KR100403913B1 - 산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 팽창압을 증가시키고 온도의존성을 감소시키기 위하여, 석회석 50∼70중량%와 소다회 공정 부산물 50∼30중량%로 구성되는 클링커 분말 100중량부와, 명반 0.1∼10중량부를 포함하여 구성되는, 산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제에 관한 것으로서, 소다회 공정 부산물을 클링커 제조시 사용함으로써 원가절감 효과가 우수할 뿐 아니라 소성 온도를 1200∼1250℃로 낮추고 파쇄 시간을 단축시키는 효과가 있다.

Description

산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제{Non-explosive demolition agent recycling industrial wastes}

본 발명은 암석이나 콘크리트 구조물의 파쇄, 해체공사에서 사용되는 정적 파쇄제에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 팽창압을 증가시키고 온도의존성을 감소시키기 위하여, 소다회 공정 중 발생되는 부산물을 클링커(clinker)의 재료로서 사용하고, 클링커의 소성 후 명반 분말을 첨가하여 구성되는 산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제에 관한 것이다.

일반적으로 암석이나 콘크리트의 해체시에는 환경공해, 안정성 등을 고려하여 정적(비폭성) 파쇄제가 널리 이용되고 있다.

특히 도시재개발 공사와 부분적 파쇄 공사 등이 증가함에 따라 주변의 생활환경을 고려한 안전한 무공해 파쇄·해체는 그 필요성이 점차 크게 증대되고 있다.

현재 사용되고 있는 정적 파쇄제는 생석회가 물과 반응하여 소석회가 되는 과정에서 일어나는 2배 정도의 부피 팽창에 의해서 구조물을 파쇄시키게 되는데, 초기 작업성을 위하여 여러가지 지연제를 첨가하여 사용하고 있으며, 유동성 확보를 위하여 유동화제를 함께 첨가하기도 하였다.

일반적으로, 정적 파쇄제는 조합원료의 화학 조성 및 소성 방법을 조절하여 제조된 유리 생석회(Free Lime)를 주성분으로 하는 분말에 글루콘산 염류, 구연산 염류, 당류나 유기산류 등의 지연제를 첨가하고, 유동성을 위하여 리그닌계 또는 나프탈렌계 유동화제를 혼합하여 제조하였다.

그리고 이와 같이 제조된 정적 파쇄제는 물과 혼합되어 슬러리 상태로 된 다음 파쇄하고자 하는 곳의 천공부를 통하여 내부로 주입되어 사용되었다.

이러한 정적 파쇄제의 필수 요건을 살펴보면 다음과 같다.

첫째로, 충진 작업을 할 수 있도록 작업 시간 및 유동성이 확보되어야 한다.

둘째로, 충진 후 수화열 등에 의해서 천공 입구로 분출되지 않아야 하고, 팽창압이 피파쇄체에 전달되어야 한다.

셋째로, 팽창압이 시작과 파쇄까지의 시간이 짧아야 한다.

넷째로, 온도가 달라도 그리고 어느 계절에서도 파쇄 시간이 일정한 범위 안에 있어야 한다.

다섯째로, 경제성이 있어야 한다.

그러나 종래의 정적 파쇄제는 생석회에 의한 수화반응에 전적으로 의존하기 때문에 온도 의존성이 매우 높아 동절기, 하절기의 경우 정적 파쇄제에 의한 파쇄 시간이 타파쇄 공법에 비하여 현저히 길게 소요되는 단점을 가지고 있었다.

특히, 10℃이하의 저온에서는 생석회의 수화반응성이 저하되어 분쇄시간이 2∼3일이나 소요되고, 5℃ 이하에서는 파쇄하는데 1주일 이상 걸리기도 하였다.

따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 생석회의 수화반응을 조절할 수있는 지연제에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 대부분의 지연제가 미량의 첨가량 변화만으로도 파쇄 팽창압 또는 파쇄 시간에 큰 영향을 끼쳐 그 조절이 용이하지 않은 문제점이 있다.

그리고 정적 파쇄제에 의한 파쇄 시간을 단축시키기 위한 속효 타입의 정적 파쇄제가 일본을 중심으로 개발되어 일부 시판되고 있으나, 첨가되는 수화반응 촉진제 및 지연제의 양적 조정, 정적 파쇄제 분말의 비표면적 조정 등의 대책에 국한되어 만족스러운 효과를 얻지 못하고 있는 실정이다.

한편 종래의 정적 파쇄제 제조 공정의 경우, 산화칼슘(CaO)원으로서 석회석, 소석회를 이용하고, 적당한 수화 반응성을 갖는 결정성이 큰 생석회를 얻기 위하여 철질 원료를 혼합하고 약 1300∼1350℃ 의 온도에서 소성하여 클링커(clinker)를 제조하기 때문에, 철질 원료 첨가 및 고온 소성에 따른 원가 부담이 크다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 작업성이 우수할 뿐 아니라 온도 의존성이 낮은 정적 파쇄제를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 파쇄 시간이 단축되고 경제성 있는 정적 파쇄제를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기와 같은 목적들은 소다회 공정 중 발생되는 부산물을 클링커의 재료로서 사용하여 원가절감 및 최종 제품의 온도 의존성을 개선하며, 소성 후명반 분말을 첨가하여 파쇄 시간을 단축시키고 계절에 따른 혼화제 투입양의 변동폭을 작게 하는 정적 파쇄제를 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 석회석 50∼70중량%와 소다회 공정 부산물 50∼30중량%로 구성되는 클링커 분말 100중량부와, 명반 0.1∼10중량부를 포함하여 구성되는, 산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제에 관한 것이다.

본 발명은 생석회, 석회석 또는 소석회에 산화제이철(Fe₂O₃), 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃) 등의 불순물이 들어가도록 고령토를 첨가하여 제조되는 종래의 산화칼슘계 정적 파쇄제 클링커와는 달리 소다회 공정 중 발생되는 부산물을 클링커 제조시 30∼50 중량부를 첨가함으로써 원가절감은 물론, 최종 제품의 온도 의존성을 개선하고, 파쇄 시간을 단축시킬 수 있다.

이 때 상기 소다회공정 부산물이 30 중량부 미만으로 첨가되면 소성시 산화칼슘(CaO)의 활성을 제어하기 위한 불순물이 적어 수화 팽창 시간을 조정하기가 용이하지 않으며, 50 중량부를 초과하여 첨가되면 소성시 필요 이상의 융제 및 촉진제가 생기므로 이로인해 수화팽창시간을 조정하기가 어려운 문제점이 있다.

하기 표 1은 소다회 공정 중 발생되는 부산물의 성분조성표로서 소다회 공정 부산물이 산화칼슘(CaO)를 주성분으로 하고 적당량의 산화마그네슘(MgO)과 이산화규소(SiO₂) 등을 함유하고 있음을 알 수 있다.

따라서, 상기와 같은 조성의 소다회 공정 부산물을 포함하여 제조되는 본 발명은 소성 온도를 1200∼1250℃로 낮출 수 있을 뿐 아니라, 추가의 소성 원료가 필요하지 않게 된다.

또한, 본 발명의 정적 파쇄제는 정적 파쇄제 대비 2∼4 중량부의 염화칼슘(CaCl₂), 염화나트륨(NaCl)과 같은 염화물을 포함하기 때문에 이에 따른 파쇄 시간이 단축되는 효과를 볼 수 있다.

	CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	SO3	I.g.loss
중량%	55∼60	21∼26	5∼7	2∼4	1∼3	3∼5	43∼48
주요 생성 광물	CaCO3, MgO, CaCl2, NaCl

명반(R₂0·3Al₂O₃·4SO₃·6H₂O; R₂O는 K₂O 또는 Na₂O)은 온도에 따라서 물에 대한 용해도가 다르기 때문에 여름에는 수화반응을 지연시키고 겨울에는 촉진시키는 역할을 하여 계절에 따른 혼화제 첨가량의 변동폭을 작게 하는 효과가 있다.

본 발명에서 사용되는 명반은 산화칼륨(K₂O)이 함유되어 있는 칼리 명반으로서 분말도가 500∼1500 m²/g 인 것이 바람직하며, 석회석과 소다회 공정 부산물로 구성되는 클링커 100 중량부에 대하여 0.1∼10 중량부로 첨가되는데, 이 때 0.1중량부 미만으로 첨가되는 경우에는 상기와 같은 효과가 나타나지 않으며, 10중량부를 초과하여 첨가되는 경우에는 최대 팽창압이 낮아지는 문제점이 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 정적 파쇄 과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명 정적 파쇄제는 물과 혼합되어 슬러리 상태로 된 다음 파쇄하고자 하는 곳 내부로 주입된다.

반응초기에는 명반에 의해 수화반응이 지연되다가 이 후 수화반응이 진행됨에 따라 소다회 공정 부산물의 주성분인 산화칼슘(CaO)의 수화발열에 의해서 명반의 반응을 촉진시키게 된다.

그 결과 산화칼슘에 의한 부피 팽창이 발생하여 팽창압이 발생하게 되고 이 팽창압에 의해 암석이나 콘크리트 등이 단시간내에 파쇄된다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하나, 본 발명이 기술된 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

1. 석회석 50g과 건조된 소다회 공정 부산물 50g을 혼합하고 볼밀을 사용하여 분쇄한 다음 1250℃에서 2시간동안 소성하여 정적 파쇄제 클링커를 제조하였다.

2. 상기 클링커에 명반 분말 3g, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 첨가하여 블레인 비표면적 2400∼2600 cm²/g인 정적 파쇄제를 제조하였다.

3. 상기 정적 파쇄제에 5℃의 물을 10:4의 비율로 혼합하여 슬러리를 만들었다.

실시예 2

석회석 60g과, 건조된 소다회 공정 부산물 40g과, 명반 분말 3g과, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정적 파쇄제를 제조하고, 5℃의 물을 혼합하여 슬러리를 만들었다.

실시예 3

석회석 70g과, 건조된 소다회 공정 부산물 30g과, 명반 분말 3g과, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정적 파쇄제를 제조하고, 5℃의 물을 혼합하여 슬러리를 만들었다.

실시예 4

석회석 60g과, 건조된 소다회 공정 부산물 40g과, 명반 분말 3g과, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정적 파쇄제를 제조하고, 20℃의 물을 혼합하여 슬러리를 만들었다.

실시예 5

석회석 60g과, 건조된 소다회 공정 부산물 40g과, 명반 분말 6g과, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정적 파쇄제를 제조하고, 20℃의 물을 혼합하여 슬러리를 만들었다.

실시예 6

석회석 50g과, 건조된 소다회 공정 부산물 50g과, 명반 분말 6g과, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정적 파쇄제를 제조하고, 20℃의 물을 혼합하여 슬러리를 만들었다.

비교예 1

1. 석회석 96g과 철질 원료 4g을 혼합하고 볼밀을 사용하여 분쇄한 다음 1350℃에서 2시간동안 소성하여 정적 파쇄제 클링커를 제조하였다.

2. 상기 클링커에 명반 분말 12g, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 첨가하여 블레인 비표면적 2400∼2600 cm²/g인 정적 파쇄제를 제조하였다.

3. 상기 정적 파쇄제에 5℃의 물을 10:4의 비율로 혼합하여 슬러리를 만들었다.

비교예 2

석회석 98g과, 철질 원료 2g과, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 사용하여 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 정적 파쇄제를 제조하고, 5℃의 물을 혼합하여 슬러리를 만들었다.

비교예 3

석회석 98g과, 철질 원료 2g과, 나프탈렌계 분말형 감수제 1.0g 및 글루콘산 소다 0.2g을 사용하여 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 정적 파쇄제를 제조하고, 20℃의 물을 혼합하여 슬러리를 만들었다.

비교예 4

국내 쌍용양회 제품에 20℃의 물을 10:4의 비율로 혼합하여 슬러리를 만들었다.

하기 표 2는 상기 실시예 및 비교예에서 사용한 석회석 및 소다회 공정 부산물의 성분조성표이며, 표 3은 상기 실시예 및 비교예의 정적 파쇄제의 조성비를 비교하여 나타낸 것이다.

(단위 : 중량%)

	CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	SO3	I.g.loss
석회석	50.74	5.20	0.34	0.43	0.08	0.20	42.27
부산물	59.01	23.76	5.4	2.61	1.96	3.42	45.20

분류	No.	클링커 원료 배합비(중량%)	클링커 분말 100중량부에 대비(중량부)	수 온(℃)
		석회석	슬러리		명 반	혼화제
실시예	1	50	50	3	나프탈렌계 분말형감수제 1.0글루콘산소다0.2	5
	2	60	40	3		5
	3	70	30	3		5
	4	60	40	3		20
	5	60	40	6		20
	6	50	50	6		20
비교예	1	96	철질 고령토 4	12		5
	2	98	철질 고령토 2	0		5
	3	98	철질 고령토 2	0		20
	4	국내 쌍용양회 제품	20

상기 실시예 1∼6 및 비교예 1∼4의 정적 파쇄제에 5℃ 또는 20℃의 물을 10:4의 비율로 1분 동안 혼합하여 슬러리를 만든 다음 수화반응시간과 시간경과에 따른 팽창압을 측정하고 하기 표 4에 상기 실험 결과를 나타내었다.

여기서 수화반응시간은 본격적으로 수화반응이 일어나기 시작할 때의 시간을 의미하며, 수화발열에 의해서 슬러리 온도가 80℃에 도달될 때까지의 시간을 나타내었다. 대체적으로 작업시간 및 파쇄예정시간에 따라서 다르기는 하나 약 100∼300 분까지가 바람직하다.

또한 팽창압은 직경 40mm, 길이 500mm의 팽창압 측정용 동관을 이용하여 아래에서 200mm 의 원주상의 4점에 압력 센서와 온도 센서를 부착하여 측정하였다.

일반적으로 암석 및 콘크리트 등의 취성 재료의 압축강도는 600∼1,300 ㎏/㎠ 이며, 이들을 파쇄하는데 소요되는 팽창압은 천공경 40mm 정도에서 피파쇄체에 따라서 다르기는 하나 80∼270 ㎏/㎠ 정도가 필요하다.

분 류	No.	혼합 직후온도(℃)	수화반응시간(분)	팽창압(㎏/㎠)
				4시간	6시간	12시간
실시예	1	12	210	-	70	160
	2	14	206	-	90	170
	3	18	232	-	80	150
	4	26	120	30	150	230
	5	28	140	40	200	320
	6	27	165	30	190	310
비 교 예	1	16	380	-	-	60
	2	18	428	-	-	30
	3	33	250	-	30	70
	4	29	112	30	80	180

상기 표 4에서 알 수 있듯이 초기 수온을 5℃, 20℃로 설정하여 계절에 따라 팽창압의 발현정도를 알아본 결과, 본 발명의 정적 파쇄제(실시예 1∼6)는 단기간(6∼12시간)에 팽창압을 발현하는 반면 비교예 1∼4는 온도에 대한 의존성이 크고 반응속도가 느려 12시간이 경과된 후에도 만족스러운 팽창압을 발현하지 못하였다.

또한 실시예 1, 2, 3 에서와 같이 소다회 공정중의 부산물과 석회석의 조성비가 일정범위 내에서 변화되더라도 물성에는 크게 영향이 없었으며, 12시간 내에 150 ㎏/㎠ 이상의 팽창압이 발현되어 매우 양호한 결과를 나타내었다.

그리고, 명반은 상기 실시예 1∼6에서와 같이 클링커 분말 100중량부에 대하여, 3.0∼6.0 중량부로 첨가되는 것이 가장 바람직한데, 6.0 중량부를 초과하여 첨가되는 경우, 팽창압이 단기간에 크게 나타나지만 동절기에는 그 효과가 작아진다.

본 발명은 산화칼슘을 주성분으로 하고 적당량의 산화마그네슘, 이산화규소 등을 함유하는 소다회 공정 부산물을 클링커 제조시 사용함으로써 원가절감 효과가 우수할 뿐 아니라 소성 온도를 1200∼1250℃로 낮추고 최종 제품의 온도 의존성을 개선하고, 파쇄 시간을 단축시키는 효과가 있다.

즉, 종래의 정적 파쇄제는 온도에 대한 의존성이 매우 커서 동절기, 하절기, 춘추절기에 따라 제품의 종류가 달라지며, 특히 동절기에는 반응이 지연되어 시공 자체를 자제하고 있는데, 본 발명의 정적 파쇄제는 단기간(6∼12시간)에 팽창압을 발현할 뿐만 아니라, 동절기에도 12시간내에 요구되는 팽창압을 발현한다.

그리고 본 발명은 온도에 따라서 물에 대한 용해도가 다른 명반을 사용하여 계절에 따른 혼화제 첨가량의 변동폭을 획기적으로 줄일 수 있으므로 품질 관리 및 재고 관리가 용이하게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 석회석 50∼70중량%와 소다회 공정 부산물 50∼30중량%로 구성되는 클링커 분말 100중량부와, 명반 0.1∼10중량부를 포함하여 구성되는, 산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제.
2. 제1항에 있어서, 상기 명반이 3.0∼6.0중량부로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제.
3. 제1항에 있어서, 상기 소다회 공정 부산물이 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화제이철(Fe₂O₃), 삼산화황(SO₃)으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 산업폐기물을 재활용한 정적 파쇄제.