석탄 바닥재를 사용한 친환경 초고성능 콘크리트

Abstract

Bottom ash는 화력 발전소에서 석탄을 태워 에너지를 생산하는 과정에서 생성되는 재료로 함께 생성되는 fly ash와 달리 사용처가 명확하지 않아 대부분 매립되고 있다. 이런 처리 방식은 환경적으로 많은 문제가 되고 있어, Bottom ash를 건설 재료로 재활용하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 주로 골재 차원에서 콘크리트 재료로 사용하는 연구가 이루어지고 있지만 bottom ash의 물리적, 화학적 특성 때문에 그 적용에 한계가 있다. bottom ash는 석탄을 태워 생성되는 재료이기 때문에 높은 금속성분으로 인해 화학적으로 안정하지 못하며, 다공성 재료이기 때문에 충분한 물리적 특성을 발휘할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 bottom ash를 UHPC의 재료 중 하나인 잔골재로 대체해 사용하고자 한다. 앞서 언급했듯 bottom ash는 다공성 재료이며, 재료 자체의 높은 금속 성분으로 인해 잔골재에 비해 성능이 떨어질 것으로 예상된다. Bottom ash의 특성이 UHPC에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 bottom ash의 골재 치환율 (0%, 10%, 25%, 50%)을 변수로 설정해 배합비를 선정하고 실험을 진행했다. 실험 결과 bottom ash의 치환율이 증가할수록 역학적 성능 및 내구성, 온도적 특성이 모두 감소했으며, 10% 치환 시 일부 내구성이 약간 증가하는 경향을 보였다. 역학적 성능, 내구성 등을 고려했을 때, 잔골재 중량 대비 10%를 치환하는 것이 최적의 배합인 것으로 판단된다. Bottom ash의 성능을 최대한 발휘할 수 있는 배합인 잔골재 중량 대비 10% 치환의 배합을 바탕으로 bottom ash의 단점인 높은 금속 성분을 해결하기 위해, 세척, 소성, 화학적 처리 등의 전처리 과정을 거친 bottom ash를 사용해 추가로 XRD분석, 역학적 성능 및 내구성, 온도적 특성을 확인했다. 측정 및 평가 결과, 세척, 소성, 화학적 처리방법을 모두 적용한 bottom ash 내의 유기물 및 금속 성분이 다량 제거되어 역학적 성능과 내구성이 raw bottom ash를 사용했을 때보다 증가한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 다공성 재료인 bottom ash를 사용할 경우, bottom ash의 사용량이 증가할수록 UHPC의 성능이 저하될 수밖에 없지만, UHPC의 잔골재의 10% 정도를 사용할 경우, bottom ash에 의한 포졸란 효과로 인한 내구성 증대를 기대할 수 있기 때문에 친환경 UHPC의 재료로 bottom ash의 사용이 적절하다고 판단했다. 이에 raw bottom ash에 차례로 전처리 과정을 적용할 경우, 전처리를 통해 bottom ash내의 금속성분 및 유기물이 제거되면서 bottom ash의 성능이 향상된다. 따라서 이런 bottom ash를 UHPC의 재료로 사용할 경우, 그 성능이 reference UHPC와 거의 동일해지며, 특히, 내구성은 reference UHPC보다도 더 뛰어난 것을 확인할 수 있다. 즉, bottom ash를 UHPC의 재료로 사용할 경우, bottom ash를 재활용하고 열전도율을 낮출 수 있다는 점에서 친환경적이며, bottom ash의 포졸란 효과 및 전처리를 통한 bottom ash의 성능 개선으로 UHPC의 성능 저하를 최소화할 수 있기 때문에 친환경 UHPC를 제작하는데 bottom ash의 사용이 적절하다고 판단된다.

Unlike the fly ash, which is produced with materials generated in the process of burning coal in thermal power plants to produce energy, bottom ash is mostly buried because its use is unclear. This treatment method has become many environmental problems, and research to recycle bottom ash as a construction material is being actively conducted. Research is being conducted mainly on the use of concrete materials at the aggregate level, but its application is limited due to the physical characteristics of bottom ash. Bottom ash is a material produced by burying coal, so it is not chemically stable because of its high metal component, and it cannot exhibit sufficient physical properties because it is a porous material. Therefore, this study intends to replace bottom ash with fine aggregates, a material of UHPC. To determine the effect of these characteristics of bottom ash on UHPC, the mix design was selected and experimented by setting aggregate replacement of bottom ash (0% 10%, 25%, 50%) as a variable. As a result of the experiment, as the replacement rate of the bottom ash increased, all mechanical properties, thermal properties, durability decreased, and some durability tended to increase slightly when the replacement rate was 10%. Considering the mechanical properties and durability, is judged the optimal mix design is to replacement 10% of the weight of fine aggregate. To solve the high metal components that is a disadvantage of bottom ash, based on a mixture of 10% replacement rate against the weight of the fine aggregate, which can maximize the performance of bottom ash, X-ray diffraction analysis (XRD analysis), mechanical properties, durability, and thermal properties were confirmed using bottom ash. The measurement and evaluation showed that a large amount of metal components and organic matter in bottom ash applied with washing, heat and chemical treatment were removed, and thus their mechanical properties and durability increased compared to raw bottom ash. In other words, if bottom ash is used as a material for UHPC, it is eco-friendly in that bottom ash can be recycled and thermal conductivity can be reduced, and the performance of bottom ash can be improved through pre-treatment, so the use of bottom ash is considered appropriate for produce eco-friendly UHPC.