KR100529422B1 - 유리연마 슬러지를 함유하는 시멘트 또는 콘크리트용혼화재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트(Cement) 또는 콘크리트(Concrete)용 혼화재에 관한 것으로 , 유리제조 및 가공공정에서 발생하는 연마 슬러지를 함유하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따라 사용되는 유리 연마 슬러지는 기존에 시멘트 및 콘크리트 혼화재로 주로 사용하였던 플라이애쉬와 고로슬래그 보다 잠재수경성이 높고, 평균 입경이 50㎛ 이하로 미세하기 때문에, 별도의 분쇄 및 선별ㆍ분리공정 없이도 시멘트 및 콘크리트 혼화재로의 이용이 가능하며, 초기재령에서의 압축강도 하락을 방지하고 기타 물성의 저하가 없으며, 또한 잠재수경성이 높아서 별도의 고온소성과정 없이도 시멘트 수화과정에 의한 알카리 물질의 자극에 의해 고강도의 발현이 가능하여 벽돌 등 시멘트 이차제품의 원료로의 이용이 가능하다.

Description

유리연마 슬러지를 함유하는 시멘트 또는 콘크리트용 혼화재 조성물{Admixture composition for cement or concrete comprising sludge from glass manufacturing process}
본 발명은 시멘트(Cement)나 콘크리트(Concrete)의 제조시에 배합되는 혼화재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유리의 제조, 가공공정 등에서 발생하는 연마 슬러지를 함유하는 시멘트 또는 콘크리트용 혼화재 및 이를 배합한 시멘트 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
혼화재란 물리ㆍ화학적 작용에 의해 시멘트나 콘크리트의 성능을 개선시키거나 경제성 등의 목적으로 시멘트나 콘크리트를 제조할 때 혼합하여 원하는 특성을 부여하기 위하여 사용되는 재료라고 할 수 있다. 일반적으로 사용되는 혼화재료로서는 잠재수경성을 갖는 포졸란(Pozzolan) 물질로서 고로 슬래그 미분말이나 플라이애쉬 등이 있다. 이러한 시멘트 및 콘크리트 혼화재는 상대적으로 고가인 시멘트량을 치환해서 사용함으로서 경제적일 뿐 아니라, 환경적으로도 매립ㆍ폐기되는 산업부산물을 재활용하는데 기여하며, 장기강도 발현, 화학저항성 증대, 매스(Mass) 콘크리트에서의 수화열 저감 등 장점이 많은 재료로서 그 사용량이 점차 증가되고 있는 추세이다.
그러나 고로슬래그 미분말이나 플라이애쉬를 시멘트나 콘크리트의 혼화재로 사용하기 위해서는 고로슬래그를 분말도 3,500㎠ 이상이 되도록 미세하게 분쇄하거나 플라이애쉬중에 함유되어 있는 미 연소된 탄소를 일정함량 이하로 낮추는 정제공정이 필요하며, 이렇게 사용된 혼화재의 잠재수경성은 보통 7일 이후에 개시되므로 고로슬래그 미분말이나 플라이애쉬의 시멘트 치환량을 증가시키면 초기재령인 1, 3일에서의 강도가 저하되기 때문에 건설현장에서의 공기단축 및 시멘트 이차제품 제조시 양생기간이 증가되어 생산성이 저하되는 문제점을 갖고 있다.
상기한 문제점을 개선하기 위하여 수화활성을 증가시키거나 반응표면적을 증가시키는 것이 필요하다. 종래, 수화활성을 증가시키기 위해서 자극제(chemical activator)를 사용하거나, 반응표면적을 증가시키기 위해서 미분쇄하는 방법이 시도되었으나, 이러한 방법들은 내구성 저하 및 원가상승 등의 문제를 초래한다.
한편, 유리 연마 슬러지는 유리제조 및 가공공정에서 발생하는 산업부산물로서 대부분 매립 처리되고 있는 실정이며, 이러한 연마 슬러지를 재활용하기 위하여 기존에는 유리 연마 슬러지를 폐유리, 폐석고 및 석회 등과 혼합하고, 1000℃ 이상의 고온으로 소성하여 벽돌이나, 경량발포 세라믹 등의 건축자재를 제조하는 방법이 보고된 바 있다〔참조: 대한민국 공개특허 특2002-0015461, 대한민국 공개특허 특1998-068412〕
본 발명은 종래의 상기와 같은 시멘트 및 콘크리트 혼화재의 문제점 및 유리연마슬러지를 재활용하기 위해 1000℃ 이상의 고온으로 소성 해야하는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 산업부산물로서 공해유발과 처리에 어려움이 있는 유리 연마슬러지의 고유특성을 활용하여, 별도의 소성, 분쇄 및 분리ㆍ선별공정 없이도 높은 품질의 혼화재로 사용이 가능하며, 초기재령에서의 압축강도 하락을 방지하고 기타 물성의 저하가 없는 시멘트 및 콘크리트 혼화재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 해결한 본 발명에 의하면 유리 연마 슬러지를 함유하는 것을 특징으로 하는 시멘트 또는 콘크리트용 혼화재 조성물이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 상기 혼화재 조성물을 함유하는 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 상기 혼화재 조성물을 함유하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물이 제공된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에서의 유리 연마 슬러지라 함은 유리 표면 및 모서리 가공시 발생하는 연마 슬러지 뿐 만 아니라, 유리원료 배합 및 용융, 성형, 가공 등 유리를 제조하고 가공하는 전 공정에서 발생하며, 다양한 공정에서 발생하는 폐수를 처리하는 폐수처리공정에서 발생하는 다양한 종류의 혼합 슬러지를 포함한다.
본 발명의 혼화재 조성물은 유리 연마 슬러지에 수화조절재로서 석고를 1∼8 중량% 함유할 수도 있고, 사용목적에 따라서 플라이애쉬나 슬래그 미분말 또는 기타 혼화재 물질을 적정비율, 바람직하게 3∼80중량%의 비율로 함유할 수도 있다. 콘크리트의 품질을 향상시키거나, 혼화재의 사용량을 증가시키는 등 사용목적에 적합하도록 플라이애쉬와 슬래그 미분말 등의 재료를 병행하여 사용 할 수 있다.
본 혼화재 조성물에 있어서, 유리 연마 슬러지나 석고 및 플라이애쉬, 슬래그 미분말은 시멘트 제조과정에 있어서 목적하는 물성을 얻기 위하여 각각 독립적으로 단순혼합하거나 혼합분쇄 및 분리분쇄할 수 있다.
상기한 혼화재 조성물을 사용하여 콘크리트를 조성하는 경우 시멘트 중량의 10∼40% 정도로 함유시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 혼화재료로 유리제조 및 가공공정에서 발생하는 유리연마 슬러지의 높은 잠재수경성과 미세한 분말특성을 이용하여 별도의 분쇄공정이나 분리ㆍ선별 등의 전처리 없이 사용할 수 있기 때문에 기존에 별도의 분쇄 및 분리ㆍ선별 후 혼화재로 사용하였던 고로슬래그 미분말이나 플라이애쉬에 비하여 가격을 크게 낮추면서도 초기 수화가 크게 향상되어 초기강도의 하락을 방지하고 장기간에 걸친 내구적인 시멘트 몰탈 및 콘크리트 제품의 제조가 가능하다.
본 발명에 사용된 혼화재료인 유리 연마 슬러지는 아래와 같은 특징을 갖는다. 유리 연마 슬러지는 브라운관과 같이 유리 표면을 가공하는 공정이나 및 판유리의 모서리를 가공할 때 주로 발생되므로, 연마슬러지는 대부분 유리와 연마제가 미세하게 마쇄된 상태로 존재하게 된다.
특히 바람직한 유리 연마 슬러지는 평균입경이 50㎛ 이하인 미립의 물질로서 비정질인 유리의 연마 미분인 이산화규소(SiO2)가 50% 이상 함유되어 있어 잠재수경성이 높으며, 시멘트 수화광물을 형성하는 이산화규소(SiO2)와 알루미나(Al2O3 ), 산화칼슘(CaO)의 전체함량이 70% 이상 포함하는 것이다.
유리 연마 슬러지의 대표적인 화학성분을 표 1에 나타낸 바와 같다.
SiO2 (%) Al2O3 (%) Fe2O3 (%) CaO(%) MgO(%) Na2O(%) K2O(%) Cl(%) Ignition loss(%)
61.0 11.5 9.5 2.1 1.5 2.8 2.5 0.03 7.2
표 2는 유리 연마 슬러지의 대표적인 포졸란 활성도 (Pozzolan activity)를 KS L 5508 규격의 방법에 준하여 측정하여 그 결과를 기존에 혼화재료로 사용중인 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말과 비교한 것이다.
구 분 Flow 압축강도(㎏/㎠)
7일 28일
유리연마 슬러지 67.0 120 152
플라이애쉬 65.2 42 88
고로슬래그 미분말 66.0 87 112
본 발명의 유리연마슬러지의 혼화재로서의 작용은 1차 적으로는 미세한 유리분말이 갖는 높은 잠재수경특성이 시멘트와 유리에 함유되어 있는 K2O, Na2O 및 CaO 등의 알카리 성분에 의해 촉진되어 초기 수화활성이 증진되며, 유리 연마공정시 투입되는 미세한 연마제가 미립자 충전 및 입자간 윤활 역할을 하여 유동특성을 증진시키는 것이 그 기본작용이다.
본 발명의 혼화재 조성물은 별도의 소성공정을 거치지 않고도 벽돌 및 지붕재 등 시멘트 이차제품의 첨가재나 콘크리트 원료로의 적용도 가능하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술하는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명이 하기 실시예로 제한되지 않는다.
[실시예 및 비교예]
유리 연마 슬러지를 혼화재료로 사용하는데 있어서 중요한 점은 유리 연마 슬러지를 일정량 시멘트와 콘크리트에 치환 사용하면서 수화조절재인 석고와의 적절한 조합 또는 기존에 사용하였던 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말과의 적절한 배합에 의해서 시멘트 모르타르(Mortar) 및 콘크리트의 초기강도 하락을 보상할 수 있느냐에 달려있다. 이에 수많은 실험을 수행하였으며, 그 결과 시멘트 모르타르 및 콘크리트에서 일정값 이상의 초기강도를 보상할 수 있으며, 유동특성 등 기타특성의 저하가 없는 제품의 제조가 가능함을 확인하였다. 실험결과 중의 일부를 하기의 표 3 내지 표 4에 나타내었다.
우선 통상의 포틀랜드 시멘트에 본 발명의 유리 연마 슬러지를 혼합하여 KS L 5105 규격에 준하여 모르타르 공시체를 제조하고, 표준양생을 실시한 뒤 각 경과 일에 대한 압축강도를 측정하였다. 그 결과는 표 3에 제시된다.
구분 포틀랜드시멘트(중량%) 혼화재 (중량%) 모르타르 압축강도비(%)
유리연마슬러지 석고 플라이애쉬 슬래그미분말 1일 3일 7일 28일
대조예 1 100 - - - - 100 100 100 100
비교예 1-1 90 - - 10 - 65 79 85 92
비교예 1-2 90 - - - 20 79 82 94 102
실시예 1-1 90 9 1 - - 102 103 106 105
실시예 1-2 90 6 1 3 - 101 102 104 104
실시예 1-3 90 5 1 - 4 98 101 102 102
실시예 1-4 70 26 4 - - 102 106 108 106
실시예 1-5 70 16 4 10 - 100 104 104 103
실시예 1-6 60 15 5 - 20 97 100 103 108
상기 표 3을 참조하면 혼화재를 첨가하지 않은 포틀랜드 시멘트를 사용하여 양생한 모르타르(대조예 1)의 압축강도를 100%로 하였을 때, 슬래그 미분말이나 플라이애쉬를 혼화재로 10% 치환 사용한 모르타르(비교예 1-1 및 1-2)의 1일, 3일 초기 압축강도가 매우 낮음을 알 수 있다. 반면 유리 연마 슬러지를 혼화재로 사용한 모르타르(실시예 1-1 내지 1-6)의 경우, 1일, 3일 초기강도 발현이 크게 향상되었다. 특히 유리 연마슬러지를 혼화재로 사용할 경우, 슬래그 미분말이나 플라이애쉬를 10% 정도 첨가하여도 초기 압축강도 저하현상이 없고, 7일, 28일의 장기강도도 크게 증가함을 확인하였다.
상기 1종 포틀랜드 시멘트와 본 발명의 유리 연마 슬러지가 혼입된 혼화재 조성물을 사용하여 콘크리트 표준배합인 압축강도 210㎏/㎠, slump 12㎝를 기준으로 배합하여 공시체를 제작한 후 표준양생을 실시하고 각 재령별로 압축강도를 측정하였다. 측정결과는 표 4에 제시된다.
구분 포틀랜드시멘트(㎏/㎥) 혼화재(㎏/㎥) 물 모래 자갈 혼화재 콘크리트 압축강도비(%)
유리연마슬러지 석고 플라이애쉬 슬래그미분말 3일 7일 28일
대조예 2 302 - - - - 184 735 1054 0.5 100 100 100
비교예 2-1 272 - - 30 - 184 735 1054 0.5 81 88 94
비교예 2-2 272 - - - 30 184 735 1054 0.5 84 95 100
실시예 2-1 272 27 3 - - 184 735 1054 0.5 102 105 108
실시예 2-2 272 15 3 - 12 184 735 1054 0.5 102 103 103
실시예 2-3 212 48 12 30 - 184 735 1054 0.5 98 105 104
실시예 2-4 182 45 15 - 60 184 735 1054 0.5 100 103 101
상기 표4에서 알 수 있는 바와 같이 포틀랜드 시멘트 100중량 %를 사용하여 양생한 콘크리트 공시체(대조예 2)의 압축강도에 비해 플라이애쉬와 슬래그를 혼화재로 사용한 콘크리트 공시체(비교예 2-1 및 2-2)의 초기재령에서의 압축강도가 크게 저하하였다. 그러나 본 발명의 유리 연마 슬러지를 혼화재로 첨가하여 사용한 콘크리트 공시체(실시예 2-1 내지 2-4)의 경우, 초기 및 장기재령에서의 압축강도가 크게 향상되었으며, 혼화재의 사용량을 30% 이상 증가하여도 콘크리트 물성저하가 없음을 확인 할 수 있었다.
상기와 같이 본말명의 유리 연마 슬러지를 시멘트 및 콘크리트용 혼화재로 사용하면 별도의 분쇄 및 분리ㆍ선별공정 없이도 1일 및 3일의 초기 재령에서의 압축강도 발현을 증가시킬 수 있으며, 또한 기존에 사용하였던 슬래그 미분말과 플라이애쉬와 혼합하여 사용할 경우, 콘크리트의 품질저하 없이 전체적인 혼화재 사용량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 에 의해 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형 및 응용이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 유리제조 및 가공공정에서 발생하는 산업부산물의 특성을 최대한 활용한 것으로서 별도의 분쇄 및 선별ㆍ분리공정 없이 시멘트 및 콘크리트용 혼화재로 사용함으로써 원가를 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 초기재령에서의 수화반응이 늦은 종전의 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 단점을 극복하여 시멘트와 콘크리트 제조시 혼화재의 사용량을 증가시킬 수 있으며, 건설현장에서의 초기수화 지연에 따른 공기지연을 방지할 수 있다.
또한 산업부산물의 사용량 증가로 인한 혼경오염 방지 및 자원재활용에 기여할 뿐만 아니라 혼화재 사용량 증가에 따른 시멘트 사용량 저감으로 에너지 절감 및 유해배가스 저감 등의 환경보호 효과도 기대할 수 있다.

Claims (6)

  1. 평균입경이 50㎛이하인 유리 연마 슬러지를 37.5 ~ 90중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 시멘트 또는 콘크리트용 혼화재 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유리연마 슬러지는 이산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3) 및 산화칼슘(CaO)의 전체함량이 70중량% 이상인 것을 특징으로 하는 시멘트 또는 콘크리트용 혼화재 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 수화조절제로서 석고를 1∼8 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 시멘트 또는 콘크리트용 혼화재 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 플라이애쉬, 슬래그 미분말 또는 이들의 혼합물을 3∼80중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 시멘트 또는 콘크리트용 혼화재 조성물.
  5. 청구항 1 기재의 혼화재 조성물을 시멘트 중량의 10∼40% 함유하는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
  6. 청구항 1 기재의 혼화재 조성물을 함유하는 것을 특징으로 하는 시멘트 이차제품.
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