KR100765117B1 - 제강슬래그를 이용한 인공어초용 생콘크리트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공어초에 관한 것으로, 그 목적은 제강슬래그를 전처리하여 안정화시킨 후 굵은 골재로 사용한 인공어초용 생콘크리트로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제강슬래그를 양생하여 부피 팽창율을 0.2% 이하로 조정하는 단계, 상기 양생한 제강슬래그를 슬럼프가 6~14가 되도록 배합하는 단계를 포함하여 이루어지는 인공어초용 생콘크리트의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

본 발명의 인공어초는 천연골재 콘크리트 어초에 비해 개체수가 약 1.9배이상, 습중량이 1.7배이상, 출현종수가 약 1.3배이상의 향상된 특성을 갖는다.

인공어초, 제강슬래그, 슬럼프, 부피팽창율

Description

제강슬래그를 이용한 인공어초용 생콘크리트의 제조방법{Method of making fresh concrete by using LD slag for a artificial reef}

본 발명은 인공어초에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제강슬래그를 재활용한 콘크리트 인공어초용 생콘크리트의 제조방법에 관한 것이다.

제철소에서 철을 제조 공정에서 발생하는 부산물인 슬래그는 고온의 용융상태로 발생되기 때문에 액상 상태이다. 용융 슬래그는 그 목적에 따라 냉각과정을 통해 고상화시킨 후 파쇄 공정을 거친다. 이러한 기존의 처리공정을 통해 제조된 슬래그는 통상 약 30mm 이하의 입도를 가지게 된다. 이후에 그대로 또는 적정 입도의 크기로 조정되어, 현재까지는 슬래그의 활용은 거의 대부분 건축, 토목용 재료 분야에 편중되어 왔으며, 지금도 이 분야에서의 좀 더 효율적인 활용을 위한 연구는 계속 되고 있다.

슬래그는 크게 두 종류로써 제선공정에서 발생되는 고로슬래그와 제강공정에서 발생되는 제강슬래그가 있다. 이 두 슬래그는 그 특성에 따라 차별되게 활용된다. 즉, 고로슬래그는 화학성분의 특성상 용융상태에서 물로서 급속히 냉각 응고시킬 경우 비정질의 입상을 제조할 수 있으며, 이것을 건조한 후 미세 분말로 분쇄할 경우 시멘트와 유사한 수경성을 가지게 되어 시멘트 및 콘크리트 혼화제로 사용된다. 그대로, 서냉할 경우는 별도의 처리(aging)과정을 거쳐서 황(S)성분을 제거한 후 도로용 골재나 토목 공사용 채움재뿐만 아니라 콘크리트용 골재로써도 손색 없이 사용할 수 있다.

제강슬래그는 타성분에 비해 CaO 함량이 상대적으로 많아서, 별도의 처리 과정을 거치지 않으면 팽창하는 성질이 남아 있게 되어서 그대로 토목용 골재 등으로 활용하기는 어렵다. 가장 보편적인 제강슬래그의 에이징(aging) 처리 방법은 자연 에이징법으로써 넓은 장소에 제강슬래그를 방치한 상태에서 일정기간 동안 유지시켜 잠재 팽창을 없앤 후 사용하며, 에이징 기간은 사용 목적에 따라 조절한다.

제강슬래그의 활용을 제한하는 요인은 위에서 설명한 유리석회 외에도 많은 철분을 함유하고 있다는 점이다. 제강슬래그가 철분을 많이 함유하는 이유는 제강 조업시 불어주는 산소가 용선내의 불순물 뿐만 아니라 Fe도 산화시키게 되며, 이 산화된 Fe는 산화물 형태로 슬래그화 된다. 그리고, 전로 조업후 용강과 슬래그를 분리하는 과정에서 완벽하게 분리되지 않기 때문에 슬래그 내에 금속 Fe도 존재하게 된다. 이상과 같이 제강슬래그의 철분은 금속 및 산화물형태로 존재하며, Fe 중량 기준으로 약 20%를 차지한다. 이로 인해 제강슬래그는 다른 자연 골재보다 무겁고, 경도도 크다는 특징을 가진다. 실제로 이점은 제강슬래그의 활용을 저해하는 가장 치명적인 결점이다. 재료 자체는 토목용 골재로서 우수한 성질을 가지고 있지만, 무겁기 때문에 운송비용이 많이 소요된다. 일반 골재들도 재료 자체의 가격은 비싸지 않고, 판매가격의 대부분은 운송비가 차지하고 있다. 그래서, 제강슬래그가 제철소에서 부산되는 부산물이기 때문에 가격이 싸다는 점도 별다른 장점으로사의 역할을 하지 못할 때가 많다.

그러나, 제강슬래그가 석회분과 철분을 많이 함유하고 있기 때문에, 시멘트 클린커용 원료로 사용된다. 시멘트 클린커의 제조 원료는 약 80% 이상을 석회석(CaCO₃)이 차지하는데, 제강슬래그의 주된 역할은 클린커 원료 혼합물이 시멘트 소성로에 투입된 후 노내에서 융점을 낮추어 주는 역할을 하기 때문에, 보다 낮은 온도에서 클린커 광물이 잘 합성될 수 있도록 해주는 중요한 역할을 하고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 슬래그의 주 용도가 토목용으로 대부분 편중되어 있는 이유는 대량으로 발생하는 슬래그를 대량으로 활용할 수 있는 거의 유일한 분야이고, 현재까지 토목용으로의 수요가 많았기 때문이라고 볼 수 있다. 그래서, 현재는 슬래그가 실제로 거의 대부분 재활용되고 있다.

그러나, 슬래그 활용에 대한 앞으로의 전망은 밝지않다. 그것은 슬래그와 대체될 수 있는 부산물들이 많이 발생되고 있고, 이 양은 앞으로도 계속 증가될 것이기 때 문이다. 예를 들면 건축 폐기물을 들 수 있다. 산업화 시기에 급속하게 구축되었던 건축물들 중에 수명을 다하여 철거되는 물량이 지속적으로 증가되고 있어서, 건축 폐기물들의 발생량도 증가되는 추세이며, 이들은 재생 공정을 통해 다시 재생골재로 사용될 수 있다. 균형적인 자원 재활용을 위해서는 슬래그의 환경 친화적이면서도 특성을 살릴 수 있는 새로운 용도 개발이 필요하다고 볼 수 있다. 그 중에서도 해양 분야는 슬래그의 장점을 살리면서도, 경우에 따라서는 대량으로 활용할 수 있는 분야이다. 그중 인공어초가 유력하다.

인공어초는 연근해에 서식하는 어류, 패류 등의 은신처뿐 아니라 산란장소를 제공함으로써 수자원을 보호하고 또한, 동, 식물성 플랑크톤 및 해초류의 증식을 통하여 치어의 생육을 촉진하기 위해 설치된다. 종래의 인공어초는 콘크리트 구조물이나 폐타이어가 이용되고 있다.

본 발명에서는 제강슬래그를 전처리하여 안정화시킨 후 굵은 골재로 사용한 인공어초용 생콘크리트로 제조하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인공어초용 생콘크리트의 제조방법은, 제강슬래그를 양생하여 부피 팽창율을 0.2% 이하로 조정하는 단계,

상기 양생한 제강슬래그를 슬럼프가 6~14가 되도록 배합하는 단계를 포함하여 구성 된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 제철소 제강공정에서 발생하는 제강슬래그를 이용한다. 제강슬래그의 대표적인 조성의 일례가 아래 표 1에 제시되어 있다.

화학성분	T-Fe	SiO2	CaO	Al2O3	MgO	MnO	P2O5	TiO2
함량 (중량%)	18∼22	8∼14	37∼43	2∼5	6∼9	3∼5	1∼2	1∼2

표 1에 나타난 바와 같이, 제강슬래그에는 T-Fe가 많다. 철이온은 조류의 포자가 착생하고 발아한 후 활발하게 세포가 활동하게 하는 색소단백질 구성요소로서 색소단백질의 흡수에 관계가 있고, 성육기에 있어서 세포가 광합성에 필요한 전자전달계의 활동과 색소단백질의 형성이 철이온과 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, T-Fe가 18~22% 정도 함유된 제강슬래그는 인공어초의 원료로서 유용하다.

그런데, 제강슬래그에는 타성분에 비해 CaO함량이 상대적으로 많아서 별도의 처리과정을 거치지 않으며 팽창하는 성질이 남아 있어 인공어초의 원료로 하면 외형파손이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 제강슬래그를 안정화처리한다.

안정화는 사전에 양생 처리함으로써 제강슬래그가 가지고 있는 팽창성을 적정한 한계치 이하로 감소시켜 인공어초용 재료로 사용될 수 있도록 하는 것을 의미한다. 본 발명에서 사용한 안정화 방법은 적정한 살수 및 일정기간 동안의 방치를 통해 제강슬래그 내의 유리석회 성분을 소화시키는 것이었다. 이외의 다른 안정화 방법을 사용해도 무관하며, 그 예로써는 자연 강수에 의존하는 자연 양생법, 온수를 사용하는 방법, 증기 양생법 등이 있다. 양생처리에 있어 중요한 것은 제강슬래그의 팽창율을 임계치이하로 조정하는 것이다. 본 발명의 연구와 실험에 따르면 제강슬래그의 부피 팽창율을 0.2%이하로 하여야 인공어초용 재료로 사용할 수 있다는 것을 확인하였고, 이에 대해 보고된 바는 없다. 제강슬래그의 부피팽창율이 0.2%보다 크며는 강도저하가 발생하여 외형이 파손될 우려가 높다.

일반 구조물용 콘크리트와는 달리 인공어초는 상부의 하중을 받지 않기 때문에, 자체의 내구성만 확보하면 사용에는 지장이 없는 것으로 판단된다. 일반 구조물용 콘크리트용 골재로 제강슬래그를 사용할 때에는 본 발명에서 사용한 검증 방법이외의 많은 검증 방법을 통해 그 안정성을 규명해야 할 것으로 판단 된다.

본 발명에 따라 안정화시킨 제강슬래그(조골재)는 시멘트, 모래(세골재), 물과 혼합하여 생콘크리트(반죽)로 만드는데, 이때 중요한 것은 생콘크리트의 슬럼프가 6~14범위가 되도록 배합비를 조정하는 것이다. 슬럼프는 일정의 반죽의 점도로서 제강슬래그를 사용할 때에는 생콘크리트의 슬럼프를 6~14로 관리할 때 적정강도의 어초를 만들 수 있다. 본 발명에서는 제강슬래그, 모래, 시멘트의 배합비를 한정하지는 않으며, 이들의 슬럼프가 6~14범위에 들도록 배합하면 되는 것이다.

이와 같이 슬럼프가 조정된 생콘크리트는 원하는 형태의 성형체로 만든다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1].

먼저 제강공정에서 발생된 표 1의 제강슬래그를 파쇄 공정을 거치게 하여 한국공업규격 KS F 2544의 방법에 준하여 5-25mm (고로슬래그 굵은 골재 57)을 제조하였다. 이후에 양생장에 방치한 후 살수기를 간헐적으로 작동시켜 표면이 젖은 상태를 유지하도록 하였고, 이후에 1개월씩 경과할 때마다 시료를 채취하여 팽창율을 측정하고, 시멘트 326㎏/㎥, 물 186㎏/㎥, 모래 734㎏/㎥, 제강슬래그 1335㎏/㎥의 배합비로

콘크리트 시편(100fx200h㎜)을 만들고, 1개월을 23C의 수중에서 양생하여 시편을 제작하였다. 이것의 내구성 시험은 오토클레이브(autoclave)를 사용하여 고온(200-210℃) 및 고압(19-20기압)의 조건에서 3번 처리하여 외형의 파손이 되지않고, 오토클레이브 처리 전 후의 강도를 측정하여 강도 변화가 5% 이내이면 적합한 내구성을 갖는 것으로 판정하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

양생기간	팽창율	내구성 시험 결과
무양생 1 개월 2 개월 3 개월 4 개월 5 개월	1.4 % 0.8 % 0.4% 0.2% 0.15% 0.15%	외형파손 외형파손 외형 변화없으나, 강도저하가 5% 초과 양호 양호 양호

표 2에 나타난 바와 같이, 제강슬래그의 부피팽창율이 0.2%이내의 경우에는 성형체의 내구성이 양호한 것으로 평가되었다.

[실시예 2]

실시예 1에서 도출된 결과를 토대로 하여 팽창율이 0.2% 이하로 조정된 제강슬래그를 골재로 사용하여 시험용 인공어초를 제작하여 실해역 적용 시험을 실시하였다. 이때, 제조된 생콘크리트의 슬럼프 값은 현장의 거푸집 및 철근 배열 상태를 고려하여 6-14의 범위에 들도록 조정하였다. 해수의 수온이 충분히 하강하여 해조류 부착이 시작되는 11월 경 시설하여 약 5개월간 효과조사를 실한 결과를 표 3에 나타내었다.

구분	천연골재 콘크리트 어초	제강슬래그 콘크리트 어초	비고
개체수	147개체/m2	272 개체/m2	1.9배
습중량	353g/m2	605g/m2	1.7배
출현종수	6종/m2	8종/m2	1.3배

표 3에서 보는 바와 같이, 제강슬래그를 콘크리트 인공어초의 골재로 사용함으로써 기존의 자연골재를 사용한 인공어초보다 자원조성 효과가 우수함을 알 수 있다. 슬 래그 인공어초의 해조류 부착 및 생육효과가 좋게 나타난 것은, 철(Fe)이온이 조류의 포자가 착생하고 발아한 후 활발하게 세포가 활동하게 하는 색소단백질 구성요소로서 색소단백질의 흡수에 관계 있다고 보고한 바가 있고, 성육기에 있어서 세포가 광합성에 필요한 전자전달계의 활동과 색소단백질의 형성이 철이온과 관계가 있는 것으로 알려져 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 제철공정에서 발생하는 제강슬래그를 활용하면서도 자원조성효과가 우수한 인공어초를 제공함으로써 어족자원을 풍족하게 할 수 있는 인공어초 제조원가를 낮출 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 제강슬래그를 양생하여 부피 팽창율을 0.2% 이하로 조정하는 단계,

   상기 양생한 제강슬래그를 슬럼프가 6~14가 되도록 배합하는 단계를 포함하여 이루어지는 인공어초용 생콘크리트의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제강슬래그는 중량%로 T-Fe:18~22%, SiO₂:8~14%, Al₂O₃ :2~5, MgO:3~5, MnO:3~5% 나머지 CaO와 기타 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 인공어초용 생콘크리트의 제조방법.