최근 경제발전과 기술이 발달함에 따라 건축물을 대형화, 고층화하는 사례가 늘어나고 있고, 이에 따라 구조적 필요성에 의해 고강도 콘크리트의 사용이 증가되고 있다. 그러나 고강도 콘크리트는 물-시멘트비가 낮아져 콘크리트의 내부 공극이 감소함에 따라 화재 시 콘크리트 내부 수증기압의 상승과 열 등으로 인해 폭렬의 우려가 있다고 알려져 있다. 폭렬이 발생하게 되면, 내부 철근이 노출되어 심각한 구조적 손상이 발생하고, 심지어는 구조물이 붕괴의 위험에 처하기도 하는 실정이다.
이에
국토해양부에서는“고강도 콘크리트 기둥/보의 내화성능관리기준”을 마련하여 강도 50㎫ 이상의 고강도 콘크리트를 사용하는 구조체에서는 반드시 화제 시 규정된 시간 동안에 구조체의 주철근 온도가 평균 538℃, 최고 649℃ 이하가 되도록 고시하고 있다. 이와 같이 화재시 고강도 콘크리트의 폭렬 방지 및 내화성능을 높이기 위해 내화피복 공법 개발이 진행되고 있으며, 경량골재를 사용한 내화모르타르 제조 및 뿜칠에 의한 시공이 활발하게 이루어지고 있다. 경량골재는 고온의 소성에 의해 제조되어 용융점이 높고, 다량의 공극을 가지고 있어 열전도율이 낮아 내화에 주재료가 되고 있다. 그러나 내화재료로 많이 사용되고 있는 펄라이트의 경우 약한 강도로 인해 단독으로 사용되지 못하고, 다른 골재와 혼합하여 사용하고 있다. 또한 체적안정성이 낮아 모르타르로 제작시 균열을 유발하여 내화성능이 저하되는 사례도 보고되고 있다.
한편 화력발전소에서 배출되고 있는 건식 바텀애시는 다량의 공극을 포함하고 있고 경량성이 있어 경량골재로서 활용 가능성이 있을 것이라고 판단되고 있다. 또한 건식 바텀애시는 고온에서 용융되어 배출되기 때문에 고온의 용융점을 가지고 있고, 많은 내부공극을 가져 열전도율이 낮아 내화용 골재로도 적합할 것으로 판단되어 진다.
따라서 본 논문에서는 화력발전소의 부산물인 건식 바텀애시 잔골재를 사용한 모르타르를 제작하여 기초적인 공학적 특성을 검토하고, 이를 바탕으로 건식 바텀애시 잔골재를 내화재료로서 사용 가능하지의 여부를 검토하였다. 비교 기준으로 펄라이트를 주재료로 한 혼합골재를 사용한 배합을 설정하고, 펄라이트와 건식 바텀애시 잔골재를 50%씩 사용한 배합과 골재 전체를 건식 바텀애시 잔골재만을 사용한 배합으로 모르타르를 제작하여 굳기 전후의 각종 특성을 상호 비교검토 하였다. 측정항목은 굳기 전 특성으로 플로우, 경화 후 특성으로 휨강도, 압축강도, 단위질량과 내화 특성으로 설정하였다. 내화특성은 강열감량, 강열 후의 잔존강도, 간이내화시험을 진행하였으며, 실험의 결과는 실험조건별로 상호 비교함은 물론 내화 모르타르 관련 기존의 연구결과와 비교함으로써 건식 바텀애시 골재를 사용한 내화 모르타르의 실용화 가능성을 평가 하였다.

본 연구에서 도출된 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 건식 바텀애시는 화력발전소 보일러의 고온에서 용융되어 배출된 것으로 고온의 용융점을 가지고 있으며, 다량의 공극을 포함하여 낮은 밀도를 가지는 등 경량골재의 특성을 가지고 있다. 이에 건식 바텀애시는 낮은 열전도율을 가질 것으로 추측되어 내화 모르타르용 골재로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 건식 바텀애시는 경량골재와 달리 연속입도를 구성하고 있어 입도 조정에 따른 성능 확보에 유리할 것으로 판단된다.

2. 가공 전후의 건식 바텀애시 잔골재를 사용한 모르타르의 특성을 분석한 결과, 가공 전의 건식 바텀애시를 사용하였을 때 단위질량과 열전도율이 높게 나타났다. 그러나 가공 후의 건식 바텀애시가 유동성 및 압축강도, 휨강도에서 우수하게 나타나고 있어 강도 및 유동성의 저하를 감안한 배합 조정이 가능하여 목표수준의 단위질량과 열전도율의 성능 확보 또한 가능할 것으로 판단된다. 이에 가공 후의 건식 바텀애시가 성능 확보에 유리할 것으로 판단된다.

3. 가공한 건식 바텀애시 잔골재의 입도에 따른 모르타르의 특성을 분석한 결과, 건식 바텀애시 잔골재의 입도가 단입도에 가까울수록 단위질량 및 열전도율이 낮아져 유리하게 나타났고, 표준입도에 맞춘 연속입도에서 유동성 및 강도 특성에서 유리하게 나타났다. 이에 목표 성능에 따라 건식 바텀애시의 입도 및 배합을 조정하여 활용이 가능할 것으로 판단된다. 이상의 건식 바텀애시 잔골재를 내화 모르타르용 잔골재로 활용하기 위한 기초실험으로, 건식 바텀애시의 조건에 따른 물리적 특성 및 열적 특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 배합 조정을 할 경우 내화용 골재로도 활용이 가능할 것으로 판단된다.

4. 굳기 전 모르타르의 특성에서 Control 배합 대비하여 건식 바텀애시 대체율이 증가함에 따라 유동성이 증가하는 것으로 나타났다. 경화 모르타르의 특성에서는 건식 바텀애시 잔골재 100% 사용시 Control 배합 대비 압축강도가 158%, 휨강도가 75% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 길이변화 실험에서 건식 바텀애시 대체율이 증가함에 따라 수축이 감소하여 체적 안정성이 향상된 것으로 판단된다.

5. 가열에 따른 모르타르 특성 변화에서 Control 배합 대비 건식 바텀애시 잔골재 대체율이 증가함에 따라 강열감량이 줄어들어 열적 안정성에서 우수한 결과를 나타냈다. 또한 건식 바텀애시 잔골재 대체율이 증가함에 따라 가열후의 잔존강도도 높게 나타났으며, 가열 후의 강도 감소 비율이 상대적으로 적어 화재 후의 구조체 보호에도 유리할 것으로 판단된다.

6. 간이내화시험 결과 건식 바텀애시 잔골재 100% 사용시 Control 배합에 비해 이면 최고 온도가 다소 증가하는 것으로 나타났지만 그 차이는 크지 않게 나타났다. 또한 건식 바텀애시 잔골재와 펄라이트를 50%를 사용시 control 배합보다 이면 최고 온도가 낮거나 유사하게 나타나고 있어 건식 바텀애시 잔골재를 내화용 골재로 사용이 가능할 것으로 판단되어 진다.

7. 본 연구를 통해 건식 바텀애시는 다양한 입도로 구성되어 배합 조정이 용이하고, 그에 따른 성능 확보가 유리한 것을 확인하였다. 이에 건식 바텀애시 잔골재의 입도 및 양 등의 다양한 배합 조정을 통해 내화 모르타르로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

The recent days are witnessing more cases in which buildings are increasingly becoming larger and higher with economic and technological development, hence the more cases of using high-strength concrete for structural necessity. However, the high-strength concrete is known to have a low water to cement (W/C) ratio with fewer internal pore, thus in danger of spalling due to the rise of vapor pressure and heating inside the concrete during a fire. This generation of spalling exposes the reinforcing bars to the air, leading to the significant structural damage, and possibly even to the danger of structural breakdown.
In this context, the Ministry of Land, Infrastructure and Transport has established and announced the “Standard for Controlling Fireproofing Performance of High-strength Concrete Columns and Beams,” which stipulates that for any structure more than half of which consists of high-strength concrete the main re-bar temperature must be under 538℃ on average and under 649℃ at maximum for the specified hours. Such a technique of fireproofing protection is being developed now to increase the anti-spalling and fireproofing performances of high-strength concrete when a fire occurs, while such constructions are active as based on spraying fireproofing mortar produced with lightweight aggregate, which was made plastically in high temperature and so has a high melting point as well as with many pore, thus having a low thermal conductivity so as to serve as a main fire-proofing material. Pearlite, however, which is often used as a fire-proofing material, has low strength so as to be used never solely but together with other aggregates; also, it has low dimensional stability which is reported to cause cracks during production and so lower fireproofing performance.
Meanwhile, the dry bottom ash produced in thermal power plants has much pore and so lightweight, which is considered available for a lightweight aggregate. Also, the dry bottom ash is discharged as a molten product in high temperature so as to have a high melting point while having many internal pore so as to have low thermal conductivity, both of which are considered fit for a fire-proofing aggregate.
Therefore, this paper evaluates the process of producing mortar with the fine aggregate of dry bottom ash, a by-product of thermal power plants, and then investigating its basic engineering properties, based on which to examine whether the fine aggregate of dry bottom ash can be used as a fireproofing material. While a pearlite-based mix of aggregates was established as a control mix, two types of mortar ― a mix of half pearlite and half fine aggregate of dry bottom ash, and a mix of 100% fine aggregate of dry bottom ash ― were made to comparatively examine their various fresh and hardened properties : flows (fresh); flexural strengths, compressive strengths, unit weights, and fireproofing properties (hardened). The last properties were measured by simple fireproofing tests for ignition loss and post-ignition residual strength, with the consequences analyzed by test conditions in this research as well as compared to the precedent research results about fireproofing mortar so as to evaluate the possibility of commercializing fire-proofing mortar with the aggregate of dry bottom ash.

The analysis of consequences elicited in this research yielded the following conclusions:

First, dry bottom ash is discharged as a molten product in the high temperature from the boilers at thermal power plants so as to have a high melting point, and has many pore causing low density, the properties of a lightweight aggregate. It thus can have low thermal conductivity and be available for a fireproofing mortar as aggregate. In addition, it has continuous grading unlike any lightweight aggregate and so is considered advantageous for ensuring performance by the adjustment of grading.
Second, as a consequence of comparatively analyzing the properties of mortars based on the fine aggregate of raw and processed dry bottom ashes, the raw dry bottom ash yielded advantageous unit weight and thermal conductivity than the processed dry bottom ash. In contrast, the latter yielded higher liquidity, compressive and flexural strengths than the former so as to enable mix adjustment against the falls of strength and liquidity, and thus is expected to achieve the target performance levels of unit weight and thermal conductivity as well. In sum, the processed dry bottom ash is considered advantageous for ensuring performance.
Third, as a result of analyzing mortar properties by the grading of the processed fine aggregate of dry bottom ash, grading closing to single size aggregate led to the lower weight and thermal conductivity yielding an advantageous condition, while the continuous grading fitted for the standard grading proved advantageous for flexibility and strength. Thus, it is considered possible to utilize dry bottom ash as fine aggregate by adjusting grading and mix of dry bottom ash depending on the target performance. As a basic test to utilize the fine aggregate of dry bottom ash above for fireproofing mortar, analysis was carried out for physical and thermal properties by the conditions of dry bottom ash. Mix adjustment on this basis is expected to enable the use for fireproofing mortar as well.
Fourth, regarding the properties of fresh mortar, the mortar of higher replacement rate of dry bottom ash compared to the control mix yielded higher liquidity. When it comes to the properties of hardened mortar, the 100% use specimen of dry bottom ash as fine aggregate increased the compressive and flexural strengths by 158% and 75% respectively compared to the control mix. Besides, regarding the test of length change, the specimen of higher replacement rate of dry bottom ash decreased the shrinkage and increased the dimensional stability.
Fifth, as regards the properties changes of mortar according to ignition, the mortar specimen of higher replacement rate of dry bottom ash as fine aggregate compared to the control mix led to lower ignition loss, thus yielding higher thermal stability. It also led to higher post-ignition residual strength, while the post-ignition rate of strength decrease is relatively low so as to be advantageous for structure protection.
Sixth, as a result of simple fireprooding test, 100% use mortar panel of dry bottom ash as fine aggregate yielded little increase of the highest temperature of back surface compared to the control mix, but the difference was not so great. Besides, when the dry bottom ash as fine aggregate and the pearlite are used half and half, the highest temperature of back surface of mortar panel appeared lower than or similar to that in case of the control mix. Thus, the fine aggregate of dry bottom ash is considered available for a fire-proofing aggregate.
Finally, this research confirmed that dry bottom ash ensures various compositions of grading, easy adjustment of mix, and advantageous performance. Therefore, it is expected that the fine aggregate of dry bottom ash will be available for a fireproofing mortar by a variety of mix adjustment for its grading and quantity.