주물사 재활용 기술개발에 관한 연구

(최 종 보 고 서)

1995.  12.  30

주관연구기관 : 산업기술정보원

협동연구기관 : 한승콘크리트(주)

/

한 국 자 원 재 생 공 사

제  출  문

한국자원재생공사 사장 귀하

본 보고서를 □주물사 재활용 기술개발에 관한 연구□ 과제의 최종보고서로 제출합니다.

1995.  12.  30

주관연구기관명 ＞ 산업기술정보원

총괄연구책임자 ＞ 신    희    덕

책 임 연 구 원 ＞ 문    영    호

〃          조    성    민

〃          이    상    호

연    구   원 ＞  배    국    진

〃          김    순    섭

연 구  조 원＞   최    유    정

목       차

제 1 장  서론	1

제 1 절 연구배경	1

제 2 절 연구의 목적 및 범위	3

1. 연구의 목적	3

가. 폐주물사 재활용동향	3

나. 폐주물사의 물리화학적 특성분석	4

다. 폐주물사의 콘크리트재료로서의 활용연구	4

라. 폐주물사의 몰타르용 재료로서의 활용연구	4

마. 폐주물사의 콘크리트 2차제품개발 연구	4

2. 연구의 범위	5

제 3 절 연구의 필요성 및 활용방안	5

1. 연구의 필요성	5

2. 연구의 기대효과	6

3. 연구결과의 활용 방안	7

제 2 장 폐주물사의 재활용 현황	1

제 1 절 국내의 주물산업현황	1

1. 국내 주물산업의 현황	1

2. 주물사의 종류와 특성	7

제 2 절 주물사 신사화동향	8

제 3 절 국내 폐주물사 재활용동향	10

1. 기술동향	11

2. 업계동향	12

3. 폐기물의 콘크리트용 재료로서의 재활용 동향	15

가. 有機性 廢棄物	16

나. 도시 쓰레기	19

다. 산업용 廢棄物	24

라. 其他 廢棄物	29

제 4 절  미국의 주물사 재활용 현황	76

1. 포틀랜드 시멘트 킬른용 원료	76

2. 콘크리트용 골재	78

3. 아스팔트용 골재	83

4. 록울의 원료	86

5. 유해 폐기물의 유리질화	87

6. 매립재	87

제 5 절  일본의 폐주물사의 재활용 동향	93

1. 콘크리트용 재료로 이용	96

2. 폐주물사 미분의 재활용	99

3. OJ 폐주물사 미분의 유효 활용	100

4. 원예자재로 활용	103

5. 주물사 더스트의 아스팔트 필터재 및 골재	103

6. 건축용 골재	107

7. 기포 콘크리트 제품의 제조	107

8. 원적외선 방사재료	108

제 6 절 폐주물사 재활용에 대한 연구동향의 고찰	108

제 3 장  폐주물사의 물리화학적 특성	1

제 1 절  물리적 시험과 입도분포	1

1. 비중 및 흡수율 시험	1

2. 입도시험(조립율)	4

3. 단위 용적 중량 시험	4

제 2 절  화학적 시험	4

1. 화학조성	4

2. 화학적 안정성	11

3. 유해 폐기물의 독성	12

제 3 절  열처리 폐주물사의 특성	12

1. 열처리와 실험	13

나. 실험방법	14

다. 실험결과 및 고찰	14

제 4 절  폐물사의 물리,화학적 특성에 대한 고찰	18

제 4 장  폐주물사 콘크리트의 특성	1

제 1 절  연구동향	1

1. 폐주물사의 물리화학적 특성	2

2. 배합설계와 굵지 않은 콘크리트의 특성	3

3. 압축강도	3

4. 휨강도	7

5. 탄성계수와 포아슨비	8

6. 건조수축과 팽창	9

7. 동결융해저항성	9

8. 알카리 골재반응	9

제 2 절  실험 및 실험결과	9

1. 실험재료	10

가. 시멘트	10

나. 플라이애시	10

다. 골재	11

다. 폐주물사	15

2. 배합설계	15

3. 공시체의 제작 및 양생	15

4. 실험방법	16

5. 실험결과	16

가. 기본배합	16

나. 주물사 20% 치환 배합	17

다. 주물사 40% 치환 배합	18

라. 주물사 60% 치환 배합	19

마. 주물사 0%, 플라이애시 10%	20

바. 주물사 20%, 플라이애시 10%	21

사. 주물사 40%, 플라이애시 10%	22

아. 주물사 60%, 플라이애시 10%	23

자. 주물사 0%, 플라이애시 20%	24

차. 주물사 20%, 플라이애시 20%	25

카. 주물사 40%, 플라이애시 20%	26

타. 주물사 60%, 플라이애시 20%	27

제 3 절 실험결과 분석 및 고찰	28

1. 폐주물사의 혼합비율과 콘크리트의 특성	28

2. 폐주물사콘크리트의 수화반응성	32

3. 프레시 상태의 콘크리트의 특성	34

4. 플라이애시 혼합에 따른 폐주물사 콘크리트의 특성	36

가. 주물사 0%, 플라이애시 변화	37

나. 주물사 20%, 플라이애시 변화	40

다. 주물사 40%, 플라이애시 변화	44

라. 주물사 60%, 플라이애시 변화	48

5. 플라이애시 혼합에 따른 폐주물사 콘크리트의 프레시상태 특성	52

6. 단위시멘트량에 따른 강도변화	54

가. 단위시멘트량에 따른 강도	54

나. 주물사의 혼합에 따른 평균 압축강도	55

제 5 장  폐주물사의 콘크리트용 2차제품개발	1

제 1 절  연구동향	1

제 2 절 몰타르의 실험	12

1. 실험변수	12

2. 배합비	12

3. 실험결과	13

4. 실험결과 분석 및 고찰	13

가. 주물사 대체율에 대한 몰타르 강도	13

나. 단위시멘트량에 따른 몰타르의 압축강도	15

다. 몰타르의 물시멘트비에 따른 강도	15

제 3 절 응용제품개발	17

1. 폐주물사 처리 시스템	17

가. 폐주물사 전처리 설비	17

나. 2차 제품 제조를 위한 재료	19

2. 시멘트 벽돌	20

가. KS 규격에 의한 시멘트 벽돌의 제조와 품질(KS F 4004)	20

나. 배합설계	21

다. 실험결과분석	22

3. 시멘트 블록	23

가. KS 규격에 의한 시멘트 블록의 제조와 품질(KS F 4002)	23

나. 배합설계	24

다. 시험결과 및 분석	25

4. 인터록킹 블록	27

가. KS 규격에 의한 인터로킹 블록의 제조와 품질(KS F 4419)	27

나. 배합설계	28

다. 시험결과 및 분석	28

5. 응용제품개발에 대한 검토의견	30

CONTENTS

SUMMARY	2

ABSTRACTS	7

CHAPTER 1 Introduction	24

Section 1 Background of the study	24

Section 2 Purpose and scope of the study	26

Section 3 Need and application of the study	28

CHAPTER 2 Alternative utilization of used foundary sand	31

Section 1 Status of korean foundary sand	31

Section 2 Survey of the green sand research	38

Section 3 Alternative utilization of Korean used foundary sand	40

Section 4 Alternative utilization of American used foundary sand	59

Section 5 Alternative utilization of Japanese used foundary sand	81

Section 6 Consideration study trend on alternative utilization	97

CHAPTER 3  Physical and chemical properties of used foundary sand	99

Section 1 Size distribution and physical examination	99

Section 2 Chemical examination	102

Section 3 Properties of heated used foundary sand	110

Section 4 Consideration of physical and chemical properties	118

CHAPTER 4  Properties of used foundary sand concrete	120

Section 1 Review	120

Section 2 Experiments and results	128

Section 3 Discussion and analysis	147

CHAPTER 5  Development of concrete products	173

Section 1 Review	173

Section 2 Experiments and results of mortar	182

Section 3 Development of concrete products	187

CHAPTER 6  Conclusion	202

APPENDIX 1 REFERENCE	205

APPENDIX 2 TABLE CONTENTS	211

APPENDIX 3 FIGURE CONTENTS	216

요 약 문

1. 과제명 : 주물사 재할용 기술개발에 관한 연구

2. 사업수행기관 : 산업기술정보원

□ 참여기업 : 한승콘크리트 주식회사

3. 총개발기간 : 1994. 12. 30 ∼ 1995. 12. 29

4. 총개발사업비 : 85,000천원

(정부출연금 : 35,000천원  민간부담금 : 50,000천원)

5. 연구책임자 : 산업기술정보원 신 희 덕

6. 기술개발목표

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 하는 것이다. 본 연구의 주요한 기술적 목표는 다음과 같다.

① 폐주물사 재활용 동향

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

② 폐주물사의 물리화학적 특성 분석

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

③ 폐주물사의 콘크리트재료로서의 활용 연구

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.

④ 폐주물사의 몰타르용 재료로서의 활용 연구

폐주물사를 몰타르용 재료로 사용하기 위하여 필요한 기초적인 실험을 실시한다. 이러한 실험을 통하여 몰타르용 건설재료나 몰타르용 제품개발에 대한 기초적인 자료를 제공한다. 즉 폐주물사를 몰타르용 재료로 사용시의 대체사용량 사용시의 문제점과 해결과제를 제시하고자 한다.

⑤ 폐주물사의 콘크리트 2차제품 개발 연구

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

7. 기술개발 추진경위

우리나라 전체적으로 주물생산 업체수는 1992년 1월 실태조사에 의하면 전국에 718개 업체로서 연간 약 48만톤의 폐주물사가 발생되고 있다. 이와같은 폐주물사는 주로 매립에 의존하고 있으며 재활용하고 있는 량은 극히 소량에 지나지 않는다.

폐주물사를 재활용하는 방법은 신사화하는 방법과 폐주물사를 다른 용도로 재활용하는 방법을 생각할 수 있는데, 현재 국내의 실정으로 미루어보아 폐주물사의 가장 효율적인 재활용 방법의 하나는 시멘트와 결합하여 각종 토목□건축용의 자재로 사용하는 방법이고, 본 과제에서는 폐주물사를 콘크리트용 재료로 재활용하기 위한 기술개발을 수행한다.

8. 기술개발결과

① 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.

이 외에 내화학성이나 독성 등은 관련 자료를 통한 분석에서 모두 안전한 것으로 분석되었다. 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.

② 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.

③ 콘크리트 2차 제품

몰타르 실험과 실제적인 제품 생산을 통한 실험에서 시멘트벽돌이나 블록 등에서는 일반 모래에 대하여 100%까지 대체 사용할 수 있다. 그러나 색상 등을 고려하여 주물사 : 석분(폐기물)을 6:4 나 5:5로 사용하는 방법이 적합하다. 또 2차 제품의 개발에서 시멘트벽돌, 콘크리트블록은 KS에 제시한 품질조건을 만족시키지만 인터록킹의 경우에는 흡수율을 낮추기 위한 방안이 고려되어야 할 것 같다. 이 외에 경계석과 보도판 등의 콘크리트제품 개발이 계속되고 있다.

9  예상되는 기대효과

본 연구는 폐주물사를 이용한 콘크리트용 골재 및 콘크리트용 2차제품 개발을 위한 기초적인 기술개발 연구로서 향후 폐주물사의 활용범위를 넓힐 수 있는 계기가 될 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 재한 기초자료 제공

10. 기술개발 결과의 활용 방안

폐주물사를 시멘트벽돌과 블록 등의 콘크리트2차제품 생산에 협동연구기관을 통하여 직접 활용하게 된다.  또 기초적인 연구결과를 토대로 콘크리트용 골재로 부분 대체하는 방법과 배합비와 제조공정의 개발로 압축강도와 흡수율을 향상시켜 좋아지면 인터로킹 블럭과 경계석 등을 제작하게 된다.

11. 후속 기술개발 필요성 및 계획

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.

그리고 미분을 콘크리트용 혼화재로 개발하기 위한 연구가 계속되고 있다. 콘크리트용 혼화재로 미분이 개발된다면 현재 100% 수입에 의존하고 있는 실리카퓸의 수입대체효과는 물론이고 고부가가치의 제품 개발이 가능할 것이다.

12. 기술개발 및 기술개발성과의 활용과 관련된 건의사항

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

ABSTRACT

Utilization of Used Foundary Sands as Concrete Materials

The project involved the reviews of a alternative reuse and the experiments of concrete, mortar and concrete product using of used foundary sands.

First, the study reviewed the use of foundary sand as construction materials and alternative utilization.  It has been undertaken in following areas ; geotechnical fill applications, asphalt concrete products.  Also, it was studied on reuse of used foundary sand, especially cement brick, concrete block and paving stone.

Second, the work was conducted to investigate the performance of fresh and hardened concrete containing discarded foundary sands as a replacement of fine aggregate.  A control mix was proportioned to achive a 28-day compressive streugth of 33 Mpa.  Other concrete mixes were proportioned to replacee 20%, 40% and 60% by weight of regular concrete sand with replacing 0%, 10% and 20% of fly ash admixture.  Concrete performance was evaluated with respect to compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity.  At 28-day age, concrete containg used foundary sand with or without a fly ash showed about 10% higher values than concrete without used foundary sand.  Especially it showed the highest values in 40% replacement of used foundary sand.

Finally the work conducted the application of used foundary sands in manufacture of concrete and masonry products.  The work developed the mix design for cement bricks, concrete blocks and paving stones.  These products are tested by the Korean Standards specification.

The result indicated that concrete and concrete products made with used foundary sand were able to utilize in replacement of fine aggregate.

Keyword : used foundary sand, concrete, concrete products, cement brick, concrete block, compressive strength, reuse, waste treatments, fly ash.

초  록

주물사 재활용 기술개발에 관한 연구

본 연구는 폐주물사를 콘크리트나 콘크리트용 골재로 사용하기 위한 연구를 수행하였다.  연구는 먼저 폐주물사를 이용하여 여러 가지 용도로 활용된 사례를 조사하였다.  미국과 일본 등에서 연구된 것으로서 콘크리트용 재료 외에 아스팔트재료, 시멘트 원료, 록울 원료, 매립재, 원예재료 등에 폭넓게 활용되었다.

콘크리트용 재료의 적합성을 알기 위해서 28일 기준 압축강도 330kg/cm2에 대하여 폐주물사 0%, 20%, 40%, 60%를 잔골재에 대체했을 때의 콘크리트의 3일, 7일, 28일 압축강도와 28일 할열 인장강도, 탄성계수를 실험하였다.  또 각각의 폐주물사의 대체율에 따른 플라이애시의 첨가량이 0%, 10%, 20%로 변할때의 역학적 특성도 조사되었다.  실험을 통해서 알 수 있는 것은 콘크리트의 잔골재로 폐주물사를 40% 대체할 때까지 압축강도는 오히려 증가하였는데, 특히 40% 대체시에는 보통 콘크리트에 비하여 약 10%의 높은 압축강도 값을 나타내었다.

또 플라이애시를 사용한 경우에도 거의 유사한 결과를 보여주었다.

실제 폐주물사를 콘크리트 2차제품으로 사용 가능성을 확인하기 위하여 시멘트 벽돌과 콘크리트, 블록 및 인터록킹 블록을 제작하였다.  이러한 콘크리트 2차제품에는 여러 가지 배합설계에 따라 KS규격에 의해 실험되었다.  실험결과 폐주물사를 콘크리트용 2차제품으로 사용할 수 있음을 보여주었다.

주제어＞주물사, 폐주물사, 콘크리트, 벽돌, 블록, 골재, 압축강도, 플라이애          시, 폐기물 재활용

제 1 장  서론

제 1 절 연구배경

국민 생활수준의 급속한 향상과 경제성장으로 인하여 우리나라의 廢棄物의 배출은 연간 7 - 9%씩 증가하고 있는데, 1994년말 현재 전국 一般廢棄物 발생량은 하루 평균 약 10만톤으로 연간 3,600만톤에 이르고 있다. 근래에 들어 廢棄物의 효과적인 처리방법으로 再活用과 燒却에 대한 관심이 높아지고 있으나 1992년의 경우 매립이 89.7%, 燒却이 1.6%, 再活用이 7.9%로 아직은 거의 대부분을 매립에 의존하고 있는 실정이다. 따라서  廢棄物 처리시설 및 埋立地 부족문제가 심각한 실정이다.  廢棄物처리에서 가장 중요한 것은 가능한 廢棄物 발생량의 억제,유용 자원의 再活用, 위생매립 등에 의한 적정매립의 3단계가 할 수 있다.

우리나라 전체적으로 주물생산 업체수는 1992년 1월 실태조사에 의하면 전국에 718개 업체로서 이는 한국주물공업협동조합이 중심이 되어 협동화, 공동화, 집단화 등의 공장형태로 주물전문공단 조성을 추진하여 일차적으로 인천직할시 서구 경서동에 85년부터 44개 업체가 입주를 시작하였으며, 부산 사상지역은 84년도에 주물단지 추진위원회를 구성하여 1990년부터 입주를 하기 시작하였다.

위와 같은 주물공단 외에도 경기도 김포군, 부천시, 화성군, 안산공단 등 공단에 입주하지 않은 주물공단 업체 등을 포함하여 이들 업체에서 소요되는 주물사는 년간 생형법으로 3,060,000톤, CO2공법으로 189,000톤, 자경성 후란계통이 487,000톤이나 되며, 신사 사용량은 생형법이 주물생산량의 34.4%, CO2법에 의한 경우 67.6%, 자경성 후란경우는 18.0%로 신사 사용량은 년간 482,160톤 등 년간 총 3,736,000톤 정도가 필요하다. 따라서 연간 새로 투입되는 신사 사용량인 년간 약 48만톤의 폐주물사가 발생되고 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. 이것은 콘크리트용 모래와 주물사가 거의 같은 특성을 갖고 있기 때문이다. 이미 많은 종류의 廢棄物이 콘크리트용 재료로 다양하게 再活用되고 있는데  대표적인 것으로는 콘크리트의 耐久性을 높일 수 있는 플라이애시이, 高强度콘크리트용의 실리카퓸, 輕量콘크리트의 골재로 사용되는 슬래그 등을 들 수 있다.

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.

제 2 절 연구의 목적 및 범위

1. 연구의 목적

주물공장에서 사용되는 주물사는 실리카질의 함량이 높은 고급모래라 할 수 있다. 그러므로 폐주물사를 재활용하는 가장 좋은 방법은 먼저 신사화하는 방법이라 할 수 있다. 그러나 주물공장에서 사용후 폐기되는 폐주물사는 처리비용이 톤당 15,000원 정도로 아직은 일본(80,000-120,000원), 미국(30,000 -80,000원) 등의 선진국에 비하여 높지 않다. 국내에서 발생되고 있는 폐주물사를 신사화하기 위해서는 주물사의 종류나 특성에 따라 달라지겠지만 톤당 평균 15,000원-35,000원으로 추정되고 있다. 그러므로 신사의 가격이 25,000 -35,000원선인 점을 감안하면 폐주물사의 신사화는 경제성이 있을 것으로 판단되나 아직 신사화기술의 부족과 초기투자비의 과다, 주물공장에서의 재활용 주물사 사용의 기피 등으로 신사화에 대하여 국내에서는 아직 크게 보급되지 못하고 있는 실정이다.

한편 폐주물사는 산업폐기물 분류상 유해폐기물로 분류되어 위생매립 등의 처리를 하여야 하고, 최근의 매립처분비용의 상승과 매립지의 부족 등으로 주물업자에게는 생산원가의 상승요인으로 작용하고 있다. 또 국가환경적인 차원에서는 매립장의 부족문제와 더불어 유용자원의 폐기라는 측면이 있다.

따라서 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 하는 것이다. 본 연구의 주요한 기술적 목표는 다음과 같다.

가. 폐주물사 재활용동향

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

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 몰타르용 재료로서의 활용연구

폐주물사를 몰타르용 재료로 사용하기 위하여 필요한 기초적인 실험을 실시한다. 이러한 실험을 통하여 몰타르용 건설재료나 몰타르용 제품개발에 대한 기초적인 자료를 제공한다. 즉 폐주물사를 몰타르용 재료로 사용시의 대체사용량 사용시의 문제점과 해결과제를 제시하고자 한다.

마. 폐주물사의 콘크리트 2차제품개발 연구

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

2. 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.

제 3 절 연구의 필요성 및 활용방안

1. 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.

그러나 매립의 경우 처리 비용이 톤당 서울이 18,843원, 대전이 50,028원, 전주는 22,878원으로 비용 부담이 클 뿐만아니라, 현재 서울 지역과 인천, 부천, 안산, 김포 등에서의 처리 비용이 계속 증가되고 있어 주물업자에게 원가상승에 미치는 영향이 심각할 정도이다.

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.

2. 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.

본 연구는 폐주물사를 이용한 콘크리트용 골재 및 콘크리트용 2차제품 개발을 위한 기초적인 기술개발 연구로서 향후 폐주물사의 활용범위를 넓힐 수 있는 계기가 될 것이다. 그리고 국가적 차원에서 □자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 (1992년 12.8 : 법률제 4538호)에 의하여 자원의 절약과 재활용이 활성화될 것이고, 환경처에서 1994년  재활용 제품의 보급을 신문용지, 노트, 봉투, 화일표지, 재생화장지, 전자복사용지, 세탁비누 등 7가지에서 유류제품, 건축자재 등 최근 재활용이 활발히 추진되고 있는 정제유, 재생벽돌, 재생 플라스틱 등을 추가할 예정이고, 상공자원부에서는 앞으로 재활용제품의 품질 개선과 수요확대를 위하여 KS규격을 정하여 실시할 예정으로 있어 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 재한 기초자료 제공

3. 연구결과의 활용 방안

폐주물사를 시멘트벽돌과 블록 등의 콘크리트2차제품 생산에 협동연구기관을 통하여 직접 활용하게 된다.  또 기초적인 연구결과를 토대로 콘크리트용 골재로 부분 대체하는 방법과 배합비와 제조공정의 개발로 압축강도와 흡수율을 향상시켜 좋아지면 인터로킹 블럭과 경계석 등을 제작하게 된다.

제 2 장 폐주물사의 재활용 현황

제 1 절 국내의 주물산업현황

1. 국내 주물산업의 현황

경제발전이 가속화되고 산업화가 국내외적으로 진전되고 있는 추세에 맞추어 주물공업도 규모면에서나 수요측면에서 크게 성장하고 있다.  특히 최근에 이르러 자동차산업의 급격한 신장과 기계장치 산업의 발전에 따라 주물공업은 과거의 영세업체 수준을 넘어 대형화되고 단지화하여 산업부문에서 중요한 위치를 점하고 있기도 하다.

그리고 다른 업체와 마찬가지로 막대한 폐기물의 발생에 따른 환경오염이 심각한 문제로 대두되었고, 자원절약 측면에서도 폐주물사의 재활용이 필요하다는 것은 이제 누구나 공감하고 있는 상태이다.

우리나라 주물업체의 년간 신사사용량은 482,160톤 등 년간 총 3,736,000톤 정도가 필요한 것으로 나타났고, 이는 신사소요량 만큼인 년간 482,160톤의 폐주물사가 발생하고 있다. 이와같은 폐주물사는 주로 매립에 의존하고 있으며 재활용하고 있는 량은 극히 소량에 지나지 않는다.

그러나 선진국의 경우는 일찍부터 폐주물사 재활용 연구에 착수하여 상당히 많은량을 재이용하고 있다.  그 예로 일본의 경우를 보면 10여년 전부터 주물사재활용방안이 연구되기 시작하여 1980년대 후반기부터 실용화 단계에 이른 것으로 보고 되고 있다.

우리나라의 주물 기술은 기원전 3∼4세기경에 砂岩製 鑄型을 사용하여 청동의 칼이나 구리거울을 만들어 냈었고, 기원전 1세기 경에는 밀납 주형을 사용한 주조기술이 발달되어 이 때 만들어진 무기, 미술공예품, 일용품 등이 여러 유적에서 출토되고 있으며, 삼국시대에 이르러 만들어진 여러 불상과 범종 등은 그 주조기술이 대단히 뛰어 났으나 일제 통치시대로 접어 들면서 주물을 생사하지 않는 등 8.15해방과 6.25전쟁기간동안 산업부문이 극도로 부진한 상태에 빠졌었다.

그러나 휴전 이후 차차 기계공업이 복구됨에 따라 주물공업도 활기를 되찾기 시작하였고 1950년대 말부터 외국의 주조기술이 도입되기 시작하였고, 1979년 영국으로부터 Meethanite 주물 제조기술이 도입되어 국내보급이 되었으며, 수입에만 의존해 오던 주철관이 1962년부터 국내 생산이 되었고 가단주철은 1957년경부터 생산하게 되었다.

1968년부 정부는 주물공업 육성방안을 만들어 자금면에서나 행정면에서 적극적으로 지원하기에 이르러 생산의 합리화가 더욱 촉진되었고 그 생산량도 상당히 활발해지기 시작하였다.

이와같이 주물공업이 활성화 되면서 이에 관심을 갖는 업체가 늘어나게 되었고, 이에 정부에서는 주물공단을 지역별로 추진하기에 이르렀다.  공단을 형성함으로써 기술지도라든지 환경문제, 일반 주거지역과 분리라는 면에서는 장점이 있었으나 수십개 업체가 집결하여 있다 보니 폐주물사라는 산업폐기물이 대량으로 발생하여 업체의 문제점으로 등장하게 되었고 이에 정부에서는 특정폐기물로 지정하기에 이르러 더욱 중소주물업체에 부담을 주게 되었다.

그러나 폐주물사의 성분을 조사한 결과 유해한 물질이 검출되지 않음에 따라서 다시 일반폐기물로 분류되어 단순 매립쪽으로 처리가 되기 시작하였으나 사용하면 자원을 그냥 매립해 버린다는 것이 국가적으로 얼마나 손해라는 것을 알게 되었고 관심있는 분들에 의해서 부분적이나마 개인적으로 제한적인 연구는 되고 있으나 국가적 차원에서 연구가 되지 못하는 아쉬움이 여전히 있었던 것이 사실이다.

국내 주물생산업체의 지역별 분포를 보면 부산이 153개업체로 전체의 21.3%를 점유하고 있고, 다음이 인천, 경기, 대구, 경남의 순이며 재질별 공장수를 보면 신철주물(회주철, 구상 흑연 주철 포함) 공장수는 522개, 주강 137개, 가단주철 21개로 철강주물공장수가 680개이고 비철합금공장은 모두 247개 공장으로 되어 있다.

위와같은 주물공단 외에도 경기도 김포, 부천시, 화성군, 안산공단 등 공단에 입주하지 않은 주물공단 업체 등을 포함하여 이들 업체에서 소요되는 주물사는 년간 생형법으로 3,060,000톤, CO2공법으로 189,000톤, 자경성 후란계통이 487,000톤이나 되며, 신사사용량은 생형법이 주물생산량의 34.4%, CO2법에 의한 경우 67.6%, 자경성후란경우는 18.0%로 신사사용량은 년간 482,160톤등 년간 3,736,000톤 정도가 필요한 것으로 판단된다.  따라서 우리나라의 폐주물사 발생량은 년간 약 48만톤이 되는 것으로 알려져 있다. 이와같은 폐주물사는 주로 매립에 의존하고 있으며 재활용하고 있는 량은극히 소량에 지나지 않고 있다.

우리나라 전체적으로 주물생산 업체수는 1992년 1월 실태조사에 의하면 전국에 718개 업체로서 지역별 분포는 <표 1>과 같다.

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 재활용이 가능한 자원이 폐기물이라는 이름 아래 빛을 잃고 외면을 당하고 있는 것이다.

<표 2-1> 국내의 지역별 주물생산 기업체 현황

지 역	기 업 체 수	구 성 비 (%)
서 울	45	6.3
인 천	112	15.6
경 기	111	15.5
강 원	4	0.6
강 북	12	1.7
대 전	28	3.9
충 남	6	0.8
전 북	23	3.2
광 주	16	2.2
전 남	16	2.2
대 구	81	11.3
경 북	43	6.0
부 산	153	21.3
경 남	67	9.3
제 주	1	0.1
계	718	100

<표 2-2>                      주물단지 조성현황

지역 내용	경인주물공단 (인천경서동)	남동제일주물 공단 (인천 남동 공단)	다산주물공단 (경북 고령)	사상주물공단 (부산사상)	마천주물공단 (진해 마천)
사업주체	경인주물공단 사업협동조합	남동제일주물공단사업협동조합	다산주물공단 사업협동조합	부산사상주물공단사업협동조합	진해마천주물공단사업협동조합
위 치	인천시 서구 경서동	인천시 서구 경서동	경북 고령군 다산면	부산시 북구 감전동	경남 진해시 남양동
총 면 적	289,000평		186,000평		181,000평
입주예정업체 (현가입수)	184개사 (51)	20개사 (13)	50개사 (16)	? 개사 (22)	60개사 (12)
건설기간	□84-86: 89,000 □91-94: 200,000	10,000	□90-93: 186,000		□87-91: 181,000
소요자금	498억원 자기자금: 347억 진흥기금: 151억		740억원 자기자금: 563억 진흥기금: 177억		736억원 자기자금: 660억 진흥기금: 76억
생산능력	480,000톤/년 89,000평: 18만 200,000평: 30만		169,000톤/톤		141,000톤/년

<표2-3>              국내 주물사 주요산지 및 이용상황

地 方	鑄物砂名	産 地	砂種	利用工場	使用都市
서울地方	뚝섬A 뚝섬B 鹽倉A 鹽倉B 金 浦	□□ □서울 뚝섬 유원지 부근 □□ □□ □京畿道金浦郡鹽倉洞鹽倉里 □□	河川砂 風化砂 河川砂	多數	서 울 仁 川 天 安
中部地方	東 面 鳳江橋 天 安	大田東方 8km 東面江邊 天安附近	河川砂 風化砂 山 砂	2 3 1	大 田 天 安
大邱地方	八達橋	大邱南方 4km 落東江支流金湖江下流	河川砂	5	大 邱 金 泉
釜山地方	影島A 影島B 水 營 蔚 山 金 海	□□ □靑山影島 □□ 水産大學附近 蔚山附近 金海落東江附近	風化砂 河川砂 風化砂 河川砂	7 10 1 2	釜 山 馬 山 鎭 海 晉 州 釜 山
全南地方	榮山浦 山洞橋	榮山江邊 光州地方 4km	河川砂 河川砂	4 5	木 浦 光 州 松汀里
全北地方	大場村	裡里東方 8km 益山江과 萬鏡江合流地	河川砂	12	群 山 裡 里 全 州

2. 주물사의 종류와 특성

우선 주형의 종류를 보면 ① 생형법(green sand casting) ② 배형법(焙型法 : 표면건조법 - 생사의 표면을 건조하여 만든 사형) ③ 건조형법(건조된 사형) ④반영구 주형법(벽돌형, 시멘트형) ⑤ die casting(압력die casting, 중력die csating, 저압주조법) ⑥shell형법(합성수지 배합사를 열경화하여 만든 사형 : shell mold법) ⑦개스형법(규산소다 배합사를 CO2로 경화하여 만든 사형) ⑧원심주조법(사형원심주조, 금형원심주조) ⑨정밀주조법(LOST WAX법, WAX형법, 석고형법, Shaw process(석고모형으로 만든 특수 내화물)) 등으로 이와 같은 주조방법에 의하여 주형을 만드는 과정에서 주물사에 수분을 가하고 혼련할 때 점결력을 부여하기 위하여 점결제(binder)를 사용하는데 내화성이 강한 木節粘土, 약알카리성인 K, Na 이온을 가진 bentonite와 H2, Mg, Ca 이온을 가진 약산성 반응을 일으키는 알칼리성 토류 bentonite, 석고, 시멘트, 유기질 점결제로 사용되는 유류(아마유, 대두유), 곡분류, 당류, 합성수지, pitch와 특수 점결제로 개스형법에 사용되는 점결제로 CO2개스 차입에 의하여 탄산소다와 규산으로 변화하여 경화하는 규산소오다 등이 있으며 주물사의 점결력을 증가시키는 목적이외에 첨가제로는 주물의 살결을 곱게 하며 砂落을 용이하게 할 목적으로 상용되는 粒狀의 석탄분과 sea coal (미국에서 표면사로 사용하고 있으며 한국에서도 사용중), 흑연 등도 사용된다.

<표 2-4>               국내 조형방법별 주물사 사용량

조형방법 항목	단위	생형법	CO2법	자경성후란	총 계
주 물 생 산 량	t/y	980,000	140,000	280,000	1,400,000
비 율	%	70	10	20	100
주 물 사 사 용 량	t/y	3.060.000	189,000	487,000	3,736,000
신사사용량/제품생산량		0.344	0.676	0.180	0.344
신 사 사 용 량	t/y	337,120	94,640	50,400	482,160

제 2 절 주물사 신사화동향

미국 Modern Casting지 (American Foundrymen's Society 발행)에 의하면 세계 각국의 주물품 생산량은 1990년 기준으로 보면 전 주물생산량 중에서 회주철이 70.6%로 가장 많고 다음은 구상흑연주철이 9.9%, 주강이 7.9%, 알루미늄 합금주물이 5.4%, 가단주철이 2.3%, 기타 2.6%의 순으로 구성되어 있다.

세계 각국의 주물 생산량을 보면 러시아가 18,000,000톤으로 가장 많고 미국이 10,210,000톤(한국의 7.3배), 중국이 8,869,400톤, 일본이 6,804,601톤(한국의 4.9배), 독일이 4,879,617톤, 프랑스가 2,380,764톤이며 이탈리아, 체코, 영국, 한국순이며, 우리나라는 1990년에는 1,395,200톤이었으며 현재는 비슷한 수준으로 1,400,000톤을 약간 상회할 정도로 보고 있다.

따라서 주물공업이 유럽과 미국에서 시작하여 일본에서 꽃을 피우고 있음을 감안할 때 미국이나 유럽쪽에는 이미 폐주물사의 재활용이 일찍부터 추진되고 있으리라고 생각되며 가까운 일본의 경우를 보면 우리보다는 벌써 10여년 전부터 주물사의 재활용 방안이 연구되기 시작하여 1980년대 후반기 부터 실용화 단계에 까지 이르른 것으로 보인다.  이는 발표된 논문이나 활용하고 있는 주물업체들을 통하여 알 수 있는 일이나 우리나라는 국가 산업을 선도한다는 대기업들마저도 이에 대한 투자를 하지 않고 폐기물로 분류하여 폐기물처리 방법중 가장 비경제적인 매립에 의존하고 있다는 자체가 너무나 안타까울 뿐이다.

일본의 경우를 보면 1988년과 1990년에 가장 활발하게 연구 논문이 발표 되었으며 발표된 내용들을 보면 우리가 폐주물사라고 호칭하는 것을 回收砂라고 하여 못쓰는 모래가 아니라는 것으로 이름한 것이 좋은 인상을 주며, 회수사의 거의 전분야에 걸쳐서 연구가 되었다.

회수한 모래에서 금속을 분리하고 모래에 섞여있는 각종 이물질을 제거하는 방법, 재생 방법중 습식법과 일반적인 건식법, 재생사의 제조 과정과 정제된 모래의 품질, 공정단계, 재생사를 사용시 품질과 주물에 미치는 영향, 개선 방법 등 거의 전분야에 걸쳐서 연구가 되어 있어서 여기에 우리나라 실정에 맞는 방법을 적용한다면 일본과 재생사 활용방법에 대한 격차를 조만간에 줄일 수 있을 뿐만아니라 이에 대한 연구로 말미암아 자원을 절약하고 주물생산업체의 원가를 절감할 수 있을 것이며 단순 매립이 아닌 재활용함으로써 이로 인한 국가적으로 볼 때에 골재 채취로 인한 자연훼손 방지는 물론 매립으로 인한 환경오염 방지와 자원의 절약이 가능함으로  장기적으로 볼 때 국가에 커다란 이익이 될 것이므로 국가적 차원에서 연구의 기반을 조성한다는 것은 대단히 중요하리라고 생각한다.

<표 2-5>                   造型 프로세스와 再生難易度

分 類		粘 結 劑	代 表 例	再生의 難易
生 砂 型		벤토나이트	生砂, 高壓, 靜壓造型	△
熱硬化性鑄型	有機系	페놀계 후란계	쉘몰드법 핫박스법, 웜박스법	◎ ◎
自硬性鑄型	無機系	규산소다	N프로세스, 켐레스법	△
	有機系	후란계 우레탄계 페놀계	후란법 펩셋트□리노키아법 알파셋트법	◎ ◎ ○
가스硬化鑄型	無機系	규산소다	CO2법	△
	有機系	우레탄계 후란계 페놀계	콜드박스법 핫트박스법 베타셋드법	○ ◎ ○

(◎ ＞ 용이함     ○ ＞ 충분가능     △ : 어려움     □ : 재생불가)

제 3 절 국내 폐주물사 재활용동향

앞에서도 살펴 본 바와같이 폐주물사는 연간 48만여톤이나 발생하게 되며 이를 처리하기 위해서는 습식이든 열처리 방식이든 투자규모와 열이용 방법,모래 회수율 향상방법, 탈철시설 설치, 점결제 제거 방법, 분쇄 장치, 모래 입도 조절 장치, 탄소류 제거 방법, 알칼리 성분 중화 방법, 후란계통 재활용을 위한 유기질 제거 방법, 적정 온도 판단, 전자제어장치 설계 등 폐주물사를 新砂(green sand)화 하기 위한 물리적,화학적인 측면에서 기술을 개발할 필요가 잇고, 이와 같은 과정이 완료된 후에 이러한 재활용된 모래를 사용했을 때의 활용시 효과와 주의할 점 등에 관한 연구가 있어야 한다.

산업폐기물 매립지는 1992년 현재 9,646,000□로 1991년의 7,775,000□에 비해 많이 늘어간 것이긴 하나 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 증가하므로 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 생형법을 고집하지 않을 수 없기 때문에 폐주물사의 감량화는 어렵다고 보고, 모래이기 때문에 소각은 불가능하기 때문에 결국 매립과 재활용 방법 밖에 없다고 볼 수 있다.

그러나 매립의 경우 처리 비용이 톤당 서울이 18,843원, 대전이 50,028원, 전주는 22,878원으로 비용 부담이 클 뿐만아니라 현재 서울 지역과 인천, 부천, 안산, 김포 등에서의 처리 비용이 서울 지역으 매립 비용 내외 수준으로 업체에 부담을 주고 있는 것이 사실이다.

또한 폐기물 중간 처리업자들이 수거한 폐주물사는 매립하고 있기 때문에 국가적 차원에서 자원을 낭비하는 결과를 초래하고 있으며 산업연구원의 자룔 연구 결과에도 보면 재활용 가능 대상 품목에 음식물/채소류, 폐지, 고철, 폐플라스틱, 파유리, 나무류 등 6개 품목을 선정하고 있고 폐주물사나 견축폐기물 등은 고려하고 있지 않고 있음은 아직도 이 분야에 대한 연구가 제대로 되고 있지 않음을 단적으로 보여 주고 있는 것이라고 생각된다.

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.

이러한 조건을 폐주물사에 비교하여 본 다면 모든 면에서 타당성이 있다고 본다.따라서 우선 정부 차원에서 연구를 하고 최대한 재활용할 수 있는 분야를 개발하고 이를 지속적으로 추진해 나간다면 이미 일본에서 일부분은 연구가 되어 있고 한국내에서도 부분적이나마 관심과 연구가 되고 있는 실정이기 때문에 한국형 폐주물사 활용방안을 연구한다면 조만간에 좋은 연구결과가 나오리라고 생각된다.

1. 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.

외국의 폐주물사 재활용 상태를 이웃 일본을 예로 들어보면, 1990년 일본의 주물사 재생량은 약 500톤으로 추정되고 있는데, 주물사는 주조품의 형상, 입도 및 사용되는 점결재 혹은 첨가재의 혼합율에 따라 각각 차이가 나므로 관동권을 중심으로 한 자동차공장에서 배출되는 주물폐사를 입도 및 그 종류에 따라 3종류로 나누어 재생하고 있다.

1989년의 폐주물사 거래량은 98,910톤인데, 그 중에서 85.9%는 주물사로 재생되고 나머지 12.4%는 시멘트원료, 제철원료로 이용되고 매립되는 것은 1.7%에 지나지 않는다.

재생공정은 모래에 함유된 철분의 제거, 유동층내에서 800℃까지 가열하여

유기분을 완전연소후에 주물사 상호의 마찰에 의하여 표면부착물을 분리하여 진동스크린으로 분급하는 과정으로 되어 있다.

2. 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.

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□  폐 주물사  □                                                      □ＪＰ］-ＥＷＬ□

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□  야     적  □                                                      □  야     적  □

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□ 로우더                                                             □ 로우더

□                                                                    □

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□  호     퍼  □                                                      □  호     퍼  □

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콘베어 □ 1차 탈철                                                           □ 콘베어

□                                                                    □

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□ 1차 분 쇄   □                                                      □ 1차 분 쇄   □

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콘베어 □                                                                    □

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□ 스  크  린  □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□                              □

□□□□□□□□□□□□□□□   콘베어 ３ 3차 탈철         □                              □

일반쓰레기 □                                □                              □

분리     □                                □                              □

□□□□□□□□□□□□□□□     콘베어       □□□□□□□□□□□□□□□                       □

□1차 입도조정 □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ 함마크래셔  □                       □

□□□□□□□□□□□□□□□    2차 탈철      □□□□□□□□□□□□□□□                       □

□                    잡석０일반쓰레기 분리                      □

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□ 83%    □ 10%

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□ 시멘트  □□□□□□□□□□□□□□ 혼합 ＞기계설비에 의한 계량 □□□□□□□□□□□□□    물     □

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7）                               □

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□  성     형  □

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□□□□□□  경 화  □□□□□□  탈 형  □□□□□□ 자연 양생 □□□□□□  야 적  □□□□□□  출 하  □

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강제 증기건조 (80-100℃)                  25일 이상

4시간

<도 2-1>           국내 H社의 폐주물사를 이용한 벽돌제조공정

<표 2-6>    폐주물사를 원료로한 건축재료의 물성비교 (H사 제품)

물 성	단 위	벽 돌			블 록		비 고
		KS	콤비	시중품	KS	콤비
규 격	mm	190□90□57	±3mm로 합격	±3mm	390□190□150	±2mm
압축강도	kgf/cm2	80이상	130∼170	97	40이상	38∼40	ASTMT-321에 준함
충격/균열			정상			정상	KSF2258, 2262에 준함
열전도율	kcal/m3h℃	-	0.14∼0.3	1.2∼1.5	-	0.14∼0.3	주택공사 시험치
흡 수 율	%	20이하	20(52.7g)	12(29.2g)	40이하	26	KSF-2451에 준함

3. 폐기물의 콘크리트용 재료로서의 재활용 동향

세계 각지에서 페기물을 再活用하여 콘크리트에 사용되어 각종 건설재료나 건축자재로 재활용되고 있는 사례는 무수히 많고, 여기서는 그 일부를 간략히 소개하게 되는데, 비단 외국의 사례를 열거할 필요도 없이 우리 주변에서도 廢棄物에 대한 再活用 사례가 점점 많아지고 있다. 그 중에서도 특히 콘크리트에 사용될 수 있는 廢棄物이나 副産物은 무수히 많고 그 가능성도 높은 편이다. <표2-7>에는 콘크리트에 적용 가능한 폐기물의 재활용 동향을 요약한 것이다.

이와 같이 廢棄物을 콘크리트에 사용할 가능성은 많지만 이에 못지 않게 효율적인 再活用이 못되고 있는 경우가 대부분인 것이 사실이다.이러한 이유는 廢棄物을 그대로 콘크리트의 재료로 사용할 수 있는 경우는 드물고 廢棄物을 다시 분류하거나 다른 프로세스를 거쳐야 하는 경우가 많기 때문이다.

그러므로 廢棄物을 콘크리트에 효율적으로 再活用하기 위해서는 廢棄物의 특성과 사용할 廢棄物이 콘크리트에 어떤 영향을 미치는지 등에 대한 충분한 검토가 필요하다.

본 장에서는 주물사 재활용을 위한 참고자료로서 이미 본격적으로 활용되고 있는 플라이애시나 실리카퓸, 슬라그 뿐만아니라 각종 쓰레기와 産業廢棄物을 이용하여 콘크리트에 사용되는 사례를 조사분석하고 쌀겨, 톱밥 등의 유기성 廢棄物이나 콘크리트廢材, 유리廢材, 벽돌廢材 등의 無機性 廢棄物과 産業廢棄物 등을 콘크리트에 사용하는 방안과 문제점 등에 대해 기술한다.

가. 有機性 廢棄物

유기성 廢棄物은 쌀겨,코코넛 줄기,톱밥 등의 주로 식물성의 유기성 廢棄物이 콘크리트에 혼합하여 사용될 수 있다.이 외에도 식물성과 동물성의 유기성 廢棄物이 지역에 따라 사용될 수 있다.

(1) 쌀겨

쌀겨는 인도 등지에서 프리캐스트 블록이나 슬라브에 콘크리트용 골재로 사용되어 오고 있다. 쌀겨는 톱밥에 비하여 상대적으로 적은 수용성 시멘트 독성을 가지고 있으며 0.1 - 0.15t/m3의 낮은 밀도를 나타내는 물질이다. 쌀겨콘크리트는 쌀겨와 시멘트의 배합비와 다짐의 정도에 따라 달라지지만 대개 중량이 0.6t/m3 정도이다. 또 압축강도는 대개 30 - 130 kg/cm2이고 휨강도는 20 - 50kg/cm2정도를 나타낸다.

(2) 쌀겨재(RHA)

쌀겨는 쌀겨재(RHA)로 만들어 사용하면 더 효율적인데,콘크리트에서 시멘트의 부분적인 대체재료로 사용할 수 있다. RHA는 주성분이 비정질의 실리카질로서 약 85 - 97%를 차지하고 있는데,燒却過程에 따라 이러한 成分 含量이 달라지게 된다.

<표 2-7>       시멘트□콘크리트계 재료에 폐기물을 재활용한 사례

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.

RHA가 콘크리트에 미치는 영향은 燒却溫度,燒却時間,空氣量 注入 등에 따라 그 특성이 달라진다.지금까지의 실험과 연구 결과에서는 자연 공기의 주입상태로 400℃ 에서 4시간 동안 燒却하고 자연상태에서 되도록 즉각적인 냉각과정을 거친 후 100분 동안 그라인딩한 상태의 쌀겨재가 그 특성이 뛰어나다고 보고되고 있다. 물론 여기서 사용되는 쌀겨재는 정미소 등에서 바로 배출되는 일반적인 쌀겨재를 사용했을 경우이다.

RHA 20%와 시멘트 80%를 혼합한 콘크리트와 RHA를 전혀 사용하지 않은 콘크리트에 대하여 그 압축강도를 살펴보면 28일 강도에서 620kg/cm2,450kg/cm2로 RHA를 20% 정도 첨가한 경우의 콘크리트 강도가 40% 이상 강도 증가를 보인다는 사실이다.또 RHA를 시멘트에 대하여 70% 정도까지 대체해서 사용하더라도 전 養生期間에 걸쳐서 보통의 콘크리트에 비하여 동등 이상의 강도를 발휘한다는 흥미로운 사실이 입증되고 있다. RHA콘크리트는 조적공사의 모르타르,기초부 콘크리트,매스콘크리트,시멘트 벽돌의 제조 등에 사용하기에 적합하다.

(3) 톱밥

톱밥을 이용한 콘크리트는 저렴한 가격으로 輕量콘크리트를 만들 수 있는 잇점이 있다. 톱밥은 시멘트페이스트의 수화반응과 경화를 저해하는 수용성 독성을 상당 부분 포함하고 있다.따라서 톱밥을 콘크리트에 사용하기 위해서는 물리 화학적인 사전 처리가 필요하고 이로 인해서 톱밥콘크리트의 사용시 추가적인 비용의 증가효과가 다소 발생하게 된다. 전처리 방법은 콘크리트 재료로 믹싱하기 전에 톱밥을 물에 잠겨두거나 씻는 방법이 있는데 이렇게 함으로서 톱밥이 콘크리트의 경화를 저해하는 물질을 제거하게 된다. 또 톱밥콘크리트에는 시멘트의 체적에 대하여 약 1/6 - 1/3의 첨가하여 사용하게 된다. 톱밥을 이용한 콘크리트나 시멘트 제품은 乾燥收縮率이 아주 크기 때문에 변형이 다소 자유로워도 가능한 부위에 사용해야 한다는 사용상,설계상의 제한이 뒤따른다.

인도 등에서는 톱밥과 마그네슘 산염화물 시멘트를 사용하여 철근콘크리제 문이나 창문틀을 만드는데 사용해오고 있다.이러한 제품은 목질계 시멘트제품과도 상당히 유사한데,가공성과 나사의 고정,페인팅이 쉬운 등의 장점을 가지고 있다.

(4) 코코넛 줄기廢材

코코넛 줄기廢材는 코코넛으로 부터 섬유를 분리할 때 분리되는 먼지와 粒狀의 副産物을 일컫는다.이러한 副産物은 輕量콘크리트의 골재로 사용될 수 있다.코코넛식물의 廢材를 이용한 콘크리트는 비중이 0.4 - 0.7 로 대단히 가볍고 단열성이 뛰어난 특징을 가지고 있다.

나. 도시 쓰레기

도시쓰레기 중에는 콘크리트용 골재로 사용할 수 있는 것들이 많이 포함되어 있는데,콘크리트廢材,폐벽돌,폐유리 등의 도시쓰레기나 기존 구조물의 해체에 따른 각종  건설副産物 등이 있다. 이미 콘크리트廢材를 再活用하는 방법은 각국마다 주요한 이슈가 되고 있어 그 효율적인 활용방안에 대한 연구도 한창이다.

(1) 콘크리트廢材

건축물 등의 해체 후에는 많은 양의 콘크리트廢材가 발생된다. 이러한 콘크리트廢材를 파쇄하여 새로이 콘크리트용 골재로 사용할 수 있다. 일반적으로 리사이클 콘크리트를 사용한 콘크리트의 물시멘트비는 보통의 콘크리트와 비교하여 동일한 슬럼프값에 대해서 5% 이상의 물이 더 필요하게 된다.이와같이 리사이클 골재가 콘크리트를 비빌 때 물의 함량이 더 필요한 것은 골재의 거친 표면과 형상이 날카로운 것 등의 이유때문인 것으로 알려져 있다.

워커빌리티는 보통의 자연산 골재를 사용했을 때보다 더 빠른 속도로 나빠지게 되는데, 이것은 리사이클 골재는 공극을 많이 포함하고 있어 콘크리트의 믹싱후에 연속된 수분의 공극침투효과 때문인 것으로 여겨진다.그러나 이러한 워커빌리티의 저하속도가 빨라진다고 해서 콘크리트의 강도에 크게 나쁜 영향을 주게 되는 것은 아니다.

대개 리사이클골재는 콘크리트에 포함된 모르타르의 약 40% 정도가 그대로 포함되어 있는데 이러한 모르타르나 시멘트페이스트가 골재에 부착되면 리사이클콘크리트의 탄성계수를 저하시키고 크립이나 건조수축량을 증대시키는 바람직스럽지 못한 결과를 나타낸다.그러므로 구조물의 특성상 콘크리트의 압축강도 보다는 처짐에 의해 크게 영향을 받게 되는 구조물에는 리사이클콘크리트를 사용하는 것은 비경제적일 수도 있다.그리고 프리스트레스트 콘크리트에 리사이클콘크리트를 사용하는 것은 자연산의 골재를 이용한 콘크리트 보다 상대적으로 높은 크립과 건조수축으로 오히려 비경제적인 결과를 초래할 수 도 있다.

한편 리사이클골재에서 가장 힘든 문제의 하나는 품질관리라 할 수 있는데,이것은 기존의 콘크리트 건물의 코느리트 특성이 각양각색이고 리사이클하는 프로세스에 따라 생산된 골재의 특성이 또한 다르기 때문이다.이처럼 균질한 골재를 생산하기가 어렵다는 사실이 리사이클골재의 사용시 설계상의 표준화를 어렵게 만들고 시공상의 品質管理도 힘들게 만드는 요인이 되고 있다.

日本 建設省 建築硏究所가 제안한 □再生骨材를 사용한 콘크리트의 使用基準(安)□에 따르면 잔골재는 모두 보통의 자연산 모래를 사용하고 굵은골재는 일정비율의 재생골재를 사용할 때,재생골재의 혼합비율에 따라서 A,B,C의 3종류로 분류하고 있다.

리사이클골재를 사용할 수 있는 콘크리트 구조물로는 대체로 低强度를 요구하는 구조물에 적합한데,기초부 콘크리트,콘크리트 포장,非耐力材로 사용되는 콘크리트 부재에는 별 어려움 없이 사용될 수 있을 것이다. 再生骨材는 보통의 자연산 골재보다 품질이 나쁜데,재생골재의 함량이 많이 포함된 콘크리트일수록 콘크리트의 품질이 저하된다.그런데 최근에는 특수한 설비를 이용하여 再生骨材를 자연산 골재와 동등한 특성을 갖는 골재 생산에 대한 연구가 시도되고 있고,일본 등지에서는 시험플랜트에서 이와같은 골재를 생산하여 실험한 결과 자연산 골재를 사용했을 때와 콘크리트의 성질이 동등하다는 사실을 입증하기도 했다.

그리고 지금까지의 파쇄시스템으로도 재생골재의 함량이 30% 정도까지는 보통콘크리트와 동등한 특성의 콘크리트를 생산할 수 있다. 그러나 골재 함량이 30%를 넘게 되면 품질저하가 문제가 되고, 이때는 간이 콘크리트 등에 사용할 수 있다.

(2) 벽돌廢材

벽돌廢棄物은 파쇄하여 콘크리트용 골재로 사용할 수 있는데,특히 방글라데시 같은 국가에서는 자연산 골재가 극히 부족하기 때문에 벽돌廢棄物도 훌륭한 콘크리트의 골재로 사용될 수 있다.우리나라의 경우에도 도시화,건축물의 현대화 등으로 기존 주택이나 건축물의 해체에 따른 많은 양의 건설廢棄物이 쏟아지고 있다.

점토벽돌을 파쇄하여 콘크리트의 골재로 사용하기 위한 시험결과에서 물시멘트비 0.88 - 0.54 사이에서 콘크리트 28일 압축강도가 230 - 430kg/cm2으로 나타났는데 이것은 보통의 콘크리트의 강도와 거의 동등한 결과를 나타낸다.또한 이때의 콘크리트의 비중은 2.0 - 2.08로 輕量콘크리트이다.

점토벽돌을 파쇄하여 콘크리트의 골재로 사용시의 특징은 콘크리트의 인장강도가 보통콘크리트에 비하여 11% 정도 높고 탄성계수는 30% 정도 낮아지는 특성을 나타낸다.

(3) 폐유리

가정용 廢棄物에서 유리형태의 廢棄物이 차지하는 비중이 영국에서는 9% 정도에 이르고,미국에서는 약 6 - 8%에 이르는 것으로 추산되고 있다.이러한 많은 廢棄物이 원활히 수거되어 다시 재사용되는 것이 바람직하지만 유리제품의 부분적인 파손이나 수집 및 재사용상의 어려움으로 많은 유리의 廢棄物이 발생되고 있는 실정이다.

이러한 유리廢棄物을 콘크리트의 골재로 사용하는 방안이 연구되면서 유리골재라는 단어가 생겨났다. 유리골재를 이용하면 자연산 골재를 이용했을 때의 콘크리트 압축강도가 450kg/cm2인데 반하여 똑같은 조건에서 600kg/cm2 의 강도를 나타낸다고 실험결과에서 보고되고 있다.

이러한 유리골재를 이용하여 일반적인 콘크리트에 사용하는 방법외에도 콘크리트계 인조대리석의 생산은 독일에서는 인기있는 건축자재의 하나가 되고 있다.그러나 유리골재를 사용할 때는 알카리 환경상태인 시멘트와 유리의 알카리반응이 다소 문제가 되기 때문에 유리의 사용시에는 시멘트의 선택이나 유리의 전처리 등의 공정이 필요하다.아직 이러한 분야의 연구는 초보적인 단계이므로 유리골재 콘크리트의 장기적인 거동 등이 좀 더 연구되어야 할 것이다.

(4) 燒却宰(MSW Ash)

근래에 들어 廢棄物의 효과적인 처리방법으로서 再活用과 燒却에 대한 관심이 높아가고 있다.1992년의 경우 국내 발생 쓰레기의 89%가 매립되고 再活用이 7.9%,燒却이 1.6%인 50만톤 정도이다.우리나라의 현재 쓰레기 매립장은 719개소인데 대당부분의 매립장이 1,000평 이하의 저습지,농지,폐하천 부지 등에 임시방편으로 관리되고 있다.이러한 매립지 또한 1993년 말까지는 시설의 61%인 439개소가 매립이 완료될 예정으로 있어 폐쇄될 전망이다.그러나 새로운 매립장의 건설은 용지난의 절대 부족과 지역 주민에 의한 님비(Not In My Back Yard)현상으로 순탄하지만은 않은 실정이다.그리고 국내에서 발생되는 쓰레기 중에서 불에 태울 수 있는 가연성 쓰레기가 전체의 47.4%나 되고 있지만 燒却되는 비율은 극히 미미한 실정이다.따라서 현재 1.6%에 머물고 있는 廢棄物의 燒却율을 □97년 까지 14.2%로 높이기 위해 14기의 燒却로를 새로 건설할 예정이다.이렇게 되면 하루 12,000톤의 쓰레기가 燒却되지만 여기서 나오는 燒却宰의 처리문제도 심각하게 대두된다.

燒却宰는 전기집진에 의해 회수되는 EP재(Electrostatic Precipitater Ash)와 재로서 하부에 남게되는 BA재(Bottom Ash)가 배출되는데,콘크리트에 이용 특성상 EP재가 BA재 보다 좋기 때문에 EP재의 再活用에 대한 관심이 높다.그리고 燒却宰는 콘크리트에 사용시 燒却할 廢棄物의 종류와 특성,그리고 燒却시설에 따라 달라지게 된다.대체적으로 燒却宰는 시멘트에 대체하여 사용하게 되는데,燒却宰의 사용비율이 높아질수록

콘크리트의 품질특성이 저하된다.그러나 많은 실험과 연구를 통하여 시멘트에 대하여 30% 정도까지 대체하여 사용할 경우는 콘크리트의 강도가 높아지지만 이 한계를 초과하면 콘크리트의 압축강도가 급격히 저하된다.

미국과 일본 등의 선진국에서는 이미 燒却宰를 콘크리트용 재료로 再活用하기 위한 많은 연구가 진행되고 있는데 우리나라도 이에 대한 충분한 연구와 再活用 기술개발이 시급한 실정이다.

(5) 廢스치로폴

廢스치로폴을 시멘트,모래와 균일 혼합해서 소성시키면 페스치로폴 부분이 공극이 발생하여 輕量기포콘크리트가 형성된다.輕量성,단열성이 뛰어나고 준불연성재료로도 이용할 수 있다.

(6) FRP廢材

FRP廢材를 미분쇄하여 콘크리트의 모래 대신에 輕量골재로 사용하는 방안도 보고되고 있다.이러한 재료는 특히 미장모르타르 등에 사용시 탁월한 재료 특성을 나타내게 된다.

(7) 연탄재

최근들어 주거생활의 현대화로 생활쓰레기에서 연탄재가 차지하는 비율이 25% 정도로 상당히 줄어들기는 하였으나 아직까지 국내 생활쓰레기에서 가장 많은 양을 배출하고 있다.이러한 연탄재를 시멘트벽돌에 모래 대용으로 사용하는 방안이 다각도로 강구되었고,관련된 특허도 다수 발표되고있다.연탄재를 이용한 시멘트 벽돌은 단열성,차음성 등에서 뛰어난 특성을 나타내고 강도에서도 기존의 시멘트벽돌 이상의 성능을 발휘한다.연탄재를 再活用하여 벽돌 등을 생산하는 업체는 3개사 정도가 있다.

(8) 복합쓰레기

다양한 생활쓰레기를 분리하지 않고 파쇄하여 시멘트와 혼합하여 보도블록이나 조경블록 등을 생산하는 기술로,쓰레기의 분리수거와 선별처리에 따르는 비용을 줄이고 쓰레기를 전체적으로 이용하는 방법에서 가장 再活用도가 높은 아이템이라 할 수 있다.이와 관련된 제품 생산기술이 국내외에서 많은 특허가 출원되고 있고,국내에서도 기술개발에 성공하여 제품의 생산단계에 있다.

다. 산업용 廢棄物

슬라그,플라이애시,실리카흄,클린커 등은 이미 콘크리트의 사용이 일반화된 것들로 단지 廢棄物을 再活用한다는 측면을 넘어서서 콘크리트의 고강도화,고내구화,輕量화 등의 새로운 기능과 특성을 만들어 내면서 콘크리트 재료에서는 없어서는 안 될 주요한 위치를 점하고 있다.

(1) 슬라그

제철소의 副産物인 슬라그는 잘 알려져 있는 재료로 이미 콘크리트 등에 효과적으로 사용되고 있는 재료이다.슬라그의 물리화학적 특성은 그 제조공정에 의해 크게 영향을 받게 되는데 시멘트의 원료로 사용되어 골슬라그시멘트를 만들고,輕量콘크리트의 골재로 사용되며 최근에는 분말화하여 각종 건축자재로도 생산되고 있다.

또 국내의 현대시멘트 단양공장에서는 각종 슬라그와 광재를 미세분말화하여 소성시킨 후 냉각시에 석고 등의 원료를 혼합하여 건축용 자재원료로 포장 판매하고 있다.

(2) 플라이애시

플라이애시는 석탄 화력발전소에서 집진되는 미세분말로 시멘트의 원료나 콘크리트에서 시멘트의 代替材料나 골재의 代替材料도 사용되고 있고 각종 건축자재로도 생산되고 있다.이미 플라이애시는 콘크리트에서는 없어서는 안 될 중요한 재료가 되고 있는데 콘크리트의 耐久性 증진,워커빌리티의 向上,乾燥收縮의 減少,化學浸透에 대한 抵抗性 등으로 댐 등의 매스콘크리트나 콘크리트포장,해양콘크리트 구조물 등에 늘리 사용되고 있다.

최근에는 플라이애시를 이용한 高强度化에 대한 연구 등,수많은 연구결과가 발표되고 있고 플라이애시의 사용 효율을 높이기 위한 고순도플라이애시(Classified Fly Ash)에 대한 연구도 한창이다.

또한 미국의 Agglite사 등에서는 플라이애시를 시멘트와 특수한 혼화제과 혼합하여 전처리과정을 거친후,작은 덩어리 형태의 輕量골재를 제조하는 기술을 개발하여 미국내 400개 이상의 석탄 화력발전소에 이러한 공정시스템을 설치할 계획으로 있고,이렇게 되면 유용 副産物의 효율적인 이용과 매립지 확보난,플라이애시 처리비용 등을 크게 절감할 수 있다.

한편 석탄재를 이용한 각종 건축자재도 개발되고 있는데,일반 콘크리트 패널,ALC제품,벽돌 등에 다양하게 사용되고 있으며 최근에는 日本의 電源開發公社와 大同콘크리트사에서는 무게비로 석탄재 40%,시멘트와 발포제를 60%의 비율로 섞어서 輕量기포콘크리트의 일종의 흡음재를 개발하였는데,중고음의 여역에서 90% 이상의 흡음성능을 나타내는 신제품을 개발하기도 하였다.

(3) 실리카퓸

실리카흄은 페로실리콘 등을 제조할 때 생성되는 副産物로 시멘트에 비해서도 비표면적이 50배 이상 큰 초미립분으로 된 재료이다.실리카흄의 가장 큰 특징은 콘크리트에 사용되어 초고강도콘크리트를 제조할 수 있다는데 있다.일반 콘크리트의 강도가 300kg/cm2 전후인데 비해 실리카휴을 시멘트에 대해 10 - 20% 혼합 사용하면 콘크리트의 압축강도를 1,000kg/cm2 이상까지 만들 수 있게 된다.

실리카흄 같은 경우는 副産物의 개념을 넘어서서 이미 콘크리트의 고강도화를 위해서는 없어서는 안될 주요 자원으로 정착된 경우이고 그 부가가치를 극대화시킨 廢棄物 再活用의 경우라 할 수 있다.실리카휴을 콘크리트에 사용하는 연구는 이미 상당한 부분까지 진행되고 있다.

(4) 廢비닐

폴리머를 콘크리트와 함께 사용하는 방법으로 플라스틱콘크리트가 이미 상용화되어 있다.그런데 農業用 廢비닐이나 공장에서 나온 廢비닐 등의 열가소성 수지를 이용하여 재생수지콘크리트를 만드는 방법이 다양한 용도로 전개되고 있다.

특히 농업용 廢비닐은 한국자원재생공사에서 수거하여 운반비 정도의 실비만의 廉價로 필요한 경우에 구입할 수 있다.농업용 廢비닐은 세척,파쇄,용융 등의 과정을 통하여 콘크리트계 재료에 혼합하여 사용될 수 있는데,아직까지는 구조용 재료보다는 법면블록 등의 조경블록 등에 일부 활용되고 있다.국내에도 이와 관련된 업체가 3개사 정도가 있다.

(5) 鑛山廢棄物

주로 탄광 등에서 발생되는 炭鑛廢材를 콘크리트에 再活用하는 경우는 그 사용상에 한계가 있어 현재까지는 콘크리트의 輕量骨材로 사용하는 정도이다.炭鑛廢材를 콘크리트의 輕量骨材로 사용하기 위해서 프랑스나 벨기에 등에서는 로타리 킬른을 이용하고 영국이나 폴란드 등에서는 신터 스트랜드 프로세스를 통하여 輕量골재를 만들고 있다.신터 스트랜드 프로세스로 제조되는 방법은 설비투자비가 저렴한 대신에 주로 輕量콘크리트 블록제품에 많이 사용되고,로타리킬른으로 제조하는 방법은 투지비가 비싼대신에이렇게 만든 輕量골재는 구조용의 輕量콘크리트 골재로 사용될 수 있는 등의 특징이 있다.

(6) 레미콘 슬러지

廢레미콘에서 발생되는 시멘트와 혼합된 슬러지를 자갈과 모래는 골재 회수장치를 통해서 선별하여 레미콘 제조용으로 再使用하고,시멘트와 혼합된 슬러지는 沈降탱크와 脫水裝置를 거쳐 固形化된 오尼로 분류한다.이렇게 발생된 특정廢棄物인 슬러지와 클린커,석고 등을 혼합하여 분쇄한 다음 시멘트를 생산하게 된다.

국내에서 발생되는 廢레미콘 슬러지로 생산할 수 있는 제품의 판매 물량은 350톤/년 정도이다.재생제품의 주요 이용처는 레미콘 제조공장 및 콘크리트제품 생산 공장 등이다.

(7) 廢石膏

廢石膏의 再活用 용도로서 가장 많이 이용되는 것이 시멘트의 부원료로 사용하는 방법이고,그 다음으로 석고보드를 만드는 것이다.폐석고를 시멘트의 원료로 이용는 방법에는 폐석고 만을 단독으로 사용하거나 플라이애시,슬라그 등과 혼합 사용하기도 한다.즉 포틀랜드시멘트의 주원료인 크린커에 슬라그,폐석고,플라이애시 등을 혼합,분쇄하여 슬라그시멘트를 제조하게 된다.

(8) 石粉

석재 가공업에서 배출되는 석분을 콘크리트 재료로 이용할 수 있다.석분은 콘크리트의 결점인 건조수축과 미세균열을 방지하는 원료로 사용될 수 있는데,시멘트계의 각종 건축자재에 석분을 이용하게 되면 미세균열을 줄일 수 있게 된다. 또 건물 등의 바닥재에 사용되는 셀프레벨링재에도 석분이 사용된다.

(9) 木材,製紙의 燒却宰

목재나 종이류의 燒却宰를 이용하여 각종 벽돌류나 건축자재로 활용할 수 있는데,특히 동남아 지역 등에서는 저렴한 건축자재로 생산되고 있다.목재 등의 燒却宰 일정한 비율까지는 콘크리트의 강도에 크게 영향을 미치지 않지만 다량으로 사용하게 되면

콘크리트의 강도 저하 등의 문제점이 발생된다.

라. 其他 廢棄物

위에서 언급한 것 외에도 廢棄物을 이용하여 콘크리트에 사용될 수 있는 시멘트계 재료나 골재가 많다. 여기서는 간략히 그 내용을 소개한다.

(1) 기포골재

기포골재는 나무껍질,톱밥,슬러지 케이크,폐플라스틱,석탄재,폐타이어 등의 廢棄物을 분쇄한 후 둥글게 뭉쳐서 골재로 만든다.이러한 골재로 만든 콘크리트는 보통의 콘크리트에 비하여 단위중량이 20-30% 가볍고 콘크리트와 골재와의 접착성도 우수하다.

(2) 보크사이트 廢材

보크사이트 廢棄物을 1,200-1,360℃로 소성한 후 둥글게 뭉쳐서 콘크리트의 인공중량골재로 사용되는데 미국과 일본 등지에서 생산되고 있다.이 제품에 의한 콘크리트의 특징은 콘크리트의 압축강도,휨강도,인장강도가 보통의 콘크리트에 비하여 높다.

(3) 유황 廢棄物

유황을 콘크리트 표면에 침투시켜 콘크리트의 강도 개선,장식성 부여,단열성 개선 등으로 활용할 수 있다.

(4) 鑛石 焙燒物

선광 중에 나오는 焙燒物인 황철광의 혈암을 이용하여 인도 등지에서는 輕量骨材로 만들어 사용되고 있다.이러한 재료는 미세분말 상태에서 훌륭한 포졸란 활성을 나타내기 때문에 콘크리트와의 혼합시 뛰어난 재료적 특성을 나타낸다.

제 4 절  미국의 주물사 재활용 현황

미국에서는 1970년대와 1980년대를 거치면서 연방 정부와 각 주는 산업 폐기물의 관리와 안전성에 큰 관심을 가지기 시작하였다. 그 결과 미국의 주물 업체들은 그들이 쓰고 남은 폐주물사의 처분에 관한 새로운 걱정을 하게 되었다. 주물업자들은 폐주물사의 처리비용의 감소에 초점을 맞추게 된 것이다. 위스콘신주의 경우에 1992년 기준으로 폐주물사 1톤당 처리비용이 약 $10∼$20이지만, 향후 10년 이내에 이러한 처리비용이 5배 이상 높아질 것으로 예상되고 있다. 왜냐하면 위스콘신주의 경우 산업 폐기물 처리에 관한 새로운 법률이 곧 제정될 것으로 보이고, 이 법에 의하면 폐주물사의 처리비용은 주물업자들의 원가 상승에 큰 영향을 미칠 것으로 보이는 것이다.

미국에서는 주물 제품 1톤을 만드는데 227∼2,270□의 폐주물사가 발생된다. 특히 동부와 중서부 지역에서 많은 주물단지가 산재되어 있다.

따라서 미국 주물업협회(American Foundrymens Society)에서는 폐주물사를 재활용하기 위한 다각도의 프로젝트를 추진해 왔다. 다음의 내용에서는 AFS에서 그 동안 진행해 온 폐주물사의 재활용을 위한 다양한 용도를 요약한다.

1. 포틀랜드 시멘트 킬른용 원료

포틀랜드 시멘트는 클린커로부터 로에서 분쇄된 것이다. 클린커는 칼슘 실리케이트, 칼슘 알루미네이트, 칼슘 알루미노페라이트, 칼슘 설페이트 등으로 구성되어 있다. 시멘트 원료는 칼슘 옥사이드, 실리카, 알루미나, 산화철 등의 적절한 배합비를 구성하고 있어야 한다. 이러한 성분 등은 시멘트의 주성분으로 석회석 등에 포함되어 있다. 그러나 이러한 기본적인 성분이 부족하면 부가적으로 실리카나 알루미나 등을 공급해 주어야 한다. 원료가 분쇄되고 밀링과정을 거치는데 이때 화학적 조성이 적합하도록 원료 조정이 되어야 한다. 그 다음으로 브렌딩한 후에 이러한 재료는 1,470℃의 킬른을 통과하면서 클링커라 불리는 화학적 변환이 일어나게 된다. 그러한 과정은 다음의 <도 2-2>와 같다.

Portland Cement Kiln

CaO
			Dust								→	Kiln (2700F)		→	Clinker
Fe2O3
			□						Blending and Storage						□
SiO2		→	Separator		→	Fines		→				CaSO4.2H2O (gypsum)		→	Grinding Mill
			□												□
Al2O3
			Oversized		→	Crusher		→							Cement
MgO

<도 2-2>                시멘트 킬른의 제조공정도

AFS는 폐주물사를 포틀랜드 시멘트의 원료로 사용하기 위하여 포틀랜드 시멘트 협회와 공동으로 연구를 수행하였다. 연구내용은 폐주물사를 첨가한 것과 그렇지 않은 것을 비교하는 것이다. 여기에 사용된 폐주물사는 희주철을 만들 때 발생하는 것을 사용하였다.

석회석, 점토, 모래, 철광석, 마그네슘 카보네이트와 함께 4개의 배합비를 선정하였다. 이러한 배합비에 폐주물사를 증가시키면서 특성시험을 실시하였다. 여기에 사용된 주물사를 화학 분석하여 88%의 실리카, 5%의 알루민, 1%의 산화철, 5%의 Ig□Loss를 나타내었다. <표 1>은 사용된 폐주물사의 화학성분표이다.

배합은 폐주물사를 0%, 4.45%, 8.90%, 13.36%의 혼합시킨 경우의 4가지로 정하였다. 각각의 배함에 대하여 생산된 시멘트를 화학 분석하여 13.36%까지의 주물사를 사용한 경우도 기존의 포틀랜드 시멘트와 거의 유사한 화학적 조성을 나타내었다. <표 2-8>에는 0%와 13.36%의 폐주물사를 사용한 경우의 클링커의 화학적 성분을 분석한 것이다.

또 이러한 폐주물사를 혼합하여 생산된 시멘트를 이용하여 압축강도 시험을 안 결과 4가지 모두 20분 안에 경화되었다. 이것은 주물사를 혼합하여도 시멘트의 경화 시간에는 아무런 영향이 없다는 사실을 입증한 것이다. 28일 압축강도에서 <도 2-3>에서 보듯이 포틀랜드 폐주물사를 8.90% 사용한 것이 가장 높은 강도를 나타내었고, 전반적으로 폐주물사를 사용한 경우의 강도가 다소 높게 나타났다. 이러한 실험 결과로부터 폐주물사를 시멘트의 원료로 사용하는 것은 충분하다는 결론을 내렸다.

2. 콘크리트용 골재

콘크리트는 일반적으로 시멘트, 물, 골재(자갈, 모래)로 이루어진다. 콘크리트는 대개 1,070∼1,100□/□의 굵은 골재와 720∼840□/□의 잔골재가 필요하다. 미국에서는 일리노이주에만 해마다 건설 공사용으로 약 1,900만톤의

콘크리트용 잔골재가 소모되고 있다. AFS에서는 폐주물사를 콘크리트용 잔골재로 사용하기 위한 연구를 하였다. 여기에 포함된 실험은 입도 분포, 점토 함유량, 비중, 유기물 함량, 골재의 형상도 등을 시험하였다.

<표 2-8>                 적용된 폐주물사의 화학조성

성 분	%
SiO2	87.91
Al2O3	4.70
Fe2O3	0.94
CaO	0.14
MgO	0.30
SO3	0.09
Na2O	0.19
K2O	0.25
TiO2	0.15
P2O5	0.00
Mn2O3	0.02
SrO	0.03
LOI	5.15
TOTAL	99.87

<표 2-9>              0%와 13.35%를 사용한 클링커의 화학조성

성 분	0% FOUNDRY SAND(FSO)	13.36% FOUNDRY SAND(FS3)
SiO2	21.43	21.72
Al2O3	5.26	4.63
Fe2O3	3.81	3.80
CaO	65.30	65.53
MgO	1.56	1.68
SO3	0.33	0.22
Na2O	0.13	0.17
K2O	0.37	0.29
TiO2	0.36	0.28
P2O5	0.03	0.03
Mn2O3	0.05	0.06
SrO	0.03	0.03
LOI	0.35	0.76
TOTAL	99.01	99.17
Free Lime	0.20	0.26

시험결과에 따르면 폐주물사는 콘크리트용 골재로 직접적으로 적합하지는 않다. 일반적으로 레미콘의 제조공정은 <도 7>과 같다. 폐주물사를 레미콘 등의 콘크리트용 골재로 사용할 때에 입도 분포가 맞지 않는다. 따라서 콘크리트의 골재로 완전히 대체시키기는 힘들고, 부분적인 대체가 가능하다.

약 33%의 폐주물사를 잔골재에 대하여 대체시키고 나서 실험을 하였다. 각각 3개의 다른 배합상태를 만들었는데, 4WE101은 Shell molding sand from a gray iron foundry, 7BE105는 a waste molding sand from a gray iron foundry이며, 8GU108은 주강사이다.

각 배합표는 <표 2-10>과 같다.

<표 2-10>                           배합설계표

	보통 콘크리트	4WE101	7BE105	8GU108
시멘트(□/□)	269	296	288	280
잔골재	851	848	825	780
표준사(□/□)	851	569	553	538
주물사(□/□)	0	279	272	242
굵은골재(□/□)	1,012	1,014	986	960
물(□/□)	144	151	173	179
W/C	0.489	0.511	0.600	0.640
체적에 대한 잔골재율(%)	46.0	45.9	46.1	46.2
공기량(%)	2.2	1.4	1.3	2.6
슬럼프(□)	9.4	9.1	8.4	8.1
비중(□/□)	2,377	2,396	2,352	2,320

	시멘트									일반적인 배합 시멘트 : 300∼475(□/□) 물 : 180∼230(□/□) 굵은 골재 : 1,070∼1,130(□/□) 잔골재 : 710∼830(□/□)
	물				믹 서
									출 하
				→				→
	굵은 골재
	잔골재						ASTM C33 Fine Aggregate Requirements Size %Passing 3/8″ 100% No.4 95% to 100% No.8 80% to 100% No.16 50% to 85%
								No.30 25% to 60% No.50 10% to 30% No.100 2% to 10%					→	주물사는 주로 이 영역에 분포 (50% to 85%)

<도 2-3>                     레미콘의 제조공정도

<도 2-4>                  AFS에서 수행한 실험 결과

각 배합된 콘크리트는 1일, 3일, 7일, 28일에 각각 압축강도를 시험하였다. 그 결과는 <도 2-4>와 같다. 여기에서 shell iron은 CO2사를 이용한 공법이고, G.S iron과 G.S steel은 바인더가 포함된 혼합사이다. 그림에서 알 수 있듯이 국내에서 많은 양을 차지하고 있는 CO2사는 콘크리트 강도가 크게 저하되지 않는다. 이 실험결과에서 CO2사를 이용한 폐주물사는 콘크리트 구조물에 직접 사용할 수 있음을 보여준다. 그러나 시멘트 벽돌이나 블록, 또는 슬래브나 기초 콘크리트부 등의 저강도 콘크리트용은 모든 주물사를 사용할 수 있음을 보여준다.

3. 아스팔트용 골재

콘크리트와 마찬가지로 아스콘에는 전체 골재 중에서 8∼15%의 잔골재가 필요하다. 일리노이주에서는 해마다 1,100만톤의 아스콘이 사용된다. 따라서 연간 880,000∼1,650,000톤의 아스콘용 잔골재가 필요하다. 아스콘의 제조공정은 <도 2-5>와 같다. 아스콘에 사용되는 골재는 건조된 것으로 먼지 등의 잔입경의 불순물이 제거된 것을 사용한다. 폐주물사를 아스콘용 골재로 사용하기 위해서는 안전성, 내구성, 미끄럼 저항성 등을 확인해야 한다. 즉 안정성은 아스콘이 차량 하중에 견딜 수 있어야 하는 것으로, 이것은 입자의 형태나 입도 분포 등에 크게 영향을 받게 된다. 부적절한 입도 분포나 형상이 라운드 된 입자는 부적절하다. 또 내구성에서는 아스콘이 연성 구조 시스템이므로 아스콘의 취성 성질이 크면 균열이 발생할 염려가 있다. 잔골재의 미세입자가 과도하게 포함되면 점성이 줄어들게 되고 공극의 발생과 열 효열이 생기기 쉽다. 마지막으로 중요한 것은 아스콘용 골재는 차량의 급제도 등의 의한 미끄럼 저항성능을 높여 주어야 한다.

이러한 요소 등을 점검하여 폐주물사를 아스콘용 골재로 사용하기 위한 기술적 타당을 조사하였다. <표 4>는 주강사와 주철사의 입도 분포를 나타낸 것이다. 또 <도 2-6>에는 입도 분포곡선을 나타낸 것이고, <표 5>에는 아스콘용 일반 모래와 폐주물사를 이용한 아스콘의 특성치를 시험한 것이다.

아스콘용 골재로 폐주물사를 이용하기 위해서는 38 마이크론 이하의 입자는 가능한 제거하고 사용하는 것이 좋다는 결론이다. 이것은 아스콘이 외부 하중에 대한 에너지 흡수 능력을 높이기 위하여 내부에 일정량의 공극이 내포되어 있어야 하는데, 폐주물사는 미세입경의 양이 많아서 아스콘의 공극을 감소시킨다. 따라서 아스콘의 공극을 일정 이상으로 유지시키기 위해서는 미세입경(38 마이크론 이하)의 폐주물사는 제거하는 것이 좋다.

								아스팔트
								↓
골 재	→	건 조	→	체가름	→	계 량	→	혼 합	→	출 하
								↑
								필 러

<도 2-5>                     아스콘의 제조공정도

<표 2-11>                        입도 분포

체 번 호	주 강 사 (% PASSING)	주 철 사 (% PASSING)
30(600□)	100	100
50(300□)	81	85
100(150□)	29	20
200( 75□)	18	8.5

<표 2-12>                   아스콘의 특성치 비교

	주 물 사 (4.5% ASPHALT)	보 통 (4.7%)	기 준
Voids, %	4.0	4.0	3.0∼5.0
VMA, %	11.5	13.8	13.0, min.
Stability, □	1,021	1,043	816, min.
Flow, 0.025□	6	9	8∼14
Unit Weight, □/□	2,395	2,416	n/a

<도 2-6>                     입도 분포곡선

4. 록울의 원료

록울은 글래스 섬유와 같은 광물질 섬유이다. 이것은 다른 재료의 보강용으로 사용된다. 그러나 폐주물사는 고밀도와 고순도가 아니기 때문에 건설 재료나 단열재, 농업용으로 사용하는 것이 적합할 것이다. 여기서는 제철공장에서 발생되는 부산물인 슬래그와 함께 사용되었다.

록울의 제조공정은 <도 11>과 같은데, 원료의 주요 요소는 슬래그로서, 슬래그에 부족한 실리카나 알루미나 등이 첨가된다. 이 공정에서 폐주물사는 실리카의 첨가재로 대체될 수 있다. 또 Fe2O3의 사용은 단열성을 향상시키고 글래스 파이버의 인성을 확보하기 위해 사용해 오고 있다. 그런데 이렇게 하면 내구성은 좋아지지만 섬유의 색상이 어둡게 되는 단점이 생긴다.

실리카와 알루미나의 비율은 다음과 같다.

(%SiO2／Al2O3)/(100-(%SiO2／Al2O3))=A/B Ratio

실리카와 알루미나의 비율이 증가하면 A/B도 증가한다. A/B는 1.0∼1.3이 보통이다. 만일 이 값이 1.3 이상으로 높아지면 재료를 녹이는데 많은 에너지가 소모된다. 따라서 알루미나와 실리카의 함량이 적절히 조절되어야 한다. 대부분의 주물사에는 90% 이상의 실리카를 함유하고 있다.

실제의 플랜트에서 적용한 결과 지금까지 톤당 $30의 석분을 사용해 오던 록울 제조업자는 시험적으로 폐주물사를 사용하고 난 후 상당히 성공적인 결과를 얻게 되었다고 한다. 따라서 향후 록울 제조업자들은 폐주물사를 효과적으로 확보하기 위하여 큰 관심을 보이고 있다. <표5>는 록울용 원료의 성분 분석결과이다.

슬래그	♩
Al2O3	→	Cupola Furnace	→	Fiberizing Wheel	→	Binding Operation	→	Product
Fe2O3	↖

<도 2-7>                     록울의 제조공정도

5. 유해 폐기물의 유리질화

최근 미국에서는 처리되지 않은 유해 폐기물의 매립이 금지되면서 유해 폐기물의 유해 성분을 없애기 위한 다양한 기술이 나오고 있다. 이러한 기술 중에서 유해 폐기물을 캡슐로 보호하기 위하여 실리카를 사용하거나, 유리질화 또는 유해 성분을 중화하는 방법 등이 사용되고 있다. 폐주물사는 실리카질 성분이 높기 때문에 유해 폐기물의 처리를 위한 재료로 재활용하면 그

가능성이 높을 것이다. 따라서 이러한 분야에 이용하기 위한 연구도 진행되고 있다.

6. 매립재

건설 공사에는 각종 공사 중이나 공사 후에 성토재, 매립재, 뒷채움재 등의 많은 흙이 필요하다. 여기에 사용되는 자연적인 흙은 대개 점토와 모래와 물로 이루어졌다. 그런데 대부분의 폐주물사는 자연 흙의 성분과 거의 같은 3∼7%의 점토를 함유하고 있다.  1976년의 자원 보존과 재활용법이 제정되기 전부터 폐주물사는 많은 건설 공사 현장에서 사용되어 왔다. 그러나 새로운 법률은 폐주물사에 대해 특별한 취급과 처리□처분 기준을 제시하고 있다. 그러나 IEPA에 의해 폐주물사는 매립재로 재활용 가능한 품목으로 판단

되고 있다. 건설 공사의 매립재로 사용하기 위해서는 흙의 특성치로서 습윤도와 비중, 소성도, liquid limit, 입도 분포 등의 특성이 일정한 기준을 만족하여야 한다. 이러한 요구 조건에 적합한 흙이라야 다짐도, 워커빌리티, 강도 등을 발휘할 수 있기 때문이다.

매립재로 사용되는 흙은 용도에 따라서 다양한 특성치를 가져야 한다. 예를 들면 배수재나 필터재로서는 물을 잘 통과해야 하고 어떤 경우에는 물을 통과하지 않는 흙이 사용되어야 할 때도 있다. 따라서 폐주물사의 특성과 용

도를 정확히 알고 사용하여야 한다. 폐주물사의 매립재로서의 특성을 알기 위해서 몇 가지 실험을 하였다. 이러한 실험은 STS Consultants Ltd.사에서 하였는데, STS사는 기초공사나 토공사의 많은 설계와 기술적인 자문 경험을 가진 회사이다.

미국 일리노이주에서는 모래의 사용량이 매립재로서 약 10% 소요되는 370만톤이 해마다 필요하다. 폐주물사 중에서 대부분의 생형사는 활성 점토분이 포함되어 있다. 그리고 이러한 활성 점토분이 물의 침투성과 큰 상관관게를 지니게 된다.

<표 2-13>                     록울 원료의 성분분석

조 성	화 강 석	슬 래 그	석 분	폐주물사
SiO2	60.30	37.06	93.13	82.52
Al2O3	19.93	10.83	3.86	8.66
FeO	-	-	0.54	3.49
Fe2O3	4.67	-	0.11	-
P2O3	-	-	-	-
Na2O	6.25	-	-	-
MgO	1.19	10.33	0.25	1.45
CaO	1.27	37.43	0.10	-
K2O	5.30	-	-	0.82
TiO2	1.10	-	-	0.17
MnO	-	-	-	0.11
Cr2O3	-	-	-	0.06
S	-	0.77	-	0.07
Fe	-	0.57	-	-

<도 2-8>               폐주물사 종류별 입도 분포곡선

많은 폐주물사 중에서 4개의 공장에서 나온 것을 시험하였다. 이것에 대한 입도 분포곡선은 <도 3>과 같다. <도 4>에서 일반적인 건설용 모래와 비교할 때 주물사는 입도가 작기 때문에 물을 투과시키는 능력이 떨어진다.

<표 1>은 시험결과를 정리한 것인데, 배수재 등의 용도로 사용되는 물의 투과성은 샘플 1의 경우에는 만족한 것으로 나타냈다. 대부분의 폐주물사는 많은 점토분을 갖고 있어서 배수재로 곧바로 사용하기 힘든 경우가 많다. 그러므로 폐주물사를 배수재로 사용하기 위해서는 점토분을 제거해야 한다. 이러한 점토분을 제거하는 방법은 몇 가지가 있는데, 열처리와 기계적인 스크래빙 등의 방법이 있다.

열처리 방법은 폐주물사에 열처리를 하여 활성 점토분을 비활성 점토로 바꾸는 방법으로 열처리에 의해서 활성점토의 함유량은 시간과 온도의 함수로 나타낼 수 있다. <도 5>는 1.5시간 동안 0∼1,200F까지의 온도에 대해서 열처리한 결과를 보인 것이다. <도 6>에는 강열감량의 감소를 나타낸 것이다. 500F에서 대부분의 유기물이 제거되었고 900F에서 sea coal이 휘발되어서 분해되었다. 1,200∼1,800F에서 나머지의 휘발성 물질들이 모두 제거되었다. 그러나 이러한 방법은 최소 1,200F의 온도가 필요하고 처리비용이 톤당 $17∼26으로 높고, 폐주물사의 주물사로 재생시키는 열처리 방법과 유사하다.

다음의 방법은 체가름에 의한 입도조정의 방법으로 체가름으로 입경이 작은 점토를 제거하여 물의 투과성과 다른 특성을 개선시키는 방법이다. <도  7>은 수분의 침투성에 대한 세립자의 효과를 설명한 것이다. 또 <표 2>에는 세립자의 체가름에 의한 2개의 주물사에 대한 활성 점토분의 함량 변화를 나타낸 것이다. 그러나 이 방법에 의해서는 활성 점토분의 함량에 큰 변화가 없다. 이것은 모래 입자에 부착된 활성 점토분 때문이다.

그리고 다른 방법은 기계적인 스크러빙에 의한 방법에 의한 수분 투과성의 향상을 이루는 방법이 있다. 이 방법은 폐주물사 프로펠러에 의하여 부딪치면서 폐주물사에 묻어 있는 점토를 제거하는 방법이다. 이러한 방법은 폐주물사 처리비용이 톤당 $1.75로 비교적 싼 편이다.

<도 2-9> 건설용 골재와 폐주물사(10개 채취 평균)의 입도 분포곡선 비교

<표 2-14>                     AFS 실험결과

SAMPLE	FOUNDRY 1	FOUNDRY 2	FOUNDRY 3 (1000#/hr. processing throughput)	FOUNDRY 4 (6000#/hr. processing throughput)	Acceptable Drainage Sand
Dry Density (1bs/ft3)	94.1	99.7	98.8	99.5	-
Methylene Blue Active Clay(%)	2	5	3.5	9.5	0
Loss-On-Ignition (@1800F)(%)	2.9	2.3	1.5	4.3	0
Hydraulic Conductivity (□/sec)(ASTM D 5084 Method C)	1.0×10-3	1.7×10-4	1.3×10-6	1.6×10-7	1.0×10-3
Swell Pressure (tons/ft2) (ASTM D 4546)	-	0.0	0.025	0.11	0

<도 2-10>       주물사 종류별 열처리 온도와 활성 점토 함유량 변화

<도 2-11>         폐주물사 종류별 열처리 온도와 LOI 구성비 변화

<도 2-12>              수분의 침투에 대한 세립자의 효과

<도 2-13>                       스크러블 기계장치

제 5 절  일본의 폐주물사의 재활용 동향

일본에서는 2차 대전 이후 주물공업의 활성화로 80년대까지 폐주물사의 양은 급속히 늘어나게 되었다. 일본 오사카지역의 1978년도 폐주물사의 양이 한 해 30만톤에 달했다. 당 지역의 주물공장에서 발생하는 산업 폐기물은 폐사가 62%, 슬래그 18%, 슬러지 7%, 더스트 7%, 기타 6%로 구성되어 있다. 주형의 제품 형태에 따라 달라지지만, 일반적으로 폐사를 재활용하지 않는 경우에 철강 제품 1톤당 생산하기 위해서는 약 1.4톤의 폐사가 발생하고, 또 0.21톤의 슬래그가 나온다. 이에 비해서 모래를 재이용하는 경우에는 폐사가 0.66톤, 슬래그가 0.15톤이 발생하게 된다. 오사카 지역의 폐사의 주강, 주철 제조공정에서 발생하는 폐산의 처리 실태는 <표 2-15>, <표 2-16>과 같고, <표 2-17>에서는 조형법별로 주물사의 회수율을 나타낸 것이다. 또 <표2-18>은 평균적인 폐사의 화학조성을 나타낸 것으로 조성의 약 80% 이상이 SiO2로 구성되어 있다. <표 2-19>에는 오사카의 A社의 조형 라인별로 채취한 폐사의 입도 분포 및 SiO2의 함유량을 조사한 결과이다.

<표 2-15>                주강공장의 폐사의 처리 실태

	Reclamation disposal			reutilization	total
	Public corporation reclaimed land	homemade reclaimed land	Private enterprise reclaimed land
disposal quantity (t/year)	20,500	15,600	13,700	300	50,100
%	40.9	31.2	27.2	0.6	100

<표 2-16>               주철공장의 폐사의 처리 실태

	Public corporation reclaimed land	Private enterprise reclaimed land	and other	total
disposal quantity (t/year)	7,200	400	2,000	9,600
%	75.0	4.2	20.8	100

<표 2-17>                조형법에 따른 주물사 회수율

molding method cast metal	green sand mold	self-curing mold		CO2 Process	Shell mold	V Process	total
		inorganic system	organic system
cast steel	94.3	38.1	22.8	28.6	0	0	74.3
cast iron	97.9	64.1	94.1	60.4	0	96.2	93.8

<표 2-18>                    폐주물사의 화학조성 예

No.	moisture	IG loss	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	R2O	heavy metal
1	-	-	90	5	0.6	CaO+MgO 0.5	-	-	-
2	-	-	93∼96	2.0∼2.6	1.2∼1.6	-	-	-	-
3	2.0	0.5	87.3	8.3	1.4	0.2	0.3	-	-
4	-	-	80.16	3.16	2.90	0.018	-	-	-
5	-	-	90.	4	2	2	2.5	-	-
6	-	-	88∼95	2∼10	＠2	-	-	-	-
10	0.1∼3.0	3∼5	87	3.0	2.0	0.8	0.7	-	Fe
11	0.5∼6.0	0.3∼2.5	80∼90	4∼8	1.5∼2.5	＠0.2	4∼7	-	-
12	0	2∼3	76	5∼7	1.0∼2.0	8∼10	0.5∼5.0	-	-
13	-	5.7	86.2	5.8	0.5	0.3	1.5	-	Fe4.9ppm

<표 2-19>          주철공장의 라인별 폐사의 입도 분포 예

체(□) 수집위치		840	590	420	297	210	149	105	74	53	pann	(TIS)	SiO2 (%)
cupola dust collecter	1 room	24.9	6.2	13.2	20.9	15.8	6.2	3.9	2.3	2.0	4.1	94.2	79.6
	2 room	0.9	2.5	5.9	16.6	22.8	17.4	15.9	8.5	5.1	4.0	149.7	73.2
	3 room	3.1	5.6	9.9	19.2	25.3	16.6	11.0	4.8	2.2	1.3	111.2	69.2
green Sand dust collecter		0	0.1	0.2	1.8	7.02	15.4	26.7	19.8	14.1	14.3	265.0	85.2
green Sand sieving machine		17.8	5.4	11.8	24.8	2.5	10.5	4.9	1.1	0.4	0.3	75.0	92.0
green Sand shot machine		0	0.1	2.4	14.3	34.3	28.5	15.6	3.5	0.7	0.2	117.4	95.6
nobeake shot machine		1.2	2.3	9.1	33.1	21.8	13.3	10.0	5.2	1.8	0.6	103.8	96.8
V process dust collecter		0	0	0	0.1	0.4	1.4	4.6	19.0	48.2	25.5	391.7	93.2
V process shot machine		1.7	2.7	1.2	1.2	5.3	14.8	26.0	23.0	16.9	7.5	241.1	92.8
V process		1.7	0.5	1.1	2.5	13.1	25.1	29.3	16.8	6.7	2.3	180.3	98.8
V process shot pann		0.4	0.8	3.9	13.7	22.9	20.1	17.5	10.1	5.5	4.5	161.6	91.6

1. 콘크리트용 재료로 이용

일본에서도 주물공장에서 발생하는 폐기물은 약 60%가 폐사로 이러한 폐사는 규사분의 함량이 높은 모래이다. 일본에서도 폐주물사를 콘크리트용 골재로 이용하기 위한 몇 가지의 연구와 실험이 진행되었고, 특허도 몇 건 출원하고 있다. 日本 近	大學 금속공학과와 토목공학과에서 수행한 공동 프로젝트의 내용을 위주로 소개한다.

우선 폐주물사를 콘크리트에 이용하는 방법으로는 콘크리트용 잔골재(모래)와 시멘트 혼화재로 사용하는 방법이 주로 검토되고 있다. 포틀랜드 시멘트 중에 포함된 규산삼석회 3CaO□SiO2와 규산이석회 2CaO□SiO2는 물과 접촉하면 가수분해에 의해 다량의 수산화석회 Ca(OH)2를 유리한다. 이 유리석회와 규산 SiO2를 결합되어 규산석회 수화물인 2CaO□SiO2□nH2O를 생성하여 시멘트 페이스트의 강도를 증대시키는 것이다. 이러한 효과를 높이기 위하여 최근에는 실리카듐의 이용이 주목되고 있다. 따라서 양질의 폐주물사를 시멘트 혼화재로 이용하는 가능성이 검토될 수 있는 것이다.

주물공장의 V 프로세스 조형공장에서 발생하는 폐사를 사용하여 200, 300메시의 입도로 분류한 각각에 대하여 시멘트 혼화재로서의 적용성을 실험을 통해서 검증하였다. 폐사를 활성화하기 위하여 1,200℃로 가열하여 여냉시킨 폐주물사의 미분을 사용한다. 또 미분의 효과를 검증하기 위해서 실리카퓸을 사용한 경우와 비교한다. 여기서 소개하는 프로젝트에서는 시멘트 양에 대하여 1∼5%의 범위에서 시멘트와 치환하여 사용하였다.

한편 콘크리트의 잔골재(모래)로 이용하는 경우에는 표준사를 10∼40% 범위에서 폐사와 치환하여 이용하였다. 이상의 폐사를 이용성의 적부를 판단하기 위해서는 시멘트 몰탈을 작성하여 유동성, 강도를 측정하여 그 효과를 확인하였다. 몰탈의 배합은 일반적으로 사용되고 있는 표준적인 배합(시멘트＞잔골재 = 1＞2, 물/시멘트비 = 65%)을 사용하였다. 휨 강도, 압축 강도의 시험은 JIS R 5201에 준하여 4×4×16□의 공시체를 작성하여 24시간 공기 중에 양생한 후에 7, 14, 21, 28일의 재형에 대하여 시험하였다.

200메시를 통과한 폐사와 이것을 열처리한 후의 사용에 대하여 재형에 따라 휨강도를 나타낸 것이 각각 <도 2-14>, <도 2-15>와 같다. 또 300메시를 통과한 경우에도 이와 비슷한 결과를 보였고, 압축 강도의 경우도 거의 같은 경향을 나타내었다. 그리고 실리카퓸을 사용한 경우와도 비슷한 효과를 보여 주었다. 따라서 폐사 미분을 열처리한 후 활성화시킴으로써 시멘트 혼화재로서의 가능성을 보여 주었다.

콘크리트 잔골재로서 폐사를 이용하는 경우에는 표준사를 40% 범위에서 폐사와 치환한 경우에서 강도에 비치는 영향을 조사한 결과에서 치환율 30%까지는 강도에 영향이 있었고, 40%의 치환에서는 약간의 강도 저하가 나타났다.

<도 2-14>        폐사의 혼합율에 따른 시멘트 몰탈의 휨 강도

<도 2-15>           열처리 폐사의 시멘트 몰탈의 휨 강도

2. 폐주물사 미분의 재활용

일본에서는 폐주물사 중의 미분을 이용한 다양한 재활용 기술을 시도하고 있다. 특히 폐주물사를 신사화 하는 과정에서 약 30%의 미분이 발생하게 된다. 일본은 신사화가 활발하므로 이러한 미분의 발생량도 많은 편이다. 그리고 주조공장에서도 집진 더스트 등이 많은 미분이 발생되고 있다.

이러한 미분이 적용 가능한 것으로는 타일, 벽재 등의 건재, 일부 레저용품 등이 고려될 수 있는데 시장 여건과 성능 면의 경쟁력, 가격 경쟁력 등이 상업화와 밀접한 관련이 있다.

<표 2-20>은 실제 응용하기 위한 일본의 한 주물공단에서 발생된 미분에 대한 화학성분을 나타낸 것이다. 또 <도 2-16>∼<도 2-18>은 각 미분별 입도 분포를 나타낸 것이다.

<표 2-20>                      각 미분의 물성

구 분		①주물폐기사 미분(흑색)	②주물폐기사 미분(희색)	③규사 정선 후 미분
화 학 성 분 (%)	SiO2	64.40	79.64	84.09
	Al2O3	10.98	7.76	8.50
	Fe2O3	2.78	4.30	0.59
	MgO	1.27	1.30
	CaO	0.97	0.95
감열감량(%)		16.33	2.71	0.49
PH		7.84	9.60	6.40
입도 메시 경		15.28□	31.20	65.95
비표면적		19,366□/□	5,964	1,796

미분을 고화시키기 위해서는 시멘트를 이용하는데 시멘트 페이스트의 강도 시험은 <표 2-21>와 같다. <표 2-21>에서 수분의 첨가량이 많을수록 강도가 높아지는 결과를 보이고 있다. 또 <표 2-22>에는 프레스에 의한 성형법에서는 균일한 충전이 가능하기 때문에 시멘트의 첨가량과 성형방법을 변화시키면서 실험한 결과이다. <표 2-22>의 시멘트 페이스트 테스트에서 7일 이후에는 200□f/□ 이상의 강도 발현을 보였다. 여기에 사용된 골재는 회색의 미분을 2,160g, 시멘트 500g을 사용하였다. <표 >는 일반적으로 다짐봉에 의한 다짐 작업을 한 것이고, <표3>은 4톤의 유압 프레스에 의하여 다짐한 방법이다.

이 실험에서 흑색의 미분사가 높은 강도를 나타내고 있다는 것을 알 수 있다. 또 초기의 고온 양생은 장기 강도에 좋지 못한 영향을 미친다는 사실도 알 수 있다. 그러나 이 결과에서 미분사를 이용한 건축 자재의 가능성을 보여주고 있다.

3. OJ 폐주물사 미분의 유효 활용

OJ사는 내화물 입자(주로 균사)와 점결제로서 제트 시멘트와 혼합하여 주형에 조형 후 경화시키는 방법으로 알루미늄 합금, 동 합금, 주철 등에 적용되고 있다.

아직까지 폐주물사의 미분을 일반적으로 처리할 수 있는 범용화 된 재활용 기술은 없다. 이것은 각각의 공장에서 발생하는 폐주물사의 특성이 다르기 때문이다. 폐주물사 중에서도 특히 미분은 주조주형 프로세스 중에 발생하는 것으로 미분의 규사 성분 외에 수화 또는 미수화된 시멘트, 소결물 등이 포함되어 있다. 이러한 미분의 대표적인 화학성분과 물리적 성질은 <표4>와 같다. 미분의 점결력은 제트 시멘트의 1/10 정도로 이러한 잔존 점결력을 이용하여 몰타르 등의 용도로 사용될 수 있다. 또 폐주물사에는 시멘트의 응결과 경화에 유해한 성분이 거의 포함되어 있지 않기 때문에 레미콘이나 콘크리트 2차 제품 제조시에 잔골재(모래)로 대체하여 사용할 수 있다.

<표 2-24>에는 OJ 프로세스 공장에서 배출된 폐사, 미분사의 처리방법을 나타낸 것이다.

<표 2-21>             다짐봉 시험에 의한 미분의 압축 강도             (단위 : □f/□)

W/C비	강 화 제	3 일	7 일	14 일	21 일
48%	2.7%	8.2	10.1	14.3
57%	2.7%	10.2	14.8	16.1	17.4
71%	2.7%	17.6	20.5	20.9	24.0
57%	5.4%	11.6	14.7	16.2	19.4

회색 미분사 2,169g, 시멘트 500g

<표 2-22>              유압 프레스에 의한 미분사 실험                 (단위 : □f/□)

W/C비	강화제	직 후		1 일		3 일		7 일
		양생(1)	양생(2)	양생(1)	양생(2)	양생(1)	양생(2)	양생(1)	양생(2)
70%	3.5%	36	124	104	129	149		207
70%	3.0%	20	54	95	97	147		197	104
70%	0.5%	22	94			166	137	198	132
70%	0%	17	92			160	134	173
80%	3.5%	18	62			102	113
60%	3.5%	36	127			215	169	259

주) 미분 2,000g, 시멘트 1,000g, 양생(1)은 양생하지 않은 경우, 양생(2)는 80℃에서  2시간 양생한 경우

<표 2-23>                 미분의 화학성분과 물리적 성질

1) 화학성분

기 호	화 학 성 분 (용융분석법) (%)
	ig□Loss	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Total
A	15.0	28.6	10.9	1.0	35.8	0.8	4.8	96.9
B	13.6	27.7	12.7	1.0	34.7	0.9	3.8	94.4
C	17.2	34.8	10.4	0.8	26.0	0.7	5.9	95.8

2) 물리적 성질

기 호	응 결			JIS 몰타르 플로어(□)		JIS 몰타르 압축(휨) 강도
	수 량 (%)	시 발 (분)	동 결 (분)			1일	3일	7일	28일
A	96.3	28	41	-		10(3.4)	8(2.9)	20(6.2)	43(10.9)
B	58.5	10	25	-		19(6.5)	19(6.2)	21(6.6)	23(7.8)
C	47.5	23	39	직후 159	10분후 142	12(5.1)	13(4.7)	31(8.4)	55(13.2)

<표 2-24>                 폐사, 미분의 처리방법

폐 사	미 분
① 완전회수이용	① 레미콘의 시멘트의 일부 대체
② 레미콘용 골재	② 블록용 시멘트의 일부 대체
③ 블록용 골재	③ 몰타르
④ 글라스용 재료	④ 배사용 시멘트의 일부 대체
⑤ 투기 및 매립	⑤ 아스팔트의 석분
	⑥ 시멘트 원료
	⑦ 투기 및 매립

4. 원예자재로 활용

시판되고 있는 원예자재는 ①고흡수율(15% 이상), ②압축강도(10□f/□ 이상), ③pH7 이하, ④수용성 이온이 적어야 된다는 특징을 갖고 있다. 따라서 폐주물사나 플라이애시, ALC 폐분말 등의 사용성을 검토하였다. <표 1>과 <표 2>에는 시판되고 있는 원예자재의 물성, 수용성 이온 농도 및 pH를 나타낸 것이다. 이러한 원예자재의 요구조건에 적합하다고 생각되는 주물사를 포함한 각종 산업 폐기물을 배합하여 그에 대한 흡수율, 수용성 이온, pH 및 압축강도를 실험하였다. 주물사를 이용한 원예자재의 활용이 가능한 것으로 조사되었다.

<표 2-25> 시판되고 있는 원예자재의 물성                                         (%)

품 명	赤 玉 土	燒赤玉土(1)	燒赤玉土(2)	드 림 볼	하이드로볼	아쿠아볼
SiO2	41.7	61.8	66.1	67.9	59.3	62.5
Al2O3	28.3	27.5	16.9	22.4	19.9	18.3
Fe2O	10.8	4.29	8.39	4.09	9.51	9.23
TiO2	1.20	0.73	0.92	0.81	1.19	1.29
CaO	0.53	0.18	0.63	0.43	1.63	0.95
MgO	1.32	0.57	1.43	0.73	3.13	2.64
Na2O	0.36	0.30	1.23	0.77	0.57	0.87
k2O	1.16	2.18	3.19	2.54	3.72	3.55
Ig□Loss	13.5	2.15	0.73	0.26	0.19	0.20
광물조성	Q, Mo	Q, Mi, F	Q, Mi, F	Q, Mu	Q, Sp	Q, Sp
壓壞强度 (□f)	9	9	15	8	29	40
흡수율(%)	-	25.8	19.7	-	17.3	18.0

<표 2-26>         시판되고 있는 원예자지의 수용성 이온과 pH               (ppm)

품 명		赤玉土	燒赤玉土(1)	燒赤玉土(2)	드림블	하이드로블	아쿠아블
	Cl-	23.6	8.2	3.08	2.79	2.94	2.73
수	NO3-	78.7	0	0	0	0	0
용	SO42-	42.9	41.6	24.4	4.75	310.1	265.4
성	Ca2+	30.1	0	0	0	62.3	39.4
	Mg2+	6.08	1.61	1.5	0.21	11.2	17.9
이	Na+	2.67	10.8	8.87	7.74	10.3	1.28
온	K+	4.91	18.0	9.16	2.83	8.82	22.1
	Fe3+	0.63	0.37	0.88	0.32	0.10	1.33
pH		4.8	4.6	5.7	5.2	6.1	5.7

<표 2-27> 배합시험체의 흡수율                                                     (%)

배 합 율(%)			燒 成 溫 度 (℃)
			900	1000	1100	1200
桑名赤(100)			16.7	14.6	7.14	1.02
桑名赤(75)	플라이애시(25)		25.4	23.1	12.3	0.35
桑名赤(50)	플라이애시(50)		27.9	24.9	15.4	0.27
桑名赤(50)	플라이애시(50)		37.5	35.0	20.9	0.36
桑名赤(75)	주물사폐더스트(25)	MnO2(2)	18.1	16.8	10.3	1.05
桑名赤(50)	주물사폐더스트(50)		19.3	18.4	13.6	4.76
桑名赤(50)	주물사폐더스트(50)	MnO2(2)	19.6	18.5	12.5	0.78
赤松(100)			18.0	15.6	8.41	0.06
赤松(50)	ALC분(50)		36.3	37.2	36.2	1.06
赤松(50)	주물사폐더스트(50)	코발트(1.6)	17.2	16.7	13.4	6.84
水野(100)			17.7	17.6	17.5	16.4
水野(100)		M-55(2)	16.3	16.5	15.2	13.9
水野(50)	플라이애시(50)		30.6	30.5	28.5	25.1
水野(50)	플라이애시(50)	M-55(2)	33.7	33.6	31.3	27.3
水野(50)	ALC분(50)		31.5	34.3	34.1	1.72
水野(50)	ALC분(50)	M-55(2)	34.1	35.2	34.3	0.65
水野(50)	주물사폐더스트(50)		20.1	20.3	19.6	17.1
水野(50)	주물사폐더스트(50)	M-55(2)	18.4	18.7	18.1	15.7
水野(50)	주물사폐더스트(50)	탄산코발트 (1.6)	18.7	18.8	18.1	15.1

<표 2-28>         배합시험체의 수용성 이온, pH 및 압축강도

배 합 율 (%)			소성온도 (℃)	Cl- (ppm)	SO42- (ppm)	pH	壓壞强度 (□f)
桑名赤(75)	플라이애시(25)		1000	1.36	83.8	6.2	21
桑名赤(50)	플라이애시(50)		1000	1.56	94.2	6.2	25
桑名赤(50)	플라이애시(50)	MnO2(2)	1100	1.41	9.2	5.6	34
水野(50)	ALC분(50)		1100	0.90	663.8	8.2	7
水野(50)	ALC분(50)	M-55(2)	1100	1.41	10.0	9.8	8
水野(50)	주물사폐더스트 (50)		1100	1.82	0	5.4	10
水野(50)	주물사폐더스트 (50)	탄산코발트 (1.6)	1100	2.70	0	5.2	12

5. 주물사 더스트의 아스팔트 필터재 및 골재

일본의 주물공장에서 배출되는 고형 폐기물의 양은 1980년 기준으로 연간 약 500만톤에 이르고, 그 중의 70% 정도가 폐주물사이다. 이러한 폐사를 재생 이용시에 약 10∼20%의 미분이 분리된다. 일본의 주물에서 포집되는 더스트의 양도 약 60만톤에 이르고 있다. 그러므로 전체적으로 100만톤 이상의 폐주물사 더스트가 배출되고 있는 것이다.

일본에서는 일반 아스팔트 혼합물의 모래, 탄산칼슘 필터의 배합에 대해 폐주물사를 활용하는 연구가 상당히 진행되어 시험 시공과 실제공사에도 적용되고 있다. 아스팔트에 폐주물사를 필터재로 사용하여 시험 시공하여 6년이 경과한 경우에 아스팔트 포장이 매우 정상적으로 거동하고 있다는 보고도 있다.

일반적으로 아스팔트는 미끄럼 저항치, 노면조도, 코어 강도시험 등에 의해 성능을 평가하게 되는데, 폐주물사를 필터재로 사용한 경우 이러한 조건들에 모두 충족되었다. 또 폐주물사는 흑색을 띠고 있고, 아스팔트의 흑색에 사용할 수 있기 때문에 색의 문제에도 전혀 지장이 없다. 특별한 공장에서 배출되는 더스트를 제외하고는 일반적으로 폐주물사 더스트는 아스팔트 콘크리트의 필터재로서 탄산칼슘에 대용할 수 있다.

일본에서는 1976년부터 주조폐기물 도로포장재 연구위원회를 주조학회 내에 설치하여 지속적인 연구와 기술개발을 하고 있다.

6. 건축용 골재

폐주물사는 흑연, 석탄분, 규산소다 외에도 유기물의 바인더나 무기물의 벤토나이트 등의 첨가제가 함유되어 있다. 이러한 폐주물사 중에서 섬유, 철강류, 주철조각 등의 이물질을 제거하고 고속 회전하는 혼련기에 투입한다. 그리고 여기에 폐주물사의 전중량비로 1∼3%의 시멘트를 투입하여 약 1분간 믹싱한다. 그리고나서 폐사의 무게비로 8.0∼15.0%의 물을 첨가하여 교반한 후 필요한 골재로 만들게 된다.

폐사를 고속 회전시키면 점결재와 수분의 상승작용으로 필요한 강도를 갖는 모래가 생산된다. 이렇게 생산된 주물사는 레미콘 등의 대용으로 사용할 수 있다. 그리고 여기에 여러 가지 첨가재를 가하여 섞으면(다시 고속 회전시킴) 외관이 미려한 골재가 만들어지는데, 시멘트 약 5%, 합성수지 약 5%, 도료 등을 첨가하여 만들 수 있다.

7. 기포 콘크리트 제품의 제조

시멘트와 규사를 주원료로 하는 기포 콘크리트 제품(ALC 등)을 제조시에 규사 대신에 SiO2 90% 이상인 폐주물사를 이용하여 기포 콘크리트를 제조할 수 있다. 이때 규사에 대한 대체율은 20%까지 가능하다. 일반적으로 ALC를 제조할 때 규석을 분쇄, 보급 등의 처리를 하여야 한다. 이때 규석 분쇄공정 중에 폐주물사를 혼합하여 사용할 수 있다. 그런데 폐주물사의 SiO2 함량이 90% 이하인 것은 ALC 제품의 압축강도가 저하되므로 주의하여야 한다.

이처럼 ALC 제조공정에 폐주물사를 혼합하여 사용하면 폐주물사의 처리비용의 절감과 ALC 원료의 코스트 다운이 가능해진다.

8. 원적외선 방사재료

폐주물사를 재생 처리할 때는 100메시 이하의 미분이 상당량 발생하게 된다. 이러한 미분은 모래의 손상과 결함으로 주물사로 다시 사용할 수 없다. 또 앞서도 언급했듯이 주물공장 내에서도 많은 양의 폐미분사가 발생되고 있다. 이러한 미분은 시멘트 등과 고형화하여 위생 매립처리를 하여야 한다.

주물폐사 중의 미분사는 SiO2, ZrO2, Cr2O3, Al2O3, Fe2O3, MgO 등을 주성분으로 하는데, 이러한 미분사의 원적외선 방사율을 측정한 결과, 고효율의 원적외선 방사체임이 밝혀졌다. 원적외선 방사물질은 가열분야(가열, 난방, 건조, 식품조리, 사우나 등의 기기)나 히터, 건강기구, 의료품, 활수기, 선도유지, 노면 동결방지 등의 광범위한 분야에 응용되고 있고, 응용범위도 점점 넓어지고 있다.

폐주물사의 미분을 소결시켜 표면에 부착된 점착재 등을 태운 후에 다음의 용도로 사용할 수 있다.

①용사 코팅재 : 플라즈마 용사, 가스 용사, 아크 용사 등의 용사용 코팅재

②소결체 : □-알루미나졸을 점결제로 하여 1∼5%를 배합, 전기, 가스, 목탄 등의 열원으로 가열하여 원적외선 효과를 발휘함.

③도료 : 100메시 체를 통과한 미분사를 도료의 기재로 이용한다. 이러한 도료를 원적외선 방사재료로 도포한다.

④토목□건축자재 : 미립분 100□∼100메시 체를 통과한 미분을 이용하여 아스팔트와 혼합시켜 도로포장재로 이용시에 고효율의 도로 동결방지 구조를 이룬다.

제 6 절 폐주물사 재활용에 대한 연구동향의 고찰

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.

<표2-29>             폐주물사 재활용 연구동향

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

제 3 장  폐주물사의 물리화학적 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. 또 본 과제에서 검증하지 못한 내용은 AFS에서 아주 치밀하고 체계적인 실험을 통하여 그 내용의 일부는 제 4장의 콘크리트용 골재의 연구동향에서 간략히 소개할 것이다.

제 1 절  물리적 시험과 입도분포

1. 비중 및 흡수율 시험

폐주물사의 표면 건조 포화상태의 비중 및 절대 건조 비중, 흡수율 시험은 KS F 2504(잔골재의 비중 및 흡수율 시험방법)에 규정하는 방법에 따른다. 시험결과는 폐주물사 혼합사의 경우는 <표 3-1>, 생형사의 경우는 <표3-2>에 나타낸 바와 같다.

<표 3-1>                 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

<표 3-2>                 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.

<표3-1>, <표3-2>, <도3-1>, <도3-2>는 그 결과를 나타내고 있다.

또 <표3-3>은 국내 각 지역별로 배출되는 주물사에 대한 입도분포와 점토분의 함량을 나타낸 것이다.

3. 단위 용적 중량 시험

AFS에서 수행한 각종 폐주물사에 대한 비중, 흡수율, 입도분포 등은 제 2장 4절에 자세히 나와 있다. 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.

제 2 절  화학적 시험

1. 화학조성

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

<도3-1>        폐주물사(혼합사)의 입경가적곡선

<도3-2>        폐주물사(생형사)의 입경가적곡선

<표3-3>           국내 각지방 주물사의 입도분포와 점토함량

鑄物砂名	粒 度 分 布 (mesh)										平均, 粒度	粘土 (%)
	20	30	40	50	70	100	140	200	270	270
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A 慈恩島B	0.7 0.3 0.2 0.3 0.2 0.2 2.6 0.6 0.1 - 0.4 0.3 0.3 0.2 0.9 0.2 0.25 0.35	0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 0.1 3.4 0.5 0.2 - 0.5 0.5 0.4 0.1 0.7 0.3 0.20 0.25	0.7 0.8 0.2 0.3 0.1 1.4 8.0 0.7 0.4 - 0.7 1.2 0.7 0.1 1.3 0.2 0.30 0.60	2.2 1.5 0.2 0.5 0.3 10.7 15.2 1.3 1.6 - 0.8 2.4 1.4 0.2 3.1 0.6 14.50 5.80	7.7 3.5 0.4 1.4 0.4 18.7 18.6 5.6 7.2 - 1.4 3.5 2.2 2.4 7.9 3.5 29.40 24.20	16.8 9.9 2.6 0.7 0.5 19.4 14.6 20.9 21.7 - 8.1 52.8 14.0 39.9 23.9 27.5 5.30 16.00	20.0 16.9 2.8 23.3 0.9 17.3 11.4 29.3 24.8 - 8.1 52.8 14.0 39.9 23.9 27.5 0.05 2.00	14.0 14.3 4.0 20.9 1.5 10.4 7.1 16.4 13.5 - 8.1 16.4 18.0 17.9 15.5 21.5 0 0.20	10.2 11.3 4.3 11.5 3.4 6.7 5.1 8.7 8.4 - 10.0 3.9 15.4 7.8 9.8 7.8 0 0.10	27.6 32.9 84.8 41.5 32.2 14.7 13.5 15.6 22.0 - 67.0 9.6 42.5 14.1 19.5 17.8 - -	159.2 190.8 276.0 210.4 286.3 107.7 101.5 135.3 146.4 - 264.1 122.4 203.2 125.7 141.9 125.4 - -	22.4 27.8 20 10.5 18.3 8.8 48.0 14.9 26.5 25.2 63.8 28.4 73.4 23.2 26.2 35.5 - -

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 3-4>에는 국내에 배출되는 주요 지역의 폐주물사의 화학적 조성을 보인 것이다. 이러한 값들은 그 지역의 특정 기업체의 폐주물사의 특성이고, 그 지역 전체를 대표한다고 보기는 힘들다. <표3-5>에는 미국에서 발생되는 폐주물사를 임의 추출하여 화학 분석한 결과를 나타낸 것이다.

본 연구에서는 인천□경기지역의 폐주물사 중에서 대표적인 주물사 형태별로 수집한 폐주물사의 화학 분석을 한다. 이러한 화학 분석은 특히 Ig□Loss 함량이 많거나 SiO2 함량이 적은 경우, 또는 유기 불순물이 과다하게 포함된 폐주물사는 일단 배제하기 위한 것이다. 이것은 앞으로 폐주물사를 콘크리트 2차 제품 재활용하기 위한 폐주물사의 수집에 참고하기 위한 것이다. 여기서 분석한 시료는 실제로 콘크리트나 콘크리트 2차 제품에 적용한 경우에 대하여 분석한 것이다. 콘크리트용 골재나 2차 제품에 사용하는 모래의 대체용으로 폐주물사를 사용할 때는 여러 공장에서 배출된 폐주물사를 혼합한 혼합 주물사를 사용하기 때문에 사전에 각 공장에서 배출된 폐주물사의 조성에 대한 정보는 매우 중요한 것이다.

실험에 사용된 분석시료는 인천□경기지역의 주물공단에서 배출된 것 중에서 대표적인 것들을 수집하였는데, 생형사 2종, CO2사 2종, 지르콘사 1종, 코아사 1종, 이러한 6종의 혼합 형태인 혼합사 1종, 요업 슬러지 1종의 8종에 대해서 분석하였다. 분석결과는 <표 3-5>와 같다.

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

<표 3-4>              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

<표3-5>             미국에서의 주물사의 화학조성

주물사 종류 성 분	珪 砂 (水洗)	珪 砂 (水洗後 乾 燥)	대 표 적 bank sand	대 표 적 lake sand	Western bentonite를 粘結劑로 한 珪砂
					古砂	新砂
휘 발 분 (%) C (%) Fe (%) FeO (%) Fe2O3 (%) 全 鐵 分 (%) Al2O3 (%) SiO2 (%) TiO2 (%) Al2O3+Fe2O3 (%) CaO (%) Alkali (%) MgO (%)	- - - - - 0.10 0.39 99.08 0.43 - - - -	- - - - - - - 99.80이상 - - - - -	1.02 - - - - - - 92.09 - 6.09 0.58 - 0.22	0.80 - - - - - - 95.0이상 - 2.0 0.60 0.20 0.40	0.12 0.59 0.97 0.68 0.12 1.77 0.63 95.54 - - - - -	0.28 0.13 - 0.44 0.00 0.44 1.32 95.79 - - - - -

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.

<표 3-6>              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

2. 화학적 안정성

폐주물사의 기상작용에 대한 골재의 내구성과 알칼리 골재 반응성 시험은 AFS의 데이터를 보면 일반적으로 폐주물사는 알칼리 골재 반응을 일으키지 않는 것으로 나와 있다(Rc=43, Sc=30). 이 외에도 안정성 시험 등에서도 폐주물사는 충분히 만족하는 값을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 폐주물사에 사용되는 주물사와 첨가물은 지역과 관계없이 거의 비슷한 것으로 알려져 있으므로 폐주물사에 대한 화학적 안정성은 문제가 없는 것으로 추정된다.

3. 유해 폐기물의 독성

AFS에서는 수십 종의 폐주물사에 대해 독성 시험을 한 결과 전부 무해한 것으로 보고하고 있다. AFS에서 시험한 시료가 국내의 시료와 특별히 다르지 않기 때문에 국내 폐주물사의 경우도 특별한 독성은 없는 것으로 추정된다. AFS에서 수행한 독성 시험의 예는 <표 3-7>과 같다.

제 3 절  열처리 폐주물사의 특성

폐주물사는 규산 소다, sea coul, 후란수지 등의 유기성, 무기성 불순물을 함유하고 있고, 미분의 양이 일반 콘크리트에 사용되는 모래보다 많이 포함되어 있다. 일반적으로 폐주물사가 검은색을 띠고 있어 건자재로 사용할 때에 질감이 어둡고 소비자의 욕구에 부응하지 못하고 있다. 따라서 본 과제에서는 폐주물사 중에서 특히 후란수지를 열처리하여 수지에 묻은 검은색을 제거한 후의 콘크리트용 골재로 사용할 때에 역학적 특성을 조사하고자 한다.

후란수지를 사용한 주물사의 재생 방법들은 기계법, 연소법 및 뉴-매틱법(Pneumatic법)이 있다. 그 중에서 기계법 및 Pneumatic법들은 점결제로 사용한 후란수지의 완전 제거가 불가능하며, 그로 인한 여러 가지의 문제점들이 발생하고 있다. 그러므로 주물사의 점결제인 후란수지를 완전하게 제거할 수 있는 연소법의 필요성이 제기되고 있다.

본 연구에서는, 근래 여러 분야에서 다용도로 사용이 급격하게 증가하고 있는 유동층 내에서 연소법을 이용하여 후란주물사의 재생에 이용하여 보고자하며, 본 연소법으로 얻은 재생사와 현재 K사의 현장에서 Pneumatic법으로 얻는 재생사를 실험적으로 비교 및 검토를 하였다.

그 결과, 환경보존에 대한 주물산업의 협조와 더불어, 생산성의 제고를 통한 주물업체의 국제 경쟁력의 향상에 기여할 수 있을 것이다.

<표 3-7 >                  폐주물사의 독성실험 결과

1. 열처리와 실험

가. 실험장치

) 백고길, 최양진, □유동층을 이용한 주물사의 재생에 관한 연구□, 주조, 제 12권 제 6호, 1992

실험장치의 개략도는 <도 3-3>과 같고 유동층의 단면도는 <도 3-4>와 같으며 본 유동층의 실험은 대기압 하에서 상온으로부터 800℃의 온도 범위에서 수행하였다.

(1) 유동층 실험

<도3-3>에서 보여주는 것과 같이 유동층이 일어나는 부분은 □210×430H×3t인 스테인레스 강(Stainless Steel) 관으로 되어 있으며, 유동층 밑에는 플리넘 챔버(Plenum chamber)를 설치하여 폭발의 위험이 없고 공기와 프로판 가스가 잘 혼합될 수 있게 충분한 공간을 설치하였다.

플리넘 챔버(Plenum chamber)와 유동층 사이는 <도3-4>에서 보는 바와 같이 분산판(Distributor)을 설치하여 유동입자를 지지하고 유동가스의 공급이 균일하게 되도록 하였다. 분산판의 상세도는 <도3-5>에 나타내었다. 또한, 실험장치 외부는 50□ 두께의 세라믹(Ceramic) 단열재와 25□ 두께의 암면(Rockwool)으로 싸서 열 손실을 차단하였다.

(2) 공기 및 연소가스의 공급

<도3-3>에서 보는 바와 같이 송풍기(Blower)에서 공급된 공기를 서어지 탱크(Surge tank)를 통하고, 밸브(V1∼V4)를 통하여 유량을 조절하였으며, 로우터 미터(Rotameter ; R1∼R4)를 이용하여 유량을 읽었다. 연소가스(Propane Gas)는 0.5□/□ 압력으로 조정하고 NV밸브로 가스의 유입량을 조절하였다.

압력의 측정은 압력계(Manometer ; M1∼M6)로 측정하였으며, 특히 유동층 내의 압력은 M5를 이용하여 측정하였다.

(3) 온도측정

K-type열전대와 온도계를 사용하여 플리넘 챔버(Plenum chamber) 및 유동층 내의 온도를 측정하였다.

나. 실험방법

(1) 사용주물사의 입도분포 및 화학성분

본 실험에서 사용한 주물사의 입자는 실제로 K사의 주물공장에서 사용하고 있는 후란주형용 주물사를 사용하였다. 이 주물사의 입도와 화학성분을 <표3-8>, <표3-9>에 나타내었다.

다. 실험결과 및 고찰

폐주물사 중 후란고사의 경우 모래의 검은색깔이 온도가 600℃에서는 약 95%, 650℃에서는 약 98% 정도가 모래색으로 변환되었다.

또 <표3-10>에는 폐주물사와 신사의 입도분포를 나타낸 것이다. 입도분포는 약간 미세화 되긴 했지만 큰 영향은 없는 것으로 밝혀졌다.

<표3-8> 폐주물사의 열처리 전후의 입도분포

입도분포	40	50	70	100	140	200	270	PAN	AFS. GFN
폐주물사	21.0	18.6	0.9	5	1.6	1.5	0.2	1.2	50.8
신 사	20.5	26.8	0.2	4.5	1.5	1.2	0.7	2.3	45.0

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.

<도 3-3>                      유동상의 개략도

<도 3-4>                     유동상의 단면도

<도 3-5>                    실험장치의 개략도

<표3-9>           실험에 사용된 폐주물사의 입도분포

체	40	50	70	100	140	200	270	PAN	AFS. GFN
입도분포(%)	21.0	18.6	0.9	5	1.6	1.5	0.2	1.2	50.8

<표3-10>           실험에 사용된 폐주물사의 화학성분

조 성	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	L.O.I.
%	90.1	4.82	0.44	＠0.01	0.34	0.39

제 4 절  폐물사의 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.

제 4 장  폐주물사 콘크리트의 특성

폐주물사 콘크리트에 대한 연구는 국□내외적으로 아직 진행 중이라고 할 수 있으므로 그 성질에 대해 명확하게 밝힌 자료는 드물지만 폐주물사의 물리적 특성에 따라서 달라지는 것은 당연하다. 콘크리트 폐주물사의 특성에 영향을 미치는 요인은 폐주물사의 종류, 미분의 함유량, 입형 및 원석의 종류, 단위 시멘트량, 잔골재율, 물시멘트비, 혼화재료, 다른 모래와 혼합해서 사용할 경우의 혼합비 등이 있지만, 무엇보다도 입형이 나쁘고 미분량이 많이 함유된 경우에는 굳지 않은 콘크리트의 특성, 경화 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성 등에 미치는 영향은 크다. 이와같이 폐주물사의 물리적 성질은 콘크리트 재료의 역학적 특성을 변화시킨다.

본 연구에서는 폐주물사의 콘크리트용 골재로서의 적합성과 각종 力學的 特性을 실험을 통해 밝히고자 한다. 우선 AFS에서 수행한 콘크리트 재료로서의 특성과 폐주물사를 혼합하여 경화한 콘크리트의 각종 力學的 특성을 살펴보고, 실제 실험에서는 제 3장에서 실험한 폐주물사에 대하여 폐주물사의 모래 대체율, 플라이애시와 폐주물사 혼합 사용시의 물성 특성, 폐주물사의 종류별 콘크리트의 물성 특성 등에 대해서 실험하게 된다. 이러한 실험을 통하여 콘크리트의 골재로 사용할 때에 모래에 대체할 수 있는 폐주물사의 대체율, 최적 배합조건 등을 도출하게 된다.

제 1 절  연구동향

콘크리트용 골재로서 폐주물사를 이용하는 방안에 대한 연구는 아직 초보단계로 미국과 일본 등지에서 부분적으로 연구가 진행되고 있다. 특히 시카고에 있는 미국 주물업자협회에서 최근에 수행한 일련의 연구에서는 폐주물사를 콘크리트용 골재로 사용할 때에 많은 가능성을 제시하였다. 지금까지의 연구결과에서 일반적으로 폐주물사는 일반 콘크리트용 모래에 1/3 정도는 대체하여 사용하여도 어떤 불리한 점을 발견하지 못했다는 것이다.

이 분야에서 가장 연구가 많이 되고 있는 미국 주물업협회의 일련의 프로젝트 중에서 본 과제와 관련있는 내용을 요약한다.

1. 폐주물사의 물리화학적 특성

폐주물사는 일반적으로 콘크리트용 강모래보다 입경이 작고(<표4-1>), 워커빌리티가 나쁘다. 또 폐주물사의 비중과 단위용적중량도 일반 모래보다 적은 값이며, 흡수율은 일반 강모래보다 큰 편이다. 이것은 일반적으로 폐주물사에 포함된 벤토나이트 등의 바인더에 의해서이다.

그러나 입도가 작은 것과 입도 분포에서 미세분이 많은 것을 제외하고는 일반 강모래와 아주 유사하다. 그러므로 콘크리트용 골재로 사용할 때 모래에 일부 대체하는 것은 타당성이 있고, 저강도 콘크리트의 경우에는 100% 대체도 가능하다.

<표4-1>      AFS의 실험에 사용된 폐주물사의 물리적 특성

Property	ASTM C 33 No.2 Sand	Waste Shell Sand	Waste Green Sand	45% Shell Sand/55% Natural Sand Blend	7% Green Sand/93% Natural Sand Blend	ASTM C 33 Requirements
No.4	100	100	100	100	100	95 to 100
No.8	100	100	100	97	87	80 to 100
No.16	87	100	100	84	68	50 to 85
No.30	66	99	99	72	48	25 to 60
No.50	46	79	49	44	19	10 to 30
No.100	16	19	9	10	3	2 to 10
조립율	2.83	1.03	1.43	1.92	3.8	1.92(min)
비중(SSD)	2.71	2.60	2.39	2.64	-
흡수율	1.70	0.50	3.25	1.21	-
단위용적중량(pcf)	102.7	99.3	79.2	105.6	-

2. 배합설계와 굵지 않은 콘크리트의 특성

28일 압축강도가 4000psi를 목표로 슬럼프는 2.4인치, 공기량 5∼7%, 포틀랜드 시멘트 51/2 bags/cuyd, W/C 0.45에 대해 실험을 위한 배합설계표가 <표4-2>, <표4-3>과 같았다. 여기서 폐주물사를 100% 대체한다면 일반 콘크리트와 같은 슬럼프를 내기 위해서는 AE 감수제가 근사적으로 25% 정도 더 소요된다. 그러므로 폐주물사를 100% 대체하여 사용하는 것은 비구조부재에 한정되어야 할 것이다. 또 폐주물사를 45% 이상 대체하게 되면 일반 콘크리트의 프레시 콘크리트와 같은 워커빌리티를 얻기 위해서는 감수제가 필요하다. 그러므로 실제적으로 상업적인 관점에서 보면 폐주물사를 45% 이상 대체하여 사용하는 것은 무리이다(<표4-3>).

폐주물사는 조립율이 작고, 특히 벤토나이트 등의 점토분으로 인해서 워커빌리티를 급격히 감소시킬 우려가 있다. 폐주물사의 점토분의 미립자가 프레시 콘크리트의 워커빌리티를 감소시키는 이유는 점토분의 수분 흡수와 더불어 활성점토의 swelling 작용 때문이다. 이러한 점토는 AE제 등의 혼화제를 흡수하기도 한다. 그러므로 이러한 벤토나이트 등의 점토분이 완전히 제거되지 않으면 콘크리트 구조부위에 사용될 수 있는 폐주물사는 한계가 있다.

<표4-2>                 생형사를 이용한 배합설계표

구 분	내 용	Control (No.FGS)	7% FGS	20% FGS	33% FGS	45% FGS	Commercial Equivalent
Material	Mix Water, lbs.	235	260	333	307	340	285
	Cement(Coplay), lbs.	520	520	520	520	520	500
	Foundry Sand, SSD, lbs.	-	107	293	490	611.5	-
	Sand(Algonquin) SSD, lbs	1404	1387	1192	1000	747	1480
	Coarse Aggregate, SSD, lbs	1780	1780	1780	1780	1736	1750
	Admixtures :
	Grace WRDA-82 Water Reducer, oz.	15.0	17.0	22.0	29.0	58.0	15.5
	Grace Daravair Air Entraining Agent, oz.	8.6	12.0	14.5	18.0	9.0	1.0
	Water-to-Cement Raito	0.45	0.50	0.59	0.59	0.65	0.57
Targeted Concrete Properties	Slump, in.	2-4	2-4	2-4	2-4	2-4	2-4
	Air, %	5-7	5-7	5-7	5-7	5-7	4-6
	28 day Compressive Strength, psi	4000	4000	4000	4000	4000	4000
Typical Fresh Concrete Properties	Slump, in.	3.0	2.75	2.75	2.75	2.75	-
	Air, %	6.5	5.5	2.4	2.0	2.0	-
	Fresh Unit Weight, pcf	145.5	145.5	146.7	144.7	145.7	-

<표4-3>            shell sand를 이용한 배합설계표

구 분	내 용	Control (No.FGS)	7% FGS	20% FGS	33% FGS	45% FGS	Commercial Equivalent
Material	Mix Water, lbs.	235	272	231	276	316	285
	Cement(Coplay), lbs.	520	520	520	520	520	500
	Foundry Sand, SSD, lbs.	-	490	611.5	702	1421.5	-
	Sand(Algonquin) SSD, lbs	1404	1000	747	702	-	1480
	Coarse Aggregate, SSD, lbs	1780	1780	1735	1704	1629	1750
	Admixtures :
	Grace WRDA-82 Water Reducer, oz.	15.0	13.5	15.2	15.0	13.5	15.5
	Grace Daravair Air Entraining Agent, oz.	8.6	9.0	10.0	8.6	10.8	1.0
	Water-to-Cement Raito	0.45	0.52	0.44	0.53	0.61	0.57
Targeted Concrete Properties	Slump, in.	2-4	2-4	2-4	2-4	2-4	2-4
	Air, %	5-7	5-7	5-7	5-7	5-7	4-6
	28 day Compressive Strength, psi	4000	4000	4000	4000	4000	4000
Typical Fresh Concrete Properties	Slump, in.	3.0	3.0	3.0	3.0	3.0	-
	Air, %	6.5	5.7	5.5	5.4	6.0	-
	Fresh Unit Weight, pcf	145.5	144.5	145.8	144.9	139.2	-

3. 압축강도

콘크리트의 압축강도는 설계자들이 콘크리트 구조물의 설계계산에 가장 중요한 역할을 하는 요소이다. 압축강도 실험결과는 <표4-4>, <표4-5>와 같다. AFS의 실험을 보면 배합설계 강도 4000psi에서 보통 콘크리트의 5080psi이고, 45% 폐주물사 WSS를 사용한 경우는 5200psi로 배합설계 강도의 130% 수준이다. 또 7%의 폐주물사주물사 WGD를 혼합한 경우에는 4170psi로 배합설계 강도의 104% 수준이다. 일련의 실험에서 얻어진 강도 값들은 대체로 양호하고, 폐주물사는 콘크리트 수화물의 생성에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.

<표4-4>              압축강도 실험결과(1)

	압축강도(psi) 재령
	2	7	14	28	56
Control (no foundry sand)	2205	4140	4630	5080	5340
45% Waste Foundry Shell Sand/55% Concrete Sand Mixture	2010	4090	4710	5200	5500
7% Waste Foundry Green Sand/93% Concrete Sand Mixture	2600	3620	3980	4170	4360

<표4-5>          압축강도 실험결과(2)

Concrete Type	7일 압축강도(psi)
33% Waste Foundry Shell Sand/67% Concrete Sand Mixture	3470
50% Waste Foundry Shell Sand/50% Concrete Sand Mixture	2740
100% Waste Foundry Shell Sand as Fine Aggregate	1600

4. 휨강도

콘크리트의 휨강도 또한 콘크리트의 역학적 특성에서 중요한 요소이다. 또 콘크리트 포장공사 등에서는 특히 그렇다. WSS 45%를 치환한 폐주물사 콘크리트의 휨강도는 <표4-6>과 같다. 보통 콘크리트의 28일 휨강도는 740psi이고, 폐주물사 45%를 혼합한 콘크리트의 휨강도는 675psi이었다. 그런데 일반적으로 4000psi 압축강도의 휨강도는 470∼630psi이고, 5000psi 압축강도의 휨강도는 630∼710psi이다. 그러므로 폐주물사가 혼합된 이 경우의 휨강도는 특별히 문제가 없는 값이다. 따라서 폐주물사(WSS)를 콘크리트에 사용하는 것은 콘크리트의 휨 특성에 특별한 영향을 미치지 않는다.

<표4-6>             WSS 폐주물사의 휨강도

Concrete Type	휨강도(psi) 7일	휨강도(psi) 28일
Control (no foundry sand)	660	740
45% waste foundry shell sand/ 55% concrete sand mixture	490	675
Calculated flexural strength for 4000 psi compressive strength concrete	-	470 to 630
Calculated flexural strength for 5000 psi compressive strength concrete	-	530 to 710

5. 탄성계수와 포아슨비

탄성계수는 콘크리트의 중요한 특성 중에 하나로 구조물의 설계에 사용되는 주요 변수 중의 하나이다. <표4-7>에는 탄성계수와 포아슨비를 나타내고 있다.

<표4-7>           폐주물사 콘크리트의 탄성계수 실험결과

Concrete Type	Modulus of Elasticity, psi	Poisson's Ratio
Control (no foundry sand) Avg.	4.3×106 4.4×106 4.5×106 4.4×106	0.23 0.21 0.25 0.25
45% Waste Foundry shell sand, 55% concrete sand Avg.	4.1×106 4.63×106 4.3×106 4.3×106	0.2 0.26 0.22 0.23
Calculated modulus of elasticity for 4000 psi compressive strength concrete	3.6×106	-
Calculated modulus of elasticity for 5000 psi compressive strength concrete	4.0×106	-
Typical range for Normal-Weight Concrete	2 to 6×106	0.15 to 0.25

6. 건조수축과 팽창

건조수축은 콘크리트의 균열에 영향을 미치는 요소이다. 폐주물사 콘크리트의 경우 건조수축에 대한 거동은 일반 콘크리트의 경우와 거의 유사하다.

또 팽창계수에서도 특별히 보통 콘크리트와 다르지 않다고 보고되고 있다.

7. 동결융해저항성

폐주물사 콘크리트의 동결융해저항에 대한 실험에서 장기적인 동결융해에 대하여 약한 것으로 보고되고 있다. 그러므로 외부 대기에 장기간 노출되는 콘크리트에는 적합하지 않다.

8. 알카리 골재반응

폐주물사의 알카리 골재 반응 시험결과 반응성이 없다고 보고되고 있다.

제 2 절  실험 및 실험결과

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. 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.

<표4-10>                 플라이애시의 화학 조성

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 7.08로써 그 세부적인 내용은 <표4-11>과 같다. 또 굵은 골재의 입도분포는 <표4-12>와 같다.

<표4-11>                골재의 물리적 특성

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

<도4-1>               플라이애시의 입도분포

<표4-12>               굵은골재의 입도분포

굵 은 골 재
재규격	잔류량(g)	잔류율(%)	누적잔류율(%)	통과율(%)
80□
40□	0	0.00	0.00	100.00
25□	436.6	4.03	4.03	95.97
19□	1394.8	12.87	16.90	83.10
13□	7256	66.97	83.87	16.13
10□	900.3	8.31	92.18	7.82
No.4	692.7	6.39	98.57	1.43
No.8	0	0.00	98.57	1.43
PAN	154.5	1.43	100.00	0.00
계	10834.9	100.00	707.66

(2) 잔골재

잔골재는 한강 모래로서 조립율 2.64의 강모래를 사용하였다. 그 물리적 성질은 <표4-11>, 입도분포와 입도분포곡선은 각각 <표4-13>, <도4-2>와 같다.

<표4-13>                   잔골재의 입도분포

잔 골 재
재규격	잔류량(g)	잔류율(%)	누적잔류율(%)	통과율(%)
10□	0	0.00	0.00	100.00
No.4	9.1	1.82	1.82	98.18
No.8	43.4	8.67	10.49	89.51
No.16	84.7	16.93	27.42	72.58
No.30	134.9	26.96	54.38	45.62
No.50	100.3	20.04	74.42	25.58
No.100	103.7	20.72	95.14	4.86
No.200		0.00	95.14	4.86
PAN	24.3	4.86	100.00	0.00
계	500.4	100.00	263.67

<도4-2>                   잔골재의 입도분포

다. 폐주물사

폐주물사의 물리□화학적 특성은 제 3장에 수록되어 있다.

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/□)

제 3 절 실험결과 분석 및 고찰

폐주물사를 콘크리트용 골재로 사용하기 위하여 여러가지 실험을 하였다. 실험의 목표는 콘크리트용 골재로 사용할 때에 폐주물사의 혼합비율을 얼마나 사용할 수 있느냐와 플라이애시를 혼합 사용했을 때의 특성을 파악하고자 한다.

1. 폐주물사의 혼합비율과 콘크리트의 특성

혼합 폐주물사를 0%, 20%, 40%, 60%에 대해서 콘크리트의 잔골재에 대체하여 사용했을 때의 3, 7, 28일 압축강도와 인장강도, 탄성계수를 실험하였다. 실험결과 <표4-39>, <도4-3>과 같다. 또 인장강도와 탄성계수의 실험결과는 <도4-4>, <도4-5>와 같다. 한편 강도발현율을 재령에 따라 살펴보면 <도4-6>과 같다.

<표4-39> 폐주물사를 잔골재 대체로 사용할 때의 콘크리트의 특성

(단위 : □f/□)

대체비율	압 축 강 도			28일 인장강도	28일 탄성계수(×10-5)
	3일	7일	28일
0%	159	228	338	28	2.79
20%	161	236	352	30	2.85
40%	172	255	381	25	2.85
60%	152	237	360	28	2.75

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.

<도4-3>         폐주물사 콘크리트의 재령에 따른 압축강도

<도4-4>         폐주물사 콘크리트의 재령에 따른 인장강도

<도4-5>        폐주물사 콘크리트의 재령에 따른 탄성계수

<도4-6>     폐주물사 콘크리트의 혼합비에 따른 압축강도

2. 폐주물사콘크리트의 수화반응성

폐주물사를 사용할 때 골재로서의 적합성을 생각할 때 가장 중요한 것은 시멘트와의 반응상태를 확인하는 것이다. 폐주물사의 반응성을 확인하기 위하여 28일 강도에 대한 각각의 상대강도비의 변화를 살펴봄으로서 알 수 있다. 즉 Carino가 콘크리트의 적산온도 모델에서 온도의 영향에 따른 콘크리트의 강도발현의 증가율을 나타내는 것이다. 이러한 반응율 상수는 회귀분석을 통하여 구할 수 있는데, 반응상수가 커질수록 초기의 강도증가는 높아지지만 후기강도는 떨어지는 경향을 나타낸다. 즉 반응률은 초기기울기에 따라 결정된다.

본 실험의 결과를 나타낸 것은 <표4-40>과 <도4-7>로서, 시멘트의 수화반응의 속도와 관련된 반응률 상수는 폐주물사를 사용하더라도 큰 영향이 나타나지 않고 있다. 그러나 3일 강도의 초기강도는 상대강도가 폐주물사의 혼합비율이 높을수록 다소 떨어지는 경향을 보이고 있는데, 이것은 플라이애시를 혼합했을 때와 비슷한 형태를 보이고 있다. 따라서 폐주물사의 사용은 일반적인 콘크리트 뿐만 아니라 매스콘크리트나 기초부 콘크리트 등의 사용에 유리할 것으로 보여지고, 내구성에만 문제가 없다면 페주물사를 혼합할수록 콘크리트의 후기강도는 오히려 높아짐을 예측할 수 있다.

본 실험에서 보듯이 7일의 상대강도는 주물사 혼합비율에 따라 거의 영향이 없는 것으로 나타나고 있다. 이것은 폐주물사를 사용할 경우에 7일 이후부터는 보통콘크리트의 수화반응 속도로 반응함을 알 수 있다.

<표4-40>              28일 강도에 대한 상대강도

대체비율	압 축 강 도
	3일	7일	28일
0%	0.47	0.67	1
20%	0.46	0.67	1
40%	0.45	0.67	1
60%	0.42	0.66	1

<도4-7>               28일 강도에 대한 압축강도비

3. 프레시 상태의 콘크리트의 특성

한편 프레시 상태의 폐주물사의 혼합비에 따른 특성은 <표4-41>과 같다.

<표4-41> 프레시상태의 폐주물사의 혼합비에 따른 특성

혼 합 비	슬럼프(□)	공기량(%)
0%	15.9	5.4
20%	14.1	4.0
40%	10.8	3.7
60%	7.5	3.5

<도4-8>             배합비에 따른 슬럼프 변화

<도4-9>            배합비에 따른 공기량 변화

<도4-8>, <도4-9>에서 알 수 있는 것은 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.

4. 플라이애시 혼합에 따른 폐주물사 콘크리트의 특성

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.

플라이애시와 주물사의 혼합비를 변경시키면서 실험한 결과는 <표4-42>와 같다. 이 실험결과에서 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.

<표4-42>          플라이애시 혼합에 따른 역학적 특성

플라이애시		0%				10%				20%
주 물 사		0%	20%	40%	60%	0%	20%	40%	60%	0%	20%	40%	60%
압축강도	3일	159	161	172	152	130	139	151	159	126	127	129	126
	7일	228	236	255	237	216	236	246	252	215	219	218	222
	28일	338	352	381	360	344	358	384	403	337	365	362	363
인장강도		29	30	24	29	27	26	26	30	30	30	29	30
탄성계수		2.79	2.85	2.90	2.78	2.86	2.85	2.88	2.85	2.90	2.86	2.85	2.85

가. 주물사 0%, 플라이애시 변화

먼저 일반적인 플라이애시의 콘크리트 혼합시의 특성을 파악하기 위하여 주물사를 사용하지 않은 경우의 플라이애시 혼합에 따른 콘크리트의 역학적 특성을 분석하면 <도4-10> ∼ <도4-13>과 같다.

<도4-10>    주물사 0%, 플라이애시 변화에 따른 압축강도

<도4-11> 주물사 0%, 플라이애시 변화에 따른 재령별 압축강도 변화

<도4-12>     주물사 0%, 플라이애시 변화에 따른 인장강도

<도4-13>    주물사 0%, 플라이애시 변화에 따른 탄성계수

나. 주물사 20%, 플라이애시 변화

주물사를 20% 대체했을 때의 플라리애시 사용량에 따른 콘크리트의 역학적 특성은 <도4-17> ∼ <도4-20>과 같다.

<도4-17>   주물사 20%, 플라이애시 변화에 따른 압축강도

<도4-18> 주물사 20%, 플라이애시 변화에 따른 재령별 압축강도

<도4-19>    주물사 20%, 플라이애시 변화에 따른 인장강도

<도4-20>     주물사 20%, 플라이애시 변화에 따른 탄성계수

다. 주물사 40%, 플라이애시 변화

주물사를 40% 대체했을 때의 플라리애시 사용량에 따른 콘크리트의 역학적 특성은 <도4-21> ∼ <도4-24>와 같다.

<도4-21>      주물사 40%, 플라이애시 변화에 따른 압축강도

<도4-22>  주물사 40%, 플라이애시 변화에 따른 재령별 압축강도

<도4-23>     주물사 40%, 플라이애시 변화에 따른 인장강도

<도4-24> 주물사 40%, 플라이애시 변화에 따른 탄성계수

라. 주물사 60%, 플라이애시 변화

주물사를 60% 대체했을 때의 플라리애시 사용량에 따른 콘크리트의 역학적 특성은 <도4-25> ∼ <도4-28>과 같다.

<도4-25>     주물사 60%, 플라이애시 변화에 따른 압축강도

<도4-26>  주물사 60%, 플라이애시 변화에 따른 재령별 압축강도

<도4-27>     주물사 60%, 플라이애시 변화에 따른 인장강도

<도4-28>     주물사 60%, 플라이애시 변화에 따른 탄성계수

5. 플라이애시 혼합에 따른 폐주물사 콘크리트의 프레시상태 특성

폐주물사의 대체율이 높을수록 슬럼프와 공기량은 감소한다. 그러나 플라이애시의 첨가율이 높을수록 슬럼프는 높아지고 공기량은 감소하게 된다. 따라서 폐주물사의 대체율이 높고, 플라이애시의 사용율이 많으면 공기량은 극히 적어지게 된다.

<표4-43>

플라이애시	0%				10%				20%
폐주물사	0	20	40	60	0	20	40	60	0	20	40	60
슬 럼 프	15.9	14.1	10.8	7.5	17.5	12.4	13.0	10	18.7	16.5	13.3	11
공기량(%)	5.4	4.0	3.7	3.5	4.0	2.2	1.6	1.25	2.0	1.55	1.3	1.2

<도4-29>           폐주물사 혼합비와 슬럼프 변화

<도4-30>              폐주물사 혼합비와 공기량 변화

6. 단위시멘트량에 따른 강도변화

가. 단위시멘트량에 따른 강도

<도4-31>에는 플라이애시를 시멘트에 대체하여 사용시의 순 시멘트량에 대한 압축강도의 변화를 나타낸 것이다. 28일 강도의 경우에 플라이애시의 대체한 경우에 순 단위시멘트량에 관계없이 비슷한 압축강도를 보이고 있다. 그러므로 본 실험의 경우에 플라이애시를 시멘트에 20% 까지 대체하여 사용하여도 특별한 강도저하가 나타나지 않음을 알 수 있다.

나. 주물사의 혼합에 따른 평균 압축강도

<도4-32>에는 플라이애시 0, 10, 20% 사용시의 주물사 사용비율 0, 20, 40, 60%의 치환비율에 대한 평균적인 압축강도를 보인 것이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 플라이애시의 사용시에도 콘크리트의 압축강도가 주물사의 대체율이 높을수록 높은 값을 보이고 있다. 따라서 주물사와 플라이애시의 혼합 사용으로 강도 저하는 일어나지 않고 오히려 강도가 증가함을 알 수 있다.

<도4-31>        순 단위시멘트량에 따른 평균 압축강도

<도4-32>  주물사 치환비율에 따른 평균 압축강도

7. 폐주물사 콘크리트 실험결과에 대한 고찰

<폐주물사의 콘크리트용 2차제품개발>

□ 연구동향

- MacIntyre 등은 주물사를 이용해서 콘크리트 블록 제작 실험

- Naik 등은 콘크리트블록이나 인터록킹블록의 제조

제 2 절 몰타르의 실험

□ 몰타르 실험

-  물-시멘트비 : 0.5, 0.625, 0.833, 1.25

-  단위시멘트량 : 800, 640, 480, 320 kg/cm3

-  C : S = 1 : 2.5

-  주물사 치환율 : 50, 75, 100%

- 배합비

<표5-7>                   몰타르실험의 배합비

공시체 No.	물	시멘트	잔골재 (일반)	잔골재 (혼합사)	잔골재 (생형사)	잔골재 (미상)
1	400	800	1000	1000	0	0
2	400	800	500	1500	0	0
3	400	800	0	2000	0	0
4	400	640	0	2000	0	0
5	400	480	0	2000	0	0
6	400	320	0	2000	0	0
7	400	800	0	0	2000	0
8	640	800	0	0	0	800

□ 실험결과

<표5-8>                 몰타르실험의 결과

공시체 기 호	몰탈 플로우 (cm)	압축강도 (kgf/□)
		3일	7일	28일
1	110	-	437	580
2	78	-	438	581
3	77.5	-	437	578
4	77	-	323	481
5	84	-	135	376
6	86.5	-	146	254
7*	76.5	-	109	137
8	134.5	-	163	301

* 공시체 팽창으로 인해 강도저하

□ 주물사 대체율에 대한 몰타르 강도

<표5-9>    주물사 치환율에 따른 몰타르의 압축강도                  kg/cm2

공시체 No.	물/시멘트비	폐주물사대체율	7일 압축강도	28일 압축강도
1	0.5	50%	437	580
2	0.5	75%	438	581
3	0.5	100%	437	578

<도5-3>       주물사 치환율에 따른 몰타르의 압축강도

<도5-4>        단위시멘트량에 따른 몰타르의 압축강도

<도5-5>      몰타르의 물시멘트비에 따른 7일 압축강도

<도5-6>     몰타르의 물시멘트비에 따른 7일 압축강도

□ 폐주물사 처리 시스템

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□□

□  폐 주물사  □                                                      □ＪＰ］-ＥＷＬ□

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□□

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□  야     적  □                                                      □  야     적  □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□ 로우더                                                             □ 로우더

□                                                                    □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□  호     퍼  □                                                      □  호     퍼  □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

콘베어 □ 1차 탈철                                                           □ 콘베어

□                                                                    □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□ 1차 분 쇄   □                                                      □ 1차 분 쇄   □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

콘베어 □                                                                    □

□                                                                    □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                             □

□ 스  크  린  □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□                              □

□□□□□□□□□□□□□□□   콘베어 ３ 3차 탈철         □                              □

일반쓰레기 □                                □                              □

분리     □                                □                              □

□□□□□□□□□□□□□□□     콘베어       □□□□□□□□□□□□□□□                       □

□1차 입도조정 □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ 함마크래셔  □                       □

□□□□□□□□□□□□□□□    2차 탈철      □□□□□□□□□□□□□□□                       □

□                    잡석０일반쓰레기 분리                      □

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□         □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□ 83%    □ 10%

□□□□□□□□□□□            □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□           □□□□□□□□□□□□□

□ 시멘트  □□□□□□□□□□□□□□ 혼합 ＞기계설비에 의한 계량 □□□□□□□□□□□□□    물     □

□□□□□□□□□□□            □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□           □□□□□□□□□□□□□

7）                               □

□

□□□□□□□□□□□□□□□

□  성     형  □

□□□□□□□□□□□□□□□

□

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□

□□□□□□  경 화  □□□□□□  탈 형  □□□□□□ 자연 양생 □□□□□□  야 적  □□□□□□  출 하  □

□□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□

강제 증기건조 (80-100℃)                  25일 이상

4시간

<도5-7>             H사의 폐주물사를 이용한 벽돌제조공정

□ 시멘트 벽돌

<표5-11>         시멘트 벽돌의 품질

압축강도 □/□(N/□)	흡 수 율 (%)
80 (784.53) 이상	20 이하

□ 시멘트 블록

<표5-13>             시멘트블록의 품질기준

종 류	기건 비중	전 단면적에 대한 압축강도 □/□(N/□)	흡수율 (5)	투수성 □	최대 흡수율에 대한 함습률비 %
A종 블록	1.7 미만	40 (392.27) 이상	40 이하
B종 블록	1.9 미만	60 (588.40) 이상	30 이하	8 이하	40 이하
C종 블록	-	80 (784.53) 이상	20 이하

주) 1. 전 단면적이란, 가압면(길이치수×두께치수)으로서 속빈 부분 및 양 끝의 오        목하게 들어간 부분의 면적도 포함한다.

2. 투수성은 방수 블록에만 적용한다.

3. 최대 흡수율에 대한 함습률비는 당사자 사이의 협정에 따라 필요할 경우에만 적용한다.

□ 인터록킹 블록

(가) 휨강도 : 블록은 규정에 의거한 시험을 실시하고 보도용은 50□/□ 이상, 차도용은 60□/□ 이상이어야 한다.

(나) 흡수율 : 규정에 따른 흡수율 시험을 실시하고 시료수의 평균 흡수율은 7% 이내이어야 하며, 시료개개의 흡수율은 10% 이내이어야 한다.

□ 응용제품개발에 대한 검토의견

- 시멘트벽돌과 블록의 경우 50%까지 사용

- 색상에 대한 문제점이 없다면 AE제의 사용으로 100%까지 치환 가능

- 시멘트 원가절감, 플라이애시 20% 까지 사용이 바람직함

- 인터록킹의 경우에는 AE제 0.1-0.2% 사용이 고려되어야 함

제 3 절 응용제품개발

1. 폐주물사 처리 시스템

가. 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. 본 연구과제를 위해서는 협동 연구를 수행한 한승콘크리트의 공장을 대상으로 한 2차 제품 개발이 시도되었다. 한승콘크리트는 대지 3,000여평에 건평 300평 규모로 1일 벽돌 10만장, 블록 2만장을 생산할 수 있는 설비를 갖추고 있다.

한승콘크리트의 폐주물사를 이용한 벽돌 제조공정은 <도 5-7>과 같다. 여기서 기계설비에 의한 계량 단계까지는 다른 2차 제품 콘크리트와 공통의 설비를 이용하고, 성형 단계에서부터 필요한 2차 제품에 따라서 적절한 성형기로 재료가 투입된다. 성형기로서 벽돌, 블록, 인터로킹, 경계석 등을 생산할 수 있다. 탈철로부터 성형기로 이동하는 과정의 재료의 계량과 투입은 모두 자동적으로 조절되는 컴퓨터 시스템으로 통제되고 있다.

이렇게 성형된 제품은 양생실로 이동되어 65℃ 이상으로 4시간 정도 증기 양생한 후 야적장에 운반되어 자연 양생 상태로 저장된다.

나. 2차 제품 제조를 위한 재료

본 과제에서 수행하는 기술 개발에서는 폐주물사는 콘크리트용 2차 제품에 사용되는 골재의 특성을 100% 만족시킬 수 없다. 이것은 폐주물사에 규산소다, sea -coal 등의 혼합물이 함유되어 있고, 폐주물사의 종류에 따라서는 점토분의 함량이 5% 이상 존재하고 있기 때문이다. 그러나 콘크리트용  2차 제품에 폐주물사를 사용하기 위해 선별된 폐주물사를 수거하기는 사실상 힘들고, 영세한 주물업자의 수가 많기 때문에 다양한 종류의 주물사가 많은 공장에서 임의로 배출된다. 따라서 본 과제에서는 이러한 여러가지의 CO2사, 생형사, 후란사 등으로 혼합된 폐주물사를 사용한다. 물론 이러한 폐주물사가 수집형태나 유통경로에 따라 다소 품질에 변동이 생길 수 있지만 앞에서 검토한 일련의 기초적인 물리화학적 특성분석을 위한 실험과 몰타르 및 콘크리트용 골재로서의 혼합시의 역학적 특성을 검토한 결과 그 혼합율이 60%를 넘지 않는다면 이러한 변동요인은 극단적으로 편재된 형태로 수집되지만 않으면 2차 제품의 품질에 큰 영향은 미치지 않을 것으로 판단된다. 또 혼합 폐주물사가 미관상으로 검은색을 띠고 있고, 입도분포가 앞장에서 분석한 것과 같이 입경이 작으므로 2차 제품의 색깔 보정과 입도조절 및 폐주물사의 원재료의 변동요인을 감안하여 폐주물사와 석분을 혼합하여 사용한다. <표5-10>에는 2차 제품에 사용되는 재료를 표시한 것이다.

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□□

□  폐 주물사  □                                                      □ＪＰ］-ＥＷＬ□

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□□

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□  야     적  □                                                      □  야     적  □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□ 로우더                                                             □ 로우더

□                                                                    □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□  호     퍼  □                                                      □  호     퍼  □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

콘베어 □ 1차 탈철                                                           □ 콘베어

□                                                                    □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

□ 1차 분 쇄   □                                                      □ 1차 분 쇄   □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                      □□□□□□□□□□□□□□□

콘베어 □                                                                    □

□                                                                    □

□□□□□□□□□□□□□□□                                                             □

□ 스  크  린  □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□                              □

□□□□□□□□□□□□□□□   콘베어 ３ 3차 탈철         □                              □

일반쓰레기 □                                □                              □

분리     □                                □                              □

□□□□□□□□□□□□□□□     콘베어       □□□□□□□□□□□□□□□                       □

□1차 입도조정 □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ 함마크래셔  □                       □

□□□□□□□□□□□□□□□    2차 탈철      □□□□□□□□□□□□□□□                       □

□                    잡석０일반쓰레기 분리                      □

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□         □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□ 83%    □ 10%

□□□□□□□□□□□            □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□           □□□□□□□□□□□□□

□ 시멘트  □□□□□□□□□□□□□□ 혼합 ＞기계설비에 의한 계량 □□□□□□□□□□□□□    물     □

□□□□□□□□□□□            □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□           □□□□□□□□□□□□□

7）                               □

□

□□□□□□□□□□□□□□□

□  성     형  □

□□□□□□□□□□□□□□□

□

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□

□□□□□□  경 화  □□□□□□  탈 형  □□□□□□ 자연 양생 □□□□□□  야 적  □□□□□□  출 하  □

□□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□    □□□□□□□□□□□

강제 증기건조 (80-100℃)                  25일 이상

4시간

<도5-7>             H사의 폐주물사를 이용한 벽돌제조공정

<표 5-10>              2차제품 생산용 재료            kg/cm3

구 분		사 용 재 료	벽돌	블록	인터록킹
시 멘 트		보통 포틀랜드 시멘트	180-220	180-220	300-350
골재	잔 골 재	주물사, 석분,	950-1100	950-1100	800-1000
	굵은골재	쇄사	950-1110	950-1100	800-1000
혼 화 재		플라이애시	0-48	0-48	0-60

2. 시멘트 벽돌

가. KS 규격에 의한 시멘트 벽돌의 제조와 품질(KS F 4004)

(1) 적용범위

이 규격은 주로 건축물에 사용하는 무공 및 유공의 시멘트 벽돌에 대하여 규정한다.

(2) 재료 및 제조방법

(가) 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트), KS L 5210(고로슬래그 시멘트) 또는 KS L 5211(플라이애시 시멘트)에 규정하는 것으로 한다. 다만 고로시멘트 및 플라이애시 시멘트는 A종 및 B종으로 한다.

(나) 골재는 보통골재 및 경량골재로 한다. 다만 골재는 10□ 체를 통과하고 또한 내구성이 있는 것으로 한다. 골재의 입도는 시멘트 벽돌의 겉모양 및 품질을 손상하지 않는 것으로 세조립이 적당히 혼합된 것으로 한다. KS F 2511(골재에 포함된 잔입자 - No.200체를 통과하는 - 시험방법)에 따라 골재중에서 손실되는 것의 양은 3% 이하로 한다. 다만 부순돌, 부순모래, 경량골재, 고로슬래그 잔골재 등으로 손실되는 것이 골재분말인 경우에는 10% 이하로 한다.

※보통골재 : 모래, 자갈 또는 부순모래, 부순돌, 고로슬래그 잔골재 등으로    절건비중이 2.5 정도인 것

※경량골재 : 인공경량골재, 천연경량골재, 부산물 경량골재 등으로 KS F       2534(구조용 경량골재)에 적합한 것으로 말한다.

(다) 물은 기름, 산, 염분, 유기물, 기타 유해물의 유해량을 함유하지 않아야 한다.

(라) 시멘트 벽돌용 콘크리트에는 제품의 질을 나쁘게 하지 않는 범위에서 적당한 혼화재료를 첨가하여도 좋다.

(마) 원료의 반죽혼합에는 동력에 의한 믹서를 사용하며, 물은 원료를 반죽 혼합시키면서 살수상태로 가한다. 성형에는 동력에 의한 진동과 압축을 겸한 방법을 사용한다.

(바) 성형 후는 습도 약 100%의 실내에 500℃-hr 이상 보존하고, 그 후 성형후의 통산 4000℃-hr 이상의 다습상태로 양생한다. 다시 그 후 7일 이상 보존하여 출하한다. 그러나 위의 양생은 오토클레이브 화학처리 등에 의한 특수양생인 경우에는 적용되지 않는다.

※℃-hr : 양생온도(℃)와 양생시간(h)를 곱한 값

※초기의 실내 양생에 상압의 증기양생을 하는 경우에는 다음과 같은 주의    가 필요하다.

※시멘트의 응결을 시작하는 시기에 급격한 온도의 변화를 주어서는 안된다.

※양생실의 온도를 올리는 방법 및 내리는 방법은 급격한 온도변화가 생기    지 않도록 하여야 한다.

※양생실의 최고온도는 65℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

(3) 품질

(가) 겉모양 : 시멘트 벽돌은 겉모양이 균일하고 비틀림, 해로운 균열 또는 흠이 없어야 한다.

(나) 성능 : 시멘트 벽돌은 규정한 시험방법에 의하여 시험하고 다음 표의 규정에 적합하여야 한다.

<표 5-11>                   시멘트 벽돌의 품질

압축강도 □/□(N/□)	흡 수 율 (%)
80 (784.53) 이상	20 이하

나. 배합설계

시멘트 벽돌의 배합설계는 <표5-12>와 같다. 물시멘트비는 0.25, 0.35, 0.4, 0.5로 0.25 - 0.5까지 변화시키면서 배합을 하였다. 주물사는 앞의 4장과 5장 2절의 실험결과에서 보듯이 보통 골재를 사용하는 경우 보다 분산도가 불리하므로 충분한 배합을 위해서는 단위수량이 증가하여야 한다. 따라서 물시멘트비에 변화를 주어서 실험하였다.

단위시멘트량에 대한 강도의 변화를 보기 위하여 160의 부배합과 180, 200, 220의 4종의 단위시멘트량에 대하여 배합설계를 하였다. 시멘트 벽돌의 경우 시멘트 벽돌 1장 생산에 소요되는 원가 구성비에서 시멘트 값이 9-11원으로 절대적인 비중을 차지하므로 가능한 단위시멘트량을 줄이는 것이 바람직하다. 시멘트 벽돌에 사용되는 모래는 주물사와 석분을 사용하였다. 주물사와 석분을 5:5인 경우와 6:4의 2 종류에 대하여 실험한다. 또 단위시멘트량이 적은 경우에 대하여는 플라이애시로 치환하였다. 플라이애시 사용율은 0, 10, 20%에 대하여 설계하였다.

<표 5-12>              시멘트벽돌의 배합설계                 □/□

구분	배합번호	W/C	시멘트량	주물사	석분	단위수량	F.A	혼화제
벽돌	A111 A121 A131 A212 A222 A232 A301 A302 A303 A304	0.25 0.25 0.25 0.35 0.35 0.35 0.4 0.4 0.5 0.5	160 180 220 160 180 220 144 120 144 136	940 935 933 1110 1112 1110 980 980 980 980	940 935 933 736 738 736 980 980 980 980	52.3 54 55 75.6 72.8 77 64 72 100 90	48 27 - 48 27 - 36 60 36 54	0.4 - 0.40 0.40 - 0.40 0.4 - - 0.4

주1)  W/C비는 W/(C+FA) 기준임, 혼화제는 고성능감수제

다. 실험결과분석

시멘트 벽돌의 실험에서 일반적으로 폐주물사의 사용에 따른 강도 저하는 나타나지 않았다. 물시멘트비 0.25의 배합에서는 실제 믹싱 작업의 어려움으로 필요한 강도가 나타나지 않았다. 이것은 폐주물사와 석분으로 인해서 단위수량이 증가하기 때문이다. 그러므로 폐주물사와 석분을 동시에 잔골재로 사용할 때는 5-10%의 단위수량이 증가되어야 작업성과 분산성이 확보된다.

시멘트 벽돌에 폐주물사와 석분을 5:5 또는 6:4로 사용할 때 규격 품질을 확보하면서 가장 경제적인 배합은 물시멘트비 0.4-0.45, 플라이애시 20-30%, 단위시멘트량 180, AE 혼화제 0.1%인 경우이다.

<표 5-13>          시멘트 벽돌의 실험결과            ( kg/cm2, %)

구분	배합번호	W/C	시멘트량	주물사 :석분	FA	압축강도	흡수율	비고
벽돌	A111 A121 A131 A212 A222 A232 A301 A302 A303 A304	0.25 0.25 0.25 0.35 0.35 0.35 0.4 0.4 0.5 0.5	160 180 220 160 180 220 144 120 144 136	940 935 933 1110 1112 1110 980 980 980 980	30 15 0 30 15 0 20 30 20 30	71 32 62 86 145 171 105 108 92 112	18 22 20 13 12 13 18 17 16 16

3. 시멘트 블록

가. KS 규격에 의한 시멘트 블록의 제조와 품질(KS F 4002)

(1) 적용범위

이 규격은 주로 건축물에 사용하는 속빈 시멘트 블록(이하 시멘트 블록이라 한다)에 대하여 규정한다.

(2) 재료

(가) 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트), KS L 5210(고로 슬래그 시멘트) 또는 KS L 5211(플라이애시 시멘트)에 규정하는 것으로 한다. 다만, 고로 시멘트 및 플라이애시 시멘트는 A종 및 B종으로 한다.

(나) 골재는 보통골재 및 경량골재로 한다. 다만 골재는 10□ 체를 통과하고 또한 내구성이 있는 것으로 한다. 골재의 입도는 시멘트 벽돌의 겉모양 및 품질을 손상하지 않는 것으로 세조립이 적당히 혼합된 것으로 한다. KS F 2511(골재에 포함된 잔입자 - No.200체를 통과하는 - 시험방법)에 따라 골재중에서 손실되는 것의 양은 3% 이하로 한다. 다만 부순돌, 부순모래, 경량골재, 고로슬래그 잔골재 등으로 손실되는 것이 골재분말인 경우에는 10% 이하로 한다.

(다) 물은 기름, 산, 염분, 유기물, 기타 유해물의 유해량을 함유하지 않아야 한다.

(라) 시멘트 벽돌용 콘크리트에는 제품의 질을 나쁘게 하지 않는 범위에서 적당한 혼화재료를 첨가하여도 좋다.

(3) 제조

(가) 시멘트 사용량은 시멘트 블록의 압축강도, 내구성, 안정성 등을 고려하여 220□f/□ 이상(시멘트 블록 순 체적)으로 한다.

(나) 원료의 반죽 혼합에는 동력에 의한 믹서를 사용하며, 물은 원료를 반죽 혼합시키면서 살수상태로 가한다. 성형에는 동력에 의한 진동과 압축을 겸한 방법을 사용한다.

(다) 성형 후는 습도 약 100%의 실내에 500도시 이상 보존하고, 그 후 성형후의 통산 4000도시 이상의 다습상태로 양생한다. 다시 그 후 7일 이상 보존하여 출하한다. 그러나 위의 양생은 오토클레이브 화학처리 등에 의한 특수양생인 경우에는 적용되지 않는다.

(4) 품질

(가) 겉모양 : 시멘트 블록은 겉모양이 균일하고 비틀림, 해로운 균열 또는 흠 등이 없어야 한다.

(나) 성능 : 시멘트 블록은 <표 5-13>의 규정에 적합하여야 한다.

또한, 보통 골재만을 사용한 시멘트 블록은 <표 5-14>의 C종 블록에 적합하여야 한다.

<표 5-14>                  시멘트블록의 품질기준

종 류	기건 비중	전 단면적에 대한 압축강도 □/□(N/□)	흡수율 (5)	투수성 □	최대 흡수율에 대한 함습률비 %
A종 블록	1.7 미만	40 (392.27) 이상	40 이하
B종 블록	1.9 미만	60 (588.40) 이상	30 이하	8 이하	40 이하
C종 블록	-	80 (784.53) 이상	20 이하

주) 1. 전 단면적이란, 가압면(길이치수×두께치수)으로서 속빈 부분 및 양 끝이 오목하게

들어간 부분의 면적도 포함한다.

2. 투수성은 방수 블록에만 적용한다.

3. 최대 흡수율에 대한 함습율비는 당사자 사이의 협정에 따라 필요할 경우에만 적용

한다.

나. 배합설계

콘크리트 블록의 배합설계는 <표5-15>  같다. 물시멘트비는 0.3, 0.4의 2가지에 대하여 배합을 하였다. 주물사는 앞의 벽돌의 경우와 같이 보통골재를 사용하는 경우 보다 분산도가 불리하므로 충분한 배합을 위해서는 단위수량이 증가하여야 한다. 따라서 물시멘트비에 변화를 주어서 실험하였다.

단위시멘트량에 대한 강도의 변화를 보기 위하여 200과 220의 2종의 단위시멘트량에 대하여 배합설계를 하였다. 시멘트 블록도벽돌의 경우와 같이 블록 1장 생산에 소요되는 원가 구성비에서 시멘트 값이 큰 비중을 차지하므로 가능한 단위시멘트량을 줄이는 것이 바람직하다. 시멘트 블록에 사용되는 모래는 주물사와 석분을 사용하였다. 주물사와 석분을 5:5인 경우와 6:4의 2 종류에 대하여 실험한다. 또 단위시멘트량이 적은 경우에 대하여는 플라이애시로 치환하였다. 플라이애시 사용율은 0, 20%에 대하여 설계하였다.

<표 5-15>              콘크리트 블록의  배합설계              □/□

구분	배합 번호	W/C	시멘트량	주물사	석분	단위 수량	F.A	혼화제
블록	B112 B211 B222 B231 B311	0.30 0.40 0.40 0.40 0.50	220 180 168 220 168	950 950 1092 933 920	950 950 716 933 920	66 88 80 96 120	0 36 72 0 72	- - 0.4 - 0.4

다. 실험결과 및 분석

콘크리트 블록의 실험결과에서 폐물사의 경우 물시멘트비 0.4, 단위시멘트량이 220인 경우에 100kg/cm2 의 압축강도를 보였다. 폐주물사를 사용하지 않는 보통의 콘크리트 블록 C종의 경우에서 압축강도가 80kg/cm2인 것을 고려하면 폐주물사의 치환에 따른 강도 저하는 나타나지 않았다. 다만 앞에서 계속해서 지적하였듯이 폐주물사와 석분에 포함된 미분의 작용으로 인해서 공기량이 감소하고 단위수량이 증가하는 단점이 있다. 따라서 콘크리트 벽돌의 경우에 물시멘트비는 0.4-0.45 정도가 적당하고, 단위시멘트량은 200kg/cm2, AE 혼화제 0.1-0.2%의 사용이 필요하다.

<표 5-17>              콘크리트 블록의  실험결과      ( kg/cm2, %)

구분	배합 번호	W/C	시멘트량	주물사: 석분	FA (%)	압축 강도	흡수율	비고
블록	B112 B211 B222 B231 B311	0.30 0.40 0.40 0.40 0.50	220 180 168 220 168	950 950 1092 933 920	5:5 5:5 6:4 5:5 5:5	67 91 97 127 107	22 17 18 11 16

4. 인터록킹 블록

가. KS 규격에 의한 인터로킹 블록의 제조와 품질(KS F 4419)

(1) 적용범위

이 규격은 진동압축기 또는 이와 동등 이상으로 품질을 얻을 수 있는 방법에 의하여 제조한 것으로 조립에 의해 보도, 차도, 광장, 주차장 등의 포장에 사용하는 보차도용 콘크리트 인터로킹 블록에 대하여 규정한다.

(2) 재료

(가) 시멘트 : 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트), KS L 5210(고로 슬래그 시멘트)에 규정하는 것으로 한다.

(나) 골재 : 골재는 청결, 강경, 내구적인 것으로 먼지, 점토 덩어리, 유기물, 가늘고 긴 돌조각 등 유해물을 함유해서는 안된다. 다만, 굵은 골재의 최대치수는 13□ 이하로 한다.

(다) 혼화재료 : 혼화재료는 A.E제, 기타의 혼화재료를 사용할 경우에는 제품에 해로운 영향을 미치지 않는 것이어야 한다.

(라) 유색용 재료 : 유색블록을 만들기 위한 재료는 사용품질에 지장이 없는 재료를 사용하여야 한다.

(3) 제조

(가) 물시멘트비 : 콘크리트의 물시멘트비는 25% 이하이어야 한다.

(나) 재료의 계량 : 콘크리트용 재료의 계량은 모두 무게로 한다. 다만, 물 또는 액상의 혼화제는 부피 또는 확실한 방법으로 계량하여도 좋다.

(다) 성형 : 몰드에 믹서로 혼합한 콘크리트를 투입하고, 진동 압축기 등을 사용하여 다지면서 성형한다.

(라) 양생 : 블록은 소요 강도를 얻을 수 있도록 양생하여야 한다. 다만 1차 양생은 500℃-hr를 표준으로 한다.

(4) 품질

(가) 휨강도 : 블록은 규정에 의거한 실험을 실시하고 보도용은 50□/□ 이상, 차도용은 60□/□ 이상이어야 한다.

(나) 흡수율 : 규정에 따른 흡수율 시험을 실시하고 시료수의 평균 흡수율은 7% 이내이어야 하며, 시료 개개의 흡수율은 10% 이내이어야 한다.

나. 배합설계

인터록킹 블록의 배합설계는 <표5-17>  같다. 물시멘트비는 0.25, 0.35에 대하여 배합을 하였다. 주물사는 앞의 벽돌의 경우와 같이 보통골재를 사용하는 경우 보다 분산도가 불리하므로 충분한 배합을 위해서는 단위수량이 증가하여야 한다. 따라서 물시멘트비에 변화를 주어서 실험하였다.

단위시멘트량에 대한 강도의 변화를 보기 위하여 300의 부배합과 350 의 2종의 단위시멘트량에 대하여 배합설계를 하였다.

시멘트 블록에 사용되는 모래는 주물사와 일반 강모래를 사용하였다. 주물사와 강모래를 5:5인 경우와 6:4의 2 종류에 대하여 실험한다. 또 단위시멘트량이 적은 경우에 대하여는 플라이애시로 치환하였다. 플라이애시 사용율은 0, 15%에 대하여 설계하였다.

다. 실험결과 및 분석

인터록킹의 경우 KS규격에 물시멘트비가 0.25 이하로 규정되어 있지만 주물사에는 미분이 함유되어 있어 물시멘트비를 높이더라도 흡수율이 높아지는 것을 상쇄할 수 있다. 왜냐하면 앞서의 몰타르 실험에서 확인하였듯이 주물사를 사용하면 공기량이 삼소되기 때문이다.

<표 5-17>               인터록킹블록의 배합설계            □/□

구분	배합번호	W/C	시멘트량	주물사	강모래	단위 수량	F.A	혼화제
인터	C112 C212 C121 C221	0.25 0.35 0.25 0.35	300 300 350 350	1086 1070 910 900	724 713 910 900	87.5 122.5 87.5 122.5	50 50 - -	0.50 0.50 0.50 0.50

물시멘트비 0.25의 경우에는 믹싱불량의 불량으로 인해 제대로 분산이 되지 않아서 소요의 강도가 나타나지 않았다. 그 실험결과는 <표5-18>과 같다. 규격에 정해진 보도용의 휨강도 50kg/cm2 에는 도달하였다(압축강도로 산정시 350-400kg/cm2으로 추정). 그러나 안정적인 생산을 위해서는 AE제의 사용을 0.2-0.3% 정도 사용하고, 단위시멘트량을 380-400kg/cm2  정도 사용해야 할 것이다.

A. M. Neville, "Properties of Concrete", 1981, pp.288. 에서는 압축강도가 300kg/cm2, 385kg/cm2 의 콘크리트의 휨강도는 50kg/cm2, 60kg/cm2이 된다는 것을 회귀분석을 통해 보여주고 있다.

<표 5-18>               인터록킹블록의 실험결과       ( kg/cm2, %)

구분	배합번호	W/C	시멘트량	주물사: 강모래	F.A 치환율	휨강도	흡수율	비고
인터 록킹	C112 C212 C121 C221	0.25 0.35 0.25 0.35	300 300 350 350	6:4 6:4 5:5 5:5	15 15 0 0	37 60 67 65	7.2 6.8 7.1 7.0

5. 응용제품개발에 대한 검토의견

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.

그러나 실제로 폐주물사의 사용량이 증가하면 앞의 몰타르 실험의 결과에서도 지적하였듯이 공기량의 감소로 인한 워커빌리티가 저하되고, 시멘트와 폐주물사의 분산작용이 제대로 이루어지지 않아 소요의 분산효과를 얻기 위해서는 단위수량이 증가되어야 하는 문제점이 발생하였다. 따라서 폐주물사내를 이용하기 위해서는 미분을 제거하고 AE제의 사용이 필요할 것으로 판단된다.  이때 사용될 AE제는 시멘트 중량비로 0.1% - 0.2%가 적당하다.

제 6 장  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.