1. 서 론
2. 가변 진폭 시스템을 활용한 스크린 망 막힘 평가 방법
2.1 입자 점착과 망 막힘 메커니즘
2.2 실험방법
3. 가변 진폭 제어 시스템을 활용한 스크린 망 막힘 평가 결과
3.1 진폭 조절 단수별 망 막힘 특성 분석
3.2 망 막힘률과 진폭 단수 조절 기준의 최적화
3.3 스크린 망에 따른 망 막힘률 평가
4. 결 론
1. 서 론
최근 정부의 제4차 골재수급기본계획 및 탄소중립 정책에 따라 건설폐기물을 재활용한 순환골재의 의무 사용 범위가 확대되고 있다(국토교통부, 2023). 이에 따라 순환골재 생산 현장에서는 비산먼지 저감과 골재 표면의 이물질 제거를 위해 습식 공정을 도입하거나, 살수 설비를 강화하는 추세이다. 그러나 이러한 습식 처리는 순환골재의 품질을 높이는 긍정적인 효과와 동시에, 원료의 고함수비를 유발하여 생산 효율을 저하시키는 품질과 생산성 문제가 야기되고 있다(Hwang, 2018). 특히 폐콘크리트 파쇄물에 포함된 10 mm 이하의 미세 토분은 수분과 결합하여 점성이 높은 슬러지 상태가 되며, 이는 선별 공정에서 치명적인 장애 요인으로 작용한다.
선별 공정의 핵심 설비인 진동 스크린에서 발생하는 망 막힘 현상은 생산성을 저해하는 가장 큰 요인이다. 선행 연구들에 따르면 원료의 함수비가 임계치를 초과할 경우, 입자 간 표면 장력에 의한 응집력이 스크린의 분리력을 압도하여 스크린 개구부를 폐색시킨다(Geng et al., 2023). 현재 대부분의 생산 현장에서는 망 막힘 해결을 위해 인력에 의한 타격 청소, 고압 살수, 스크린 망 교체 등의 사후 처방적 방식에 의존하고 있다(Yoo, 2024). 그러나 이러한 방식은 설비 가동을 중단해야 하므로 가동률을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 작업자의 안전사고 위험을 높이는 문제가 있다. 근본적인 해결을 위해서는 스크린 설비가 젖은 원료의 점착력을 자체적으로 극복할 수 있도록 기계적 운동 특성을 최적화해야 하지만, 이에 대한 구체적인 운영 가이드는 부족한 실정이다(Oh et al., 2025a).
진동 스크린의 운동 에너지를 발생시키는 핵심 기구인 편심축의 회전 반경은 스크린의 진폭을 결정짓는 핵심 변수이다(Frade and da Luz, 2022). 따라서 본 연구의 목적은 고함수비 원료 유입 시, 편심축의 설정을 변경하여 진동 에너지를 상향 조정했을 때 망 막힘 현상이 얼마나 개선되는지를 정량적으로 분석하는 것이다. 이를 통해 계절적 요인이나 원료 상태에 따라 능동적으로 대응할 수 있는 가변형 진동 제어 메커니즘을 규명하고, 현장 적용 가능한 최적의 운전 조건을 제시하고자 한다.
2. 가변 진폭 시스템을 활용한 스크린 망 막힘 평가 방법
2.1 입자 점착과 망 막힘 메커니즘
망 막힘은 크게 입자가 망 구멍에 물리적으로 끼이는 쐐기 현상(Pegging)과 입자 표면의 수분으로 인해 망 와이어에 들러붙는 점착 현상(Blinding)으로 구분된다. 순환토사 선별에서 주된 문제는 후자인 점착 현상이다. 토양 입자 사이에 수분이 존재할 경우, 입자와 입자, 혹은 입자와 스크린 망 사이에 액가교 현상이 발생한다. 액가교 현상은 고체 입자 사이나 표면에 액체가 존재할 때, 이 액체가 입자들을 서로 연결시키는 다리 역할을 하는 물리적 현상으로 입자의 응집과 부착력에 영향을 준다. 액가교 현상이 발생하면, 모세관 힘과 표면 장력은 입자들을 서로 응집시켜 슬러지 형태의 덩어리를 만들거나 망 표면에 코팅막을 형성한다. 이 점착력이 스크린이 입자에 가하는 분리력보다 클 경우 망 막힘이 발생한다.
2.2 실험방법
본 연구의 실험은 국내 G사 중간처리업체에 설치된 150톤/hr급 순환골재 생산 플랜트의 1차 선별 공정에서 수행되었다. 실험에 사용된 진동 스크린은 편심축의 무게추 위치를 조절하여 진폭을 1단에서 6단까지 6단계로 가변할 수 있는 시스템이다. 스크린 망은 원형 개구부를 가진 탄성망을 사용하였으며, 비교 평가를 위해 25 mm 규격과 13 mm 규격을 각각 적용하였다.
실험에 사용된 시료는 Fig. 1과 같이 건설 폐기물 처리 과정에서 발생한 40 mm 이하의 순환골재로, 함수비에 따른 평가를 위해, 자연 상태의 토사와 인위적으로 수분을 첨가한 토사를 혼합하여 다양한 함수비 조건을 조성하였다. 함수비 측정의 신뢰성을 확보하고 현장에서의 신속한 데이터 수집을 위해 ASTM D4643 표준 시험법을 채택하였다(ASTM International, 2019). 시료 약 100 g을 채취하여 전자레인지를 이용해 수분이 완전히 증발하여 질량 변화가 없을 때까지 건조한 후, 건조 전후의 질량비를 통해 함수비를 산출하였다(Oh et al., 2025b).
여기서 는 함수비(%), 는 젖은 흙의 질량(g), 는 건조된 흙의 질량(g)이다.
또한, 망 막힘 평가는 아래와 같이, 진폭 단수를 1,2,4,6단으로 하여 4수준 평가하고, 스크린 망의 크기를 25 mm, 13 mm로 2수준에 대해 비교하였다. 또한, 연속 가동 성능을 평가하기 위해, 생산 플랜트 운전시간을 30, 60, 90, 120분으로 하여 시간 경과에 따른 망 막힘 진행 속도를 평가하였다. 망 막힘 평가방법은 스크린 망의 폐색 면적을 측정하여 망 막힘률로 산정하였다.
3. 가변 진폭 제어 시스템을 활용한 스크린 망 막힘 평가 결과
3.1 진폭 조절 단수별 망 막힘 특성 분석
25 mm 체망의 2단에서 순환토사 함수비에 따른 망 막힘 특성을 평가한 결과는 Fig. 2와 같다. 평가는 물을 가수하여 폐콘크리트를 함수상태로 제조한 다음, 장비를 가동하고 진동 스크린의 망 막힘 특성과 망 막힘률을 평가하였다. Fig. 2와 같이 순환토사는 함수비 10.4%까지는 망 막힘률이 3.0%로 낮아 정상 가동이 가능하였으나 그보다 높은 함수비에서는 망 막힘으로 인해 선별성능이 저하되는 것으로 평가되었다. 자세하게 평가해보면, 함수비가 8.7% 이하인 구간에서는 망 막힘이 발생하나 즉시 튕겨내는 자체 제거가 가능하였으며, 10.4% 구간부터는 망 막힘이 일부 발생하지만 가동 상에는 문제가 없는 것으로 평가되었다. 함수비 14.04%의 망 막힘 평가 결과 23.7%로 토사 점착 상태 증가로 선별 공 확보에 문제가 발생하였으며, 15.63% 이상의 고함수비에서는 망 막힘 발생이 급속도로 증가하였다. 특히, 17% 이상 함수비에서는 점착토사의 흐름이 발생하여 생산 설치 가동이 불가하였다.
13 mm 체망에서 함수비 변화에 따른 진폭 단수별 망 막힘률을 측정한 결과는 Fig. 3과 같이, 진폭이 증가함에 따라 망 막힘에 저항하는 능력이 뚜렷하게 향상됨을 확인하였다. 먼저, 함수비가 약 12%인 저함수비 구간에서는 1단 운전 시에만 망 막힘이 발생하였으며, 2단 이상에서는 망 막힘이 전혀 발생하지 않았다. 구체적으로 망 막힘이 발생하지 않는 임계 함수비는 2단에서 12.46%, 4단에서 13.01%, 6단에서 14.17%로 평가되었다. 이는 진폭 단수를 높일수록 처리 가능한 원료의 함수비 허용 범위가 넓어짐을 시사한다.
함수비 15% 이상의 고함수비 영역에서 망 막힘 현상이 나타났다. Fig. 3과 같이, 1단, 2단, 4단의 저진폭 조건에서는 함수비 15%를 초과하자 망 막힘률이 14.7%~31.7%로 급격히 상승하였다. 이 상태에서는 스크린의 유효 면적이 20% 이상 손실되어 선별 효율이 급감하므로 장비 가동을 중단하고 인력에 의한 청소가 필요한 상황에 도달하였다. 반면, 최고 진폭인 6단 운전 시에는 함수비 17.13%의 초고함수비 조건에서도 망 막힘률이 3.7%에 불과하였다. 이는 6단 진폭이 제공하는 강력한 수직 가속도가 젖은 토사의 점착력을 압도하여, 입자가 망에 부착되는 즉시 튕겨내어 토사의 점착을 억제시켰기 때문으로 분석된다. 따라서, 15% 이상의 고함수비 토사 선별 시에는 반드시 고단 진폭으로 운전해야 함을 확인하였다.
3.2 망 막힘률과 진폭 단수 조절 기준의 최적화
효율적인 생산 시스템 운영을 위해서는 망 막힘이 발생한 후 대응하는 것이 아니라, 발생하기 전에 선제적으로 진폭을 조절하는 기준이 필요하다. 본 연구에서는 25 mm 고정 진폭 스크린이 정상적으로 가동되는 한계점인 함수비 10.4%에서의 망 막힘률 3.0%를 정상 가동 기준값으로 설정하였다. 이 기준값을 만족하는 각 단수별 최대 함수비를 역산한 결과, 1단은 12.61%, 2단은 12.83%, 4단은 13.65%, 6단은 16.57%로 평가되었다. 이를 바탕으로 현장의 안전율을 고려하여 가동 시간을 실험 조건인 20분보다 보수적인 15분으로 단축 설정하고, 각 함수비 구간별 권장 진폭 단수 가이드라인을 Table 1로 도출하였다.
Table 1.
Amplitude stage adjustment criteria
| Amplitude Control Stage | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|
Moisture Content (screen blinding content 3.7%) (%) | 12.61 | 12.83 | 13.24 | 13.65 | 15.11 | 16.57 |
| Standard Moisture Content (%) | 12 | 12-13 | 13-14 | 14-15 | 15-16 | 16 |
3.3 스크린 망에 따른 망 막힘률 평가
순환토사의 품질을 높이기 위해서는 스크린 망 눈을 줄여 미세 토분과 이물질을 더욱 정밀하게 걸러내야 한다. 그러나 일반적으로 망 눈이 작아지면 망 막힘은 더욱 심화되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 진폭 제어 기술을 적용할 경우 이러한 일반론을 극복할 수 있는지 검증하였다.
시간 경과에 따른 망 막힘 진행 실험 결과 Fig. 4와 같이, 25 mm 망과 13 mm 망 모두 6단 진폭 조건에서 유사한 망 막힘 패턴을 보였다. 30분 경과 시 25 mm 망의 망 막힘률은 3.3%, 13 mm 망은 4.2%로 큰 차이가 없었다. 60분 경과 시 두 망 모두 약 22%대로 망 막힘이 급증하여 망 정리가 필요해졌으나, 중요한 점은 13 mm 망이라고 해서 25 mm 망보다 더 빨리 막히거나 더 심하게 막히지는 않았다는 사실이다. 또한, 함수비 17.32%의 고함수비 조건에서 13 mm 망을 6단으로 가동했을 때 망 막힘률은 3.6%로 매우 양호하게 나타났다. 이는 Table 2와 같이, 입도 분리 성능을 나타내는 0.08 mm 통과량 분석에서도 확인되었다. 고단수로 갈수록 0.08 mm 통과량이 증가하였다. 이는 강한 진동이 미세 입자를 효과적으로 하부로 배출시킴을 의미한다. 결과적으로 진폭 제어 기술을 동반한다면, 스크린 규격을 13 mm로 축소하여 고품질의 순환토사를 생산하더라도 생산성 저하 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 건설 현장의 고질적인 문제인 고함수비 순환토사의 선별 효율 저하를 해결하기 위해 가변 진폭 제어 시스템의 성능을 평가하고 최적화 방안을 모색하였다. 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
첫째, ASTM D4643 표준 시험법을 통해 함수비 측정의 신뢰성을 확보하고, 이를 기반으로 진폭과 망 막힘 간의 상관관계를 정량적으로 규명하였다. 그 결과, 진폭이 높을수록 망 막힘 임계 함수비가 상승하며, 특히 6단 진폭은 함수비 17% 이상의 악조건에서도 연속 생산이 가능함을 확인하였다.
둘째, 함수비 구간별 최적 진폭 단수와 가동 시간을 포함한 운전 가이드라인을 수립하였다. 이는 작업자의 경험에 의존하던 기존 방식에서 탈피하여 데이터 기반의 공정 제어를 가능하게 한다.
셋째, 진폭 제어 기술의 도입은 스크린 망 규격을 기존 25 mm에서 13 mm로 축소하는 것을 기술적으로 가능하게 하였다. 이는 순환토사의 입도 품질을 획기적으로 개선하면서도 생산성을 유지할 수 있다는 점에서 산업적 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
넷째, 가변 진폭 기반 진동 제어 기술은 고함수비 순환골재의 선별 안정성을 향상시켜 입도 및 미세분 관리가 중요한 아스팔트 포장용 순환골재 생산 공정의 품질 확보와 적용성 확대에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
종합적으로 볼 때, 신청 기술인 가변 진폭 제어 시스템은 기후 변화와 습식 공정 확대로 인해 날로 증가하는 고함수비 원료 처리 문제에 대한 실질적이고 효과적인 해결책이다. 향후 연구를 통해 함수비 측정의 자동화와 망 막힘률 산정방식의 고도화가 이루진다면, 건설 폐기물처리를 통한 실질적 자원순환이 실현될 것이라 기대된다.
