KR20000032312A

KR20000032312A - 수재슬래그사를 이용한 성형재료

Info

Publication number: KR20000032312A
Application number: KR1019980048734A
Authority: KR
Inventors: 변태봉; 한기현; 김형석; 배우현; 이학봉
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-06-15
Also published as: KR100415641B1

Abstract

본 발명은 벽돌 및 블록등과 같은 콘크리트 2차제품의 조성물에 관한 것이며; 그 목적은 고로 수재슬래그를 골재로서 이용하기 위한 방안의 일환으로, 고로 수재슬래그의 표면에 섬유상의 침을 제거하여 작업성을 개선하고 나아가 치밀한 조직을 만들어 성형체의 압축강도를 향상시킬 수 있는 성형재료의 조성물을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 갖는 본 발명은, 단위용적중량이 1.1Kg/ℓ이상이고, -2.5mm 입도 누적통과분이 100%가 되는 수재슬래그사가 시멘트와 1:4∼10으로 배합되는 수재슬래그사를 이용한 성형재료에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

수재슬래그사를 이용한 성형재료

본 발명은 벽돌 및 블록등과 같은 콘크리트 2차제품의 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철소 고로에서 부생되는 수재슬래그를 표면개질 및 입도조정하여 성형재료의 골재로서 이용하는 것이다.

일반적으로 시멘트와 골재를 물과 혼합하여 적정강도를 가지는 성형물을 만드는데, 이를 보통 콘크리트 2차제품이라 일컫는다. 그 예로는 벽돌, 블록, 보도블럭, 도로경계석, 배수로관, 중앙분리대, 맨홀뚜껑, 조경석등이 있다. 이러한 성형물의 원료인 골재에는 주로 천연모래 또는 석분이 이용되고 있으며, 천연모래는 산모래, 강모래, 바다모래 등이 있다. 그런데, 향후 자연 생태계의 보호 및 자연환경 보호 등에 대한 규제가 점차 심화됨에 따라 천연모래의 부족현상이 나타날 것으로 예상되어 그 대책마련이 요구되고 있다.

한편, 제철소에서는 각종 슬래그가 발생하고 있다. 예를들어 고로에서 부생되는 고로 슬래그를 비롯하여, 제강슬랙그, 전기로슬래그, 탈인 및 탈유슬래그등이 있다. 고로에서 부생되는 슬래그는 그 제조방법에 따라 괴재슬래그와 수재슬래그로 대별된다. 괴재슬래그는 제선공정의 고로에서 출선시 용선과 분리한 용융상태의 슬래그를 냉각야드에 배재한 후 서서히 냉각하는 서냉에 의하여 제조되어지므로 결정상태인 큰 덩어리상태로 발생된다. 반면에 수재슬래그는 용융상태의 슬래그에 고압수를 분사하여 급냉시킴으로서 약 98%이상의 비결정질로 구성된 미립상태로 출하된다. 괴재슬래그는 큰 덩어리 상태로 얻어지기 때문에 일정입도 이하로 입도조정을 통해 도로 로반재로 활용되고 있으며, 수재슬래그는 시멘트 클린커 원료를 비롯한 고로 시멘트원료, 비료원료등으로 활용되고 있다.

고로 슬래그(괴재슬래그 및 수재슬래그)의 화학성분의 일례가 표 1에 나타나 있다.

화학조성(중량%)
SiO₂	CaO	Al₂O₃	MgO	MnO	TiO₂	Na₂O	K₂O	T.Fe	FeO	Cl	SO₃	ZnO	NiO,Cr₂O₃,CuO,CdO,PbO,SnO,Sb는 Trace임
33.13-34.75	41.15-43.16	9.82-14.60	7.03-11.55	0.05-0.53	0.63-1.85	0.1-0.15	0.27-0.55	0.30-1.68	0.32-0.97	0.0018-0.043	0.01-0.074	0.0015-0.020	NiO,Cr₂O₃,CuO,CdO,PbO,SnO,Sb는 Trace임

위 표 1에 나타나 있듯이, 고로 수재슬래그는 SiO₂성분을 약 30%정도 함유하고 있어 어느 정도의 점도를 가지고 있는 관계로 고로 주상에서 냉각에 의해 제조되어질 때 고압수에 의한 직접 접촉에 의해 입자 표면에 섬유상의 침이 형성되고, 입자가 치밀하지 못하여 엉성한 조직을 가지고 있다. 이러한 상태의 수재슬래그를 골재로 활용하는 경우에는 작업환경성이 열악해질뿐만 아니라 골재와 시멘트 페이스트간에 접촉강도가 약해질 수가 있다.

본 발명은 고로 수재슬래그를 골재로서 이용하기 위한 방안의 일환으로, 고로 수재슬래그의 표면에 섬유상의 침을 제거하여 작업성을 개선하고 나아가 치밀한 조직을 만들어 성형체의 압축강도를 향상시킬 수 있는 성형재료의 조성물을 제안하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 고로 수재슬래그의 입자형태를 나타내는 광학현미경 사진

도 2는 본 발명에 따라 고로 수재슬래그를 입도조정 및 표면개질한 수재슬래그사의 입자형태를 나타내는 광학현미경 사진

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 성형재료는, 시멘트와 단위용적중량이 1.1Kg/ℓ이상의 수재슬래그가 1:4∼10으로 배합되는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 '수재슬래그사'란 용어는 고로에서 부생된 수재슬래그를 표면개질 및 입도조정한 것으로, 구체적으로는 수재슬래그의 단위용적중량이 1.1Kg/ℓ이상되도록 분쇄한 것이다. 이러한 수재슬래그사는 골재로 이용되는 모래를 대체할 수 있다.

제철소 제선공정의 고로에서 발생하는 수재슬래그는 비결정질로서 잠재수경성을 가지고 있으므로 골재로서 사용할 경우에는 강도 발현에 중요한 역할을 할 수 있는 특징이 있다. 그런데, 수재슬래그는 도 1에서 보여지는 바와 같이 입자표면에 섬유상의 침이 형성되어 유리질의 침에 의해 인체에 피해발생소지가 크고 특히, 입자가 치밀하지 못하여 성형재료로의 적용에 장애가 되고 있다.

본 발명자들은 섬유상의 침을 제거하기 위하여 연구한 결과, 수재슬래그를 분쇄하면 입자간 마찰에 의하여 표면침이 제거되어 표면개질이 될뿐만 아니라, 입도조정에 의해 치밀한 조직이 형성되어 성형재료의 강도확보에 유리하다는 것을 밝혀내었다.

본 발명에 따라 수재슬래그의 표면개질 및 입도조정은 분쇄기로 행해지는데, 분쇄기는 볼밀, 로드 밀(Rod Mill), 롤러 밀(Roller Mill), 에지 러너(Edge Runner), 콘 크러숴(Cone Crusher) 등 일반적으로 상용화되어 있는 분쇄기이면 사용 가능하다. 이 분쇄기로 수재슬래그의 표면개질 및 입도조정을 행하는데 이때, 중요한 것은 수재슬래그의 단위용적중량이 1.1Kg/ℓ이상 되도록 하는 것이다.

단위용적중량(T)은 골재의 단위중량을 의미하는 것으로, 아래 식과 같이 1ℓ의 용기안에 골재가 차지하는 중량을 가리킨다.

여기서, W은 용기중의 시료의 중량(Kg)이고 V은 용기의 용적(ℓ)이다.

본 발명에 따라 수재슬래그의 단위용적중량이 1.1Kg/ℓ이상되도록 분쇄하면, 도 2에 나타난 바와 같이, 수재슬래그의 섬유상의 침이 제거되고 입도가 조정된다. 이때 보다 바람직하게는 수재슬래그사의 입도가 -2.5mm 입도 누적통과분이 100%가 되도록 하는 것이다. 그 이유는 단위용적중량이 1.1Kg/ℓ이상 되면서 입도가 상기와 같이 제어되면 성형재료의 강도가 보다 향상된다. 실질적으로 단위용적중량은 분쇄시에 입도에 의해 결정되는 것이다.

본 발명에 따라 수재슬래그사를 성형재료의 골재로 이용하는데, 이때 수재슬래그사와 시멘트의 배합비는 통상의 콘크리트 2차제품에서 사용하는 배합비로 조절하면 된다. 당해 분야에서 골재와 시멘트의 배합비는 업체별로 다양하게 관리하고 있으며, 또한 콘크리트 2차제품의 특성에 따라 다르다. 통상 벽돌 및 블록에 있어 시멘트와 골재의 배합비는 1:4∼10으로 하고 있다.

또한, 본 발명의 성형재료에는 수재슬래그사의 일정량 대신 모래, 석분, 스테인레스 슬래그, 괴재슬래그중 적어도 1종이상이 혼합될 수 있으며, 이와 같이 혼합하는 이유는 후술하는 실시예에서 확인할 수 있듯이, 성형재료의 특성이 더욱 향상되기 때문이다. 여기서, 스테인레스 슬래그는 스테인레스강 제조공정에서 나오는 슬래그로 그 화학성분을 예를들면 아래 표 2과 같다. 또한, 괴재슬래그는 -10mm이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다

화학조성(중량%)
SiO₂	CaO	Al₂O₃	MgO	MnO	TiO₂	Na₂O	K₂O	T.Fe
33.13-34.75	41.15-43.16	9.82-14.60	7.03-11.55	0.05-0.53	0.63-1.85	0.1-0.15	0.27-0.55	0.30-1.68

보다 바람직하게는 성형재료의 골재로 (a)수재슬래그사: 50중량%이상, (b) 모래, 석분, 스테인레스 슬래그, 괴재슬래그 1종 이상:50중량%이하로 하는 것이다. 이는 수재슬래그사를 50중량%이상으로 할 때 성형재료가 최고강도를 갖는다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

발명예 (1∼5)

고로 수재슬래그 3Kg을 볼밀에 투입하여 단위용적중량이 1.1∼1.5Kg/ℓ가 되도록 분쇄한 다음, 입도분포를 확인하였다. 그리고, 이 분쇄된 수재슬래그사의 단위용적중량을 아래와 같이 측정하여 확인하였다. 용기의 1/3까지 수재슬래그사를 채우고 다짐봉으로 25회 다짐한 다음, 다시 용기의 2/3까지 수재슬래그사를 채우고 다짐봉으로 25회 다짐한 후, 또 용기의 3/3까지 수재슬래그사를 채우고 25회 다짐한 다음 곧은 날로 고룬후 무게를 측정하였다. 측정치를 확인한 결과, 분쇄기에서 분쇄의 기준으로 정한 단위용적중량과 거의 일치하였다.

이와 같이 얻어진 수재슬래그사와 시멘트의 비가 10:1, 수분함유량을 10-15%로 조절하고 KS규정에 따라 압축강도 측정용 시편을 제작하면서 성형상태를 관찰하였다. 시편제작후 습도 98%이상인 양생기 내에서 50℃×10hr조건으로 1차실내 양생시킨 후 취출하여 상온에서 7일간 실외 양생시킨 후 압축강도기를 이용하여 성형체 시편의 압축강도를 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 상기와 같이 입도조정 및 표면개질된 수재슬래그의 단위용적중량에 따른 슬래그사의 입자형태를 광학현미경으로 측정하여 도 2에 나타내었다.

비교예 (1∼4)

고로에서 출하된 수재슬래그(입도조정 및 표면개질 공정을 실시하지 않은 슬래그)의 입도분포 및 단위용적중량을 측정하여 아래 표 3에 나타내었다. 또한 출하된 수재슬래그를 시멘트와의 비(수재슬래그/시멘트)가 10,8,6,4로 하여 상기 발명예와 같은 방법으로 성형, 양생한 후 압축강도를 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 입도조정 및 표면개질을 실시하지 않은 슬래그의 입자형태를 광학현미경으로 측정하여 도 1에 나타내었다.

구분	골재	골재/시멘트의 배합비
	단위용적중량(Kg/ℓ)		입도(mm)(누적통과분)	성형체
	단위용적중량(Kg/ℓ)		-0.15	-0.3	-0.6	-1.2	-2.5	-5	-10	압축강도(Kg/mm²)	성형성
발명예	1	1.1	4	10	30	85	100	100	100	10/1	80	양호
	2	1.2	6	15	45	90	100	100	100	10/1	86	양호
	3	1.4	13.5	29.6	71	98.8	100	100	100	10/1	90	양호
	4	1.5	20.6	42.2	85.4	99.8	100	100	100	10/1	102	양호
	5	1.2	6	14	40	88	98	100	100	10/1	84	양호
비교예	1	1.0	2.4	6	19.2	51.6	90	99.8	100	10/1	-	성형불가
	2									8/1	20	불량
	3									6/1	28	불량
	4									4/1	60	불량

상기 표 3에 나타낸 본 발명예(1∼5)는 입도조정 및 표면개질을 통하여 제조된 슬래그사를 사용하여 성형체를 제조한 것으로, 그 압축강도는 모두 80Kg/cm²이상을 나타내었다. 반면 비교예(1)의 경우에는 골재와 시멘트 페이스트간의 접촉력 약하로 성형조차도 되지 않았으며, 비교예 (2∼4)의 경우처럼 골재/시멘트비를 2배이상 증가시켜도 발명예(1∼4)에서 측정된 압축강도 보다 현저히 낮은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 입도조정 및 표면개질을 실시하지 않은 수재슬래그가 이와 같은 성형불가 또 성형되더라도 낮은 압축강도를 나타내는 것은 치밀하지 못한 구조 및 표면침의 존재로 골재와 골재간에 시멘트 페이스가 충분히 침투하지 못해 시멘트 페이스트가 골재간의 연결을 강하게 형성하지 못하기 때문이라고 판단된다.

한편, -2.5mm입도 누적통과분이 100%가 안되는 발명예(5) 보다 이를 만족하는 발명예(2)가 압축강도가 더욱 우수하였다.

[실시예 2]

발명예 (6∼8)

수재슬래그를 분쇄기 등에 의해 입도조정 및 표면개질을 실시하여 단위용적중량을 조정한 수재슬래그사를 100%사용하고 시멘트 벽돌 제조시에는 골재에 대한 시멘트비를 10:1, 속빈 콘크리트 블록 제조시에는 5:1로 각각 조정한 후 적당량의 수분을 첨가하여 impller mixer에서 충분히 혼합하였다. 이때, 전체골재의 중량은 1000kg이었다. 그후 가압력 45kg/cm²로 시멘트 블록및 속빈 콘크리트 블럭을 성형한 후 습도 98%이상인 양생조내에서 50℃×10hr조건으로 실내 양생한후 실외양생을 실시하였다. 실외양생 7일후 시멘트 벽돌 및 속빈 콘크리트 블록의 압축강도 및 흡수율을 측정하고 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다.

구분	단위중량(Kg/ℓ)	벽돌특성	블록특성
구분	단위중량(Kg/ℓ)	압축강도(7일)(Kg/cm²)	흡수율(%)	압축강도(90)일(Kg/cm²)	흡수율(%)
발명예	6	1.1	102	8.6	85	8.2
	7	1.4	130	8.1	90	9.0
	8	1.78	150	7.7	96	7.2

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 발명예(6∼8)은 단위용적중량 1.1Kg/ℓ이상의 슬래그사를 이용한 경우로서, 단위용적중량이 증가할수록 성형체의 압축강도는 증가하고 있음을 알 수 있었다.

[실시예 3]

발명예 (9-21)

수재슬래그를 분쇄기 등에 의해 입도조정 및 표면개질을 실시하여 제조한 단위용적중량 1.78Kg/ℓ인 수재슬래그사에 스테인레스 슬래그, 석분, 모래, -10mm괴재 슬래그를 아래 표 4와 같이 혼합한 골재에 대한 시멘트비를 6.7:1로 조정한 후 적당량의 수분을 첨가하여 impller mixer에서 충분히 혼합하였다. 이때 전체골재의 중량은 1000Kg이었다. 그후 가압력 45kg/cm²로 시멘트벽돌을 성형한 후 습도 98%이상인 양생조내에서 50℃×10hr조건으로 실내 양생한후 실외양생을 실시하였다. 실외양생 7일후 시멘트 블럭의 압축강도 및 흡수율을 측정하고 그 결과를 아래 표 5에 나타내었다.

실시예	골재	블럭특성
실시예	골재성분	배합비	압축강도(7일)(kg/cm²)	흡수율(%)
발명예	9	수재슬래그사:스테인레스 슬래그	90:10	251	7.8
	10		50:50	221	8.0
	11		10:90	212	8.1
	12	수재슬래그사:석분	90:10	273	8.0
	13		50:50	253	8.2
	14		10:90	231	8.2
	15	수재슬래그사:모래	90:10	258	7.1
	16		50:50	237	7.0
	17		10:90	227	7.4
	18	수재슬래그사:괴재슬래그	90:10	259	7.2
	19		50:50	242	7.1
	20		10:90	231	7.5
	21	수재슬래그사:스테인레스 슬래그:석분:모래:괴재슬래그	60:10:10:10:10	251	7.1

상기 표 5에 나타난 바와 같이, 발명예(9∼21)은 수재슬래그사에 스테인레스 슬래그, 석분, 모래, -10mm괴재 슬래그를 각각 전체 골재 중량비로 90%까지 혼합한 2원계 혼합골재 또는 수재슬래그사에 스테인레스 슬래그, 석분, 모래, 괴재슬래그가 혼합된 5원계 혼합골재로 사용하여도 우수한 압축강도 특성을 나타내었다. 여기서, 수재슬래그사의 양이 증가할수록 압축강도값은 증가하는 경향을 나타내었다.

따라서, 압축강도가 중요시되는 토목, 건축용 및 구조물에 사용되는 잔골재로서 천연모래를 대체하기 위해 고로 수재슬래그를 사용할 경우에는 반드시 입도조정 및 표면개질을 실시하는 것이 필요하다. 입도조정 및 표면개질을 실시하지 않으면 도 1에 나타낸 바와 같이 슬래그 입자표면에 유리질의 침이 다량으로 존재하고 있어 인체에 유해한 영향을 미치기 때문에 슬래그 취급시 매우 주의를 요하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고로 수재 슬래그를 적정입도로 조정 또는 표면개질을 실시하므로서 골재와 시멘트 페이스간의 접촉강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 슬래그 취급이 용이해지므로 토목, 건축용 골재로서 천연모래를 대체하는 효과가 있는 것이다.

Claims

시멘트와 골재로 조성되는 성형재료에 있어서,

상기 골재는 단위용적중량이 1.1Kg/ℓ이상의 수재슬래그사임을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 수재슬래그사를 이용한 성형재료.
제 1항에 있어서, 상기 수재슬래그사는 -2.5mm 입도 누적통과분이 100%가 되도록 함을 특징으로 하는 성형재료.
제 1항에 있어서, 상기 시멘트와 수재슬래그사의 배합비는 1:4∼10임을 특징으로 하는 성형재료.
제 1항에 있어서, 상기 성형재료는 상기 수재슬래그사의 일정량 대신 모래, 석분, 스테인레스 슬래그, 괴재슬래그중 적어도 1종이상이 혼합됨을 특징으로 하는 성형재료.