KR100380552B1

KR100380552B1 - 폐주물사또는폐주강사를이용한재생모래의제조방법

Info

Publication number: KR100380552B1
Application number: KR1019940027714A
Authority: KR
Inventors: 서승석
Original assignee: 서승석
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 2003-09-06
Anticipated expiration: 2014-10-27
Also published as: KR960014051A

Abstract

본 발명은 폐기물을 이용한 재생모래의 제조방법으로, 사용 재료는 자연산 모래를 전혀 사용하지 않으며 일반 건축폐기물인 폐콘크리트와 일반 폐기물인 연소재, 폐주물사, 폐주강사등 폐기물만으로 재생모래를 제조하는 방법이다.

이를 위한 본 발명은 연탄재, 석탄재, 소각재 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 연소재 10-35%와; 산을 넣어 중화시킨 PH7-9의 폐주물사 또는 폐주강사 30-40%와; 13mm 이하의 크기로 조분쇄한 폐콘크리트 35~50%; 를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 2차적인 환경오염을 최소화함은 물론 자연자원을 절약하고, 환경에 유해한 물질이 용출되지 않으므로 연약지반의 배수재로서 사용할 수 있으며, 폐기물 재활용으로 인한 막대한 양의 자연산 모래를 절약할 수 있다.

Description

폐주물사 또는 폐주강사를 이용한 재생모래의 제조방법{MANUFACTURE METHOD FOR RECYCLEABLE SAND TO MAKE USE OF WASTE MOLDING SAND}

우리나라는 60년대 이후 경제성장 위주로 정책을 추진하여 눈부신 발전을 이룩하였다. 그러나 고도성장 과정에서 경제규모가 확대되고 산업구조가 복잡하여짐에 따라 폐기물의 발생이 급격히 증가하였으며, 2차 오염이 크거나 처리가 곤란한 폐기물의 조성비가 높아지고 있어 폐기물을 줄이고 안전하게 처리하는것 못지 않게 폐기물 재활용이 더욱 중요하게 되었다.

근자에는 아파트의 재건축, 각종 구조물의 해체에 따라 더욱 더 많은 양의 콘크리트 폐기물이 발생하고 있으나, 이를 적절히 재활용하지 못하고 매립함으로서 매립장을 해야 하는 등의 문제가 발생하며, 이에 따른 환경문제가 심각하게 제기되고 있다.

일반적으로 시멘트에 물을 가하면 시멘트 중의 수경성 화합물이 물과 수화 반응하여 수화물을 만든다. 이러한 수화물과 수화반응은 복잡하여 그 과정이 완전히 밝혀지지 않았다. 도 1의 과정에 의해 생성된 콘크리트는 풍화과정을 거치게 되며 이 콘크리트가 구조물로서 생명을 다하여 폐기물이 된것이 폐콘크리트이다. 풍화과정은 시멘트 입자가 공기중의 수분과 반응하여 Ca(OH)₂가 되며 이것이 다시 아래의 반응식과 같이 공기중의 CO2 와 반응하여 풍화가 계속된다.

[반응식 1]

이렇게 폐콘크리트는 이미 시멘트와 모래가 반응하여 고결되어 있기 때문에 이를 분쇄하여 재 사용하는 경우에는 시멘트와의 반응성이 현저하게 저하되고, 따라서 콘크리트의 품질에 문제가 발생되기 때문에 시멘트와 함께 사용하지 않는 경우에 한하여 부분적으로 사용되어 왔다.

또한, 우리나라에서 대량으로 발생하는 폐주물사는 환경부고시 제 1996-31(98.2.28)에 의하여 "재생처리 대상 폐기물"로 지정되어 있으며, 연간 약 48만 톤의 양이 발생하고 있으나, 주로 매립에 의존하고 있으며, 재활용되고 있는 양은 극히 소량에 지나지 않는다. 따라서, 폐주물사 및 폐주강사를 재활용하는 것은 매립장 문제의 해결뿐만 아니라 고갈되어 가는 자연자원을 해결하는 방법이 된다. 그러나, 폐주물사 및 폐주강사에는 가성 소오다 성분이 포함되어 있어 포틀란드 시멘트와는 결합이 잘 되지 않기 때문에 과거에는 재생모래로 재활용하기가 어려웠다.

따라서, 본 발명은 종래에 해결하지 못했던 폐기물에 대한 해결책을 제공하고자 안출한 발명으로서, 폐주물사 및 폐주강사를 재활용하여 견고하면서도 우수하고 시멘트와의 반응성 또한 향상된 재생모래를 생산하고, 환경에도 무해한 재생모래를 제공하여 2차적인 환경오염을 최소화 함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 일반적인 포틀랜드 시멘트의 수화기구를 나타내는 반응식

도 2는 일반적인 폐콘크리트, 폐주물사 및 석탄재의 입도 범위를 나타내는 그래프

도 3은 본 발명에 의한 재생모래와 콘크리트용 모래의 입도 범위를 나타내는 그래프

도 4는 주물사/ 주강사의 비율에 따른 투수계수의 변화를 나나내는 그래프

도 5는 본 발명에 의한 혼합재료의 혼합비에 따른 입도특성을 나타내는 그래프

도 6은 본 발명에 의한 재생모래의 제조공정을 나타내는 공정도

상기의 목적을 이루기 위한 본 발명은 연탄재, 석탄재, 소각재 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 연소재 10∼35%와; 산을 넣어 중화시킨 PH7∼9의 폐주물사 또는 폐주강사 30∼40%와, 13mm 이하의 크기로 조분쇄한 폐콘크리트 35∼50%; 를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

10∼35%의 연탄재 또는 석탄재 또는 소각재 등의 연소재에서 이물질을 완전히 분리하여 제거하며, 30∼40%의 폐주물사 또는 폐주강사는 분쇄기에 넣어 분쇄한 후 13mm 또는 소정의 체를 통과시킨 후 콘베아벨트 셔블을 이용하여 중화처리실로 운반한다. 이때 콘베아벨트 위로 자석을 통과시켜 철성분을 분리, 제거한다.

중화처리실 운반된 폐주물사 또는 폐주강사에 산을 투입하고 믹서로 혼합하여 PH7 ∼ 9가 되도록 조정한다. 중화처리가 끝난 폐주물사는 콘베아벨트를 이용하여 홉바로 이동시킨다.

또한, 폐콘크리트도 목재, 철근등 이물질을 제거한 후 분쇄기로 분쇄하고, 13mm 또는 소정의 체를 통과시킨 후 콘베아벨트와 셔블을 이용하여 35∼50%를 홉바로 이송하며, 역시 콘베아벨트 위로 자석을 통과시켜 못, 철근 등 철성분을 분리, 제거한다.

상기와 같이 연소재와 폐주물사 또는 폐주강사와 폐콘크리트를 혼합하여 재생모래를 생산하되, 아래의 표에 따라 용도에 맞는 배합비로 각각의 배합비를 조절하여 원하는 제품을 생산한다.

[표 1]

우리나라에서 하루 평균 생활 쓰레기의 생산량은 6천 4백톤에 이르고 있으며, 그 중 50%, 정도가 불연성 폐기물이다. 이미 불연성 폐기물의 매립 문제는 적정 매립지의 고갈, 매립지 환경관리대책 미흡 등으로 그 문제가 날로 심각하며, 특히 불연성 쓰레기인 연탄재는 매립에 의한 처분 외에는 방도가 없는 실정이다.

석탄재는 주로 석탄화력발전소 및 각종 석탄보일러 등에서 발생하는 석탄 연소의 잔재이다. 아래 표 2는 석탄재 및 연탄재의 성분을 나타낸 것으로서 석탄재는 연탄재와 비슷하고 화학적 성분도 비슷한 점이 많다.

[표 2]

본 발명에서는 연소재인 석탄재와 연탄재를 재활용하기 위하여 수거된 석탄재와 연탄재로부터 이물질을 걸러낸 후 밀도의 처리없이 홉바에 보관하고 타 재료와 혼합하여 사용한다.

연탄재와 석탄재의 반응 메카니즘은 폐콘크리트와 폐주물사 또는 폐주강사와 상호 반응하여 품질이 개선되며, 콘크리트의 강도발현을 증진시키기 위한 Ettringite 반응에는 CaO가 필요한 바, 연탄재에는 CaO가 1∼7%가 포함되어 있으며, 필요에 따라 소석고를 첨가하여 초기강도를 발현시킬 수 있다. 또한 후기 강도시멘트의 Tobermorite에 의해 보완되며 응결시간의 조정은 적정량의 지연제를 사용하여 조절하게 된다. 이때의 반응식은 다음과 같다.

[반응식 2]

Ettringite 반응과 Tobermorite 반응시 시멘트와 소석고의 비율에 따라 급격현상이 일어날 수 있으며, 이때 지연제로는 굴루타민산, 겔라틴 프로틴 등이 사용된다.

[반응식 3]

폐주물사를 재활용하는 방법은 새로운 모래로 재처리하는 방법과 계주물사를 다른 용도로 재활용하는 방법이 있으나, 현재 국내의 실정으로 미루어 보아 폐주물사의 가장 효율적인 재활용 방법은 모래로 재생하여 각종 토목·건축용의 자재로 사용하는 방법이다. 따라서 본 발명은 폐주물사를 재생모래로 재활용하기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명에 의한 재생모래의 혼합재로 사용되는 폐주물사 및 폐주강사의 오염도 검사를 실시한 결과 아래 표 3에서와 같이 인체 및 수질에 영향을 줄 수 있는 중금속등 유해물질은 부검출 또는 미량이 검출되어 전혀 환경에 영향이 없는 것으로 판단된다.

[표 3]

아래 표 4에는 폐주물사 및 연소재의 입도 및 물성치를 나타낸 것으로서, 여러가지 주물사에 대하여 물리, 화학적 특성과 입도분포에 대하여 조사한 결과 폐주물사의 물리적 특성은 콘크리트용 모래와 거의 유사함을 알 수 있다. 이러한 결과는 미국이나 일본 등에서 실험한 결과와도 비슷한 양상을 보이고 있다.

[표 4]

본 발명에서는 폐주물사와 폐주강사에는 가성소오다 성분이 함유되어 있어 포틀란드 시멘트와는 결합되지 않기 때문에 기존의 방식으로는 건자재로 재활용할 수 없음을 발견하고 이러한 문제를 해결하기 위하여 폐주물사 및 폐주강사의 중화시키는 방법, 시멘트와의 반응방법 등을 연구하였다.

폐주물사 또는 폐주강사를 석탄재 또는 연탄재와 혼합하면 N 프로세스 및 CO₂프로세스가 발생하며 반응식은 다음 반응식 4와 같다.

자경성 폐주물사의 반응식(N 프로세스)

[반응식 4]

즉, 물과 규소와 수산화나트륨(NaOH)이 없어질 때까지 반응하여 점성이 높아진다. 석탄재와 연탄재 중의 규소가 수산화나트륨과의 반응으로 H2 O와 NaOH 이 없어질 때까지 반응하여 점성을 강하게 한다.

폐주물사의 반응식(CO₂프로세스)은 아래 반응식 5에서와 같이 N 프로세스와 반응으로 점성을 높여 경화한 주형물이므로 CO₂프로세스는 Na₂CO₃만 남게 된다.

[반응식 5]

또한, 시멘트는 Alite 반응식인

[반응식 6]

과,

[반응식 7]

인 Belite 반응식이 있다.

따라서, 상기 CO₂프로세스에서 나온 폐주강사 성분 중 Na₂CO₃와 시멘트 수화반응중에 Alite 반응의 생성물인 Ca(OH)₂와 석탄계 성분인 CaO와 반응하여 반응식 8에서와 같이 탄산석회와 수산화나트륨이 나온다.

[반응식 8]

또한, CaCO₃는 석회석으로 점성을 높여주고 수산화나트륨은 석탄재와 연탄재의 Si와 반응하여 N 프로세스에서의 반응과 같이 이루어진다.

[반응식 9]

반응할수록 점성이 높아지며 시멘트와 결합시는 시멘트가 빨리 굳게 하기 때문에 이미 형을 이룬 후에 이와 같은 반응으로 점점 강도가 증가되어 건자재로서 우수한 특성을 보유하게 된다.

폐주물사와 폐주강사는 주형을 만들기 위해 규산소오다(Na₂O, SiO₂)를 섞어 주형틀을 만든 다음 CO₂를 주입하여 완성된 주형틀을 만든다. 이때 반응식은 반응식 10과 같다.

[반응식 10]

폐주물사와 폐주강사는 모래와 Na₂CO₃의 혼합물이어서 골재로 사용할 수 없으므로 본 발명에서는 Na₂CO₃을 산으로 중화시켜 시멘트와 혼합할 때 수화반응 및 경화반응을 촉진시키도록 하였다. 이때의 반응식을 보면 아래 반응식 11과 같다.

[반응식 11]

본 발명에서의 폐콘크리트 재활용은 철근 등 불순물을 제거하고 분쇄기를 사용하여 13mm이하로 분쇄한 것을 사용하며 재생모래의 입도를 맞추기 위하여 사용한다. 이때 폐콘크리트에 들어 있는 석회는 석탄재, 연탄재, 주물사 및 주강사와 Ettringite 반응을 일으키며 강도증진과 함께 안정된다.

본 발명은 상기에서와 같이 일정한 크기로 분쇄한 폐콘크리트, 적정량의 석탄재와 연탄재 그리고 산으로 중화시킨 폐주물사, 폐주강사를 사용하여 재생모래를 제조하며, 본 발명에 의한 재생모래는 여러가지 폐기물이 갖는 특성을 잘 조화시켜자연산 모래와 같은 성질을 갖도록 발명된 것으로, 매설, 배관 보호용 충진재나 아스콘을 제조할 때 쓰이는 자연산 모래 대용과 샌드 드레인재, 팩 드레인재 및 샌드 매트 포설용 모래, 벽돌 등 건자재를 제조할 때 자연모래 대용으로 사용할 수 있다.

아래 표 5는 본 발명에 의한 재생모래의 성분비를 표시한 것이다.

[표 5]

상기 표 5의 구성비를 갖는 본 발명에 의한 재생모래는 깨끗하고 강하며 내구적이고 적당한 입도를 가지며 유기 불순물, 염분 등을 함유하지 않았다. 콘크트용 모래의 표준입도와 비교하면 아래 표 6과 같다.

[표 6]

또한, 본 발명에 의한 재생모래의 물리적인 성질은 다음 표 7에서 보는 바와같이 콘크리트용 모래와 비슷하다.

[표 7]

본 발명에 의한 재생모래를 연약지반 개량시 사용되는 샌드 드레인재, 팩 드레인재 및 샌드 매트포설용 로래로의 사용성을 검토하기 위하여 투수시험을 실시하였다. 샌드 드레인재, 팩 드레인용 및 샌드 매트포설용 모래 등 수직배수재의 소요 투수계수는 1×10^-2cm/sec 이상이며, 환경에 유해한 물질이 용출되지 않아야 한다. 연약지반 드레인재의 시방규정을 표 8에 요약하였다.

[표 8]

조분쇄한 폐콘크리트에는 200번체 통과분이 존재하며, 이는 투수계수를 감소시킬 것으로 판단된다. 따라서, 폐콘크리트는 100번체 통과분은 제거하고 사용하는 것을 전제로하여 주강사의 혼합비에 따른 투수계수의 변화를 검토하였다.

주강사의 혼합비에 따른 투수계수의 변화는 도 4에 제시 된 바와 같이 재생모래의 투수계수는 주강사의 혼합비율이 증가함에 따라 커지는 경향을 보이고 있으며 이를 2차회귀식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, X는 주강사의 혼합비율이며 회귀결과 R²는 0.992이다.

시험결과, 혼합기가 40% 이상이면 투수계수가 10^-2cm/sec 이상으로서 시방 규정에 적합한 것으로 나타났으나 다소의 시험오차 및 재료의 분산을 고려하면 혼합비는 50% 이상을 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 본 발명에 의한 재생모래의 환경에 대한 무해성은 앞서 여러 용출시험 결과에서 무해한 것으로 판명되었으며, 다음과 같은 조건에서 배수용 재료로서 사용될 수 있는 것으로 나타났다.

- 폐콘크리트는 100번체 통과분은 제거

- 용출시험결과 환경에 무해

- 폐주물사 및 폐주강사의 혼합비 50% 이상

도면 도 5에서 보듯이 폐콘크리트 가루는 다양한 크기의 입자가 혼재되어 있고, 주물사의 경우는 입도가 균등하므로, 주물사의 혼합비가 커짐에 따라 그래프가 점점 왼쪽으로 향하고 있다. 또한, 투수시험 결과 주물사의 혼합비가 커질수록 투수계수의 값은 증가됨을 알 수 있었다.

본 발명의 재생모래 투수계수는 (2.00 ∼ 2.48)×10^-2cm/sec이며 샌드 드레인 또는 팩 드레인용 및 샌드 매트용 모래의 소요 투수계수인 1×10^-2cm/sec이상이다. 또한, 환경에 유해한 물질이 용출되지 않으므로 연약지반의 배수재로서 사용할수 있으며, 폐기물 재활용으로 인한 막대한 양의 자연산 모래를 절약할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 재생모래는 대용모래로서 모르터, 벽돌 및 건자재 및 아스팔트 충진용 모래 매설 배관용 충진재 등으로 사용할 수 있으며, 이를 위한 기초물성시험으로 본 발명에 의한 재생모래로 제작한 벽돌의 압축강도, 내구성, 흡수율, 열전도율, 접착강도 및 동결융해 시험을 실시하였으며, 표 9에서 볼 수 있는 바와 같이 우수한 성질을 나타내어 재생모래의 품질을 인정받았다.

[표 9]

시멘트 몰탈 및 연소재 벽돌로서의 내화도를 시험하여 각각 7 및 8의 내화도를 나타냈다. 또한 비전도도 및 PH에 대한 시험을 실시한 결과 중성 및 약알카리성으로 부식에 대하여 안전한 것으로 확인되었다.

또한, 본 발명에 의한 재생모래의 아스팔트 포장용 충진재료로서의 타당성을 시험하였으며 표 10과 같다.

[표 10]

본 발명에 의한 재생모래는 품질을 표준화하기 위하여 모든 공정을 기계화 하였으며, 제조공정은 도 6에서와 같이 석탄재는 폐기물 중 이물질을 제거하고 석탄재를 완전히 분리한 후 야적장에 보관한다. 그리고 폐주물사는 분쇄기에 넣어 분쇄한 후 13mm 또는 소정의 체를 통과시킨 후 콘베아벨트와 셔블을 이용하여 중화처리실로 운반하며, 이때 콘베아벨트 위로 자석을 통과시켜 철성분을 분리, 제거한다. 그리고 폐콘크리트는 목재, 철근 등 이물질을 제거한 후 분쇄기로 분쇄하고 13mm 또는 소정의 체를 통과시킨 후 콘베아벨트와 셔블을 이용하여 야적장에 보관한다. 이때 콘베아벨트 위로 자석을 통과시켜 못, 철근 등 철성분을 분리, 제거한다. 또한, 폐주물사는 중화처리실에서 산을 투입하고 믹서로 혼합하여 PH 7∼9 가 되도록 조정하며, 중화처리가 끝난 폐주물사는 콘베아벨트를 이용하여 홉바로 이동시킨다. 그리고 분쇄된 폐콘크리트와 연탄재도 홉바로 운반하여 혼합함으로써 본 발명의 재생모래가 만들어진다.

이러한 폐기물의 재활용은 폐기물을 처리하는 과정의 매립장 건설비용을 절약하고, 2차적인 환경오염을 최소화함은 물론 자연자원을 절약하는 등 환경보전을위하여 가장 바람직한 실천방안으로서, 환경에 유해한 물질이 용출되지 않으므로 연약지반의 배수재로서 사용할 수 있으며, 폐기물 재활용으로 인한 막대한 양의 자연산 모래를 절약할 수 있다.

Claims

연탄재, 석탄재, 소각재 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 연소재 10∼35%와;

산을 넣어 중화시킨 PH7-9의 폐주물사 또는 폐주강사 30-40%와;

13mm 이하의 크기로 조분쇄한 폐콘크리트 35∼50%;

를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐주물사 또는 폐주강사를 이용한 재생모래의 제조방법.