KR100873872B1

KR100873872B1 - 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법

Info

Publication number: KR100873872B1
Application number: KR20080074840A
Authority: KR
Inventors: 김양배; 김성재; 정용; 김정빈; 최진만; 윤섭; 신재경
Original assignee: 삼표이앤씨 주식회사
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2008-12-15

Abstract

본 발명은 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 산업 및 일반 폐기물을 사용하여 환경보호와 자원재활용 측면뿐만이 아니라 경제성이 우수하고, 낮은 흡수율과 낮은 절건밀도를 보이는 인공경량골재를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법은 전체 중량에 대하여 석분슬러지 10~80중량%, 바텀애시 10~80중량%로 이루어지는 성분과, 상기 두가지 성분에 전체의 중량에 대하여 Na₂SO₄ 0.001~10중량%, Fe₂O₃ 0.001~10중량%를 혼합하고, 1,000~1,150의 온도범위에서 1~30분 동안 소성하는 것을 특징으로 한다.

인공경량골재, 석분슬러지, 바텀애시, 소성, 절건밀도

Description

석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING LIGHTWEIGHT AGGREGATES OF AGGREGATE WITH CRUSHED AGGREGATE BY-PRODUCTS AND BOTTOM ASH MIXTURE}

본 발명은 석분슬러지와 바텀애시를 주성분으로 하는 경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석분슬러지와 바텀애시의 주성분에 적절한 함량의 첨가물을 첨가하여 보다 낮은 흡수율을 보이는 인공 경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 골재는 시멘트 콘크리트나 아스팔트 혼합물을 만들기 위해 이용되는 자갈, 쇄석, 모래 등과 같은 입상의 재료를 지칭하는 것으로, 다양한 형태와 크기를 가지며 비중에 따라 경량골재, 일반골재, 중골재로 구분된다. 이중에서 경량골재는 모래나 자갈보다 가벼운 골재로서, 경량 콘크리트 등의 재료로 사용되는 것을 말한다. 초기에는 석탄재와 화산 분출물의 하나인 화산력이 쓰였지만 20세기초부터 각종 인공골재를 비롯해서 팽창 슬래그(slag) 등이 제조되어 그 사용량은 해를 거듭할수록 증가하고 있다. 제2차세계대전 후에는 천연의 모래나 자갈도 부족하고 갑자기 일어난 건축붐으로 인공경량골재(Lightweight aggregate)의 생산이 촉진되어 그 수요가 많이 증가하였다. 우리나라도 건축토목용 골재의 부족 현상은 해가 갈수록 심화되고 있어 이의 해결책이 시급한 실정이다. 국내의 각종 골재는 그 수요에 비해 실제 허가량이 적어, 불법으로 채취되는 경우가 많아 자연훼손의 주범이 되고 있으며, 또한, 천연경량골재는 국내에 원료 생산지가 드물고 부존자원도 부족하기 때문에, 국내에서는 생산하기 어려운 단점이 있다.

한편, 인공경량골재는 경량특성, 단열성, 흡음성, 내열성, 가공성, 경제성, 친환경성 등 복잡한 각각의 산업분야에서 요구되어지는 광범위한 기능을 갖는 소재로서, 내력구조용 및 비 내력구조용 인공경량골재, 그리고 고기능성의 환경소재 등의 광범위한 분야로 적용하고 있다.

이러한 인공경량골재는 예전에는 주로 팽창혈암, 팽창점토 등의 천연 원료를 이용한 것이었으나, 최근에는 플라이애시(fly ash)와 각종 슬러지를 이용한 인공경량골재가 생산되고 있으며, 특히 각종 폐기물을 이용한 인공경량골재에 대한 연구 및 상업화는 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 플라이애시나 바텀애시(bottom ash)를 이용한 경량골재 제조기술은 오래전부터 연구되어 경량골재로 상용화되어 시판되고 있다.

그러나, 기존 플라이애시 및 바텀애시를 이용하여 생산된 인공경량골재는 흡수율이 12~18%로 높아 구조체용 콘크리트 골재로 사용하기에는 콘크리트 품질관리가 어려운 단점이 있었다. 또한, 절건밀도에 있어서도 보다 낮출 필요가 있었다.

이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭한 결과 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 산업 및 일반 폐기물을 사용하여 환경보호와 자원재활용 측면뿐만이 아니라 경제성이 우수하고, 낮은 흡수율과 낮은 절건밀도를 보이는 인공경량골재를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재 제조방법은 전체 중량에 대하여 석분슬러지 10~80중량%, 바텀애시 10~80중량%로 이루어지는 성분과, 상기 두가지 성분에 전체 중량에 대하여 Na₂SO₄ 0.001~10중량%, Fe₂O₃ 0.001~10중량%를 혼합하고, 1,000~1,150의 온도범위에서 1~30분 동안 소성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 제조방법에서 인공경량골재의 원료는 석분슬러지와 바텀애시, Na₂SO₄, Fe₂O₃이며, 석분슬러지와 바텀애시는 전체 중량에 대하여 석분슬러지 10~80중량%, 바텀애시 10~80중량%이다. 상기 바텀애시의 비율이 10중량%미만이거나 석분슬러지의 비율이 80중량%를 초과하는 경우에는 밀도가 높아지는 문제가 있으며, 상기 바텀애시의 비율이 80중량%를 초과하거나 석분슬러지의 비율이 10중량%미만인 경우에는 흡수율이 높아지고 강도가 약해지는 문제가 있다. 흡수율과 절건밀도를 동시에 고려하면, 석분슬러지와 바텀애시의 가장 최적인 혼입비율은 4:6~6:4의 범위가 보다 바람직하다. 이같은 석분슬러지과 바텀애시는 발생과정에서 습윤상태이기 때문에 각각의 재료를 건조로에서 건조를 시켜 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 건조시킨 원료는 입도를 균일하게 제어하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 볼밀을 이용하여 분쇄하는 것이 바람직하다.

상기 석분슬러지는 산업 및 일반 폐기물로 발생되는 일반적인 것을 사용할 수 있으며, 원료 확보의 용이성과 발생량 등을 고려할 때 부순골재 제조과정에서 발생되는 150㎛이하의 석분슬러지를 사용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 바텀애시는 산업 및 일반 폐기물로 발생되는 일반적인 것을 사용할 수 있으며, 다량의 균질 원료 수습을 고려할 때 화력발전소 수득되는 것을 건조 후 0.6mm 이하로 분쇄한 것이 보다 바람직하다.

상기 Na₂SO₄는 전체 중량에 대하여 0.001~10중량% 첨가한다. 그 함량이 0.001중량%미만이면, 절건밀도와 흡수율이 높아지는 문제가 있고, 10중량%를 초과하면 소성시 융착이 일어나는 문제가 있다. 상기 Na₂SO₄는 산업 및 일반 폐기물로 발생되는 일반적인 것을 사용할 수 있는데, 예를 들면 공업용으로 시판되는 원료뿐만아니라 계면활성제 제조과정에서 발생하는 산업부산물과 산업장의 탈황 부산물 등을 사용할 수 있다.

상기 Fe₂O₃는 전체 중량에 대하여 0.001~10중량% 첨가한다. 그 함량이 0.001중량%미만이나, 10중량% 이상에서는 절건밀도가 높아지고 융착 등의 문제가 발생한다. 상기 Fe₂O₃는 산업 및 일반 폐기물로 발생되는 일반적인 것을 사용할 수 있는데, 예를 들면 제철제강 산업의 부산물을 들 수 있다.

상기 원료들은 상기와 같은 비율로 혼합하고, 건조 후 1,000~1,150℃에서 1~30분동안 소성한다. 상기 소성온도가 1,000℃미만이면 소성도가 매우 적어 필요로 하는 물성을 얻을 수 없는 문제가 있고, 1,150℃를 초과하면 융착이 발생하는 문제가 있다. 또한, 상기 소성시간이 1분미만이면 소성도가 매우 적어 물성 발현이 곤란한 문제가 있고, 30분을 초과하면 과소성이나 융착이 발생하는 문제가 있다. 이같은 소성은 batch type 또는 로터리킬른등과 같이 통상적으로 행할 수 있는 것으로 행한다.

이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 석분슬러지, 바텀애시만으로 골재의 물성을 만족시키지 못했던 문제를 Na₂SO₄, Fe₂SO₃을 함께 최적비율로 혼입하여 인공경량골재를 제조함으로써, 기존의 바텀애시, 플라이애시를 이용한 인공경량골재의 높은 흡수율이라는 단점을 보완하여 낮은 흡수율의 인공경량골재의 제조가 가능해졌다. 또한 부순골재 생산업체와 화력발전소에서 처리가 곤란하였던 석분슬러지와 바텀애시의 처리함으로써 처리장 설치 비용절감과 석분슬러지와 바텀애시의 재활용으로 환경문제를 해결하는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 인조경량골재의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

<실시예 1>

석분슬러지와 바텀애시를 준비하였으며, 준비된 석분슬러지와 바텀애시의 성분은 하기표1과 같았다. 준비된 석분슬러지와 바텀애시는 발생과정에서 습윤상태이기 때문에 각각의 재료를 건조로에서 약 24시간 이상 완전 건조를 시켰다. 건조시킨 원료는 입도를 균일하게 제어하기 위하여 볼밀을 이용하여 100㎛ 이하로 분쇄하였다. 이렇게 분쇄된 원료는 하기표 2와 같은 혼합비율(중량)로 석분슬러지(SB)와 바텀애시(BA)를 개량한 후 원료혼합기를 통해 혼합하였다. 석분슬러지와 바텀애시의 혼합비율에 따른 화학조성(wt.%)은 하기표 2에 나타낸 바와 같다.

구 분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O
석분슬러지(wt.%)	60.5	16.2	3.27	3.52	0.95	4.84	3.73
바텀애시(wt.%)	47.6	21.2	9.75	2.94	1.45	1.05	1.07

석분 슬러지	바텀 애시	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O
2	8	50.2	20.2	8.5	3.1	1.4	1.8	1.6
4	6	52.8	19.2	7.2	3.2	1.3	2.6	2.1
6	4	55.3	18.2	5.9	3.3	1.2	3.3	2.7
8	2	57.9	17.2	4.6	3.4	1.1	4.1	3.2

이렇게 혼합된 혼합물은 펠레타이져를 통해 성형한 다음 건조로에서 105℃, 24hr이상 건조 후, 이 성형체를 소성시간을 10~15분 정도로 하고, 소성온도를 각각 1,000, 1,050, 1,100, 1,150, 1,200℃로 하여 로터리킬른에서 소성한후, 얻어진 골재의 흡수율과 절건밀도를 측정하고, 그 결과를 하기표3에 나타내었다.

혼합비율		소성온도 (℃)	흡수율 (%)	절건밀도 (g/cm³)	상태
석분슬러지	바텀애시	소성온도 (℃)	흡수율 (%)	절건밀도 (g/cm³)	상태
2	8	1,000	30.9	1.26	○
4	6	1,000	26.6	1.33	○
6	4	1,000	22.8	1.47	○
8	2	1,000	20.8	1.54	○
2	8	1,050	30.1	1.30	○
4	6	1,050	24.6	1.44	○
6	4	1,050	19.0	1.56	○
8	2	1,050	18.0	1.57	○
2	8	1,100	24.7	1.36	○
4	6	1,100	20.0	1.48	○
6	4	1,100	16.9	1.58	○
8	2	1,100	16.8	1.61	○
2	8	1,150	28.8	1.27	○
4	6	1,150	13.0	1.49	○
6	4	1,150	13.2	1.47	○
8	2	1,150	3.2	1.58	△
2	8	1,200	-	-	x
4	6	1,200	-	-	x
6	4	1,200	-	-	x
8	2	1,200	-	-	x

○ : 융착이 발생 안 함; △:융착이 약간 발생함; × : 융착이 발생함

상기표3에서 알 수 있는 바와 같이, 주성분인 석분슬러지와 바텀애시는 그 혼합비율이 2:8~8:2의 범위에서 흡수율과 절건밀도가 우수하였으며, 흡수율과 절건밀도를 동시에 고려하는 경우, 4:6~6:4의 범위가 보다 우수하였다. 그리고, 소성온도가 본 발명의 범위를 초과하는 1,200℃의 경우에는 융착이 발생되는 문제가 있었다.

<실시예2>

상기 실시예 1에서 얻어진 골재들의 흡수율이 13~30% 정도로 비교적 높게 나타남을 알 수 있었다. 이러한 높은 흡수율은 Na₂SO₄ 및 Fe₂O₃의 첨가에 의해 낮출 수 있는데, 본 실시예에서는 이를 살펴본다.

상기 석분슬러지 및 바텀애시 혼합비율을 5:5(중량비)로 하고, 여기에 Na₂SO₄ 및 Fe₂O₃를 하기표4와 같은 비율로 첨가하고, 소성온도를 하기표4와 같이 하고, 나머지 조건 및 방법은 상기 실시예1과 동일하게 하여 골재를 제조하였다. 얻어진 골재의 절건밀도 및 흡수율을 측정하여 하기표 4에 나타내었다.

	Flux 첨가율 (중량%)		소성온도 (℃)	절건 밀도 (g/cm³)	흡수율 (%)
발명예	Na₂SO₄ 2%	Fe₂O₃ 1%	1,050	1.51	20.3
			1,075	1.58	16.3
			1,100	1.45	10.0
			1,125	1.55	9.7
			1,150	1.43	7.3
	Na₂SO₄ 3%		1,050	1.44	20.5
			1,075	1.43	18.2
			1,100	1.51	14.0
			1,125	1.53	10.7
			1,150	1.54(소량융착)	4.1(소량융착)
	Na₂SO₄ 4%		1,050	1.41	22.3
			1,075	1.50	17.0
			1,100	1.45	14.8
			1,125	1.51(소량융착)	3.5(소량 융착)
			1,150	1.55(소량융착)	2.8(소량 융착)
비교예	Na₂SO₄ 15%	Fe₂O₃ 1%	1,050	1.71	21.8
			1,075	융착	융착
			1,100	융착	융착
			1,125	융착	융착
			1,150	융착	융착

상기표4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예의 경우는 절건밀도 1.41~1.55g/m³, 흡수율 2.8~22.3%로 절건밀도와 흡수율이 낮아, 실시예1에서 얻어진 인공경량골재 보다도 전반적으로 품질이 우수한 것으로 나타났다. 반면에, Na₂SO₄의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예의 경우는 융착이 일어나는 문제가 있었다.

또한, 바텀애시와 점토의 혼입비율을 하기표5와 같이 하고, 소성공정은 약 1,100℃, 10~15분간 로터리킬른에서 수행하고, 나머지 조건은 상기 실시예와 동일하게 하여 성형체를 제조하였다. 얻어진 인공경량골재의 절건밀도 및 흡수율을 측정하여 하기표5에 나타내었다.

구분	바텀애시	점토	소성온도(℃)	절건밀도(g/cm³)	흡수율(%)
종래예 1	7	3	1,100	1.64	13.5
종래예 2	6	4	1,100	1.65	12.1

상기표5에서 알 수 있는 바와 같이, 바텀애시와 점토로 구성된 인공경량골재는 종래예1의 경우는 1,64g/cm³의 밀도, 13.5%의 흡수율을 가졌고, 종래예2의 경우는 1,65g/cm³의 밀도, 12.1%의 흡수율을 가졌다.

이 같은 결과는 본 발명에 의한 인공경량골재가 기존의 인공경량골재에 비해 절건밀도와 흡수율이 낮아 품질이 우수하다는 것을 반증하는 것이다.

<실시예3>

본 실시예는 소성시간에 대한 영향성을 분석하기 위한 것으로, 주성분인 석분슬러지 48.5중량%와 바텀애시 48.5중량%로 준비하고, 여기에 전체 중량에 대하여 Na₂SO₄ 2중량%, Fe₂SO₃ 1중량%의 첨가물을 준비하였다. 준비된 원료들을 이용하여, 상기 실시예 2와 같은 조건 및 방법으로 성형체를 제조하였으며, 이때 소성시간 및 소성온도는 하기표 6과 같았다. 얻어진 인공경량골재의 흡수율 및 절건밀도를 측정하여 그 결과를 하기표 6에 나타내었다.

소성시간(분)	소성온도(℃)	흡수율(%)	밀도(g/cm³)
5	1,150	11.0	1.51
15		7.3	1.53
30		8.5	1.55
45		융착	융착

상기표6에서 알 수 있는 바와 같이, 소성시간이 5~30분인 경우는 흡수율 7.3~11%, 밀도 1.51~1.55g/cm³으로 양호한 품질의 경량골재를 제조하였으나, 소성시간 45분인 경우는 경량골재끼리의 엉키붙는 융착현상이 발생하여 소성시간은 30분 이내로 하는 것이 적당할 것으로 판단된다.

기존의 인공경량골재의 경우 팽창혈암과 팽창점토 등의 부존자원을 필요로 하는 반면, 상술한 바와 같은 본 발명의 방법에 의해 제조된 인공경량골재는 이러한 특정 자원을 필요로 하지 않는다는 이점이 있다. 이로인해, 인공경량골재의 부존자원이 빈약한 국내실정에서는 향후 예상되는 골재자원의 고갈과 경량골재 수요에 대비하여 각종 폐기물을 이용한 경량골재 제조기술의 개발이 시급히 요구되는데, 본 발명과 같은 폐기물을 이용한 인공골재 제조와 같은 기술의 실용화를 통해서 폐기물의 재활용과 기술 경쟁력을 제고될 수 있을 것으로 보여진다.

즉, 이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 석분슬러지, 바텀애시만으로 골재의 물성을 만족시키지 못했던 문제를 Na₂SO₄, Fe₂SO₃을 함께 최적비율로 혼입하여 인공경량골재를 제조함으로써, 기존의 바텀애시, 플라이애시를 이용한 인공경량골재의 높은 흡수율이라는 단점을 보완하여 낮은 흡수율의 인공경량골재의 제조가 가능해졌다. 또한 부순골재 생산업체와 화력발전소에서 처리가 곤란하였던 석분슬러지와 바텀애시의 처리함으로써 처리장 설치 비용절감과 석분슬러지와 바텀애 시의 재활용으로 환경문제를 해결하는 효과가 있다.

Claims

전체 중량에 대하여 석분슬러지 10~80중량%, 바텀애시 10~80중량%로 이루어지는 성분과, 상기 두가지 성분에 전체 중량에 대하여 Na₂SO₄ 0.001~10중량%, Fe₂O₃ 0.001~10중량%를 혼합하고, 1,000~1,150의 온도범위에서 1~30분 동안 소성하는 것을 특징으로 하는 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 석분슬러지는 부순골재 제조과정에서 발생되는 150㎛이하의 석분슬러지인 것임을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 바텀애시는 화력발전소에서 수득되는 것으로 건조 후 0.6mm 이하로 분쇄한 것임을 특징으로 하는 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 Na₂SO₄는 공업용 원료, 계면활성제의 산업부산물, 산업장의 탈황 부산물 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 Fe₂O₃는 제철제강 산업 부산물인 것을 특징으로 하는 석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법.