KR100603643B1 - 비폭성 정적파쇄제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비폭성 정적파쇄제에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화칼슘(CaO)원에, 산화제이철(Fe₂O₃)과 산화알루미늄(Al₂O₃)을 일정량 첨가하여 1250 ∼ 1350 ℃의 낮은 온도에서 소성시켜 클링커를 제조하고, 이를 분쇄하여 특정의 입도분포도가 형성된 정적파쇄제를 제조하므로서, 상기 낮은 소성온도와 특정의 입도분포도에 의해 수화반응의 효율이 저하되어 팽창압의 향상 및 충분한 팽창발현 시간의 확보가 가능한 비폭성 정적파쇄제에 관한 것이다.

산화제이철, 산화알루미늄, 입도분포도, 정적파쇄제

Description

비폭성 정적파쇄제{Non-Explosive Static Demolition Agent}

본 발명은 비폭성 정적파쇄제에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화칼슘(CaO)원에, 산화제이철(Fe₂O₃)과 산화알루미늄(Al₂O₃)을 일정량 첨가하여 1250 ∼ 1350 ℃의 낮은 온도에서 소성시켜 클링커를 제조하고, 이를 분쇄하여 특정의 입도분포도가 형성된 정적파쇄제를 제조하므로서, 상기 낮은 소성온도와 특정의 입도분포도에 의해 수화반응의 효율이 저하되어 팽창압의 향상 및 충분한 팽창발현 시간의 확보가 가능한 비폭성 정적파쇄제에 관한 것이다.

정적파쇄제란 광물의 수화반응에 발현하는 팽창압을 이용하여 콘크리트 구조물, 암석 등의 취성물체를 안전하고 친환경적으로 파쇄, 해체하는 공사에 사용되는 팽창성 재료이다.

최근에 도심지에서 구조물 신축을 위한 유효면적이 급격히 감소하여 대지당 건축면적이 종전에 비하여 상당히 증가하였다. 이로 인해 건축물의 고층화와 지하공간의 심층화가 진전되어 기초공사시 지하굴착이 점점 깊어지고 암반에 대한 굴착빈도가 급속히 증가하여 암반 파쇄에 대한 안전이나 환경문제가 새로운 해결과제로 대두되고 있다. 더욱이 발파로 인한 안전상의 규제가 강화되고 있고, 실제로 근접 시공시 암반 파쇄작업을 할 때 발생하는 진동은 기존 건물의 기초에 치명적인 영향을 미칠 수 있어 이에 대한 대책 방안이 절실히 요구되고 있다. 따라서, 무발파, 무진동, 무소음의 암반파쇄 방법이 필수적으로 요구되며 실제로 도심지에서 기초공사를 시공할 때에는 이와 같은 암반 파쇄공법의 사용이 빠르게 증가하는 추세이다.

이러한 암반 파쇄공법 중 보편적인 공법 몇 가지를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 기계적인 장비를 이용한 암반 파쇄공법이 있다. 이는 대부분이 1차 작업으로 천공작업을 실시하고, 2차 작업으로 암반을 파쇄하며, 마지막으로 브레이커(breaker)로 암반을 걸러내는 3가지 공정에 의하여 행해진다. 이와 같은 기계식 파쇄는 파쇄가 즉시적으로 이루어지고, 계절 등 주변의 온도변화에 영향을 받지 않는다는 장점이 있으나, 2차 파쇄시 소음(100 dB 이상)이 심하고 파쇄 대상이 경암(암석의 일종)일 경우, 파쇄시에는 효율이 상당히 낮아지고 장비의 투입이 필수적이므로 시공할 때 공간적 제약이 뒤따르게 된다. 또한 기계를 다루는 숙련도에 따라 작업시간에 영향을 받을 수 있으며, 장비의 추가 및 해체 시간이 소요되고, 인건비의 추가가 필요하다. 다음 표 1은 암석의 종류에 따른 압축강도와 소요 팽창압에 관한 것이다.

암석종류	압축강도 (㎏/㎠)	인장강도 (㎏/㎠)	소요팽창압 (㎏/㎠)
연암	600 이하	30 ∼ 60	80 ∼ 160
보통암	600 ∼ 1200	60 ∼ 100	160 ∼ 230
경암	1200 이상	100 ∼ 130	230 ∼ 260

다음으로, 정적파쇄제는 기존의 암반 발파시에 발생하는 여러가지 문제점을 해결하기 위해 개발된 재료이다. 현재 시판되고 있는 파쇄제의 대부분은 생석회가 물과 수화반응을 일으킴으로서 부피가 증가할 때 발생하는 팽창압을 이용하는 것이다.

팽창성 파쇄제는 소음, 비석(飛石), 분진, 진동 등 주변 환경에 나쁜 영향을 끼치지 않으므로 환경 공해 예방 측면에서 유리하며, 전문적인 기술자가 필요하지 않으며, 파쇄제를 물과 혼합하여 슬러리 상태로 만든 후, 파쇄대상물에 주입하는 것으로 시공이 완료된다. 또한, 장비의 추가가 없으므로 시공장소에 제약을 덜 받는다는 장점이 있다. 그러나 파쇄제 가격이 비싸다는 것과 주변 온도의 영향을 받는 문제가 큰 단점으로 인식되어 왔다. 다음 표 2는 여러 가지 파쇄방법에 따른 특징을 나타낸 것으로, 정적파쇄가 가장 효과적인 것임을 알 수 있다.

구 분	파쇄력	파쇄시 상황				안전성	보호시설 설치용이성	경제성
		소음	진동	분진	비석
정적파쇄	Ｏ	◎	◎	◎	◎	◎	◎	Ｏ
폭약물	◎	×	×	×	×	×	×	◎
콘크리트 크래커	Ｏ	△	△	×	△	△	×	△
암석 브레이커	△	△	Ｏ	△	◎	Ｏ	◎	△
유압 할암기	△	◎	◎	◎	◎	◎	◎	×

이러한 정적파쇄제의 원료는 산화칼슘(CaO)원인 생석회를 사용하며, 석회는 일반적으로 그 소성도에 따라 연소(軟燒), 경소(硬燒), 사소(死燒)로 분류된다.

'연소 생석회'를 얻기 위하여 소성 중에 석회석의 온도를 900 ℃ 이상으로 올리지 않도록 제어가 요구된다. 분해된 연소 생석회는 미세한 산화칼슘(CaO)의 결정들로 구성되어 있으며, 이러한 연소 생석회는 ① 비표면적이 크고, ② 결정간의 공극은 작으나, 공극률이 크고, ③ 부피 비중이 작으며, ④ 반응성이 큰 특성을 갖게 된다. 이를 그대로 고온으로 장시간 소성하면 미세한 결정은 차차 융합하고 전체의 용적은 수축하게 되는데, 이 상태의 생석회를 일반적으로 '경소 생석회'라 부르며, 소성온도를 1,600 ∼ 1,700 ℃로 높여 수화반응성을 저하시키고 CaO 함량을 높인 것을 '사소 생석회'라 부른다.

이 중, 정적파쇄제로 널리 사용되고 있는 연소 석회석은 반응성이 지나치게 빠르기 때문에 정적파쇄제로 제조하였을 경우 발열량이 과다하여 작업 중 화상의 위험이 있고, 물과 반응하여 수화작용시 초기 과발열과 이에 따른 폭발로 팽창이 되기보다는 분출하는 현상이 일어나므로 반응성이 상대적으로 낮은 석회를 사용하는 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래 정적파쇄제의 빠른 반응성으로 인해 야기되는 문제점을 해결하고자 연구 노력한 결과, 산화칼슘원에 융제인 산화제이철(Fe₂O₃)과 산화알루미늄(Al₂O₃)을 일정비로 혼합하여 1250 ∼ 1350 ℃ 범 위의 낮은 온도에서 소성시켜 클링커를 형성하고, 상기 클링커가 특정의 입도분포도를 가지도록 분쇄과정을 수행하여 얻어진 정적파쇄제가 낮은 소성온도와 입자분포도에 의해 수화반응의 효율이 저하되어 팽창압의 향상 및 팽창발현 시간을 확보하게 된다는 것을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 낮은 소성온도와 특정의 입도분포에 의해 수화반응성의 저하로 팽창압의 향상 및 팽창발현 시간의 확보가 가능한 정적파쇄제를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 산화칼슘(CaO) 92 ∼ 97 중량%, 산화제이철(Fe₂O₃) 2 ∼ 5 중량% 및 산화알루미늄(Al₂O₃) 1 ∼ 3 중량%의 조성을 이루고 있으며, 입도가 5 ∼ 10 ㎛ 범위가 15 ∼ 20 중량%이고, 10 ∼ 100 ㎛ 범위가 60 ∼ 75 중량%이며, 100 ∼ 250 ㎛ 범위가 10 ∼ 20 중량%인 입도분포를 가지는 비폭성 정적파쇄제에 그 특징이 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 암반 파쇄에 사용되는 정적파쇄제로, 산화칼슘(CaO)에 융제인 산화제이철(Fe₂O₃)과 산화알루미늄(Al₂O₃)을 일정비로 혼합한 후, 소성시켜 형성된 클링제 분말을 특정의 입도분포를 가지도록 분쇄하여 제조한 정적파쇄제에 관한 것이다. 이러한 정적파쇄제는 융제의 첨가로 소성시 온도가 종래의 1600 ∼ 1700 ℃ 온도에 비해, 1250 ∼ 1350 ℃ 범위로 현저히 낮아 수화반응의 효율을 저하시키며, 클링커분말의 입도 분포를 일정범위로 한정하여 팽창압의 향상 및 팽창발현 시간을 확보하는 효과를 가지게 된다.

종래 대한민국 특허등록 제403913호에서, 석회석, 소다회 공정 부산물의 클링커 분말에 명반을 첨가한 정적파쇄제에 관한 것이 공개된 바 있으나, 본 발명은 상기 정적파쇄제를 개선한 것으로 산화칼슘과, 산화제이철(Fe₂O₃) 및 산화알루미늄(Al₂O₃)이 일정비로 함유되어 있고, 정적파쇄제의 입도분포를 특정하게 조절하여 보다 효율적으로 팽창압의 향상 및 팽창발현 시간을 확보하는 특성을 가진다.

본 발명의 정적파쇄제는 산화칼슘(CaO)을 소성시킨 클링커를 파쇄시켜 특정한 입도분포도를 가지도록 제조되며, 이를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

정적파쇄제의 주성분으로 사용되는 산화칼슘(CaO)은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으며, 구체적으로 생석회, 소석회 및 석회석 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 수화반응의 속도를 낮추기 위하여 사소석회를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 산화칼슘이 소성온도가 높으면 수화반응에 효율이 저하되는 문제가 발생하여 융제로 산화제이철(Fe₂O₃)과 산화알루미늄(Al₂O₃)를 일정량 첨가하여 소성을 수행한다. 상기 융제로 사용된 산화제이철(Fe₂O₃)과 산화알루미늄(Al₂O ₃)은 정적파쇄제 소성과정 중, 미리 설정한 소성온도보다 먼저 용융되어 전체적인 용융온도 를 낮추어 액상소결이 진행되고, 고순도의 산화칼슘(CaO)을 얻을 수 있도록 함과 동시에 소성온도를 1250 ∼ 1350 ℃ 범위로 현저히 낮추는 역할을 수행한다.

상기와 같이 소성시켜 제조된 클링커를 특정의 입도분포를 가지도록 분쇄하여 정적파쇄제를 제조한다. 소성한 직후의 비폭성 파쇄제는 지름 1 cm 정도의 구형으로서 디스크 밀을 사용하여 1차 분쇄를 하고, 볼 밀을 이용하여 2차 분쇄를 하였다. 볼 밀로서 2차 분쇄 수행 시, 볼 사이즈, 볼 개수, 분쇄시간 등의 주요 인자를 충분히 고려하여 분쇄과정을 수행하는 경우에만, 본 발명에서 목적으로 하는 입도분포 범위를 형성하므로 매우 중요한 변수로 작용된다. 상기 볼 사이즈는 10 ∼ 25 mm, 볼 개수는 30 ∼ 45 개, 분쇄시간은 4 ∼ 6 분 정도의 분쇄조건을 유지하는 것이 좋다. 이들 주요 인자에 대한 한정은 상기에서 언급한 바와 같이 입도분포도를 특정화하기 위하여 필수적으로 제한되어야 하므로 이를 벗어나는 범위로 사용하는 경우에는 본 발명이 목적으로 하는 정적파쇄제를 얻을 수 없다.

정적파쇄제의 입도는 정적파쇄제의 팽창성에 영향을 미치는데, 본 발명에서는 이상적인 입도분포를 가지도록 조절하여 팽창성 향상 및 팽창 발현시간을 확보하였다. 이때 분쇄는 일반적인 입자의 분쇄시에 사용되는 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 방법을 한정하지는 않는다.

상기 입도는 5 ∼ 10 ㎛ 범위가 15 ∼ 20 중량%이고, 10 ∼ 100 ㎛범위가 60 ∼ 75 중량%이며, 100 ∼ 250 ㎛ 범위가 10 ∼ 20 중량%의 입도분포를 가지도록 조절하였으며, 상기 입도분포에 있어 5 ㎛ 미만의 범위가 많은 경우에는 입자가 수화반응으로 팽창하기 전에 폭발하는 현상이 발생하게 된다. 즉, 정적파쇄제를 물과 혼합하여 슬러리로 만들어 파쇄 대상체에 주입할 때 물과 혼합된 후 짧은 시간에 주입구멍으로 분출하는 현상이 일어난다. 또한, 250 ㎛를 초과하는 범위가 많은 경우에는 수화 반응속도가 현저히 저하되어 목표로 하는 팽창압까지 발현되는데 상당한 시간이 필요하게 된다. 따라서, 상기와 같은 클링커 분말의 입도는 수화반응성과 관계되므로 정적파쇄제의 중요한 인자로 작용하며, 이상적인 입도 분포도를 가진다는 것은 단순한 것이 아니라 정적파쇄제 자체의 효율성과도 관계되는 것이다.

이상과 같이 제조된 정적파쇄제는 물과 혼합되어 슬러리 상태로 된 다음 파쇄하고자 하는 곳 내부로 주입되어 수화반응이 진행된다. 상기 수화반응의 결과로 산화칼슘에 의한 부피 팽창이 발생하여 팽창압이 발생하게 되고 이 팽창압에 의해 암석이나 콘크리트 등이 단시간 내에 파쇄된다. 본 발명의 정적파쇄제는 팽창압이 200 ∼ 300 ㎏/㎠이며, 팽창발현시간이 8 ∼ 12 시간의 특성을 가진다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ∼ 2

다음 표 3에 나타낸 바와 같이, 산화칼슘원에, 산화제이철과 산화알루미늄을 표 1에 나타낸 함량으로 첨가하여 1300 ℃에서 2 시간동안 소성하여 정적파쇄 클링커를 제조하였다. 상기 제조된 클링커를 분쇄기에서 표 3의 입도조건으로 파쇄 하여 정적파쇄제를 제조하였다.

상기에서 제조된 정적파쇄제의 팽창압을 측정하여 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

비교예 1 ∼ 4

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 다음 표 3에 나타낸 함량으로 반응을 수행하여 정적파쇄제를 제조하였다.

상기에서 제조된 정적파쇄제의 팽창압을 측정하여 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

[측정방법]

상기 실시예 1 ∼ 2 및 비교예 1 ∼ 5에서 제조된 정적파쇄제의 팽창압을 측정하기 위하여 물을 재료에 대하여 30 중량% 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

팽창압 측정방법 : 직경(외경) 42 ㎜, 길이 250 ㎜의 팽창압 측정용 백관(또는 흑관)을 이용하여, 백관의 한 쪽 끝에서 125 ㎜ 지점의 원주상에 스트레인 게이지(Strain gauge)를 4군데 부착하여 팽창압을 측정하고, 온도 센서를 관 내부에 넣어 온도상승을 측정하였다. 또한, 설치 직후부터 발생되는 팽창압을 약 36시간 동안 기록하여 데이터화한다.

구 분	클링커 분말의 입도 (㎛)			CaCO3 (중량%)	F2O3 (중량%)	Al2O3 (중량%)	팽창압 (㎏/㎠)	팽창 발현 시간 (hr)	소성 온도 (℃)
	5∼10 (중량%)	10∼100 (중량%)	100∼250 (중량%)
실시예 1	15	75	10	92	5	3	297	9	1300
실시예 2	20	60	20	97	2	1	310	10	1330
비교예 1	16	73	11	96	1	3	102	8	1200
비교예 2	19	62	19	88	5	7	87	7	1200
비교예 3	10	75	15	92	4	2	76	16	1200
비교예 4	25	65	10	95	3	2	95	7	1200
비교예 5	11.2	54.4	9.1	80.9	1.32	1.94	152	8	-

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 산화칼슘, 산화제이철 및 산화알루미늄을 일정 성분비로 첨가하고 이의 입도분포를 제한하여 제조한 실시예 1 ∼ 2가 성분비와 입도분포를 본 발명의 범위를 벗어나게 하여 제조한 비교예 1 ∼ 4보다 팽창압이 월등하게 향상과 함께 적절한 팽창발현시간을 유지하였으며, 소성온도 또한 발명의 범위 온도인 1250 ∼ 1350 ℃ 내에서 소성한 것이 팽창압이 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 비교예 5는 현재 널리 시판되고 있는 정적파쇄제(Bristar, 일본 오노다 시멘트사)로 팽창압 발현이 현저하게 저하되는 경향을 보이고 있음을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 산화칼슘에 산화제이철과 산화알루미늄을 일정 성분비로 함유하여 소성시킨 클링커의 입도분포를 특정하게 한정하여 제조한 정적파쇄제는 소성온도가 1250 ∼ 1350 ℃으로 낮고, 최적의 팽창압과 팽창 발현시간의 확보가 가능하여 암반파쇄 분야에 유용하게 활용될 것으로 예상되고 있다.

Claims (2)

1. 산화칼슘(CaO) 92 ∼ 97 중량%,

   산화제이철(Fe₂O₃) 2 ∼ 5 중량%, 및

   산화알루미늄(Al₂O₃) 1 ∼ 3 중량%의 조성을 이루고 있는 분말이며,

   상기 분말은 5 ∼ 10 ㎛ 입도범위가 15 ∼ 20 중량%이고, 10 ∼ 100 ㎛ 입도범위가 60 ∼ 75 중량%이며, 100 ∼ 250 ㎛ 입도범위가 10 ∼ 20 중량%인 입도분포를 가지는 것을 특징으로 하는 비폭성 정적파쇄제.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 정적파쇄제는 소성온도가 1250 ∼ 1350 ℃이고, 팽창압이 200 ∼ 300 ㎏/㎠이며, 팽창발현시간이 8 ∼ 12시간인 것을 특징으로 하는 비폭성 정적파쇄제.