KR101858395B1 - 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 경량골재는 충청남도 홍성지방과 강원도 평창 지방에서 주로 발견되는 보명토와, 탄산나트륨 제조공정에서 발생하여 폐기 처분되고 있는 부산석회를 이용한 것으로, 천연골재의 무분별한 채취에 따른 환경파괴를 방지하며, 특히 폐기물인 부산석회를 재활용함으로써 처리비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 방음 및 단열효과를 극대화하여 층간소음의 문제를 해결할 수 있는 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

보명토와 부산석회를 이용한 경량골재 및 이의 제조방법{The light weight aggregate and the manufacturing method thereof using clay and waste lime}

본 발명은 건축물의 내벽용 인공 경량골재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보명토와 부산석회를 이용하여 방음 및 단열 효과를 극대화한 경량골재 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 골재란 모래 자갈, 쇄석(부순돌), 슬래그 등을 칭하는 것으로서, 콘크리트를 만들기 위해 시멘트, 물과 함께 경화하는 재료를 말한다.

즉, 콘크리트로 건물을 만들 때, 돌이나 모래 등을 섞어서 양도 늘리고, 더 단단하면서 수명이 오래가도록 하기 위한 것으로써 시멘트에 섞어주는 돌이나 모래 등을 말한다.

골재의 종류로는 크게 천연골재와 인공골재로 구분될 수 있으며, 상기 천연골재의 경우 무분별하게 채취되는 바람에 자연파괴 및 환경파괴 등의 이유로 최근에는 천연골재에 대한 채취가 극히 제한적으로 이루어지고 있는 실정이다.

인공골재는 위 문제점에 대응되는 방안으로서, 폐기물들을 재활용하여 제조된다는 점에서 긍적적인 영향을 제공하고 있으며, 이에 따른 인공골재에 대한 개별 요구가 증가하고 있다.

현대사회의 대량생산ㆍ소비 경제사회구조에서 발생하는 산업폐기물은 국가 경제의 점진적인 발전과 더불어 이미 중대하나 사회ㆍ경제적 문제의 하나가 된지 이미 오래며, 이러한 인식에 근거한 국제적인 환경규제는 지역적 환경문제의 차원을 넘어서 국내 산업활동의 장애요인으로까지 발전하였다.

하지만, 경제활동에서 버려지는 모든 폐기물이 자원으로 재활용되어 경제활동에 재투입될 수 있다면 폐기물의 처리를 위한 사회ㆍ환경문제 및 막대한 경제적 비용은 사라질 수 있을 것이다.

그러한 완벽한 자원순환형 경제사회 구현을 위하여 지속적으로 폐기물을 자원화하려는 시도를 하여야 하고, 폐기물을 처분하여야 할 대상으로만 불 것이 아니라, 용도개발이 완성되지 않은 미활용 자원으로 파악하는 발상의 전환이 요구되는 시점이다.

이하, 산업폐기물을 이용하여 제조한 인공골재에 대한 종래 기술에 대하여 살펴보도록 한다.

특허공개 10-2010-0099494호 "냉연 및 열연 슬러지를 이용한 인공 경량골재의 제조방법"에 의하면 제강 부산물을 재활용하기 위하여 냉연 및 열연 슬러지와 점토를 일정한 비율로 혼합하여 제조된 인공 경량골재가 개시되어 있다.

이에 따른 인공 경량골재에 대한 제조방법은 냉연 침 열연 슬러지 5~90 중량부 및 점토 10~120 중량부를 혼합하는 단계와, 상기 혼합물을 성형하는 단계와, 상기 성형체를 건조하는 단계 및 상기 건조체를 소성하는 단계를 포함하고, 절대건조비중이 0.8~1.5이고 흡수율이 5~20%인 것을 특징으로 함으로써, 철강 산업의 부산물인 냉연 및 열연 슬러지를 주원료로 사용하여 별도의 발포제가 필요 없고 철강 폐기물을 재활용할 수 있어 경제성이 뛰어날 뿐만 아니라 폐기물을 저감시켜 환경 오염 문제를 해결할 수 있다.

하지만, 상기한 종래의 철강 폐기물을 이용한 인공경량골재 및 이에 대한 제조방법은 다음과 같은 문제가 발생하였다.

첫째, 시간이 경과함에 따라 공기나 수분에 의해 철강 슬러지가 산화됨으로써, 붉은색의 녹물이 흘러나오게 되어 인공골재가 사용된 건축물 등이 더럽힐 뿐만 아니라 녹물이 하수도로 유입될 경우 수질을 오염시킬 수 있는 2차 문제가 발생하였다.

둘째, 철강 슬러지를 이용한 인공골재는 비중이 높아 건축물의 골재로 사용하기에 적합하지 않은 문제가 있었다.

게다가, 철강 슬러지를 팽창시키는 과정에서 유해물질이 발생하여 사람이 주거하는 주택이나 공연 등의 관람을 위해 사람들이 수수로 출입하는 건축물의 시공을 위한 골재로는 적합하지 않은 문제가 발생하였다.

대한민국 공개특허 제10-2010-0099494호

따라서 본 발명은 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재에 관한 것으로, 다양한 유기물과 무기물을 함유하고 있는 보명토와 탄산나트륨 제조공정에서 발생하여 폐기 처분되고 있는 부산석회를 이용하여 적정의 강도와 흡수율을 가지는 경량골재를 제조함으로써, 방음 및 단열효과를 극대화하여 층간소음의 문제를 해결할 수 있는 경량골재 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 발명된 본 발명에 따른 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재는, 보명토 50 ~ 70 중량％, 부산석회 20 ~ 40 중량％ 및 포졸란 5 ~ 10 중량％를 포함하고,

상기 부산석회는, SiO₂ 65.5 ~ 75.5 중량％, Al₂O₃ 10 ~ 14 중량％, Fe₂O₃ 2.5 ~ 8.5 중량％, CaO 1.5 ~ 3.5 중량％, MgO 0.1 ~ 1.9 중량％, NA₂O 0.1 ~ 2.5 중량％ 및 K₂O 2.5 ~ 5.5 중량％를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재의 제조방법은, 보명토와 부산석회의 불순물을 제거하는 정제단계(S10);

정제된 상기 보명토와 부산석회를 200매쉬의 크기로 분쇄하는 분쇄단계(S20);

분쇄된 상기 보명토를 부산석회에 포졸란과 폐합성수지로부터 추출되는 재생유를 일정성분비로 혼합하여 필요한 양으로 조절 및 공급하는 정량공급단계(S30);

상기 보명토, 부산석회, 포졸란 및 재생유를 반죽하는 반죽단계(S40);

원판성형기에 상기 반죽을 넣어 10 ~ 20mm의 크기로 성형하여 중간재를 생성하는 성형단계(S50);

상기 중간재를 로터리키른(Rotary kiln)에 투입하여 기설정된 온도 및 시간 동안 가열하여, 팽창시키는 가열ㆍ팽창단계(S60); 및

상기 중간재를 냉각기 투입하여 상온까지 급냉시키는 냉각단계(S70);를 포함한다.

본 발명에 따른 경량골재는 충청남도 홍성지방과 강원도 평창 지방에서 주로 발견되어 다양한 유기물 및 무기물이 포함되어 있는 보명토와, 탄산나트륨 제조공정에서 발생하여 폐기 처분되고 있는 부산석회를 이용한 것으로, 천연골재의 무분별한 채취에 따른 환경파괴를 방지하고, 폐기물인 부산석회를 재활용함으로써 생산 단가가 저렴하여 매우 경제적이며, 특히 압축강도가 뛰어나 방음 및 단열효과를 극대화하여 층간소음의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

우선, 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세하게 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 나타내었고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략됨에 유의하여야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보명토 및 부산석회를 이용한 경량골재에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 경량골재는 충청남도 홍성지방과 강원도 평창 지방에서 주로 발견되는 보명토와, 탄산나트륨 제조공정에서 발생하여 폐기 처분되고 있는 부산석회를 이용한 것으로, 천연골재의 무분별한 채취에 따른 환경파괴를 방지하며, 특히 폐기물인 부산석회를 재활용함으로써 처리비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 방음 및 단열효과를 극대화하여 층간소음의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재는, 보명토 50 ~ 70 중량％, 부산석회 20 ~ 40 중량％, 포졸란 5 ~ 10 중량％을 포함하고, 더욱 바람직하게는 폐합성수지로부터 추출되는 재생유 5 ~ 10 중량%를 더 포함할 수 있다.

상기 보명토는, 충청남도 홍성지방과 강원도 평창 지방에서 주로 발견되는 흙으로써, SiO₂ 70 ~ 85 중량％, Al₂O₃ 5 ~ 20 중량％, Fe₂O₃ 1 ~ 5 중량％, TiO₂ 0.5 ~ 3 중량％, CaO 0.5 ~ 1 중량％, MgO 1 ~ 1.5 중량％, K₂O 1 ~ 1.5 중량％, Na₂O 0.05 ~ 0.5 중량％, MnO 0.05 ~ 0.5 중량％, P₂O₃ 0.05 ~ 0.5 중량％ 및 기타 0.05 ~ 1 중량％를 포함하고, 다양한 유기물 및 무기물이 포함되어 있음에 따라 원적외선과 방사와 같은 인체에 유익한 효능을 가지고 있다.

상기 부산석회는 탄산나트륨 제조공정에서 발생하여 폐기 처분되고 있는 것으로, 일반적으로 염화나트륨(NaCl)과 석회석(CaCO₃)을 반응시켜 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 제조하는 과정에서 탄산나트륨을 분리하고 남은 잔유물로 폐기 대상의 물질이며, SiO₂ 65.5 ~ 75.5 중량％, Al₂O₃ 10 ~ 14 중량％, Fe₂O₃ 2.5 ~ 8.5 중량％, CaO 1.5 ~ 3.5 중량％, MgO 0.1 ~ 1.9 중량％, NA₂O 0.1 ~ 2.5 중량％, K₂O 2.5 ~ 5.5 중량％를 포함한다.

또한, 상기 부산석회는 "2NaCl + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaCl₂"의 반응식에 나타낸 바와 같이, 탄산나트륨은 염화나트륨(NaCl)과 석회석(CaCO_{3 )}을 주원료로 하여 제조하고 있으며, 탄산나트륨(Na₂CO₃)과 함께 칼슘클로라이드(CaCl₂)가 함께 생성되는데, 이때 미반응의 탄산칼슘을 함유하는 부산석회가 얻어진다.

본 발명에 따른 경량골재는 상기 보명토와 상기 부산석회를 대략 2:1의 비율로 혼합하여 혼합물을 형성하는데, 잔여 SiO₂가 소성하는 과정에서 용융되어 소성체를 코팅하게 되어 흡수성을 상쇄하게 되며, 그에 따라 혼합물 내에 SiO₂의 함량이 높게 되면 상기 미반응 SiO₂의 용융된 유리질 성분량이 증가하게 되어 소성체의 코팅성이 증가되고, 따라서 흡수성이 감소하게 된다.

또한, 상기 보명토와 상기 부산석회의 혼합물 내에 SiO₂의 함량이 낮을수록 미반응 SiO₂의 용융된 유리질 성분량이 감소하게 되어 소성체의 코팅성이 감소되고, 따라서 흡수성이 증가하게 된다.

따라서 상기 보명토와 부산석회를 약 2:1의 최적의 비율로 혼합하여, 혼합물 내에 SiO₂ 대 석회석의 비율이 2:1 미만이 되도록 함으로써, 팽창성 및 강도가 감소하는 것을 예방하고, 소성체의 흡수율이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 발명의 경량골재는 상기 보명토와 부산석회의 혼합물에 내산성을 갖는 포졸란(Pozzolan)이 혼합된다.

상기 포졸란은 콘크리트 중의 수산화칼슘과 상온에서 천천히 화합하여 물에 녹지 않는 화합물을 만들 수 있는 실리카질 물질을 함유하고 있는 미분말 상태의 재료로, 시멘트와 혼합시 접착제 역할을 하는 혼화제로 사용하며, 특히 상기 부산석회와 친화력이 강하여 흡수성 감소로 인한 골재의 부식을 예방함과 동시에 강도를 높여주어 건물 기타 콘크리트 구조물의 수명을 연장하고, 알칼리성이 골재에 반응하여 감소되어 체적변화를 막아주는 현저한 효과가 있다.

본 발명의 경량골재 제조에 사용되는 포졸란은 화산재, 응회암, 규조토, 플라이 애쉬, 실리카 흄, 실리카 겔 또는 소성점토와 같은 광물을 성형하여 얻어지는데, 선택된 어느 하나의 상기 포졸란 광물은, 1 ~ 2일 자연 건조하고, 풍화과정에 의해 1 ~ 20㎜ 크기로 형성하며, 소성로에 넣고 약 100 ~ 150℃의 온도에서 약 2시간 정도 소성시켜 불순물을 제거하며, 불순물이 제거된 상기 포졸란 광물을 200 메쉬의 크기로 분쇄하여 구비된다.

본 발명의 경량골재는 상기와 같이 형성되는 포졸란 5 ~ 10 중량%를 포함하며, 상기 부산석회와 약 3:1 또는 4:1의 비율로 혼합된다.

또한, 상기 보명토, 부산석회 및 포졸란의 혼합시 반응의 지연을 위한 지연제로 당류(설탕류)가 0.1 ~ 0.9 중량% 더 첨가될 수 있다.

한편, 본 발명의 경량골재는 폐합성수지로부터 추출되는 재생유 5 ~ 10 중량%를 더 포함하는데, 상기 재생유는, 수분 0.05 부피％ 이하, 무게 0.1g 이하, 황분 0.005 중량％ 이하, 인화점 25.0℃ 이하, 유동점 -55.0℃ 이하, 유출온도 20~29℃, 비중 0.782 ~ 1.0, 총 발열량 10990 cal/g 이하 및 동점도 40℃ cst 0.9402 이하의 특성을 갖는다.

상기 재생유는 상기 보명토와 상기 부산석회에 함유된 SiO₂에 대한 팽창력을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 경량골재의 제조시 약 5 ~10 중량%가 혼합되어 본 발명에 따른 경량골재가 최적의 팽창력에 의해 제조되도록 한다.

다음은 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.

먼저, 상기 보명토와 부산석회의 불순물을 제거하기 위한 정제작업이 이루어진다(정제단계,S10).

상기 보명토는 석별기에 투입하여 돌 및 기타 불순물이 제거되고, 원료생성기를 거치면서 선별작업이 이루어진다.

그리고 정제단계를 거친 상기 보명토 및 부산석회가 롤밀을 통해 골재제조에 적합한 형태로 분쇄되는데(분쇄단계,S20), 약 200 ~ 250 매쉬의 크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직하다.

분쇄된 상기 보명토 및 부산석회는 포졸란과 폐합성수지로부터 추출되는 재생유를 일정 성분비로 혼합하여 혼합물을 생성할 수 있도록 정량공급기를 사용하여 필요한 양으로 조절하여 공급한다(정량공급단계,S30).

본 발명에 따른 경량골재는 상기 보명토 50 ~ 70 중량％, 부산석회 20 ~ 40 중량％, 포졸란 5 ~ 10 중량％ 및 재생유 5 ~ 10 중량%의 혼합에 의해 형성된다.

그리고 상기 보명토, 부산석회, 포졸란 및 재생유의 혼합물을 반죽기에 넣고, 상기 혼합물 100중량부에 대해여 약 20중량부의 물과 혼합하여 반죽한다(반죽단계,S40).

상기 반죽단계에서 생성되는 반죽을 원판성형기 또는 회전판 성형기에 넣어 10 ~ 20mm의 크기로 성형하여 중간재를 생성한다(성형단계,S50).

상기 성형단계에서 상기 중간재는 상기 반죽에 물방울을 분사시켜 구상체로 성형하고, 구상체 형상으로 성형되는 상기 중간재의 표면에 내화도가 높은 카오린을 도포하여 줌으로써 상기 구상체 형상의 중간제가 서로 달라붙는 현상을 예방할 수 있다.

또한, 상기 중간재에는 제올라이트 또는 벤토나이트가 도포될 수 있는데, 상기 중간재의 성형과정에서 상기 중간재에 달라붙거나 함유된 중금속 또는 세균을 산화, 분해 또는 흡착하는 효과가 있다.

상기 벤토나이트는 몬모릴로나이트를 주로 한 점토(粘土)를 말하는 것으로, 석영, 장석(長石) 등을 포함한 것이며, 그 빛깔은 백색 ·회색 ·담갈색 ·담녹색 등을 나타내는데 흡착 효과가 뛰어날 뿐 아니라 양이온 교환성이 뛰어난 효과가 있다.

그리고 상기 중간재를 로터리키른(Rotary kiln)에 투입하여 온도 700 ~ 800℃ 및 40 ~ 45분의 시간 동안 가열하고, 팽창시킨다(가열ㆍ팽창단계,S60)

상기 로터리키른(Rotary kiln)은 회전로(回轉爐)라고도 하고, 내부를 내화 벽돌 붙임으로 한 강철제의 회전 원통 내에 원료를 넣고 열풍이나 불꽃을 불어 넣어 가열하는 노이며, 상기 중간재는 컨베어밸트를 통해 상기 로터리키른에 투입되는데, 상기 컨베어밸트에 안착되어 투입되는 과정에서 상기 내화벽돌의 잠열에 의해 건조되며, 이후 로터리킬른 내부에서 850 ~ 1000℃의 온도로 35 ~ 40분 가열되고, 상기 가열에 의해 200 ~ 250% 팽창된다.

따라서 본 발명은 상기 보명토와 부산석회 및 포졸란을 사용함으로써, 일반 점토을 이용한 경량골재의 제조방법에 비해 약 150 ~ 200℃ 정도 낮은 온도에서 소성, 가열 및 팽창공정이 이루어지고, 이로 인해 본 발명에 따른 경량골재의 제조시 소비되는 연료를 10 ~ 15% 정도 절약할 수 있는 현저한 효과가 있다.

그리고 850 ~ 1000℃의 온도로 가열된 상기 중간재가 1000℃ 이상의 고열로 인해 연화되는 것을 방지하기 위해 냉각기에 넣어 상온에 도달하도록 급냉시킨다(냉각단계,S70).

그리고 냉각기를 통과한 중간재는 컨베어밸트를 통해 선별저장설비로 이동시켜 크기별, 용도별로 선별되어 저장된 후 출하한다.

이때, 상기 로터리키른(Rotary kiln)에는 집진의 기능을 갖춘 공해방지설비가 설치되어 있고, 이를 통해 대기오염을 예방할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 보명토 50 ~ 70 중량％, 부산석회 20 ~ 40 중량％, 포졸란 5 ~ 10 중량％ 및 재생유 5 ~ 10 중량％를 포함하는 것을 특징으로 하는 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 보명토는,
   SiO₂ 70 ~ 85 중량％, Al₂O₃ 5 ~ 20 중량％, Fe₂O₃ 1 ~ 5 중량％, TiO₂ 0.5 ~ 3 중량％, CaO 0.5 ~ 1 중량％, MgO 1 ~ 1.5 중량％, K₂O 1 ~ 1.5 중량％, Na₂O 0.05 ~ 0.5 중량％, MnO 0.05 ~ 0.5 중량％, P₂O₃ 0.05 ~ 0.5 중량％ 및 기타 0.05~ 1 중량％를 포함하는 것을 특징으로 하는 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 포졸란은,
   화산재, 응회암, 규조토, 플라이 애쉬, 실리카 흄, 실리카 겔 및 소성점토 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재.
   
4. 보명토와 부산석회의 불순물을 제거하는 정제단계(S10);
   정제된 상기 보명토와 부산석회를 소정의 크기로 분쇄하는 분쇄단계(S20);
   상기 보명토, 부산석회, 포졸란 및 폐합성수지로부터 추출되는 재생유를 일정성분비로 혼합할 수 있도록 필요한 양을 공급하는 정량공급단계(S30);
   상기 보명토, 부산석회, 포졸란 및 재생유를 반죽하는 반죽단계(S40);
   상기 반죽단계에서 생성되는 반죽을 원판성형기에 넣어 10 ~ 20mm의 크기로 성형하여 중간재를 생성하는 성형단계(S50);
   상기 중간재를 로터리키른(Rotary kiln)에 투입하고, 기설정된 온도 및 시간 동안 가열하여 팽창시키는 가열ㆍ팽창단계(S60); 및
   상기 중간재를 냉각기 투입하여 상온까지 급냉시키는 냉각단계(S70);를 포함하며,
   상기 성형단계(S50)에서 상기 중간재는 상기 반죽에 물방울을 분사시켜 구상체로 성형하고, 표면에 카오린 또는 제올라이트가 도포되는 것을 특징으로 하는 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재의 제조방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 가열ㆍ팽창단계(S60)에서 상기 중간재는 850 ~ 1000℃의 온도로 40 ~ 45분 동안 가열하고, 200 ~ 250% 팽창되는 것을 특징으로 하는 보명토와 부산석회를 이용한 경량골재의 제조방법.
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