 보일러에서 발생하는 제1플라이 애시에 대하여 리트벨트(Rietveld)법에 따라 구성광물을 분석하여 도4에 나타내었고, 구성광물 및 각각의 분율(%)을 하기의 표4에 나타내었다.
구성광물 분율(%)
SiO2 3.2
CaSO4 54.0
CaO 38.3
CaCO3 4.1
Ca(OH)2 0.3
상기 표4를 통해 알 수 있듯이, 제1플라이 애시는 주요 광물은 주로 무수석고(CaSO4) 및 생석회(CaO)이루어져 있으며, 이러한 광물은 고화재의 유효한 기능을 부여하는 주요 성분으로 고가의 생석회나 천연 무수석고를 대체할 수 있다.
그리고, 군장에너지 1호기(유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부 혼합) 순환유동층 보일러에서 발생하는 제2플라이 애시에 대하여 Rietveld법에 따라 구성광물을 분석하여 도5에 나타내었고, 구성광물 및 각각의 분율(%)을 하기의 표5에 나타내었다.
구성광물 분율(%)
SiO2 36.5
CaSO4 26.5
CaO 18.9
CaCO3 11
Fe2O3 7.1
상기 표5를 통해 알 수 있듯이, 제2플라이 애시는 생석회(CaO)와 무수석고(CaSO4) 등의 광물을 함유하고 있기 때문에 결과적으로, 연약지반의 대상토의 물과 반응하여 발열반응에 의해 함수비를 낮추는 역할을 하게 된다.
그리고, 슬래그 미분말은 본 실시예에서 고로슬래그 미분말을 사용하였으며, 고로슬래그 미분말의 평균입경은 14.17㎛로 측정되었다.
아울러, 제1플라이 애시의 입자 형태를 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사전자현미경)을 이용하여 도6에 나타내었고, 제2플라이 애시의 입자 형태를 SEM을 이용하여 도7에 나타내었다.
고화토의 압축강도 분석
본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 (일축)압축강도 특성을 검토하기 위해 고화재를 연약지반 대상토에 첨가하여 배합시킨 함량 및 이렇게 배합되어 개량된 고화토의 압축강도에 대한 평가를 하기의 표6에 나타내었다. 여기서, 연약지반 대상토는 새만금 간척지 내에 OCI 폴리실리콘 제조공장이 들어설 곳의 흙(사질토)을 채취하여 실시하였다. (대상토 물성 : 함수량 : 9.9%, 건조단위중량(40mm 이하) : 1.43g/cm3, 입도분포 : 8㎛ 통과율 4.7%, 최적 물량에서의 압축강도 : 0.2MPa)
제1플라이 애시(%) 제2플라이 애시(%) 슬래그 미분말(%) 단위 분체량(%) 단위 수량(%) 재령7일(MPa) 재령14일 (MPa) 재령28일 (MPa)
실시예1 80 20 - 30 40 1.48 2.32 2.24
실시예2 80 - 20 30 40 2.82 2.83 3.08
실시예3 60 20 20 30 40 2.74 4.21 5.03
실시예4 50 40 10 30 40 2.58 3.65 4.06
실시예5 40 40 20 30 40 3.41 5.19 4.31
실시예6 30 60 10 30 40 2.89 4.80 4.18
실시예7 60 20 20 15 60 1.03 1.70 1.78
실시예8 90 10 - 45 60 1.03 1.70 1.78
비교예1 60 20 20 30 80 0.54 0.80 1.14
비교예2 60 20 20 15 80 0.84 1.23 1.31
비교예3 70 30 - 45 40 0.21 0.37 0.47
(단위분체량 : 연약지반 대상토 대비 고화재의 함량, 단위수량 : 고화재 대비 물의 함량)
상기 표6을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예1 내지 실시예8과 같이 제조된 고화토는 초기 압축강도 및 장기 압축강도가 뛰어난 것을 알 수 있고, 실시예1 내지 실시예5와 같이 단위 분체량 30%, 단위수량 40%로 마련되는 것이 고화토의 초기 압축강도 및 장기 압축강도가 가장 뛰어난 것을 알 수 있다. 또한, 비교예1 내지 비교예3과 같이 제조된 고화토는 초기 압축강도가 매우 떨어지는 것을 알 수 있으며, 고화토는 연약지반 대상토 대비 고화재의 함량을 나타내는 단위분체량 보다 고화재 대비 물의 함량을 나타내는 단위 수량에 좀 더 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. 즉, 고화재 대비 물의 함량을 나타내는 단위수량은 40%로 마련되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 제1플라이 애시(Fly Ash) 30 내지 90 중량부;
    제2플라이 애시 0.1 내지 60 중량부; 및
    슬래그(Slag) 미분말 0.1 내지 20 중량부;를 포함하며,
    상기 제1플라이 애시는 페트로 코크스(Petro-Cokes) 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시이며, 상기 제2플라이 애시는 유연탄 및 페트로 코크스 연료를 혼합하여 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시이고,
    상기 제2플라이 애시는 유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부로 혼합된 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 하는
    순환유동층 보일러에서 발생하는 플라이 애시를 이용한 연약지반 강화용 고화재.
  2. 삭제
  3. 제1플라이 애시를 소정의 입경 범위를 가지도록 필터링하는 A단계;
    상기 A단계를 통해 소정의 입경 범위로 필터링된 제1플라이 애시를 분쇄하는 B단계;
    상기 B단계를 통해 분쇄된 제1플라이 애시에 제2플라이 애시 및 슬래그(Slag) 미분말을 혼합하여 연약지반 강화용 고화재를 제조하는 C단계; 및
    상기 C단계를 통해 제조된 고화재에 연약지반 대상토 및 물을 혼합하여 고화토를 제조하는 D단계;를 포함하며,
    상기 제1플라이 애시는 페트로 코크스(Petro-Cokes) 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시이며, 상기 제2플라이 애시는 유연탄 및 페트로 코크스 연료를 혼합하여 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 하는
    연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2플라이 애시는 유연탄 40 내지 50 중량부 및 페트로 코크스 50 내지 60 중량부로 혼합된 연료를 사용하는 순환유동층 보일러에서 발생된 플라이 애시인 것을 특징으로 하는
    연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 A단계는,
    제1플라이 애시에 대해 제1입경 보다 작은 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 A-1단계; 및
    상기 A-1단계를 통해 필터링된 제1플라이 애시에 대해 제2입경 보다 큰 입경을 가지는 제1플라이 애시를 필터링하는 A-2단계;를 포함하며,
    상기 A-2단계를 거쳐 필터링된 제1플라이 애시는 제1입경 내지 제2입경 사이의 입경을 가지는 것을 특징으로 하는
    연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 A-1단계의 제1입경은 10㎛이며, 상기 A-2단계의 제2입경은 40㎛인 것을 특징으로 하는
    연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 C단계에서 제조되는 연약지반 강화용 고화재는,
    상기 제1플라이 애시 30 내지 90 중량부;
    상기 제2플라이 애시 0.1 내지 60 중량부; 및
    상기 슬래그 미분말 0.1 내지 20 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 D단계에서 제조되는 고화토는,
    상기 연약지반 대상토 100 중량부;
    상기 연약지반 강화용 고화재 15 내지 45 중량부; 및
    상기 물 5 내지 30 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    연약지반 강화용 고화재를 이용한 고화토 제조방법.
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