KR100919304B1 - 촉진탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재 - Google Patents

촉진탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재

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KR100919304B1
KR100919304B1 KR1020090024664A KR20090024664A KR100919304B1 KR 100919304 B1 KR100919304 B1 KR 100919304B1 KR 1020090024664 A KR1020090024664 A KR 1020090024664A KR 20090024664 A KR20090024664 A KR 20090024664A KR 100919304 B1 KR100919304 B1 KR 100919304B1
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송태협
이종찬
전찬수
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심종우
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한국건설기술연구원
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Abstract

본 발명은 촉진탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재로 구분되는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재 제조공정에 있어서 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여 압력 1~10기압, 온도 -10~100℃에서 1~30분간 반응시키는 촉진 탄산화 반응을 이용하여, 흡수율이 7%이상 낮아지고, 절건밀도가 10% 이상 상승된 고밀도 중성화된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 흡수율이 6%이상 낮아지고, 절건밀도가 10%이상 상승된 고밀도 중성화된 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 포함하는 콘크리트용 순환골재에 관한 것이다.
상술한 발명은 반응생성물인 CaCO3가 순환골재의 공극을 충전함으로서 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도 증진 효과에 의해 순환골재 품질에 적합한 골재 생산이 가능하고, 이를 이용한 순환골재콘크리트의 건조수축률을 천연골재를 사용한 보통콘크리트 수준으로 저감시킬 수 있다.
또한 이산화탄소 저장에 따른 대기 중의 CO2전환효과가 있으며, 순환골재에서 강알카리성을 나타내는 Ca(OH)2가 탄산화 반응에 의해 70%이상 중성화되어 순환골재의 pH가 10이하로 저하되어 토양, 수질 환경 및 생태계 영향을 최소화하는 친환경적인 순환골재의 생산이 가능하다.
또한, 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르의 알카리량은 콘크리트 제조시 알카리량의 과다로 인한 알카리 골재반응의 발생가능성이 있으나, 중성화 반응에 의해 가능성이 제거된다.
또한, 고압, 고온, 고농도의 CO2가스에 의하여 순환골재의 촉진탄산화 반응시 순환골재의 건조효과가 현저하다.

Description

촉진탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재{Recycled Aggregates For Concreate Using Reaction of Rapid Carbonation}
본 발명은 촉진탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재로 구분되는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재 제조공정에 있어서 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여 압력 1~10기압, 온도 -10~100℃에서 1~30분간 반응시키는데 있어, 건식, 반습식, 습식 순환골재 제조방법 중 하나를 선택하여 촉진 탄산화 반응을 이용하여 생산한 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 포함하는 콘크리트용 순환골재에 관한 것이며, 특히 탄산화 반응에 의해 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)2의 70%이상을 중성화시켜 pH 10 이하이며 흡수율이 7%이상 낮아지고, 절건밀도가 10% 이상 상승된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 pH 10이하 이며 흡수율이 6%이상 낮아지고, 절건밀도가 10% 이상 상승된 0.01~5mm 이하 크기의 순환 잔골재인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재이다.
본 발명은 촉진 탄산화 반응을 적용하여 순환골재의 흡수율 증대의 효과를 거둘 수 있으며, 밀도 저하의 주요요인인 시멘트의 공극을 반응생성물인 탄산칼슘에 의해 충전시킴으로써 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도를 증진시켜 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산하고, 아울러 강알카리성인 순환골재의 pH를 낮춤으로써 콘크리트용으로 사용시 발생 가능한 알칼리 골재반응 및 건조수축을 최소화하고, 토양, 수질 환경 및 생태계 영향을 최소화하는 촉진 탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재를 제공하는 것이다.
국내에서 발생되는 건설폐기물은 연간 약 6천만톤에 달하며, 이는 국내 전체 폐기물의 53%로 가장 높은 비율을 차지하고 있다. 따라서, 국가 정책적으로 건설폐기물의 매립량을 감소시키고 천연자원의 소비를 억제하기 위하여 재활용이 가능한 건설폐기물은 재활용을 촉진하도록 장려하고 있다. (건설폐기물의 재활용 촉진에 관한 법률)
이에 건설폐기물 중 80% 이상을 차지하는 건설폐재류(폐콘크리트, 폐아스팔트콘크리트, 폐벽돌, 폐블록, 폐타일 등 무기성 건설폐기물, 이 중 폐콘크리트가 80% 이상을 차지)를 파쇄하여 물리적·화학적 처리과정을 거쳐 순환골재로 재활용하도록 제도화되고 있으며, 공공공사에서는 의무적으로 사용골재의 일정비율을 순환골재로 사용하도록 하고 있다. 이와 관련하여 지난 2008년 12월에는 순환골재의무사용건설공사의 순환골재사용용도 및 의무사용량 등에 대한 고시를 공포하여, 순환골재를 골재 소요량의 15%이상 사용하도록 하였다.
그러나 아직까지는 폐자원을 사용하여 제조한 순환골재 사용에 대한 부정적 인식이 만연해 있으며, 서로 다른 해체 현장에서의 건설 폐재류가 혼합되어 원재료의 품질편차가 크고, 각종 이물질이 포함되어 있으며, 골재 표면에 모르타르가 부착되어 있는 등 실제 품질저하로 사용을 기피하는 문제가 발생되어 순환골재의 품질확보를 위한 순환골재 품질기준을 제정하여, 이에 적합한 순환골재를 사용하도록 장려하고 있다.
순환골재 품질기준에는 도로기층용, 도로보조기층용, 콘크리트용, 콘크리트 제품 제조용, 아스팔트콘크리트용, 동상방지층 및 차단층용, 노상용, 노체용, 되메우기용, 뒷채움용, 성토용, 복토용, 매립시설의 복토용으로 구분하여 기준을 제시하고 있으나, 가장 많이 사용되는 용도로는 도로기층용 및 보조기층용, 아스팔트콘크리트용이 있으며, 품질 기준이 가장 높은 콘크리트용은 연구는 많이 진행되었으나 아직 실용화되지 않고 있다.
일반적으로 순환골재의 생산기술은 건설 폐재류 등의 덩어리 파쇄, 선별 단계를 여러 차례 거쳐 생산하는 것으로 콘크리트용은 3차 파쇄 이상의 단계를 거쳐 표준 입도 분포에 적합한 골재를 생산하고 있다. 이러한 파쇄과정을 거쳐 생산된 콘크리트용 순환골재의 주요형상은 강도가 높은 천연골재에 모르타르가 부착되어 있거나(도 1 참조), 시멘트 또는 모르타르 파쇄 잔분이 혼합되어 골재의 밀도가 낮고 흡수율은 높은 문제점을 갖고 있어, 콘크리트용 순환골재 품질기준에 부적합한 주요 원인이다.
특히, 콘크리트용 순환골재의 경우, 골재 표면에 모르타르가 부착되어 있음으로서, 콘크리트의 워커빌리티가 저하되고, 슬러프 및 공기량의 경시변화가 증대되며, 압축, 인장, 휨, 전단, 피로 등의 강도 특성이 저하되고, 탄성계수 저하되며, 건조수축 및 크리프가 증가되고, 동결융해, 중성화, 염해, 화학저항성 등의 내구성이 저하되며, 균열발생 가능성이 증가하여 콘크리트의 물리적·역학적특성이 저하되는 문제가 발생한다.
폐콘크리트의 주성분인 시멘트의 특성에 따라 (특히, 산화칼슘과 물의 반응에 의해 생성된 수산화칼슘) pH가 10초과의 강알카리성을 갖고 있어, 해안이나 지하수 또는 우수 등에 노출되는 경우 강알카리성의 용출수에 의해 환경오염이나 생태계의 악영향을 줄 수 있는 문제가 제기되고 있다.
또한 강알카리성의 순환골재는 콘크리트용 골재로 사용시 알카리량의 과다로 인한 알카리 골재반응이 발생할 가능성이 있어 골재의 팽창에 의한 균열발생, 팝-아웃 등 성능저하의 원인이 된다.
도 2는 pH에 따른 물고기의 생존 가능성을 나타낸 예로 pH가 10초과인 경우 물고기가 살지 못하는 것으로 되어 있다. 따라서, 순환골재의 pH를 최하 10이하로 처리하여 사용해야 환경에 미치는 악영향을 감소시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소는 인류의 탄생 및 인구의 증가와 더불어 서서히 증가하기 시작하였으며, 최근에는 화석연료의 다량소비에 의해 급속히 증가하기 시작하였고, 그 결과 홍수, 냉하 등 이상기후증상이 현실의 문제로 대두되고 있다. 즉, 이산화탄소는 지구온난화의 주된 원인으로서, 현재 세계적으로 지구온난화가 가속화되는바, 이를 해결하고자 저탄소 녹색성장에 관한 기술이 활성화되며, 특히 탄소저감기술의 중요성이 부각되고 있다. 우리나라는 2005년 기준 세계 10위의 이산화탄소 배출국으로 2012년 교토의정서 만료시까지 이산화탄소 배출량을 저감하지 못하면 막대한 탄소 상쇄금을 지급해야 하는 상황이다.
이때, 이산화탄소는 콘크리트 주성분인 시멘트의 수산화칼슘( Ca(OH)2)과 반응하여 탄산칼슘을 생성하여 pH 10초과의 고알카리성인 시멘트를 중성화하고 동시에 공극을 치밀화 시키는 효과를 갖고 있다. 이러한 이산화탄소의 반응특성을 순환골재에 적용하면 순환골재의 흡수율 저감의 효과가 나타나며, 흡수율이 작아짐에 따라 밀도, 단위용적질량이 높아져 순환골재의 품질이 전반적으로 우수해지고 콘크리트에 사용시 건조수축을 억제하고 알카리 골재반응 발생 가능성을 저하시키는 등 콘크리트 전체의 품질을 향상시킨다 하겠다.
또한, 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도의 증대로 인한 품질향상은, 건설폐기물의 재활용 활성화로 자원이 절약되고, 양질의 저렴한 골재공급으로 건설업체의 골재수급이 원활해지며, 건설폐기물 중간처리업체의 생산능력 및 기술의 향상으로 경제 활성화와 민간분야 신규 일자리 창출 효과가 기대된다.
현재 이산화탄소를 순환골재 생산라인에 적용한 기술로써 순환골재 세척수에 이산화탄소를 용해시켜 재활용 세척수를 중성화시키는 기술(대한민국 특허등록 제 805,322호)이 있으나 재활용 세척수를 중성화시키는 비용이 많이 발생하고, 간접적인 방법으로서 순환골재를 중성화시키는 효율이 떨어지고 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산하기 어려운 문제점이 남아 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 재활용 세척수의 중성화시키는 비용이 많이 발생하고, 간접적인 방법으로서 순환골재의 중성화 효율이 떨어지며, 결정적으로 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산하기 어려운 문제를 직접적으로 순환골재를 탄산가스에 의해 중성화시킴으로서 해결한 것으로, 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재로 구분되는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재 제조공정에 있어서 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여 압력 1~10기압, 온도 -10~100℃에서 1~30분간 반응시키는데 있어, 건식, 반습식, 습식 순환골재 제조방법 중 하나를 선택하여 촉진 탄산화 반응을 이용하여 생산한 고밀도 중성화된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 포함하는 콘크리트용 순환골재를 제공하는 것을 특징으로 한다.
촉진 탄산화 반응을 적용하여 순환골재의 흡수율 증대의 효과를 거둘 수 있으며, 밀도 저하의 주요요인인 시멘트의 공극을 반응생성물인 탄산칼슘에 의해 충전시킴으로써 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도를 증진시켜 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산하고, 아울러 강알카리성인 순환골재의 pH를 낮춤으로써 콘크리트용으로 사용시 발생 가능한 알칼리골재반응을 억제하고, 토양, 수질 환경 및 생태계 영향을 최소화하는 촉진 탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 촉진탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재로서, 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 이하 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 포함하는 콘크리트용 순환골재를 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여 압력 1~10기압, 온도 -10~100℃에서 1~30분간 반응시키는데 있어, 건식, 반습식, 습식 순환골재 제조방법 중 하나를 선택하여 촉진 탄산화 반응을 이용하여 생산한 고밀도 중성화된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 이하 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 포함하는 콘크리트용 순환골재를 제공한다.
또한, 상기 촉진 탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재는 특히 탄산화 반응에 의해 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)2의 70%이상을 중성화시켜 pH 10 이하 이고, 흡수율이 7%이상 낮아지고, 절건밀도가 10%이상 증가된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 pH 10이하 이며 흡수율이 6%이상 낮아지고, 절건밀도가 10%이상 증가된 0.01~5mm 크기의 순환 잔골재인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재이다.
더욱 상세하게는 촉진 탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재는 pH가 7.5~10을 만족하며, 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환굵은골재는 흡수율이 1.5
~3.0%이며, 절건밀도가 2.5~4.08g/㎤ 이고, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재는 흡수율이 2.0~5.0%이고, 절건밀도가 2.2~3.8g/㎤인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재이다.
본 발명의 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재 제조방법은 반응생성물인 CaCO3의 순환골재 공극 충전으로 인한 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도 증진 효과에 의해 순환골재 품질에 적합한 순환골재 생산이 가능하고, 콘크리트 사용시 천연골재를 사용한 보통콘크리트의 건조 수축률과 유사한 건조 수축률을 나타낸다.
CO2저장에 따른 대기 중의 CO2전환효과가 있으며, 아울러 순환골재에서 강알카리성을 나타내는 Ca(OH)2의 탄산화 반응에 의한 pH 저감효과가 있어, 토양, 수질환경 및 생태계 영향을 최소화하는 친환경적인 순환골재의 생산이 가능하다.
또한, 순환골재를 콘크리트에 사용시 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르의 추가적인 알카리량에 의해 팽창 및 균열을 유발하는 알카리 골재반응의 가능성을 촉진 탄산화에 의해 순환골재의 알카리량을 저감시켜 제어할 수 있다.
또한 고온, 고농도의 CO2가스에 의하여 순환골재의 촉진탄산화 반응시 순환골재의 건조효과가 현저하다.
도 1은 종래의 모르타르가 부착된 콘크리트용 순환골재의 사진이다.
도 2는 일반적인 pH에 따른 물고기의 생존가능성을 나타낸 그래프이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 순환 굵은골재의 입도분포곡선이다.
도 4는 본 발명의 순환 잔골재의 입도분포곡선이다.
도 5는 본 발명의 순환골재에 부착된 모르타르의 탄산화 메카니즘이다.
도 6은 본 발명의 실시에 사용 가능한 교반용 날개의 형상을 나타낸 사진이다.
도 7는 본 발명의 실시에 사용 가능한 압력 챔버의 사진이다.
본 발명은 촉진 탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재로서, 상기 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 이하 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 포함하는 콘크리트용 순환골재를 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여 압력 1~10기압, 온도 -10~100℃에서 1~30분간 반응시키는데 있어, 건식, 반습식, 습식 순환골재 제조방법 중 하나를 선택하여 촉진 탄산화 반응을 이용하여 생산한 고밀도 중성화된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 포함하는 콘크리트용 순환골재를 포함한다.
또한, 상기 촉진 탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재는 특히 탄산화 반응에 의해 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)2의 70%이상을 중성화시켜 pH 10 이하 이며 흡수율이 7%이상 낮아지고, 절건밀도가 10%이상 증가된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와 pH 10이하 이며 흡수율이 6%이상 낮아지고, 절건밀도가 10%이상 증가된 0.01~5mm 크기의 순환 잔골재인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재이며, 더욱 상세하게는 촉진 탄산화 반응을 이용하여 생산된 콘크리트용 순환골재는 pH가 7.5~10을 만족하며, 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환굵은골재는 흡수율이 1.5~3.0%이며, 절건밀도가 2.5~4.08g/㎤ 이고, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재는 흡수율이 2.0~5.0%이고, 절건밀도가 2.2~3.8g/㎤인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 순환골재이다.
구체적으로, 상기 촉진탄산화 반응을 이용한 콘크리트용 순환골재를 이산화탄소를 시멘트 성분이 부착 또는 함유된 콘크리트용 순환골재에 적용, 탄산화시킴으로써 콘크리트용 순환골재의 흡수율 증대 및 밀도 저하의 주요요인인 시멘트의 공극을 반응생성물인 탄산칼슘에 의해 충전시킴으로써 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도를 증진시켜 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산하고, 이를 콘크리트에 사용시 건조수축을 저감시킴과 아울러 강알카리성인 순환골재의 pH를 pH 10이하로 낮춤으로써 콘크리트용으로 사용시 발생 가능한 알칼리골재반응을 억제하고 토양, 수질환경 및 생태계 영향을 최소화한다.
여기서, 순환골재의 절건밀도는 순환골재 절건상태의 밀도이고, 절건상태는 절대건조상태를 의미한다.
또한, 촉진탄산화는 직접적으로 순환골재를 탄산가스에 의해 중성화시키는 것을 의미한다.
고밀도 중성화된 5~25mm 크기의 순환 굵은 골재 또는 0.01~5mm 크기의 순환 잔골재의 의미는 다음과 같다.
고밀도 중성화된 5~25mm 크기의 순환 굵은 골재의 경우 흡수율이 0.1~3%, 절건밀도가 순환골재 품질기준을 만족시키는 2.5g/㎤이상, pH가 6~10을 의미한다. 고밀도 중성화된 콘크리트용 순환 잔골재는 흡수율이 0.1~5%, 절건밀도가 순환골재 품질기준을 만족시키는 2.2g/㎤ 이상, pH가 6~10임을 의미하는 것이다.
콘크리트용 순환골재는 순환 굵은 골재와 순환잔골재로 구분하며, 통상적으로 순환 굵은 골재는 입경이 5mm이상 25mm이하, 순환 잔골재는 0.01mm 이상 5mm이하의 골재를 의미하며, 구체적인 입도분포는 하기 표 1, 표2 및 도 3a, 도 3b, 도 4에 있다.
콘크리트용 순환 굵은 골재의 입도범위
체크기구분별 통과량(%) 40mm 25mm 20mm 15mm 10mm 5mm 2.5mm
굵은골재(25mm이하) 100 95 25 0 0
100 60 10 5
굵은골재(20mm이하) 100 90 20 0 0
100 100 55 10 5
콘크리트용 순환 잔골재의 입도범위
체크기구분별 통과량(%) 10mm 5mm 2.5m 1.2mm 0.6mm 0.3mm 0.15mm
잔골재(5mm이하) 100 90 80 50 25 10 2
100 100 100 90 65 35 15
통상의 콘크리트용 순환 굵은 골재는 크기 5~25mm, 순환잔골재는 0.01~5mm 이하로 일반적으로 3단계 이상의 파쇄과정을 거치며, 흡수율 및 절건밀도, pH, 모르타르 부착 또는 함유량의 범위는 하기 표 3과 같다
콘크리트용 순환골재의 현황 예
구분 흡수율 절건밀도(g/cm3) pH 모르타르부착 또는 함유량(wt%) 파쇄차수
콘크리트용 굵은골재(25mm이하5mm이상) 3.1~8% 2.2~2.49 11이상 10~15% 3단계 이상
콘크리트용 잔골재(5mm이하 0.01mm이상) 5.1~10% 2.1~2.19 11이상 15~20% 3단계 이상
상기의 순환골재는 모르타르가 천연골재에 부착되어 있거나, 덩어리 형태 또는 미분 형태로 혼합되어 밀도 및 흡수율이 기준에 부적합한 상태로, 다음과 같이 모르타르를 이산화탄소에 의하여 탄산화 시킴으로써 모르타르의 공극을 반응생성물인 탄산칼슘으로 충전시킴으로써 흡수율 저감 및 밀도를 증진시키는 효과를 가질 수 있다. 아울러 순환골재가 강알카리성을 갖는 원인인 시멘트 성분의 수산화칼슘을 이산화탄소와 반응시켜 저감시킴으로써 pH를 낮추는 효과를 갖게 된다.
즉, 순환골재에 탄산화 반응을 위한 이산화탄소와 수분을 함께 공급하면, 순환골재에 부착 또는 덩어리 또는 잔분의 형태로 혼합된 모르타르의 공극에 수분이 모세관현상에 의하여 침투하고, 공극내 표면에 수분이 흡수되어 Ca(OH)2가 Ca2 +와 2OH-로 분해되고, 이산화탄소가 용해된 탄산수(H2CO3)는 2H+와 CO3 2 -로 분해되어, 분해된 Ca2+와 CO3 2 -가 결합하여 CaCO3를, 2H+와 2OH-가 결합하여 H2O를 생성하여, 공극 표면에 누적되어 결국 공극을 충전하게 된다. 구체적으로 하기 반응식에 의해 순환골재의 촉진 탄산화 반응을 이해할 수 있다.
[반응식1]
Ca(OH)2 → Ca2 + + 2OH-
[반응식2]
CO2 + H2O → H2CO3 → 2H+ + CO3 2 -
[반응식3]
Ca2 + + 2OH- + 2H+ +CO3 2 - → CaCO3 + 2H2O
[반응식1] 내지 [반응식3]은 순환골재에 이산화탄소와 물을 함께 공급하여 CaCO3와 H2O를 생성하는 촉진 탄산화 반응을 나타낸다.
순환골재에 포함되어 있던 Ca(OH)2는 분자량이 73.92, 비중이 2.24로 부피비가 33이며, 생성된 CaCO3는 분자량이 100, 비중이 2.71로 부피비가 36.9로써 탄산화 반응시 부피가 약 12% 팽창하여 공극을 충전하는 효과가 더욱 커진다(도 5 참조).
특히 콘크리트에 순환골재를 사용한 순환골재 콘크리트의 경우 천연골재보다 높은 순환골재의 흡수율 때문에 건조수축이 재령 13주에서 평균 10.3×10-4으로 천연골재를 사용한 보통콘크리트의 건조수축률 6.9×10-4보다 증가하는 것으로 나타난다. 이 순환골재를 상기 제조방법에 의하여 콘크리트용 순환골재 품질기준에 적합하게 제조한 경우 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도 증가에 의해 순환골재 콘크리트의 건조수축률은 보통콘크리트와 유사하게 된다.
또한 순환골재를 콘크리트에 사용하는 경우 사용 시멘트의 알칼리량((Na2Oeq) 0.55~0.9%에 순환 잔골재의 알칼리량 0.113%나 순환 굵은골재 알칼리량 0.014%가 추가되어 전체 알칼리량이 높아지게 되므로 알칼리 골재반응을 일으킬 가능성이 높아지게 된다. 그러나 콘크리트에 사용하는 순환골재를 상기 제조방법에 의하여 순환골재 품질기준에 적합하게 될 경우 알칼리골재반응은 발생하지 않게 된다.
순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)2는 알칼리성을 나타내는 성분이므로 그 중성화 비율에 따라 pH가 변하게 된다. 본 발명은 탄산화 반응에 의해 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르의 Ca(OH)2가 70% 이상 중성화 되어, 순환골재가 pH 10이하로 저하된다.
순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르의 Ca(OH)2의 중성화비율에 따른 pH
구 분 Ca(OH)2 의 중성화 비율(%)
100 85 70 55
pH 8 9 10 11
콘크리트용 순환골재의 품질기준에 명시된 흡수율 및 밀도 기준은 하기 표 5와 같으며, 일반적인 콘크리트용 순환골재의 흡수율 및 밀도는 이에 부적합한 상태이다.
콘크리트용 순환골재 품질기준에 명시된 흡수율 및 밀도 기준
구분 흡수율 절건밀도(g/cm3)
콘크리트용 굵은골재(25mm이하 5mm이상) 3%이하 2.5이상
콘크리트용 잔골재(5mm이하 0.01mm이상) 5%이하 2.2이상
따라서, 촉진탄산화 반응을 이용하여 생산한 콘크리트용 순환골재는 하기 표 6과 같이 흡수율 및 밀도가 저감되므로 순환골재 품질기준에 적합하게 되며 pH 또한 어류의 생존에 적합한 10이하로 감소하여 생태계의 악영향을 줄이게 된다.
촉진탄산화 반응에 의하여 생산된 콘크리트용 순환골재의 품질
구분 흡수율 절건밀도(g/cm3) pH
처리전 처리후(콘크리트용 순환골재 품질기준에 적합) 처리전 처리후(콘크리트용 순환골재 품질기준에 적합) 처리전 처리후
콘크리트용 굵은골재(25mm이하5mm이상) 3.1~8% 3%이하 2.2~2.49 2.5이상 11이상 10이하
콘크리트용 잔골재(5mm이하0.01mm이상) 5.1~10% 5%이하 2.1~2.19 2.2이상 11이상 10이하
상기의 탄산화에 의한 순환골재 생산을 위해서는 탄산화를 촉진시키기 위한 조건이 필요하다. 탄산화를 촉진하기 위해서는 압력 및 온도, CO2농도가 높을수록 탄산화 촉진반응이 효과적이나, 임계점을 넘을 경우 오히려 촉진화에 방해가 된다. 따라서, 촉진조건 범위로는 1~10기압의 압력조건에서 온도는 -10~100℃ 이내로 유지하고, CO2농도는 3% 이상의 범위의 촉진조건을 인위적으로 조성하여 순환골재의 탄산화 반응을 1~30분 이내에 종료하도록 한다.
상기의 촉진탄산화 반응을 이용하여 콘크리트용 순환골재를 제조하기 위해서는 순환골재를 공기중의 이산화탄소와 순환골재를 탄산화시키는 건식순환골재 제조방법, 챔버 내에서 공기 중에 이산환탄소와 순환골재가 탄산화할 때, 챔버 내에 물을 분무하거나 이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 챔버 내의 순환골재에 분무하는 반습식 순환골재 제조방법, 또는 이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 채운 챔버 내에 순환골재를 투입하여 수중에서 탄산화시키는 습식 순환골재 제조방법이 있다.
순환골재와 촉진 탄산화 반응이 이루어지는 고압 밀폐형 챔버와 이 챔버에는 순환골재를 투입 및 배출하는 순환골재 투입 및 배출구, 순환골재의 촉진 탄산화 반응을 유도하고 파쇄를 위한 파쇄효과가 있는 교반장치, CO2가스를 챔버 내로 주입하고, 다시 배출하는 CO2가스 주입 및 배출구, 챔버 내 온도 유지를 위한 히터로 구성된다.
더욱 상세하게는 챔버의 형태는 타워식, 박스형, 수평형, 원형 등 다양한 형태가 가능하며 순환골재의 투입 및 배출은 중력방향으로 투입구는 상부, 배출구는 하부에 위치하며, 교반 장치는 스크류식, 봉식, 프로펠러식 등 순환골재의 교반 및 파쇄가 이루어지는 형상으로 구성되며, CO2의 원활한 주입이 가능한 위치로 상부, 측면부 또는 다방향에 위치 가능하며, 순환골재의 교반시 방향과 역방향에 위치하여 순환골재와 접촉이 직접적으로 이루어지도록 위치하며, 먼지가 유입되는 것을 막기 위한 필터장치를 포함한다.
또한, 챔버 내 온도를 유지시켜주는 역할을 하는 히터는 전기식 또는 가스식이 모두 가능하다.
또한 반습식 및 습식 촉진중성화 방식에 있어서 순환골재의 촉진탄산화 반응이 완료된 후 골재에 묻은 잉여수를 제거하기 위한 탈수장치를 배출방향에 설치하여 탈수 후 배출한다.
이하 본 발명의 구성을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명하지만, 본 발명은 아래의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니다.
다음의 실시예에서 사용되는 순환골재는 순환골재는 생산하는 중간처리업체에서 순환골재 생산시 투입되는 건설폐기물의 종류 및 보유장비 등에 따라 그 품질이 다양하게 나타나므로 수도권, 동부권, 남부권 각 1개업체씩을 선정하여 총 3개업체에서 생산한 순환골재를 사용하였으며, 이를 각각 a, b, c로 표시하였다. 3개업체 모두 순환골재 생산을 위해 투입한 건설폐기물은 건설폐재류이며, 본 실시예에서 사용된 순환골재는 3단계의 파쇄과정을 거쳐 생산된 것이다.
실시예1 . 촉진 탄산화 반응 전 후의 순환골재별 흡수율, 밀도, pH 의 변화
5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재와 0.01~ 5mm크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 건식순환골재 제조방법 하에서20℃의 동일한 온도조건에서 챔버 내 조건을 1, 3, 10기압, 이산화탄소 3, 10, 100%, 반응시간 1, 5, 30분으로 다양한 조건하에서 중성화하였을 경우 순환골재의 밀도 및 흡수율, pH의 변화를 측정하였다.
챔버 내에 이산화탄소를 1기압에서 중성화시키는 경우 중성화 효과는 미미하였으나, 3기압 이산화탄소 100%에서 5분 이상 중성화할 경우 가장 좋은 중성화 효과를 나타냈다.
10기압의 경우는 이산화탄소 3%에서 30분 동안 중성화할 경우 우수한 품질의 순환골재를 얻을 수 있었으며, 이산화탄소 10%에서 5분 이상 탄산화 반응을 진행할 때에도 우수한 품질의 순환골재를 얻을 수 있었다.
촉진탄산화 반응 전 순환골재의 품질
흡수율(%) 절건밀도 (g/cm2) pH
a b c a b c a b c
5mm이상25mm이하 3.8 3.6 4.0 2.29 2.35 2.32 11.1 10.9 11.2
0.01mm이상5mm이하 6.2 6.1 6.2 2.16 2.17 2.16 11.3 11.4 11.6
a: 수도권 생산 순환골재, b: 남부지역 생산 순환골재, c: 동부지역 생산 순환골재
촉진 탄산화 반응에 의한 순환골재의 품질변화
구분 품질조건 흡수율(%) 절건밀도(g/cm2) pH
중성화후 중성화 후 중성화 후
a B c a b c a b c
5mm이상25mm이하(콘크리트용순환 굵은골재) 1기압 100% 1분 3.6 3.6 3.5 2.44 2.43 2.39 11.0 11.2 11.4
5분 3.5 3.4 3.5 2.42 2.43 2.42 11.3 10.9 11.3
30분 3.5 3.4 3.4 2.41 2.38 2.39 10.8 11.2 10.9
3기압 3% 1분 3.8 3.6 3.5 2.39 2.43 2.39 11.2 10.9 11.3
5분 3.5 3.6 3.5 2.41 2.39 2.41 11.2 11.0 11.0
30분 3.4 3.5 3.5 2.42 2.41 2.43 11.0 10.9 10.8
10% 1분 3.5 3.4 3.6 2.40 2.41 2.40 11.2 11.1 10.7
5분 3.3 3.4 3.4 2.46 2.45 2.50 10.8 10.7 10.5
30분 3.3 3.2 3.3 2.51 2.49 2.48 10.2 10.4 10.1
100% 1분 3.2 3.1 3.2 2.51 2.49 2.51 10.3 10.2 9.9
5분 2.9 2.9 3.0 2.54 2.59 2.57 8.9 9.0 9.0
30분 2.8 2.8 2.9 2.59 2.58 2.57 8.9 8.5 8.5
10기압 3% 1분 3.3 3.4 3.4 2.50 2.49 2.48 10.9 10.8 10.5
5분 3.2 3.1 3.2 2.50 2.51 2.49 10.4 10.0 10.2
30분 3.0 3.2 3.0 2.52 2.51 2.52 9.6 9.7 9.6
10% 5분 3.1 3.0 3.1 2.51 2.52 2.54 9.3 9.0 9.2
30분 3.0 3.0 2.9 2.55 2.54 2.57 9.1 8.9 8.8
0.01mm이상5mm이하 (콘크리트용 순환 잔골재) 1기압 100% 1분 6.2 6.0 6.0 2.17 2.18 2.17 11.5 11.3 11.2
5분 6.1 6.4 6.2 2.18 2.18 2.19 11.2 11.3 11.4
30분 6.3 5.9 6.1 2.18 2.19 2.18 11.3 11.2 11.4
3기압 3% 1분 6.2 6.0 6.2 2.20 2.19 2.18 11.4 11.1 11.2
5분 6.0 6.0 5.1 2.24 2.25 2.22 11.1 11.2 11.2
30분 5.9 5.8 6.0 2.26 2.28 2.27 11.1 11.2 11.0
10% 1분 5.8 5.9 5.4 2.26 2.25 2.24 11.4 11.1 11.0
5분 5.5 5.6 5.3 2.29 2.27 2.28 11.2 11.0 11.0
30분 5.3 5.3 5.1 2.30 2.29 2.28 10.5 10.7 10.8
100% 1분 5.1 5.2 5.2 2.31 2.33 2.29 10.3 10.3 10.4
5분 4.8 4.9 4.9 2.36 2.35 2.35 9.4 9.3 8.9
30분 4.8 4.8 4.8 2.35 2.37 2.38 9.0 8.9 8.9
10기압 3% 1분 5.3 5.2 5.4 2.29 2.28 2.30 11.2 11.3 11.4
5분 5.2 5.2 5.1 2.30 2.31 2.30 10.5 10.5 10.3
30분 5.0 5.0 5.1 2.33 2.30 2.30 9.7 9.8 10.0
10% 5분 5.0 4.9 5.0 2.33 2.34 2.33 9.2 9.3 9.5
30분 4.9 5.0 4.8 2.34 2.35 2.35 9.3 9.1 9.0
a: 수도권 생산 순환골재, b: 남부지역 생산 순환골재, c: 동부지역 생산 순환골재
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 흡수율이 3.1~8%이고, 절건밀도가 2.2~2.49 g/㎤이며, pH가 11~12.5인 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재에 있어서,
    상기 골재를 폐쇄된 반응 챔버 내에서 이산화탄소와 반응시키는 촉진 탄산화 반응을 이용하여 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)₂을 70%이상 중성화시켜,
    생산된 순환골재의 흡수율이1.5~3.0%으로 하강하고, 절건밀도가2.5~4.0g/㎤으로 상승되며, pH가 7.5~10으로 낮아진 촉진 탄산화 반응을 이용한 고밀도중성콘크리트용순환굵은골재.
  2. 흡수율이 5.1~10%이고, 절건밀도가 2.1~2.19g/㎤이며, pH가 11~12.5인 0.01~5mm크기의 콘크리트용 순환 잔골재에 있어서,
    상기 골재를 폐쇄된 반응 챔버내에서 이산화탄소와 반응시키는 촉진 탄산화 반응을 이용하여 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)₂을 70%이상 중성화시켜,
    생산된 순환골재의 흡수율이 2.0~5.0%로 하강하고, 절건밀도가 2.2~3.8g/㎤으로 상승되며, pH가 7.5~10으로 하강된 촉진 탄산화 반응을 이용한 고밀도중성콘크리트용순환잔골재.
  3. 흡수율이 3.1~8%이고, 절건밀도가 2.2~2.49 g/㎤이며, pH가 11~12.5인 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은 골재와, 흡수율이 5.1~10%이고, 절건밀도가 2.1~2.19g/㎤이며, pH가 11~12.5인 0.01~5mm크기의 콘크리트용 순환잔골재에 있어서,
    상기 골재를 동일한 폐쇄된 반응 챔버내에서 함께 이산화탄소와 반응시키는 촉진 탄산화 반응을 이용하여 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)₂을 70%이상 중성화시켜,
    생산된 순환 굵은 골재는 흡수율이 1.5~3.0%로 하강되고, 절건 밀도가 2.5~4.0g/㎤로 상승되며, 생산된 순환 잔골재는 흡수율이 2.0~5.0%로 하강되고 절건밀도가 2.2~3.8g/㎤으로 상승되며 생산된 순환골재의 pH가 7.5~10로 낮아진 촉진 탄산화 반응을 이용한 고밀도중성콘크리트용순환골재.
  4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    촉진 탄산화 반응을 건식, 반습식, 또는 습식 순환골재 제조방법 중 어느 하나를 선택하여 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여, 압력 1~10기압, -10~100℃의 온도에서 1~30분간 반응시키는 것을 특징으로 하여 제조한 고밀도 중성 콘크리트용 순환골재
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 4항에 있어서,
    건식 순환골재 제조방법을 이용하여 제조한 고밀도 중성 콘크리트용 순환골재는,
    폐쇄된 챔버 내의 공기 중의 이산화탄소와 순환골재를 직접 탄산화 반응 시키는 것을 특징으로 하는 건식 순환골재 제조방법을 이용한 것을 특징으로 하는 고밀도 중성 콘크리트용 순환골재.
  8. 제 4 항에 있어서,
    반습식 순환골재 제조방법을 이용하여 제조한 고밀도 중성 콘크리트용 순환골재는,
    챔버 내의 공기 중에 이산화탄소와 순환골재가 탄산화 반응을 일으킬 때, 챔버 내에 물을 분무하거나 이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 챔버 내의 순환골재에 분무하여 탄산화 반응을 시키는 것을 특징으로 하는 반습식 순환골재 제조방법 이용한 것을 특징으로 하는 고밀도중성콘크리트용순환골재.
  9. 제 4항에 있어서,
    습식 순환골재 제조방법을 이용하여 제조한 고밀도 중성 콘크리트용 순환골재는,
    이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 채운 챔버 내에 순환골재를 투입하여 수중에서 탄산화 반응을 시키는 것을 특징으로 하는 습식 순환골재 제조방법을 이용한 것을 특징으로 하는 고밀도중성콘크리트용순환골재.
  10. 제 7항에 있어서 건식 순환골재 제조방법의 반응 조건을,
    챔버 내에 농도 95~100%의 이산화탄소를 공급하여 압력 2.5~3.5기압, 온도10~40℃에서 5~30분간 반응시키는 것을 특징으로 하여 제조한 고밀도중성콘크리트용순환골재.
  11. 제 7항에 있어서 건식 순환골재 제조방법의 반응 조건을,
    챔버 내에 농도3~5%의 이산화탄소를 공급하여 압력 8~10기압, 온도10~40℃에서 25~30분간 반응시키는 것을 특징으로 하여 제조한 고밀도중성콘크리트용순환골재.
  12. 제 7항에 있어서 건식 순환골재 제조방법의 반응 조건을,
    챔버 내에 농도 8~12%의 이산화탄소를 공급하여 압력 8~10기압, 온도10~40℃에서 5~30분간 반응시키는 것을 특징으로 하여 제조한 고밀도중성콘크리트용순환골재.
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