KR101752156B1 - 연약지반 개량용 결합재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로수쇄 슬래그에 석유 코크스 연소재 및 팜커널껍질 연소재를 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 지반 개량 공사시 일반적으로 사용되는 1종 보통시멘트의 사용량을 최소화할 수 있는 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연약지반 개량용 결합재는 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 순환 유동층 보일러의 탈황공정 중에 생성되며 CaO 함량이 50~75중량%이고 SO₃ 함량이 15~40중량%인 석유 코크스 연소재 5~500중량부와, 팜커널껍질(Palm Kernel Shell)과 석탄 혼소 발전 시스템에서 배출되며 CaO 함량이 10~30중량%이고 SO₃ 함량이 1~15중량%인 팜커널껍질 연소재 5~500중량부를 포함한다.

Description

연약지반 개량용 결합재 조성물{BINDER COMPOSITION AGENT}

본 발명은 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로수쇄 슬래그에 석유 코크스 연소재 및 팜커널껍질 연소재를 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 지반 개량 공사시 일반적으로 사용되는 1종 보통시멘트의 사용량을 최소화할 수 있는 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것이다.

온실가스의 55%를 차지하는 CO₂의 배출량 중 약 8%는 시멘트 제조 분야에서 배출되는 것으로 집계되고 있다. 1종 보통포틀랜드 시멘트는 고온(1,450℃)상태에서 용융시켜야만 생산할 수 있기에 대량의 에너지를 소비할 뿐만 아니라 1톤의 시멘트를 제조하는 경우 약 0.9톤의 이산화탄소가 배출된다.

한편, 연약지반 개량용 재료로 1종 보통포틀랜드 시멘트가 일반적으로 사용되는데, 1종 보통포틀랜드 시멘트는 토질의 영향을 많이 받으며, 특히 니분이 많은 토질의 경우 시멘트의 응결 지연현상이 나타나는 경우가 있어, 이를 해결하기 위해 혼화제가 사용되고 있으며, 더욱이 1종 보통포틀랜드 시멘트와 함께 사용되는 벤토나이트 현탁액은 콘크리트 중의 Ca^{2 +}이온을 흡착하기도하고 염분이 포함되어 있는 경우에는 Na⁺이온을 흡착하여 응집반응을 일으켜서 안정액으로서의 성질이 저하되는 경향을 보이기도 한다.

또한 1종 보통포틀랜드 시멘트는 지반의 강알칼리 및 6가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있고 수화반응 진행 시 과도한 체적 수축이 발생하는 문제점을 내포하고 있다. 특히 시멘트는 6가 크롬을 함유할 수 밖에 없는데 그 이유는 시멘트 킬른은 온도가 낮은 로의 앞부분에는 내화 점토질 벽돌이 사용되며, 온도가 높고 클링커의 마찰에 의한 마모와 반용융 상태의 클링커와 화학반응이 이루어지는 부분에는 마그네시아와 크롬이 함유된 마그-크롬질 벽돌이 사용되고 있다. 이 과정에서 이 마그-크롬질 내화벽돌에 함유된 크롬이 클링커가 생성되는 과정 중에 함유되는 것으로 알려지고 있다.

한편, 팜 껍질인 팜커널껍질은 열량이 4,500 ~4,700Kcal/kg을 가지고 있어 석탄의 복합원료로써 활용이 가능하며, 석탄에 비하여 재의 성분이 적기 때문에 쉽게 발화하는 성질을 갖고 있어 석탄의 복합 연료로써 활용되고 있으나 팜커널껍질을 연소한 후 발생되는 연소재에 대한 연구는 전무한 실정이다. 또한, 정제 석유 제품에 대한 수요 증가와 잠재 성장 지속성, 원유의 점진적 품질저하로 보다 많은 석유 코크스 연료화의 필요성이 대두됨에 따라 연료와 에너지원으로서의 생산량 및 소비량의 증가로 인한 석유 코크스를 연소한 후 발생되는 석유 코크스 연소재의 활용방안에 대한 연구가 필요한 실정이다.

최근 1종 보통포틀랜드 시멘트의 사용을 줄이기 위해 알칼리 활성화 슬래그를 이용한 기술이 최근 제안되고 있다. 이러한 기술은 고로수재 슬래그 및 플라이애시 등 활성화 될 수 있는 비정질 물질을 NaOH, KOH, Na₂CO₃, Na₂SiO₃ 같은 강알칼리 약품으로 자극하여 일반 시멘트와 같은 특성을 발휘하며, 수밀성과 내열성이 높은 결합재를 만들 수 있다는 연구들이 보고되고 있다. 그러나 이러한 알칼리 활성화 슬래그는 자극제로 사용되는 약품이 너무 고가이기에 경제성이 취약하고, 그 강도발현 메카니즘의 특성상 탄산화 되기 쉬워 내구성이 취약하며, 또한 자극제의 pH가 13을 초과할 정도로 자극성이 강한 강알칼리를 띠고 있기 때문에 대기 중에 노출되면 쉽게 용해되는 조해성이 큰 원료들로서, 분체로서의 취급이 곤란하기 때문에 액상화하여 사용해야하는 문제를 가지고 있다.

따라서 주원료를 석회석, 점토, 철광석으로 하며 연료로 석탄을 사용하여 고온에서 열분해하여 제조되는 즉, 천연자원 및 자연훼손이 심각한 제품이며, 제조과정에서 다량의 CO₂ 가스를 배출하는 제품인 1종 보통포틀랜드 시멘트의 사용량을 최소화 하면서 환경 친화적이며, 내구성이 우수하고, 알칼리 금속염의 용출이 없는 친환경 결합재의 개발이 반드시 필요하다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발전소 및 제철소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시켜 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있는 연약지반 개량용 결합재 조성물을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 연약지반 개량용 결합재는 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 순환 유동층 보일러의 탈황공정 중에 생성되며 CaO 함량이 50~75중량%이고 SO₃ 함량이 15~40중량%인 석유 코크스 연소재 5~500중량부와, 팜커널껍질(Palm Kernel Shell)과 석탄 혼소 발전 시스템에서 배출되며 CaO 함량이 10~30중량%이고 SO₃ 함량이 1~15중량%인 팜커널껍질 연소재 5~500중량부를 포함한다.

또한 1종 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 시멘트를 더 포함하며, 상기 시멘트는 고로수쇄슬래그 100중량부에 대하여, 0.5~100중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 고로수쇄슬래그의 수화반응을 촉진시키기 위해서 제철공장의 탈황 및 탈인 공정에서 배출되는 부산 소석회, 공업용 소석회, 천연 무수석고로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 자극제를 더 포함하며, 상기 자극제는 상기 고로수쇄슬래그 100중량부에 대하여, 0.5~50중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 석유 코크스 연소재는 석유 코크스만을 연료로 하거나 석유 코크스와 석탄을 혼합하여 연료로 하는 상기 가압 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황공정 중에 발생되는 것이 바람직하다.

또한, 팜커널껍질 연소재는 팜커널껍질만을 연료로 하거나 팜커널껍질과 석탄을 혼합하여 연료로 하는 순환 유동층 보일러에서 발생되고, 비표면적은 2,500~8,000cm²/g인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 발전소 및 제철소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있는 결합재 조성물을 제공할 수 있다.

또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 연약 지반 개량용 결합재 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 연약지반 개량용 결합재 조성물은 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 순환 유동층 보일러의 탈황공정 중에 생성되며 CaO 함량이 50~75중량%이고 SO₃ 함량이 15~40중량%인 석유 코크스 연소재 5~500중량부와, 팜커널껍질과 석탄 혼소 발전 시스템에서 배출되며 CaO 함량이 10~30중량%이고 SO₃ 함량이 1~15중량%인 팜커널껍질 연소재 5~500중량부를 포함한다.

고로수쇄 슬래그는 제철 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 부산물이다. 고로수쇄 슬래그는 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로수쇄 슬래그를 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다.

상기 석유 코크스 연소재는 석유 코크스 단독 또는 유연탄과 혼합 연소 시 노내 탈황을 위해 함께 혼소되는 석회석의 탈탄산 및 탈황 작용에 의해 생석회와 무수석고 성분을 함유한 산업부산물이다.

또한 팜커널껍질 연소재는 팜커널껍질만을 연료로 하거나 팜커널껍질과 석탄을 혼합하여 연료로 하는 순환유동층 보일러 연소공정에서 발생한다. 팜커널껍질 연소재는 일반 미분탄 연소 공정에서 발생하는 석탄 플라이애시와는 달리 CaO 및 SO₃ 함량이 높아 고로수쇄 슬래그와 같이 활용될 경우 알칼리 및 황산염 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.

상기의 물질들은 고로수쇄 슬래그 미분말의 산성피막을 알칼리 및 황산염 복합 자극에 의해 단시간 내에 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화초기에 에트린가이트를 다량 생성해주고 재령이 경과함에 따라 칼슘실리케이트 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 자극제 및 결합재의 동시 역할을 하는 물질이다. 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 10중량% 미만이거나 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 1중량% 미만일 경우에는 그 효과가 제대로 발휘되지 못하며, 비표면적이 2,500cm²/g 이하이면 초기에 강도 발현이 어렵고, 8,000cm²/g 이상이면 분쇄 과정에서 제조비용이 크게 상승한다.

통상의 고로수쇄 슬래그에 물을 투입하게 되면, 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca^{2 +}, Al^{3 +} 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 석유 코크스 연소재를 혼입 후 물을 투입하게 되면, 석유 코크스 연소재와 팜커널껍질 연소재가 함유하고 있는 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)₂로 변환되어 생성된 OH^-와 탈황 과정 중 생성된 SO₄ ^{2 -}성분이 고로수쇄 슬래그의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca^{2 +}, Al^{3 +} 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO₂-H₂O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 연약지반 개량용 결합재의 강도 증진을 위해서 1종 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 시멘트를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 시멘트는 일반 시중에서 유통되는 KS 제품을 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 시멘트는 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 0.5~100중량부를 더 포함하는 것이 바람직한데 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 제대로 발휘하지 못하고 100중량부를 초과할 경우 경제성이 저하된다.

또한, 상기 고로수쇄 슬래그의 수화반응성을 촉진시키기 위해서 제철공장의 탈황 및 탈인 공정에서 배출되는 부산 소석회, 공업용 소석회, 천연 무수석고로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 자극제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제철공장의 탈황 및 탈인 공정에서 배출되는 부산 소석회는 용선 예비 처리 단계에서 발생하는 부산물로서 Ca(OH)₂ 함량이 50중량% 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자극제는 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 0.5~50중량부를 더 포함하는 것이 바람직한데 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 제대로 발휘하지 못하고 50중량부를 초과할 경우 상기 고로수쇄 슬래그와 반응하지 못한 잉여량이 존재하여 오히려 강도가 크게 저하된다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.

비교예

해성점토 1m³ 기준으로 1종 시멘트 400kg, 벤토나이트 20kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 연약 지반 개량용 결합재 밀크액을 제조하여 이를 해성점토 1m³와 균질하게 혼합하였고, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

실시예 1

상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,130cm²/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 비표면적이 3,860cm²/g이며 CaO 함량이 68.6중량%, SO₃ 함량이 24.8중량%인 석유 코크스 연소재 50중량부, 비표면적이 4,240cm²/g이며 CaO 함량이 17.8중량%, SO₃ 함량이 3.5중량%인 팜커널껍질 연소재 30중량부를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.

이를 해성점토 1m³ 기준으로 상기 결합재 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 토양 안정재를 제조하였다. 이를 해성점토 1m³와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.

실시예 2

상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,130cm²/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 비표면적이 3,860cm²/g이며 CaO 함량이 68.6중량%, SO₃ 함량이 24.8중량%인 석유 코크스 연소재 30중량부, 비표면적이 4,240cm²/g이며 CaO 함량이 17.8중량%, SO₃ 함량이 3.5중량%인 팜커널껍질 연소재 20중량부, 1종 시멘트 20중량부, 공업용 소석회 5중량부를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.

이를 해성점토 1m³ 기준으로 상기 결합재 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크주입재를 제조하여 해성점토 1m³와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.

공시체의 시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.

실험	방법	비고
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법
중금속 용출	폐기물공정시험기준	중금속 용출시험방법

(1) 일축압축강도

표 2에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2 와 실시예 3의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 고로수쇄 슬래그와 석유 코크스 연소재, 팜커널껍질 연소재를 사용한 실시예 1은 1종 시멘트를 사용한 비교예 1과 거의 동등한 강도를 발현하였으며, 시멘트와 공업용 소석회가 더 포함된 실시예 2는 모든 재령에서 1종 시멘트만을 사용한 비교예에 비해 더욱 높은 강도를 발현함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 결합재가 1종 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.

구분	압축강도 3일 (MPa)	압축강도 7일 (MPa)	압축강도 28일 (MPa)
비교예	0.63	1.53	2.8
실시예1	0.79	1.42	3.20
실시예2	0.84	1.71	3.05

Claims (3)

1. 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여,
   순환 유동층 보일러의 탈황공정 중에 배출되며 CaO 함량이 50~75중량%이고 SO₃ 함량이 15~40중량%인 석유 코크스 연소재 5~500중량부와,
   팜커널껍질(Palm Kernel Shell)과 석탄 혼소 발전 시스템에서 배출되며 CaO 함량이 10~30중량%이고 SO₃ 함량이 1~15중량%인 팜커널껍질 연소재 5~500중량부를 포함하며,
   상기 석유 코크스 연소재와 상기 팜커널껍질 연소재는 상기 고로수쇄 슬래그의 산성피막을 알칼리 및 황산염 자극하여 잠재수경성을 발휘시키는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량용 결합재 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 시멘트를 0.5~100중량부 더 포함하며,
   상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시멘트, 초조강 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), 고로슬래그 시멘트 및 플라이애시 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연약지반 개량용 결합재 조성물.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 고로수쇄 슬래그의 수화반응을 촉진시키기 위하여 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 자극제를 0.5~50중량부를 더 포함하며,
   상기 자극제는 제철공장의 탈황 및 탈인공정에서 배출되는 부산 소석회, 공업용 소석회, 천연 무수석고로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 연약지반 개량용 결합재 조성물.