KR101216411B1

KR101216411B1 - 염색폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법

Info

Publication number: KR101216411B1
Application number: KR1020120066311A
Authority: KR
Inventors: 김종호; 이장목; 오동석; 정용욱; 최병욱
Original assignee: (주) 빛과환경
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2012-12-28

Abstract

본 발명은 염색공단에서 발생하는 폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법에 관한 것으로 염색폐수를 처리하는 공정에서 응집제로 투입되는 황산제2철(Fe₂(SO₄)₃) 및 사염화티탄(TiCl₄)을 함유한 침전슬러지에 점토광물질과 탄산나트륨(Na₂CO₃), 생석회(CaO)를 첨가혼합하여 수분을 조절하므로서 가소화된 혼합물(반죽)을 성형하여 구상형의 성형체를 얻고 이를 100~200℃에서 2~24시간 건조시켜 함수율 1~10%로 유지시킨 상태에서 온도 800~1150℃범위에서 1~3시간 소결시키므로서 기능성 및 기계적인 강도를 갖는 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

염색폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법{The method of preparing lightweight-aggregate for concrete products using sludge of dyeing-waste water}

본 발명은 염색공단에서 발생하는 폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법에 관한 것으로 구체적으로는 염색폐수를 처리하는 공정에서 응집제로 투입되는 황산제2철(Fe₂(SO₄)₃) 및 사염화티탄(TiCl₄)을 함유한 침전슬러지에 점토광물질과 탄산나트륨(Na₂CO₃), 생석회(CaO)를 첨가혼합하여 수분을 조절하므로서 가소화된 혼합물(반죽)을 성형하여 구상형의 성형체를 얻고 이를 100~200℃에서 2~24시간 건조시켜 함수율 1~10%로 유지시킨 상태에서 온도 800~1150℃범위에서 1~3시간 소결시키므로서 기능성 및 기계적인 강도를 갖는 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 염색폐수슬러지를 재활용하므로서 경량골재로의 이용은 여러가지 측면에서 큰 의미를 갖는다고 할 수 있다.

그 이유는 각종 산업폐수 중에서도 심각한 공해요인을 발생시키는 염색폐수슬러지를 소성화하므로서 염색폐수에서 발생하는 유기성 공해물질을 쉽게 분해시키므로서 공해요인을 제거할 수 있고 염료폐수처리의 응집제로 사용된 사염화티탄이 염료폐수슬러지와 함께 소성처리에 의하여 경량골재화하므로서 사염화티탄이 소성과정에서 산화티탄으로 산화되므로서 대기 및 수질정화기능을 기대할 수 있는 경량골재를 제조할 수 있다는 사실에 큰 의미를 두고 있다.

국내에서 발생하는 하수슬러지는 2008년 기준으로 일일 약3,500톤에 해당하는 막대한 량이 발생하지만 이에 대한 처리방법은 주로 해양투기, 매립소각에 의존하고 있고 극히 작은 일부분을 재활용하고 있는 실정이다.

2008년 해양투기의 경우는 국내에서 발생되는 슬러지의 반이상의 량에 해당하고 폐기처리시 운반비로 평균 사만원을 호가하고 있으며 해양폐기처분으로 인한 해양의 오염으로 해양식물의 사멸과 어폐류의 감소 등 공해문제가 심각함을 인식케되고 세계추세 또한 해양오염을 우려하는 국제협약(1972년 런던협약, 1996년 교토의 정서)에 의해 2008년부터 배출기준이 강화되고, 2012년 이후에는 해양투기를 전면적으로 금지하게되는 상황이고 또한 매립의 경우에는 좁은 국토에서 매립부지가 부족하며 매립시 침출수가 발생하여 수질을 오염시키는 2차 공해를 유발시킨다.

그밖에 하수슬러지의 재활용분야에서는 연료로서의 재활용분야가 큰 비중을 차지하고 나머지가 퇴비화한 부생토, 토양개량, 매탄화 등으로 이용되고 있으나 재활용분야는 슬러지 총발생량의 15%를 상회하지 못하고 있는 실정이여서 하수슬러지의 재활용에 관한 연구와 개발이 더욱 절실히 요구되고 있는 시점이다. 더욱이 염색폐슬러지를 포함한 산업폐수슬러지는 하수슬러지보다 유기오염물질 부하량이 높아 물리, 화학, 생물학적처리로 복잡한 처리공정을 거쳐야 하고 처리비용이 높아지는 반면에 재활용율은 일반 하수슬러지에도 미치지 못하므로 심각한 문제점으로 대두되고 있는 실정이다.

본원 발명에서 이용되는 염색폐수슬러지 또한 산업폐수슬러지로서 대구염색공단에서 발생하는 슬러지를 재활용하여 경량골재를 개발함에 목적이 있다.

이와 같은 염색폐수슬러지의 국내 현황을 알아보면,

대구염색공단에는 2012년 5월 현재 120여개의 염색업체가 입주해 있으며 염색가공업종으로는 폴리에스테르 가공업종이 31%, 나이론 가공업종이 20%로 약50%를 차지하며 기타 나염, 사염, 교직물, 면, T/C가공업종 등이 입주해 있으며 2008년 대구염색공단에서 월간 처리한 염색폐수는 1,432천톤/월~1,866천톤/월으로 계절에 따라 다소 변동이 있을 수 있으며 이에 따른 슬러지발생량 또한 7,123톤/월~10,446톤/월 범위의 수준으로 발생한다.

대구염색공단은 대구지역 총 산업폐기물 발생량의 17%, 슬러지발생량의 61%를 차지하는 슬러지 최대발생산업단지로 염색슬러지 발생량은 일 354톤으로 국내 3대 염색공단의 슬러지 발생량 일 564톤의 약63%이상을 차지하고 있다.

이상이 염색폐수슬러지를 재활용하여 콘크리트제품용 경량골재를 제조하기 위해 염색폐수슬러지의 성분 및 처리방법 등에 관한 1차 조사를 완료하였다.

앞에서는 일반 하수슬러지의 재활용분야에 관하여 언급한바 있으며 산업폐수슬러지 재활용분야에 대한 종래기술도 알아보기로 한다.

종래기술의 하나의 예로서 국내등록특허공보(등록번호 제392933호)에 "경량골재용 조성물"에 관한 기술내용이 소개되고 있으며 기술내용인즉 석탄회, 전기아크용광로, 제철슬래그, 하수오니소각재, 석분, 제지슬러지소각재 및 알루미늄드로스로 이루어진 폐기물군에서 선택된 적어도 2가지 이상의 폐기물을 각 화학조성에 따라 조합한후 폐기물을 점토에 첨가하여 혼합체를 형성하고 이 혼합체를 필터프레싱하여 필터케이크를 형성하여 숙성시키고 숙성된 필터케이크를 1차 및 2차성형을 거쳐 건조시킨후 소결하여 소결체를 형성하며 이 소결체를 냉각시켜 경량골재용 조성물을 완성하는 기술내용이라 할 수 있다.

상기 종래 발명 역시 산업폐기물을 이용하여 점토와 함께 결량골재용조성물을 얻는다는 점에서 본원 출원발명과 같은 분야의 기술이라 할 수 있으나 종래기술은 각종 산업폐기물의 고형물과 건조된 슬러지의 고형물 점토와 혼합하여 경량골재용 조성물을 얻고 본원 출원에서는 황산제2철과 사염화티탄을 함유한 염색폐수슬러지를 사용한다는 점에서 큰 차이가 있고 폐수처리과정에서 발생하는 침전폐기물로 최초침전시 함수율 96%이상의 슬러지를 기계적 탈수법을 사용하며 극히 용이하게 함수율 80%까지로 낮춘 염색슬러지의 상태에서 필요한 함수율로 낮추어 점토 또는 황토 등 첨가물을 첨가 적량의 함수율로 조절하므로서 함수율을 줄일수 있고 또한 황산철 및 염화티탄 등의 성분에 의하여 경량골재로서 요구되는 강도보상과 대기 및 수질정화기능을 기대할 수 있다는 점에서 큰 차이가 있다.

다른 종래기술로서 국내등록특허공보(등록번호 제1066193호)에는 "유기성슬러지를 이용한 제조된 탄화결량골재"에 관한 것으로 기술구성으로는 유기성슬러지 51~90중량% 점토 10~49중량%로 혼합된 혼합물 100중량부에 대하여 석회석, 산화철, 고로슬래그에서 선택된 1종 이상의 첨가제 5~10중량부와 물을 혼합하여 습윤상태의 성형체를 제조하고 이 성형체를 100~300℃에서 건조한다음 건조된 성형체를 환원분위기에서 700~1100℃에서 소성하여 제조한 탄화경량골재에 관한것으로 점토조성비율에 비해 유기성슬러지 조성비율이 지나치게 많은 상태로 조성된 상태에서 환원성분위기로 소성하므로서 다량의 유기성물질에 의한 많은 탄화물이 경량골재내에 포함되므로서 경량성, 흡수성, 흡착성은 확보할 수 있으나 경량골재로서 요구되는 강도의 취약성을 피할 수 없다.

또 다른 종래기술로 국내등록특허공보(등록번호 제769954호)에는 "유.무기성 폐기물을 복합적으로 이용한 경량골재"에 관한 것으로 유기성슬러지, 점결제 및 폐유, 폐절삭유, 폐페인트 중 1종 이상과 유리연마슬러지를 포함하여 이루어진 물성증진제를 혼합하고 물을 첨가 페이스트화하여 건조처리한후 내부에 발포가 발생하고 외주면에 용융피막이 형성될때까지 소결처리한 경량골재의 제조방법이라 할 수있으나, 폐유, 폐절삭유, 폐페인트의 사용은 중금속으로 오염될 염려가 있어 친환경적이라 할 수 없으며 용융피막으로 흡수성, 보수성 등이 감소될 수 있다.

그밖에 종래기술로 등록특허공보(등록번호 제945324호)에는 "슬러지를 이용한 경량골재 제조방법"이 소개되고, 국내등록특허공보(등록번호 제591060호)에는 "경량골재 조성물 및 이를 이용한 경량골재의 제조방법"이 소개되고 있다.

전자는 탈수된 하수슬러지 또는 정수슬러지에 점토 및 스티로폼으로된 원료를 혼합성형 건조한후 소성해서되는 경량골재 제조방법이고, 후자는 유기성슬러지에 점결제 및 보조점결제로 조성된 경량골재조성물을 함수율 30~40%인 페이스트를 얻고 페이스트로 성형체를 성형하여 건조한후 고온소결하므로서 발포소성한 경량골재 제조방법으로 이밖에도 산업폐기물이나 폐수슬러지에 점결제 및 첨가제를 첨가한 경량골재조성물에 가수하여 가소화(페이스트화)하여 성형, 건조, 소결공정을 거치는 다수의 경량골재 제조방법들이 소개되고 있으나 본원발명과는 원료, 제조방법, 기대할 수 있는 효과에서 차이가 크다 하겠다.

본 발명은 황산제2철 및 사염화티탄의 응집제를 함유하고 있는 염색폐수슬러지를 이용하여 콘크리트제품용 경량골재를 제조하므로서 고온소성과정에서 유기오염물질의 부하량이 높은 염색폐수슬러지의 유기성오염물질을 완전 연소하거나 분해하므로서 공해요인을 제거하고 철분이 함유되므로서 경량골재의 취약점인 압축강도를 향상시킬 수 있고 사염화티탄이 분해되면서 산화티탄으로 함유되므로서 미려한 색상과 대기 및 수질정화기능을 기대할 수 있는 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법이라 할 수 있다.

염색침전슬러지에 점토 또는 황토의 광물질과 탄산나트륨, 석회를 첨가혼합한 혼합물에 물을 첨가 가소화시킨 상태에서 1차압출하여 드럼 또는 디스크성형방식으로 구상형태의 성형체를 얻고 성형체를 1단계 건조단계에서 100~200℃에서 2~24시간 건조시켜 함수율 1~10%의 구상성형체의 균열, 파열, 융착현상을 방지하기 위하여 온도 800~1150℃범위에서 일정하게 온도를 상승시켜 3시간 소결시켜 기능성 및 높은 기계적 강도를 갖는 콘크리트용 경량골재의 제조방법을 제공하므로서 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명에 의한 경량골재의 제조방법은 철염, 티탄염의 응집제를 함유한 염색폐수슬러지를 이용하므로서 염료, 조제 등의 화학물질함량이 많은 유기오염물질이 고온소성과정에서 완전연소되거나 분해하므로서 방류에 따른 공해요인을 제거할 수 있으며 많은량의 철분이 함유되므로서 경량골재의 취약점인 압축강도를 향상시킬 수 있고 사염화티탄이 소성과정에서 분해되어 산화티탄으로 함유되므로서 미려한 색상과 대기 및 수질정화기능을 기대할 수 있는 경량골재의 제조방법이라 할 수 있다.

도 1은 표6의 시작품 입도시험결과에 따른 입도곡선.

본 발명은 염색폐수슬러지를 이용한 콘크리트 경량골재의 제조방법으로 구체적으로 설명하면, 점토 48~80중량부, 철염 및 티탄염의 응집제가 함유된 염색폐슬러지 18~50중량부, 생석회 0.1~10중량부, 탄산나트륨 0.1~10중량부로 구성된 혼합물 100중량부에 대하여 20~30중량부의 물을 가수하여 가소화(반죽)하는 단계,

가소화된 혼합물을 1차 압출하여 드럼 또는 디스크성형방식으로 구상형태의 성형체를 얻는 단계,

구상형 성형체를 온도 100~200℃에서 2~24시간 건조시켜 함수율 1~10중량% 범위로 건조시키는 단계,

건조된 성형체를 온도 800~1150℃ 범위구간에서 3℃/분의 속도로 승온시켜 3시간 소결시키므로서 수질정화기능성 및 높은 기계적 강도를 갖는 경량골재를 제조하는 단계를 포함하는 염색폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법에 관한 것이라 하겠다.

상기 콘크리트제품용 경량골재 제조방법에 사용된 염색폐슬러지에 함유된 황산제2철(Fe₂(SO₄)₃) 및 사염화티탄(TiCl₄)의 화학조성을 알아보면 표(1) 및 표(2)와 같다.

염색폐슬러지(Fe염 슬러지)의 화학조성.

구분	화학조성(wt,%)
구분	Al₂O₃	SiO₂	P₂O₅	SO₃	Cl	K	CaO	TiO₂	V₂O₅
Fe염 슬러지	0.975	2.853	2.836	14.180	0.689	?	1.429	4.297	0.232
	Cr	MnO	Fe₂O₃	Cu	ZnO	Br	Y	Cb
	?	0.573	71.455	?	0.323	0.159	?	?

Fe염 슬러지의 주요 성분의 구성함량은 Fe₂O₃ 71.5%, SO₃ 14.2%, TiO₂ 4.3%,SiO₂2.9%,P₂O₅ 2.8%의 순으로 나타났으며, Fe₂O₃와 SO₃ 가 85% 이상으로 대부분을 차지하고 있는 것으로 분석되었다.

이와 같은 철의 함량은 본 발명에서와 같이 유기성슬러지를 다량으로 함유한 소성체는 유기물의 분해로 소성체가 다공성이되므로 다공성경량골재의 가장 취약점인 압축강도를 보강하게 된다.

염색폐슬러지(티탄염슬러지)의 화학조성.

구분	화학조성(wt,%)
구분	Al₂O₃	SiO₂	P₂O₅	SO₃	Cl	K2O	CaO	TiO₂
Ti염 슬러지	0.699	2.948	0.807	15.727	0.842	0.130	0.119	76.169
	V₂O₅	Fe₂O₃	Br	Sb	BaO
	0.027	2.049	?	?	0.483

Ti염 슬러지의 주요성분 구성 함량은 TiO₂ 76.2%, SO₃ 15.7%, SiO₂ 2.95%, Fe₂O₃ 2.1%의 순으로 나타났으며, TiO₂와SO₃가 91% 이상을 차지하는 것으로 분석되었다.

이와 같은 산화티탄의 함량은 본 발명 경량골재를 사용하여 얻어진 콘크리트제품은 산화티탄의 강력한 유기물의 분해로 대기 및 수질오염의 정화기능을 기대할 수 있으며 산화티탄의 미려한 색상을 현출시킬 수 있다.

또한 본 발명 경량골재를 구성하는 조성물에 있어서 점토, 탄산나트륨, 생석회는 환경적 차원에서 문제가 없으나 철염슬러지나 티탄염슬러지에는 염료와 조제 등 화학물질의 사용이 많아 유기오염물질 부하량이 높으므로 철염슬러지 및 티탄염슬러지의 중금속 용출특성을 실험한 결과 표(3) 및 표(4)와 같은 시험결과를 얻었다.

염색폐슬러지(Fe염 슬러지)의 중금속 용출특성.

구분	결과 값(mg/L, 폐기물공정시험기준)
구분	Pb	Cu	As	Hg	Cd	Cr⁶⁺	CN	유기인
Fe염 슬러지	불검출	0.222	불검출	0.0010	불검출	불검출	불검출	불검출
	PCE	TCE	기름성분
	불검출	불검출	0.538

표 3과 같이 슬러지에 함유된 중금속 용출 특성 분석결과 Fe염 슬러지의 경우 폐기물 관리법에서 규정하고 있는 지정폐기물에 함유된 유해물질 기준(표 11)에 만족하는 것으로 나타났고, 일부 항목 구리, 수은, 기름성분이 검출은 됐으나, 폐기물 관리법상 기준치인 구리 3미만, 수은 0.005미만, 기름성분 5미만으로 만족한 결과를 나타내었다.

염색폐슬러지(Ti염 슬러지)의 중금속 용출특성.

구분	결과 값(mg/L, 폐기물공정시험기준)
구분	Pb	Cu	As	Hg	Cd	Cr⁶⁺	CN	유기인
Ti염 슬러지	불검출	0.333	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
	PCE	TCE	기름성분
	불검출	불검출	0.804

표 4와 같이 슬러지에 함유된 중금속 용출 특성 분석결과 Ti염 슬러지의 경우 폐기물 관리법에서 규정하고 있는 지정폐기물에 함유된 유해물질 기준(표 11)에 만족하는 것으로 나타났고, 일부 항목 구리, 기름성분이 검출은 됐으나, 폐기물 관리법상 기준치인 구리 3미만, 기름성분 5미만으로 만족하는 결과를 나타내었다.

또한 점토물질의 화학성분 분석결과를 표 5로 나타내었다.

점토의 화학조성.

구분	화학조성(wt,%)
구분	Al₂O₃	SiO₂	Na	Mg	P	K2O	CaO	TiO₂
Ti염 슬러지	15.075	71.436	?	?	?	2.526	0.981	0.793
	Mn	Fe₂O₃	Rb	Sr	Zr
	?	4.659	?	?	?

점토의 주요성분 구성함량은 SiO₂ 71.4%, Al₂O₃ 15.1%, Fe₂O₃ 4.7%, K₂O 2.5%의 순서로 나타났으며 이중 SiO₂가 71% 이상을 차지하고 있는 것으로 분석되어 인공경량골제 제조시 부원료로 사용가능함을 알 수 있으며 점토는 수분의 존재로 점성을 갖게되어 조성물의 결합력을 갖게하며 가소화되는 특정이 있어 성형체의 성형성을 좋게하므로서 구상의 성형체 성형을 가능하게하며 소성후 경량골재의 강도를 갖게하는 재료라 할 수 있다.

또한 점토의 주요구성 성분중 SiO₂는 산에는 녹지 않지만 알카리용융 또는 탄산염용해 등에 의하여 가용성인 규산염이 되고 진한 알카리수용액에서도 서서히 녹는 성질을 갖이고 있다. 슬러지와 점토의 구성성분중 알카리토 금속인 CaO, MgO, 알카리 금속인 Na₂O와 K₂O 등 이들 산화물은 융제로 작용하여 소결성을 향상시킬 수 있지만 그 함유량이 낮아 효과가 미미하다. 따라서 경량골재조성물로 첨가되는 탄산나트륨이나 생석회 등은 융제역활을 하는 첨가제를 추가하므로서 SiO₂의 융점을 더 낮추어 일반적인 온도보다 낮은 온도에서 소결소성시킬 수 있으며 생석회는 응집제로서 탄산칼슘과 수산화마그네슘으로 이루어진 침전물이나 무거운 플록(floc)을 생성할 수 있으므로 응집제로 사용되는 물질이다.

또한 탄산나트륨은 응집보조제로서 플록(floc)을 빠르게 형성하고 엉키게하여 빨리 침전할 수 있는 플록을 만들며 최적의 응집상태를 유지하는데 사용된다.

또한 본 발명 경량골재조성물을 혼합하는 단계에서 철염 및 티탄응집제가 함유된 건조염색폐슬러지 18~50중량부를 사용하게되어 있다.

그러나 실제 염색폐슬러지를 건조하는 공정은 고함수율(96%이상)의 슬러지를 80~85%정도 까지는 기계적인 방법으로 쉽게 낮출 수 있으나 함수율이 낮아질수록 에너지의 소모량이 많아지고 건조속도가 느려지므로 슬러지의 재활용에 있어 가장문제가 되고 있는 공정이라 할 수 있으며 또한 건조된 염색폐슬러지를 물에 첨가 팽윤연화시키고 가소화하는데 까지는 많은 시간이 소요되므로 비능률적이라 할 수 있다 하므로서 높은 함수율을 갖는 염색폐슬러지를 80~85%까지 쉽게 기계적인방법으로 슬러지의 함수율을 낮춘상태에서 조성물의 조성비, 슬러지 고형분으로서 조성비를 계산해서 가소화를 위해서 첨가되는 물을 슬러지 함수로 계산해 슬러지의 함수율을 조정해서 조성물과 혼합시키므로서 건조처리에 소요되는 경비와 시간을 줄일 수 있는 방법이다.

그밖에도 생석회와 탄산나트륨은 경우에 따라 조성물로 사용될 고농도(96%이상)의 계산된 염색폐슬러지에 미리 첨가시키므로서 물과 슬러지의 기계적인 분리(필터프레스, 원심여과분리)를 극히 용이하게 효율적으로 함수율을 낮출 수 있다.

또한 본 발명에서는 응집제인 황산제1철, 염화제2철을 응집제로 사용한 염색폐수슬러지도 사용할 수 있다.

또한 소결과정에서 온도를 일정속도로 서서히 승온시키므로서 구상성형체의 균열, 파열 성형체간의 융착현상을 방지할 수 있다.

상기 본 발명에 의한 경량골재의 제조방법으로 제조된 경량골재는 황산염 및 티탄염의 응집제를 함유하고 있는 염색폐수슬러지를 이용 경량골재를 제조하므로서 염색슬러지에는 염료, 조제 등 화학물질의 함량이 많은 유기오염물질을 고온소성과정에서 완전 연소하거나 분해하므로서 방류에 따른 공해요인을 제거할 수 있고 많은량의 철분이 함유되므로서 경량골재의 취약점인 압축강도를 높힐 수 있으며 소성과정에서 사염화티탄이 분해되면서 산화티탄으로 경량골재에 함유되므로서 미려한 색상, 대기 및 수질정화기능을 기대할 수 있는 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법이라 할 수 있으며, 이 방법에 따라 제조된 경량골재는 결합력이 우수하고 탁월한 흡착성, 경량성과 기계적 강도를 구비하고 있으므로 보차도용블록, 호안블록, 식생호안블록, 콘크리트방음벽, 경량방음판 등 콘크리트 2차 제품에 (비)구조용 경량골재와 인조잔디충진제인 공포흡착성골재로서 이용될 수 있고 향후 대기 및 수질정화기능을 기대할 수 있는 콘크리트제품용 경량골재라 할 수 있다.

상기 본 발명 콘크리트용 경량골재의 물성을 알아보기 위하여 본 발명 범위내에서 점토와 슬러지혼합비를 1:1, 2:1, 4:1로 하여 각각 실시예(1), 실시예(2), 실시예(3)으로 하여 시작품을 제조하였다.

점토 48중량부, 염색폐슬러지 48중량부, 소석회 및 탄산나트륨 각각 2중량부로된 경량골재조성물 100중량부에 대하여 물 25중량부를 첨가하여 온도 100~200℃범위에서 24시간 건조하고 1단계로 500℃에서 1시간, 2단계로 1000℃에서 3시간 소성하여 본 발명 경량골재(굵은골재, 잔골재)를 제조하였다.

점토 60중량부, 염색폐슬러지 30중량부, 소석회 및 탄산나트륨 각각 5중량부로된 경량골재조성물 100중량부에 대하여 물 25중량부를 첨가하여 온도 100~200℃범위에서 24시간 건조하고 1단계로 500℃에서 1시간, 2단계로 1000℃에서 3시간 소성하여 본 발명 경량골재(잔골재, 굵은골재)를 제조하였다.

점토 72중량부, 염색폐슬러지 18중량부, 생석회 및 탄산나트륨 각각 5중량부로된 혼합물 100중량부에 대해여 물 25중량부를 첨가하여 온도 100~200℃범위에서 24시간 건조하고 1단계로 500℃에서 1시간, 2단계로 1000℃에서 3시간 소성하여 본 발명 경량골재(잔골재, 굵은골재)를 제조하였다.

상기 실시예(1),(2),(3)에 대한 시작품의 성능평가를 실시하였다.

(가) 입도 및 조립률.

① 입도.

데로된 상기 인공경량골재에 대한 입도 분포를 확인하기 위해 KS F 2502에 따라 입도시험을 한 결과 표(6)과 같은 입도시험결과를 얻었으며, 표(6)의 시험결과에 따른 입도곡선을 도 1로 나타내었다.

시작품 입도시험 결과.

구분 (혼합비율)	체의 호칭치수(mm)
	각 체를 통화하는 질량 백분율 %
	25	20	13	10	5	2.5	1.2	0.6	0.3	0.15
1:1	-	-	-	100	60	1	0	0	0	0
2:1	-	-	-	100	72	1	0	0	0	0
4:1	-	-	-	100	64	1	0	0	0	0

골재입도 곡선이란 골재의 체가름 시험결과를 곡선으로 나타낸 것으로 종축은 체를 통과하는 시료의 통과량 혹은 잔류량의 중량 백분율, 횡축은 체눈의 크기를 표시한 것으로, 골재의 입도곡선으로 점선의 부분을 표준입도곡선이라 하고 잔골재나 굵은골재가 표준입도 곡선내에 들어가야 하며 이것은 골재의 크고 작은 알맹이가 이상적으로 섞이는 것을 의미한다.

이러한 이유로, 향후 인공경량골재의 강도, 흡수율, 비중과 함께 경제적인 경량콘크리트를 제조하기 위하여 제조공정 또는 제조후 체가름들을 통하여 인공경량골재 입도분포를 조정하는 것도 중요한 인자 중의 하나이다.

인공경량골재 입도 시험 결과로부터, 인공경량골재의 입도범위는 잔골재와 굵은골재의 표준입도 사이에 존재하여 100% 만족시키지 못하였으나, 향후 생산공정상에서 성형 또는 소성 공정에서의 입도 제어가 충분히 가능한 것으로 판단된다.

② 조립률.

조립률은 KS F 2526 규격에 따라 시험결과를 표7과 같다.

인공경량골재 조립률 시험결과.

구분 (혼합 비율)	결과	기준 값
1:1	5.39	잔골재 : 2.3~3.1 굵은골재 :6 ~ 8
2:1	5.26
4:1	5.35

표 7에서와 같이 배합비율에 따른 인공경량골재의 조립률은 5.3~5.4로 잔골재와 굵은골재의 기준치의 중간범위 내에 존재하고 있으며, 향후 경제적인 콘크리트를 제조하기 위하여 표준입도 관리가 필요할 것이다.

(나) 밀도 및 흡수율.

① 밀도

경량골재는 특유의 다공성 내부구조로 인해 일반 천연골재에 비해 비중이 낮다.

경량골재의 습윤 상태는 4가지의 상태로 나누어진다. 즉 절건 상태, 기건 상태, 표면 건조 상태, 습윤 상태로 나타내지며, 경량골재의 밀도도 이 상태에 따라 절건 밀도, 기건 밀도, 표건밀도로 분류한다.

(1) 절대건조상태 (absolute dry condition)

110℃ 정도의 온도에서 24시간 이상 골재를 건조시킨 상태(절건상태)

(2) 기건상태 (room dry condition)

실내에 방치한 경우 골재입자의 표면과 내부의 일부가 건조한 상태

(3) 표면건조 상태(saturated surface dry condition)

골재입자의 표면에 물은 없으나, 내부의 공극에는 물이 꽉 차 있는 상태

(4) 습윤상태(wet condition)

골재입자의 내부에 물이 채워져 있고, 표면에도 물이 부착되어 있는 상태 표건 밀도는 콘크리트의 배합설계 등에 사용되는 중요한 값이며, 일반적으로 골재의 비중은 이 골재의 표건비중을 말한다. 그러나 인공경량골재의 표건비중은 다공성, 경량성이라는 특성으로 인하여 흡수시간에 의하여 변화하고, 또 흡수속도가 골재의 종류에 의하여 상당히 변화가 크므로 인공경량골재를 콘크리트용 골재로 적용하기 위하여는 표건밀도를 관리하는 것이 매우 중요한 항목이다. 또한 인공경량골재의 밀도는 경량콘크리트를 제조하는 데에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 인자이다.

콘크리트표준시방서에서는 경량골재를 팽창성혈암, 팽창성점토, 플라이애쉬 등을 주원료로 하여 인공적으로 소성하여 만든 구조용 인공경량골재로써, 골재알의내부는 다공질이고 표면은 유리질의 피막으로 덮인 구조로 잔골재는 절건비중이 1.8 미만, 굵은골재는 절건비중이 1.5 미만인 것으로 정의하고 있다.

인공경량골재 표건.절건밀도 시험결과.

구분 (혼합 비율)	결과 (g/㎠)		기준 값(절건밀도) (콘크리트 표준시방서)
구분 (혼합 비율)	표건밀도	절건밀도	기준 값(절건밀도) (콘크리트 표준시방서)
1:1	1.69	1.21	잔골재 : 1.8미만 굵은골재 : 1.5미만
2:1	1.79	1.39
4:1	1.88	1.52

표8에 나타낸 결과와 같이, 제조된 인공경량골재의 혼합비율에 따른 표건밀도 결과 값은 1.69~1.88 g/cm3, 절건밀도 결과 값은 1.21~1.52 g/cm3의 값을 나타내고 있으며, 잔골재의 기준에는 모두 만족하고, 굵은골재의 기준에는 4:1 혼합비의 경우 약간 높고 그 외 혼합비는 만족하며 혼합비율의 조절로 조정이 가능할 것으로 사료되며, 전반적으로 시방서 규정을 만족하는 값으로써, 인공경량골재 및 경량콘크리트 제조에 있어서 필수적인 경량화를 달성한 것으로 평가된다.

② 흡수율

경량골재의 흡수율이 보통골재에 비하여 일반적으로 큰 것은 골재속에 다공의 공극이 존재하기 때문이다. 잠재적으로 공극만큼 흡수가 가능하나, 실재에 있어서는 그 만큼 흡수되지 않는다. 이것은 공극 중에 미세한 독립기포가 함유되어 있기 때문이나, 이에 반하여 연속된 기포의 경우에는 하나의 셀(cell)이 차례로 흡수되어 흡수량이 커진다. 이와 같이 독립기포와 연속기포의 양적분포상태에 따라 흡수량이 변화되므로 골재표면조직의 상태가 대단히 중요하다.

흡수율의 경우는 절건밀도와 반대의 경향을 나타내고 있어, 경량화 될수록 즉 절건 밀도가 작아질수록 흡수율은 증가하고 있는 것으로 나타났다. 이는 절건 밀도가 작아지기 위해서는 골재 내부에 많은 기공을 형성하여야 하기 때문에 골재내부 기공의 증가에 따라 흡수율이 증가하는 것으로 판단된다.

인공경량골재의 흡수율 시험결과.

구분(혼합 비율)	결과(%)	기준 값
1:1	39.4	-
2:1	29.1
4:1	24.1

표 9에서와 같이 시제품의 흡수율은 24~39%의 범위 값을 나타내며 혼합 비율에 따라 다소 많은 차이를 보이고 있다. 슬러지의 비율이 증가할수록 흡수율이 높아지는 경향을 보이고 있고 이는 골재내 포함된 슬러지내에 포함된 유기물의 산화로 인한 많은 기공이 존재하기 때문인 것으로 사료된다. 인공경량골재의 흡수율이 높은 경우, 표건밀도의 관리, 슬럼프 로스에 따른 현장 시공조건의 영향, 동결융해저항성 등을 고려할 때, 경량콘크리트 배합기술개발과 동시에 인공경량골재에 대한 흡수율을 줄일 수 있는 연구가 추가로 진행되어야 할 것으로 판단된다.

(다) 단위용적질량.

인공경량골재에 대하여 규정하고 있는 KS F 2534 및 관련 표준시방서에서는 경량골재의 단위 중량을 표 10와 같이 규정하고 있으며, 시험은 재료를 절대건조상태로 하여 표시하는 것으로 규정하고 있다.

또한 경량골재의 단위중량은 골재의 비중, 입경, 입도 등의 변화에 비교적 민감하므로, 경량골재의 단위무게의 변화는 골재품질의 변화를 나타내는 것이며, 또 콘크리트의 단위용적중량이나 반죽질기의 변화의 원인도 되므로, 단위중량은 허용치에서 10% 이상 틀려서는 안 되는 것으로 규정하고 있다. 혼합비율 별 단위용적질량시험을 한 결과를 표 10에 나타내었다.

인공경량골재의 단위용적질량 시험결과.

구분(혼합 비율)	결과(kg/L)	기준 값(KS F 2534)
1:1	0.71	잔골재 : 1.12 이하 굵은골재 : 0.88 이하 혼합골재 : 1.04 이하
2:1	0.83
4:1	0.92

표 10에 나타낸 바와 같이, 제조된 인공경량골재에 대한 단위용적질량을 시험한 결과, 1:1, 2:1 혼합의 경우 잔골재, 굵은골재, 혼합골재 기준을 모두 만족하였고, 4:1의 경우 잔골재와 혼합골재의 기준에 만족하는 값을 나타내었다.

(라) 점토덩어리.

점토덩어리는 점토나 풍화된 점토의 미립자가 압밀되어 딱딱하게 뭉쳐져, 어느정도의 경도를 갖고 있다. 점토 덩어리가 골재 속에 포함되어 있으면 건습의 반복에 의해 수축；팽창을 일으켜 콘크리트 표면이 비늘모양으로 박리하는 균열을 발생시킬 위험이 있다. KS F 2534에 점토덩어리의 기준을 2.0% 이하로 규정하고 있다. 혼합 비율에 따른 시험 결과는 표 11과 같다.

인공경량골재의 점토덩어리 시험결과.

구분(혼합 비율)	결과(%)	기준 값(KS F 2534)
1:1	0.43	2.0% 이하
2:1	0.26
4:1	0.30

표 11에 나타낸 바와 같이, 제조된 인공경량골재에 대한 점토덩어리 시험 결과, 시제품 혼합 비율에 따른 결과 값은 0.43%~0.30%로 모두 0.5% 이하로 기준에 만족하는 값을 나타내었다.

(마) 강열감량.

시제품에 대한 유기물 함량을 분석하기 위하여 폐기물공정시험방법의 강열감량 시험방법으로 실시하였으며, 시험 결과는 표 12와 같다.

인공경량골재의 강열감량 시험결과.

구분(혼합 비율)	결과(%)	기준 값(KS F 2534)
1:1	0.5	5.0% 이하
2:1	0.3
4:1	0.5

표 12에 나타낸 바와 같이, 제조된 인공경량골재에 대한 강열감량 시험 결과, 시제품 혼합 비율에 따른 결과 값은 0.5%~0.3%로 기준에 만족하는 값을 나타내었다.

(바) 0.08mm체 통과율.

골재에 포함된 잔 입자는 점토, 실트, 운모질 등이며 골재에 잔분이 많이 존재하면 콘크리트의 혼합수량이 많아지고, 건조수축에 의해 콘크리트나 모르타르에 균열이 생길 가능성이 많아진다.

골재 알의 표면에 점토, 실트 등이 부착된 경우 시멘트 풀과 골재와의 부착이 약해져서 콘크리트의 강도 및 내구성이 저하하며, 운모질이 다량 함유된 경우에는 표면이 마모 작용을 받는 콘크리트에 사용해서는 안 된다. 이는 인공경량골재가 콘크리트용으로 사용될 때 잔 입자들이 있으면, 건조 수축에 의한 콘크리트의 모르타르가 균열이 발생하는 것을 막기 위한 것이다. 제조된 시제품의 0.08mm체 통과율 시험 결과는 표 13과 같다.

인공경량골재의 0.08mm체 통과율 시험결과.

구분(혼합 비율)	결과(%)	기준 값(KS F 2526)
1:1	0.45	잔골재 : 5.0% 이하 굵은골재 : 1.0% 이하
2:1	0.50
4:1	0.68

표 13에 나타낸 바와 같이, 제조된 인공경량골재에 대한 0.08mm체 통과량 시험 결과, 시제품 혼합 비율에 따른 결과 값은 0.45%~0.68%로 기준에 만족하는 값을 나타내었다.

(사) 안정성.

골재의 안정성이란 풍우나 한서에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 골재의 안정화 정도를 판단하는 것으로 KS에 따른 황산나트륨 또는 황산마그네슘용액에 대한 침식을 시험하여 골재의 내구성을 평가하기 위해서 골재의 부서짐 작용에 대한 저항성을 시험하는 것이다.

불안정한 골재 사용시 콘크리트 강도가 낮아지고 부식이 빠르며 균열?파열 등의 손상을 일으키게 된다. 불안정한 골재의 대표적인 것으로는 혈암?연질사암?점토질 암석?운모질 암석 등이 있다. 일반적으로 비중이 크고 흡수율이 작은 골재는 안정하다고 볼 수 있으며, 골재의 안정성은 공극의 전량뿐만 아니라, 공극의 크기 및 연속성과 밀접한 관계가 있다.

즉, 내구성이 좋은 콘크리트를 만들려면, 내구성이 좋은 골재를 사용하여야 하며, 골재의 안정성 시험을 하여 그 결과로 내구성을 판단할 수 있다. 골재에 대한 안정성 시험방법은 KS F 2507, 평가 기준은 KS F 2526에 규정되어 있으며, 황산나트륨에 의한 조작을 5번 반복했을 때 잔골재의 최대 손실중량 백분율은 10％, 굵은골재는 12％이내이어야 한다. 제조된 시제품의 안정성 시험 결과는 표 14와 같다.

인공경량골재의 안정화 시험결과.

구분(혼합 비율)	결과(%)	기준 값(KS F 2526)
1:1	8.5	잔골재 : 10.0% 이하 굵은골재 : 12.0% 이하
2:1	8.1
4:1	7.6

표 14에 제조된 인공경량골재에 대한 안정성 시험 결과, 시제품 혼합 비율에 따른 결과 값은 8.5%~7.6%로 기준에 만족하는 값을 나타내었다. 이는 안정성에 대한 품질기준을 만족하는 것으로 안정성 및 내구성을 확보하고 있는 것으로 나타났다.

본 발명은 국토해양부 지역기술혁신사업(과제명 : 낙동강 세사, 염색공단 슬러지의 골재활용기술 개발과 대경권 퇴적암의 콘크리트용 골재 활용성 연구)의 연구비 지원에 의해 수행되었다.(과제별 고유번호 : 11CRTI-C059640-01)

Claims

점토 48~80중량부, 철염 및 티탄염의 응집제가 함유된 염색폐슬러지 18~50중량부, 생석회 0.1~10중량부, 탄산나트륨 0.1~10중량부로 구성된 혼합물 100중량부에 대하여 20~30중량부의 물을 가수하여 가소화(반죽)하는 단계,
가소화된 혼합물을 압출하여 드럼 또는 디스크성형방식으로 구상형태의 성형체를 얻는 단계,
구상형 성형체를 온도 100~200℃에서 2~24시간 건조시켜 함수율 1~10중량%범위로 건조시키는 단계,
건조된 성형체를 온도 800~1150℃범위 구간에서 3℃/분의 속도로 승온시켜 3시간 소결시키므로서 KSF 2526의 안정성 평가기준을 만족하는 안전성과 대기 및 수질정화 기능성을 갖는 염색폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법.
청구항 제1항에 있어서, 철염응집제는 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철 중에서 선택되는 하나 이상의 철염응집제임을 특징으로 하는 염색폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법.
청구항 제1항에 있어서, 티탄염응집제는 사염화티탄임을 특징으로 하는 염색폐수슬러지를 이용한 콘크리트제품용 경량골재의 제조방법.
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