저활용 순환자원을 활용해 시멘트 사용량을 50% 이상 획기적으로 절감할 수 있는 현장 타설 말뚝 재료가 선보여 이목을 집중시키고 있다.
특히, 시멘트 사용량 절감으로 인한 온실가스 저감에 기여하는 것은 물론 향후 시멘트 2차 제품을 비롯한 방음벽, 흙막이벽 등 다양한 구조물에도 응용할 수 있어 저활용 산업부산물에 새로운 부가가치 창출에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
건설기술연구원-㈜지안산업 공동 연구 ‘성과’
연 10만 톤 사용 시 재료비 20억 절감 기대
암반층을 지지층으로 시공이 이뤄지는 일반적으로 말뚝기초의 경우 상부 구조물의 규모에 따라 기초지지력을 비경제적으로 과다 설계 및 시공하는 경우 발생하고 있어 상부 구조물의 형태나 규모에 따라 효율적으로 적용할 수 있는 기술 개발 필요성이 제기되고 있다.
또한, 말뚝의 주요 재료인 시멘트는 약 1,450℃의 고온 소성과정이 필수적으로, 전체 공정 중 많은 온실가스가 발생하고 있어 파리기후변화협약에 따라 온실가스 발생에 대응할 수 있는 시멘트 사용량 절감 기술 개발도 요구되고 있다.
한편, 최근 스팀과 전기를 동시에 생산하며 에너지 효율을 높인 열병합발전소 설치와 운전이 증가하고 있다. 다양한 연료를 사용할 수 있는 열병합발전소에는 연소 온도가 800~900℃로 낮고, 대기 오염물질인 NOX, SOX 등의 배출이 거의 없는 순환유동층 보일러가 많이 적용되고 있다.
하지만, 발열량을 갖는 폐기물을 활용한 고형연료(SRF) 사용 시 신재생에너지를 사용한 것으로 인정해주는 제도에 따라 중소화력발전소에서 SRF를 혼소하고 있다. 이로 인해 발생하는 연소재는 기존 고품질의 플라이애시와 특성과 화학조성이 달라 주로 매립 또는 위탁 처리되고 있는 실정이다.
이에 저품위 고칼슘 플라이애시와 바텀애시 등 재활용률이 높지 않고 폐기물로 처리되는 저활용 순환자원을 대량 활용한 현장타설말뚝 재료의 사용성 검증과 설계·시공지침이 개발돼 관심을 끌고 있다.
이 성과는 한국건설기술연구원의 자체연구개발사업 중 ‘중소·중견기업 동반 국내외 현안 해결기술 지원사업’ 일환으로 진행 중인 ‘순환자원 활용으로 시멘트 사용량 50% 이상 경감이 가능한 현장타설말뚝 재료의 성능 및 현장 적용성 평가 연구’를 통해 선보였다.
연구내용
이 연구는 연약지반 지반보강공법으로 많이 활용되고 있는 심층지반혼합공법(DMM)과 저유동 몰탈주입공법(CGS) 등의 단점을 개선한 재료와 공법을 개발하고, 시멘트 대체재료로 저활용 순환자원을 대량 활용해 환경부하를 저감할 수 있는 기술 개발을 목표로 추진됐다.
‘시멘트 50% 이상 저감형 말뚝 재료 개발 및 성능 검증’ 연구에서는 말뚝 사용 목적에 따른 적정 배합설계기준을 제시하고, 순환자원 종류별 혼합비에 따른 성능 평가 시험, 말뚝 요구 성능에 따른 적정 배합비 도출 등의 연구를 수행했다.
‘지중 연속 타설형 말뚝 시공법 개발 및 현장 적용성 평가’ 연구에서는 기존 말뚝시공장비에 장착 가능한 부속장치 개발과 시제품 제작 연구를 비롯해 현장 적용성 평가를 위한 시험시공, 말뚝 사용 목적에 따른 설계방안과 시공지침 제시 등의 연구를 진행했다.
연구진은 그동안의 연구를 통해 시멘트 50% 저감형 현장타설말뚝 재료의 적정 배합설계 지침과 말뚝 요구 성능 및 사용 목적에 따른 설계·시공 지침을 마련하는 한편, 기존 말뚝시공장비에 장착 가능한 부속장치 시제품을 선보였다.
이 같은 성과를 기반으로 순환자원을 활용해 시멘트를 50% 이상 대체한 말뚝 재료 생산·판매를 위한 기반 마련과 함께 지원기업인 ㈜지안산업이 보유한 공장을 통한 제품 생산과 기 협력업체를 통한 현장 적용에 나설 예정이다.
한편, 순환자원을 활용한 이 기술은 시멘트 사용량을 절감해 온실가스를 크게 줄여 순환경제 구축에 기여하는 것은 물론 매립과 별도의 수집업체를 통해 폐기되는 저활용 산업부산물에 새로운 부가가치 창출이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다.
실제로 연간 10만 톤 사용 시 약 20억 원의 재료비 절감효과를 거둘 것으로 전망된다.
㈜지안산업은...
㈜지안산업은 대량 발생 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 저품위 연소재를 활용해 지반보강에 사용하는 시멘트를 대체하는 무기결합재 제조기술을 전북대학교(전북지역 대학연합 기술지주회사)와 ㈜씨엠디기술단의 투자를 받아 연구소기업으로 지난 2013년 설립됐다.
창립 이후 지속적인 연구개발에 나서며 기술이전 받은 기술을 확장한 결과, 등록 특허 12건을 추가적으로 확보하는 성과를 거뒀다.
현재 2건의 녹색기술인증과 1건의 녹색기술제품을 인증받아 관련 제품 상용화와 사업화에 구슬땀을 흘리고 있는 가운데 지난 2023년에는 약 24억 원의 매출을 달성한 바 있다.
특히, 올해 해양수산부에서 인증하는 해양수산신기술(2024-006호)을 인증받으면서 생산제품의 대량 납품이 가능한 해안 및 항만공사에 진출할 수 있는 교두보를 마련하며 성장세를 이어 나가고 있다.
또한, 베트남 내 관련 전문기업들과의 업무협약을 체결, 사업화를 추진하고 있다. 2025년에는 새만금 신항만 개발 사업 등에 적극적으로 참여하는 한편, 관련 기술의 해외이전에도 나설 계획이다.
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시멘트 대체 무기결합재 개발
지반 분야 활용성 검증 마쳐
한국건설기술연구원 이광우 연구위원은 “이 연구에서는 최근 중소화력발전소에 많이 적용되고 있는 순환유동층 보일러에서 생성되는 저품위 플라이애시와 바텀애시 등 저활용 순환자원을 활용한 지반 보강 재료 및 공법 개발을 추진했다”고 밝혔다.
이어 “또한, 현장에서 요구되는 다양한 강도를 만족시키는 배합기술 및 재료개발 연구와 함께 순환자원을 활용한 무기결합재 성능 및 선천공 현장타설 기초보강체 적용성에 대한 평가 연구도 병행했다”고 소개했다.
바텀애시 활용 PCF 기초공법 개발 연구도 추진
연구진은 그동안 시멘트 사용량을 50% 이상 경감한 현장 타설 기초보강체 재료·공법을 비롯한 저품위·고칼슘 플라이애시를 활용한 시멘트 대체 무기결합재를 개발하고, 지반 분야 활용성에 대한 검증도 마쳤다.
또한, 시멘트를 대체하기 위한 저품위 플라이애시와 모래를 대체하기 위한 바텀애시를 활용한 PCF 기초공법 개발 연구도 성공적으로 진행했다.
이 박사는 “연구 성과물들은 그라우팅 재료, 지반고화재, 콘크리트 2차제품용, 현장 타설 모르타르 재료 등 다양한 지반분야에서 무기결합재로 활용할 수 있다”며, “현재 PCF 기초공법의 효율적인 사업화를 위한 시공장비 개발을 추진하고 있다”고 말했다.
