KR20020039520A

KR20020039520A - 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 제조 기술

Info

Publication number: KR20020039520A
Application number: KR1020000069376A
Authority: KR
Inventors: 박응모; 문경주
Original assignee: 박응모; 문경주
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-05-27
Also published as: KR100431797B1

Abstract

본 발명은 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 제조에 관한 기술로서 더욱 자세하게는 산업부산물인 고로슬래그에 석고, 수산화나트륨, 생석회 혹은 소석회, 황산알루미늄 및 조경재를 자극제로 하여 제조한 것으로 일반 시멘트의 제조와 같은 소성과정이 필요 없이 단순한 분쇄과정과 혼합과정을 걸쳐 생산할 수 있으므로 자원과 에너지를 엄청나게 절약하고 제조단가를 크게 줄이며 강도 및 내구성을 월등하게 향상시킬 수 있는 고로슬래그를 주재료로 이용한 비소성 시멘트의 제조에 관한 기술이다.

본 기술에 따른 고로슬래그 비소성 시멘트는 고로슬래그 70∼88중량%와 석고 11∼20중량%, 수산화나트륨 0.5∼3중량%, 황산알루미늄 0.5∼2중량%, 생석회 혹은 소석회 0.5∼1중량%, 석회석 0∼3중량%, 조경제 0∼2중량%를 포함하며 4,000∼6,000cm²/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 환경보존형 시멘트이다.

Description

고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 제조 기술{Non-Sintering cement using mainly blast furnace slag}

본 발명은 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 제조에 관한 기술로서 더욱 자세하게는 산업부산물인 고로슬래그에 석고, 수산화나트륨, 황산알루미늄, 생석회 혹은 소석회, 석회석 및 조경재를 자극제로 하여 제조한 것으로 일반시멘트의 제조와 같은 소성과정 없이 단순한 분쇄과정과 혼합과정을 걸쳐 생산할 수 있으므로 자원과 에너지를 엄청나게 절약하고 제조단가를 크게 줄이면서 강도를 월등하게 향상시킬 수 있는 고로슬래그 비소성 시멘트의 제조에 관한 기술이다.

현재 일반적으로 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트는 주성분이 실리카, 알루미나 및 석회를 함유하는 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하여, 그 일부가 용융되어 소결된 클링커에 적당량의 석고를 첨가하여 분말로 한 것으로 대량의 에너지를 소모하는 것이 특징이다. 일반적인 시멘트의 클링커 제조를 위해서는 고온(1450℃)상태에서 용융시켜야만 생산할 수 있기에 대량의 에너지를 소비(약30∼35ℓ/톤 중유)할 뿐만 아니라 시멘트 1톤의 제조를 위해서는 700∼870kg의 이산화탄소를 배출하는 것으로 알려져 있다. 현재 국내의 시멘트 생산량은 약 4천만톤으로 이에 소비되는 석유는 약 12억ℓ이며 가격을 500원/ℓ으로 하여도 6천억원이란 거대한 자금이 소요된다는 것을 의미하며 년간 약 3천4백만톤의 이산화탄소를 배출하기 때문에 기존의 시멘트 산업은 대량의 에너지를 소비하면서 환경오염의 발생원과 지구온난화의 주된 요인으로 작용하고 있다.

따라서 시멘트 산업에 있어서 환경부하를 감소시키기 위해서 슬래그와 같은 산업부산물의 활용을 높이는 것은 무엇보다도 큰 효과를 나타낼 수 있다. 고로 슬래그 25∼50%를 50∼75%의 보통 포틀랜드 시멘트 클링커와 미분쇄하여 혼합하는 고로슬래그 시멘트가 대표적인 제품으로서 기업의 역사가 매우 오래되었고 그 사용이 전세계적으로 이미 범용화 되어 있다. 그러나 고로슬래그 시멘트는 클링커의 사용량을 상대적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있으나 제품의 생산에 있어서 클링커를 다른 장소에서 운반해와야 하는 문제점이 있다. 특히 국내의 경우 시멘트 회사가 동해안과 강원, 충북지역에 편중됨에 따라 물류비 부담이 슬래그의 재활용 장애요인으로 작용되고 있다.

따라서, 클링커를 사용하지 않고 시멘트를 제조할 수 있다면 산업부산물인 고로슬래그를 고부가치의 자원으로 활용을 극대화 할 수 있음은 물론 클링커의 제조에 의한 에너지 절약, 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제해결, 생산원가의 절감 등과 더불어 많은 장점이 있다. 국내에서 년간 발생하는 고로슬래그 800만톤전량을 본 발명에 의한 비소성 시멘트로 제조할 경우 1500억원/년의 석유를 절약할 수 있으며, 850만톤/년의 이산화탄소 배출을 막을 수 있는 큰 효과가 있을 것으로 예상된다.

또한 본 발명에 의한 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트는 일반 시멘트에 비하여 다음과 같은 이점이 있다.

1종 포틀랜드시멘트에 비하여 내화학성이 매우 우수한데 이는 보통 포틀랜드 시멘트 중의 규산 3석회나 규산 2석회는 수화하면서 다량의 Ca(OH)₂를 생성시키는데 이의 존재는 화학적 침식에 대한 저항성 면에서는 마이너스적인 역활을 한다. 그러나 석고와 슬래그의 수화반응에서는 Ca(OH)₂성분을 거의 생성하지 않기 때문에 각종의 염류, 특히 황산염이나 해수작용에 대한 저항성이 우수하다. 따라서 해상구조물, 항만건축, 간척지 공사와 생활폐수를 취급하는 도시하부 구조물 및 공장폐수로, 폐기물의 고화재 등에 사용될 수 있으며, 농어촌의 관개수로용 및 어초 등 수중 및 해중 구조물에 매우 적합하다. 또한 수화열이 작고, 초기강도는 1종 보통시멘트와 거의 유사하고 장기강도는 매우 우수하기 때문에 일반적인 용도 즉, 범용성을 갖춘 시멘트로의 대량 활용도 기대할 수 있다. 따라서 일반 건축용 및 토목용으로의 건설현장에서 레미콘 형식으로 사용이 가능하며 2차 가공제품 형태로 문제없이 사용할 수 있다. 또한 색깔이 백색이기 때문에 안료를 첨가하면 각종 착색시멘트를 제조할 수 있어 다종다양한 건축재료(인공스톤, 장식재료 및 콘크리트의 2차제품)를 제조하여 도시의 미관을 아름답게 장식할 수도 있으며 알카리도가 낮아 요즘 매우 활발하게 개발되고 있는 친환경성 콘크리트인 식생형 블록 등의 제조에 획기적인 방안이 될 수 있다. 일반 보통 시멘트를 이용하여 식생형 블록을 제조하면 높은 알카리성을 나타내어 식물의 생육에 많은 어려움이 많아 일반적으로 중화처리과정을 통해 제조하고 있는데 본 발명에 의한 시멘트를 이용하여 식생형 블록을 제조할 경우 식물의 생육에 매우 적합하다. 나아가 최근에는 알카리 골재반응 대책으로 시멘트의 낮은 알칼리화가 시급한 과제로 되고 있는데 본 발명에 의한 시멘트는 이런 문제를 해결할 수 있다.

소성과정이 필요없이 분쇄공정에 의하여 제조가 가능하기 때문에 제조비용이 매우 낮으며 초기 설비비 또한 매우 경제적이다. 분쇄 및 혼합공정도 단일공정으로 가능하며 소요원료도 석회석 대신에 산업부산물을 주재료로 사용하는 것을 감안할 때 대폭적인 원가절감 효과가 예상된다.

이와 같이, 본 발명에 의한 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트는 적은 투자비로 저렴한 시멘트의 제조가 가능하고 또한 공해산업인 일반 시멘트 제품보다 강도 및 내구성이 매우 우수한 것을 본 발명자들은 몇 년동안의 많은 실험을 통해 확인하였다.

따라서, 본 기술은 산업부산물인 고로슬래그에 쉽게 얻을 수 있는 석고, 수산화나트륨, 황산알루미늄, 소석회 혹은 생석회, 석회석 및 조경재를 자극제로 하여 소성을 전혀 하지 않고 초기강도를 월등히 향상시키면서 제조단가를 현저히 낮출 수 있는 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 제조에 관한 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명과 시중에서 판매되고있는 1종 포틀랜트 시멘트, 백색시멘트와의 압축강도를 비교한 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 기술은, 고로슬래그 70∼88중량%와 석고 11∼20중량%, 수산화나트륨 0.5∼3중량%, 생석회 혹은 소석회 0.5∼1중량%, 황산알루미늄 0.5∼2중량%, 석회석 0∼3중량%, 조경제 0∼2중량%를 포함한 것을 특징으로 한다.

본 기술에 따른 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 제조에서 가장 중요한 것은 소성과정 없이 초기 및 장기재령에서 훌륭한 강도를 발현시킬 수 있다는 점이다. 급냉한 유리구조의 슬래그는 잠재수경성을 나타낸다. 즉 슬래그 분말을 물과 혼합하여 경화작용을 부여하기 위해서는 알카리성 혹은 황산염의 자극물질을 첨가하여 OH^-이온 혹은 SO₄ ^2-이온이 충분한 량으로 존재하는 조건에서만 수경성을 발휘할 수 있다. 따라서 본 발명의 시멘트에서 슬래그와 석고의 수화반응은 물의 존재하에서 슬래그와 석고가 반응하여 Calcium Sulphur Aluminate(3CaO·Al₂O_3·3CaSO₄·32H₂O, ettingite)를 생성시키고 슬래그 중의 남은 성분은 서서히 Calcium Silicate Hydrate(CSH 겔)와 Calcium Aluminate계의 겔상의 수화물을 형성함으로서 강도를 발현한다. 즉 겔상의 Calcium Silicate 및 Aluminate계 메트릭스 중에 침상의 에트링가이트 결정이 분산되어 있는 상태가 된다. 또한 자극제의 자극효과를 받아 슬래그 성분의 용출과 이들의 반응에 따른 에트링가이트와 겔상의 CSH, AH₃등이생성되면서 진행되며 이들 수화생성물은 에트링가이트를 골격으로 CSH 등의 치밀한 미세구조를 형성하여 경화체를 이루어 강도를 발현한다.

즉, 고로슬래그의 잠재수경성을 수산화나트륨, 석고, 황산알루미늄, 석회 첨가에 의하여 고로슬래그의 수화초기에 빠른 속도로 고로슬래그의 산성피막을 파괴하여 그 내부에 포위되어 있던 SiO₄ ^2-혹은 Al₂O₃을 용출시켜 수산화나트륨, 황산알루미늄, 석회 및 석고와의 반응을 촉진시키기 때문이다. 석회석 미분말을 혼입하면 초기강도가 5∼10% 정도 증가된다. 이것은 고로슬래그의 수화반응에서 생성되는 공극을 충전시켜 밀실도를 증가시킬 뿐만 아니라 그 중의 일부는 에트링가이트 중의 황산염을 치환하여 결정체를 형성하는 동시에 치환된 황산염이 고로슬래그의 반응을 촉진하기 때문이다. 특히 조경재의 첨가에 의하여 초기강도가 약 5∼7% 정도 향상되는데 이는 조경재의 첨가에 의한 고로슬래그의 수화반응을 촉진하기 때문이다.

(실시예1)

본 기술에 따른 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트는 표1과 같이 고로슬래그 80중량%, 무수석고 15중량%, 수산화나트륨 1중량%, 황산알루미늄 1.5중량%, 생석회, 0.5%, 석회석 2중량%, 조경재 1중량%(물에 용해시켰음)를 함유하고 있다.

표2는 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 장점을 유지하면서 조강성능이 향상된 화학조성비를 나타낸다. 표2에서 OPC는 일반 포틀랜드 시멘트를 나타낸 것이다.

(실시예2)

다른 실시예로서, 본 기술에 따른 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트는 고로슬래그 83중량%, 이수석고 12중량%, 수산화나트륨 1중량%, 황산알루미늄 1중량%, 석회석 2중량%, 조경재 1중량%를 포함한다.

상기와 같은 배합비를 갖는 본 기술에 따른 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 성능을 검증하기 위하여, 보통 포틀랜트 시멘트, 백색 포틀랜트 시멘트의 응결 및 압축강도 특성을 비교하기 위하여 실험을 실시하였으며 그 결과를 표3과 도1에 나타내었다.

표3에서 W/C는 시멘트(C)에 대한 혼합수(W)의 중량비를 나타내고, 주도는 혼련물의 질기정도를 나타낸다. 표3 및 도1에 나타낸 것과 같이, 본 기술에 따른 고로슬래그를 주재료로 한 비소성 시멘트의 응결은 2종류의 시멘트와 비교하면 빠를 뿐만 아니라 3일 및 7일 압축강도는 1종 포틀랜드 시멘트의 97%, 112%에 달하고 28일 압축강도는 123%로서 초기강도 및 장기강도가 우수한 특성을 지닌 것으로 확인되었다. 또한 백색도가 우수하여 백색시멘트로의 활용도 가능함을 확인할 수 있다.

Claims

고로슬래그 70∼88중량%와 석고 11∼20중량%, 수산화나트륨 0.5∼3중량%, 황산알루미늄 0.5∼2중량%, 생석회 혹은 소석회 0.5∼1중량%, 석회석 0∼3중량%, 조경제 0∼2중량%를 포함하며 4,000∼6,000cm²/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트의 제조에 관한 기술
제1항에 있어서, 위와 같은 방식으로 조성된 혼합물을 결합재 및 혼화재로서 콘크리트 관련 제품 및 다른 용도에 이용하는 기술