KR101153904B1 - 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점토, 석탄 비산재, 석분을 혼합하여 4 가지 성형법으로 표면 및 소지 조직이 다른 다양한 성형체를 제조하고 이를 소성하여 인공골재를 제조하기 위한 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 관한 것으로, 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서, 점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정; 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정; 상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 일정시간동안 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하는 반죽형성과정; 및 상기 숙성된 원료반죽을 압출기에 투입시켜 압출기 투입구 전면에 부착 고정된 금속판 형틀을 통해 밀어내면서 성형시키는 성형과정; 을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

인공경량골재, 전면압출 성형, 측면압출 성형, 분쇄 성형, 조립 성형

Description

인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법{Method for making artificial lightweight aggregate}

본 발명은 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는 점토, 석탄 비산재, 석분을 혼합하여 4 가지 성형법으로 표면 및 소지 조직이 다른 다양한 성형체를 제조하고 이를 소성하여 인공골재를 제조하기 위한 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 관한 것이다.

인공골재는 자연골재에 비하여 기공율, 부피비중, 흡수율, 크기, 형상 등의 물성을 제어할 수 있다는 장점이 있어 고층건물, 교량 등의 자중 감소용 콘크리트, 방음 및 방습용 콘크리트, 토양 대체재료, 배수재, 세라믹 담체 등의 분야에 폭 넓게 이용되고 있다.

인공골재의 특성 중 부피비중과 흡수율은 골재의 사용 영역을 결정짓는 중요한 인자들이다. 골재는 부피비중에 따라 구조용 또는 비구조용 등으로 적용 분야가 결정된다. 인공골재를 단열재, 방음재, 배수 필터재 등에 사용할 경우에 골재 흡수 율의 제한이 없으나, 콘크리트에 적용되기 위해서는 가능한 낮은 흡수율의 골재가 바람직하며 KS 규격에도 조골재의 흡수율은 5%이하인 것으로 정의되어 있다.

또한 콘크리트 작업 시 다양한 외형을 가진 골재들을 복합적으로 사용하는 것이 유리하므로 골재의 외형 역시 중요한 요소이다.

인공골재의 흡수율을 낮추기 위해서는 소성과정에서 표면에 점성의 액상이 형성되어 표피층의 기공을 채워야 한다. 또한 경량(발포)골재를 제조하기 위해서는 소성과정에서 발생된 기체가 골재표면에 생성된 점성의 액상에 의해 시편 밖으로 방출되지 않아야 한다.

팽창점토(expanded clay)와 혈암(shale)을 이용한 인공골재의 개발은 20세기 초반부터 미국과 유럽을 중심으로 진행되었고, 이어 화력발전소에서 발생하는 석탄회로부터 고품질 인공골재를 제조하는 기술이 개발되었다.

최근 들어 다양한 산업 폐기물로부터 친환경적인 인공경량골재를 생산하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 폐기물은 그 가소성이 점토에 비해 현저히 낮으므로 성형하기 어렵다는 단점이 있다. 그러므로 각종 폐기물을 이용하여 경제적이고 안정한 인공골재를 제조하기 위해서는 다양한 성형공정 기술이 개발되어야한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은 점토, 석탄 비산재, 석분을 혼합하여 4 가지 성형법으로 표면 및 소지 조직이 다른 다양한 성형체를 제조하고 이를 소성하여 인공골재를 제조하기 위한 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법을 제공함에 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 폐기물인 석탄 비산재 및 석분오니를 점토에 첨가하여 4가지 다른 방법으로 성형한 뒤 1100~1200℃ 범위에서 소결하여 인공골재를 제조한 뒤, 성형체의 표면조직 및 소지조직 변화가 소결된 인공골재의 표면 치밀층(shell) 및 내부 환원영역(black core) 형성에 미치는 영향을 연구하여, 한 가지 배치조성으로부터 다양한 물성을 갖는 인공골재 제조가 가능하도록 하는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예는, 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서, 점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정; 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정; 상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 일정시간동안 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하는 반죽형성과정; 및 상기 숙성된 원료반죽을 압출기에 투입시켜 압출기 투입구 전면에 부착 고정된 금속판 형틀을 통해 밀어내면서 성형시키는 성 형과정; 을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 분말형성과정의 배치분말에서 점토:석분오니:석탄 비산재의 조성비율이 60:20:20wt%인 것이 바람직하다.

상기 성형과정에서 금속형틀 구멍을 통해 압출되는 성형체는, 연속회전 칼을 이용하여 일정 길이로 절단되고, 압출된 인공경량골재 성형체는 일정 크기를 가지는 금속관 내에서 일정 회전속도로 굴려져 모서리 형상이 둥글게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서, 점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정; 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정; 상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 일정시간동안 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하는 반죽형성과정; 및 한쪽 끝면이 막혀 있는 금속관을 전면 압출 성형기에 전면에 직렬로 연결한 후 상기 숙성된 원료반죽을 배출시켜 가래 형태의 성형체를 형성시키는 성형과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 가래 형태로 배출되는 성형체는, 자중에 의해 자연적으로 끊어지며, 끊 어진 성형체의 길이는 원료 반죽의 가소성에 의한 것임을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서, 점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정; 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정; 상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 일정시간동안 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하는 반죽형성과정; 진공 토련기(vacuum pug mill)에 상기 숙성된 원료반죽을 투입하고 직사각형 형틀(die)을 통해 일정 크기를 가지는 타일 모양의 성형체를 압출시키는 성형과정; 및 상기 압출 성형된 타일모양의 성형체를 열풍 건조기를 이용하여 건조 후 롤러 밀(roller mill)로 분쇄하여 일정한 크기의 성형체를 형성시키는 성형체 형성과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서, 점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정; 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정; 및 상기 배치분말을 소정 기울기를 가지는 경사진 금속 원판에 부착된 조립기(pelletizer)로 투입하는 동시에 노즐로 물을 분사시켜 구형의 성형체를 형성하는 성형체 형성과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 조립기(pelletizer)의 회전 금속원판은 반경이 0.8m이고, 기울기가 70°이며 20rpm의 회전속도로 회전하는 것이 바람직하며, 이때 상기 구형의 성형체의 직경은, 7±2 mm인 것을 특징으로 한다.

상기의 실시예들은 상기 성형체를 전기로에서 일정 온도 범위 내에서 일정 시간 동안 직화 소성시키는 소성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 소성 단계에서 직화 소성 온도의 범위는 1100～1200℃ 이며, 직화 소성 시간은 10분간 인 것이 바람직하다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 인공경량골재는, 점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하고, 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하고, 상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 일정시간동안 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성한 후 상기 숙성된 원료반죽을 압출기에 투입시켜 압출기 투입구 전면에 부착 고정된 금속판 형틀을 통해 밀어내면서 성형시켜 얻어진 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 인공경량골재는, 점토, 석탄 비산재 및 석 분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하고, 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하고, 상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 일정시간동안 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하고, 한쪽 끝면이 막혀 있는 금속관을 전면 압출 성형기에 전면에 직렬로 연결한 후 상기 숙성된 원료반죽을 배출시켜 가래 형태의 성형체를 형성시켜 얻어진 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 인공경량골재는, 점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하고, 상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니의 일정비율에 점토를 일정비율 혼합하여 배치분말을 형성하고, 상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 일정시간동안 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하고, 진공 토련기(vacuum pug mill)에 상기 숙성된 원료반죽을 투입하고 직사각형 형틀(die)을 통해 일정 크기를 가지는 타일 모양의 성형체를 압출시킨 후 상기 압출 성형된 타일모양의 성형체를 열풍 건조기를 이용하여 건조 후 롤러 밀(roller mill)로 분쇄하여 일정한 크기의 성형체를 형성시켜 얻어진 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명은 골재 부피비중은 소성 온도와 함께 내부의 기체 발포에 의해 감소하였으나 조립 성형법으로 제조된 인공골재는 시편 내 발생된 기 체가 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 치밀한 표면층이 없기 때문에 온도 변화에 따른 부피비중의 변화가 거의 없었다는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 분쇄 성형체는 별도의 치밀한 표면층은 없었으나 진공 성형에 의해 소지 전체가 치밀하여 그 물성은 압출 성형체와 유사하였다는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 소성체 흡수율은 소결온도 증가함에 따라 감소되었으며, 전반적으로 조립성형 시편이 다른 시편들에 비해 1.8~2.2배 정도 높은 값을 나타냄으로써, 성형방법에 따라 같은 조성의 배치원료로 부터 다양한 외형과 물성을 갖는 골재 생산이 가능하다는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 사용된 원료 중 석탄 비산재는 특정지역의 화력발전소에서, 또한 석분오니는 특정지역 소재의 석산에서 발생된 것이다. 각 원료의 화학 조성을 표1에 나타내었다. 점토에는 SiO₂와 Al₂O₃가 각각 57.9wt% 및 19.1wt%, 그리고 Fe₂O₃가 7.1wt% 포함되어 있다. 석분오니에는 소성 시 융제로 작용하는 알카리 산화물과 알카리토류 산화물들이 각각 9.0wt%와 3.0wt% 포함되어 있다. 석탄 비산재에 포함 된 19.0wt%의 C는 소성 시 산화되면서 가스를 발생시킨다.

[표1] 원료의 화학성분

모든 원료들은 먼저 롤러 밀(roller mill)을 이용하여 지름 1cm 이하로 분쇄한 뒤 사용하였으며, 배치(batch) 조성은 점토:석분오니:석탄 비산재의 비율을 60:20:20(wt%)의 비율로 정하였다. 압출 및 진공 토련기에 투입되는 원료는 배치 분말에 20wt%의 물을 첨가하여 7.5kW 용량의 혼련기(pug mill)로 혼합한 뒤, 24 시간 동안 상온에서 숙성된 반죽을 준비하여 사용하였다. 조립(pelletizing) 성형에 사용되는 원료는 배치 분말을 볼밀에서 24 시간 동안 건식으로 분쇄 및 혼합을 한 뒤 사용하였다. 본 발명에서는 하기와 같이 4가지 방법으로 인공골재를 성형하였다.

성형 실시예 1. 전면(front section) 압출 성형

본 발명에서 사용된 전면 압출성형이란 4kW 용량을 갖는 압출기(extruder)의 배출구 전면에 직경이 9mm의 구멍이 12개 뚫려있는 금속판 형틀(die)을 부착한 뒤, 숙성된 원료반죽을 밀어내면서 성형시키는 방법이다. 형틀 구멍을 통해 압출되는 성형체는 연속회전 칼을 이용하여 길이가 7mm가 되도록 절단하였다. 압출된 인공경량골재 성형체는 길이 4.5m, 내경 0.4 m인 금속관 안에서 15rpm으로 10min 동안 굴려서 모서리 부분을 둥글게 제조하였다.

성형 실시예 2. 측면 압출 성형

전면 압출 성형기에서 전면의 금속판 형틀을 제거한 뒤, 한쪽 끝 면이 막혀있는 금속관을 직렬로 연결하였다. 금속관의 측면에는 직경인 5mm 구멍이 120개 뚫려있어 이 구멍들을 통하여 원료반죽이 배출된다. 가래 형태로 배출되는 성형체는 자중에 의해 자연적으로 끊어지도록 하였다. 끊어진 성형체의 길이는 원료 반죽의 가소성에 의존하며, 그 길이는 7±3mm가 되도록 조정하였다.

성형 실시예 3. 분쇄 성형

분쇄 성형공정에서는 우선 2.2kW 용량의 진공 토련기(vacuum pug mill)에 원료반죽을 투입하고 직사각형 형틀(die)을 통해 2×8×20cm 크기의 타일 모양 성형체를 압출시킨 뒤, 이를 열풍 건조기에서 120℃/24시간 건조 후 롤러 밀(roller mill)로 분쇄하여 직경 7±2mm 크기의 성형체를 얻었다.

성형 실시예 4. 조립(pelletizing) 성형

조립 성형에 사용된 조립기(pelletizer)의 회전 금속원판은 반경이 0.8m이고, 기울기는 70°이었다. 20rpm으로 회전하고 있는 경사진 금속원판에 배치 분말 을 투입하면서 동시에 노즐로 물을 분사시켜 직경이 7±2mm인 구형(spheric shape)의 성형체를 얻었다.

상기에서 설명한 바와 같이 4가지 다른 성형법으로 제조된 성형체는 박스 형태의 전기로에 투입되어 1100～1200℃ 온도범위에서 10분간 직화 소성된다. 성형체 및 소성체의 외형 및 단면 관찰은 광학현미경(DCS-105, Sometech Vision, Korea)으로, 200배율의 미세구조 분석은 SEM(JSM-6500F, JOEL, Japan)을 사용하였다. 골재 시편의 비중 및 흡수율은 한 종류 시편 당 7개를 제조하여 KS F 2503의 실험법에 의거하여 측정한 뒤 그 평균값을 취하였다.

성형체의 외관

각 성형 방법으로 제조된 인공골재 성형체의 광학이미지를 도 1에 나타내었다. 전면 압출법으로 성형된 시편(a)은 개구율(aspect ratio)이 1±0.2의 짧은 원기둥 형태이며, 표면이 비교적 매끄러웠다. 압출기에서 배출된 시편 표면이 매끄러운 것은 원료 반죽이 금속판 형틀의 구멍으로 배출되면서 받은 전단 압력 때문이다.

측면 압출법으로 성형된 시편(b)은 개구율(aspect ratio)이 1.5～3.0 로 원통 모양이며, 표면은 매끄러웠으나, 압출기에서 배출될 때 성형체 자중에 의해 끊어졌기 때문에 위와 아래 면이 울퉁불퉁하였다. 분쇄법으로 성형된 시편(c)은 표면이 거칠지만, 진공 토련기로 압출된 성형체를 분쇄하였기 때문에 성형 밀도가 다른 골재들 보다 높다.

조립법으로 성형된 시편(d)은 둥그스름한 형태를 갖지만, 다른 방법으로 성형된 시편들에 비하여 표면은 더 거칠다. 이는 분사된 물에 의해 형성된 분말 덩어리들이 서로 접촉하여 큰 성형체로 성장하는 과정에서, 뭉쳐진 덩어리들 사이의 공극이 제대로 메워지지 못했기 때문이다.

소성체의 표피층(shell) 및 흑심(black core)

각 성형법으로 제조된 성형시편을 1100℃에서 소성한 뒤, 그 외형과 절단면을 광학현미경으로 관찰하였으며, 그 외형 및 절단면은 도 2에 도시된 바와 같다. 소성된 시편의 외관은 성형방법에 관계없이 모두 옅은 붉은 색을 띠었으며 이는 원료에 포함된 철 성분이 Fe₂O₃로 산화되면서 그 고유색이 나타난 것이다. 또한 전면법이나 측면법에 관계없이 압출 성형된 소성체는 약간 부풀어 오른 외형을 갖는다. 반면 분쇄성형과 조립성형에 의해 제조된 골재는 1100℃로 소성해도 외관에 큰 변화가 나타나지 않았다.

압출법에 의한 골재가 부풀어 오르는 것은 성형 시 원료 반죽이 압출기의 금속판 형틀의 구멍을 통과하면서 치밀한 표면조직을 갖게 되고 이것이 시편 내에 발생된 기체가 외부로 방출되는 것을 억제하므로 기체가 팽창되었기 때문이다. 이는 절단면을 보면 확인할 수 있는데, 압출법에 의한 시편은 표면층이 균일하게 형성되고 내부에 큰 기공들이 형성되었다.

조립 성형에 의한 골재를 제외한 모든 시편들의 내부 영역이 검은 색을 띠는 것은 외기와의 접촉이 차단되어 내부가 환원분위기로 변하고 이에 따라 Fe₂O₃가 Fe₃O₄ 또는 FeO로 환원되면서 고유의 검은 색이 나타났기 때문이다. 일반적으로 골재 소성시 소성온도가 높아질수록 더 많은 량의 액상이 표면에 발생하고 이 액상은 기체가 시편 밖으로 방출되는 것을 억제함과 동시에 외기와 골재와의 접촉을 차단함으로서 내부에 환원 분위기를 가속화한다. 이렇게 환원분위기에 의해 검은 색을 띠고 있는 내부 영역을 흑심(black core)라고 하며, 표피에 존재하는 붉은 색의 치밀한 층을 표피층(shell)이라고 한다.

본 발명의 압출 성형에 의해 제조된 소성체들은 표피층(shell)이 균일하게 형성되고 흑심(black core)가 잘 발달된 것을 확인할 수 있다.

분쇄법으로 성형된 골재에서도 표피층(shell) 및 흑심(black core) 부분이 잘 형성되었는데 이는 골재표면 대부분이 파단면이어서 별도의 치밀한 표면조직은 존재하지 않지만, 분쇄 전 타일 모양의 성형체가 진공 토련기에서 진공상태로 성형되었고 따라서 소지전체가 치밀하였기 때문에 표피층(shell)이 형성된 것이다.

조립 성형법을 이용하여 제조된 인공골재는 절단된 면이 매끄럽지 않았다. 이는 전술한 바와 같이 조립 성형된 시편이 다른 성형법으로 제조된 시편에 비해 치밀하지 못하고 따라서 소결체의 강도 역시 낮았기 때문에 매끄럽게 절단되지 않았다. 또한 조립 성형법에 의한 골재는 흑심(black core) 부분이 그다지 확연하게 형성되지 않았는데 이 역시 성형체 표면 조직이 치밀하지 못해 소성 중 발생된 기 체가 방출하는 것을 억제하지 못했기 때문이다.

1200℃에서 소성한 시편들의 외형과 절단면을 광학현미경으로 관찰하여 도 3에 나타내었다. 전면 압출 및 측면 압출 성형에 의한 시편들은 1100℃에서 소성된 시편에 비해 더 팽창된 외형을 보였다.

1200℃ 소성시편의 절단면을 보면 1100℃ 소성시편에 비해 모든 시편에서 흑심(black core) 영역이 큰 변화를 나타내었다. 즉 흑심(black core) 면적이 증가되고, 내부에 거대 기공들이 더 많이 존재하였다. 또한 표피층(shell)의 두께가 상대적으로 얇아진 것을 확인 할 수 있다. 1200℃에서는 1100℃ 보다 더 많은 액상이 발생하였고 그 결과, 환원 분위기가 가속화 되어 흑심(black core) 면적이 더 넓어지고 동시에 내부 가스 방출이 더욱 제한되면서 팽창하여 거대 기공이 발생한 것이다. 이러한 내부 가스 팽창에 의해 골재 외형도 부풀고 둥굴하게 되는데 이 현상은 압출 성형법에 의해 제조된 골재 시편들에서 확실하게 관찰되었다.

한편 조립 성형법으로 제조된 인공골재는 다른 골재 시편에 비해 내부의 ㅂ흑심(black core)적이 좁게 나타났다. 이는 전술한 바와 같이 성형체의 낮은 밀도에 기인한다.

소성체의 부피비중 및 흡수율

1100～1200℃ 범위에서 직화 소성한 인공골재의 부피비중을 측정하여 도 4에 나타내었다. 우선 1100℃ 소성의 경우, 압출 성형법(■, ●)과 분쇄 성형법(□)에 의한 시편들은 1.80±0.07의 높은 부피비중 값을 갖는다. 그러나 조립 성형법(○) 에 의한 시편의 부피비중은 다른 시편들에 비해 10% 정도 낮은 값을 나타내었다. 이는 전술한 바와 같이 조립 성형체의 밀도가 낮기 때문이다.

소성온도가 증가하면 조립성형 시편을 제외한 모든 시편들의 부피비중은 감소하였다. 예를 들어 측면 압출성형법으로 제조된 인공골재(●)의 부피비중은 1100℃에서 1.88이었으나 1200℃에서는 1.35로 약 30% 감소하였다. 소성온도 증가에 따라 부피 비중이 감소하는 것은 골재 내에 발생된 가스가 팽창하였기 때문이다. 그러나 조립 성형법(○)으로 제조된 인공골재는 온도 변화에 따른 부피비중의 변화가 거의 없이 1.56±0.03의 값을 나타내었다. 대부분의 골재는 치밀한 표피층이 형성되어 있거나 소지전체가 치밀하지만, 조립성형에 의해 제조된 성형체는 구조가 치밀하지 않아 소성 시 발생된 가스가 시편 밖으로 방출되었기 때문이다.

소성 온도변화에 따른 인공골재의 흡수율을 도 5에 나타내었다. 소성온도에 관계없이 조립성형에 의한 골재 흡수율(○)이 다른 골재들 보다 높았다. 또한 소성온도 증가에 따라 모든 시편의 흡수율이 감소하였다. 소성온도가 증가할수록 액상이 더 많이 발생되고 이들이 표면의 기공을 채움으로서 대부분의 기공들이 폐기공(closed pores)이 되기 때문에 골재의 흡수율이 낮아지는 것이다. 1100℃에서 소성된 경우, 조립 성형법에 의해 제조된 인공골재의 흡수율은 21%로 다른 골재들의 평균 흡수율인 10% 보다 2 배 이상 높게 나타났다. 조립 성형법으로 제조된 인공골재의 경우 치밀하지 못한 구조로 인하여 내부에 폐기공보다 개기공(open pores) 및 통기공(through pores)이 많아서 흡수율이 높은 것이다.

SEM에 의한 미세구조 관찰

전기로에서 직화 소성된 인공골재의 절단면 중 흑심(black core) 영역을 SEM으로 관찰하였다(도 6 참조). 시편들 대부분이 다공성이며 1100℃에서 소성된 시편에 비해 1200℃ 소성체에 존재하는 기공들이 더 크다. 또한 큰 기공 벽면을 상당량의 액상이 덮고 있다.

기공 벽면에 다량의 액상이 생성된 것은 내부의 환원 분위기 때문이다. 점토질 세라믹스 소결 과정에서 액상은 주로 SiO₂와 염기성 산화물이 접촉되어 발생한다. 점토에 약 7% 포함되어있는 Fe₂O₃은 중성 산화물이지만, 환원분위기에서는 염기성 산화물인 FeO로 바뀌어, SiO₂와 함께 다량의 액상을 형성한다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 골재의 경우 점토 함유율이 60wt%이므로 성형체 표면이 치밀할 경우 소성하면 환원된 FeO가 SiO₂와 반응하여 많은 량의 액상을 형성시킨 것이다.

1100℃에서 소성된 시편을 보면 조립 성형법에 의해 제조된 인공골재 구조가 다른 시편들에 비해 확연히 다르다. 다른 골재들은 매트릭스(matrix)에 기공이 존재하는 전형적인 다공체 미세구조를 갖고 있으나 조립 성형에 의해 제조된 소성체는 조립된 약 25㎛ 크기의 응집 덩어리들로 구성되어 있으며 이들 덩어리 간의 공극이 많이 존재한다. 그러나 조립성형에 의한 골재일지라도 1200℃에서 소성하면 흑심(black core) 영역에 일부 큰 기공이 형성되고 또한 기공 벽면에 액상이 생성되어 덮혀 있는 것이 관찰된다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시 형태에 대해서만 상세히 기술하고 있지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명이 적용된 성형방법에 따라 제조된 인공골재 성형체의 광학 이미지;(a)전면압출법, (b)측면압출법, (c) 분쇄법, (d) 조립법.

도 2는 각 성형법으로 제조된 성형시편을 1100℃에서 소정한 뒤, 그 외형과 절단면을 광학현미경으로 관찰한 이미지;(a)전면압출법, (b)측면압출법, (c) 분쇄법, (d) 조립법.

도 3은 1200℃에서 10분동안 소정한 시편들의 외형과 절단면을 광학현미경으로 관찰한 이미지;(a)전면압출법, (b)측면압출법, (c) 분쇄법, (d) 조립법.

도 4는 1100℃~1200℃ 범위에서 직화 소성한 인공공재의 부피비중을 측정한 결과 그래프.

도 5는 소성 온도변화에 따른 인공골재의 흡수율을 나타낸 그래프.

도 6은 전기로에서 10분동안 직화 소성된 인공 골재의 절단면 중 흑심 영역을 광학현미경으로 관찰한 이미지;(a)전면압출법, (b)측면압출법, (c) 분쇄법, (d) 조립법.

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5. 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서,

   점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정;

   상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니에 점토를 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정;

   상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하는 반죽형성과정; 및

   한쪽 끝면이 막혀 있는 금속관을 전면 압출 성형기에 전면에 직렬로 연결한 후 상기 숙성된 원료반죽을 배출시켜 가래 형태의 성형체를 형성시키는 성형과정을 포함하고,

   상기 가래 형태의 성형체는 자중에 의해 자연적으로 끊어지며 끊어진 성형체의 길이는 원료 반죽의 가소성에 의한 것임을 특징으로 하는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법.
6. 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서,

   점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정;

   상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니에 점토를 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정;

   상기 배치분말에 물을 첨가하여 혼련기로 혼합한 뒤 상온에서 숙성시켜 원료반죽을 형성하는 반죽형성과정;

   진공 토련기(vacuum pug mill)에 상기 숙성된 원료반죽을 투입하고 직사각형 형틀(die)을 통해 타일모양의 성형체를 압출시키는 성형과정; 및

   상기 압출 성형된 타일모양의 성형체를 열풍 건조기를 이용하여 건조 후 롤러 밀(roller mill)로 분쇄하여 상기 타일모양의 성형체보다 작은 크기의 성형체를 형성시키는 성형체 형성과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법.
7. 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법에 있어서,

   점토, 석탄 비산재 및 석분 오니를 주재로 하여 상기 석탄 비산재 및 석분오니를 분쇄하는 분쇄과정;

   상기 분쇄된 석탄 비산재, 석분오니에 점토를 혼합하여 배치분말을 형성하는 분말형성과정; 및

   상기 배치분말을 소정 기울기를 가지는 경사진 금속 원판에 부착된 조립기(pelletizer)로 투입하는 동시에 노즐로 물을 분사시켜 구형의 성형체를 형성하는 성형체 형성과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 조립기(pelletizer)의 회전 금속원판은 반경이 0.8 m이고, 기울기가 70°이며 20rpm의 회전속도로 회전하는 것을 특징으로 하며,

   상기 구형의 성형체의 직경은, 7±2 mm인 것을 특징으로 하는 인공경량골재를 제조하기 위한 성형방법.
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