KR100942150B1 - 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토목자재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 석재, 석분 및 시멘트와 물을 혼합하고 틀에 넣은 뒤 일정시간 동안 양생하며 양생된 토목자재를 반으로 절단하여 생산하는 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법이다.
폐석, 석재, 석분, 시멘트

Description

석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법{Civil engineering materials from waste of stone and how to make it}
본 발명은 토목자재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 석재, 석분 및 시멘트와 물을 혼합하고 틀에 넣은 뒤 일정시간 동안 양생하며 양생된 토목자재를 반으로 절단하여 생산하는 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법이다.
일반적으로 원석은 채석장에서 다양한 크기로 절단되어 석가공 업체로 공급되고 이러한 원석은 절단공정을 통해 다양한 종류의 석가공 제품으로 만들게 된다.
절단공정을 통해 발생되는 석재와 함께 석분 또한 많은 양이 발생되고 이러한 석재와 석분은 그 사용처가 없어 많은 양이 폐기물로 처리되고 있는 실정이다. 석재의 경우 토목공사나 건축공사에서 골재 대신 일정량 사용하고 있으나, 석분은 가공시 살포되는 물과 함께 배출됨으로써 석분을 매립하기 위해서는 건조공정을 거쳐 함수율을 낮춘 뒤 폐기물로 처리하여야 하므로 건조공정에 의해 작업이 번거롭고 폐기물 처리에 따른 비용부담이 많았다.
이러한 불합리한 점들을 해결하고자 대한민국 등록특허 제289944호, 제289943호, 제289942호에는 폐석분을 이용한 경량벽돌, 점토벽돌, 석분벽돌이 제안되어 있다.
먼저, 상기 제289944호 및 제289942호에 제안되어 있는 경량벽돌 및 석분벽돌은 벽돌의 제조를 위해 모래의 사용이 필수적인데, 모래는 근래에 들어서 공급량의 부족으로 인해 강변 모래는 가격이 급상승하고 있으며 이를 대체하기 위해 해안의 모래를 사용하고 있는 실정이나 해안 모래는 높은 염분을 함유하고 있어 구조물의 부식을 앞당기게 되므로 그 사용이 꺼려진다. 따라서, 상기한 제289944호 및 제289942호에 제시되어 있는 경량벽돌 및 석분벽돌은 강도의 증가를 위해 강변 모래를 사용할 경우 가격이 상승되는 문제가 있으며, 이를 해결하고자 해안 모래를 사용할 경우 그 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
상기한 특허 제289943호에 제안되어 있는 점토벽돌은 폐석분과 점토를 섞어서 원재료로 사용하고 있으나, 이 또한 점토벽돌의 사용량이 상대적으로 낮아 폐석분의 처리량이 극히 미미하고 고온 상태에서 열처리를 행하게 되어 폐석분을 벽돌의 원료로 이용함으로써 제조원가를 낮추려는 본래의 목적과 부합되지 않는 문제가 있다.
또한, 그 크기를 대형화하기 어렵고 설사 대형화한다 하더라도 강도가 떨어져 벽돌 등의 건자재나 토목자재로 사용하기가 어렵다.
또 다른 종래기술로서는 공개특허 제10-2001-0083791호에 개시되어 있는 재활용 석분 등을 이용한 블록이 있으며 이 또한 모래가 들어가서 제조단가가 상승되고 폐사를 넣음으로써 중금속의 유출 우려가 있다.
또 다른 것으로서는 공개특허 제10-2002-0019680호에 개시되어 있는 화강석 석분 슬러지를 이용한 경량 기포 콘크리트가 있다. 상기한 공개특허에 개시되어 있는 것은 화강석을 채석하는 과정에서 나오는 화강석 폐기물 석분과 화강석을 가공하는 과정에서 나오는 화강석 석분 슬러지를 침전 응결제를 이용하여 침전 응결시켜 케이크 형태로 건조시켜 콘크리트를 만드는 것으로서, 이러한 콘크리트의 건자재는 그 강도가 떨어져 바닥재로서만 사용이 가능하고 그 명세서에 나타나 있듯이 28일 이상의 시간을 두고 양상하여도 그 압축강도가 건축용의 경우 16kgf/cm2, 토목용의 경우 43kgf/cm2 즉, 약 1.6MPa, 4.3MPa 정도로만 나오므로 강도를 요구하는 구조물에는 그 사용이 불가능하다.
따라서, 본 발명은 채석과정에서 생산되는 석재와 석재가공과정에서 생산되는 석재 및 석분을 시멘트와 함께 혼합하고 이에 물을 첨가한 혼합재를 틀에 넣고 양생하며 양생된 재료를 절단하여 절단된 부분이 외부로 노출되되 석재의 일부가 외부로 노출됨으로써 외관이 수려하고 강도가 높아 구조물로 사용이 가능한 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 상기 혼합재를 양생하는 틀은 일측에는 볼록한 홈을 형성하고 타측에는 오목한 홈을 형성하여 토목자재 간의 결합력을 높여 안정성이 높은 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 의한 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법은 석재, 석분 및 시멘트와 물을 혼합하고 틀에 넣은 뒤 일정시간 동안 양생하며 양생된 토목자재를 반으로 절단하여 생산한다.
본 발명은 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법은 채석과정에서 생산되는 석재와 석재가공과정에서 생산되는 석재 및 석분을 시멘트와 함께 혼합하고 이에 물을 첨가한 혼합재를 틀에 넣고 양생하며 양생된 재료를 절단하여 절단된 부분이 외부로 노출되되 석재의 일부가 외부로 노출됨으로써 외관이 수려하고 강도가 높으며, 종래의 폐기물을 재활용함으로써 석분과 (폐)석재를 폐기물로 처리함으로써 발생하던 비용을 줄일 수 있다.
또한, 상기 혼합재를 양생하는 틀은 일측에는 볼록한 홈을 형성하고 타측에는 오목한 홈을 형성하여 토목자재 간의 결합력을 높여 안정성이 높다.
본 발명은 토목자재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 석재, 석분 및 시멘트와 물을 혼합하고 틀에 넣은 뒤 일정시간 동안 양생하며 양생된 토목자재를 반으로 절단하여 생산하는 석폐기물을 활용한 토목자재 및 그 제조방법이다.
본 발명에서 사용되는 석재는 탄광 또는 광산에서 버려지는 무가치한 암석 조각인 폐석을 사용할 수도 있고, 채석이나 석재가공과정에서 부산물로 생성되는 암석 조각을 사용할 수도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제조공정도이고, 도 2는 본 발명에 사용되는 틀의 구성예시도이며, 도 3은 본 발명에 의한 토목자재의 절단공정예시도로서, 본 발명에 의한 석폐기물을 활용한 토목자재 제조방법은 석재, 석분 및 시멘트를 물과 함께 혼합하는 혼합단계와; 혼합된 재료를 틀에 넣고 양생하는 양생단계와; 양생이 완료된 재료와 틀을 분리하는 탈형단계와; 분리된 재료를 자르는 절단단계;로 이루어진다.
먼저, 석재는 채석단계나 석재의 가공단계에서 발생되며 다양한 크기를 가지게 되나, 본 발명에서 사용될 수 있는 석재는 그 크기가 생산하고자 하는 토목자재보다는 작아야 함은 당연하며 틀(2)에 부었을 때 틀(2)의 외부로 돌출되지 않는 크기라야 한다. 그리고 너무 작으면 절단한 뒤 얻고자 하는 자연스러운 문양을 획득할 수 없다.
석분은 석재 가공단계에서 발생되는 것으로서 석재의 절단가공시 절삭공구의 냉각을 위해 물이 분사되므로 주로 물과 함께 배출되게 된다.
종래에는 이런 석분은 주로 건조한 뒤 폐기물로 처리하였으나 본 발명은 별도의 건조공정이 필요없이 수분이 함유된 석분을 혼합재의 재료로 사용할 수 있다.
물론, 건조된 석분 역시 사용이 가능하며, 건조된 석분을 사용하는 경우는 석분이 발생되는 곳과 본 발명에 의한 토목자재를 생산하는 곳과의 거리가 멀 경우 운송비를 절감하기 위함이다.
상기한 석재, 석분과 함게 시멘트를 혼합하고 물을 부어 혼합재를 만드는데, 물을 제외한 석재, 석분 및 시멘트의 혼합비는 석재 45~55wt%, 석분 25~35wt%, 시멘트 15~25wt%의 범위 내에서 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
석재의 비중이 45% 이하가 되면 소망하는 강도가 나오지 않고 55% 이상이 되면 접착성이 떨어질 우려가 있다.
석분의 비중이 25% 이하가 되면 이 역시 강도가 저하될 수 있고 35% 이상이 되면 접착성이 떨어지게 되며, 시멘트의 경우 15% 이하가 되면 접착성이 떨어져 강도가 약해지고 25% 이상이 되면 제조원가가 상승하게 된다.
여기서, 물은 제외한 혼합재와 물의 혼합비율은 물을 제외한 혼합재를 기준으로 물은 30~40wt%, 혼합재는 60~70wt% 사이로 혼합하는 것이 바람직하다.
혼합재의 혼합이 완료되고 나면 일정한 형태를 가진 틀(2)에 붇고 10일 이상 양생하는 양생단계를 거치는데, 상기 양생단계는 틀(2)에 부은 후 상온에서 28일 정도를 양생하는 것이 바람직하며, 경우에 따라 물을 계속적으로 보충해주면서 양생할 수도 있다.
양생이 완료되고 나면 틀(2)과 재료를 분리하고 양생이 완료된 재료에 대한 절단단계가 이루어진다.
상기 절단단계는 양생이 완료된 소재를 반으로 절단하는 것이 가장 바람직하나 경우에 따라 3등분 이상으로도 절단할 수 있다.
절단된 소재는 도 4에 도시된 바와 같이 외부로 석재(폐석)가 노출되게 되고 이러한 석재와 석재 이외의 자재 즉, 석분 및 시멘트와의 명암 및 색상의 차이로 인해 불규칙한 문양을 나타내게 된다. 따라서, 이러한 불규칙한 문양은 오히려 토목자재의 자연미를 살려주고 기존의 일률적인 토목자재에 대한 거부감을 줄여줄 수 있다.
본 발명의 양생단계에서 사용될 수 있는 틀(2)은 일측에 볼록홈(3)을 형성하고 타측에는 상기 볼록홈(3)에 대응되는 형상의 오목홈(4)이 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 즉, 상기 틀(2)에 형성된 볼록홈(3)과 오목홈(4)으로 인해 양생된 토목자재는 홈과 일치하는 형상의 요철부(5)를 가지도록 양생되며 이로 인해 운반 및 보관이 용이할 뿐만 아니라 별도의 접착부재(모르타르 등)가 없어도 다수 적층하여 반영구적으로 사용할 수 있으며, 배수구를 형성하기 위한 배수구용 돌기(7)가 형성되어 있다.
즉, 상기한 틀(2)에 의해 생산된 토목자재는 양측에 양생시 틀(2)에 형성된 볼록홈(3)과 오목홈(4)의 모양과 일치하는 요철부(5)가 형성되어 있어 별도의 접착부재가 없어도 적층하는 것만으로도 게비온 대용으로 사용할 수 있고, 일측에는 배수구(6)가 형성되어 배수를 원활히 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 사용상태예시도로서, 전술한 방법으로 생산된 토목자재(블록)를 산간도로 측면의 낙석 방지블록으로 사용한 것으로서, 경우에 따라 게비온 (gabion)으로도 사용할 수 있다.
[실시예 1]
실시예 1은 석재, 석분 및 시멘트를 다양한 비율로 혼합하여 27종의 시제품을 각 3개씩 총 81개 시제품을 제작하였으며, 석분과 석재의 혼합비율을 각각 1:1, 1:1.5, 1:2로 배합하였다.
또한 시멘트 함량을 물을 제외한 혼합재의 총 중량대비 9~20% 함유토록 하였으며, 양생기간은 틀 안에서 28일 동안 양생하였다.
연 분 시멘트 석분 석재 시멘트 함유량(%) 석분:석재 비
1 4 8 8 20 1.1
2 3.2 8 8 17
3 3 8.2 8.2 15
4 2.8 8.4 8.4 14
5 2.6 8.4 8.4 13
6 2.4 8.4 8.4 13
7 2.2 8.8 8.8 11
8 2 9 9 10
9 2 10 10 9
11 3.8 6 9 20 1:1.5
12 3.2 6.4 9.6 17
13 2.9 6.4 9.6 15
14 2.8 6.6 10 14
15 2.6 6.8 10.2 13
16 2.4 6.8 10.2 12
17 2.2 7 10.6 11
18 2 7.2 10.8 10
19 1.8 7.2 10.8 9
31 3.9 5.2 10.4 20 1:2
32 3.2 5.4 10.8 16
33 3 5.6 11.2 15
34 2.8 5.6 11.2 14
35 2.6 5.6 11.2 13
36 2.4 5.6 11.2 13
37 2.2 5.8 11.6 11
38 2 6 12 10
39 1.8 6 12 9
<표 1> 시제품 제작에 사용된 시멘트, 석분 및 석재의 함유량표
위 <표 1>에 의해 양생된 토목자재(블록)에 대해 압축강도를 측정하였다. 사용한 장비는 진주산업대학교 토목공학과에서 보유하고 있는 SHIMADZU社의 UH-100A 압축강도 측정기이고, 블록의 면적은 105mm*105mm이며, 압축강도는 Mpa단위로 계산하였다.
연 번 A(측정된 부하값) 압축강도(MPa) 압축강도 평균값(MPa)
1 13.37 9.6 13.09 11.88 8.53 11.64 10.68
2 8.5 8.95 10.52 7.56 7.96 9.35 8.29
4 8.45 8.17 8.7 7.52 7.26 7.73 7.50
11 14.35 11.69 13.03 12.76 10.39 11.58 11.58
12 13.32 8.84 9.61 11.84 7.86 8.54 9.41
14 9.97 10.27 12.45 8.86 9.13 11.07 9.69
31 16.32 15.51 17.75 14.51 13.79 15.78 14.69
32 10.97 9.25 12.37 9.75 8.22 11.00 9.66
34 9.25 7.45 8.88 8.22 6.62 7.89 7.58
<표 2> 실시예 1에 의한 시제품의 압축강도 측정값표
[실시예 2]
실시예 1에서 압축강도를 측정한 결과 압축강도비가 높은 시제품 4종류(연번 11, 12, 31, 32)에 대하여 한국공업규격(KS F 2405)에 따라 각 3개씩 제작, 양생하였으며, 공시체 시료는 지름 100mm의 원형 몰드 틀로 제작하였다.
또한, 수중에서 28일 동안 양생한 후 젖은 상태로 실험실로 운반한 뒤 압축강도를 측정하였다.
연 번 시멘트(%) 석분(%) 석재(%)
11-1 20.2 31.9 47.9
11-2
11-3
12-1 16.7 33.3 50.0
12-2
12-3
31-1 20.0 26.7 53.3
31-2
31-3
32-1 16.5 27.8 55.7
32-2
32-3
<표 3> 실시예 2의 시제품 제작에 사용된 시멘트, 석분 및 석재의 배합비율
위 <표 3>에 의해 양생된 토목자재(블록)에 대해 압축강도를 측정하였다. 사용한 장비는 실시예 1과 마찬가지로 진주산업대학교 토목공학과에서 보유하고 있는 SHIMADZU社의 UH-100A 압축강도 측정기이고, 블록의 면적은 100πmm2이며, 압축강도는 Mpa단위로 계산하였다.
연 번 압축강도(ton) 평균 응력(MPa) 평균
11-1 12.1 11.08 15.11 13.84
11-2 9.2 11.49
11-3 11.94 14.91
12-1 15.35 16.09 19.16 20.09
12-2 19.95 24.91
12-3 12.97 16.19
31-1 23.65 22.09 29.52 27.57
31-2 20.52 25.62
31-3 시료 불량 -
32-1 13.72 15.46 17.12 19.30
32-2 18.52 23.12
32-3 14.15 17.66
<표 4> 실시예 2에 의한 시제품의 압축강도 측정값표
위 실시예 2에서 나타난 바와 같이, 시제품의 압축강도는 11.49(연번 11-2)에서부터 29.52(연번 31-1)MPa로써, 1종을 제외하고는 벽돌 KS기준(B종 벽돌의 경우 12MPa 이상, KS F 4004)을 만족하며, 압축강도는 석재의 함량에 비례하고, 석분의 함량에는 반비례하는 경향을 가짐을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조공정도
도 2는 본 발명에 사용되는 틀의 구성예시도
도 3은 본 발명에 의한 토목자재의 절단공정예시도
도 4는 본 발명에 의한 토목자재의 구성예시도
도 4는 본 발명의 사용상태예시도
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1. 토목자재 2. 틀
3. 볼록홈 4. 오목홈
5. 요철부 6. 배수구
7. 배수구용 돌기

Claims (7)

  1. 석재, 석분 및 시멘트를 물과 함께 혼합하는 혼합단계와; 혼합된 재료를 틀에 넣고 양생하는 양생단계와; 양생이 완료된 재료와 틀을 분리하는 탈형단계와; 분리된 재료를 자르는 절단단계;로 이루어지며,
    상기 절단단계를 거친 소재는 외부로 석재가 노출되게 됨으로써 석재와 석재 이외의 소재 간의 명암 및 색상의 차이로 인해 불규칙한 문양을 나타내게 되어 토목자재의 자연미를 살려줄 수 있는 것이 특징인 석폐기물을 활용한 토목자재 제조방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 석재, 석분 및 시멘트의 혼합비율은 석재 45~55wt%, 석분 25~35wt%, 시멘트 15~25wt%인 것이 특징인 석폐기물을 활용한 토목자재 제조방법
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양생단계에서 사용되는 틀(2)은 일측에 볼록홈(3)을 형성하고 타측에는 상기 볼록홈(3)에 대응되는 형상의 오목홈(4)이 형성되는 것이 특징인 석폐기물을 활용한 토목자재 제조방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양생단계는 상온에서 10일 이상 양생하는 것이 특징인 석폐기물을 활용한 토목자재 제조방법
  5. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 틀(2)의 일측에는 배수구를 형성하기 위한 배수구용 돌기(7)가 형성된 것이 특징인 석폐기물을 활용한 토목자재 제조방법
  6. 석재, 석분, 시멘트 및 물을 원료로 하여 틀(2)에 넣고 양성한 뒤 틀(2)과 분리하고 절단하여 생산되는 석폐기물을 활용한 토목자재에 있어서,
    상기 토목자재의 양측에는 요철부(5)가 형성되고, 상기 토목자재의 일측에는 물을 배수하기 위한 배수구(6)가 형성되어 있으며,
    상기 절단단계를 거친 소재는 외부로 석재가 노출되게 됨으로써 석재와 석재 이외의 소재 간의 명암 및 색상의 차이로 인해 불규칙한 문양을 나타내게 되어 토목자재의 자연미를 살려줄 수 있는 것이 특징인 석폐기물을 활용한 토목자재
  7. 제6항에 있어서,
    상기 석재, 석분 및 시멘트의 혼합비율은 석재 45~55wt%, 석분 25~35wt%, 시멘트 15~25wt%인 것이 특징인 석폐기물을 활용한 토목자재
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