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순환자원으로써의 폐콘크리트 재활용 공정부산물인 폐콘크리트 미분의 활용기술
Recycling Technology for the Waste Concrete Fine Particles of By-product from Recycling Process for Waste Concrete
1. 서 언
다양한 폐기물 중 재활용 기술과 산업이 활성화 되어 있는 분야가 건설폐기물 재활 용 분야이다. 건설폐기물은 노후화된 건축물의 철거, 아스팔트 포장의 보수, 콘크리트 제품의 불량 등에서 발생된다. 건설폐기물 중 60~65%는 폐콘크리트이기 때문에 지 금까지 대부분의 재활용 기술은 폐콘크리트에 집중되어 있다. 주로 폐콘크리트를 콘 크리트용, 도로용, 매립용 등의 다양한 순환골재로 활용하기 위한 연구가 다양하고 깊 이 있게 수행되었으며, 실용화 실적도 많다. 최근에는 폐콘크리트로부터 보다 부가가 치가 높은 양질의 골재를 만드는 기술이 중점적으로 연구되고 있다. 다양한 형태의 파 쇄, 마쇄, 박리 기술이 개발되고 있어 순환골재 자체의 품질은 점차 향상되고 있다.
순환골재는 파쇄, 마쇄 공정을 포함하고 있으므로 목표로 하는 순환골재 외에도 필연 적으로 미분이 발생하게 된다. 이들은 콘크리트의 재활용 과정에서 발생하는 2차적인 부산물이며, 일반적인 순환골재 생산공정의 경우 원재료의 약 7%정도가 발생하지만, 고품질순환골재 생산공정에서는 그 비율이 증가하여 40%에 육박하는 경우도 있다.
한편 순환골재의 생산 공정은 크게 습식공정과 건식공정으로 나누어진다. 습식공정 은 비산먼지가 적고 순환골재로부터 이물질을 제거가 용이하다는 장점이 있어 대부분 의 채용되고 있지만, 높은 함수율을 갖는 순환골재를 야적할 때 발생하는 침출수의 문 제와 미분이 슬러리 상태로 발생하여 재활용이 어렵다는 문제점을 갖고 있다. 반면 건 식공정의 경우 이물질 제거가 상대적으로 불리하고, 비산먼지를 대량으로 발생시킨다 는 단점이 있어 거의 사용되지 않았다. 그러나 최근 전체 공정을 폐쇄형의 고성능분쇄 시스템을 도입하여 고품질의 순환골재를 생산할 뿐만 아니라 미립분을 완벽하게 포 집하여 환경문제를 발생하지 않는 건식공정 고품질 순환골재를 생산 기술이 개발되었 다. 이 공정에 의한 순환골재는 콘크리트용 골재의 기준을 만족할 정도로 품질이 우수 하지만, 미립분이 대량으로 발생한다는 단점을 가지고 있다.
필자는 본 공정에서 발생하는 미립분에 대한 특성을 분석하고 이를 활용하기 위한 실험적 검토를 수행하였으며, 이에 대하여 소개하고자 한다.
곽은구 Eun-Gu, Kwak 이씨엠테크, 대표이사 E : [email protected]
강희권 Hee-Kwon, Kang 대형환경 주식회사, 대표이사 E : [email protected]
김진만 Jin-Man, Kim
공주대학교 건축학부 교수, 공학박사 E : [email protected]
이들의 연구에 의하면, 3종 이상의 파쇄기를 적절히 배 치하여 파쇄하면 일반골재와 동등한 수준의 순환골재를 얻을 수 있는 것으로 보고하였다. 이 경우 굵은골재로의 회수율은 약 30% 정도이며, 나머지 70%는 잔골재와 미 분말로 남게 되어 이들의 용도 개발이 필요함을 제시하고 있다. 또한 友澤史紀 등은 재생골재의 제조시 구 콘크리 트 및 모르터 부분을 효과적으로 제거하기 위하여 가열과 파쇄를 겸용하는 기술2)을 제안하였는데, 이 역시 미분말 의 발생량이 높을 뿐만 아니라 높은 에너지 비용에 의한 낮은 경제성이 문제점으로 지적되었다. 이와 같은 기술에
기 위해 노력하고 있으나. 미립분의 발생 및 수거, 특성 및 용도 개발 등에 대한 연구가 미진하여 대부분 토사와 함께 혼합하여 매립하고 있는 실정이다.
3. 폐콘크리트 미립분의 발생공정 및 특징
3.1 폐콘크리트 미립분 발생
2013년 현재 국내의 건설폐기물중간처리업체는 약 500여개에 상당한다. 이 중 건식공정을 운영하는 기업은 5% 정도이며, 이중에서 고품질 순환골재의 제조가 가능한 기업 은 1, 2군데에 머물러 있다.
그 중 충남 논산에 위치한 D 사는 건식공정을 운영하는 대표 적인 기업이다. 건식공정에 의 해 고품질 순환골재를 생산할 뿐만 아니라 유기폐기물 소각로 로부터 발생하는 폐열을 활용하 여 골재를 건조하여 건조골재를 생산하고, 또한 각 공정에서 발 생하는 미립분을 포집 및 건조 하여 건조상태의 미립분을 생산 하는 공정을 보유하고 있다.
전체 공정을 그림 2에 나타내 었다. 40㎜의 순환굵은골재를 이용하여 5㎜의 골재를 제조할 수 있도록, 파마쇄, 선별, 건조 등의 공정으로 구성되어 있다.
롤크러셔 및 입팩트크러셔를 거 그림 1. 일본의 폐콘크리트 미립분 재활용 현황
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쳐 크기가 줄어든 순환골재는 다양한 형태의 선별 및 집 진장치를 거친 후 가열되게 된다. 골재를 직접가열할 경 우 불순물이 혼입될 염려가 있기 때문에 본 공정에서는 간접가열 방식에 의해 건조하고 있다.
미립분의 발생량은 생산 공정의 분석하여 볼 때 시간당 40톤의 굵은 골재가 투입되면, 잔골재는 30톤, 미립분은 9.48톤, 이물질이 0.52톤이 발생된다. 각 제품은 각각 별 도의 사일로에 저장되며, 특히 미립분은 크기별로 2종류 로 분류하여 저장된다.
3.2 폐콘크리트 미립분의 특성
두 종류의 미립분의 물리적 특성을 표 1 및 그림 4에 나타내었다. 집진기의 백필터(Bag filter)에서 포집된 HP 1은 평균 7㎛, 사이클론 집진기를 통하여 채집한 미분말 HP 2는 평균 82㎛의 크기를 보이고 있다. HP 1이 뚜렷 한 2개의 피크점을 갖고 크기 범위가 상대적으로 좁지만, HP 2는 피크점은 하나이고 크기의 범위가 넓은 입도를
보이고 있다. 두 미분말의 함수율과 밀도는 거의 유사한 값을 보이고 있다.
폐콘크리트 미립분의 화학조성은 표 2와 같다. SiO2, CaO, Fe2O3, Al2O3, K2O, SO3가 주성분으로 나타났으며, 모두 시멘트와 골재의 구성 물질이다. 특히 CaO는 시멘 트로부터 유래한 것으로 거의 40%에 근접하는 조성비를 보이고 있고, 사이클론에서 채집한 것이 약간 높은 함량 을 보이고 있다. 이러한 특성은 시멘트적 성질을 기대할 수 있도록 하는 것이므로 중요하게 검토하여야 할 특징 이다. SiO2는 31.8~36.8%라는 높은 비율을 점유하고 있 으며, HP1이 약간 높은 함량을 보이고 있다. 강열감량은 2.4~2.8% 정도의 값을 보이고 있는데, 이는 미분말에 혼입된 유기물질에 기인한 것으로 판단된다.
그림 2. 순환골재 제조 공정
그림 3. 간접가열 장비
그림 4. 폐콘크리트의 미립분 입자 크기 [표 1] 폐콘크리트 미립분 저장 장소
표기 포집위치 크기(㎛) 함수율(%) 밀도(g/㎤)
HP 1 백필터 7 0.12 2.25
HP 2 사이클론 82 0.13 2.31
◆ HP : High quality waste concrete Powder의 약어
[표 2] 폐콘크리트 미립분의 산화물 분석(°/wt)
구분 SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 K2O SO3 Ig.loss
HP1 36.8 36.5 8.5 7.2 4.5 3.7 2.4
HP2 31.8 39.0 10.5 7.4 4.7 3.5 2.8
폐콘크리트 미분을 시멘트의 혼합재 또는 레미콘용 혼 화재료로 검토하는 것은 아직 검토되지 않고 있다. 조성 산화물을 고려하면, 위의 두 가지 용도로 충분히 사용 가 능할 것으로 판단된다. 단 입자의 크기를 충분히 작게 하 고, 조성비의 변동이 작아야 하는 제한 요소는 만족하여 야 할 것이다. 반면 콘크리트용 제품에 폐콘크리트 미분 을 적용하는 것은 현시점에서도 가능하다. 각종 시방기준 에 콘크리트 제품은 당해 제품에 요구되는 강도 등의 조 건을 만족하면, 재료를 제한하지 않기 때문이다. 물론 환 경적인 안정성은 충분히 검토되어야 한다.
일반적으로 시멘트 벽돌, 블록, 흄관 등은 시멘트를 결 합재로 하고 골재와 혼화재료 등을 혼합하여 제조되는 시 멘트 콘크리트 제품이다. 이러한 제품은 혼합, 성형, 양 생의 공정을 거쳐 만들어진다. 재료의 혼합에는 팬타입, 리본, 트윈 샤프트 등의 믹서가 일반적으로 사용된다. 성 형은 그림 5에 나타낸 바와같이 몰드타설, 진동가압, 원 심력, 압출성형 등의 방법을 사용하며, 양생은 기중양생,
시멘트벽돌, 시멘트 블록, 호안블록 등 콘크리트 제품 중 블록 제품들은 시멘트, 골재, 물, 혼화재료 등을 혼합 한 후에 진동가압에 의해 성형하는 제품군이다. 가격 대 비 제품의 중량이 크기 때문에 장거리 판매가 곤란한 제 품이다. 그러므로 많은 콘크리트 제품 업체들이 전국에 분산되어 있다. 최근 보통포틀랜드 시멘트(OPC)의 단가 가 상승함으로서 거의 모든 업체가 고로슬래그 시멘트를 결합재로 사용하고 있다. 고로슬래그 시멘트를 사용할 경 우에는 초기 강도 발현이 낮아 일정 기간 양생이 필요하 므로 출하시기가 늦어지고 있는 상황이다. 이러한 상황을 고려하면, 폐콘크리트 미분말도 콘크리트 제품용 혼화재 료로서 사용하는 것도 가능할 것으로 생각된다.
실제로 폐콘크리트 미분을 인터록킹 블록(Inter Locking Block)에 적용한 결과를 나타낸 그림 6에서 알 수 있는 바와같이 보통포틀랜드시멘트의 10%를 폐콘크 리트 미분(HP1)을 대체하여 사용하였음에도 불구하고 휨 강도의 변화는 없는 것을 알 수 있다.
(a) 몰드타설 성형 (a) 진동가압 성형
(c) 원심력 성형 (d) 압출 성형
그림 5. 성형 설비
그림 6. 진동가압 성형 제품에 HP1 적용 시의 휨강도
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4.3 시멘트압출성형 패널의 규사미분 대체재로서의 적용
시멘트압출성형 패널은 반응원인 시멘트 및 규사 와, 인성 개선을 위한 섬유계 재료를 혼합하여 압출기 (Extruder)로 성형한 후, 오토클레이브 양생(Autoclave curing)하여 강도를 발현하게 하는 시멘트계 제품이다.
분체계 재료인 시멘트와 규사는 CaO와 SiO2가 주성분이 고, 폐콘크리트 미분은 전술한 바와같이 두 성분을 각각 30~40% 정도 함유하고 있으므로 폐콘크리트 미분이 분 체계 재료의 사용량을 줄이기 위한 목적으로 사용하는 것 이 가능한지의 여부를 실험적으로 검토하였다.
표 3은 사용한 배합을 나타낸 것이다. 규사를 폐콘크리 트 미분으로 25, 50, 70, 100%를 대체하고, 기타의 재료 는 동등하게 유지하도록 배합을 구성하였다. 양생은 기 건, 증기, 오토클레이브 양생의 3종류를 검토하였다.
실험 결과를 나타낸 그림 7에서 알 수 있는 바와 같이 폐콘크리트 미분(HP1)의 대체율이 증가함에 따라 강도가 저하하고 있다. 그러나 오토클레이브 양생을 한 경우에는 폐콘크리트 미분을 100% 사용한 경우에 조차도 외벽제품 에 대한 KS의 기준 강도인 14MPa에 거의 근접하는 값을 보이고 있어 규사 미분의 대체재료로 사용하는 것도 가능 함을 알 수 있다.
5. 결 언
폐콘크리트를 고품질 순환골재로 제조하는 공정에서 발 생되는 부산물인 폐콘크리트 미립분은 실리카와 석회질을 주성분으로 하고 있다. 이 미립분의 특징을 최대한 활용하 여 건설 산업용 원료로 사용하게 된다면 건설 산업에서의 환경 부하를 감소시키는데 기여할 수 있을 것이다.
저자들은 입자의 크기가 10㎛ 이하인 매우 작은 미분말 은 콘크리트 제품용과 시멘트 압출패널의 규사미분 대체재 로서 사용하는 것이 가능한 것을 실험적으로 확인하였다.
앞으로 더 많은 연구자의 노력으로 순환골재 뿐만 아니 라 순환골재 제조시에 발생하는 2차 부산물도 모두 재활 용하는 완전재활용(Total Recycling) 기술이 확립되기를 희망한다.
[표 3] 압출성형 제품에 적용 배합표
그림 7. 압출성형 제품군에 HP1 적용 예
