KR102024579B1 - 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 이용한 조기강도 개선형 친환경 고화재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시로 이루어진 3성분계 결합재를 이용하면서 조기강도를 더욱 개선한 친환경 고화재 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 조기강도 개선형 고화재 조성물은, 시멘트, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시로 이루어진 3성분계 결합재를 이용하여 조성되며, 알칼리 자극제와 폴리알킬렌글리콜을 더 혼입하여 조성되는 것을 특징으로 한다. 여기서 바람직하게는 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 Fe2O3 10∼20중량%, SO3 5∼20중량% 함유하면서 분말도가 6,000~9,000㎠/g인 것이고, 알칼리 자극제는 황산나트륨(Na2SO4)이고, 폴리알킬렌글리콜은 폴리에틸렌글리콜일 수 있다.

Description

초임계 유동층 보일러 플라이애시를 이용한 조기강도 개선형 친환경 고화재 조성물{Eco-friendly and High Early Strength Solidifying Composition Using Supercritical Fluidized Bed Combustion Boiler Flyash}
본 발명은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시로 이루어진 3성분계 결합재를 이용하면서 조기강도를 더욱 개선한 친환경 고화재 조성물에 관한 것이다.
해안습지나 하천, 호수, 항만 등의 간척 또는 준설매립지와 같은 연약지반은 함수비가 크고 일축압축강도는 작기 때문에 구조물을 시공할 경우 지반침하 우려가 있으며, 이에 따라 지반의 공학적인 성질을 개선하기 위한 지반개량공사를 수행한다.
종래에는 연약지반 개량공사에는 연직 배수재를 이용한 배수공법이 많이 이용되어 왔으나, 배수공법은 공사기간이 길고 시공 후에도 안정성 확보가 쉽지 않으면 또한 깊은 심도의 연약지반에는 적용하기 어려운 단점이 있다. 최근에는 시멘트를 주성분으로 하는 분말 또는 현탁액 상태의 고화재를 연약지반에 투입 혼합하여 연약지반을 주상 또는 괴상으로 형성시키면서 개량하는 심층혼합처리공법이 많이 이용되고 있다. 심층혼합처리공법은 배수공법에 비해 공사시간을 단축할 수 있고, 인접구조물에 대한 지장이 적으며, 저진동 및 저소음 공사가 가능한 장점이 있다.
대부분의 고화재는 시멘트를 주요하게 사용하기 때문에 시멘트의 재료 상승에 따라 시공비용 및 재료수급에 매우 민감하며, 또한 높은 함수비와 유기질 함유의 연약지반에 적용할 경우에 압축강도 성능이 크게 저하하는 경우가 있다. 압축강도 저하 문제는 고화재의 사용물량을 증가시키는 방법으로 해결할 수 있으나 이러한 방법은 슬라임 발생량 증가에 따른 건설폐기물 처리문제로 이어진다. 또한 환경적으로 시멘트 성분 중에 포함되어 있는 Cr6+이 토양에 과다하게 용출되어 토양오염의 우려가 크다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 시멘트 대체재로 산업부산물의 사용과 새로운 재료에 대한 많은 연구가 이루어지는 실정이다.
KR 10-1267479 B1 KR 10-1543523 B1
본 발명은 새로운 고화재를 제안하고자 개발된 것으로서, 시멘트 대체재로 고로슬래그 미분말과 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 적극적으로 사용하여 시멘트의 사용량을 30~40% 정도로 줄일 수 있으면서도 압축강도를 조기에 더욱 증진시킬 수 있는 고화재 조성물을 제공하는데 기술적 과제가 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 고화재 조성물에서, 결합재는 시멘트, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시로 이루어진 3성분계 결합재이며, 알칼리 자극제와 폴리알킬렌글리콜을 더 혼입하여 조성되는 것을 특징으로 하는 조기강도 개선형 고화재 조성물을 제공한다. 여기서 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 Fe2O3 10∼20중량%, SO3 5∼20중량% 함유하면서 분말도가 6,000~9,000㎠/g인 것이고, 알칼리 자극제는 황산나트륨(Na2SO4)이고, 폴리알킬렌글리콜은 폴리에틸렌글리콜일 수 있다. 이와 같은 고화재 조성물은 더욱 바람직하게, 결합재를 시멘트 20~50중량%, 고로슬래그 미분말 15~35중량%, 초임계 유동층 보일러 플라이애시 15~65중량%로 이루어지도록 조성하고, 결합재 100중량부에 대하여 알칼리 자극제 0.8~2.0중량부, 폴리알킬렌글리콜 분말 0.2~1.0중량부를 혼입하여 조성할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 시멘트, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시로 이루어진 3성분계 결합재를 이용한 고화재 조성물에서, 알칼리 자극제와 함께 친수성의 폴리알킬렌글리콜을 더 혼입하기 때문에, 시멘트 및 고로슬래그 미분말은 물론 초임계 유동층 보일러 플라이애시의 반응을 촉진시킬 수 있어 조기강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명의 고화재는 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 다량 사용하여 시멘트의 사용량을 30~40%로 줄이기 때문에 중금속 Cr6 + 발생량을 현저히 줄일 수 있으며 또한 흡수율이 높은 초임계 유동층 보일러 플라이애시에 의해 블리딩량을 저감시킬 수 있어 연약지반에 개량을 위해 적용할 경우 친환경성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 다량 사용하여 시멘트의 사용량을 30~40% 정도로 줄일 수 있는 고화재 조성물에 관한 것으로, 조기강도를 더욱 향상시키기 위해 알칼리 자극제와 함께 폴리알킬렌글리콜을 더 혼입한다는데 특징이 있다. 다시 말해 본 발명에 따른 고화재 조성물은, 시멘트, 고로슬래그 미분말, 초임계 유동층 보일러 플라이애시로 이루어진 3성분계 결합재를 이용하고, 첨가제로 알칼리 자극제와 함께 친수성의 폴리알킬렌글리콜을 더 혼입하여 조성한다. 바람직하게는 시멘트 20~50중량%, 고로슬래그 미분말 15~35중량%, 초임계 유동층 보일러 플라이애시 15~65중량%로 이루어지도록 3성분계 결합재를 조성하고, 이러한 3성분계 결합재 100중량부에 대하여 알칼리 자극제 0.8~2.0중량부, 폴리알킬렌글리콜 분말 0.2~1.0중량부를 혼입하여 조성한다.
고화재에서 시멘트는 기본적인 결합재가 되며, 본 발명에서는 산업부산물의 적극적인 사용을 위해 사용량을 줄이고자 결합재의 20~50중량%를 제안한다. 20중량% 미만이면 강도성능 저하가 우려되고, 50중량% 초과하면 경제성 상실 및 중금속 오염 증가가 우려된다. 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하면 적당하며, 필요에 따라 조강형 포들랜드 시멘트도 사용 가능하다.
고로슬래그 미분말은 시멘트를 대체하는 결합재로, CaO, SiO2, Al2O3를 주성분으로 하기 때문에 에트린자이트 생성에 도움을 주어 강도증진에 기여한다. 특히 본 발명은 초임계 유동층 보일러 플라이애시의 높은 함량으로 Al2O3 성분이 적어지는데, 고로슬래그 미분말은 Al2O3 성분을 보충하여 에트링자이트 수화물의 생성량을 증가시켜 압축강도를 증가시키는데 기여한다. 고로슬래그 미분말은 15~35중량% 사용하는 것이 바람직한데, 15중량% 미만이면 상대적으로 시멘트량이 증가하여 경제성을 상실하고 35중량% 초과하면 초기강도 저하가 우려된다.
초임계 유동층 보일러 플라이애시는 고로슬래그 미분말과 함께 시멘트를 대체하는 결합재로, 초임계 상태에서 보일러를 가동하는 초임계 유동층 보일러에서 배출되는 애시이다. 여기서 초임계 유동층 보일러는 물이 증기로 변환되는 임계조건(225.5kg/cm2 증기압, 374도 증기온도)으로 가하여 발전하는 보일러가 된다. 고화재는 높은 혼합수와 연약지반의 잉여수로 인하여 시멘트의 경화가 지연되면서 초기 압축강도가 현저히 떨어질 수 있는데, 이러한 문제를 높은 흡수율의 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 사용하여 해결하고 있다.
일반적인 플라이애시는 석탁 화력발전소에서 연료(석탄)와 공기를 주입하여 연소(1200~1500도)하는 공정을 통해 배출되는 애시이고, 순환 유동층 보일러 플라이애시는 순환 유동층 보일러에서 공기와 석회를 동시에 주입하여 지속적으로 열을 순환시키면서 석탄을 완전 연소(760~950도)하는 공정을 통해 배출되는 애시이다. 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 초임계 유동층 보일러에서 공기 대신 산소를 주입하여 연료(석탄)을 초임계 조건(225.5kg/cm2 증기압, 374도 증기온도)으로 연소하는 공정을 통해 배출되는 애시이다. 이들 플라이애시들은 석탄을 연료로 하는 발전설비에서 배출되는 애시라는 점에서 공통점이 있으나, 발전설비의 구체적인 처리방식이 달라 애시의 화학성분과 물리적 특성이 아래 [표 1]과 같이 차이가 있으며, 특히 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 20% 이상의 CaO, 15% 이상의 Fe2O3, 8% 이상의 SO3 성분을 함유한다. CaO와 SO3에 의한 CaSO4는 Ca(OH)2 및 C3A와 반응하여 에트링자이트(Ettringite) 수화물을 생성하여 초기강도 증진에 기여하고, 또한 고로슬래그 미분말의 알칼리 자극제로서 역할도 한다. Fe2O3는 CaO와 결합하여 수화반응성이 있는 칼슘 페라이트(2CaO·Fe2O) 광물을 일부 형성한다. 과도한 CaO 함량은 초기에 물과 반응하여 발열 및 팽창을 이끌기 때문에 일반 콘크리트에서는 균열을 발생시킬 수 있으나, 연약지반의 고화재에서는 수분과의 높은 반응성이 오히려 지반개량 고화성능을 향상시키는데 기여한다.
플라이애시 종류별 특성
　구분 화학성분 (wt.%) 물리적 특성
CaO SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 SO3 K2O Na2O 분말도
(㎠/g)		 밀도
(g/cm3)
일반 플라이애시 1.0 61.0 19.4 - 6.3 - 1.0 - 2,970 2.13
순환유동층보일러 플라이애시
(CFBC)		 3.8 58.4 21.3 1.26 5.13 0.00 1.580 1.630 3,200 2.91
초임계 유동층 보일러 플라이애시 24.5 27.9 13.3 6.14 15.45 8.87 1.350 1.010 7,500 2.89
본 발명에서 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 Fe2O3 10∼20중량%, SO3 5∼20중량% 함유하면서 분말도 6,000~9,000㎠/g로 분쇄한 것으로 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 Ca(OH)2와 같은 수화물을 빠르게 생성시켜 초기강도를 더욱 증진시킬 수 있고, 높은 분말도와 흡수력으로 고화재 타설시 연약지반의 물을 빠르게 흡수하여 반응을 빠르게 진행시킨다. 초임계 유동층 보일러 플라이애시는 결합재의 15~65중량%로 사용하는 것이 바람직한데, 15중량% 미만이면 강도성능 향상이 미미하고, 65중량% 초과하면 작업성 저하와 강도성능 저하가 우려된다.
알칼리 자극제는 알칼리 환경을 형성하여 잠재수경성의 고로슬래그 미분말을 자극함으로써 수화를 촉진하여 초기강도 증진에 기여한다. 알칼리 자극제는 황산나트륨(Na2SO4)을 바람직하게 사용하며, 황산나트륨은 토금속 산화물(CaO)과 함께 사용할 경우 활용성이 높다. Na의 알카리 성분이 고로 슬래그 시멘트의 촉진제 역할을 하여 강도 증진에 기여하고, 물에 혼합될 때 배출되는 황산이온(SO4-)은 에트링자이트 수화물(3CaOㆍAl2O3ㆍ3CaSO4ㆍ32H2O)의 생성에 기여하여 초기강도를 향상시킨다. 이러한 황산나트륨은 결합재 100중량부에 대하여 0.8~2.0중량부 사용하면 적당한데, 0.8중량부 미만이면 알칼리 자극 효과가 미미하고, 2.0중량부 초가하면 장기강도 저하, 경제성 상실이 우려된다.
폴리알킬렌글리콜은 높은 흡수성과 친수 성능으로 물에 용해되어 이온 해리가 일어나는데, 해리된 NH-, OH- 이온들이 초임계 유동층 보일러 플라이애시에 함유된 CaO 성분과 반응하여 경화가 촉진되면서 초기강도 향상에 영향을 준다. 폴리알킬렌글리콜은 바람직하게 폴리에틸렌글리콜(PEG, Polyethylen glycol) 분말을 사용하며, PEG는 시멘트의 응집력을 억제하여 분산하는 성능을 발휘하여 혼합되는 알칼리 자극제의 반응의 효율성을 높여준다. 시멘트 입자는 물과 반응할 때 각각 독립적으로 분산되지 않고 수개 내지 수십개의 입자끼리 응집체를 형성하게 되는데, PEG가 시멘트의 응집력을 효과적으로 억제한다. 또한 본 발명에서는 높은 흡수율의 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 다량 사용하기 때문에 높은 W/B가 요구되지만, PEG에 의한 시멘트의 분산 성능으로 비교적 W/B가 높지 않아도 유동성을 확보할 수 있다. 폴리에틸렌글리콜 분말은 결합재 100중량부에 대하여 0.2~1.0중량부 사용하는 것이 바람직하며, 0.2중량부 미만이면 강도성능 향상이 미미하고, 1.0중량부 초과하면 높은 분산성으로 재료분리의 우려가 있다.
이하에서는 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다 다만, 아래의 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[시험예]
1. 고화재 배합
아래 [표 2]와 같이 고화재 분체를 조성하여 물결합재비(W/B) 80중량%로 혼합한 후 함수부 55%의 사질토를 사용하여 시험하였다. 고화재 분체 조성에서, 비교예1은 일반적으로 사용하는 고로슬래그시멘트(보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말을 혼합)를 적용한 예이고, 비교예2는 비교예2에서 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말 일부를 일반 플라이애시(표 1)로 치환한 예이며, 비교예3은 비교예2에서 일반 플라이애시 대신에 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 사용한 예이다. 비교예4는 비교예3에서 알칼리 자극제를 더 혼입한 예Dl고, 실시예1은 비교예4에서 폴리에틸렌글리콜 분말을 더 혼입한 예이다.
고화재 분체 조성
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 실시예1
OPC 60 30 30 30 30
SP 40 20 20 20 20
일반 플라이애시 - 50 - - -
초임계 유동층 보일러
플라애시		 - - 50 50 50
알카리 자극제 - - - 1 1
PEG 분말 - - - - 0.6
계 100 100 100 101 101.6
- 보통포틀랜드시멘트(OPC): 비중 3.14, 분말도 3,511㎠/g
- 고로슬래그 미분말(SP): 비중 2.91, 분말도 4,784㎠/g
- 일반 플라이애시(FA): 표 1
- 초임계 유동층 보일러 플라이애시: 표 1
- 알칼리 자극제 : Na2SO4 함량 99% 이상의 황산나트륨
- PEG 분말: 도 80, Hydroxyl Value 30% 이상, Water Contents 0.05% 이하
2. 고화재 특성평가
고화재의 특성을 평가하였는데, 압축강도는 KS F 2426에 의거하여 지름 50mm, 높이 100mm의 윈기둥 몰드로 시험하고, KS L 5105에 의거하여 플로우를 확인하였으며, Cr6+ 용출시험(환경부 고시)에 의거하여 시험하고, 블리딩량은 KS F 2414에 의거하여 시험하였다. 시험결과는 아래 [표 3]과 같이 나타냈다.
고화재 특성
구분 압축강도(MPa) Flow Cr6+ 블리딩량
3일 7일 28일 mm ppm (%)
비교예1 2.1 4.1 7.8 270 8.1 7.3
비교예2 0.8 1.7 3.2 260 3.9 4.7
비교예3 2.7 5.7 9.4 260 2.4 0.0
비교예4 3.2 6.2 10.7 270 2.3 0.0
실시예1 4.5 7.8 11.2 290 2.3 0.0
비교예1과 비교할 때, 비교예2는 Cr6+과 블리딩량은 저감하였으나 재령 3일, 7일, 28일 압축강도도 저감하는 결과를 나타낸 반면, 비교예3은 재령 3일, 7일, 28일 압축강도가 증가하고 동시에 Cr6+, 블리딩량은 저감하는 결과를 나타내었다. 이와 같은 결과에 따라 고화재용 결합재로 시멘트와 고로슬래그 미분말을 이용하여 3성분계 결합재를 마련할 때, 나머지 한 성분은 일반 플라이애시보다는 초임계 유동층 보일러 플라이애시가 적합하다고 할 수 있다.
비교예4는 비교예3에서 알칼리 자극제 더 혼입한 예인데, 보는 바와 같이 비교예3보다 압축강도가 증가하고 Cr6 +, 블리딩량은 저감하는 결과를 나타냈다. 실시예1은 비교예4에서 폴리에틸렌글리콜을 더 혼입한 예인데, 비교예4보다도 압축강도가 증가하고 플로우가 개선되는 결과를 나타냈다. 이와 같은 결과에 따라 본 발명에 따른 고화재는 우수한 초기 압축강도와 유동성, 그리고 낮은 Cr6+, 블리딩량을 기대할 수 있기 때문에 함수비가 높은 연약지반에서 조기강도가 발현되는 친환경적인 고화재로 유리하게 적용할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 고화재 조성물에서,
    결합재는 시멘트 20~50중량%, 고로슬래그 미분말 15~35중량%, 초임계 유동층 보일러 플라이애시 15~65중량%로 이루어진 3성분계 결합재이며,
    상기 결합재 100중량부에 대하여, 알칼리 자극제 0.8~2.0중량부, 폴리알킬렌글리콜 분말 0.2~1.0중량부를 더 혼입하여 조성되며,
    상기 결합재의 초임계 유동층 보일러 플라이애시는, 초임계 유동층 보일러에서 산소를 주입하면서 석탄 연료를 초임계 조건으로 연소하는 공정을 통해 배출되는 애시인 것으로, Fe2O3 10∼20중량%, SO3 5∼20중량% 함유하면서 분말도가 6,000~9,000㎠/g인 것임을 특징으로 하는 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 이용한 조기강도 개선형 고화재 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 알칼리 자극제는, 황산나트륨(Na2SO4)이며,
    상기 폴리알킬렌글리콜은, 폴리에틸렌글리콜인 것을 특징으로 하는 초임계 유동층 보일러 플라이애시를 이용한 조기강도 개선형 고화재 조성물.
  3. 삭제
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