1. 서 론
2. 베트남 플라이애시 및 고로슬래그의 특성
2.1 XRF 화학조성 분석
2.2 입도분석(PSA ; Particle Size Analysis)
2.3 SEM(Scanning Electron Microscope)
2.4 베트남 고로슬래그의 특성
3. 베트남 플라이애시 및 고로슬래그를 활용한 지반안정재 배합비 검토
3.1 베트남 플라이애시를 활용한 지반안정재의 압축강도 검토
3.2 베트남 플라이애시를 활용한 지반안정재의 고화토 일축압축강도 검토
3.3 베트남 플라이애시를 활용한 지반안정재의 환경성 검토
4. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 발생하는 기후변화에 대응하기 위해 탄소중립(Net-Zero)을 추구하고자 하는 국제사회의 인식이 확대되면서 많은 공감대를 형성하고 있으며, 지구의 평균기온 상승을 1.5°C 수준으로 유지하기 위해 2050년까지 전 지구의 탄소중립을 실현해야 한다고 권고하고 있다(Masson-Delmotte et al., 2018). 이에 따라 우리나라도 2050년까지 탄소중립 시나리오를 수립하여 발표하였으며, 2022년 새정부가 출범하면서, ‘2050년 탄소중립 목표 및 2030년 국가 감축목표 상향안’은 유지하고, 에너지믹스 등의 이행전략은 새로이 수립될 계획인 것으로 보고되고 있다(Park, 2022). 이러한 사회 분위기 속에 국내 건설분야에서도 탄소중립에 관한 관심이 증가하고 있는 실정이다. 국내 도로분야 건설 사업에서 시공, 운영, 유지관리 등 전과정의 탄소배출량 중 건설자재 및 시공장비 등 시공단계에서 전체 탄소배출량의 약 30%가 발생하고 있는 것으로 보고되고 있어, 건설자재 및 시공장비에서 발생하는 탄소저감이 필요한 실정이다(Jeon, 2022). 이러한 배경으로 국내에서는 저품위 플라이애시 및 고로슬래그와 같은 대량 발생 산업부산물을 이용하여 지반보강에 활용하는 시멘트를 대체하는 연구가 다수 진행되어 해상연약지반 개량 현장에 적용되고 있다(Ham et al., 2021).
베트남의 경우 급격히 증가하는 발전수요에 대처하기 위해 다수의 화력발전소를 건설하여 운용중에 있다. 조사된 베트남 화력발전소는 Table 1과 같으며, 이러한 베트남 화력발전소 연소재 잔존량은 약 1억톤에 육박하는 것으로 조사되어(Thi et al., 2020), 이를 대량 활용하는 연구가 필요한 실정이다.
Table 1.
Commercial operating thermal power plant in Vietnam (en.evn.com.vn)
한편, 철강산업은 경제발전에 중요한 기초가 되는 기간산업으로, 특히 건설, 자동차, 철도 등 많은 산업에 많이 활용되고 있다. 이러한 세계 철강시장은 2025년까지 연평균 2.6%의 성장이 예상되며, 시장규모는 1조 1000억 달러에 달성할 것으로 예상되고 있다(Grand View Research, 2017). 베트남은 2013년 초 산업무역부에서 2025년 비전으로 2020년까지 철강제조 및 유통시스템을 개발하기 위한 마스터 플랜(Decison 694/QD-BCT)을 승인하였으며, 내수시장과 수출의 안정적인 시장을 확보하여 베트남 국민 경제의 철강제품 수요를 충족시킬 수 있는 지속 가능하고 친환경적인 철강산업을 육성하는 것을 목표로 하고 있다(Kotra, 2021). 우리나라 국가통계포털(KOSIS)에 따르면 베트남의 조강생산량은 2016년 780만톤에서 2020년 1950만톤으로 크게 증가한 것으로 나타났다(Table 2). 철강산업부산물인 고로슬래그는 철광석을 고로에서 조강하는 과정에서 발생하며, 철 1톤 조강 시 약 300kg이 발생하는 것으로 보고되고 있다(Min et al., 2019). 이를 토대로 2020년 베트남에서 발생하는 고로슬래그를 산출하면 약 585만톤이 발생한 것으로 산출된다. 따라서 베트남에서 대량으로 발생하는 발전부산물인 플라이애시와 철강산업부산물이 고로슬래그를 대량으로 재활용하는 방안이 필요한 실정이다. 이에 본연구에서는 베트남에서 발생하는 플라이애시와 고로슬래그에 대하여 국내 플라이애시와 고로슬래그와 성능을 비교하였으며, 실내시험 통하여 지반혼합공법용 지반안정재의 원료로 활용이 가능한지 기초적인 실험연구를 수행하여 검토하였다.
Table 2.
Crude Steel Production Capacity by World and Country (KOSIS, https://kosis.kr, unit : 1,000M/ton)
Table 3.
Chemical constituents of fly-ash
2. 베트남 플라이애시 및 고로슬래그의 특성
본 연구에 사용된 베트남 플라이애시는 Nghi Son2, Pha Lai, Duyen Hai3, Vinh Tan1, AES Mong Duong의 화력발전소에서 수급한 5개의 원료를 사용하였으며, XRF(X-Ray Fluorescence)를 통한 화학조성 분석, PSA(입도분석), SEM 분석을 실시하여 국내 PC보일러 플라이애시와 비교하였다.
2.1 XRF 화학조성 분석
베트남에서 발생한 5종 플라이애시의 화학조성을 분석한 결과(Table 3), 베트남 발생 플라이애시의 경우 Nghi Son2를 제외하고 비슷한 화학조성을 갖는 것으로 나타났으며, Nghi Son2의 경우 다른 플라이애시에 비해 SiO2, Al2O3의 함량이 상대적으로 작으며, CaO의 함량이 매우 높은 것으로 나타났다. 따라서 추후 Nghi Son2 발전소의 사용연료 및 연소방식에 대한 확인이 필요하다.
2.2 입도분석(PSA ; Particle Size Analysis)
베트남에서 수급한 5종의 플라이애시에 대하여 입도분석을 실시하였으며, 분석범위는 4.0~800㎛로 한정하여 분석을 수행하였다. Fig. 1에서 베트남 및 국내 발생 플라이애시들의 분포율(Distribution rate) 및 통과율(Passing) 결과를 나타내었다. 베트남 발생 플라이애시의 경우 발생처에 따라서 상이한 입도분포를 나타내었으며, Pha Lai, Vinh Tan, AES Mong Duong의 경우 100㎛이상의 입자를 일정부분 갖는 것으로 나타나, 지반혼합공법 현장적용시 주입관의 막힘현상이 예상되므로 지반혼합공법용 지반안정재 원료로 사용시 볼밀 등의 전처리 과정이 필요한 것으로 나타났다.
2.3 SEM(Scanning Electron Microscope)
베트남에서 수급한 5종의 플라이애시에 대하여 SEM측정을 실시하였으며, 국내 발생 PC보일러 플라이애시와 비교하였다(Fig. 2). 비교결과 전체적으로 구형의 입형을 나타내고 있는 것으로 확인되었으며, 이는 높은 연소온도에 발생한 플라이애시 특성을 보인다.
2.4 베트남 고로슬래그의 특성
베트남에서도 증하가는 고로슬래그의 재활용율을 높이고자 2016년도에 고로슬래그를 콘크리트 및 모르타르에 적용하는 국가표준(TCVN 11586, 2016)을 제정하였으며, 우리나라 고로슬래그 미분말 기준과 동일하게 4종류로 구분되어 있다. 베트남과 국내 고로슬래그 기준은 Table 4, 5에 정리하여 나타내었다. 베트남 고로슬레그(S95) 및 국내 고로슬래그(3종)에 대하여 밀도, 분말도, 활성도, MgO 및 SO3 함량 및 강열감량 시험을 실시하였으며, 시험결과 밀도는 베트남 고로슬래그의 경우 2.89, 국내 3종 고로슬래그의 경우 2.91인 것으로 나타나 우리나라의 고로슬래그가 큰 밀도값을 나타내었으며, 분말도의 경우 베트남 고로슬래그는 5,120cm2/g, 국내 고로슬래그는 4,650cm2/g로 나타나, 베트남 고로슬래그가 큰 분말도를 나타내었다. 활성도는 28일 기준 베트남 고로슬래그의 경우 101.4%의 활성도를 나타내었으며, 국내 고로슬래그의 경우 98%의 활성도를 나타내었다. MgO 및 SO3의 함량과 강열감량도 각각 관련기준을 만족하는 것으로 확인되었다(Table 6). 따라서 베트남 고로슬래그와 국내 고로슬래그의 경우 비슷한 성능을 나타내어 이 본 연구에서는 국내 생산된 고로슬래그 3종을 베트남 고로슬래그 S95의 대체재로 사용하여 실험을 수행하였다.
Table 4.
Vietnam Blast Furnace Slag Fine Powder Performance Standard (TCVN 11586)
Table 5.
Korea Blast Furnace Slag Fine Powder Performance Standard (KS F 2563, 2020)
3. 베트남 플라이애시 및 고로슬래그를 활용한 지반안정재 배합비 검토
3.1 베트남 플라이애시를 활용한 지반안정재의 압축강도 검토
베트남 플라이애시 및 고로슬래그를 활용한 지반안정재의 배합비 검토를 위해 베트남에서 발생한 플라이애시와 국내 고로슬래그 미분말을 이용하여 Table 7에 나타낸 배합비로 양생일별 압축강도를 측정하였으며, 비교를 위해 국내 생산 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC ; Ordinary Portland Cement)와 비교하였다. 압축강도시험용 시편의 제작과정은 Fig. 3에 정리하여 나타내었다. 각각의 시료에 대하여 양생일(3, 7, 28, 56일)별 압축강도를 측정한 결과를 Table 8과 Fig. 4에 정리하였으며, OPC가 모든 양생일에서 가장 큰 압축강도를 나타내었다. 베트남 플라이애시를 적용한 배합에서는 양생 56일 기준 Nghi Son2와 Vinh Tan1 플라이애시가 21.59MPa와 20.88MPa를 나타내었다. 본 결과로 베트남 플라이애시를 20% 활용한 배합비는 작은 압축강도를 나타내어 콘크리트와 같은 큰 압축강도를 요구하는 제품으로 활용은 어려울 것으로 판단된다.
Table 7.
Mixing condition
| Item | W/B | Mixing rate (%) | ||
| FA | SP | OPC | ||
| OPC | 50% | - | - | 100 |
| Nghi Son 2 | 50% | 20 | 50 | 30 |
| Pha Lai | 50% | 20 | 50 | 30 |
| Duyen Hai 3 | 50% | 20 | 50 | 30 |
| Vinh Tan 1 | 50% | 20 | 50 | 30 |
| AES Mong Duong | 50% | 20 | 50 | 30 |
Table 8.
Compressive strength result
3.2 베트남 플라이애시를 활용한 지반안정재의 고화토 일축압축강도 검토
베트남 플라이애시 및 고로슬래그를 활용한 지반안정재의 지반혼합공법용 지반안정재 활용성을 검토하기 위해 Table 7에 나타낸 배합비를 이용하여, 국내 화강풍화토와 혼합하여 고화토를 제작하였으며, 제작과정은 Fig. 5와 같다. 제작 고화토에 대하여 양생일(7, 14, 28, 56일)별 일축압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 Table 9와 Fig. 6에 정리하여 나타내었다. 고화토 일축압축강도를 측정한 결과 Vinh Tan 1시료를 제외하면, 양생 초기(양생 7일)에는 OPC보다 일축압축강도가 큰 것으로 타났으며, 양생 14일까지 OPC보다 강도발현이 우수하거나 비슷한 것으로 나타났다. 양생 28일 이후 OPC의 일축압축강도가 베트남 플라이애시를 적용한 시료보다 크게 측정되었으며, 양생 56일에도 OPC를 적용한 고화토가 가장 큰 일축압축강도를 나타내었다.
Vinh Tan 1 시료를 제외하고 양생 28일 기준 OPC 고화토 일축압축강도와 비교하여보면 약 70% 이상의 일축압축강도를 나타내었으며, 양생 56일 기준 OPC 대비 84% 이상의 일축압축강도를 나타내어 비교적 작은 일축압축강도를 요구하는 지반혼합용 지반안정재로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
Table 9.
Mixing condition of mixture soil & Unconfined compressive strength result
3.3 베트남 플라이애시를 활용한 지반안정재의 환경성 검토
베트남 플라이애시를 활용한 지반안정재의 환경성 검토를 위해서 폐기물공정시험을 공인기관인 FITI시험연구원에 의뢰하여 시험을 실시하였으며, 시험 결과 납, 구리, 비소, 수은, 카드뮴, 6가크롬, 시안화합물 등 7항목에 관한 용출시험결과 불검출되는 것으로 나타났다. 따라서, 지반혼합공법의 지반안정재로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 국내 중금속 용출관련 기준과 비교하여 Table 10에 정리하여 나타내었다.
4. 결 론
본 연구에서는 베트남에서 발생하는 플라이애시와 고로슬래그에 대하여 국내 플라이애시와 고로슬래그와 성능을 비교하였으며, 실내시험을 통하여 지반혼합공법용 지반안정재로서의 활용성에 대하여 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 베트남 발생 플라이애시 5종에 대하여 화학조성분석을 실시한 결과 대부분 국내 플라이애시와 비슷한 화학조성을 갖는 것으로 나타났으나, Nghi Son2 플라이애시의 경우 SiO2, Al2O3의 함량이 상대적으로 작으며, CaO의 함량이 매우 높은 것으로 나타났다. 추후 Nghi Son 발전소의 사용연료 및 연소방식에 대한 확인이 필요한 것으로 확인되었다.
(2) 베트남 발생 플라이애시 5종에 대하여 입도분석을 실시한 결과 Pha Lai, Vinh Tan1, AES Mong Duong의 경우 100㎛이상의 입자를 일정부분 갖는 것으로 나타나, 지반혼합공법 현장적용시 주입관의 막힘현상이 예상되므로 지반혼합공법용 지반안정재 원료로 사용 시 볼밀 등의 전처리 과정이 필요한 것으로 확인되었다.
(3) 베트남 고로슬래그와 국내 고로슬래그에 대한 밀도, 분말도, 활성도, MgO 및 SO3의 함량과 강열감량 시험결과 유사한 성능을 나타내는 것으로 확인되었다.
(4) 베트남 플라이애시와 고로슬래그를 사용하는 지반안정재에 대하여 W/B=50%를 적용한 양생일별 압축강도를 측정한 결과 OPC를 사용한 시료와 비교하면 압축강도가 작아 큰 압축강도를 요구하는 콘크리트 적용제품의 활용이 어려울 것으로 판단된다.
(5) 지반혼합공법용 지반안정재로 검토를 위하여 고화토 일축압축강도시험을 실시하였으며, Vinh Tan1 시료를 제외하면, 고화토의 일축압축강도가 2.0MPa를 상회하여 지반혼합공법용 지반안정재로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
(6) 베트남 플라이애시를 적용한 지반안정재에 대하여 중금속용출시험을 실시하였으며, 총 7개 항목에 대하여 불검출되는 것으로 나타나, 지반혼합공법용 지반안정재로 적용이 가능할 것으로 확인되었다.
본 연구의 결과는 실내시험에 의한 결과로 추후 베트남 및 국내 현장에서 적용성 시험 등 지속적인 연구를 통해 다양한 지반조건에서의 적용성능의 검증이 필요하며, 이에 후속연구를 수행할 계획이다.
