2.1 실험 변수

중금속이 포함된 고밀도의 CRT 폐유리를 잔골재로 재활용 하기 위하여 Fig. 1과 같은 연구 절차로 기초 물성실험과 방사선 차폐 성능 실험을 수행하였다. 일반 자연사로 제작한 모르타르 시험체를 기준으로 폐 브라운관 유리를 파쇄하여 잔골재로 100% 대체한 모르타르 시험체의 플로우 테스트, 중금속 용출 시험, 밀도 시험, 압축 및 휨강도 특성을 비교·분석하였으며, 방사선 차폐 성능은 엑스선 투과 실험과 핵종별로 시험체의 감마선 감쇠율을 평가하였다.

Fig. 1

Research Framework

Table 1에는 모르타르의 물-결합재비 변수와 각 실험에 사용된 시험체 크기를 나타내었다. 기초 물성 실험은 물-결합재비 0.45를 기준 배합으로 플라이애시(FA) 20%, 고로슬래그(BFS) 30%를 치환하였으며, 폐유리 잔골재 대체율은 0%와 100%로 하였다. 방사선 측정은 물-결합재비 0.45의 OPC 시험체에 대해서만 평가하였다.

Table 1

Experimental variables

2.2 실험 재료

이 연구에서는 전자폐기물 처분장에서 수거한 폐 브라운관의 후면부 유리를 분리 파쇄하여 잔골재로 대체하였으며, 브라 운관 폐유리의 구성 성분 비율은 Table 2에 제시하였다. Fig. 2 는 일반 자연사 모래와 파쇄한 CRT 폐유리의 사진을 나타낸 것이다. 또한, 자연사 잔골재와 CRT 폐유리 잔골재의 입도 분포곡선은 Fig. 3에 함께 나타냈으며, 각각의 잔골재 물성은 Table 3과 같다.

Table 2

Compositions of CRT glass

Table 3

Material properties of fine aggregate

Fig. 2

Natural sand and CRT waste glass

Fig. 3

Grading curve of fine aggregate

일반 모래를 잔골재로 사용한 경우와 폐 브라운관 유리를 잔골재로 대체한 모르타르 시험체 제작에는 밀도 3.15 g/m³, 분말도 3,200 cm²/g의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 화학조성은 Table 4와 같다. 모든 실험에서 모르 타르 시험체는 변수별로 각 3개씩 제작하였으며, Table 5는 배합표를 나타낸 것이다.

Table 4

Chemical compositions of cement

Table 5

Mix proportions (Unit : kg)

2.3 실험 방법

2.3.3 압축 및 휨강도 실험

압축강도 및 휨강도 실험은 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 KS L ISO 679 시험방법에 따라 크기 40×40×160mm 시편을 제작 하여 측정하였으며, 휨강도를 선 측정한 후 파단된 시편을 이용 하여 압축강도를 측정하였다.

Fig. 4

Compressive and flexural strength test

2.3.4 방사선 투과 실험

고밀도의 CRT 폐유리를 잔골재로 대체한 모르타르 시험체 의 방사선 차폐 성능을 평가하기 위하여 X-선 투과 실험과 감 마선 투과 실험을 시행하였다. 먼저, 저에너지의 방사선 차폐 성능을 측정하기 위한 X-선 투과 실험은 표준 X-ray Field에 서 중·저에너지(10~320kV) 엑스선과 표준 조사장치(IEC RQR 8 diagnostic X-ray Beam)을 이용하여 측정하였으며, Fig. 5에 나 타낸 것과 같이 동일한 두께(50mm)의 일반 자연사로 제작한 시험체와 폐유리를 100% 대체한 시험체를 전리함 전면에 각각 위치시키고 같은 크기의 X-선을 투과시켰을 때의 차폐율 을 조사하였다.

Fig. 5

X-ray shielding test

또한, 표준 방사선원(핵종)의 종류와 에너지양의 변화에 따른 차폐 성능을 평가하기 위하여 감마선 분광법을 이용한 감마선 투과 실험을 수행하였다. 감마선 투과 실험은 방사선이 차폐 재료를 1차원적으로 투과하는 정량적인 감쇠율을 측정하기 위하여 아래 Fig. 6과 같이 납 블록 챔버를 구성하였으며, 표준 방사선원과 검출기 사이에 시험체를 거치시키고 방사선만을 시험체에 입사시켜 정확한 차폐 실험을 진행하였다. 사용된 감마선 검출기는 상대효율 120%의 고순도 Ge-검출기를 이용 하였으며, 방사선원의 종류는 ⁵⁷Co, ¹¹³Sn, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co를 대상으로 하였다. 감마선 에너지양은 122.1keV, 391.77keV, 661.7keV, 1173.2keV, 1332.5keV로 하여 중·저에너지부터 고에너지 까지의 방사선 감쇠율 변화를 비교·분석하였다.

Fig. 6

γ-ray shielding test

3.1 플로우 및 밀도 변화

Fig. 7은 일반 모래를 사용한 경우와 폐유리 골재를 100% 대체한 모르타르 배합의 플로우 값을 나타낸 것이다. 그래프 에서 알 수 있듯이 폐유리를 대체한 모르타르의 플로우 값이 다소 상승하는 것을 알 수 있는데 이는 파쇄 과정에서의 표면 마모에 의해 폐유리 골재의 입형이 원형에 가까워지고 일반 자연사보다 코팅 처리된 브라운관 유리의 표면이 매끄러운 것이 원인으로 사료된다.

Fig. 7

Result of flow test

한편, Fig. 8은 변수별로 굳은 모르타르 시험체의 밀도 시험 결과를 나타낸 것이다. 배합 변수에 상관없이 폐유리를 잔골재로 사용한 시험체의 밀도가 대략 8% 정도 상승하는 결과를 나타냈다. 이는 예상한 바와 같이 CRT 폐유리가 함유한 중금속의 영향 으로 판단할 수 있다.

Fig. 8

Bulk density of hardened mortar specimen

3.2 중금속 함유량 및 용출 결과

이 연구에서는 CRT 폐유리를 잔골재로 대체하여 제작한 모르타르 시험체의 중금속 함유량과 이온교환수에 의한 외부 용출 여부를 검토하였다. Table 6은 그 실험 결과를 나타낸 것 이며, 표에서의 모르타르 분말(mortar powder)은 시험체를 분 쇄한 후 분말 시료의 내부 중금속 함유량을 나타낸 것이다. 또 한 모르타르 시험체(mortar specimen)는 제작한 시험체를 이 온교환수(pH 5)에 침출시켰을 때의 중금속 용출 여부를 표시 한 것이다.

Table 6

Leaching result of heavy metals

폐유리 잔골재 모르타르의 중금속 함유량에 대한 결과를 살펴보면, CRT 후면부의 폐유리 자체 성분은 Table 1에 나타 낸 것과 같이 Fe > Pb > Cr > Si 순으로 구성되어 있는데 이 폐 유리를 잔골재로 대체한 모르타르 시험체에서도 동일한 순서로 중금속이 함유되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 납 성분은 8,676 mg/kg으로 가장 많은 양을 포함하고 있었으며, 차폐 효과가 뛰어난 고비중의 납 성분 비율이 높기 때문에 방사선 차폐 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

한편, CRT 폐유리로 제작한 모르타르 시험체가 함유한 중 금속으로 인해 방사능 차폐 효과를 기대할 수 있으나 시험체가 이온 교환성을 지닌 순수 등에 접촉 시에는 콘크리트 내부의 공극수와 외부 접촉수와의 농도차로 인해 함유된 중금속이 외부로 용출될 수 있는 위험성을 지니고 있다. 따라서 이 연구 에서는 이러한 환경 유해성을 검토하기 위해 폐유리 모르타르 시험체의 중금속 용출 시험을 수행하였으며 그 결과를 Table 6에 함께 나타내었다. 폐유리 골재를 100% 대체한 모르타르 시험체의 이온교환수에 의한 중금속 용출 시험 결과, 모든 중 금속 성분이 불검출된 것으로 나타났다.

따라서 굳은 모르타르 시험체의 중금속 용출 시험 결과에서 알 수 있듯이 CRT 폐유리의 중금속 성분은 시멘트 페이스트 결합재로 내부 정착을 유도할 수 있으며, 환경 유해성 문제에 서도 안전성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3 압축강도 및 휨강도 특성

Fig. 9는 자연사를 잔골재로 사용한 모르타르 시험체와 CRT 폐유리를 잔골재로 대체한 모르타르 시험체의 압축강도를 나타낸 것이다. Fig. 9의 (a)는 양생재령 7일 후 측정한 값이며, (b)는 28일 양생 후 측정한 결과이다. 실험 결과를 살펴보면, 일반 자연사를 사용한 모르타르 시험체는 양생 재령이 증가할 수록 압축강도가 증가하는 일반적인 특성을 나타냈으며, 고로 슬래그를 혼합 사용한 경우의 압축강도 상승효과가 14.52%로 가장 높게 나타났다.

Fig. 9

Result of compressive strength

반면, CRT 폐유리를 100% 대체한 모르타르 시험체는 양생 기간이 7일에서 28일로 증가했을 때 압축강도가 다소 상승하 였으나, 물-결합재비와 혼화재 종류에 상관없이 일반 자연사를 사용한 시험체보다 압축강도가 저하되는 현상을 나타냈다. 양생 기간 28일 후 측정한 CRT 폐유리 시험체의 압축강도를 살펴보면, 일반 모르타르 시험체 대비 OPC 시험체는 16%, BFS 시험체는 12%, FA시험체는 11%의 강도감소를 나타냈다. 이는 폐유리의 매끄러운 표면이 시멘트 페이스트와의 점착을 방해 하여 압축강도가 감소하는 것으로 판단할 수 있으며, 폐유리를 대체 혼입한 기존의 연구 문헌에서도 동일한 현상을 찾을 수 있다(Zhao et al., 2013; Wang, 2009).

광물질 혼화재에 의한 압축강도의 영향을 살펴보면, 폐유리 잔골재의 대체 유·무에 상관없이 고로슬래그와 플라이애시를 치환한 시험체가 OPC 시험체보다 다소 높은 압축강도를 나타냈 다. 특히, Fig. 9의 (b)에서, CRT 폐유리를 100% 대체하고 고로 슬래그를 혼합한 시험체(BFS_waste glass)의 압축강도가 자연 사를 사용한 시험체(OPC_natural glass)의 압축강도와 동등한 수준을 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 CRT 폐유리의 대체 사용으로 인해 압축강도가 저하되는 현상은 분말도가 높은 광 물질 혼화재를 함께 사용하여 원활한 수화반응과 포졸란 반응 을 유도함으로써 시멘트만을 결합재로 사용한 경우와 동등한 수준으로 강도 보상 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

한편, Fig. 10의 (a)와 (b)는 7일 및 28일 양생 조건에 대한 각각의 휨강도를 나타낸 것이다. 휨강도 특성에서도 압축강도 특성과 같이 양생 기간이 길어질수록 휨강도는 상승하였으며, 혼화재를 사용한 시험체의 휨강도가 다소 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 압축강도와 마찬가지로 CRT 폐유리를 잔 골재로 대체한 경우에는 고로슬래그 혼화재를 함께 사용하여 OPC 수준으로 휨강도를 향상할 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 10

Result of flexural strength

3.4 방사선 차폐 성능

이 연구에서는 X-선 투과 실험과 감마선 투과 실험을 통해 고밀도의 CRT 폐유리를 잔골재로 대체했을 때의 차폐 성능을 검토하였다. 먼저, Fig. 11의 X-선 투과 실험 결과에서 일반 자연사를 사용한 모르타르 시험체는 97.3%의 X-선 차폐율을 나타냈으며, CRT 폐유리로 제작한 동일한 두께의 시험체는 100%의 X-선 차폐 효과를 보였다. 그러나 일반 자연사 모르타르 시험체와 폐유리 시험체의 X-선 차폐율 변화가 3% 이내로 미미 하여 그 성능 차이를 판가름하기에 무리가 있는 것으로 판단된다. 이는 차폐 물체에 대한 X-선 자체의 투과성이 낮고 일반 자연사 로 제작한 모르타르 시험체도 X-선에 대한 차폐 효과가 크기 때문에 고밀도의 폐유리로 제작한 시험체와의 격차가 크지 않은 결과를 나타낸 것으로 판단된다.

Fig. 11

X-ray attenuation rate

따라서, 좀 더 면밀한 방사선 차폐 성능의 분석을 위해 여러 종류의 방사선원(표준핵종)과 방사선량을 달리하여 감마선 투과 실험을 수행한 결과를 Fig. 11에 나타내었다. Fig. 11의 (a)는 감마선 투과 실험에서의 스펙트럼 결과를 나타낸 것이며, Fig. 12는 스펙트럼 결과를 바탕으로 식(1)을 이용하여 계산한 선형감쇠계수(μ)값의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 방사 선원(핵종)별 선형감쇠계수를 살펴보면, 자연사와 시멘트를 혼합하여 제작한 일반 모르타르 시험체의 경우, 122.1keV_⁵⁷Co, 391.7keV_¹¹³Sn, 661.7keV_¹³⁷Cs, 1173.2KeV_⁶⁰Co, 1332.5keV_60Co에 대하여 각각 0.18, 0.18, 0.15, 0.12, 0.11(cm^-1)의 선형감쇠계수를 나타내었다. 반면, CRT 폐유리를 잔골재로 대체한 모르타르 시험체의 선형감쇠계수는 0.46, 0.23, 0.17, 0.13, 0.12(cm^-1)로 저에너지부터 고에너지까지 감쇠계수가 상승하는 효과를 나타 냈다. 이는 방사선 차폐효과가 높은 고비중의 납 성분이 다량 포함된 CRT 폐유리를 잔골재로 사용함으로써 시험체의 밀도 가 상승하여 방사선 차폐 효과가 높아지는 것으로 판단할 수 있다(^{Sharma et al., 2009; Akkurt et al., 2010}).

Fig. 12

γ-ray spectrum and linear attenuation coefficient

한편, 방사선원별로 상승률을 살펴보면, ⁵⁷Co는 154%, ¹¹³Sn은 26%, ¹³⁷Cs는 8%, ⁶⁰Co는 10%의 상승률을 나타냈다. 특히, ⁵⁷Co 방사선원에 대해서는 2.5배의 높은 상승효과를 보였다. 반면, 방사선량(에너지양)이 높아질수록 방사선 차폐 상승률 이 낮아지는 것을 알 수 있다. 즉, 방사선량이 클수록 CRT 폐 유리의 대체 효과가 낮아지는 것으로 볼 수 있으며, 고에너지 의 방사선을 차단하기 위해서는 잔골재의 배합 용적 비율을 증가시켜야 할 것으로 사료된다. 그러나 잔골재의 용적 비율이 높아질수록 역학적 성능 저하를 초래하므로 고에너지에 대한 방사선 차폐를 위해서는 골재 용적비가 큰 굵은골재를 사용 한 콘크리트가 유리할 것으로 판단된다.

이상의 방사선 차폐에 관한 결과를 종합해보면, 고밀도의 CRT 폐유리 잔골재를 사용하여 저에너지 영역에서의 방사선 차폐 성능에 대한 상승효과를 확인할 수 있었으며 고에너지 영역에서의 차폐 효과를 극대화하기 위해서는 고비중의 굵은 골재와의 조합이 필요할 것으로 사료된다.