KR100447739B1 - 바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

식생 가능한 대형 녹화용 호안블럭 또는 야외 주차장 바닥 포장재 및 제방용 호안블럭에 사용되는 바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 환경보존과 자원을 재활용할 수 있도록, 폐기물을 활용하여 대형 녹화 블럭, 야외 주차장 포장 또는 제방용 호안블럭에 사용되는 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 폐기물은 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬가 사용되며, 상기 콘크리트 조성물의 구성성분이 시멘트 15∼30 중량%, 조골재의 바텀 애쉬 15∼45 중량%, 세골재의 바텀 애쉬 20∼35 중량%, 석분 10∼20 중량%로 이루어진다.
상기와 같은 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법을 이용하는 것에 의해, 생산원가를 대폭 절감하고 기존 제품보다 장기 압축강도가 크며 식물생장에 효과적인 콘크리트 구조를 가지고 색상이 자연색에 유사한 환경 친화적인 제품 생산이 가능하게 된다는 효과가 얻어진다.

Description

바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법{Concrete compositions using bottom ash and method of making}
본 발명은 바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 최근 각광을 받고 있는 식생 대형 녹화용 호안블럭 또는 야외 주차장 바닥 포장재 및 제방용 호안블럭에 사용되는 바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 점차 고갈되어가고 있는 자연골재 및 인공골재의 대체용으로 화력발전소의 석탄연소 후 발생하는 바텀 애쉬, 석산 등에서 발생하는 석분, 알루미나 생산공정에서 발생되는 레드머드(Red mud) 등의 산업폐기물을 재활용하여 환경친화적인 대형 녹화용 호안블럭, 제방용 호안블럭이나 야외 주차장 포장용 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 석탄 화력발전소에서 부산물로 발생되는 석탄회는 연소로(燃燒盧)내에서 석탄의 유기성 가연 성분이 연소된 후에 남는 잔류 광물질로, 연소로의 하부로 배출되는 바텀 애쉬(바닥재 혹은 저회)와 연소가스와 함께 상부로 배출되는 플라이 애쉬(fly ash, 비회)로 구분된다. 이들 석탄회는 연소설비 내에서 포집되는 위치가 다르기 때문에 소결 상태, 밀도, 입자의 크기 등 물성이 다르게 나타나게 된다.
플라이 애쉬는 연소과정에서 생성된 석탄회 중에서 미세한 크기의 입자로 연소가스와 함께 연소로를 통과하여 배출되며, 총 석탄회 발생 량의 75∼90%를 차지하므로 일반적으로 석탄회라 하면, 이 플라이 애쉬를 지칭한다. 플라이 애쉬는 발전설비의 향상에 따라 그 품질도 향상되어 그 재활용율이 1998년에는 32.2%, 1999년도에는 42.5%로 점차 증가하고 있으며, 90%이상이 콘크리트의 혼화재와 시멘트 원료로 활용되고 있다.
한편, 바텀 애쉬란 연소로 내에서 소결에 의해 입자가 형성된 상태에서 보일러 하부로 낙하하여 고형화된 물질을 분쇄기를 사용하여 25mm이하의 입도로 분쇄시킨 것이다. 일반적으로 분쇄기에 의해 파쇄된 바텀 애쉬는 1∼20mm 정도의 입경 범위를 갖고 있으며 클린커 애쉬(clinker ash) 또는 배드 애쉬(bad ash)라고도 한다. 이 바텀 애쉬는 총 석탄회 발생량의 10∼15%정도가 발생한다.
통상, 환경보존과 자원의 재활용이 강조되는 시점에서 석탄 화력발전소의 부산물인 이들 석탄회는 발전소에 부가로 설치된 석탄회 처리장(회사장)에서 주로 처리되었다. 과거 국토의 이용률이 높았던 시기에는 회처리가 다소 용이하였으나, 최근 높은 경제 성장률로 인한 급격한 공장부지의 증가와 토지 값 상승으로 발전소 설비 면적의 3∼4배를 필요로 하는 회사장을 구하기란 상대적으로 어려워지고 있는 것이 현실이다.
따라서, 플라이 애쉬의 경우는 그 활용방안에 대해 각계 연구소나 학계에서 꾸준한 연구를 수행한 결과, 시멘트 혼화재, 성토재, 토지 개량재, 경량골재 등 다양한 분야에 사용되어 왔으며 특히, 콘크리트의 혼화재와 시멘트 원료로는 사용이 활성화되어 있어 전체 재활용율의 약 90%를 차지하고 있다.
이러한 플라이 애쉬의 활용방법에 대해서는 미국특허공보 US pat. 6,068,131, US pat. 5,936,216, US pat. 5,5456,363, US pat. 5,227,047, US pat. 6,123,813, US pat. 6,074,458, US pat. 6,064,022, US pat. 5,967,331, US pat. 5,944,875, US pat. 5,513,755, US pat. 6,038,987, US pat. 5,976,331, US pat. 5,887,724, US pat. 5,299,692, US pat. 5,868,084, US pat. 5,749,308, US pat. 5,735,403, US pat. 5,555,821, US pat. 5,399,194, 한국 공개특허 1996-033525, 한국공개특허 1997-068549, 한국공개특허 1997-046374, 한국공개특허 1996-027658, 한국공개특허 1996-026663, 한국공개특허 1996-026662, 한국공개특허 1997-000749, 한국공개특허 1996-033525, 한국공개특허 1996-073565, 한국공개특허 1994-000209 및 일본공개특허05-138151 등에 개시되어 있다.
그러나, 바텀 애쉬의 경우는 거의 대부분이 발전소 주변 회사장에 단순 폐기 매립되거나, 내륙 또는 해안 매립지에 플라이 애쉬와 혼합하여 매립되기도 하고, 발전소 주변의 노반 성토재로써 소량 사용되고 있는 실정이다. 따라서, 회처리 용지확보의 어려움은 물론이고, 환경 오염의 문제를 야기하는 주재료로써 이에 대한 처리가 문제로 되고 있다.
또한, 콘크리트 조성물에 발전소 석탄회인 바텀 애쉬를 사용한 기술의 일 예로서 한국공개특허 공보 공개번호 97-074076에는 콘크리트 판넬 제조법으로 전체 골재량의 약 30%를 대체한 예가 개시되어 있으며, 또 한국공개특허 공보 공개번호 97-061815에는 열 병합 발전소의 부산물을 이용한 경량건자재 제조방법으로 일부 조성물로 사용한 예가 있으나 대부분 다른 자연산 골재와 병용하였고 그 사용량 역시 제한적이다.
또한, 최근에 개발된 대형 식물 생장이 가능한 녹화용 호안블럭은 토양의 황폐함을 방지할 수 있고 우천시 지반에 스며든 물의 배출을 원할하게 하기 위해 그 구조물이 대형으로 단위 제품 당 다량의 모래와 자갈 등의 골재로 제조되고 있다.
그러나, 이러한 녹화용 호안블럭은 중량이 그 규격에 따라 다소 차이는 있으나 일반적으로 약 150∼450㎏으로 무거우므로, 작업자가 호안블럭의 운반시 유압식 운반 기구나 호안블럭 운반용 집게를 사용하며, 그 취급에 주의를 요하고 있다.
또한, 제품의 압축강도는 KS 규격에서 약 180㎏/㎠이상이고 또한 구조물의 접지 부분은 식물의 뿌리가 쉽게 뻗어나갈 수 있는 다공성 구조를 요구하고 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 다양한 구비요건을 충족할 수 있는 제품을 생산할 수 있는 바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 제품과 비교하여 생산원가가 상대적으로 저렴하고, 또한 경량이며, 식물 생장이 가능한 콘크리트 구조를 가지고, 외관의 색상을 황토색 등의 자연색에 가까운 제품을 생산할 수 있는 바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 화력발전소의 석탄연소 후 발생하는 바텀 애쉬, 석산 등에서 발생하는 석분, 알루미나 생산공정에서 발생되는 레드머드 등의 산업폐기물을 재활용하여 환경친화적인 대형 녹화용 호안블럭이나 야외 주차장 포장용의 바텀 애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 자연산 또는 인조 모래나 자갈 등의 대체물로 화력발전소 석탄회 폐기물인 바텀 애쉬, 석산에서 인조 모래나 자갈 등의 골재를 생산한 후 발생되는 대량의 석분 및 보크사이트를 처리하여 알루미나를 생산하는 공장에서 폐기물로 발생되는 레드머드 등을 활용한 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바텀 애쉬(5∼20㎜ 크기)의 외형 및 구조를 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 따른 녹화용 호안블럭을 적용한 경우의 식물 뿌리내림 모형도
도 3은 본 발명에 따른 녹화용 호안블럭에 있어서, 레드머드를 첨가한 경우와 비첨가한 경우의 색상을 비교하여 나타낸 도면
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 콘크리트 조성물은 폐기물을 활용한 대형 녹화 블럭, 야외 주차장 포장 또는 제방용 호안블럭 등에 사용되는 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 폐기물은 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬가 사용되며, 상기 콘크리트 조성물의 구성성분이 시멘트 15∼30 중량%, 조골재의 바텀 애쉬 15∼45 중량%, 세골재의 바텀 애쉬 20∼35 중량%, 석분 10∼20 중량%로 이루어진다.
또, 본 발명의 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 조골재의 바텀 애쉬의 입경은 5∼20㎜이고, 상기 세골재의 바텀 애쉬의 입경은 5㎜ 미만인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 조골재의 바텀 애쉬와 상기 세골재의 바텀 애쉬는 화력발전소의 보일러 내의 1,500℃이상의 고온에서 산화물로 생성된 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 콘크리트의 조성물의 색상이 자연 친화적인 황토색으로 발현되도록, 레드머드를 5∼15중량% 첨가한 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 레드머드의 중화를 위해 황산을 첨가하며, 이로 인해 소디움설페이트가 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 콘크리트 조성물의 제조 방법은 폐기물을 활용한 대형 녹화 블럭, 야외 주차장 포장 또는 제방용 호안블럭 등에 사용되는 콘크리트 조성물의 제조 방법으로서, (ⅰ) 화력발전소에서 석탄연소 후 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬를 마련하는 스텝, (ⅱ) 상기 바텀 애쉬를 입경에 따라 조골재와 세골재로 분리 사용하기 위해 조골재 및 세골재의 바텀 애쉬로 분리하는 스텝, (ⅲ) 석산 등에서 발생하는 석분을 마련하는 스텝과 (ⅳ) 알루미나 생산공정에서 발생되는 레드머드를 마련하는 스텝을 구비하며, 상기 스텝 (ⅰ) 내지 (ⅳ)의 각각에서 마련된 조골재의 바텀 애쉬 15∼45 중량%, 세골재의 바텀 애쉬 20∼35 중량%, 석분 10∼20 중량%, 레드머드 5∼15 중량%에 시멘트 15∼30 중량%를 혼합하여 콘크리트 조성물을 생성하는 콘크리트 조성물을 생성한다.
또, 본 발명의 콘크리트 조성물의 제조 방법에 있어서, 상기 레드머드의 중화를 위해 황산을 첨가하여 소디움설페이트가 생성되는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명의 개요에 대해 설명한다.
본 발명자들은 종래의 대형 녹화용 호안블럭용 콘크리트 조성물의 구성 성분 중 모래나 자갈 등의 골재를 전량 바텀 애쉬와 석산 폐기물인 석분으로 대체하여 기존 제품보다 물성이 양호하고, 생산원가가 저렴한 환경친화적인 제품을 생산하는 기술을 개발하고자 하였다.
본 발명자들은 식물 생장이 가능한 대형 녹화용 호안블럭 콘크리트 제품이나 야외 주차장용 콘크리트 바닥재의 조성물의 구성 성분이 시멘트 약 15∼30 중량%, 조골재로 바텀 애쉬 A(5∼20㎜) 15∼45 중량%, 세골재로는 바텀 애쉬 B(5㎜ 미만) 20∼35 중량%, 석분 10∼20 중량% 및 레드머드 5∼15 중량%으로 이루어진 콘크리트 조성물을 마련하였다.
표 1은 이들 조성물의 각 재료의 화학성분을 나타낸 것이고, 표 2는 산업폐기물인 바텀 애쉬, 석분, 및 레드머드 재료의 정성분석 결과로 중금속 함량과 이들의 용출로 인한 환경오염의 문제점이 야기될 수 있는지의 여부를 검토하기 위한 것이다.
본 발명자들의 분석결과에 의하면 유해 중금속인 Pb, Cd, Cr, Cu 등의 함량은 극히 미량(10-2∼-4)이며, 특히 바텀 애쉬는 석탄 보일러내의 약 1,500℃이상의 고온에서 산화물로 생성되었기 때문에 본 발명에 의한 콘크리트 조성물은 중금속 용출로 인한 환경공해는 발생되지 않음을 알 수 있다.
표 1. 콘크리트 조성물 재료의 화학성분
성분종류 CaO Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3 K2O Na2O TiO2 SO3
시멘트 60.14 8.84 20.07 2.49 1.41 0.86 0.28 - 2.53
바텀애쉬 0.83 28.90 52.20 0.30 9.77 1.38 0.35 1.98 -
석분 1.65 17.20 59.20 0.98 2.64 5.38 1.87 0.28 0.50
레드머드 8.90 22.40 20.30 0.30 15.50 0.03 11.00 6.67 <0.1
표 2. 바텀 애쉬, 석분 및 레드머드 재료의 정성분석 결과
(바텀 애쉬)
성분 함량(wt.%order) 성분 함량(wt.%order) 성분 함량(wt.%order)
Fe 100 V 10-4 Ca 100∼1
Pb ND Ni 10-4 Al 100∼1
Ga 10-4 Cu 10-3 K 10-1∼0
Si 100∼1 Na 10-1 Sr 10-2
Mg 10-1 Ti 10-1 Cr 10-3
Mn 10-2 Zr 10-3 Ba 10-2
(석분)
성분 함량(wt.%order) 성분 함량(wt.%order) 성분 함량(wt.%order)
Fe 10-1∼0 V 10-4 Ca 10-1
Pb 10-2 Ni 10-3 Al 100∼1
Ga 10-4 Cu 10-3 K 100
Si 103∼1 Na 10-1∼0 Sr 10-3
Mg 10-1 Ti 10-1 Cr 10-3
Mn 10-2 Zr 10-3 Ba 10-2
(레드머드)
성분 함량(wt.%order) 성분 함량(wt.%order) 성분 함량(wt.%order)
Fe 100∼1 V 10-3 Ca 100∼1
Pb 10-4 Sn 10-3 Al 100∼1
Ga 10-4 Cu 10-4 K 10-2
Si 100∼1 Na 100 Sr 10-3
Mg 10-1 Ti 100 Cr 10-2
Mn 10-2 Zr 10-1 Ba ND
한편, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 특징은 조골재나 세골재로 석탄회의 일종인 바텀 애쉬를 사용하는 것으로 바텀 애쉬는 그 조직이 다공성(도 1 참조)으로 투수성이 양호하고, 약간의 포졸란 특성도 가지고 있어 장기강도 발현을 나타내며 식물성장에 필요한 흡수성이 양호하고 다공성 구조로 식물의 뿌리내림이 용이하여(도 2 참조) 대형 녹화용 호안블럭이 요구하는 여러 가지 조건을 충족시킬 수 있는 장점을 지니고 있다.
한편, 레드머드의 첨가는 높은 철분 함량으로 황토색의 색상을 표출하여 외관상 자연 친화적인 질감을 주며(도 3 참조), 성분 중 알칼리(Na2CO3)의 중화를 위해 황산을 첨가함으로서 소디움설페이트(Na2SO4)를 생성하여 이는 콘크리트의 초기 강도를 증진시켜 주는 혼화재의 효과도 동시에 얻을 수 있다.
다음에 도면에 따라 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 바텀 애쉬(5∼20㎜ 크기)의 외형 및 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 녹화용 호안블럭을 적용한 경우의 식물 뿌리내림 모형도이며, 도 3은 본 발명에 따른 녹화용 호안블럭에 있어서 레드머드를 첨가한 경우와 비첨가한 경우의 색상을 비교하여 나타낸 도면이다.
즉, 도 1은 본 발명에서 조골재로 사용한 크기가 약 5∼20㎜정도인 바텀 애쉬의 외형을 나타낸 사진으로서, 이 바텀 애쉬는 화산암과 유사한 다공질 구조와 겉보기 비중이 약 1.5∼2.0정도로 경량이다.
본 발명자들은 상기한 콘크리트 조성물 구성비로 배합한 재료와 물비를 W/C 0.3∼1.0 범위에서 변화시켜 가면서 몰탈을 제조하여 이 몰탈을 원형 몰드에 주입하여 공시체를 제작하였으며 현장 실험에서는 실물 크기의 대형 몰드에 주입하여 진동 다짐으로 녹화용 호안블럭을 제조하였다.
제품은 재령별 압축강도를 측정하여 그 결과를 서로 비교하였다.
이 표에서 보면 비교예에서 인조골재를 사용한 경우는 블록 1개당 (단위 부피당) 무게가 약 350㎏이고(규격 360형 A형, 1000x1000x260), 28일 강도는 약 200㎏/㎠이나, 표 3의 실시예(1∼7)의 바텀 애쉬를 골재로 사용한 결과와 비교하여 보면, 무게는 약 260㎏이고 강도는 약 230∼320㎏/㎠으로 무게는 약 100㎏/개 정도 가벼워져 단위 부피당 약 25%이상 감소되며 강도는 약 20% 이상 증진됨을 알 수 있다.
표 3. 녹화 블럭 제조실험 결과
사용재료 및 배합비(㎏/블럭1개) 압축강도(㎏/㎠)
시멘트 BA(A)(#67) BA(B)(잔골재) 부순골재 석분 레드머드 감수제(%) W/C 3일 7일 28일
비교예 48 - - 151 151 - 0.40 0.50 - - 200
실시예1 40 80 70 - 70 - 0.40 0.55 112 143 230
실시예2 40 70 80 - 60 12 0.40 0.55 115 140 236
실시예3 44 75 75 - 60 12 0.36 0.56 130 187 250
실시예4 44 115 55 - 30 12 0.36 0.56 174 198 308
실시예5 44 125 60 - 35 9 0.36 0.60 229 258 320
실시예6 48 82 82 - 33 13 0.33 0.58 144 167 236
실시예7 50 115 55 - 30 15 1.0 0.50 180 204 320
※ BA(A) = 바텀 애쉬 5∼20㎜, BA(B) = 바텀 애쉬 0.08∼5㎜ 미만,
인조골재= 25㎜ 이하(부순 골재), 석분= 150mesh 이하(0.104㎜),
감수제 = Bioflo(더멋진바이오텍 = 시멘트양의 %), W/C=물/시멘트비
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
즉, 상기 실시예에 있어서는 녹화 블럭용 콘크리트에 관해 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제방 및 수로 유실을 방지하기 위한 호안블럭용으로 사용 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 자연산 또는 인조 골재를 전혀 사용하지 않고 전량 바텀 애쉬와 석분만을 골재로 사용하여 콘크리트 조성물을 구성함으로써, 생산원가를 대폭 절감하고 기존 제품보다 장기 압축강도가 크며 식물생장에 효과적인 콘크리트 구조를 가지고 색상이 자연색에 유사한 환경친화적인 제품 생산이 가능하였다.

Claims (7)

  1. 폐기물을 활용한 대형 녹화 블럭, 야외 주차장 포장 또는 제방용 호안블럭 등에 사용되는 콘크리트 조성물에 있어서,
    상기 폐기물은 화력발전소에서 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬가 사용되며,
    상기 콘크리트 조성물의 구성성분이 시멘트 15∼30 중량%, 조골재의 바텀 애쉬 15∼45 중량%, 세골재의 바텀 애쉬 20∼35 중량%, 석분 10∼20 중량%로 이루어진 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조골재의 바텀 애쉬의 입경은 5∼20㎜이고, 상기 세골재의 바텀 애쉬의 입경은 5㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 조골재의 바텀 애쉬와 상기 세골재의 바텀 애쉬는 화력발전소의 보일러 내의 1,500℃이상의 고온에서 산화물로 생성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 콘크리트의 조성물의 색상이 자연 친화적인 황토색으로 발현되도록, 레드머드를 5∼15중량% 첨가한 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 레드머드의 중화를 위해 황산을 첨가하며, 이로 인해 소디움설페이트가 생성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  6. 폐기물을 활용한 대형 녹화 블럭, 야외 주차장 포장 또는 제방용 호안블럭 등에 사용되는 콘크리트 조성물의 제조 방법으로서,
    (ⅰ) 화력발전소에서 석탄연소 후 발생되는 폐기물인 바텀 애쉬를 마련하는 스텝,
    (ⅱ) 상기 바텀 애쉬를 입경에 따라 조골재와 세골재로 분리 사용하기 위해 조골재 및 세골재의 바텀 애쉬로 분리하는 스텝,
    (ⅲ) 석산 등에서 발생하는 석분을 마련하는 스텝과
    (ⅳ) 알루미나 생산공정에서 발생되는 레드머드를 마련하는 스텝을 구비하며,
    상기 스텝 (ⅰ) 내지 (ⅳ)의 각각에서 마련된 조골재의 바텀 애쉬 15∼45 중량%, 세골재의 바텀 애쉬 20∼35 중량%, 석분 10∼20 중량%, 레드머드 5∼15 중량%에 시멘트 15∼30 중량%를 혼합하여 콘크리트 조성물을 생성하는 콘크리트 조성물의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 레드머드의 중화를 위해 황산을 첨가하여 소디움설페이트가 생성하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물의 제조 방법.
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