KR101086098B1 - 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물은, 유동층 보일러 분진 100 중량부와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 300 ~ 500 중량부의 고로슬래그 분말과; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 10 ~ 50 중량부의 무수석고와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 500 ~ 700 중량부의 잔골재와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 800 ~ 1,100 중량부의 굵은골재와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 3 ~ 8 중량부의 AE감수제;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 유동층 보일러에서 발생되는 분진 및 고로슬래그 분말을 시멘트를 대신하여 콘크리트 제조 원료로 사용함으로써 분진을 재활용할 뿐만 아니라 시멘트의 사용량을 최소화하여 온난화의 주범인 이산화탄소를 줄일 수 있고, 자극제 등으로 사용되는 각종 화학약품의 사용량을 최소화하여 제조 단가가 낮아지며, 유동층 보일러의 분진을 사용하면서도 제조된 콘크리트가 우수한 물성을 가질 수 있으며, 고로슬래그의 특성상 응결 지연이 발생하는 것을 유동층 보일러 분진을 사용하여 수화를 촉진시킴으로써 강도가 우수해진다.

Description

유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물{Composition for preparing of concrete using dust of fluidized bed boiler}

본 발명은 유동층 보일러에서 발생하는 분진을 시멘트 대신 사용하여 콘크리트를 제조할 수 있게 함으로써 시멘트 제조시 발생하는 이산화탄소의 배출을 줄여 대기 오염을 방지하고, 산업부산물인 고로슬래그 분말을 재활용함으로써 콘크리트 제조 원가를 줄일 수 있도록 한, 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 건축·토목용 등으로 사용하는 콘크리트의 주요 조성물은 시멘트, 물, 골재 그리고 필요에 따라 혼화재 등을 사용하여 혼합하는 것으로 현장에 타설하는 것으로 프리캐스트화 할 경우에는 물과 시멘트비에 변화를 주어 혼합한 후에 진동·가압 및 원심력 등에 의한 성형방법에 의해 성형하며 양생시키는 방법으로 제품화한다.

이러한 일반 콘크리트는 철근의 부식 및 중성화, 염해 등에 의해 내구성 저하가 나타나며, 이러한 현상을 예방하기 위해 철근의 표면에 에폭시 수지, 우레탄, 실리콘, 불포화 폴리에스테르 계열 등의 화학 수지로 코팅하거나 페인트 등으로 도장하는 방법이 사용되고 있으나, 내구성, 경제성 및 접착 특성에 문제점이 제기되고 있다.

즉, 건설재료로써 대표적으로 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트 콘크리트는 경제성 및 구조특성상의 장점을 가지고 있으나 결합재가 시멘트 수화물이기 때문에 늦은 경화, 작은 인장강도, 큰 건조수축, 내약품성 취약 등의 단점을 가지고 있다.

구체적으로, 시멘트를 주원료로 하는 콘크리트의 경우 자극제로 수산화나트륨, 수산화칼슘, 염화칼슘, 규산칼슘, 산화칼슘, 물유리, 규산나트륨 등과 같은 화학약품을 사용하는데, 이러한 화학약품은 단가가 비싸 경제성이 떨어지며, 풍화에 따라 취급이 불편할 뿐만 아니라 콘크리트 제조시 작업 성능이 떨어지는 단점을 가진다.

특히, 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 줄이려는 노력이 전세계적으로 이루어지고 있는 환경에서 일반적으로 시멘트 1톤을 제조하는 데 약 700 ~ 800 kg의 이산화탄소를 배출하는 것으로 알려져 있는 바, 시멘트가 포함되지 않거나 시멘트 사용량을 최소화한 콘크리트 제조 기술을 필요로 하고 있는 실정이다.

이와 관련된 기술의 일예로, "폐주물사를 활용한 폴리머콘크리트 조성물"(한국 등록특허공보 제10-0994833호"에는 굵은골재 40~50중량부, 폐주물사 15~25중량부, 불포화폴리에스테르 수지 조성물 7~10중량부, 수축저감제 2~3중량부, 탄산칼슘분말 5~15중량부, 규석분말 5~15중량부를 포함한 폴리머 콘크리트 조성물이 공개되어 있다.

상기와 같은 기술은 시멘트 대신 폐주물사를 사용하면서 불포화폴리에스테르와 같은 폴리머를 활용하여 콘크리트를 제조할 수 있도록 하였다.

이러한 유기 합성 고분자를 사용함에 따른 효과로는 경화 시간이 단축되고 휨강도, 압축강도 및 인장강도 등의 물성이 우수해지며, 내약품성 등이 일반 시멘트 콘크리트에 비해 우수해지는 장점을 갖는다.

그러나, 이러한 폴리머 역시 그 제조에 있어 이산화탄소가 다량 발생하는 문제점이 있었다.

특히, 합성수지의 특성 중 자외선에 의한 부식 발생이라는 문제점이 있어 이러한 점을 해소하기 위해서는 부식을 방지하기 위한 별도의 약품 처리를 해야 하는 문제점이 있었다.

이에 따라 시멘트의 사용량을 최소화하면서 우수한 물성을 가지며, 자외선에 의한 부식의 위험성이 없는 콘크리트 제조용 조성물의 개발이 필요한 실정이다.

KR 10-994833 (2010.11.10)

본 발명의 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 유동층 보일러에서 발생되는 분진 및 고로슬래그 분말을 시멘트를 대신하여 콘크리트 제조 원료로 사용함으로써 분진을 재활용할 뿐만 아니라 시멘트의 사용량을 최소화하여 온난화의 주범인 이산화탄소를 줄일 수 있게 하려는 것이다.

또한, 자극제 등으로 사용되는 각종 화학약품의 사용량을 최소화하여 제조 단가를 낮추려는 것이다.

이울러, 이러한 유동층 보일러의 분진을 사용하면서도 제조된 콘크리트가 우수한 물성을 가질 수 있도록 하려는 것이다.

또한, 고로슬래그의 특성상 응결 지연이 발생하는 것을 유동층 보일러 분진을 사용하여 수화를 촉진시킴으로써 강도를 강화시키려는 것이다.

본 발명의 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 유동층 보일러 분진 100 중량부와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 300 ~ 500 중량부의 고로슬래그 분말과; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 10 ~ 50 중량부의 무수석고와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 500 ~ 700 중량부의 잔골재와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 800 ~ 1,100 중량부의 굵은골재와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 3 ~ 8 중량부의 AE감수제;를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 50 ~ 150 중량부의 시멘트가 포함된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 유동층 보일러 분진은 이산화규소 1.6 중량부와, 산화알루미늄 1.7 중량부와, 산화철 0.2중량부와, 산화칼슘 65.5 중량부와, 산화황 21.7 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 고로슬래그 분말은 이산화규소 34.4 중량부와, 산화알루미늄 15.4 중량부와, 산화철 0.9 중량부와, 산화칼슘 42.0 중량부와 산화황 0.8 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무수석고는 이산화규소 3.46 중량부와, 산화알루미늄 0.19 중량부와, 산화철 0.12중량부와, 산화칼슘 38.3중량부와, 산화황 55.0 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 유동층 보일러에서 발생되는 분진 및 고로슬래그 분말을 시멘트를 대신하여 콘크리트 제조 원료로 사용함으로써 분진을 재활용할 뿐만 아니라 시멘트의 사용량을 최소화하여 온난화의 주범인 이산화탄소를 줄일 수 있게 된다.

또한, 자극제 등으로 사용되는 각종 화학약품의 사용량을 최소화하여 제조 단가가 낮아진다.

이울러, 이러한 유동층 보일러의 분진을 사용하면서도 제조된 콘크리트가 우수한 물성을 가질 수 있게 된다.

또한, 고로슬래그의 특성상 응결 지연이 발생하는 것을 유동층 보일러 분진을 사용하여 수화를 촉진시킴으로써 강도가 우수해진다.

도 1은 본 발명의 조성물을 이용하여 제조한 콘크리트와 일반 콘크리트의 슬럼프를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 조성물을 이용하여 제조한 콘크리트와 일반 콘크리트를 상온 양생했을 때의 압축강도를 비교하여 나타낸 그래프.

이하, 본 발명의 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 고로슬래그는 공기 중에서 천천히 냉각되어 결정화되기 때문에 수화반응성이 거의 없는 안정한 상태로 존재하여 주로 골재 등으로 사용된다.

이러한 고로슬래그는 다른 광물질 혼화재에 비해 품질이 균일하고, 콘크리트내에 수화열을 저감하는 효과가 크며, 콘크리트의 수밀성과 화학 저항성을 향상시킨다.

따라서 고로슬래그는 각종 해양 콘크리트 구조물을 비롯하여 고내구성이 요구되는 각종 콘크리트 구조물에 크게 활용하도록 권장되고 있다.

또한, 포틀랜드 시멘트에 치환되어 사용되는 고로슬래그의 양만큼 포틀랜드 시멘트 클링커의 생산량을 저감시킬 수 있기 때문에 이들의 제조 원료인 석회석의 열분해로 발생되는 이산화탄소의 발생을 감소시킬 수 있는 환경친화적인 재료이다.

그러나 고로슬래그를 시멘트 혼화재료로 사용하게 되면 콘크리트의 응결지연으로 거푸집의 존치시간을 연장시켜 공사기간을 길어지게 하며, 저온 환경에서 초기동해에 약하고, 고로슬래그가 수산화칼슘을 소비시켜 콘크리트의 중성화 속도를 빠르게 하는 등의 부정적인 면도 있다.

본 출원의 발명자는 이처럼 시멘트를 대체할만한 주요 소재인 고로슬래그의 수화를 촉진시킬 수 있는 수화촉진제에 대해 연구하던 중 국내에 다수 설치되어 운전중에 있는 유동층 보일러의 분진을 적용해보게 되었다.

유동층 보일러를 구성하는 유동층 연소 기술은 보일러 내부에 유동매체를 충진한 후 하부에서 공기를 주입함으로써 유동매체, 연료 및 석회석을 혼합 연소시키며 연소열에 의해 발생된 증기를 이용 증기터빈을 구동하는 기술로, 석회석을 탈황재로 보일러 내부에 직접 첨가함으로써 연소중 탈황이 가능한 장점을 갖는다.

또, 다양한 연료를 사용하므로 연료의 선택성이 높고, 연소 온도가 비교적 낮아 NoX가 거의 생성되지 않으며, 무연탄의 연소에도 보조연료가 필요하지 않음으로 인해 그 활용가치가 높아 국내에서 10여개의 발전소가 운전중에 있다.

한편, 이러한 유동층 보일러의 내부에는 연료로 투입된 무연탄, 석유코크스 및 탈황제로 첨가된 석회석이 소성된 다량의 분진이 발생되는데, 이와 같이 발생된 분진을 별도로 재활용하지 아니한 채 폐기 처리해왔었다.

본 출원의 발명자는 이러한 유동층 보일러 분진에 대해 조사하던 중 이 분진의 성분을 분석한 바, 고로슬래그와 적정 비율로 혼합하여 사용할 경우 고로슬래그의 수화를 촉진시키는 수화촉진제로 사용할 수 있음을 알게 되었다.

더불어, 고로슬래그 분말을 결합재로, 유동층 보일러 분진을 수화촉진제로 구성하면서 무수석고를 보조재로 혼합하여 사용할 때 그 물성이 더 우수해짐을 알게 되었다.

아래 표 1은 고로슬래그 분말, 무수석고 및 유동층 보일러 분진의 물성을 중량% 단위로 나타낸 표이다.

구분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	SO₃	Ig.loss	분말도
고로슬래그분말	34.4	15.4	0.9	42.0	0.8	0	4230
유동층 보일러 분진	1.6	1.7	0.2	65.5	21.7	8.2	3150
무수석고	3.46	0.19	0.12	38.3	55.0	0.8	4212

상기 표 1에 나타난 바와 같이 고로슬래그 분말에는 이산화규소 및 산화칼슘이 주를 이루며, 유동층 보일러 분진과 무수석고에는 산화칼슘과 산화황이 주를 이루되 유동층 보일러 분진에는 칼슘 성분이 많은데 비해 무수석고에는 산화황 성분이 더 많이 포함되어 있음을 알 수 있다.

이와 같은 연구 결과에 따른 본 발명의 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물은 유동층 보일러 분진 100 중량부와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 300 ~ 500 중량부의 고로슬래그 분말과; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 10 ~ 50 중량부의 무수석고와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 500 ~ 700 중량부의 잔골재와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 800 ~ 1,100 중량부의 굵은골재와; 상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 3 ~ 8 중량부의 AE감수제;를 포함하여 구성된다.

이때, 선택적으로 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 50 ~ 150 중량부의 시멘트를 더 포함하여 구성할 수도 있다.

또, 상기 표 1에 나타난 바와 같이 상기 유동층 보일러 분진은 이산화규소 1.6 중량부와, 산화알루미늄 1.7 중량부와, 산화철 0.2중량부와, 산화칼슘 65.5 중량부와, 산화황 21.7 중량부를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

또, 상기 표 1에 나타난 바와 같이 고로슬래그 분말은 이산화규소 34.4 중량부와, 산화알루미늄 15.4 중량부와, 산화철 0.9 중량부와, 산화칼슘 42.0 중량부와 산화황 0.8 중량부를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 무수석고는 이산화규소 3.46 중량부와, 산화알루미늄 0.19 중량부와, 산화철 0.12중량부와, 산화칼슘 38.3중량부와, 산화황 55.0 중량부를 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물의 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

1. 실시예1 (유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조1)

표 2에 나타난 바와 같이 고로슬래그 분말 375kg, 유동층 보일러 분진 100kg, 무수석고 25kg, 잔골재 654kg, 굵은골재 957kg 및 AE감수제 5kg과 물 175 kg을 혼합하여 거푸집에 넣고 양생하여 실시예1의 콘크리트를 제조하였다.

2. 실시예2 (유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조1)

표 2에 나타난 바와 같이 고소슬래그 분말 280kg, 유동층 보일러 분진 100kg, 무수석고 20kg, 잔골재 654kg, 굵은골재 957kg, 시멘트 100kg 및AE감수제 5kg과 물 175kg을 혼합하여 거푸집에 넣고 양생하여 실시예2의 콘크리트를 제조하였다.

3. 비교예 (일반 콘크리트 제조)

표 2에 나타난 바와 같이 시멘트 438kg, 잔골재 738kg, 굵은골재 974kg, AE감수제 4.3kg 및 물 175kg을 혼합하여 거푸집에 넣고 양생하여 비교예의 콘크리트를 제조하였다.

<실시예 및 비교예의 콘크리트 조성>

구분	물	시멘트	고로슬래그 분말	유동층 보일러 분진	무수석고	잔골재	굵은골재	AE감수제	비 고
비교예	175	438	-	-		738	974	4.38	W/C:40%s/A:45%
실시예1	175	-	375	100	25	654	975	5.0	W/B:35%s/A:42%
실시예2	175	100	280	100	20	654	957	5.0	W/B:35%s/A:42%

(w/c는 물시멘트비, s/A는 모래골재비, W/B는 물바인더비임)

상기와 같이 제조한 실시예1,2의 콘크리트와 비교예의 콘크리트에 대하여 슬럼프와 압축강도를 측정하여 그 결과를 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다.

여기서, 슬럼프 시험은 KS F 2402에 준하여 콘크리트를 혼합하여 믹서로부터 배출된 직후에 작업성을 평가하였으며, 압축강도는 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 실시예1의 경우 고로슬래그 분말도 4,230㎠/g, 유동층 보일러 분진 3.150㎠/g, 무수석고 4,212㎠/g인 상태에서 슬럼프가 16 cm 정도, 실시예2의 경우 슬럼프가 14cm 정도로 비교예의 일반 콘크리트와 비교해 유사한 수준을 나타냄을 알 수 있었다.

또, 도 2에 나타난 바와 같이 압축강도 역시 시멘트를 사용한 일반콘크리트와 유사한 강도를 지녔으며, 오히려 약 5% 정도 강도가 증가되는 결과를 얻었다.

이와 같은 본 발명의 결과에 따라 산업 폐기물로 배출되는 고로슬래그 분말 뿐만 아니라 유동층 보일러의 분진을 재활용 처리할 수 있게 되며, 시멘트의 사용량을 최소화할 수 있어 이산화탄소 배출량이 줄어들게 되는 효과를 갖게 될 뿐만 아니라 각종 화학약품의 사용량을 최소화하면서 우수한 콘크리트를 제조할 수 있게 된다 할 것이다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 조성물은 각종 토목 및 건축 구조물, 블록, 수로관, 파일 등의 2차 제품 및 도로 포장 토양 개량 등에 사용될 수 있다 할 것이다.

Claims (5)

1. 콘크리트 제조용 조성물에 있어서,
   유동층 보일러 분진 100 중량부와;
   상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 300 ~ 500 중량부의 고로슬래그 분말과;
   상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 10 ~ 50 중량부의 무수석고와;
   상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 500 ~ 700 중량부의 잔골재와;
   상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 800 ~ 1,100 중량부의 굵은골재와;
   상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 3 ~ 8 중량부의 AE감수제;를 포함하여 구성되되,
   상기 유동층 보일러 분진은,
   이산화규소 1.6 중량부와, 산화알루미늄 1.7 중량부와, 산화철 0.2중량부와, 산화칼슘 65.5 중량부와, 산화황 21.7 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는,
   유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유동층 보일러 분진 100 중량부 대비 50 ~ 150 중량부의 시멘트가 포함된 것을 특징으로 하는,
   유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물.
   
3. 삭제
4. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고로슬래그 분말은 이산화규소 34.4 중량부와, 산화알루미늄 15.4 중량부와, 산화철 0.9 중량부와, 산화칼슘 42.0 중량부와 산화황 0.8 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는,
   유동층보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 무수석고는 이산화규소 3.46 중량부와, 산화알루미늄 0.19 중량부와, 산화철 0.12중량부와, 산화칼슘 38.3중량부와, 산화황 55.0 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는,
   유동층 보일러 분진을 이용한 콘크리트 제조용 조성물.

Images