KR101165623B1

KR101165623B1 - 폐자재를 이용한 점토벽돌 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101165623B1
Application number: KR1020120004582A
Authority: KR
Inventors: 최헌돈
Original assignee: (주)선일로에스
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-16

Abstract

본 발명은 폐자재를 이용한 점토벽돌 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 입도를 갖는 폐자재 분말과, 고령토와, 점토의 혼합으로 조성된 점토벽돌용 혼합물(A)과 물(B)의 혼합으로 조성된 폐자재를 이용한 점토벽돌과, 상기 점토벽돌을 제조하기 위한 방법으로서, 폐자재를 일정 입도 크기로 미분쇄하는 단계와, 미분쇄한 폐자재와, 고령토와, 점토를 혼합하여 점토벽돌용 혼합물을 조성하는 단계와, 상기 점토벽돌용 혼합물(A)와, 물(B)을 혼합하여 점토벽돌을 성형하는 단계와, 성형한 점토벽돌을 일정온도에서 일정시간 동안 건조하는 단계와, 건조한 점토벽돌을 일정온도에서 일정시간 동안 소성하는 단계를 포함하여 이루어지는 점토벽돌 제조방법에 관한 것이다.

Description

폐자재를 이용한 점토벽돌 및 이의 제조방법{CLAY BRICKS USING CONSTRUCTION WASTES AND MANUFACTURING METHOD OF IT}

본 발명은 폐타일, 폐도자기 등의 폐자재를 재활용하여 제조된 점토벽돌 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

폐자재의 재활용에 따른 환경개선 및 자원재활용에 따른 경제적 장점과 높은 강도의 점토벽돌을 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.

인류가 의식주를 해결하고 문화생활을 영위하는 과정에는 예로부터 현재까지 도자기와 밀접한 관계를 맺고 있다고 해도 과언이 아니다. 역사적으로 오래전에는 소성기술이 부족하여 낮은 온도에서 소성한 토기류가 사용되었지만 점차 발전하여 도기, 자기류가 생산되어 문화적이고 위생적인 생활을 향유할 수 있게 되었다. 그러한 반면 낮은 온도로 소성하였던 토기류는 자연 환원이 가능하지만 높은 온도로 소성한 자기류의 기물들은 자연적인 환원이 불가능하여 환경오염으로 남게 되는 현실이다.

이와 같은 토기류, 타일, 건축자재 등의 폐자재를 재활용하기 위하여 지속적인 연구가 이루어지고 있으며, 그 구체적인 예로서 대한민국 공개특허 특2001-0069434(공개일자 2001.07.25)의 '폐자재를 이용한 내열성 건축용판넬과 조립식블록의제조방법 및 그 물건', 대한민국 공개특허 특2002-0066459(공개일자 2002.08.17)의 '폐자재를 이용한 투수 블록 및 그 제조방법', 대한민국 공개특허 특2000-0049663(공개일자 2000.08.05)의 ' 폐자재를 이용한 내열성 건축용판넬과 조립식블록의제조방법 및 그 물건', 대한민국 등록특허 10-0980772(등록일자 2010.09.01)의 '폐자재를 활용한 경계블록의 제조방법' 등이 개시된 바 있다.

상기 공개특허 및 등록특허들은 모두 폐자재를 재활용하여 블록을 제조하는 기술이라는 공통점이 있기는 하나, 공개특허 특2000-0049663 및 특2001-0069434의 경우, 내열성 향상을 위한 건축용판넬과 조립식블록의 제조방법에 관한 것이며, 공개특허 특2002-0066459의 경우, 투수성 향상과 보습성을 갖는 투수 블록 제조방법에 관한 것이며, 등록특허 10-0980772의 경우, 폐자재를 재활용할 수 있고 다양한 색상과 문양의 표현이 가능한 경계블록 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상기 공개특허 및 등록특허에 개시되어 있는 기술구성을 통해서는 본 발명에서 요구하는 높은 압축강도를 갖는 점토벽돌의 기술을 도출해 내기는 어렵다는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 특2001-0069434(공개일자 2001.07.25) 대한민국 공개특허 특2002-0066459(공개일자 2002.08.17) 대한민국 공개특허 특2000-0049663(공개일자 2000.08.05) 대한민국 등록특허 10-0980772(등록일자 2010.09.01)

상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 폐자재인 폐타일, 폐도자기를 재활용하여 높은 압축강도를 갖는 점토벽돌을 제공하고, 폐자재의 재활용에 따른 경제성, 친환경성을 갖는 폐자재를 이용한 점토벽돌 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하고자,

본 발명은,

5㎛ ~ 1mm 입도를 갖는 폐자재 분말 5 ~ 70wt%와,

고령토 10 ~ 50wt%와,

점토 10 ~ 50wt%의 혼합으로 조성된 점토벽돌용 혼합물(A) 65 ~ 90wt%와;

물(B) 10 ~ 35wt%;의 혼합으로 조성된 폐자재를 이용한 점토벽돌에 관한 기술구성과,

상기 점토벽돌을 제조하기 위한 방법으로서,

폐자재를 5㎛ ~ 1mm 입도 크기로 미분쇄하는 단계와,

미분쇄한 폐자재 5 ~ 70wt%와, 고령토 10 ~ 50wt%와, 점토 10 ~ 50wt%를 혼합하여 점토벽돌용 혼합물을 조성하는 단계와,

상기 점토벽돌용 혼합물(A) 65 ~ 90wt%와, 물(B) 10 ~ 35wt%를 혼합하여 점토벽돌을 성형하는 단계와,

성형한 점토벽돌을 40 ~ 160℃에서 40 ~ 80시간 동안 건조하는 단계와,

건조한 점토벽돌을 1,000 ~ 1,300℃에서 25 ~ 50시간 동안 소성하는 단계를 포함하여 이루어지는 폐자재를 이용한 점토벽돌 제조방법에 관한 기술 구성을 주요 기술적 구성으로 한다.

본 발명에 따른 폐자재를 이용한 점토벽돌 및 이의 제조방법은 폐타일, 폐도자기의 폐자재를 재활용함으로써 환경개선 및 자원재활용에 따른 경제적이라는 장점을 가지며,

폐타일, 폐도자기의 최적입도와, 최적혼합비율을 적용함과 동시에 해성이토를 일정비율을 배합하여 소성 함으로써 높은 강도의 점토벽돌을 제공할 수 있으며, 또한 제조과정에서 이미 소성과정을 거친 폐타일, 폐도자기를 첨가하여 다시 소성과정을 거침으로써 높은 강도의 점토벽돌을 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.

이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 실시예와 함께 살펴보고자 한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 폐자재를 이용한 점토벽돌은

5㎛ ~ 1mm 입도를 갖는 폐자재 분말 5 ~ 70wt%와,

고령토 10 ~ 50wt%와,

물(B) 10 ~ 35wt%;의 혼합으로 조성된다.

상기 폐자재 분말은 보다 구체적으로는 폐타일 또는 폐도자기 중 선택되는 것으로서, 상기 폐자재 분말의 입경은 작을수록 점토벽돌의 압축강도를 상승시키는 효과가 있기는 하나, 입경을 작게 할수록 소요 비용이 증가하는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 압축강도의 향상과 현실적인 경제적 측면을 고려하여, 폐자재 분말의 입도는 5㎛ ~ 1mm의 범위 내에서 평균 입경을 유지하는 것이 바람직하다.

상기 폐타일은 SiO₂ 및 Al₂O₃의 함유량이 각각 67.24%, 16.65%인 폐타일을 사용하였으며, 폐타일의 분말은 평균입경이 작아질수록 점토벽돌의 압축강도 향상효과를 갖게 되기는 하나, 평균입경을 계속 낮추기 위해서는 많은 비용이 소요되기 때문에, 압축강도의 향상과 현실적인 경제적 측면을 고려하여, 5㎛ ~ 1mm의 평균입경을 갖도록 분쇄하여 사용한다.

상기 폐타일 분말 제조에 대한 구체적인 예는 다음과 같다.

소성온도 1,100 ~ 1,300℃의 자기질 폐타일을 콘크리트 팬믹서를 이용해 1차 분쇄한 후, 볼밀(ball mill)로 2차 분쇄한다.

또한 최소 입도인 5㎛의 폐타일 분말을 확보하기 위하여, 에어 젯 시브(air zet sieve)를 이용하여 No.500번 체(20㎛)에 95%이상 통과하는 폐타일 분말을 수득한다.

이와 같은 폐타일 분말의 물리적, 화학적 특성은 다음과 같다.

밀도(g/㎤) 2.42 ~ 2.45, 분말도(㎠/g) 5,000 ~ 7,000, 화학적 조성(%) SiO₂ 67.24, Al₂O₃ 16.65, Fe₂O₃ 2.08, CaO 7.97, MgO 1.27, L.O.I 1.54이다.

상기 폐자재 분말은 자원 재활용이라는 측면에 있어서 매우 경제적이라는 장점과, 이미 최초 제조시에 1차 소성과정을 거친 폐타일, 폐도자기를 사용하기 때문에 폐자재 분말의 입장에서 새로운 벽돌의 원료로 사용되어 소성과정을 거친다는 것은 2차 소성과정을 거치는 것이며, 이와 같은 2차 소성과정에 의해 폐자재 분말에 의한 점토벽돌의 높은 압축강도를 특성을 부여할 수 있다는 기능적 측면의 장점을 갖는다.

상기 폐자재 분말의 사용량이 5wt% 미만인 경우에는 자원 재활용 측면이 미미하여 비경제적일 뿐만 아니라, 압축강도 향상 효과를 기대하기 어렵고, 70wt%를 초과하게 되는 경우에는 점토벽돌의 성형성이 떨어지고 또한 소성과정에서 갈라짐 현상이 발생할 수 있으므로, 상기 폐자재 분말의 사용량은 전체 점토벽돌용 혼합물(A) 중 5 ~ 70wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 고령토는 도자기, 내화물의 원료로 사용될 뿐만 아니라, 제지, 타이어, 프라스틱, 전선의 충전제로 사용되는 점토광물의 일종으로서, 고령토에는 실리카 성분이 40 ~ 45wt%, 알루미나 성분이 35 ~ 40wt%, 철산화물이 1 ~ 3wt%, 기타 칼슘, 마그네슘, 나트륨 산화물들이 소량 포함되어 있다. 고령토의 결정구조는 카올리나이트(Kaolinite)와 할로이사이트(halloysite) 두 종류가 있는데 할로이사이트는 카올리나이트에 비해 더욱 불규칙한 구조로 되어 있다.

고령토는 Al₂O₃(36.4wt%), SiO₂(44.6wt%)의 주성분 외에 산화칼슘, 산화철, 산화마그네슘 등이 소량 포함되어 있다.

고령토는 석영조면암, 안산암, 화강암 등이 열수작용 또는 풍화작용에 의하여 분해되어 생성된 것이며 화학식이 Al₂O₃?2SiO₂?2H₂O로 표시된다. 이 카올린 족에 속하는 광물로는 nacrite, dickite, kaolinite, halloysite 등이 있으며, 일반적으로 우리나라에서 산출되는 고령토는 halloysite로 되어 있는 점토계 광물이다.

고령토 광물 중 생성된 위치 근처에 남아 있는 것을 일차점토 또는 잔류점토라 부르고, 생성된 위치에서 물이나 바람에 의하여 씻겨 내리거나 날려서 낮은 곳에 침적된 것을 이차 점토 또는 표적점토라고 부르는데, 일반적으로 고령토는 일차 점토에 속하며, 이차 점토에 속하는 것을 통상 점토(clay)라 부른다. 카올린족에 속하는 각 광물의 특성은 다음과 같다.

	카올리나이트 (kaolinite)	내크라이트 (nacrite)	딕카이트 (dickite)	할로이사이트 (halloysite)
성분 (Compositions)	Al₂Si₂O₅(OH)₄	Al₂Si₂O₅(OH)₄	Al₂Si₂O₅(OH)₄	Al₂Si₂O₅(OH)₄?nH₂O
결정계 (Crystal System (α))	monoclinic 1.561	monoclinic 1.557	monoclinic 1.556	monoclinic n=1.549(meta halloysite)
굴절률 (Refractive Index(γ)m)	1.565 1.566	1.562 1.563	1.5462 1.566	n=1.528(halloysite)
Molecules per unit cell	4 molecules	8 molecules	4 molecules	2 molecules
etc.	laminated crystal	Leaf type crystals	Rod-like Crystals	Low Crystallinity than Kalinite

내화물용으로는 소성수축 등 용적변화가 커서 생성원료로서의 이용보다는, 미리 가소하여 chamotteg화하여 사용하는 경우가 많다. 또 우리나라의 고령토는 백색과 도색으로 나뉘어 산출되는데 백색은 도자기 류에, 도색은 주로 내화물 용으로 사용되고 있으나, 도색도 내화도가 낮은 쪽의 것은 저급 도자기류의 원료로 쓰인다. 내화물 원료로의 이용에 있어서는 chamotte화 뿐 아니라, Al₂O₃와 SiO₂를 함유하는 내화성질인 물라이트, 코디라이트 같은 것의 합성에도 이용되고 있다.

본 발명에서 사용하는 고령토는 Al₂O₃ 38%, Fe₂O₃ 0.90%, 내화도(Refractoriness(SK)) 34인 W.A등급의 고급고령토; Al₂O₃ 37%, Fe₂O₃ 0.95%, 내화도(Refractoriness(SK)) 33인 W.B 등급의 고급고령토가 1:1로 혼합조성된 제1고령토 45 ~ 90wt%와,

Al₂O₃ 37%, Fe₂O₃ 1.70%, 내화도(Refractoriness(SK)) 34인 P.B 등급의 중급고령토; Al₂O₃ 39%, Fe₂O₃ 2.50%, 내화도(Refractoriness(SK)) 34인 P.C 등급의 중급고령토; Al₂O₃ 35%, Fe₂O₃ 3.00%, 내화도(Refractoriness(SK)) 33인 P.D 등급의 저급고령토가 1:1:1로 혼합조성된 제2고령토 10 ~ 55wt%의 혼합으로 조성된 것으로, 325mesh체를 통과시킨 것으로서 질량 중위값은 16.8㎛인 것을 사용한다.

고령토는 철분함량과 고령토화의 성숙도에 기인되는 것으로서 일반적으로 표토에서 적갈색 내지 갈색을 띠며 하부로 가면서 도(桃)색대(Pink)와 백색대(White)로 색상변화를 보이는 것으로서, 상기 도색대(P)와, 백색대(W)는 다시 Al₂O₃, Fe₂O₃의 함량(%)에 따른 화학적성질과, 내화 등의 물리적 성질에 따라 A, B, C, D등급으로 나뉘게 된다.

상기 고령토는 점토와 함께 사용하여 점토벽돌의 결합력을 증가시켜 강도를 증대시켜 주는 것으로, 활용도가 떨어지는 저급고령토를 활용함으로써 폐자원의 활용도를 높이면서, 경량성, 내구성이 떨어지지 않도록 고급, 중급, 저급 고령토를 최적화하여 사용하는 것으로서, 그 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 점토벽돌의 내구성이 떨어지고, 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 점토벽돌의 경량성이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 고령토의 사용량은 전체 점토벽돌용 혼합물(A) 중 10 ~ 20wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 점토는 해성이토 10 ~ 50wt%와 일반점토 50 ~ 90wt%의 혼합으로 조성된 것으로서, 상기 해성이토는 점토 42%, 모래 2%, 실트 56%의 성분조성비를 갖는다.

상기 점토를 구성하고 있는 해성이토의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 점토벽돌의 압축강도가 떨어지고, 50wt%를 초과하게 되는 경우에는 점토벽돌의 성형성이 떨어질 수 있으므로, 점토 전체 성분 중 10 ~ 50wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 점토를 구성하고 있는 일반점토의 사용량이 50wt% 미만인 경우에는 점토벽돌의 성형성이 떨어지고, 90wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 해성이토의 사용량 감소에 따른 압축강도 향상을 기대하기 어려우므로, 상기 일반점토의 사용량은 점토 전체 성분 중 50 ~ 90wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 해성이토와 일반점토의 혼합으로 조성된 점토의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 점토벽돌의 압축강도가 떨어질 수 있고, 50wt%를 초과하게 되는 경우에는 점토벽돌의 경량성이 떨어질 수 있으므로, 상기 점토의 사용량은 전체 점토벽돌용 혼합물(A) 중 10 ~ 50wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 폐자재 분말, 고령토 및 점토의 혼합으로 조성된 점토벽돌용 혼합물은 물과 혼합하여 점토벽돌을 성형하게 되며, 이때 점토벽돌용 혼합물의 양은 65 ~ 90wt%이며, 물의 사용량은 10 ~ 35wt%이다.

상기 점토벽돌용 혼합물의 사용량이 65wt% 미만인 경우에는 압축강도가 떨어지고, 물이 너무 많아 성형성이 떨어지며, 소성과정에서 점토벽돌의 갈라짐 현상이 발생할 수 있고, 90wt%를 초과하게 되는 경우에는 물의 사용량이 너무 작아 유동성이 떨어짐에 따라 성형성이 떨어지는 문제가 발생하게 되므로, 상기 점토벽돌용 혼합물은 물에 대해 65 ~ 90wt%의 범위 내로 그 사용량을 한정하는 것이 바람직하다.

또한, 물의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 유동성이 떨어져 성형성이 나쁘다는 문제가 있고, 35wt%를 초과하게 되는 경우에는 점토벽돌의 내구성 및 압축강도가 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 물의 사용량은 전체 점토벽돌 제조에 있어 10 ~ 35wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기의 구성을 갖는 점토벽돌의 제조를 구체적인 실시예 1을 통해 살펴보고자 한다.

[실시예 1]

점토벽돌의 제조

폐타일을 0.1mm 평균입도로 미분쇄한다.

이와 같이 미분쇄한 폐타일 50wt%와, 고령토 30wt%와, 점토 20wt%를 혼합하여 점토벽돌용 혼합물을 조성한다.

그리고, 상기 조성된 점토벽돌용 혼합물 80wt%와 물 20wt%를 혼합하여 점토벽돌을 성형한다.

이와 같이 성형한 점토벽돌을 40 ~ 160℃에서 60시간 동안 건조하고, 건조된 점토벽돌은 1,000 ~ 1,300℃에서 35시간 동안 소성 시킨 후 서서히 냉각시켜 점토벽돌을 완성한다.

상기와 같이 제조된 점토벽돌은 기존 점토벽돌과 비교하여 볼 때 다음과 같은 시험결과 값을 갖는다.

이때 한국산업규격에 따라 압축강도는 다음과 같이 정의된다.

압축강도[N/㎟]= 최대하중/가압단면적

기존 점토벽돌(KS기준)과 본 발명에 따른 점토벽돌의 시험결과

구분	기존 점토벽돌:KS 기준	본 발명의 점토벽돌
흡수율(%)	10%	7%
압축강도(N/㎟)	20.6	38.0
휨강도(Mpa)	5.0	7.5

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 폐자재를 이용한 점토벽돌 및 이의 제조방법은 폐타일, 폐도자기 등 폐기되는 산업폐기물을 재활용함으로써 매우 경제적이며, 또한 폐타일, 폐도자기의 첨가에 의한 높은 강도의 점토벽돌을 제공할 수 있어 경제적, 품질적 측면에 있어 매우 큰 장점이 있어 산업상 이용가능성이 크다.

Claims

5㎛ ~ 1mm 입도를 갖는 폐자재 분말 5 ~ 70wt%와,
고령토 10 ~ 50wt%와,
점토 10 ~ 50wt%의 혼합으로 조성된 점토벽돌용 혼합물(A) 65 ~ 90wt%와;
물(B) 10 ~ 35wt%;의 혼합으로 조성된 것에 있어서,
상기 고령토는 Al₂O₃ 38%, Fe₂O₃ 0.90%, 내화도(Refractoriness(SK)) 34인 W.A 등급의 고급고령토; Al₂O₃ 37%, Fe₂O₃ 0.95%, 내화도(Refractoriness(SK)) 33인 W.B 등급의 고급고령토가 1:1로 혼합조성된 제1고령토 45 ~ 90wt%와,
Al₂O₃ 37%, Fe₂O₃ 1.70%, 내화도(Refractoriness(SK)) 34인 P.B 등급의 중급고령토; Al₂O₃ 39%, Fe₂O₃ 2.50%, 내화도(Refractoriness(SK)) 34인 P.C 등급의 중급고령토; Al₂O₃ 35%, Fe₂O₃ 3.00%, 내화도(Refractoriness(SK)) 33인 P.D 등급의 저급고령토가 1:1:1로 혼합조성된 제2고령토 10 ~ 55wt%의 혼합으로 조성된 것임을 특징으로 하는 폐자재를 이용한 점토벽돌.
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청구항 1에 있어서,
점토는 점토 42%, 모래 2%, 실트 56%의 성분조성비를 갖는 해성이토 10 ~ 50wt%와 일반점토 50 ~ 90wt%의 혼합으로 조성된 것임을 특징으로 하는 폐자재를 이용한 점토벽돌.
폐자재를 5㎛ ~ 1mm 입도 크기로 미분쇄하는 단계와,
미분쇄한 폐자재 5 ~ 70wt%와, 고령토 10 ~ 50wt%와, 점토 10 ~ 50wt%를 혼합하여 점토벽돌용 혼합물을 조성하는 단계와,
상기 점토벽돌용 혼합물(A) 65 ~ 90wt%와, 물(B) 10 ~ 35wt%를 혼합하여 점토벽돌을 성형하는 단계와,
성형한 점토벽돌을 40 ~ 160℃에서 40 ~ 80시간 동안 건조하는 단계와,
건조한 점토벽돌을 1,000 ~ 1,300℃에서 25 ~ 50시간 동안 소성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 폐자재를 이용한 점토벽돌 제조방법.