중화반응과 저속습식마쇄방법을 이용한 순환잔골재 품질 향상에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For research into the quality improvement of recycled fine aggregates, which is the ultimate goal of the research, using a neutralization reaction and a low speed wet abrasion method, the study conducted theoretical research through literature at home and abroad, focusing on the characteristics and quality of recycled aggregates, the manufacturing technique and method of recycled aggregates, the characteristics of cement paste, the characteristics of aggregates, and neutralization reaction and the characteristics of plaster. Based on the research results, the study carried out relevant experiments of and empirical research into combination factors and material conditions such as the ratio of rinsing water, the type and amount of substance to abrade, and abrasion time, which affect the abrasion environment, as well as the types of beneficial acid during the neutralization reaction which affects the manufacturing condition for the production of quality recycled aggregates, and conditions for reaction. Also, the study reviewed the characteristics of manufactured quality recycled fine aggregates and the characteristics of mortar and concrete which used the characteristics of the quality recycled fine aggregates.

Also, the study analyzed influential factors on the manufacturing of quality recycled fine aggregates by undertaking a statistical analysis, and tried to deduce manufacturing conditions by withdrawing the optimal abrasion conditions that satisfy the target capability. The system of the research may be summarized into seven chapters as follows: introduction, the type and characteristics of construction waste, the recycled aggregates production system, the current manufacturing technology, the quality and characteristics of recycled aggregates, neutralization reaction between acid and base, the literature review of plaster, the achievement of quality recycled fine aggregates by neutralization reaction and abrasion process, the review of the optimal manufacturing condition of recycled fine aggregates by the design of experiment, the review of dynamic characteristics of manufactured recycled fine aggregates, and comprehensive conclusion.

The research result concerning the quality improvement of recycled fine aggregates using a neutralization reaction and a low speed wet abrasion method may be summarized as follows.

① When low quality recycled fine aggregates are abraded using acidic water as process water, calcium hydroxide is removed because of a neutralization reaction and, also, the pores within a cement paste, in particular, the pores of aggregates and paste interface increased. Therefore, it was possible to remove efficiently the paste only without damaging original aggregates with small force, and the quality of produced recycled fine aggregates appeared to be appropriate for the standard of fine aggregates for concrete, which is proposed within the standard of recycled aggregates quality.

② As a result of the test of the optimal abrasion condition for producing quality recycled fine aggregates, it was better to use a substance to abrade in order to ensure production efficiency and aggregates quality, and concerning the use of the substance to abrade, it was more advantageous in terms of productivity and economic efficiency to use recycled thick aggregates that are generated on the production site, rather than a steel ball that has been already used. In addition, as a result of deducing the optimal abrasion condition, the more the amount of substance to abrade in use, and the smaller the amount of process water used for rinsing aggregates, and the longer the abrasion time, the higher the abrasion efficiency.
Also, in consideration of productivity during the application on the production site, it is deemed efficient to decrease the abrasion time while increasing the amount of substance to abrade.

③ Recycled fine aggregates produced by considering the aforementioned optimal abrasion condition with the use of sulfuric acid as reactant, showed excellent quality which recorded 2.4 of dry density and 2.94 of the absorption ratio. Furthermore, plaster which is a reaction product occurring in the process was discovered not to highly affect the quality of aggregates.

④ As a result of the test of mortar using produced recycled fine aggregates, when plaster as a reaction product was contained, it did not exhibit an obvious retarding effect; however, the test sample containing plaster recorded 25.7MPa, whereas the test sample that did not contain plaster posted 29.4MPa in terms of long-term strength; thus, it showed a clear reduction of strength. Specifically, as a result of measuring the micropore size, the pore size of the test sample containing plaster decreased more than the test sample that did not contain plaster, on the third and seventh days of the test, which may be in an early period.
Also, the ratio of a relatively big pore ranged from 350~1.0㎛ and from 1.0~0.5㎛, increased by 6% on the 28th day of the test.
Therefore, it was concluded to affect disadvantageously the matrix strength.

⑤ As a result of carrying out a test of concrete using the same aggregates as used in the test of mortar, the test sample containing plaster exhibited 36.6MPa, while the test sample that did not contain plaster exhibited 37.8MPa on the 28th day of the test; thereby, the plaster ingredient existent on the aggregates surface was found not to affect the strength. Therefore, it displayed a different strength characteristic unlike that in the test of mortar; however, it is thought to be necessary to conduct additional research into the stability and durability of concrete.

⑥ As a result of the above tests, when using a neutralization reaction with the utilization of acidic water as process water and the abrasion method, it was possible to improve low quality recycled fine aggregates to be of high quality by effectively removing only the cement mortar contained in recycled aggregates.
Also, regarding the plaster which is a reaction product, it was revealed not to affect the aggregates quality.
However, as a result of the test of mortar, this was confirmed as being liable for deteriorating the flow and strength, and, also, as a result of the test of concrete, it showed a different strength from that in the test of mortar.
However, it is considered to be necessary to undertake additional research into the stability and durability of concrete, and, also, it is determined as being necessary to carry out research into the use of acidic substances, specifically, the carbon fixation technology by using CO2, instead of sulfuric acid as a reactant for neutralization reaction.

국문 초록 (Abstract)

폐콘크리트를 재활용하여 생산하는 순환골재는 골재의 품질저하의 원인이 되는 시멘트페이스트 성분을 포함하고 있으며 이 시멘트페이스트 성분은 20~25% 정도의 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 가지고 있다. 이중 시멘트 페이스트 성분은 순환골재의 품질 저하에 직접적인 원인이 되며 포함되어 있는 수산화칼슘(Ca(OH)2)은 골재의 알칼리도를 상승시켜 토양 및 수자원에 피해를 주는 비점오염원이 되고 있다.
이에 골재의 품질 확보 및 비점오염원의 제거를 위하여 순환골재 중 시멘트페이스트 성분만을 효율적으로 제거하는 것이 가장 중요한 핵심 사항이라 할 수 있으며 이는 산과 염기를 반응 시키는 중화반응을 이용하여 골재 품질 확보 및 최종제품을 중성화 할 수 있다.
즉 골재의 알칼리계 물질인 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 각종 산과 반응 시켜 중성화 할 수 있으며, 사용되는 산은 산업 부산물로 배출되는 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(NHO3) 등의 폐산을 이용할 수 있을 뿐만 아니라 지구 온난화 및 각종 공해의 원인이 되는 이산화탄소(CO2)를 이용할 수 있다. 2009년 건설폐기물은 연간 약 6000만 톤이 발생하였고, 이 중에서 폐콘크리트가 약 3900만 톤으로 건설폐기물의 2/3정도를 차지하고 있다. 이러한 발생량을 이산화탄소(CO2)고정이 가능한 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 양으로 산정하면 약 146만 톤 정도가 된다. 수산화칼슘(Ca(OH)2) 1톤당 이산화탄소(CO2) 0.6톤을 고정할 수 있으므로 폐콘크리트 재활용공정을 이용하여 이산화탄소(CO2)는 연간 약 88만 톤을 고정 할 수 있게 된다. 이를 비용으로 환산하면, 2009년 12월 탄소배출권 매매가격을 기준으로 하였을 경우 거래 가격이 1톤당 12.41유로이므로 1,092만 유로(약 176억 원)에 상당한다.
따라서 본 연구에서는 건설 산업 부산물중 큰 비중을 차지하고 있는 폐콘크리트를 부가가치가 낮은 성토, 복토용 등으로 한정하여 사용하게 하는 시멘트 페이스트 성분을 중화반응과 마쇄방법을 이용하여 원골재의 손상 없이 경화시멘트페이스트만을 충분히 제거하여 부가가치가 높고 천연자원 대체제인 구조용 콘크리트 골재로서 사용할 수 있는 고품질 순환골재의 제조 기술 개발과 성능을 검증하는 것이 본 연구의 최종적인 목표이며, 본 연구에 사용되는 중화반응 반응제로서는 황산에 국한하였다.

중화반응과 저속습식마쇄방법을 이용한 순환잔골재 품질향상에 관한 연구의 결과를 다음과 같이 정리 할 수 있다.

① 저 품질의 순환잔골재를 산성수를 공정수로 이용하여 마쇄시킬 경우 중화반응으로 인하여 수산화칼슘이 제거되어 시멘트 페이스트내 공극증가, 특히 골재와 페이스트 계면의 공극이 증가하여 작은 물리력으로 원골재의 피해 없이 페이스트만을 효율적으로 제거하는 것이 가능 하였으며, 생산된 순환잔골재의 품질은 순환골재 품질 기준안에서 제시되어 있는 콘코리트용 잔골재 기준에 적합한 것으로 나타났다.

② 고품질 순환잔골재를 생산하기 위한 최적 마쇄 조건 실험 결과, 생산 효율 및 골재 품질 확보를 위해 피분쇄물을 사용하는 것이 유리하였으며, 사용되는 피분쇄물은 기존에 사용되는 강구보다 생산 현장에서 발생되는 순환굵은골재를 이용하는 것이 생산성과 경제성 등에서 보다 유리 하였다. 또한 최저 마쇄 조건 도출 결과 사용되는 피분쇄물의 양은 많을수록 골재 세척에 사용되는 공정수의 양은 적을수록, 마쇄시간이 길어질수록 마쇄효율이 높은 것으로 나타났으며, 현장 적용 시 생산성을 고려 할 경우 마쇄 시간은 줄이고 피분쇄물의 양을 증가 시키는 것이 효율적이라 사료된다.

③ 황산을 반응 물질로 하고 상기의 최적 마쇄조건을 고려하여 생산한 순환잔골재는 절건 밀도 2.4, 흡수율 2.94의 우수한 품질을 보이고 있다. 또한 공정 중에 발생하는 반응 생성물인 석고는 골재의 품질에는 크게 영향이 없는 것으로 나타났다.

④ 생산된 순환잔골재를 이용하여 모르타르 실험결과 반응 생성물인 석고가 포함된 경우 뚜렷한 응결 지연 효과를 나타내지는 않았지만, 장기 강도에 있어 석고를 포함한 실험체는 25.7MPa 포함하지 않은 실험체는 29.4MPa로 뚜렷한 강도저하를 나타냈다. 특히 세공경 측정 결과 석고가 포함된 시험체의 경우 포함되지 않은 시험체에 비해 3, 7일 초기 재령에 있어 공극의 크기가 감소하였으며 28일 재령에 있어 350~1.0㎛, 1.0~0.5㎛의 비교적 큰 공극의 비율이 6%정도 높아 매트릭스강도에 불리하게 작용한 것으로 판단되었다.

⑤ 모르타르 실험과 동일한 골재를 이용하여 콘크리트 실험을 실시한 결과 28일 재령에서 석고를 포함한 실험체는 36.6MPa 포함하지 않은 실험체는 37.8MPa로 골재표면에 존재하는 석고성분이 강도에 영향을 미치지 않은 것으로 나타나 모르타르 실험과는 다른 강도 특성을 나타내었지만 콘크리트의 안정성 및 내구성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

⑥ 상기의 실험결과 산성수를 공정수로 이용한 중화반응과 마쇄방법을 이용할 경우 순환골재에 포함되어 있는 시멘트 모르타르 성분만을 효과적으로 제거하여 저품질의 순환잔골재를 고품질화 하는 것이 가능 하였으며 반응 생성물질인 석고의 경우 골재의 품질에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났지만 모르타르 실험결과 플로우 및 강도 저하의 원인이 되는 것으로 확인되었으며 콘크리트 실험결과 모르타르 결과와 상이한 강도 결과를 나타내었지만 콘크리트의 안정성 및 내구성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료되며 중화반응 반응제로서 황산이 아닌 산성계 물질을 이용하는 연구, 특히 이산화탄소를 이용하여 탄소 고정화 기술에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구의 목적 3
• 1.3 연구의 내용 및 구성 4
• 제 2 장 이론적 고찰7
• 2.1 개요 7
• 2.2 건설 폐기물 발생 및 재활용 현황 7
• 2.2.1 건설폐기물의 개념 및 종류7
• 2.2.2 국내 폐기물 발생 현황 7
• 2.2.3 국내 폐기물 처리 현황11
• 2.2.4 건설폐기물의 종류와 특성 15
• 2.2.5 건설폐기물중 폐콘크리트 발생현황 및 전망 16
• 2.2.6 폐콘크리트 재활용 현황17
• 2.2.7 폐콘크리트 실질 재활용 현황17
• 2.3 순환골재 연구 동향19
• 2.3.1 국내 연구 동향19
• 2.3.2 국외의 연구동향 20
• 2.4 순환골재의 생산 기술21
• 2.4.1 순환골재 제조 기술21
• 2.4.2 순환골재의 품질31
• 2.5 순환골재 품질 향상 기술42
• 2.5.1 기존의 고품질 순환골재 생산기술42
• 2.5.2 시멘트 페이스트와 골재의 강도 특성56
• 2.5.3 중화반응을 이용한 시멘트 페이스트의 취약화77
• 2.6 중화반응 후 반응 생성물질의 영향86
• 2.6.1 석고의 영향86
• 2.6.2 염분의 영향92
• 제 3 장 중화반응과 마쇄방법을 이용한 순환잔골재의 고품질화96
• 3.1 개 요96
• 3.2 산의 종류에 따른 순환잔골재의 시멘트페이스트 제거효율 검토97
• 3.2.1 실험계획 및 방법97
• 3.2.2 실험결과101
• 3.3 중성 세척수 사용 시 최적 마쇄환경106
• 3.3.1 실험계획 및 방법106
• 3.3.2 실험결과108
• 3.4 중화반응을 이용한 마쇄 환경 검토117
• 3.4.1 실험계획 및 방법117
• 3.4.2 실험결과119
• 3.5 실험계획법에 의한 고품질 순환잔골재 최적 제조 조건 검토125
• 3.5.1 개 요125
• 3.5.2 실험계획 및 방법125
• 3.5.3 실험결과130
• 3.6 결 언138
• 제 4 장 중화반응과 마쇄공정으로 생산한 순환잔골재의 물리․화학적 특성 분석 및 검토 139
• 4.1 개 요139
• 4.2 실험계획 및 방법140
• 4.2.1 실험계획140
• 4.2.2 사용재료140
• 4.2.3 실험방법141
• 4.2.4 측정항목142
• 4.3 실험 결과144
• 4.3.1 입 도144
• 4.3.2 밀도145
• 4.3.3 흡수율146
• 4.3.4 pH 및 온도 변화147
• 4.3.5 안정성148
• 4.3.6 순환잔골재의 강도 특성149
• 4.4 결 언 154
• 제 5 장 중화반응과 마쇄방법으로 생산한 고품질 순환잔골재를 사용한 모르타르의 공학적 특성155
• 5.1 순환잔골재의 특성155
• 5.1.1 물리적 특성155
• 5.1.2 화학적 특성 156
• 5.2 실험계획 및 방법157
• 5.2.1 실험계획157
• 5.2.2 사용재료158
• 5.2.3 실험 방법158
• 5.2.4 측정 항목159
• 5.3 실험 결과161
• 5.3.1 플로우 시험 161
• 5.3.2 응결시험 161
• 5.3.3 길이변화율162
• 5.3.4 압축강도 163
• 5.3.5 휨강도 164
• 5.3.6 세공경 측정165
• 5.4 결 언168
• 제 6 장 중화반응과 마쇄방법으로 생산한 고품질 순환잔골재를 사용한 콘크리트의 공학적 특성170
• 6.1 개 요 170
• 6.2 실험 계획 및 방법 170
• 6.2.1 실험 계획 170
• 6.2.2 사용 재료 171
• 6.2.3 실험 방법172
• 6.2.4 측정 항목172
• 6.3 실험 결과174
• 6.3.1 슬럼프 시험174
• 6.3.2 압축강도175
• 6.3.3 휨강도175
• 6.4 결 언176
• 제 7 장 결 론177
• 參考文獻179
• ABSTRACT184
• 硏究實績188