정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법{Method for manufacturing of filler for waste underground structure using water-treatment sludge}

본 발명은 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정수슬러지에 하소 열처리한 정수슬러지를 혼합하고 포졸란 물질 및 수경재료 등을 혼합하여 폐 지하구조물의 내부 충진재를 제조할 수 있도록 한 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 수명이 다된 상하수도관, 정화조 등과 같은 지하구조물은 전량 철거가 원칙이지만, 도심 폐 지하구조물의 철거는 다른 도시 기반 시설물에 대해 안전을 위협하고, 장기간 공사에 따른 민원발생, 과다한 처리비용 등의 문제로 인해 사실상 매설된 자리에 그대로 폐기되어 왔다.

하지만, 최근에 발생되고 있는 지반 침하 사고는 물론 지하수 오염원이 될 수 있다는 우려 때문에 이에 대한 적절한 처리 또는 폐기방법에 대한 관심이 높아지고 있다.

그동안 산업화, 도시화가 진행되면서 이전에 설치되었다가 현재는 용도 폐기된 지하구조물은 잠재된 안전사고와 환경문제를 야기할 가능성이 높아 이를 효과적으로 처리할 방법이 필요하다.

미국의 경우, 일부 주에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 지하구조물에 유동성 콘크리트, 경량 콘크리트, 모래 등으로 내부를 충진하여 침하를 방지하고 지상오염원의 지하 유입을 막아 폐 지하구조물로 인한 안전사고 예방 및 환경오염을 방지하는 규정이 있지만, 국내에는 마땅한 처리절차를 마련하지 않고 있다.

최근에야 폐 지하구조물로 인한 도로 침하 사고 등으로 인해 이에 대한 관심과 우리 실정에 맞는 적합한 처리 기술에 대한 관심이 증대되고 있다.

이러한 기술의 일예가 하기 문헌 1에 개시되어 있다.

하기 특허문헌 1에는 도심 지중에 배관된 폐관의 위치를 확인하는 단계; 폐관의 위치가 확인되면, 충진할 지점을 선택하고, 충진할 지점을 굴착하여 충진관 삽입홀을 형성하는 단계; 충진관 삽입홀이 형성되면, 경사진 폐관의 위쪽 부분과 충진할 구간의 끝쪽에 폐색판을 설치하는 단계; 폐색판이 설치되면, 상기 충진관 삽입홀에 충진관을 삽입하고, 삽입된 충진관을 통해 충진재를 주입하는 단계;를 포함하되, 상기 충진재는 주성분인 백시멘트 100중량부에 대하여, 0.1-1.2mm의 입도를 갖는 크리스토발라이트 분말과 크레졸 노볼락형 에폭시수지가 4:1의 중량비로 혼합된 혼합물 40중량%를 톨루엔 60중량%에 넣고 교반하여 얻은 혼합액 15-25중량부, 0.1-0.2mm의 입도를 갖는 쏠레아이트 현무암 분말 5-10중량부, 6-7mm의 길이로 잘린 탄소섬유가 함유된 폴리프로필렌수지 10-15중량부, 라우릴황산나트륨 15-30중량부, 메타카올린 50-70중량부, BA(buthylacrylate) 5-10중량부, 에틸트라이메틸벤조일페닐포스피네이트(Ethyl Trimethylbenzoyl Phenylphosphinate) 10-15중량부 및 라텍스 에멀젼 25-35중량부로 조성된 것을 특징으로 하는 폐관침하에 의한 싱크홀 방지 공법에 대해 개시되어 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술은 대량 처리와 활용면에서 적합하지 않으며, 지나치게 많은 종류의 화학물질들을 첨가하다보니 토양 및 지하수 오염의 원인을 제공할 뿐만 아니라 생산비용이 증가되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 많은 양의 수분을 함유한 정수슬러지를 포졸란 물질 및 수경재료와 혼합하여 시공에 필요한 유동성과 일정한 강도를 가지게 하여 폐관로, 폐공, 폐정화조 등과 같은 사용하지 않는 지하구조물 내에 충진하여 지반 침하 및 지하수 오염을 방지할 수 있는 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법은, 정수슬러지를 분쇄장치에 투입하여 200RPM 이하의 저속에서 입자를 10mm이하의 크기로 조분쇄하는 단계; 상기 조분쇄된 정수슬러지 30~50 중량%, 하소 열처리 정수슬러지 10~30 중량%, 실리카흄 5~10 중량%, 플라이애시 10~15 중량%, 유동층 보일러 연소재 2~4 중량%를 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 수경재료 15~20 중량%를 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 수경재료가 첨가된 혼합물에 경화수를 첨가한 후 600RPM 이하의 고속에서 미분쇄하여 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 하소 열처리 정수슬러지는 550~800℃의 온도에서 열처리하고 미분쇄기에 의해 미분쇄하며, 상기 수경재료는 시멘트, 생석회로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법은, 정수 과정에서 발생하는 정수슬러지를 이용함에 따라 정수슬러지의 처리 비용을 절감하는 한편, 폐 지하구조물을 저렴한 비용으로 충진하여 안전사고와 지하수 오염을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법을 도시한 공정도.
도 2는 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조 시 이용되는 정수슬러지 분쇄장치의 임펠러를 도시한 도면.

본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법은, 정수슬러지를 분쇄장치에 투입하여 200RPM 이하의 저속에서 입자를 10mm이하의 크기로 조분쇄하는 단계; 상기 조분쇄된 정수슬러지 30~50 중량%, 하소 열처리 정수슬러지 10~30 중량%, 실리카흄 5~10 중량%, 플라이애시 10~15 중량%, 유동층 보일러 연소재 2~4 중량%를 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 수경재료 15~20 중량%를 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 수경재료가 첨가된 혼합물에 경화수를 첨가한 후 600RPM 이하의 고속에서 미분쇄하여 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 하소 열처리 정수슬러지는 550~800℃의 온도에서 열처리하고 미분쇄기에 의해 미분쇄하며, 상기 수경재료는 시멘트, 생석회로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다.

삭제

삭제

삭제

또한, 상기 수경재료가 첨가된 혼합물에 경화수를 첨가한 이후에 유동화제 5~10 중량%를 더 첨가하며, 상기 유동화제는 리그닌계, 나프탈렌계, 폴리카르본산계로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법을 도시한 공정도이고, 도 2는 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조 시 이용되는 정수슬러지 분쇄장치의 임펠러를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법은 정수슬러지를 조분쇄하는 단계(S100), 조분쇄된 정수슬러지와 포졸란 물질을 혼합하는 단계(S200), 수경재료를 첨가하여 혼합하는 단계(S300), 미분쇄하여 혼합하는 단계(S400)를 포함한다.

먼저, 상기 정수슬러지를 조분쇄하는 단계(S100)에서는 정수슬러지를 분쇄장치에 투입하여 200RPM 이하의 저속에서 입자를 10mm이하의 크기로 조분쇄한다.

정수슬러지는 불규칙한 입자형상을 가지고 있는 입자가 전기적 상호작용에 의해 서로 응집된 다량의 수분과 유기물이 포함된 형태이다. 이 유기물은 주로 조류로 매립이나 해양 투기 시 오염원이 될 수 있지만, 고온에서 실시되는 하소 열처리 시 입자간의 강한 응집 억제와 응집 입자의 균열을 유도하여 간단한 물리적 분쇄법으로 비교적 미세한 분말을 얻을 수 있게 한다.

정수슬러지의 재료적 특성으로는 주광물이 석영과 카올리나이트 등의 점토류로 구성되어 있으며, 600℃ 하소 열처리 후에는 석영은 그대로 존재하지만, 카올리나이트는 분해되어 조장석, 백운모와 같은 강도가 상당히 약하고 비교적 불안전한 광물로 구성되어 있다.

일반적인 정수슬러지는 미세한 토사 입자의 정전기적 응집체로 배출 시 함수량을 최소화하기 위해 벨트프레스와 같은 물리적 탈수장비를 이용하여 압착 탈수작업을 거쳐 소성을 가지는 비교적 강한 미세 토사의 응집체 형태를 가지게 된다. 이러한 소성을 가지는 미세 토사의 응집체는 수경재료와의 혼합 시 일반적인 시멘트 콘크리트 장비로는 균질한 혼합이 사실상 불가능하다.

이러한 토사 응집체는 충진재의 유동성을 현저히 감소시켜 충진성을 저하시키며 수경과정 중의 균열 및 함몰을 유발하여 충진물의 구조적 안정성에 현저한 악영향을 미치게 된다.

이에 본 발명에서는 이러한 정수슬러지와 수경재료의 불균질한 혼합으로 발생하는 충진재의 안정성을 개선하기 위해 정수슬러지 분쇄장치가 이용되며, 도 2에 도시된 정수슬러지 분쇄장치의 임펠러는 두 축이 역으로 회전하는 임펠러의 전단력에 의해 정수슬러지 케이크를 분쇄하게 된다.

이 과정에서 분쇄한 정수슬러지 케이크의 재응집을 억제하기 위해 하소 열처리 정수슬러지, 플라이애시와 같은 수분을 포함하지 않은 물질과 시멘트 또는 생석회와 같은 수경재료를 혼합하기 전에 투입하여 재응집을 방지함과 동시에 기타 재료와의 균질한 혼합을 위한 초기 혼합공정을 시행하게 된다.

이때 분쇄장치의 임펠러의 회전속도는 200RPM 이하의 저속을 유지하면서 입자를 10mm이하의 크기로 분쇄하는 것이 바람직하며, 분쇄 공정 중의 과도한 임펠러의 회전은 소성을 가지고 있는 정수슬러지 케이크를 재응집 시킬 수 있으므로 상기의 속도 이하로 분쇄와 혼합공정을 시행하도록 한다.

상기 조분쇄된 정수슬러지와 포졸란 물질을 혼합하는 단계(S200)에서는 상기 조분쇄된 정수슬러지 30~50 중량%, 하소 열처리 정수슬러지 10~30 중량%, 실리카흄 5~10 중량%, 플라이애시 10~15 중량%, 유동층 보일러 연소재 2~4 중량%를 혼합한다.

상기 조분쇄된 정수슬러지는 30~50 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 함량이 30 중량% 미만이면 유동성을 현저히 감소시키고 수경 중 균열 및 함몰을 유발하는 문제가 있고, 50 중량%를 초과하면 수경재료와의 균질한 혼합이 어렵고 강도가 저하되는 문제가 있다.

상기 하소 열처리 정수슬러지는 하소 열처리 과정에서 유기물에 의한 강한 응집의 억제와 입자의 균열 유발과, 강도가 약한 불안정한 상으로 인해 간단한 밀링으로 시멘트 혼합재 및 소성용 요업재료로 활용하기 위한 미분화가 용이한 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 본 발명에서는 수경성 충진재의 충진성을 향상시키고 상대적으로 적은 양의 시멘트 바인더를 사용하여 충분한 결합력과 강도를 얻기 위해 포졸란 반응 물질로 정수장 슬러지의 일부를 하소 열처리 정수슬러지를 사용한다.

특히, 상기 하소 열처리 정수슬러지는 포졸란 반응으로 충진재 내부의 미세 공극을 충진시키는 역할을 하여 결합력과 강도를 높이는 작용을 한다.

상기 하소 열처리 정수슬러지는 550~800℃의 온도에서 열처리하여 슬러지에 포함된 수분을 충분히 제거한 것을 사용한다.

상기 하소 열처리 정수슬러지는 열처리 후의 슬러지 입자간의 응집을 미분쇄기(볼밀, 제트밀 등)와 같은 물리적 분쇄로 완화하여 충진성과 포졸란 물질로서의 반응성을 높이도록 한다.

상기 하소 열처리 정수슬러지는 10~30 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 함량이 10 중량% 미만이면 충진재 내부의 미세 공극에 대한 충진 성능이 저하되고, 30 중량%를 초과하면 수경재료와의 균질한 혼합이 어렵고 강도가 저하되는 문제가 있다.

상기 실리카흄은 산업부산물의 일종으로 초미립분의 형태를 가지고 있는 분말형태를 띄고 있으며 이러한 특성으로 인해 미세한 공극을 채우는 공극충전 효과를 통해 전체 배합의 압축강도를 증진시키게 된다.

상기 실리카흄은 5~10 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 함량이 5 중량% 미만이면 강도 발현과 조직 치밀화 효과가 미약하고, 10 중량%를 초과하면 강도발현 향상 및 장기 내구성 특성이 좋아지나 경제성과 중성화가 촉진되는 문제가 있다.

상기 플라이애시는 발전소 등의 미분탄 보일러의 연도 가스로부터 집진기로 채취한 석탄재를 의미하는 것으로서, 구상인 입자크기는 시멘트와 같은 정도이고 알루미나와 실리카가 주성분이다. 특히, 반응속도나 침투특성을 고려하면 분말도가 높을수록 유리하므로 4,000㎠/g의 고분말도 플라이애시를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 플라이애시는 10~15 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 함량이 10 중량% 미만이면 유동성이 저하되고, 15 중량%를 초과하면 다른 재료와의 분리현상이 발생할 우려가 있고 강도가 저하되는 문제가 있다.

상기 유동층 보일러 연소재는 공기와 석회를 동시에 주입시켜 순환 연소시키는 유동층 보일러에서 나오는 가연성의 연소성 재로서, 기존 보일러에 비해 황산화물의 발생, 질소 산화물의 발생을 획기적으로 억제하고 타고 남은 재를 말한다.

상기 유동층 보일러 연소재는 높은 생성열로 시멘트가 만들어지는 경화시간을 단축시키는 역할을 하며, 특히 저온에서도 우수한 성능을 발휘한다.

상기 유동층 보일러 연소재는 2~4 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 함량이 2 중량% 미만이면 팽창 효과가 저감되고, 4 중량%를 초과하면 강도 발현성이 저하되는 문제가 있다.

상기 수경재료를 첨가하여 혼합하는 단계(S300)에서는 상기 혼합물에 수경재료 15~20 중량%를 첨가하여 혼합한다.

상기 수경재료는 시멘트, 생석회로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이며, 특히 시멘트의 경우에는 초기강도를 높이거나 동절기에 온도저하로 인해 초기강도가 저하되는 점을 고려하여 슬래그시멘트 보다는 보통시멘트를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 수경재료는 15~20 중량% 함유되는 것이 바람직하며, 함량이 15 중량% 미만이면 초기강도의 확보가 곤란하고, 20 중량%를 초과하면 경화 수축량이 증대되어 균열이 발생될 우려가 있다.

상기 미분쇄하여 혼합하는 단계(S400)에서는 상기 수경재료가 첨가된 혼합물에 경화수를 첨가한 후 600RPM 이하의 고속에서 미분쇄하여 혼합한다.

즉, 상기 미분쇄하여 혼합하는 단계(S400)에서는 정수슬러지 케이크를 보다 작게 분쇄하는 공정과 기타 재료와의 혼합하는 공정을 동시에 시행하는 단계로서, 교차점에서의 임펠러의 전단력에 의한 분쇄와 임펠러 교차점 외부에서 발생하는 점성 유동으로 인한 혼합을 한다.

한편, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 제조방법은 상기 수경재료가 첨가된 혼합물에 경화수를 첨가한 이후에 유동화제 5~10 중량%를 더 첨가하며, 상기 유동화제는 리그닌계, 나프탈렌계, 폴리카르본산계로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이다.

상기 유동화제는 본 발명의 폐 지하구조물 충진재의 혼합성 및 유동성을 향상시키기 위한 것으로서, 바람직하게는 리그닌계, 나프탈렌계, 폴리카르본산계 중에서 어느 하나를 선택한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재는 많은 양의 수분을 함유한 정수슬러지를 포졸란 물질 및 수경재료와 혼합하여 시공에 필요한 유동성과 일정한 강도를 가지게 하여 폐관로, 폐공, 폐정화조 등과 같은 사용하지 않는 폐 지하구조물 내에 충진하여 지반 침하 및 지하수 오염을 방지하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재의 실시예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 이들 실시예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

조분쇄된 정수슬러지 40 중량%, 하소 열처리 정수슬러지 20 중량%, 실리카흄 5 중량%, 플라이애시 12 중량%, 유동층 보일러 연소재 3 중량%, 수경재료(시멘트) 15 중량%, 유동화제 5 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다.

상기 제조된 혼합물에 경화수를 첨가하고 고속에서 미분쇄 혼합하여 폐 지하구조물 충진재를 제조한 다음, 고압 유동 펌프에 의해 폐관로의 내부에 충진하였다.

[비교예]

시멘트 45 중량%, 골재 45 중량% 및 아크릴에멀젼 10 중량%를 믹서로 교반하여 제조한 시멘트 모르타르재를 폐관로의 내부에 충진하였다.

[시험예]

그 결과, 본 발명에 따라 제조된 정수슬러지를 이용한 폐 지하구조물 충진재(실시예)는 상기 비교예에 따라 제조된 시멘트 모르타르재에 비해 중진 성능이 우수하고 경화시간이 빠르며, 특히 경화 이후에 압력을 가하여 균열발생을 확인한 결과, 시멘트 모르타르재에 약간의 균열이 발생하는 것과 달리 폐 지하구조물 충진재는 균열이 발생하지 않았다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.