- 바텀애시 100% 재활용
매립지 부족 문제 해결
- 40~50MPa 강도
내구수명 100년
국내 화력발전소의 전력 생산량은 27만8400GWh로 전체 발전전력량의 65% 가량을 차지하고 있다.
이때 화력발전소에서 유·무연탄을 연소한 뒤 나오는 비산재(플라이애시, Fly Ash)와 바닥재(바텀애시, Bottom Ash) 등 석탄재 발생량은 작년 말 기준으로 무려 730만t에 달하는 것으로 조사됐다.
이중 플라이애시의 약 438만t(60%)이 콘크리트 재료의 대체재로 사용되고, 나머지 292만t(40%)인 바텀애시는 인근 매립장에 매립 처리되는 실정이다.
또 화력발전소에서 나오는 석탄재가 외부로 날리거나 매립으로 인한 침출수 등이 발생되며 민원이나 환경문제가 심각한 문제로 대두되고 있다.
또 중요한 구조물 등에 사용되는 시멘트는 1t 생산시 이산화탄소가 약 0.9t, 연간 5600만t이 배출되고 있어 녹색성장에 큰 걸림돌이 되고 있다.
전문가들은 바텀애시가 지속적으로 매립된다면 일부 발전소에서는 매립장 용량이 한계에 부딪혀 최악의 경우 전기 생산이 중단될 수 밖에 없는 위기상황이 벌어질 것이라고 지적하고 있다.
이에 따라 정부는 지난 2006년부터 콘크리트 제품에 모래나 자갈 대신 바텀애시를 대체 사용할 수 있도록 해 자원낭비를 최소화하고 화력발전소의 매립문제를 원천적으로 해소하는 방침을 내렸다.
우선 바텀애시의 재활용률을 높이기 위해 강도 등 물리적 성질이 떨어져도 사용이 가능한 경계블록과 호안블록 등 일부제품에만 사용되도록 한 것이다.
하지만 바텀애시의 100% 재활용을 위해서는 다양한 노력이 절실히 요구됐다.
이에 따라 한국에너지기술평가원 과제로 한국건설기술연구원 고경택 연구위원을 중심으로 지난 2007년 연구가 시작, 기술개발 완료 단계에 이르렀다.
화력발전소에서 발생되는 바텀애시를 다량으로 활용해 사용되는 시멘트의 양을 줄이면서 고강도를 가진 콘크리트 생산 기반기술을 확보한 것이다.
고 연구위원은 “고부가가치 자원화 기반기술 확보로 향후 화력발전소의 매립지 부족, 석탄재 처리비용 문제 등이 해소될 것으로 기대된다”며 “특히 조만간 아파트 건축물과 교량 등에서 활용될 수 있어 건설과정에서 발생되는 이산화탄소 배출을 획기적으로 저감시킬 수 있을 것으로 예상된다”고 밝혔다.
■밀링방법 또는 활성화제 혼합기법
시멘트를 전혀 사용하지 않고 바텀애시를 100% 재활용해 만든 콘크리트 생산 기술의 키워드는 물리적 기법과 화학적 기법 두 가지다.(그림)
바텀애시는 실리카(Si)와 알루미늄(Al) 등 주요 성분이 포함돼 있으며 겉 표면은 유리막으로 형성돼 있는데, 이 유리막으로 인해 중합반응이 일어나질 않는다.
이 때문에 고온양생을 통해 분말도 입자를 더욱 곱게 하는 밀링방법(물리적 기법)을 통해 표면을 개질화하는 기술을 개발한 것이다.
또 바텀애시에 또 다른 성분인 나트륨(Na)과 칼슘(K), 석회(Ca) 등 활성화제를 혼합해 상온양생을 통해 표면을 개질화하는 화학적 기법이 있다.
이 같은 기법을 통해 압축강도가 뛰어나고 고내구성을 가진 콘크리트 생산 기술이 개발된 것이다.
실제로 현장타설이 가능한 상온양생을 통해 20~30MPa의 강도발현에 성공했다.
특히 고온양생시 압축강도 40~50MPa을 가지는 고강도의 콘크리트 기술도 개발했다.
이는 세계 최고 압축강도 수준으로 교량거더, 빔 등에 적용이 가능하다.
현재 해외에는 플라이애시와 고로슬래그를 혼합한 후 고온양생을 통해 나온 50MPa의 강도만 있을 뿐이다.
또 강도발현 속도도 기존 14~28일이 소요됐으나, 이 기술을 적용할 경우 3~7일이면 가능하다.
아울러 내화학성과 내구성이 강해 구조물 수명연장에도 크게 기여할 것으로 전망된다.
■‘시멘트 ZERO 콘크리트’ 2013년까지 완료
화력발전의 부산물인 바텀애시를 자원으로 재활용한 ‘시멘트 ZERO 콘크리트’ 프로젝트가 오는 2013년까지 단계별로 진행된다.
최종 목표는 압축강도는 상온 30MPa, 고온 50MPa를 가지고, 내구수명도 100년 이상을 갖춘 콘크리트 생산 기술이다.
우선 1단계(2010~2011년)로 사업으로 시멘트를 100% 대체할 수 있는 바텀애시의 결합재 및 반응 활성화 기술개발을 완료키로 했다.
이를 위해 ▲국내 화력발전소별 바텀애시 배출 및 매립상황 ▲바텀애시 샘플링 채취 및 화학적 조성 분석 ▲기존 연구에서 사용된 플라이애시와 바텀애시의 비교분석 ▲중합반응에 필요한 화학적 조성 분류 등을 토대로 연구가 진행중이다.
2단계(2011~2012년)로는 바텀애시를 다량 활용한 콘크리트의 배합기술, 제조 프로세스, 시작품 제작 및 현장적용 등의 연구가 진행된다.
사용재료와 배합비, 양생조건 등 영향을 분석하고, 이 같은 실험분석 결과를 통해 배합설계 기법과 체계적인 프로그램이 개발된다.
이어 성능 기반형 결합재로서 바텀애시의 등급화 및 프리믹싱화 기술도 개발한다는 계획이다.
특히 제조환경 및 요구성능을 고려한 맞춤형 적정 양생기법도 개발키로 했다.
이를 통해 비구조체 2차 제품(경계블록 등)의 시작·시제품을 제작하고 현장에도 적용, 각종 발생될 수 있는 요인을 분석하게 된다.
마지막 단계(2012~2013년)로 바텀애시를 다량 활용한 콘크리트의 내구성을 평가하고 활용할 수 있는 기술개발이 최종적으로 완료된다.
우선 소성수축, 건조수축, 균열 저항성 등 수축평가에 대한 연구가 진행된다.
아울러 바텀애시를 100% 재활용한 콘크리트가 개발될 경우 동결융해, 염해, 철근부식 저항성, 화학저항성 등의 문제점을 해결하기 위한 내구성 평가와 환경친화성 평가도 이뤄진다.
레미콘 생산 기술개발 및 Mock-up Test를 통한 적용성 검증도 이뤄지며, 이산화탄소 발생 저감과 제조비용 등을 고려한 경제성 분석도 진행된다.
건기연은 이 같은 분석을 통해 ‘바텀애시 및 활성화제의 품질관리 기준’ 정립, ‘바텀애시 다량 활용 콘크리트의 배합 및 제조지침(안)’을 마련한다는 계획이다.
