KR101544494B1 - 알칼리 활성화 결합재 코팅에 의해 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법 - Google Patents

알칼리 활성화 결합재 코팅에 의해 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알칼리 활성화 결합재 코팅에 의해 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 모르타르 또는 페이스트 부착으로 인해 흡수율이 높은 건축폐기물에 대하여, 건축폐기물의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재 표면에, 알칼리 활성화제에 의해 활성화된 고로슬래그 미분말 및 플라이애시로 이루어진 결합재를 코팅하여, 3% 미만의 흡수율(water absorption)을 충족하는 순환골재의 제조방법을 제공하고, 본 제조방법은 건축폐기물의 파쇄단계의 공정수를 줄이면서 흡수율을 효율적으로 낮출 수 있다. 나아가, 상기 제조방법으로부터 얻어진 순환골재는 낮은 흡수율로 인해 내구성이 확보되어 콘크리트용도로 유용하다.

Description

알칼리 활성화 결합재 코팅에 의해 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF RECYCLED AGGREGATE IMPROVED WATER ABSORPTION BY COATING ALKALI-ACTIVATED BINDER}
본 발명은 알칼리 활성화 결합재 코팅에 의해 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모르타르 또는 페이스트 부착으로 인해 흡수율이 높은 건축폐기물에 대하여, 통상의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재 표면에, 알칼리 활성화제에 의해 활성화된 고로슬래그 미분말 및 플라이애시로 이루어진 결합재를 코팅하여, 흡수율(water absorption)을 3% 미만으로 낮춤으로써, 건축폐기물의 파쇄단계의 공정수를 줄이면서 콘크리트용 수준의 순환골재의 제조방법에 관한 것이다.
현재 노후 시설물 증가에 따라 건설폐기물 발생량은 국가 총 발생 폐기물의 51.2%를 차지하며 매년 지속적으로 증가하고 있다.
이에, 폐콘크리트를 포함한 건설폐기물은 현재 재활용이 시도되고 있으나, 2009년 보고에 따르면, 건설폐기물의 약 76.3%(5,103만톤)를 순환골재로 생산되고 있으며, 생산된 순환골재를 콘크리트 및 콘크리트 제품용으로는 약 7.7%가 사용될 뿐, 나머지 대부분은 도로보조 기층용, 성토용/복토용 등으로 품질 수준이 낮은 용도로 활용되고 있다.
건설폐기물로부터 순환골재의 재활용 기술은 콘크리트 제품용도 수준까지 올리기 위한 연구는 오래전부터 꾸준히 시도되어 왔다. 1940년 벨기에 연구진(Purdon)은 고로슬래그 미분말과 수산화나트륨, 수산화칼슘을 이용한 무시멘트에 대한 연구결과를 발표한 바 있고, 1957 구소련의 연구진(Glukhovsky)에 의해서는 점토, 고로슬래그 미분말과 알칼리 활성화제를 이용한 새로운 형태의 시멘트인 “소일 시멘트(soil cement)"를 제안한 바 있다.
1978년 프랑스의 연구진(Davidovits)은 메타카오린을 주재료로 알칼리 용액으로 활성화하여 제올라이트와 유사한 구조의 재료를 개발하고, 상기 재료에 대해, 무기질인 알루미나-규산염을 중합반응(polymerization)에 의해 생성하고 고분자와 유사한 3차원 구조를 가지기 때문에 지오폴리머(geopolymer)로 명명하였다.
알칼리 활성화재는 알루미나 규산염과 알칼리 용액(일반적으로 alkali hydroxide/ alkali silicate solution)과의 반응에 의해 응결?경화되는 재료로서, 일반적으로 칼슘 함유량에 따라 그 반응이 달라진다.
구체적으로는, 고로슬래그 미분말과 같이 칼슘 함량이 높은 재료는 알칼리 활성화 반응에 의해 시멘트 반응생성물과 유사한 규산칼슘화합물(calcium silicate hydrate)을 생성한다.
또한, 플라이애시, 하소 카오린나이트와 같이 칼슘 함량이 낮은 재료는 알칼리 활성화 반응에 의해 주로 비정질 규산알루미늄화합물(alkali aluminosilicate)을 생성한다. 이때, 보통 반응성이 낮아서 상온에서 반응이 매우 느리기 때문에 온도를 올려 양생한다.
즉, 폐콘크리트를 포함한 건축폐기물로부터 생산된 순환골재를 재생 콘크리트 제품용으로 재활용하는 기술은 이전에도 많은 검토가 있었지만, 원골재에 부착하고 있는 경화 시멘트분의 영향으로 인해, 순환골재는 천연골재보다 흡수율이 높기 때문에, 순환골재를 이용한 재생 콘크리트는 품질적으로 떨어진다.
이러한 순환골재는 업체의 설비능력에 따라 얻어지는 순환골재의 품질이 매우 달라질 수 있고, 그에 따라 사용 용도도 달라진다.
순환골재의 생성공정을 개략적으로 살펴보면, 수집된 건설폐기물을 파쇄기에 의해 1차 파쇄한 후 전자석 자선기에 의해 고철을 분리 배출하고, 그 후 송풍과 회전으로 토사 및 이물질을 분리 배출한 후, 스크린에 의해 폐목재류 및 각종 쓰레기를 분리 배출하고, 그 후 제2차 및 제3차 파쇄기에 의해 파쇄하여, 선별기에 의해 다양한 크기의 순환골재를 생성한다.
이에, 폐콘크리트를 포함한 건설폐기물을 파쇄하여 순환골재를 생산하는데 있어서 골재 표면에 부착되어 있는 모르타르 또는 페이스트분(粉)을 제거하기 위한 공정으로서, 한국 건설순환자원 학회의 자료에 따르면,
1 단계 파쇄설비: 성토/복토용 제한적 생산 가능
2 단계 파쇄설비: 도로보조 기층용까지 생산 가능하지만 주로 성토용/복토용으로 활용
3 단계 파쇄설비: 도로보조 기층용 이상 생산 원활
4 단계 파쇄설비: 콘크리트용 생산으로 활용될 수 있다.
즉, 현재 회수된 순환골재를 콘크리트용으로 활용하기 위해서는 흡수율이 3% 미만이어야 하는데, 폐콘크리트를 포함한 건설폐기물에서 순환골재를 생산하는데 3% 미만의 흡수율을 구현하기 위해서, 국내에서는 기본적으로 4단계 이상의 파쇄를 진행한다.
그러나 파쇄단계가 증가할수록 처리비용이 높아지고, 순환골재를 생산하는데 많은 부산물(미분)이 발생하게 되어, 콘크리트용 순환골재의 생산이 매우 미비한 실정이다.
이에, 대한민국특허 제831074호에서는 폐콘크리트 및 폐아스팔트 등의 건설폐기물을 여러 단계의 공정을 순차적으로 거치면서 적정 입도로 생성되는 순환골재 표면에 유화 아스팔트를 도포하여 코팅함으로써 3% 미만의 흡수율을 유지시키고, 유화아스팔트가 도포된 순환골재 표면에 석분을 도포하여 순환골재의 품질을 높인다는 보고되어 있다.
이처럼 폐콘크리트를 포함한 건축폐기물을 부가가치가 높은 콘크리트용 순환골재로 생성하기 위해서는 4단계 이상의 파쇄를 거쳐야 하므로, 생성되는 콘크리트용 순환골재의 회수율이 낮고, 한편으로는 단계증가에 따라 처리가 어려운 미분의 양 역시 증가하는 문제가 있다. 따라서, 파쇄단계가 올라갈수록 설비 이용에 따른 비용 상승과 미분생성으로 인한 콘크리트용도에 적합한 순환골재의 생산량에 도달하기에 어려운 실정이다.
이에, 본 발명자들은 모르타르 또는 페이스트 부착으로 인해 흡수율이 높은 건축폐기물로부터 원하는 수준의 순환골재를 생산하는 공정을 개선하고자 노력한 결과, 통상의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재 표면에, 알칼리 활성화제에 의해 활성화된 고로슬래그 미분말 및 플라이애시로 이루어진 결합재를 코팅하여 흡수율이 낮출 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 모르타르 또는 페이스트 부착으로 인해 흡수율이 높은 건축폐기물로부터 콘크리트용으로 적합하도록 흡수율이 낮은 순환골재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 건축폐기물의 파쇄단계에서 예비파쇄된 순환골재 표면에, 알칼리 활성화 결합재를 코팅하여 흡수율을 낮춘 순환골재의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 1) 고로슬래그 미분말 30∼100중량% 및 플라이애시 0∼70중량%로 이루어진 결합재를 알칼리 활성화제로 활성화시키고, 2) 상기 알칼리 활성화 결합재와 건축폐기물의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재를 혼합기에서 혼합하여 상기 순환골재의 표면을 알칼리 활성화 결합재로 코팅하고, 3) 이후 양생하는 것으로 이루어진 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1)에 있어서, 알칼리 활성화제는 수산화나트륨(NaOH) 또는 규산나트륨(SiO2/Na2O)에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태이며, 더욱 구체적으로는 상기 알칼리 활성화제에서 전체 알칼리 활성화 결합재 대비, 산화나트륨(Na2O) 4∼10중량%가 함유되고, 규산나트륨(SiO2/Na2O)의 몰비가 1.0∼2.0인 것이다.
나아가 상기 산화나트륨(Na2O) 및 규산나트륨(SiO2/Na2O)의 몰비에 따라, 규산나트륨의 첨가량이 결정되고, 상기 규산나트륨에 포함되어 있는 산화나트륨(Na2O) 함량을 제외하고 필요한 산화나트륨(Na2O) 양을 수산화나트륨(NaOH)으로 환산하여 첨가하고, 물의 첨가량을 산출하여 알칼리 활성화제를 결정한다. 이때, 물에 대한 알칼리 활성화 결합재간의 비율(W/B)은 0.2 내지 0.35일 때, 흡수율 3% 미만을 충족한다.
상기 단계 2)은 모르타르 또는 페이스트 부착으로 인해 흡수율이 높은 건축폐기물에 대하여 통상의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재 표면에, 상기 단계 1)에서 준비된 알칼리 활성화 결합재를 코팅하는 공정이다.
이때, 순환골재 및 알칼리 활성화 결합재는 1:0.15 내지 1: 0.25 중량비로 혼합되어 코팅된다.
또한, 상기 단계 2)에서 순환골재의 표면에 코팅될 때, 알칼리 활성화 결합재는 50 내지 150 rpm의 혼합속도로 수행되는 것이 바람직하다.
이에, 단계 2)의 혼합기는 온도 40∼60℃로 유지된 혼합용기와 20∼100rpm의 혼합속도로 설정된 패들이 배치되며, 상기 혼합용기와 패들의 측면 및 바닥면이 적어도 1.0mm 간격이 유지된 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법에서, 단계 3)의 양생은 60∼100℃온도에서 4∼24시간 동안 수행된다.
본 발명의 알칼리 활성화 결합재 코팅에 의해 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법에 따라, 건축물 폐재의 파쇄단계의 공정수를 줄이면서 순환골재의 흡수율을 원하는 수준으로 낮출 수 있다.
이에, 본 발명의 제조방법으로부터 얻어진 순환골재는 낮은 흡수율로 인해 내구성이 확보되어 콘크리트용도로 유용하게 활용될 것이다.
도 1은 본 발명의 알칼리 활성화 결합재에서 슬래그 혼입율(S30)에 대한 알칼리 활성화제 농도별 압축강도의 결과를 도시한 것으로서, (a)는 양생온도 23℃, (b)는 양생온도 70℃ 수행결과이고,
도 2는 본 발명의 알칼리 활성화 결합재에서 슬래그 혼입율(S70)에 대한 알칼리 활성화제 농도별 압축강도의 결과를 도시한 것으로서, (a)는 양생온도 23℃, (b)는 양생온도 70℃ 수행결과이고,
도 3은 본 발명의 알칼리 활성화 결합재에서 슬래그 혼입율에 따른 순환골재의 흡수율 측정결과이고,
도 4는 본 발명의 알칼리 활성화 결합재 중 슬래그 혼입율(S70)에서 Na2O 첨가농도에 따른 응결시간 측정결과이고,
도 5는 본 발명의 알칼리 활성화 결합재 중 슬래그 혼입율(S70)에서 물-결합재비에 따른 응결시간 측정결과이고,
도 6은 본 발명의 제조방법에서 순환골재 및 알칼리 활성화 결합재의 혼합비율에 따른 순환골재의 흡수율 결과이고,
도 7은 본 발명의 제조방법에서 순환골재에 알칼리 활성화 결합재를 코팅시 혼합속도에 따른 순환골재의 흡수율 결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 1) 고로슬래그 미분말 30∼100중량% 및 플라이애시 0∼70중량%로 이루어진 결합재를 알칼리 활성화제로 활성화시키고,
2) 상기 알칼리 활성화 결합재와 건축폐기물의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재를 혼합기에서 혼합하여 상기 순환골재의 표면을 알칼리 활성화 결합재로 코팅하고,
3) 이후 양생하는 것으로 이루어진 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법을 제공한다.
이하, 제조방법의 단계별로 설명하면, 상기 단계 1)에서 결합재는 고로슬래그 미분말 30∼100중량% 및 플라이애시 0∼70중량%로 이루어진 것을 사용한다.
이때, 고로슬래그 혼입량에 따라, 얻어지는 순환골재의 압축강도 및 흡수율에 영향을 미친다.
구체적으로, 결합재에 고로슬래그 혼입량이 30중량% 미만으로 함유되거나 또는 플라이애시가 70중량%를 초과하여 과량 함유되면, 결합재의 강도가 낮아져 3% 이하의 흡수율을 얻지 못하고, 또한 응결시간이 크게 지연되기 때문에 코팅된 순환골재 입자끼리 서로 응집되어 과립상을 제조하기 어려워 바람직하지 않다.
즉, 결합재에서 고로슬래그 혼입량이 30중량%에서 100중량%로 증가할수록 모르타르의 압축강도는 모든 재령에서 증가한다.
도 1은 본 발명의 알칼리 활성화 결합재에서 고로슬래그 혼입율이 30중량%(S30)일 때, 알칼리 활성화제 농도(1.0, 1.5, 2.0)별 모르타르의 압축강도를 측정한 결과로서, (a)는 양생온도 23℃, (b)는 양생온도 70℃ 수행결과이다.
또한, 도 2는 본 발명의 알칼리 활성화 결합재에서 고로슬래그 혼입율이 70중량%(S70)일 때, 알칼리 활성화제 농도(1.0, 1.5, 2.0)별 모르타르의 압축강도 결과로서, (a)는 양생온도 23℃, (b)는 양생온도 70℃ 수행결과이다.
상기 결합재에 알칼리 활성화제 농도(SiO2/Na2O)별 활성화 결과를 보면, 알칼리 활성화제 농도가 증가할수록 압축강도가 증가한다. 특히, 양생온도가 70℃ 수행한 결과, 알칼리 활성화제 농도(SiO2/Na2O) 2.0일 때 현저한 압축강도의 증가결과를 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 알칼리 활성화 결합재에서 고로슬래그 혼입율에 따른 순환골재의 흡수율 측정결과를 도시한 것으로서, 고로슬래그 혼입율 30중량%(S30)인 알칼리 활성화 결합재로 코팅한 경우, 4.32%의 흡수율로 확인됨에 따라, 미코팅된 경우(6.34%)대비 32%의 흡수율 개선효과를 확인할 수 있다. 또한, 고로슬래그 혼입율이 증가할수록, 흡수율은 낮아져 고로슬래그 혼입율 70중량%(S70)일 때, 흡수율은 2.67%로서, 고로슬래그 혼입율과 순환골재의 흡수율은 반비례 관계임을 확인할 수 있다.
상기 단계 1)의 알칼리 활성화제는 수산화나트륨(NaOH) 또는 규산나트륨(SiO2/Na2O)에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태이며, 더욱 구체적으로는 상기 알칼리 활성화제에서 전체 알칼리 활성화 결합재 대비, 산화나트륨(Na2O) 4∼10중량%가 함유되고, 규산나트륨(SiO2/Na2O)의 몰비가 1.0∼2.0인 것이다.
도 4는 본 발명의 알칼리 활성화 결합재 중 슬래그 혼입율(S70)에서 Na2O 첨가농도별 응결시간 측정결과를 도시한 것으로서, Na2O 농도가 2 및 3%일 때 초결시간이 120분 이상이므로, 코팅 후 빠른 경화를 위해서는 Na2O 농도가 4중량%이상을 충족해야 한다. 이때, Na2O 농도가 4중량%일 때, 초결시간은 32분이고, 이후 Na2O 농도가 증가할수록 초결시간이 단축된다.
나아가 상기 산화나트륨(Na2O) 및 규산나트륨(SiO2/Na2O)의 몰비에 따라, 규산나트륨의 첨가량이 결정된다.
또한, 상기 규산나트륨에 포함되어 있는 산화나트륨(Na2O) 함량을 제외하고 필요한 산화나트륨(Na2O) 양을 수산화나트륨(NaOH)으로 환산하여 첨가하고, 물의 첨가량을 산출하여 알칼리 활성화제를 결정한다. 이때, 물에 대한 알칼리 활성화 결합재간의 비율(W/B)은 0.2 내지 0.35로 설계될 때, 흡수율 3% 미만을 충족한다.
도 5는 본 발명의 알칼리 활성화 결합재 중 슬래그 혼입율(S70)에서 물-결합재비(W/B)에 따른 응결시간 측정결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 물-결합재비(W/B)가 작을수록 초결시간이 단축되었으므로, 바람직한 물-결합재비(W/B) 0.2 내지 0.35로 결정된다.
본 발명의 제조방법 중 단계 2)은 모르타르 또는 페이스트 부착으로 인해 흡수율이 높은 건축폐기물에 대하여 통상의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재 표면에, 상기 단계 1)에서 준비된 알칼리 활성화 결합재를 코팅하는 공정이다.
이때, 순환골재 및 알칼리 활성화 결합재는 1:0.15 내지 1: 0.25 중량비로 코팅된다.
도 6은 본 발명의 제조방법에서 순환골재 및 알칼리 활성화 결합재의 혼합비율에 따른 순환골재의 흡수율 결과로서, 알칼리 활성화 결합재의 양이 0.15 중량% 미만으로 코팅되면, 순환골재의 흡수율 개선정도가 미흡하고, 0.25중량%를 초과하면, 농도 비례하여 흡수율은 개선되나, 개선폭이 작으므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 단계 2)에서 순환골재의 표면에 코팅될 때, 알칼리 활성화 결합재는 50 내지 150 rpm의 혼합속도로 수행되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 제조방법에서 순환골재에 알칼리 활성화 결합재를 코팅시 혼합속도에 따른 순환골재의 흡수율 결과를 도시한 것으로서, 혼합속도가 작으면 순환골재의 흡수율이 더욱 개선되나, 50 rpm 미만의 혼합속도로 코팅되면 순환골재가 사로 붙어서 큰 덩어리화되기에 바람직하지 않다.
상기 단계 2)에서 온도 40∼60℃로 유지된 혼합용기와 20∼100rpm의 혼합속도로 설정된 패들이 배치된 혼합기내에서 수행된다.
상기 혼합용기와 패들의 측면 및 바닥면은 적어도 1.0mm 간격이 유지된 것이 바람직한데, 상기 간격을 초과하여 이격되면, 알칼리 활성화재가 혼합용기 표면에 붙는 양이 증가하여 코팅 효율이 저하되고, 순환골재와 알칼리 활성화 결합재 사이의 혼합 균질성을 확보하기 어렵다. 또한, 상기 혼합용기와 패들은 스테인리스 재질이 바람직하다.
본 발명의 제조방법에서, 단계 3)의 양생은 60∼100℃온도에서 4∼24시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 상기 양생온도가 60℃ 미만이면, 알칼리 활성화 결합재의 강도 발현이 늦어져 조기에 흡수율의 개선이 어렵고, 100℃를 초과하면, 급격한 수분증발에 의한 알칼리 활성화 결합재에 미세 균열이 발생하는 문제가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
단계 1: 알칼리 활성화 결합재 제조
알칼리 활성화제의 결정방법은 결합재에 대한 산화나트륨 함량과 SiO2/Na2O의 몰비를 결정하면, 결정된 SiO2/Na2O의 몰비에 따라 규산나트륨의 첨가량을 결정하였다.
구체적으로 결합재 1000g에 대하여, 산화나트륨(Na2O)의 함량은 4중량%이고, SiO2/Na2O의 몰비는 2.0일 때, ① Na2O 양을 구하고(1,000×4중량%=40g (0.645mole)) 상기 Na2O 양에 따라, ② SiO2 함량을 얻었다(Na2O mole×(SiO2/Na2O의 몰비)×SiO2 분자량 = 0.645×2.0×60.09=77.56g).
이에, ③ 규산나트륨의 함량은 77.56/(규산나트륨 중 SiO2 함유율, 28.2중량%)에 따라 275.0g을 얻었다. 이때, 규산나트륨은 Na2O 9.3중량%, SiO2 28.2중량% 및 H2O 62.5중량%로 구성되었다.
상기로부터 ④ 추가로 필요한 산화나트륨(Na2O)의 양은 ①에서 구한 전체 Na2O 양에서 규산나트륨에 함유된 Na2O 양을 뺀(40-(275.0×9.3%)) 14.42g(0.232 mole)을 얻었다.
이에, 상기 ④에서 구한 산화나트륨(Na2O)의 mole×2×NaOH 분자량의 산출식을 통해 ⑤ 수산화나트륨(NaOH)의 함량 18.61g을 얻었다.
또한, ⑥ 물의 양은 전체 소요 물량 - 규산나트륨에 함유된 H2O 의 양을 뺀((1000g ×0.25)-(206.1×62.5%)) 78.1g을 산출하였다. 이때, 물에 대한 결합재 비율(물-결합재비)은 0.25 중량비였다.
단계 2: 순환골재의 제조
한국 건설순환자원 학회의 자료에 준한 2단계 파쇄설비를 거쳐 파쇄된 건축폐기물의 순환골재에 상기 단계 1에서 준비된 알칼리 활성화된 결합제를 코팅하고, 양생하여 흡수율이 저감된 순환골재를 제조하였다.
< 실험예 1> 슬래그 혼입율에 따른 압축강도 발현 특성
실시예 1에서 제시한 알칼리 활성화제 농도 결정방법에 따라, Na2O 함량을 4중량%로 하고, 슬래그 혼입율은 30∼100중량%, 알칼리 활성화제 농도(Ms)를 1.0, 1.5, 2.0으로 설정하고 하기 표 1에 배합비율을 기재하였다. 상기 배합 후 알칼리 활성화 모르타르의 압축강도를 측정하였으며, 이때, 압축강도 배합은 KS L ISO 679에 따라서 결합재: 모래를 1:3으로 배합으로 실험하였다. 이때의 양생온도는 23℃와 70℃에서 각각 24시간 양생하였다.
이에, 슬래그 혼입량 및 알칼리 활성화제 농도(Ms)에 따른 압축강도 결과(㎫)를 하기 표 2에 기재하였다.
Figure 112015012346141-pat00001
Figure 112015012346141-pat00002
상기 표 2의 결과로부터, 결합재에서 슬래그 혼입율이 30중량%에서 70중량%까지는 치환량이 증가할수록 모르타르의 압축강도는 모든 재령에서 증가하였다. 그러나 결합재에서 슬래그 혼입율이 100중량%(S100)인 경우, 재령 28일 강도에서는 수축량의 증가로 인해 강도손실이 발생하였다.
또한, 슬래그 혼입율에 관계없이 알칼리 활성화 결합재 농도(Ms) 2.0에서 가장 높은 강도를 나타내었다. 이에, 규산나트륨 용액에 의해서 공급되는 초기 반응성 실리카(SiO2)의 양이 알칼리 활성화 반응에 매우 중요한 역할을 확인하였다.
< 실험예 2> 슬래그 혼입율에 따른 흡수율 측정
순환골재를 코팅하는 알칼리 활성화 결합재에 있어서, 슬래그 혼입율에 따른 흡수율 개선 효과를 평가하기 위해서, 순환골재와 알칼리 활성화 결합재의 중량비를 1:0.15로 하고, 알칼리 활성화 결합재의 배합을 Na2O 4중량%, 농도(Ms) 2.0, 물-결합재비는 0.25이었다.
또한 혼합용기에서의 혼합속도는 50rpm이었으며, 코팅이 완료된 후 70℃에서 12시간 양생한 후, 상온에서 3일간 보관하였다. 흡수율은 KS F 2503(굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험방법)에 따라 20±5℃의 물속에서의 24시간 흡수율을 측정하고 그 결과를 도 3에 도시하였다.
상기 도 3의 흡수율 측정결과, 알칼리 활성화 결합재의 시편(S30)을 코팅재로 사용한 경우 흡수율은 6.34%에서 4.32%로 저감되어 약 32%의 흡수율 개선효과를 보였다.
또한, 시편(S50)의 경우 2.94%, 시편(S70) 2.67% 및 시편(S100)의 경우 2.88%의 흡수율 개선효과를 확인하였다. 상기 실험결과는 앞서 슬래그 혼입율에 따른 압축강도 발현 특성과 유사한 결과이며, 따라서 슬래그 혼입율에 따라 흡수율이 개선되었으며, 흡수율과 슬래그 혼입율과는 반비례 관계를 확인하였다.
< 실험예 3> 알칼리 활성화 결합재에서 Na 2 O 농도에 따른 응결시간 변화
알칼리 활성화 결합재 중 슬래그 혼입율(S50) 배합에서 Na2O 첨가량에 따라 하기 표 3와 같이 조절하여 시편을 제작하고, 초결 시간의 변화를 측정하였다.
이때, 알칼리 활성화 결합재 농도(Ms)는 2.0이었으며, 물-결합재비는 0.4이었다. 응결시간 측정은 KS L ISO 9597에 따라 측정하고 그 결과를 도 4에 도시하였다.
Figure 112015012346141-pat00003
상기 표 3의 조건에 의한 도 4에 도시된 응결시간 측정 결과, Na2O 2중량% 및 3중량%에서는 초결이 120분 이상으로 관찰되었는데, 순환골재 코팅재로 사용하기에는 코팅 후의 빠른 경화가 일어나지 않아, 코팅된 순환골재가 서로 붙어서 과립을 형성하기 어렵다.
이에, 빠른 반응시간 확보를 위해서는 최소한 Na2O 함량이 3중량% 이상으로 유지해야 함을 확인하였다.
< 실험예 4> 알칼리 활성화 결합재에서 물- 결합재비에 따른 응결시간 변화
알칼리 활성화 결합재 중 슬래그 혼입율(S50) 배합에서 물-결합재비에 따라 응결시간 변화를 측정하기 위하여 하기 표 4에 제시된 바와 같이 시편을 제작하고, 초결 시간의 변화를 측정하였다.
이때, 알칼리 활성화 결합재 농도(Ms)는 2.0이었으며, 물-결합재비는 0.4이었다. 응결시간 측정은 KS L ISO 9597에 따라 측정하고 그 결과를 도 5에 도시하였다.
Figure 112015012346141-pat00004
상기 표 4의 배합에 의해 실시된 도 5의 응결시간 측정 결과, 물-결합재비(W/B)가 작을수록 응결시간이 단축되었다. W/B가 0.2인 경우 초결은 8분이었으며, W/B가 증가할수록 초결은 12, 17, 26, 32분으로 증가되었다.
이에, 순환골재의 흡수율 개선하기 위한 코팅재로 사용하기 위해서는 빠른 반응시간이 필요하기 때문에 알칼리 활성화 결합재의 제조시, 물-결합재비(W/B)는 0.2 내지 0.35가 바람직하다.
< 실험예 5> 순환골재와 알칼리 활성화 결합재 중량비에 의한 순환골재 흡수율 측정
순환골재와 순환골재를 코팅하는 알칼리 활성화 결합재의 중량비는 순환골재 흡수율 개선에 순환골재 코팅 두께를 결정하는 큰 요인이다.
이에, 이러한 순환골재와 알칼리 활성화 결합재간의 혼합비율에 따라 순환골재의 흡수율 개선에 미치는 영향을 관찰하기 위하여, 하기 표 5에 제시된 바와 같이 시편을 제작하였다.
이러한 순환골재 중량대비, 알칼리 활성화 결합재는 0.05 내지 0.25중량비율로 조절하고, 순환골재에 코팅을 실시하였고, 그 결과를 도 6에 기재하였다.
Figure 112015012346141-pat00005
상기 표 4의 배합에 따른 도 6의 결과, 시편(S50) 배합에서는 코팅재료의 양이 가장 작은 1:0.05에서 원순환골재 흡수율 6.34%에서 흡수율이 코팅 두께가 너무 얇아서 약간 개선되었으며, 알칼리 활성화 결합재양이 0.10, 0.15, 0.20 및 0.25로 증가할수록 순환골재의 흡수율은 각각 4.27%, 2.94%, 2.63% 및 2.59%로 개선되었다.
시편(S70) 배합에서도 S50 배합과 동일한 경향을 나타내는데, 순환골재와 알칼리 활성화 결합재의 혼합비가 1:0.25일 경우에는 흡수율의 개선 정도가 작았으나, 알칼리 활성화 결합재양에 비례하여 흡수율이 저감되어 우수한 순환골재의 흡수율 개선효과를 확인하였다.
즉, 이상의 결과로부터, S50, S70 배합에서는 순환골재 대비 알칼리 활성화 결합재의 혼합비율은 코팅재의 0.15이상부터 KS F 2573에서 규정하고 있는 흡수율 3%를 만족하였다.
< 실험예 6> 혼합속도에 따른 순환골재의 흡수율 측정
알칼리 활성화 결합재를 사용하여 순환골재를 코팅하는 경우에 혼합속도는 코팅의 정도 즉, 순환골재 표면에 알칼리 알성화 결합재가 얼마나 밀실하게 코팅되는가를 결정하는 요인이다. 알칼리 활성화 결합재의 코팅에 의한 순환골재 흡수율의 변화를 관찰하기 위하여 혼합속도를 10 내지 150rpm으로 변화시켜 순환골재의 흡수율 변화를 측정하였다.
순환골재와 알칼리 활성화 결합재의 중량비를 1:0.15로 하고, 이때의 알칼리 활성화 결합재의 배합은 Na2O 4%, 농도(Ms) 2.0, 물-결합재비는 0.25로 하였으며, 코팅이 완료된 후 70℃에서 12시간 양생한 후, 상온에서 3일간 보관하였다.
Figure 112015012346141-pat00006
상기 표 6의 배합에 따른 도 7의 결과, 혼합속도에 따라 시편(S50)과 시편(S70) 배합에서 유사한 실험결과를 얻었다. 즉, 혼합속도가 작으면 흡수율은 더 개선되나, 혼합속도 10rpm에서는 코팅된 순환골재가 서로 붙어서 큰 덩어리를 만들기 때문에 바람직하지 않다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 모르타르 또는 페이스트 부착으로 인해 흡수율이 높은 건축폐기물에 대하여, 건축폐기물의 파쇄단계를 통해 적정 입도로 예비파쇄된 순환골재 표면에, 알칼리 활성화 결합재를 코팅하여, 3% 미만의 흡수율을 충족하는 순환골재의 제조방법을 제공하였다.
본 발명의 제조방법은 건축폐기물의 파쇄단계의 공정수를 줄이면서 순환골재의 흡수율을 원하는 수준으로 낮출 수 있었고, 상기 제조방법으로부터 얻어진 순환골재는 낮은 흡수율로 인해 내구성이 확보되어 콘크리트용도로 유용하게 활용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (9)

1) 고로슬래그 미분말 70∼100중량% 및 플라이애시 0∼30중량%로 이루어진 결합재를 알칼리 활성화제로 활성화시켜 알칼리 활성화 결합재를 준비하고,
2) 상기 알칼리 활성화 결합재와 건축폐기물의 파쇄단계를 통해 예비파쇄된 순환골재를 혼합기에서 혼합하여 상기 순환골재의 표면에 알칼리 활성화 결합재를 코팅하되,
상기 코팅시, 예비파쇄된 순환골재와 알칼리 활성화 결합재를 1:0.15 내지 1:0.25 중량비로 혼합하여 수행하고,
상기 코팅시, 예비파쇄된 순환골재에 알칼리 활성화 결합재를 50 내지 100rpm의 혼합속도로 수행하고,
3) 이후 양생하여, 3% 미만의 흡수율(water absorption)을 충족하는 것을 특징으로 하는, 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 1)의 알칼리 활성화제가 수산화나트륨(NaOH) 또는 규산나트륨(SiO2/Na2O)에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태인 것을 특징으로 하는 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 알칼리 활성화제가 전체 알칼리 활성화 결합재 대비, 산화나트륨(Na2O) 4∼10중량%가 함유되고, 규산나트륨(SiO2/Na2O)의 몰비가 1.0∼2.0인 것을 특징으로 하는 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 알칼리 활성화 결합재에서 물에 대한 알칼리 활성화 결합재간의 비율(W/B)이 0.2 내지 0.35인 것을 특징으로 하는 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 혼합기에 온도 40∼60℃로 유지된 혼합용기와 20∼100rpm의 혼합속도로 설정된 패들이 배치된 것을 특징으로 하는 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 혼합용기와 패들의 측면 및 바닥면이 적어도 1.0mm 간격이 유지된 것을 특징으로 하는 흡수율이 개선된 순환골재의 제조방법.
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