KR101566547B1 - 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법 - Google Patents

석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용하여 빠른 경화 시간과 적절한 강도를 가져 토목 건축용으로 적용 가능한 경화체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 있어서, 고로 슬래그, 석분 슬러지, 생석회 및 물을 준비하는 준비 단계; 고로 슬래그 100중량부에 대하여 생석회 분말 2중량부 내지 45중량부, 석분 슬러지 40중량부 내지 230중량부를 혼합한 파우더 100중량부에 대하여 물을 40중량부 내지 60중량부를 혼합하여 페이스트를 생성하는 페이스트 생성 단계; 및 상기 페이스트를 몰드에 담아 23℃이하의 온도와 상대습도를 60 내지 100%의 환경 하에서 경화하여 최종 제품을 제조하는 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법{Structural material manufacturing method using stone powder and blast furnace slag}
본 발명은 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용하여 토목 건축용으로 사용 가능할 정도의 강도를 갖는 경화체를 제조하기 위한 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 관한 것이다.
산업폐기물 중 고로 슬래그는 제강 후에 배출되는 폐기물로 CaO, SiO2, Al2O3 등의 성분을 포함하고 있어 다양한 용도로 활용되고 있다.
예를 들면, 공개특허 제2011-0110623호에는 고로 슬래그(용융 슬래그)를 선별 및 분쇄 가공하여 비료 조성물 또는 시멘트용 혼화제로 사용되는 입자상의 슬래그 중간재를 제조하기 위한 제조공정과 그와 같은 슬래그 중간재의 가공에 사용되는 제조 시스템이 개시되어 있다.
상기 특허의 구체적인 구성은 고로 슬래그(괴재 슬래그)를 숙성하는 숙성공정, 숙성된 고로 슬래그에 포함된 철(Fe)성분을 선별해내는 1,2,3차 선별공정, 철성분이 선별된 고로 슬래그를 파쇄하는 1,2차 파쇄공정, 철성분이 선별된 1,2차 파쇄 슬래그를 선별하여 소망하는 크기의 슬래그 입자를 선별 배출하는 1,2차 입자 선별공정, 1,2차 입자 선별공정에서 선별되지 않은 굵은 슬래그 입자를 재파쇄하거나 에이징처리하는 1,2차 후처리공정 등과 같은 가공공정에 의해 소망하는 크기의 슬래그 중간재를 가공할 수 있는 것을 특징으로 하며, 이러한 구성에 의하여 고로 슬래그의 적극적인 재활용이 가능하도록 하면서 재활용에 따른 경제적인 이점을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고로 슬래그의 완전한 소진(재활용)이 가능하도록 함으로써 철강 폐기물의 처리에 따른 환경부하량을 줄일 수 있는 등의 효과가 있는 것으로 개시되어 있다.
또한, 공개특허 제2002-0070527호에는 폐페트병과 고로슬래그의 미분말을 이용한 경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐페트병의 파쇄입자표면에 고로슬래그의 미분말을 일정두께로 코팅하여 콘크리트나 몰타르용 골재로 사용시 구조체의 내수성 및 내약품성 그리고 내동결용해성 등을 향상시키게 되는 폐페트병과 고로슬래그의 미분말을 이용한 경량골재의 제조방법이 개시되어 있다.
또한, 공개특허 제2003-0008264호에는 고로슬래그를 재료로 한 시멘트 조성물에서 포틀랜드 클링커 대신에 조강형 포틀랜드 시멘트를 사용하여, 종래 고로슬래그 시멘트의 가장 큰 단점인 초기강도를 월등하게 향상시키면서 제조단가를 절감시킨 고로슬래그 시멘트 조성물에 관한 것으로, 조강형 포트랜드 시멘트 47∼51중량%, 고로슬래그 43∼47중량%, 무수석고 2∼5중량%, 석회석 1∼3중량%, 플라이애쉬 0.5∼3중량%를 함유한 구성이 제안되었다.
또한, 공개특허 제2005-0065754호에는 가스상의 휘발성 유기화합물질을 제거 또는 저감하기 위한 흡착제로서 제철공정에서 부산물로 발생되는 고로슬래그를 이용한 흡착제 혹은 필터내의 충진재를 제공함과 아울러 이러한 고로슬래그의 흡착능을 향상시키기 위한 방법을 제공함을 목적으로 하고, 구체적으로 CaO: 3∼40wt%, SiO2: 25∼35wt%, AL2O3: 10∼15wt%, MgO: 7∼8wt%, MnO: 0.3∼0.4wt%, 총 Fe: 0.3∼0.4wt%, TiO2: 1∼1.5wt%, S: 0.5∼1wt% 조성의 고로슬래그 분말로 이루어진 조성물이 제안되었다.
그러나 상기에 개시된 선행기술들은 고로 슬래그가 주재료가 아닌 부재료로 적용되어 다른 물질의 성질을 보강하기 위한 구성으로 활용되고 있으며, 이러한 활용으로는 고로 슬래그의 가격 경쟁력과 자체의 특성을 충분히 활용할 수 없는 단점이 있다.
한편, 석분 슬러지의 경우에는 부순 잔골재를 생산하는 과정에서 생성되는 부산물로 년간 500~600만톤이 생성되지만, 지정 폐기물로 분류되어 매립 및 위탁 처리된다. 그 결과 환경오염과 부순골재 제조업체에 비용 부담을 주고 있다. 또한 일정량의 물을 함유하고 있는 석분 슬러지는 새로운 처리방안이 있더라도 건조, 분쇄 및 고온, 고압양생 공정이 경제성을 만족시키지 못해 대다수가 매립되고 있는 실정이다.
따라서, 산업 폐기물인 고로 슬래그와 석분 슬러지를 활용할 수 있는 새로운 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술들의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용하여 빠른 경화 시간과 적절한 강도를 가져 토목 건축용으로 적용 가능한 경화체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 있어서, 고로 슬래그, 석분 슬러지, 생석회 및 물을 준비하는 준비 단계; 고로 슬래그 100중량부에 대하여 생석회 분말 2중량부 내지 45중량부, 석분 슬러지 40중량부 내지 230중량부를 혼합한 파우더 100중량부에 대하여 물을 40중량부 내지 60중량부를 혼합하여 페이스트를 생성하는 페이스트 생성 단계; 및 상기 페이스트를 몰드에 담아 80℃이하의 온도와 상대습도를 60 내지 100%의 환경 하에서 경화하여 최종 제품을 제조하는 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 고로 슬래그 미분말의 평균 입경은 16 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 석분 슬러지 분말의 평균 입경은 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 성형 단계는 상온 ~ 23℃의 온도와 상대습도를 80 내지 100%의 환경하인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법은 종래 매립되어 처리 비용이 발생하는 석분 슬러지와 활용도가 낮은 고로 슬래그를 이용하여 낮은 제조 단가로 산업적으로 매우 유용하게 적용할 수 있는 토목 건축용 경화체로 재활용할 수 있는 방법을 제시하여 산업 폐기물의 새로운 용도를 제시하는 효과가 있으며, 또한 상기와 재활용의 확대에 의하여 환경을 개선할 수 있는 효과도 추가로 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법의 절차도이며,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법은 석분 슬러지, 고로 슬래그 슬러지, 생석회 및 물을 준비하는 준비 단계(S1), 상기 단계에서 준비된 조성물들을 혼합하여 페이스트 생성하는 페이스트 생성 단계(S2) 및 토목 건축용 경화체 생성을 위하여 성형하는 성형 단계(S3)를 포함하여 구성된다.
여기서 토목 건축용 경화체는 블록, 벽돌, 복토재, 펠렛 시멘트 대체 경화제 레미콘 등을 포함하며, 기타 형상을 달리하는 토목 건축용 경화체들도 포함한다.
이하에서는 상기 단계들에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저 재료 준비 단계(S1)는 필요한 재료를 준비하는 단계로, 석분 슬러지, 고로 슬래그, 생석회 및 물을 준비하는 단계이다.
여기서 석분 슬러지는 잔골재를 생산 시 발생하는 폐기물로 항상 수분을 함유하며, 입자의 평균크기는 1 내지 100㎛의 범위이며, 상기 범위에서 경화체로 사용하기 적절하다. 이때 상기 석분 슬러지의 평균 크기가 1㎛ 미만인 경우에는 별도의 가공을 해야하므로 부적절하고, 100㎛를 초과하는 경우 경화체의 강도가 낮아질 우려가 있다.
한편, 국내에서 생산되는 고로 슬래그의 성분은 SiO2 30.0~36.0중량%, Al2O3 12.0~18.0 중량%, Fe2O3 0.25~0.35중량%, CaO38.0~45.0중량%, MgO 10.0중량% 이하, SO3 4.0중량% 이하 그리고 기타성분 3.0중량% 이하로 구성되나, 발생 시기나 환경에 따라 일부 성상은 변경될 수도 있다.
또한, 상기 고로 슬래그는 분말 형태로 가공되어 판매되며, 입경에 따라 1종, 2종 및 3종으로 구분되며, 여기서 1종이 입경이 가장 작고 3종이 입도가 가장 크며, 국내의 경우에는 1종 및 2종은 가공비 증가로 인하여 판매되고 있지 않으며, 3종만이 판매되고 있다.
여기서 국내에서 생산 및 판매되는 3종 고로 슬래그 미분말은 밀도(g/cm2)가 2.88~2.94, 평균입경(㎛)이 12~16, 잔분(45㎛, %)은 2.0이하, 비표면적(cm2/g)이 4,000~6,000, 수분(%) 0.4이하의 특성을 가지며, 일부 특성은 변경될 수도 있다.
본 발명은 상기 3종 고로 슬래그 미분말을 생석회(CaO) 분말, 석분 슬러지 및 물과 혼합하여 구성되는 것을 특징으로 하므로, 적어도 상기 미분말의 평균입경은 16㎛이하가 바람직하다.
필요한 경우 상기 3종의 고로 슬래그 미분말은 1종 또는 2종으로 대체 가능하나, 상기와 같이 1종 또는 2종으로 대체하는 경우 가격적으로 불리하다.
또한, 다수의 고로 슬래그 미분말을 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 준비 단계(S1)에서 각 조성물들이 준비되면, 준비된 조성물들을 혼합하여 페이스트 혼합물을 생성하는 페이스트 생성 단계(S2)가 수행된다.
상기 페이스트 생성 단계(S2)에서 각 조성물들의 조성비는 고로 슬래그 100중량부에 대하여 생석회 분말 2중량부 내지 45중량부, 석분 슬러지 40중량부 내지 230중량부를 혼합한 파우더 혼합물을 생성한다.
상기 파우더 혼합물에서 상기 생석회 분말이 2중량부 미만인 경우에는 고로 슬래그와 반응성이 낮아 충분한 강도가 발휘되지 않으며, 45중량부를 초과하는 경우에는 가격적으로 불리한 단점이 있다.
또한, 상기 파우더 혼합물에서 석분 슬러지는 충진제 역할을 하는 것으로 45중량부 미만인 경우에는 충진 효과가 미미하며, 230중량부를 초과하는 경우에는 구조용 경화체로 사용되기에는 낮은 강도를 가져 부적절하다.
그리고 상기 파우더 혼합물 100중량부에 대하여 물을 40중량부 내지 60중량부를 혼합하여 페이스트 혼합물을 생성한다.
이때 석분 슬러지가 일정한 수분을 함유하는 경우에는 석분 슬러지에 포함된 수분의 양도 상기 물의 조성에 포함되도록 한다.
상기 페이스트 생성 단계(S2)에서 생성된 페이스트 상태의 혼합물은 그 자체로 활용될 수도 있지만, 보다 여러 가지 용도에 활용하기 위하여 특정 형태, 예를 들면 블록, 벽돌, 판, 펠렛, 레미콘 형태 등으로 이용하는 것이 바람직하다.
상기 성형 단계(S3)는 상기 페이스트 생성 단계(S2)에서 생성된 페이스트 상태의 혼합물을 그대로 또는 성형하여 제품으로 제조하는 공정으로 먼저 상기 페이스트를 몰드에 투입한다. 이때 상기 몰드는 제품의 형상에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
상기 몰드는 80℃이하, 바람직하게는 상온에서 23℃정도의 온도로 유지시키고, 상대 습도는 60% 내지 100%, 바람직하게는 80% 내지 100%로 유지하여 제품 제조를 완료한다.
상기 단계에서 제작된 제품은 상온에서도 양생 효과가 있지만, 상온에서 성형 시에는 성형 시간이 너무 길어질 수 있어 대량 생산 시에 성형 공간을 너무 차지하게 되므로 온도를 높여서 적절한 시간에 성형되도록 할 필요가 있다.
상기 단계에서 제작된 제품은 고온일수록 양생의 효과가 크고 강도발현과 양생시간 단축을 할 수 있지만, 상온에도 충분한 강도를 가지는 제품을 생산할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
실시예 1
고로 슬래그 336g, 석분 슬러지 180.6g(수분 함량 34.8g포함), 생석회 30g을 포함하는 파우더 혼합물에 물 195.5g(석분 슬러지 수분을 포함하는 경우 전체 230.3g)을 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.
상기 페이스트 상태의 혼합물을 몰드에 담아 23℃로 유지되고 상대습도가 80~100%로 유지되도록 하여 3일, 7일, 14일, 28일 보관한 후 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 입방면체 블록을 제조하였다.
실시예 2
고로 슬래그 240g, 석분 슬러지 301.1g(수분 함량 58.1g 포함), 생석회 30g을 포함하는 파우더 혼합물에 물 172.2g(석분 슬러지 수분을 포함하는 경우 전체 230.2g)을 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.
상기 페이스트 상태의 혼합물을 몰드에 담아 23℃로 유지되고 상대습도가 80~100%로 유지되도록 하여 3일, 7일, 14일, 28일 보관한 후 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 입방면체 블록을 제조하였다.
실시예 3
고로 슬래그 144g, 석분 슬러지 421.5g(수분 함량 81.3g 포함), 생석회 30g을 포함하는 파우더 혼합물에 물 149.2g(석분 슬러지 수분을 포함하는 경우 전체 230.5g)을 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.
상기 페이스트 상태의 혼합물을 몰드에 담아 23℃로 유지되고 상대습도가 80~100%로 유지되도록 하여 3일, 7일, 14일, 28일 보관한 후 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 입방면체 블록을 제조하였다.
실시예 4
고로 슬래그 96g, 석분 슬러지 481.7g(수분 함량 92.9g 포함), 생석회 30g을 포함하는 파우더 혼합물에 물 137.5g(석분 슬러지 수분을 포함하는 경우 전체 230.4g)을 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.
상기 페이스트 상태의 혼합물을 몰드에 담아 23℃로 유지되고 상대습도가 80~100%로 유지되도록 하여 3일, 7일, 14일, 28일 보관한 후 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 입방면체 블록을 제조하였다.
실시예 5
고로 슬래그 48.0g, 석분 슬러지 541.9g(수분 함량 104.5g 포함), 생석회 30g을 포함하는 파우더 혼합물에 물 125.9g(석분 슬러지 수분을 포함하는 경우 전체 230.4g)을 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.
상기 페이스트 상태의 혼합물을 몰드에 담아 23℃로 유지되고 상대습도가 80~100%로 유지되도록 하여 3일, 7일, 14일, 28일 보관한 후 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 입방면체 블록을 제조하였다.
실험예 : 강도 측정 실험
상기와 같은 실시예에 의한 블록은 토목 건축용으로 이용되기 위해서는 블록의 강도가 중요한 물성치이다. 따라서, 완성된 블록을 대상으로 강도를 시험하였다. 실험 방법은 50mm 입방 시험체를 골제 없이 페이스트만으로 제작하여 KS L 5105 혹은 JIS R 5201에서 기술된 시멘트 몰타르의 압축강도 시험법에 준한다.
성형 일자 별로 각 실시예들에 의하여 제조된 블록의 평균 강도(4회 강도 시험 후 평균값)을 표 1에 나타내었으며, 해당 강도의 그래프는 도 2에 도시하였다.
일자
 강도(MPa)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
3일차 7.10 6.65 3.60 3.61 1.09
7일차 14.95 15.30 11.20 7.97 3.22
14일차 24.24 19.90 15.90 10.52 6.06
28일차 33.53 27.10 21.40 10.71 6.35
상기 표 1에 나타낸 바와 같이 14일차에서 실시예 1 내지 실시예 3의 강도는 10MPa 이상을 나타내어 통상의 벽돌의 강도 10MPa인 점을 고려하면, 토목 건축용 경화체로 충분히 사용될 수 있음을 확인하였으나, 고로 슬래그와 석분 슬러지의 비율이 1:9인 실시예 5와 2: 8인 실시예 4는 토목 건출용 경화체로 사용되기에는 다소 낮은 강도를 가짐을 확인하였다.
또한, 석분 슬러지의 비율이 상대적으로 낮은 경우에 높은 강도를 나타내는 것이 확인되므로, 석분 슬러지는 경화체의 요구 강도에 따라 적절히 함량을 조절하여 사용하는 경우 낮은 비용으로 경화체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포함한다.
S1: 준비 단계 S2: 페이스트 생성 단계
S3: 성형 단계

Claims (4)

  1. 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 있어서,
    고로 슬래그, 석분 슬러지, 생석회 및 물을 준비하는 준비 단계;
    고로 슬래그 100중량부에 대하여 생석회 분말 9중량부 내지 45중량부, 석분 슬러지 40중량부 내지 230중량부를 혼합한 파우더 100중량부에 대하여 물을 40중량부 내지 60중량부를 혼합하여 페이스트를 생성하는 페이스트 생성 단계;
    상기 페이스트를 몰드에 담아 80℃이하의 온도와 상대습도를 60 내지 100%의 환경 하에서 경화하여 최종 제품을 제조하는 성형 단계;를 포함하되,
    상기 고로 슬래그 미분말의 평균 입경은 16 ㎛ 이하이며,
    상기 석분 슬러지 분말의 평균 입경은 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 성형 단계는 상온 ~ 23℃의 온도와 상대습도를 80 내지 100%의 환경하인 것을 특징으로 하는 석분 슬러지와 고로 슬래그를 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
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