폐주물사를 고부가가치 콘크리트 골재로: 주조 산업 폐기물 재활용의 경제적 및 환경적 이점

Experimental investigation on waste foundry sand for effective utilization in building construction

이 기술 요약은 Manikandan A., Anandha Raj L., Aravindh P.가 저술하여 [Research Journal of Chemistry and Environment] ([2020])에 게재된 학술 논문 "Experimental investigation on waste foundry sand for effective utilization in building construction"을 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 폐주물사(Waste Foundry Sand)
• 보조 키워드: 콘크리트 골재, 지속 가능한 건설, 산업 폐기물 재활용, 주조 산업, 압축 강도

핵심 요약

• 과제: 금속 주조 산업은 막대한 양의 폐주물사(WFS)를 배출하여 처리 및 환경 문제를 야기합니다.
• 방법: 연구진은 콘크리트 혼합물에서 천연 잔골재를 폐주물사로 10%, 20%, 30%, 40% 비율로 대체하고 28일 압축 강도를 시험했습니다.
• 핵심 성과: 최대 40%의 폐주물사로 대체된 콘크리트는 일반 콘크리트와 비슷한 압축 강도를 보였으며, 특히 20% 대체 혼합물은 대조군보다 약간 더 높은 강도를 기록했습니다.
• 결론: 폐주물사는 건설 분야에서 천연 모래를 대체할 수 있는 실행 가능하고 비용 효율적이며 지속 가능한 재료로, 폐기물 관리와 자원 보존이라는 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있습니다.

과제: 이 연구가 주조 산업 전문가에게 중요한 이유

금속 주조 산업은 매년 수백만 톤의 폐주물사(WFS)를 배출합니다. 이는 매립 비용과 환경 규제라는 이중고를 안겨주는 문제입니다. 동시에 건설 산업은 콘크리트의 핵심 재료인 천연 모래(잔골재)의 고갈과 가격 상승 문제에 직면해 있습니다. 이 연구는 주조 산업의 폐기물을 건설 산업의 귀중한 자원으로 전환하여 두 산업 모두에게 윈-윈(win-win) 솔루션을 제공할 수 있는 가능성을 탐구하기 위해 시작되었습니다. 이는 비용 절감, 환경 영향 감소, 지속 가능한 자원 순환이라는 업계의 핵심 과제에 직접적으로 부응합니다.

접근법: 연구 방법론 분석

본 연구는 폐주물사의 실용적인 재활용 가능성을 검증하기 위해 체계적인 실험적 접근법을 채택했습니다. 연구진의 신뢰도 높은 방법론은 다음과 같습니다.

방법 1: 재료 준비 및 특성 분석 Sakthi Auto-Component ltd에서 수집한 폐주물사의 물리적, 화학적 특성을 분석했습니다. 분석 결과, 높은 마그네슘과 석회 함량으로 인해 직접 사용이 부적합하다고 판단되어, 수지 성분과 같은 불순물을 제거하기 위해 석회 슬러지(lime sludge) 처리 공정을 거쳤습니다.

방법 2: 콘크리트 시편 제작 표준 콘크리트 배합비(1:1.5:3)를 기준으로, 천연 잔골재를 폐주물사로 각각 0%(대조군), 10%, 20%, 30%, 40% 대체한 다섯 가지 종류의 콘크리트 믹스를 준비했습니다. 각 믹스로 150mm x 150mm x 150mm 크기의 큐브 시편을 제작했습니다.

방법 3: 압축 강도 시험 제작된 콘크리트 큐브 시편들을 7일, 14일, 28일 동안 양생한 후, 각 시점에서의 압축 강도를 측정하여 폐주물사 대체 비율이 콘크리트의 기계적 성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가했습니다.

핵심 성과: 주요 발견 및 데이터

실험 결과, 폐주물사가 천연 잔골재를 대체할 수 있는 유망한 재료임이 데이터로 입증되었습니다.

성과 1: 28일 양생 후 동등 이상의 압축 강도 달성

논문의 Table 4에 따르면, 폐주물사를 전혀 사용하지 않은 일반 콘크리트(대조군)의 28일 평균 압축 강도는 19.36 MPa였습니다. 놀랍게도, Table 6에서 볼 수 있듯이 폐주물사를 20% 대체한 콘크리트는 19.5 MPa로 대조군보다 약간 더 높은 강도를 기록했습니다. 10% 대체 시(19.188 MPa)와 30% 대체 시(19.1667 MPa)에도 대조군과 거의 동등한 강도를 보여주었습니다.

성과 2: 높은 대체 비율에서도 실용적인 강도 유지

상당히 높은 비율인 40%를 폐주물사로 대체했을 때에도 콘크리트는 실용적인 강도를 유지했습니다. Table 8에 따르면, 40% 대체 콘크리트의 28일 압축 강도는 18.36 MPa로, 이는 일반 콘크리트 강도의 86%에 해당하는 수준이라고 논문은 결론 내리고 있습니다. 이는 폐주물사가 특정 건설 분야에서 높은 비율로 활용될 수 있음을 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 콘크리트 배합 설계 시 폐주물사를 잔골재의 부분 대체재로 활용하여, 강도를 크게 저하시키지 않으면서 재료비를 절감할 수 있음을 보여줍니다. 특히 20~30% 대체 비율은 최적의 출발점이 될 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 화학 분석 결과(Table 4, Chemical analysis)는 폐주물사 내 마그네슘, 석회 등 불순물 관리를 위한 전처리(예: 석회 슬러지 처리)의 중요성을 강조합니다. 이는 일관된 콘크리트 품질을 보장하기 위한 새로운 검사 기준 수립에 정보를 제공할 수 있습니다.
• 설계 엔지니어 및 조달 전문가: 폐주물사는 거의 무료로 수급이 가능한 반면, 천연 모래는 톤당 상당한 비용(논문 기준 약 8000루피)이 발생합니다. 이러한 경제성은 비구조용 또는 특정 구조용 콘크리트 설계 시 폐주물사를 매력적인 대체재로 고려하게 만들며, 프로젝트 예산과 지속 가능성 목표 달성에 기여할 수 있습니다.

논문 상세 정보

건설 분야에서의 효과적인 활용을 위한 폐주물사에 대한 실험적 연구 (Experimental investigation on waste foundry sand for effective utilization in building construction)

1. 개요:

• 제목: Experimental investigation on waste foundry sand for effective utilization in building construction
• 저자: Manikandan A., Anandha Raj L. and Aravindh P.
• 발행 연도: (2020)
• 학술지/학회: Research Journal of Chemistry and Environment, Vol. 24 (Special Issue I)
• 키워드: Metal casting, Waste foundry sand, Non-ferrous, Concrete cube, Cost effective.

2. 초록:

인도의 금속 주조 산업은 잘 확립되어 있으며, 국제 표준에 따라 연간 약 999만 톤의 다양한 등급의 주물을 생산하고 있습니다. 인도에는 약 5000개의 주조 공장이 있으며, 회주철, 구상흑연주철, SG철, 비철 및 강철 주물을 생산하여 연간 총 약 990만 미터톤에 달합니다. 본 연구는 Erode의 Sakthi Auto-Component ltd에서 수집한 폐주물사(WFS)의 물리적 및 화학적 특성과 이를 건축 자재로 효과적으로 활용하는 방안에 대해 개괄적으로 설명합니다. WFS 샘플과 플라이애시를 다양한 비율로 콘크리트 큐브에 실험하고, 그 강도 결과를 비교하여 건설에서의 최적 사용량을 파악하고자 합니다. 일반 콘크리트와 WFS를 사용한 콘크리트 간의 비용 비교를 통해 효과적인 활용의 경제적 측면을 보여줍니다.

3. 서론:

주물사는 균일한 물리적 특성을 가진 고품질 실리카 샌드입니다. 이는 철 및 비철 금속 주조 산업의 부산물로, 열전도성 때문에 수 세기 동안 주형 재료로 사용되어 왔습니다. 폐주물사는 금속 주조 산업 및 자동차 산업에서 발생하는 폐기물로, 복잡한 기계 재료를 준비하기 위한 주형 역할을 합니다. 원사는 최소 100회 공정에 사용되며, 일부 수지와 화학 물질이 모래의 결합제로 사용됩니다. 한 번 사용된 후에는 순환하여 재사용되며, 지속적인 사용 후 산업체에서 배출됩니다. 이 폐주물사는 탄화된 탄소, 잔류 결합제(벤토나이트, 시콜, 수지)의 얇은 막으로 코팅된 고순도 실리카로 구성됩니다. 사용된 결합제에 따라 WFS는 생사(Green sand)와 화학적으로 결합된 모래로 분류됩니다. 최근 연구자들은 이 폐기물 재료 활용에 대한 연구를 수행했으며, 대부분 콘크리트 혼합물에서 천연 모래를 10%의 WFS로 대체할 경우 동일한 화학적 특성을 보인다고 결론지었습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

금속 주조 산업에서 대량으로 발생하는 폐주물사는 환경적 부담과 처리 비용 문제를 야기한다. 반면, 건설 산업에서는 핵심 골재인 천연 모래의 수요가 증가하고 있어 자원 고갈 문제가 대두되고 있다. 이러한 배경에서 폐주물사를 건설용 골재로 재활용하는 방안은 환경 보호와 자원 순환이라는 두 가지 측면에서 중요한 연구 주제이다.

이전 연구 현황:

기존 연구들에서는 폐주물사를 구조물 채움재, 도로 기층재, 포장 단위, 자기 충전 콘크리트, 고강도 콘크리트 및 벽돌 블록 등에 활용하는 방안이 모색되었다. Yucel 등은 고강도 콘크리트에서 잔골재를 5~15% 대체하는 연구를 수행했으며, Dushyant 등은 시멘트를 30% 대체하고 잔골재를 폐주물사로 대체한 그린 콘크리트를 연구했다. Mahima 등은 고강도 벽돌 블록에서 잔골재를 20~30% 대체했을 때 좋은 결과를 얻었다고 보고했다. 대부분의 연구는 10~30% 수준의 대체가 효과적임을 시사했다.

연구의 목적:

본 연구의 목적은 특정 공급원(Sakthi Auto-Component ltd)에서 발생한 폐주물사의 물리적, 화학적 특성을 분석하고, 이를 콘크리트의 잔골재 대체재로 사용하여 그 효과를 실험적으로 검증하는 것이다. 다양한 대체 비율에 따른 콘크리트의 압축 강도 변화를 비교 분석하여 건설 현장에서의 최적 활용 방안을 제시하고, 일반 콘크리트와의 비용 비교를 통해 경제적 타당성을 평가하고자 한다.

핵심 연구:

핵심 연구는 폐주물사(WFS)를 사용하여 콘크리트의 잔골재를 0%, 10%, 20%, 30%, 40%의 비율로 대체한 후, 각 배합에 대한 콘크리트 큐브 시편을 제작하는 것이다. 제작된 시편은 7일, 14일, 28일 양생 후 압축 강도 시험을 통해 WFS 대체율이 콘크리트의 기계적 성능에 미치는 영향을 평가한다. 또한, WFS의 화학적 성분 분석을 통해 콘크리트 성능에 미칠 수 있는 영향을 파악하고, 필요 시 라임 슬러지 처리를 통해 재료의 적합성을 개선한다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 일반 콘크리트(대조군)와 폐주물사를 잔골재 대체재로 사용한 콘크리트의 압축 강도를 비교하는 실험적 연구 설계를 따른다. 폐주물사의 대체 비율(0%, 10%, 20%, 30%, 40%)을 독립 변수로, 양생 기간(7, 14, 28일)에 따른 압축 강도를 종속 변수로 설정하여 그 관계를 분석한다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터 수집은 시멘트, 잔골재, 굵은골재, 폐주물사 등 사용된 재료의 물리적 특성 시험(비중, 흡수율 등)과 폐주물사의 화학 성분 분석을 통해 이루어졌다. 1:1.5:3 배합비에 따라 제작된 150mm 크기의 정육면체 콘크리트 시편을 각 양생 기간에 맞춰 압축 강도 시험기로 파괴하여 최대 하중을 측정하였다. 각 조건별로 복수의 시편(A, B, C)을 시험하여 평균값을 산출하고, 이를 통해 데이터의 신뢰성을 확보하였다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 Erode 지역의 특정 자동차 부품 제조업체에서 발생한 폐주물사를 대상으로 한다. 연구 범위는 1:1.5:3의 특정 콘크리트 배합비에 국한되며, 주요 평가 지표는 압축 강도이다. 연구는 폐주물사의 재활용 가능성을 실험실 규모에서 검증하는 데 초점을 맞추고 있으며, 내구성이나 다른 역학적 특성에 대한 평가는 포함하지 않는다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 일반 콘크리트(0% WFS)의 28일 평균 압축 강도는 19.36 MPa로 측정되었다. (Table 4)
• 잔골재를 WFS로 10% 대체한 콘크리트의 28일 평균 압축 강도는 19.188 MPa로, 일반 콘크리트와 거의 동등한 성능을 보였다. (Table 5)
• 20%를 대체한 경우, 28일 평균 압축 강도는 19.5 MPa로 대조군보다 소폭 높은 결과를 나타냈다. (Table 6)
• 30%를 대체한 경우, 28일 평균 압축 강도는 19.1667 MPa로, 여전히 대조군과 유사한 수준을 유지했다. (Table 7)
• 40%를 대체한 경우, 28일 평균 압축 강도는 18.36 MPa로 다소 감소했으나, 실용적인 강도 수준을 유지했다. (Table 8)

Figure Name List:

• Fig. 1: Comparison of concrete strength with WFS replacement

7. 결론:

콘크리트 내 잔골재를 최대 40%까지 폐주물사 샘플로 부분 대체하는 것은 효율적이며, 28일 기준으로 일반 콘크리트 강도의 86%를 발현하는 것으로 나타났다. 이 배합에 플라이애시를 추가하면 후기 양생 단계에서 콘크리트 시편의 강도가 개선될 수 있다. 콘크리트의 잔골재를 폐주물사 샘플로 대체함으로써 천연 토지 자원을 보존할 수 있으며, 폐기물 활용 또한 콘크리트 건설에 효과적으로 사용될 수 있다.

8. 참고 문헌:

1. Tapkir R.R., Gholve N.N. and Jhadav V.P., Review of researches on replacement of fine aggregate by foundry sand in concrete, International Journal of Engineering Technology Science and Research, 5, 1696-1700 (2018)
2. Mahima G., Sreevidya V. and Salim P.M., Waste Foundry Sand as a Replacement for Fine Aggregate in High Strength Solid Masonry Blocks, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 5, 6879-6886 (2016)
3. Dushyant R.B., Jayeshkumar P. and Jaydev J.B., Innovative ideas for manufacturing of the green concrete by utilising the used foundry sand and pozzocrete, International Journal of Emerging Science and Engineering, 1, 28-30 (2013)
4. Mariana L.M., Jorg L., Rafael P., Raquel L.P. and Claudio O., Foundry sand for manufacturing paving units, 10th International Conference on Concrete block paving Shanghai, People Republic of China, 24-26 (2012)
5. Saveria M., Daniela S. and Tittarelli F., Used Foundry Sand in Cement Mortars and Concrete Production, The Open Waste Management Journal, 3, 18-25 (2010)
6. Mayudin S.A., Mohan M. and Reddy I.T., Strength behavior of concrete produced with foundry sand as fine aggregate replacement, International Journal For Technological Research In Engineering, 5 (2008)
7. Siddique Rafat and Singh Gupreet, Utlization of waste foundry sand (WFS) in concrete manufacturing, Resources, conversation and Recycling, 55(11), 885-892 (2008)
8. Naik T.R., Singh S.S., Tharaniyil M.P. and Wendrof R.B., Application of foundry By-product materials in manufacturing of concrete and mansory products, ACI Journal of Materials, 93, 41-50 (1996)
9. Javed S. and Lovell C.W., Use of waste foundry sand in civil engineering, Transportation Research Board, 1486, 109-113 (1994).

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 폐주물사에 석회 슬러지(lime sludge) 처리를 한 이유는 무엇인가요? A1: 논문의 화학 분석 결과, 폐주물사 샘플에 마그네슘과 석회 함량이 높게 나타났습니다. 이러한 성분들은 콘크리트의 장기적인 안정성에 영향을 줄 수 있습니다. 또한, 주물사는 주형 제작 시 사용된 수지(resinous particles)와 같은 결합제 잔여물을 포함하고 있는데, 석회 슬러지 처리는 발열 반응을 통해 이러한 유기 불순물을 제거하여 폐주물사를 콘크리트용 골재로 더 적합하게 만드는 역할을 합니다.

Q2: 연구에 사용된 구체적인 콘크리트 배합비는 무엇이었나요? A2: 연구에서는 시멘트, 잔골재, 굵은골재의 질량비가 1:1.5:3인 배합을 사용했습니다. 물-시멘트비는 명시되지 않았으나, 0% WFS 배합 시 물의 양이 0.63리터로 언급되어 이를 기준으로 배합이 설계되었습니다. 이 표준 배합에서 잔골재의 일부를 폐주물사로 대체하여 실험을 진행했습니다.

Q3: 폐주물사를 사용한 콘크리트의 강도는 시간이 지남에 따라 어떻게 변했나요? A3: 모든 콘크리트 시편은 예상대로 시간이 지남에 따라 강도가 증가했습니다. 예를 들어, 20% WFS 대체 콘크리트의 경우 평균 압축 강도가 7일 차에 12.18 MPa, 14일 차에 19.12 MPa, 그리고 28일 차에 19.5 MPa로 꾸준히 증가하는 경향을 보였습니다. 이는 폐주물사가 시멘트의 정상적인 수화 반응을 방해하지 않음을 시사합니다.

Q4: 폐주물사 대체율을 높이면 강도가 지속적으로 감소했나요? A4: 반드시 그렇지는 않았습니다. 흥미롭게도 20% 대체율에서 28일 강도(19.5 MPa)가 대조군(19.36 MPa)보다 약간 더 높게 나타났습니다. 30%까지는 대조군과 거의 비슷한 수준을 유지하다가 40% 대체율에서 강도(18.36 MPa)가 감소하는 경향을 보였습니다. 이는 특정 범위 내에서는 폐주물사가 콘크리트의 강도에 긍정적인 영향을 미칠 수도 있음을 시사하며, 최적의 대체율이 존재함을 보여줍니다.

Q5: 폐주물사 사용의 가장 큰 경제적 이점은 무엇인가요? A5: 가장 큰 경제적 이점은 재료비 절감입니다. 논문에 따르면 천연 모래의 상업적 가격은 톤당 8000루피(평균)인 반면, 폐주물사는 산업 폐기물로서 거의 무료로 얻을 수 있습니다. 따라서 잔골재의 40%를 폐주물사로 대체할 경우, 콘크리트 생산 비용을 크게 절감할 수 있으며 동시에 주조 공장의 폐기물 처리 비용도 줄일 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 주조 산업의 골칫거리인 폐주물사가 건설 분야에서 가치 있는 자원이 될 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 폐주물사를 최대 40%까지 대체하더라도 콘크리트의 핵심 성능인 압축 강도를 실용적인 수준으로 유지할 수 있다는 사실은 R&D 및 운영 전문가들에게 중요한 시사점을 제공합니다. 이는 단순한 폐기물 재활용을 넘어, 원가 절감, 자원 보존, 환경 보호라는 세 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 혁신적인 접근법입니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품 생산 및 폐기물 관리 프로세스에 어떻게 적용할 수 있는지 알아보십시오."

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[Manikandan A., Anandha Raj L. and Aravindh P.]"가 저술한 논문 "[Experimental investigation on waste foundry sand for effective utilization in building construction]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: [Res. J. Chem. Environ., Vol. 24 (Special Issue I), 56-59 (2020)]

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