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Effect of the Degree of Weathering on the Distribution of Aggregate Particle Size and the Generation of Fine Rock Particles during Crushing of Granite
화강암 파쇄시 풍화정도가 골재 입도분포 및 미석분 발생에 미치는 영향
Econ. Environ. Geol. 2022 Oct;55(5):429-38
Published online October 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.5.429
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Byoung-Woon You1, Jin-Young Lee2, Dong-kil Lee2, Young-Wook Cheong2,*
유병운1 · 이진영2 · 이동길2 · 정영욱2,*

1Department of Astronomy, Space Science and Geology, Chungnam National University, Daejeon 31134, Republic of Korea
2Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Republic of Korea
1충남대학교 우주·지질학과
2한국지질자원연구원
Received September 2, 2022; Revised September 15, 2022; Accepted September 18, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
This study evaluated the effect of the degree of weathering on the particle size distribution and the amount of fine particles generated in the aggregate production process during the crushing of igneous rock. Rock samples were collected from three areas with differences in strength from the Schmith hammer measurement at the aggregate quarry in Geochang, Gyeongsangbuk-do. After crushing with a jaw crusher under the same conditions in laboratory, particle size analysis, mineral analysis, chemical analysis, and weathering index were calculated. The Schmidt hammer measurements were 56, 28, and <10, and the CIA and CIW values of weathering index were also different, so the rock samples were classified into hard rock, soft rock, and weathered rock according to the weathering degree. It shows a smaller particle size distribution toward weathered rocks under the microscope, and the proportion of altered clay minerals such as sericite increased. The composition of feldspar and quartz was high for hard rock, and the ratio of muscovite and kaolinite was low. As a result of the crushing of the jaw crusher, hard rock produced a lot of coarse crushed material (13.2mm), while soft rock and weathered rock produced fine crushed material (4.75mm). The former showed the characteristics of the beta distribution curve, and the latter showed the bimodal distribution curve. The production of fine rock particles (based on 0.71mm of sieve, wt. %) increased to 13%<21%<22% in hard rock, soft rock, and weathered rock, and the greater the degree of weathering, the more fine rock particles were generated. The fine particles are recovered by the operation of the sand unit in the wet aggregate production process. Therefore, in order to minimize the amount of sludge generated in the aggregate production process, it was judged that a study on the optimal operation of cyclones could be necessary.
Keywords : Aggregate, Weathering, Distribution of particles, Fine rock particles, Sand unit
Research Highlights
  • The degree of weathering affects the particle size distribution of aggregates and the amount of fine powder generated.

  • Hard rock produced coarse crushed material, and soft rock and weathered rock produced fine crushed material.

  • The amount of fine powder generated was 13%<21%22%, and the larger the degree of weathering, the more it occurred.

1. 서 론

골재는 토목 및 건축 분야에서 필요한 콘크리트나 모르타르를 만드는데 필수적인 재료이다. 우리나라의 경우 자연산 모래의 고갈로 인하여 주로 석산 개발이나 건설 현장에서 발생하는 토석류 등을 원석으로 확보하여 골재를 생산하고 있다.

골재 수급 현장에 따라서 암종은 다양하며 원석 표면에는 먼지, 점토덩어리, 유기물, 화학염류 등 이 부착되어 있을 수 있고 금속물질, 식물체 등 불필요한 물질이 혼입될 수 있다. 골재 생산 공정은 급광장치, 파쇄장치, 선별장치 등으로 구성되며 건식 혹은 습식으로 운영된다. 골재의 부착 물질을 제거하고 특히 모래를 생산하는 경우 습식 공정을 채용한다(Lampris et al., 2009; Song et al., 2009; Park, 2020). 습식공정은 다량의 물을 사용하면서 탁수가 발생하여 건식 공정에 비해 응집조, 침강조, 탈수 시설 및 케이크 보관시설로 구성된 폐수처리장이 추가된다. 골재를 생산하면 필연적으로 비산먼지를 포함하여 석분토가 발생하며 습식 공정의 경우 함수율이 높은 슬러지가 발생한다. 국내 석분슬러지는 원석 기준 3~10%, 부순 모래 생산량 기준 15~17% 가량 발생하며 2020년도 석분슬러지 발생량은 약 13백만 ㎥ 로 추정하고 있다(Park, 2020). 골재 생산시 원석 처리 양이 증가할수록 석분 슬러지가 비례적으로 증가한다(Lampris et al., 2009). 그러나 골재산업에서 발생되는 케이크(Cake)는 석분을 응집하는 과정에서 사용하는 응집제 성분이 포함되어 토양 및 수질을 오염 시킬 수 있다는 우려와 함께 폐기물 관리법, 농지법 등의 규정으로 객토 등으로 활용 되지 못하고 매립처리를 해야 하는 실정이다(Chungcheong review, 2019; Sisapress, 2021). 한편 슬러지의 활용을 위한 연구가 수행되어 왔으나 석분 슬러지를 대량으로 소진할 만큼의 활용 사례는 확인되지 않고 있다. 골재 생산 업체는 보통 폐기물을 적치할 부지가 거의 없으므로 지속적으로 발생하는 석분토 슬러지의 처리 비용이 소요됨으로 슬러지 감축에 관심이 많다(Lee et al., 2022). 따라서 골재 생산과정에서 슬러지의 발생량을 줄일 수 있는 공정 개선연구는 물론 슬러지의 활용 기술의 개발은 중요하다. 골재 원광은 수급처에 따라서 암종 및 풍화상태, 원석 크기, 토석 비율, 수분 함량 등이 다르므로 골재 생산물의 품질은 물론 슬러지 발생량에 영향을 미칠 수 밖에 없다. 화강암이 풍화되면 점토 광물의 비율이 높아지고 암석 강도 저하로 미석분이 다량 발생하므로 슬러지 발생량에 영향을 줄 수 있을 것으로 예상된다.

본 연구에서는 우리나라 골재 원석의 대표적 암종인 화강암을 대상으로 골재를 생산할 때 암석의 풍화 정도가 파쇄물의 입도분석 곡선, 미석분의 발생량에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 골재 생산 공정 흐름에서 슬러지 발생량과 관계가 있는 미석분이 종착하는 공정을 파악하고 그 의의를 제시하였다.

2. 연구 방법

2.1. 현장 기재 및 시료 채취

연구 현장은 경상남도 거창군의 산림골재 채석장이었다. 채석장 절개지는 신선한 암질부터 풍화가 상당히 진행된 경사면까지 전개되어 있다. 신선한 채석 지역은 석재용으로, 나머지 구역은 골재용으로 개발중이다. 골재 채석지역은 풍화도가 다른데 슈미트 햄머(Switzerland Proceq 사)를 법면에 수직 방향으로 3회 측정하였다. 강도 차가 확실한 3 구역에서 FR(Fresh Rock), WR(Weathered Rock), HWR(Highly Weathered Rock) 시료를 채취하였다(Fig. 1). 시료 크기는 실내의 죠크러셔 파쇄시 전량 파쇄되도록 주먹 크기로 채취했다. 이외에 모래 생산시 입도 조절용으로 운영중인 토사 더미에서 추가로 흙을 채취하여 암석 시료들과 비교용으로 활용했다. 토사 더미를 운영하는 이유는 입도 분포가 서로 다른 골재와 모래 등을 혼합함으로 좀 더 이상적인 골재 입도를 얻을 수 있기 때문이다(Khayat and Assaad, 2004).

Figure 1. Location of rock samples in quarry face.

골재 생산 시설은 파쇄장비(죠크러셔, 콘크러셔, 바막), 운반장치(콘베어), 선별장치(다단 스크린), 모래 탈수 장치(샌드 유닛) 및 폐수처리 장치로 구성되며 화강암을 원석으로 사용해서 골재(25mm, 13mm)와 모래를 생산중이다(Fig. 2). 모래 생산 단계에서 사이클론이 포함된 샌드유닛 장치를 배치하여 석분 일부를 회수 하며 일부는 침강조로 유입되고 폐수처리 시설에서 탈수되어 케이크로 변한다(Fig. 3). 현장에서 케이크를 수거하여 입도 분석을 수행했다. 현장에서 사용하는 응집제 Poly Aluminum Chloride(PAC)를 수거하여 실내 응집 실험에 사용했다. 샌드 유닛에서 침강조로 유입되는 물을 채수하여 실내에서 건조 후 중량(g/L)을 측정하였다.

Figure 2. Flow chart of the aggregate plant in study area.
Figure 3. Sand unit.

2.2. 실내 실험

2.2.1. 원석의 광물 및 주성분 분석

시료 FR, WR, HWR 과 흙을 대상으로 XRD 분석을 수행하여 주 구성 광물을 기재하였다. XRF(MXF-2400, Shimadzu) 분석으로 주성분을 분석하였고 Choi et al.(2012)Khanlari et al.(2012) 에 제시된 방법으로 화학적 풍화지수인 CIA 및 CIW를 구했다. 사각전기로(Muffle box furnace)에서 995oC 이상의 열에서 가열했을 때 질량 감소분으로 강열감량을 측정하였다. 시료별 암석 기재는 Nikon사의 ECLIPSE Ci-POL과 OLYMPUS 사의 BX53 편광현미경을 이용하여 수행하였다.

2.2.2. 파쇄 및 체가름 실험

시료 FR, WR 및 HWR을 급광 크기가 95mm이고 배출물 크기(Sizing gap)가 1~15mm 범위인 죠 크러셔(Fritch사, Pulverisette 1)로 파쇄한 후 체 분석하였다. 파쇄물은 콘크리트 공시체 몰드(용량: 1570cm3)에 다짐하면서 가득 채운 후 무게를 측정 한 후 체가름 실험에 투입했다. 체가름 실험은 7개의 체(26.5, 19.0, 13.2, 9.50, 4.75, 2.36mm, 710μm)를 진동기(Fritsch 사, Analysette 3Pro)에 장착하고 진동을 가하여 각 체에 걸린 중량 백분율을 구하였다. 시료별로 3회 체가름 실험을 반복하였다. 각 시료별로 입도 분포 곡선을 구했다.

2.2.3. -0.7mm 입자에 의한 탁도 측정

모래 탈수 장치의 스크린 구멍은 A 골재 생산 업체의 경우 1mm 스크린을 사용한다. 체를 통과한 탈수액의 미세 석분은 그 이하가 입도를 갖게 된다. 체분석에 사용된 0.7mm 를 기준으로 그 이하 입자를 미세석분으로 정의하였다. 크러셔 파쇄물과 흙을 체질하여 –0.7mm 입도 시료를 확보한 후 50g을 메스실린더에서 증류수 250ml에 섞고 위 아래로 20회 흔든 후 정치하였다. 이후 120분 동안 상등수(-5cm 수심)에서 Total Suspended Solids(TSS) (HACK, DR900)를 측정하였다. 동일 실험을 3회 반복하였다.

2.2.4. 응집실험

-48μm 이하의 파쇄물과 흙을 700mg을 증류수 200ml에 넣고 교반봉으로 1분 동안 교반하여 탁수를 제조하였다. 0.1% PAC 응집액을 제조하고 탁수에 1ml 씩 동일량 투입하고 200 rpm에서 2분 교반하였다. 5분 정치 후 상등수의 TSS를 측정했다. 동일 실험을 3회 반복하였다. 탁수 제조에 사용한 –48μm 시료에 대하여 Mastersize 3000(Malvern사)을 이용하여 입도 분석을 수행하였다.

3. 연구 결과

3.1. 암석 기재 및 풍화 등급

본 연구를 위해 채취한 거창화강암은 회백색의 중립질 흑운모화강암으로 영남육괴 전반에 걸쳐 발달한 선캄브리아기 변성암류를 관입하며, 거창 일대에 북동-남서 방향으로 넓게 분포하고 있다, Kim et al.(1989)는 모드분석결과 석영 섬장암이나 석영 몬조니암에 해당한다고 보고하였으나, Jwa et al.(2007)Han et al.(2010)은 화강섬록암과 화강암 영역에 해당하는 것으로 보고하였다. 이러한 거창화강암은 알칼리 장석을 반정으로 가지는 반정질 조직을 보이며, 전체적으로 일정한 입도와 조직을 가진 것으로 알려져 있다(Han et al., 2010).

FR 시료의 주구성광물은 석영, 사장석, 미사장석, 흑운모이며 부구성광물로는 백운모, 설석(Sphene), 인회석, 녹니석등이 관찰된다. 석영은 주로 2~5mm의 거정질로 육안 식별가능할 정도의 크기로 산출되며, 장석류의 경우 자형 내지 반자형의 형태로 2.5~3.5mm의 입자크기가 주를 이루며 미사장석이 더 큰 결정으로 관찰된다. 사장석은 알바이트 쌍정(albite twin)과 누대구조(zoned structure)를 보인다. 일부 흑운모는 녹니석으로 변질되어 있다(Fig. 4-A). 또한 거정질의 미사장석은 퍼사이트조직(perthite texture)을 보이며, 내부에 칼스바드 쌍정(carlsbad twin)을 보이는 사장석이 관찰되기도 한다. 사장석 내부는 교대작용에 의한 견운모와같은 점토광물이 일부 관찰되며, 미립의 백운모가 포이킬리틱 조직(poikilitic texture)의 형태로 관찰된다(Fig. 4-B). 경하에서 관찰된는 석영, 알칼리장석 그리고 사장석의 비율은 거의 동일하게 관찰되며, XRD 분석결과와 비교해볼때 화강암에 가까운 조성비를 보이는 것으로 사료된다.

Figure 4. Microphotographs of the Geochang Granites in crossed nicols. A and B: FR (Fresh rock). C: WR (Weathered Rock). D: HWR (Highly Weathered Rock). Abbreviations: Afs=Alkali feldspar, Bt=Biotite, Chl=Chlorite, Clay=Clay minerals, Mc=Microcline, Ms=Muscovite, Pl=Plagioclase, Qz=Quartz, Ser=Sericite.

WR 시료 또한 주로 석영, 사장석, 알칼리장석 및 운모류가 주로 산출되며, 일부 설석, 녹니석 등이 관찰된다. 대부분의 사장석 내부가 풍화 및 변질에 의해 견운모와 같은 점토광물로 교대되어 FR시료에 비해 풍화 및 변질작용이 활발하다. 사장석 주변으로 석영과 함께 성장하며 교대되어 나타나는 미문상 조직(micrographic texture)이 관찰되기도 한다. 경하에서 WR시료의 입도는 FR시료에 비해 분급이 양호해지고, 좀 더 작은 결정크기를 보이는데 주로 1.5~2.5mm의 입도로 산출되는 특징을 보인다. 다른 시료에 비해 사장석의 함량이 높게 관찰되며, 견운모화와 같은 변질작용이 FR시료에 비해 활발히 관찰된다(Fig. 4-C). XRD 분석결과와 현미경 관찰 결과 사장석의 함량이 다른 시료에 비해 높은 화강섬록암에 가까운 조성비를 보인다.

HWR시료는 대부분의 장석과 석영이 풍화 및 변질되어 견운모와 같은 점토광물의 비율이 높게 관찰된다. 주구성광물은 석영, 사장석, 알칼리장석, 백운모가 산출되며, 변질광물인 견운모와 녹니석과 같은 점토광물이 FR시료나 WR시료보다 많이 관찰된다. 광물들의 입도는 0.5~2mm로 미립의 입자로 다양한 크기로 산출되지만 심한 풍화에 의해 비교적 FR시료나 WR시료에 비해 작은 입자들로 구성되어 있다. 사장석들은 알바이트-칼스바드 쌍정을 보이며 대부분 견운모와 같은 점토광물로 교대되어 있으며, 알칼리장석과 석영 역시 미립의 백운모를 포함하거나 견운모화 되어있다. 운모류는 백운모가 주로 관찰되며 대부분의 흑운모는 녹니석화 되었다(Fig. 4-D). HWR시료는 다른 시료에 비해 점토광물로 심하게 변질되어 있는데 XRD 결과에 따르면 점토광물 대부분 견운모와 고령석이다.

현미경 관찰 결과 FR시료, WR시료 그리고 HWR시료 순서대로 풍화가 심할수록 광물입자크기가 작아지고 변질작용에 의한 견운모와 같은 점토광물의 함량이 증가하였다. 이는 풍화도가 광물입자와 변질광물의 형성에 영향을 주는 것으로 판단된다.

슈미트해머 수치와 구성광물 및 화학조성을 Table 1에 정리했다. 건조 암석을 대상으로 슈미트 햄머 수치로 풍화등급을 제시한 건설표준품셈에 따르면 풍화암은 6~34범위, 연암은 29~44, 보통암은 38~51, 경암은 그 이상으로 제시하고 있다(Chung and You, 1997). 본 등급을 인용하면 FR은 경암, WR은 풍화암 그리고 HWR은 풍화가 많이 진행된 풍화암으로 판정할 수 있다. WR 과 HWR은 풍화암으로 등급이 되지만 슈미트 햄머 강도차가 뚜렷하고 HWR은 악력으로 부서질 정도의 취약성이 있어서 본 연구에서는 WR을 연암으로 HWR을 풍화암으로 분류했다.

Table 1 . Results of Schmidt hammer tests

SampleRebound value R mean(n=3)Strength (kg/cm2)Weathering grade*
FR56600Hard rock
WR28180Soft rock
HWR<10<110Weathered rock

*Weathering grade suggested by the construction standard calculation.



XRD 광물 분석 결과 주요 광물은 조장석, 석영, 미사장석, 운모였다. 풍화가 많이 진행된 시료(HWR)에는 견운모와 고령석(Kaolinite)의 비율이 증가했고 석영과 조장석은 구성 비율이 낮았다(Table 2). 흙은 HWR의 광물조성과 유사했다. 신선한 암석보다 풍화가 많이 진행된 시료에서 Fe2O3, MgO, TiO2 의 성분과 작열감량(Ig.loss)의 함량이 컸다. 주성분 함량으로 계산한 화학적 풍화지수인 CIA 및 CIW를 비교하면 이들에 의해서도 시료들이 구분되었다(Khanlari, 2012; Ban et al., 2017). 따라서 채석장 시료 3종은 풍화도에 차이가 있는 것으로 확인되었다. 따라서 동일 조건에서 이들 암석을 파쇄했을 때 파쇄 입도 특성은 풍화도를 반영하는 것으로 판단했다.

Table 2 . Mineral composition of rock samples by XRD

SamplesMineral abundance in percentage (wt. %)
AlbiteQuartzIlliteMicroclineKaoliniteChloriteOther minerals
FR38.529.26.721.91.91.8tr*
WR43.126.99.320.6trtr
HWR30.219.120.519.39.71.2tr**
Soil34.021.118.114.79.32.8

tr:trace, * : Montmorillonite, **: mixed layer mineral.



3.2. 풍화정도에 따른 파쇄 입도 분포와 응집 효과

동일한 조건에서 시료를 파쇄한 결과 강도가 큰 FR에서 굵은 파쇄물이(13.2mm) 생산된 반면 풍화가 진행된 시료들은 상대적으로 가는 파쇄물(4.75mm)을 만들었다(Fig. 5). 이들의 입도 분포 곡선은 FR은 베타곡선, WR 및 HWR은 쌍봉 정규분포곡선, 흙은 감마 분포곡선과 유사한 형태를 보였다. 원석의 풍화정도에 따라서 파쇄물의 입도곡선은 달랐다. 한편 입도 조절용 토사더미 흙은 체 분석 결과 0.71mm 크기가 주를 이루었다. 샌드 유닛에서 회수되지 못하면 슬러지로 이행할 수 있는 미석분의 정의를 0.71mm로 정의한 바 있다. 0.71mm 체를 통과한 미석분 발생(wt. %)은 FR(13%)

Figure 5. Particle size distribution of crushed rock fragments and soil (n=3).

원석 시료 3종류의 -0.7mm 이하의 석분을 증류수에 동일량 혼합하여 자연 침강을 관찰했다. 초기 TSS 값은 흙>FR>HWR>WR 순으로 큰 차이가 발생했다(Fig. 6). 이러한 결과는 시료들간에 침강성 입자의 구성에 차이가 있음으로 해서 발생한 결과로 판단된다. 흙과 경암은 미세한 입자가 풍화암에 비해서 많음으로 해서 초창기 TSS값이 큰 것으로 판단된다. 1분 이내에 무거운 입자들이 빠르게 침강 하면서 나타난 결과로 해석된다. 따라서 초기에 침강하는 0.71mm 에 가까운 석분은 샌드 유닛에서 회수될 가능성이 크다. 시간이 경과하면서 TSS 측정값이 유사한 침강 유형을 보여 풍화도에 따른 차이는 없었다. 결론적으로 초기 입도가 큰 석분들이 빨리 침강하면서 제거되고 나머지 더 작은 입자들이 부유하면서 풍화도와 무관하게 유사한 TSS 측정값을 보인 것으로 판단된다. 한편 FR의 TSS 측정값은 120분 경과시 281mg/l로 WR(39mg/l) 및 HWR(195mg/l) 보다 큰 281mg/l로 가장 높았다. 따라서 신선한 암석에서 발생한 미립 석분은 부유 특성이 높은 미세 입자로 여겨진다. 이러한 판단 근거로 석산 주변의 탁도 관리를 위해서 조성한 침전조나 습식 폐수처리장의 침강조의 물색이 탁한 유백색 등으로 관찰되는데 미세 석분이 부유하면서 발생한 빛의 산란 현상에 의한 결과로 판단된다.

Figure 6. Changes in TSS measurements over time (n=3).

-0.7mm 탁수의 TSS는 초기에 빨리 변하여 좀 더 입자들이 작은 -45μm 시료를 이용하여 응집실험을 수행했다. -45μm 석분으로 조제한 탁수의 TSS 측정값은 초기 5-10분 이내에 빠르게 감소했고 이후는 서서히 감소 추세를 보였다. 반면 흙 시료로 만든 탁수는 5분 이내에 TSS가 1/2 이상 감소하여 원석 시료와 달랐다. 탁수에 0.1% PAC(응집제)를 투입한 결과 5분 이내에 TSS가 200mg/l 전후로 감소하여 응집제 투입으로 풍화도에 따른 차이는 없었다(Fig. 7). 그러나 초기 TSS 값이 서로 달랐는데 이는 -0.7mm의 탁수 거동 사례처럼 침강이 빠른 입자들이 상이한 비율로 존재하여 발생한 결과로 판단된다. 미세 석분(–45μm)을 입도 분석한 결과, 중간 값 (D50)의 크기가 WR>FR>HWR순으로 나타났다(Table 4; Fig. 8). Fig. 7에서 초기 TSS 값은 HWR

Figure 7. TSS change before and after PAC addition.

Figure 8. Comparison of particle size analysis curves of samples (–45um).

3.3. 골재 생산 공정에서 미석분 물질 흐름과 회수

채석장 원석은 호퍼(Hopper)로 투입된 후 1차, 2차 혹은 4차 파쇄 공정으로 파쇄되고 골재 수요에 부합하는 스크린을 채용하여 특정 규격의 골재 제품을 생산한다. 국내 대부분의 습식 골재 생산 업체는 죠 크러셔(Jaw crusher), 콘 크러셔(Con crusher), 임팩트 크러셔 장비를 이용하여 파쇄를 하며 골재 수요에 맞춰 다단 스크린 데크에서 목적물을 선별한다. 스크린은 다양한 설계 및 운전 변수 예를 들어 급광율, 데크의 경사, 진동수, 구멍 크기 등에 따라서 골재 생산 전반에 영향을 미친다(Harzanagh et al., 2018). 미세 석분은 파분쇄, 선별 및 이송 과정에서 비산 석분을 제외하면 샌드 유닛으로 보내진다. 샌드 유닛을 설계하는 K 업체는 100~150μm 이하의 석분을 회수할 수 있는 것으로 소개하고 있다. 샌드 유닛에는 사이크론이 장착되어 있어서 미세한 석분을 회수한다. 따라서 싸이클론은 버려질 수 있는 미석분을 추가로 회수하는 단계로 평가할 수 있으며 또한 슬러지 양을 줄이는 효과를 얻었다. T 사의 샌드 유닛에서 침강조로 유입되는 물에서 침강성 물질의 농도를 측정한 결과 1L 유입수에 9.8g 물질이 침강하는 것으로 조사되었다. Fig. 9는 T사 케이크에 대한 입도 분석 결과로 Dx(10)부터 Dx(90)은 7.72 부터 175μm 였고 Dx(50)은 56.1μm 였다. 본 샌드 유닛에서 회수한 미 석분의 크기는 최소 400μm로 생각할 수 있다. 즉 모래 탈수 장치에서 여과수와 함께 배출된 미석분에서 400μm 이상은 모래로 회수되고 그 이하 미 석분은 침강조에서 침전되어 슬러지 케이크로 배출되는 것으로 판단할 수 있다. 모래 품질을 훼손하지 않는 조건에서 미석분을 400μm에서 더욱 회수 입도를 낮추면 그 만큼 케이크의 발생을 줄이는 효과를 얻게 된다.

Figure 9. Particle size analysis curves of cake.

사이클론(Cyclone)은 강력한 난류 흐름을 통해서 밀도가 다른 물질을 분별하는데 사용되며 디자인 측면에서 구조 개선 및 대상 물질의 분리에 대한 많은 실험 과 이론 연구가 진행된 바 있다(Yazdaba et al., 1994; Hoekstra et al., 1999; Solero abd Coghe, 2002; Hu et al., 2005; Elsayed K and Lacor, 2011). 국내 K 파분쇄 장비 생산 업체는 샌드 유닛의 사이클론을 통해서 0.075mm 미립분을 제거할 수 있다고 소개하고 있고 사이클론에 대한 디자인 특허(Pendent)도 확인되고 있다. 최근 일부 대형 골재 생산 업체에서 다단 사이클론 회수 장치를 설치하여 미세 석분의 회수율을 높이고 있다. 그러나 샌드 유닛 사이클론에서 개별 혹은 다단 사이클론의 미세석분의 선별 효율 등에 관한 현장 연구 보고는 미흡한 실정이다.

Fig. 9에서 볼 수 있듯이 케이크에는 56μm의 입경의 미석분이 다량 포함되어 있다. 습식 골재 생산과정에서 미세 석분의 물질 흐름은 샌드 유닛에 집중된다. 따라서 슬러지 발생량을 줄이기 위한 방안으로 모래의 품질을 훼손 하지 않으면서 미석분을 최대한 회수할 수 있는 샌드 유닛의 성능 향상 연구와 함께 케이크를 소진할 수 있는 활용 연구 등이 필요할 것으로 생각되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 암석을 파쇄하여 골재를 생산할 때 암석의 풍화 정도에 따라서 파쇄물의 입도분석 곡선, 미석분의 발생량을 평가하였고 케이크 발생량을 줄이기 위한 골재생산 공정에서 사이클론의 의미를 제시하였다.

물리적 강도, 광물 조성 및 화학적 풍화 지수를 종합하여 원석 시료를 경암, 연암 및 풍화암으로 기재하였다. 현미경관찰 결과 풍화도에 따라 경암에서 풍화암으로 갈수록 구성광물의 입도가 작아지고 변질교대작용에 의한 점토광물의 함량이 증가하였다. 경암 시료는 조장석 및 석영 비율이 높았고 풍화암 시료는 백운모 및 고령석 비율이 높았다.

원석 시료들을 죠 크러셔로 파쇄하여 체분석 결과 경암은 굵은 파쇄물(13.2mm)을 많이 생산하였고 연암 및 풍화암 시료는 가는 파쇄물(4.75mm)을 많이 생산하여 풍화도는 파쇄물의 입도 분포에 영향을 주었다. 따라서 굵은 골재 생산시 경암을, 중간 골재 및 모래를 생산하고자 할 때는 풍화가 진행된 풍화암을 원석으로 사용할 수 있을 것이다. 또한 골재 수요에 따라서 연암, 풍화암 및 흙을 배합하여 특정 입도의 골재를 생산할 수 있을 것이다. 경암, 연암, 풍화암의 입도 누적 분포 곡선에서 0.71mm에서의 누적 중량은 13%<21%<22% 순으로 나타나 풍화가 많이 진행될수록 미석분이 많이 발생하여 풍화도가 슬러지 발생량에 영향을 주는 것으로 나타났다. 3종류의 시료(–45μm)를 이용하여 동일 농도의 탁수를 조제한 후 응집제 0.1% PAC(응집제)의 투입 전과 후의 TSS를 측정한 결과 초기에는 시료들간의 입도차로 TSS 값에 차이가 컸으며 이 결과는 응집과 무관한 입도 차로 기인한 것으로 판단된다. 그러나 수 분 이후 TSS 측정 값 추세가 유사하여 풍화도가 응집 효과에 미치는 효과는 미진한 것으로 판단되었다.

샌드 유닛 공정에서 1mm 탈수체로 탈수를 한다고 했을 때 여과수에는 1mm 이하의 미석분이 포함된다. T 업체의 케이크 입도 분석 결과 최대 입경은 400μm로 측정되었다. 따라서 1mm~400μm 범위의 미석분은 사이클론으로 회수되어 모래로 편입되는 것으로 평가할 수 있다. 골재 생산 업계가 직면한 가장 큰 문제로 슬러지의 발생으로 관리비용 상승이다. 원석의 미석분 발생량은 파쇄 및 선별 장치에 반응한 원석의 재료적 특성이라 통제가 어렵다. 따라서 골재 생산 공정에서 미세 석분을 최대한 회수하여 케이크 발생량을 줄이기 위한 사이클론 공정에 대한 관심과 동시에 관련 연구 등이 필요할 것으로 판단된다.

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본 연구는 한국지질자원연구원에서 수행하고 있는 ‘2022 골재자원 조사 및 관리(22-5207)’의 지원으로 수행되었습니다. 현장 방문과 자료 지원을 해준 T, K, J, A 등 골재생산업체 관계자께 감사의 뜻을 밝힙니다.

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