Environmental Assessment of Shotcrete Using Recycled Industrial By-Products (Fly Ash) and Silica Fume

터 널 工 學

第30卷 第3C 號·2010年 5月 pp. 159~165

산업부산물(플라이애시)과 실리카퓸을 재활용한 숏크리트의 환경유해성 평가

Environmental Assessment of Shotcrete Using Recycled Industrial By-Products (Fly Ash) and Silica Fume

박철우*·심종성**·강태성***·박성은****

Park, Cheolwoo·Sim, Jongsung·Kang, Taesung·Park, Seongeun

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Abstract

The problems such as natural resource exhaustion, pollutant emission and waste generation are increasing worldwide with the industrial development. The quantity of the industrial by-product in Korea is 6 million tons a year, and even its basic treat- ment processes including landfill, incineration and storage have reached their limits. In this study, fly ash and silica fume were applied to shotcrete to develop a method for the reuse of resources and to increase the use of fly ash, which is an industrial waste. An environmental hazard evaluation is a must to actively address the worldwide environmental problems, though.

Therefore, an environmental impact assessment was conducted using the chemical content analysis test and heavy metal exu- dation test, for ten mixtures that were obtained through the pre-mixing and compressive strength tests. The results of the com- pressive strength test showed that all mixtures satisfied national and international standards. Cr, Cd and Hg were not detected, and Pb was detected only in some cases with fly ash. Cu and As were detected in all mixtures, but all of them satisfied national and international standards.

Keywords : by-products, fly ash, silica fume, environmental assessment, leaching test

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요 지

최근 산업발전에 따른 천연자원 고갈, 공해물질 배출, 폐기물 발생 등과 같은 부가적인 문제는 세계적으로 이슈화되고 있 다. 현재 국내 산업부산물은 연간 600만 톤이 발생하며, 매립, 소각, 저장과 같은 1차원적인 처리에도 한계가 발생하고 있 는 실정이다. 본 연구에서는 산업폐기물인 플라이애시 재활용 연구의 일환으로 플라이애시와 실리카퓸을 숏크리트에 활용하 여 자원의 재활용 문제뿐만 아니라 숏크리트에 적용함으로써 플라이애시의 사용을 확대하고자 한다. 그러나 숏크리트에 적용 하기에 앞서 최근 범지구적으로 이슈화되고 있는 환경문제에 보다 적극적으로 대처하기 위하여 환경유해성 평가가 반드시 필요하며, 본 연구에서는 예비 배합 및 압축강도 시험을 통해 도출한 10가지 배합에 대하여 화학성분 분석시험과 중금속 용출시험을 통해 환경 영향평가를 실시하였다. 압축강도 시험결과, 모든 배합에서 국내외 기준을 만족하는 것으로 나타났으 며, 중금속 용출시험의 경우 Cr, Cd, Hg 성분은 검출되지 않고 Pb 성분은 플라이애시가 함유된 일부분의 경우에서만 검출 되었다. 그리고 Cu, As 성분이 모든 배합에서 검출되었으나 국내외 기준에 모두 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.

핵심용어 : 산업부산물, 플라이애시, 실리카퓸, 환경평가, 용출시험

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1. 서 론

18 세기에 시작된 산업혁명을 바탕으로 포틀랜드 시멘트 가 발명된 이후, 이를 기반으로 한 사회기반 시설물 및 여러 가지 부가산업이 발달하게 되었다. 시멘트와 천연골재를 이 용한 건설 산업은 현재에 이르기까지 비약적인 발전을 거듭 해오고 있으나, 산업이 발전함과 동시에 환경에 미치는 영향 즉, 천연자원 고갈, 공해물질 배출, 산업부산물 발생, 에너지

의 과소비 및 인류의 건강에 미치는 영향 등과 같은 다양한 문제가 발생하게 되었다.

현재 우리나라의 연간 플라이애시 발생량은 사용하는 석탄 의 약 12~13% 정도로, 1998년 336만 3천 톤에서 1999년 395 만 2천 톤으로 증가하였고, 2000년에 이르러서는 400만 톤으로 증가하였다(Fig. 1). 2008년 국토해양부 조사에 따르 면, 산업부산물의 발생량은 아스콘 생산과정에서 발생되는 회수더스트가 연간 약 21만 3천 톤, 화력발전소에서 발생되

*정회원·강원대학교 토목공학과 교수 (E-mail : [email protected])

**정회원·한양대학교 토목공학과 교수 (E-mail : [email protected])

***교신저자·한양대학교 토목공학과 콘크리트구조연구실 박사수료 (E-mail : [email protected])

****(주)평화엔지니어링 구조부 사원 (E-mail : [email protected])

는 플라이애시가 약 400만 톤, 그리고 고로슬래그는 약 830 만 톤으로 추정된다(Fig. 2). 이러한 산업부산물의 재활용률 은 1998년 32.2%, 1999년 42.5% 그리고 2000년에는 54.6% 로 증가되고 있으나, 아직까지 약 40% 이상의 산업부 산물이 매립, 소각 및 저장과 같은 1차원적이고 전통적인 처리방법으로 처리되고 있는 실정이다.

환경적인 문제를 고려할 때 산업부산물의 1차원적인 처리 방법을 지양하고 효율성 있게 산업부산물을 재활용하는 방 안이 모색되어야 한다. 최근 산업부산물을 재활용하기 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있으며, 구조물에 적용하기 위 한 시멘트 재료로서의 활용에 관한 연구가 국내뿐만 아니라 국외에서도 지속되고 있다.

또한 숏크리트는 급속한 경제성장으로 인한 사회기반 시설 확충 및 국토이용의 효율성을 위한 터널 및 지하 공간 건설 공사에 많이 사용되고 있다. 하지만 아직까지 국내 숏크리트 관련 기술은 국가적인 제도의 미비와 재료의 단가부담 등으 로 선진국에 비해 상당히 낮은 수준에 머물러 있는 실정이 다(마상준 등, 2007; 박철우 등, 2008).

따라서 본 연구는 산업부산물인 플라이애시를 구조재료인 시멘트에 혼입하여 사용함으로써 산업부산물의 재활용 효과 를 극대화시키기 위한 방안으로, 숏크리트로의 적용 가능성 을 검증하고자 한다. 숏크리트로 적용하기 위해서는 초기강 도 발현에 유의해야 하므로 초기강도 발현에 다소 불리한 플라이애시를 보완하기 위해 초기강도에 유리한 실리카퓸을 혼입하기도 하였다.

그러나 이러한 산업부산물을 재활용하는 경우, 중금속 용 출에 따른 유해성 논란에 항상 노출되어 있다. 산업부산물의 재활용에 따른 2차 오염을 최소화하기 위하여 환경 유해성 평가가 반드시 수행되어야 한다. 선진국에서는 음용수 자재

의 인체 유해영향을 관리하기 위하여, 콘크리트 자재 관리기 준에서 정한 시험방법으로 콘크리트 중금속 용출정도와 유 해성을 간접적으로 확인할 수 있는 엄격한 기준을 적용하고 있다. 산업부산물에 함유되어 있는 유해성분은 최종적으로 인류의 건강에 큰 영향을 미치는 것은 물론, 우수나 지하수 로 스며들어 최종적으로 음용수나 음식물을 통하여 나타나 게 된다(송태협 등, 2003). 이러한 침출수 용출성분들에 의 해 알칼리도 상승 및 중금속 오염 등과 같은 수질환경오염 문제도 함께 발생될 수 있다. 따라서 산업부산물의 유해성 여부가 검토되어야 하며, 이와 같이 범지구적으로 이슈화되 고 있는 환경문제에 보다 적극적으로 대처하기 위하여, 우리 의 삶의 터전인 자연을 훼손하지 않으면서 지구환경을 발전 시킬 수 있는 “친환경(eco-friendly)” 측면으로의 접근은 필 수적이라 할 수 있다(박철우 등, 2008).

따라서 본 연구는 산업부산물인 플라이애시와 실리카퓸을 숏크리트용 혼화재로 재활용하기 위한 연구의 일환으로, 플 라이애시 및 실리카퓸이 혼입된 숏크리트용 시멘트의 최적 배합비를 도출하고, 압축강도 시험을 통해 사용성을 검증한 후, 화학 조성 및 환경 유해성을 평가하였다.

2. 시험개요

2.1 사용 혼화재 2.1.1 시멘트 및 골재

본 연구에서는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 굵은 골재는 10mm의 쇄석을 사용하였다. 현재 국내에서 사 용되고 있는 숏크리트에서의 굵은 골재 최대치수는 Table 1 에 나타난 바와 같이 한국도로공사에서 제시하고 있는 13mm 이나, 숏크리트 타설시 리바운드량을 감소시키고 시공 성을 확보하기 위해 본 연구에서는 10mm로 낮춰 사용하였 다. 국외의 경우 8mm까지 낮춰 사용하고 있고 국내의 한국 표준협회의 기준에 만족하는 값이므로 10mm를 사용하는 것 이 가능할 것으로 판단되었다. 잔골재는 비중 2.61, 조립률 2.65 의 강사를 사용하였다.

2.1.2 플라이애시

본 연구에서 사용된 플라이애시(Fly ash, Pulverised fuel ash) 는 ‘미분탄 연소 보일러의 연소 가스로부터 집진기로 채 취하는 재’로 KS L 5405 규정에 의하였다. 플라이애시는 단위시멘트량을 감소시키고 배합시 워커빌리티를 향상시키 Fig. 1. Increase Tendency of Fly Ash

Fig. 2. The State of Occurrence of Industrial By-products

Table 1. Standards of Coarse Aggregate's Maximum Size for Shotcrete

Standards G

(mm) Interior Korea Expressway Corporation 13

KS F 2577 5, 10

Outside

American Concrete Institute (ACI) 10 European Federation for Specialist

Construction Chemicals and Concrete Systems (EFNARC)

8

Norway 8

International Tunneling Association (ITA) 8

며, 염해 및 알칼리-골재반응에 대한 저항성을 증진시키는 역할을 하지만 초기강도 발현이 지연되는 현상이 나타나므 로 주의해야 한다(배규진 등, 2004).

또한 조성에 관계없이 대부분의 플라이애시는 콘크리트의 단위수(水)량을 감소시키고 유동적인 흐름과 이온 확산에 대 한 저항성을 증가시키려는 경향이 있다(Thomas 등, 1999).

본 연구에서는 사용된 플라이애시는 보령산으로 SEM 촬영 사진은 Photo 1과 같다.

2.1.3 실리카퓸

실리카퓸은 실리콘, 페로실리콘, 실리콘메탈 생산 산업의 전기로에서 발생되는 부산물로서, 가스 형태로 생성되어 포 집된 비정질의 산화실로콘(SiO

) 이다. 무정질 상태의 실리카 를 80% 이상 함유하고 있으며 크기는 대부분 1µm 이하로 매우 미세하면서도 구형의 입자인 고도의 포졸란성 재료이 다(배규진 등, 2004).

양질의 실리카퓸을 사용하여 적절한 배합, 타설, 양생을 실 시하면 포졸란 반응이 발생된다. 이는 수화초기로부터 시작 되어 공극 충전효과에 따른 강도증진을 나타내고, 투기·투 수성을 감소시켜 콘크리트의 각종 물리적, 역학적 성질을 개 선시킬 수 있다(배규진 등, 2004). 또한 실리카퓸은 알칼리 골재반응을 억제하고 화학 저항성을 개선하며, 동결융해 저 항성도 우수한 특성을 지닌다(Rao, 2001, 2003).

그러나 실리카퓸은 분말도가 매우 미세하므로 콘크리트용 혼화재로 사용할 경우, 소정의 워커빌리티를 얻기 위해 많은 혼합수가 필요하게 되므로 고성능 감수제를 병용하여 사용 하여야 한다. 본 연구에서 사용된 실리카퓸의 SEM 촬영 사 진은 Photo 2와 같다.

2.1.4 화학성분분석

본 연구에서 사용한 시멘트 및 플라이애시, 실리카퓸의 화 학성분 분석결과는 Table 2에 나타난 바와 같다. 이는 각각 의 시료를 액체 상태로 만들어 유도결합 플라즈마 발광분석 기(ICP; Inductively Coupled Plasma Emission Spectros- copy) 를 사용하여 주요 함유물인 SiO

, Fe

O

, Al

O

, CaO, MgO, Na

O 및 K

O 7 가지 성분에 대하여 분석한 결과이다.

시멘트의 경우 CaO와 SiO

SiO

의 함량이 약 83%로 성 분의 대부분을 차지하고 있었다. 대표적인 산-중화능력을 내 포하고 있는 물질인 생석회의 주성분인 CaO가 약 61%로 다량 함유되어 있어 산-중화능력이 뛰어날 것으로 판단된다 ( 김종범 등, 2001).

플라이애시의 경우 대부분의 화학성분에서와 같이 SiO

가 약 48%로 약 절반의 높은 함량을 차지하고 있었고, Al

O

, CaO 및 Fe

O

의 성분 또한 모두 10% 이상으로 비교적 높 은 함량을 보였다. CaO 성분이 비교적 다량 함유되어 있어 포졸란 반응 이 외에도 자체적으로 물과 반응하여 경화할 수 있는 어느 정도의 자경성을 발휘할 것으로 사료된다(천병 식 등, 1994).

실리카퓸의 경우 90% 이상이 SiO

로 주성분을 이루고 있 었고 그 외의 성분은 소량 함유되어 있었다.

2.2 사용 혼화제 2.2.1. 급결제

급결제는 터널의 숏크리트에 있어서 작업능률을 높이고 부 착한 콘크리트의 자중에 의한 박락을 최소화하기 위하여 콘 크리트의 응결을 촉진할 목적으로 사용된다. 특히 급결제를 사용함으로써 숏크리트의 초기강도 및 장기강도 발현에 큰 영향을 주며, 첨가량을 증가하면 리바운드량이 감소하며 동 시에 높은 조기강도를 얻을 수 있다.

하지만 인체에 대한 유해성 및 환경오염의 감소방안이 해 결되어야 할 과제로 부각되고 있다. 특히 환경문제에 있어서 세계적으로도 환경에 유해한 급결제의 사용은 금지하고 있 는 추세이며, 아직도 이러한 급결제가 보편적으로 사용되고 있는 국내 현실은 세계적 흐름에 뒤쳐져 있다고 할 수 있다 ( 박해균 등, 2004). 이러한 이유로 국내에서도 시멘트광물계 급결제가 개발되어 국내 현장적용에 활발하게 추진하고 있 으나, 더 많은 개선을 필요로 한다.

본 연구에서는 최근 환경 친화적인 급결제로 주목받고 있는 시멘트광물계 급결제를 사용하였으며, 연회색의 분말상태로 진 비중 2.76, 부피비중 0.7±0.1, pH 11.5±0.5의 특성을 지닌다.

2.2.2 고성능 감수제

고성능 감수제는 콘크리트가 소정의 워커빌리티를 얻기 위 Table 2. Results of Chemical Constituent Analysis

Unit(%) SiO

Fe

O

Al

O

CaO MgO Na

O K

O

Cement 21.5 2.97 5.00 61.4 3.77 0.22 0.93

Fly Ash 47.5 10.1 18.1 14.4 2.79 1.03 1.63

Silica Fume 92.5 0.47 1.47 0.37 0.28 0.29 0.67

Photo 1. SEM Image of Fly Ash

Photo 2. SEM Image of Silica Fume

해 단위수량을 감소시키는 목적으로 사용되는 혼화제로, 시 멘트 입자를 분산시켜 시멘트풀의 유동성을 증대시킴으로써 감수효과를 얻을 수 있다.

본 연구에서 사용한 고성능 감수제는 나프탈렌 설폰산 포 르말린 축합물을 주성분으로 하는 콘크리트용 화학혼화제로 서 암갈색의 액체 상태이며 비중 1.20±0.2(20

C), pH 7±1(20

C) 의 특성을 지닌다.

2.3 실험계획

본 연구는 산업부산물인 플라이애시와 실리카퓸을 재활용 하여 숏크리트에 적용하기 위한 연구의 일환으로, 환경적 안 전성을 검증하기 위해 진행되었다. 먼저 압축강도 시험을 통 하여 Table 3과 같이 배합비에 따른 10가지 예비 배합을 도출하였다. 예비 배합은 28일 강도를 기준으로 하였으며, 물-결합재비(W/B) 45%, 슬럼프 100±20mm, 공기량 4~6%, 그리고 플라이애시와 실리카퓸의 함량은 각각 0~20%, 0~7% 의 범위로 제한하였다. 단순히 강도 측면에서만 본다면 플라이애시의 함량을 40%까지 치환하여 사용할 수 있으나 (Oner 등, 2005), 숏크리트에 적용하기 위해서는 초기 강도 발현에 유의해야 하므로 플라이애시 함량을 최대 20%로 제 한하여 사용하였다.

도출된 10가지 예비 배합을 이용한 중금속 용출시험을 통 하여 예비 배합의 환경적 유해성 여부를 검토하였다. 검증된 시험을 이용한 안전성 검토를 통하여 향후 플라이애시 및 실리카퓸에 대한 숏크리트 적용의 적합성을 도출하고자 하 였다.

2.4 실험방법 2.4.1 압축강도 시험

플라이애시 및 실리카퓸 혼입에 따른 압축강도 특성을 알 아보기 위하여 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 준하여 시험을 실시하였다. 시편은 KS F 2403(콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 따라 각 배합수준별 100 ×200mm의 실린더형 공시체를 제작하여 표준양생 (20±2

C) 을 실시한 후, 재령 1일, 3일 및 28일 압축강도를 측정하였다.

2.4.2 중금속 용출시험

중금속 용출시험(Leaching test)은 산업부산물 중에 함유되 어 있는 유해물질이 우수 침투로 인해 산업부산물로부터 침 출되어 지하수 등을 오염시키는 것을 미연에 방지하기 위해 실시하는 하나의 검정 방법으로, 산업부산물의 유해성여부를 판별하는데 이용된다. 또한 용출시험은 침출수의 성분, 용출 되어 나오는 물질들의 양, 유해한 침출수가 발생하는 조건 등을 평가하여 산업부산물이 주위 환경에 미치는 영향을 예 측하는 데에 활용된다(송태협 등, 2003).

대표적인 용출시험법으로는 한국폐기물용출시험법과 한국 토양오염공정시험법이 있다. 한국폐기물용출시험법은 소수점 4 째 자리까지 칭량한 시료를 탈이온수(pH 5.8~6.3) 용매에 1g:10ml 의 비로 6시간 동안 상온·상압에서 200rpm으로 수 평진탕하고, 수평진탕으로 제조된 용출액을 1.0µm의 유리섬 유로 여과하여 용출된 중금속을 분석하는 방법이다. 한국토 양오염공정시험법은 소수점 4째 자리까지 칭량한 시료를 0.1N HCl 의 용매에 1g:5ml의 비로 1시간 동안 30

C, 상압 에서 100rpm의 속도로 수평진탕하고, 수평진탕으로 제조된 용출액을 거름종이 5B로 여과하여 용출된 중금속을 분석하 는 방법이다(이승헌 등, 2007).

본 연구에서는 Photo 3과 같이 한국폐기물공정시험법에 의한 용출시험을 실시하였으며, 각 변수별로 시료를 5mm 이하로 분쇄하여 사용하였다. 또한 본 시험에서 사용한 분석 기기는 유도결합 플라즈마 발광분석기(ICP; Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy) 로 알곤가스를 플 라즈마 가스로 사용하여 수정 발진식 고주파 발생기로부터

Table 3. Suggested Mix Proportions Specimen W/B

(%) S/a (%)

Unit Weight (kg/m

) Superplasticizer **Accelerator (kg/m

)

Slump 100±20mm

Air W B C SF FA S1 G (c

(kg/m

) 4~6%

Plain

45 60 190 422

422 0 0 988 644

2 8.4

2.111

85 6

PS7 393 30 0 983 640 95 5.8

*PS7F5 372 30 21 978 637 80 4.8

PS7F10 350 30 42 973 634 100 4.8

PF5 401 0 21 983 640 115 5.8

PF10 380 0 42 978 637 100 5.6

PF12 372 0 51 977 636 1.9 8.022 115 5

PF15 359 0 63 974 634 1.00 4.222 100 4.9

PF17 350 0 72 972 633 0.75 3.167 100 4

PF20 338 0 84 969 631 0.65 2.744 100 3.5

*PS7F5 : Plain + Silica fume 7% + Fly ash 5%

** 급결제 사용량은 전체 결합재량의 0.5% 사용

Photo 3. Appliances

발생된 주파수 27.13MHz 영역에서 유도코일에 의하여 플라 즈마를 발생시키는 원리이다.

본 연구에서는 납(Pb), 구리(Cu), 비소(As), 수은(Hg), 크 롬(Cr) 및 카드뮴(Cd)과 같은 6가지 중금속을 분석하여 유 해성 여부를 판별하였다.

3. 시험결과 및 고찰

3.1 압축강도 시험

배합비에 따른 압축강도 시험결과를 그래프로 나타내면 Fig. 3 과 같다.

상기의 시험결과를 Table 4의 현행 기준과 비교하여 만족 하는지 알아보면 다음과 같다. 1일 강도의 경우, 플라이애시 배합비가 증가할수록 낮은 강도발현을 보였으나 현행기준을 크게 웃돌았으며, 플라이애시 배합비가 15% 이상일 때 급격 한 강도저하를 보였으나 역시 기준에는 만족하였다. 3일 강 도의 경우, 실리카퓸 7%를 배합하였을 때 가장 높은 강도 발현을 하였고, 플라이애시 배합비가 증가함에 따라 점차 낮 아졌다. 또한 모든 변수가 기준에 만족하였다. 28일 강도의 경우, 재령 1일에서 낮은 강도발현을 보였던 플라이애시 15% 이상에서 높은 강도발현을 보였다.

3.2 중금속 용출시험

10 가지 예비 배합을 이용한 공시체에 대한 중금속 용출시 험 결과는 Table 5와 같이 나타났다. 10가지 공시체 모두 Cr, Cd, Hg 성분의 경우 검출한계 이하로 나타났고, Pb 성 분 또한 플라이애시가 함유된 일부분의 경우에서만 검출되 었다. 그리고 Cu, As 성분은 모든 공시체에서 검출되었으며 검출된 성분에 대하여 가시적인 그래프로 나타내면 Fig. 4와 같다.

검출된 성분의 유해성을 판단하기 위해 Table 6에서 제시 한 여러 가지 국내외 환경기준과 비교·분석해보았다. 제시 된 환경기준은 인간의 건강을 보호하고 생활환경을 보전할 뿐만 아니라 유지하는 데에 필요한 기준으로, 수질오염 및 토양오염에 관한 주요 기준을 나타내었다(이승헌 등, 2007).

Table 4. Standards of Compressive Strength Unit (MPa) 1 day 3 day 28 day Korea Concrete Institute 5~10 - 18

Tunnel Specifications 10 - 18 Korea Expressway Corporation

Specifications 10 14 20

Japan Concrete Institute 5~10 - 18

Fig. 4 Results of Leaching Test Table 5. Results of Leaching Test

Unit (mg/L) Cr Cu As Cd Hg Pb

Plain <0.0001 0.027 0.018 <0.0001 <0.0001 <0.0001

PS7 <0.0001 0.028 0.009 <0.0001 <0.0001 <0.0001

PS7F5 <0.0001 0.023 0.007 <0.0001 <0.0001 <0.0001

PS7F10 <0.0001 0.020 0.012 <0.0001 <0.0001 <0.0001

PF5 <0.0001 0.022 0.027 <0.0001 <0.0001 0.03

PF10 <0.0001 0.026 0.022 <0.0001 <0.0001 <0.0001

PF12 <0.0001 0.040 0.022 <0.0001 <0.0001 0.04

PF15 <0.0001 0.029 0.017 <0.0001 <0.0001 0.03

PF17 <0.0001 0.040 0.018 <0.0001 <0.0001 0.04

PF20 <0.0001 0.039 0.039 <0.0001 <0.0001 <0.0001

본 연구에서는 국내의 환경정책기본법(수질환경기준), 폐기 물관리법, 토양환경보전법, 수도법, 먹는물관리법 및 지하수 법과 미국 EPA(Environmental Protection Agency, 환경보 호청)의 TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, 독성여과법)를 사용하였다. 검출된 성분을 상기 기준에 적용 하였을 때, 국내 기준의 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경정책 기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹는물 관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다. 또한 미국의 TCLP에도 만족하는 결과를 보여, 산업부산물(플라이 애시)을 숏크리트 건설재료로 활용하는 것이 가능한 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 산업부산물인 플라이애시와 실리카퓸을 재활용 하여 숏크리트에 적용하기 위한 연구의 일환으로 환경적 안 전성을 검증하기 위해 실시하였으며, 결과는 다음과 같다.

1) 압축강도 시험의 경우, 플라이애시와 실리카퓸의 ¡t량을 각각 0~20%, 0~7%의 범위로 하여 최적 배합비 도출을 위 해 배합비를 달리한 10가지 예비 배합에서 모두 기준을 만 족하는 결과를 얻을 수 있었다. 1일 강도의 경우 플라이애 시 배합비가 15% 이상일 때 급격한 강도저하를 보였고, 3 일 강도의 경우 실리카퓸 7%를 배합하였을 때 가장 높은 강도발현을 보였으며 플라이애시 배합비가 증가함에 따라 점 차 낮아지는 경향을 보였다. 28일 강도의 경우, 재령 1일에 서 낮은 강도발현을 보였던 플라이애시 15% 이상의 배합에 서 높은 강도가 나타나는 것으로 확인되었다.

2) 중금속 용출시험의 경우, 10가지 공시체 모두 Cr, Cd, Hg 성분은 검출되지 않았고 Pb 성분 또한 플라이애시가 함 유된 일부분의 경우에서만 검출되었다. 그리고 Cu, As 성분 이 모든 공시체에서 검출되었다. 검출된 성분의 유해성을 판 단하기 위하여 여러 가지 국내외 환경기준에 적용하여 비교 해본 결과, 국내 기준의 경우 가장 엄격한 기준인 수도수에 관한 수도법에는 다소 미치지 못하는 부분도 있었으나, 환경

정책기본법(수질환경기준), 폐기물관리법, 토질환경보전법, 먹 는물관리법 및 지하수법을 모두 만족하는 결과를 보였다. 또 한 미국의 TCLP에도 만족하는 결과를 보여, 국내외 기준에 모두 적합한 것으로 판단되었다.

이상의 결과를 종합적으로 고려할 때, 산업부산물인 플라 이애시 및 실리카퓸을 숏크리트에 적용하기 위해 도출한 배 합을 바탕으로 환경 유해성 검증을 실시한 결과, 국내외 기 준에 만족하는 것으로 확인되었으며, 추후 현장 적용성을 위 한 추가적인 내구성 및 실내시험에 관한 연구 및 고찰이 필 요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 강원대학교 신진교수지원 사업으로 수행되었으 며, 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.

참고문헌

김종범, 오재일, 조윤호(2001) 재생골재의 산성수 중화능력 및 금속이온 용출특성. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제21 호, 제4B권, pp. 485-491.

마상준, 최희섭, 김동민(2007) 산업부산물을 혼화재로 이용한 분 말형 레디믹스트 숏크리트 개발을 위한 고로슬래그 미분말의 성능평가. 한국콘크리트학회 2007년도 가을 학술발표회 논문 집, 한국콘크리트학회, pp. 685-688.

박철우, 김경남, 심종성, 강태성, 홍성기, 이현기(2008) 폐석탄회 를 이용한 고성능 숏크리트의 적정배합비 도출. 한국구조물진 단학회 2008년도 가을 학술발표 논문집, 한국구조물진단학회, 제12호, 제2권, pp. 377-380.

박철우, 박석균(2008) 환경과 콘크리트-콘크리트의 환경친화. 한 국콘크리트학회지, 한국콘크리트학회, 제20호, 제6권, pp. 24- 26.

박해균, 이명섭, 원종필, 김재권(2004) 시멘트광물계 분말형 급결 제를 사용한 습식 숏크리트의 성능 평가. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제24호, 제1C권, pp. 65-69.

배규진, 장수호, 신휴성, 박해균, 이명섭, 김재권(2004) 숏크리트 의 고성능화를 위한 미분말 혼화재의 활용. 터널기술학회지, 터널기술학회, 제6호, 제4권, pp. 25-36.

Table 6. Standards of Heavy Metals ( 이승헌 외, 2007) Unit

(mg/L)

The quality of water

standard The

administration law of waste

The preservation law

of the soil The law of water service

The administration law of service

water

The law of groundwate

EPA- TCLP River Sea area *(A) area **(B) area

Cr 0.05 0.05 1.5 4 12 0.005 0.05 0.05 5

Mn - - - - - 0.03 - - -

Fe - - - - - 0.03 - - -

Cu - 0.02 3 50 200 0.1 - - -

Zn - 0.1 - 300 800 0.1 - - -

As 0.05 0.05 1.5 6 20 0.005 0.05 0.05 1.5

Se - - - - - 0.001 0.01 0.01 -

Cd 0.005 0.01 0.3 1.5 12 0.0005 0.005 0.005 1

Hg 0.001 0.0005 0.005 4 16 0.0001 0.001 0.001 0.2

Pb 0.05 0.05 3 100 400 0.005 0.05 0.05 5

*(A) area : field, orchard, pasture, forest land, river, etc.

**(B) area : plant, road, railway, etc.

송태협, 이문환, 이세현(2003) 동슬래그의 콘크리트용 골재 활용 에 관한 기본연구. 한국콘크리트학회 논문집, 한국콘크리트학 회, 제15호, 제1권, pp. 35-42.

이승헌, 황해정, 이종규, 추용식(2007) 보통 포틀랜드 시멘트 중 의 중금속에 대한 고찰. 한국콘크리트학회지, 한국콘크리트학 회, 제19호, 제2권, pp. 28-33.

천병식, 장명순, 고용일, 박기천(1994) 석탄재의 건설재료로서의 활용에 관한 연구-환경적 특성 검토를 중심으로-. 대한토목학 회 1994년도 학술발표회 논문집(I), 대한토목학회, pp. 705- 708.

한국표준협회(2003) KS F 2103, 흙의 pH값 측정방법.

한국표준협회(2005) .KS F 2403, 콘크리트의 강도 시험용 공시 체 제작 방법.

한국표준협회(2005) KS F 2405, 콘크리트의 압축강도 시험방법.

한국표준협회(2008) .KS F 2567, 콘크리트용 실리카퓸.

한국표준협회(2004) KS L 5120, 포틀랜드 시멘트의 화학 분석 방법.

한국표준협회(2004) KS L 5405, 플라이 애시.

Oner, A., Akyuz, S., and Yildiz, R. (2005) An experimental study on strength development of concrete containing fly ash and optimum usage of fly ash in concrete, Cement and Concrete Research, Vol. 35, pp. 1165-1171.

Rao, G.A. (2001) Development of strength with age of mortars con- taining silica fume, Cement and Concrete Research, Vol. 31, pp. 1141-1146.

Rao, G.A. (2003) Investigations on the performance of silica fume- incorporated cement pastes and mortars, Cement and Concrete Research, Vol. 33, pp. 1765-1770.

Thomas, M.D.A., Shehata, M.H., Shashiprakash, S.G., Hopkins, D.S., and Cail, K. (1999) Use of ternary cementitious systems containing silica fume and fly ash in concrete, Cement and Concrete Research, Vol. 29, pp. 1207-1214.

( 접수일: 2009.9.24/심사일: 2009.11.30/심사완료일: 2010.3.14)