분리된 철근은 고철로 매각 골재는 흡음 블록 등으로 재활용
장치 양 측면에 사이클론 등 파쇄 장치 안쪽에 살수 노즐 설치
물 분사 기능 추가 파쇄 작업 동안 발생 미세먼지 크게 줄여
◇폐콘크리트침목 파쇄 장치 현장 실험.
연구책임자 / 이재영 실장
철도기술연구원 교통환경연구실
철도 인프라의 유지보수 과정에서 다량 발생하는 폐콘크리트침목이 자원으로 다시 태어나는 길이 열렸다. 현장에서 직접 파쇄해 철근 및 골재 등 재활용 가능한 소재로 분리 선별할 수 있는 ‘폐콘크리트침목 재자원화 장치’가 개발됐다.
이 장치는 철도 인프라에서 매년 발생하고 있는 폐콘크리트침목을 폐기물로 전량 처리하기가 어려운 현실 때문에 현재 철도부지에 다량 적재돼 있는 문제를 해결하기 위해 발생 현장에서 직접 파쇄할 수 있도록 이동형으로 제작한 것.
폐콘크리트침목 파쇄 시 발생하는 미세먼지 등의 환경문제를 개선하도록 장치의 양 측면에 사이클론(원심력으로 미세먼지를 포집하는 장치) 부착 및 크러셔(파쇄 장치) 안쪽에 살수 노즐을 설치해 물을 분사할 수 있는 기능을 추가함으로써 파쇄 작업 동안 발생하는 미세먼지를 줄일 수 있다.
이 장치를 통해 폐콘크리트침목으로부터 철근(강선, 체결구 등) 및 골재 등 재활용 가능한 소재를 93.5% 이상 회수하는 데 성공했으며, 분리된 철근은 고철로 매각하고, 골재는 다양한 고부가가치 제품으로 재활용하기 위한 기술을 개발하고 있다.
그동안 폐콘크리트침목으로부터 회수된 골재는 콘크리트뿐만 아니라 시멘트와 물이 혼합된 시멘트 페이스트 등의 불순물이 포함돼 있어 일반 건설자재로 활용이 어려웠다.
철도연은 회수된 100% 폐콘크리트침목 회수 골재를 공장으로 운송해 기본적인 가공을 거쳐, 흡음블록 및 CO₂포집제 등으로 재활용하는 기술을 개발하고 있다.
흡음블록은 회수 골재와 바인더(결합재)를 배합해 교통환경 내 시설물 및 건물의 외피 등으로 활용하기 위해 현재 시작품을 제작, 성능 시험을 진행하고 있다.
CO2 포집제는 회수 골재와 물을 배합하여 제작하고, 실험실 수준의 시험 결과, 일반 콘크리트를 활용한 경우와 유사한 성능을 나타냈다. 향후 시멘트 산업 등의 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) 분야 적용이 기대된다.
이 기술은 국가과학기술연구회(이사장 김영식) 산하 철도연의 기본연구사업을 통해 개발됐다.
철도연 이재영 교통환경연구실장은 “이번 연구는 철도 인프라에서 발생하는 폐기물 문제를 현장에서 바로 해결하고, 친환경 재활용 기술을 접목해 환경적 가치와 경제성을 동시에 확보한 사례”라며, “현장 실증 및 기술 고도화를 통해 실용화를 추진하고 철도 환경 시장에 폭넓게 적용할 계획”이라고 밝혔다.
그는 또 “이번 기술 개발은 전주기 탄소중립 철도 기술을 대표하는 성과로, 철도 분야 자원순환 기반 구축에 기여할 것으로 기대된다”며, “2050 철도 넷제로(Net-Zero) 달성을 위해 수요처와 협력하며 지속적인 연구개발을 이어가겠다”고 말했다.
기술 개발 배경
국가 탄소중립 녹색성장 국가전략 및 제1차 기본계획 중 경제·사회 전 부문에서 폐기물 원천 감량, 자원순환 활성화 등으로 재활용률을 늘려 순환 경제를 구축함으로써 전 과정에서 탄소중립 실현을 추진하고 있다.
순환 경제는 자원의 소모와 폐기를 최소화하고, 가능한 모든 자원을 재생하고 재사용하는 것으로 지속가능성을 추구하는 친환경 경제 모델이며, 기존의 선형 경제 모델로 인한 자원 낭비와 지속적인 환경 파괴 문제를 해결하는 것.
지난 2023년 9월 기준, 철도 현장에는 약 40만 정 이상의 폐콘크리트침목이 적재돼 있으며, 매년 매각 및 폐기 등으로 일부 처리되고 있으나, 지속적인 콘크리트 궤도의 도입 확대로 폐콘크리트침목 발생량이 증가하고 있음에도 재활용 및 경제성의 문제로 처리에 한계가 있다.
개발 기술 특성
일반적으로 철도 폐콘크리트침목을 파쇄하고 선별하는 장치는 기존의 건설 폐기물 처리 방식과 유사한 과정을 거치고 있으며, 야적장에 적재된 후 재활용을 위한 선별 과정을 한다. 최근에는 폐콘크리트침목의 이송 비용이 많이 들어 일정 장소로의 이동에 따른 처리 방법은 경제성 확보가 어려워짐에 따라 처리가 거의 이루어지지 않는다.
철도연은 폐콘크리트침목 해체, 파쇄 및 회수 장치의 핵심 요구 성능을 ◇폐콘크리트침목 발생 장소에서 즉시 처리가 가능하도록 이동형 타입 ◇폐콘크리트침목 파쇄 시 강선, 체결구 등 철근류와 콘크리트의 해체에 따른 분리 작업 기능 추가 ◇폐콘크리트침목 회수 재료의 품질 향상을 위한 미세 파쇄 기능 포함 ◇폐콘크리트침목 파쇄 시 다량의 미세먼지 발생으로 인한 환경 유해인자 저감 기능 추가로 설정했다.
철도연은 폐콘크리트침목을 파쇄하는 과정에서 발생하는 미세먼지를 줄이기 위한 장치로 사이클론 모듈을 설계했다.
주요 원리는 기체 선회류에 의해 생성된 원심력에 의한 입자 분리 방식으로 폐콘크리트침목 해체, 파쇄 및 회수 장치의 분쇄 공간 내 미세먼지 집진을 위해 사이클론을 다수 배치(멀티클론)할 수 있도록 사이클론-팬-배터리를 모듈화해 설계했다.
폐콘크리트침목을 투입해 파쇄하는 버킷 크러셔 본체, 강선 등을 분리할 수 있는 유압 집게, 미세먼지 저감을 위해 파쇄 작업 동안 물을 뿌릴 수 있는 분무 노즐 및 물탱크도 제작했다. 버킷 크러셔는 굴착기에 연결하여 폐콘크리트침목을 투입, 해체 및 파쇄 작업이 가능하며, 골재와 철근 등을 회수한다.
폐콘크리트침목 해체, 파쇄 및 회수 장치용 사이클론 기반의 미세먼지 저감 장치는 버킷 크러셔의 좌우에 2개씩 장착했다.
폐콘크리트침목 해체, 파쇄 및 회수 장치 시작품을 이용해 폐콘크리트침목으로부터 골재와 철근 회수율을 측정한 결과, 골재 회수율(w/w, %) 평균 88.47%, 강선 회수율 4.98%, 합계 93.45%로 목표 성능 90% 이상을 달성했다.
또한, 폐콘크리트침목 파쇄 작업 동안 사이클론 기반 미세먼지 저감 장치와 살수장치를 동시에 가동했을 때, 미세먼지 저감 효율을 측정한 결과, PM10은 70%, PM2.5는 65%가 감소했다.
회수 골재 재활용 기술
폐콘크리트침목으로부터 회수된 골재는 다양한 용도로 재활용할 수 있다. 건설 현장에 단순 순환골재로도 재활용은 가능하나, 고부가가치를 확보하기 위해 철도연은 3가지 재활용 기술을 적용해 가능성을 확인했다.
첫째, 폐콘크리트침목으로부터 회수된 골재를 수화 반응시킨 후 CO2 포집 소재로 적용하기 위해 기초 실험을 한 결과, 12%(120g/kg) 이상 CO2 포집 효율을 확인하였으며, 향후 CO2 포집 소재 개질 등을 통한 성능 개선 및 대용량 CO2 처리 공정 등 기술개발이 필요하다.
둘째, 회수 골재는 60% 이상 SiO2, 10% 정도 Al2O3를 함유하고 있는 2차 자원으로 해당 미네랄의 고부가가치 자원화를 위해 개질 후 수질 오염물질 처리 소재로 재활용 가능성을 검토했다.
수질 오염물질 중 대표적인 암모니아(NH4+)의 흡착 성능에 대한 기초 실험 결과, 44.7mg/g의 암모니아 흡착 성능(상용 제올라이트의 60% 수준)을 나타내었다. 수처리제 제조 방법 최적화 등을 통한 성능 개선 및 대용량 처리 공정 등 기술개발이 추가적으로 필요하다.
셋째, 폐콘크리트침목 회수 골재(2～5mm)를 100% 활용한 흡음체 시편 및 패널형 구조체 시험체를 제작해 흡음 성능평가를 완료했으며, 실용화를 위한 적용처 및 소음저감 대상에 따른 시공 방법, 성능평가, 현장 적용 등 후속 연구를 진행하고 있다.
철도기술연구원 이재영 교통환경연구실장은 “폐콘크리트침목의 재활용 연구를 통한 폐자원 순환 기술은 폐콘크리트 활용 증대를 위한 기초자료로 활용할 수 있다”고 밝히고 “또한, 폐콘크리트침목의 처리를 위한 자원순환 구조 기반을 마련할 수 있으며, 폐콘크리트침목 재활용에 대한 근본적인 패러다임 전환을 유도할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
그는 또 폐자원을 활용한 친환경적인 자원순환 시스템 구축에 크게 기여하고 이 연구 사업을 통해 폐기물, 자원재활용 분야의 전문 인력도 육성할 수 있을 것으로 전망했다.
