유연탄 bottom ash의 경량 및 단열 특성
이종규, 여운호†
인천대학교 건설환경공학부
Characteristics of Lightweight and Thermal Insulation of Bituminous Coal Bottom Ash
Jong Gyu Lee, Woon Ho Yeo
†School of Civil & Environmental Engineering, Incheon National University
(Received: Mar. 2, 2018 / Revised: Mar. 15, 2018 / Accepted: Mar. 15, 2018)
ABSTRACT: Research on FA(Fly ash) is actively carried out, while the research on BA(Bottom ash) is not so, and research on BA recycling field is urgently required. Therefore, in this study, we investigated the lightweight and thermal insulation characteristics of BA mortar by comparing BA mortar made with porous dry BA(air-cooled) and general mortar. To investigate the lightweight of BA, density test, unit volume mass test and SEM(Scanning Electron Microscope) test were performed . BA mortar and general mortar molds were prepared for the thermal insulation test at room temperature and humidity environment determined by KS A 0006 and they were dried at the temperature of 105±2℃ until the weight became constant. As a result of the lightweight test, the lightweight of BA mortar is about 30% lighter than the general mortar. Therefore, BA is expected to contribute to reduce the building load when used as building material. As a result of thermal insulation test, the thermal conductivity of BA mortar is about 30% better than that of general mortar.
Keywords: FA(Fly ash), BA(Bottom ash), lightweight, thermal insulation, dry cement motar
초 록: FA(Fly ash)에 대해서는 연구가 활발히 진행되는 반면 BA(Bottom ash)의 연구실적은 많지 않으며, 특히
BA 재활용 분야의 연구가 절실히 요구된다. 따라서 본 연구에서 다공성인 건식(공랭식) BA를 연구대상으로
선택해 이를 재료로 활용하여 만든 BA 모르터와 일반 모르터를 비교 분석하여 BA 모르터의 경량 및 단열 특성을 알아보고자 하였다. BA의 경량성을 알아보기 위해 밀도 시험, 단위용적질량 시험, SEM 시험을 하였으며, 단열 시험을 위해 BA 모르터와 일반 모르터 몰드를 KS A 0006에서 정한 상온⋅상습의 환경조건에서 제작 후 항량이 될 때까지 온도 105±2℃에서 건조하였다. 경량성 시험 결과 BA 모르터의 경량성은 일반 모르터의 0.72 배로 일반 모르터에 비해 약 30%정도 가볍게 측정되어 BA를 건축물 재료로 활용할 경우 건축물 하중을 줄이는데 크게 기여할 것이다. 또한 단열 시험 결과 BA 모르터의 열전도율은 일반 모르터의 0.70배로 약 30% 정도 단열성이 우수하다.
주제어: FA(Fly ash), BA(Bottom ash), 경량, 단열, 건조 시멘트 모르터
✝Corresponding author(e-mail : [email protected])
Item SiO2 Fe2O3 TiO3 Al2O3 CaO MgO K2O Na2O P2O5 Others Total
FA 58.7 6.42 1.21 24.5 2.9 1.08 1.45 0.67 0.33 2.74 100
Table 3. Chemical composition of fly ash
Particle size Rate
0.6㎜~2.5㎜ 10%
0.0㎜~0.6㎜ 90%
Table 2. Particle size rate of bottom ash
Chemical composition Physical properties MgO
(%)
SO3 (%)
LOI (%)
Blaine (㎠/g)
Stability (%) 3.0±0.5 2.0±0.5 1.5±0.5 3,200±300 0.02±0.02
Table 1. Chemical composition and physical properties of cement
Experimental Parameter Unit Result
Blaine ㎠/g 3,364
Hygroscopic Moisture % 0.40
Density g/㎤ 2.11
Flow rate % 98
LOI % 2.7
Activity factor(28 days) % 83
Table 4. Physical and chemical properties of fly ash
1. 서 론
화력발전소 전기집진기에서 포집되는 FA(Fly ash)는 재활용률이 높으나 보일러 노에 떨어지는 BA(Bottom ash) 는 FA에 비해 현재까지는 효용가치가 낮아 재활 용이 매우 낮은 편이다. 철강슬래그 및 석탄재 배출 사업자의 재활용 지침에는 석탄재 재활용률이 75%
이상으로 정해져 있으나 BA 재활용률이 매우 낮아 배출자가 법적 재활용률을 준수하지 못하고 있는 실
정이다.
1),2)뿐만 아니라 FA에 대해서는 연구가 활발
하게 진행되고 있는 반면에 BA의 연구실적은 많지 않으며, 특히 BA 재활용 분야 연구는 매우 저조하기 에 이에 대한 연구가 절실히 요구된다. 또한 최근 건 축물이 고층화⋅대형화 되고 친환경 건축의 중요성 이 대두됨에 따라 건축자재의 경량성과 단열성은 건 축물 하중 감소 및 에너지 절감의 원인이 되는 요소 로 관심이 증대되고 있기에 저렴하고, 가벼우며, 단 열이 잘 되는 건축물 재료를 개발하는 것이 요구되 고 있다.
따라서, 본 연구에서는 BA를 저렴하고, 가벼우며, 단열이 잘 되는 건축물 재료로 재활용할 수 있는지 를 연구하고자 한다. BA 중 습식(해수냉각) BA는 염분이 있고, 급랭으로 완전 연소하지 못하여 미연 탄소 함량이 높으며, 담수세척 및 건조를 해야 하는
단점이 있기 때문에 다공성인 건식(공랭식) BA를 연구대상으로 선택해 재료로 활용하여 만든 모르터 와 일반 모르터를 비교 분석하여 BA 모르터의 경량 및 단열 특성을 살펴보고자 하였다.
3),4)2. 실험 방법
2.1. 실험 재료
(1) 보통 포틀랜드 시멘트
시멘트는 보통 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였 으며, 시멘트의 성분 및 물리성능은 Table 1과 같다.
(2) 잔골재
잔골재는 A화력발전소에서 배출되는 유연탄 건 식(공랭식) BA를 사용하였으며, 체선별한 시료 0.6
㎜~2.5㎜, 0.6㎜ 이하의 크기를 입도 선별하여 사용 하였다.
5)석탄재의 균질성과 작업성을 확보하기 위 해 Table 2와 같이 입도 선별하여 배합하였다.
작업성의 추가개선을 위해 A화력발전소에서 발 생하는 유연탄 FA를 잔골재 미분으로 사용하였으 며, FA의 화학조성은 Table 3과 같고, 물리⋅화학적 특성은 Table 4와 같다.
(3) 혼화제
혼화제는 흡수율이 높은 BA의 특성과 품질,
6)작업
Mix design
Mixing condition Bottom ash
Fly ash Cement Shrinkage reducer
Melamine water reducing
agent
Naphthalene water reducing
agent
AE agent
Flow 0.6㎜
≥
0.6㎜~
2.5㎜
100±5% 431.2g 47.9g 84.5g 336.4g 55g 12.3g 2.5g 0.3g
Table 5. Mixing ratio of BA mortar
4)Mix design
Mixing condition
Sand Cement Shrinkage reducer Vicosity agent Flow
100±5% 740g 250g 9.9g 0.1g
Table 6. Mixing ratio of general mortar
성을 고려하여 대표적인 콘크리트 감수제인 멜라민계 와 나프탈렌계를 사용하였다.
7)멜라민계는 E회사의 시판품, 나프탈렌계[Sulfonated naphthalene formaldehyde condensate(PNS)] 의 경우 국내 K회사의 시판품을 사용 하였다.
(4) 수축저감제
수축저감제는 S사의 EXPAN BM-10 국내 시판품 을 사용하였다.
(5) AE 제(Air entraining agent)
AE 제(Air entraining agent)는 S사의 공기연행제 국 내 시판품을 사용하였다.
(6) 일반 모르터
BA 모르터와 비교하고자 하는 일반 모르터는 D 사의 대표적인 일반 모르터(미장용)를 사용하였다.
2.2. 실험 방법
BA 를 재료로 사용한 BA 모르터와 모래를 재료로 사용한 일반 모르터로 시멘트 2차 제품인 건조 시멘 트 모르터를 제조하여 연구 대상으로 선택한 후 경 량 및 단열 특성 비교 실험을 진행하였다.
석탄재의 재료특성 실험으로 잔골재시험 중 밀도 시험, 단위용적질량시험, SEM 시험을 하였다. 건조 시멘트 모르터의 잔골재를 100% 건식 유연탄 BA로 대체하였으며, KS L 5220(미장용)에 적합하도록 Table 5 와 같이 배합 설계하였고,
6)일반모르터의 배 합설계는 Table 6과 같다.
BA 모르터, 일반 모르터를 KS L 5105 수경성시 멘트 모르터의 압축강도 시험방법에 준한 50㎜의 입방시험체 큐빅몰드로 제작하여 시험하였다. 무게 는 시료를 28일 양생 후 전자저울로 무게를 측정하 였으며, 부피는 버니어켈리퍼스를 사용하여 길이를 측정하였다. 이 때 무게와 부피는 3개의 큐빅몰드의 측정된 값의 합을 사용하였다.
경량성 시험과 단열성을 파악하기 위해 열전도율 시험은 BA 모르터와 일반 모르터를 대상으로 비교 분석하였다.
2.2.1. 경량 시험 (1) 잔골재 시험
밀도 시험은 KS F 2504 잔골재의 밀도 시험 방법 에 준하여 시험하였으며, 단위용적질량 시험은 KS F 2505 골재의 단위용적질량 및 실적율 시험 방법에 준하여 행하였다.
(2) SEM(Scanning Electron Microscope) 시험 SEM 시험은 KS M 0044 시험 방법에 준하였으며, A 화력발전소 BA를 Pt coating으로 전처리하여 HITACHI 사의 S-3000H를 사용하여 1,000배. 2,000배, 3,000배, 5,000 배로 scanning하였다.
2.2.2. 단열 시험
단열 시험은 BA 모르터와 일반 모르터의 몰드를
KS A 0006 에서 정한 상온⋅상습의 환경조건에서
제작 후 300×300×20㎜의 시편을 취해, 시험체 중 가
Experimental Parameter BA KS standard
Experimental method Overdry density(g/㎤) 1.81 ≥ 2.5 KS F 2504 Surface dry density(g/㎤) 2.03 - KS F 2504
Unit volume mass
(Tamping bar)(㎏/L) 1.066 ≥ 1.450 KS F 2505
Table 7. Test of fine aggregate
× 1000 × 2000
× 3000 × 5000
Fig. 1. SEM of bituminous coal bottom ash.
열에 의해 변질 및 변형이 일어날 염려가 없으므로 온도 105±2℃에서 항량이 될 때까지 건조하여 행하 였다.
열전도율의 산출식은 다음 식을 따랐으며, 보온재 의 열전도율 측정 KS L 9016의 항목을 시험하였다.
열전도율 ∙
∙
l : 시험체의 두께 (m)
Rc : 시험체의 열저항 (㎡⋅K/W) A : 주열판의 유효면적 (㎡) θ1 : 시험체의 고온면 온도 (K)(℃) θ2 : 시험체의 저온면 온도 (K)(℃) P : 주열판에 대한 공급전력 (W)
3. 결과 및 고찰
3.1. 유연탄 BA의 경량성 시험
(1) 잔골재 시험
A 화력발전소 유연탄 BA의 잔골재 시험 중 밀도 시험과 단위용적질량 시험 결과는 Table 7과 같다.
절건 밀도는 1.81g/㎤으로 KS잔골재 기준 2.51g/㎤
보다 0.7g/㎤ 낮게 측정되었고, 표건 밀도는 2.03g/㎤
으로 비교적 낮게 측정되었다. 단위용적질량(다짐봉)
Sand Elven Bottom ash
Fig. 2. SEM comparison of sand, elvan and bottom ash.
Fig. 3. Comparison of lightweight test.
Parameter BA mortar (A)
General mortar (D company) (B) A/B Lightweight(g/㎤) 1.34 1.87 0.72
Table 9. Comparison of lightweight test
Parameter BA mortar Genaral mortar (A company)
Mass (g) 496.00 702.85
Volume (㎤) 371.25 375.00
Table 8. Lightweight test
은 1.066kg/L로 KS 기준 1.450kg/L 보다 0.384kg/L 낮 게 측정되었다. BA의 절건밀도, 단위용적질량을 KS 규격과 비교하여 보았을 때 경량이었다.
(2) SEM(Scanning Electron Microscope) 시험 A 화력발전소 BA를 SEM 시험한 결과는 Fig. 1과 같다. SEM에 의해 관찰된 것과 같이 BA의 형태는
구형모양, 판형 등 여러 가지 불규칙 형태의 모양으 로 관찰되었다. 또한 Fig. 2처럼 모래, 맥반석과 비 교하여 볼 때 다공성임을 확인할 수 있었고, 다공성 이므로 경량성과 단열성이 우수하다.
(3) 경량성 시험 결과 비교
경량성 시험 결과는 Table 8과 같으며, Fig. 3, Table 9 에 나타난 것과 같이 BA 모르터의 경량성은 일반 모르터의 0.72배로 일반 모르터에 비해 약 30%정도 가볍게 측정되었으며, BA를 건축물 재료로 활용할 경우 건축물 하중을 줄이는데 크게 기여할 것이다.
3.2. 단열 시험
단열 시험 결과는 Fig. 4, Table 10과 같으며 BA
모르터의 열전도율은 황토와 비교해서도 우수한 것
으로 판단될 뿐만 아니라 일반 모르터와 비교할 경
우 일반 모르터의 0.70배로 약 30%정도 우수한 단
Fig. 4. Comparison of thermal insulation test.
Parameter BA mortar (A)
General mortar (Company A) (B) A/B Heat conductivity
(W/m⋅K) 0.177 0.254 0.70
Table 10. Comparison of thermal insulation test
열효과를 나타내고 있어 에너지 절약에 크게 기여 할 것이다.
4. 결 론
본 연구에서는 건식(공랭식) 유연탄 Bottom ash(BA) 의 물리⋅화학적 특성을 분석하고, 그것을 기초로 건조 시멘트 모르터 재료로 활용하여 경량성 및 단 열성을 일반 모르터와 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 내렸다.
1. 잔골재 시험 중 밀도와 단위용적질량 시험 결 과 건식(공랭식) 유연탄 BA는 경량골재이다.
2. SEM 시험을 통해 일반모래, 맥반석보다 유연 탄 BA가 더 다공성임을 확인하였다.
3. BA 모르터와 일반 모르터 몰드에 대한 경량성 시험을 통해 BA 모르터가 일반 모르터 보다 경량특성이 있고, BA 모르터를 건축물 재료로 활용 시 건축물 하중이 감소될 것이다.
4. BA 모르터와 일반 모르터 몰드에 대한 열전도율 시험을 통해 BA 모르터가 단열특성이 있고, 황
토 모르터와 열전도율을 비교해도 BA 모르터가 더 단열성이 뛰어났다. 따라서 BA 모르터를 건 축물에 활용할 경우 에너지 절약이 될 것이다.
사 사
이 논문은 인천대학교 2015년도 자체연구비 지원 에 의해 연구되었음.
References
