[논문 리뷰] Valorization of incinerator bottom ash for the production of resource-efficient eco-friendly concrete: Performance and toxicological characterization

B. M. Ramesh, Rahul Murali Vongole외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 26.

Recycling and utilization of industrial and municipal waste in materials production참고 문헌 39인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 친환경 M20 콘크리트에서 미세 및 조립 골재를 부분 대체하기 위해 도시 소각灰 및 철거 폐기물에서 발생하는 소각灰를 가치화하기 위한 새로운 전처리 방법을 제안한다. 최적의 혼합비율인 5% 소각灰와 40% 재활용 철거 폐기물은 독성 요소의 최소 침출과 함께 뛰어난 강도와 내구성을 달성했으며, 밀도 있고 다공도가 낮은 미세구조를 보여주는 SEM 분석으로 확인되었다.

ABSTRACT

The disposal of incinerator bottom ash usually produced by the incineration of inorganic constituents of the municipal solid wastes (MSW) in an eco-friendly way is one of the issues of concern, globally. By the way, the present study is related to the utilization of MSW incinerator bottom ash and recycled demolition waste aggregate as partial replacement materials for fine and coarse aggregate, respectively to produce eco-friendly concrete. This study adopted an innovative pretreatment technique for stabilizing the MSW incinerator bottom ash. Five distinct M20 grade concrete mixes were produced with different proportions of fine aggregate, MSW incinerator bottom ash, coarse aggregate, and recycled demolition waste aggregate along with cement and water. The incinerator bottom ash was replaced at 5% and 10% quantities with fine aggregate and the recycled demolition waste aggregate was replaced at 40% and 60% of the weight of the coarse aggregate. The strength and durability properties of the M20 grade concrete were analyzed. It was noticed that the strength and durability properties of the eco-friendly concrete specimens produced by incorporating 5% - incinerator bottom ash and 40% - recycled demolition waste aggregate were superior to that of the control mix concrete. Laboratory tank leaching tests showed that the eco-friendly concrete do not pose any significant environmental hazard. Furthermore, the microstructural analysis through scanning electron microscope (SEM) images, revealed dense aggregate paste matrix interfaces with less micro-pores and insignificant micro-cracks due to the incorporation of incinerator bottom ash as a partial replacement to the fine aggregate.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 도시 소각灰 및 건설 및 철거(C&D) 폐기물의 관리라는 세계적 과제를 해결한다.
• 도시 소각灰 및 재활용 철거 폐기물로 천연 골재를 대체함으로써 폐기물 가치화를 위한 지속 가능한 해결책을 개발한다.
• 전처리 및 종합적 특성 분석을 통해 생태친화적 콘크리트의 환경 안전성과 구조적 성능을 확보한다.
• 다양한 대체 수준에서 이러한 폐기물 자원을 포함한 콘크리트 혼합물의 기계적, 내구성 및 독성학적 거동을 조사한다.

제안 방법

• 소각灰의 반응성을 감소시키고 시멘트와의 호환성을 향상시키기 위해 도시 소각灰를 안정화하는 새로운 전처리 기법을 적용하였다.
• 다양한 비율로 구성된 다섯 종류의 M20 등급 콘크리트 혼합물을 제작하였으며, 미세 골재 대체에 5% 및 10%의 소각灰를, 조립 골재 대체에 40% 및 60%의 재활용 철거 폐기물을 사용하였다.
• 기계적 성능 평가를 위해 7일, 14일, 21일 및 28일 시점에서 압축 강도 시험을 실시하였다.
• 내구성 평가를 위해 수분 흡수율, 침투 가능한 간극 부피 및 동결-해동 저항성을 수행하였다.
• 환경 독성 평가를 위해 64일 간의 실험실 탱크 침출 시험을 실시하였으며, 중금속 농도를 측정하였다.
• 미세구조 분석을 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하여 인터페이셜 전이 영역(ITZ) 및 다공구조에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 친환경 콘크리트에서 강도와 내구성을 최대화하는 데 가장 적합한 도시 소각灰 및 재활용 철거 폐기물 골재의 대체 수준은 무엇인가?
• RQ2 소각灰의 전처리가 최종 콘크리트의 기계적 및 미세구조적 성질에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 침출 시험 결과에 따르면, 중금속 방출 측면에서 친환경 콘크리트의 환경 안전성은 어느 정도로 평가될 수 있는가?
• RQ4 특히 인터페이셜 전이 영역(ITZ)의 콘크리트 미세구조는 내구성과 강도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 5% 소각灰와 40% 재활용 철거 폐기물 골재를 포함한 혼합물이 28일 시점에서 제어 혼합물보다 높은 압축 강도를 기록하였다.
• 친환경 콘크리트의 침투 가능한 간극 부피는 제어 혼합물보다 유의미하게 낮아 내구성 향상과 침투성 감소를 나타내었다.
• 64일 간의 침출 시험 결과 대부분의 독성 요소(예: lead, chromium, cadmium)는 규제 기준 이내에 머물렀지만, B(붕소)는 M3, M4 및 M5 혼합물에서 기준을 초과하였다.
• SEM 분석 결과, 소각회가 효과적으로 통합되어 소각재-시멘트 페이스트 인터페이스에서 미세 균열이 거의 없고 다공도가 낮은 조밀한 미세구조가 형성된 것으로 확인되었다.
• 소각灰의 전처리 과정을 통해 반응성 화합물이 안정화되어 수화 반응과 강도 발현에 악영향을 미치는 것을 방지하였다.
• 칼슘 실리케이트 히드레이트(C-S-H)와 칼슘 알루미노-설파이드 히드레이트가 형성되어 내구성이 뛰어나고 다공도가 낮은 매트릭스를 형성하였으며, 화학적 흡착 및 이소모르포스 대체를 통해 중금속의 고정화가 효과적으로 이루어졌다.