KR101394549B1

KR101394549B1 - 하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101394549B1
Application number: KR20130091908A
Authority: KR
Inventors: 정인미; 최이송; 안태웅; 손대희; 염익태; 한수현
Original assignee: (주)블루이앤이
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2014-05-30

Abstract

본 발명은 하수 슬러지와 무기고화제를 이용하여 내약품성과 내구성을 향상시킨 인공 경량골재 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 의한 인공 경량골재는,함수율이 60 내지 90%인 하수 슬러지 100 중량부와 점토 50 중량부를 혼합하여 주재료를 형성하고, 그 주재료 100중량부에 고로 슬래그와 제지 슬래그, 석회 및 석고가 혼합된 무기고화제 30 내지 50 중량부를 혼합하여 혼합물을 형성한 다음, 압축 성형한 성형체를 1,000 내지 1,200℃ 온도에서 3 내지 10분 동안 가열하여 소성하는 과정을 거쳐 제조된다. 이와 같은 제조공정을 통해 제조된 인공 경량골재는 환경 오염물질인 하수 슬러지를 주재료로 활용함으로써 폐기물자원을 환경친화적으로 순환시킬 수 있는 친환경 인공 경량골재를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 원료 광물자원의 확보가 용이하여 지속 가능한 개발과 생산성 확보가 용이하여 경제적이고, 제조공정의 설계가 용이한 동시에 에너지 효율이 우수한 인공 경량골재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재 및 그 제조방법{Artificial lightweight aggregate using sewage sludge and inorganic solidfication agent and thereof}

본 발명은 인공 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하수 슬러지와 무기고화제를 이용하여 내구성을 향상시킨 인공 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상, 콘크리트나 모르타르에 사용되는 모래와 자갈 등의 보통골재보다 비중이 가벼운 경량골재(Lightweight aggregate)는 콘크리트의 경량화와 단열성 및 차음성의 향상 등과 같은 콘크리트의 다기능성과, 투입재료의 감소와 단면적의 감소 및 구조물의 자중경감 등과 같은 경제적인 효과로 인하여 점차 그 사용이 증가하고 있다. 이와 같은 경량골재는 예컨대, 경석이나 용암 등과 같은 천연 경량골재와, 팽창점토나 팽창혈암 등과 같은 인공 경량골재로 구분된다.

그런데, 천연 경량골재의 경우 지속적인 건설산업의 성장에 따라 그 사용량이 점증하였으나, 최근에 이르러서는 자연훼손이나 환경오염 감소를 위한 국가정책과 노력 등에 의해 그 채취와 사용이 매우 제한적으로 통제되는 상황으로 인하여 골재수급에 불균형 현상이 나타나고 있다. 이러한 상황에 따라 국내 건축토목 분야에서는 최근에 이르러 인공 경량골재에 대한 관심이 날로 증가하여 실용화 기술 개발을 위한 연구활동이 점차 늘어나고 있는 추세에 있다. 반면에, 미국과 유럽의 선진국에서는 이미 1920년대부터 다양한 규격의 인공 경량골재를 개발하여 실용화하고 있으며, 일본에서도 1960년대부터 고강도 경량 콘크리트 등의 인공 경량골재를 개발하여 안정적인 사용기반을 구축하고 있는 실정이다.

상술한 바와 같은 인공 경량골재는 예를 들어 대한민국 공개특허공보 제10-2000-0024930호와 제10-2009-0013789호에 각각 "점토를 이용한 경량골재"와 "슬러지 소각재와 미분말수지 및 점토를 이용한 인공 경량골재의 제조방법"에 대한 내용이 상세하게 개시되어 있다. 그리고, 대한민국 등록특허공보 제10-1998-0041024호와 제10-2002-0042409호에는 각각 "소각회 혹은 슬러지를 이용한 인공경량골재 제조장치 및 제조방법"과 "석탄재를 이용한 경량골재 및 제조방법"에 대한 내용이 상세하게 개시되어 있다.

한편, 상술한 바와 같은 공지의 인공 경량골재는 통상 팽창성 혈암(expanded shale)이나 팽창성 점토(expanded clay), 슬래그(slag), 석탄회(fly ash), 슬러지(sludge) 등을 파쇄하고 성형하여 일정한 온도에서 소성 처리하는 제조 메카니즘을 가지는데, 원료 광물자원의 확보나 고정수요처의 부재 등과 같은 경제적인 사유와 안정적인 제조기술의 미확보에 의한 품질문제 등과 같은 다양한 사유로 인하여 국내에서의 생산기반과 제조실적을 확보하지 못하고 있는 문제점을 가지고 실정이다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 공지의 인공 경량골재가 지니는 문제점들을 감안하여 이를 해소하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 환경친화적 폐기물자원순환의 일환으로 환경 오염물질인 하수 슬러지를 주재료로 활용함으로써 원료 광물자원의 확보가 용이하여 지속 가능한 개발과 생산성 확보가 용이한 경제적인 인공 경량골재 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 하수 슬러지가 보유하고 있는 고유 에너지 특성을 최대한 활용하여 에너지 효율이 우수한 인공 경량골재 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 하수 슬러지의 함량 수분을 적절하게 활용함으로써 제조공정을 단순 용이하게 설계할 수 있는 인공 경량골재 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재는, 함수율이 60 내지 90%인 하수 슬러지 100 중량부와 점토 50 중량부가 혼합되어 이루어진 주재료 100 중량부에, 고로 슬래그와 제지 슬래그, 석회 및 석고가 혼합된 무기고화제 30 내지 40 중량부를 혼합한 혼합물을 1,000 내지 1,200℃ 온도에서 3 내지 10분 동안 가열하여 소성한 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재의 제조방법은, 함수율이 60 내지 90%인 하수 슬러지 100 중량부와 점토 50 중량부를 혼합하여 주재료를 형성하는 단계와; 상기 주재료 100중량부에 고로 슬래그와 제지 슬래그, 석회 및 석고가 혼합된 무기고화제 30 내지 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 혼합물을 압축하여 10 내지 20mm³ 크기의 성형체로 성형하는 단계; 및 상기 성형체를 1,000 내지 1,200℃ 온도에서 3 내지 10분 동안 가열하여 소성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 무기고화제는 고로 슬래그 30 내지 40 중량부와, 제지 슬래그 20 내지 30 중량부, 석회 5 내지 30 중량부 및 석고 10 내지 30 중량부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 무기고화제는 시멘트를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이러한 구성에 있어서 상기 무기고화제는 고로 슬래그 30 내지 40 중량부와, 제지 슬래그 20 내지 30 중량부, 석회 5 내지 30 중량부, 석고 10 내지 30 중량부 및 시멘트 10 내지 15중량부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 주재료와 무기고화제의 혼합물은 10 내지 20mm³ 크기의 성형체로 압축 성형되어 건조과정을 거친 다음 소성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재 및 그 제조방법에 따르면, 환경 오염물질인 하수 슬러지를 주재료로 활용함으로써 폐기물자원을 환경친화적으로 순환시킬 수 있는 친환경 인공 경량골재를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 무엇보다도 원료 광물자원의 확보가 용이하여 지속 가능한 개발과 생산성 확보가 용이한 경제적인 인공 경량골재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

그리고, 본 발명에 의한 인공 경량골재 및 그 제조방법에 따르면, 생활폐기물로서 유기물의 함량이 높은 하수 슬러지가 보유하고 있는 고유 에너지 특성을 최대한 활용할 수 있게 됨에 따라 다양한 산업재료로서의 특성 개발이 가능하도록 제조공정의 설계가 용이한 동시에 에너지 효율이 우수한 인공 경량골재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재의 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 나타내 보인 제조 공정도,
도 2는 본 발명에 의한 하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재의 성형체를 소성하는 과정을 사진으로 촬영하여 나타내 보인 도면,
도 3은 본 발명에 의한 하수 슬러지와 무기고화제를 이용한 인공 경량골재를 사진으로 촬영하여 나타내 보인 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 인공 경량골재를 그 제조방법의 제조공정 설명을 통하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면 본 발명에 의한 인공 경량골재의 제조방법은, 먼저 함수율이 60 내지 90%인 하수 슬러지 100 중량부와 점토 50 중량부를 혼합하여 주재료를 형성한다(S-1 단계). 이때, 고로 슬래그와 제지 슬래그, 석회 및 석고를 혼합하여 무기고화제를 형성한다(S-1A 단계).

상기 무기고화제를 혼합하여 형성하는 S-1A 단계는 주재료를 혼합하는 S-1 단계와 병행하거나 그 전후에 수행할 수 있으며, 무기고화제로서 시멘트를 선택적으로 추가하여 혼합할 수 있다.

다음 단계로, 상기 하수 슬러지와 점토가 혼합된 주재료 100중량부에 고로 슬래그, 제지 슬래그, 석회, 석고와 선택적으로 추가되는 시멘트가 혼합된 무기고화제 30 내지 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 형성한다(S-2 단계).

다음 단계로, 상기 주재료에 무기고화제가 혼합된 혼합물을 압축하여 일정한 크기의 성형체로 성형한다(S-3 단계). 이와 같이 성형된 성형체는 자연 건조나 건조기에 의해 건조과정을 거치게 된다(S-3A).

다음 단계로, 상기 성형체를 1,000 내지 1,200℃ 온도 범위에서 가열하여 소성한다(S-4 단계). 이때, 상기 성형체는 대략 3 내지 10분 동안 가열하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 소성 가공이 완료된 성형체를 냉각시켜(S-5 단계), 본 발명에 의한 인공 경량골재의 제조를 완료한다(S-6 단계).

이하에서는 본 발명에 의한 인공 경량골재의 각 공정 단계별 구성과 작용에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 인공 경량골재의 제조공정 (S-1 단계)에 있어서, 상기 하수 슬러지는 상수와 하수 및 폐수처리 등의 수처리 결과에 따르는 처리수와 분리되는 농축 오염물질로서, 중력에 의한 침전 고형물 뿐만 아니라 부력작용으로 침전지 표면에 뜬 스컴(scum), 스크린(screen)에 걸린 큰 물질인 스크리닝(screening)도 포함하는 포괄적 의미를 지니고 있다.

하기 [표 1]과 [표 2]는 각각 본 발명의 실시를 위해 대한민국 수원시 소재 A-하수처리장과 B-하수처리장 및 용인시 소재 C--하수처리장과 D-하수처리장에서 각각 채취한 하수 슬러지 1 내지 4의 특성과 성상 분석 결과를 나타내 보인 것으로서, 하기 [표 1]은 인공 경량골재의 주재료인 하수 슬러지의 pH, 수분, 고형물, 강열감량, 유기물함량, 휘발성 고형물에 대한 분석 결과를 나타내 보인 것이며, 하기 [표 2]는 각 하수 슬러지의 성상 분석 결과를 나타내 보인 것이다. 그리고, 하기 [표 3]은 본 발명의 실시예에 활용한 하수 슬러지의 성분 조성을 분석한 결과를 나타내 보인 것이다.

본 발명의 실시를 위해 채취한 하수 슬러지의 특성 측정 결과

구분	하수슬러지 1	하수슬러지 2	하수슬러지 3	하수슬러지 4
pH	6.74	6.48	5.82	6.54
함수율(%)	70.06	68.48	78.53	82.46
고형물(%)	29.94	28.48	21.47	17.54
강열감량(%)	85.58	88.44	96.07	96.43
유기물함량(%)	51.84	60.48	81.70	79.67
휘발성고형물(%)	15.52	14.49	17.54	13.98

본 발명의 실시를 위해 채취한 하수 슬러지의 성상 분석 결과

sample	C(%)	H(%)	O(%)	N(%)	S(%)
하수슬러지 1	25.93	6.42	18.72	5.13	N.D
하수슬러지 2	30.07	6.46	23.50	6.63	N.D
하수슬러지 3	41.17	5.74	24.34	8.18	N.D
하수슬러지 4	45.75	6.93	26.34	7.80	N.D

본 발명의 실시예에 활용한 하수 슬러지의 성분 및 평균 조성

성분	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	K₂O	Na₂O	MgO	TiO₂	MnO
하수슬러지 평균	52.0%	20.9%	4.06%	8.98%	3.11%	1.30%	2.21%	0.94%	0.12%

[표 1]과 [표 2] 및 [표 3]을 참조해 보면, pH의 경우 5.82 ~ 6.74로 나타나고, 함수율은 68.48 ~ 82.46%의 범위로 나타나 각 채취 지점별로 대부분의 항목에서 비슷한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 있어서, 하수 슬러지의 함수율을 60 내지 90% 범위로 한정하는 이유는 함수율이 90% 이상일 경우에는 고화가 어려워지며, 60% 미만일 경우에는 고화후 강도가 저하되어 취성이 증가하기 때문인데, 국내에서 채취하는 대부분의 하수 슬러지는 위 [표 1]에서 참조해 볼 수 있듯이 함수율 60 내지 90% 범위를 만족시키며, pH의 경우에도 5.82 ~ 6.74로 나타나듯이 산성화에 대한 우려를 해소할 수 있다.

한편, 하수 슬러지는 [표 3]에 나타나 있는 바와 같이 그 특성상 유기물이 다량 포함되어 있는데, 실제로 실험분석 결과에 나타난 유기물 함량은 51.84 ~ 81.70%로 상당히 많은 유기물을 함유하고 있으며, 이러한 유기물이 무기고화제와 유기적으로 작용하여 인공 경량골재의 유효한 특성을 생성할 수 있게 한다.

따라서, 본 발명에 의한 인공 경량골재의 주재료를 하수 슬러지로 선택하는 이유는, 하수 슬러지가 생활폐기물로서 상기 [표 1]과 [표 2] 및 [표 3]에 나타난 바와 같이 유기물의 함량이 높아 경량골재 제조시 외부에서의 급열과 동시에 내부의 유기물질의 발열에 의해 골재 내부로의 열전달이 용이하게 이루어져 소성시간의 단축과 인공 경량골재의 발포성 향상에 기여할 수 있는 특성을 이용하기 위한 것이다.

한편, 폐수처리 과정에서 발생되는 하수 슬러지는 정수 슬러지, 생활하수 슬러지, 산업폐수 슬러지, 분뇨, 축산폐수 슬러지 등이 있으며, 대개 0.25 내지 12%의 고형물이 들어있는 액체나 반고형 액체(Semi-solid liquid)로서 처리과정에서 악취가 나거나 다루기가 어려울 뿐만 아니라 환경보전의 관점에서도 중금속 함유 등의 위험성이 잠재되어 있으므로, 그러한 위험성이 내포된 물질에 의해 오염이 발생하지 않도록 처리할 필요성이 있다.

그러므로, 하수 슬러지는 그 자체로 만으로는 화학성분상 인공 경량골재의 발포기준에 부적합할 뿐만 아니라 가소성이 부족하여 성형성이 매우 불량하므로 적절한 점결제 및 부원료의 첨가가 필수적이다.

따라서, 본 발명에 있어서는 인공 경량골재의 제조에 있어서 하수 슬러지의 부적절성을 개선하고자 주재료에 점토를 점결제로 첨가한다.

점토는 국내에 풍부하게 부존하는 원료로 입자가 작고 가소성이 높기 때문에 제품의 성형력을 향상시켜주고 소각재에 부족한 실리카 성분을 보충해 주어 소결성을 증진시키고 골재가 적절한 발포를 하는데 결정적인 역할을 한다. 하기 [표 4]는 본 발명의 실시예에 활용한 점토의 성분 조성을 나타내 보인 것이다.

본 발명의 실시예에 활용한 점토의 성분 조성

성분	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	K₂O	MgO	TiO₂
점토	64.5%	24.2%	0.29%	5.32%	1.92%	1.94%	0.97

본 발명에 의한 인공 경량골재의 주재료로 첨가되는 점토는 하수 슬러지의 부적절성을 개선하고자 점결제로 첨가하므로 특정하게 한정될 필요는 없으나, 본 발명의 실시예에서는 경제성과 구매 편의성을 고려하여 국내에서 쉽게 구입할 수 있는 일반 점토를 사용하였으며, 점토의 성분조성 분석결과 SiO₂의 함유량이 64.5%로서 골재 성형과 소결성 및 발포성 증진에 기여하도록 기능할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 인공 경량골재의 주재료로 첨가되는 점토는 [표 4]에 나타난 각 성분의 함유량에서 ±10% 범위의 함유량을 포함하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명에 의한 인공 경량골재의 제조공정에서 하수 슬러지와 무기고화제를 혼합하는 S-2 단계에서는, 통상 85% 이상의 수분을 함유하고 있는 하수 슬러지를 산업재료로 활용하기 위해서 무기고화제를 혼합시켜 줌으로써 수분을 감소시킨다. 즉, 하기 [표 5]에서 확인할 수 있듯이 하수 슬러지에 무기고화제를 혼합함으로써, 함수율을 점차 낮출 수 있으며, 무기고화제의 첨가량을 늘리면 전체 혼합물의 함수율을 50 내지 40% 정도까지도 낮출 수 있다.

무기고화제의 함유량과 하수 슬러지의 함수량 변화

함유량	0%	10%	20%	30%	50%	70%
함수율(%)	86.18	78.24	71.28	65.39	56.56	49.83

따라서, 본 발명에 의한 인공 경량골재는 상술한 바와 같은 하수 슬러지의 함수율과 무기고화제의 함유량에 따른 변화 관계를 고려하여 인공 경량골재의 압축강도 기준 18 MPa을 만족시킬 수 있도록 주재료와 무기고화제의 혼합비율을 각각 100중량부와 20 내지 50 중량부로 한정하고, 상기 무기고화제는 그 조성범위를 고로 슬래그 30 내지 40중량부, 제지 슬래그 20 내지 30중량부, 시멘트 10 내지 15중량부, 석회 5 내지 30중량부, 석고 10 내지 30중량부로 한정하여 혼합하는 것이 바람직하다.

하기 [표 6]은 본 발명의 실시를 위한 무기고화제의 성분별 배합비를 나타낸 것으로서, 이 무기고화제의 성분별 배합비에 따라 고화 전과 후의 변화를 파악하기 위하여 하수슬러지 500 g과 각 고화제 Type A 내지 J를 폐기물공정 시험방법에 따라 시간에 따른 함수율을 측정해 본 결과에 따르면, Type C의 무기고화제 성분별 배합비가 수분 저감이 가장 큰 것으로 나타났다.

본 발명의 실시를 위한 무기고화제의 성분별 배합비

구분	성분별 배합비(%)
구분	석고	석회	시멘트	제지슬러지	고로슬래그
Type A	10	10	20	10	50
Type B	10	20	10	20	40
Type C	20	10	10	30	30
Type D	10	20	10	40	20
Type E	10	10	20	50	10
Type F	20	20	-	50	10
Type G	20	20	-	40	20
Type H	10	30	-	30	30
Type I	30	10	-	20	40
Type J	15	25	-	10	50

따라서, 본 발명에 의한 인공 경량골재의 경우, 무기고화제의 최적 배합비를 하기 [표 7]에서와 같은 첨가량을 중심으로 상한치와 하한치를 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시를 위한 최적 무기고화제의 성분별 배합비

구분	석고	석회	시멘트	제지슬러지	고로슬래그	합계
TYPE C	20%	10%	10%	30%	30%	100%

이하에서는 상기 무기고화제를 이루는 각 구성요소들에 대한 특성과 작용에 대해 설명한다.

고로 슬래그는 고로방식의 제철소에서 발생되는 용융상태의 슬래그(slag)를 물과 공기 등으로 급냉시켜 이를 미분쇄한 것으로서, 자체 수경성은 없고 시멘트 화합물과의 반응에 의해서 경화되는 잠재 수경성이다. 하기 [표 8]은 본 발명의 실시예에 활용한 고로 슬래그의 성분 조성을 나타내 보인 것이다.

본 발명의 실시예에 활용한 고로 슬래그의 성분 조성

구분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃
고로슬래그	30.10	13.93	1.12	44.32	5.12	4.24

즉, 고로 슬래그는 분말이 시멘트 입자 사이의 공극을 채워 시멘트의 수화작용을 지연시키므로, 동결융해 저항성이 낮고 초기 강도는 낮으나 장기 강도를 증진시키고, 내해수성과 내화학 저항성을 높이는 기능과 작용을 하게 된다.

제지 슬러지는 일반적으로 화력발전소에서 유연탄의 연소시 발생되는 비산회와 유사한 화학적인 조성을 가지고 있으며, 시멘트 또는 알칼리와 반응하여 자경성 수화물을 형성하는 성질이 있다. 이러한 포졸란(pozzolan) 특성은 하기 [표 9]에 나타내 보인 바와 같이 제지 슬래그의 성분에 보통 SiO₂가 가장 많이 함유되어 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 활용한 제지 슬러지의 성분 조성

unit(%)	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	MgO	Na₂O	K₂O	TiO₂
제지 슬러지	18.565	8.331	61.012	1.273	6.156	0.464	0.197	0.919

따라서, 제지 슬러지의 고화반응에서의 PSA(Papersludge Ash,이하 제지슬러지 회분) 작용은 수화반응에 의해 생성된 Ca(OH)₂, Ca² ⁺와 소각재에서 용출된 SiO₂와 Al₂O₃가 반응하여 C-S-H(calcium silicate hydrate)수화물을 생성하는 것이며, 이는 혼합체의 강도를 증가시키는 기능과 작용을 하게 된다.

석회는 생석회를 하수슬러지에 첨가하였을 때 수분과 결합하여 소석회를 생성한다. 또한 석회의 수화반응에 의하여 강한 흡수작용이 일어나며, 이러한 작용에 의하여 하수 슬러지로부터 수분이 강제 탈수되어 강도를 증가시키는 기능과 역할을 수행하게 된다.

본 발명의 실시예에 활용한 석회의 성분 조성

unit(%)	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	MgO	Na₂O	K₂O	TiO₂
석회	1.34	0.12	40.97	0.04	-	0.06	-	0.05

시멘트는 현재 국내에서는 시멘트 반응과 수화반응을 이용한 포틀랜드 시멘트계 고화제를 사용하는 방법이 쓰이고 있으며, 포틀랜드 시멘트계 고화제는 가격이 저렴하며, 혼합 및 취급 등이 용이한 장점과 함께 폐기물의 화학적 변동에 대한 내성이 강하여 폐기물의 건조나 탈수 등의 별도 과정을 최소화하는 기능과 역할을 수행하게 된다.

다음에, 상기 주재료와 무기고화제 혼합물을 압축 성형하는 S-3 단계에서는, 상기 주재료와 무기고화제 혼합물 일정량을 통상적인 성형기에 장입하여 0.5 내지 5톤의 압력을 가해 10 내지 20mm³ 크기의 성형체로 성형하는 것이 바람직하나, 이러한 성형체의 규격에 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 경량골재의 특성이나 용도 등에 따라 다양한 규격의 변형된 성형체로 성형할 수도 있다. 이와 같은 성형체가 성형되면, 자연 건조나 건조로를 이용한 건조과정(S-3A)을 거친 후, 가열하여 소성하게 된다(S-4 단계).

상기 성형체를 소성하는 S-4 단계에서는, 도 2에 도시한 바와 같이 통상적인 소성로(10)에 상기 성형체(11)를 장입하고, 1,000 내지 1,200℃ 온도 범위에서 가열하여 소성한다. 이때, 상기 성형체를 대략 3 내지 10분 동안 가열하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 소성 가공이 완료된 성형체를 냉각시켜(S-5 단계), 도 3에 사진으로 촬영하여 나타내 보인 바와 같은 본 발명에 의한 인공 경량골재(11)의 제조를 완료한다(S-6 단계).

이하에서는 상술한 바와 같은 제조방법에 의해 성형 완료된 본 발명에 의한 인공 경량골재의 특성을 시험한 결과에 대해 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 인공 경량골재의 압축강도를 측정하기 위하여 유압식 시편제작용 압출기를 통해 시편을 제작하였다. 참고적으로 본 시편을 제조하기 위한 유압식 압출기는 시료 투입 후 원하는 압력을 설정하고 손잡이를 상하로 움직여 설정된 압력만큼의 힘을 가하여 시편을 제작할 수 있다. 이와 같이 제작된 시편은 경량골재의 기계적 강도 기준이 되는 KS F 2534를 충족시키도록 KS F 2534에서 지정한 굵은 골재(5～13 mm)를 만족하는 형상을 지닌 시제품을 사용하였으며, 압축강도 시험장비는 500kgf의 정하중을 적용할 수 있고 시료의 크기와 강도에 따라 로드셀(load cell)을 1 tonf로 증강할 수 있도록 구성된 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 압축강도 실험을 수행하였다.

하기 [표 11]은 본 발명의 각 실시예에 따라 무기고화제의 조성범위를 다르게 혼합하여 제작한 시편의 압축강도와 수분저감율을 측정하여 나타내 보인 것이다.

본 발명의 실시예에 활용한 석회의 성분 조성

실시예	주재료(100중량부)		무기고화제(36중량부)					수분저감율 (%)	압축강도 (MPa)
실시예	하수슬러지	점토	고로슬래그	제지슬러지	시멘트	석회	석고	수분저감율 (%)	압축강도 (MPa)
1	100	50	50	10	20	10	10	55.4	16.0
2	100	50	40	20	10	20	10	38.2	18.4
3	100	50	30	30	15	5	20	36.8	18.7
4	100	50	20	40	10	20	10	45.2	16.4
5	100	50	10	50	20	10	10	44.4	14.2
6	100	50	10	50	-	20	20	58.5	10.4
7	100	50	20	40	-	20	20	54.4	8.2
8	100	50	30	30	-	30	10	39.4	18.1
9	100	50	40	20	-	10	30	37.8	18.4
10	100	50	50	10	-	25	15	42.8	16.2

하기 [표 12]는 본 발명의 실시예와 기존 경량골재의 특성을 시험하여 비교한 결과를 나타내 보인 것으로서, 이를 참조하면 본 발명에 의한 인공 경량골재의 압축강도와 수분 흡수율이 기존의 경량골재보다 우수함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예와 기존 경량골재의 특성 비교 시험 결과

구분	본 발명의 인공경량골재	기존 경량골재
구분	본 발명의 인공경량골재	경량골재 A	경량골재 B	경량골재 C
압축강도 (MPa)	18.7	18.1	18.0	16.4
용출특성 (mg/kg)	중금속(Pb, Cu, Ag, Hg, Zn) 불검출	중금속(Pb, Cu, Ag, Hg, Zn) 불검출	중금속(Pb, Cu, Ag, Hg, Zn) 불검출	중금속(Pb, Cu, Ag, Hg, Zn) 불검출
수분 흡수율 (%)	17.78∼ 24.26%	22.40∼ 28.20%	20.88∼ 26.38%	26.84∼ 33.25%

한편, 본 발명의 실시예에 의해 인공 경량골재를 제조하여 반응조를 구성하고 증류수를 투입하여 시료를 24시간 침지한 다음 하부로 흘러나온 증류수의 중금속 등에 대한 용출실험을 시행한 결과, [표 12]를 참조해 보면 본 발명에 따라 하수 슬러지와 무기고화제를 혼합하여 제조된 인공 경량골재에서 중금속 용출은 일어나지 않는 것으로 나타난다.

따라서, 본 발명에 의한 인공 경량골재는 향후 산업재료로써 유효하게 활용 가능하며, 특히 중금속에 대한 영향이 없으므로 수질 정화용으로 활용이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시예가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

10 : 소성로 11 : 인공 경량골재(성형체)

Claims

함수율이 60 내지 90%인 하수 슬러지 100 중량부와 점토 50 중량부가 혼합되어 이루어진 주재료 100 중량부에, 30 내지 40 중량부의 고로 슬래그와 20 내지 30 중량부의 제지 슬래그, 5 내지 30 중량부의 석회 및 10 내지 30 중량부의 석고가 혼합되어 이루어진 무기고화제 30 내지 50 중량부를 혼합한 혼합물을 1,000 내지 1,200℃ 온도에서 3 내지 10분 동안 가열하여 소성한 것을 특징으로 하는 인공 경량골재.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 무기고화제는 시멘트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 경량골재.
제 3 항에 있어서,
상기 무기고화제는 고로 슬래그 30 내지 40 중량부와, 제지 슬래그 20 내지 30 중량부, 석회 5 내지 30 중량부, 석고 10 내지 30 중량부 및 시멘트 10 내지 15중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 경량골재.
제 1 항에 있어서,
상기 주재료와 상기 무기고화제의 혼합물은 10 내지 20mm³ 크기의 성형체로 압축 성형되어 소성되는 것을 특징으로 하는 인공 경량골재.
함수율이 60 내지 90%인 하수 슬러지 100 중량부와 점토 50 중량부를 혼합하여 주재료를 형성하는 단계와;
상기 주재료 100중량부에 30 내지 40 중량부의 고로 슬래그와 20 내지 30 중량부의 제지 슬래그, 5 내지 30 중량부의 석회 및 10 내지 30 중량부의 석고가 혼합되어 이루어진 무기고화제 30 내지 50 중량부를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와;
상기 혼합물을 압축한 성형체로 성형하는 단계와;
상기 성형체를 1,000 내지 1,200℃ 온도에서 3 내지 10분 동안 가열하여 소성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 경량골재의 제조방법.
삭제
제 6 항에 있어서,
상기 무기고화제는 시멘트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 경량골재의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 무기고화제는 고로 슬래그 30 내지 40 중량부와, 제지 슬래그 20 내지 30 중량부, 석회 5 내지 30 중량부, 석고 10 내지 30 중량부 및 시멘트 10 내지 15중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 경량골재의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 성형체는 10 내지 20mm³ 크기의 성형체로 압축 성형되고, 성형 단계에서 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 경량골재의 제조방법.