KR0146159B1 - 석탄폐석 및 폐주물사를 이용한 경량골재 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 분야

본 발명은 폐주물사와 석탄폐석 등의 산업 폐기물을 주원료로하여 경량으로서 고강도를 나타내는 경량골제를 제조하는 방법 및 그 경량골재에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 석탄폐석과 폐주물사 등의 산업폐기물과 점토만을 이용함으로서 고가의 첨가제가 필요하지 않을 뿐만 아니라 제조시에 고압의 성형과정 또한 요구 되지 않아 생산원가를 크게 절감할 수 있는 경량골재의 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명에서는 30내지 50mesh의 입도로 분쇄된 석탄폐석 10내지 30%(w/w)와, 20내지 30%(w/w)의 폐주물사와, 50내지 60%(w/w)의 점토를 적당량의 물을 첨가하여 반죽하고 직경 10내지 15mm의 구형으로 성형하여 건조할 후, 1100내지 1200℃의 온도의 소성로내에서 15내지 25분간 소성하는 방법으로 상기한 목적에 부합하는 경량골재를 제조하였다.

4. 발명이 중요한 용도

건축자재용 골재로서의 용도를 갖는다.

Description

석탄폐석 및 폐주물사를 이용한 경량골재 및 그의 제조방법

제1도는 본 발명의 소성시간별 비중 변화도.

제2도는 본 발명의 소성시간별 흡수율 변화도.

제3도는 본 발명의 소성시간별 압축강도 변화도.

본 발명은 폐주물사와 석탄폐석 등의 산업 폐기물을 주원료로하여 경량으로서 고강도를 나타내는 경량골재를 제조하는 방법 및 그 경량골재에 관한 것이다.

근래에 들어 국내 건설산업의 규모가 커짐에 따라 건축재료의 수급 부족 문제가 점차로 심각한 상황에 이르고 있으며, 건축재료 중에서도 건축공사에 대량으로 사용되는 콘크리트용 골재의 부족현상은 더욱 악화되고 있는 추세에 있고, 자연보존 차원에서 골재 채취를 제한하는 이유로 인하여 골재의 안정적 수급은 더욱 어려운 상태에 있다.

이러한 골재 수급의 부족현상을 해결하기 위하여 최근 들어 산업폐기물을 재활용하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

산업폐기물은 산업화가 급속히 진점됨에 따라 부산되는 것으로, 양적 증가에 비하여 이들의 처리를 위한 시설 및 재원은 턱없이 부족한 실정이고 각종 산업 폐기물로 인하여 발생되는 자연 환경 오염 등의 문제는 이미 그 한계를 드러내고 있다.

이처럼 심각한 폐해를 유발시키는 산업폐기물의 하나로서, 본 발명에서 사용하는 폐주물사는 주조과정에서 발생되는 산업 쓰레기의 일종으로서 중금속 등을 함유하고 있어 각종 공해를 일으키는 원인과 직결되기도 한다.

또한 석탄폐석은 석탄의 채광시 다량 발생하는 산업폐기물로서, 탄광지역에서 방치 등으로 인하여 우수와 함께 지층으로 스며들어 지하수를 오염시키고, 또 우천시 토사 등을 일으켜 주변의 산림을 훼손하거나 심한 경우에는 노천수 오염은 물론이고 농지등을 덮어 작물에 피해를 주기도 한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 매립하는 경우가 있으나, 탄광은 산간에 존재하기 때문에 매립을 위한 운반이 어려운 관계로 탄광의 주변에 매립하는 것이 일반적이고, 이 경우 우수 등에 의한 지하수의 오염은 해결되지 아니하고 오히려 매립을 위한 부지확보를 위하여 임야 등의 자연환경을 훼손시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기에서와 같이 오염의 원인이 되는 폐주물사와 석탄폐석 등의 산업폐기물을 주재료로 사용하여 고강도를 갖는 경량골재를 제공하고자 하는 것이다.

경량 골재의 제조에 관한 종래기술로서는 발포스틸렌 입자의 표면에 시멘트 몰탈을 코팅하여 양생시키거나, 발포스틸렌 입자의 표면에 점토를 코팅하여 소성시키는 기술이 공지되어 있다.

그러나 상기한 기술은 골재 자체의 경량화 목적은 달성할 수 있었으나, 제조된 골재를 사용하여 건축물에 필요한 자재를 생산하는 경우 제조된 건축자재의 압축강도 등이 현저히 낮아 범용적인 건축자재로서는 사용되기 어려운 단점이 있었다.

산업폐기물을 이용한 골재의 제조에 관하여 공지된 기술로는 석탄재를 기본소재로 하여 제조한 시료를 고압의 성형과정 및 고온의 소성과정을 거쳐 경량 세라믹체를 제조하는 방법이 대한민국 특허 공고번호 93-5252로부터 소개된 바 있다.

상기 기술은 산업폐기물로서 석탄재를 사용하여 폐자원을 재활용 할 수 있는 장점이 있는 반면, 골재의 강도를 높이기 위하여 수산화나트륨을 첨가하여야 할 뿐만 아니라, 경량성을 나타내기 위하여는 알루미늄 파우다나 탄산수소나트륨 등의 비교적 고가의 첨가제가 필요하기 때문에 생산원가가 상승하게 되며, 시료의 성형시에는 10내지 70kg/㎠의 고압이 요구되므로 제조 공정상의 어려움이 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고, 석탄폐석과 폐주물사 등의 산업폐기물과 점토만을 이용함으로서 고가의 첨가제가 필요하지 않을 뿐만 아니라 제조시에 고압의 성형과정 또한 요구되지 않아 생산원가를 크게 절감할 수 있는 경량골재의 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

본 발명에서는 30 내지 50mesh의 입도로 분쇄된 석탄폐석 10 내지 30%(w/w)와, 20 내지 30%(w/w)의 폐주물사와, 50 내지 60%(w/w)의 점토를 혼합하여 고형분 혼합물을 제조하고, 여기에 적당량의 물을 첨가하고 반죽하여 직경 10 내지 15mm의 구형으로 성형한 후 충분히 건조한 다음, 1100내지 1200℃의 온도의 소성로내에서 소성시간을 15내지 25분으로 하여 소성하는 방법으로 상기의 목적에 부합되는 경량골재를 제조하였다.

본 발명에서 사용하는 점토와 석탄폐석 및 폐주물사는 모두 다량의 SiO₂를 함유하고 있다. 특히 폐주물사의 경우에는 빌더로서 물유리(규산나트륨)를 점결제로 사용하고 있어, 이산화규소(SiO₂)의 함량이 하기한 표 1에 나타난 바와 같이 91.7%(w/w)가 함유되어 있으며, 산화 나트륨(Na₂O) 및 산화칼륨(K₂O)의 함량은 다소 많은 구성으로 되어 있으므로 이들을 고온으로 소성할 경우 고점성의 유리상을 형성하게 된다.

본 발명에서 사용한 석탄폐석은 고온 소성시 골재내에 기포를 발생시켜 골재를 경량화하고 보온, 단열등의 효과를 나타내는 것으로 그 화학적 조성은 하기한 표 2과 같다.

상기 표 2에 나타난 성분 중 기타에 해당하는 것은 강열시 나타나는 강열감량으로 탄소의 산화에 의하여 탄산가스(CO)가 발생되어 감량되어지는 것으로 판단되며, 이와 함께 본 발명에서 사용하는 석탄폐석에는 6.2%(w/w)의 FeO가 포함되어 있어 고온 소성을 할 경우 FeO의 해리에 의하여 산소(O) 가스가 발생하게 되고, 발생된 산소(O)는 탄소분의 산화를 촉진시켜 탄산가스(CO)를 발생시키게 되는 것이다.

또한, 점토를 고온 속성하게 되면 점토내의 탄산칼슘(CaCO), 탄산마그네슘(MgCO) 등의 탄산염이 분해하나 유기물 등이 연소하여 탄산가스(CO)가 발생하게 되므로 골재 내부에 기공을 형성시켜주게 되는 것이다.

따라서, 석탄폐석, 폐주물사, 점토의 조성비가 상기와 같은 본 발명의 조성물을 고온 소성할 경우 석탄폐석 및 점토로부터 발생한 탄산가스(CO) 및 시료내부의 간극내에 존재하는 공기가 고점성의 유리상에 의하여 가스압이 높아지게 되므로 발포하게 되며, 이로 인하여 소성 후 낮은 비중과 경량성을 갖게 되는 것이다.

이러한 발포기구를 갖는 본 발명의 조성물을 소성할 경우에 각 조성물질간의 혼잡비 및 소성온도와 소성 시간, 소성 속도 등의 소성조건은 소성 후 골재의 비중이나 흡수율 또는 압축강도 등의 물리적 특성에 크게 관여하게 된다.

본 발명에 의한 경량골재의 흡수율은 제조시에 사용되는 점토와 폐주물사의 혼합비율의 변화에 따라 달라지며, 점토에 비하여 폐주물사의 혼합비가 상대적으로 많아지게 되면 골재의 흡수율이 낮아짐으로서 내수성은 향상되나, 폐주물사의 혼합비가 점토에 비하여 상대적으로 적어지게 되면 흡수율은 높아지게 된다.

그러나 흡수율을 높이기 위하여 폐주물사의 혼합비를 높일 경우, 압축강도가 낮아지는 문제가 있으므로 경량골재가 적절한 흡수율 및 압축강도를 나타내기 위해서는 점토와 폐주물사의 적당한 혼합비를 결정하는 것이 중요하며, 또한 폐주물사에는 미량의 중금속 물질이 함유되어 있기 때문에 이를 이용하여 제조한 경량골재에 수분이 흡수되면 흡수된 수분에 중금속 물질이 녹아 용출하게 되는 문제가 있으므로, 본 발명에서와 같이 폐주물사를 사용하여 제조한 경량골재에서 나타나는 흡수울의 의미는 동결융해에 대한 저항성 등의 내수성 측면에서 뿐만 아니라 공해방지 측면에서도 매우 중요한 의미를 가지므로, 이러한 점들을 고려하여 연구한 결과, 점토 : 폐주물사의 혼합비율을 2 내지 3 : 1로 하는 것이 가장 적당함을 알 수 있었다.

또한, 소성시의 소성온도를 1200℃ 이상으로 할 경우 고열 소성에 필요한 생산비가 많이 소요될 뿐만 아니라 골재내에 과다발포가 일어나게 되어 소성 후 골재ㄹ 표면상태가 불량하게 되며, 1100℃이하로 할 경우 규소의 유리질화가 잘 이루어 지지 않게 되어 소결상태가 불량하게 되므로 소성시의 소성온도는 1100내지 1200℃가 바람직하며, 1200℃인 경우가 더욱 바람직하다.

상기한 소성 온도 범위내에서의 소성시간의 결정은 경량골재의 비중 및 압축 강도에 크게 영향을 미치며, 소성시간이 15분 이하일 경우에는 발포현상이 미처 나타나지 않은 상태에서 불균일한 소결이 진행되어 골재의 비중이 급격히 커지게 되고 압축강도는 낮아지며, 25분 이상 유지하게 되면 골재내의 발포작용이 끝나면서 소결이 빠르게 진행되어 골재내의 조직이 치밀해짐과 아울러 생성된 탄산가스의 분자운동이 활발해져 골재의 외부로 탄산가스(CO)가 탈출하게 됨으로서 비중이 커지게 되고 골재는 경량화 되지 못할 뿐만 아니라, 장시간의 고온유지에 소요되는 비중이 과다하여 생산비의 상승요인으로 작용하므로 소성시간은 15분 내지 25분이 바람직하며, 20 분이 더욱 바람직하다.

또한, 소성로로서 관상로를 사용하는 경우에는 관상로의 길이는 상기 소성시간에 따라 그 주입속도가 상이하게 되며, 예를 들어 길이가 600mm인 경우에는 최고 주입속도가 24mm/min가 되고 최저 주입속도는 40mm/min가 되어야 적당한 것이다.

이하 본 발명을 하기한 실시예 및 실험예 의하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

[실시예 1]

폐주물사 5kg과 40mesh로 분쇄된 석탄폐석 15kg과 점토 30kg과 적당량의 물을 혼합하여 반죽하고, 반죽을 마친 혼합물을 직경 13mm인 구형시료로 성형한 후, 건조실에서 80℃의 온도를 유지하면서 24시간동안 유지하였다.

건조를 마친 시료를 내경이 60mm이고 길이가 600mm인 관상의 전기로(이하 관상로라 함)를 사용하여 로내의 온도를 1100℃로 유지하고 각각 60mm/min, 40mm/min, 30mm/min, 24mm/min, 20mm/min 의 주입속도로 나누어 열처리하여 경량 골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 2]

상기 실시예 1과 동일한 조성 및 방법으로 경량골재를 제조하되, 관상로 내의 소성온도 1200℃로 하여 경량골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 3]

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시행하되, 조성에 있어서는 폐주물사의 양을 10kg로 하고, 석탄폐석의 양을 10kg로 하고, 점토의 양을 30kg로 하여 경량골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 4]

상기 실시예 3과 동일한 조성 및 방법으로 경량골재를 제조하되, 관상로 내의 소성온도를 1200℃로 하여 경량골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 5]

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시행하되, 조성에 있어서는 폐주물사의 양을 15kg로 하고, 석탄폐석의 양을 5kg로 하고, 점토의 양을 30kg로 하여 경량골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 6]

상기 실시예 5와 동일한 조성 및 방법으로 경량골재를 제조하되, 관상로 내의 소성온도를 1200℃로 하여 경량골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 7]

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시행하되, 조성에 있어서는 폐주물사의 양을 10kg로 하고, 석탄폐석의 양을 15kg로 하고, 점토의 양을 25kg로 하여 경량공재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 8]

상기 실시예 7과 동일한 조성 및 방법으로 경량골재를 제조하되, 관상로 내의 소성온도 1200℃로 하여 경량골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 9]

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시행하되, 조성에 있어서는 폐주물사의 양을 5kg로 하고, 석탄폐석의 양을 10kg로 하고, 점토의 양을 35kg로 하여 경랴골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

[실시예 10]

상기 실시예 9와 동일한 조성 및 방법으로 경량골재를 제조하되, 관상로 내의 소성온도를 1200℃로 하여 경량골재를 제조한 후, 비중, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다.

-비중 시험방법-

KS F 2533에서 정한 구조용 경량 굵은 골재의 비중 시험 방법에 의하여 본 발명에 의한 경량골재의 표면 건조 포화수 상태의 시료 무게(ms)와 물 속에서의 시료의 겉보기 무게(mw)를 그램(g) 단위로 측정하고 하기한 식에 대입하여 표건비중(Ds)을 산출한 후, 그 결과를 제1도에 나타내었다.

-압축강도 시험-

구형태의 시료를 MTS 810. U.S.A 만능시험기를 사용하여 변위 제어 하에서 0.5mm/min의 크로스 헤드 스피드(cross head speed)로 압축강도를 측정한 후, 그 결과를 제2도에 나타내었다.

-흡수율 시험방법-

KS F 2533에서 정한 구조용 경량 굵은 골재의 비중 시험 방법에 의하여 본 발명에 의한 경량골재의 건조 후의 시료의 겉보기 무게(md)를 그램(g) 단위로 측정하고, 이와 함께 상기 비중시험에서 측정한 표면 건조 포화수 상태의 시료 무게(ms)를 하기한 식에 대입하여 흡수율(Q)을 산출한 후, 그 결과를 제3도에 나타내었다.

제1도는 상기 실싱 1 내지 10에서 제조한 경량골재의 소성시간 변화에 따른 비중 측정 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 소성온도가 1100℃인 경우는 실선으로 나타내었으며 소성온도가 1200℃인 경우는 점선으로 나타내었다.

상기 제1도로부터, 소성시간이 20분인 경우에 각각의 실시예로부터 제조된 경량골재의 비중은 공통적으로 최저값을 나타내고 있으며 또한 소성시간이 15분미만이거나 25분을 초과하는 경우 비중은 급격히 증가되는 것을 알 수 있다.

이는 소성시간이 15분 이하일 경우에는 발포현상이 미처 나타나지 않은 상태에서 불균일한 소결이 진행됨으로서 골재의 비중이 급격히 커지게 되는 것이며, 소성시간이 25분 이상일 경우에는 골재내의 발포작용이 끝나면서 소결이 빠르게 진행되어 골재내의 조직이 치밀해짐으로서 골재의 비중이 커지게 되는 것이다.

또한, 본 발명에 의한 경량골재 조성물이 동일한 조성을 갖을 경우에는 소성시의 소성온도가 1100℃인 경우보다 1200℃로 열처리한 경우가 전체적으로 매우 낮은 비중을 보이고 있음을 알 수 있다.

제2도는 상기 실시예 1 내지 10에서 제조한 경량골재의 소성시간 변화에 따른 압축강도 측정 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 제1도에서와 마찬가지로 소성온도가 1100℃인 경우는 실선으로 나타내었으며 소성온도가 1200℃인 경우는 점선으로 나타내었다.

상기 제2도로부터, 소성시간이 20분인 경우에 각각의 실시예로부터 제조된 결얄골재의 압축강도는 공통적으로 최고값을 나타내고 있으며 소성시간이 15분 미만이거나 25분을 초과하는 경우 압축강도는 급격히 저하되는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 경량골재 조성물이 동일한 조성을 갖을 경우에는 소성시의 소성온도가 1100℃인 경우보다 1200℃로 열처리한 경우가 전체적으로 높은 압축강도는 나타내고 있으며, 특히 실시예 4의 경우에는 실시예 3보다 20kg/㎠ 이상 높은 압축강도를 나타내고 있음을 알 수 있으며, 이러한 결과는 1200℃에서 소결 상태가 1100℃보다 좋아진다는 것을 의미하는 것이다.

제3도는 상기 실시예 1 내지 10에서 제조한 경량골재의 소성시간 변화에 따른 흡수율 측정 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 제1도 및 제2도에서와 마찬가지로 소성온도가 1100℃인 경우는 실선으로 나타내었으며 소성온도가 1200℃인 경우는 점선으로 나타내었다.

상기 제3도에 나타난 경량골재의 흡수율의 경우에는 상기 비중 및 압축강도 측정결과와는 달리 소성시간이 증가함에 따라 계속적으로 감소하고 있음을 알 수 있으며, 이는 소성시간이 증가함에 따라 골재내의 발포작용이 끝나면서 소결이 계속 진행되어 골재내의 조직이 치밀해지는 것이 그 원인인 것으로 판단된다.

상기한 바의 결과에 따라 경량골재의 흡수율만을 고려할 경우에는 제조시 열처리시간을 오래 유지하는 것이 바람직 하나, 상기 제1도 및 제2도에 나타난 바와 같이 25분 이상 계속되면 비중이 급격히 증가하고 압축강도는 급격히 감소되는 문제가 있을 뿐 아니라, 1100내지 1200℃의 고열을 장시간 유지하는데 필요한 생산비가 과다하게 소요되므로, 이를 고려할 때 경량골재를 제조하기 위한 소성시간은 15분 내지 25분이 가장 적당한 것이다.

이와 함께, 점토와 페주물사의 혼합비율이 3:1인 실시예 3, 4와 혼합비율이 2.5:1인 실시예 5, 6 및 혼합비율이 2:1인 실시예 7, 8 에서 제조된 경량골재의 흡수율은, 점토와 폐주물사의 혼합비율이 6:1인 실시예 1, 2와 혼합비율이 7:1인 실시예 9, 10에서 제조된 경량골재의 흡수율 보다 전체 소성 시간에 걸쳐 평균적으로 낮게 나타나고 있으며, 특히 소성온도가 1100℃일 경우에는 혼합비율이 7:1인 실시예 5의 흡수율이 13% 이상으로서 기타 실시예의 흡수율과 큰 차이를 보이고 있고, 소성온도가 1200℃일 경우에는 혼합비율이 6:1인 실시예 2의 흡수율이 기타 실시예의 흡수율보다 매우 크게 나타나고 있으므로, 이와 같은 흡수율과의 상관성을 고려함과 동시에 폐주물사의 재활용성을 감안할 때 점토와 폐주물사의 혼합비는 2 내지 3 : 1이 가장 적당함을 알 수 있다.

상기 시험결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 고가의 첨가제를 일체 사용하지 않은 상태에서 산업 폐기물인 석탄폐석 및 폐주물사와 점토만을 이용하여 경량으로서 고강도를 발현할 수 있는 경량골재의 제조방법을 제공함으로서 산업 폐기물의 처리문제를 해결하고 폐자원의 활용도를 높임과 동시에 건축산업의 급속한 발달로 인하여 나타나는 부족한 골재수급의 문제점을 해결할 수 있는 효과를 지닌다.

Claims (5)

1. 석탄폐석 및 점토를 이용하여 경량골재를 제조하는 방법에 있어서 30내지 50mesh의 입도로 분쇄된 석탄폐석 10내지 30%(w/w)와, 20내지 30%(w/w)의 폐주물사와, 50내지 60%(w/w)의 점토를 적당량의 물을 첨가하여 반죽하고 직경 10내지 15mm의 구형으로 성형하여 건조한 후, 1100내지 1200℃의 온도의 소성로내에서 15내지 25분간 소성하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 점토와 폐주물사의 혼합비율이 2내지 3 : 1인 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소성로 내의 온도가 1200℃로 유지됨을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
4. 제3항에 있어서 소성시간이 20분인 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
5. 석탄폐석 및 점토를 이용하여 제조되는 경량골재에 있어서, 30내지 50mesh의 입도로 분쇄된 석탄폐석 10내지 30%(w/w)와, 20내지 30%(w/w)의 폐주물사와, 50내지 60%(w/w)의 점토를 적당량의 물을 첨가하여 반죽하고 직경 10내지 15mm의 구형으로 성형하여 건조한 후, 1100내지 1200℃의 온도의 소성로내에서 15내지 25분간 소성하여 제조됨을 특징으로 하는 경량골재.