KR101459990B1 - 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법 - Google Patents

슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소정 배합비의 고화대상물에 액상 고화제를 첨가함으로써, 치밀한 구조의 블록을 형성함으로써, 압축강도를 증가시키고, 흡수율을 낮추고, 옥외에 시공 후 동결용융 조건하에서 파괴되거나 균열이 발생하지 않는 우수한 품질의 블록을 제조할 수 있으며, 제조된 블록에서 유해 중금속이 용출되지 않는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 관한 것이다.

Description

슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법{block composition using the sludge Ash and manufacturing method block}
본 발명은 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소정 배합비의 고화대상물에 액상 고화제를 첨가함으로써, 치밀한 구조의 블록을 형성함으로써, 압축강도를 증가시키고, 흡수율을 낮추고, 옥외에 시공 후 동결용융 조건하에서 파괴되거나 균열이 발생하지 않는 우수한 품질의 블록을 제조할 수 있으며, 제조된 블록에서 유해 중금속이 용출되지 않는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 정수장이나 하수종말처리장, 공장 또는 소각장 등에서 발생하는 슬러지 및 유기물이 아닌 잔재물은 폐기물로 분류되어, 수거과정을 통하여 지정된 방법으로 폐기하고 있다.
이러한 폐기물을 처리하기 위한 방법으로 폐기물의 탄화, 고화, 부숙화, 소각, 시멘트 원료로 이용, 화력 발전연료로 이용하는 방법 등이 시도되었다.
최근 들어 이들 슬러지를 처리하는 데 있어서 막대한 운송비용, 매립지 고갈에 따른 매립비용의 증가로 발생처에서는 처리비용의 절감을 위하여 슬러지를 소각하여 최종 배출되는 슬러지 양을 감량화하여 처리하는 소각방법이 증가함에 따라 소각재의 발생량도 함께 증가하고 있는 추세이다.
이 중에서 고화는 함수율이 80~83% 정도되는 슬러지에 고화제를 첨가한 다음 매립하거나 재활용하여 사용하는 방법으로, 고화제로 처리된 슬러지가 약 1년 이상 경과되면 슬러지의 유기물이 부패되면서 가스가 분출되거나, 고화제 또는 슬러지 입자의 문제로 토양에 침출되고, 비가 오면 산성 성분으로 인하여 토양의 산성화를 유발시킨다는 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 슬러지를 재활용하는 방안이 강구되었는데, 슬러지를 재활용하기 위해서는 슬러지에 포함되어 있는 중금속을 처리해야 하고, 재활용시 경제성이 있어야 하며, 재활용된 제품에 기능성이 있어야 한다.
한국등록특허 제10-0859002호에서는 하수 슬러지, 석탄 비산재 및 점토를 각각 1mm 이하로 분쇄한 뒤 성형하고 1100℃~1200℃에서 10~15분간 소성하여 인공경량골재를 제조하는 방법을 제시하였고, 한국등록특허 제10-0450898호에서는 탈수케이크 상태의 하수 슬러지를 24시간 1차 건조하고 분쇄한 뒤 점토, 규사, 석고 및 고로슬래그분말과 혼합하여 성형, 2차 건조 과정 및 900℃~1100℃에서 13시간 소성과정을 거쳐 소성 건자재를 제조하는 방법을 제시하는 등 많은 특허에서 다양한 방법들을 제시하였다.
다만, 상기 발명들은 제조 과정 중에 소성 공정 수반에 따른 막대한 에너지가 소요되고 제품의 다변화가 어려우며, 소각 후 잔재물을 이용한 블록의 경우 강도가 약하다는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소정 배합비의 고화대상물에 액상 고화제를 첨가함으로써, 치밀한 구조의 블록을 형성함으로써, 압축강도를 증가시키고, 흡수율을 낮추고, 동결융해에 의한 파괴 또는 균열이 발생되지 않는 우수한 품질의 블록을 제조할 수 있는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 전체 고화대상물에 대하여 수분 함량을 10% 내외로 정확히 조정함으로써, 수분부족으로 인한 수화반응 미흡으로 경화체의 강도가 약해지거나 성형시 균열이 생기는 것을 방지하고, 블록의 탈형성 내지 성형성을 높일 수 있는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 블록 조성물의 수화반응시 액상 고화제에 함유된 할로겐 이온 또는 인 이온의 작용으로 의해 중금속이 경화반응에 직접 관여하여 경화 후 중금속이 용출되지 않도록 할 수 있는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 소각 바닥재와 함께 소각 비산재를 사용하되 그 중량비를 1 : 0~1로 조정함으로써, 우수한 물성을 가짐과 동시에 발생량이 많은 비산재의 사용량을 최대로 할 수 있는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물은 슬러지 소각재 50~60중량부와, 시멘트 20~30중량부와, 잔골재 형태의 보강재 10~20중량부로 이루어지는 고화대상물과; 상기 시멘트 총중량에 대하여 3~7중량%의 액상 고화제와; 상기 고화대상물 총중량에 대하여 8~12중량%의 물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물의 슬러지 소각재는 소각 바닥재, 또는 소각 바닥재와 소각 비산재가 혼합된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물의 슬러지 소각재는 상기 소각 바닥재와 소각 비산재가 1 : 0.5~1의 중량비로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물의 액상 고화제는 무기금속원소를 주체로 하는 수용성으로 이루어지며, 상기 무기금속원소가 이온화된 것이고, 상기 무기금속원소는 알칼리 토금속, 탄소족, 질소족, 붕소족 및 철족 중에서 적어도 1종이 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물의 액상 고화제는 소량의 할로겐 이온과, 인 이온을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물의 액상 고화제는 친수성 산화칼슘 및 소수성 산화칼슘을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법은 슬러지 소각재 50~60중량부와, 시멘트 20~30중량부와, 보강재 10~20중량부로 이루어지는 고화대상물 및 상기 시멘트 총중량에 대하여 3~7중량%의 액상 고화제를 를 혼합하여 블록 조성물을 마련하는 S1단계와; 상기 블록 조성물을 가압성형하는 S2단계와; 상기 가압성형된 블록을 양생하는 S3단계;를 포함하되, 상기 블록 조성물은 함수율이 10±1%로 조정된 상태에서 가압성형이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법의 액상 고화제는 알칼리 토금속, 탄소족, 질소족, 붕소족 및 철족 중에서 선택되는 적어도 1종의 무기금속이온과, 할로겐 이온과, 인 이온과, 산화칼슘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법의 슬러지 소각재는 소각 바닥재와 소각 비산재가 1 : 1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법의 소각 바닥재 및 소각 비산재의 분말도는 각각 2,000~3000g/㎤ 및 500~1,000g/㎤인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 의하면, 소정 배합비의 고화대상물에 액상 고화제를 첨가함으로써, 치밀한 구조의 블록을 형성함으로써, 압축강도를 증가시키고, 흡수율을 낮추고, 옥외 시공 후 동결용융에 대하여 파괴되거나 균열되지 않는 우수한 품질의 블록을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 의하면, 전체 고화대상물에 대하여 수분 함량을 10±1%로 정확히 조정함으로써, 양생시 수화반응에서 강도가 약해지거나 성형시 균열이 생기는 것을 방지하고, 블록의 탈형성 내지 성형성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 의하면, 액상 고화제에 함유된 할로겐 이온 또는 인 이온의 작용에 의해 중금속이 용출되지 않도록 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물 및 블록 제조방법에 의하면, 소각 바닥재와 함께 소각 비산재를 사용하되 그 중량비를 1 : 1로 조정함으로써, 우수한 물성을 가짐과 동시에 비산재의 사용량을 최대로 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법을 도시하는 공정도이다.
이하, 첨부된 도면들 및 후술 되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어 지는 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법을 도시하는 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법은 슬러지 소각재의 활용을 최대화하고 각종 재활용 제품 인증기준인 재활용재 사용량 50%이상을 만족하면서 품질이 우수한 블록을 제조하기 위한 것으로서, 크게 S1단계 내지 S3단계로 이루어질 수 있다.
상기 S1단계는 슬러지 소각재 50~60중량부와, 시멘트 20~30중량부와, 보강재 10~20중량부로 이루어지는 고화대상물 및 상기 시멘트 총중량에 대하여 3~7중량%의 액상 고화제를 를 혼합하여 블록 조성물을 마련하는 단계이다.
본 발명에서 사용되는 슬러지 소각재는 하수 슬러지 소각재 또는 정수 슬러지 소각재를 예시할 수 있으며, 소각 바닥재와, 소각 비산재를 포함한다.
상기 하수 슬러지 소각재는 수분함량 약 80%인 탈수케익 상태의 하수 슬러지를 감량화하기 위하여 약 850에서 소각한 후 발생하는 잔재물이다.
상기 소각 비산재는 하수슬러지 소각재의 화학성분은 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO 가 주성분으로 구성되어 있으며, 점토와 유사한 화학조성을 가지고 있다. 슬러지 소각재는 CaO-SiO2-Al2O3 3성분계적으로 볼 때 CaO가 10% 이하인 class F"(ASTM) 플라이 애쉬와 유사하다. 미국재료실험학회(ASTM) 기준에 따르면 포졸란 물질로 분류하는 기준을 포졸란 물질 활성도로 나타내는데 포졸란 물질 활성도를 CaO-SiO2-Al2O3 3성분의 합이 70% 이상을 기본으로 하고 있다. 따라서 하수슬러지 소각재의 경우 CaO-SiO2-Al2O3 3성분의 합이 약 78~84% 수준으로 화학조성상 포졸란 물질로서의 충분한 잠재력을 갖고 있다.
다만 하수슬러지 소각재의 성분별로 검토해보면 SiO2 성분은 55~66% 정도로 KS에 규정된 포졸란 물질의 기준인 45%보다 높지만 포졸란 반응에서 중요한 성분의 하나인 CaO의 함량은 약 5~7%로 매우 낮게 나타나 포졸란 반응을 유도하기 위하여는 외부로부터 직접 또는 간접으로 CaO가 공급될 필요가 있다. 따라서 후술할 액상 고화제에는 CaO가 포함되는 것이 바람직하다.
이들 화학성분들은 수화반응을 통하여 슬러지 소각재 입자의 표면에서부터 입자 내부로 반응이 진행되면서 입자 주위에 수화물이 생성하게 되고 슬러지 소각재는 수화물로 둘러싸이게 된다. 그리고 이 수화물이 서로 결합하면서 슬러지 소각재 입자 사이가 수화물로 채워지고 굳어지는 반응을 통해 강도를 나타내게 된다.
강열감량은 1% 미만으로 일반적인 플라이애시의 평균 강열감량인 약 5%보다 낮다. 낮은 수치의 강열감량은 유기물과 미연탄소분의 함량이 낮은 것으로, 유기물과 미연탄소분은 강한 흡착에 의하여 블록 강도발현의 주된 저하요인으로 알려져 있다. 따라서 하수슬러지 소각재는 블록의 제작에 있어 강도발현의 저해요소나 유해요소는 없다.
하수슬러지에 함유되어 있는 Pb, Cd, Cr6 +, Hg 의 유해중금속함유량은 다소 높은 편이지만 이들 유해중금속함유량은 발생되는 계절별, 지역별로 다소간 차이가 있으며, 산업폐기물의 분류기준인 폐기물공정시험법에 의한 중금속용출시험결과는 기준치 이하로서 일반폐기물로 분류된다.
아래 표 1은 하수 슬러지 소각재의 물리화학 시험결과를 정리한 것으로서, 이를 참조하면 슬러지 소각재 중 소각 바닥재의 분말도는 580g/㎤이며, 소각 비산재의 분말도는 2470g/㎤로서 소각 비산재가 상대적으로 매우 고운 입자로 구성되어 있다. 이때 높은 분말도는 혼합수량, 고화제의 양과 CaO를 보충원으로 투입하는 시멘트 등의 투입량 증가를 수반할 수 있다.
시험항목 단위 시험방법 시험결과
소각 비산재 소각 바닥재
SiO2 % KS E 3808 55 66
Al2O3 % KS E 3808 16.9 13.0
Fe2O3 % KS E 3808 11.6 7.2
CaO % KS E 3808 6.6 4.7
MgO % KS E 3808 5.1 3.9
K2O % KS E 3808 3.5 3.8
Na2O % KS E 3808 1.0 1.2
염화물량(Cl-) % KS F 2713 0.001 1.001
강열강량 % KS L 5201 0.8 1.2
Pb mg/kg IEC 62321 37.4 23.2
Cd mg/kg IEC 62321 1.5 1.1
Cr6 + mg/kg IEC 62321 ND ND
Hg mg/kg IEC 62321 ND ND
밀도(20℃) g/㎤ KS L 5110 2.55 2.42
분말도-비표면적(브레인 방법) g/㎤ KS L 5106 2470 580
상기 시멘트는 블록을 구성하는 고화대상물에 CaO 성분을 인위적으로 추가하여 포졸란 반응을 촉진하기 위한 것이다. 블록에 이용되는 시멘트는 특별한 제한이 없으며 일반 포틀랜드 시멘트를 예시할 수 있다. 시멘트의 첨가량은 슬러지 소각재 50~60중량부에 대하여 20~30중량부인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 시멘트가 20중량부 미만인 경우에는 포졸란 반응을 충분히 촉진시키지 못하여 결합력 내지 압축강도가 약해지고, 30중량부를 초과하는 경우에는 제조원가가 상승하고 재활용되어야 할 하수 슬러지 소각재의 양이 상대적으로 줄어들기 때문이다.
상기 골재(보강재)는 블록의 골격을 구성하여 강도를 높이는 역할을 하는 것으로서, 콘크리트용 잔골재의 입도범위를 가지는 모래가 적합하며, 그 외 적당한 입도범위의 폐도자기 파편이나 바텀 애시(bottom ash) 등의 산업부산물도 활용할 수 있다.
그리고 상기 골재는 블록의 용도 등을 고려하여 결정하되, 슬러지 소각재 50~60중량부에 대하여 10~20중량부인 것을 예시할 수 있다.
상기 액상 고화제는 무기금속원소를 주체로 하는 수용성 경화재로서, 알칼리 토금속, 탄소족, 질소족, 붕소 탄소족 및 철족에서 적당히 선택된 무기금속원소를 포함하고, 상기 무기금속원소는 이온화되어 있으며, 상기 시멘트 총중량에 대하여 3~7중량%인 것이 바람직하다.
또한, 액상 고화제에 포함되는 알칼리 토금속은 나트륨, 칼륨 및 그 산화물, 수산화물, 할로겐화물, 염화물 등이다. 또, 탄소족은 탄산염, 중탄산염 또는 탄화칼슘 등의 탄소 및 그 화합물이 들 수 있다. 질소족은 암모니아를 주체로 질소 화합물 또는 질소와 붕소와 규소 등의 금속 화합물 및 텅스텐 할로겐 화물이다. 붕소 탄소족은 탄화 붕소 등이다. 또 철족은 철 및 그 산화물, 염화물 등의 화합물이 있다.
또한, 상기 화학조성의 액상 고화제는 친수성과 소수성의 2종류의 CaO을 함유하고, 미량의 할로겐 이온과 적당량의 인(P) 이온을 함유하는 것이 바람직하다.
상기 S2단계는 블록 조성물을 가압성형하여 특정형상의 블록을 성형하는 단계이다.
이때, 상기 블록 조성물은 함수율이 10±1%로 조정되도록 액상 고화제에 물을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 액상 고화제의 효율적인 혼합이 가능하고 수용액 중의 무기금속원소가 물 속에서 이온 상태로 존재하므로, 고화대상물의 표면에 부착하기 쉬워지기 때문이다. 이온 상태로 고화대상물에 부착한 금속원소는 서로 공유 결합하는 입자 간의 배열을 안정시키고 시멘트 및 고화대상물을 강하게 결합하기 때문이다.
그리고 원료 전체의 수분을 정확하게 조정하는 이유는, 원료 전체의 수분이 9% 미만이 되면, S4단계의 양생공정에서 시멘트의 수화반응이 불충분해지므로 블록 강도가 부족할 우려가 있기 때문이다. 또 수분이 11%를 초과하면, 거푸집에 수분이 잔류하여 블록 탈형성이 좋지 않으며, 가압성형시 공기가 빠질 수 없게 되어, 에어를 포함한 이른바 적층 상태의 블록이 성형되어 에어를 포함한 층 영역에서 균열이 발생하기 때문이다. 또한, 가압성형시 과잉 투입된 물의 탈수가 발생하는 과정에서 함유된 액상 고화제의 손실을 방지할 수 있기 때문이다.
상기 S3단계는 상기 가압성형된 블록을 양생하는 단계이다.
가압성형된 블록은 상온의 실내에서 약 24시간동안 양생시키고 이후 옥외에 적치하여 자연 양생시킨다. 실내양생 과정에서 액상 고화제에 의한 수화반응이 촉진되어 시멘트와 미립폐기물, 중금속이 강하게 결합하는 동시에 기능성 고화제의 조기고화 반응에 의해 블록이 강하게 고화한다.
보다 상세하게 설명하면, 양생 반응 초기의 고화작용시 우선 친화성 CaO의 수화 반응에 의해 피 고화체의 입자를 이온 응고시켜 분자의 특성을 조기에 발현시킨다. 이 수화반응에 의해 생성되는 에트링가이트는 3CaOㆍAl2O3ㆍ3CaSO4ㆍ32H2O의 분자식을 가진 침상결정의 수화물로서, 피 고화체의 입자 간에 가교를 형성함으로써 높은 고화 강도를 얻는다. 이 에트링가이트의 생성 반응에 의해 일정한 반응 속도가 확보되어 급격한 초기 강도 진행을 억제해 리플렉션 크랙의 발생을 방지하고 피 고화체의 조직을 치밀하게 한다.
반응 중기 이후에서는 시간 경과에 따른 변화와 함께 소수성의 CaO의 수화 반응에 의해 발생한 Ca(OH)2이 피 고화체에 포함되는 반응성의 큰 Al2O3에 반응하여 CaOㆍSiO2ㆍH2O 및 CaOㆍAl2O3ㆍH2O를 생성해 장기간에 걸친 포졸란 반응에 의한 중장기 고화강도를 증대시킨다.
또한, 상기 액상 고화제는 미량의 할로겐 이온과 적당량의 인(P) 이온을 함유하기 때문에, 시멘트의 수화 반응을 저해하는 중금속 이온이나 후민산 등의 유해 유기물 등도 수화 반응 초기에 Occlude되어 조기에 고화 반응을 진행시킨다. 이 할로겐 이온은 수화 반응 중에 전량이 고화에 기여하기 고정화되기 때문에 고화 후에는 용출에 따른 아무런 2차 공해 문제를 해소할 수 있다.
또한, 이온화된 무기금속원소는 슬러지 소각재의 유기질 성분과 공유 결합하고 있으므로, 시멘트 내의 칼슘이 유기질에 흡착되지 않고 양호한 수화 반응을 일으키도록 유도한다. 또한, 상기 무기금속원소는 악취 발생 성분도 흡착하므로 악취를 제거하는 역할도 수행한다.
이하에서는 본 발명에 따른 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법을 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
먼저, 소각 바닥재 60중량부와, 시멘트 20중량부와, 보강재(골재) 20중량부로 이루어지는 고화대상물을 정량공급장치를 이용하여 각각 계량하여 혼합장치에 투입한 후, 충분히 혼합한다. 이때, 소각 바닥재는 하수 슬러지 소각재를 850℃에서 소각한 것을 사용하였다.
다음으로, 상기 시멘트 20중량부에 대하여 3%(실시예 1-1), 5%(실시예1-2), 7%(실시예 1-3)에 해당하는 액상 고화제를 각각 10중량부의 물과 혼합하여 상기 혼합장치에 투입한다. 이때, 상기 액상 고화제에는 NH4 4중량%, Cl 15중량%, K2 14중량%, CO3 12중량%, Na 22중량%, HPO3 29중량%, CaO 4중량%로 이루어진 조성물에 물을 혼합한 것이다.
그 다음으로, 상기 블록 조성물을 프레스기의 금형에 공급하여 가압성형한다.
그 다음으로, 상기 가압성형된 블록을 금형에서 탈형하여, 별도의 증기나 가압 등의 별도 양생 조건 없이 처리하는 실내 양생실에 반입하여 24시간 동안 1차양생한 후, 옥외에서 14일 동안 자연 양생하여 블록 제조를 완료하였다.
상기 실시예 1(실시예 1-1, 1-2, 1-3)에서 소각 바닥재 및 시멘트를 각각 55중량부 및 25중량부를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 블록을 제조하였다.
상기 실시예 1(실시예 1-1, 1-2, 1-3)에서 소각 바닥재 30중량부를 사용하고, 소각 비산재 30중량부를 추가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 블록을 제조하였다.
상기 실시예 3에서 소각 바닥재 27.5중량부와 소각 비산재 27.5중량부 및 시멘트 25중량부를 사용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 블록을 제조하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 소각 바닥재 12중량부를 사용하고, 소각 비산재 48중량부를 추가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 블록을 제조하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 2에서 소각 바닥재 11중량부를 사용하고, 소각 비산재 44중량부를 추가한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 블록을 제조하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1에서 소각 바닥재 60중량부 대신 소각 비산재 60중량부를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 블록을 제조하였다.
[비교예 4]
상기 실시예 2에서 소각 바닥재 55중량부 대신 소각 비산재 55중량부를 사용한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 블록을 제조하였다.
이하에서는 상기 실시예 및 비교예를 통해 제조한 블록의 물리, 화학적 물성을 측정한 결과를 토대로 본 발명을 설명하도록 한다.
(1)압축강도 및 흡수율 시험
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조한 블록의 압축강도 및 흡수율을 측정하고 이를 표 2에 정리하였다.
구분
 액상고화제 미사용 액상 고화제(3%) 액상 고화제(5%) 액상 고화제(7%)
압축강도
(MPa)		 흡수율
(%)		 압축강도 흡수율 압축강도 흡수율 압축강도 흡수율
실시예 1 21.7 11.7 31.6 8.3 36.0 6.9 34.7 7.1
실시예 2 29.6 10.2 40.8 7.6 45.2 6.2 43.6 6.5
실시예 3 19.4 15.3 28.6 11.9 33.4 9.0 32.8 9.2
실시예 4 25.0 11.2 31.2 9.5 37.2 7.8 39.0 8.1
비교예 1 18.2 17.9 27.4 14.1 28.2 11.4 29.6 11.8
비교예 2 18.7 16.4 32.4 13.2 34.2 10.5 34.0 11.0
비교예 3 14.2 24.8 22.4 19.9 26.2 16.3 26.0 15.9
비교예 4 15.6 20.7 27.1 17.4 30.4 13.8 28.2 13.4
표 2를 살펴보면, 액상 고화제를 사용하지 않은 블록보다 액상 고화제를 사용한 경우에 압축강도는 높고, 흡수율은 낮아진다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 액상 고화제와 시멘트 함량이 증가할수록 압축강도는 증가하고 흡수율은 낮아지는 경향이 있다는 것을 확인할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 액상 고화제가 블록의 치밀화가 기여했기 때문이다.
또한, 실시예 1, 2와 같이 소각 바닥재만을 사용하거나, 실시예 3, 4와 같이 소각 바닥재와 소각 비산재를 1 : 1 중량비로 사용한 경우에는 KS L 4201(1종 점토벽돌)에서 규정하는 압축강도와 흡수율의 기준치를 동시에 만족하게 된다.
(* KS L 4201 : 압축강도 25MPa 이상, 흡수율 10% 이하)
그에 반해, 비교예 1, 2와 같이 소각 바닥재와 소각 비산재를 동시에 사용하되, 소각 비산재의 양이 소각 바닥재에 비해 과량인 경우에는 압축강도는 기준치 이상이지만, 흡수율은 기준치에서 미달된다. 그리고 비교예 3, 4와 같이 소각 바닥재를 사용하지 않고 소각 비산재만을 사용하는 경우에도 대체로 압축강도는 양호하지만 흡수율은 기준치에서 미달한다는 것을 확인할 수 있다.
정리하면, 소각 비산재의 양이 증가할수록 압축강도가 감소하고 흡수율이 증가하는 이유는, 소각 비산재는 소각 바닥재보다 분말도가 약 4~5배 정도 크기 때문에 소각재 입자표면과 반응하는 시멘트나 액상 고화제의 양이 소각 바닥재에 비해 상대적으로 부족하여 경화반응이 충분히 일어나지 않기 때문이다.
(2) 중금속 용출 시험
표 4는 실시예 1 및 비교예 3에서 각각 제조한 블록의 중금속 용출 시험을 시행하여 그 결과를 정리한 것이다.
시험항목
 단위
 시험방법
 시험결과
실시예 1(실시예 1-2) 비교예 3(비교예 3-2)
Pb
mg/kg		 폐기물공정 시험기준(환경부 고시 제2014-31호) 불검출(정량한계 0.04) 불검출
Cd 불검출(정량한계 0.007) 불검출
Cr6+ 불검출(정량한계 0.002) 불검출
Hg 불검출(정량한계 0.0005) 불검출
상기 표 3을 참조하면, 실시예 1과 비교예 3과 같이 액상 고화제를 사용하는 경우에는 중금속용출이 이루어지지 않게 되는데, 그 이유는 액상 고화제에 함유된 미량의 할로겐 이온 및 인 이온과 소각재에 함유된 중금속이 수화반응 초기에 교합(Occlude)되면서 생성되는 수화물 중에 고정화되어 용출이 어려운 상태로 되기 때문이다. 즉 할로겐 이온과 중금속 이온은 수화 반응 중에 전량 고화(경화) 반응에 기여하고 고화 후에는 용출에 따른 이차 공해가 발생하지 않는다.
(3) 동결융해 저항성 시험
표 4는 실시예 및 비교예에서 제조한 블록의 동결융해 저항성 시험을 시행하여 그 결과를 정리한 것이다.

구분
시험방법		 겉모양
 압축강도(MPa)
시험 전 시험 후
실시예 1 동결과 융해를 200cycle 반복 이상없음 36.0 33.7
실시예 2 이상없음 45.2 44.8
실시예 3 이상없음 33.4 29.2
실시예 4 이상없음 37.2 31.5
비교예 1 파괴 28.2 -
비교예 2 파괴 34.2 -
비교예 3 균열 26.2 -
비교예 4 균열 30.4 -
상기 표 4를 참조하면, 실시예 1, 2 및 실시예 3, 4의 경우에만 파괴 또는 균열이 없었으며, 시험 후 압축강도가 소폭으로 저하된 반면, 비교예 1, 2는 동결융해 시험으로 파괴되고, 비교예 1, 2의 경우에는 균열이 생겼다.
이와 같이, 비교예 1 내지 4와 같이 파괴 또는 균열이 발생한 이유는 소각 비산재의 사용량이 증가하면서 흡수율이 높아졌기 때문이다.
결론적으로, 본 발명의 실시예 1, 2과 같이 소각 바닥재를 주성분으로 하거나, 또는 실시예 3, 4와 같이 소각 바닥재와 소각 비산재가 같이 사용하는 경우에는 ①압축강도 ②흡수율 ③동결융해 저항성 시험시 모두 소정 기준치를 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나, 비교예 1 내지 4에서는 ①압축강도 ②흡수율 ③동결융해 저항성 시험시 적어도 하나의 항목에 대하여 기준치에 미달되는 결과가 나온다는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 하수 슬러지를 소각하여 얻는 전체 슬러지 소각재 총 중량에서 소각 바닥재는 20%에 그치고, 소각 비산재는 80%에 이른다는 점을 고려하면, 실시예 3, 4와 같이 소각 바닥재와 함께 소각 비산재를 사용하되 그 중량비를 1 : 1로 조정함으로써, 우수한 물성을 가짐과 동시에 비산재의 사용량을 최대로 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명과 같이 액상 고화제를 시멘트 중량의 3~7%를 사용하는 경우에 치밀한 구조를 가지며 물성이 우수한 블록을 제조할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부한 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 슬러지 소각재를 이용한 건축용 조성물에 있어서,
    슬러지 소각재 50~60중량부와, 시멘트 20~30중량부와, 보강재 10~20중량부로 이루어지는 고화대상물과;
    상기 시멘트 총중량에 대하여 3~7중량%의 액상 고화제와;
    상기 고화대상물 총중량에 대하여 8~12중량%의 물;로 구성되며,
    상기 액상 고화제는 할로겐 이온과, 인 이온과, 산화칼슘(CaO)을 포함하되, 암모늄 이온과, 칼륨 이온과, 탄산 이온과, 나트륨 이온을 더 포함하고,
    상기 할로겐 이온은 염소 이온인 것을 특징으로 하는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬러지 소각재는 소각 바닥재, 또는 소각 바닥재와 소각 비산재가 혼합된 것을 특징으로 하는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬러지 소각재는 상기 소각 바닥재와 소각 비산재가 1 : 0.5~1의 중량비로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 소각재를 이용한 블록 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법에 있어서,
    슬러지 소각재 50~60중량부와, 시멘트 20~30중량부와, 보강재 10~20중량부로 이루어지는 고화대상물 및 상기 시멘트 총중량에 대하여 3~7중량%의 액상 고화제를 혼합하여 블록 조성물을 마련하는 S1단계와;
    상기 블록 조성물을 가압성형하는 S2단계와;
    상기 가압성형된 블록 조성물을 양생하여 블록을 제조하는 S3단계;를 포함하며,
    상기 액상 고화제는 할로겐 이온과, 인 이온과, 산화칼슘(CaO)을 포함하되, 암모늄 이온과, 칼륨 이온과, 탄산 이온과, 나트륨 이온을 더 포함하고,
    상기 할로겐 이온은 염소 이온인 것을 특징으로 하는 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 슬러지 소각재는 소각 바닥재와 소각 비산재가 1 : 1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 슬러지 소각재를 이용한 블록 제조방법.
  10. 삭제
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