KR102522763B1

KR102522763B1 - 중금속 용출이 없고 내화학성이 향상된 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법

Info

Publication number: KR102522763B1
Application number: KR1020180100645A
Authority: KR
Inventors: 문경주; 은재기; 임양현
Original assignee: 주식회사 대웅
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2023-04-19
Also published as: KR20180099599A

Abstract

본 발명은 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 순환 유동층 보일러에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 활용하고 천연 광물 미분말을 충전제로 활용한 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 콘크리트 2차제품용 결합재는 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여, 비표면적 4,000cm²/g 이상인 고로수쇄 슬래그 100~1,000중량부와, CaO 함량이 20~70중량%이고 SO₃함량이 3~30중량%인 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5~1,000중량부와, 천연 광물성 충전제 5~500중량부를 포함하며, 상기 천연 광물성 충전제는 입경 50㎛ 이하로 분쇄된 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말, 화강석 미분말 및 백운석 미분말 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

Description

중금속 용출이 없고 내화학성이 향상된 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법{BINDER FOR SECONDARY CONCRETE PRODUCT AND MANUFACTURING METHOD OF SECONDARY CONCRETE PRODUCT}

본 발명은 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 순환 유동층 보일러에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 활용하고 천연 광물 미분말을 충전제로 활용한 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트를 몰드에 부어넣고 일정한 형태의 제품으로 성형을 한 제품을 프리캐스트 콘크리트 또는 콘크리트 2차 제품이라 하며, 예를 들어 벽돌, 블록, 흄관, VR 관, 전주, 맨홀블록, 호안불록, 생태블록, 어도블록, 인터록킹 블록, PC 세그먼트, 철도침목, 플룸 및 벤치풀룸 등이 있고, 그 외에도 다양한 제품들이 있다.

이러한 콘크리트 2차제품을 제조할 때, 대부분 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하고 있는데 1종 시멘트의 제조과정을 살펴보면 주원료인 석회석, 철광석, 점토 등을 채광 하여 1,450℃의 고온에서 소성하여 제조되는 관계로 막대한 연료를 소모하며, 석회석의 탈 탄산 과정에서 온실가스의 주원인인 다량의 CO₂ 가스가 발생하여 대기환경에 치명적인 해를 준다. 한국에너지관리공단의 자료에 따르면 시멘트 1톤 생산시 약 0.8톤의 CO₂ 가스를 발생시키는 것으로 되어있다.

또한 시멘트의 경우 6가 크롬 등 유해 중금속을 함유하고 있고 pH가 13에 달할 정도로 강한 알칼리이기 때문에 2차제품으로 제조하였을 경우에도 강알칼리를 띠게되고, 토목공사에 주로 사용되는 콘크리트 2차제품의 특성상 토양에 바람직하지 않은 영향을 주며, 특히 호안이나 어도, 수로용 등으로 사용하였을 경우 알칼리의 영향으로 식생이 잘 되지 않고 어류의 접근도 차단되는 등 바람직하지 않다고 알려져 있다.

또한 시멘트는 내약품성이 취약하여 지하에 매설되는 제품의 경우 부식되기 쉬운 특성을 가지고 있다. 시멘트의 경화과정 중 유리된 수산화칼슘의 함량이 많고 이 유리석회가 쉽게 화학부식을 일으켜 내화학성이 약하다. 초산 및 기타 유기산에 분해작용은 비교적 약하나 황산, 염산 등의 강한 무기산은 시멘트 수화물을 분해시켜 콘크리트를 현저하게 침식시킨다. 그 중에서도 콘크리트에 대한 황산용액의 침해는 다양한 형태로 나타난다. 매립 콘크리트 구조물의 경우 토양 및 지하수에 존재하는 황산이나 화학공장에서의 폐기물 투기로 인한 침해가 발생하며, 이러한 황산용액의 유출이 단기간에 국부적인 콘크리트의 열화로 이어질 경우 상당한 피해로 확대될 수 있다.

한편, 화력발전소 미분탄 보일러(Pulverized Combustion)에서 배출되는 석탄 연소 부산물 중 약 80%를 차지하고 있는 플라이애시의 경우 약 1,350℃의 고온에서 연소될 때 유리질(비결정질) 성분이 생성되어 포졸란 반응성을 나타내기 때문에 시멘트 및 콘크리트 원료로 무난히 활용되고 있으며, 부산물 발생량의 약 20% 수준인 바텀애시 또한 미분탄 연소시 노벽 등에 부착되어 있다가 자체 무게에 의해 보일러 바닥에 떨어진 석탄재를 의미하는 것으로 약 1,350℃의 고온에서 용융되어 유리질을 다량 함유한 다공질 물질이다. 미분탄 보일러 바텀애시는 입경이 콘크리트용 잔골재 및 굵은골재의 입경과 유사하며 KS F 2534;2009 구조용 경량골재에 포함되어 있어 구조용 경량골재로서 사용할 수 있을 정도의 경량성과 견경성을 가지고 있는 것으로 평가되고 있어 이를 골재로서 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 최근에는 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 초미립자 형태로 미분쇄하여 물리적으로 활성화시킨 후 수산화나트륨 등의 화학약품으로 바텀애시의 유리질 피막을 파괴시켜 지오폴리머 중합반응을 유도하여 강도를 발현시키는 연구가 활발히 진행 중이다. 이와 관련되어 대한민국 등록특허 제10-1339332호의 "바텀애시를 포함하는 결합재"와 제10-1410056호의 "바텀애시를 포함하는 결합재에 의한 무시멘트 콘크리트"와 제10-1366293호 "고로슬래그 및 바텀애시로 구성되는 무시멘트 결합재를 포함하는 콘크리트 조성물, 이를 이용한 침목 및 그 제조방법"에서는 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 미분쇄하여 지오폴리머 중합반응을 유도하는 기술이 제시되어 있다. 또한 대한민국 등록특허 제10-1312562호의 "바텀애시를 포함하는 콘크리트용 결합재 조성물"에서는 바텀애시를 진동밀로 6,000~8,000cm²/g으로 미분쇄하여 입자 표면을 활성화 처리하여 시멘트 혼합재로의 사용 가능성을 제시하였다. 상기 특허들은 모두 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 활용하고자 한 것이다.

한편, 중소형 열병합 발전소 순환 유동층 보일러(Circulating Fludized Bed Combustion)에서 배출되는 석탄 연소 부산물은 연소 온도가 약 850℃로 낮아 유리질이 전혀 형성되지 못하여 포졸란 반응성은 없다. 또한 순환 유동층 보일러 플라이애시의 경우 미분탄 보일러에서 배출되는 플라이애시에 비해 CaO 및 SO₃ 함량이 높고 SiO₂ 함량이 부족하여 재활용이 마땅치 않았으나 KS L 5405:2016 플라이애시 규격이 개정됨에 따라 미분탄 보일러 플라이애시와 일부 혼합하여 사용할 수 있도록 재활용 방안이 마련되었다. 그러나 순환 유동층 보일러 바텀애시는 골재로서의 활용 방안도 미분탄 보일러 바텀애시에 비해 입경이 고운 모래크기로 매우 작고 낮은 온도에서 연소되어 다공성이 없기 때문에 미분탄 보일러 바텀애시와 같이 경량골재로서 활용이 곤란하여 전량 매립 처리되고 있는 실정이다. 더욱이, 최근 열병합 발전소 순환 유동층 보일러 플라이애시나 화력 발전소 미분탄 보일러 바텀애시에 관한 연구자료는 일부 보고되고 있으나 순환 유동층 보일러 바텀애시에 관한 연구 자료는 현재까지 보고 보고된바가 없다.

대한민국 특허등록 제 10-1339332호 대한민국 특허등록 제 10-1410056호 대한민국 특허등록 제 10-1366293호 대한민국 특허등록 제 10-1312562호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 순환 유동층 보일러에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 수화반응 및 활성도를 증진시키고 천연 광물 미분말을 충전제로 활용하여 중금속 용출이 없고 내화학성이 향상된 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 콘크리트 2차제품용 결합재는 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여, 비표면적 4,000cm²/g 이상인 고로수쇄 슬래그 100~1,000중량부와, CaO 함량이 20~70중량%이고 SO₃함량이 3~30중량%인 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5~1,000중량부와, 천연 광물성 충전제 5~500중량부를 포함하며, 상기 천연 광물성 충전제는 입경 50㎛ 이하로 분쇄된 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말, 화강석 미분말 및 백운석 미분말 중 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여, 미분탄 보일러 플라이애시 0.5~400중량부를 더 포함하며, 상기 미분탄 보일러 플라이애시는 CaO 함량이 0.5~10중량%이며 SO₃ 함량이 0.1~3중량%이고, 미분탄 보일러 집진설비에서 배출되는 것이 바람직하다.

또한 상기 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여, CaO 함량이 30~70중량%이고 SO₃함량이 10~60중량%인 석고 0.5~50중량부를 더 포함하며, 상기 석고는 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 인산석고, 불산 석고 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 콘크리트 2차제품 제조방법은 1) 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 콘크리트 2차제품용 결합재를 제조하는 단계; 2) 상기 콘크리트 2차제품용 결합재 100중량부에 대하여 잔골재 0~1,500중량부, 굵은골재 0~1,000중량부 및 물 20~100중량부를 혼합하는 단계; 3) 상기 혼합물을 형틀에 주입하여 성형하는 단계; 및 4) 상기 성형물을 상온 또는 증기 양생하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 순환 유동층 보일러에서 배출되는 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 수화반응 및 활성도를 증진시키고 천연 광물 미분말을 충전제로 활용하여 중금속 용출이 없고 내화학성이 향상된 콘크리트 2차제품을 제공할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 중금속 용출이 없고 내화학성이 향상된 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 중금속 용출이 없고 내화학성이 향상된 콘크리트 2차제품용 결합재는 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 비표면적 4,000cm²/g 이상인 고로수쇄 슬래그 100~1,000중량부와 CaO 함량이 20~70중량%이고 SO₃함량이 3~30중량%인 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5~1,000중량부와 입경 50㎛ 이하로 분쇄된 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말, 화강석 미분말, 백운석 미분말 중 선택된 어느 하나이거나 둘이상의 혼합물인 천연 광물성 충전제 5~500중량부를 포함한다.

상기 1종 포틀랜드 시멘트는 일반적으로 시중에서 유통되는 제품을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 고로수쇄 슬래그는 제철 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 부산물이다. 고로수쇄 슬래그 미분말은 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로수쇄 슬래그 미분말을 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다. 고로수쇄 슬래그 미분말은 초기강도 확보를 위해 비표면적 4,000cm²/g 이상의 것을 사용해야 한다.

상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 석탄을 주연료로 하는 순환 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황하는 방식의 보일러 하부에서 발생한다. 순환 유동층 보일러의 탈황공정은 연소실 내에 석회석을 주입하여 연료와 함께 연소시켜 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다. 특히, 순환 유동층 보일러 바텀애시는 약 850℃의 온도에서 연소되어 유리질 성분이 없기 때문에 포졸란 반응을 일으킬 수는 없지만 상부에서 집진되는 플라이애시에 비해 CaO 및 CaSO₄ 성분이 더 높게 함유되어 있으며 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로서 더 탁월한 조성을 가지고 있다고 할 수 있다. 따라서, pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 고로수쇄 슬래그 미분말과 같이 활용될 경우 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.

통상의 고로수쇄 슬래그 미분말에 물을 투입하게 되면, 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca² ⁺, Al³⁺ 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 순환 유동층 보일러 바텀애시를 혼입 후 물을 투입하게 되면, 바텀애시가 함유하고 있는 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)₂로 변환되어 생성된 OH^-와 탈황 과정 중 생성된 SO₄ ^2-성분이 고로수쇄 슬래그 미분말의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca² ⁺, Al³ ⁺ 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO₂-H₂O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다. 상기 바텀애시는 일반적으로 5mm 이하의 입경을 가지고 있는데 입경이 시멘트, 플라이애시에 비하여 큼에도 불구하고 그 자체로서 고로수쇄 슬래그의 자극효과가 있기 때문에 자극제 및 잔골재로서 동시 역할을 수행할 수 있어 별도의 골재 투입 없이도 물과 혼합 시 페이스트 및 모르타르로서 바로 활용이 가능하다. 하지만 고로수쇄 슬래그의 자극 효과를 더욱 더 향상시키기 위해 1mm 이하로 분급 및 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 바텀애시는 CaO 함량이 15~70중량%이 바람직하다. 15중량% 미만이면 CaCO₃, CaSO₄의 화합물 형태로 존재하는 CaO 함량 약 10중량% 정도를 제외하면 순수 CaO 그 자체 형태로 존재하는 CaO 함량이 부족하다. 즉, 순수 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)₂로 변환되어 생성된 OH^-이온량이 부족하기 때문에 고로수쇄 슬래그 미분말의 비결정질 피막을 단시간 내에 파괴하기가 어려워 초기 강도가 크게 저하된다. 또한 바텀애시에 존재하는 순수 CaO는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 Ca(OH)₂이 될 때 반응식은 아래와 같으며 이때 체적이 약 1.99배 팽창한다.

CaO+ H₂O->Ca(OH)₂+15.6kcal mol^-1

따라서 순수 CaO 성분은 물과 반응하여 수산화칼슘으로 전이 후 고로수쇄 슬래그 미분말의 알칼리 자극제 역할도 수행하지만 발열에 의한 온도상승으로 고로 수재 슬래그 미분말의 수화반응 촉진, 경화체의 체적 수축을 보상하는 효과와 중성화 방지 역할 등도 동시에 발휘하게 된다. 반대로 CaO 함량이 70중량% 초과이면 순수 CaO 형태로 존재하는 CaO 함량이 과도하여 수분을 과도하게 흡수하고 발열 및 팽창이 과도하게 발생하여 균열을 야기시킬 수 있다. 따라서 바텀애시 중에서 반드시 원료 입고 전 화학적 정량 분석을 실시하여 CaO 함량이 15~70중량%인 것을 사용해야 한다.

상기 바텀애시는 SO₃ 함량이 3~30중량%이 바람직하다. 3중량% 미만이면 슬래그를 자극할 수 있는 SO₃ 함량이 부족하여 강도발현이 어렵고, 30%를 초과하면 잉여량의 슬래그와 반응하지 못한 SO₃ 함량이 존재하여 오히려 강도가 저하될 수 있다. 화학조성물을 분석하여 상기 범위 내에 바텀애시를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 바텀애시는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 0.5~1,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 1,000중량부 초과일 경우 상대적으로 고로수쇄 슬래그 함량이 줄어들고 자극제 성분이 과다하여 강도가 크게 저하하게 된다.

상기 천연 광물성 충전제는 콘크리트 2차제품 내부 미세공극 충전, 유해 중금속 용출 감소, 내화학성 향상을 시켜주는 역할을 하며 입경 50㎛ 이하로 분쇄된 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말, 화강석 미분말, 백운석 미분말 중 선택된 어느 하나이거나 둘이상의 혼합물인 것이 바람직하다. 상기 천연 광물성 충전제 5~500중량부를 포함하는 것이 바람직한데 5중량부 미만일 경우 충전 효과, 중금속 용출 감소, 내화석 향상 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 수화반응을 하지 못하는 광물 형태로만 존재하기 때문에 강도가 크게 저하된다.

또한, 유동성과 장기강도를 증진시키기 위하여 SiO₂ 함량이 35~60중량%이고 CaO 함량이 0.5~10중량%이며 SO₃ 함량이 0.1~3중량%인 미분탄 보일러 플라이애시 0.5~400중량부를 더 포함할 수 있다.

상기 미분탄 보일러 플라이애시는 별도의 탈황설비를 구비하고 있는 화력발전소에서 미분탄 연소보일러의 연소가스가 집진장치를 통과할 때 채취된 회로서, CaO 함량이 10중량% 미만이기 때문에 pH가 6~11 정도의 중성 및 저알칼리 물질이다.

상기 화력발전소 미분탄 보일러 플라이애시는 포틀랜드 시멘트에 일부 치환하여 사용되고 있는데 플라이애시는 입자가 구형이기 때문에 유동성이 증가하고 포졸란 반응성이 있어서 장기재령에서 강도는 증가하나 초기 재령에서는 그것 자체로 경화하는 성질이 미약하다. 즉, 포틀랜드 시멘트와 혼합한 경우 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘이 생성된 이후에, 이것에 의해 플라이애시가 자극을 받아 경화하는 특징이 있다. 이로 인해, 플라이애시의 반응은 2차적으로 시작되며, 이러한 이유로 포틀랜드 시멘트에 플라이애시 혼합 활용 시, 응결지연, 초기강도 저감, 중성화 등 문제점을 내포하고 있다. 이러한 현상에 의해 건설현장에서는 거푸집 탈형시기 지연, 초기 강도 품질 저하, 중성화에 의한 장기 내구성 저하 등의 문제가 발생할 수 있어 포틀랜드 시멘트 100 중량% 대비 플라이애시의 함유량을 5 내지 20 중량%로 활용하고 있다. 본 발명에서는 순환 유동층 보일러 바텀애시의 CaO 성분이 물과 반응하여 생성된 Ca(OH)₂ 성분의 자극효과에 의해 미분탄 보일러 플라이애시의 포졸란 반응이 초기에 활성화된다.

상기 미분탄 보일러 플라이애시는 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 0.5~400중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 400중량부 초과일 경우 포졸란 반응을 하지 못한 잉여량의 플라이애시가 다량 존재하여 강도가 크게 저하된다.

또한 강도를 증진시키기 위해 상기 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 석고를 0.5~400중량부 더 포함하며 천연 무수석고, 석유 코크스 탈황석고, 인산 부산석고, 불산 부산석고 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 석고는 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여 0.5~400중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 400중량부 초과일 경우 슬래그와 반응하지 못한 석고 성분이 다량 존재하여 오히려 강도를 크게 저하시킨다.

이하에서는 본 발명에 의한 콘크리트 2차제품 제조방법에 대하여 설명한다.

콘크리트 2차제품 제조방법은 1) 앞서 설명한 콘크리트 2차제품용 결합재를 제조하는 단계; 2) 상기 콘크리트 2차제품용 결합재 100중량부에 대하여 잔골재 0~1,500중량부, 굵은골재 0~1,000중량부 및 물을 20~100중량부 혼합하는 단계; 3) 상기 혼합물을 형틀에 주입하여 성형하는 단계; 4) 상기 성형물을 상온 또는 증기 양생하는 단계;를 포함한다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.

비교예

1종 시멘트 100중량부에 대하여 5mm 이하의 잔골재 600중량부와 40중량부의 물을 투입한 후 강제식 믹서로 혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조하였다. 이를Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개에 투입한 후 진동 가압을 가하여 성형한 후 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

실시예 1

1종 보통포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 비표면적이 4,360cm²/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 500중량부, 5mm 이하의 CaO 함량이 46.7중량%, SO₃ 함량이 16.8중량%인 석탄 연소 순환 유동층 보일러 바텀애시 200중량부, 평균 입경 13㎛인 석회석 미분말 100중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하여 결합재를 제조하였다.

상기 결합재 100중량부에 대하여 5mm 이하의 잔골재 600중량부와 40중량부의 물을 투입한 후 강제식 믹서로 혼합을 실시하여 균질한 혼합물을 제조하였다. 이를Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개에 투입한 후 진동 가압을 가하여 성형한 후 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

실시예 2

1종 보통포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 비표면적이 4,360cm²/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 500중량부, CaO 함량이 46.7중량%, SO₃ 함량이 16.8중량%인 석탄 연소 순환 유동층 보일러 바텀애시 200중량부, 평균 입경 13㎛인 석회석 미분말 100중량부, SiO₂ 함량이 51.2중량%이고 CaO 함량이 1.9중량%이며 SO₃ 함량이 0.8중량%인 미분탄 보일러 플라이애시 100중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하여 결합재를 제조하였다.

실시예 3

1종 보통포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 비표면적이 4,360cm²/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 500중량부, CaO 함량이 46.7중량%, SO₃ 함량이 16.8중량%인 석탄 연소 순환 유동층 보일러 바텀애시 200중량부, 평균 입경 13㎛인 석회석 미분말 100중량부, CaO 함량이 44.1중량%이며 SO₃ 함량이 53.7중량%인 천연 무수석고 50중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하여 결합재를 제조하였다.

공시체의 시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 내약품성 시험은 28일 재령의 공시체를 황산 5% 수용액에 침지하여 중량감소율을 평가하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.

실험	방법	비고
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법
내약품성	ASTM C 267, 579	황산 5% 수용액 침지 후 중량감소율 측정
중금속 용출	폐기물공정시험기준	중금속 용출시험방법

구분	압축강도(MPa)
구분	3일	7일	28일
비교예	4.56	8.46	14.21
실시예1	3.18	8.64	14.31
실시예2	2.82	8.67	17.92
실시예3	3.56	8.90	18.39

구분	중량감소율(%)
구분	28일	56일	90일
비교예	-12.1	-28.5	-41.2
실시예1	-0.8	-11.2	-17.2
실시예2	-1.82	-12.1	-16.8
실시예3	-1.21	-13.1	-16.5

(1) 일축압축강도의 변화

표 2에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2 와 실시예 3의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 1종 포틀랜드 시멘트, 고로수쇄 슬래그 미분말과 순환 유동층 보일러 바텀애시, 석회석 미분말을 결합재로 사용한 실시예 1은 1종 시멘트만을 결합재로 사용한 비교예 1에 비해 3일 재령 초기 강도는 적게 발현되었으나 7일 이후부터는 동등의 강도를 발현하였으며, 미분탄 보일러 플라이애시와 천연 무수석고가 더 포함된 실시예 2와 3은 비교예 1과 비교하여 3일은 적게 발현되었으나 7일에서는 유사한 강도를 보이다가 28일 재령에서는 비교예 1에 비해 약 20% 증가하는 강도를 발현하였다.

따라서, 본 발명의 콘크리트 2차제품용 결합재가 1종 시멘트를 대체할 수 있는 강도 확보가 가능함을 알 수 있었다.

(2) 내약품성 실험

표 3에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2 와 실시예 3의 황산 5% 수용액 침지 재령에 따른 중량감소율을 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 결합재를 이용한 콘크리트 공시체의 경우 1종 포틀랜드 시멘트만을 사용한 비교예 1에 비해 황산에 대한 침식이 훨씬 적게 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 결합재는 1종 포틀랜드 시멘트에 비해 산에 침식이 매우 용이한 Ca(OH)₂를 거의 생성하지 않기 때문이다. 따라서 본 발명의 콘크리트 2차제품용 결합재를 이용한 콘크리트 2차제품의 경화체는 각종 무기산에 매우 저항성이 우수한 특성을 보여 생활폐수를 취급하는 도시하부 구조물 및 공장폐수로, 폐기물의 고화재 등에 사용될 수 있으리라 기대된다.

(3) 중금속 용출 실험

	KSLT
	6가크롬	구리	수은	카드뮴	납	비소
허용기준	1.5	3.0	0.005	0.3	3.0	1.5
비교예 1	0.798	0.671	불검출	0.059	0.058	0.087
실시예 1	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
실시예 2	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
실시예 3	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출

상기 표 4의 중금속 용출실험결과를 보면 비교예의 경우 허용기준치에는 만족하는 것으로 나타나지만 6가 크롬의 경우 기준치의 50%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시예는 모두 6가 크롬 뿐만 아니라 모든 중금속이 불검출되었다.

따라서 본 발명의 중금속 용출이 없고 내화학성이 향상된 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품은 순환 유동층 보일러 바텀애시를 고로수쇄 슬래그 미분말의 자극제로 활용하여 강도를 발현시킴으로써 콘크리트 2차제품 제조시 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있다. 또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출, 내화학성 증진에 따른 내구연한 증가, 유해 중금속 용출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 콘크리트 2차제품용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 2차제품 제조방법이다.

Claims

1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여,
비표면적 4,000cm²/g 이상인 고로수쇄 슬래그 100∼1,000중량부와,
CaO 함량이 20~70중량%이고 SO₃함량이 3∼30중량%인 포졸란 반응성이 없는 순환 유동층 보일러 바텀애시 0.5∼1,000중량부 및
천연 광물성 충전제 5∼500중량부를 포함하여 중금속 용출이 없고 무기산에 우수한 저항성을 구현하고,
상기 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여, 미분탄 보일러 플라이애시 0.5∼400중량부를 더 포함하며,
상기 미분탄 보일러 플라이애시는 CaO 함량이 0.5∼10중량%이며 SO₃ 함량이 0.1∼3중량%이고, 미분탄 보일러 집진설비에서 배출되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 2차제품용 결합재.

제1항에 있어서,
상기 천연 광물성 충전제가 입경 50㎛ 이하로 분쇄된 석회석 미분말, 장석 미분말, 규석 미분말, 화강석 미분말 및 백운석 미분말 중 선택된 어느 하나이거나 둘이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 2차제품용 결합재.

삭제

제1항에 있어서,
상기 1종 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여, CaO 함량이 30~70중량%이고 SO₃함량이 10~60중량%인 석고 0.5~50중량부를 더 포함하며,
상기 석고는 천연 무수석고, 페트로 코크스 탈황석고, 인산석고, 불산 석고 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 2차제품용 결합재.

1) 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항의 콘크리트 2차제품용 결합재를 제조하는 단계;
2) 상기 콘크리트 2차제품용 결합재 100중량부에 대하여 잔골재 0∼1,500중량부, 굵은골재 0∼1,000중량부 및 물 20∼100중량부를 혼합하는 단계;
3) 상기 혼합물을 형틀에 주입하여 성형하는 단계; 및
4) 상기 성형물을 상온 또는 증기 양생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 2차제품 제조방법.