주물사 재활용 기술개발에 관한 연구

(최 종 보 고 서)

1995.  12.  30

주관연구기관 : 산업기술정보원

협동연구기관 : 한승콘크리트(주)

* 1996에 발표된 자료이기 때문에 현재와 다른 부분이 있으므로 참고 하기를 바란다.

이문서는 발표하기 앞서 정리안입니다.

1.서론

연구배경

국민 생활수준의 급속한 향상과 경제성장으로 인하여 우리나라의 폐기물의 배출은 연간 7 - 9%씩 증가하고 있는데, 1994년말 현재 전국 일반폐기물 발생량은 하루 평균 약 10만톤으로 연간 3,600만톤에 이르고 있다. 근래에 들어 폐기물의 효과적인 처리방법으로 재활용과 소각에 대한 관심이 높아지고 있으나 1992년의 경우 매립이 89.7%, 소각이 1.6%, 재활용이 7.9%로 아직은 거의 대부분을 매립에 의존하고 있는 실정이다. 따라서  폐기물 처리시설 및 매립지 부족문제가 심각한 실정이다.  폐기물처리에서 가장 중요한 것은 가능한 폐기물 발생량의 억제,유용 자원의 재활용, 위생매립 등에 의한 적정매립의 3단계가 할 수 있다.

이와같은 폐주물사는 주로 매립에 의존하고 있으며 재활용하고 있는 량은 극히 소량에 지나지 않는다.  이는 재활용 업체의 수가 말해주듯이 인천, 부천, 화성지역에 2∼3개업체, 부산과 진주지역에 2∼3개 업체에 지나지 않으므로 95.0% 이상이 단순 매립에 의존하고 있으므로 부존자원이 부족한 우리나라로서는 폐주물사의 재활용에 대한 연구가 시급한 실정이다

폐주물사를 재활용하는 방법은 신사화하는 방법과 폐주물사를 다른 용도로 재활용하는 방법을 생각할 수 있는데, 신사화를 위해서는 폐주물사의 종류별로 체계적인  분리수거와 신사화 비용, 신사화의 기술개발 등이 선행되어야 한다. 또 신사화를 위해서는 신사화의 경제성이 검토되어야 하는데, 현재 신사화 비용이 일반적으로 톤당 30,000원 정도이고, 폐주물사의 폐기비용이 12,000 - 20,000원 주물사의 가격이 30,000원대이므로 신사화의 경제성은 어느 정도 충족되고 있으나 신사화된 주물사에 대한 품질에 대한 주물업자들의 불신 등으로 인하여 신사화에 어려움을 겪고있다.

한편 일본과 미국 등의 국가에서는 폐주물사를 다른 용도의 재료로 활용하는 방법이 다양하게 연구되고 있는데, 그 중에서 가장 활발한 분야는 콘크리트용 재료로 사용하는 방법이다.

따라서 현재 국내의 실정으로 미루어보아 폐주물사의 가장 효율적인 재활용 방법의 하나는 시멘트와 결합하여 각종 토목□건축용의 자재로 사용하는 방법 이고, 연구에서는 폐주물사를 콘크리트용 재료로 재활용하기 위한 기술개발을 수행한다.

★2000년 환경부 자료

사업장폐기물 총 발생량:101452.6톤/일

처리 현황: 매립: 18962.0 톤/일-->19%

소각: 8034.3톤/일-->8%

재활용: 6942.7톤/일--> 66%

해양투기:6942.7톤/일-->7%

연구의 목적

가. 폐주물사 재활용동향

폐주물사를 신사화하는 방법 외의 폐주물사의 재활용에 대한 기술동향을 파악한다. 즉 폐주물사의 콘크리트용 골재, 매립재, 록울제품, 아스팔트용 재료 등의 재활용 기술동향사례를 분석한다.

*신사화: 새로운 모래로 처리하여 다시 모래로서 재활용

나. 폐주물사의 물리화학적 특성분석

본 과제에서는 지금까지 연구되어온 폭넓은 연구동향을 파악하여 폐주물사의 입도분석 과 물리화학적 특성을 폐주물사의 종류별로 파악하고, 폐주물사의 인체유해성, 독성 등의 전문적인 연구내용을 소개한다.

또 국내 발생되는 폐주물사를 종류별로 화학분석을 통해 기본 물성을 파악한다.

다. 폐주물사의 콘크리트재료로서의 활용연구

폐주물사는 건설공사의 콘크리트용 골재와 물성이 유사하므로 콘크리트에 사용시의 기본적인 특성을 파악하기 위한 역학적 실험을 실시한다. 이러한 실험을 통하여 콘크리트용 재료로 사용시의 실제적인 강모래에 대한 대체사용량을 제시한다.

라. 폐주물사의 콘크리트 2차제품개발 연구

폐주물사를 시멘트벽돌, 시멘트블록, 경계석, 인터록킹블록 등의 2차제품에 사용하기 위한 실험을 한다. 이러한 실험을 통하여 실제의 배합설계와 모래에 대한 대체 사용량을 제시

연구의 범위

본 연구는 자료수집을 통한 관련자료의 분석과 재활용을 위한 다양한 실험을 통하여 실제적인 응용 가능성을 검증하게 된다. 이러한 연구결과는 수시로 협동연구기관을 통하여 실제로 제품개발에 응용된다. 또 이 과업과 관련된 사용재료나 배합비 등의 노하우는 본고에는 밝히지 않을 수도 있다.

연구의 필요성

산업폐기물 매립지는 1992년 현재 9,646,000□로 1991년의 7,775,000□에 비해 많이 늘어나긴 했으나 매립지 확보가 갈수록 어려워짐에 따라 평균 매립지의 매립 높이가 1988년에 약 5m, 1991에 약 10m, 그리고 1992년에는 약 15m로 높아지는 등 산업쓰레기의 양적 증가가 매년 급속히 증가하고 있다. 그러므로 산업폐기물을 적절히 재활용함으로써 쓰레기 매립지의 사용을 연장할 수 있을 것이다. 우리나라의 쓰레기 처리 방법은 재활용, 소각, 매립 등으로 대별된다. 이들 방법 중 어떤 것을 선택하느냐 하는문제는 경제적, 기술적, 환경적 측면을 고려하여 결정해야 하나 감량화 문제는 물론 주물생산 방법을 생형법에서 개스를 이용한 방법으로 전환을 검토 중이나 대형 주물의 경우는 생형법 사용이 계속해서 주류를 이룰 것으로 생각되므로 폐주물사의 감량화는 아직은 어렵운 실정이다. 그리고 폐주물사는 모래이기 때문에 소각은 불가능하고 결국 매립과 재활용 방법 밖에 없다고 볼 수 있다.

또한 폐기물 중간 처리업자들이 수거한 폐주물사는 매립하고 있기 때문에 국가적 차원에서 자원을 낭비하는 결과를 초래하고 있으며, 지금까지 폐주물사의 재활용을 위한 국내의 연구는 아주 미미하다. 또 여러 기관에서 보고한 재활용 가능 대상 품목에 음식물/채소류, 폐지, 고철, 폐플라스틱, 파유리, 나무류 등의 품목은 자주 언급되지만 폐주물사 등은 고려하고 있지 않고 있음은 아직도 이 분야에 대한 연구와 기술개발은 초기단계라 할 수 있다.

일반적으로 재활용이 성립되기 위해서는 ① 대량으로 발생되고 ② 유용한 성분을 가지고 있으며 ③ 또한 재자원화 할 수 있는 기술이 있어야 할 뿐만아니라 ④ 재활생품에 대한 수요가 있어야 한다는 네 가지 조건이 갖추어져야 한다.

이를 부문별로 다시 살펴 보면 환경적인 측면에서 다량 발생, 산란성, 유해성 등이 감안 되어야 한다. 그리고 기술적 측면에서는 기술 보급 정도, 기술의 성숙도, 향후 기술 개발 및 도입 정도 등을 비교 검토하여야 한다. 또한 경제적인 측면에서는 회수/운반비, 시설비 및 운영비, 재 자원화 제품의 시장성, 국민 경제적 효과 등이 고려도어야 할 것이다.

폐주물사는 이러한 조건을 상당부분 만족하고 있어 타당성이 있다고 본다.

연구의 기대효과

현재 우리나라의 폐주물사 처리 및 재자원화 수준은 극히 초보단계이며 생형사를 이용한 재활용 수준은 탈흑처리기술이 발전되어 있지 않기 때문에 극히 소량이 처리되고 있는 실정이며, 개스공법에 의하여 발생하는 폐주물사는 콘크리트업자들이 수거하여 일반 모래와 섞어서 벽돌과 블럭을 생산하는데 사용하는 정도이다.

폐주물사를 이용한 벽돌과 블록 등도 규격화할 수 있는 기초적인 자료로서 정보를 제공할 것이다.

본 기술개발의 기대효과를 정리하면 다음과 같다.

① 자원의 효율적인 재활용과 매립지 부족문제에 일조

② 폐주물사를 시멘트벽돌, 블록 등의 콘크리트 2차제품개발시의 원가 절감

③ 폐주물사의 콘크리트용 재료로 활용하기 위한 역학적인 특성 규명

④ 재생제품에 대한 규격화에 대한 기초자료 제공

2.국내외 폐주물사의 재활용 동향

(1) 국내 주물산업의 현황

가. 기술동향

폐주물사의 재활용 수준은 아직도 초보적인 수준을 면하지 못하고 있으며 폐주물사에 석분, 석탄재, 연탄재, 폐타일, 탄광폐석, 폐석회석, 폐유리 등을 추가하여 주로 벽돌, 블럭 등을 생산하고 있으며, 일부 업체에서 실용신안특허를 출원 중이나 이는 폐주물사에 여러가지 혼화제를 섞어서 사용하고 있기 때문에 혼화제의 비율에 따라 제품의 물성이 각기 상이하게 제작이 가능하기 때문에 기술상의 어떤 부분을 특허권으로 인정하기가 곤란하여 특허가 인정된 것은 아직 없다.

나. 업계동향

현재 우리나라의 폐주물사처리 및 재자원화 수준은 극히 초보단계이며 생

형사로 이용한 재활용 수준은 탈흑처리기술이 개발되지 않아 극히 소량이 처리되고 있는 실정이다.

다만 개소공법에 의하여 발생된 폐주물사는 콘크리트업자들이 수거하여 일반모래와 섞어서 벽돌과 블럭을 생산하는데 사용하는 정도이다.

폐주물사 재생은 환경문제와 자원절약의 측면에서 적극적으로 개발되어야할 과제로 부각되고 있으나 여러가지의 장애요인이 잠재하고 있기 때문에 어려움이 많은 실정이다.

첫째로 처리비용이 높다는 것인데, 재생사의 가격이 신사의 가격보다 높은 것은 기업의 종사자나 일반인들이 외면하게 되어 현재로서는 연구단계를 넘지 못하고 있다.

따라서 재생사의 코스트다운을 위한 여러가지 신기술이 개발되거나 주물사의 품귀현상 등으로 가격체계가 변화되었을때 재생처리는 활발하게 진행된것으로 예측되고 있다.  둘째로 여러가지의 다른 산업폐기물의 경우에서도 잘 알 수 있는 바와 같이 재생제품의 기피현상이 높고, 재생제품을 활용해 보려는 노력이 부족한 것이 문제이다.

셋째로 주물공장에서 배출되는 폐주물사는 조형방법에 따라 품질이 다르고, 불균일한 상태로 나오므로 이를 적절하게 대응하기가 어렵다는 것이다.

넷째로 폐주물사의 재활용은 건설재료로 활용되고 있고, 앞으로 활발하게 개발될 것으로 전망되고 있으나, 이역시 재활용제품에 대한 신뢰성이 부족하고, 유기물, 카본 등의 함유에 따른 제품의 색상에서도 문제가 되고 있다.

다.폐기물의 콘크리트용 재료로서의 재활용 동향

區分	廢棄物	再活用 實態 및 用途
有機性 廢棄物	쌀겨	골재로 사용하여 超輕量콘크리트제품 개발.
	쌀겨재	시멘트 代替材料로 활용되며 高强度콘크리트의 제조가 가능.
	톱밥	톱밥을 前處理하여 문,창문틀 등의 각종 시멘트계 건축자재 제조.
都市 쓰레기	콘크리트 폐재	콘크리트 廢材의 골재를 再活用하여 基礎剖 콘크리트,콘크리트포장,比耐力材의 콘크리트 부재에 사용되며,미국,유럽,일본 등 지에서는 대대적인 재활용 프로젝트가 진행되고 있고,많은 처리업체가 새로 생겨나고 있음.
	벽돌폐재	벽돌廢材를 콘크리트용 골재로 재활용하고 있으며,특히 점토벽돌을 골재로 재활용하면 콘크리트의 輕量化와 引張强度의 증대가 가능함.
	소각재	도시쓰레기 燒却爐에서 나오는 有害性 소각재를 재활용하여 콘크리트 벽돌,보도블록,造景블록,타일 등을 개발하고 있음.
	폐스치로폴	모래,시멘트와 혼합하여 準不燃性의 輕量콘크리트제품 제조.
	FRP폐재	FRP廢材를 微粉碎하여 콘크리트의 모래 代替材料로 사용하여 美匠모르터,輕量骨材로 사용되며,최근에는 콘크리트용의 纖維補强材로 재활용되고 있음.
	연탄재	국내에서 시멘트,플라이애시 등과 혼합하여 시멘트벽돌 제조.
	복합쓰레기	다양한 생활쓰레기를 分離하지 않고,坡碎하여 시멘트와 特殊化學混和劑와 결합시켜 각종 보도블록,타일 등의 토목,건축자재 제조
産業用 廢棄物	슬라그	제철소의 副産物인 슬라그는 시멘트의 원료로 사용되어 고로시멘트가 생산되고 있으며,경량콘크리트의 골재로 사용됨.또 최근에는 粉末化하여 고급 건축자재로 개발되고 있음.
	플라이애시	석탄 화력발전소에서 배출되는 석탄재의 일종인 플라이애시는 시멘트의 원료로 사용되거나 콘크리트의 混和材料로 각국에서 폭넓게 사용되고 있음.
	실리카흄	페로실리콘 제조시의 副産物로 超高强度콘크리트의 혼화재료로 사용되는데,최근에는 콘크리트의 新素材로 크게 각광받고 있는 폐기물로서 미국 등지에서 超高層콘크리트 建築物의 건설에 많은 사용실적을 나타내고 있다.
	폐비닐	농업용이나 각종 공장에서 배출되는 폐비닐을 이용하여 플라스틱콘크리트를 만들게 되는데,각종 블록류나 건축자재 생산.
	폐석고	시멘트의 副原料로 쓰이거나 석고보드 제조.
	석분	시멘트계의 각종 건축자재에 사용하거나 콘크리트의 결점인 건조수축과 크립에 의한 微細龜裂의 抑制 기능이 뛰어남.
	기포골재	나무껍질,슬러지,폐플라스틱,폐타이어 등의 폐기물을 분쇄하여 輕量콘크리트의 골재로 사용.
	슬러지	下水處理나 廢水處理 공정에서 발생하는 각종 슬러지를 다양한 공정으로 前處理하여 人工輕量骨材,각종 보드류의 건축자재 제조.
	폐유리	폐유리와 시멘트계 재료를 혼합하여 인조대리석 등을 제조.

(2) 미국의 주물사 재활용 현황

. 포틀랜드 시멘트 킬른용 원료

. 콘크리트용 골재

. 아스팔트용 골재

. 록울의 원료

. 유해 폐기물의 유리질화

. 매립재

(3)일본의 폐주물사의 재활용 동향

. 콘크리트용 재료로 이용

. 폐주물사 미분의 재활용

. 원예자재로 활용

. 주물사 더스트의 아스팔트 필터재 및 골재

. 건축용 골재

. 기포 콘크리트 제품의 제조

. 원적외선 방사재료

기존의 폐주물사의 주물사 외의 방법으로 재활용된 다양한 사례와 각종 연구결과를 소개하였다. 이러한 연구결과에서 주묵되는 것은 폐주물사는 상당히 다양한 용도로 재활용되어 사용될 수 있음을 보여주고 있다. 실제로 현재 재활용되고 있는 분야는 시멘트벽돌과 블록 등의 콘크리트 2차제품용 골재나 아스팔트의 필러재, 아스콘포장의 골재, 매립재 등으로 사용되고 있다.그리고 시멘트의 원료, 록울재료, 원예재료, ALC 등의 기포콘크리트용 재료, 원적외선용 재료, 콘크리트용 모래 등의 다양한 연구에서 긍정적인 결과를 보여주고 있다. 또 폐주물사에서 배출되는 미분의 재활용으로 콘크리트용 혼화재인 실리카퓸 등의 대체재료로서의 가능성을 보여준 연구결과도 있다. 지금까지 연구된 폐주물사의 연구결과에 따른 재활용 용도를 정리하면 <표 2-29>와 같다.

따라서 향후 폐주물사의 재활용은 용도에 맞는 선별 수집과 다양한 재활용을 위한 연구와 기술개발이 필요할 것 같다.

재활용 용도	주 요 내 용
콘크리트 2차제품	시멘트벽돌, 시멘트블록 등
콘크리트용 골재	콘크리트용 모래 대체재료
시멘트 원료	포틀랜드시멘트의 킬른용 원료
레미콘	레미콘용 골재
아스팔트	아스팔트용 골재
록울	록울용 원료
유리질화	유해폐기물의 용융화를 위한 원료
매립재	매립재, 토양의 필터재
콘크리트용 첨가재	미분을 열처리하여 혼화재로 사용
아스팔트 필러	미분을 아스팔트의 석분대체재로 사용
글라스	유리의 원료
원예재료	원예재료
기포콘크리트	ALC등의 기포콘크리트의 원료
원적외선 재료	원적외선 방사재료

3.  폐주물사의 물리화학적 특성

(1)물리적인 특성

폐주물사를 콘크리트용 제품이나 몰타르, 콘크리트 등에 사용하기 위한 연구는 아직 미미한 형편으로 미국 AFS(America Foundrymen's Society)에서 1980년 말부터 1990년대 초에 걸쳐서 부분적인 연구가 진행되었다. AFS에서의 연구는 폐주물사를 다시 재생하여 주물사로 사용하는 외의 다른 용도로 활용하기 위한 것에 초점을 맞추고 있다. 즉 AFS의 수행 과제는 □Alternate Utilization of Foundry Waste Sand□라 불리웠는데, 시멘트 재료, 콘크리트용 골재, 록울 재료, 성토 재료 등의 다양한 분야에 대한 용도개발에 관심을 두고 진행한 것이다. 폐주물사는 주형의 종류에 따라 사용하는 원 주물사의 종류와 특성이 다르고, 각각의 주물사에 혼합되는 바인더나 혼합물의 종류도 달라서 일반 건설용의 골재보다 품질 변동이 아주 심하다.

본 연구에서는 폐주물사 종류별 물성시험으로서 골재의 특성을 파악하기 위하여 시료로 선정된 인천 주물공단지역의 폐주물사에 대해 비중, 흡수율, 입도분포, 단위용적 중량, 화학적 조성 등을 시험하게 된다.

폐주물사(혼합사)의 입도분포

잔골재
체규격		잔류량(g)		잔류율(%)		누적잔류율(%)		통과율(%)
10mm		0		0.00		0.00		100.00
NO.4		3.5		0.70		0.70		99.30
NO.8		17.9		3.57		4.27		95.73
NO.16		18.5		3.69		7.96		92.04
NO.30		91.2		18.20		26.17		73.83
NO.50		180.8		36.09		62.26		37.74
NO.100		146.8		29.30		91.56		8.44
NO.200		28.8		5.75		97.31		2.69
PAN		13.5		2.69		100.00		0.00
계		501		100.00		192.91
조립율(F.M)	1.93		흡수율		2.62		비중		2.42

폐주물사(생형사)의 입도분포

잔골재
체규격		잔류량(g)		잔류율(%)		누적잔류율(%)		통과율(%)
10mm		0		0.00		0.00		100.00
NO.4		3.5		0.70		0.70		99.30
NO.8		2.5		0.50		1.20		98.80
NO.16		2.2		0.44		1.64		98.36
NO.30		8		1.60		3.24		96.76
NO.50		111		22.18		25.42		74.58
NO.100		344.3		68.80		94.22		5.78
NO.200		27.9		5.58		99.80		0.20
PAN		1		0.20		100.00		0.00
계		500.4		100.00		126.42
조립율(F.M)	1.26		흡수율		0.54		비중		2.34

KS F 2558(콘크리트용 부순 모래)에 규정된 절대 건조 비중 2.5 이상, 흡수율 3% 이하를 만족하므로 양호하다고 판단된다. 일반적으로 폐주물사의 비중은 강모래와 거의 유사하다.

2. 입도시험(조립율)

폐주물사의 입도시험은 KS F 2502(골재의 체가름 시험방법)에 규정한 방법에 따라 실시되었다.위의 표는 그 결과를 나타내고 있다.

3. 단위 용적 중량 시험

이 데이터에서 폐주물사는 일반 강모래보다 입도가 가늘고 워커빌리티가 다소 불량한 것으로 판단된다. 또 비중과 단위 용적 중량도 일반 강모래가 다소 낮은 값을 보인다. 그리고 흡수율은 강모래보다 높은 값을 나타내고 있다. 이것을 폐주물사의 콘크리트용 골재로 사용할 때나 2차 제품 제조시에 특별히 고려되어야 할 사항으로 판단된다.

(2)화학적특성

국내 각지방의 주물사의 화학성분

鐵物砂名	化 學 成 分(%)
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	燃燒損失	總計
뚝섬A 뚝섬B 鹽倉A 鹽倉B 金 浦 天 安 鳳江橋 東 面 八達路 影島A 影島B 水 營 蔚 山 大場洞 山東橋 榮山浦 慈恩島	86.24 85.50 84.24 92.42 89.60 - - 90.02 88.82 87.48 92.34 98.24 87.48 - - - 94.72	4.62 6.68 5.09 0.41 3.54 - - 0.18 4.07 3.59 3.02 4.29 2.93 - - - 0.62	2.68 1.84 2.41 2.41 2.28 - - 2.54 1.03 2.55 0.36 1.89 1.69 - - - 0.32	0.44 0.24 0.24 0.02 0.78 - - 0.90 0.06 0.88 0.18 0.88 1.38 - - - 0.14	2.20 0.90 1.22 1.02 0.40 - - 2.42 0.98 0.21 1.90 0.30 0.39 - - - 0.82	4.02 4.95 3.60 2.77 3.04 - - 3.42 3.48 5.29 3.97 3.67 5.55 - - - 0.35	100.20 100.11 96.80 99.05 99.64 - - 99.48 98.44 100.00 99.77 99.27 99.42 - - - 96.97

같은 주물 형태의 공장이라도 폐주물사의 특성이 달라지고, 심지어는 같은 공장 내의 주물사도 라인별로 폐기되는 시간에 따라 주물의 특성이 다른 것이다. 그러므로 폐주물사를 재활용하기 위해서는 가능한 한 유사한 형태의 공장에서 배출되는 것이나, 같은 주물사를 사용하는 공장들끼리 분리 수거가 되어야 할 것이다. 그러나 현실적으로 폐주물사를 분리 수거하고 이에 대해 각각의 특성에 맞게 재활용 목표를 정하는 것은 비효율적일 뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 고려하기 힘들다. 따라서 본 과제는 여러 형태의 폐주물사의 혼합 주물사를 일반적으로 적용하는 방법에 대해 시도하게 된다.

한편 다량의 폐주물사를 배출하는 공장의 폐기물은 선별이 가능하다고 하겠다. <표 >에는 국내에 배출되는 주요 지역의 폐주물사의 화학적 조성을 보인 것이다. 이러한 값들은 그 지역의 특정 기업체의 폐주물사의 특성이고, 그 지역 전체를 대표한다고 보기는 힘들다.

수집된 폐주물사는 지르콘사를 제외하고는 SiO2의 함량이 85% 이상으로 콘크리트용 골재로서의 좋은 품질을 가지고 있다. 그러나 코아사는 Fe2O3의 함량이 너무 많고 감열감량이 3.28%로 다른 폐주물사에 비해 높은 편이지만 그 양이 소량이기 때문에 영향에 대한 효과는 미미할 것이다. 또 생형사(1)은 감열감량이 6.77%로 높은 값을 나타내고 있지만 이러한 폐주물사를 혼합하여 사용하는 혼합 주물사가 SiO2가 84.45%이고, Al2O3가 6.41%, 감열감량이 2.37%로 상당히 양호한 형태를 나타내고 있다. 그러므로 본 연구에서 주로 사용하는 혼합 주물사는 별도의 처리나 선별 없이 사용할 수 있다고 판단된다. 이러한 실험에 사용된 폐주물사는 체가름과 마그네틱 세퍼레이터를 통과하여 이물질과 금속 찌꺼기 등을 제거한 것이다.

주물사의 종류별 화학성분(%)

성분	혼합 주물사	생형사 (1)	생형사 (2)	지르곤사	코아사	CO2사 (1)	CO2사 (2)	요업 슬러지
SiO2	84.45	85.09	90.48	63.21	90.92	92.15	96.35	74.12
Al2O3	6.41	7.25	2.50	32.21	1.09	2.14	1.14	11.75
Fe2O3	4.27	2.34	5.11	2.35	7.23	4.15	1.44	1.09
CaO	0.73	0.63	0.12	0.24	0.09	0.11	0.02	6.30
MgO	0.45	0.22	1.47	0.08	0.05	0.18	0.03	0.80
SO3	-	-	-	-	-	-	-	0.07
K2O	1.95	2.61	0.06	0.19	0.42	0.43	0.19	2.46
Na2O	1.21	1.70	0.01	0.11	0.04	0.72	0.69	2.76
TiO2	0.22	0.18	0.23	0.90	0.26	0.14	0.12	-
Mn2O3	0.22	0.11	-	0.04	0.03	0.07	0.01	0.03
P2O5	0.03	0.03	0.01	0.05	0.01	0.01	0.02	0.05
Ig	2.37	6.77	1.50	1.23	3.28	0.79	0.48	3.94

(3)폐주물사의 물리,화학적 특성에 대한 고찰

경인지역에서 수집된 여러가지 주물사를 통해 물리,화학적 특성과 입도분포실험을 한 결과 폐주물사의 물리적 특성은 콘크리트용 모래와 거의 유사함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 미국이나 일본 에서 실험한 외국의 실험결과 데이터나 국내 타 지역의 실험에서도 비슷한 양상을 보여]주고 있다. 또 입도분포의 경우에서 폐주물사는 일반 강모래 보다 입경이 작은 것으로 나타나고 있다. 그러나 보통의 저강도콘크리트나 콘크리트용 공장제품에서는 큰 문제가 되지 않을 것으로 보인다. 다만 폐주물사의 색상이 일반적으로 흑색이고 입경이 미세하므로 모래와 혼합 사용하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 이러한 것은 2장에서 여러가지 연구 결과를 소개하였는데, 일반 모래에 비하여 사용용도에 따라 강모래와 폐주물사의 혼합비율이 달라지게 된다. 일반 콘크리트용으로 사용시에는 적당한 입도분포를 유지하기 위하여는 전체 잔골재에 대하여 30-50% 정도를 치환하는 것이 좋고, 아스콘용이나 콘크리트용 2차제품에는 50-60%까지 치환하여 사용할 수 있다.

한편 폐주물사의 화학적 특성이나 내마모성에 대한 실험은 화학적 조성을 주물사 종류별로 실험한 결과 대부분의 주물사는 콘크리트 ㅈ차제품용 잔골재로 적합한 화학적 조성을 가지고 있다. 다만 폐주물사의 배출공장에 따라서 Ig.loss가 크게 나타나는 등 골재로서 부적당한 결과를 보여주는 경우도 있다. 따라 폐주물사를 재활용시에 공장별로 폐주물사의 화학적 특성을 분석하여 선별 수집할 필요가 있을 것 같다.

이 외 폐주물사의 화학적 안정성이나 인체에 대한 독성 등의 참고자료는 미국 AFS에서 수행한 결과를 소개하였는데 이 결과에서 특별한 문제점이 드러나고 있지는 않다. 그러나 국내 폐주물사의 알칼리반응, 백화현상, 중성화 및 내구성 등의 문제를 파악하기 위한 별도의 실험이 필요할 것 같다.

또 폐주물사의 열처리 전후의 콘크리트용 재료로서의 특성을 살펴보기 위하여 후란사 폐기물을 이용하여 실험을 한다. 이를 위한 입도분포와 화학적 조성 실험을 실시하였다. 후란사의 열처리 후의 입도분포와 화학적 조성은 콘크리트용 재료로서는 충분히 만족할만한 값을 보여주고 있다. 폐주물사 중 후란고사의 경우 모래의 검은색깔이 온도가 600℃에서는 약 95%, 650℃에서는 약 98% 정도가 모래색으로 변환되었다. 입도분포는 약간 미세화 되긴 했지만 큰 영향은 없는 것으로 밝혀졌다.우선 콘크리트용 골재나 콘크리트 2차 제품에 사용하기 위해서는 폐주물사의 검은색을 처리하는 것이 필요하다. 그런데 폐주물사는 약 650℃ 정도에서 98% 이상이 검은색이 연소되어 일반 모래색을 띠게 되었다. 그러므로 폐주물사를 열처리하여 검은색을 제거하기 위해서는 약 650℃의 열이 가해져야 한다.

4.  폐주물사 콘크리트의 특성

본 연구에서는 폐주물사 중에서 특히 여러 종류의 주물사와 혼합 주물사의 압축강도, 할열인장강도, 탄성계수 측정을 위한 실험을 하였다. 실험은 주로 혼합 주물사를 위주로 실시하였고, 플라이애시의 혼합율에 따른 실험도 병행하였다. 이번의 실험의 목적은 콘크리트용 골재로 사용할 때에 적합한 폐주물사의 대체율을 확인하여 폐주물사의 콘크리트용 골재로 사용할 때의 역학적 특성을 검토한다.

(1)실험을 통한 구체적인 특성규명

1. 실험재료

가. 시멘트

본 실험에서 사용한 시멘트는 동양시멘트사의 보통 포틀랜드 시멘트(TypeⅠ)로써 그 품질적 특성은 <표4-8>과 같고, 화학조성은 <표4-9>와 같다.

<표4-8>              시멘트의 물리적 성질

비 중	비표면적 (□/g)	응 결(시간＞분)		압축강도(□f/□)
		초결	종결	3일	7일	28일
3.15	2967	2＞55	6＞40	199	288	390

<표4-9>                    시멘트의 화학 조성

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O	TiO2	Mn2O3	P2O5	I.g.
20.63	5.39	2.91	61.58	3.67	2.17	1.04	0.04	0.34	0.15	0.11	1.04

나. 플라이애시

본 연구에 사용된 플라이애시는 서천화력발전소에서 발전된 것으로 비중이 2.21, 비표면적이 3787□/g의 것을 사용하였다. 그 화학 조성은 <표4-10>과 같다. 또 플라이애시의 입도분포는 <도4-1>과 같다.

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O	TiO2	Mn2O3	P2O5	I.g.
57.19	23.07	5.04	4.08	1.19	0.24	0.89	0.73	1.87	0.11	0.48	4.30

다. 골재

(1) 굵은골재

본 연구에 사용된 골재로서 굵은골재는 용원석상의 쇄석 골재로 최대 크기가 25□인 것을 사용하였다. 굵은골재의 조립율(F.M)은 7.08이다

종 류	비 중	흡수율 (%)	단위용적중량 (□/□)	조립율 (F.M)	빈틈율 (%)	실용적율 (%)
잔 골 재	2.60	1.27	1537	2.64	40.71	59.29
굵은골재	2.65	0.64	1469	7.08	44.45	55.55

(2) 잔골재

잔골재는 한강 모래로서 조립율 2.64의 강모래를 사용하였다.

라. 폐주물사

2. 배합설계

실험에 사용된 콘크리트 배합은 W/C 0.55에 대하여 주물사 혼합비율 0∼60%, 플라이애시 혼합비율 0∼30%, 주물사 종류별 강도실험을 실시하였다. 주요 적용변수는 다음과 같다.

①주물사 혼합비율 : 0, 20, 40, 60%

②플라이애시 혼합비율 : 0, 10, 20%

③주물사 종류별 :

④재령 : 3, 7, 28일

⑤역학시험종류 : 압축강도, 할열인장강도, 탄성계수

3. 공시체의 제작 및 양생

콘크리트 공시체 제작 및 양생은 KS F 2404에 따라 시행하였다. 압축강도 시험용 공시체는 □100×200□ 모울드를 사용하고, 진동기를 사용하여 다짐하는 방식으로 제작하였다. 공시체는 제작 후 24시간 만에 탈형하여 23±3℃의 온도로 시험시까지 수중양생을 실시하였다. 비빔에 사용된 믹서(mixer)는 공칭용량 80리터의 강제식 믹서이며, 재료를 굵은골재, 잔골재, 시멘트의 순으로 투입하여 1분간 건비빔한 다음 물을 투입하여 3분간 비벼 공시체를 제작하였다. 골재는 표면 건조 포화상태로 사용하였으며, 굵은골재는 실험전에 물로 씻어 불순물을 제거하였다.

또 할열인장강도용 공시체도 위의 것과 같고, 탄성계수시험의 경우도 마찬가지이다.

4. 실험방법

슬럼프 실험은 상온하에서 KS F 2404에 따라 실시하였으며, 공기량은 KS F 2421에 따라 측정하였다. 압축강도 실험은 KS F 2405에 따라 3개의 공시체를 기본으로하여 실시하였다. 인장강도 실험의 경우에는 KS F 2423에 규정된 방법으로 상하에 가압판을 대고 동일한 재하속도로 할렬인장실험을 수행하였다. 이때 실험에 사용된 기기는 250톤 용량의 Instron사의 Closed-Loop Dynamic Material Testing System이며, 캪핑(capping) 재료는 유황 혼화물을 사용하였다.

탄성계수실험은 2개의 strain Grage를 부착하여 그 평균값으로 하였다.

5. 실험결과

가. 기본배합

(1) 배합비

<표4-14>                콘크리트의 기본배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)					WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
M-0	52.9	47.0	185	350	823.5	0	946.5	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 15.9□

공기량 : 5.4%

콘크리트 온도 : 22℃

(3) 압축강도

<표4-15>       기본배합의 압축강도 실험결과

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	159	228	338

(4) 인장강도(할렬인장강도)

26, 29, 28(□f/□)

(5) 탄성계수

2.79×105(□f/□)

나. 주물사 20% 치환 배합

(1) 배합비

<표4-16>         주물사 20% 치환 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)					WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
M-20	52.9	47.3	185	350	658.8	164.7	941.0	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 14.1□

공기량 : 4.0%

콘크리트 온도 : 22℃

기준배합에 비하여 점성이 증가하는 특징이 있음.

(3) 압축강도

<표4-17>    주물사 20% 치환 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	161	236	352

(4) 인장강도(할렬인장강도)

29, 29, 31(□f/□)

(5) 탄성계수

2.79×105, 3.00×105, 2.78×105(□f/□)

다. 주물사 40% 치환 배합

(1) 배합비

<표4-18>         주물사 40% 치환 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)					WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
M-40	52.9	47.7	185	350	494.1	329.4	930.3	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 10.8□

공기량 : 3.7%

콘크리트 온도 : 22.5℃

(3) 압축강도

<표4-19>     주물사 40% 치환 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	172	255	381

(4) 인장강도(할렬인장강도)

26, 21, 22(□f/□)

(5) 탄성계수

2.95×105, 2.91×105, 2.80×105(□f/□)

라. 주물사 60% 치환 배합

(1) 배합비

<표4-20>         주물사 60% 치환 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)					WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
M-60	52.9	47.9	185	350	329.4	494.1	930.3	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 7.5□

공기량 : 3.5%

콘크리트 온도 : 22℃

(3) 압축강도

<표4-21>    주물사 60% 치환 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	152	237	360

(4) 인장강도(할렬인장강도)

29, 26, 30(□f/□)

(5) 탄성계수

2.71×105, 2.82×105, 2.70×105(□f/□)

마. 주물사 0%, 플라이애시 10%

(1) 배합비

<표4-22>    주물사0%, 플라이애시 10% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F10-0	52.9	47.0	185	315	35	817.6	0	939.7	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 17.5□

공기량 : 4.0%

콘크리트 온도 : 21℃

(3) 압축강도

<표4-23>  주물사0%, 플라이애시 10% 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	130	216	344

(4) 인장강도(할렬인장강도)

22, 29, 25(□f/□)

(5) 탄성계수

2.88×105, 2.87×105, 2.85×105(□f/□)

바. 주물사 20%, 플라이애시 10%

(1) 배합비

<표4-24>    주물사20%, 플라이애시 10% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F10-20	52.9	47.0	185	315	35	650.0	162.7	939.7	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 12.4□

공기량 : 2.2%

콘크리트 온도 : 21℃

(3) 압축강도

<표4-25> 주물사20%, 플라이애시 10% 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	139	236	358

(4) 인장강도(할렬인장강도)

25, 27, 26(□f/□)

(5) 탄성계수

2.95×105, 2.79×105, 2.87×105(□f/□)

사. 주물사 40%, 플라이애시 10%

(1) 배합비

<표4-27>    주물사40%, 플라이애시 10% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F10-40	52.9	47.0	185	315	35	484.7	323	939.7	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 13.0□

공기량 : 1.6%

콘크리트 온도 : 21℃

(3) 압축강도

<표4-28>  주물사40%, 플라이애시 10% 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	151	246	384

(4) 인장강도(할렬인장강도)

32, 34, 31(□f/□)

(5) 탄성계수

2.89×105, 2.81×105, 2.98×105(□f/□)

아. 주물사 60%, 플라이애시 10%

(1) 배합비

<표4-29>      주물사60%, 플라이애시 10% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F10-0	52.9	47.0	185	315	35	321.0	481.7	939.7	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 10.0□

공기량 : 1.25%

콘크리트 온도 : 21℃

(3) 압축강도

<표4-30>    주물사60%, 플라이애시 10% 콘크리트 배합

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	159	252	403

(4) 인장강도(할렬인장강도)

24, 27, 36(□f/□)

(5) 탄성계수

2.84×105, 3.00×105, 2.71×105(□f/□)

자. 주물사 0%, 플라이애시 20%

(1) 배합비

<표4-31>    주물사0%, 플라이애시 20% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F20-0	52.9	47.0	185	280	70	811.7	0	933.0	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 18.7□

공기량 : 2.0%

콘크리트 온도 : 20.5℃

(3) 압축강도

<표4-32>  주물사0%, 플라이애시 20% 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	126	215	337

(4) 인장강도(할렬인장강도)

32, 31, 25(□f/□)

(5) 탄성계수

2.75×105, 2.95×105, 3.25×105(□f/□)

차. 주물사 20%, 플라이애시 20%

(1) 배합비

<표4-33>        주물사 20%, 플라이애시 20% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F20-20	52.9	47.0	185	280	70	645.3	161.3	933.0	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 16.5□

공기량 : 1.55%

콘크리트 온도 : 20.5℃

(3) 압축강도

<표4-34>  주물사20%, 플라이애시 20% 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	127	219	365

(4) 인장강도(할렬인장강도)

27, 32, 33(□f/□)

(5) 탄성계수

2.91×105, 2.84×105, 2.86×105(□f/□)

카. 주물사 40%, 플라이애시 20%

(1) 배합비

<표4-35>     주물사 40%, 플라이애시 20% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F20-40	52.9	47.0	185	280	70	481	320.7	933.0	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 13.3□

공기량 : 1.3%

콘크리트 온도 : 21℃

(3) 압축강도

<표4-36> 주물사 40%, 플라이애시 20% 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	129	218	362

(4) 인장강도(할렬인장강도)

28, 30, 25(□f/□)

(5) 탄성계수

2.66×105, 2.86×105, 2.82×105(□f/□)

타. 주물사 60%, 플라이애시 20%

(1) 배합비

<표4-37>     주물사 60%, 플라이애시 20% 콘크리트 배합

공시체 기 호	W/C (%)	S/a (%)	단위재료량(□/□)						WRA (%)	AEA (%)
			물	시멘트	FA	잔골재 (일반)	잔골재 (주물사)	굵은 골재
F20-60	52.9	47.0	185	280	70	318.7	478	933.0	0.3	0.01

(2) 굳지 않은 콘크리트 실험결과

슬럼프 : 11.0□

공기량 : 1.2%

콘크리트 온도 : 20.5℃

(3) 압축강도

<표4-38> 주물사 60%, 플라이애시 20% 콘크리트 압축강도

재령(일)	3	7	28
압축강도(□f/□)	126	222	363

(4) 인장강도(할렬인장강도) :    32, 30, 29(□f/□)

(5) 탄성계수 :    2.71×105, 2.67×105, 3.02×105(□f/□)

(2)폐주물사 콘크리트 실험에 대한 고찰

폐주물사를 잔골재로 대체하여 사용할 때의 콘크리트의 역학적 특성에서 60%까지 사용하더라도 압축강도의 저하가 나타나지 않고 있다. 그러나 본 실험에서는 폐주물사를 40% 사용했을 때의 콘크리트 압축강도가 가장 높게 나타났다. 이 실험에서 폐주물사를 40% 모래에 대체 사용하였을 경우에는 폐주물사를 사용하지 않은 기본배합 콘크리트 보다 오히려 10% 정도 높은 강도값을 나타내고 있다.

또한 탄성계수의 경우도 폐주물사를 40% 정도 사용했을 때 오히려 높아지는 경향을 보이고 있다. 그러나 인장강도는 약간 낮은 값을 보이지만 폐주물사를 60% 치환했을 경우에는 다시 높아지고 있다. 이러한 경향은 실험상의 문제로 판단된다. 그러므로 콘크리트의 폐주물사의 치환에 따른 콘크리트의 압축강도, 인장강도, 탄성계수는 폐주물사의 치환율이 40%가 될 때 까지 계속해서 상승하는 경향을 보이고 있다. 앞절에 소개한 Naik위 연구에서도 폐주물사를 콘크리트에 대하여 35%까지 치환하여 사용할 수 있음을 제시하고 있어 이번의 실험결과에서 일반 콘크리트나 레미콘 등에서 무근 콘크리트의 경우에는 40%까지 강모래에 대체하여 사용할 수 있을 것 같다. 폐주물사의 대체율이 높을수록 슬럼프와 공기량이 감소한다는 것이다. 이러한 경향은 폐주물사의 미분의 함유량 때문인 것으로 생각되는데 콘크리트용 재료로 대량 사용할 때에 슬럼프 저하와 공기량 감소로 인하여 믹싱사의 특별한 고려가 필요할 것으로 판단된다.

폐주물사의 콘크리트용 잔골재로 대체 사용할 때에는 AE제의 첨가량이 많이 소요될 것으로 판단된다. 본 실험의 경우를 보면 폐주물사 40% 이상까지 사용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 이때 공기량의 감소와 슬럼프가 저하되므로 AE제나 유동화제의 사용이 필요할 것이다. 이러한 혼화제를 사용하지 않는 경우에는 폐주물사의 워커빌리티를 높이기 위하여 단위수량을 높여야 한다.

또 인장강도와 탄성계수는 폐주물사의 함유량에 의해 큰 변화를 보이지 않는다.

본 실험에서는 플라이애시를 0, 10, 20% 시멘트에 치환했을 경우의 콘크리트의 역학적 특성을 살펴본다. 플라이애시는 시멘트 보다 저렴하므로 시멘트에 대하여 플라이애시 치환율이 높을수록 코스트다운이 가능한 것이다. 28일 압축강도가 가장 높은 경우는 플라이애시 10%와 주물사 60%를 대체했을 경우이다. 그러나 전반적으로 플라이애시의 사용량이 10%, 주물사의 사용량이 40%인 경우에 가장 높은 강도값을 보이고 있다. 또 플라이애시의 사용량이 20%, 주물사의 사용량이 60%인 가장 경제적인 재료 구성조건에서도 기본배합 콘크리트 보다 다소 높은 값을 보이고 있다. 따라서 폐주물사와 플라이애시를 함께 사용하는 것이 효과적이고 이때 플라이애시의 시멘트에 대한 치환율은 10-20%가 적당하고, 폐주물사는 40-60%가 적당함을 알 수 있다.

5.응용제품개발

폐주물사 전처리 설비

본 연구에서는 폐주물사를 활용하여 시멘트 벽돌과 콘크리트 블록, 보도용 인터로킹 블록, 경계석 등의 개발을 목표로 하고 있다. 주물공단에서 수집된 폐주물사는 철 스크랩과 폐목재, 폐주물 등의 다른 폐기물을 포함하고 있으며, 특히 폐주물사 내에는 작은 파편의 쇠조각 등이 함유되어 있는 경우가 많다. 따라서 수집된 폐주물사는 적정한 처리를 통해서 입도조정과 폐철 등을 분리해 내어야 한다.

폐주물사를 콘크리트 2차 제품용의 골재로 사용하기 위해서 우선적으로 폐주물사의 철분을 분리해야 한다. 이것은 주로 마그네틱 세퍼레이터를 사용하여 분리해 낸다. 다음으로는 입도조절을 위한 선별기, 분쇄과정 등을 거쳐서 성형을 위해 공장 내부로 컨베어를 통하여 이동하게 된다. 또한 검은색의 색상을 제거하기 위해서 열처리 시설을 설비하여야 한다.

*응용제품

1.시멘트 벽돌

2.시멘트 블록

3.인터록킹 블록

:시멘트 벽돌, 콘크리트 블록, 인터록킹 블록의 실제적인 생산을 위한 시험적인 배합설계와 KS규격의 품질기준에 근거하여 실험을 실시하였다. 실험결과 폐주물사의 사용량에 따른 강도 저하는 일어나지 않았다. 그리고 단위시멘트량의 증가가 필요하지도 않다.

6.결론

본 과제에서는 폐주물사의 신사화 외의 용도로 경제적인 처리와 작은 투자로 재활용할 수 있는 방법을 강구하는 것이다. 이번 과제에서는 특히 폐주물사의 콘크리트용 재료와 콘크리트 2차제품에 사용될 수 있도록 기초적인 실험과 실험결과를 분석하여 응용가능한 기술개발을 수행하였다.

① 폐주물사의 재활용 동향

기존의 폐주물사의 주물사 외의 방법으로 재활용된 다양한 사례와 각종 연구결과를 소개하였다. 이러한 연구결과에서 주목되는 것은 폐주물사는 상당히 다양한 용도로 재활용되어 사용될 수 있음을 보여주고 있다. 실제로 현재 재활용되고 있는 분야는 시멘트벽돌과 블록 등의 콘크리트 2차제품용 골재나 아스팔트의 필러재, 아스콘포장의 골재, 매립재 등으로 사용되고 있다.그리고 시멘트의 원료, 록울재료, 원예재료, ALC 등의 기포콘크리트용 재료, 원적외선용 재료, 콘크리트용 모래 등의 다양한 연구에서 긍정적인 결과를 보여주고 있다. 또 폐주물사에서 배출되는 미분의 재활용으로 콘크리트용 혼화재인 실리카퓸 등의 대체재료로서의 가능성을 보여준 연구결과도 있다.

② 폐주물사의 물리화학적 특성

여러가지 주물사를 통해 물리,화학적 특성과 입도분포실험을 한 결과 폐주물사의 물리적 특성은 콘크리트용 모래와 거의 유사함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 미국이나 일본 에서 실험한 외국의 실험결과 데이터나 국내 타 지역의 실험에서도 비슷한 양상을 보여주고 있다. 또 입도분포의 경우에서 폐주물사는 일반 강모래 보다 입경이 작은 것으로 나타나고 있다. 그러나 보통의 저강도콘크리트나 콘크리트용 공장제품에서는 큰 문제가 되지 않을 것으로 보인다.

③ 콘크리트 재료로서의 역학적 특성

폐주물사를 일반 잔골재(모래)에 대하여 40% 까지는 대체하여도 역학적 특성의 저하는 나타나지 않았고, 플라이애시의 시멘트 치환율을 10-20%로 사용한 실험에서도 만족할만한 결과를 보여주고 있다. 이것은 콘크리트재료로 사용시에 미국 주물협회가 제시한 35% 까지 일반 모래에 대체할 수 있다는 내용과도 부합되는 것이다.

본 과제에서는 지금까지 시도된 바가 없는 폐주물사와 플라이애시의 동시 사용에 대한 검토를 진행한 결과, 플라이애시의 첨가가 경제적으로 뿐만 아니라 역학적 특성에도 나은 결과를 보임을 알 수 있었다.  단지 폐주물사의 대체율이 높아질수록, 그리고 플라이애시의 시멘트에 대한 치환율이 높아질수록 공기량이 감소하므로 AE제의 적절한 사용이 필요할 것 같다.

본 장의 연구의 결론으로 폐주물사를 콘크리트에 40%까지 대체하여 사용할 수 있고, 특히 이때 플라이애시도 10∼20% 시멘트에 치환 사용하면 역학적 특성이 향상된다는 것이다.

④ 폐주물사 전처리 설비

주물공단에서 수집된 폐주물사는 철 스크랩과 폐목재, 폐주물 등의 다른 폐기물을 포함하고 있으며, 특히 폐주물사 내에는 작은 파편의 쇠조각 등이 함유되어 있는 경우가 많다. 폐주물사를 콘크리트 2차 제품용의 골재로 사용하기 위해서 우선적으로 폐주물사의 철분을 분리해야 한다. 본 과제에서는 마그네틱 세퍼레이터를 사용하여 분리해 낸 다음, 입도조절을 위한 선별기, 분쇄과정 등을 거쳐서 성형을 위해 공장 내부로 컨베어를 통하여 이동하는 설비를 구축하였다.

⑤ 응용제품 개발

시멘트 벽돌, 콘크리트 블록, 인터록킹 블록의 실제적인 생산을 위한 시험적인 배합설계와 KS규격의 품질기준에 근거하여 실험을 실시하였다. 실험결과 폐주물사의 사용량에 따른 강도 저하는 일어나지 않았다. 그리고 단위시멘트량의 증가가 필요하지도 않다. 본 과제에서는 폐주물사를 시멘트벽돌과 블록,인터록킹 등에 적용하기 위한 배합설계와 시제품을 생산하였다.

동 연구결과를 통하여 콘크리트2차제품 생산에 협동연구기관을 통하여 직접 활용하게 된다.  또 기초적인 연구결과를 토대로 콘크리트용 골재로 부분 대체하는 방법과 배합비와 제조공정의 개발로 압축강도와 흡수율을 향상시켜 인터로킹 블록과 경계석 등을 제작하게 된다.

지금까지의 연구결과에서 폐주물사의 개선되어야 할 점은 콘크리트용 골재로서의 입도분포에서 입도가 가늘다는 점과 미분의 영향으로 인한 공기량의 감소 문제와 미분의 활용방안 등이다. 따라서 폐주물사를 입도별로 선별하고, 석분 폐기물을 콘 크러셔로 분쇄하여 주물사와 석분을 혼합하여 적당한 입도를 조정하고 #200 체 이하의 미분을 제거하기 위한 시스템을 설계하고 있다.

향후 폐주물사는 시멘트 벽돌 뿐만아니라 일반적인 콘크리트 2차제품에 폭넓게 사용될 수 있음이 확인되었다. 향후 폐주물사를 이용한 시멘트 벽돌, 콘크리트 블록, 경계석, 인터록킹 블록 등에 대한 폭넓게 사용될 수 있을 것이고, 아스팔트용 재료, 시멘트 원료용의 재료, 미분의 활용을 위한 연구개발에 대한 계속적인 연구개발이 필요하다.

용어 정리

산업기술정보원

국내외 산업기술 정보를 수집·가공·처리·유통시키는 종합 정보 센터로서 국무총리실 산하의 공공기술연구회 소속 정부출연 연구기관.

구분 : 연구기관                                      설립연도 : 1982년 1월 11일

소재지 : 서울 동대문구 청량리동 206-9                규모 : 인원 180명(2000)

1982년 1월 11일 한국과학기술정보센터(1962. 1. 설립)가 국제경제연구원과 통합되어 한국산업경제기술연구원으로 개원하였으며, 1984년 8월 8일 산업연구원으로 명칭을 바꾸고 1988년 5월 20일 산업연구원 부설 산업기술정보센터가 개소하였다.

그뒤 산업기술정보원법의 공포(법률 4320)로 1991년 1월 21일 산업기술정보원으로 개원하였으며, 1999년 1월 29일 ‘정부출연 연구기관 등의 설립·운영 및 육성 등에 관한 법률’(법률 5733)이 제정·공포됨에 따라 새롭게 발족하였다. 2001년에는 연구개발정보센터와 통합되어 한국과학기술정보연구원으로서 출범하게 된다.

설립목적은 국내외의 과학·기술 및 산업·무역에 관한 정보를 수집·처리·보급하고 산업간, 지역간의 원활한 정보 유통을 촉진함으로써 국제 경쟁력을 제고하는 것이다.

주요사업은 ① 기술·특허에 관한 국내외 관련 정보를 데이터 검색 또는 분석을 통하여 제공 ② 국내외 산업재산권 출원 및 등록절차 안내와 지적소유권에 대한 정보의 조사·분석 ③ 신규·기존 상품에 대한 시장현황 조사·분석 ④ 신규 사업 수행에 필요한 국내외 시장 및 기술경쟁력 분석 ⑤ 최신 사내정보 관리 시스템 및 경영정보 시스템에 대한 컨설팅 및 구현 등이다. 인원은 2000년 7월 현재 180명이다. 서울특별시 동대문구 청량리동 206-9번지에 있다.

슬럼프실험

아직 굳지 않은 콘크리트의 반죽질기(consistency)를 시험하는 방법.

콘크리트의 품질관리 기타에 필요한 시험으로, 슬럼프콘(slump cone:원뿔형의 쇠통틀)에 콘크리트를 채워넣은 다음, 콘을 끌어올려 콘크리트가 내려간 양을 잰다. 이것을 슬럼프라고 하며 cm로 표시한다. 이때 콘크리트가 거푸집의 구석구석 또는 철근 주위에 골고루 미치는 슬럼프로 한다. 단면이 큰 무근(無筋)의 부재에서는 슬럼프를 2∼5cm로 하나, 철근콘크리이트벽이나 기둥에서는 15cm 정도가 적당하다.

압축강도 실험

압축하중에 대한 저항력 및 그것에 의한 변형과의 관계나 강도 등을 조사하는 시험.

기계나 구조물에 사용되고 있는 부재에는 압축력을 받는 것이 많다. 이에 따라 기둥이나 베어링 ·차축 ·받침대 등의 재료인 강철 ·목재 ·콘크리트 ·벽돌 ·합금 등의 압축력에 대한 강도를 점검해야 한다.

압축시험을 하기 위해서는 먼저 원형이나 정사각형 단면의 기둥모양체를 만들고 이것을 압축시험기에 설치해서 압축하중을 가하여, 비례한도나 탄성한도 등을 측정한다. 시험편(試驗片)의 중심축 방향에 똑바로 압축하중을 가하는 것이 필요하며, 이를 위한 장치가 시험기에 부속되어 있다. 시험기로는 일반적으로 만능시험기를 사용하지만, 타이어나 용수철 저울과 같은 특수한 것은 압축전용의 시험기를 사용한다.

인장강도

재료에 인장력을 가해 기계적 성질을 조사하는 재료시험.

재료에서 인장시편을 깎아내어 인장시험기에 고정시켜서 시험을 한다. 인장시험편에 서서히 인장하중을 가해서 재료의 항복점·내력(耐力)·인장강도·신장(伸長)·드로잉(drawing) 등 기계적인 여러 성질을 측정한다. 인장시험에서는 이 밖에 비례한도·탄성한도(彈性限度)·탄성계수·일용량 등도 측정할 수 있으며, 가해진 하중과 신장과의 관계를 나타내는 선도(線圖)도 구할 수 있다.

인장하중에 의해서 생기는 응력(應力)을 인장응력이라고 하는데, 인장응력과 신장의 관계를 나타내는 응력-변형도 선도는 재료의 성질을 나타내는 중요한 것이다. 이 선도에서 최대점의 응력을 인장강도라고 한다. 인장시험은 항상 동일한 조건하에서 실시할 수 있으므로 측정결과의 신뢰성이 높으며, 기계나 기계부품의 설계에 직접 필요한 자료가 되므로 이전부터 공업적 시험의 하나로서 널리 채택되어왔다.

주물 鑄物 (casting)

용해된 금속을 주형(鑄型) 속에 넣고 응고시켜서 원하는 모양의 금속제품으로 만드는 일, 또는 그 제품.

석회(CaO)

보통 생석회(산화칼슘) CaO를 가리키는데, 이것이 물과 화합한 소석회(消石灰).

실리카 SiO2, 알루미나 Al2O3 및 산화철 Fe2O3

포틀랜드 시멘트

포틀랜드 시멘트는 주로 석회질 원료와 점토질 원료를 적당한 비율로 혼합하여(성분을 조절하기 위하여 규산질 원료와 산화철 원료를 첨가하기도 한다) 미분쇄하고 그 일부가 용융할 때까지(약 1,450℃) 소성하여 얻어지는 클링커에 응결조절제(凝結調節劑)로서 약간의 석고를 가하여 미분쇄하여 만든다. 제조방법에는 건식법(乾式法) ·습식법(濕式法) ·반건식법이 있는데, 건식법은 원료를 건조상태에서 분쇄 ·혼합 ·소성하는 방법이며, 습식법은 원료에 35∼40%의 물을 가하여 분쇄 ·혼합 ·소성하는 방법이다. 습식법은 원료조합물에 함유된 많은 수분을 증발시키기 위하여 많은 열량이 필요하므로 습식법에 의한 시멘트의 제조는 줄어들고 있다. 소성가마로는 선가마와 회전가마가 있는데, 회전가마가 많이 쓰인다. 회전가마는 보통 지름이 3∼5m, 길이가 50∼200m인 원통형 가마인데 3∼5°의 경사를 이루고 천천히(1분에 1∼2회 정도) 회전한다. 원료는 위쪽에서 연속적으로 들어가고 아래쪽에서는 연료(기름 또는 미분탄)를 연소시킨다. 원료는 가마의 회전에 따라 아래쪽으로 이동하면서 점차로 소성되어 아래쪽에서 클링커가 연속적으로 흘러나와 냉각기에서 급랭된다. 또 서스펜션 예열기를 설치하여 고온의 배기가스를 원료의 예열과 하소(燒)에 이용하여 열효율과 소성효율을 높이기도 한다. 이렇게 얻어진 클링커에 약 3 %의 석고를 첨가하여 미분쇄(비표면적 2,800∼4,200□/g)하여 시멘트를 만든다. 시멘트 공장은 이 회전가마를 중심으로 원료관리에서 시멘트의 포장에이르기까지 제조관리와 품질관리를 자동화하여 합리적인 생산을 하고 있다. ＿그림ａ은 시멘트 제조공정도이다.

배합

콘크리트와 모르타르를 제조할 때 시멘트 ·물 ·잔골재 ·굵은 골재 및 혼화재료 등 각 재료의 사용량의 비율.

콘크리트 1 m3마다 재료의 사용량, 즉 단위 사용량으로 나타낸다. 재료가 정해져 있을 때 콘크리트의 여러 성질은 배합에 의해 거의 지배되므로 배합의 선정은 매우 중요하다. 배합은 콘크리트의 사용 목적이 가장 경제적으로 달성될 수 있도록 선정한다. 배합을 정하는 데는 우선 강도 ·내구성 ·수밀성으로부터 필요한 물 ·시멘트비 ·공기량을 정하고, 다음에 적당한 가공성을 얻을 수 있도록 단위수량과 잔골재율을 정하여 각 재료의 단위량을 산출한다.

강도를 기본으로 배합을 정할 때는 구조물의 중요성, 콘크리트의 품질변동 등을 고려하여 설계기준강도(設計基準强度)에 증가계수를 곱하여 배합강도를 정하고, 이에 상당하는 물 ·시멘트비를 선정한다. 내구성면에서 필요한 물 ·시멘트비는 콘크리트의 노출상태를 고려하여 선정하며, 이 상태가 엄격할 때는 45~60% 이하로, 공기량을 3~5%로 한다.

수밀성(水密性)에서 필요한 물 ·시멘트 비는 53% 이하로 선정한다. 소요의 강도 ·내구성 ·수밀성 등을 얻을 수 있는 배합은 무수히 많으므로, 그 중에서 가장 적당한 가공성을 가지는 범위 내에서 단위수량이 최소가 되는 배합을 선정한다.

탄성계수

비례한계 안에서는 물체에 가한 힘과 그것에 의한 변형량은 비례관계에 있는데, 어떤 종류의 변형에 대해서는 양쪽의 비가 물체의 모양이나 크기에 따르지 않는 물질 고유의 상수가 된다. 영률(率)·체적탄성률·강성률(剛性率) 등은 그 예이며, 이들을 일반적으로 그 물질의 탄성률이라 한다.

플라이애시

구상(球狀)의 입자로 크기는 시멘트와 같은 정도며 알루미나(Al2O3)와 실리카(SiO2)가 주성분이다. 플라이애시시멘트의 원료로, 콘크리트의 혼화재로 사용된다. 시멘트에 20∼30%를 혼합하여 사용하면 가공성(加工性:workability)이 개선되고 경화열이 완화됨과 더불어 장기적인 강도 및 수밀성(水密性)이 향상되어 경제적이기도 하다. 댐 ·하천 및 항만 구조물, 수조 ·포장 등에 이용된다.

모르타르

시멘트와 모래를 물로 반죽한 것.

소성

조합(調合)된 원료를 가열하여 경화성물질(硬化性物質)을 만드는 조작.