KR102659413B1 - 친환경 범용성 고화재용 결합재 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제강 부산물, 화력 발전 부산물 등의 산업부산물을 원료로 조성되어 친환경성을 확보하고, 점성토, 사질토, 사력토로 구별되는 각 지반의 강도를 국토교통부 가설공사 표준시방서(2014) 성능 기준에 부합하도록 계량할 수 있는 친환경 범용성 고화재용 결합재 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「시멘트 20~30 중량부; 고로슬래그 미분말 30~40 중량부; 탈황석고 5~20 중량부; 및 CaO 및 free-CaO 성분이 순환유동층 보일러 애시 15~25 중량부; 를 포함하는 범용성 고화재용 결합재 조성물」을 제공한다.
본 발명은 「시멘트 20~30 중량부; 고로슬래그 미분말 30~40 중량부; 탈황석고 5~20 중량부; 및 CaO 및 free-CaO 성분이 순환유동층 보일러 애시 15~25 중량부; 를 포함하는 범용성 고화재용 결합재 조성물」을 제공한다.
Description
본 발명은 제강 부산물, 화력 발전 부산물 등의 산업부산물을 원료로 조성되어 친환경성을 확보하고, 점성토, 사질토, 사력토로 구별되는 각 지반의 강도를 국토교통부 가설공사 표준시방서(2014) 성능 기준에 부합하도록 계량할 수 있는 친환경 범용성 고화재용 결합재 조성물에 관한 것이다.
가설공사 표준시방서(2014) 설계편에 따르면 점성토, 사질토, 사력토 등의 연약지반은 아래 [표 1]에 나타난 성능 기준이 충족되도록 개량되어야 한다.
| 토 질 | 성능기준(MPa, 28일) |
| 점성토 | 1~2 |
| 사질토 | 2~8 |
| 사력토 | 6~12 |
종래에는 주로 시멘트 페이스트 또는 여타의 혼화재를 결합재로 적용한 페이스트를 고화재로 사용하였는데, 연약 지반의 토질에 따라 고화재 투입량, 물-결합재비 등을 조절하여 사용해 왔다.
본 발명은 종래에 적용 대상이 제한적이었거나 불용 처리되어 왔던, 열병합 발전 부산물, 화력 발전 부산물, 제강 부산물 등의 산업부산물을 활용하여 동일한 배합 기준으로 다양한 토질의 연약 지반에 범용적으로 적용할 수 있는 친환경 범용성 고화재용 결합재 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 「연약 지반 1 ㎥ 당 결합재 240 kg을 물-결합재비 140 wt% 조건으로 배합하여 투입하는 개량하는 조건에서, 재령 28일 기준으로, 점성토 지반에서 1~2 MPa, 사질토 지반에서 2~8 MPa, 사력토 지반에서 6~12 MPa의 압축강도가 발현되며, 상기 결합재는, 시멘트 20~30 중량부; 고로슬래그 미분말 30~40 중량부; 탈황석고 5~20 중량부; 및 CaO 및 free-CaO 성분이 포함된 순환유동층 보일러 애시 15~25 중량부; 를 포함하고, 상기 순환유동층 보일러 애시는, CaO가 15~40 wt% 함유되고, free-CaO가 25 wt% 이하 함유되되, 상기 CaO 및 free-CaO의 합량이 20~60 wt%인 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물」을 제공한다.
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또한, 바텀애시를 10 중량부 이하(0 중량부 제외) 포함시킬 수 있으며, 상기 바텀애시는 염화물이 4,000~6,000 ppm 포함된 것을 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명이 제공하는 범용성 고화재용 결합재 조성물에는 KR 슬래그를 30 중량부 이하(0 중량부 제외) 더 포함시킬 수 있으며,
상기 KR 슬래그는 CaO가 45~65 wt% 함유된 것을 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명이 제공하는 친환경 범용성 고화재용 결합재 조성물은,
1. 연약 지반의 토질(점성토, 사질토 및 사력토)에 구애받지 않고, 동일한 물-결합재비로 동일한 교반량(결합재량)을 적용하더라도 각 토질의 표준 성능기준이 충족되므로 시공 및 개량 지반 품질 관리 효율성이 향상된다.
2. 순환유동층 보일러 애시를 비롯한 바텀애시, KR 슬래그 등 산업부산물의 성분 분석에 기초하여 연약 지반 개량을 위한 고화재용 결합재 조성물의 적정 배합을 도출하였으며, 이러한 산업부산물 활용에 따라 환경부하 저감 및 고화재 생산 원가 절감에 기여할 수 있다.
본 발명은 「연약 지반 1 ㎥ 당 결합재 240 kg을 물-결합재비 140 wt% 조건으로 배합하여 투입하는 개량하는 조건에서, 재령 28일 기준으로, 점성토 지반에서 1~2 MPa, 사질토 지반에서 2~8 MPa, 사력토 지반에서 6~12 MPa의 압축강도가 발현되며, 상기 결합재는, 시멘트 20~30 중량부; 고로슬래그 미분말 30~40 중량부; 탈황석고 5~20 중량부; 및 CaO 및 free-CaO 성분이 포함된 순환유동층 보일러 애시 15~25 중량부; 를 포함하고, 상기 순환유동층 보일러 애시는, CaO가 15~40 wt% 함유되고, free-CaO가 25 wt% 이하 함유되되, 상기 CaO 및 free-CaO의 합량이 20~60 wt%인 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물」을 제공한다.
순환유동층 보일러 애시는 열병합발전소에서 생성되는 플라이애시로서, 일반 화력발전소에서 생성되는 플라이애시와 달리 CaO 성분이 높아, 수화반응 특성이 나타난다. 열병합발전소의 순환유동층 보일러에서는 NOx, SOx의 원활한 제거를 위해 석회석을 투입하며, 이에 따라 발생하는 순환유동층 보일러 애시에 CaO 성분이 존재하는 것이다. CaO는 물과 반응하여 Ca(OH)2가 되며, Ca(OH)2가 시멘트 수화생성물의 형성에 기여한다. 이에 따라 순환유동층 보일러 애시를 시멘트와 혼합하여 고화재로 적용하는 방안을 검토하였다.
다만, 탄소 저감 문제 등으로 시멘트 사용량을 줄이고, 산업부산물 사용량을 늘리기 위해 종래에 여러 현장에서 적용되어 온 고화재용 결합재 조성물의 구성 성분을 검토하여 고로슬래그 미분말 및 탈황석고를 상기 순환유동층 보일러 애시와 함께 적용하는 방안을 검토하였다.
한편, 발전소마다 발생하는 순환유동층 보일러 애시의 함량에 차이가 있고, 수화반응 속도에 영향을 미치는 free-CaO 함유량에도 차이가 있다. free-CaO는 시멘트 수화반응의 촉진에 기여하지만 고화재에 과량 함유된 경우 개량 지반의 팽창 파괴 등의 우려가 있어, 적정 수준의 함량이 요구된다.
이에 발전소마다 생성되는 순환유동층 보일러 애시에 함유된 성분과, CaO, free-CaO 각각의 함량과 CaO 및 free-CaO의 총량(이하 'Tata1 CaO'로 표기)을 분석하였다([표 2] 및 [표 3] 참조).
[발명의 배경이 되는 기술] 부분에서 설명한 바와 같이, 종래에는 연약 지반의 토질에 따라 고화재 배합 또는 사용량을 변화시켜왔다. 일예로, 종래에는 연약 지반이 사질토인 경우 사질토 1㎥ 당 시멘트(OPC) 240 kg을 물-결합재비 140 wt% 조건으로 배합(물 336 kg)한 페이스트를 교반하는 방식으로 개량하였으며, 이 경우 개량된 지반의 재령별 압축강도를 테스트 한 결과는 아래 [표 4]에 '비교예'로 나타난 바와 같이 재령 28일 압축강도 2.55 MPa이 발현되어 사질토 지반의 표준 성능 기준인 2~8 MPa이 충족된다.
위와 같은 종래의 사질토 개량 결과와 비교하기 위해, 열병합발전소 4곳에서 배출된 순환유동층 보일러 애시를 각각 105℃로 건조 후 결합재로 포함시키고, 단위 재료량과 물-결합재비는 위의 비교예와 동일한 조건으로 고화재용 결합재 조성물을 제조하여 사질토에 교반 후 재령별 압축강도를 측정하였다.
시험예1-A 내지 시험예1-D의 결합재 배합을 간단히 설명하면,
수화반응 시작을 위해 시멘트를 결합재의 30 wt% 분량으로 포함시켰고, 결합재에 고로슬래그 미분말을 40 wt% 포함시켜 장기 재령 강도가 발현되도록 하면서, 탈황석고를 5 wt% 함께 혼합함으로써 상기 고로슬래그 미분말의 잠재수경성을 활성화시키고자 하였다. 아울러, CaO 및 free-CaO 성분에 의해 수화반응이 촉진되도록 하는 순환유동층 보일러 애시를 발전소 별로 분류하여 결합재에 25 wt% 비율로 혼입시켰다.
위 시험예들에 대한 재령별 압축강도 시험결과 재령 7일 압축강도는 순환유동층 보일러 애시의 CaO, free-CaO 함량 또는 Total CaO 간의 관계성이 부족하였으나, 개량 지반 압축강도의 기준이 되는 재령 28일 압축강도는 Total CaO와 비례하는 경향을 보이면서, 2.11~2.59 MPa 범위에서 발현되어 시험예1-A 내지 시험예1-D 모두 사질토 성능 기준(재령 28일 압축강도 2~8 MPa)이 충족된 것으로 나타났다.
또한, 순환유동층 보일러 애시 중 Total CaO가 40~60 wt%인 시험예1-B에서 개량된 지반의 팽창 파괴와 같은 부정적 현상은 발생하지 않았다.
따라서 시험예 1-A 내지 시험예 1-D 모두 사질토 개량을 위한 고화재용 결합재 조성물로 적용할 수 있는 것으로 검토되었다.
아래 [표 5]는 상기 시험예1-A 내지 시험예1-D의 배합조건을 그대로 유지하고 점성토와 사질토 개량에 적용한 시험 결과를 정리한 것이다.
위 시험결과 역시, 개량된 지반의 재령 28일 압축강도는 Total CaO와 비례하는 경향을 보이면서, 점성토 지반은 개량 후 1.06~1.25 MPa 범위에서 발현되고, 사력토 지반은 개량 후 6.33~7.77 MPa 범위에서 발현되어,
시험예1-A 내지 시험예1-D 모두 점성토 성능 기준(재령 28일 압축강도 1~2 MPa)과 사력토 성능 기준(재령 28일 압축강도 6~12 MPa)이 충족된 것으로 나타났다.
또한, 시험예1-B에서 개량된 지반의 팽창 파괴와 같은 부정적 현상은 발생하지 않았다.
따라서 시험예1-A 내지 시험예1-D 모두 점성토와 사력토 개량을 위한 고화재용 결합재 조성물로도 적용할 수 있는 것으로 검토되었다.
이에 상기 순환유동층 보일러 애시는, CaO가 15~40 wt% 함유되고, free-CaO가 25 wt% 이하 함유되되, 상기 CaO 및 free-CaO의 합량이 20~60 wt%인 것을 안정적으로 적용할 수 있다.
즉, 시험예1-A 내지 시험예1-D(이하 '본 발명 고화재용 결합재 조성물'이라 함)는 토질에 구애받지 않고 적용가능한 범용성 있는 고화재용 결합재 조성물이며, 시멘트 페이스트를 포함한 기존의 타 고화재용 결합재 조성물이 개량 대상 지반의 토질에 따라 고화재 배합이나 사용량을 다르게 적용해야 하던 것과 비교할 때 활용 범위가 크게 확장된 것이라 할 수 있다. 또한, 본 발명 고화재용 결합재 조성물은 산업부산물인 고로슬래그 미분말과, 순환유동층 보일러 애시가 함께 혼입되어 범용성이 구현된 것으로, 산업부산물 재활용 면에서 친환경적이며, 원가 절감 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 결합재에 바텀애시가 10 중량부 이하(0 중량부 제외) 더 포함된 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물을 함께 제공한다.
상기 바텀애시는 석탄 화력발전소의 습식(해수) 냉각에 의하여 발생하는 부산물로서, CaO 함량은 낮지만 해수 냉각에 의해 Cl-가 염화물 상태로 일부 포함되어 있다. Cl-는 고화재용 결합재 조성물의 조강성능에 기여하고, 콘크리트에서 문제되어 온 철근 부식과 같은 문제가 발생하지 않으므로 지반 개량에 사용되는 고화재용 결합재 조성물에는 부정적 영향 없이 적용 가능할 것으로 판단하였다. 다만, 압송장비 부식 문제가 발생할 여지가 있으므로 바텀애시는 Cl-가 4,000~6,000 ppm 포함된 것을 적용하는 것이 바람직하다.
아래 [표 6]은 화력발전소에서 배출된 바텀애시(BA)를 무작위로 입수하여 조성 성분을 분석 결과를 나타낸 것이다.
[표 7]에 나타난 시험 결과는 연약 지반 1㎥ 당 결합재 240 kg을 물-결합재비 140 wt% 조건으로 배합(물 336 kg)하여 개량하는 조건에서 개량 지반의 토질별 재령 28일 압축강도 시험 결과이다.
시험예2는 시험예1-C의 결합재 중 순환유동층 보일러 애시 함량을 15 wt%로 제한하는 대신 상기 바텀애시를 10 wt% 혼합한 것이다.
혼합된 바텀애시는 입고된 것을 105℃로 건조하고, 분말도 3,000~5,000 ㎠/g으로 분쇄한 것이다.
위 [표 7]의 시험 결과에 나타난 바와 같이, 바텀애시가 혼입된 시험예2는 점성토, 사질토, 사력토 개량을 위한 고화재용 결합재 조성물로 적용할 수 있는 것으로 검토되었다.
또한, 본 발명은 KR 슬래그가 30 중량부 이하(0 중량부 제외) 더 포함된 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물을 함께 제공한다.
KR 슬래그는 제강 공정 중 캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서 발생하는 높은 염기성을 띈 슬래그이다. 상기 KR 슬래그의 주 성분은 소석회(수산화칼슘[Ca(OH)2])인데, 상기 소석회는 강알칼리성이지만 산화칼슘에 비하여 매우 안정된 육방정계의 판상 또는 주상결정구조를 갖고 있다. 상기 KR 슬래그는 분쇄공정을 통해 미분화시킬 수 있으며, 미분화된 상태에서 자력선별을 통해 철질물질을 분리 제거할 수 있다.
아래 [표 8]은 제강 공정에서 배출된 KR 슬래그를 무작위로 입수하여 조성 성분을 분석 결과를 나타낸 것이다. 5회 분석 결과 KR 슬래그 내 CaO 함량이 49.45~66.12 wt%로 나타났으나, KR 슬래그 배출 공정에 따라 CaO 함량 편차는 더욱 클 것으로 예측된다. 따라서, 본 발명 고화재용 결합재 조성물에 적용하는 KR 슬래그는 CaO가 45~65 wt% 함유된 것을 선별하여, 개량 지반의 압축강도가 과하게 나타나지 않도록 품질 관리를 하는 것이 바람직하다.
[표 9]에 나타난 시험 결과는 연약 지반 1㎥ 당 결합재 240 kg을 물-결합재비 140 wt% 조건으로 배합(물 336 kg)하여 개량하는 조건에서 개량 지반의 토질별 재령 28일 압축강도 시험 결과이다.
시험예3은 시험예1-C의 결합재 중 순환유동층 보일러 애시 함량을 15 wt%로 제한하는 대신 KR 슬래그를 10 wt% 혼합한 것이다.
시험예4는 위 시험예3에서 결합재 중 시멘트(OPC) 함량을 20 wt%로 제한하는 대신 바텀애시를 10 wt% 혼합한 것이다.
시험예5는 위 시험예4에서 결합재 중 고로슬래그 미분말 함량을 30 wt%로 제한하고, 바텀애시를 혼합하지 않는 대신 KR 슬래그를 30 wt% 혼합한 것이다.
혼입된 KR 슬래그는 입고된 것을 105℃로 건조하고, 분말도 5,000~6,000 ㎠/g으로 분쇄한 후 체가름에 의해 입경 0.5mm 이하의 분말을 선별한 것이다.
위 [표 9]의 시험 결과에 나타난 바와 같이, 시험예3 내지 5 모두 점성토, 사질토, 사력토 개량을 위한 고화재용 결합재 조성물로 적용할 수 있는 것으로 검토되었다.
다만, KR 슬래그가 결합재의 30 wt% 포함된 시험예5에서 개량된 점성토의 재령 28일 압축강도가 1.81 MPa로 높게 발현되었으므로, KR 슬래그 함량이 30 wt%를 초과하는 경우 KR 슬래그 내 CaO 함량 및 타 원료물질의 성분 및 배합 조건 등에 따라 개량된 점성토 지반의 표준 성능기준 범위를 초과할 수 있다. 따라서, 고화재의 결합재 내 KR 슬래그 함량은 30 wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 시험예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이전 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
해당 없음
Claims (6)
- 삭제
- 연약 지반 1 ㎥ 당 결합재 240 kg을 물-결합재비 140 wt% 조건으로 배합하여 투입하는 개량하는 조건에서,
재령 28일 기준으로, 점성토 지반에서 1~2 MPa, 사질토 지반에서 2~8 MPa, 사력토 지반에서 6~12 MPa의 압축강도가 발현되며,
상기 결합재는, 시멘트 20~30 중량부; 고로슬래그 미분말 30~40 중량부; 탈황석고 5~20 중량부; 및 CaO 및 free-CaO 성분이 포함된 순환유동층 보일러 애시 15~25 중량부; 를 포함하고,
상기 순환유동층 보일러 애시는, CaO가 15~40 wt% 함유되고, free-CaO가 25 wt% 이하 함유되되, 상기 CaO 및 free-CaO의 합량이 20~60 wt%인 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물.
- 제2항에서,
바텀애시가 10 중량부 이하(0 중량부 제외) 더 포함된 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물.
- 제3항에서,
상기 바텀애시는 Cl-가 4,000~6,000 ppm 포함된 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
KR(Kanvara Reactor) 슬래그가 30 중량부 이하(0 중량부 제외) 더 포함된 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물.
- 제5항에서,
상기 KR 슬래그는,
CaO가 45~65 wt% 함유된 것을 특징으로 하는 범용성 고화재용 결합재 조성물.
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