KR102049466B1 - 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초경량의 인공 경량 골재를 제조함에 있어, 산업폐기물을 활용하여 장비 교체 없이도 다양한 밀도와 크기를 갖는 골재의 생산을 구현할 수 있는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법에 대한 것이다.
본 발명 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법은 (a) 알루미노실리케이트 고형체를 분쇄하여 알루미노실리케이트 파우더를 형성하는 단계; (b) 상기 알루미노실리케이트 파우더를 질소 기체가 투입된 노(furnace)에서 600~900℃의 온도로 가열하여 속이 빈 구 형상의 중공체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 중공체를 상온 냉각하여 중공 경량 골재를 형성하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법{Manufacturing method of hollow lightweight aggregate using nitrogen gases}

본 발명은 초경량의 인공 경량 골재를 제조함에 있어, 산업폐기물을 활용하여 장비 교체 없이도 다양한 밀도와 크기를 갖는 골재의 생산을 구현할 수 있는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법에 대한 것이다.

경량 골재(lightweight aggregate)는 비중이 2.0 이하로 보통 골재보다 가벼운 골재를 지칭하는 것으로, 콘크리트나 모르타르의 중량을 경감하기 위해 사용된다.

이러한 경량 골재는 생성 원인에 따라 크게 천연산 경량 골재와 인공 경량 골재로 구분할 수 있다.

이중 천연산 경량 골재는 화산력, 경석, 용암 등이 있는데, 특히 경석이 많이 쓰인다. 그러나 강도가 다소 부족하고, 입자 모양이나 크기가 일정하지 않으며 공급량이 많지 않은 단점이 있다.

인공 경량 골재는 팽창 점토, 팽창 혈암, 플라이애쉬 등을 1050~1200℃의 온도로 소성하여 만든 인공 골재로, 표면 껍질부는 치밀한 유리질로 이루어지고 내부는 무수한 다공성의 기포가 존재하여 비중이 1.2~1.8에 이르는 인조 골재이다. 상기 인공 경량 골재는 천연산 경량 골재에 비하여 강도가 높고, 입자 모양과 크기가 비교적 균질하여 건축 자재로 많이 사용된다.

그러나 이러한 기존 인공 경량 골재는 밀도 저감에 한계가 있다. 그리고 골재를 합성하는 장비에 따라 골재의 크기나 밀도가 결정되므로, 다양한 밀도와 크기의 골재를 생산하기 위해서는 각기 다른 장비의 투입이 필요해 생산성에 한계가 있다.

한편, 석회석을 소성하여 제조하는 시멘트를 주원료로 사용하는 콘크리트계 건자재들은 시멘트 소성 단계에서 막대한 화석 에너지가 소모되고, 연소와 석회석 하소 단계에서 상당한 양의 이산화탄소가 발생하여 환경오염 등의 원인이 된다.

따라서 기존 시멘트를 대체하고 각종 산업폐기물들을 재활용하는 방안들이 많이 개발되고 있는 실정이다.

KR 10-2019-0023410A

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 초경량의 인공 경량 골재를 제조함에 있어, 산업폐기물을 활용하여 장비 교체 없이도 다양한 밀도와 크기를 갖는 골재 생산을 구현할 수 있는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법을 제공하고자 한다.

바람직한 실시예에 따른 본 발명은 (a) 알루미노실리케이트 고형체를 분쇄하여 알루미노실리케이트 파우더를 형성하는 단계; (b) 상기 알루미노실리케이트 파우더를 질소 기체가 투입된 노(furnace)에서 600~900℃의 온도로 가열하여 속이 빈 구 형상의 중공체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 중공체를 상온 냉각하여 중공 경량 골재를 형성하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 알루미노실리케이트 고형체는 플라이애쉬와 수산화칼슘을 혼합한 결합재, 잔골재 및 알칼리 활성화제를 혼합한 후 상온 양생하여 제조되는 것을 특징으로 하는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법을 제공한다.

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다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 노에서의 가열은 상온에서 5~20℃/min.의 속도로 가열 온도가 상승하는 것을 특징으로 하는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 산업폐기물을 원료로 하는 알루미노실리케이트 고형체를 분쇄하여 형성된 알루미노실리케이트 파우더를 질소 기체가 투입된 노에 넣고 가열하여 중공체를 형성한 후 냉각시켜 중공 경량 골재를 형성할 수 있다.

특히, 노의 가열 온도와 가열 속도를 조절하여 중공체의 강도 및 형성이 적절하게 이루어지도록 함과 동시에 장비 교체 없이 중공 경량 골재의 입자 크기를 조절 가능하여 생산성이 우수하다.

도 1은 알루미노실리케이트의 망상 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 의하여 제조된 중공 경량 골재의 사진.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 알루미노실리케이트의 망상 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법을 도시하는 도면이며, 도 3은 본 발명에 의하여 제조된 중공 경량 골재의 사진이다.

본 발명 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법은 (a) 알루미노실리케이트 고형체를 분쇄하여 알루미노실리케이트 파우더(1)를 형성하는 단계; (b) 상기 알루미노실리케이트 파우더(1)를 질소 기체(2)가 투입된 노(3, furnace)에서 600~900℃의 온도로 가열하여 속이 빈 구 형상의 중공체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 중공체를 상온 냉각하여 중공 경량 골재(4)를 형성하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 초경량의 인공 경량 골재를 제조함에 있어, 산업폐기물을 활용하여 장비 교체 없이 다양한 밀도와 크기를 갖는 골재의 생산을 구현할 수 있는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법에서는 먼저, (a) 알루미노실리케이트 고형체를 분쇄하여 알루미노실리케이트 파우더(1)를 형성한다.

상기 알루미노실리케이트(aluminosilicate, 알루미노규산염)는 규산염의 규소 일부를 알루미늄으로 치환하여 얻게 되는 염으로, Al, Si, O가 2차원 또는 3차원으로 망상 골격을 만들고 그 사이에 Na이나 K 등의 1가 양이온이 들어간다.

상온에서 수경성을 나타내는 재료로 가장 널리 사용되는 것이 시멘트인데, 알루미노규산염 역시 수경성 경화체를 얻을 수 있다.

상기 알루미노실리케이트는 수산화물, 탄산염, 규불화염, 규산염, 알루미염 등의 가용성 알칼리 화합물과 수경성 결합을 생성하여 고온이 아닌 200℃ 이하의 수중 혹은 증기 양생이나 오토클레이브 처리 하에서 고결화된다.

이러한 반응 결과 생성되는 화합물은 강도나 내구성 면에서 시멘트계 콘크리트보다 우수한 특성을 나타내면서도 각종 산업폐기물이나 부산물을 원료로 활용할 수 있는 장점이 있다.

충분히 양생된 알루미노실리케이트 고형체는 도 1과 같은 3차원 망상 구조의 알루미노실리케이트(aluminotsilicate) 구조를 가지며, 모래 역시 고형체의 상당 부분을 차지한다.

상기 알루미노실리케이트 고형체를 분쇄하여 알루미노실리케이트 파우더(1)를 생성한다.

다음으로, (b) 상기 알루미노실리케이트 파우더(1)를 질소 기체(2)가 투입된 노(3, furnace)에서 가열하여 속이 빈 구 형상의 중공체를 형성한다.

상기 알루미노실리케이트 파우더(1)를 질소 기체(2, N₂)가 투입된 노(3, furnace) 내에서 가열하면, 3차원 망상 구조를 갖고 있는 알루미노실리케이트가 팽창하면서 질소 기체(2)들이 알루미노실리케이트 파우더(1) 사이로 들어오게 된다.

그 과정에서 계속 온도를 고온으로 상승시키면, 결국 3차원 망상 구조를 가진 알루미노실리케이트 파우더(1)가 녹으면서 이때 들어와 있던 질소 기체(2)가 갇히는 현상이 발생한다. 그리고 가열로 인한 팽창으로 구 형상의 중공체를 형성하게 된다(도 2).

상기 질소 기체(2)는 노(3)의 가열과 함께 지속적으로 노(3) 내부에 주입한다.

상기 질소 기체(2)가 알루미노실리케이트 파우더(1) 사이로 효과적으로 충분히 유입될 수 있도록 질소 기체(2)는 일정한 속도로 천천히 주입하는 것이 바람직하다.

마지막으로 (c) 상기 중공체를 상온 냉각하여 중공 경량 골재(4)를 형성한다.

상온에서 중공체를 냉각하면 중공체의 바깥 부분이 단단해지면서 속이 텅 빈 중공 경량 골재(4)가 형성된다(도 3).

상기 중공 경량 골재(4)는 기밀하게 완전 밀폐된 상태는 아니다. 그러므로 중공 경량 골재(4) 내부의 질소 가스는 시간 경과에 따라 공기로 대체되게 된다.

상기 알루미노실리케이트 고형체는 플라이애쉬와 수산화칼슘을 혼합한 결합재, 잔골재 및 알칼리 활성화제를 혼합한 후 상온 양생하여 제조 가능하다.

상기 알루미노실리케이트 고형체의 결합재로서, 알칼리 활성화 알루미노규산염계 무기 결합재인 플라이애쉬와 수산화칼슘의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 플라이애쉬는 화력발전소 등의 연소 보일러에서 부산되는 석탄재로, 연소 폐가스 중에 포함되어 있는 재료를 집진기에 의해 회수한 미세한 입상의 난사이다.

상기 잔골재(모래)는 플라이애쉬와 수산화칼슘을 7:3의 중량 비율로 혼합한 결합재 100중량부 대비 300중량부의 비율로 혼합함이 바람직하다.

잠재수경성 광물들은 물만 존재하는 경우 반응이 진행되지 않는다. 따라서 바인더가 해리되어 축 중합을 통해 안정적인 수화물을 생성하기 위해서는 알칼리 활성화제(activator)가 필요하다.

알칼리는 Si-O나 Al-O 결합을 파괴하여 Si나 Al을 함유하고 있는 이온의 용해를 촉진한다.

이에 상기 비율로 혼합된 결합재와 잔골재의 혼합물에 10몰 수산화나트륨과 물유리를 4:1의 중량비로 혼합한 알칼리 활성화제를 투입하고 혼합한 후 상온 양생하여 고형화함으로써 알루미노실리케이트 고형체를 형성할 수 있다.

상기와 같은 조성비에 의하여 알루미노실리케이트 고형체를 제조하면, 3차원 망상 구조를 갖는 지오폴리머겔인 알루미노실리케이트 젤의 순도를 극대화할 수 있다.

상기 (b) 단계는 600~900℃의 온도로 가열할 수 있다.

상기 (b) 단계에서 노(3)의 가열 온도가 600℃ 이상 되어야 알루미노실리케이트 파우더(1)가 녹기 시작하면서 질소 기체(2)들이 갇히게 된다.

따라서 상기 노(3)의 가열 온도는 최소 600℃ 이상이 되어야 한다.

그러나 가열 온도가 900℃를 초과하게 되면 노(3) 내부 혼합물의 화학 반응 또는 분해가 발생할 수 있고, 특히 질소 기체(2)가 다른 물질과 반응하여 질소 화합물을 생성할 수 있어 중공체 형성에 어려움이 있게 된다. 또한, 알루미노실리케이트 파우더(1) 내부에 갇혀 있던 질소 기체의 과팽창 또는 혼합물 분해시 발생하는 각종 가스로 인해 중공체 형상 유지가 어렵다.

따라서 중공체 형성이 적절하게 이루어질 수 있도록 노(3)의 가열 온도는 600~900℃인 것이 바람직하다.

아울러 상기 노(3)에서의 가열은 상온에서 5~20℃/min.의 속도로 가열 온도가 상승하도록 구성할 수 있다.

본 발명에서는 알루미노실리케이트 파우더(1)의 팽창, 알루미노실리케이트 파우더(1) 사이로 질소 기체(2)의 유입, 알루미노실리케이트 파우더(1)의 용융, 질소 기체(2)의 팽창 단계를 순차적으로 거치면서 속이 빈 중공체가 형성된다.

이때, 가열되는 온도의 증가 속도에 따라 각 단계가 이루어지는 시간을 변화시키면 중공 경량 골재(4)의 입자 크기를 조절할 수 있다.

그러나 가열되는 온도의 증가 속도가 20℃/min.를 초과하면, 알루미노실리케이트 파우더(1)가 충분히 팽창하지 못할 뿐 아니라 질소 기체(2)가 알루미노실리케이트 파우더(1) 사이로 충분히 유입되기 전에 파우더가 용융된다. 그러면 중공체의 입자 크기가 지나치게 작아져 골재로 사용하기에 적합하지 않고, 중공 경량 골재(4)의 강도가 저하되는 문제가 있다.

또한, 가열되는 온도의 증가 속도가 지나치게 느릴 경우, 제조 시간이 많이 소요되고 제조 비용이 상승할 뿐 아니라 중공체의 두께가 지나치게 얇고, 입자 크기가 커져 강도 저하의 우려가 있다.

따라서 노(3)에서의 가열 온도 증가 속도는 5℃/min. 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 속도로 노(3)의 가열 온도를 증가시켜 최고 온도가 600~900℃의 범위에 이르기까지 가열하게 되면, 지름 1㎝ 이하의 강도가 우수한 중공 경량 골재(4)를 제조할 수 있다.

1: 알루미노실리케이트 파우더
2: 질소 기체
3: 노
4: 중공 경량 골재

Claims (4)

1. (a) 알루미노실리케이트 고형체를 분쇄하여 알루미노실리케이트 파우더(1)를 형성하는 단계;
   (b) 상기 알루미노실리케이트 파우더(1)를 질소 기체(2)가 투입된 노(3, furnace)에서 600~900℃의 온도로 가열하여 속이 빈 구 형상의 중공체를 형성하는 단계; 및
   (c) 상기 중공체를 상온 냉각하여 중공 경량 골재(4)를 형성하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법.
   
2. 제1항에서,
   상기 알루미노실리케이트 고형체는 플라이애쉬와 수산화칼슘을 혼합한 결합재, 잔골재 및 알칼리 활성화제를 혼합한 후 상온 양생하여 제조되는 것을 특징으로 하는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법.
   
3. 삭제
4. 제1항에서,
   상기 노(3)에서의 가열은 상온에서 5~20℃/min.의 속도로 가열 온도가 상승하는 것을 특징으로 하는 질소 기체를 이용한 중공 경량 골재의 제조 방법.

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