KR101822852B1 - 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재, 그 제조방법, 상기 결합재를 이용한 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르 및 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트 - Google Patents

제지애쉬 혼합 시멘트 결합재, 그 제조방법, 상기 결합재를 이용한 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르 및 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 수화수가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬와, 상기 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화를 위한 무수석고와, 시멘트와, 혼합수를 포함하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재 그 제조방법, 상기 결합재를 이용한 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르 및 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트(concrete)에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 시멘트를 일부 대체하여 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 사용할 수 있으므로 경제적이고, 폐기물인 제지애쉬를 재활용(폐기물 재활용)할 수 있으므로 매립 비용 등을 절감할 수 있으며, 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 압축강도 특성이 우수하다.

Description

제지애쉬 혼합 시멘트 결합재, 그 제조방법, 상기 결합재를 이용한 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르 및 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트{Cement-binder mixed with paper sludge ash, manufacturing method of the same, cement mortar mixed with paper sludge ash and cement concrete mixed with paper sludge ash}
본 발명은 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재, 그 제조방법 및 이를 이용한 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트를 일부 대체하여 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 사용할 수 있으므로 경제적이고, 폐기물인 제지애쉬를 재활용할 수 있으므로 매립 비용 등을 절감할 수 있으며, 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 압축강도 특성이 우수한 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재, 그 제조방법, 상기 결합재를 이용한 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르 및 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트에 관한 것이다.
국내 제지산업은 수출 증대와 외국자본의 투자에 힘입어 종이·판지 생산량 세계５위 규모까지 성장하였다. 하지만, 비약적 성장과 더불어 산업부산물 또는 폐기물 발생량도 증가하였다. 특히, 폐수를 처리하는 과정에서 발생하는 제지 슬러지는 연간 160만톤 수준이며, 제지슬러지 소각재의 발생량은 연간 50만톤으로 추정된다. 제지 슬러지는 응집된 셀룰로오스 섬유 찌꺼기와 충전제 등의 무기물질로 구성되어 있다. 슬러지는 기계적 탈수 과정인 여과, 원심탈수, 압착 과정을 통해 수분함량 80% 내외의 여과케이크로 변화된다. 이후 매립 또는 소각 등으로 처리되거나, 일부 재활용되고 있다.
제지 슬러지 소각재인 제지애쉬(paper sludge ash)는 소각 과정에서 발생하는 비산재 혹은 바닥재로서, 유기물 연소 후 잔존하는 무기계 폐기물의 일종이라 할 수 있다. 제지애쉬는 충전제 등의 무기물질 종류에 따라 일부 고화재로 사용되고 있으나, 대부분 취급이 어려워 매립되고 있는 실정이다. 따라서 제지관련 업체들은 경제적이고 효과적인 제지애쉬 처리 및 재활용 기술에 관심을 기울이고 있으며, 이의 일환으로 제지애쉬를 시멘트 혼합재로 재활용하는 연구가 진행되었다. 하지만, 제지애쉬는 초지방식에 따라 무기물질에 차이가 발생하고, 애쉬에 함유된 일부 미연 섬유 및 급결성 광물로 인하여 시멘트의 작업성과 강도 특성을 확보하는데 어려움이 존재한다. 따라서, 제지애쉬를 시멘트 대체재로 사용하기 위해서는 다양한 전처리 방안이 도출되어야 한다.
대한민국 특허등록번호 제10-0285994호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 시멘트를 일부 대체하여 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 사용할 수 있으므로 경제적이고, 폐기물인 제지애쉬를 재활용할 수 있으므로 매립 비용 등을 절감할 수 있으며, 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 압축강도 특성이 우수한 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재, 그 제조방법, 상기 결합재를 이용한 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르 및 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트를 제공함에 있다.
본 발명은, 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 수화수가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬와, 상기 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화를 위한 무수석고와, 시멘트와, 혼합수를 포함하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재를 제공한다.
상기 제지애쉬는 상기 수화 처리 전에 유기 섬유가 선택적으로 분리되어 제거된 제지애쉬인 것이 바람직하다.
상기 수화 처리된 제지애쉬는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 수화수 3∼15중량부가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬인 것이 바람직하다.
상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
상기 수화 처리된 제지애쉬와 상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 준비하는 단계와, 상기 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 상기 제지애쉬에 수화수를 혼합하여 수화 처리하는 단계와, 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화를 위해 수화 처리된 제지애쉬에 무수석고를 혼합하여 전처리된 제지애쉬를 형성하는 단계 및 상기 전처리된 제지애쉬, 시멘트 및 혼합수를 혼합하여 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재를 형성하는 단계를 포함하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법을 제공한다.
상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법은, 상기 제지애쉬를 수화 처리하기 전에, 상기 제지애쉬에 함유된 유기 섬유를 선택적으로 분리하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수화수는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 3∼15중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 제지애쉬와 상기 수화수의 혼합은 볼 밀링(ball milling)을 이용할 수 있다.
상기 무수석고는 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 전처리된 제지애쉬는 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함할 수 있다.
상기 혼합수는 상기 전처리된 제지애쉬 및 상기 시멘트의 전체 함량 100중량부에 대하여 25∼70중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 모래가 혼합되어 있는 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 모래와 골재가 혼합되어 있는 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트를 제공한다.
본 발명의 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 의하면, 시멘트를 일부 대체하여 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 사용할 수 있으므로 경제적이고, 폐기물인 제지애쉬를 재활용할 수 있으므로 매립 비용 등을 절감할 수 있으며, 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 압축강도 특성이 우수하다.
도 1a는 실험예에서 사용된 A社 제지애쉬를 보여주는 사진이고, 도 1b는 제지애쉬에 존재하는 유기 섬유를 분리하여 나타낸 사진이다.
도 2a는 실험예에서 사용된 A社 제지애쉬의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 2b는 실험예에서 사용된 B社 제지애쉬의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 3a는 수화 처리 전 제지애쉬의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이고, 도 3b는 수화 처리 후 제지애쉬의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4a는 수화 처리(hydration)를 수행하지 않은 A社 제지애쉬로부터 얻은 수화물의 X-선회절 패턴을 보여주는 도면이고, 도 4b 내지 도 4e는 수화 처리된 A社 제지애쉬를 3일 양생시킨 후 수화물의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5a는 실험예에서 A社 제지애쉬를 사용한 시멘트 모르타르의 압축강도를 보여주는 그래프이고, 도 5b는 B社 제지애쉬를 사용한 시멘트 모르타르의 압축강도를 보여주는 그래프이다.
도 6은 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르의 플로우를 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 페이스트 수화물(Ca(OH)2, 에트링자이트)의 X-선회절(XRD) 피크 강도와 압축강도의 상관성을 그래프화하여 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하에서, '제지애쉬'라 함은 제지 슬러지 소각재를 의미하는 것으로 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재는, 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 수화수가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬와, 상기 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화를 위한 무수석고와, 시멘트와, 혼합수를 포함한다.
상기 제지애쉬는 상기 수화 처리 전에 유기 섬유가 선택적으로 분리되어 제거된 제지애쉬인 것이 바람직하다.
상기 수화 처리된 제지애쉬는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 수화수 3∼15중량부가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬인 것이 바람직하다.
상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
상기 수화 처리된 제지애쉬와 상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법은, 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 준비하는 단계와, 상기 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 상기 제지애쉬에 수화수를 혼합하여 수화 처리하는 단계와, 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화를 위해 수화 처리된 제지애쉬에 무수석고를 혼합하여 전처리된 제지애쉬를 형성하는 단계 및 상기 전처리된 제지애쉬, 시멘트 및 혼합수를 혼합하여 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법은, 상기 제지애쉬를 수화 처리하기 전에, 상기 제지애쉬에 함유된 유기 섬유를 선택적으로 분리하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수화수는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 3∼15중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 제지애쉬와 상기 수화수의 혼합은 볼 밀링(ball milling)을 이용할 수 있다.
상기 무수석고는 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 전처리된 제지애쉬는 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함할 수 있다.
상기 혼합수는 상기 전처리된 제지애쉬 및 상기 시멘트의 전체 함량 100중량부에 대하여 25∼70중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르는, 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 모래가 혼합되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 모래와 골재가 혼합되어 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재를 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재는, 수화수가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬와, 무수석고와, 시멘트 및 혼합수를 포함한다.
상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함할 수 있다.
상기 제지애쉬는 상기 수화 처리 전에 유기 섬유가 선택적으로 분리되어 제거된 제지애쉬인 것이 바람직하다. 일반적으로 제지 슬러지는 800~900℃의 소각로에서 2~3초 정도 체류하며 연소되는데 짧은 슬러지 체류시간으로 인하여 일부 미연 셀룰로오스 등의 유기 섬유가 제지애쉬 내에 잔존하게 된다. 제지애쉬를 일정량 이상 사용할 경우, 유기 섬유에 의해 모르타르 또는 콘크리트 등의 작업성이 하락할 수 있으므로, 이를 방지하고자 제지애쉬에서 유기 섬유를 선택적으로 분리해내어 제거하는 것이다.
상기 수화 처리된 제지애쉬는 수화수가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬로서, 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 수화 처리된 것이다. 상기 CaO와 C12A7는 혼합수와 반응하여 급격히 수화하는 특성이 있다. 따라서, 제지애쉬 적용시 CaO와 C12A7는 수화 처리(hydration)를 진행시켜 모르타르 또는 콘크리트 적용 과정에서 급결 및 물성저하 현상이 발생치 않도록 제어될 필요가 있다. 제지애쉬는 미세한 1차 입자들이 결합하여 2차 입자를 형성하며, 2차 입자들은 다량의 기공을 보유하고 있는데, 후술하는 실험예에 따르면 1차 입자 크기는 약 1∼3㎛ 수준 이었으며, 1차 입자들로 구성된 2차 입자 크기는 약 5∼30㎛이었는데, 제지애쉬에 수화수를 혼합하여 수화 처리할 경우, 2차 입자에 존재하는 대부분의 기공들이 발견되지 않았으며, 수화 처리에 따라 입자들은 치밀화 되는 것으로 판단된다. 상기 수화 처리된 제지애쉬는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 수화수 3∼15중량부가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬인 것이 바람직하다. 상기 수화수의 함량이 3중량부 미만이면 수화 처리에 의한 충분한 효과를 얻기 어려울 수 있고, 상기 수화수의 함량이 15중량부를 초과하면, 제지애쉬 일부가 알갱이로 변화(다량의 수화수에 의해 입자들이 엉겨 붙어 1∼2mm 크기로 알갱이 지는 현상) 하는 현상이 발생할 수 있다.
상기 무수석고는 상기 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화하는 역할을 한다. 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 칼슘 알루미네이트(C3A, C12A7) 성분은 급격한 수화를 일으키고 다량의 C-A-H 생성은 급결 현상의 원인이기도 하다. 이러한 점들을 고려할 때, 수화 처리와 더불어 무수석고를 첨가하여 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화 및 급결방지 효과를 얻을 수 있다. 상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다. 상기 무수석고의 함량이 1중량부 미만이면 충분한 급결방지 및 치밀화 효과를 얻기 어려울 수 있고, 상기 무수석고의 함량이 20중량부를 초과하면 비용이 증가되어 경제적이지 못하다.
상기 수화 처리된 제지애쉬와 상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
상기 혼합수는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 상기 전처리된 제지애쉬 및 상기 시멘트의 전체 함량 100중량부에 대하여 25∼70중량부 함유되어 있는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 준비한다. 상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함할 수 있다.
상기 제지애쉬에 함유된 유기 섬유를 선택적으로 분리하여 제거할 수도 있다. 일반적으로 제지 슬러지는 800~900℃의 소각로에서 2~3초 정도 체류하며 연소되는데 짧은 슬러지 체류시간으로 인하여 일부 미연 셀룰로오스 등의 유기 섬유가 제지애쉬 내에 잔존하게 된다. 제지애쉬를 일정량 이상 사용할 경우, 유기 섬유에 의해 모르타르 또는 콘크리트 등의 작업성이 하락할 수 있으므로, 이를 방지하고자 제지애쉬에서 유기 섬유를 선택적으로 분리해내어 제거하는 것이다.
상기 제지애쉬에 수화수를 혼합하여 수화 처리한다. 상기 수화 처리는 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 수행한다. 상기 CaO와 C12A7는 혼합수와 반응하여 급격히 수화하는 특성이 있다. 따라서, 제지애쉬 적용시 CaO와 C12A7는 수화 처리(hydration)를 진행시켜 모르타르 또는 콘크리트 적용 과정에서 급결 및 물성저하 현상이 발생치 않도록 제어될 필요가 있다. 제지애쉬는 미세한 1차 입자들이 결합하여 2차 입자를 형성하며, 2차 입자들은 다량의 기공을 보유하고 있는데, 후술하는 실험예에 따르면 1차 입자 크기는 약 1∼3㎛ 수준 이었으며, 1차 입자들로 구성된 2차 입자 크기는 약 5∼30㎛이었는데, 제지애쉬에 수화수를 혼합하여 수화 처리할 경우, 2차 입자에 존재하는 대부분의 기공들이 발견되지 않았으며, 수화 처리에 따라 입자들은 치밀화 되는 것으로 판단된다. 상기 수화수는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 3∼15중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 수화수의 함량이 3중량부 미만이면 수화 처리에 의한 충분한 효과를 얻기 어려울 수 있고, 상기 수화수의 함량이 15중량부를 초과하면, 제지애쉬 일부가 알갱이로 변화(다량의 수화수에 의해 입자들이 엉겨 붙어 1∼2mm 크기로 알갱이 지는 현상) 하는 현상이 발생할 수 있다.
상기 제지애쉬와 상기 수화수의 혼합은 볼 밀링(ball milling)을 이용할 수 있다. 이하, 볼밀링 공정에 대하여 구체적으로 설명한다. 상기 제지애쉬와 상기 혼합수를 볼밀링기(ball milling machine)에 장입한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 제지애쉬와 혼합수를 균일하게 혼합한다. 볼 밀에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄하면서 혼합한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 100∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 상기 볼 밀링에 의해 제지애쉬와 혼합수는 혼합되게 되고 제지애쉬는 미세한 크기 입자로 분쇄되게 된다.
수화 처리된 제지애쉬에 무수석고를 혼합하여 전처리된 제지애쉬를 형성한다. 상기 무수석고는 상기 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화하는 역할을 한다. 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 칼슘 알루미네이트(C3A, C12A7) 성분은 급격한 수화를 일으키고 다량의 C-A-H 생성은 급결 현상의 원인이기도 하다. 이러한 점들을 고려할 때, 수화 처리와 더불어 무수석고를 첨가하여 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화 및 급결방지 효과를 얻을 수 있다. 상기 무수석고는 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 무수석고의 함량이 1중량부 미만이면 충분한 급결방지 및 치밀화 효과를 얻기 어려울 수 있고, 상기 무수석고의 함량이 20중량부를 초과하면 비용이 증가되어 경제적이지 못하다.
상기 전처리된 제지애쉬, 시멘트 및 혼합수를 혼합하여 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재를 형성한다. 상기 전처리된 제지애쉬는 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 전처리된 제지애쉬의 함량이 1중량부 미만이면 시멘트를 일부 대체하는 효과가 미미할 수 있고, 전처리된 제지애쉬의 함량이 15중량부를 초과하게 되면 시멘트 결합재의 압축강도가 떨어질 수 있다. 상기 혼합수는 상기 전처리된 제지애쉬 및 상기 시멘트의 전체 함량 100중량부에 대하여 25∼70중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르는, 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재와 모래를 포함한다. 상기 모래는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르에 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 150∼350 중량부 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재, 모래 및 골재를 포함한다. 상기 골재는 굵은 골재와 잔 골재를 포함할 수 있다. 예컨대, 잔 골재는 입경이 5mm 이하인 것이고, 굵은 골재는 입경이 5mm 보다 큰 것이다. 상기 모래는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트에 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 150∼350 중량부 함유되는 것이 바람직하다. 상기 골재는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트에 20∼90 중량% 함유될 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실험예에서는 제지애쉬 전처리를 위해 수화수를 적용하는 방안을 검토하였으며, 더불어 석고를 혼합 투입하는 방안도 검토하였다.
<실험예 1>
실험예에서는 중성초지 제조 과정에서 발생하는 칼슘계 제지애쉬 2종을 사용하였다. 제지애쉬의 화학 조성을 분석하기 위해 유도결합플라즈마분광기(ICP-OES 8300, Perkin Elmer社, US)를 이용하였고, 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)(SM300, Topcon社, JAPAN)을 이용하여 원료의 입형, 표면상태, 수화물의 미세구조를 분석하였다.
제지애쉬는 국내 A社와 국내 B社에서 발생하는 제지애쉬를 사용하였으며, 이들 제지애쉬 색상은 노란색과 회색 계열이었다. 사용된 제지애쉬의 화학 조성을 아래의 표 1에 나타내었다. 표 1에서 단위는 wt%이다.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 LOI
A社 13.6 9.47 6.11 51.4 2.68 0.78 0.36 1.77 11.6
B社 15.8 9.29 1.22 54.2 3.42 0.89 0.27 0.72 12.2
표 1에서와 같이, 제지애쉬의 주요 화학 조성 성분은 CaO, SiO2 및 Al2O3 이고, 미량성분은 Fe2O3, MgO, Na2O, K2O, SO3 등이 존재하였다. CaO 함량은 약 51∼54wt% 이었으며, SiO2 함량은 13∼16wt% 수준이었다. 특히 강열감량(LOI)은 약 11∼12% 이었으며, 이는 석회석의 탈탄산 및 유기 섬유의 열분해에 의한 것으로 판단된다.
도 1a는 실험예에서 사용된 A社 제지애쉬를 보여주는 사진이고, 도 1b는 제지애쉬에 존재하는 유기 섬유를 분리해내어 나타낸 사진이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일반적으로 제지 슬러지는 800~900℃의 소각로에서 2~3초 정도 체류하며 연소되는데 짧은 슬러지 체류시간으로 인하여 일부 미연 셀룰로오스 등의 유기 섬유가 제지애쉬 내에 잔존하게 된다. 제지애쉬를 일정량 이상 사용할 경우, 상기 유기 섬유에 의해 모르타르 또는 콘크리트 등의 작업성이 하락할 것으로 판단된다.
도 2a는 실험예에서 사용된 A社 제지애쉬의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 2b는 실험예에서 사용된 B社 제지애쉬의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, A社 및 B社의 모든 제지애쉬에서 CaCO3, CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3) 등이 검출되었다. 이외에도 쿼츠(quartz) 및 Ca(OH)2 피크도 검출되었다. 미세하게 검출되는 Ca(OH)2 피크는 제지애쉬에 존재하는 CaO가 대기 중의 수분(H2O)과 반응하여 생성된 수화물이라고 판단된다.
상기 CaO와 C12A7는 혼합수와 반응하여 급격히 수화하는 특징이 발현되며, CaCO3는 수화 반응이 거의 발생치 않는 물질이다. 따라서, 제지애쉬 적용시 CaO와 C12A7는 수화 처리(hydration)를 진행시켜 모르타르 또는 콘크리트 적용 과정에서 급결 및 물성저하 현상이 발생치 않도록 제어될 필요가 있다.
제지애쉬의 수화 처리(hydration)를 위해서 수화수를 제지애쉬의 중량 대비 각각 5%, 8%, 12%, 16%(제지애쉬 100중량부에 대하여 5중량부, 8중량부, 12중량부, 16중량부) 투입한 후, 볼밀에서 30분 동안 혼합하였다. 이후 제지애쉬의 외관, CaO와 C12A7의 미세구조 등을 관찰하였다. 제지애쉬 및 제지애쉬 수화물의 결정성은 X-선 회절기(X-ray diffractometer)(D/MAX-3000, Rigaku社, JAPAN)를 사용하여 분석하였다.
수화 처리(hydration) 전후 제지애쉬의 외관 관찰 결과, 제지애쉬의 중량 대비 수화수 12%까지는 제지애쉬의 수화 처리 후에도 분말 상태로 존재하였다. 하지만, 제지애쉬의 중량 대비 수화수 16%에서는 제지애쉬 일부가 알갱이로 변화(다량의 수화수에 의해 입자들이 엉겨 붙어 1∼2mm 크기로 알갱이 지는 현상) 하였다. 이와 같은 현상은 A社 및 B社의 제지애쉬에서 모두 발생하였다.
도 3a는 수화 처리 전 제지애쉬의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이고, 도 3b는 수화 처리 후 제지애쉬의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제지애쉬 미세구조를 관찰한 결과, 도 3a와 같이 미세한 1차 입자들이 결합하여 2차 입자를 형성하며, 2차 입자들은 다량의 기공을 보유하고 있었다. 1차 입자 크기는 약 1∼3㎛ 수준 이었으며, 1차 입자들로 구성된 2차 입자 크기는 약 5∼30㎛이었다. 하지만, 제지애쉬에 수화수를 혼합할 경우, 2차 입자에 존재하는 대부분의 기공들이 발견되지 않았다. 수화 처리에 따라 입자들은 치밀화 되며, 형상도 변화되었다. 이와 같은 결과는 수화수 투입 및 볼밀 처리와 수화물 생성에 따른 2차 입자의 치밀화 및 볼밀 혼합 과정에서의 압착효과라고 추정되었다. 또한, 수화수가 16%로 증가할 경우에는 잉여의 수화수에 의해 치밀화 및 압착 현상이 좀 더 진행되어, 제지애쉬 일부가 작은 알갱이로 변화되는 현상도 발생하였다.
수화 처리(hydration)가 완료된 제지애쉬를 혼합수와 혼합하여 제지애쉬 수화물을 제조하고 수화특성을 분석하였다. 수화물 제조시 혼합수 함량은 분체량 기준 40%로 고정하였다.
수화 처리를 수행하지 않은 A社 제지애쉬의 X-선회절 패턴을 도 4a에 나타내었고, 도 4b 내지 도 4e는 수화 처리된 A社 제지애쉬를 3일 양생시킨 후 수화물의 X-선회절(XRD) 패턴을 나타낸 것이다. 도 4a는 수화 처리를 수행하지 않은 A社 제지애쉬로부터 얻은 수화물에 대한 것이고, 도 4b는 수화수를 제지애쉬 대비 5% 투입하여 수화 처리를 수행하여 얻은 수화물에 대한 것이며, 도 4c는 수화수를 제지애쉬 대비 8% 투입하여 수화 처리를 수행하여 얻은 수화물에 대한 것이고, 도 4d는 수화수를 제지애쉬 대비 12% 투입하여 수화 처리를 수행하여 얻은 수화물에 대한 것이며, 도 4e는 수화수를 제지애쉬 대비 16% 투입하여 수화 처리를 수행하여 얻은 수화물에 대한 것이다.
도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 주요 수화물로는 Ca(OH)2와 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 등이 검출되었다. 수화수를 첨가하지 않은 경우(도 4a 참조)에는 X-선회절 패턴에서 34°부근의 Ca(OH)2 피크 강도(Intensity, CPS(count per second))가 매우 낮게 검출되었으나, 수화수 함량 증가에 따라 피크 강도는 더욱 커지는 것으로 관찰되었다(도 4b 내지 도 4c 참조). 하지만, 수화수 함량 12% 이상에서는 더 이상 피크 강도 증진이 이루어지지 않았다(도 4d 내지 도 4e 참조). 11°부근의 C-A-H 피크 강도는 수화수 증가에 따라 지속적으로 증가하는 결과가 도출되었다. 반대로 CaO 및 C12A7 피크는 수화수 함량 증가에 따라 큰 폭으로 감소하였다. 수화수 함량 증가는 12%까지 Ca(OH)2 결정상 생성에 주요한 역할을 하며, 그 이상 증가시에는 C-A-H 상의 생성에 기여하는 것으로 사료된다. 하지만, 칼슘 알루미네이트(C3A, C12A7) 성분의 급격한 수화와 다량의 C-A-H 생성은 급결 현상의 원인이기도 하다. 이러한 점들을 고려할 때, 수화 처리와 더불어 무수석고를 첨가하여 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화 및 급결방지 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
<실험예 2>
제지애쉬를 모르타르에 적용하기 전에 수화 처리(hydration)를 거쳐 1차 수화물로 제조한 후 사용하고, 석고를 혼입한 전처리 제지애쉬를 모르타르에 적용하여 작업성 및 강도특성 등도 분석하였다. 수화 처리와 더불어 무수석고를 첨가하여 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화 및 급결방지 효과를 얻고자 하였다.
제지애쉬를 전처리하기 위해 제지애쉬의 중량 대비 수화수를 각각 5%, 8%, 12%, 16% 투입 후, 제지애쉬와 무수석고(anhydrite)를 9:1 비율로 혼합하였다. 전처리(수화 처리와 무수석고 혼합)가 완료된 제지애쉬는 각각 5wt%, 10wt%, 15wt% 비율로 시멘트와 혼합하고, 여기에 혼합수(물)와 모래를 혼합하여 모르타르 압축강도와 플로우 특성도 검토하였다. 실험에 활용된 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(이하에서 'OPC'라 함)를 사용하였고, 모래는 합천 강모래 6호사를 사용하였다.
압축강도 시험은 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험방법)을 기반으로 하되 W/B 비와 S/B 비는 실제 현장에서 적용중인 건조 모르타르의 배합을 기준으로 조정하였으며, 배합비는 표 2와 같다. 상기 W/B는 물(water)/결합재(binder)의 비를 의미하고, 여기서 결합재는 전처리(수화 처리와 무수석고 혼합)가 완료된 제지애쉬와 시멘트를 포함하는 의미이다. 상기 S/B는 모래(sand)/결합재(binder)의 비를 의미하고, 여기서 결합재는 전처리(수화 처리와 무수석고 혼합)가 완료된 제지애쉬와 시멘트를 포함하는 의미이다. 하기 표 1에서 'PSA'는 제지애쉬를 의미하고, 'hydrated PSA'는 수화 처리된 제지애쉬를 의미하며, 'Anhydrite'는 무수석고를 의미한다.
Type Cement (wt%) hydrated PSA(A社)
(wt%)		 hydrated PSA(B社)
(wt%)		 Anhydrite (wt%) S/B
ratio		 W/B ratio
OPC 100 - - - 2.5 0.4
A-5% 95 4.5 - 0.5 2.5 0.4
A-10% 90 9 - 1 2.5 0.4
A-15% 85 13.5 - 1.5 2.5 0.4
B-5% 95 - 4.5 0.5 2.5 0.4
B-10% 90 - 9 1 2.5 0.4
B-15% 85 - 13.5 1.5 2.5 0.4
제작된 시편은 항온항습기에서 24시간(습도: 90%, 온도: 23℃) 동안 양생 후 각각의 양생일(3, 7, 28일) 동안 수중 양생하였다.
모르타르의 플로우 측정은 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험)에 준하여 실시하였다.
전처리 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르의 물리적 특성을 검토하기 위해 모르타르 플로우 및 압축강도를 측정하였다.
제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르의 압축강도를 도 5a 및 도 5b에 나타내었다. 도 5a는 A社 제지애쉬를 사용한 시멘트 모르타르의 압축강도를 보여주고, 도 5b는 B社 제지애쉬를 사용한 시멘트 모르타르의 압축강도를 보여준다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, OPC의 압축강도는 3일 22.9MPa, 7일 27.3MPa, 28일 35.7MPa이었다. 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르에서는 특정 경향을 도출하기 어려웠으나, 3일 양생시 제지애쉬 10wt% 혼합 조건에서 우수한 강도가 발현되었다. 특히 A社 제지애쉬 10wt% 혼합 조건(표 2에서 A-10% 참조)에서 가장 우수한 강도값(24.1MPa)이 도출되었으며, 이는 OPC 대비 105% 수준이었다. 하지만, A社 및 B社 제지애쉬 15wt% 혼합 조건(표 2에서 A-15%와 B-15% 참조)에서는 OPC 보다 낮은 강도값이 발현되었으며, 이는 OPC 대비 각각 95% 및 91% 수준이었다. 그러나, 7일 및 28일 양생 조건에서는 OPC와 큰 차이를 보이지 않았으며, 일부 시편에서는 OPC 보다 양호한 강도값이 발현되었다.
도 6은 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르의 플로우를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, OPC 플로우는 174mm이었다. 제지애쉬 혼합량 증가에 따라 모르타르 플로우는 소폭 감소하였다. 특히, 제지애쉬 15wt% 혼합 조건(표 2에서 A-15%와 B-15% 참조)에서는 A社 163mm, B社 165mm이었으며, 이는 OPC 대비 94% 및 95% 수준이었다. 하지만, 제지애쉬 5wt% 혼합 조건(표 2에서 A-5%와 B-5% 참조)과 제지애쉬 10wt% 혼합 조건(표 2에서 A-10%와 B-10% 참조)에서는 97∼100% 수준으로, OPC 플로우와 유사한 결과를 나타내었다. 그러므로, 압축강도와 플로우만을 고려한다면, 제지애쉬 사용량은 10wt% 이하로 관리되어야 할 것으로 판단된다.
<실험예 3>
수화물과 압축강도와의 상관성을 도출하기 위해 제지애쉬 혼합 시멘트의 페이스트를 제조하여 양생일별 X-선회절(XRD) 패턴을 관찰하였다. 제지애쉬 혼합 시멘트의 페이스트는 전처리된(수화 처리와 무수석고 혼합) 제지애쉬에 시멘트와 혼합수를 혼합하여 제조한 것이다. 더욱 구체적으로는, 전처리된(수화 처리와 무수석고 혼합) 제지애쉬를 시멘트와 혼합하고, 여기에 혼합수(물)를 혼합하여 제지애쉬 혼합 시멘트의 페이스트를 제조하고, 항온항습기에서 24시간(습도: 90%, 온도: 23℃) 동안 양생 후 각각의 양생일(3, 7, 28일) 동안 수중 양생하였다. 수화물 제조시 혼합수 함량은 분체량 기준 40%로 고정하였다.
제지애쉬 혼합 시멘트 페이스트의 압축강도는 분체의 수화특성에 좌우될 수 있으며, 주요 수화 생성물들은 Ca(OH)2, 에트링자이트(3C3A·CaSO4·32H2O) 및 C-S-H로 대분할 수 있다. 따라서, 수화시간에 따른 상기 수화물 함량을 정확히 분석해야 하나, 이는 현실적으로 매우 어려운 문제이다. 하지만, X-선회절(XRD) 패턴에 존재하는 각 결정 피크들의 강도(Peak Intensity)를 상호 비교할 경우, 수화물들의 많고 적음에 대한 상대적 비교는 가능하다. 따라서, 본 실험에서도 제지애쉬 혼합 시멘트 수화물들의 X-선회절(XRD)을 측정하여, 압축강도와 상호 비교분석하였다.
도 7a 내지 도 7c는 페이스트 수화물(Ca(OH)2, 에트링자이트)의 X-선회절(XRD) 피크 강도와 압축강도의 상관성을 그래프화 한 것이다. 도 7a는 3일 양생 압축강도와 X-선회절(XRD) 피크에 대한 것이고, 도 7b는 7일 양생 압축강도와 X-선회절(XRD) 피크에 대한 것이며, 도 7c는 28일 양생 압축강도와 X-선회절(XRD) 피크에 대한 것이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 상관성은 Origin 8.0 프로그램을 사용하였으며, 상관관계방정식은 2차 방정식을 적용하였다. 3일 압축강도와 Ca(OH)2 함량과의 상관관계 계수(R)는 0.73이었으며, 에트링자이트와는 0.66이었다. 특히, Ca(OH)2 피크 강도가 증가할수록 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으나, 약 7500CPS 이상에서는 압축강도가 유사해지는 경향이 발현되었다. 즉, Ca(OH)2 함량이 일정량 이상일 경우에는 더 이상 압축강도가 증가하지 않음을 의미한다고 추정된다. 7일 압축강도와 Ca(OH)2 함량과의 상관관계 계수(R)는 0.56이었으며, 에트링자이트와는 0.10이었다. 이 값들은 3일 계수보다 낮은 값이며, 특히 에트링자이트 함량은 압축강도와의 상관성이 존재치 않는다고 언급할 수 있는 수준이었다. 28일 압축강도와 Ca(OH)2 함량과의 상관관계 계수(R)는 0.59이었으며, 에트링자이트와는 +0.49이었다. 28일 압축강도는 3일 압축강도와는 달리 Ca(OH)2 함량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 일반적으로 Ca(OH)2는 미수화 시멘트 클링커 광물(alite 또는 belite 등)과 반응하여 CSH 겔 또는 결정으로 변화 소모된다. 생성된 CSH 겔 또는 결정은 강도 특성에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 하지만, CSH는 결정 형태 및 구성 성분들의 몰비에 따라서도 다양한 종류가 존재하여, 정확한 함량분석 등은 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 실험예에서 제조한 시멘트 페이스트에 존재하는 일부 Ca(OH)2도 양생일 증가에 따라 CSH 수화물로 변화된 것으로 사료되며, 이에 따라 Ca(OH)2 감소 및 압축강도 증가 현상이 발생한 것으로 추정할 수 있었다.
상술한 실험예들에서는 제지산업에서 발생하는 제지애쉬를 시멘트 혼합재로 적용하기 위해서 수화 처리 및 무수석고 혼합 방법을 사용하였다. 이때, 수화수 함량은 시멘트 중량 대비 5∼16%로 변화시켜 제지애쉬 수화 상태 등을 분석하였다. 또한, 전처리된(수화 처리와 무수석고 혼합) 제지애쉬를 시멘트와 혼합하여 수화 특성과 더불어 물리적 특성을 분석하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.
제지애쉬의 X-선회절 분석 결과, 제지애쉬는 주로 CaCO3, CaO 및 C12A7 등으로 구성되어 있으며, 이 중 CaO와 C12A7 등은 급결 현상을 야기하므로, 미리 수화 반응을 진행시켜야 함을 알 수 있었다.
수화수가 시멘트 중량 대비 5%에서 16%로 증가함에 따라 C-A-H 피크 강도가 증가하였으며, CaO 및 C12A7 피크는 큰 폭으로 감소하였다. 하지만, 수화수 16%에서는 제지애쉬 일부가 1∼2mm의 알갱이로 생성되었다.
제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르의 압축강도는 제지애쉬 발생처에 따라 차이가 있으나, 제지애쉬를 10wt% 이하로 혼합한 경우에서는 OPC와 유사한 강도값이 발현되었다. 특히, 압축강도는 시멘트 수화물 중 Ca(OH)2 함량과도 상관성이 존재하는 것으로 판단되었다. 플로우 값도 제지애쉬를 10wt% 이하로 혼합한 경우에서 OPC와 유사한 결과 값이 도출되었다.
상기 결론으로부터, 전처리된(수화 처리와 무수석고 혼합) 제지애쉬는 적정량 사용시 시멘트를 대체 사용할 수 있을 것으로 판단되었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (16)

  1. 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 수화수가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬;
    상기 수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화를 위한 무수석고;
    시멘트; 및
    혼합수를 포함하며,
    상기 수화 처리된 제지애쉬는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 수화수 3∼15중량부가 혼합되어 수화 처리된 제지애쉬인 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제지애쉬는 상기 수화 처리 전에 유기 섬유가 선택적으로 분리되어 제거된 제지애쉬인 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수화 처리된 제지애쉬와 상기 무수석고는 상기 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재.
  7. 제지 슬러지 소각재인 제지애쉬를 준비하는 단계;
    상기 제지애쉬의 치밀화를 유도하고 상기 제지애쉬에 함유된 CaO 및 C12A7(12CaO·7Al2O3)을 미리 수화 반응시켜 급결을 방지하기 위해 상기 제지애쉬에 수화수를 혼합하여 수화 처리하는 단계;
    수화 처리된 제지애쉬에 함유된 C-A-H(CaO-Al2O3-H2O) 성분에 의해 급결되는 것을 방지하고 에트링자이트 생성을 통한 매트릭스 치밀화를 위해 수화 처리된 제지애쉬에 무수석고를 혼합하여 전처리된 제지애쉬를 형성하는 단계; 및
    상기 전처리된 제지애쉬, 시멘트 및 혼합수를 혼합하여 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 수화수는 상기 제지애쉬 100중량부에 대하여 3∼15중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제지애쉬를 수화 처리하기 전에,
    상기 제지애쉬에 함유된 유기 섬유를 선택적으로 분리하여 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서, 상기 제지애쉬와 상기 수화수의 혼합은 볼 밀링(ball milling)을 이용하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 무수석고는 수화 처리된 제지애쉬 100중량부에 대하여 1∼20중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 전처리된 제지애쉬는 상기 시멘트 100중량부에 대하여 1∼15중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 제지애쉬는 화학 조성 성분으로 CaO 50∼57 wt%, SiO2 12∼18 wt%, Al2O3 8∼12 wt%, Fe2O3 0.5∼9 wt%, MgO 1∼6 wt%, Na2O 0.1∼3 wt%, K2O 0.01∼2 wt% 및 SO3 0.05∼4 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 혼합수는 상기 전처리된 제지애쉬 및 상기 시멘트의 전체 함량 100중량부에 대하여 25∼70중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재의 제조방법.
  15. 제1항에 기재된 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 모래가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 모르타르.
  16. 제1항에 기재된 제지애쉬 혼합 시멘트 결합재에 모래와 골재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 제지애쉬 혼합 시멘트 콘크리트.
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한국걸설순환자원학회지 11권 제2호*

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