KR19990031198A

KR19990031198A - 인공경량골재의 제조방법

Info

Publication number: KR19990031198A
Application number: KR1019970051820A
Authority: KR
Inventors: 김상운
Original assignee: 차동천; 한솔제지 주식회사
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 1999-05-06

Abstract

본 발명은 인공경량골재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제지공장에서 대량으로 발생되는 슬러지를 소각하여 폐기되는 제지슬러지 소각재와 발전소에서 대량으로 폐기되는 플라이애쉬를 주원료로 사용하여 골재로 성형하고 골재 성형물을 고내화도의 무기분말로 코팅 처리하여 고온 소성에 의한 융착을 방지하는 절건비중 0.5 ∼ 0.9의 비구조체용 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

인공경량골재의 제조방법

제지공장에서 발생하는 제지슬러지의 경우 대부분이 재활용되지 못하고 소각을 통해 부피를 최소화하여 매립이나 위탁처리(부산질 비료, 제철용 보온제 등)되고 있고, 플라이애쉬의 경우 년간 약 400만톤이 발전소 등으로부터 배출되고 있고 그 중 약 18% 정도만이 시멘트 원료 및 시멘트 혼화제로 사용되고 있을 뿐 대부분이 매립되고 있어 향후 매립지의 확보 및 경제적인 면에서 볼 때 재활용이 시급한 실정이다.

이에 제지슬러지 및 플라이애쉬를 이용한 재활용방법에 대한 연구가 다각적으로 진행되고 있으나, 대부분이 건축자재 타일, 내화단열벽돌 등에 대한 것으로서 현실적으로 현장 적용되지 못하고 있다.

제지슬러지 소각재를 이용하여 인공경량골재를 제조하는 방법으로서, 대한민국 특허공고 제 96-11333 호에는 적벽돌용 점토를 주원료로 하고 제지슬러지 및/또는 소각재를 부원료로 하여 고온열처리에 의해 인공경량골재를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 골재의 절건비중이 0.9 ∼ 1.8로써 비교적 무거운 편이어서 건축자재 타일, 내화단열벽돌 등 구조체용으로 그 용도가 한정되는 문제가 있다.

석탄화력발전소에서 발생하는 플라이애쉬를 이용하여 인공경량골재를 제조하는 방법으로서, 대한민국 특허공고 제 96-11329 호에는 폐기물이 아닌 비교적 고가인 장석류와 아주 고가인 흄드 실리카를 전체중량에 대해서 각각 20 ∼ 30 중량% 및 10 ∼ 30 중량% 사용하는 방법이 개시되어 있으나, 경제적으로 현실성이 없으며 물성면에서도 절건비중이 0.7 ∼ 0.8로 그 범위가 좁고 실험실 규모의 소결로에서 소결한 자료를 바탕으로 하였기 때문에 상업생산을 하기에는 어려운 점이 있다.

또한, 대한민국 특허공고 제 96-11328 호에는 플라이애쉬와 석탄분을 주원료로 하고 동물성 단백질계 기포제로 기포를 형성시켜 경량골재를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 이 또한 고가의 기포제를 사용하여야 하며, 유기성의 기포제에 의해 혼합·성형시 형성된 기포들이 고온에서 열처리 소성하였을 때도 기공을 그대로 유지하는지에 대해선 소결기구상 이해하기 힘든 점이 있다.

상기의 제조방법 이외의 대부분의 경량골재의 제조방법에서는 천연원료인 혈암, 점토, 규조토 등을 이용하거나, 비중이 높고 기타 폐기물(연탄재, 슬러지, 슬래그 등)을 이용하고 있으며, 그 제조공정이 복잡하거나 물성이 적합하지 못한 단점이 있다.

본 발명에서는 상기에서 지적한 바와 같은 종래 인공경량골재의 제조방법상의 문제점을 해결하고자 연구 노력하였고, 그 결과 제지슬러지 소각재, 플라이애쉬를 주원료로 하고 적벽돌용 점토 등을 부원료로 하여 혼합 및 성형하고, 골재 성형물은 내화도가 높은 알루미나 등의 무기분말로 코팅하여 고온 소성에 의한 융착을 근본적으로 방지하므로써 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명은 절건비중이 0.5 ~ 0.9으로 물성범위가 넓고 흡수율이 7 ~ 20%로서 구조체로는 물론이고 비구조체(경량콘크리트 패널, 경량블럭, 단열, 방음 및 흡음 목적의 용도)로도 사용되는 등 용도가 광범위한 인공경량골재를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 산업폐기물을 이용한 인공경량골재의 제조방법에 있어서, 제지슬러지 소각재, 플라이애쉬 또는 제지 소각재와 플라이애쉬의 혼합물을 주원료로하여 성형하고, 성형물은 내화도가 높은 무기분말로 코팅한 후 고온 소성에 의한 열팽창시켜 제조하는 인공경량골재의 제조방법을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 주원료로 제지슬러지 소각재, 플라이애쉬를 사용하고, 부원료로는 적벽돌제조용 점토, 제지슬러지와 같이 저가(低價)의 물질을 적절히 배합하여 일정한 크기로 성형한 뒤 건조기에서 충분히 건조한 다음, 고내화도의 무기분말로 코팅처리한 후 고온 소성에 의한 팽창열처리하여 경량콘크리트 패널, 경량블럭, 단열, 방음 및 흡음 목적 등의 비구조체용으로도 사용할 수 있는 인공경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 인공경량골재를 제조하는데 있어서 주원료로서 제지슬러지 소각재 또는 발전소의 부산물인 플라이애쉬 또는 이들의 혼합물을 사용한다.

제지슬러지 소각재는 제지공장에서 대량으로 발생하는 슬러지를 소각하여 폐기하는 산업폐기물이며, 이는 실리카와 석회(CaO, MgO)가 주성분으로 함유되어 있어 본 발명의 인공경량골재 제조시 실리카는 망목상으로 골재의 골격을 형성하고, CaO, MgO는 용융온도를 낮춘다.

플라이애쉬는 화력발전소 등에서 배출되는 산업폐기물로서 비정질의 SiO₂와 Al₂O₃가 주성분으로 함유되어 있으며, 골재의 경량화 및 내부기공분포를 균일하게 하는 작용을 한다.

본 발명의 인공경량골재 제조시 주원료로 사용되는 제지슬러지 소각재와 플라이애쉬는 각각 단독으로 사용되나, 단독 사용하기 보다는 함께 함유시켜 상호간의 보완효과 예를들면 실리카 함량 보충으로 인한 점성 증가 효과 등을 얻을 수도 있다.

또한, 본 발명에서는 상기에서 설명한 주원료에 적벽돌제조용 점토, 제지슬러지 또는 이들의 혼합물을 부원료로 함유시켜 골재의 건조강도를 높여 소성로에 투입시 충격에 충분히 견딜 수 있을 정도의 강도를 부여하고, 가스 발생성분을 보충하여 골재의 발포가 원활하게 수행되도록 한다. 이러한 부원료의 첨가량은 주원료 50 ~ 80 중량%에 대하여 20 ~ 50 중량% 범위내에서 사용하는 바, 만약 부원료 사용량이 20 중량% 미만이면 골재의 소결성이 떨어지고 건조강도가 저하되며 발포 팽창이 어려운 문제가 있고, 50 중량%를 초과하여 과량의 부원료를 첨가하는 것은 폐기물 재활용 차원에서 바람직하지 못하다.

상술한 주원료와 부원료를 혼합한 다음 성형하여 골재 성형물을 얻는데, 이때 성형방법으로는 퍼그밀(Pugmill)을 사용하여 압출토련방식으로 성형하거나 또는 디스크형 펠레타이저(Disk type pelletizer)를 이용하여 응집시키는 방식 으로 성형하는 것이 바람직하며, 그 밖의 통상적인 성형방법을 적용하여도 무방하다.

그런 다음 골재 성형물을 내화도(耐火度)가 높은 무기분말로 코팅하는데, 일반적으로 내화도가 골재의 용융온도보다 최소한 50℃이상은 높아야 안정적인 조업이 가능하므로 경제적으로도 가격이 저렴한 원료를 선택하는 것이 필수적이다. 본 발명에서는 골재 코팅재로서 알루미나, 규석분, 시멘트, 정제 플라이애쉬, 카올린, 고급점토 등을 사용하는데, 이들은 골재의 표면에 부착이 가능한 분말상이어야 하고 가소성이 있으면서도 물에 대한 용해도가 낮아야 하며, 이들 코팅재로 코팅된 골재는 골재 상호간 혹은 로(爐)벽과의 융착 반응하지 않고 안정적인 조건에서 팽창 열처리가 가능하다. 이러한 무기분말의 코팅량은 골재에 대하여 1 ∼ 3 중량% 범위가 바람직한 바, 그 코팅량이 1 중량% 미만이면 무기분말의 코팅에 따른 효과를 기대할 수 없고, 3 중량%를 초과하여 과량의 코팅은 경제적으로 바람직하지 못하다. 이때, 코팅방법은 통상의 방법으로 예를들면 드럼(Drum)식, 디스크(Disk)식 등에 의한다.

상기와 같은 방법으로 코팅한 다음, 1,200 ∼ 1,300℃에서 소성하는 바, 소성과정은 고온의 환원분위기에서 점도를 유지하여 개스를 포집하면서 발포시키는 방식으로 진행된다. 인공경량골재 제조에 있어서, 가장 중요한 발포원리는 고온에서 골재가 발포할 수 있도록 가스의 발생이 있어야 하며, 이때 발생된 가스를 포집하여 팽창이 가능하도록 10⁸∼ 10⁹포아즈(Poise)정도의 적합한 점성을 유지하여야 한다. 즉, 성형된 골재를 소성로에 투입하여 일정한 소성곡선에 의해 열처리하면, 주위의 환원분위기에 의해 미연소된 탄소분이 남고, 이러한 미연탄소분이 Fe₂O₃, FeS₂등과 반응하여 CO₂, O₂, SO₃등의 가스를 발생하여야 하며, 이와 동시에 실리카, 알루미나 등 여러 변태의 결정구조내에 있는 산소들이 산소가 부족한 환원분위기에서 끊어지고 양이온들의 치환 과정에서 공융점이 낮아질 때 소지의 표면이 녹아 일정한 점도를 유지하면서 가스의 방출을 막아야만이 팽창된 골재의 제조가 가능하다.

그러나, 제지슬러지 소각재의 경우 실리카의 함량이 낮고, 대신에 융제로 작용하는 석회(CaO, MgO)의 함량이 높아서 아주 낮은 내화도를 가지고 있어, 발포팽창할 수 있는 온도에서 저점도를 가지므로 팽창하지 못하고 융착하게 되어 골재로서의 특성을 상실하게 되는 단점을 가지고 있다. 따라서 대한민국 특허공고 제 96-11333 호에서는 제지슬러지 또는 제지슬러지 소각재를 이용한 인공경량골재 제조시에 본 발명에서 부원료로 사용되는 점토를 주원료로 사용함으로써 어느 정도 내화도를 올리고 고점도를 갖게 함으로써 절건비중 0.9 ∼ 1.8의 어느 정도 발포한 경량골재의 제조가 가능하였으나, 비중 0.9이하의 초경량골재를 제조하는데는 한계가 있었다.

비중 0.9 이하의 저비중 골재를 제조하기 위해서는 일반적으로 원료의 화학조성비를 조절하거나 열처리시 미세한 온도제어를 통해서만이 가능하다. 그러나 원료의 조성비를 조절하기 위해서는 점토의 함유량을 높이거나 고가의 타원료 첨가에 의해 가능하나 이것은 폐기물의 재활용율을 감소시키고 원가를 높이는 역효과를 가져오므로 바람직한 방법이라고 볼 수 없다. 그리고 열처리시 미세한 온도조절을 통해서 골재가 적절한 점성을 갖게 하는 방법은 본 발명에서 제시하고 있는 배합비에서 융착을 피하고 저비중 골재를 제조하기 위해서는 ±5℃이하로 조절해야 하는데 실제로 공장규모로 생산할 경우 어려움이 따른다.

그러나, 본 발명에서는 배합비의 변화없이 안정적인 조업조건을 확보하기 위해서 골재의 표면에 비교적 내화도가 높은 무기분말로 코팅하므로써 상기 문제점을 완전하게 해결하였다.

또한, 본 발명에 따른 인공경량골재 제조시에 사용되는 소성로는 산업적으로 사용되는 통상의 것으로서 전기로 또는 연속식가마(터널식)중 어느 것을 사용하여도 무방하다. 소성온도가 1,200℃ 미만이면 노내에서 경량골재가 미반응을 나타내고, 1,300℃를 초과하면 골재의 표면이 많이 용융되어 골재로서의 상품가치가 저하된다.

또한, 본 발명에 따른 인공경량골재의 건조는 통상 상온에서 행하나, 오븐을 이용할 수도 있다. 통상적인 상온에서의 자연 냉각은 골재의 균일한 건조가 미흡하나 비용이 적게 소요되는 장점이 있고, 오븐 건조에서는 골재의 균일한 건조를 얻을 수 있고 또한 건조시간을 단축시킬 수도 있으나 비용이 자연냉각보다도 더 많이드는 단점이 있다. 따라서, 건조조건은 임의로 선택할 수 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 다음의 실시예들에서 사용한 다제지슬러지 소각재, 플라이애쉬 및 적벽돌제조용 점토의 조성은 다음 표 1에 나타내었다.

단위 : 중량%
	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	강열감량(L.O.I)
제지슬러지 소각재	40.2	27.5	0.8	16.3	8.9	0.6	0.7	4.5
플라이애쉬	45.5	30.4	4.3	0.7	0.8	3.9	0.2	11.4
점토	64.7	16.9	6.0	0.2	0.9	2.2	0.2	7.5

실시예 1

제지슬러지 소각재 30 중량%, 플라이애쉬 20 중량%와 적벽돌제조용 점토 50 중량%룰 배합하여 압출성형하였다. 디스크식 코팅방법에 의해 성형 골재를 굴리면서 골재에 대하여 2 중량%에 해당하는 양의 알루미나 분말로 코팅한 후 1,200℃로 팽창열처리하여 절건비중 0.59의 인공경량골재를 제조하였다.

실시예 2

제지슬러지 소각재 30 중량%, 플라이애쉬 20 중량%와 적벽돌제조용 점토 30 중량%, 그리고 건조된 제지슬러지 20 중량%를 배합하여 압출성형하였다. 디스크식 코팅방법에 의해 성형 골재를 굴리면서 골재에 대하여 2 중량%에 해당하는 양의 알루미나 분말로 코팅한 후 1,250℃로 팽창열처리하여 절건비중 0.66의 인공경량골재를 제조하였다.

실시예 3

제지슬러지 소각재 30 중량%, 플라이애쉬 20 중량%와 적벽돌제조용 점토 50 중량% 중량비로 배합하여 압출성형하였다. 디스크식 코팅방법에 의해 성형 골재를 굴리면서 골재에 대하여 2 중량%에 해당하는 양의 정제 플라이애쉬 분말을 코팅한 후 1,230℃로 팽창열처리하여 절건비중 0.86의 인공경량골재를 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 1 ∼ 3에서 제조한 인공경량골재와 시판 제품(Arlita™, Liapor F4™) 각각에 대해서는 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다.

(1) 절건비중: 다음 수학식 1에 의해 절대건조상태의 골재의 중량을 겉보기 용적(골재 내부의 공극을 함유한 용적)으로 나눈 값, KS F 2533에 의함.

(이때, m_s은 표건무게이고; m_w은 수중무게이며; Q는 흡수율이다)

(2) 단위용적중량: KS F 2505에 의함.

(3) 흡수율: KS F 2533에 의함.

(이때, m_s은 표건무게이고; m_D은 건조무게이다)

(4) 10% 세립치 파쇄강도: KS F 2542에 의함.

(이때, x는 하중(ton)이고; y는 하중(x)에 있어서의 세립의 평균 백분율이다)

구 분	절건비중	단위용적중량(㎏/㎥)	흡수율(%)	10% 세립치 파쇄강도(ton)
실시예 1	0.59	350	18.9	3.6
실시예 2	0.66	390	15.2	4.8
실시예 3	0.86	510	13.3	6.3
Arlita™	0.58	363	22.3	1.4
Liapor F4™	0.74	430	15.7	3.2

일반적으로 골재의 절건비중이 낮아지게 되면 이와 비례하게 강도가 저하되는데, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 인공경량골재의 경우 시판제품과 비교하여 동일한 절건비중하에서의 파쇄강도 등의 물성이 우수함을 상기 표 2의 결과로부터 알 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조한 인공경량골재는 일정한 강도를 유지하면서 절건비중이 0.5 ~ 0.9로서 매우 경량이어서 구조체용으로는 물론 비구조체로도 사용될 수 있고, 흡수율이 7 ~ 20%로 낮아 함수율 관리가 용이하고 동결융해 저항이 우수할 뿐만 아니라, 특히 골재의 표면에 내화도가 높은 재료를 코팅하여 골재 제조시 원할한 조업이 가능하고 원료의 선정 및 배합비의 결정에 크게 제한되지 않는다는 장점이 있다.

또한 본 발명이 제지공정중 발생하는 제지슬러지 소각재 뿐만이 아니라 석탄화력발전소에서 발생하는 플라이애쉬를 주원료로 사용함으로써 앞으로 소각로의 증설에 따라 발생량이 증가할 것으로 예상되는 각종 소각재를 대량으로 처리할 수 있고 매립문제의 해결과 매립비용을 절감할 수 있으며, 폐기물인 소각재와 저가인 적벽돌용 점토를 사용함으로써 원가 중 많은 비율을 차지하는 원료비를 절약함으로써 천연원료에 의한 경량골재보다 가격 경쟁력이 있음을 알 수 있다.

Claims

산업 폐기물을 이용한 인공경량골재의 제조방법에 있어서, 제지슬러지 소각재, 플라이애쉬 또는 이들의 혼합물을 주원료로하여 성형하고, 무기분말로 코팅한 후 소성에 의한 열팽창시키는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 주원료 50 ~ 80 중량%에 적별돌용 점토, 제지슬러지 또는 적벽돌용 점토와 제지슬러지 혼합물을 20 ~ 50 중량% 혼합하여 성형하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 무기분말은 알루미나, 규석분, 플라이애쉬, 카올린 및 고급점토 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 무기분말은 성형골재에 대하여 1 ∼ 3중량% 범위내에서 사용하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 인공경량골재의 절건비중이 0.5 ∼ 0.9인 것임을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.