KR100945833B1 - 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재활용 소재이면서 다공성 경량의 물성을 갖는 클링커애쉬를 시멘트풀로 코팅한 고성능 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재는, 골재 크기의 클링커애쉬 표면에 코팅층이 형성된 것으로, 상기 코팅층은 시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 제조방법은, (a)골재 크기의 클링커애쉬를 선별하여 믹서기에 투입하는 단계; (b)시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재를 믹서기에 투입하여 교반하는 단계; 그리고, (c)교반물을 양생하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

클링커애쉬, 시멘트, 경량골재, 단열, 동토방지, 도로기층재

Description

클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 및 그 제조방법{Lightweight aggregate using Clink Ash and manufacturing process thereof}

본 발명은 재활용 소재이면서 다공성 경량의 물성을 갖는 클링커애쉬를 시멘트풀로 코팅한 고성능 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

골재는 콘크리트(시멘트콘크리트, 아스팔트콘크리트 등)를 구성하는 주요 구성요소로서 골재의 품질은 콘크리트의 품질로 이어지므로, 콘크리트의 요구성능을 고려하여 적절한 품질을 가지는 골재를 채택해야 한다.

경량골재는 보통골재보다 비중이 작은 것으로, 경량골재는 가벼운 콘크리트와 모르터를 만들 수 있기 때문에 구조물의 경량화에 기여한다. 경량골재는 생산방법에 따라 천연품(화산자갈, 화산모래 등)과 인공품, 부산물(석탄재, 팽창슬래그)로 구분되는데, 인공품은 통상 번거로운 소성과정을 거쳐 제작된다.

한편, 도로, 철도, 수도관, 말뚝 등의 구조물은 겨울철 결빙기에 지반이 동 결하면서 팽창에 의해 피해를 입기 쉬우며, 해빙기가 되면 얼었던 지반이 녹으면서 융해침하(融解沈下)에 의한 피해를 입기 쉽다. 이러한 피해는 구조물의 수명단축과 내구성 저하의 원인이 되며, 심지어는 교통사고를 일으키는 원인도 된다. 이에 이를 방지하기 위해서는 통상 도로, 철도, 수도관, 말뚝 등의 구조물을 시공할 때 흡수율이 작으면서 단열성이 우수한 골재를 이용할 필요가 있다.

석탄 화력발전소에서 부산물로 발생되는 석탄회는 연소로의 하부로 배출되는 클링커애쉬(바텀애쉬)와 연소가스와 함께 상부로 배출되는 플라이애쉬로 구분된다. 이중 플라이애쉬는 시멘트 혼화재. 경량골재, 토지개량재 등 다양한 용도로 활용되고 있지만, 클링커애쉬는 단순 폐기 매립되는 경우가 대부분이어서 자원재활용 차원에서 그 활용방안에 대한 연구가 필요한 실정이다.

지금까지의 클링커애쉬를 사용한 기술은 한국공개특허 공보 공개번호 특2003-0048225호(바텀애쉬를 이용한 콘크리트 조성물 및 그 제조방법)를 비롯한 대부분이 별도의 가공을 거치지 않은 클링커애쉬를 그대로 골재 또는 혼화재로 이용하는 방법이었다. 클링커애쉬는 다공성을 지닌 경량석이기 때문에 특히 경량성의 단열골재로 유용하게 이용할 수 있다. 하지만 클링커애쉬는 흡수율도 큰 관계로 그대로 골재로 이용된다면 배합수를 흡수하거나 외부에서 침투하는 침투수를 흡수할 것이기 때문에, 콘크리트 속에서는 실제 클링커애쉬가 갖는 단열성능보다 한참 떨어지는 단열성능을 발휘한다. 이에, 클링커애쉬 그 자체로는 도로기층재나 말뚝 등의 시공에서 동토방지용 골재로 채택하는데 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 기술을 개선하고자 개발된 것으로서, 클링커애쉬의 장점(단열성과 경량성)을 그대로 유지하면서도 단점(강도와 흡수성)을 보완하여 건축토목용 골재(특히, 동토방지용 골재)로 다양하게 활용할 수 있는 고성능 경량골재를 제공하는데 기술적 과제가 있다.

본 발명은 간단한 공정으로도 우수한 품질의 고성능 경량골재를 경제적으로 생산할 수 있는 고성능 경량골재 제조방법을 제공하는데 다른 기술적 과제가 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 골재 크기의 클링커애쉬 표면에 코팅층이 형성된 것으로, 상기 코팅층은 시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 표준체 100번(체눈 크기 150㎛)을 통과하는 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재로 형성되는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재를 제공한다.

또한, 본 발명은 (a)골재 크기의 클링커애쉬를 선별하여 믹서기에 투입하는 단계; (b)시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 표준체 100번(체눈 크기 150㎛)을 통과하는 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재를 믹서기에 투입하여 교반하는 단계; 그리고, (c)교반물을 양생하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 기대된다.

첫째, 클링커애쉬의 장점(단열성과 경량성)을 그대로 유지하면서도 단점(강도와 흡수성)을 보완할 수 있기 때문에 건축토목용 골재로 다양하게 활용할 수 있으며, 특히 도로기층재나 말뚝 등의 시공에서 동토방지용 골재로 유용하게 이용할 수 있다.

둘째, 폐기물인 클링커애쉬를 재활용하기 때문에 폐자원 활용에 따른 자원절약과 환경보존에 일조할 수 있다.

셋째, 별도의 소성과정없이 교반 및 양생의 간단한 공정을 거치는 것으로도 우수한 품질의 고성능 경량골재를 경제적으로 생산할 수 있다.

본 발명은 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재와 그 제조방법에 관한 것으로, 이하부터는 고성능 경량골재와 제조방법을 구분하여 설명한다.

1. 고성능 경량골재

도 1은 골재 크기의 클링커애쉬를 보여주는데, 본 발명의 고성능 경량골재는 도 2에서 같이 골재 크기의 클링커애쉬를 중심기재로 하여 클링커애쉬 표면에 코팅 층을 형성시킨다는데 기술적 특징이 있다.

클링커애쉬(Clinker ash, Bottom ash)는 다공성을 지닌 경량석이어서 단열골재로 활용가능하나 흡수율이 높아 그대로 이용할 경우 단열성능이 떨어지는데, 본 발명에서는 이와 같은 클링커애쉬 표면을 코팅함으로써 코팅층이 클링커애쉬의 보호피막을 형성하도록 한 것이다. 그 결과, 중심의 클링커애쉬에 의해 단열성과 경량성이 그대로 유지되는 한편 표면의 코팅층에 의해 흡수율이 저하되는 고성능 경량골재로 완성된다. 또한, 코팅층의 형성으로 표면강도가 증대된 고성능 경량골재가 될 것이다.

특히, 클링커애쉬는 입형이 불규칙하기 때문에 코팅층은 우수한 접착력으로 클링커애쉬 표면에 코팅된다.

본 발명에서는 클링커애쉬를 코팅하는 코팅층은 시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 표준체 100번(체눈 크기 150㎛)을 통과하는 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재로 형성할 것을 제안한다. 시멘트는 결합재의 주요성분으로 역할하며, 미분말 클링커애쉬는 시멘트를 보완하여 코팅층 또한 단열성을 가지도록 역할한다.

상기와 같은 조성비는 실험을 통해 결정되었는데, 코팅층의 표면강도를 증대시키는 한편 흡수율을 저감시키는데 가장 적합한 범위이다. 실제 상기의 조성비로 조성한 코팅재로 클링커애쉬 표면에 코팅층을 형성시킨 경우 하기 표 1과 같은 물성이 나타났다. 표 1에서 보는 바와 같이 코팅층을 형성시킨 경우를 코팅층을 형성시키지 않은 경우와 비교할 때 중량과, 비중 및 공극율이 큰 차이가 나타나지 않 는 반면 흡수율이 크게 저하되었음을 알 수 있다.

한편, 코팅재에 고성능감수제를 더 혼입한다면 유동성 확보에 더욱 유리할 것이며, 이 경우에는 시멘트 중량에 대하여 1~2중량%가 바람직하다.

구분	단위용적중량(t/㎥)	비중	공극율	흡수율
일반클링커애쉬	1.5~1.6	1.8~1.9	25±5%	35%
코팅클링커애쉬	1.8~1.9	2.1~2.2	20±5%	5%

본 발명에 따른 고성능 경량골재(표면에 코팅층이 형성된 클링커애쉬)는 상기와 같은 물성을 가지기 때문에, 특히 도로기층재나 말뚝 등의 시공에서 동토방지용 골재로 유용하게 적용할 수 있다. 다시 말해, 중량과 비중이 작으면서 공극율이 우수하기 때문에 단열성과 함께 경량성을 가지는 한편 흡수율이 작기 때문에 수분흡수에 따른 결빙문제를 억제할 수 있게 되며, 이로써 동토방지용 골재로 유용하게 적용할 수 있는 것이다. 나아가 표면강도 또한 일정 이상을 가지기 때문에, 사용과정에서 파손이 억제되는 것은 물론 도로기층재나 말뚝 등에 시공되더라도 그 형상이 지속적으로 유지되어 시공완성된 도로기층재나 말뚝의 강도와 내구성 증대에 기여한다. 실제 본 발명에 따른 고성능 경량골재가 동토방지용 골재로 적합한지 실험해본 결과 하기 표 2에서와 같이 만족하는 것으로 나타났다.

구분	시험방법	규정	실험결과
소성지수	KS F 2303, KS F 2304	10 이하	만족
수정 CBR	KS F 2320	10 이하	만족
모래당량	KS F 2340	20% 이상	만족

2. 고성능 경량골재 제조방법

본 발명에 따른 고성능 경량골재는 믹서기에서 클링커애쉬와 코팅재를 교반하여 제조하게 되는데, 그 제조방법은 구체적으로 선별단계, 교반단계, 양생단계로 이루어진다.

(a)선별단계

골재 크기의 클링커애쉬를 선별하여 믹서기에 투입하는 단계이다. 크기에 따라 체가름하여 선별하도록 하며, 본 발명에서는 굵은골재를 위해 5mm이상의 클링커애쉬 덩어리를 체가름하는 한편, 잔골재를 위해 5mm이하의 클링커애쉬 덩어리를 체가름할 것을 제안한다. 또한, 코팅재에 혼입되는 미분말 클링커애쉬의 수급을 위해 표준체 100번의 150㎛로 체가름할 것을 추가로 제안한다.

다만 선별작업을 수행하기 전에 클링커애쉬는 염분이 건축물 적용규준인 0.004%이하가 되도록 세척하여 준비하도록 하며, 아울러 양질의 소재를 사용하기 위해 부유되는 것은 건져내어 사용하지 않는 것이 바람직하다.

(b)교반단계

시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재를 준비한 후 이를 클링커애쉬가 담긴 믹서기에 투입하여 교반하는 단계이다. 이때, 클링커애쉬와 코팅재는 각각 70~80 부피%와 20~30 부피%로 준비하면 적당하다.

교반단계는 시멘트와 물이 혼합된 시멘트페이스트를 믹서기에 투입한 후 1차 교반하는 단계((b1)단계)와 미분말 클링커애쉬를 믹서기에 투입하여 2차 교반하는 단계((b2)를 세분하는 것이 바람직한데, 이는 기포발생을 억제하기 위함이다. 다시 말해, 코팅재의 구성물질을 시멘트페이스트와 미분말 클링커애쉬로 나누어 순차적으로 투입한다면 시멘트페이스트를 투입하여 교반하는 과정에서 공기에 의해 기포가 발생하게 될 텐데, 이렇게 발생한 기포자리에 나중에 투입 교반되는 미분말 클링커애쉬가 채워지도록 한 것이다. 기포발생이 억제되면 코팅층을 밀실하게 형성할 수 있기 때문에 더욱 우수한 품질의 고성능 경량골재를 제작할 수 있다.

(c)양생단계

교반물을 양생하는 단계이다. 양생은 습윤조건에서 하는 것이 코팅층의 표면균열을 억제하기 위해 바람직하다.

양생이 완료되면 양생물을 믹서기에 투입한 후 믹서기를 간헐적으로 가동하는 과정(믹서기의 on/off를 반복하여 양생물에 미세한 진동을 가함)을 더 수행하는 것이 바람직한데, 이는 서로 붙어있는 골재들을 분리하기 위함이다.

(d)반복단계

상기와 같은 양생단계를 거치는 것만으로도 클링커애쉬 표면에 코팅층이 형성된 고성능 경량골재가 완성될 것이나, 본 발명에서는 일정이상의 코팅층을 확보하기 위해 상기 교반단계와 양생단계를 반복한 것을 제안한다. 즉, 상기와 같은 조성으로 제안된 코팅재의 경우 교반단계와 양생단계를 1회 거친다면 코팅층은 대략 1~2㎜정도의 두께로 형성될 텐데, 이 두께만으로는 충분한 표면강도를 발휘하면서 흡수율을 충분히 떨어뜨리는데 부족할 수 있기 때문에 교반단계와 양생단계를 2회 이상 거쳐 코팅층이 2겹이상 형성되도록 한 것이다.

반복단계를 진행하는 경우에는 먼저 완성된 코팅층(1차 코팅층)이 완전히 굳기전(대략 8시간 양생)에 교반단계와 양생단계를 수행하는 것이 바람직하며, 그래야 먼저 완성된 코팅층(1차 코팅층)과 나중에 완성하는 코팅층(2차 코팅층)이 층간 구분없이 하나로 일체화된 코팅층을 형성할 수 있게 된다. 도 2는 교반단계와 양생단계를 2회 거쳐 1차 코팅층과 2차 코팅층이 형성된 예를 보여준다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으며, 다만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 이용되는 클링커애쉬를 촬영한 사진이다

도 2는 본 발명에 따른 고성능 경량골재를 도시한 개략도이다.

Claims (7)

1. 골재 크기의 클링커애쉬 표면에 코팅층이 형성된 것으로,

   상기 코팅층은 시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 표준체 100번(체눈 크기 150㎛)을 통과하는 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재로 형성되는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재.
2. 제1항에서,

   상기 코팅재는 시멘트에 대하여 1~2중량%의 고성능감수제가 더 포함되어 조성되는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재.
3. (a)골재 크기의 클링커애쉬를 선별하여 믹서기에 투입하는 단계;

   (b)시멘트 50~70 중량%, 물 20~10 중량%, 표준체 100번(체눈 크기 150㎛)을 통과하는 미분말 클링커애쉬 10~30 중량%로 포함하여 조성된 코팅재를 믹서기에 투입하여 교반하는 단계; 그리고,

   (c)교반물을 양생하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 제조방법.
4. 제3항에서,

   상기 (a)단계의 클링커애쉬와 상기 (b)단계의 코팅재는 각각 70~80 부피%와 20~30 부피%로 준비되는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 제조방법.
5. 제3항에서,

   상기 (c)단계 후에 상기 (b)단계와 (c)단계가 반복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 제조방법.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

   상기 (b)단계는,

   (b1)시멘트와 물이 혼합된 시멘트페이스트를 믹서기에 투입한 후 1차 교반하는 단계;

   (b2)미분말 클링커애쉬를 믹서기에 투입하여 2차 교반하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 제조방법.
7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

   상기 (c)단계에는 양생물을 믹서기에 투입한 후 믹서기를 간헐적으로 가동하는 과정이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 클링커애쉬를 이용한 고성능 경량골재 제조방법.

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