KR101181325B1

KR101181325B1 - 친환경 고화체의 제조방법

Info

Publication number: KR101181325B1
Application number: KR20090033458A
Authority: KR
Inventors: 이태형; 이기석; 이수형
Original assignee: 이태형
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2012-09-14
Also published as: KR20100114988A

Abstract

본 발명은 친환경 고화체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 점토, 뻘, 적토, 폐토사 등을 고화처리하여 건축 및 건설용 자재인 블록, 인조석 등으로 활용함으로써, 자연석을 채취하기 위한 자연환경의 훼손을 줄이고, 산업폐기물을 처리하여 재활용함으로써 경제적이며, 자연석을 반입하지 않아 물류비를 절감하도록 한 것이다.

본 발명은 친환경 고화체의 제조방법에 있어서, 토사에 무기질첨가제와 물의 혼합액을 투입하여 슬러리화하는 단계와, 상기 슬러리화된 토사에 고화재와 고로슬래그를 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물이 응결되도록 응결시간을 부여하는 단계와, 상기 응결된 혼합물을 탈수하는 단계와, 상기 탈수된 혼합물을 성형하여 고형물을 만드는 단계와, 상기 성형된 고형물을 양생하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 토사는 점토, 뻘, 적토 및 폐토사로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합재인 것을 특징으로 한다.

고화재, 소수성, 슬러리, 탈수, 무기질첨가제

Description

친환경 고화체의 제조방법{Method for Manufacturing environment friendly construction materials}

내륙에서 멀리 떨어진 간척지 등에서 매립공사를 하기 위해서는 상당량의 돌이 필요하다. 이를 위하여 내륙에서는 자연을 훼손하여 돌(자연석)을 생산하고, 이를 간척지로 이동한 후 토목공사에 사용함으로써 자연 훼손이 심각한 것은 물론, 돌을 이동시 물류비가 많이 들어 공사비가 증대되는 문제가 있어 왔다.

따라서 상기한 자연훼손을 최소화하기 위해 종래 점토, 뻘, 적토 등의 흙을 고화시키는 기술이 제안되었는 바, 상기한 고화방법으로는 점토, 뻘, 적토 등을 소성하는 방법, 굴삭기 등으로 시멘트계 고화재를 혼합하여 고화하는 방법, 레미콘식 으로 다량의 물을 첨가하여 일정한 틀에 성형하여 굳히는 방법 등이었다.

그러나 상기 소성방법은 고열을 필요로하게 되어 이산화탄소가 다량 배출됨에 따라 지구 온난화 등의 심각한 환경오염이 발생되는 문제점이 있고, 시멘트계 고화재를 사용하는 방법은 점토, 뻘, 적토 등은 미세한 미립자를 내포함으로 수분을 흡수하여 뭉쳐지는 성질로 인하여 시멘트와의 혼합이 어렵고 시멘트의 강알칼리성으로 인해 유해하며, 불균일한 배합으로 인한 고화체의 내구성에 문제점이 있었다.

아울러 다량의 물을 첨가하여 성형하여 굳히는 방법은 잉여수(剩餘水)의 체적만큼 고화체 내에 빈공극이 형성됨으로 물-시멘트 비 법칙에 의거 강도발현이 힘든 문제점이 있었다.

한편, 종래의 적토는 알루미나(Al₂O₃)를 생산하기 위하여 보오크사이트 원광석에 가성소다(NaOH)를 첨가하여 선광과정에서 발생되는 겔(Gel)상태의 찌꺼기 부산물로서, 가성소다가 함유되어 pH 11이상의 강알카리성 무기질 폐기물로서 원상태로는 주변생태계에 악영향을 끼치므로 해양투기(Dumping)하였으나, 런던협약에 의해 해양투기가 금기됨에따라 처리에 상당한 어렴움을 격고 있다.

더욱이 고분말도의 겔상태이므로 건조하여 분말화하기전에는 효용가치가 없고, 상기 분말화하기 위해서는 막대한 비용이 소요되고 소진율이 낮아 그 처리가 어려운 실정이다.

또한 적토와 더불어 점토, 뻘, 폐토사 역시 산업폐기물로서 그 활용이 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 종래의 고화방법이 갖는 제반 문제점을 해소하기 위한 것으로, 점토, 뻘, 적토, 폐토사 등에 무기질첨가제를 균일하게 혼합하여 소수성을 띄도록 함으로써 완전 슬러리화가 가능하도록 하고, 고화재 및 고로슬래그 등이 균일하게 혼합된 혼합물을 응결 및 탈수하여 잉여수를 제거함으로써 물-시멘트비를 낮추어 강도가 우수하도록 하는 친환경 고화체의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 간척지 등의 개발시 자연을 훼손시키면서 육상에서 돌 등을 반입하지 않고, 간척지 등의 현지에서 점토, 뻘, 적토, 폐토사 등을 간단하게 고화처리함으로써, 자연 훼손을 방지함은 물론, 물류비를 절감할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 친환경 고화체의 제조방법은, 토사에 무기질첨가제와 물의 혼합액을 투입하여 슬러리화하는 단계와, 상기 슬러리화된 토사에 고화재와 고로슬래그를 혼합하는 단계와, 상기 혼합된 혼합물이 응결되도록 응결시간을 부여하는 단계와, 상기 응결된 혼합물을 탈수하는 단계와, 상기 탈수된 혼합물을 성형하여 고형물을 만드는 단계와, 상기 성형된 고형물을 양생하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 토사는 점토, 뻘, 적토 및 폐토사로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합재인 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따르면 별도의 소성과정없이 점토, 뻘, 적토, 폐토사 등을 고화할 수 있게 되어 이산화탄소에 의한 지구온난화 등의 환경오염을 방지하고, 간척지를 개발함에 있어 자연을 훼손시켜 돌을 채움하지 않고 현장에서 간단하게 점토, 뻘, 적토, 폐토사 등을 이용하여 고화시켜 인조석으로서 활용함으써 자연훼손을 방지하고, 물류비를 절감하게 되는 등의 유용한 효과를 제공한다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 친환경 고화체란 블록, 패널, 타일, 인조석, 칼라인조석 등을 모두 포함하는 것으로, 그 형태나 활용을 제한하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 친환경 고화체의 제조공정도로서, 토사, 무기질첨가제 및 물 혼합, 슬러리화(S1), 고화재 및 고로슬래그 혼합(S2), 응결시간 부여(S3), 탈수(S4), 성형, 고형물 제조(S5), 양생(S6)으로 이루어진다.

먼저 토사에 무기질첨가제의 희석액, 즉 무기질첨가제와 물의 혼합액을 투입하여 분쇄교반함으로써, 소수성(疎水性)의 토사로 슬러리화(S1) 한다. 이때 상기 토사란 점토, 뻘, 적토 및 폐토사로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합재를 사용하며, 바람직하게는 점토와 뻘의 혼합재 또는 적토와 폐토사가 1:1～1:1.5 중량비로 혼합되어 이루어진 것을 이용한다. 이때 상기 적토와 폐토사를 이용할 경우, 적토로 인해 칼라 인조석으로의 활용이 가능하게 된다.

이때 무기질첨가제를 단독으로 투입하지 않고 물과 혼합하여 혼합액으로서 투입하는 데, 그 이유는 흙입자 사이에 소량의 무기질첨가제가 고르게 침투되도록 하기 위함이다.

상기 무기질첨가제로는 알카리금속이나 토금속으로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직한 바, 더욱 바람직하게는 황산알루미늄 4～6중량%, 리그닌술폰산나트륨 4～6중량%, 리그닌술폰산마그네슘 7～9중량%, 트리포리인산나트륨 0.5～2중량%, 염화칼륨 18～23중량%, 염화칼슘 10～13중량%, 염화마그네슘 21～28중량%, 염화나트륨 27～35중량%, 탄산칼슘 0.01～0.06중량% 및 3% 농도의 암모니아수 0.3～0.6중량%를 포함하여 이루어지는 것을 사용한다.

상기 무기질첨가제는 상기 첨가제는 리그린술폰산나트륨과 리그닌술폰산마그네슘, 황산알루미늄 등의 금속이온이 흙입자에 강한 대전을 띤 흡착수에 용해된 후민산프로톤의 이온교환으로 인해 흡착수의 전하를 낮춤으로써, 흡착수를 밀어 내는 소수성을 띠며 토양의 단립화가 빠르게 진행되어 점성토의 사질화로 토질을 개량하는 것이다. 상기 무기질첨가제는 본 출원인이 선 발명한 등록특허 제10-0775360호에 충분히 공지되어 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다음으로, 상기 슬러리화된 토사에 고화재와 고로슬래그를 혼합(S2)하여 균일하게 되도록 한다.

상기 고화재로는 종래와 동일하게 일반포틀랜드 시멘트를 사용하며, 상기 고화재와 함께 잠재 수경성인 고로슬래그를 혼합하여 고화재의 사용량을 줄일 수 있도록 한다. 이때 상기 고로슬래그의 분말도는 6500㎠/g 이상인 것을 사용하는 것이 바람직한 바, 이는 고로슬래그의 분말도가 6500㎠/g 이상이어야만 균질한 혼합이 용이하고 강도발현 역시 우수하기 때문이나 이를 반드시 제한하는 것은 아니다.

고화재와 고로슬래그의 혼합(S2)이 완료되면, 상기 균일하게 혼합된 슬러리 상태의 혼합물이 응결되도록 응결시간을 부여(S3)한다. 이때 상기 응결시간은 10～110분 동안 부여하는 것이 바람직한 바, 이는 고화재인 일반포틀랜드 시멘트가 수화반응하며 응결되도록 하기 위한 시간이다. 상기 응결시간은 계절에 따라 달라지는 데, 상온에서는 약 30분 정도의 시간이면 시멘트가 수화반응하여 응결되지만 온도가 상승되면, 즉 하절기에는 수화반응이 촉진되어 응결시간이 단축되고, 온도가 하강되면, 즉 동절기에는 수화반응이 늦어짐으로 응결시간이 길어지게 되는 것이다. 따라서 고온인 하절기에는 10분의 응결시간을 부여하고 동절기에는 110분을 부여하게 되는 바, 응결시간이 10분 보다 짧을 경우 이온화물질의 용출이 많아지고 응결시간이 110분이 초과되면 후공정인 탈수공정시 경화단계에서 흩트러져 강도저하의 원인이 될 수 있기 때문이다.

응결시간이 경과(S3)하면, 상기 응결된 혼합물을 압송펌프을 이용하여 원심탈수기로 투입하여 탈수함으로써 잉여수를 제거(S4)한다. 상기 잉여수를 제거하는 이유는 잉여수가 제거됨에 따라 물-시멘트의 비를 낮춰 혼합물의 최종함수비를 15～25중량%로 맞출 수 있게 되어, 후공정인 성형공정 시 고형물 내에 빈공극이 형성되지 않도록 하기 위함이다. 이때 상기 최종함수비가 15중량% 미만이 되려면 탈수시간이 너무 길어져 경제적이지 못하고 25중량%를 초과하면 후 공정인 성형시 쉽게 토출되어 공극이 남게되어 강도저하의 원인이 될 수 있으므로, 최종함수비를 15～25중량%로 한다.

아울러 상기 탈수된 물, 즉 잉여수는 상기 슬러리화 단계(S1) 시 무기질첨가제와 혼합되는 물로서 재이용함으로써, 자원을 절약하고 폐수의 발생을 최소로 한다.

탈수가 완료(S4)되면, 상기 탈수된 혼합물을 성형하여 고형물을 제조(S5)한다.

이때 상기 성형방법으로는 압출기를 이용하여 압출성형하고 절단하는 바, 이는 탈수된 혼합물의 고화시 압출을 통해 체적을 최대한 줄임으로써, 고형물 내의 공극을 줄이기 위함이다.

그리고 상기 압출성형된 성형물의 종류는 제한하지 않으나, 블록, 패널, 인조석, 칼라인조석, 타일 등으로 성형될 수 있다.

아울러, 필요에 따라 상기 압출성형된 고형물을 원형 회전통에 투입하여 회 전(S5')시킬 수도 있는 바, 회전을 통해 고형물의 각진 모서리를 제거하여 둥글게 처리하기 위함이다.

상기와 같이 성형이 완료(S5)되면, 상기 성형된 고형물을 양생(S6)한다. 상기 양생공정은 통상의 시멘트 양생과 동일한 형태로 한다.

상기 양생(S6)이 완료되면, 본 발명에 따라 제조된 고화체를 건설 및 건축용 자재로서 사용할 수 있게 되는 것으로, 그 사용처를 제한하지 않는다.

한편, 본 발명에서는 토사, 물, 무기질첨가제, 고화재 및 고로슬래그가 혼합되는 바, 그 혼합비는 혼합물 100중량%를 기준으로, 토사 45.49?60.38중량%, 물 34.16?36.25중량% 및 무기질첨가제 0.06?0.36중량%를 슬러리화하고, 이에 고화재 3.01?18.19중량%, 고로슬래그 0.3?1.8중량%가 혼합되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 혼합비를 제한하는 이유는 상기 물의 혼합비가 34.1중량% 미만이면 토사의 균질한 혼합이 어려워지고 36.25중량%를 초과하면 필요이상으로 과량이 되어 후공정인 응결 및 탈수가 길어어지게 되어 경제적이지 못하며, 상기 무기질첨가제의 혼합비가 0.06중량% 미만이 되면 소량이 되어 토질의 개선효과가 미미하게 되고 0.36중량%를 초과하더라도 추가적인 토질개선효과가 없기 때문이다.

또한 상기 고화재가 3.01중량% 미만이되면 사용량이 상대적으로 너무 적어 강도발현이 좋지 못하고 18.19중량%를 초과하면 시멘트의 강한 알칼리성으로 인해 토양의 염기성화가 촉진되어 환경친화성의 취지에 벗어나며 시멘트의 백화현상이 일어날 수 있기 때문이고, 상기 고로슬래그의 혼합비가 0.3중량% 미만이면 그 효과가 미미하게 되고 1.8중량%를 초과하면 후기양생으로 인한 크랙이 발생할수 있기 때문이다.

즉, 본 발명에 따른 고화체의 조성물은, 토사 45.49～60.38중량%, 물 34.16～36.25중량% 및 무기질첨가제 0.06～0.36중량%를 슬러리화하고, 이에 고화재 3.01～18.19중량%, 고로슬래그 0.3～1.8중량%를 혼합하여 이루어지는 것이다.

이하 실시예를 통해 겉모양의 균열여부 및 압축강도에 대해 실험하였다.

(실시예1)

점토 25kg, 뻘 25kg에 물 35kg과 무기질첨가제 0.3kg을 혼합한 혼합액을 투입하여 슬러리화 한 후, 이에 고화재 15kg, 고로슬래그 1.5kg을 혼합한 후, 30분간 응결하고 탈수하여 최종 함수비가 20중량%가 되도록 잉여수를 제거한 후, 이를 사출성형하고 절단하였으며, 이를 상온에서 7일간 양생하여 시험공시체를 제조하였다.

이때 상기 고화재로는 일반포틀랜드 시멘트를 사용하였고 고로슬래그의 분말도는 6500㎠/g의 것을 사용하였으며, 무기질첨가제로는 황산알루미늄 5중량%, 리그닌술폰산나트륨 5중량%, 리그닌술폰산마그네슘 8중량%, 트리포리인산나트륨 1중량%, 염화칼륨 20중량%, 염화칼슘 10중량%, 염화마그네슘 23.45중량%, 염화나트륨 27중량%, 탄산칼슘 0.05중량% 및 3% 농도의 암모니아수 0.5중량%로 되는 것을 사용하 였다.

(실시예2)

실시예1과 동일하게 제조하되, 점토 25kg, 뻘 25kg을 대신하여 적토 25kg과 폐토사 25kg을 사용하였다.

(비교예1, 2)

각각 실시예1, 2와 동일하게 제조하되, 탈수공정을 생략하고 압출성형이 아닌 몰드에 부어 성형하는 방법으로 기준공시체를 제조하였다.

상기 실시예1, 2 및 비교예1, 2의 겉모양, 압축강도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

실시예 및 비교예의 시험결과

시험항목	구분	항목	결과치
습윤상태 후 공시체의 겉모양 및 압축강도	실시예1	겉모양	균열없음
		압축강도(N/㎟, 7일)	77	78	112
	실시예2	겉모양	균열없음
		압축강도(N/㎟, 7일)	75	77	109
	비교예1	겉모양	균열없음
		압축강도(N/㎟, 7일)	21	25	20
	비교예2	겉모양	균열없음
		압축강도(N/㎟, 7일)	22	24	19

상기 표 1의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예들이 비교예들에 비하여 평균 300% 이상의 놀라운 강도 발현을 나타냄을 확인할 수 있었다.

이상의 설명은 본 특허의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 특허가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 특허의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

또한, 본 특허에 개시된 실시예들은 본 특허의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 특허의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 친환경 고화체의 제조 공정도.

Claims

친환경 고화체의 제조방법에 있어서,

토사에 무기질첨가제와 물의 혼합액을 투입하여 슬러리화하는 단계와,

상기 슬러리화된 토사에 고화재와 고로슬래그를 혼합하는 단계와,

상기 혼합된 혼합물이 응결되도록 응결시간을 부여하는 단계와,

상기 응결된 혼합물을 탈수하는 단계와,

상기 탈수된 혼합물을 성형하여 고형물을 만드는 단계와,

상기 성형된 고형물을 양생하는 단계를 포함하여 이루어지되,

상기 토사는 점토, 뻘, 적토 및 폐토사로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합재인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항에 있어서,

토사에 무기질첨가제와 물의 혼합액을 투입하여 슬러리화하는 단계와,

상기 슬러리화된 토사에 고화재와 고로슬래그를 혼합하는 단계 시,

그 혼합비는 상기 혼합물 100중량%를 기준으로,

상기토사 45.49～60.38중량%, 물 34.16～36.25중량% 및 무기질첨가제 0.06～0.36중량%를 슬러리화하고, 이에 고화재 3.01～18.19중량%, 고로슬래그 0.3～1.8중량%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 토사는 점토와 뻘로 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 토사는 적토와 폐토사가 1:1～1:1.5 중량비로 혼합되어 이루어 지는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고화재는 일반포틀랜드 시멘트인 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고로슬래그의 분말도는 6500㎠/g 이상인 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 무기질첨가제는 알카리금속이나 토금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 응결시간은 10～110분인 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 응결된 혼합물을 탈수하는 단계와 시, 상기 탈수된 혼합물의 최종 함수비는 15～25중량%이며, 상기 탈수된 물은 상기 슬러리화 단계 시 투입되는 물로 재이용되는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탈수된 혼합물을 성형하여 고형물을 만드는 단계 시,

상기 탈수된 혼합물의 공극을 줄이기 위하여 압출기로 압출성형하여 절단하는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 10항에 있어서,

상기 압출성형된 고형물을 원형 회전통에 투입하여 회전시킴으로써, 모서리를 둥글게 처리하는 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 고화체는 블록, 인조석 또는 칼라인조석 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 친환경 고화체의 제조방법.
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