KR100691644B1

KR100691644B1 - 석탄폐석을 포함하는 점토벽돌 및 상기 점토벽돌의 제조방법

Info

Publication number: KR100691644B1
Application number: KR1020040067480A
Authority: KR
Inventors: 김형태; 유중환; 이성민; 정진호; 한삼화
Original assignee: 요업기술원
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2007-03-09
Also published as: KR20060019033A

Abstract

본 발명은 석탄폐석을 포함하는 점토벽돌 및 상기 점토벽돌의 제조방법에 관한 것으로, 0.1-3 mm의 입자로 분쇄된 석탄폐석 10-50 중량% 및 혼합토 50-90 중량%로 구성되며, 흡수율 10% 이하, 압축강도 210 kgf/cm² 이상인 본 발명의 점토벽돌은 탄광의 갱도 굴진과정이나 채탄 및 선탄과정에서 발생되는 석탄폐석을 점토벽돌에 적용하여 경제성 있는 점토벽돌을 제공함과 동시에 폐기물을 재활용함으로써 자원절약의 효과와 폐기물 처리의 효과를 얻을 수 있다.

석탄폐석, 점토벽돌, 소성, 압축강도

Description

석탄폐석을 포함하는 점토벽돌 및 상기 점토벽돌의 제조방법{Clay brick containing coal waste and preparation method thereof}

본 발명은 탄광의 갱도 굴진과정이나 채탄 및 선탄과정에서 발생되는 석탄폐석을 점토벽돌에 적용함으로써 경제성 있고, 자원절약 및 폐기물 처리의 효과를 얻을 수 있는 석탄폐석을 포함하는 점토벽돌 및 상기 점토벽돌의 제조방법에 관한 것이다.

탄광의 갱도 굴진과정이나 채탄 및 선탄과정에서 발생되는 석탄폐석은 굴진경석과 선탄경석으로 구분되는데, 대부분 굴진경석은 강도가 강하고 품위가 일정치 못하며 선탄경석은 비교적 강도가 약하며 품위는 균일한 편이다.

석탄폐석의 주성분은 납석질, 도장적질, 규석질, 견운모질 등 다양한 광물상태로 산출된다. 광산 개발시 발생되었던 석탄폐석은 석탄의 채광시 다량 발생하는 산업폐기물로서, 지속적인 관리의 소홀과 함께 광산 주변에 그대로 방치 등으로 인하여 장마철이면 우수와 함께 지층으로 스며들어 지하수를 오염시켜 산성폐수를 발생시키고, 또 우천시 토사 등을 일으켜 주변의 산림을 훼손하거나 심한 경우에는 교통두절은 물론이고 가옥, 농경지 등이 매몰되어 작물에 피해를 주기도 한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 매립하는 경우가 있으나, 탄광은 산간에 존재하기 때문에 매립을 위한 운반이 어려운 관계로 탄광의 주변에 매립하는 것이 일반적이고, 이 경우 우수 등에 의한 지하수의 오염은 해결되지 아니하고 오히려 매립을 위한 부지확보를 위하여 임야 등의 자연환경을 훼손시키게 되는 문제점이 있다.

기존에는 석탄폐석과 유사한 조성을 가지나 매우 다른 형상을 가지고 있는 석탄회(fly ash)의 활용에 관한 연구들이 보고되어 있다. 석탄폐석이 무연탄을 생산하는 과정에서 폐기물로서 발생된다면, 석탄회는 석탄을 미분하여 고온의 공기와 함께 고속으로 발전소의 로내에서 연소시켰을 때 발생하는 것이다.

석탄회 재활용은 각 국가의 특수성에 따라 다양한데 주로 시멘트, 건축, 토목, 농수산 분야 등으로 재활용되어 왔다. 국가별로 석탄회 재활용률은 다르지만, 유럽에서는 최고 70% 이상까지 재활용하고 있다. 반면에 국내에서는 석탄회에 대한 재활용률이 아직까지 선진국에 미치지 못하고 있다. 그러나 최근에 와서 건설 호황으로 인해 심각한 골재난이 야기되었고 인공골재에 대한 연구가 급증하게 되었으며, 대체자원으로 석탄회에 대한 관심이 높아졌다. 일부 점토벽돌 회사에서는 석탄회를 이용한 점토벽돌 생산에 대한 공정과 제품까지도 선보였으나, 석탄회 수요의 급증으로 석탄회가 더 이상 폐자원이 아닌 선물가격으로 팔리는 실정에 이르렀다. 국내의 요업분야 중 가장 많은 양을 대체할 수 있는 벽돌의 경우, 기존 판매되는 점토벽돌에 비하여 더 이상 석탄회 이용은 폐기물 재활용의 견지에서 경제성이 결여되었다.

한편, 국내에서 석탄폐석에 대한 활용연구는 흡착제나 콘크리트의 특정 연구에 그치고 있으며, 구체적인 활용 방안에 대한 연구는 아직 매우 부족한 실정이다. 외국에서는 석탄폐석을 콘크리트용 골재, 건자재용 재료, 경량 세라믹 골재, 시멘트 원료 등의 여러 분야에 다각적으로 이용하고 있다. 따라서 국내에서도 방치되어 있는 석탄폐석을 활용할 수 있는 구체적인 방안이 모색된다면, 심각해지는 환경문제의 해결과 천연골재의 고갈로 어려움을 겪고 있는 건설현장에 있어서 건설재료로의 활용으로 인한 골재 부족난의 해소를 이룰 수 있다. 석탄폐석이 재활용되기만 한다면 폐석의 재활용 측면에서도 중요하지만, 또한 석탄광 개발에 있어 부가가치 향상으로 인하여 산림복구비의 절감효과 및 정체된 탄광지역의 발전의 활성화에 적지 않은 파급효과가 있을 것으로 기대된다.

본 발명자들은 국내 점토벽돌 생산에 석탄폐석을 약 40% 정도 활용한다면, 석탄폐석 연간 36만톤을 소모할 수 있어 석탄폐석의 재활용으로 인해 환경문제 뿐만 아니라 자원의 절약을 가져다 줄 수 있고, 더구나 석탄폐석 내 미연탄소의 연소로 벽돌 제조시 소성온도를 크게 낮추게 되므로 사용연료의 양을 절감할 수 있어 벽돌 생산원가 또한 크게 줄일 수 있다는 점에 착안하여 석탄폐석을 점토벽돌의 일부 또는 절반 이상 대체한 점토벽돌을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

이에, 본 발명은 탄광의 갱도 굴진과정이나 채탄 및 선탄과정에서 발생되는 석탄폐석을 점토벽돌에 적용함으로써 경제성 있고, 자원절약 및 폐기물 처리의 효과를 얻을 수 있는 석탄폐석을 포함하는 점토벽돌 및 상기 점토벽돌의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 0.1-3 mm의 입자로 분쇄된 석탄폐석 10-50 중량% 및 혼합토 50-90 중량%로 구성되며, 흡수율 10% 이하, 압축강도 210 kgf/cm²이상인 점토벽돌을 제공한다.

상기 흡수율 및 압축강도는 제1종 점토벽돌의 KS 규격에 해당하는 값으로 상업적으로 큰 의미를 가진다.

상기 석탄폐석이 10 중량% 미만인 경우에는 산업적으로 의미가 없고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 제1종 점토벽돌의 기준을 만족할 수 없다.

또한, 본 발명은 0.1-3 mm의 입자로 분쇄된 석탄폐석 10-50 중량% 및 혼합토 50-90 중량%를 균일하게 혼합하고, 함수량이 15~23%가 되도록 물을 첨가하여 반죽한 후 성형하고 건조시키며, 건조된 성형체를 900~1400℃의 온도에서 20~50시간 동안 소성하는 점토벽돌의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 석탄폐석은 1~40 중량%의 탄소분을 함유하며, 상기 혼합토는 적토, 흑토, 혼합백토 또는 고령토 등으로 구성된다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

석탄폐석은 품위가 일정치 않아 원료 야적장을 넓게 잡고 거기에 먼지분진을 없게 하기 위해 스푸링쿨러 식으로 계속 물을 가하면서 파쇄기(Jaw crusher)에 투입하여 10~20 mm 정도로 파쇄한 후 분쇄기(Shutter mill)를 이용하여 20 메쉬 이 하의 미립 분말로 분쇄해서 다시 체질한다. 0.1-3 mm의 입자로 분쇄된 석탄폐석 10~50 중량%와 혼합토 50~90 중량%를 혼합한 배합물을 진공토련기에 투입하여 압출, 성형한다. 성형시 함수율은 15~23%로서, 성형이 가능할 뿐만 아니라 성형물의 형태도 견고하게 유지된다. 이 압출성형물은 자연건조 및 건조실을 통과하여 건조하고, 전기로에서 900-1400℃로 20~50시간 동안 소성하여 자동포장 반출한다.

건조는 외기의 온도, 습도에 영향을 받으며 또 성형물의 내부에서 외부로 향하여 수분이 확산하므로 온도, 기공의 크기, 형상, 표면과 내부와의 온도차, 수분의 양 등에 의해 지배되고, 바람직하게는 40~120℃의 온도에서 1~48시간 동안 수행되며, 수분 함량이 1% 이내로 되도록 한다.

소성과정은 고온에서 안정한 조직 및 광물상을 생성시키며 충분한 강도를 부여하기 위한 것으로, 석탄폐석에 포함되어 있는 미연탄소분이 열량을 올려주어 연료비가 절약되고 휘발분은 가소되어 휘발된 후에 표면과 내부에 다공성 조직이 형성되므로 점토벽돌의 경량화, 내화성과 탄열성 및 반응성을 높여준다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1~5>

표 1에 나타난 화학성분으로 구성되는 석탄폐석과 혼합토를 본 실시예에서 사용하였다. 이때, 표 1에 나타난 화학성분들의 값은 중량%를 의미한다. 파쇄된 석탄폐석을 분쇄기(Shutter mill)로 미분쇄하고 20 메쉬를 통과시켜 준비된 0.3-0.8 mm의 입자크기인 석탄폐석과 혼합토를 표 2와 같은 조성비로 혼합하였다. 물은 함수량이 15~23%가 되도록 혼합 반죽한 후 성형하고 120℃에서 건조시켰다. 건조된 성형체(190 mm Ⅹ 90 mm Ⅹ 57 mm)를 전기로에서 승온속도 2.5℃/min를 유지하면서 1200℃까지 승온시켰다. 1200℃에서 20시간 동안 성형체를 소성하고, 소결된 성형체를 각기 노냉시켜 얻어진 점토벽돌의 압축강도, 흡수율 및 비중을 측정하였다.

성분(중량%)	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃	Tg.loss
석탄폐석	23.8	16.3	1.34	0.37	0.38	0.53	4.08	0.01	52.1
혼합토	66.0	18.7	3.99	0.59	0.64	0.66	3.29	0.06	5.85

	조성(중량%)		압축강도 (kgf/cm²)	흡수율 (%)
	석탄폐석	혼합토	압축강도 (kgf/cm²)	흡수율 (%)
실시예 1	10	90	511	5.9
실시예 2	20	80	380	7.3
실시예 3	30	70	315	8.1
실시예 4	40	60	274	9.6
실시예 5	50	50	224	13.7

상기 점토벽돌의 압축강도 및 흡수율은 다음의 한국 산업규격인 KS L4201의 방법에 따라 시험하였다.

(가) 압축강도

실시예 1~5의 점토벽돌을 미리 110±5℃의 공기 중탕에서 건조하고, 24시간 후 꺼내어 실온까지 방냉하였다. 상기 점토벽돌의 190 X 90 mm의 면을 가압면으로 하고, 미리 점토벽돌마다 개구부를 포함하는 가압면적 A(cm²)를 구하였다. 가압면 에는 필요에 따라 종이조각 등을 끼워 균일하게 가압하였다. 가압속도는 매초 49-98.1 N/cm²(5-10 kgf/cm²)로 하여 시료가 파괴되었을 때의 최대 하중 W N(kgf)을 측정하였다.

압축강도는 하기 수학식 1에 따라 계산하고 KS A 0021에 따라 정수 자리로 끝맺음하였다(n=5).

[수학식 1]

이때, C: 압축강도 N/cm²(kgf/cm²); W: 최대 하중 N(kgf); A: 개구부를 포함하는 가압면적(cm²)에 해당한다.

(나)흡수율

실시예 1~5의 점토벽돌을 110±5℃의 공기 중탕 속에서 24시간 건조하여 실온까지 방냉한 후 칭량하고, 이것을 건조 무게 m₁(g)으로 하였다. 상기 점토벽돌을 즉시 20±5℃의 물속에 24 시간 정치하였다. 이때, 점토벽돌 상부와 수면 사이의 거리는 50-60 mm로 하였다. 물 속에서 꺼내어 재빨리 젖은 헝겊으로 각 점토벽돌 표면의 수분을 닦고, 즉시 무게를 달아 이것을 수분을 포함한 무게 m₂(g)로 하였다. 흡수율은 하기 수학식 2에 따라 계산하고 KS A 0021에 따라 소수점 이하 첫째 자리에서 끝맺음하였다(n=5).

[수학식 2]

이때, a: 흡수율(%); m₁: 건조 무게(g); m₂: 수분을 포함한 무게(g)에 해당한다.

그 결과, 소성온도 1200℃에서 석탄폐석의 조성비가 증가할수록 압축강도는 감소하였고 흡수율은 증가하였다. 석탄폐석 내의 미연탄소분의 연소의 영향이라 할 수 있다. 미연탄소의 연소로 석탄폐석이 적용된 점토벽돌에 기공이 생기게 되고, 이는 압축강도를 저하시키는 동시에 흡수율을 증가시키는 결과를 초래할 것이다. 40%의 석탄폐석을 적용하였을 때 274 kgf/cm²의 압축강도 및 9.6%의 흡수율을 나타내어 한국산업규격 1종 벽돌에서 요구되는 특성인 압축강도 210 kgf/cm²이상, 흡수율 10% 이하를 만족하였다. 그러나, 석탄폐석을 50 중량% 적용하는 경우, 압축강도는 제1종 벽돌의 기준을 만족하지만, 흡수율은 10%를 초과하여 다량의 석탄폐석을 적용할 경우 치밀화하는 기술이 필요할 것으로 예상되었다.

<실시예 6~15>

상기 실시예 1 내지 5와 동일한 방법으로 시행하되, 표 3에 나타난 바와 같이 석탄폐석 및 혼합토의 다른 조성비율과 다양한 소성온도를 이용하여 점토벽돌을 제조하였다.

	조성 (중량%)		소성온도 (℃)	압축강도 (kgf/cm²)	흡수율 (%)
	석탄폐석	혼합토	소성온도 (℃)	압축강도 (kgf/cm²)	흡수율 (%)
실시예 6	30	70	900	136	18.1
실시예 7			1050	164	13.6
실시예 8			1200	315	8.1
실시예 9			1300	470	6.5
실시예 10			1400	241	7.4
실시예 11	40	60	900	115	21.1
실시예 12			1050	139	17.0
실시예 13			1200	274	9.6
실시예 14			1300	419	7.3
실시예 15			1400	236	8.6

석탄폐석의 함량에 관계없이 소성온도가 증가할수록 압축강도는 온도에 비례하여 증가하였다. 그러나, 소성온도가 1400℃ 이상인 경우에는 압축강도가 급격히 감소하였다. 이는 고온 소성시 내부에 많은 기공 및 부풀림(bulging) 현상이 발생하기 때문이다. 이와같은 부풀임 현상은 고온에서 벽돌의 외각이 우선식으로 소결되어 벽돌 내에서 발생한 기체들이 확산되어 완전히 밖으로 배출되지 못한 영향에 따른 결과이다. 유리상과 기공들이 혼재하며 소결이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 900-1300℃ 범위에서 소결된 점토벽돌은 벽돌 내의 미연소탄소가 연소되어 내부 에너지 공급원으로 국부 소결을 촉진하는 동시에 소지구조 내에 네트워크를 생성시킴으로써 강도를 향상시키고, 흡수율을 낮추는 결과를 나타내었다.

동일한 조건에서 석탄폐석의 함량이 적은 점토벽돌이 높은 압축강도 및 낮은 흡수율을 나타내었다. 그러나, 표 3과 같은 조성을 활용하여 제조한 점토벽돌을 소성온도 1200-1400℃ 범위에서 처리하였을 경우 한국산업규격 1종 벽돌의 조건인 압축강도 210 kgf/cm²이상, 흡수율 10% 이하를 만족하였다.

앞서 설명한 바와 같이, 석탄폐석을 혼합토의 일부 또는 절반 이상으로 대체 활용하여 점토벽돌을 제조할 경우 얻어지는 본 발명은 석탄폐석 내의 미연탄소분의 발열로 인한 소성온도를 저하할 수 있어 소성시 연료비 절감, 폐기물 처리비용이익, 제품의 경량화, 폐자재 자원화에 의한 환경적 측면에서 환경보호, 산업자재화에서 얻어지는 경제성이 큰 장점이다.

Claims

1~40 중량%의 탄소분을 함유하고 0.1-3 mm의 입자로 분쇄된 석탄폐석 10-50 중량%; 및 혼합토 50-90 중량%로 구성되며, 압축강도 210kgf/cm²이상, 흡수율 10% 이하인 것을 특징으로 하는 점토벽돌.

제 1항에 있어서, 상기 점토벽돌이 15-23%의 함수량인 것을 특징으로 하는 점토벽돌.

삭제

1~40 중량%의 탄소분을 함유하고 0.1-3 mm의 입자로 분쇄된 석탄폐석 10-50 중량%, 및 혼합토 50-90 중량%를 균일하게 혼합하는 단계;

함수량이 15~23%가 되도록 물을 첨가하여 반죽한 후 성형하고 건조시키는 단계; 및

건조된 성형체를 900~1400℃의 온도에서 20~50시간 동안 소성하는 단계

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 점토벽돌의 제조방법.

삭제

제 4항에 있어서, 상기 건조가 40~120℃의 온도에서 1~48시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 점토벽돌의 제조방법.