KR101849381B1

KR101849381B1 - 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법

Info

Publication number: KR101849381B1
Application number: KR1020170159543A
Authority: KR
Inventors: 양철진; 배준석; 이강휘; 변호석
Original assignee: (주)아시아특수재료
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2018-04-17

Abstract

본 발명은 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 제철 부산물 중인 용선 슬래그 등을 재활용 자재로서 적극 활용하면서도 강도와 같은 물성 저하가 없이 시공할 수 있으며, 건설시공원가를 크게 낮출 수 있는 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법에 관한 것이다.

Description

순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법{The yellow soil paving method using the recycled materials}

종래 건축물 미장용 몰탈이나 인도용 도로에 대한 포장재로서 사용되던 시멘트 몰탈은 포틀랜드 시멘트 또는 3종 시멘트(조강 포틀랜드 시멘트), 고로 슬래그 미분말, 마이크로 시멘트, 백시멘트 등을 이용한 것으로, 이들은 다량의 알칼리를 발생하고 라돈과 같은 물질을 장기간 방출하여 인체에 유해한 작용을 하는 것으로 밝혀졌으나, 워낙 오래전부터 범용으로 사용되어 왔기 때문에 현재도 여전히 고화제로서 널리 사용되고 있다.

다만, 종래의 시멘트 몰탈 대신 해초 추출물이나 우레탄과 같은 고화제(경화제)를 사용하여 시멘트 몰탈의 문제점을 극복하고자 하는 시도가 있었으나, 강도와 내구성 면에서 종래의 시멘트 몰탈 보다 현저히 떨어지고, 겨울철 혹한기에 동파되거나 들뜸 현상 및 크랙이 생겨 실제로 적용되기에는 한계가 있었다.

또한, 이들 종래의 시멘트 몰탈 및 대체품은 폐기시 재생 또는 재활용이 불가능하여 환경오염의 문제가 있었으므로, 이를 보완하기 위하여 토양이나 황토를 이용한 포장공법이나 몰탈 조성물이 개발되었다.

먼저, 국내 특허 제272800호(2000. 11. 15. 공고)는 도로포장을 위해 노상을 정비하는 공정; 도로의 사용목적에 따라 노상의 상단부에 보조기층 또는 쇄석기층을 일정 두께로 포설하는 공정; 상기 보조기층 또는 쇄석기층의 상단부에 골재 최대치수가 25㎜, 13㎜ 및 6㎜로 이루어진 군에서 선택된 골재 1㎥, 상기 골재 1㎥ 당 시멘트 200-400㎏, 물 80-130㎏, 시멘트 중량 기준으로 감수제가 0.1-2% 포함되고 공극율이 8-30%가 되는 다공성 콘크리트 혼합물을 포설, 다짐한 후 1일 이상 양생하는 공정; 및 상기 콘크리트층 상단부에 4㎜체에서 90% 이상 통과하고 #200 체에서 80% 이하 통과되는 토양에 바인더로서 아크릴, 우레탄, 에폭시 및 불포화 수지로 이루어지는 군에서 선택된 수지 용액 또는 에멀젼을 토양 1 중량부 기준으로 수지용액 또는 에멀젼 0.05-1 중량부를 혼합한 토양층을 포설하고 1일 이상 양생하는 공정을 포함하는 토양도로 포장방법을 개시하였다.

상기 특허에서 개시된 방법은 흙길이 갖는 자연친화성, 부드러운 감촉 등을 제공할 수 있다는 장점을 갖지만, 토양층을 포설하기 전에 시멘트를 포함하는 콘크리트층을 형성함으로써 시멘트 사용으로 인한 유해성 및 폐기시의 환경 오염 문제는 여전히 남게 된다.

한편, 일반 토양 대신 황토를 이용한 포장재와 관련된 종래 기술로서, 국내 특허 제408594호(2003. 12. 6.공고)는, 압축강도를 높이기 위하여 황토를 구워 100∼150 메쉬로 분쇄한 고순도 미세 분말 황토를 사용하며 시멘트와 황토의 배합 중량비가 1 : 0.78∼1.42이고 천연 황토색을 발현시키기 위하여 붉은색과 노란색의 산화철을 조합하여 시멘트량에 대하여 2.67∼5.50%를 첨가 혼합하고, 이 혼합물에 자갈, 모래, 물을 혼합하되 도로의 용도에 따라 시멘트에 대한 황토의 배합비와 산화철의 첨가비를 조절하여 제조하는 것을 특징으로 하는 황토 도로포장재의 제조방법을 개시하였다.

또, 국내 특허 제632699호(2006. 10. 11. 공고) "흙 연질포장용 조성물과 이를 이용한 흙 연질 포장공법"은 슬래그 미분말 55∼65 중량%, 천연 무수석고 35∼45 중량%를 혼합하여 연질파우더를 생성하고, 체거름된 마사토 100 중량부에 상기의 연질파우더 6 내지 12 중량부를 첨가 교반하여 연질파우더 혼합물을 형성하며, 상기 연질 파우더 혼합물에 첨가제(에틸하이드록시 에틸셀룰로오스) 1 내지 6 중량부를 첨가하여 건식혼합시킨 다음, 물 12 내지 15 중량부를 첨가 및 교반하여 흙 연질포장용 조성물을 형성하고, 상기 혼합 교반된 흙 연질포장용 조성물을 소정 두께로 포설하며, 이를 로울러로 반복 다짐 및 양생하여 pH 8.5∼9.5, 강도 4∼10㎏F/㎠ 를 구비하는 것을 특징으로 하는 흙 연질 포장공법을 개시하였다.

이들 선행 특허들은 황토 또는 마사토를 이용하지만, 실제 사용에 필요한 고강도, 노크랙(no crack), 반영구적 내구성을 동시에 만족시키지 못하는 문제가 있었다.

한편, 용선 슬래그는 제강 부산물 중 용선 파우더를 순환 활용하여 만든 친환경 결합재로 제철소의 용광로에서 철광석을 고온으로 녹이는 과정을 용선과정이라 하며, 그 공정에서 발생되는 분말형태의 미분을 집진한 것이 용선 슬래그이다.

용선 슬래그는 철강 폐기물 중 하나로 철강 슬래그로 불려 지기도 한다. 철강 슬래그는 일관 제철 공정을 갖춘 제철소의 제강과정에서 다량 발생되는 부산물 및 폐기물로 발생과정 및 공정에 따라 크게 고로슬래그와 제강슬래그, 용선 슬래그로 구분되어진다.

우리나라에서 2014년 발생한 고로 슬래그와 제강슬래그는 각각 880만톤과 910만톤 정도 생산되고 있으며, 제강슬래그 중 전기로 슬래그의 발생량은 450만톤, 전로슬래그는 460만톤 정도이다. 각각의 슬래그에 대한 재활용 기술 개발은 이미 상당한 성과를 보이고 있으나 용선 예비처리 과정에서 발생되는 용성파우더는 전량 폐기물로 폐기되고 있는 실정이며 이는 자원적, 환경적으로 막대한 손실이다.

따라서, 제철소에서 발생되는 용선 슬래그의 재자원화를 위한 연구가 절실히 요구되며, 본 연구에서는 상기의 목적을 달성하기 위하여 제철산업 부산물인 용선슬래그를 사용할 때 발생하는 수화 반응성 저하 문제를 해소하여 자원의 재활용이 활발하게 이루어지도록 하는 연구 개발이 필요한 실정이다.

한편, 석탄의 선별과정에서 배출되는 선탄경석(選炭硬石)은 종래 벽돌이나 내화물, 시멘트 등의 부원료로서 소결체를 제조할 때에 혼합하여 사용되어 왔으나 그 사용량이 미흡하여 아직 대량의 선탄경석이 석탄광산 지역에 적치되어 있으며 환경오염을 유발하고 있는바, 이를 활용할 새로운 방법이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1015217호 대한민국 등록특허 제10-272800호 대한민국 등록특허 제10-408594호 대한민국 등록특허 제10-632699호

본 발명은 제철 부산물 중인 용선 슬래그 등을 재활용 자재로서 적극 활용하면서도 강도와 같은 물성 저하가 없이 시공할 수 있으며, 건설시공원가를 크게 낮출 수 있는 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법은 황토 100중량부를 선탄 경석 10~30중량부와 함께 가열로에 넣고 500~800℃로 소성한 제1원료를 마련하는 S1단계와; 상기 제1원료 100중량부를 기준으로, 용선 슬래그 30~50중량부와, 표면 개질된 골재 10~30중량부와, 시멘트 10~30 중량부와, 반응 촉진제 5~15중량부를 혼합한 제2원료를 마련하는 S2단계와; 상기 제2원료 100중량부를 기준으로, 물 10~30중량부를 혼합한 다음, 바닥면에 포설하는 S3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법에 있어서, 용선 슬래그는 총 중량에 대하여 10~12중량%의 SiO₂, 15~18중량%의 Al₂O₃, 20~25중량%의 Fe₂O₃를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법에 있어서, 반응 촉진제는, 주물사 분말 100중량부를 기준으로 칼슘 알루미네이트 10~30중량부, 설퍼알루미네이트 10~30중량부, 아세트산 10~30중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법에 있어서, 표면 개질된 골재는 평균 입도가 0.1~1mm인 모래 100중량부에 대하여, 코팅액 10~30중량부를 혼합한 다음 건조하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법에 있어서, 표면 개질된 골재는 모래 100중량부와; 메틸메타크릴레이트 100중량부에 대하여 실란 10~30중량부와, PCL(poly capro lactone) 5~10중량부와, 메틸에틸케톤 5~10중량부와, 실란 1~5중량부와, 5-메톡시펜틸옥시아세틱산(5-Methoxy pentyloxy acetic acid) 0.1~1중량부와, 실리카 입자 0.1~1중량부로 이루어지는 코팅액을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법은 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 제철 부산물 중인 용선 슬래그 등을 재활용 자재로서 적극 활용하면서도 강도와 같은 물성 저하가 없이 시공할 수 있으며, 건설시공원가를 크게 낮출 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은, 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법의 각 단계를 도시한 블럭도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법의 각 단계를 도시한 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법은 크게 제1원료를 마련하는 S1단계와, 상기 제1원료와, 재활용 자재인 용선 슬래그 등을 혼합하여 제2원료를 마련하는 S2단계와, 상기 제2원료와 물을 혼합하고 바닥면에 포설하고 양생하는 S3단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 S1단계는 황토를 가열로에서 소성 처리하여 미세 공극을 더욱 활성화하여 표면적을 극대화할 수 있는데, 소성시 가열로에서는 평균 입도가 0.5~2mm의 선탄 경석에 함유된 탄소가 함께 연소되기 때문에 소성에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. 이러한 소성 처리는 500~800℃의 전기 가열로에서 1시간 내지 3시간 동안 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

그리고 선탄 경석의 회분에는 55~60중량%의 SiO₂와, 30~35중량%의 Al₂O₃가 함유되어 있기 때문에 황토 포장재의 수화 반응에도 참가하고, 폐자원을 재활용에도 큰 영향을 준다.

본 발명의 S2단계는 제1원료 100중량부를 기준으로, 용선 슬래그 30~50중량부와, 골재 10~30중량부와, 시멘트 10~30 중량부와, 반응 촉진제 5~15중량부를 혼합한 제2원료를 마련하는 단계이다.

본 발명의 용선 슬래그는 제철 부산물 중 하나로서 재활용 자재로서 사용된다. 아래 표 1은 고로슬래그와, 용선슬래그의 주요 구성 성분을 나타낸 것으로서 표 1에 나타난 바와 같이 용선 슬래그는 유해 중금속의 함유량이 타 물질에 비해 매우 적으나, Fe 이온을 많이 함유하고 있으나, 수화반응에 따른 경화 후 강도가 매우 낮아 반응성이 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제는 상술한 제1원료의 선탄 경석과, 제2원료의 구성 성분과의 혼합을 통해 황토 포장재 전체 강도에는 영향을 미치지 않게 된다.

구분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	TiO₂
고로슬래그	35.08	10.87	0.52	43.10	3.60	2.36	1.20
용선슬래그	11.36	16.49	22.06	34.30	5.57	0.15	0.17

상기 골재는 일반 모래를 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 다른 원료들과의 결합력을 향상시키기 위해 표면 개질된 골재를 사용한다.

상기 표면 개질된 골재는 평균 입도가 0.1~1mm인 모래 100중량부에 대하여, 코팅액 10~30중량부를 혼합한 다음 건조하여 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 표면 개질된 골재는 모래 100중량부와, 메틸메타크릴레이트 100중량부에 대하여 실란 10~30중량부와, PCL(poly capro lactone) 5~10중량부와, 메틸에틸케톤 5~10중량부와, 실란 1~5중량부와, 5-메톡시펜틸옥시아세틱산(5-Methoxy pentyloxy acetic acid) 0.1~1중량부와, 실리카 입자 0.1~1중량부로 이루어지는 코팅액을 혼합하여 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 메틸메타크릴레이트와, 실란과, PCL(poly capro lactone)은 어느 하나만 사용될 수도 있고 혼합하여 사용될 수도 있으나 3종을 모두 혼합할 때 결합 강도가 크게 향상된다. 상기 실란은 aminopropyl trimethoxy silane인 것을 예시할 수 있다. 그리고 메틸에틸케톤은 용제 역할을 하고, 5-메톡시펜틸옥시아세틱산(5-Methoxy pentyloxy acetic acid)은 실리카 입자에 대한 분산제 역할을 한다.

여기서 실리카 입자는 100~500nm의 평균 입도를 가지는 것이 바람직한데, 상기 모래 표면에 부착되어 수화반응을 통한 치밀한 결합을 유도한다.

상기 시멘트는 강 알칼리성 물질로서 용선 슬래그를 활성화시킨다.

상기 반응 촉진제는 주물사 분말 100중량부를 기준으로 칼슘 알루미네이트 10~30중량부, 설퍼알루미네이트 10~30중량부, 아세트산 10~30중량부를 포함하여 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

여기서, 주물사 분말, 칼슘 알루미네이트, 칼슘 설퍼알루미네이트 및 설퍼알루미네이트는 수화반응 자극제 역할을 하고, 아세트산은 용선 슬래그 표면 자극제 역할을 한다. 이 중에서 주물사 분말은 주물공정에 사용되고 나서 폐기되는 폐 주물사로서 철성분 12~13중량%과, 실리카성분(SiO₂)이 80~85중량% 함유되어 있는데, 실리카성분은 상기 용선 슬래그의 수화반응성 저하를 개선할 수 있으며, 재활용을 통해 자원절약을 하고 이를 통해 비용을 절감할 수 있다. 그리고 칼슘 알루미네이트, 칼슘 설퍼알루미네이트 및 설퍼알루미네이트는 초기 수화 반응성을 개선하는 역할을 한다.

상기 아세트산(Acetic acid)은 용선슬래그 표면 자극제 역할을 하는 것으로서, 용선슬래그의 표면을 감싸고 반응성을 저해하는 유리막 구조의 활성화를 위해 사용된다.

본 발명에서는 황토 포장재의 물성을 알아보기 아래와 같은 실험을 하였다.

제1원료로서 황토 100중량부, 선탄 경석 30중량부를 전기로에 넣고 750℃가 되도록 2시간 가열 소성하였다. 제1원료 100중량부를 기준으로, 용선 슬래그 50중량부와, 표면 개질된 모래 20중량부와, 1종 포틀랜드 시멘트 10 중량부와, 반응 촉진제 10중량부를 혼합하여 제2원료를 마련하였다. 여기서, 반응 촉진제는 주물사 분말 100중량부를 기준으로 칼슘 알루미네이트 10중량부, 설퍼알루미네이트 10중량부, 아세트산 20중량부를 사용하였다. 그 다음, 제2원료 100중량부를 기준으로,물 12중량부와 혼합하여 실시예 1의 공시체를 제조하였다.

[비교예 1]

상기 실시예 1에서 선탄 경석을 생략하고 황토만을 가열 소성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방식으로 공시체를 제조하였다.

[비교예 2]

상기 실시예 1에서 코팅액으로 표면 개질 처리하지 않은 일반 모래를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방식으로 공시체를 제조하였다.

[비교예 3]

상기 실시예 1에서 제1원료로서 황토와 선탄 경석을 사용하되 소성 처리를 생략한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방식으로 공시체를 제조하였다.

[실험예 1]

실시예 1의 공시체와, 비교예의 공시체에 대한 강도를 평가한 결과를 아래 표 2에 기재하였다.

평가항목	단위	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예 1	평가방법
3일강도	MPa	0.29	0.23	0.19	0.31	KS F 2405
7일강도	MPa	0.46	0.40	0.35	0.83	KS F 2405
28일강도	MPa	0.73	0.81	0.63	1.12	KS F 2405

위 표 2를 살펴보면, 본 발명에 따라 제조된 공시체의 강도가 양생 기간에 관계 없이 크게 개선된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 기존에 재활용이 거의 이루어지지 않던 용선 슬래그, 선탄 경석, 주물사 등의 순환골재를 사용하더라도 강도 등의 물성 저하 없이 포장재로 활용함으로써, 자원의 낭비를 막고 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명에서 제1원료로서 선탄 경석을 사용하여 황토를 소성하는 공법과, 모래와 같은 골재를 표면 코팅하여 개질하는 공법을 통해 물성이 크게 향상된다는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

황토 100중량부를 선탄 경석 10~30중량부와 함께 가열로에 넣고 500~800℃로 소성한 제1원료를 마련하는 S1단계와;
상기 제1원료 100중량부를 기준으로, 용선 슬래그 30~50중량부와, 표면 개질된 골재 10~30중량부와, 시멘트 10~30 중량부와, 반응 촉진제 5~15중량부를 혼합한 제2원료를 마련하는 S2단계와;
상기 제2원료 100중량부를 기준으로, 물 10~30중량부를 혼합한 다음, 바닥면에 포설하는 S3단계;를 포함하되,
상기 표면 개질된 골재는 모래 100중량부와; 메틸메타크릴레이트 100중량부에 대하여 PCL(poly capro lactone) 5~10중량부와, 메틸에틸케톤 5~10중량부와, 실란 1~5중량부와, 5-메톡시펜틸옥시아세틱산(5-Methoxy pentyloxy acetic acid) 0.1~1중량부와, 실리카 입자 0.1~1중량부로 이루어지는 코팅액을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법.
제1항에 있어서,
상기 용선 슬래그는 총 중량에 대하여 10~12중량%의 SiO₂, 15~18중량%의 Al₂O₃, 20~25중량%의 Fe₂O₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법.
제1항에 있어서,
상기 반응 촉진제는, 주물사 분말 100중량부를 기준으로 칼슘 알루미네이트 10~30중량부, 설퍼알루미네이트 10~30중량부, 아세트산 10~30중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 순환골재를 활용한 황토 포장재 시공방법.
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