1. 서 론

교량 교면포장 공법으로 아스팔트 교면포장과 콘크리트 교면포장 공법이 있다. 콘크리트 교면포장 중 LMC(latex modified concrete) 교면포장은 고무성질의 라텍스와 콘크리트를 혼합하는 특수 공법이다. LMC 교면포장 공법은 염분과 수분으로 인한 균열을 방지하고 강도가 높아지는 효과가 있어^{(Yun et al. 2001; Baek et al. 2021)} 기존 아스팔트 공법에 비해 장기적인 경제성이 높으나, 초기 시공비용이 높다^{(Kim 2003)}. 또한 라텍스는 액상수지로써 별도의 자재관리가 필요하여 라텍스 대체 재료가 필요하다.

석유화학공정에서 생산되는 부생황을 이용하여 유황개질 바인더를 적용한 콘크리트 제품은 압축강도, 인장강도, 휨강도 등의 우수한 역학적 특성과 내부식성, 내화학성, 동결융해저항성 등의 내구성능을 나타낸다^{(Cha et al. 2011)}. 시멘트 풀을 유황개질 바인더로 대체한 유황 콘크리트는 50~80 MPa 이상의 고강도 특성을 나타냈다^{(Bae et al. 2014)}. 유황에 첨가제를 반응시켜 140 °C 내외의 공정온도 하에서 딜스-알더(Diels-Alder) 반응으로 유황개질 바인더를 제조하여 시멘트를 대체할 수 있는 바인더로 사용할 수 있었다. 또한 개질유황 시멘트 모르타르의 콘크리트 보수재료로서의 부착성능 평가 결과^{(Yoo et al. 2023)} 일반 시멘트 모르타르와 대비하여 압축･휨･부착 강도 모두 우수한 결과가 나와 개질유황이 적정량 첨가된 보수재가 활용 가능성이 클 것으로 예상했다.

가변형 팬믹서를 활용하여 교면포장용 개질유황 콘크리트의 내구성을 평가한 연구 결과^{(Kim et al. 2020)} 시멘트 중량대비 2~4 %로 개질유황을 첨가할 경우 압축강도가 증가하고, 이외 지표(부착강도, 염소이온 침투저항성, 동결융해 저항성, 스케일링 저항성)도 기준을 만족하였다. 개질유황은 DCPD(dicyclopentadiene)과 유황을 반응시킨 뒤 아민계 화합물과 중합 반응시켜 제조하였다.

수도권매립지 50 MW 매립가스 발전시설 중 생물학적 전처리시설(네덜란드 PAQUES사 THIOPAQⓇ 공법)에서 매립가스 중 황화수소를 산화하여 처리 시 바이오 황이 약 20톤/일 발생된다. 매립가스가 스크러버 알칼리성 수용액과 접촉하여 매립가스 내 황화수소가 황화수소 이온(HS-)으로 환원되고, 반응조에서 고압공기로 교반되면서 호기성 황산화 박테리아 미생물에 의해 생물학적으로 황 원소로 변환된다^{(Park and Eum 2016)}. 이후 바이오 황 입자를 침전시켜 농축하고, 원심력을 이용한 탈수로 바이오 황을 생산한다.

H₂S+OH^- → HS^-+H₂O

HS^-+1/2O₂ → S^O+OH^-

바이오 황 함수율은 45~60 %이고 황 순도는 약 70~90 %이다. 무기 황(석유 황, 화학적 탈황 부산물)은 소수성이나 바이오 황은 친수성으로 타물질과 혼용 사용이 용이하다. 바이오 황은 유기농업자재로 품질인증을 획득하여 살균자재 등으로 사용되고 있으나, 바이오 황 보관량이 많아 재활용 확대가 필요하다.

기존 연구결과^{(Park et al. 2020)} 수도권매립지에서 발생된 바이오 황을 60~85 °C에서 건조하고, 파쇄, 스크린 과정을 거친 분말을 유황 콘크리트 원료로 사용하였다. 시멘트, 모래를 1:3으로 혼합하여 콘크리트를 제조 시, 바이오 황을 시멘트 투입량의 0 %, 10 %, 20 %, 30 % 추가 주입하여 압축강도를 측정하였다. 바이오 황을 시멘트 투입량의 10 % 주입 시 28일 양생 기준 압축강도가 54.3 MPa로 일반 시멘트보다 2.25배 높아졌다. 바이오 황을 20 %, 30 % 혼합 시 압축강도는 28.7 MPa, 22.1 MPa로 낮아졌다. 바이오 황 10 % 혼합 시 포졸란 반응과 CaSO₄의 형성 등에 의해 결합 강도가 증가된 것으로 분석하였다.

석회류 개질 바이오 황을 시멘트 첨가제로 5 % 첨가한 경우^{(Song et al. 2023)} 일반 시멘트보다 압축강도가 증가했으며, 10 % 첨가한 경우 강도가 감소하였다.

슬러리 상태의 개질 바이오 황을 혼합한 연구^{(Lee et al. 2023)}에서는 바이오 황(SO₃ 93 %)을 수분 5 % 이내로 건조하고 소석회(CaO 86 %), 물과 혼합하여 90 °C 이상에서 8시간 교반한 후, 시멘트에 0, 5, 10 % 혼합하여 압축강도를 측정하였다. 이 경우 개질 바이오 황 첨가량이 증가함에 따라 압축강도가 저하되었다. 소석회 중의 Ca²⁺ 이온과 황(S)이 H₂O와의 반응에 의해 Ca(SO₃)(H₂O)0.5가 생성되었음을 확인하였다. 압축강도의 저하는 슬러리 상태의 개질 바이오 황 첨가에 의해 물-시멘트 비가 높아진 결과로 판단하였다.

본 연구에서는 바이오 황을 활용하여 초기 강도발현이 중요한 초속경(2~3시간 안에 20~30 MPa의 강도를 발현할 수 있는 콘크리트로 급속시공이 필요한 구간에 사용) 콘크리트 제조기술을 개발하고 교면포장에 적용하는 방안을 도출하였다. 바이오 황을 활용하여 시멘트 혼화재로써 최적 배합비를 도출하고, 개발 콘크리트를 현장타설하여 품질시험을 수행하였다.

Title

2.1. 바이오 황 분말화 방법

수도권매립지 50 MW 매립가스 발전시설 중 생물학적 전처리시설에서 발생된 바이오 황은 수분이 약 50 %(Fig. 1)로 탈수 후 건조하여 콘크리트 재료로 사용하였다. 바이오 황을 가압고액분리 방법인 필터프레스로 탈수(Fig. 2)한 후 열풍 건조(Fig. 3)하고, 분쇄하여 바이오 황 분말을 생산하였다. 약 2시간의 가압 후 바이오 황을 1회에 최대 4 m³ 탈수 시 20분 정도 소요되었고, 탈수된 바이오 황은 함수율이 15 % 미만이었다. 탈수된 황슬러지를 50 °C 미만에서 약 24시간 건조하여 함수율 1 % 정도의 바이오 황을 생산하였다(Fig. 4). 건조된 바이오 황은 1･2차 분쇄하여 사일로에 저장하였다.

Fig. 1 Bio-sulfur before dehydration and drying

Fig. 2 Dehydration using a filter press

Fig. 3 Bio-sulfur drying

Fig. 4 Bio-sulfur after drying and crushing

2.3. 바이오 황 함유 초속경 콘크리트 시험시공

바이오 황 함유 초속경 콘크리트를 2022년 10월 시험시공 하였다(Fig. 5). 타설면적은 폭 4.1 m, 길이 2.0 m로 8.2 m²이고, 0.9 m³(0.11 m 깊이)을 타설하였다. 바이오 황 초속경 콘크리트는 굵은 골재 33 %, 잔골재 41 %에 바이오 황 시멘트 19 %, 물 7 %를 혼합하였다(Table 3). 바이오 황 시멘트는 초속경 시멘트 85 %, 바이오 황 분말 11 %, 혼화제 4 %로 조성하였다. 시험시공 콘크리트에 대해 교면포장 보수재료 품질기준(내구특성, 구조특성, 적합 특성)의 압축강도^{(KATS 2022)}, 부착강도^{(KATS 2016)}, 염소이온 침투저항성^{(KATS 2017a)}, 동결융해저항성^{(KATS 2018)}, 스케일링 저항성^{(Swedish Standards 2005)}, 균열 저항성^{(AASHTO 1998)}, 마모저항성^{(ASTM 2019)}, 건조수축^{(KATS 2020)}, 열팽창계수(AASHTO 2020), 정탄성계수^{(KATS 2017b)}을 측정하였다. 또한 동절기 동안 염화칼슘 살포로 인한 내구성을 시험시공 5개월 후 확인하였다.

Fig. 5 Test construction of the bio-sulfur rapid-set concrete

Table 3 Mixing ratio of rapid-set cement, bio-sulfur, and admixture for the performance test of bio-sulfur rapid-set concrete

Component (unit: kg/m3)	Water	Bio-sulfur cement	Fine aggregate	Coarse aggregate
Mixing ratio	154 (7 %)	425 (19 %)	908 (41 %)	746 (33 %)

Title

3.3. 바이오 황 혼화제 초속경 콘크리트 시험시공

2022년 10월 시행한 바이오 황 함유(시멘트 대비 바이오 황 13 %) 초속경 콘크리트 시험시공(Fig. 5)결과 내구특성, 구조특성, 적합특성 품질기준 항목을 측정하여 기준 만족을 확인하였다(Table 8). 또한 시험시공 5개월 이후(2023년 4월) 현장을 확인한 결과, 균열 및 파손이 없음을 확인하였다(Fig. 6). 이로써 바이오 황 함유 콘크리트의 현장 적용에 문제가 없음을 알 수 있었다.

Fig. 6 Road surface condition after five months of testing

Table 8 Performance evaluation results of bio-sulfur rapid-set concrete

Test items		Test method	Unit	Test standards	Measured results	Per formance
Durability characteristics	Chloride penetration resistance	KS F 2711	Coulomb	1,000 below (Rapid-set: 28 days curing)	602	Satisfactory
	Freeze–thaw resistance	KS F 2456	%	Above 80 (Rapid-set: 28 days curing)	84.4
	Scaling resistance	SS 13 72 44 A	kg/m2 m56/m28	1.0 below (Scaling) 2.0 below (Scaling ratio) (Rapid-set: 28 days curing)	0.10 1.6
	Crack resistance	ASTM C 1581	-	Until 56 days, no drying shrinkage crack	No
	Abrasion resistance	ASTM C 779 B Type	mm	2 below (Rapid-set 7 days, rapid-hardening 28 days)	0.66
Structure characteristics	Compressive strength	KS F 2405	MPa	Above 21 (Opening time), above 35 (28 days curing)	27.2 46.9
	Bond strength	KS F 2762	MPa	Above 1.4 (Opening time)	1.89
Suitability characteristics	Drying shrinkage	KS F 2424	%	0.15 below (Rapid-set 7 days, rapid-hardening 28 days)	-0.044
	Coefficient of thermal expansion	AASHTO TP 60	/°C	4.0~20.0×10-6 (Rapid-set 7 days, rapid-hardening 28 days)	11.51×10-6
	Elastic modulus	KS F 2438	MPa	1.13×104~7.80×104 (Rapid-set 7 days, rapid-hardening 28 days)	2.57×104

3.4. 교면포장 상용화 시험시공 결과

교면포장 상용화 시험시공(Fig. 7) 결과 압축강도(28일)는 44.6 MPa로 기준 35 MPa 이상으로 측정되었다. 개방시간 부착강도도 기준 1.4 MPa 이상으로 측정되었다. 염소이온침투저항성(28일)도 기준 1,000 Coulomb 이하로 758 Coulomb으로 측정되었다. 동결융해저항성(28일)도 기준 80 % 이상으로 86.9 %로 측정되었다. 향후 시험시공 1년 후 추적조사를 통해 압축강도, 부착강도, 염소이온침투저항성, 동결융해저항성 및 표면손상률을 측정하고 품질기준 준수 여부를 확인하여 장기적인 성능을 확인할 예정이다.

Fig. 7 Test construction by Korea Expressway Corporation members

4. 결 론

수도권매립지 50 MW 발전시설에서 부산물로 발생되는 수분 약 50 %의 바이오 황을 탈수･건조하고 조강 포틀랜드 시멘트에 혼화재와 혼합하여 교면포장 초속경 콘크리트로 개발하였다. 시멘트에 최적 바이오 황 혼합비율을 도출하고, 현장에 시험시공하여 교면포장 콘크리트의 품질기준 대비 기준을 만족하는지 확인하였다.

1) 시멘트 대비 건조된 바이오 황을 10~15 % 혼합 시 콘크리트에 발수력이 확보되었다. 바이오 황 10 % 미만 혼합 시 발수에 부적합하였다. 이로써 시멘트 대비 바이오 황의 10 % 이상 혼합이 필요함을 알 수 있다. 바이오 황에 황 성분(SO₃)이 시멘트의 CaO과 반응하여 CaSO₄ 생성되어 강도가 증가된 것으로 판단된다.

2) 시멘트 대비 바이오 황을 10 %, 15 % 혼합 시 압축강도, 부착강도, 동결융해저항도는 높아지고, 염소이온 침투저항성, 건조수축은 낮아졌다. 이로써 바이오 황을 혼합함으로 초속경 콘크리트 성능 개선 효과가 있음을 알 수 있다.

3) 바이오 황 함유 초속경 콘크리트를 시험시공(8.2 m², 0.9 m³)하고, 콘크리트 내부특성, 구조특성, 적합특성 품질기준 항목(압축강도, 부착강도, 염소이온침투저항성, 동결융해저항성 등)을 측정한 결과 기준 만족을 확인하였다. 바이오 황 시멘트는 초속경 시멘트 85 %, 바이오 황 분말 11 %(시멘트 대비 바이오 황 13 % 혼합), 혼화제 4 %로 조성하였다. 또한, 시험시공 5개월 이후 현장을 확인한 결과, 균열 및 파손이 없음을 확인하여 현장 적용성이 있음을 알 수 있었다.

4) 교면포장 상용화 시험시공에 참여하여 교량에 바이오 황 초속경 콘크리트를 14.8 m³ 타설한 결과 압축강도, 부착강도, 염소이온침투저항성, 동해융해저항성이 기준 만족으로 측정되었다. 시험시공 1년 후 추적조사를 통하여 장기간 사용 안전성에 대해 검증할 계획이다.

5) Table 7, Table 8, 교면포장 상용화 시험시공의 압축강도(28일 기준, 37.3 MPa, 46.9 MPa, 44.6 MPa)가 차이가 나는 것은 바이오 황 시멘트(시멘트 대비 바이오 황 혼합비율 15 %, 13 %, 13 %) 및 물(4.5 %, 7 %, 5 %)의 배합비가 약간 다르고, 혼합방법, 대기온도 등의 차이가 있어서이다. 실험실에서 몰드 제작 시 강제식 믹서, 샤프트 믹서를 사용하여 콘크리트를 혼련하였고, 시험시공 시에는 모빌믹서로 혼련하여 혼합방법이 다른 것도 원인이 될 수 있다.