KR20070014230A - 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및항만 구조물 - Google Patents
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Abstract
콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물에 관한 것으로, 콘크리트 재령이 증가할수록 내투수성이 향상되고 황산염에 대한 저항성이 향상된 인공어초의 제공을 목적으로 물, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재로 이루어진 콘크리트 배합에서 골재 대체재로서 폐기물을 활용하는 해안 및 항만 구조물에 있어서, 상기 폐기물은 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬가 사용되며, 강도 210∼300kgf/㎠의 범위 및 슬럼프값 12±1㎝을 만족하는 범위안에서 상기 굵은 골재는 굵은 골재량에 대해 60∼90중량%의 천연골재와 10∼40중량%의 상기 바텀 애쉬 골재로 이루어지고, 상기 구조물의 염소이온 투과법에 의한 전하통과량은 재령 90일 이상에서 2,700쿨롬 이하이고, 상기 구조물의 콘크리트 팽창율은 침지일수 100일에서 0.012%이하인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물을 이용하는 것에 의해, 장기 강도 발현이 나타나고 있어 해안구조물에 유리하며 내구성 측면에서는 오히려 일반 골재를 사용한 콘크리트보다 우수한 효과를 거둘 수 있다.
콘크리트, 골재, 바텀 애쉬, 해양 구조물, 황산염
Description
도 1은 잔골재의 대체재로서 바텀 애쉬를 사용한 콘크리트에 대해 압축강도시험을 수행한 결과를 나타낸 도면,
도 2는 굵은 골재의 대체용으로 바텀 애쉬를 사용한 경우의 재령별 강도 변화를 나타내는 도면,
도 3은 바텀 애쉬를 잔골재 대체재로 사용한 경우의 내투수성을 조사하기 위하여 염소이온 투과시험을 수행한 결과를 나타내는 도면,
도 4는 굵은 골재 대체재로 바텀 애쉬를 사용한 경우, 콘크리트 재령별 통과 전하량을 나타내는 도면,
도 5는 바텀 애쉬를 잔골재 대체재로 치환하여 사용하였을 때의 내황산염의 결과를 나타내는 도면,
도 6은 굵은 골재의 대체재로 바텀 애쉬를 사용한 경우, 황산성 저항 시험결과를 나타내는 도면.
본 발명은 화력발전소에서 발생되고 있는 일반폐기물인 바텀 애쉬를 콘크리트 배합용 골재로 활용한 해안 및 항만 구조물에 관한 것으로, 특히 현재 발전소 주변에 폐기매립 처리되고 있는 바텀 애쉬를 사용하여 내해수성과 침투에 대한 저항성을 갖는 해안 및 항만 구조물에 관한 것이다.
일반적으로 석탄회분(애쉬)이란 소각(Incineration) 또는 연소(combustion) 후에 남아 있는 잔재물로 정의된다. 애쉬(Ash)의 대부분이 화력발전소에서 발생하고 있으며 그 이외에도 폐기물 소각로와 열병합 발전소 및 기타 산업현장에서 연소공정으로 인하여도 발생시키고 있다. 애쉬는 연소물의 잔재물이라는 점에서 곧 무기물질(예, SiO2, Al2O3, Fe2O3)로서 재활용이 가능한 재료에 속한다. 그러나, 연소공정을 거치는 관계로 항상 미연탄분(Unburnt Carbon)이 부수적으로 함유되어 있다는 점이 기술적으로 응용하는데 문제가 되고 있다.
애쉬는 크게 두가지로 입자의 크기에 따라 구분된다. 입자의 크기가 100㎛이하일 때는 플라이(Fly) 애쉬(날아다니는 회분)이고 그 이상일 때는 바텀(Bottom) 애쉬(떨어지는 회분)로 취급된다.
또, 폐기물 소각로와 열병합 발전소 및 기타 산업현장의 연소공정에서 사용되는 석탄은 탄화도에 따라 무연탄과 유연탄으로 구분되고, 무연탄은 탄소분이 90-95% 정도 함유하고 있으며, 유연탄은 무연탄에 비해 탄소분이 적다. 이탄(泥炭), 아탄(亞炭), 갈탄(褐炭)이 유연탄에 속하며, 각각에 대해 이탄이 60%, 아탄과 갈탄이 70%, 역청탄이 80-90%의 탄소분을 함유한다. 탄질에 따라 다르지만 무연탄의 경우 원탄의 약 30-50% 정도가 재로 남으며 유연탄의 경우는 연소효율이 높으므로 원탄의 약 10-15% 정도가 재로 발생된다.
이러한 석탄분말을 연소하였을 때, 유기물은 연료로 연소됨과 동시에 무기물은 "재(애쉬)"로 남아 있게 된다. 재는 보일러 연통 내에 분산되는 상태에서 무거운 입자는 보일러 하부로 떨어지게 되고, 가벼운 입자는 계속해서 날아다니는 도중에 보일러 연도로부터 전기 집진기에 의해서 채취된다. 입자가 무거워서 하부로 낙진되는 재를 이른바 "바텀 애쉬"라고 부르고, 분산되어 날아다니다가 집진기에 의해서 채취되는 재를 "플라이 애쉬"라고 부른다.
대부분의 석탄회는 집진설비 내에서 포집되거나 보일러 저부에서 채취되며, 발생량은 전체 미분탄의 15-45%정도로 전체 석탄회중 집진설비에 포집되는 플라이 애쉬의 양은 약 60-80% 정도이고 나머지 20-40% 정도가 보일러 저부에서 채취되는 바텀 애쉬이다.
바텀 애쉬는 보일러의 벽면이나 예열기, 절단기 등에 부착되어 있다가 자중이나 부하변동 제진장치 등에 의하여 보일러 저부로 떨어져 호퍼(hopper)내에 집적된 후 분쇄기에 의해 분쇄된다.
일반적으로 바텀 애쉬 호퍼의 내부에는 60℃정도의 물을 채워 놓는다. 이 물은 고온(760℃ 이상)의 바텀 애쉬를 열충격(thermal shock)에 의해 파괴시키고, 호퍼가 가열되어 내부의 바텀 애쉬가 용융을 결합하는 것을 방지하며, 바텀 애쉬 배출시 호퍼 벽면과의 마찰저항을 감소시키는 등의 역할을 한다.
또, 바텀 애쉬 시스템에는 기본적으로 직접 회처리방식(Direct Sluicing System), 탈수조 저장방식(Storing System in Dewatering Bin), 재순환방식(Water Recirculation System), 수침기계방식(Chain Conveyer System) 등이 알려져 있다.
직접 회처리방식은 보일러 저부의 호퍼에서 배출된 바텀 애쉬를 회수송관을 통해 물과 함께 회처리장까지 직접 운반시키는 방식이다. 회처리 과정은 물과 혼합된 크링커(Clinker) 상태의 바텀 애쉬를 호퍼의 유출구에 있는 분쇄기에서 분쇄시킨 후 제트 펌프로 회처리장까지 운반시키는 과정으로 이루어진다. 이 방식은 발전소로부터 회처리장까지의 거리가 비교적 짧은 경우에 매우 유용하며, 회처리에 필요한 물의 양이 많이 소요되므로 일반적으로 해수를 많이 사용하고 있다. 또한 회처리에 사용된 물에 의해 수질오염 방지와 사용수량의 감소 대책으로서 사용된 물을 다시 바텀 애쉬 호퍼로 재순환시켜 사용하는 방법을 채용하고 있다.
탈수조 저장방식은 분쇄된 바텀 애쉬를 회수송관을 통해 물과 함께 탈수조(dewatering bin)로 이동시켜, 탈수를 위해 24시간 이상 저장한 후 탈수된 바텀 애쉬를 벨트 콘베이어나 트럭 등을 사용하여 회처리장에 매립하거나 기타 용도로 활용하는 방식이다. 이 방식은 바텀 애쉬를 노반 노상재나 시멘트 원료 등의 재료로 활용하는 경우에 적합한 방식이다.
재순환 방식은 탈수조 저장방식과 동일하게 물과 혼합된 바텀 애쉬를 탈수조까지 이동시킨 후 탈수시키는 방식이나, 특히 탈수조에서 배출된 물을 침전지나 침전탱크로 이동, 침전시킨 후 재순환하여 사용하는 점이 특이하다. 이 방식은 회처리에 사용되는 물의 양을 극소화시킬 수 있기 때문에 대용량의 석탄화력발전소에서 많이 사용된다.
또, 수침기계방식은 보일러 저부의 크링커 호퍼에 수침식 체인 콘베이어를 설치하여, 보일러 저부로 낙하된 바텀 애쉬를 호퍼 내의 물로 급냉시켜 파쇄 시킨 후 콘베이어를 이용하여 호퍼 밖으로 배출시키는 방식이다. 이 방식은 소요동력과 설치공간이 작아도 되며, 회처리에 사용되는 물의 양이 적게 드는 등의 장점이 있어 서독을 중심으로 유럽에서 많이 사용되고 있다.
다음에 바텀 애쉬의 기본적인 화학 물리적 성질에 대해 설명한다.
바텀 애쉬는 짙은 회색의 고르지 못한 알갱이로 관찰되는데 입자표면은 다공질의 표면을 나타내고 있으며, 모래와 비슷하게 보이고 직경 5mm이상의 크기를 가지는 불규칙한 형태의 입자이다. 바텀 애쉬의 주화학성분으로 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O 및 K2O를 포함한다. 이중 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화철(Fe2O3)의 성분비가 각각 70.0∼45.4%, 28.3∼15.9%, 14.3∼2.0%의 순으로 바텀 애쉬의 화학성분들 중 가장 많은 양을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.
바텀 애쉬에는 플라이 애쉬나 고로 슬래그와 같이 많은 양의 유리상(Glass paste)을 포함하고 있지는 않지만 어느 정도 장기강도에 영향을 줄 수 있는 정도의 유리상을 포함하고 있다.
또한, 바텀 애쉬의 물리적 특성으로서, 바텀 애쉬의 색상은 대부분 회색을 띄고 있으며 짙은 황색과 검정색 회백색에 이르기까지 생성 환경에 따라 여러 색상을 띠고 있다. 미연탄소 입자는 검정색을 띠고, 실리카와 알루미나 성분이 많은 것은 회백색과 황색을 띠고 있다. 바텀 애쉬는 결합재 역할을 수행하기에는 입자모 양이나 화학성분 등의 조건이 맞지 않는 실정이다. 또, 바텀 애쉬의 비중은 2.1에서 2.7정도이고, 바텀 애쉬의 건조중량은 720∼1600㎏/㎥이고 가소성은 없으며 흡수율은 2.0%-10.0%정도로 대단히 광범위하다.
또한, 애쉬의 발생량은 탄질에 따라 다르지만, 무연탄은 약 30-40% 정도를 애쉬의 발생량으로 보고 있으며 이중 약 60-80%가 플라이 애쉬이며, 20-40%는 바텀 애쉬로 취급된다. 그러나, 유연탄의 경우는 연소효율이 높아서 무연탄만큼 재가 발생되지 아니한다. 대개 원탄의 약 10-20%이고 이에 대한 플라이 애쉬와 바텀 애쉬의 비는 약 7 : 3으로 간주한다.
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.
상술한 바와 같은 바텀 애쉬의 국내외 연구사례로 석탄회를 이용한 인공지반 축조기술, 석탄회, 오징어 쓰레기 및 톱밥을 이용한 양질의 비료생산에 대한연구, 바텀 애쉬를 적용한 도로용 콘크리트 개발, 고탄소 석탄회를 이용한 수처리제 개발, 석탄회의 농업적 이용 등 현재 바텀 애쉬 분야의 연구가 활발히 이루어지고 있 다.
이러한 바텀 애쉬를 골재로 사용한 예는 자연산 및 인공골재의 일부를 대체하거나(대한민국 공개특허공보 공개번호 1997-074076호), 열 병합 발전소의 바텀애쉬를 경량건자재의 제조에 일부 사용한 것(대한민국 공개특허공개 공개번호 1997-061815호)과 바텀 애쉬를 골재로 사용하여 콘크리트제품으로 사용하는 것(대한민국 공개특허공보 공개번호 2002-0026794호) 등의 예가 있었다.
본 발명에 있어서는 상술한 바와 같은 석탄 화력발전소에서 부산물로 발생되는 바텀 애쉬를 콘크리트의 골재로 활용하여 항만 및 해안시설물 축조시 현장타설 콘크리트의 골재 대체재로의 활용과 어초 및 테트라포드에 적용하는 것이다.
본 발명에서 항만 및 해안시설물(구조물)이란 선박이 안전하게 정박하거나 화물의 하역작업을 할 수 있도록 하는 접안시설물을 칭하며, 그 이외에도 배후지에 설치되는 창고 등과 같은 부대시설물을 포함한다. 일반적으로 화력발전소의 위치는 해안과 접하고 있어 항만과 해안시설물 축조에 주변의 바텀 애쉬를 골재로 활용할 경우 운송에 따른 물류비를 절감할 수 있어 경제적이고 폐기 매립되고 있는 자원의 활용 및 해사 보호에 기여하게 된다.
어초(reef)라 함은 인공어초를 일컫는 것으로 인공적으로 해저나 해중에 구조물을 설치하여 대상으로 하는 수산동물을 끌어 모으고, 보호·배양하는 것을 목적으로 하는 어장시설이다. 이 시설은 어류 등의 수산생물이 암초나 침몰선에 모이는 성질을 이용하여 어획증대와 남획으로부터의 보호육성을 목적으로 조성되었다.
인공어초사업은 1971년부터 어려운 어업환경을 개선하고, 불법 트롤어업으로부터 자연을 보호하기 위하여 실시되어 왔으며 다음의 표 1에 나타낸 바와 같이 막대한 자금이 투입되고 있다. 10년 전까지만 하여도 연안 20m이내 수심에는 바가지 모양의 반구형 어초를 설치하였으며, 연안 30m이상 되는 곳에는 직경 2m의 정사각형 어초를 설치하였다. 설치형태에 있어서도 초창기에는 대상지역에 마구 투척하는 방식을 취하였으나, 이런 경우에는 어초의 손실이 심하여 그 역할을 하지 못하고 있어 최근에 이르러서는 마치 블록을 쌓듯이 더미를 만들어 놓고 있다.
| 구 분 | '72∼'80 | '81∼'85 | '86∼'90 | '91∼2000 | 2001 | 합 계 | |
| 시설면적(ha) | 214 | 1,533 | 4,853 | 13,854 | 709 | 21,163 | |
| 종 류 별 (개) | 사각어초 | 5,041 | 12,327 | 15,655 | 57,662 | 1,641 | 92,299 |
| 원통형어초 | - | 313 | 1,979 | - | - | 2,292 | |
| 반구형어초 | - | 328 | 11,548 | 9,385 | - | 21,261 | |
| 고선어초 | - | 21척 | - | - | 4척 | 25척 | |
| 방갈로형 어초 | - | - | - | 1,440 | 1,376 | 2,816 | |
| 잠보형어초 | - | - | 79 | - | - | 79 | |
| 뿔삼각형 어초 | - | - | 100 | 60,121 | 2,603 | 62,824 | |
| 육교형어초 | - | - | 700 | 4,540 | - | 5,240 | |
| 강제어초 | - | - | - | - | 11 | 11 | |
| 시험어초 | - | - | - | - | - | - | |
| 해중림 | - | - | - | - | 120 | 120 | |
| 사업비(백만원) | 131 | 1,821 | 6,593 | 68,761 | 5,527 | 82,833 | |
또한, 최근에는 막대한 비용 투입에 대한 효과를 증대시키기 위해 어류만을 대상으로 하지 않고, 지역적 특성과 대상 생물의 생태를 이용하여 전복용 어초, 해조류 어초 등 다양한 모양의 어초가 만들어지고 있는 실정이다.
어초는 해류가 흐르는데 있어 장벽역할을 하여 와류가 발생되며, 이에 따라작은 먹이의 생물이나 유기물들이 서로 섞이는 구조를 나타내 물고기나 부착생물의 먹이가 풍부하게 된다. 또한, 해류의 흐름 완화로 물고기의 휴식이나 숨어 지낼 수 있는 장소로 제공되고 산란장으로도 역할을 한다.
인공 어초는 육상에서 제조되어 해상으로 운반되며, 지반상태가 좋지 않은 위치에도 투하되므로, 매몰 등으로 인한 기능 상실을 가능한 한 배제하는 것이 바람직하다. 따라서, 가벼운 중량이 필요하고 내해수성이 좋아야 콘크리트의 침식을 방지할 수 있으므로, 본 발명에서는 이 점을 십분 이용하여 바텀 애쉬를 활용하고자 하였다.
또한, 테트라포드(tetrapod)는 티티피(T.T.P)라고도 하며 거센 파도나 해일에 의한 피해를 막기 위하여 주로 항구의 방파제나 호안의 좌우 바다 속에 집어넣는 이형의 콘크리트 덩어리를 지칭한다. 이 구조물을 사방으로 4개의 육중한 다리(pod)가 있어 거센 파도에도 구르지 않고 파도의 힘을 중화하는 구실을 한다.
그러나, 정육면체로 이루어진 종래의 콘크리트 구조물의 인공 어초는 비중이 지나치게 큼에 따라 바다로 투입되어 침강될 때, 침강 속도가 빨라 바닥에 접지시 구조물 자체가 파손될 위험이 높고, 연약한 지반에 투입되었을 때에는 바닥에 매몰됨으로서 그 고유의 기능을 상실한다는 문제점이 있었다.
또, 종래의 콘크리트 인공 어초는 그 자체의 소석회 등의 성분으로 바닷물에서 빠르게 부식이 진행되어 내구성에 결함이 있으며, 부식으로 석출된 입자와 용출물들은 강알카리성 유해물질로 환경에도 악영향을 끼친다는 문제점도 있었다.
본 발명에서 바텀 애쉬를 테트라포드에 활용하고자 하는 목적은 바텀 애쉬의 다공성 효과로 콘크리트 제조시 표면이 거친 면으로 되기 때문에, 차압, 파의 기어오름 및 반사파를 감소시켜 파의 에너지를 감소시킬 수 있고, 구조물의 경량화를 이용하였다. 또한, 해수의 조수작용으로 인해 테트라포드는 건습을 반복하게 되며 내투수성이 작은 경우에는 내부의 철근이 부식될 우려가 있다. 그러나 바텀 애쉬를 사용할 경우 황산염에 대한 저항성 이외에도 내투수성이 일반 천연골재만을 사용한 경우보다 우수하므로 이 점을 이용하였다.
상술한 바와 같이, 해안시설물인 테트라포드나 어초의 경우는 육지에서 콘크리트로 제작하여 원하는 위치에 투하하는 것으로서, 바텀 애쉬를 이용하는 경우 경량화할 수 있다는 것이 큰 장점으로 작용하게 된다. 특히, 어초의 경우는 경우에 따라 심해의 연약지반에도 설치될 수 있으므로 내부 용적에 비해 중량이 다소 가벼워야 매몰 등을 방지할 수 있으며, 또한 운반 및 설치가 용이하게 된다.
항만이나 해안구조물에 있어서 가장 중요한 것은 내해수성과 침투에 대한 저항성이 높아야 한다는 것이다. 해수에는 콘크리트의 열화를 유발하는 황산염 성분이 포함되어 있으며, 반복된 건습과정을 통해 황산염이 콘크리트 내부에 축적되게 되면 화학적 반응을 통해 에트링자이트(ettringite)라고 하는 생성물이 형성되게 되는데 이로 인해 체적 팽창이 발생하게 되어 콘크리트에는 팽창응력이 발생하게 된다. 따라서 콘크리트의 열화가 가속하게 되고 마침내 콘크리트는 분쇄하게 된다.
또한, 해수 내에 포함되어 있는 유해한 물질로는 염소이온을 들 수 있는데, 이 염소이온이 콘크리트 내부로 침투하게 되면 콘크리트 내에서는 안정적으로 철근을 보호하고 있던 부동태피막이 파괴하게 되고, 철근은 부식하기 쉬운 상태가 된다. 일단 콘크리트 내부의 철근이 부식하게 되면, 철근 단면이 손실되어 구조물 전체 강도가 저하될 뿐만 아니라 철근의 궤적이 본래의 약 2.5배로 팽창하게 되어 그 팽창압에 의해 균열이 발생하게 된다. 특히, 테트라포드와 같이 해수의 건습이 반복되는 구조물의 경우는 산소나 물의 공급이 용이하게 되어 철근의 부식이 촉진되고 결국에는 콘크리트가 탈락되어 구조물은 현저히 성능저하가 발생하게 된다.
이에 본 발명자는 5㎜이하의 잔골재 대체용과 25㎜이하의 굵은 골재의 대체용으로 바텀 애쉬의 혼입비율을 다르게 하여 강도와 내구성 측면에서 광범위한 연구를 수행한 결과, 천연골재인 모래와 쇄석만을 사용한 콘크리트와 거의 동일한 강도와 내구성이 확보되었으며, 특히 내황산염과 내투수성에 있어서는 천연골재만을 사용한 콘크리트에 비해 우수한 성능이 확인되었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서 천연골재보다 단위중량이 작은 바텀 애쉬를 사용하여 연약지반위에 설치하여도 기존 구조물에 비해 침강이나 매몰의 가능성이 낮아지는 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하천골재의 고갈에 따른 건설자재의 부족에 효율적으로 대처할 수 있도록 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 환경보존 차원에서도 폐자원을 활용하므로 환경보 존에 일조를 할 수 있도록 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 해안 및 항만 구조물은 물, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재로 이루어진 콘크리트 배합에서 골재 대체재로서 폐기물을 활용하는 해안 및 항만 구조물에 있어서, 상기 폐기물은 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬가 사용되며, 강도 210∼300kgf/㎠의 범위 및 슬럼프값 12±1㎝을 만족하는 범위안에서 상기 굵은 골재는 굵은 골재량에 대해 60∼90중량%의 천연골재와 10∼40중량%의 상기 바텀 애쉬 골재로 이루어지고, 상기 구조물의 염소이온 투과법에 의한 전하통과량은 재령 90일이상에서 2,700쿨롬 이하이고, 상기 구조물의 콘크리트 팽창율은 침지일수 100일에서 0.012%이하인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 해안 및 항만 구조물에 있어서, 상기 콘크리트의 배합에 감수제 및 AE제를 첨가한 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 해안 및 항만 구조물에 있어서, 상기 AE제의 첨가는 상기 대체 비율의 증가에 따라 상기 콘크리트의 배합의 ㎥당 88∼106g사이에서 감소하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 해안 및 항만 구조물에 있어서, 상기 해안 및 항만 구조물은 테트라포드 또는 인공 어초인 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 바텀 애쉬를 해안 및 항만 구조물에 적용하는 개념에 관해 설명한다.
바텀 애쉬가 해안 및 항만 구조물의 콘크리트용 골재로 활용되기 위해서는 현장 타설 작업의 용이성, 강도확보, 내황산염 및 투수성에 대해 저항성 확보가 중요하다.
일반적으로, 현장 콘크리트 작업의 용이성은 굳지 않은 콘크리트 상태에서 슬럼프콘을 들어올려 콘크리트가 내려앉은 거리, 즉 슬럼프값으로 평가하고 있다. 따라서, 잔골재의 대체재로서 바텀 애쉬의 사용에 따른 슬럼프 효과 검토에서는 현장에서 사용하고 있는 슬럼프값 12±1㎝로 하고, 설계기준강도는 해안 및 항만 구조물에 주로 적용되고 있는 240kgf/㎠ 및 270kgf/㎠ 두 종류로 선정하였다. 여기에 바텀 애쉬의 골재 대체비율을 5, 10, 20, 40, 60중량%로 변경하면서 슬럼프값 12±1㎝를 만족하기 위한 최적의 배합비를 구하였다.
표 2와 표 3은 바텀 애쉬를 잔골재 대체재로, 표 4는 굵은 골재의 대체재로서 소요 슬럼프를 확보하기 위하여 사용된 배합수량의 변화를 나타낸 것이다. 표에 나타난 일련번호는 바텀 애쉬의 대체비율을 표기한 것으로 B40의 경우는 바텀 애쉬를 일반 천연골재 대신에 40중량% 대체한 것을 의미한다. 예상한 바와 같이 모든 경우에 있어 바텀 애쉬의 다공성에 따른 흡수력 상승효과로 인해 대체비율이 증가할수록 소요 슬럼프를 맞추기 위해서는 배합수량의 증가가 필요하였다. 배합수량이 증가하게 되면 콘크리트 강도 저하와 직결되므로 강도상의 문제점 유무를 검토하였다.
| 번호 | 단위량(㎏/㎥) | W/C (%) | 감수제 (g/㎥) | AE제 (g/㎥) | 측정치 | |||||
| 물 | 시멘트 | 모래 | B/A | 자갈 | 슬럼프 (㎝) | 공기량 (%) | ||||
| B00 | 166 | 415 | 804 | 0 | 942 | 40.0 | 882 | 124 | 12.0 | 5.0 |
| B05 | 177 | 415 | 764 | 40 | 942 | 42.7 | 882 | 118 | 12.0 | 5.0 |
| B10 | 175 | 415 | 730 | 65 | 942 | 42.2 | 882 | 118 | 12.0 | 4.0 |
| B20 | 192 | 415 | 648 | 131 | 942 | 46.3 | 882 | 124 | 12.0 | 4.5 |
| B40 | 206 | 415 | 486 | 262 | 942 | 49.6 | 882 | 124 | 12.0 | 4.0 |
| B60 | 229 | 415 | 324 | 392 | 942 | 55.2 | 882 | 129 | 12.0 | 3.8 |
* W/C : 물/시멘트 비
| 번호 | 단위량(㎏/㎥) | W/C (%) | 감수제 (g/㎥) | AE제 (g/㎥) | 측정치 | |||||
| 물 | 시멘트 | 모래 | B/A | 자갈 | 슬럼프 (㎝) | 공기량 (%) | ||||
| B00 | 145 | 347 | 806 | 0 | 1024 | 41.8 | 1176 | 106 | 12.5 | 4.5 |
| B05 | 157 | 347 | 778 | 33 | 1024 | 45.2 | 1176 | 106 | 12.0 | 4.5 |
| B10 | 150 | 347 | 740 | 65 | 1024 | 43.2 | 1176 | 94 | 11.7 | 5.0 |
| B20 | 154 | 347 | 661 | 130 | 1024 | 44.4 | 1176 | 94 | 12.0 | 5.0 |
| B40 | 165 | 347 | 493 | 261 | 1024 | 47.6 | 1176 | 88 | 12.0 | 5.0 |
| B60 | 177 | 347 | 327 | 394 | 1024 | 51.0 | 1176 | 82 | 11.6 | 5.0 |
* W/C : 물/시멘트 비
| 번호 | 단위량(㎏/㎥) | W/C | 감수제 (g/㎥) | AE제 (g/㎥) | 측정치 | |||||
| 물 | 시멘트 | 모래 | B/A | 자갈 | 슬럼프 (㎝) | 공기량 (%) | ||||
| B00 | 145 | 347 | 815 | 0 | 1025 | 41.8 | 1176 | 106 | 12.0 | 3.6 |
| B05 | 135 | 347 | 815 | 40 | 974 | 38.9 | 1176 | 106 | 12.0 | 3.5 |
| B10 | 145 | 347 | 815 | 80 | 922 | 41.8 | 1176 | 106 | 11.7 | 5.0 |
| B20 | 150 | 347 | 815 | 159 | 820 | 43.2 | 1176 | 94 | 12.0 | 3.6 |
| B40 | 152 | 347 | 815 | 410 | 615 | 43.8 | 1176 | 88 | 11.0 | 4.5 |
| B60 | 157 | 347 | 815 | 615 | 410 | 45.2 | 1176 | 71 | 12.7 | 4.9 |
* W/C=물/시멘트의 비
표 4에 의하면, AE제는 콘크리트 배합의 ㎥당 전체 골재량에 대하여 굵은 바텀애쉬를 10중량% 대체(B10)하였을 경우에 106g이 첨가되었고, 40중량% 대체(B40)하였을 경우에 88g이 첨가되었음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 잔골재의 대체재로서 바텀 애쉬를 사용한 콘크리트에 대해 압축강도시험을 수행한 결과를 나타낸 것으로, 대체비율이 증가할수록 슬럼프값 12±1㎝를 맞추기 위해서는 배합수량의 사용량이 증가되므로 압축강도의 감소가 나타났다.
또, 도 2는 굵은 골재의 대체용으로 바텀 애쉬를 사용한 경우로 잔골재 대체용과 마찬가지로 대체비율이 증가할수록 압축강도의 감소가 나타나고 있다. 그러나 60중량% 대체한 경우를 제외하고 도 1과 도 2에서 모두 설계기준강도를 초과하므로 해안이나 항만 구조물에서 사용되고 있는 강도의 확보에는 문제가 없다. 또한, 일반 천연골재에서 기대할 수 없는 장기재령에 따른 강도상승효과가 나타나고 있다.
상술한 바와 같이, 도 1과 도 2는 각 배합에 따른 압축강도의 결과를 나타낸 것으로, 예상한 바와 같이 단위수량의 상승으로 인해 모든 경우에 있어 일반 천연골재만을 사용한 것보다 낮은 강도가 나타났다. 그러나, 콘크리트의 기준강도인 28일 강도를 보면 바텀 애쉬로 60중량% 대체한 경우를 제외하고는 모두가 설계기준강도를 상회하고 있어 배합수량이 상승하여도 대체비율을 60중량% 이하로만 대체한다면 항만이나 해안구조물에 적용하는데 문제가 없는 것으로 판단된다. 오히려, 도 1에 나타난 바와 같이 7일 강도에서는 모래를 사용한 경우에 비해 강도 감소가 크게 나타나다가 28일에 이르러서는 거의 근접하거나 강도의 차이가 작게 나타나고 있다. 이는 바텀 애쉬가 반응성에 대해 비교적 안정적이라 할 수 있지만 플라이 애쉬와 마찬가지로 성분상 약간의 잠재수경성을 가지고 있어 모래를 사용한 경우에 비해 재령에 따라 강도의 증진 효과가 나타나고 있는 것으로 판단된다. 따라서, 항만이나 해안구조물과 같이 매시브한 구조물에서는 장기강도 확보가 중요하므로 오히려 유리하게 작용한다. 굵은 골재의 대체재로 사용한 경우에도 잔골재 대체효과와 동일한 현상을 볼 수 있다.
내투수성에 대한 평가는 일반적으로 ASTM C1209-91과 AASHTO T259의 염소이온 투과법에 의한 촉진시험을 수행하여 통과된 전하량으로서 판단하는데, 통과 전하량이 클수록 내투수성이 낮은 것으로 평가되고 있다.
도 3은 바텀 애쉬를 잔골재 대체재로 사용한 경우의 내투수성을 조사하기 위하여 염소이온 투과시험을 수행한 결과를 나타낸 것으로, 바텀애쉬를 10% 대체하였을 경우 재령 90일에서 2,400쿨롬으로 나타남으로써, 바텀 애쉬를 혼입하지 않은 콘크리트에 비해 대체비율이 증가할수록 내투수성이 향상되었다. 또한, 천연골재만을 사용한 결과와는 달리 콘크리트 재령이 증가할수록 내투수성이 향상되고 있다.
즉, 도 3은 잔골재 대체재로서 바텀 애쉬의 사용량을 변경하면서 통과된 전하량을 측정하여 나타낸 것이다. 시험결과를 살펴보면, 바텀 애쉬를 사용하지 않은 일반 콘크리트에서는 28일 이후의 경우 재령에 관계없이 거의 일정한 통과전하량을 나타내고 있으나 바텀 애쉬를 대체재로 사용한 경우에는 일반적으로 재령이 경과함에 따라 전하 통과량이 감소하는 즉 내투수성이 증가하는 양상을 보이고 있다.
특히, 바텀 애쉬를 모래 대체재로서 10중량% 및 20중량%를 대체하였을 때에는 재령에 따른 내투수성의 효과가 더욱 크게 나타나고 있다. 또한, 바텀 애쉬의 대체비율이 증가할수록 내투수성 효과는 점차 증가되고 있다. 이는 앞서 강도의 경우와 마찬가지로 바텀 애쉬는 잠재 수경성 성분을 갖고 있어 재령이 증감함에 따라 이들 골재가 2차 수화반응을 일으켜 내부에 치밀한 조직을 형성하기 때문에 내투수성이 향상된 것으로 판단된다.
도 4는 굵은 골재 대체재로 바텀 애쉬를 사용한 경우로 잔골재 대체재를 사용한 결과와 거의 동일한 결과가 나타나고 있다.
즉, 바텀 애쉬를 굵은 골재 대체재로 사용한 결과, 대체비율 5중량%를 대체하였을 때에는 일반 쇄석을 사용한 경우와 거의 유사한 내투수성을 나타내다가 10중량%를 대체하였을 때에는 재령 90일에서 2,700쿨롬으로 나타나고 있으며, 그 이상 대체하였을 때에도 매우 효과적인 내투수성을 보이고 있다. 또한, 잔골재 대체재로 사용한 경우와 같이 재령이 증가할수록 내투수성의 증가가 뚜렷하게 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 5는 바텀 애쉬를 잔골재 대체재로 치환하여 사용하였을 때의 내황산염의 결과를 나타낸 것으로 대체비율 10%일때 콘크리트 내부 팽창율은 침지일수 100일에서 0.0135%로 나타나고 있으며, 바텀 애쉬의 대체비율이 증가할수록 콘크리트 내부 팽창률이 저하하는 즉 황산염 저항성이 증가되는 것으로 나타나고 있으며, 도 6은 굵은 골재의 대체재로 바텀 애쉬를 사용한 경우를 나타낸 것으로 대체비율 10%일 때 콘크리트 팽창율은 침지일수 100일에서 0.012%로 나타나고 있으며, 도 5에서의 잔골재 대체재로 사용한 경우와 마찬가지 현상이 나타나고 있다.
즉, 황산염 저항성 평가를 위해 촉진시험을 수행한 결과, 상술한 바와 같이 황산염이 콘크리트 내부에 반응성 물질로 존재하게 되면 팽창하게 되어 황산염 저항성은 불리하게 된다. 도 5로부터 바텀 애쉬를 잔골재 대체재로 사용할 경우 대체비율이 증가할수록 황산염에 대한 저항성이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 시멘트 중의 C3A 성분과 황산염이 서로 화학 반응하여 발생된 에트링자이트의 팽창을 바텀 애쉬 표면에 존재하는 기공이 다소 완화하는 작용을 하여 발생된 것으로 판단된다.
또, 바텀 애쉬를 굵은 골재 대체재로 활용하였을 때 그 대체비율에 따른 내황산성을 비교한 결과, 두 골재간의 정도 차이는 있지만, 잔골재의 결과처럼 굵은 골재의 대체재로 사용할 경우 일반 골재를 사용한 경우보다 내황산성에 대해 우수하다는 것을 알 수 있다.
이상의 결과를 종합하면, 바텀 애쉬를 골재 대체재로 사용할 경우 작업성 확보 차원에서 일반 골재를 사용한 콘크리트보다 단위수량의 추가가 요구되나, 해안이나 항만 구조물과 같이 일반 강도의 범위(210∼300kgf/㎠)를 요하는 구조물에서는 강도 확보상에 문제가 없으며 내투수성과 황산염에 대한 저항성이 높아 구조물의 내구수명 향상에 유리하다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물에 의하면, 천연골재의 고갈 추세에 비추어 화력발전소에서 발생되어 현재 폐기 매립 처리되고 있는 바텀 애쉬를 콘크리트용 골재로서 활용하여 폐자재의 매립으로 인한 환경문제를 해결할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물에 의하면, 화력발전소의 위치가 해안과 근접하고 있어 바텀 애쉬의 입수에 따른 물류비를 절감할 수 있고, 장기 강도 발현이 나타나고 있어 해안구조물에 유리하며 특히 내구성 측면에서는 오히려 일반 골재를 사용한 콘크리트보다 우수한 효과를 거둘 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물에 의하면, 그 중량이 가벼워 바다로 투입되어 침강될 때, 파손될 위험이 적 고, 연약한 지반에 투입되었을 때 지반 속으로 매몰되지 않는 효과를 거둘 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물에 의하면, 일반 천연골재에서 기대할 수 없는 장기재령에 따른 강도 상승효과를 거둘 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물에 의하면, 천연골재만을 사용한 결과와는 달리 콘크리트 재령이 증가할수록 내투수성이 향상되는 효과를 거둘 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 배합용 골재로서 바텀 애쉬를 적용한 해안 및 항만 구조물에 의하면, 황산염에 대한 저항성이 증가하는 효과를 거둘 수 있다.
Claims (4)
- 물, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재로 이루어진 콘크리트 배합에서 골재 대체재로서 폐기물을 활용하는 해안 및 항만 구조물에 있어서,상기 폐기물은 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬가 사용되며,강도 210∼300kgf/㎠의 범위 및 슬럼프값 12±1㎝을 만족하는 범위안에서 상기 굵은 골재는 굵은 골재량에 대해 60∼90중량%의 천연골재와 10∼40중량%의 상기 바텀 애쉬 골재로 이루어지고,상기 구조물의 염소이온 투과법에 의한 전하통과량은 재령 90일 이상에서 2,700쿨롬 이하이고,상기 구조물의 콘크리트 팽창율은 침지일수 100일에서 0.012%이하인 것을 특징으로 하는 해안 및 항만 구조물.
- 제 1항에 있어서,상기 콘크리트의 배합에 감수제 및 AE제를 첨가한 것을 특징으로 하는 해안 및 항만 구조물.
- 제 2항에 있어서,상기 AE제의 첨가는 상기 대체 비율의 증가에 따라 상기 콘크리트의 배합의 ㎥당 88∼106g사이에서 감소하는 것을 특징으로 하는 해안 및 항만 구조물.
- 제 1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 해안 및 항만 구조물은 테트라포드 또는 인공 어초인 것을 특징으로 하는 해안 및 항만 구조물.
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