산업폐기물 ‘플라이 애쉬’ 재활용 인기
최근 유진그룹이 남동발전 영흥서 발주한 플라이애쉬 86만여톤을 몽땅 수주하면서 플라이 애쉬에 대한 관심이 급격히 높아지고 있다. 국내 5개 화력발전회사에서는 2001년도 기준으로 연간 무연탄은 287만톤, 역청탄은 3천792만톤을 발전용 연료로서 사용하여 491만톤의 석탄회가 발생하였고, 2010년에는 약 600만톤에 이를 것으로 예상된다.
재활용을 위해 하동화력, 보령화력, 삼천포화력, 태안화력, 당진화력 등에 석탄회 정제공장을 건설했다. 10여 차례 다양한 연구개발을 하는 등 본격적으로 재활용 기반을 구축하여 2001년도에는 311만톤을 시멘트 원료와 콘크리트 혼화재 등으로 재활용하여 재활용률 63.2%를 기록했다. 2006년 73%, 2010년경에는 재활용률 80% 이상이 사용될 것으로 추정된다.
플라이 애쉬(fly ash)는 화력발전소 등의 연소 보일러에서 미분탄을 연료로 사용하여 1,400℃ 정도의 고온 연소과정에서 배출되는 폐가스 중에 포함된 석탄재를 집진기에 의해 회수한 특정 입도 범위의 입자로서 원탄의 약15~40% 정도가 발생된다.
포졸란계를 대표하는 혼화재중의 하나이나 산업부산물인 관계로 물성 변화가 심하여 사용에 주의를 요한다.
플라이 애쉬를 포틀랜드 시멘트와 함께 분쇄하여 혼합한 플라이 애쉬 시멘트는 KS L 5211에 그 규격이 규정되어 있고 콘크리트용 혼화재로서 시멘트와 분리 저장하여 사용하는 플라이 애쉬의 물성에 대하여는 KS F 4049 및 KS L 5405에 각각 규격이 제정되어 있다.
우리나라에서는 보령 및 삼천포 화력발전소의 가동 이전에는 석탄재의 거의 전량이 해안 매립용으로 처분되었으나 최근에는 분급기(separator)를 통한 정제과정을 거쳐 품질개선과 함께 일부 레미콘용 및 고강도 콘크리트용 혼합재 등으로 사용되고 있다.
현재 국내에서 콘크리트 혼화재로 사용되는 플라이 애쉬는 보령과 삼천포 화력발전소에서 유연탄 연소과정에서 발생된 부산물이 대부분이다.
플라이 애쉬의 분말도는 3,00~ 4,500㎠/g, 비중은 화학성분 중의 Fe₂O₃에 의해 좌우되며 시멘트의 2/3 정도인 1.9~2.3 정도이다. 입자의 크기는 1~150㎛정도이다.
플라이 애쉬의 형태는 거의 대부분이 구형이며 큰 입자들 가운데는 중앙부가 비어있는 형태로 존재하는 것도 있으며 내부가 미세한 구상의 입자로 채워져 있는 것도 있다.
플라이 애쉬의 화학적 주성분은 SiO₂, AlO₃, CaO 등이며, 미연탄소를 수% 함유한다. 플라이 애쉬에 존재하는 미연탄소의 양은 원탄의 품질이나 연소 조건 등에 따라 다르지만 일반적으로 2~10% 정도이고, 평균 7% 정도가 많다.
이 미연탄소를 다량 함유한 플라이 애쉬는 콘크리트의 외관을 검게 만들고 강도를 감소시키며, 혼화제의 효과를 저하시키는 등의 결점을 갖고 있기 때문에 콘크리트 혼합재용의 플라이 애쉬는 가능한 한 낮은 강열감열치가 요구되므로 KS에서는 미연탄소 상한치를 5%로 규정하고 있다.
최근에는 통상의 플라이 애쉬를 가공하여 실리카흄 정도 수준으로 비표면적을 증가시킨 플라이 애쉬를 제조하는 특수 기술의 개발이 진전되고 있다.
플라이 애쉬는 그 자체로서의 수화 반응성은 없지만 가용성의 규산 등이 시멘트 수화시 생성되는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 안전한 규산칼슘수화물 등을 생성하며 이와 같은 성질을 포졸란 활성이라 한다.
플라이 애쉬는 그 자체의 반응성이 낮고 플라이 애쉬를 혼입하지 않은 배합에 비하여 초기 재령에서는 강도가 낮게 발현되나 장기 재령에서는 일반적으로 높은 강도를 발현한다.
플라이 애쉬는 일반 레미콘에서는 시멘트량에 대하여 약 10% 이내로 치환되어 사용되나 고강도 콘크리트 제조 등에서는 약 20% 이상까지도 사용하며 캐나다 등지에서는 플라이 애쉬를 60%까지도 사용한 고함량 플라이 애쉬 콘크리트도 개발하여 사용하고 있다.
그러나 국내의 연구결과에서는 고강도 콘크리트의 경우, 플라이 애쉬를 20% 이상 대체하여 사용하게 되면 강도의 저하가 급격해진다는 보고가 있다.
따라서 고강도 콘크리트에 결합재로 플라이 애쉬를 사용할 경우 총 결합재량의 20% 이하로 대체하여 사용하는 것이 바람직하다.
유동성의 개선= 플라이 애쉬는 구상의 미립자로, 콘크리트 중에서 볼베어링과 같은 작용을 하므로 시멘트를 치환하여 사용할 경우, 콘크리트의 워커빌리티의 개선이 가능하다. 그러나 유동성과 단위수량 및 블리딩에 대한 영향은 플라이 애쉬의 품질, 치환율, 콘크리트 배합, 세골재의 입도 등에 따라 달라진다.
장기강도 증진= 플라이 애쉬 첨가 콘크리트의 강도는 비교적 초기 재령에서는 일반 콘크리트보다 낮지만 재령이 길어짐에 따라 포졸란 반응의 증가에 의해 장기강도는 증가한다. 또한 플라이 애쉬의 포졸란 반응은 온도가 높아짐에 따라 활성화되어 강도 증진 효과는 온도가 높을수록 현저해진다.
수화열 감소= 플라이 애쉬는 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘과 반응하여 경화성을 발휘하지만 그 반응속도는 시멘트와 비교하여 상당히 늦고, 수화발열량도 적다.
따라서 플라이 애쉬 첨가 콘크리트는 수화열에 의한 균열을 방지할 목적으로 댐과 같은 매스 콘크리트 공사나 교량공사 등에 많이 이용되고 있다.
알카리 골재반응의 억제= 플라이 애쉬는 알카리 골재반응에 의한 팽창을 억제하는 효과가 있다. 그 작용기구로는 포졸란 반응에 의한 콘크리트 중의 수산화칼슘을 감소시켜 세공용액 중의 수산화 이온(알칼리 골재반응에 관계하는 이온)을 감소시킨다.
또한 비표면적이 큰 저칼슘형 규산칼슘수화물(CSH)의 생성과 그에 따른 알카리 이온의 흡차착과, 경화 시멘트 페스트 조직의 치밀화에 의한 물의 이동속도 및 Na?나 K?의 확산속도의 저하 등이 있다.
황산염에 대한 저항성= 일반 콘크리트는 지하수나 바닷물에 함유되어 있는 황산염(sulphate)에 의해 팽창, 부식된다. 플라이 애쉬를 첨가함에 따라 시멘트량이 상대적으로 감소하고 포졸란 반응으로 시멘트 중의 C³A 및 수산화칼슘량이 감소하여 황산염과의 반응으로 생기는 에트린자이트의 생성량이 감소됨으로써 팽창압이 완화되기 때문에 황산염에 의한 부식성이 감소하게 된다.
콘크리트 수밀성의 향상= 플라이 애쉬에 의한 포졸한 반응으로 생성된 칼슘실리케이트 수산화물이나 칼슘알루미네이트 수화물이 콘크리트 경화체 내의 모세관 공극을 막아 물의 이동을 억제함으로서 침투성이 감소하게 된다.
특히 플라이 애쉬를 사용한 콘크리트의 수밀성은 초기 재령에서보다 장기재령에서 현저히 향상되는 것으로 알려져 있다.
그러나 콘크린트에서 플라이 애쉬를 사용할 경우 플라이 애쉬의 종류와 경우에 따라 문제점이 발생할 수 있다.
초기양생의 중요성= 강도의 향상, 수밀성의 향상을 충분히 발휘하기 위해서는 포졸란 반응이 충분히 이루어져야 하며 이러한 의미에서 초기 습윤양생이 대단히 중요하며, 특히 초기의 콘크리트 양생온도에 관하여 주의해야 한다.
연행공기량의 감소= AE 콘크리트의 경우 플라이 애쉬 중의 미연탄소분에 의해 공기연행제 등이 흡착되어 연행공기량이 현저히 감소하며, 따라서 목표 공기량을 얻기 위해서는 일반적으로 공기연행제의사용량이 증가할 필요가 있다.
공기연행제의 사용량 증가는 플라이 애쉬중의 미연탄소량에 따라 좌우되므로 플라이 애쉬중의 미연탄소량을 줄여서 어느 한도 이하로 일정하게 유지하기 위한 분급기 등의 시설을 이용하는 경우가 많다.
응결시간 지연= 일반적으로 플라이 애쉬를 첨가한 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 응결시간이 늦어지므로 콘크리트가 사용되는 구조물의 종류와 물-시멘트비 등에 따라 거푸집 제거시간을 조절하거나 경화촉진제 등을 함께 사용하기도 한다.
플라이 애쉬 입자의 고결현상= 플라이 애쉬는 그 자체의 수경성이 거의 없으나 공기중의 수분과 반응하여 응집되어 가압상태에서 고결되는 현상이 있어 취급이 곤란한 경우가 있다.
이러한 고결현상을 막기 위해서는 공기의 습도를 낮추든지 플라이 애쉬를 미리 물과 혼합하여 슬러리 상태로 대량 저장하고 교반하면서 계량하는 등의 방법이 있다.
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