KR101883606B1 - 석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석재 폐기물을 재활용하여 벽돌, 보도블록, 보차도경계석, 옹벽블록, 판석 등과 같은 토목 및 건축 자재를 제조하되, 유해성분이 없는 친환경적이며 강도와 내구성이 향상되고 원가가 절감되도록 한 석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것으로, 석재슬러지 분말 80~85 중량부, 규석(SiO2) 10~15 중량부 및 규산칼륨(K2SiO3) 5~10 중량부를 배합하여 1차 원료혼합물을 생성하는 제1공정(S10); 상기 제1공정에서 생성된 1차 원료혼합물을 일정한 온도로 1차 소성하는 제2공정(S20); 상기 제2공정을 통해 소성된 1차 원료혼합물을 일정한 크기로 분쇄하는 제3공정(S30); 상기 분쇄된 1차 원료혼합물 80중량부와, 첨가제 20중량부 및 물 10~20중량부를 배합하여 2차 원료혼합물을 생성하는 제4공정(S40); 상기 2차 원료혼합물을 건축자재 성형틀에 넣고 열 압착하여 블록부재를 성형하는 제5공정(S50); 상기 성형된 블록부재를 일정온도 및 시간으로 건조하는 제6공정(S60); 및 상기 제6공정을 통해 건조된 블록부재를 일정한 온도로 2차 소성하여 건축자재를 성형 완료하는 제7공정(S70)을 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법{Manufacturing method of building material using stone waste}
본 발명은 석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석재 폐기물을 재활용하여 벽돌, 보도블록, 보차도경계석, 옹벽블록, 판석 등과 같은 토목 및 건축 자재를 제조하되, 유해성분이 없는 친환경적이며 강도와 내구성이 향상되고 원가가 절감되도록 한 석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 천연석의 채취 및 가공 등의 과정에서는 다량의 천연석 폐분말이나 폐 슬러지가 발생하게 된다.
또한 상기 천연석은 특성상 비중이 매우 높고 그 자체만으로는 입자 상호 간에 점결되는 특성이 매우 낮아 천연석 폐분말이나 폐슬러지를 활용하여 인조석을 제조하는 것은 쉬운 일이 아니었다.
따라서 대부분의 석재 폐분말 및 폐슬러지는 매립지 등에 버려지거나 고비용을 들여 산업 폐기물로 처리되는 실정이다.
그럼에도 불구하고, 종래 석재 슬러지를 이용한 인조석을 살펴보면, 시멘트조직과 혼합 시 치밀화나 장기 강도저하, 내화학성과 내해수성 등의 수경경화로 시멘트의 기능을 저하시키는 문제점이 도출되었다.
또한, 석재슬러지 소성 인조석의 조건은 조직의 치밀도 및 제품의 강도를 높이고 유지하는 것이 중요하나, 이러한 조건을 벗어나게 되면 오히려 물성하락으로 인해 세라믹 제품으로써 사용하기에는 그 기능이 현저히 저하될 우려가 있다.
종래에는 일정치 않은 적정 비율로 혼합하고 결합제를 넣어 성형 및 고온 소성하여 인조석을 제조하였으나, 석재슬러지의 수축으로 입자가 고르지 못하게 되어 쉽게 갈라지는 문제점이 도출되었다.
여기서 상기 수축률의 기술적인 원인으로는 각 석종별로 광물조성 이론치의 성분비와 유사한 경우도 있으나, 실제로는 대부분이 이와 차이가 있음을 알 수 있다.
예를 들어 포천석 석재슬러지의 경우 화학식이 Al2O3·2SiO2·2H2O로서 이를 성분비로 나타내면 SiO2 46.5%, Al2O3 39.5% 및 H2O 14%로 구성되어 있다.
그러나 석재슬러지의 주성분인 실리카와 알루미나 외에 장석이나 산화티탄과 운모 성분도 들어 있고 소량이기는 하나 CaO나 MgO 성분도 들어 있다.
이 사실로 보아 천연 석재슬러지에서 채취하여 사용하는 석재슬러지의 경우 다양한 광물 외에 장석이나 석회석 또는 회장석, 활석 등이 소량 혼재 되어 있음을 알 수 있어 고열을 사용하는 요업체에서는 높은 수축률을 나타내어 상기한 문제점이 발생되어 왔다.
등록특허공보 10-1499635, 등록특허공보 10-0382665, 공개특허공보 특1999-0046270, 공개특허공보 특1998-068412
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 석재 폐기물을 재활용하여 벽돌, 보도블록, 보차도경계석, 옹벽블록, 판석 등과 같은 토목 및 건축 자재를 제조하되, 유해성분이 없는 친환경적이며 강도와 내구성이 향상되고 원가가 절감되도록 한 석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 석재슬러지 분말 80~85 중량부, 규석(SiO2) 10~15 중량부 및 규산칼륨(K2SiO3) 5~10 중량부를 배합하여 1차 원료혼합물을 생성하는 제1공정(S10);
상기 제1공정에서 생성된 1차 원료혼합물을 뮬라이트 소재의 용기에 담아 터널식 킬른을 통해 1차 소성하는 제2공정(S20);
상기 제2공정을 통해 소성된 1차 원료혼합물을 조 크러셔를 통해 50-100mm 크기로 조분쇄, 파쇄부가 크롬 또는 망간 합금강으로 된 해머 크러셔를 통해 5-10mm 크기로 중간분쇄, 볼밀을 통해 5mm미만 크기로 미분쇄하되, 중간분쇄후 진동조에서 철분과 원료를 분리한 다음 미분쇄하도록 처리하는 제3공정(S30);
상기 분쇄된 1차 원료혼합물 80중량부와, 첨가제 20중량부 및 물 10~20중량부를 배합하여 2차 원료혼합물을 생성하는 제4공정(S40);
상기 2차 원료혼합물을 건축자재 성형틀에 넣고 열 압착하여 블록부재를 성형하는 제5공정(S50);
상기 성형된 블록부재를 일정온도 및 시간으로 건조하는 제6공정(S60); 및
상기 제6공정을 통해 건조된 블록부재를 일정한 온도로 2차 소성하여 건축자재를 성형 완료하는 제7공정(S70)을 포함하고,
상기 제4공정의 첨가제는 칼리장석(K2O·Al2O3·6SiO2) 10중량부, 고령토(Al2O3·2SiO2·2H2O) 5중량부, 석회석(CaCO3) 3중량부, 메타붕산칼륨(KBO2) 2중량부를 혼합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법을 제공한다.
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이와 같이 본 발명은 석재 폐기물을 재활용하여 벽돌, 보도블록, 보차도경계석, 옹벽블록, 판석 등과 같은 토목 및 건축 자재를 제조하되, 유해성분이 없는 친환경적이며 강도와 내구성이 향상되고 원가가 절감되는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 석재 폐기물을 이용한 건축자재 제조방법의 공정도이다.
본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하기 전에, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예의 구성은 본 발명의 바람직한 하나의 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 석재 폐기물을 이용한 건축자재 제조방법의 공정도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명 석재 폐기물을 이용한 건축자재 제조방법은,
석재슬러지 분말 80~85 중량부, 규석(SiO2) 10~15 중량부 및 규산칼륨(K2SiO3) 5~10 중량부를 배합하여 1차 원료혼합물을 생성하는 제1공정(S10)과, 상기 제1공정에서 생성된 1차 원료혼합물을 일정한 온도로 1차 소성하는 제2공정(S20)과, 상기 제2공정을 통해 소성된 1차 원료혼합물을 일정한 크기로 분쇄하는 제3공정(S30)과, 상기 분쇄된 1차 원료혼합물 80중량부와, 첨가제 20중량부 및 물 10~20중량부를 배합하여 2차 원료혼합물을 생성하는 제4공정(S40)과, 상기 2차 원료혼합물을 건축자재 성형틀에 넣고 열 압착하여 블록 부재를 성형하는 제5공정(S50)과, 상기 성형된 블록부재를 일정온도 및 시간으로 건조하는 제6공정(S60)과, 상기 제6공정을 통해 건조된 블록부재를 일정한 온도로 2차 소성하여 건축자재를 성형 완료하는 제7공정(S70)을 포함한다.
상기 제1공정(S10)은, 석재슬러지 분말 80~85 중량부, 규석(SiO2) 10~15 중량부 및 규산칼륨(K2SiO3) 5~10 중량부를 배합하여 1차 원료혼합물을 생성하는 공정이다.
상기 1차 원료혼합물에 사용되는 석재슬러지 분말은 80~85 중량부로 포함되며, 상기 석재슬러지 분말의 함량이 80 중량부 미만인 경우는 건축자재의 강도가 저하되는 문제가 있고, 85 중량부를 초과하는 경우는 건축자재의 무게가 너무 증가하는 문제가 있다.
본 발명에 사용되는 규석은 본 발명의 건축자재 제조를 위한 각종 성분들의 응집력을 더욱 향상시키는 기능을 발휘한다. 본 발명의 건축자재 제조에 사용되는 규석은 10 내지 15 중량부로 포함되며, 규석의 함량이 10 중량부 미만인 경우는 건축자재 제조을 위한 성분의 응집력이 저하되는 문제가 있고, 15 중량부를 초과하는 경우는 건축자재의 강도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 사용되는 규산칼륨은 급결제 기능을 발휘하여, 본 발명의 건축자재의 제조시간을 단축시키는 역할을 수행한다. 본 발명의 건축자재 제조에 사용되는 규산칼륨은 5 내지 10 중량부로 포함되며, 5 중량부 미만인 경우는 건축자재 응고시간이 길어지는 문제가 있고, 10 중량부를 초과하는 경우는 건축자재 응고 속도가 너무 빨라져 성형틀에 넣을 때 유동성이 저하될 수 있는 문제가 있다.
또한 본 발명에 따르면 상기 배합된 1차 원료혼합물은 소정의 세라믹(뮬라이트) 용기에 담아 준비하여 둔다.
상기 제2공정(S20)은, 상기 제1공정에서 생성된 1차 원료혼합물을 일정한 온도로 1차 소성하는 공정으로, 상기 1차 원료혼합물의 산화가 이루어지도록 1100℃ 온도로 일정시간(예: 24~48시간) 소성시킨다.
예를 들어 뮬라이트 용기에 충전된 1차 원료혼합물을 터널식 킬른을 이용하여 소성시켜줄 수 있다.
이때 상기 1차 원료혼합물에 함유된 점결제로 작용하는 유기물은 300 내지500℃에서 건류 연소되고, 석재슬러지 원료는 450 내지 700℃ 에서 분해되어 가스를 발생하고 이 온도 이상에서 탄화되거나 연소된다.
상기 제3공정(S30)은, 상기 제2공정을 통해 소성된 1차 원료혼합물을 일정한 크기로 분쇄하는 공정으로, 예를 들어 뮬라이트 용기에 담긴 소성된 1차 원료혼합물을 분쇄하여 준다.
상기 분쇄는 조분쇄, 중간분쇄, 미분쇄로 구분되며, 조분쇄는 조 크러셔를 사용하여 압축 방식으로 분쇄하며 파쇄 된 크기는 약 50~100mm 정도가 되도록 하여준다.
또한 중간분쇄는 해머 크러셔를 사용하여 충격 방식으로 분쇄하며 입자의 크기는 5-10mm로 파쇄한다.
미분쇄는 볼밀을 이용하여 5mm미만으로 분쇄하며, 중간분쇄 또는 미분쇄를 통한 입자를 제작하고자 하는 제품을 고려하여 선택하여 준다.
여기서 상기 중간분쇄시 사용되는 해머 크러셔의 파쇄부는 크롬이나 망간이 합금된 강을 사용하여 제작되는데, 석재슬러지 종류의 경도에 따라 파쇄부의 마모가 쉽게 진행된다.
따라서 파쇄부의 마모된 철분은 원료에 그대로 혼재되어 입고되며 자석에 잘 붙지 않는 합금강은 탈철에서도 제거되지 않아 원료의 표면에 영향을 미치게 된다.
따라서 본 발명에서는 중간분쇄 후, 원료를 진동조를 통해 철분과 원료를 분리하는 작업을 더 수행하기도 한다.
상기 제4공정(S40)은, 상기 분쇄된 1차 원료혼합물 80중량부와, 첨가제 20중량부 및 물 10~20중량부를 배합하여 2차 원료혼합물을 생성하는 공정으로, 상기 첨가제는 칼리장석(K2O·Al2O3·6SiO2) 10중량부, 고령토(Al2O3·2SiO2·2H2O) 5중량부, 석회석(CaCO3) 3중량부, 메타붕산칼륨(KBO2) 2중량부로 구성된다.
삭제
본 발명에 사용되는 상기 첨가제는 본 발명의 건축자재 제조를 위한 각종 성분들의 응집력을 더욱 향상시키는 기능을 발휘한다. 본 발명의 건축자재 제조에 사용되는 첨가제는 20 중량부로 포함되며, 첨가제의 함량이 20 중량부 미만인 경우는 건축자재 제조을 위한 성분의 응집력이 저하되는 문제가 있고, 20 중량부를 초과하는 경우는 건축자재의 강도가 저하되는 문제가 있다.
상기 제5공정(S50)은, 상기 2차 원료혼합물을 건축자재 성형틀에 넣고 열 압착하여 블록 부재를 성형하는 공정으로, 2차 원료혼합물을 형틀에 넣고 프레스 가압하여 블록부재 성형을 수행한다.
상기 제6공정(S60)은 상기 성형된 블록부재를 일정온도 및 시간으로 건조하는 공정으로, 상기 블록부재는 압착 롤러 건조기 안의 연속 이동하는 컨베이어 위에, 또는 터널 건조기 안의 선반 건조기 대차 위에 지지된 선반들에 의하여 건조될 수 있다.
상기 건조장치들의 공기 순환은 송풍기에 의해 유지되고 조절되며, 열근원은 직접 가열된 공기 가열기, 증기 코일, 킬른과 노로부터의 따뜻한 폐 공기 및 적외선 혹은 마이크로웨이브 복사 등을 사용할 수 있다.
상기 제7공정(S70)은 상기 제6공정을 통해 건조된 블록부재를 일정한 온도로 2차 소성하여 건축자재를 성형 완료하는 공정으로, 상기 성형된 블록부재를 1,150∼1,250℃의 온도로 일정시간 소성하여 준다.
소성장치로는 킬른 장치를 이용할 수 있으며, 소성 시간 및 온도설정은 가 킬른을 통과하는 속도를 유지하여 직선형으로 12~36 시간 동안 소성하고, 소성분위기는 노안의 공기의 양에 따라 변하므로(산화염, 환원염), 900℃ 이상에서는 소성분위기에 따라 댐퍼를 부분적으로 닫아서 킬른의 공간에 압력을 걸어주며, 불꽃색이 변하게 되는 냉각시에는 가마를 닫고 댐퍼도 폐쇄하여 준다.
온도가 1000℃ 떨어진 후 가마 안의 흐린 붉은 열에서 어두운 열로 냉각 시 블록부재는 부딪히거나 깨질 위험이 있는 바, 온도 약 200℃ 부근에서 가마 문을 열고 블록부재를 인출하여 건축자재를 성형 완료하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 석재 폐기물을 이용한 건축자재를 제조하는 구체적인 실시예 및 본 발명의 효과를 비교 확인할 수 있는 비교예에 대하여 기술하기로 한다. 그러나 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 결코 아니다.
<실시예 1 내지 5>
화강석을 절단하는 과정에서 나오는 폐 석재슬러지 분말 80kg을 준비하였다.
그리고 규석 12kg 및 규산칼륨 7kg을 상기 석재슬러지분말과 혼합하여 1차 원료혼합물을 생성한 후, 뮬라이트 용기에 일정량씩 담아 두었다.
그리고 뮬라이트 용기를 터널식 킬른 소성장치 넣고 1100℃의 온도로 24시간 동안 상기 1차 원료혼합물을 소성시켜 주었다.
그런 다음, 소성장치로부터 뮬라이트 용기를 인출하고 소정된 1차 원료혼합물을 분리한 후, 조크러셔를 이용하여 상기 제1 원료 혼합물을 입자크기 50~100mm의 조분쇄를 수행하였다.
그리고 상기 분쇄된 1차 원료혼합물 분말 80kg을 준비하였다.
그리고 칼리장석(K2O·Al2O3·6SiO2) 10kg, 고령토(Al2O3·2SiO2·2H2O) 5kg, 석회석(CaCO3) 3kg, 메타붕산칼륨(KBO2) 2kg과, 물 15kg을 상기 1차 원료혼합물 분말과 교반 혼합하여 2차 원료혼합물을 생성하였다.
그런 다음, 상기 2차 원료혼합물을 내부 공간의 가로ㅧ세로ㅧ깊이가 각각 50㎝ㅧ30ㅧ5㎝인 성형틀에 넣고 열프레스기를 이용하여 압축하여 블록부재를 성형하여 주었다.
그리고 상기 성형된 블록부재를 터널 건조기를 이용하여 24시간 건조하여 주었다.
그런 다음 건조된 블록부재를 소성정치인 킬른 장치를 이용하여 1200℃의 온도로 각각 12 시간 내지 36시간 동안 (실시예 1: 12시간, 실시예 2: 18시간, 실시예 3: 24시간, 실시예 4: 30시간, 실시예 5: 36시간) 소성하여 건축자재를 성형 하였다.
<비교예 1 내지 5>
화강석을 절단하는 과정에서 나오는 폐 석재슬러지 분말 80kg을 준비하였다.
그리고 석영 12kg 및 붕산칼륨 7kg을 상기 석재슬러지분말과 혼합하여 1차 원료혼합물을 생성한 후, 뮬라이트 용기에 일정량씩 담아 두었다.
그리고 뮬라이트 용기를 터널식 킬른 소성장치 넣고 1100℃의 온도로 24시간 동안 상기 1차 원료혼합물을 소성시켜 주었다.
그런 다음, 소성장치로부터 뮬라이트 용기를 인출하고 소정된 1차 원료혼합물을 분리한 후, 조크러셔를 이용하여 상기 제1 원료 혼합물을 입자크기 50~100mm의 조분쇄를 수행하였다.
그리고 상기 분쇄된 1차 원료혼합물 분말 80kg을 준비하였다.
그리고 고령토 15kg과, 물 15kg을 상기 1차 원료혼합물 분말과 교반 혼합하여 2차 원료혼합물을 생성하였다.
그런 다음, 상기 2차 원료혼합물을 내부 공간의 가로×세로×깊이가 각각 50㎝×30cm×5㎝인 성형틀에 넣고 열프레스기를 이용하여 압축하여 블록부재를 성형하여 주었다.
그리고 상기 성형된 블록부재를 터널 건조기를 이용하여 24시간 건조하여 주었다.
그런 다음 건조된 블록부재를 소성정치인 킬른 장치를 이용하여 1200℃의 온도로 각각 12 시간 내지 36시간 동안 (비교예 1: 12시간, 비교예 2: 18시간, 비교예 3: 24시간, 비교예 4: 30시간, 비교예 5: 36시간) 소성하여 건축자재를 성형 하였다.
[압축강도 테스트]
KS F2519-2000에 따라, 상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에 의하여 제조된 건축자재의 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[비중 테스트]
KS F 2518에 따라, 상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에 의하여 제조된 건축자재의 비중을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 압축강도 (kgf/㎠) 비중
실시예 1 354 2.1
실시예 2 351 2.1
실시예 3 361 2.1
실시예 4 365 2.1
실시예 5 366 2.1
비교예 1 300 2.3
비교예 2 301 2.3
비교예 3 302 2.3
비교예 4 301 2.3.
비교예 5 307 2.3
상기 표 1의 결과를 살펴보면, 실시예 1 내지 5의 건축자재가 비교예 1 내지 5의 건축자재보다 압축강도가 현저하게 우수함을 확인할 수 있으며, 실시예 1 내지 5의 건축자재가 비교예 1 내지 5의 건축자재 보다 무게가 가볍다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (4)

  1. 석재슬러지 분말 80~85 중량부, 규석(SiO2) 10~15 중량부 및 규산칼륨(K2SiO3) 5~10 중량부를 배합하여 1차 원료혼합물을 생성하는 제1공정(S10);
    상기 제1공정에서 생성된 1차 원료혼합물을 뮬라이트 소재의 용기에 담아 터널식 킬른을 통해 1차 소성하는 제2공정(S20);
    상기 제2공정을 통해 소성된 1차 원료혼합물을 조 크러셔를 통해 50-100mm 크기로 조분쇄, 파쇄부가 크롬 또는 망간 합금강으로 된 해머 크러셔를 통해 5-10mm 크기로 중간분쇄, 볼밀을 통해 5mm미만 크기로 미분쇄하되, 중간분쇄후 진동조에서 철분과 원료를 분리한 다음 미분쇄하도록 처리하는 제3공정(S30);
    상기 분쇄된 1차 원료혼합물 80중량부와, 첨가제 20중량부 및 물 10~20중량부를 배합하여 2차 원료혼합물을 생성하는 제4공정(S40);
    상기 2차 원료혼합물을 건축자재 성형틀에 넣고 열 압착하여 블록부재를 성형하는 제5공정(S50);
    상기 성형된 블록부재를 일정온도 및 시간으로 건조하는 제6공정(S60); 및
    상기 제6공정을 통해 건조된 블록부재를 일정한 온도로 2차 소성하여 건축자재를 성형 완료하는 제7공정(S70)을 포함하고,
    상기 제4공정의 첨가제는 칼리장석(K2O·Al2O3·6SiO2) 10중량부, 고령토(Al2O3·2SiO2·2H2O) 5중량부, 석회석(CaCO3) 3중량부, 메타붕산칼륨(KBO2) 2중량부를 혼합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 석재 폐기물을 이용한 건축자재의 제조방법.
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