Development of Inorganic Binder Using Ash from Sewage Sludge Incinerator I

http://dx.doi.org/10.4491/KSEE.2014.36.12.843 ISSN 1225-5025, e-ISSN 2383-7810

하수슬러지 소각재를 이용한 무기바인더 개발 I

Development of Inorganic Binder Using Ash from Sewage Sludge Incinerator I

이현주 Hyun-joo Lee 용인대학교 환경학과

Department of Environmental Science, Yongin University

(Received September 30, 2014; Revised December 4, 2014; Accepted December 26, 2014)

Abstract : This study investigated to recycle ash produced in the sewage sludge incinerator using reduction/stabilization. Nonsin- tering process was performed by binding cement, geobond and sand mixed with sewage sludge ash (SSA). Results showed that unconfined compressive strength could be obtained components of sewage sludge ash. it exceeded more than double score of the 22.54 Mpa (229.7 kg/cm

) Korean standard. chemical ingradients of the sewage sludge ash was mainly composed of SiO

, Al

O

, Fe

O

, CaO and others, which were similar to those of the each binders consisting cement and geobond. microstructure of solidified speceimen for the different admixture was related to the compressive strength according to SEM analysis. optimum mixing range of the sewage sludge ash to inorganic binder was found to be 10~40% which can widly safely regulate the confined compressive strength. This study revealed the sewage sludge ash can be partial replacement of the inorganic binder for recycling.

Key Words : Inorganic Binder, Geobond, Sewage Sludge Ash (SSA), Paste, Mortar, Recycling Construction Material

요약 :

본 연구는 국내 하수처리장에서 발생하는 감량화/안정화된 소각재를 무기바인더로 재이용하기 위하여 수행하였다.

실험은 무소성 공정으로 진행하였으며, Sewage Sludge Ash를 시멘트, Geobond 등의 바인더와 모래를 혼합하여 페이스트 시 편과 몰탈 시편으로 성형하였다. 성형 후 양생과정을 거친 시편을 압축강도를 측정한 결과 KS 기준치 22.54 Mpa (229.7 kg/cm

) 을 상회하고, 하수슬러지 소각재(SSA) 첨가율은 약 10~40%까지 가능한 것으로 나타나 개발하고자 한 하수슬러지 소각재를 무 기바인더인 시멘트, Geobond의 대체 물질로 재활용이 가능함을 입증하였다.

주제어 :

무기바인더, 하수슬러지소각재, 지오본드, 페이스트, 몰탈, 재활용건설재료

1. 서 론

최근 발생되는 폐기물 중 국내 전국 하수처리장에서 발 생되는 하수슬러지의 발생량은 급격한 증가 추세를 보이고 있으며, 2005년 2,560,000톤/년에서 2009년에는 3,027,829 톤/년으로 증가하면서, 2012년 전국 하수처리장은 총 546 개소로 확대되어 3,624,451톤/년으로 최대 발생량을 나타내 고 있다.¹⁾ 2012년 하수슬러지 처분현황은 재활용 34.2%, 소 각 35.3%, 육상매립 14.7%, 연료화 8.9%, 기타 7%로 처분 하고 있다. 하수슬러지는 유기물질과 함수율이 높아서 쉽게 부패하는 특성 때문에 처리 과정 중에 발생하는 악취와 해 충발생에 의한 환경피해가 예상된다.^1,2)

현재 하수슬러지는 환경규제와 폐기물관리법에 의해서 폐 기물 처분방안 중 가장 큰 비중으로 차지하고 있는 소각처 리법으로 처리되고 있다. 이는 슬러지의 부피를 80%까지 감량하는 효과는 매우 크지만, 소각재는 여전히 폐기물로 발 생된다. 따라서 하수슬러지 소각재는 유해성분이 적고, 소각 대상물질이 하수슬러지로 한정되어 있기 때문에 상대적으로 재활용에 유리한 측면이 있다. 특히 건설자재재활용, 연료화, 퇴비화, 등과 같은 다양한 재활용 방안이 요구되고 있다.³⁾

간단한 처리공정과 시설․시공 비용이 절감되는 장점 때

문에 이용 빈도가 높은 시멘트 고화법에 하수슬러지 소각 재(SSA)를 무기바인더 재료로 이용한다면 자원화 효과는 더 커질 것으로 예상된다.⁴⁾ 따라서 본 연구는 알칼리 활성 시멘트에 의한 무기성 폴리머 기술을 도입하여 하수슬러지 소각재(sewage sludge ash, SSA)를 건설재료로 사용하기 위 하여 보도블록이나, 시멘트벽돌 재료인 시멘트와 무기바인 더(알카리 활성시멘트 등)와 SSA를 첨가 비율별로 혼합하 여 그 첨가비에 따른 효과를 비교 실험하였다. 향후 자원 재 활용성을 평가한 후 2차적으로 실용화 가능한 콘크리트 블 록, 컬러블록 등의 건설재료 응용 개발을 지속하고자 한다.

2. 실험재료 및 방법

2.1. 실험재료

2.1.1. 하수슬러지소각재(sewage sludge ash, SSA) 본 연구에 사용한 하수슬러지소각재(SSA)는 A시 하수처 리장의 유동상층 소각로에서 발생하는 하수슬러지소각재를 사용하였으며 소각재와 실험에 이용 하는 원재료인 시멘트 의 화학적 조성은 Table 1과 같다. 하수슬러지 소각재는 70

℃ 이상에서 24시간 이상 건조하여 사용하였다.

Table 1.

Chemical compostions of sewage sludge ash (SSA) and OPC

wt% SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO Na2O K2O P2O5 etc SSA1 56.1 17.1 4.7 4.5 2.8 1.1 2.1 5.4 6.2 SSA2 16.4 12.1 12.5 21.0 1.99 1.67 2.44 15.4 16.5 SSA3 12.6 10.4 15.1 25.1 1.63 2.08 1.57 15.0 16.4 SSA4 16.4 11.9 16.9 21.5 1.32 1.41 1.40 12.7 16.5 SSA5 14.6 11.0 18.6 19.6 1.32 1.62 1.33 13.0 18.9 OPC 19.8 4.7 58.3 3.2 1.29 0.08 0.86 - 11.77

*OPC : Ordinary Portland Cement

하수슬러지소각재의 화학적 성분 분석결과 SiO2, Al2O3,

Fe2O3, CaO, P2O5 등이 주성분으로 조성되어 있다. 본 실험 에 이용하는 원재료는 시멘트 및 Geobond로 재료의 화학적 구성성분은 규산이칼슘(2CaO･SiO2), 규산3칼슘(3CaO･SiO2), 알류민산3칼슘(3CaO･Al2O3), 알루미노아철산사칼슘(4CaO･

Al2O3Fe2O3) 등 4가지 성상이 주성분으로 조성되어 있다. 따 라서 실험에 이용한 하수슬러지 소각재(SSA)성분과 유사하 여 재료로 사용하는데 문제가 없었다.⁴⁾

Fig. 1은 하수슬러지소각재(SSA)의 입도분포를 나타낸 것 이다. 0.3~1 µm크기의 입자부터 115 µm까지 분포를 가지나, 평균 입경은 45.6 µm로 균질한 상태이다. Fig. 2는 하수슬 러지소각재를 주사전자현미경(SEM)으로 ×10,000배, ×20,000 배율로 촬영하였으며, 입도조직은 균질한 구형 그래뉼 형태 로 나타났다.

Fig. 3은 하수슬러지소각재 XRD분석 결과를 나타낸 것이 며, 주요 결정상으로는 Hematite, Quartz, Zinc Iron Magne- sium, Aluminum Copper Oxide로 구성되었으며, P2O4와 Ca3

(PO4)의 결정상도 보여주고 있다.⁵⁾

Fig. 1.

Particle size distribution of sewage sludge ash (SSA).

Fig. 2.

SEM potograph of sewage sludge ash morphology.

Fig. 3.

XRD Analysis of sewage sludge ash (SSA).

2.1.2. 시멘트와 알칼리 활성 시멘트

사용된 재료는 모두 무기성 바인더인 보통 포틀랜드 시 멘트(Ordinary Portland Cement: 이하 PC)와 라파즈사에서 생산되는 알칼리 활성시멘트를 바인더로 사용하였다. 알칼 리 활성시멘트는 REEM 연구소에서 제조 판매되고 있는 Geobond를 사용하였다.

SSA시료와 시멘트 및 Geobond를 각각 혼합재료로 이용 하였으며, 시멘트와 Geobond에 따라 물 또는 activator을 첨 가 재료로 사용하였다.

2.2. 실험방법

2.2.1. 페이스트 제조

페이스트는 분말만으로 구성되며, 무기바인더인 Ordinary Portland Cement OPC(보통시멘트)와 알칼리 활성시멘트인 Geobond에 하수슬러지 소각재의 첨가량에 따라 시편을 제 조하였다.

실험방법은 각각의 재료에 SSA시료를 첨가율에 따라 혼 합하여, Metal Cube mould (50 mm⨯50 mm⨯50 mm)로 성형, 건조(자연건조 6시간) 및 탈형하여 비닐로 밀폐한 시 편을 50℃ 항온 양생기에서 8시간 양생 후 30℃ 양생기에 서 24 h, 48 h, 72 h 단기 양생하였다. 시편의 양생조건에 따라 얻어진 페이스트 시편은 외부의 영향, 즉 성형단계, 양 생단계, 숙성 및 재령에 따라 크랙 발생 및 균열, 뒤틀림 등 의 변화를 일으키기 쉽다.⁵⁾ 이러한 단점을 보완하기 위하여 모래를 첨가하여 몰탈(이러한 조성을 몰탈이라 함)시편을 제조하였다.

2.2.2. Mortar 제조

시멘트 바인더로 제작 가능한 시편의 1차적인 응용소재 가 몰탈이다. 몰탈의 제조방법은 페이스트와 동일한 방법 으로 진행되었으며, 시멘트만의 페이스트 시편의 단점 보 완과 우수한 내구성을 위하여 주문진 표준사 모래를 사용하 여 몰탈 시편을 제조 하였다. 본 실험에서는 하수슬러지 소 각재를 첨가하여 페이스트와 몰탈을 제조하고 시편의 물리 적 특성을 평가를 위하여 XRD 분석(X-ray diffractometer;

PHILIPS XPERT-PRO)을 하였다. 원재료 바인더에 따라 시 멘트의 경우에는 물을 첨가하고, 알칼리 활성시멘트의 경우 에는 액상(activator)을 첨가하였으며, 혼합한 후, 금속 큐브 몰드(50 mm⨯50 mm⨯50 mm)에 슬러리화 된 재료를 5분 간 진동을 가하면서 주입하고, 자연에서 6시간 건조한 후

탈형하여 비닐로 밀폐한 시편을 온도 50℃ 양생기(항온 항 습기)에서 8시간 양생한 후 30℃로 설정된 양생기에서, 24 h, 48 h, 72 h의 양생하여, 압축강도를 측정하였다.

Geobond바인더의 경우, 특히 알칼리 활성시멘트의 일종 으로 시멘트보다 빠른 경화반응에 의해 양생 4시간 만에 최 종 압축강도의 발현이 70%까지 가능한 장점을 가진다. 따 라서 단기 압축강도 발현은 제품의 출하시기와 생산비용을 절감 할 수 있는 경제성 평가에 중요한 지표가 되므로, 시 멘트제품의 장점을 부각시킬 수 있다. 양생시간 24 h, 48 h, 72 h의 압축강도 등의 물리적 특성을 비교 평가하여 하수 슬러지 소각재(SSA)의 활용분야를 콘크리트와 보도블록 등 의 이용확대를 기대할 수 있다.^6,7)

각 재료에 하수슬러지 소각재를 혼합한 분말과 모래의 비 를 1 : 2.45 (KS 규격)로 혼합하여 최적의 모래 조성 비율을 도출하기 위하여 모래의 첨가량은 1 : 2.45로 비율로 환산한 대략적인 값을 취하여 실험하였다.

2.3. 분석방법

공시체가 완료된 시편을 압축강도 측정을 위해 시편을 알 코올에 3일간 침적하여 반응을 억제시킨 후 분쇄하여 XRD 분석시료로 XRD (X-ray diffractometer; PHILIPS XPERT- PRO), CuKα의 조건하에 5°~80°의 범위에서 분석하였다. 시 편의 미세구조는 SEM (scanning electrion microscope, LEO 1420 VP)으로 촬영하여 관찰하였다. 또한 시편의 미세한 결 합구조 확인을 위해 FT-IR (Excaliber Series) 분석하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1. SSA 첨가율에 따른 페이스트 시편의 단기 압축강도 본 연구는 하수슬러지 소각재(SSA)와 각 무기바인더에 SSA의 첨가량을 변화시켜 시편을 제작하였다. 각 시편의 압 축강도 측정은 KS L 4201에 따라 측정하여 Table 2에 나타 내었다.

바인더는 Geobond와 시멘트를 이용하였으며, 하수슬러지 소각재(SSA)의 첨가는 시멘트의 경우 5 wt%부터 50 wt%

로 하였으며, Geobond는 5 wt%~70 wt%로 하였다. 알칼리 활성시멘트인 Geobond의 압축강도가 시멘트보다 높기 때 문에 SSA 첨가율을 높혀 실험 조건을 설정하였다. 두 가지 바인더에 SSA의 첨가비에 따른 성형과정에서 SSA의 첨가 량이 증가할수록 내부의 함습도가 높았으며, 특히 SSA가 50 wt% 이상 첨가된 조건에서는 72 h 재령 후에도 시편내 부에 수분이 다량 잔류하였다. 각 시편의 압축강도는 바인 더 종류와 SSA의 첨가량에 따라 압축강도에 큰 영향을 미 치고 있는 것을 확인할 수가 있다.⁶⁾

첫째 Geobond의 경우 SSA의 첨가량이 5 wt%일 때 재령 24 h, 48 h, 72 h에서 압축강도는 각각 87.6 MPa, 80.4 MPa, 89.6 MPa의 값을 발현하였고, 10 wt%일 경우 79.3 MPa, 78.8

Table 2.

Comparison of compressive strength with mixing ratios of SSA and Binder

No Binder (%)

Sewage sludge ash (%)

Curing condition L/S

Compressive strength (MPa) Re- 24 h 48 h 72 h mark 1

Geo- bond

95 5 0.53 87.6 80.4 89.6

(uni:g)

2 90 10 0.56 79.3 78.8 91.9

3 80 20 0.63 62.0 60.7 73.6

4 70 30 0.71 47.7 50.4 57.0

5 60 40 0.92 37.1 35.8 38.7

6 50 50 1.20 14.9 15.0 15.7

7 40 60

50

℃

8 30 70 2.36 4.1 3.9 4.7

9

Ce- ment

95 5 0.29 48.1 57.4 60.6

10 90 10 0.35 47.9 50.9 55.4

11 80 20 0.43 30.0 33.1 36.7

12 70 30 0.55 12.4 13.3 16.4

13 60 40 0.69 10.8 14.1 18.6

14 50 50 0.91 8.9 11.8 16.5

MPa, 91.9 MPa의 높은 압축강도를 나타내었다. SSA 첨가 량이 30 wt%인 시편에서는 시멘트 단독으로 제조된 시편의 압축강도와 유사한 57.0 MPa 값을 나타내었다. 하수슬러지 소각재의 첨가량이 50 wt% 이상 첨가된 시편의 압축강도는 16 MPa, 10 MPa 이하의 값으로 하락하였다.

Geobond에 SSA의 첨가량이 30~40 wt%인 시편들의 높은 강도발현은 작업 기간의 단축으로 경제성이 크게 된다. 따 라서 Geobond의 높은 압축강도의 발현은 Geobond와 액상 물질이 알칼리 자극에 의한 강력한 축합반응을 일으켜 초 기에 알루미늄과 실리콘을 3차원으로 네트워크화하여 시공 체를 고형화 한다. 특히 이러한 구조는 제올라이트와 유사 하여 무기성 시멘트로 평가되고 있다.^4,8)

둘째 OPC시멘트를 바인더로 하여 SSA 첨가율 5 wt%의 경우 재령시간 24 h, 48 h, 72 h에서 각각의 압축강도는 48.1 MPa, 57.4 MPa, 60.6 MPa였으며, SSA 첨가율 10 wt%일 경우 47.9 MPa, 50.9 MPa, 55.4 MPa의 높은 압축강도를 발 현 하였다. SSA의 첨가량을 30 wt%로 하였을 때 72 h의 압축강도가 16.4 MPa로 하락했으며, 40 wt%, 50 wt%첨가 율의 경우 모두 하락하였다. Geobond를 사용한 시편은 30 wt% 정도에서도 50 MPa 이상의 값을 보이고 있는 반면에 시멘트를 바인더로 한 경우에는 10 wt% 첨가된 시편만이 50 MPa 이상의 압축강도 값을 나타내었다. Fig. 4는 SSA 첨가 량에 따른 압축강도를 그래프화 한 것이며, Fig. 5는 페이스 트 시편의 사진이며, Geobond 시편은 1~8번과 시멘트 시편 은 9~14번이다. 모든 시편에서 SSA의 첨가율이 높을수록 색상은 점점 짙은 갈색으로 나타났다.

Fig. 6은 Geobond와 시멘트 페이스트 시편의 XRD 분석 결과이다. Fig. 6(a)는 Geobond 시편으로 주요한 결정상은 Calcite, quartz, ion oxide 등으로 구성되었으며, 무기성 폴 리머인 aluminosilicate gel 상을 나타내는 hump 모양의 패

(a) Geobond (b) Cement

Changes of compressive strength with addition of sewage sludge ash.

(a) Geobond 72 h (b) Cement 72 h

Fig. 6.

XRD morphology of specimens after 72 hours curing.

(a) Geobond binder

(b) Cement binder

Fig. 5.

Photograph of paste speciemens after curing 1 day~3 days.

턴을 20°~40°구간에서 확인하였다. SSA의 첨가량의 증가와 함께 Calcite, quartz, ion oxide 피크는 강하게 발달되어 있 음을 확인하였다.^5,8)

Fig. 6(b)는 시멘트 시편의 XRD 분석결과 주요 결정상은 시멘트 수화물인 C2S, C3S, Ettringite, Portlandite를 확인할 수가 있었으며, SSA의 주요한 결정상인 ion oxide 피크는 상대적으로 약한 값을 보이고 있었다. SSA의 첨가량이 낮 을 때는 시멘트 수화물 및 관련 생성물의 XRD 피크의 강도 가 높았으며, 반대로 SSA첨가량이 높을 때는 시멘트 수화 물의 XRD 피크 강도는 낮았다.

Fig. 7은 Geobond 페이스트에 SSA의 첨가율에 따라 제조

(a) SSA 5% paste (72 h) (b) SSA 20% paste (72 h)

(c) SSA 40% paste (72 h) (d) SSA 60% paste (72 h)

SEM photograph of geobond specimens with addition

ratios of SSA.

한 시편의 SEM촬영사진이다. SSA 첨가량이 5 wt%의 경우 표면이 매끄럽고 치밀함을 알 수 있었다. SSA 20 wt% 첨 가된 시편의 표면은 거칠지만 치밀한 구조임을 확인할 수

(a) SSA 5% paste (72 h) (b) SSA 20% paste (72 h) (c) SSA 40% paste (72 h)

SEM photograph of cement specimens with addition ratios of SSA.

(a) Geobond (b) Cement

Fig. 9.

FT-IR morphology of each specimens with addition ratios of SSA.

있었다. 그러나 SSA첨가량 40 wt%와 60 wt%의 표면을 비 교하였을 때, SSA의 첨가량이 증가할수록 표면이 거칠고 기공이 많았으며, 압축강도가 저하되었다.

Fig. 8은 시멘트 페이스트에 SSA 첨가율에 따른 시편의 SEM 사진이다. SSA의 첨가량이 5 wt%인 경우 반응 시간 이 짧았지만, 표면이 치밀함을 확인할 수 있었다. SSA의 첨 가량이 증가할수록 시멘트의 수화반응을 억제하고 입자들 의 치밀화를 방해하기 때문에 Geobond와 비교할 경우 반응 성이 낮은 결과라고 할 수 있다.^4,9)

Fig. 9는 Geobond와 시멘트에 SSA첨가비에 따른 시편의 FT-IR 분석결과를 나타낸 것이다. Fig. 9(a) Geobond 시편은 3,200 cm^-1~3,700 cm^-1의 영역과 1,600 cm^-1~1,700 cm^-1의 진동은 물 분자 구조로부터 O-H 밴드를 나타내는 것이며, 1,400 cm^-1~1,500 cm^-1의 구간에서는 C-O 스트래칭을 나타 낸 것으로 Geobond의 축합반응에서 생성된 calcite (CaCO3) 에 기인한 것이다. 또한 1,000 cm^-1 부근과 480 cm^-1에서의 진동은 Si-O-Si나 Al-O-Si 결합구조를 나타낸다. 특히 480 cm^-1에서의 밴드는 비정질상의 aluminosilicate gel 상으로 나타나 Geobond의 알칼리 활성화 반응에 의한 무기성 폴 리머를 형성한 것이다. 780부근의 진동은 Al-O 밴드를 나타 내는 것이다.

Fig. 9(b)시멘트 페이스트 시편의 FT-IR 결과이며, Geobond 페이스트 시편과 조금 다르게 나타났다. 즉, 3,200 cm^-1~3,700 cm^-1의 영역과 1,600 cm^-1~1,700 cm^-1의 진동은 물 분자 구 조로부터 O-H 밴드를 나타내는 것이며, 1,400 cm^-1~1,500 cm^-1의 구간에서는 C-O 스트래칭을 나타낸 것이다. 이것은 시멘트의 수화반응 중에 용해된 Ca이온이 공기중의 이산

화탄소와 반응하여 생성된 calcite (CaCO3)에 기인한 것이 다. 또한 1,000 cm^-1 부근과 480 cm^-1에서의 진동은 Si-O-Si 나 Al-O-Si 결합구조를 나타낸다. Geobond 페이스트 시편 보다 낮은 피크를 보이고 있으며, 480 cm^-1 부근의 구조는 매우 큰 강도의 차이를 나타내었다. 이러한 결과에서 시멘 트와 무기성 폴리머의 결합방법과 결합 생성물이 확연히 다 른 것을 확인하였다.

3.2. SSA 첨가율에 따른 몰탈 시편의 단기 압축강도특성 시멘트와 Geobond 각 바인더에 모래를 첨가한 혼합물에 SSA를 첨가하여 몰탈을 제조하였으며, 제조과정은 페이스 트 과정과 동일하게 진행하였다. Table 3에 몰탈 제조 조건과 압축강도를 나타내었다. 시료번호 1, 2, 3번 조건은 Geobond

Table 3.

Comparison of compressive strength with mixing ratios of mortar specimens

No Binder

Sewage sludge

ash Sand

Curing condi-

tion L/S

Compressive strength (MPa) Re- 24 h 48 h 72 h mark 1

Geo- bond

24 6 70

50

℃

0.83 46.5 51.6 63.6

(unt:g)

2 40 10 50 0.66 50.0 54.4 60.1

3 56 14 30 0.56 38.7 43.7 53.9

4 18 12 70 1.25 23.7 23.7 24.6

5 12 18 70 1.67 11.0 10.9 12.0

6 Ce- ment

24 6 70 0.73 12.2 14.2 21.6

7 40 10 50 0.47 28.8 33.3 40.3

8 56 14 30 0.40 22.4 25.2 29.7

(a-1) Sand addition ratios based (a-2) SSA addition ratios based (a) Mortar based geobond binder

(b) Mortar based cement binder

Comparison of compressive strength with mixing ratios of SSA and each binder.

(a) SSA 20% mortar mold (72 h/curing) (b) SSA40% mortar mold (72 h/curing) (c) SSA 60% mortar mold (72 h/curing)

SEM photograph of geobond mortar with addition ratios of SSA.

바인더에 SSA 첨가량을 20 wt%로 고정하여 모래의 배합 량을 70 wt%, 50 wt%, 30 wt%로 하여 모래 배합율에 따른 압축강도를 비교하였으며, 또 다른 조건의 시료 1, 4, 5번은 모래의 배합량을 70 wt%로 고정하여 SSA 첨가율을 20 wt%, 40 wt%, 60 wt%로 하여 압축강도를 비교하였다. 시멘트 바 인더로 몰탈을 제조한 조건은 SSA의 첨가율을 20 wt%로 고정하여 모래의 배합량을 70 wt%, 50 wt%, 30 wt%로 하 여 압축강도 결과를 비교하였다.

Geobond바인더에 SSA를 첨가하여 제조한 몰탈의 경우, SSA의 첨가량이 높고 모래의 첨가량이 작은 시편은 낮은 강도를 발현하였고, SSA의 첨가량을 20 wt%로 고정하고 모 래 배합율을 변화시킨 조건에서 Geobond 바인더를 30 wt%, 모래를 70 wt%의 비율로 제조하여 72 h양생한 시편의 압 축강도가 가장 높은 63.6 MPa을 나타내었다. SSA 첨가율 에 따른 몰탈은, 적당한 첨가량에서는 작은 입자의 특성에 따른 필러 효과로 우수한 압축강도를 발휘하지만, 첨가량이

과할 경우는 치밀화를 방해하기 때문에 물리적 특성이 저 하되는 원인이 된다.⁵⁾ 시멘트 몰탈은 모래의 첨가량이 50 wt%일 경우 72 h양생한 시편의 물성이 40.3 MPa로 가장 높았다.

Fig. 10은 Geobond와 Cement 바인더로 제조된 몰탈의 압 축강도 측정결과를 그래프로 나타낸 것이다. Fig. 10(a)에서 모래의 첨가량의 변화에 따라 몰탈의 압축강도 역시 변화 되는 것을 확인하였다. 모래의 첨가량은 50%를 기준으로 할 때 강도의 변화폭이 큰 값을 나타내었다. SSA를 60% 첨가 한 조건에서는 20 MPa 이하로 매우 저조한 값을 나타내었 다. 그리고 Fig. 10(b)시멘트 바인더로 사용한 몰탈의 압축강 도는 모래의 첨가량이 50%일 때 가장 우수한 몰탈의 압축 강도 값을 나타내었으며, 모래첨가량 30%와 70%에서는 다 소 낮은 값을 나타내었다. 또한 재령에 따른 압축강도의 변 화는 모래 첨가율 50%로 제작된 시편의 재령이 경과됨에 따라 압축강도의 상승폭이 가장 큰 것으로 나타났다.

(a) Sand 30% mortar mold (72 h/curing) (b) Sand 50% mortar mold (72 h/curing) (c) Sand 70% mortar mold (72 h/curing)

SEM photograph of geobond mortar with addition ratios of sand.

(a) Sand 30% mortar mold (72 h/curing) (b) Sand 50% mortar mold (72 h/curing) (c) Sand 70% mortar mold (72 h/curing)

SEM photograph of cement mortar with addition ratios of sand.

Fig. 11~13은 Geobond와 Cement를 이용한 몰탈 시편의 SEM사진을 나타내었다. Fig. 11은 Geobond의 경우, SSA 첨 가량에 따른 미세구조의 변화를 확인하였다. SSA첨가량이 클수록 표면이 거친 형상의 입자들이 관찰되었다. 반면에 SSA첨가량이 적은 몰탈의 표면은 매우 매끈한 것으로 확인 하였다. 또한 Fig. 12는 Geobond에 모래의 첨가량이 적을수 록 치밀한 미세구조를 보였으며, 모래의 첨가량이 많은 시 편의 경우, 매우 많은 크랙이 발견되었다. 크랙의 발생은 압 축강도를 저하시키는 원인이 된다.^5,10)

Fig. 13은 시멘트 바인더와 모래 배합율에 따른 몰탈 시 편의 경우, Geobond보다 매우 치밀한 미세구조를 나타내었 다. 단, 모래 첨가량이 적은 시편의 구조에서는 침상의 입자 들이 보이고 있으며, 모래 첨가량이 많은 시편에서는 판상의 입자들이 관찰되었다.¹⁰⁾

SSA를 무기바인더 재료로 이용하고자 하는 목적으로 연 구한 결과 우수한 물리적 특성이 확인된 첨가율은 무기바 인더 Geobond와 혼합하여 사용할 경우 SSA 첨가량은 40%

까지, Cement의 경우 SSA 첨가량 20%까지 가능한 것으로 나타났다. 또한 SSA 첨가율에 따른 색도의 농담으로 컬러 블 록제품 개발 가능성도 확인하였다.^4,5) 따라서 SSA 첨가율에 따른 색도 변화를 발현하는 무소성 SSA 벽돌 및 블록 등 의 응용 시공체의 제조가능성을 보여주고 있다.^5,11)

4. 결 론

본 연구는 하수슬러지 소각재(SSA)를 Geobond와 시멘트 등의 무기바인더 재료와 혼합하여 무소성 공정으로 고형화 한 시편을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) SSA를 분석한 결과 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, P2O5 등 이 약 25~70%의 화학적 조성으로 나타났다. 특히 주재료 가 되는 무기바인더인 Geobond 및 Cement와 혼합이 용이 한 재료로 확인되었다. 이는 무기바인더 대체 재료로의 이 용 가능성을 보여주는 것으로 사료된다.

2) 무기바인더 Geobond와 SSA 첨가량은 40%까지 Cement 바인더의 경우 SSA 첨가량은 20%로 제조한 시편의 경우 압축강도는 KSL 4201 기준인 22.54 Mpa (229.7 kg/cm²) KS기준을 상회하였으며, 단기양생과정인 1일 압축강도는 30 Mpa~3일 양생한 시편의 압축강도는 36.7 Mpa까지 증 가하여 매우 긍정적인 결과로 나타났다.

3) 무기바인더 Geobond, Cement 각 각의 재료에 SSA 첨 가량 20%를 고정한 후 모래 배합량을 70%, 50%, 30%로 제조한 몰탈 시편의 단기 압축 강도는 모래 배합량이 높을 수록 압축강도가 높게 발현하였으며, 모래 배합량 50%로 양생한 시편의 압축강도가 가장 높은 것으로 볼 때 모래 배 합율의 최적비율은 50%로 나타났으며, 특히 양생 재령이 경과함에 따라 압축강도의 상승폭이 높게 나타났다.

4) 하수슬러지 소각재(SSA)는 무기바인더(Geobond, 시멘 트) 대체물질로써 재이용 가능성이 충분한 결과로 나타났다.

향후 장기압축강도 증진 실험을 보완할 경우, 보도블록 및 컬러 블록 등으로 응용한 재활용 건설자재로의 실용화 가능 성도 충분할 것으로 판단된다.

Acknowledgement

본 연구는 지식경제부의 경기 EIP 연구개발 지원으로 수행 되었기에 이에 감사드립니다.

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