KR100368643B1 - 소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물 - Google Patents

소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수화 반응성이 획기적으로 향상되어 시멘트와 혼합하지 않고 단독으로도 수경성 결합재로 사용이 가능하며, 강도, 내구성이 우수하도록,
산화칼슘(CaO)과 알루미나(Al2O3)와 이산화규소(SiO2)의 전체함량이 70 중량% 이상이고, 강열감량이 3.0 중량% 이하인 소각 폐기물 100중량부에 대하여, 0∼30 중량부의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및/또는 0.5∼10.0 중량부의 알카리염을 선택적으로 또는 함께 첨가하여 구성되는, 소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물에 관한 것으로서,
본 발명의 수경성 조성물은 수화활성이 우수하여 시멘트를 첨가하지 않고도 무기질 결합재로 사용이 가능하고, 대량으로 혼합하여 사용하여도 강도가 저하되지 않으며, 휨강도가 우수할 뿐 아니라 산업폐기물을 대량으로 활용할 수 있어 환경문제해결 및 자원재활용 효과가 매우 크다.

Description

소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물{hydraulic composition using incinerated waste products}
본 발명은 시멘트와 유사한 수화 반응성을 가지고 있어 시멘트와 혼합하지 않고 단독으로 사용이 가능하며, 반응성이 높고, 고강도, 고내구성을 가지는 수경성 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화칼슘(CaO)과 알루미나(Al2O3)와 이산화규소(SiO2)의 전체함량이 70 중량% 이상이고, 강열감량이 3.0 중량% 이하인 소각 폐기물에 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및/또는 알카리염을 선택적으로 또는 함께 첨가하여 구성되는, 소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물에 관한 것이다.
종래에는 국내에서 배출되는 각종 소각 폐기물들 중 소각회의 일종인 플라이애쉬가 시멘트 산업에 대량으로 사용되는 것을 제외하고는 대량으로 발생하는 제지 소각회나 폐기물 소각회 등의 대부분이 단순 매립되거나 노반재로 사용되어 왔으며 아주 일부분만이 시멘트 혼합재 등의 용도로 사용되어 왔다.
그러나, 시멘트 혼합재로 사용되더라도 수화 반응성이 낮기 때문에 치환율에 따라 강도 등의 물성저하가 커서 사용에 제한이 컸으며, 단독으로는 수경성이 아주미미하여 결합재로 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 소각로의 소각로 방식, 소각 온도 등의 차이로 인하여 소각회의 품질 편차가 큰 것도 사용상의 제한 요인이 되었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 소각회의 수화활성을 증진시키기 위한 미분쇄, 열처리 등의 방법을 이용한 연구가 일부 진행되어 왔으나, 대부분의 경우 시멘트에 혼합하여 사용할 경우 수화활성의 증진에 한계가 있었고, 시멘트 산업에 대량으로 사용되는 플라이애쉬에 비하여 큰 장점을 가지고 있지 못하였다.
본 발명은 종래의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수화 반응성이 획기적으로 향상되어 시멘트와 혼합하지 않고 단독으로도 수경성 결합재로 사용이 가능하며, 강도, 내구성이 우수한 수경성 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 경화물의 수화물 구조를 화학 처리를 통하여 최대한 고분자화(polymerization)함으로써 우수한 휨강도를 갖는 수경성 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적들은 소각 폐기물을 열처리 단계 및 미분쇄 단계와 병행하여 자극제(Chemical Activator)를 사용한 화학적 처리 단계를 거쳐 제조되는 수경성 조성물을 제공함으로써 달성되는데, 상기 처리를 거친 수경성 조성물은 강도 및 내구성이 뛰어나다.
또한, 상기 수경성 조성물은 시멘트에 혼합한 다음 유동화제를 더 첨가하면, 고강도 혼합재로서 고강도 콘크리트 및 2차 제품으로의 적용이 가능하다.
본 발명은 산화칼슘(CaO)과 알루미나(Al2O3)와 이산화규소(SiO2)의 전체함량이 70 중량% 이상이고, 강열감량이 3.0 중량% 이하인 소각 폐기물 100중량부에 대하여, 0 ∼30 중량부의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및/또는 0.5∼10.0 중량부의 알카리염을 선택적으로 또는 함께 첨가하여 구성되는, 소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서의 소각 폐기물이라 함은 산업 폐기물 중 슬러지 상태로 존재하는 제지 슬러지, 하수 슬러지, 콘크리트 폐 슬러지 등을 완전 소각한 소각회 및 플라이애쉬를 뜻하는 것으로서, 그 대표적인 것은 제지 애쉬, 플라이애쉬이며, 그 밖에 하수 슬러지 등을 소각한 소각회도 이에 해당한다.
이하, 본 발명 소각 폐기물을 이용한 수경성 혼합물의 구성 및 그 제조방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물은 소각 폐기물의 선정 단계와 화학처리 단계를 거쳐 제조된다.
본 발명에 있어서의 소각 폐기물은 산업 폐기물, 일반 폐기물 등에서 발생하는 소각회로서, 산화칼슘(CaO)과 알루미나(Al2O3)와 이산화규소(SiO2)의 전체함량이 70 중량% 이상이고, 강열감량이 3.0 중량% 이하인 화학성분 구성을 갖는 것이다.
상기 산화칼슘, 알루미나, 이산화규소 등의 화학 성분은 본 발명의 화학 처리 대상이 되는 주성분으로서 상기 소석회가 이들을 70 중량% 미만으로 함유하는 경우에는 반응 활성 효과가 미약하므로 상기 세 성분들을 70 중량% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 소각회는 강열감량을 3.0 중량% 이하로 함유하여 유기물 의 함유량이 적고, 고온에서 소각한 것이 바람직하다.
또한, 상기 소각회는 알루미노 실리케이트(Aluminosilicate)를 주성분으로 하고, 유리화율이 높을수록 바람직한데, 이는 유리화율이 높을수록 반응성이 크기 때문이다.
본 발명의 수경성 조성물은 열처리 단계를 거쳐 비표면적 조절 단계에서 일정 입도를 갖도록 분쇄됨으로써 그 효과가 더욱 증진된다.
상기 열처리는 400∼1000℃의 온도에서, 바람직하게는 600∼800℃, 1시간 이상 실시되어야 하는데, 이는 열처리 온도가 1000℃ 이상이면 뮬라이트(mullite), 크리스토발라이트(cristoballite) , 스피넬(spinel)의 결정상이 생성 성장하여 반응성이 저하되고, 400℃ 이하이면 소각처리시의 온도와 크게 차이가 없어 반응성이 향상되지 않기 때문이다.
또한, 상기 비표면적 조절은 블레인(Blaine) 비표면적으로 3,000∼8,000 (cm2/g)를 나타내도록, 바람직하게는 4,500∼6,000cm2/g, 미분쇄하는 것으로서, 입도가 3000 cm2/g 이하일 경우에는 수화 반응성이 낮아져 본래의 기능이 저하되고,8,000 (cm2/g) 이상일 경우에는 필요수량이 급격히 증가하여 물성이 저하되고, 경제적인 비용이 상승하기 때문이다.
본 발명에 있어서의 화학 처리는 두 가지로 나뉘는데, 하나는 상기와 같은 구성을 갖는 소각 폐기물 100 중량부에 대하여 0∼30 중량부의 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 첨가하는 것이며, 다른 하나는 자극제로서 알카리 금속 수산화물인 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH), 알카리 탄산염인 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 알카리 황산염인 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 알카리 실리케이트염인 규산나트륨(Na2O.nSiO2 .xH2O), 규산칼륨(K2O.nSiO2 .xH2O)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 소각 폐기물 100 중량부에 대하여 0.5∼10.0 중량부 첨가하는 것이다.
상기 수산화칼슘 첨가는 수경성 조성물이 적절한 반응성을 갖도록 유도하기 위한 것으로서, 시멘트가 물과 반응하여 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수화물에 화학적으로 작용하여 칼슘알루미네이트 수화물(CaO-Al2O3-H2O) 혹은 칼슘실리케이트 수화물(CaO-SiO2-H2O)로 전이시킴으로써 경화체의 강도를 증진시킨다.
그러나, 본 발명을 시멘트계 재료에 혼합재로 사용하는 경우에는 수산화칼슘을 첨가하지 않아도 물성이 저하되지 않는다. 이는 시멘트의 수화반응 중 수화 생성물로서 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 생성되기 때문이며, 상기 생성된 수산화칼슘이 수화물과 골재사이의 계면에서의 전이 영역을 줄여 강도 및 내구성을 증진시키는 역할을 하므로 별도로 첨가하지 않아도 된다.
또한, 상기 알카리염의 첨가는 수화반응의 활성을 조절하고 수화물의 구조를 고분자화(Polymerization) 시키기 위한 것으로써, 경화체의 화학적 저항성, 휨강도, 균열저항성을 향상시킨다.
이와 같이 작용하는 알카리염은 소각 폐기물의 성분 중 알루미나, 이산화규소와 알카리의 몰비에 따라 SiO2 :M2O (M=K, Na) = 4 ∼ 9 : 1, Al2O3: SiO2= 1 : 3∼7 범위에서 그 첨가량이 결정되는데, 본 발명에서의 화학적 처리에 의한 주요 반응이 알루미나와 이산화규소를 주로 하는 (칼슘) 알루미노 실리케이트 상에 알카리가 반응하여 화학적으로 결합하는 것이기 때문이다.
한편, 상기 화학처리는 열처리 단계 이전에 실시되어도 된다.
상기와 같이 제조된 수경성 조성물을 단독으로 사용하거나 시멘트계 물질에 혼합하여 사용함으로서 환경친화, 고내구성 경화체를 얻을 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하나, 본 발명이 기술된 실시예에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
1. CaO + Al2O3+ SiO282 중량%와 강열감량 1.8 중량%를 함유하는 제지 소각회를 700℃ 에서 열처리한 후 5000 cm2/g 로 분쇄하였다.
2. 상기 열처리 및 분쇄 단계를 거친 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 25 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2) 3.5 중량부를 첨가하여 수경성 조성물을 제조하였다.
실시예 2
CaO + Al2O3+ SiO294 중량%와 강열감량 1.4 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 15 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2) 3.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
실시예 3
CaO + Al2O3+ SiO294 중량%와 강열감량 0.6 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 15 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2) 3.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
실시예 4
CaO + Al2O3+ SiO296 중량%와 강열감량 0.4 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 15 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2)2.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
실시예 5
CaO + Al2O3+ SiO288 중량%와 강열감량 1.5 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 20 중량부와 공업용 분말인 규산나트륨(Na2O·2SiO2·nH2O) 5.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
실시예 6
CaO + Al2O3+ SiO294 중량%와 강열감량 1.0 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 20 중량부와 공업용 분말인 황산칼륨(K2SO4) 4.0 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
실시예 7
CaO + Al2O3+ SiO292 중량%와 강열감량 0.6 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 공업용 분말인 수산화칼륨(KOH) 4.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
비교예 1
CaO + Al2O3+ SiO271 중량%와 강열감량 2.2 중량%를 함유하는 제지 소각회100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 25 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2) 3.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
비교예 2
CaO + Al2O3+ SiO262 중량%와 강열감량 2.0 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 15 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2) 3.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
비교예 3
CaO + Al2O3+ SiO284 중량%와 강열감량 5.8 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 15 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2) 3.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
비교예 4
CaO + Al2O3+ SiO281 중량%와 강열감량 8.0 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 15 중량부와 공업용 분말인 규산칼륨(K2O·2SiO2) 3.5 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
비교예 5
CaO + Al2O3+ SiO288 중량%와 강열감량 1.5 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 20 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
비교예 6
CaO + Al2O3+ SiO294 중량%와 강열감량 1.0 중량%를 함유하는 제지 소각회 100 중량부에 대하여, 수산화칼슘 50 중량부를 첨가하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수경성 조성물을 제조하였다.
비교예 7
CaO + Al2O3+ SiO292 중량%와 강열감량 0.6 중량%를 함유하는 제지 소각회를 700℃에서 열처리한 후 5000 cm2/g 로 분쇄하여 수경성 조성물을 제조하였다.
실시예 및 비교예 실험 조성
( CaO+Al2O3+SiO2)(중량%) 강열감량(중량%) 화학 처리(중량부) (수경성화합물/결합재)(%)
Ca(OH)2 자극제
실시예1 82 1.8 25 (K2O·2SiO2)3.5 100
실시예2 94 1.4 15 (K2O·2SiO2)3.5 50
실시예3 94 0.6 15 (K2O·2SiO2)3.5 100
실시예4 96 0.4 15 (K2O·2SiO2)2.5 50
실시예5 88 1.5 20 (Na2O·2SiO2·nH2O)5.5 100
실시예6 94 1.0 20 (K2SO4)4.0 100
실시예7 92 0.6 0 (KOH)4.5 50
비교예 1 71 2.2 25 (K2O·2SiO2)3.5 100
비교예 2 62 2.0 15 (K2O·2SiO2)3.5 50
비교예 3 84 5.8 15 (K2O·2SiO2)3.5 100
비교예 4 81 8.0 15 (K2O·2SiO2)3.5 50
비교예 5 88 1.5 20 - 100
비교예 6 94 1.0 50 - 100
비교예 7 92 0.6 0 - 50
상기 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1 내지 비교예 7에서 제조된 상기 표 1과 같은 조성을 갖는 수경성 조성물들을 사용하여 KS L 5105 에 의한 압축강도 공시체를 제작, 양생하였다.
또한, 상기 수경성 조성물들을 JIS R 5201에 따라 4 x 4 x 16cm 몰드로 성형하여 공시체를 제조하고, 항온항습 조건에서 양생한 다음 재령 3, 7, 28일에서 휨강도를 측정하고, 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
압축강도 및 휨강도 비교 (단위 : kgf/cm2)
압축강도 휨 강도
3 일 7 일 28 일 3 일 7 일 28 일
실시예 1 57 126 187 13 33 46
실시예 2 185 328 443 31 49 59
실시예 3 79 143 217 18 46 49
실시예 4 199 317 464 39 59 71
실시예 5 64 116 165 17 31 38
실시예 6 68 143 189 17 30 39
실시예 7 187 304 402 34 54 62
비교예 1 36 69 98 8 12 18
비교예 2 68 166 199 12 23 26
비교예 3 29 45 68 8 11 13
비교예 4 88 145 165 16 20 23
비교예 5 12 58 64 2 11 18
비교예 6 15 49 88 2 8 17
비교예 7 4 9 16 0 1 3
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 실시예 7에 의해 제조된 경화체의 압축강도와 휨강도가 비교예 1 내지 비교예 7에 의해 제조된 것보다 우수하였으며, 그 중에서도 실시예 2와 실시예 7이 우수한 압축강도와 휨강도를 나타내어 바람직한 실시예인 것을 알 수 있었다.
이상과 같이 설명한 본 발명에 의한 소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은 단독으로도 수화활성을 가지고 있어 시멘트를 첨가하지 않고도 무기질 결합재로 사용이 가능하며, 대량으로 혼합하여 사용하여도 강도가 저하되지 않고 우수하다.
둘째, 본 발명은 화학적 처리를 거쳐 그 구조가 고분자화됨으로써 휨강도가매우 우수하다.
셋째, 여러 환경 문제들을 야기하는 산업폐기물을 대량으로 활용할 수 있어 환경문제해결 및 자원재활용 측면에서 효과가 매우 크다.
넷째, 화학적 및 동결 융해 저항성이 우수하고 건조수축률이 작다.
다섯째, 화학 처리 방법에 따라서 물리적 특성 조절이 용이하다.
따라서, 본 발명은 고강도 콘크리트 및 콘크리트 2차 제품, 지반 보강용 고화재, 고강도, 고내구성, 방수성이 필요한 시멘트 혼합재 등 다양한 분야에 적용되어 사용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 산화칼슘(CaO)과 알루미나(Al2O3)와 이산화규소(SiO2)의 전체함량이 70 중량% 이상이고, 강열감량이 3.0 중량% 이하인 제지 소각회 100중량부에 대하여, 0∼30 중량부의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및/또는 0.5∼10.0 중량부의 수산화리튬(LiOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3), 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 알카리염을 선택적으로 또는 함께 첨가하여 구성되는, 소각 폐기물을 이용한 수경성 조성물.
  2. 삭제
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