KR100944190B1 - 석분을 포함하는 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석분을 포함하는 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 본 발명에서는 석분의 생산을 위한 추가적인 공정을 거치지 않고, 대리석이나 화강암을 가공하는 석재 관련 산업에서 원석을 가공하는 과정 중에 발생하는 석분을 콘크리트 혼화재로 활용한다.
본 발명에서는 석가공 석분을 콘크리트 혼화재로 사용함으로써, 보다 압축강도가 우수한 콘크리트 조성물을 얻을 수 있으며, 콘크리트의 재료비용을 절감하는 것과 더불어 폐자원인 석분의 처리비용을 절감하는 경비절감의 효과는 물론 폐자원 재활용을 통한 환경보호의 효과를 얻을 수 있다.
콘크리트, 시멘트, 석분, 화강암, 혼화재, 압축강도.

Description

석분을 포함하는 콘크리트 조성물 {Concrete Composition Including Stone Powder}
본 발명은 석재가공 부산물인 석분을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
국내 건설 산업의 급속한 발전에 따라 기초자재의 수요가 급격히 증대되고 있는 상황이며, 이미 하천골재는 고갈 상태에 이르렀다. 또한 골재의 품질도 악화 되고 있는 실정이다. 잔골재에 대해서는 해사, 산사를 대체자원으로 사용하고 있으나 해사는 다량의 염분을 포함하고 있어 콘크리트의 구조물의 내구성에 큰 영향을 미치게 되고, 염분세척에 소요되는 과다한 시설부지 및 공업용수의 부족 등 사용상 많은 어려움이 있다.
한편, 석산 및 석재가공업체에서 원석을 채굴하거나 가공하는 과정에서 석골재의 30~60%정도가 폐석이나 석분 및 슬러지로 손실되고 있고, 이러한 폐기물 중 폐석과 석분의 일부만이 인조 대리석 제조나 경량기포 콘크리트 제조용, 도로포장용 및 객토용으로 재활용 되고 있을 뿐, 대부분은 적치되거나 무계획적으로 매립되 고 있는 실정이다. 이와 같이 석재 생산과정에서 필연적으로 발생되는 부산물인 석분토는 두가지 측면에서 환경오염에 영향을 미치고 있으며 그 내용은 다음과 같다. 첫째는, 매립으로 인한 오염이다. 산업부산물인 석분의 매립에 따른 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라 건조시 발생분진과 이들에 함유된 중금속 이온의 용출에 의한 대기, 토양 및 수질 등의 위해한 환경 공해를 유발 시키는 문제점을 동시에 안고 있다. 또한 지반의 연약화등 2차 환경오염 문제가 야기된다. 그 둘째는, 야적으로 인한 피해이다. 국내 인공 쇄석사 제조과정에서 발생되는 200Mesh 이하의 석분토는 연간 100만m3이상이 발생하고 있으며, 대부분 석산에 야적되어 있는 상황으로 현재 폐기물로 지정되어 있다. 석산야적으로 인해 주변 농지와 상수원 오염과 더불어 침전물에 의한 주민 생수용 수원의 수질을 악화시키고 있다. 게다가 생산업체의 소유 야적장 부족 및 지역이기주의로 인한 매립장 확보의 어려움으로 인해 공유지 및 농지를 불법으로 점거, 석분토 야적장으로 사용하다가 법적인 조치를 받게 되는 사례도 증가하고 있다. 이처럼 산업재료로서 대규모의 재활용 방법이 부족한 현실에서 연간 발생 되는 석분토의 양에 비해 국토가 좁고 폐기물을 매립할 수 있는 매립장도 포화된 상태여서, 행정적인 처벌을 감수하면서 까지 불법 처리해야 하는 악순환이 계속되고 있다.
본 발명에서는 앞서 지적한 잔골재 수급의 어려움과 석분 처리 문제 해결을 위해 콘크리트 생산을 위한 혼합재료로서 석재가공 산업에서 생긴 부산물인 석분을 활용하고자 한다. 인공골재 콘크리트 생산과정에서는 자갈 또는 암석을 분쇄한 미 세 돌가루가 이미 함유되고 있는 실정이고, 채움재 기능을 하는 미세 돌가루는 골재들의 공극을 채워줌으로써 오히려 콘크리트를 안정시키며 강도를 증가시켜준다. 그러나, 이런 돌가루 생산을 위해서 많은 양의 자갈 또는 암석이 필요하며 분쇄공정을 거쳐야 하는데 여기에 비용이 수반되며 생산단가를 증가시키는 요인이 되므로, 본 발명에서는 석재가공 산업에서 발생하는 부산물인 석분을 이용함으로써 상기와 같은 문제를 해결한다.
본 발명에서는 콘크리트의 생산단가를 절감하고 폐자원의 처리비용까지 절감함과 더불어 폐자원 재활용을 통하여 환경보호에 이바지할 수 있는 방법으로 석재가공 산업에서 발생하는 부산물인 석분을 포함하는 콘크리트 조성물을 제시한다.
본 발명에서는 콘크리트의 혼화재로서 석분의 첨가효과를 파악하는 동시에, 콘크리트의 압축강도를 향상시킬 수 있는 적정한 석분 함유량을 제시하고자 한다.
상기 과제해결을 위하여 본 발명에서는 석분의 생산을 위한 추가적인 공정을 거치지 않고, 대리석이나 화강암을 가공하는 석재관련 산업에서 원석을 가공하는 과정 중에 발생하는 부산물인 석분을 콘크리트 혼화재로 활용하는 방안을 제시한다.
상기 석분은 폐기물로 취급되고 있으므로, 이를 폐기물로 처리하는 대신 콘크리트의 재료로 활용함으로써, 콘크리트를 구성하는 재료의 구입비용을 절감하는 것과 더불어 폐자원의 처리비용을 절감할 수 있으며, 이를 통하여 경비절감의 효과는 물론 폐자원 재활용을 통한 환경보호의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 석재산업에서의 폐기물로 인식되는 석분을 콘크리트의 혼합재료로서의 활용을 도모하기 위하여, 석분의 화학성분, 물리적 성질, 압축강도 실험, 유해성에 대한 분석 등을 수행하였다.
그 결과, 대리석과 화강암 석재가공의 부산물인 석분은 크게 5가지 광물, 즉 Ouartz, Feldspar, Muscolinite, Kaolinite, Calcite로 이루어져 있고, 그 입경은 매우 균등하고 미세하며 200번체 통과량이 98.7%이고, 소성이 낮은 ML로 분류됨을 확인할 수 있었다. 한편, 다양한 석분/시멘트 비율에서 압축강도를 살펴본 결과, 대체적으로 20~30 N/mm2 의 강도를 나타내었고, 석분/시멘트 비율이 10~40중량%인 범위내에서는 압축강도가 향상되는 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 폐기물 공정 시험(KOLP)에 의해 석분의 용출 시험을 실시한 결과, 납, 구리, 카드뮴이 미량 검출되었으나 이는 기준치 이하의 미량이었고 기타 유해물질은 검출되지 않아 안전성면에서도 문제가 없는 것으로 나타났다.
상기 실험결과들을 종합하면, 대리석이나 화강암의 석가공 부산물인 석분을 시멘트와 혼합하여 콘크리트를 제조할 경우 콘크리트의 조직을 치밀하게 하여 압축강도를 향상시킬 수 있으며, 적정한 석분의 혼합량은 석분/시멘트의 비율이 10~40%인 범위인 것이 바람직한 것으로 나타났다. 석가공 분산물인 석분을 혼합하여 콘크리트를 제조함으로써 시멘트 및 골재의 사용량을 줄이는 동시에 산업폐기물 처리비용을 줄일 수 있으므로 경제적인 측면은 물론 환경적인 측면에서도 바람직한 것으로 판단된다.
본 발명에서는 석분의 생산을 위한 추가적인 공정을 거치지 않고, 대리석이나 화강암을 가공하는 석재 관련 산업에서 원석을 가공하는 과정 중에 발생하는 석분을 폐기물로 처리하는 대신 콘크리트의 재료로 활용함으로써, 콘크리트를 구성하는 재료의 구입비용을 절감하는 것과 더불어 폐자원의 처리비용을 절감할 수 있으며, 이를 통하여 경비절감의 효과는 물론 폐자원 재활용을 통한 환경보호의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 석분을 콘크리트의 혼화재로 사용함으로써 보다 압축강도가 우수한 콘크리트 조성물을 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용한 %는 특별한 설명이 없는 한 중량%를 의미한다.
[석분의 물성 파악]
하기 표 1은 골재로서 통상적으로 제공되는 암석을 파쇄한 석분의 물리적 성질을 나타낸 표로서, 이에 따르면 통상적인 석분은 비중이 2.68, 자연 함수비가 26%정도이며, 최대입도는 0.84mm이다.
Specific Gravity Gs Maximum Size (mm) Natural Moisture Content(%) γdmax (g/cm3) OMC (%) Percent Finer Atterberg Limit USCS
No.4(%) No.200(%) LL(%) PL(%)
2.68 0.84 26.3 1.948 12.0 100 75.8 32.2 29.5 ML
한편, 본 발명에 따른 석분으로는 익산시 황등에 있는 석재가공공장에서 채취한 석분을 사용하였으며, 물리적 성질을 알기 위해 물성실험을 수행한 결과는 표 2와 같다. 표 2에 의하면, 본 발명 석분의 최대 건조 단위중량은 1.53g/cm3이고 최적함수비는 22%로 나타났다.
도 1과 도 2는 본 발명에서 사용한 석분의 다짐곡선 및 입도 분포곡선을 나타낸 것이다. 도 2와 표 2에서 보여 지듯이 본 발명에서 사용한 석분은 입경이 매우 균등하고 미세하여, 80%이상이 0.05~0.06mm사이에 분포하고 있으며, 200번체(0.08mm) 통과량이 98.7%로 일반적인 석분보다 많다. 따라서, 본 발명의 석분은 콘크리트 배합에 있어 통상적인 석분에 비하여 워커빌리티의 향상을 기대할 수 있다.
Specific Gravity Gs Compaction Percent Finer Atterberg Limit USCS
γdmax(g/cm3) OMC(%) No.200(%) LL PI PL
2.64 1.53 22 98.7 NP ML
[석분의 광물구성]
본 발명에서 사용한 석분은 대리석, 화강암의 가공과정에서 발생한 것으로, 그 성분분포를 살펴보면, 하기 표 3과 같이 SiO2 55.68%, Al2O3 19.63%, Fe2O3 2.64%, CaO 0.59%, MgO 1.08%, P2O5 0.23%, K2O 0.90%, Na2O 0.58%, MnO 0.033%, FeO 2.38%, 기타 미량광물 16.257%로 구성되어 있다. 규소와 알루미늄이 주성분인 석분은 석분의 가용성 성분 SiO2, AL2O3가 칼슘실리케이트 수화반응시 생성되는 Ca(OH)2와의 포졸란 활성반응으로 강도증진에 기여하는 불용성 수화물(C-S-H)의 생성을 촉진시켜 재령 증가와 함께 지속적인 강도증가를 나타낼 것으로 예상된다.
Chemical Components(%)
SiO2 55.68 K2O 0.90
Al2O3 19.63 Na2O 0.58
Fe2O3 2.64 MnO 0.033
CaO 0.59 FeO 2.38
MgO 1.08 기타 미량광물 16.257
P2O5 0.23
[압축강도 측정]
석재가공시 발생하는 석분을 콘크리트의 혼화재료로서 석분을 혼입하여 얻을 수 있는 강도증진효과를 고찰하기 위하여 실험을 수행하였다. 이때, 28일 뿐 아니라 7일 압축강도도 함께 측정하였는데, 7일 압축강도는 AASHTO에서 추천하는 상대계수 추정에 필요한 물성치에 해당하므로 참고자료로 활용할 가치가 있을 것으로 판단된다.
실험은 표 4와 같이 W/C는 57.4%(초기: 53.9%)로, 잔골재율 S/A는 48.5%, 슬럼프는 약 12cm로 동일하게 하고, 시멘트 양을 각각 330kg, 315kg, 300kg, 285kg 270kg로 하고, 그에 대하여 각각 혼화재료량을 달리하여 수행하였다.
Cement(kg) Stone Dust(kg) W/C(%) S/A(%) Slump(cm) Air Content(%)
330 0 53.9 48.5 12.0 6.4
15 57.4 48.5 10.0 6.6
30 57.4 48.5 11.5 5.8
45 57.4 48.5 12.5 4.5
60 57.4 48.5 12.0 3.8
315 15 57.4 48.5 12.5 6.5
30 57.4 48.5 12.5 5.5
45 57.4 48.5 12.0 5.1
60 57.4 48.5 12.5 3.7
75 57.4 48.5 13.0 3.6
300 30 57.4 48.5 13.5 6.3
45 57.4 48.5 12.5 6.1
60 57.4 48.5 13.0 5.5
75 57.4 48.5 12.0 5.3
90 57.4 48.5 12.0 5.0
285 45 57.4 48.5 13.0 4.5
60 57.4 48.5 13.5 4.3
75 57.4 48.5 13.0 4.1
90 57.4 48.5 11.0 4.0
105 57.4 48.5 13.0 3.8
270 60 57.4 48.5 11.0 5.0
75 57.4 48.5 12.5 4.5
90 57.4 48.5 12.0 4.5
105 57.4 48.5 12.5 4.0
120 57.4 48.5 12.5 3.7
하기 표 5는 시멘트 330kg에 대한 입도와 표면수를 고려한 시방 배합표를 제시한 것으로, 이때 W는 단위수량, C는 시멘트량, S는 잔골재, G는 굵은골재를 나타낸다.
Nominal strength (N/mm2) Slump (cm) Air Content (%) W/C S/A Unit Weight (kg/m3) Admixture (kg) Total Weight (kg/m3)
W C S1 S2 G
21 12 4.5 53.9 48.5 178 330 443 443 898 1.65 2295
Cement (kg) Stone Dust (kg) Stone Dust / Cement (%) Compressive Strength (N/mm2) Pn/P0
(7day) (28 day)
330 0 0.0 15.7 26.1 P0/P0 1.00
15 4.5 17.2 24.2 P1/P0 0.93
30 9.1 20.3 28.1 P2/P0 1.08
45 13.6 19.4 28.0 P3/P0 1.07
60 18.2 21.8 31.2 P4/P0 1.20
315 15 4.8 16.7 23.8 P0/P0 1.00
30 9.5 19.4 26.7 P1/P0 1.12
45 14.3 19.1 26.4 P2/P0 1.11
60 19.0 21.0 29.7 P3/P0 1.25
75 23.8 19.1 25.7 P4/P0 1.08
300 30 10.0 14.4 21.3 P0/P0 1.00
45 15.0 19.3 25.0 P1/P0 1.17
60 20.0 14.9 20.7 P2/P0 0.97
75 25.0 19.7 26.0 P3/P0 1.22
90 30.0 20.2 25.1 P4/P0 1.18
285 45 15.8 14.9 21.3 P0/P0 1.00
60 21.1 17.6 21.8 P1/P0 1.03
75 26.3 20.8 27.2 P2/P0 1.28
90 31.6 19.4 26.5 P3/P0 1.24
105 36.8 18.4 25.3 P4/P0 1.19
270 60 22.2 17.2 23.0 P0/P0 1.00
75 27.8 14.5 22.9 P1/P0 1.00
90 33.3 17.7 24.5 P2/P0 1.07
105 38.9 17.0 23.4 P3/P0 1.02
120 44.4 15.0 21.3 P4/P0 0.93
상기 표 6은 상기 표 4에 따라 혼합한 콘크리트의 압축강도를 측정한 결과이다.
우선, 표 6의 결과를 토대로 혼합재료의 비율에 의한 강도변화를 살펴보면, 시멘트 함량이 330kg인 경우, 석분 함유량이 증가함에 따라 석분을 포함하지 않는 경우의 평균 압축력보다 각 단계별로 0.93배, 1.08배, 1.07배 1.20배로 전반적으로 강도가 증가하는 경향을 나타내었다.
시멘트 함량이 315kg인 경우, 시멘트 중량에 대한 혼합재료, 즉 석분의 비율은 4.8~23.8%범위로, 석분 함유량이 증가함에 따라 초기 석분 15kg을 포함한 경우의 압축강도보다 각 단계별로 1.12배, 1.11배 1.25배 1.08배를 나타내어, 석분으로 인한 강도 저하는 거의 없는 것으로 판단되며, 석분 비율 20%까지는 대체로 강도의 증가하는 경향을 볼 수 있다.
시멘트 함량이 300kg인 경우, 석분의 비율은 약 10~30%범위로 석분 함유량 변화에 따라 초기 석분 30kg을 포함한 경우의 압축강도보다 각 단계별로 1.17배, 0.97배, 1.22배, 1.18배를 나타내어 대체로 강도 저하는 없는 것으로 판단되며, 60kg의 경우도 P0에 비해 0.03% 작은 것으로 실험상의 오차로 판단된다.
시멘트 함량이 285kg인 경우, 시멘트 중량에 대한 혼합재료, 즉 석분의 비율은 15~36%범위로, 석분 함유량이 증가함에 따라 초기 석분 45kg을 포함한 경우의 압축강도보다 각 단계별로 1.03배, 1.28배, 1.24배, 1.19배를 나타내어 석분 함유량에 따른 강도 저하는 없는 것으로 판단되며 석분/시멘트 비율이 26.3%일 경우 최적의 강도를 나타냄을 보인다.
시멘트 함량이 270kg인 경우, 시멘트 중량에 대한 혼합재료, 즉 석분의 비율은 22~44%범위로, 초기 석분 60kg을 포함한 경우의 압축강도보다 석분 함유량이 증가함에 따라 압축강도는 각 단계별로 1.00배, 1.07배, 1.02배, 0.93배를 나타내어, 석분 함유량에 따른 강도 차이는 역시 없으나 전체적인 추세가 하강 경향을 보이므로 더 이상의 혼합재료의 첨가는 과도한 석분으로 인한 콘크리트의 응집력이 부족하게 될 것으로 예상된다.
종합적으로 살펴보면, 석분/시멘트의 비율이 낮을 경우에는 강도상승이 미미하여 9.5%에서부터 상승세를 확인할 수 있었고, 10%와 20%대에서는 강도가 상승하나 30%로 올라서면서 상승세가 둔화되었으며, 40%대에 이르러서는 20%대에 비하여 오히려 강도가 저하되는 경향을 나타내었다. 따라서, 석분/시멘트의 비율이 10~40%가 되도록 첨가하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다.
도 3은 석분의 혼합량이 일정할 경우 시멘트 양에 따른 강도변화(표 6에서 발췌)를 나타낸 그래프이다. 도 3에 따르면 석분의 양이 30kg, 45kg일 경우 모두 시멘트량이 증가함에 따라 강도가 증가하는 추세를 나타낸다. 콘크리트에서는 소요의 강도를 얻기 위해서 상당한 양의 시멘트가 필요할 뿐만 아니라 철근이 녹스는 것을 방지하고 콘크리트와 철근과의 부착이 충분이 되도록 하기 위해서는 적당한 물/시멘트비의 시멘트풀로 철근을 완전히 둘러싸고 콘크리트가 충분히 수밀해야 하는데, 이를 위한 일반적인 단위 시멘트량은 300kg이상으로 하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있으며, 도 3에서도 그와 합치하는 결과를 나타낸다.
도 4는 동일한 시멘트량에서 압축강도의 최저치 및 최고치를 나타낸 그래프로, 각각의 시멘트와 석분의 혼합비를 하단에 기재하였다. 본 발명의 석분을 포함하는 콘크리트의 압축강도는 다소간의 차이는 있으나 전반적으로 20~30N/mm2의 수치를 나타내었으며, 이는 건축공사시 통상적인 콘크리트 품질수준(표 7의 콘크리트 품질등급 참조)에 부합하는 수치에 해당된다. 또한, 통상적인 레디믹스 콘크리트의 품질수준(표 8의 레디믹스 콘크리트의 종류 참조)에도 부합하여, 석분을 포함하는 콘크리트는 충분한 압축강도를 나타내는 것으로 판단된다.
Concrete Grade Design Criteria Strength of Concrete (MPa) : Using Grand distribution
common concrete Light-weight Concrete About Material About Construction
River Sand, Crushed Rock Concrete Blast Furnace Rubble Concrete 1 2 3 4 5
High Criterion More than 27 - More than 24 - - - Ⅰ Grade First Class
Normal Criterion 24~15 24~15 22.5 ~15 21 ~15 13.5 ~12 - Ⅱ Grade Second Class
Low Criterion 13.5 13.5 13.5 13.5 9 9 Ⅲ Grade Third Class
Figure 112009043647872-pat00001
[용출시험]
석재가공 부산물인 석분을 콘크리트 혼합재료로 사용하기 위해서는 우선 석분 자체로부터 용출되는 물질에 의해 토양이나 지하수 혹은 콘크리트 주변 환경을 오염시킬 가능성이 없어야 하며, 이에 대한 평가가 필요하다. 이는 최근 아토피 피부병이나, 새집증후군 등 환경에 대한 관심이 증가함에 있어 반드시 필요한 절차라고 판단된다.
Sort of Analysis Designated Standard of Extrusion Result of Analysis Reference
pH - 8.2 Korean Standard Leaching Procedure (KOEP)
Pb More than 3mg/l More than 0.62mg/l
Cu More than 3mg/l More than 1.2mg/l
As More than 1.5mg/l N.D.
Hg More than 0.005mg/l N.D.
Cd More than 0.3mg/l More than 0.09mg/l
Cr+6 More than 1.5mg/l N.D.
CN More than 1mg/l N.D.
Organic Phosphate More than 1mg/l N.D.
PCE More than 0.1mg/l N.D.
TCE More than0.3mg/l N.D.
Oil Ingredient More than 5% N.D.
Mineralized Organic Matter - 1.2%
상기 표 9는 폐기물공정시험에 의해 석분의 용출시험을 실시한 결과를 나타낸 것이다. 표 9에 따르면, 석분에 대한 용출시험결과, 납과 구리 및 카드뮴만이 지정폐기물 기준치 이하로 미량이 용출되었을 뿐 기타 항목에서는 일체의 유해물질이 나타나지 않았다. 따라서, 본 발명의 석분은 콘크리트 혼합재료로 활용할 때 환경적 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다.
상기 실험결과들을 종합하면, 대리석이나 화강암의 석가공 부산물인 석분을 시멘트와 혼합하여 콘크리트를 제조할 경우 콘크리트의 조직을 치밀하게 하여 압축강도를 향상시킬 수 있으며, 적정한 석분의 혼합량은 석분/시멘트의 비율이 10~40%인 범위인 것이 바람직한 것으로 나타났다. 석가공 분산물인 석분을 혼합하여 콘크리트를 제조함으로써 시멘트 및 골재의 사용량을 줄이는 동시에 산업폐기물 처리비용을 줄일 수 있으므로 경제적인 측면에서도 바람직하다.
도 1은 본 발명 석분의 다짐곡선을 나타낸 그래프이고,
도 2는 본 발명 석분의 입도분포를 나타낸 그래프이며,
도 3은 석분의 혼합량이 일정할 경우 시멘트 양에 따른 강도변화를 나타낸 그래프이고,
도 4는 석분을 혼합한 시멘트에 있어서, 동일한 시멘트량에서 압축강도의 최저치 및 최고치를 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

  1. 시멘트 100중량부에 대하여 SiO2 55.68중량%, Al2O3 19.63중량%, Fe2O3 2.64중량%, FeO 2.38중량%, MgO 1.08중량%, K2O 0.90중량%, CaO 0.59중량%, Na2O 0.58중량%, P2O5 0.23중량%, MnO 0.033중량% 및 기타 미량광물 16.257중량%를 포함하고 있는 석분 10~40중량부를 함유하고, 상기 석분의 입도는 0.05~0.06mm인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    단위수량/시멘트량이 57.4중량%, 잔골재율이 48.5중량%, 슬럼프가 12cm인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
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