KR101796465B1 - 순환유동층보일러 고칼슘연소재와 제철소 탈황부산물을 이용한 토양안정재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토양 안정재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토양 안정재로 가장 널리 사용되는 1종 시멘트의 사용량을 최소화할 수 있고 순환 유동층 연소 보일러 고칼슘 연소재와 제철소 탈황부산물을 이용하여 1종 보통시멘트와 동등 이상 성능을 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 체적 팽창작용을 이용하여 벤토나이트 사용을 배제할 수 있고 육가 크롬 등 유해성분 용출을 최소화 할 수 있는 토양 안정재에 관한 것이다.
본 발명에 의한 토양 안정재는 비표면적 2,000~6,000㎠/g 인 순환유동층 보일러 고칼슘연소재 100중량부에 대하여, 제철소 탈황공정 중에 생성되며, SO₃ 함량이 0.5~50중량%인 탈황공정 부산물 0.5~500중량부와, 스테인레스 정련슬래그 5~500중량부를 포함한다.

Description

순환유동층보일러 고칼슘연소재와 제철소 탈황부산물을 이용한 토양안정재{SOIL STABILIZER COMPOSITION}

본 발명은 토양 안정재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토양 안정재로 가장 널리 사용되는 1종 시멘트의 사용량을 최소화할 수 있고 순환 유동층 연소 보일러 고칼슘 연소재와 제철소 탈황부산물을 이용하여 1종 보통시멘트와 동등 이상 성능을 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 체적 팽창작용을 이용하여 벤토나이트 사용을 배제할 수 있고 육가 크롬 등 유해성분 용출을 최소화 할 수 있는 토양 안정재에 관한 것이다.

토목 및 건축 구조물의 사용 중 터널공사 및 증축이나 리모델링, 용도변경, 하중증가 등으로 인해 차수 및 지반 보강이 필요한 경우가 자주 발생하게 된다.

이러한 문제들이 예상되는 지반을 개량하여 어떠한 목적물을 건설하는데 있어 차수 및 보강 등의 안전상의 문제점을 제거하기 위한 수단으로 연약지반 개량공법으로 그라우팅 공법이 이용된다.

그라우팅 시공 시 약액 주입공법이란 연약지반 속에 시멘트 액과 같은 주입재를 펌프의 압력으로 주입하여 지반내의 공극이나 균열을 충전시켜 줌으로써 용수의 유출을 막거나, 또는 연약 지층을 뭉쳐 굳게 하여 지반의 붕괴를 억제하게 되며, 주입재로는 시멘트액, 모르타르액, 물유리액과 같은 약액 등이 사용된다.

따라서, 약액주입공법은 원래 유동성을 갖고 있지만 소정 시간 후에 고결시키는 것이 가능한 현택액형 및 용액형 약액을 지반 중에 주입하여 지반의 투수성을 감소시키고, 지반의 강도를 증대시킴으로써 변상방지 등의 복합적인 효과를 기대하는 지반개량 공법 중의 하나다.

일반적으로 사용되는 그라우팅용 약액주입공법에서는 주요 안정재로 시멘트를 사용하는데 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 압부분에는 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.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 토양 안정재로 가장 널리 사용되는 1종 시멘트의 사용량을 최소화할 수 있는 토양안정재를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 순환 유동층 연소 보일러 고칼슘 연소재와 제철소 탈황부산물을 이용하여 1종 보통시멘트와 동등 이상 성능을 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 체적 팽창작용을 이용하여 벤토나이트 사용을 배제할 수 있고 육가 크롬 등 유해성분 용출을 최소화할 수 있는 토양안정재를 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 토양 안정재는 비표면적 2,000~6,000㎠/g 인 순환유동층 보일러 고칼슘연소재 100중량부에 대하여, 제철소 탈황공정 중에 생성되며, SO₃ 함량이 0.5~50중량%인 탈황공정 부산물 0.5~500중량부와, 스테인레스 정련슬래그 5~500중량부를 포함한다.

또한 상기 고칼슘 연소재는 PKS(PalmKernel Shell), TDF(Tire Derived Fuel), RDF(Refuse Derived Fuel ), RPF(Refuse plastic fuel), 코크스(Coke), 유연탄 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물을 연료로 하는 순환유동층 보일러에서 발생되며 CaO함량이 15~75중량, SO₃ 함량이 3~40중량인 것이 바람직하다.

또한 상기 탈황공정 부산물은 탈황슬래그미분말, 탈황더스트, 망초, 부산 소석회 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한 상기 토양안정재의 강도 증진을 위해서 1종시멘트, 고로슬래 그시멘트, 플라이애시 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 강도 증진제를 더 포함하며, 상기 강도증진제는 상기 순환유동층 보일러 고칼숨 연소재 100중량부에 대하여 5~1,000중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 토양 안정재로 가장 널리 사용되는 1종 시멘트의 사용량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 순환 유동층 연소 보일러 고칼슘 연소재와 제철소 탈황부산물을 이용하여 1종 보통시멘트와 동등 이상 성능을 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 체적 팽창작용을 이용하여 벤토나이트 사용을 배제할 수 있고 육가 크롬 등 유해성분 용출을 최소화할 수 있는 효과도 있다.

이하, 본 발명에 의한 순환 유동층 연소 보일러 고칼슘 연소재와 제철소 탈황공정 부산물, 정련슬래그를 이용한 토양 안정재를 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 토양안정재는 비표면적 2,000~6,000cm²/g인 순환 유동층 보일러 고칼슘 연소재 100중량부에 대하여, 제철소 탈황공정 중에 생성되며, SO₃ 함량이 0.5~50중량%인 탈황슬래그미분말, 탈황더스트, 망초, 부산 소석회 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물 0.5~500중량부를 포함하며, 스테인레스 정련슬래그 5~500중량부를 포함한다.

상기 고칼슘 연소재는 PKS(PalmKernel Shell), TDF(Tire Derived Fuel), RDF(Refuse Derived Fuel ), RPF(Refuse plastic fuel), 유연탄, 코크스 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물을 연료로 하는 순환유동층 보일러에서 발생되며, CaO함량이 15~75중량, SO₃ 함량이 3~40중량인 것이 바람직하다.

또한 고칼슘 연소재는 상기 스테인레스 정련슬래그의 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 15중량% 미만이거나 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 3중량% 미만일 경우에는 그 효과가 제대로 발휘되지 못하며, 비표면적이 2,000cm²/g 이하이면 초기에 강도 발현이 어렵고, 6,000cm²/g 이상이면 분쇄 과정에서 제조비용이 크게 상승한다.

또한, 상기 정련슬래그의 잠재 수경성 발현을 촉진시키기 위해서 제철공장의 탈황공정에서 배출되는 생성되며, SO₃ 함량이 0.5~50중량%인 탈황공정 부산물을 포함한다. 상기 탈황공정 부산물은 상기 고칼슘연소재 100중량부에 대하여 0.5~500중량부를 포함하는 것이 바람직한데, 0.5중량 미만일 경우 그 효과가 제대로 발휘하지 못하고 500중량부 초과 시 반응하지 못한 잉여량이 존재하여 오히려 강도가 크게 저하된다.

상기 탈황공정 부산물은 탈황슬래그 미분말, 탈황더스트, 망초, 부산 소석회 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.

상기 정련슬래그는 급냉 후 표면에 유리질이 존재하여 물과 접촉 시 산성피막이 형성되어 수화반응이 바로 개시되지 않지만 가압 유동층 보일러 고칼슘 연소재로부터 방출되는 OH^-, SO₃ ^{2 -} 이온에 의해 산성피막이 파괴되어 진 후 서서히 강도를 발현하게 된다. 정련슬래그는 고로슬래그에 비해 수경성이 약하여 초기강도 발현이 어려워 콘크리트 결합재로는 활용이 불가능하나 초기강도에 큰 영향을 받지 않는 토양 안정재로는 매우 적합한 물질이다.

스테인레스 정련 슬래그는 CaO와 SiO₂을 주요 성분으로 하며, 감마형디칼슘실리케이트(2CaO·SiO₂) 결정구조를 취하고 있는 결정상이다. 이 디칼슘시리케이트는 고온 용융상에서부터 서서히 냉각되면서 결정상의 전이를 하게 된다. 이 결정상 전이로 인하여 부피 팽창을 동반하게 되고 이 체적변화로 인하여 냉각 시 스스로 붕괴하는 더스팅 현상이 발생한다. 이러한 더스팅 현상은 분쇄 등의 요구사항이 적어 간단한 제조공정으로 정련슬래그 미분말 제조가 용이하다.

상기 정련슬래그는 고칼슘연소재 100중량부에 대하여 5~500중량부를 포함하는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 그 효과가 제대로 발휘하지 못하며, 500중량부 초과일 경우 상대적으로 고칼슘 연소재의 함량이 낮아져 반응성이 미비하다.

또한, 상기 강도 증진을 위해서 1종시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어진 강도증진제를 더 포함하며, 상기 강도증진제는 상기 순환유동층 보일러 고칼슘 연소재 100중량부에 대하여 5~1,000중량부를 더 포함한다.

강도증진제는 KS제품을 사용하는 것이 바람직한데, 5중량부 미만일 경우 그 효과가 제대로 발휘하지 못하며, 1,000중량부 초과일 경우 경제성이 낮아진다.

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 토양 안정재를 제조하였다. 이를 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.

실시예 1

상기 비교예와 모든 조건은 동일하지만 1종 시멘트를 대신하여 유연탄과 PKS를 혼소하여 연소하는 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 분쇄하여 비표면적 4,260cm²/g으로 조정하였다. 상기 고칼슘연소재 100중량부에 대하여 SO₃ 함량이 4.7중량%인 탈황슬래그 미분말 100중량부와 비표면적 4,830cm²/g인 스테인레스 정련슬래그 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 비교예와 모든 조건은 동일하지만 1종 시멘트를 대신하여 유연탄과 PKS를 혼소하여 연소하는 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 분쇄하여 비표면적 4,260cm²/g으로 조정하였다. 상기 고칼슘연소재 100중량부에 대하여 SO₃ 함량이 4.7중량%인 탈황슬래그 미분말 100중량부와 비표면적 4,830cm²/g인 스테인레스 정련슬래그 30중량부, 1종시멘트 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.

공시체의 시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 투수계수는 KS F 2322 변수위 투수시험법에 따라 실시하고 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.

실험	방법	비고
투수계수	KS F 2322	변수위 투수시험방법
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법
중금속 용출	폐기물공정시험기준	중금속 용출시험방법

(1) 투수계수

7일 동안 20℃에서 양생한 공시체의 투수계수 시험성과를 표 2에 나타내었다. 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 모든 공시체에서 불투수층을 구성하여 만족할 만한 결과를 도출하였으며, 비교예보다 본 발명 실시예의 투수계수가 낮은 것을 알 수 있으며, 이는 비교예의 1종 시멘트와 벤토나이트를 사용한 경우 수화반응시 발생하는 체적수축과 공시체에 함유된 수분이 증발 또는 수화 되면서 상대적으로 투수계수가 크고, 본 발명에 따른 토양 안정재의 경우 고칼슘 연소재의 수분 흡수 작용 및 에트링가이트 광물 생성에 의해 단위수량의 저감 및 구속된 상태에서 팽창을 일으켜 화학적 프리스트레스 작용에 의해 조직이 치밀해져 상대적으로 낮은 투수성능을 보이는 것으로 판단된다.

구분	투수계수(cm/sec)	압축강도 3일 (MPa)	압축강도 7일 (MPa)	압축강도 28일 (MPa)
비교예	4.31 ×10-6	0.68	1.50	2.72
실시예1	5.58 ×10-7	0.58	1.66	2.87
실시예2	4.75 ×10-7	0.75	1.98	3.31

(2) 일축압축강도의 변화

표 2에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 고칼슘 연소재와 탈황공정 부산물,정련슬래그를 사용한 실시예 1은 1종 시멘트를 사용한 비교예 1과 거의 동등한 강도를 발현하였으며, 강도 증진제가 더 포함된 실시예 2는 모든 재령에서 1종 시멘트에 비해 더욱 높은 강도를 발현함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 토양 안정재가 1종 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.

(3) 중금속 용출 실험

	KSLT
	6가크롬	구리	수은	카드뮴	납	비소
허용기준	1.5	3.0	0.005	0.3	3.0	1.5
비교예 1	0.88	1.61	불검출	0.051	0.341	0.244
실시예 1	불검출	0.012	불검출	0.006	불검출	불검출
실시예 2	0.08	0.006	불검출	불검출	불검출	불검출

상기 표 3의 중금속 용출실험결과를 보면 비교예 1의 경우 허용기준치에는 만족하는 것으로 나타나지만 6가 크롬 및 구리의 경우 기준치의 50%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시예는 6가 크롬은 모두 불검출 되었고 구리 성분만 매우 소량 검출되었다.

따라서 본 발명은 정련슬래그의 잠재수경성 발휘에 의한 토양 안정재의 고결강도 증진, 유해물질 용출 방지, 산업부산물의 대량 활용 가능 등 기존의 시멘트에 비하여 물리적, 환경적, 경제적 측면에서 우수한 특성이 기대된다.

Claims (4)

1. 비표면적 2,000~6,000㎠/g 인 순환유동층 보일러 고칼슘연소재 100중량부에 대하여,
   제철소 탈황공정 중에 생성되며, SO₃ 함량이 0.5~50중량%인 탈황공정 부산물 0.5~500중량부와,
   스테인레스 정련슬래그 5~500중량부를 포함하고,
   상기 고칼슘 연소재는 PKS(PalmKernel Shell)와 유연탄 혼합물을 연료로 하는 순환유동층 보일러에서 발생되며 CaO함량이 15~75중량%, SO₃ 함량이 3~40중량%인 것을 특징으로 하는 토양안정재.
   
   
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