KR101476739B1 - 경량골재의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재활용이 어려운 마그네슘 제련 부산물과 플라이 애쉬를 이용한 경량골재 조성물 및 이를 이용하여 물성이 뛰어난 경량골재의 제조방법을 위하여, 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬의 혼합물을 형성하는 단계, 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체를 소성하여 경량골재를 형성하는 단계를 포함하는, 경량골재의 제조방법을 제공한다.

Description

경량골재의 제조방법{Method for fabrication of light weight aggregate}

본 발명은 경량골재의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 폐기물을 이용한 경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 시멘트의 지속적인 내수 감소로 수익성이 감소함에 따라 비용절감을 위한 업체들의 자구책 일환으로 시멘트 원료 및 연료에 대한 폐기물ㅇ부산물 사용량 증대 및 생산성을 높이기 위한 노력이 이루어지고 있으며 국내·외적으로 폐기물ㅇ부산물에 대한 사용량 증가 추세는 비용절감 차원의 재활용률을 높이기 위한 계속적인 기술개발로 인하여 지속될 것으로 보인다. 최근 폐기물 최종처분장의 잔여용량이 한계에 도달하고 있고, 그 신규 입지 조성도 어렵기 때문에 폐기물 처리 문제에 있어서 이후 시멘트산업에 대한 기대는 점점 커질 것으로 예상되고 있다.

한편, 건축물의 사하중 경감, 단열성 및 방음성을 향상시키기 위한 경량콘크리트가 폭넓게 사용되고 있으며, 상기 경량콘크리트에 활용되는 인공경량골재에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 인공경량골재로 제조 가능한 원료는 팽창점토, 세일(shale), 슬레이트(slate) 등이 있으며, 이러한 원료들의 화학조성은 소성시 팽창이 용이한 범위 내에 있다.

그러나 이러한 종래의 경량골재의 제조방법에는 원료채취에 한계가 있어 비팽창성 요업원료에 유기 또는 무기물의 발포제를 첨가하는 방안이 강구되기도 하였고, 팽창에 적합한 화학적 조성을 인위적으로 배합하여 제조하는 것을 시도하였으나 경제성이 맞지 않아 쉽게 시도되지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 재활용이 어려운 마그네슘 제련 부산물과 플라이 애쉬를 이용한 경량골재 조성물 및 이를 이용하여 물성이 뛰어난 경량골재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬의 혼합물을 형성하는 단계, 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체를 소성하여 경량골재를 형성하는 단계를 포함하는 경량골재의 제조방법이 제공된다.

상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬의 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 마그네슘 제련부산물과 상기 플라이 애쉬를 용매와 함께 혼합하고 미분쇄하여 분말형태의 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 용매는 증류수, 에틸알코올, 메틸알코올 및 아세톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계는 상기 혼합물을 건조하는 단계 및 상기 건조된 혼합물을 성형몰드에 투입하고 가압하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 성형체를 소성하여 경량골재를 형성하는 단계는 상기 성형체를 1000℃ 내지 1200℃의 온도 구간에서 소성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬는 각각 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO 및 MgO를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일실시예에 따르면, 재활용이 어려운 마그네슘 제련 부산물과 플라이 애쉬를 이용한 경량골재 조성물 및 이를 이용하여 물성이 뛰어난 경량골재의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 경량골재의 제조방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 경량골재의 미세구조를 개략적으로 도시하는 사진이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 경량골재의 미세구조를 개략적으로 도시하는 사진이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 경량골재의 미세구조를 개략적으로 도시하는 사진이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 경량골재의 미세구조를 개략적으로 도시하는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 경량골재의 물성을 개략적으로 도시하는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경량골재를 개략적으로 도시하는 사진이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 경량골재의 제조방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.

본 발명의 실시예들에 따른 경량골재의 제조방법은 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬(fly ash) 의 혼합물을 형성하는 단계(S200), 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계(S300) 및 상기 성형체를 소성하여 경량골재를 형성하는 단계(S400, S500)를 포함한다. 예를 들어, 상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬를 각각 준비하고, 상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬를 혼합하여 혼합물을 형성한다. 형성된 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 적정온도에서 소성하여 경량골재를 제조한다. 상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬는 각각 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO 및 MgO를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 마그네슘 제련부산물은 SiO2 29.1wt%, Al2O3 1.1wt%, Fe2O3 4.07wt%, CaO 62.3wt% 및 MgO 1.14wt%를 포함하고, 상기 플라이 애쉬는 SiO2 54.1wt%, Al2O3 26.9wt%, Fe2O3 6.09wt%, CaO 6.79wt%, MgO 1.02wt%, TiO2 1.11wt% 및 K2O 1.38wt%를 포함할 수 있다.

상기 마그네슘 제련부산물은 마그네슘 원료로부터 마그네슘을 제련하여 마그네슘 용탕을 형성하는 단계, 상기 마그네슘 용탕으로부터 마그네슘 제련 슬래그를 분리하는 단계를 거쳐 형성할 수 있다. 선택적으로, 상기 마그네슘 제련부산물은 상기 마그네슘 제련 슬래그를 급속 냉각하여 수화 반응성을 가지는 β-C2S결정상을 형성하는 단계를 더 거쳐 형성될 수도 있다.

한편, 상기 마그네슘 제련부산물은 제련 공정에서 발생되는 마그네슘 제련 슬래그뿐만 아니라, 마그네슘을 포함하고 있는 원료로부터 제조될 수 있다.

마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬의 혼합물을 형성하는 단계(S200)는 상기 마그네슘 제련부산물과 상기 플라이 애쉬를 용매와 함께 혼합하고 미분쇄하여 분말형태의 혼합물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 마그네슘 제련부산물의 분말입도는 미세할수록 바람직하나 상기 플라이 애쉬의 입도가 1 ~ 2㎛ 정도인 점을 고려하여, 상기 마그네슘 제련부산물과 상기 플라이 애쉬의 혼합물은 그 입도가 1 ~ 3㎛ 크기가 되도록 미분쇄될 수 있다.

미분쇄하는 단계는 상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬가 각각 따로 수행되거나, 상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬가 혼합된 상태에서 수행될 수 있다. 상기 미분쇄 단계는 습식 분쇄공정을 포함할 수 있고, 용매로는 증류수, 에틸알코올, 메틸알코올 및 아세톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 용매는 상기 군으로부터 두 개 이상 선택되어 질 수 있다. 또한, 상기 미분쇄 단계는 볼밀, 유성밀 등의 분쇄장치에서 수행될 수 있다.

혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계(S300)는 상기 혼합물을 건조하는 단계 및 상기 건조된 혼합물을 성형몰드에 투입하고 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 습식 분쇄공정을 거친 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬 혼합물을 적정온도에서 적정시간으로 건조시킨 후, 상기 혼합물을 성형몰드에 담아 1축 및 등방가압에 의하여 성형체를 제조한다. 제조된 상기 성형체는 성형몰드의 형상에 따라, 동그란 모양, 네모난 모양 등으로 제조될 수 있다.

성형체를 소성하여 경량 골재를 형성하는 단계(S400, S500)는 상기 성형체를 1000℃ 내지 1200℃의 온도 구간에서 소성하는 단계를 포함할 수 있다. 1000℃ 내지 1200℃의 온도 구간에서 소성공정을 수행하면, 균일한 미세 기공구조를 가지며, 밀도가 낮은 경량골재(도 5 참조)가 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 경량골재의 제조방법에 대한 실시예들은 아래와 같이 설명할 수 있다.

(실시예 1)

본 발명의 실시예 1에 따른 경량골재의 제조방법에서는, 90wt% 마그네슘 제련 부산물과 10wt% 플라이 애쉬를 준비하고, 상기 90wt% 마그네슘 제련 부산물과 10wt% 플라이 애쉬에 용매로 증류수를 사용하며, 유성밀을 이용하여 100 ~ 400rpm의 속도로 16시간 동안 습식분쇄 하였다. 이 때, 분쇄 혼합된 분말은 오븐을 이용하여 60℃에서 24시간 건조하였다. 건조된 분말은 40 메쉬(mesh) 체를 이용하여 체거름을 하고, 체거름된 분말을 성형몰드에 넣어 가압프레스 방법으로 성형체를 제조하였다. 상기 제조된 성형체를 전기로를 이용하여 1100℃에서 2시간 동안 소성공정을 거쳐 경량골재를 제조한다. 승온속도는 분당 1 ~ 20℃ 조건하에서였다.

상기 실시예 1에서 제조된 경량골재는 밀도 1.60g/cm3, 기공율 47.1% 및 열팽창계수 11.9×10-6/℃를 가지며, 상기 실시예 1에서 제조된 경량골재의 외관 및 미세구조는 도 2a, 2b 및 도 5를 참조할 수 있다. 도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 경량골재의 미세구조를 개략적으로 도시하는 사진이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경량골재를 개략적으로 도시하는 사진이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 경량골재는, 도 5를 참조하면 네모난 형상으로 제조될 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 경량골재의 형상은 성형몰드의 형상에 따라 그 형상이 변형될 수 있다. 예를 들어, 동그란 모양, 세모난 모양 등의 형상으로 제조 될 수 있으며, 너비 및 두께 등을 원하는 형상으로 제조할 수 있다.

도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 90wt% 마그네슘 제련 부산물과 10wt% 플라이 애쉬 조성으로 형성된 경량골재는 기공이 균일하게 형성된 미세구조를 포함하고 있는 것을 알 수 있다. 기공이 균일하게 형성된 미세구조를 포함하는 경량골재는 우수한 물성을 지닌다. 예를 들어, 균일한 기공이 형성됨으로써, 경량골재의 비중이 작아지고, 보온성 및 차음성 등이 우수한 물성을 가지게 된다. 이러한 경량골재는 수송비 절감, 건축물의 경량화에 따르는 철근ㅇ철골의 절약, 고층화에 따른 토지 이용도 증가 등의 효과가 있다.

(실시예 2)

본 발명의 실시예 2에 따른 경량골재의 제조방법은, 50wt% 마그네슘 제련 부산물과 50wt% 플라이 애쉬를 준비하고, 상기 50wt% 마그네슘 제련 부산물과 50wt% 플라이 애쉬에 용매로 증류수를 사용하며, 유성밀을 이용하여 100 ~ 400rpm의 속도로 16시간 동안 습식분쇄 하였다. 이 때, 분쇄 혼합된 분말은 오븐을 이용하여 60℃에서 24시간 건조하였다. 건조된 분말은 40메쉬(mesh) 체를 이용하여 체거름을 하고, 체거름된 분말을 성형몰드에 넣어 가압프레스 방법으로 성형체를 제조하였다. 상기 제조된 성형체를 전기로를 이용하여 1100℃에서 2시간 동안 소성공정을 거쳐 경량골재를 제조한다. 승온속도는 분당 1 ~ 20℃ 조건하에서였다.

상기 실시예 2에서 제조된 경량골재는 밀도 1.70g/cm3, 기공율 49.2% 및 열팽창계수 7.4×10-6/℃를 가지며, 상기 실시예 2에서 제조된 경량골재의 미세구조는 도 3a 내지 도 3b를 참조할 수 있다. 도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 경량골재의 미세구조를 개략적으로 도시하는 사진이다.

도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 50wt% 마그네슘 제련 부산물과 50wt% 플라이 애쉬 조성으로 형성된 경량골재는 균일하게 형성된 기공을 포함하고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 1에서 제조된 경량골재와 비교하였을 때, 기공이 상기 실시예 1에서 제조된 경량골재 보다 상기 실시예 2에서 제조된 경량골재가 더 균일하게 형성된 것을 알 수 있었으며, 이로 인한 물성 또한 더 우수한 것을 알 수 있었다.

그 외의 경량골재의 외관 및 다른 효과 등에 대한 내용은 실시예 1에서 도 2a, 2b 및 도 5를 참조하여 이미 설명하였으므로 여기에서는 생략한다.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 경량골재의 물성을 개략적으로 도시하는 사진이다.

도 4를 참조하면, 그래프의 x축은 기공의 크기를 나타내며, y축은 증분기공면적을 나타낸다. 실시예 1과 실시예 2의 그래프를 비교해보면, 90wt% 마그네슘 제련 부산물과 10wt% 플라이 애쉬 조성을 갖는 실시예 1 보다 50wt% 마그네슘 제련 부산물과 50wt% 플라이 애쉬 조성을 갖는 실시예 2가 더 균일한 기공의 크기를 갖고, 저밀도이며, 기공율 및 열팽창계수가 우수한 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예를 따르는 경량골재의 제조방법은, 상술한 실시예 1 내지 실시예 2에서의 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬의 조성에 한정되지 않으며, 분쇄방법, 소성시간, 소성온도 및 용매의 종류 등 또한 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 실시예를 따르는 경량골재의 제조방법은 종래발명과 비교하였을 때, 종래의 발명은 원료채취에 한계가 있고 비팽창성 요업원료에 유기 또는 무기물의 발포제를 첨가하는 방안이 강구되기도 하였지만, 팽창에 적합한 화학적 조성을 인위적으로 배합하여 제조하는 것에서 경제성이 맞지 않아 쉽게 시도되지 못하는 단점이 있었다. 그러나 본 발명의 경량골재의 제조방법은 처리 및 재활용이 어려운 마그네슘 제련 부산물 및 미연소 탄소에 의한 강열감량이 커서 활용률이 매우 낮은 플라이 애쉬를 이용하여 비중이 낮고 흡수 특성 및 강도 특성이 탁월한 고부가성 경량골재를 제조할 수 있다. 특히, 각종 유해물질을 소결 및 일부 용융 고정화함으로써 친환경적, 경제적 재활용이 가능한 효과가 있다. 그리고 무기성 폐기물을 이용하기 때문에 경량골재의 제조비용이 현저하게 감소된다. 또한 경량골재용 조성물에 발포제로서 폐석고가 함유되어 있기 때문에 발포가 활발하여 물성이 좋다. 소성을 1,000 ~ 1,200℃의 온도에서 120분간 수행함으로써, 충분한 소결 및 발포가 일어나고 이에 따라 골재의 흡수율 및 비중이 낮게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬의 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및
    상기 성형체를 소성하여 경량 골재를 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 마그네슘 제련부산물은 마그네슘 제련 슬래그를 급속 냉각하여 수화 반응성을 가지는 β-C2S 결정상이 형성된, 경량골재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그네슘 제련부산물과 플라이 애쉬의 혼합물을 형성하는 단계는, 상기 마그네슘 제련부산물과 상기 플라이 애쉬를 용매와 함께 혼합하고 미분쇄하여 분말형태의 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는, 경량골재의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용매는 증류수, 에틸알코올, 메틸알코올 및 아세톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는, 경량골재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계는
    상기 혼합물을 건조하는 단계; 및
    상기 건조된 혼합물을 성형몰드에 투입하고 가압하는 단계;
    를 포함하는, 경량골재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 성형체를 소성하여 경량골재를 형성하는 단계는 상기 성형체를 1000℃ 내지 1200℃의 온도 구간에서 소성하는 단계를 포함하는, 경량골재의 제조방법.
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