KR20020043135A - 고로슬래그 ·폐석고를 주재료로 이용한 콘크리트 2차제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CaSO₄의 함유량이 85%이상인 폐석고(배연 탈황석고, 불산석고, 붕소석고, 인산석고, 폐몰드 석고, 티타늄석고 등)를 이용한 콘크리트 2차제품의 제조에 관한 것으로 더욱 자세하게는 폐석고 및 고로슬래그 미분말을 주재료로하고 소량의 시멘트, 소석회 및 자극제를 첨가하여 콘크리트 2차제품(벽돌, 블록, 경계석 등)을 제조하는 방법에 관한 것으로 제조단가를 크게 줄이면서 강도 및 내구성을 월등하게 향상시킬 수 있는 제품의 제조가 가능하다. 더욱이 폐석고 중 인산석고, 티타늄석고, 붕소석고, 불산석고 등 화학공장에서 배출되는 석고는 잠재적으로 좋지 않은 영향을 주는 불순물을 함유하고 있어 각종 오염원의 발생 가능성을 많이 내포하고 있는 실정이고 발생량 또한 막대하여 이의 처리방안이 심각한 문제점으로 대두되고 있다.

따라서 본 발명에 따른 폐석고의 대량 처리방안으로 폐석고 40∼80 중량%, 슬래그 분말 15∼55 중량%, 시멘트 0∼10중량%, 소석회 0∼2중량%, 자극제 0∼2중량%를 건식혼합한 후 물고형분비 20∼30%의 범위로 습식혼합하여 상대습도 90%이상, 60∼85℃의 온도에서 양생하여 콘크리트 2차제품을 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

고로슬래그·폐석고를 주재료로 이용한 콘크리트 2차제품{Concrete 2th production using mainly blast furance slag and waste gypsum}

본 발명은 폐석고의 대량처리에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 폐석고를 다량 혼입한 콘크리트 2차제품(벽돌, 블록, 경계석 등)의 제조에 관한 것이다.

폐석고는 탈황공정 및 인산, 불산, 붕소, 티타늄 제조 과정시에 대량으로 발생하는데 이렇게 생산되는 석고는 자체내에 유해불순물을 함유하고 있어 이대로는 시멘트 및 석고보드 등의 제품에 직접적으로 사용될 경우 강도 및 내구성을 저하시킬뿐더러 처리량의 한계로 인하여 실효를 거두지 못하고 있다. 또 그대로 자연에 퇴적하면 이로 인한 지하수 오염 위험이 커진다.

현재까지는 폐석고의 재활용을 위해서는 세척, 중화, 하소, 제립 등의 복잡한 정제 과정을 통해서만이 사용될 수 있다.

이와 같이 환경유해성을 우려한 제한된 허용과 또한 석고를 배출하는 생산자의 입장에서는 폐석고의 취급비용을 지출하는 것보다 석고장에 적치하는 것이 더 경제적인 이유 등으로 폐석고의 재활용을 막는 원인이 되어 왔다.

국내에 현재 1년에 300만톤 이상의 폐석고가 배출되고 있으며 약 2천만톤 가량의 석고가 적치되어 있다. 이는 선진국에서도 마찬가지로 미국의 경우 약 1조톤 이상이 적치되어 있는 등 전 세계적으로 해결해야할 문제로 남아있다.

상기와 같은 문제를 가지고 있는 폐석고의 적절한 활용방안으로는 농업용 비료로의 이용 및 간척지 개량제 이용 방안 등이 제안되고 있으나 폐석고의 환경적 유해성 때문에 아직 실용화되지 못하고 있다. 다른 방안으로는 대한민국 공개특허공보 제 98-013819에서와 같이 폐석고를 다른 화학약품과 혼합하여 800∼1,100℃로 하소하여 Ca²⁺의 분리에 의한 칼슘원의 제조방법이 제시되었고 외국에서는 Ca²⁺의 분리에 의한 황산 제조 및 황산암모늄을 생산하는 기술이 개발되었다. 그러나 고가의 설비투자비와 복잡한 공정, 높은 에너지 투입 등으로 사용이 어려워 폐석고 문제에 대해 가능한 해결책을 제시하지 못하고 있다. 폐석고의 전처리 공정없이 직접적인 이용방안으로는 대한민국 공개특허공보 제 99-024264에서는 폐석고를 이용한 황토석고몰탈 및 황토석고벽돌의 제조방법이 제시되었고, 대한민국 공개특허공보 제 98-065056에서는 폐석고를 이용한 포장도로용 기층재의 제조방법이 제시되었으나 수요처의 부족 및 기술적인 문제로 실용화되지 못하고 지금까지는 폐석고를 정제하여 석고보드 및 시멘트의 응결지연제 외의 다른 용도로의 사용은 크게 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

상기와 같이 폐석고의 직접적인 재활용보다는 화학적 전처리나 정제를 거친 폐석고의 이용 및 화학성분상의 이온의 교환에 의한 특정 물질의 추출 및 분해 등 화학적 분석연구가 많이 이루어 졌고 그 외의 기술도 막대하게 적치되어 있는 폐석고 처리방안으로는 확실한 대안이 되지 못하고 있는 실정이다.

그러나, 본 발명은 폐석고의 전처리 공정이 필요없이 제품에 직접적인 이용이 가능하기 때문에 폐석고의 대량처리가 가능하고 소요원료도 산업부산물인 고로슬래그를 사용하는 것을 감안할 때 대폭적인 원가절감을 할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 폐석고를 주재료로하는 콘크리트 2차제품은 일반 시멘트 제품보다 내산성 및 내해수성이 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.

이와 같이, 본 발명에 의한 폐석고를 주재료로 이용해서 제조단가가 저렴하고 산업폐기물인 폐석고를 자원으로의 재활용을 극대화함으로서 환경을 보전할 수 있고 일반 시멘트 제품보다 강도 및 내구성이 매우 우수한 것을 본 발명자들은 몇 년동안의 많은 실험을 통해 확인하였다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로 일반폐기물로 분류되어 막대한 양이 적치되어 있는 폐석고를 전처리나 정제를 하지 않고 콘크리트 2차제품에 직접 혼입함으로서 폐석고를 대량처리할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 폐석고의 처리효과를 극대화하기 위하여 석고의 혼입량을 최대로 하면서 소요강도를 유지할 수 있는 기술의 개발과 아울러 시멘트 사용량을 최대로 저감시켜 경제성을 확보하고자 하였다. 제철·제강 공장에서 막대한 양으로 부생되는 슬래그 분말과 혼합함으로서 폐석고에 자경성을 부여하고 수급이 용이한 시멘트, 소석회 및 자극제를 소량 첨가하여 제조단가를 현저히 낮출 수 있는 콘크리트 2차제품을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 폐석고와 슬래그를 주요한 재료로 한 콘크리트 2차제품에 있어서, 폐석고 40∼80 중량%, 슬래그 분말 15∼55 중량%, 시멘트 0∼10중량%, 소석회 0∼2중량%, 자극제 0∼2중량%를 건식혼합한 후 물고형분비 20∼30%의 범위로 습식혼합하여 상대습도 90%이상, 60∼85℃의 온도에서 양생하여 콘크리트 2차제품을 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 콘크리트 2차제품에서 가장 주요한 것은 폐석고의 혼입량이 전체 중량의 40∼80%로서 폐석고를 다량 사용하여 폐석고를 자원으로의 재활용을 극대화 할 수 있다는 점이다. 시멘트를 거의 사용하지 않아도 폐석고와 슬래그의 수화반응을 통해서 높은 강도를 발현시킬 수 있는데 이는 석고와 슬래그가 반응하여 Calcium Sulphur Aluminate(3CaO·Al₂O₃3CaSO₄·32H₂O, ettingite)를 생성시키고 슬래그 중의 남은 성분은 서서히 Calcium Silicate Hydrate(CSH)와 CalciumAluminate계의 겔상의 수화물을 형성함으로서 강도를 발현하기 때문이다. 수화초기부터 폐석고의 SO₄ ^-2이온이 충분한 양으로 방출됨으로서 슬래그의 산성피막을 빠른 속도로 파괴하여 그 내부에 포위되어 있던 SiO₄ ^2-혹은 Al₂O₃을 용출시켜 소석회 및 석고와의 지속적인 반응이 이루어져 겔상의 Calcium silicate 및 Aluminate계 메트릭스 중에 침상의 에트링가이트 결정이 분산되어 있는 상태가 된다. 또한 자극제를 소량 첨가할 경우 강도를 증진시킬 수 있는데 이는 자극제의 인위적 첨가에 의한 석고와 슬래그의 수화촉진을 보상할 수 있기 때문이다.

석고의 혼입량이 40중량% 이상이 되면 상온(20℃)에서는 경화체의 초기 경화가 거의 불가능하므로 석고와 슬래그의 수화반응을 활성화시키기 위해서 본 발명에서와 같이 상대습도 90% 이상, 양생온도 60∼85℃로 하여 초기에 양생하는 방법이 필수적이다. 따라서 본 발명에 의한 제품은 초기강도가 매우 우수하여 공장의 연속적인 대량생산이 가능하다.

상기와 같이 본 발명에 의해 폐석고를 하소, 물세척, 중화처리 등의 전처리 과정 없이 건설재료로서 직접적인 이용이 가능하고 또한 대량처리가 가능하다.

이렇게 제조된 제품은 폐석고에 함유된 유해 불순물이 완전히 고정화되어 환경적으로도 매우 안전하다.

(실시예1)

본 발명에 따른 폐석고를 다량으로 혼입한 콘크리트 2차제품은 표1과 같이 인산석고 50중량%, 슬래그 분말 45중량%, 시멘트 5중량%를 함유하고 있다.

상기 물질을 건식혼합한 후 물을 첨가하고 습식혼합하여 몰드에 타설한 후 진동다짐하여 이를 양생한다. 이렇게 제조된 제품은 초기 3일 강도 250kgf/㎠이상 28일 압축강도 450kgf/㎠ 이상, 흡수율 7% 이하의 물리적 성질을 가진 고강도의 콘크리트 2차제품이 된다. 이와 같이 특별한 자극제의 첨가 없이도 고강도를 발현할 수 있다.

(실시예2)

다른 실시예로서, 본 발명에 따른 폐석고를 다량으로 혼입한 콘크리트 2차제품은 표2와 같이 폐석고 62중량%, 슬래그 분말 30중량%, 시멘트 5.5중량%, 소석회 1.5%, AlK(SO₄)₂1중량%를 함유하고 있다.

상기 물질을 건식혼합한 후 물을 첨가하고 습식혼합하여 몰드에 타설한 후 진동다짐하여 이를 양생한다. 이렇게 제조된 제품은 초기 3일 강도 2OOkgf/㎠이상28일 압축강도 400kgf/㎠ 이상, 흡수율 7% 이하의 물리적 성질을 가진 고강도의 콘크리트 2차제품이 된다.

(실시예3)

표2는 인산석고의 혼입율을 65중량%로 하고 슬래그 분말 30중량%, 시멘트3%, 소석회 1중량%, CaCl₂1중량%(물에 용해)를 함유하고 있다.

상기 물질을 건식혼합한 후 물을 첨가하여 습식혼합하여 몰드에 타설한 후 진동다짐하여 이를 양생한다. 이렇게 제조된 제품은 초기 3일 강도 150kgf/㎠이상 28일 압축강도 350kgf/㎠ 이상, 흡수율 7% 이하의 제품의 물리적 성질을 가진 고강도의 콘크리트 2차제품이 된다.

(실시예4)

표3는 폐석고의 혼입율을 75중량%로 하고 슬래그 분말 18중량%, 시멘트 2중량%, CaCl₂1중량%, AlK(SO₄)₂1중량%를 함유하고 있다.

상기 물질을 건식혼합한 후 물을 첨가하여 습식혼합하여 몰드에 타설한 후 진동다짐하여 이를 양생한다. 이렇게 제조된 제품은 초기 3일 강도 100kgf/㎠이상 28일 압축강도 300kgf/㎠ 이상, 흡수율 8% 이하의 제품의 물리적 성질을 가진 콘크리트 2차제품이 된다.

위의 실시예에서 사용된 폐석고는 수분함량이 약 13%의 것을 사용하였는데 폐석고는 시료 채취 장소나 시료의 상태 및 시료 채취 전의 강우량 등에 따라 달라질 수 있으므로 이를 고려하여 제품 제조시 고형분 대비 물의 양을 조절해야 한다.

표5는 폐석고를 주재료로 이용한 콘크리트 2차제품에 사용된 폐석고, 슬래그, 시멘트의 화학성분 및 물리적 특성을 나타낸 것이다.

본 발명에 의해 대량으로 적치되어 있는 산업폐기물인 폐석고를 콘크리트 2차제품으로 하소나 정제 등의 전처리 공정 없이 직접적인 재활용이 가능하기 때문에 폐석고의 대량처리가 가능하고 소요원료도 산업부산물인 고로슬래그를 사용하는 것을 감안할 때 제품의 대폭적인 원가절감을 할 수 있다.

Claims (4)

1. CaS0₄의 함유량이 85%이상인 폐석고의 대량 처리방안으로 폐석고 40∼80중량%, 슬래그 분말 15∼55 중량%, 시멘트 0∼10중량%, 소석회 0∼2중량%, 자극제 0∼2중량%를 건식혼합한 후 물고형분비 20∼30%의 범위로 습식혼합하여 상대습도 90%이상, 60∼85℃의 온도에서 양생하여 콘크리트 2차제품을 제조하는 방법.
2. 상기와 같은 조성비를 이용하여 제품의 혼화재 및 결합재로 사용하거나 모래, 굵은골재 등을 일부 혼합하여 제품을 제조하는 방법.
3. 제품의 물성을 향상시키기 위하여 폐석고를 130∼450℃로 하소하여 상기와 같은 조성비를 이용하여 제품을 제조하는 방법.
4. 상기와 같은 조성비를 이용하여 콘크리트 2차제품 외에 유사한 제품(예; 폐기물 고화재, 석고보드, 콘크리트, 로반재, 뒤채움재, 해양구조물 등)을 제조하는 방법.