김도겸
(Do-Gyeum Kim)
1
양근혁
(Keun-Hyeok Yang)
2iD
서은아
(Eun-A Seo)
3,4
윤현섭
(Hyun-Sub Yoon)
5†iD
-
한국건설기술연구원 구조연구본부 선임연구위원
(Senior Research Fellow, Department of Infrastructure Safety Research, KICT, Goyang
10223, Rep. of Korea)
-
경기대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University, Suwon 16227,
Rep. of Korea)
-
한국건설기술연구원 구조연구본부 전임연구원
(Research Specialist, Department of Infrastructure Safety Research, KICT, Goyang 10223,
Rep. of Korea )
-
경기대학교 일반대학원 건축공학과 박사과정
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University Graduate
School, Suwon 16227, Rep. of Korea)
-
경기대학교 건축공학과 연구교수
(Research Professor, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University, Suwon
16227, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
폐콘크리트 미분말, 재활용, 소성, 재수화, 활성도 지수
Key words
granulated ground powders, waste concrete, recycle, calcination, re-hydration, activity index
1. 서 론
상업용 원전 해체는 1981년 독일의 Niederaichbach-KKN을 시작으로 1998년 미국의 shipping port-2 및 일본의 Tokai
등으로 이어지고 있다. 이에 따라 원전 해체 기술 및 폐기물 재활용 기술은 점차 발전하고 있는 추세이다(Lee et al. 2016)(14). 국내에서도 고리 1호기의 폐로 결정을 기점으로 원전 해체 기술 및 해체 폐기물의 처리 방안 구축에 대한 관심이 집중되고 있다(Cheon and
Kim 2017)(4). 일반적으로 원전 해체로 인해 발생되는 폐기물은 가연성 소재, 철제 등의 다양한 형태가 있으며, 이중 원전 격납벽 등을 구성하는 콘크리트 폐기물은
전체 폐기물 부피의 70 % 이상을 차지한다(Sasaki et al. 2009)(18). 이에 상대적으로 폐기물 처리에 있어 비용부담이 큰 콘크리트 폐기물의 처리 방안 마련이 시급한 문제로 대두되고 있다.
원전해체 콘크리트 폐기물의 분리 및 재활용 기술은 재활용 골재 제조와 파쇄 및 분쇄 과정에서 발생하는 페이스트 및 골재 미분말을 재활용하는 방사성
폐기물 처분용기용 고화재 제조의 예를 들 수 있다(Yang 2019)(19). 방사능 물질에 의한 오염 및 중성자에 의해 발생되는 콘크리트의 방사화는 시멘트 내부에 존재하는 미량의 코발트(cobalt) 및 유로피움(europium)
등의 영향으로 대부분이 페이스트에 집중된다(Cha et al. 2016)(3). 즉, 원전 해체 후 발생되는 콘크리트 폐기물에서 분리･선별되는 골재는 방사능 오염이 비교적 덜함을 의미한다. 이로 인해 폐콘크리트에서 분리･선별되는
골재는 방사능 제염의 처리가 안정적으로 이루어진 이후 비방사성 물질로 판명되는 경우 일반 폐콘크리트 재활용 방법과 동일한 형태의 순환골재로서 활용할
수 있다(Mun et al. 2017)(16).
반면 방사화 현상이 집중되는 페이스트를 포함하는 폐콘크리트 미분의 경우에는 방사선 오염의 우려로 재활용에 있어 많은 제한이 따른다. 현재 콘크리트가
중성자에 노출되는 경우 고준위성 방사선 물질은 주로 시멘트 페이스트에 집중됨에 따라 폐페이스트의 경우 대부분은 차폐구조물 내에 매립 처분되고 있는
실정이다. 제염 처리 방법의 경우 그 방법은 노출된 방사선 원소의 종류 및 방사화 시기에 따라 다양할 수 있다. 더불어 폐콘크리트 미분은 이미 시멘트의
수화반응이 완료된 시멘트 페이스트를 다수 포함하는 재료로서 가수를 통한 재수화 및 경화를 기대하기 어렵기 때문에 모르타르 및 콘크리트의 구성 재료로서
사용하기에는 어려움이 따른다. 그러나 Ahn et al.(2013)(1)은 소성 등의 고온의 열처리를 실시하는 경우 페이스트 내의 칼슘실리케트 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H) 등의 구조가
파괴되고, 이 재료가 다시 물과 접촉하게 되면 일정 수준 이상의 수화 반응이 이루어 질 수 있음을 제시하였다. 이러한 결과를 고려하면 원전 해체 폐콘크리트에서
분리된 방사화 페이스트는 원전해체 시 발생하는 다양한 형태의 폐기물 고화체의 생산에 재활용이 가능함을 의미한다(Koťáková et al. 2017)(12). 또한 고화체를 형성하는 고화재의 일부 또는 전체를 방사화 재활용 페이스트로 대체하는 경우 원전콘크리트 폐기물의 부피감용과 함께 천연자원 소모 및
처리비용 감소의 효과를 기대 할 수 있다. 이에 최근에는 원전 콘크리트의 해체과정에서 발생하는 페이스트 및 골재 미분을 활용한 고화재 배합설계 연구가
주목받고 있다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 폐콘크리트의 해체과정에서 발생하는 미분은 일반적인 시멘트와 비교하여 수화 반응의 정도 및 경화 메커니즘이
상이하기 때문에 이를 주요 구성 재료로 이용하는 고화재의 특성 평가가 충분히 수행되어야 할 필요가 있다(Cheon et al. 2018)(5). 이에 따라 폐콘크리트에서 회수되는 페이스트 및 골재 미분말의 특성과 이들 특성을 고려한 고화재 배합설계 기초연구는 방사화 콘크리트 재활용 측면에서
매우 중요한 실용성과 발전성을 갖는다.
이 연구는 인체의 유해성이 미미한 저준위성 원전 해체 폐콘크리트 및 폐모르타르에서 선별된 미분말의 재활용성 검증을 위한 기초 연구이다. 폐콘크리트
및 폐모르타르의 순환골재로서의 재활용을 위한 파쇄 또는 마쇄 등의 과정이 수행된 후 잔여 폐미분말을 수집하였다. 이후 수집된 잔여 폐미분말의 재활용을
위한 건식 처리의 공정이 폐미분말의 특성 변화에 미치는 영향을 평가하였다. 원전용 콘크리트 및 모르타르 배합을 이용하여 비방사성 시험체를 제작한 후,
이를 해체하여 발생한 시멘트 페이스트 및 골재 미분말을 분쇄, 소성 및 재수화의 과정을 통하여 분류하였다. 획득한 미분말 시료는 밀도 및 비표면적의
물리적 특성과 화학적 조성 및 수화물 분석을 통해 시멘트계 재료인 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC), 플라이
애시(fly ash, FA) 및 고로슬래그(ground granulated blast furnace slag, GGBS)의 특성과 비교하였으며, 활성도
지수 평가를 통해 시멘트계 재료로서의 재활용 가능성을 검토하였다.
Table 1. Typical mixture proportions of concrete and mortar for a nuclear plant
|
Type
|
W/C
|
S/a
|
S/b
|
Unit contents (kg/m3)
|
|
Water
|
Cement
|
Fine aggregate
|
Coarse aggregate
|
|
Concrete
|
0.62
|
0.45
|
-
|
165
|
265
|
806
|
983
|
|
Mortar
|
0.35
|
-
|
2.1
|
241
|
689
|
1,447
|
-
|
2. 실험 개요
2.1 폐콘크리트 및 폐모르타르 미분말 선별
이 연구에서는 폐콘크리트 및 폐모르타르 미분말(granulated ground waste concrete powders, GGWCPs)의 특성평가
및 고화재 배합을 위해 Table 1에 나타낸 바와 같이 원전용 콘크리트 및 모르타르 배합을 이용하여 비방사성(non-radioactive) 시험체를 제작하였다(Kim et al. 2020).
콘크리트의 물-결합재비(water to binder ratio, W/B) 및 잔골재율(sand to aggregate ratio, S/a)은 각각
0.62 및 0.45이다. 배합에 이용된 시멘트는 분말도 3,542 cm2/g 및 밀도 3.13 g/cm3의 OPC가 이용되었다. 굵은 골재는 최대 치수 25 mm 및 밀도 2.60 g/cm3의 재료가 이용되었으며, 잔골재는 밀도 2.60 g/cm3, 조립률 2.8의 재료가 이용되었다. 모르타르의 W/B 및 잔골재-결합재비(sand to cement ratio, S/B)는 각각 0.35 및 2.1이다.
시멘트는 콘크리트 배합과 동일한 재료가 사용되었으며, 골재는 입경 1~2 mm, 0.4~0.9 mm 및 0.1~0.3 mm의 3호, 5호 및 7호
규사(silica sand)가 이용되었다. 골재의 혼합비율은 3호, 5호 및 7호 규사를 각각 30 %, 40 % 및 30 %의 질량비로 하였다.
제작이 완료된 콘크리트 및 모르타르는 온도 20±2.5 °C 및 습도 60±5 %의 환경에서 재령 28일 동안 양생을 실시하였으며, 골재 선별 플랜트에서
죠크러셔(jaw crusher)를 이용하여 1시간 동안 파쇄 하여 미분말 시료를 획득하였다(Kim et al. 2020)(11).
2.2 선별된 재료의 처리 및 측정
폐콘크리트 및 폐모르타르 GGWCPs의 물리･화학적 특성 분석을 위해 사용된 재료의 정보는 Table 2에 나타내었다. GGWCPs 시료의 구분은 채취 위치에 따라 폐모르타르 및 폐콘크리트로 구분하였다. 더불어 GGWCPs 시료의 재활용을 위한 분말화의
과정 및 재수화 반응성 부여의 측면에서 분쇄와 소성 및 재수화의 처리공정 적용 유･무에 따라 시료를 구분하였다. M$_{O}$ 및 C$_{O}$은
각각 폐모르타르 및 폐콘크리트에서 채취한 150 µm 이하의 분말이다. M$_{B}$ 및 C$_{B}$은 폐모르타르 및 폐콘크리트에서 분리한 150
µm 이하의 GGWCPs를 각각 최고온도 1,000 °C(승온 온도 10 °C/min)의 환경에서 1시간 동안 소성한 재료이다. M$_{R}$ 및
C$_{R}$의 경우에는 소성이 완료된 M$_{B}$ 및 C$_{B}$ 시료를 냉각시킨 후 W/B=0.5로 재배합하여 제작된 지름 2 cm의 성구를
다시 소성 및 냉각 분쇄한 50 µm 이하의 분말이다.
Table 2. Details of granulated ground powders compiled from waste mortar and concrete
|
Specimens
|
Source
|
Dry treatment method
|
|
M$_{O}$
|
Dismantled mortar
|
Crushed to the maximum particle size of 150 µm
|
|
C$_{O}$
|
Dismantled concrete
|
|
M$_{B}$
|
Dismantled mortar
|
Calcination for 1 h
(heating rate: 10 °C/min,
Maximum temperature: 1,000 °C)
|
|
C$_{B}$
|
Dismantled concrete
|
|
M$_{R}$
|
Dismantled mortar
|
Rehydration of calcined powders under W/B=0.45 and subsequent milling for granulated
ground powders ground powders
|
|
C$_{R}$
|
Dismantled concrete
|
분쇄 소성 및 재수화의 처리를 실시한 GGWCPs의 비표면적은 ASTM C204(2014)(2)에 따라 측정하였으며, 밀도는 ASTM C118(2014)(2)에 따라 측정하였다. GGWCPs의 화학적 조성은 X-선 형광분석기(x-ray fluorescence, XRF)를 이용하여 분석하였으며, X-선 회절분석기(x-ray
diffraction, XRD) 및 열분석기(TG-DTG)를 이용하여 수화생성물을 분석하였다.
2.3 활성도 지수 평가
이 연구에서는 폐콘크리트 및 폐모르타르에서 분리된 미분말의 재활용 측면에서 시멘트의 대체 재료로서 활용되고 있는 FA 및 GGBS와의 품질 특성 비교에
중점을 두었다. 이에 따라 FA 및 GGBS의 품질 성능 검증의 측면에서 요구되고 있는 활성도 지수의 평가 방법을 근거로 하여 GGWCPs를 혼합한
모르타르의 강도 발현 수준을 평가하였다. 폐콘크리트 및 폐모르타르에서 분리된 미분말의 활성도 지수 평가를 위한 배합상세는 Table 3과 같다. GGWCPs의 활성도 지수 평가는 KS L 5405(2018)(8)를 인용하였다. 활성도 지수 평가의 실험에서 결합재는 재활용을 위한 처리 절차와 시료의 사용성을 고려하여 채취 후 소성의 처리만을 실시한 M$_{B}$
및 C$_{B}$를 이용하였다. 잔골재의 경우에는 ISO 표준사를 이용하였다. 각 배합에서의 W/B 및 S/B는 각각 0.5 및 3.0으로 하였다.
GGWCPs의 치환율은 전체 결합재 질량의 25 %로 하였다. GGWCP 모르타르의 압축강도 측정을 위하여 50×50×50 mm3의 입방형 시험체를 제작하였으며, 온도 20±2 °C 및 RH 60±5 %의 항온･항습의 환경에서 28일 동안 양생을 실시하였다. 모르타르의 압축강도는
50 kN의 압축강도 시험기를 이용하여 재령 3일, 7일 및 28일에서 측정하였다. 활성도 지수 평가에 사용된 계산식은 식(1)에 나타내었다.
Table 3. Mixture proportions for assessing activity index of granulated ground waste
concrete powders
|
Specimens
|
Cement type
|
W/B
|
S/b
|
Component ratio (%)
|
|
OPC
|
M$_{B}$
|
C$_{B}$
|
|
O
|
OPC
|
0.5
|
3
|
100
|
-
|
-
|
|
O-M$_{B}$
|
OPC+M$_{B}$
|
75
|
25
|
-
|
|
O-C$_{B}$
|
OPC+C$_{B}$
|
75
|
-
|
25
|
여기서, $A$는 활성도지수(%), $c_{1}$는 각 재령에서 기준 모르타르 시험체의 압축강도 평균 값(MPa), $c_{2}$는 각 재령에서 GGWCPs를
혼합한 모르타르 시험체의 압축강도 평균 값(MPa)이다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 물리적 특성
폐콘크리트 및 폐모르타르로부터 분리된 GGWCPs의 밀도 및 비표면적의 평가 결과는 Table 4에 요약하였다. 비교를 위해 시멘트계 재료의 물리적 특성의 결과를 함께 요약하였다(Jeon et al. 2018; Park et al. 2018)(7,17). 미분말의 밀도는 분리된 원재료 및 처리방법에 관계없이 유사한 수준이었다. M$_{O}$ 및 C$_{O}$ 시료의 밀도는 각각 2.92 g/cm3 및 2.93 g/cm3이었으며, 소성을 실시한 M$_{B}$ 및 C$_{B}$ 미분말의 밀도는 각각 2.91 g/cm3 및 2.83 g/cm3이었다. 소성 및 재수화를 실시한 M$_{R}$ 및 C$_{R}$ 시료의 밀도는 각각 2.76 g/cm3 및 2.89 g/cm3이었다. 더불어, 모든 재료의 밀도는 3.15 g/cm3 및 2.94 g/cm3 수준의 OPC와 GGBS(KS F 2563 2020)(9)에 비해 각각 8~12 % 및 1~18 % 낮은 수준이었으나, 2.25 g/cm3 이상의 밀도를 갖는 FA(KS L 5405 2018)(8)에 비해서는 비교적 높은 결과를 보였다. 비표면적 측정결과에서는 재료마다 각기 상이한 값을 보였는데, C$_{R}$ 시료를 제외한 모든 시료의 분말도는
1,800 cm2/g 이하 수준으로 ASTM C150(2014)(2)에서 제시하고 있는 OPC의 요구 품질인 2,800 g/cm3 이상을 만족하지 못하였다. 또한, 각각 3종 이상의 품질로서 2,500 cm2/g 이상 및 4,000 cm2/g 이상의 비표면적을 요구하는 FA 및 GGBS에 비해서도 약 30~95 % 낮은 수준이었다. 소성 및 재수화를 실시한 C$_{R}$의 경우에는
분말도가 3,993 cm2/g으로 OPC의 요구성능에 비해 약 40 % 높은 결과를 보였으며, 플라이 애시 2종의 품질조건(3,000 cm2/g 이상)을 만족하였다.
3.2 화학적 조성
Table 4. Physical properties and chemical compositions of granulated ground waste
concrete powders and cementitious materials
|
Specimens
|
Physical properties
|
Chemical composition (wt. %)
|
|
Density (g/cm3)
|
Fineness (cm2/g)
|
SiO$_{2}$
|
Al$_{2}$O$_{3}$
|
CaO
|
Fe$_{2}$O$_{3}$
|
MgO
|
SO3
|
TiO2
|
Na$_{2}$O
|
K$_{2}$O
|
|
M$_{O}$
|
2.92
|
1,742
|
32.4
|
9.1
|
43.5
|
5.9
|
1.4
|
1.2
|
0.7
|
1.2
|
3.7
|
|
C$_{O}$
|
2.93
|
1,024
|
30.8
|
5.5
|
51.3
|
4.6
|
1.1
|
1.7
|
0.5
|
0.7
|
2.9
|
|
M$_{B}$
|
2.91
|
1,329
|
38.2
|
9.9
|
36.8
|
5.3
|
1.3
|
1.2
|
0.6
|
1.5
|
4.3
|
|
C$_{B}$
|
2.83
|
1,204
|
27.9
|
5.6
|
54.5
|
4.9
|
1.4
|
1.6
|
0.4
|
0.5
|
2.4
|
|
M$_{R}$
|
2.76
|
1,549
|
35.5
|
9.4
|
40.4
|
5.2
|
1.4
|
1.5
|
0.6
|
1.3
|
3.7
|
|
C$_{R}$
|
2.89
|
3,993
|
27.3
|
5.5
|
53.9
|
4.7
|
1.4
|
1.7
|
0.3
|
0.6
|
2.4
|
|
OPC
|
3.15
|
3,260
|
21.7
|
5.3
|
62.4
|
3.1
|
1.6
|
1.7
|
-
|
-
|
-
|
|
GGBS
|
2.94
|
4,355
|
33.5
|
15.2
|
43.9
|
0.5
|
2.6
|
2.5
|
-
|
-
|
-
|
|
FA
|
2.25
|
3,797
|
58.9
|
20.9
|
3.8
|
5.3
|
1.3
|
0.5
|
-
|
-
|
0.7
|
폐콘크리트 및 폐모르타르로부터 분리된 GGWCPs의 화학적 조성의 분석 결과는 Table 4에 나타내었다. GGWCPs의 화학적 조성은 SiO$_{2}$ 및 CaO의 함량에 지배되었다. 이는 폐콘크리트 및 폐모르타르의 해체 과정에서 발생한
골재 미분의 유입에 의한 영향으로 판단된다. 소성 및 재수화 등의 처리를 실시하지 않은 M$_{O}$ 시료의 화학적 조성은 CaO가 43.5 %로
가장 높았으며, SiO$_{2}$ 및 Al$_{2}$O$_{3}$가 각각 32.4 % 및 9.1 %의 조성을 보였다. 콘크리트에서 채취한 C$_{O}$
시료의 경우에는 CaO의 조성이 51.3 %로 M$_{O}$ 시료에 비해 높았으며, SiO$_{2}$ 및 Al$_{2}$O$_{3}$는 각각 30.8
% 및 5.5 %로 M$_{O}$ 시험체에 비해 낮은 결과를 보였다. 더불어 C$_{O}$ 시료의 SiO$_{2}$ 조성은 30~35 % 수준의 GGBS와
유사하였으며, CaO 함량도 매우 유사한 수준이었다. 1,000 °C에서 소성을 실시한 M$_{B}$ 및 C$_{B}$의 성분조성은 CaO와 SiO$_{2}$의
함량에서 매우 큰 차이를 보였는데, CaO 조성의 경우 M$_{B}$가 36.8 %인 반면 C$_{B}$는 54.5 %로 비교적 높은 결과를 보였다.
SiO$_{2}$의 조성은 M$_{B}$ 및 C$_{B}$에서 각각 38.2 % 및 27.9 %이었다. Al$_{2}$O$_{3}$의 함량의 경우에는
M$_{B}$ 시료가 9.9 %로 ASTM C 150 (2014)(2)에서 제시하고 있는 OPC의 상한 값인 6 %를 초과하는 결과를 보였으며, C$_{B}$ 시료는 5.6 %로 적정한 범위에 있었다. 재수화를 실시한
GGWCPs의 성분조성은 소성의 처리를 실시한 시료와 매우 유사한 결과를 보였는데, M$_{R}$ 시료의 CaO 및 SiO$_{2}$ 함량은 각각
40.4 % 및 35.5 %이었다. C$_{R}$의 경우 CaO, SiO$_{2}$ 및 Al$_{2}$O$_{3}$의 함량은 각각 53.9 %, 27.3
% 및 5.5 %로 C$_{B}$ 시료와 큰 차이를 보이지 않았다. 이와 함께 모든 시료의 SiO$_{2}$ 함량은 39 % 이하로서, 45 % 이상의
함량을 요구하는 플라이 애시의 품질조건에 비해 낮았으며, CaO의 함량도 일반적인 FA의 함량(10 % 이하 수준)에 비해 약 3.6~6.2배 높은
결과를 보였다.
결과적으로 모르타르에서 채취한 GGWCPs의 SiO$_{2}$ 함량은 콘크리트에서 채취한 GGWCPs에 비해 더 높은 반면 CaO 함량은 더 적은
결과를 보였다. 또한 모르타르에서 채취한 미분말의 경우에는 Al$_{2}$O$_{3}$의 함량은 ASTM C 150(2014)(2)에서 제한하고 있는 시멘트의 최대값인 6 %를 초과하는 결과를 보였다. 이를 제외한 모든 재료의 조성은 MgO 1.4 % 이하, SO3 1.7 %
이하로서 ASTM C 150에서 제시하고 있는 OPC의 요구성능(MgO 6 % 이하, SO3 3 % 이하)을 만족하였다. 하지만, 60 % 이상 수준의
CaO 함량을 갖는 OPC에 비해서는 모든 재료의 CaO 조성은 36.8~54.5 % 수준으로 비교적 낮은 결과를 보였다.
3.3 수화물 분석
폐콘크리트 및 폐모르타르에서 분리된 GGWCPs의 수화물분석의 결과를 Fig. 1에 나타내었다. GGWCPs의 XRD 패턴은 시료 채취 위치 및 처리 방식에 관계없이 비교적 유사한 결과를 보였다. 모든 시료의 XRD 패턴에서는
불활성 골재로부터 유입된 된 SiO$_{2}$의 피크뿐만 아니라, 시멘트의 수화물의 결정상인 Portlandite(Ca(OH)$_{2}$), Calcite(CaCO$_{3}$)의
피크를 확인할 수 있었다(Yoon et al. 2019)(20). 이러한 결과는 GGWCPs의 화학적 조성의 분석 결과와 같이 다량의 SiO$_{2}$ 및 CaO의 조성을 갖는 재활용 페이스트가 가수에 의해 수화반응의
생성물질인 Ca(OH)$_{2}$, 및 CaCO$_{3}$의 결정상을 이루고 있으며, 반응성이 이미 대부분 감소한 비활성 상태에 있음을 의미한다.
이는 Fig. 2의 가수에 의한 수화반응이 진행되기 전 상태인 OPC의 XRD 분석결과에서 알 수 있다. 가수에 의한 수화가 진행되기 전 OPC는 클링커 광물의 형태인
Alite(C$_{3}$S) 및 Belite(C$_{2}$S)와 이들 결정 사이를 채우고 있는 간극상의 Aluminate(C3A) 및 Ferrite(C$_{4}$AF)의
결정상을 이루며, 가수에 의한 수화반응이 발생할 수 있는 잠재 활성의 상태로 존재한다. 즉, GGWCPs는 시멘트의 C$_{3}$S가 수화 반응을
통해 결정상의 Ca(OH)$_{2}$ 및 CaCO$_{3}$ 등의 형상을 이루었으며 활성도가 미미한 것을 의미한다. 더불어 해당 수화물의 피크 강도는
원재료에 비해서는 소성의 재료가, 소성 재료에 비해서는 재수화 시료의 경우가 더 작은 결과를 보였다. 더불어 소성, 소성 및 재수화의 처리를 실시한
M$_{B}$, C$_{B}$, M$_{R}$, C$_{R}$ 시료의 경우 30~35° 부근에서 Fig. 2에서 확인 할 수 있는 Alite, Belite 및 Aluminate 등의 시멘트 클링커 광물과 유사한 XRD 패턴을 보였다. 이는 해당 시료들이
1,000 °C의 온도환경에서 소성처리 됐음을 고려할 때 Ca(OH)$_{2}$ 등이 클링커 광물의 형태로 전환된 것으로 판단된다(KCI 2011)(10). 이와 함께 원재료 GGWCPs에서는 Ettringite의 피크가 관찰된 반면 소성과 재수화의 처리를 실시한 GGWCPs에서는 관찰되지 않았다.
Fig. 1. XRD patterns of granulated ground waste concrete powders
Fig. 2. XRD patterns of un-hydrated OPC
폐콘크리트 및 폐모르타르로부터 분리된 GGWCPs의 열분석(TG-DTG) 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 일반적으로 C-S-H의 경우 160~200 °C 범위의 온도에서 수화물에 결합된 수분 및 모노카보네이트의 열분해에 의한 반응을 나타낸다(Lothenbac
et al. 2007)(15). 더불어 Ca(OH)$_{2}$는 450~500 °C 범위의 온도에서 열분해 되며 식(2)에 따라 탈수에 의해 산화칼슘과(CaO)과 물(H$_{2}$O)로 변화한다(Lee and Yang 2016)(13).
Fig. 3. Thermal analysis results for granulated ground waste concrete powders
CaCO$_{3}$의 경우에는 550~850 °C의 온도 범위에서 식(3)과 같이 이산화탄소(CO$_{2}$)의 탈탄산에 의한 분해 반응을 나타낸다(Hong et al. 2011).
폐모르타르에서 채취된 GGWCPs의 열분석 결과 재수화 처리를 실시한 시료를 제외한 모든 시험체에서 Ca(OH)$_{2}$, CaCO$_{3}$ 및
C-S-H의 열분해 반응이 관찰되었다(Fig. 3(a)). 특히, M$_{O}$ 시료의 경우 수화물의 열분해에 의한 질량 감소가 가장 크게 나타났다. M$_{O}$ 시료에서 160~200 °C 범위에서
발생하는 C-S-H의 열분해에 의한 질량 감소는 6.62 %이었으며, 450~500 °C 범위의 Ca(OH)$_{2}$ 열분해에 의한 질량 감소는
1.34 %이었다. CaCO$_{3}$의 열분해에 의한 질량 감소는 4.26 %이었다. 소성의 처리를 실시한 시료인 M$_{B}$는 M$_{O}$
시험체에 비해 모든 온도 범위에서 수화물의 열분해에 의한 질량 감소가 상대적으로 적은 결과를 보였다. M$_{B}$ 시험체에서 C-S-H의 열분해에
의한 질량 감소는 1.37 %이었으며, Ca(OH)$_{2}$ 및 CaCO$_{3}$의 열분해에 의한 질량 감소의 경우 각각 0.36 % 및 1.03
%이었다. 반면 재수화된 시료인 M$_{R}$은 0~1,000 °C 범위에서 수화물의 열분해 반응이 관찰되지 않았는데, 이는 재수화 과정에서 GGWCPs
내에 존재하는 Ca(OH)$_{2}$ 및 CaCO$_{3}$ 등의 수화물이 이미 고온의 환경(1,000 °C)에서 소성됨에 따라 열분해 된 것으로
판단된다. 이는 XRD 분석의 결과에서 확인할 수 있는데, 소성과 재수화를 실시한 GGWCPs에서는 원재료에 비해 Ca(OH)$_{2}$, CaCO$_{3}$
및 C-S-H의 X-선 회절피크가 더 적게 나타남을 알 수 있다. 폐콘크리트에서 채취된 GGWCPs의 열분석 결과는 폐모르타르에서 채취한 시료의 결과와
비교적 유사한 경향을 보였다. 소성 및 냉각 등의 처리를 실시하지 않은 C$_{O}$ 시료의 경우 전체 온도범위에서 발생하는 수화물의 열분해에 의한
질량감소가 가장 크게 나타났으며, 재수화 시료인 C$_{R}$의 경우 열분해 반응이 관찰되지 않았다. C$_{O}$ 시료에서 C-S-H의 열분해에
의한 질량 감소는 6.18 %이었으며, Ca(OH)$_{2}$ 및 CaCO$_{3}$의 열분해에 의한 질량 감소는 각각 1.59 % 및 5.82 %로
M$_{O}$의 경우와 큰 차이를 보이지 않았다. 반면 소성을 실시한 C$_{B}$ 시료는 M$_{B}$ 시료에 비해 수화물의 열분해 반응이 비교적
적게 발생하였다. C$_{B}$ 시료에서 C-S-H 및 Ca(OH)$_{2}$의 열분해반응에 의한 질량 감소율은 각각 0.28 % 및 0.38 %이었으며,
CaCO$_{3}$의 질량 감소는 0.48 %로 나타났다. 즉, 0~1,000 °C의 온도범위에서 C$_{B}$ 수화물열분해에 의한 질량 감소는 1.66
%로 4.31 %의 질량감소를 보였던 M$_{B}$ 시료에 비해 약 60 % 낮은 수준이었다. 결과적으로 재수화 GGWCPs를 제외한 원재료 및 소성
GGWCPs에서 시멘트의 수화물인 Ca(OH)$_{2}$, CaCO$_{3}$ 및 C-S-H의 열분해 반응을 관찰할 수 있었으며, 열분해에 의한 질량
감소의 크기는 소성 및 재수화를 실시하지 않은 원재료에서 가장 크게 나타났다.
3.4 활성도 지수
폐콘크리트 및 폐모르타르에서 분리한 GGWCPs의 활성도 지수 평가 결과는 Fig. 4와 같다. M$_{B}$ 시료의 활성도 지수는 재령 변화에 관계없이 C$_{B}$ 시료에 비해 높은 결과를 보였다. M$_{B}$ 시료의 재령 3일에서의
활성도 지수는 65 %로 61 %의 값을 보인 C$_{B}$ 시험체에 비해 약 1.06배 높았으며, 재령 7일에서도 64 %의 활성도를 보인 C$_{B}$
시료에 비해 약 1.12배 높은 결과를 보였다. 재령 28일에서의 활성도 지수 또한 M$_{B}$ 시료의 경우가 C$_{B}$시료에 비해 약 1.05배
높은 결과를 보였는데, 이들 시료의 활성도 지수는 각각 84 % 및 80 %이었다. 이들 결과는 KS F 5405(2018)(8)에서 제시하고 있는 플라이 애시 2종, 3종(활성도 지수 80 % 이상) 및 4종(활성도 지수 60 % 이상)의 요구 성능조건을 만족하였다. 더불어
이들 시료의 활성도 지수는 재령 28일에서 75 % 이상의 값을 요구하는 고로슬래그 미분말 3종(KS F 2563 2020)(9)의 품질기준 또한 만족하는 결과를 보였다.
Fig. 4. Activity index of granulated ground waste concrete powders
결과적으로 폐콘크리트 및 폐모르타르에서 분리한 GGWCPs를 소성한 시료의 경우에는 일반적인 시멘트계 재료와는 화학적 조성 및 물리적 특성 측면에서
다소 상이하였지만, 활성도 지수 평가의 결과 일부 시멘트계 재료의 품질 요구 성능과 동등 이상 수준의 활성도를 보였다.
4. 결 론
이 연구는 원전해체 콘크리트의 재활용을 위한 기초연구로서 폐콘크리트 및 폐모르타르에서 분리된 미분말의 건식 처리방식에 따른 물리･화학적 특성 분석
및 이들 재료의 활성도 지수를 평가하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 재활용 미분말의 밀도는 채취위치 및 처리 방법에 관계없이 유사한 수준이었으며, 보통포틀랜드시멘트의 밀도(3.15 g/cm3 수준)에 비해 약 8~12 % 낮았다.
2) 미분말 시료의 비표면적은 각각 3종 이상의 품질로서 2,500 cm2/g 이상 및 4,000 cm2/g 이상의 품질을 요구하는 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말에 비해 약 30~95 % 낮았으며, 재수화의 처리를 실시한 폐콘크리트 미분말의 비표면적은
3,993 cm2/g으로 ASTM C 150에서 제시하고 있는 OPC의 요구품질인 2,800 cm2/g에 비해 약 40 % 높았다. 하지만 이들 재료의 비표면적은 그 처리 방법 및 시간을 변화함에 따라 상이해 질 수 있다.
3) 폐콘크리트로부터 분리된 미분말의 CaO 함량은 36.8~ 54.5 % 수준으로 60 % 이상 수준의 CaO 함량을 갖는 보통포틀랜드시멘트에 비해서는
비교적 낮았으며, 폐모르타르로부터 분리된 페이스트의 Al$_{2}$O$_{3}$의 함량은 ASTM C 150에서 제한하고 있는 최대값인 6 %를 초과하였다.
4) 폐콘크리트 미분말의 XRD 패턴에서는 종류에 관계없이 미수화 된 SiO$_{2}$의 피크뿐만 아니라 시멘트 수화물의 결정상인 Portlandite(Ca(OH)$_{2}$),
Calcite(CaCO$_{3}$)의 피크를 확인할 수 있었으며, 해당 재료의 열분해에 의한 질량 감소의 크기는 고온의 환경에서 소성된 재료의 경우가
더 적었다.
5) 소성의 처리를 실시한 재활용 미분말의 재령 28일 활성도 지수는 플라이 애시 2종, 3종, 4종 및 고로슬래그 미분말 3종의 품질기준을 만족하는
80 % 이상 수준으로서, 향후 이들 재료를 대체할 수 있는 재활용 재료로서의 활용성에 대해 보다 심도 깊은 연구가 수행될 필요가 있다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부(M$_{O}$TIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20161510300420).
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