Abstract
Batch experiments were performed to develop the method for the pH reduction of recycled aggregate by using $scCO_2$ (supercritical $CO_2$), maintaining the pH of extraction water below 9.8. Three different aggregate types from a domestic company were used for the $scCO_2$-water-recycled aggregate reaction to investigate the low pH maintenance of aggregate during the reaction. Thirty five gram of recycled aggregate sample was mixed with 70 mL of distilled water in a Teflon beaker, which was fixed in a high pressurized stainless steel cell (150 mL of capacity). The inside of the cell was pressurized to 100 bar and each cell was located in an oven at $50^{\circ}C$ for 50 days and the pH and ion concentrations of water in the cell were measured at a different reaction time interval. The XRD and SEM-EDS analyses for the aggregate before and after the reaction were performed to identify the mineralogical change during the reaction. The extraction experiment for the aggregate was also conducted to investigate the pH change of extracted water by the $scCO_2$ treatment. The pH of the recycled aggregate without the $scCO_2$ treatment maintained over 12, but its pH dramatically decreased to below 7 after 1 hour reaction and maintained below 8 for 50 day reaction. Concentration of $Ca^{2+}$, $Si^{4+}$, $Mg^{2+}$ and $Na^+$ increased in water due to the $scCO_2$-water-recycled aggregate reaction and lots of secondary precipitates such as calcite, amorphous silicate, and hydroxide minerals were found by XRD and SEM-EDS analyses. The pH of extracted water from the recycled aggregates without the $scCO_2$ treatment maintained over 12, but the pH of extracted water with the $scCO_2$ treatment kept below 9 of pH for both of 50 day and 1 day treatment, suggesting that the recycled aggregate with the $scCO_2$ treatment can be reused in real construction sites.
본 연구에서는 초임계 $CO_2$($scCO_2$)를 이용하여 폐콘크리트 순환골재와 반응한 용출수의 pH를 9.8 이하로 유지시켜(중성화) 재활용할 수 있는 기술을 개발하기 위한 실내 배치실험을 수행하였다. 실험재료로는 건설폐기물중간처리업체에서 제공받은 세 종류의 순환골재를 사용하였으며, 각 종류별로 골재 입자크기 별로 선별하여 총 7개의 시료를 사용하였다. 먼저 $scCO_2$-물-순환골재 반응에 의해 순환골재의 pH가 지속적으로 낮게 유지되는지를 확인하는 반응실험을 수행하였다. 스테인레스강철로 만들어진 고압셀(150 mL 용량)에 테플론 비이커를 고정시킨 후, 3차 증류수 70 mL와 순환골재 시료 35 g을 혼한한 후 고압용 오븐과 고압시린지 펌프 및 압력조절 장치를 이용하여 10 MPa(100 bar), $50^{\circ}C$ 조건에서 50일간 반응시켰다. 반응시간(1, 5, 10, 15, 30, 50일)에 따른 증류수의 pH, 용존 양이온과 음이온 농도를 측정하였다. $scCO_2$ 반응에 의한 순환골재의 지화학적 및 광물학적 변화를 확인하기 위하여 반응 전/후 XRD, SEM-EDS 등의 분석을 실시하였다. 마지막으로 $scCO_2$ 반응 후 순환골재의 용출수 pH 변화를 용출실험을 통하여 규명하였다. $scCO_2$-물-순환골재 반응 결과, 반응 전 순환골재의 pH는 평균 12보다 높은 값을 나타내었으나, $scCO_2$와 반응한 지 1시간 경과 후 증류수의 pH는 7이하로 낮아졌고 반응 50일 까지 pH가 8 이하로 안정되게 유지되었다. 순환골재 종류와 관계없이 $scCO_2$와의 용해 반응에 의해 수용액 내 $Ca^{2+}$, $Si^{4+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$ 이온들의 농도가 증가하였으며, $scCO_2$ 반응 후 골재의 XRD, SEM-EDS 분석 결과, 다량의 방해석과 일부 무정형의 규산염과 수산화물이 침전되었다. $scCO_2$로 처리하지 않은 순환골재의 용출수 pH는 용출 시간에 관계없이 12-13을 유지하였으나, $scCO_2$로 50일 처리한 경우와 1일 처리한 순환골재의 경우 모두, 입자크기와 관계없이 용출수의 pH가 9이하를 유지하여 건설현장에서 순환골재의 재활용이 가능할 것으로 판단되었다.
