KR100468198B1

KR100468198B1 - 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한건축자재의 제조방법

Info

Publication number: KR100468198B1
Application number: KR10-2001-0081352A
Authority: KR
Inventors: 민병억; 오현환
Original assignee: (주)토원테크; 민병억
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2005-01-26
Also published as: KR20020023799A

Abstract

다량의 폐주물사에 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토흙 등을 혼합하여 기와, 벽돌, 보도블록, 인공어초, 경계석, 및 흄관 등과 같은 건축자재를 제조할 수 있도록 한 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 건축자재의 제조방법은 공급기에서 폐주물사, 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토를 물과 함께 혼합하는 단계; 혼합물을 여과망에 통과시켜 여과시키는 단계; 석별기를 통하여 돌과 불순물을 제거하는 단계; 불순물이 제거된 혼합물을 분쇄기를 통해 미세하게 분쇄하는 단계; 진공토련기를 통하여 혼합물 속의 공기를 완전히 제거하는 단계; 공기가 제거된 혼합물을 소정의 형틀에 주입한 후 프레스로 압착하여 건축자재를 성형시키는 단계; 성형된 건축자재를 건조시키는 단계; 및 건조된 건축자재를 소성로에 투입하여 1000∼1300℃로 가열하고 24∼30시간 소성시키는 단계를 포함한다.

Description

폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법{CONSTRUCTION MATERIAL COMPOSITION USING FOUNDRY WASTE SAND AND METHOD OF PRODUCING CONSTRUCTION MATERIAL USING THE COMPOSITION}

본 발명은 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 다량의 폐주물사에 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토흙 등을 혼합하여 기와, 벽돌, 보도블록, 인공어초, 경계석, 및 흄관 등과 같은 건축자재를 제조할 수 있도록 한 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 주물사는 주성분이 규사인 모래로서 주조공장에서 일정한 형상모양의 제품을 성형하는 형틀로 사용되고 수명이 다하면 폐기처리 되는데 주형 후 폐기되는 폐주물사에는 철분과 규산소오다가 대량 함유되어 골재로 사용할 때 백화현상이 발생함에 따라 사용이 불가능하였다.

주물사의 주성분인 규사는 대부분 수입에 의존하기 때문에 그 가격이 고가이므로 주물사를 확보하는 데도 많은 어려움이 있으며, 특히 사용후 폐기되는 폐주물사는 막대한 처리비용을 감수하지 않으면 안되므로 주물사의 구입과 후처리에 많은 어려움이 있었다.

종래에는 폐주물사를 물에 씻고 열을 가하는 방법으로 철분과 규산소오다를 제거하여 재활용하려는 노력을 하고 있으나 제 2의 공해와 비용이 방대하게 소요되어 경제성이 없는 문제점이 있었다.

폐주물사의 주성분은 이산화규소 85.15%, 산화알루미늄 1.35%, 흑연 2%, 규산소오다 5%, 염화나트륨0.5%, 불순물 0.35%, 기타 0.45% 등으로 강알카리성 화학점결 물질로 pH가 약 9∼10으로서, 그 주성분의 SiO₂이며, 소량의 알루미나 및 산화철을 포함하고 있어 우리 인체에 굉장히 해로운 물질이지만 일부는 건자재 제조에 사용되나 대부분 매립등의 방법으로 처리되어지고 환경오염에 심각한 영향을 주고 있는 실정이다.

따라서, 일부에서는 이러한 폐주물사를 이용하여 염전 택토용, 저급구조재, 저지대 성토용 및 건축자재 등의 원료로서 활용하고자 하는 노력을 기울이고 있는 바, 이와 관련하여 대한민국 특허 공고번호 제 94-5537호에서는 폐주물사를 500∼700℃로 가열한 상태에서 연마시키는 방법의 건축자재 제조방법을 제공하고 있으나 이러한 방법은 하소된 폐주물사 표면에 형성된 탄화 유기물질 및 물유리와 같은 무기물질 피막을 제거하기 위하여 연마시키는 공정이 별도로 필요할 뿐만 아니라 연마시 윤활제로서 첨가되는 물비누 성분을 최종적으로 제거하기 위한 세척공정을 필요로 하여 제조비용을 크게 상승시키는 문제점이 있다.

또한 대한민국 특허공고 번호 제 94-7264호에서는 폐주물사, 시멘트, 플라이애쉬 및 접착력강화제로서의 CMC등을 혼합하여 모르타르 시멘트로 제조하는 기술을 제시하고 있으나 이는 폐주물사에 함유된 유기 불순물의 제거를 위한 하소공정이 선행되지 않아 궁극적으로 제조된 모르타르 시멘트의 강도특성 등의 물성이 저하되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 모르타르 제조시 폐주물사에 함유된 철분, 구리 등의 금속성분이 수분에 의하여 산화됨으로써 모르타르 외부로 용출되어 외관을 크게 손상시키게 되며 따라서 이러한 제반 문제점들로 인하여 폐주물사의 재활용량이 매우 미흡할 수밖에 없으므로 배출되는 폐주물사의 절대량 감소효과는 기대하기 어려운 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제1999-030470호에서는 폐주물사의 철분을 자석으로 제거하고 200∼500℃의 열을 가하여 불순물을 제거하고 이를 혼합기에 투입한 후 접착제(에틸셀룰로우스)를 첨가하여 시멘트와 혼합하여 제조하는 폐주물사를 이용한 골재의 제조방법을 개시하고 있으나, 자석 등과 같은 별도의 철분제거수단을 사용해야 하는 불편한 점이 있고 시멘트를 사용함으로써 시멘트의 독성이 그대로 방치되는 문제점이 있다.

상기 종래 기술들은 건축물에 사용되는 건축자재 조성물에 주로 폐석회, 시멘트, 계면활성제, 경화재, 접착제(히드록시에틸셀룰로우스)등을 사용하고 폐주물사를 일부 혼합하여 사용하고 있으나 완전히 환경오염 물질을 제거할 수가 없고 주로 시멘트를 혼합 사용하므로 시멘트의 독성이 그대로 방치되는 상태에 있게 된다.

또한, 상기의 기술들은 건축물에 사용되는 건축자재 조성물에 관한 것이나, 단열 및 방음과 방수가 완전히 되지 못하며 주로 시멘트와 경화재, 접착제를 혼합한 건축 조성물로 공해방지를 완전히 차단하지 못하는 실정이다.

또한, 폐주물사는 환경오염의 근원이 되는 것으로 어떠한 방법을 통해서든지 더 많은 양을 재활용하거나 건축자재 등으로서 재처리하는 것이 바람직하지만, 지금 현재의 기술로는 강도의 문제나 환경오염물질의 함유 등을 완전히 해결할 수 없었다.

따라서, 종래에 소량만 첨가되던 폐주물사를 대량으로 첨가하여 건축자재 조성물을 제조할 수 있는 방법에 대한 연구가 지속적으로 있어 왔고, 본 출원인에 의해 이러한 연구가 완성되게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 강도문제나 환경오염물질의 완전제거 등을 해결함으로써 대량의 폐주물사를 첨가하여 건축자재를 제조할 수 있도록 한 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 환경오염물질인 폐주물사를 전국에 산재해 있는 특수한 흙과 혼합하고 그 혼합물을 소성함으로써, 환경오염의 성분을 완전 차단하고 고형된 제품에서 원 적외선이 방출될 수 있도록 한 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 건축자재조성물은 폐주물사 50∼55wt%, 검은흙 5∼10wt%, 진찰흙 15∼20wt%, 고령토 10∼15wt%, 함안황토 10∼15wt%, 및 황토 5∼10wt%를 혼합하여 이루어지며, 상기 폐주물사, 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토의 성분비는 5 : 0.5 : 2 : 1 : 1 : 0.5인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 건축자재의 제조방법은 공급기에서 폐주물사, 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토를 물과 함께 혼합하는 단계; 혼합물을 여과망에 통과시켜 여과시키는 단계; 석별기를 통하여 돌과 불순물을 제거하는 단계; 불순물이 제거된 혼합물을 분쇄기를 통해 미세하게 분쇄하는 단계; 진공토련기를 통하여 혼합물 속의 공기를 완전히 제거하는 단계; 공기가 제거된 혼합물을 소정의 형틀에 주입한 후 프레스로 압착하여 건축자재를 성형시키는 단계; 성형된 건축자재를 건조시키는 단계; 및 건조된 건축자재를 소성로에 투입하여 1000∼1300℃로 가열하고 24∼30시간 소성시키는 단계를 포함한다.

이때, 상기 건축자재 건조단계는 그늘에서 1∼2일동안 수분을 1차 건조시키는 단계; 및 햇볕에서 남은 수분을 2차 건조시키는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 산업폐기물인 폐주물사를 50%이상 사용하여 점토 건축자재조성물을 제조하고 그 조성물을 이용하여 건축자재를 성형하는 것이다. 상기에 언급된바와 같이, 종래에도 폐주물사를 이용하여 다양한 건축자재를 제조하여 사용하여 왔지만, 건축자재 자체의 취약한 강도문제와 폐주물사에 함유된 독성물질의 잔존문제 때문에, 건축자재를 제조할 때에 첨가되는 폐주물사의 양이 최대 30%이하로 제한적일 수 밖에 없었다.

즉, 본 발명은 폐주물사에 첨가하는 구성요소들을 새롭게 구성함으로써, 강도문제와 독성의 잔존문제를 해결함으로써, 건축자재조성물에 사용되는 폐주물사의 양을 50%이상 사용할 수 있도록 한 것에 특징이 있는 것이다.

본 발명에 따른 건축자재조성물은 폐주물사 50∼55wt%, 검은흙 5∼10wt%, 진찰흙 15∼20wt%, 고령토 10∼15wt%, 함안황토 10∼15wt%, 및 황토 5∼10wt%를 혼합하여 이루어진 것이다. 특히, 폐주물사, 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토의 성분비는 5 : 0.5 : 2 : 1 : 1 : 0.5인 것이 더욱 바람직하다.

이때, 사용되는 흙에 대해 살펴보면, 상기 흙들은 저장고에 저장중인 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 황토 등을 1년간 비나 눈속과 같은 자연상태에 그대로 방치하여 흙이 산화작용에 의해 발효가 되어 흙의 지력이 강해지고 접착력이 강해서 찰지며 질감이 좋아지게 한 것으로, 폐주물사와 혼합하면 접착력이 좋아지고 흡수력도 좋으며 강도가 강해져 제품이 완성되었을 때 1등급의 제품이 되는 것이다.

(1) 검은흙은 본래 온대 또는 냉량한 아습윤기후(스텝기후)하에서 주로 넓은 초원에서 생성된 토양으로 흑색초원토라고도 한다. 가장 위인 A층은 유기물 함량이 높아 흑색 또는 암회색을 띠고, 입상(粒狀)구조를 나타내면서 비교적 두껍고,그 밑에 석회 집적층이 있다. 담갈색인 구조 B층을 가지거나 또는 직접 석회함량이 높은 C층위에 얹혀 있다. 주로 리스 또는 빙성(氷成) 퇴적물 위에 발달한 토양이며, 전체층을 통하여 석회함량이 높다. 이 토양은 연간 수개월은 건조해 있다.

(2) 고령토는 카올린 ·고릉토 ·백도토(白陶土:china clay)라고도 한다. 그 주성분은 카올리나이트 Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O와 할로이사이트 Al₂O₃·SiO₂·4H₂O이다. 바위 속에 있는 장석 ·정장석 ·소다 장석 ·회장석 같은 장석류가 탄산 또는 물에 의해 화학적으로 분해되는 풍화에 의해 생성된다. 보통 원성토(原成土)로 된 바위 위에 수 m의 두꺼운 층이 생겨 발달한다. 도자기의 원료로 사용되며 중국의 가오링[高陵]에서 많이 산출되었으므로 고령토라 불리게 되었다. 한국에서는 흔히 백토(白土)라고 하는데, 경남 하동(河東) 지방에 질이 좋은 백토가 많이 생산된다.

(3) 황토는 중국 본토인 황허강[黃河] 유역에 널리 분포하는데, 그 밖에 미국의 미시시피강 유역, 유럽 중앙부 등에도 분포한다. 중국 본토의 황토는 북서부에 있는 사막으로부터 편서풍에 의하여 운반되어 퇴적된 것이며, 그 밖의 것은 빙하가 후퇴한 뒤의 퇴적물이 바람에 운반된 것이다. 황갈색을 띠고 풍화를 잘 받지 않으며, 모난 수직 벽면을 만들고 주로 석영을 함유하며 그 밖에 휘석 ·각섬석 등을 함유하여 석회질이다. 빙하 퇴적점토와 함께 스텝기후하의 체르노젬 등의 비옥한 토양의 모재가 된다.

(4) 함안황토는 황토중에서도 부드럽고 고운황토로서 함안지방에서 채취되는 황토를 말한다.

한편, 폐주물사와 진찰흙이 혼합되면 진찰흙은 점도가 강하므로 폐주물사와 혼합시 접착력이 좋으며, 고령토가 함유될 때 강도가 강해진다. 그러나 진찰흙과 고령토만 사용하면 강도와 접착력이 너무 강하여 건조시 갈라짐 발생하므로 황토와 함안황토 및 검은흙 등을 배합하여 상호간에 유기적인 배합으로 점도와 강도를 조절하는 것이다. 이렇게 함으로써 1300℃정도의 온도로 소성할 경우에 갈라짐이 발생하지 않고 여름의 온파와 한파를 이겨낼 수 있는 건축자재 조성물을 제조할 수 있는 것이다.

하기 표 1에는 본 발명에 사용되는 검은흙, 고령토, 황토, 함안황토, 및 진찰흙에 대한 성분을 나타낸 것으로, 한국건자재시험연구원에 시험을 의뢰하여 얻은 결과이다.

본발명에 사용되는 흙의 성분비교표

	SiO₂(%)	Fe₂O₃(%)	Al₂O₃(%)	CaO(%)	MgO(%)	K₂O(%)	Na₂O(%)	강열감량
검은흙	67.7	5.69	16.4	0.27	0.88	2.17	0.36	5.7
고령토	66.1	4.64	17.6	0.62	0.89	2.75	0.83	5.2
황토	73.8	3.16	14.4	0.23	0.39	1.74	0.18	5.0
함안황토	66.7	3.60	17.1	0.58	1.38	2.59	1.54	5.3
진찰흙	68.4	3.02	16.4	0.53	1.15	2.46	1.33	5.1

이렇게 해서 제조된 건축자재조성물을 이용하여 건축자재를 제조하는 방법에 대해 상세히 살펴보겠다.

먼저, 공급기에서 폐주물사, 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토를 물과 함께 혼합한다. 이때, 그들의 성분비를 보면 폐주물사 50wt%, 검은흙 5wt%,진찰흙 20wt%, 고령토 10wt%, 함안황토 10wt%, 황토 5wt%를 혼합하는 것이 가장 바람직하고, 그때의 총중량 대비 약 20wt%정도의 물을 혼합하는 것이 바람직하다.

그 후에, 혼합물을 여과망에 통과시켜 여과시켜 이물질을 제거하고, 여과된 혼합물은 석별기를 통하여 돌과 불순물을 제거하게 된다.

불순물이 제거된 혼합물은 분쇄기를 통과시킴으로써 미세하게 분쇄하고, 진공토련기를 통하여 혼합물 속의 공기를 완전히 제거하여, 건축자재 조성물을 제조한다.

이후에, 건축자재를 만들기 위해서는 제조하기 원하는 형상으로 된 소정의 형틀에 상기 조성물을 주입한 후 프레스로 압착하여 건축자재를 성형시키고, 성형된 건축자재를 건조시킨다. 이때, 건조방법으로는 그늘에서 1∼2일동안 수분을 1차 건조시킨 후, 햇볕에서 남은 수분을 완전히 2차 건조시키는 것이 바람직하다.

그 후에, 건조된 건축자재를 소성로에 투입하여 1000∼1300℃로 가열하고 24∼30시간 소성시킨 후 약 60시간이 지난 후에 냉각된 상태로 꺼내면 건축자재가 완성되는 것이다.

이와 같이 제조된 폐주물사를 이용한 건축자재는 폐주물사를 50%이상 사용하였음에도 불구하고 강도가 우수하고, 원적외선을 다량 방출함으로써 인체에 무해하고 오히려 유익하다는 것을 알 수 있으며, 이를 입증하기 위하여 본 출원인은 한 국건자재시험연구원에 의뢰하여 원적외선 방사율 및 방사에너지와 휨파괴하중 및 흡수율을 시험하여 우수한 결과를 얻었으며, 그 결과는 하기 표 2 및 표 3에 나타나 있다.

시험에 있어서, 원적외선 방사율 및 방사에너지의 시험에는 점토벽돌을 사용하였고, 휨파괴하중 및 흡수율의 시험에는 점토기와를 사용하였으며, 폐주물사를 첨가한 것과 첨가하지 않은 것에 대해 시험하였다.

원적외선 방사율 및 방사에너지

종 류	방사율(5∼20 ㎛)	방사에너지(W/㎡)
점토벽돌(본발명)	0.920	3.71 X 10²
점토벽돌(일반품)	0.900	3.63 X 10²

상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 건축자재가 일반 벽돌보다 원적외선을 더 많이 방출하는 것을 알 수 있으며, 원 적외선이 많이 방출된 다는 것은 인체에 무해하다는 것을 입증하는 것이다.

휨파괴 하중 및 흡수율

종 류	휨파괴 하중(N.kgf)	흡수율(%)
KS 규격품	2,800이상	12이하
점토기와(본발명)	3,355	5
점토기와(일반품)	4,506	3

표 3에 기재된 바와 같이, 휨파괴 하중 및 흡수율 검사에서도 일반 점토기와와 비교해서는 약간 부족할지 모르지만, 폐주물사를 50%이상 사용하였음에도 불구하고 KS규격에 전혀 손색이 없고 그 제품의 질이 월등히 나음을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 건축자재조성물은 결합재로서 시멘트나 각종 슬러지 등을 전혀 사용하지 않고, 천연재료인 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토를 사용한 것으로 시멘트의 독성과 같은 2차적인 환경오염을 방지한 것이 또 하나의 큰 특징이다.

상기에 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 건축자재조성물 및 그를 이용한 건축자재의 제조방법에 따르면, 산업폐기물에서 부산물로 생성되는 환경오염물질인 폐주물사를 100% 재활용하면서, 방음, 방수, 단열재인 점토건축물 자재를 제조할 수 있으며, 시멘트나 슬러지 같은 2차 환경물질이 배출되지 않은 완전한 무공해 자연적인 흙을 사용하므로 국토보존에 크게 기여하며 폐주물사의 무단방치로 인한 환경오염을 막을 수 있고, 자원의 재활용으로 국가에 크게 이바지 할 수 있는 획기적인 제조물인 것이다.

한편, 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

폐주물사 50∼55wt%, 검은흙 5∼10wt%, 진찰흙 15~20wt%, 고령토 10~15wt%, 함안황토 10~15wt%, 및 황토 5∼10wt%를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐주물사를 이용한 건축자재조성물.
제 1항에 있어서, 상기 폐주물사, 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토의 성분비는 5 : 0.5 : 2 : 1 : 1 : 0.5인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 이용한 건축자재조성물.
공급기에서 폐주물사, 검은흙, 진찰흙, 고령토, 함안황토, 및 황토를 물과 함께 혼합하는 단계;

혼합물을 여과망에 통과시켜 여과시키는 단계;

석별기를 통하여 돌과 불순물을 제거하는 단계;

불순물이 제거된 혼합물을 분쇄기를 통해 미세하게 분쇄하는 단계;

진공토련기를 통하여 혼합물 속의 공기를 완전히 제거하는 단계;

공기가 제거된 혼합물을 소정의 형틀에 주입한 후 프레스로 압착하여 건축자재를 성형시키는 단계;

성형된 건축자재를 건조시키는 단계; 및

건조된 건축자재를 소성로에 투입하여 1000∼1300℃로 가열하고 24∼30시간소성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐주물사를 이용한 건축자재 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 건축자재 건조단계는,

그늘에서 1∼2일동안 수분을 1차 건조시키는 단계; 및

햇볕에서 남은 수분을 2차 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐주물사를 이용한 건축자재 제조방법.