1. 서 론
2. 순환골재 생산시스템의 생산성 향상 방안
2.1 선별 스크린 선별 성능 향상 방안
2.2 콘크러셔 파쇄 효율 향상 방안
2.3 순환골재 생산시스템의 생산성 향상에 대한 고찰
3. 결 론
1. 서 론
국내 건설 산업은 제1차 국토종합개발계획(1972~1981)이 수립된 이후 지난 50년간 급속한 인프라 확충을 통해 발전해 왔다. 그러나 이 과정에서 필수적인 건설 자재인 골재의 수급 불균형 문제는 지속적인 위협 요인이 되어왔다. 특히 하천 및 산림 골재 채취에 따른 환경 훼손 논란과 바다골재 채취 허가 구역의 축소는 천연 골재 공급의 한계를 드러내고 있다.
국토교통부는 제4차 골재수급 기본계획(2024~2028)을 수립하여, 단순한 골재 확보를 넘어선 자원 순환형 골재 공급 체계로의 전환을 계획하고 있다(국토교통부, 2023). 이 계획의 핵심은 연간 발생하는 건설폐기물을 재활용한 순환골재의 의무 사용 비중을 증가시키는 것이다. 재활용한 순환골재는 폐기물 처리의 부산물이 아니라, 천연 골재를 대체하는 핵심 재료로 평가받고 있다. 그러나, 건설 현장에서는 입형 및 입도의 불균형과 이물질 혼입 등 순환골재의 품질에 대한 우려가 있어서, 현장 적용에서 부착 모르타르에 의한 물성 저하로 흡수율 증가와 강도 저하 등의 문제가 발생하는 실정이다. 이는 모체인 폐콘크리트에 고착된 모르타르에 의한 물성 저하와 입형 및 입도의 불균형, 이물질 혼입으로 인하여 균일한 품질의 골재를 생산하기 어려운 국내의 현실적인 기술적 한계에 기인한다.
순환골재 생산 플랜트의 생산성은 가동률과 처리 효율에 의해 결정된다. 그러나 실제 현장에서는 우천 시나 살수 공정 이후 유입되는 고함수비 원료로 인해 스크린 망이 막히는 현상이 빈번하게 발생하며, 이는 전체 공정을 중단시키는 문제로 빈번히 발생한다(Lee et al., 2022; Yoo, 2024). 또한, 파쇄 공정의 핵심인 콘크러셔가 최적의 조건에서 운전되지 못하여 전력비 상승과 입형 불량, 라이너의 조기 마모를 초래하고 있다.
따라서 본 논문에서는 순환골재 생산공정 중 가장 핵심적인 단위 조작인 선별과 파쇄 공정에 집중하고자 한다. 고함수비 환경에서의 망 막힘 현상의 해결 방안과 파쇄 효율 향상 방안을 논고하고자 한다.
2. 순환골재 생산시스템의 생산성 향상 방안
2.1 선별 스크린 선별 성능 향상 방안
Fig. 1과 같은 선별 스크린은 파쇄된 골재를 입도별로 분급하고, 규격에 맞지 않는 골재를 재파쇄 공정으로 돌려보내는 순환골재 생산공정 중 중요한 공정이다. 스크린의 효율 저하는 곧바로 제품 생산량 감소와 직결되므로, 특히 골재의 함수비가 높은 조건에서의 대응책 마련이 시급하다.
일반적으로 선별 스크린은 강철 망을 사용하고 있다. 그러나 고함수비 영역에서 생산 성능 향상을 위해서는 강철 망보다 탄성이 좋은 폴리우레탄 소재의 탄성 스크린 망을 사용하여 망 자체가 2차적으로 진동하는 플리핑(flipping) 효과가 더해져서 망 막힘 현상이 발생하는 것을 방지하는데 활용하고 있다(Fig. 2). 또한, 선별 스크린을 단순히 한 층의 망만 쓰는 것이 아니라, 상단에서 큰 입자의 골재를 분리하고, 하단에서 입자가 작은 골재를 나누는 다단 구조를 적용하고 있다. 각 단에 따라 망의 장력을 다르게 조절하여, 망 막힘 현상 방지에 적용한다. 추가로, 스크린 망을 고압수나 고압 공기로 세척하는 기술을 접목시키거나 건조 순환골재를 투입하여 함수비를 조절하는 방법과 편심 축 변화를 통한 진동 에너지를 최적화하여 선별 성능을 향상시키는 방법 등이 있다. 전술한 방법 중 몇 가지 방법을 소개하고자 한다.
2.1.1 고함수비 폐콘크리트에 의한 망 막힘 메커니즘
폐콘크리트 파쇄물에는 다량의 시멘트 페이스트 분말과 토분이 포함되어 있다. 건조 상태에서는 문제가 없으나, 우기나 비산먼지 억제를 위한 습식 공정 도입 시 원료의 함수비가 증가하게 되면 상황은 달라진다. 수분은 미세 입자들 사이에서 강한 표면 장력을 형성하여, 입자들이 스크린 망의 표면에 부착되고, 점차 그 크기가 커지며 스크린의 개구부를 완전히 막아버리는 망 막힘 현상이 Fig. 3과 같이 발생한다. 망 막힘 현상은 유효 선별 면적을 급격히 감소시켜, 선별되어야 할 잔골재가 굵은골재 라인으로 넘어가는 오버런을 유발, 파쇄설비의 불필요한 부하를 증가시킨다.
2.1.2 건조 순환골재 혼합 주입 시스템
망 막힘 현상을 완화하기 위해 스크린 망의 재질을 바꾸거나 진동 모터를 교체하는 것은 비용과 시간이 소요된다. 이러한 현실적 제약을 고려한 즉각적이고 효과적인 운영상의 대안으로 건조 순환골재 혼합 주입방식이 있다(윤훈철･윤칠중, 2022).
건조 순환골재 혼합 주입 시스템은 함수비 2% 미만, 골재 입도 5~13 mm 크기의 생산된 순환골재를 별도의 호퍼를 활용해 스크린 투입 직전의 벨트 컨베이어에 재투입하는 방식이다. 투입된 건조 골재는 고함수비 원료와 섞이면서 표면의 수분을 빠르게 흡수하고 분산시키는 역할을 한다. 또한, 마른 입자가 젖은 입자들 사이로 침투하여 응집력을 물리적으로 파괴하고, 스크린 망 위에서 구르면서 망에 붙어있는 슬러지를 떼어내는 스크래핑 효과가 발생한다. 현장 적용 결과, 기존 기술로는 망 막힘 발생으로 장비를 가동할 수 없던 14% 이상의 고함수비 영역대에서도 장비 가동이 가능하여, 건조 설비 가동 없이도 선별 효율을 유지하였다(Yoo, 2024).
2.1.3 편심 축 변화를 통한 진동 에너지 최적화
물리적 혼합만으로 해결되지 않는 고점성 슬러지의 경우, 스크린 자체의 운동 에너지를 변화시켜야 한다. 스크린의 진동은 축의 회전수(RPM)와 편심 축의 무게추가 만드는 진폭에 의해 결정된다. 대부분의 현장에서는 초기 설정된 진동 조건을 변경 없이 사용한다. 그러나 함수비가 높은 골재는 스크린 망과의 점착력이 강하기 때문에 표준 진동 조건으로는 분리하기가 어렵다. 고함수비 영역의 골재를 분리시키기 위해서는 진동 에너지를 키워야하기 때문에, 편심 축의 무게추 위치를 조정하여 진폭을 키워야 한다. 진폭을 기존 4~6 mm 수준에서 6~8 mm로 상향 조정할 경우, 회전반경 증대에 따른 스크린 망의 타격력이 입자의 점착력을 상회하게 되어 점착된 골재 입자를 효과적으로 탈락시킬 수 있다. 14~16% 구간의 고함수비 영역에서 기존 기술로는 망 막힘 발생에 따라 공정 중단이 불가피하지만, 편심 축 무게추 위치 조정을 하면 처리 효율이 향상되었다(민원･양경택, 2020).
2.2 콘크러셔 파쇄 효율 향상 방안
콘크러셔는 외측의 고정된 콘케이브와 내측에서 회전하며 편심 운동을 하는 맨틀 사이의 압축력을 이용해 골재를 파쇄한다. 순환골재의 고질적인 문제인 입형을 개선하고 전력 효율을 높이기 위해서는 정밀한 제어가 필요하다.
CSS(Closed Side Setting)는 맨틀과 콘케이브 간격이 가장 좁아지는 순간의 거리를 의미하며, 생산되는 골재의 입도를 결정하는 가장 중요한 변수이다. 파쇄 공정이 지속됨에 따라 맨틀과 콘케이브 라이너의 마모로 인해 CSS가 점차 확장되면, 파쇄되지 않은 조립질 입자가 배출되어 선별 효율을 저하시키고, 다시 파쇄기로 돌아오는 재순환 부하량을 증가시킨다. 이러한 공정의 반복은 전체 생산량을 떨어뜨리는 생산효율 저하라는 악순환을 만든다.
콘크러셔의 마모를 센서와 유압 실린더를 활용해, 운전 중에도 CSS를 초기 설정값으로 일정하게 보정하는 콘크러셔가 개발되었다. 입도 분포를 균일하게 만들 뿐만 아니라, 과도한 입자가 배출되는 것을 막아 2차 파쇄 효율을 보장한다. 하지만, 기기의 설치와 적용에 큰 비용이 발생하기 때문에, Fig. 4와 같이, 순환골재 생산업체에서는 대안으로 단일 크러셔의 부하 변동에 유연하게 대처하기 위해 두 대의 콘크러셔를 병렬로 배치하는 병렬 콘크러셔를 활용한 입도 보정 방식을 활용하고 있다.
콘크러셔의 파쇄 효율이 가장 높은 상태는 챔버 내부가 원료로 가득 찬 쵸크 피딩 상태이다. 이 상태에서 입자 간의 마찰과 압축이 동시에 일어나 골재가 골재를 파쇄하는 입자 간 파쇄가 발생하여, 납작한 골재가 정육면체에 가까운 입형으로 다듬어진다. 단일 설비에서는 투입량이 과하면 막히고, 적으면 입형이 저하되는 한계가 있다.
병렬 시스템은 투입량에 따른 적용이 가능하다. 전체 유입량이 적을 때는 한 대만 가동하여 쵸크 피딩 상태를 유지하고, 유입량이 많을 때는 두 대를 동시 가동하여 과부하를 방지한다. 병렬 시스템은 설비 보호뿐만 아니라, 항상 최적의 파쇄 밀도를 유지하게 하여 전력 소비량을 낮추고 골재의 품질을 관리할 수 있다.
또한, 두 개의 병렬 콘크러셔에 투입량비를 조정하여, 파쇄 입도를 조정하면, 순환골재 입도 품질기준에 부합하는 순환골재만을 생산할 수 있다. 이는 기존 순환골재 생산 시, 일부만 도로 보조기층용, 콘크리트용 등 고품질의 순환골재로 활용하고 나머지는 성토용이나 복토용으로 활용하는 문제의 해결 방안이 된다.
2.3 순환골재 생산시스템의 생산성 향상에 대한 고찰
고함수비 환경에서 발생하는 망 막힘(Blinding) 현상을 억제하기 위해 본 연구에서는 건조 순환골재 혼합 주입, 편심축 조정을 통한 진동 에너지 최적화, 그리고 병렬 콘크러셔 운용 등의 다각적인 기술적 대안을 고찰하였다. 이러한 기계적·물리적 시스템의 개선은 순환골재의 품질 안정화와 공정 효율 향상에 기여하고 있으나, 데이터 기반의 지능형 제어와 공정 간 통합 최적화가 생산성 향상의 핵심 동력이 될 것으로 판단한다.
현재까지의 망 막힘 현상에 대한 대응은 주로 현상이 발생한 후 진동을 조절하거나 스크린 망을 세척하는 사후관리적 성격이 강했다. 하지만 생산성을 극대화하기 위해서는 함수율 실시간 평가 센서를 도입하여 원료의 상태를 선제적으로 감지하는 예방적 공정 제어로의 전환이 필수적이다. 실시간 데이터에 기초하여 스크린의 진폭과 건조 골재 투입량을 자동으로 동기화하는 상관성 예측 모델을 적용한다면, 망 막힘 현상으로 인한 공정 중단을 원천적으로 방지하여 가동률을 비약적으로 높일 수 있을 것이다.
파쇄 효율 측면에서는 본 연구에서 제시한 병렬 배치와 쵸크 피딩 전략이 실무적으로 매우 유효함을 확인하였다. 라이너 마모 상태에 따른 CSS의 자동 보정과 전력 부하 모니터링 기술이 개발된다면, 파쇄기의 전류 부하 데이터를 기반으로 피더 속도를 자동 조절하여 최적의 쵸크 피딩 상태를 유지할 수 있어, 입자 간 파쇄를 장비 가동 중에 지속적으로 유도할 수 있다. 에너지 소비를 절감함과 동시에 아스팔트 재생 골재에 적합한 양질의 정육면체 골재 생산율을 극대화하는 직접적인 방안이 될 것이다.
3. 결 론
본 논문에서는 정부의 자원 순환 정책에 발맞추어 순환골재 생산 현장의 고질적인 생산성 저하 요인을 분석하여, 순환골재 생산성 향상의 핵심은 단일 설비의 성능보다는 원료의 상태에 따른 유연한 공정 제어에 있음을 확인하였다. 또한, 망 막힘 현상의 예방적 공정 제어를 위한 데이터를 기반의 현장 제어 예측 모델과 입자 간 파쇄 유지를 위한 모니터링 기술을 제시하였다. 이러한 기술들이 현장에 도입되면, 순환골재가 경제적이고 친환경적인 건설 자재로써 활용될 것이다. 특히, 아스팔트 포장 재활용 분야의 성장에 기여할 것으로 기대된다. 재생 아스팔트는 골재의 입도나 이물질 함량 등의 문제로 활용도가 낮았지만, 균일한 품질의 순환골재를 생산할 수 있다면 고품질 순환골재는 재생 아스팔트 혼합물의 안정성과 내구성을 보장하여, 도로포장의 수명을 증대시키고 유지보수 비용을 저감 시킬 것이다. 이는 단순히 폐기물을 줄이는 수준을 넘어, 건설 산업이 탄소 중립 시대에 발맞추어 순환 경제로 나아가는 초석이 될 것이다. 이는 순환골재 생산 운영사의 수익성 개선은 물론, 국가 차원의 골재 수급 안정화와 환경 보존이라는 거시적 목표 달성에 기여할 것으로 기대된다.
