| 2차년도 |
순환골재의 이산화탄소 기반 탄산화 반응 메커니즘 및 이산화탄소 처리된 순환골재의 입자규모(Grain-scale) 강도 증진 효과 규명
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(수행과제1-1) 이산화탄소 온도/압력/습도 조건에 따른 탄산화 속도 및 효율 규명 (KAIST-UNL 공동연구수행): 다양한 온도, 이산화탄소 주입 압력(분압, partial pressure), 습도 조건에서, 순환골재 내부 탄산화 속도 및 효율을 규명할 계획이다. 현장을 고려한 10, 20, 30, 40°C의 온도 조건와 100, 200, 400, 800 kPa의 이산화탄소 주입 압력 조건 하 탄산칼슘 생성 반응속도 및 생성량을 규명할 계획이다. 또한 반응조 내에 실리카겔과 습도 조절 스프레이를 사용하여 다양한 상대습도(0, 25, 50, 75, 100%)에서의 탄산화 반응을 분석할 것이다. 이 때, 이산화탄소 소모량은 챔버 내의 압력 센서를 이용하여 측정하고, 생성된 탄산칼슘의 질량 측정을 통해 탄산화 속도 및 생성량을 구하고자 한다. 특히, 본 수행과제에서의 연구 결과는 실규모 적용을 위한 이산화탄소 최적 처리 조건의 기본 실험 데이터로 사용할 예정이다. 한편, 본 수행과제는 미국의 네브레스카 대학교(University of Nebraska-Lincoln)의 연구팀과 함께 국제 공동 연구의 일환으로 수행할 예정이다.(수행과제1-2) X-ray μCT를 이용한 뒷채움 골재의 3차원 구조 및 탄산염 생성패턴 규명: X-ray micro-CT를 통해 이산화탄소 처리한 순환 골재의 3차원 구조를 영상화하고, 탄산칼슘의 생성 패턴, 특히 분포 및 두께를 정량화 하고자 한다. 특히, (수행과제1-1)에서 선정한 온도/압력/습도 조건 하 이산화탄소 처리 순환골재 샘플을 이용하여 3차원 구조 영상화 등 고도화된 심화 분석을 수행하고자 한다. 본 수행과제를 통해, “탄산칼슘층을 균질하게 생성할 수 있는지”, 그리고 “탄산칼슘층의 두께에 가장 큰 영향을 주는 환경 인자는 무엇인지”, 그리고 “탄산칼슘 두께의 상한선은 어느정도 인지?” 등에 대한 질문의 답을 구하고자 한다.(수행과제2-1) 이산화탄소 처리된 순환골재의 파쇄 실험 및 세립분(미분) 생성 특성 규명: 자연 쇄석 및 골재는 쇄석다짐말뚝, 옹벽 배면 배수층, 도로 하부 기층, 지반 뒷채움재 등의 다양한 지반구조물로 사용된다. 따라서, 이산화탄소 처리 순환골재가 자연 쇄석을 대체하고자 할 때, 처리한 순환골재의 지반공학적 및 물리적 특성을 측정하는 것이 중요하다. 특히 도로 하부 기층과 같이 동하중과 마모작용에 노출되는 지반재료에는 골재(쇄석)의 내마모성과 세립분(미분) 생성이 재료의 질과 성능을 결정한다. 세립분의 과다 생성은 공극 막힘으로 이어지고, 이로 인한 과잉공급수압을 발생시켜 지반의 강도 저하 및 파괴를 야기할 수 있다. 이에 본 수행과제에서는 쇄석/골재 파쇄 시험(Aggregate Crushing Value Test; ACV Test)을 통해 이산화탄소 처리된 순환골재의 마모량과 세립분 생성량을 측정할 계획이다. 파쇄 실험은 ACV Test방법을 이용할 예정이며(그림9), 이때 시료는 (수행과제 1-1)에서 결정한 최적 온도/압력/습도 조건에서 이산화탄소 처리한 순환골재를 시료로 사용할 예정이다. 이산화탄소 처리로 인한 탄산칼슘의 경도와 강도로 인해 마모도가 감소하고 세립분 생성량이 감소할 것으로 예상하며, 이를 자연 쇄석의 성능과 비교하여 그 성능을 정량화 하고자 한다. (수행과제2-2) 이산화탄소 처리된 순환골재의 입자규모(Grain-scale) 강도 증진 규명: 이산화탄소 기반 탄산염 처리가 순환골재의 강도와 강성를 증진시킨다는 가설을 바탕으로 실험적 연구를 수행할 예정이다. 이때, 1개의 개별입자(single grain) 압축실험을 수행하여 탄산염 생성양, 생성 두께에 따른 입자 규모 강도 및 강성을 정량화할 예정이다. 추가로 골재의 입자 형상, 입자 크기, 내부 구조 및 광물 성분에 대한 영향도 확인할 계획이다. 한편, 시간과 속성작용(diagenesis, or aging)은 탄산염의 특성에 큰 영향을 미치므로 이산화탄소의 처리조건 및 처리시간에 따른 강도 증가가 다를 것으로 예상한다. 이에 처리시간에 따른 영향도 고려할 예정이다.
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| 활용방안 |
○ 본 연구를 통해 개발된 이산화탄소 처리 순환골재는 보강토 옹벽, 쇄석다짐말뚝, 포설용 뒷채움재, 배수층 재료, 도로 기층 및 보조기층 시공에 쇄석을 대체하여 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 천연골재를 혼합하여 사용하거나, 단독으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다. ○ 순환골재의 지반공학적 성능 개량을 통해 천연골재와 비슷한 성능을 보유한 순환골재를 생산할 것으로 기대된다. 특히, 본 연구의 실험 결과는 이산화탄소 처리된 순환골재의 성능을 증명하기위한 백데이터로 활용 할 수 있을 것이다. 친환경적이고 경제적인 지반 뒷채움 재료 개발을 통해 건설폐기물 재활용을 촉진시키고 사회적 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다. ○ 순환골재의 이산화탄소 처리 최적화 기술은 국내와 해외의 특허 등록을 한 후, 특허 실시권을 유관 기업에 기술이전을 할 예정이다. ○ 또한, 후속연구를 통해 개발된 기술의 적용 사례를 늘려갈 예정이며 순환골재의 물리적/화학적 보강효과의 지속성 향상과 비용절감 및 경제성 향상을 위한 연구를 수행할 계획이다.
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