KR20030061177A - 석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용한프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 무연탄 또는 유연탄을 연소시킬 때 발생하는 산업폐기물인 플라이애쉬, 바닥애쉬와 같은 석탄회에 시멘트, 결합재, 점결재 및 금속산화물을 첨가하여 비소성에 의해 고형화시켜 생산된 인공골재, 상기 인공골재 생산방법 및 상기 인공골재를 이용하여 기존의 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품을 위한 플랜트설비를 이용하여 제작된 벽돌, 중공블록과 같은 프래캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품에 관한 것으로서, 산업폐기물을 이용하여 환경친화적이며, 비소성에 의해 제작함으로서 생산비용이 저렴하고, 기존의 프리캐스트 콘크리트, 시멘트제품 설비를 이용할 수 있어 실용적인 석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용하여 각종 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트제품을 제작할 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품{artificial aggregate using fly-ashes and bottom-ashes, the production method and precast concrete or cement products using the same}
본 발명은 석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 무연탄 또는 유연탄을 연소시킬 때 발생하는 산업폐기물인 플라이애쉬, 바닥애쉬와 같은 석탄회에시멘트, 결합재, 점결재 및 금속산화물을 첨가하여 비소성에 의해 고형화시켜 생산된 인공골재, 상기 인공골재 생산방법 및 상기 인공골재를 이용하여 기존의 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품을 위한 플랜트설비를 이용하여 제작된 벽돌, 중공블록과 같은 프래캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품에 관한 것으로서, 산업폐기물을 이용하여 환경친화적이며, 비소성에 의해 제작함으로서 생산비용이 저렴하고, 기존의 프리캐스트 콘크리트, 시멘트제품 설비를 이용할 수 있어 실용적인 석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용하여 각종 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트제품을 제작할 수 있는 방법에 관한 것이다.
현대사회의 대량생산·소비 경제사회 구조에서 발생되는 산업폐기물은 국가경제의 점진적인 발전과 더불어 이미 중대한 사회·경제적 문제의 하나가 된지 이미 오래며, 이러한 인식에 근거한 국제적인 환경규제는 지역적 환경문제의 차원을 넘어서 국내 산업활동의 장애요인으로까지 발전하였다. 하지만 경제활동에서 버려지는 모든 폐기물이 자원으로 재활용되어 경제활동에 재투입 될 수 있다면 폐기물의 처리를 위한 사회·환경문제 및 막대한 경제적 비용은 사라질 수 있을 것이다. 그러한 완벽한 자원순환형 경제사회 구현을 위하여 지속적으로 폐기물을 자원화 하려는 시도를 하여야 하고, 폐기물을 처분하여야 할 대상으로만 볼 것이 아니라, 용도개발이 완성되지 않은 미활용 자원으로 파악하는 발상의 전환이 요구되는 시점이다.
상기 산업폐기물중 하나인 화력발전소에서 발생하는 석탄회는 선진국의 경우30여년 전부터 계속적인 석탄회 폐기물에 대한 이용기술 개발과 함께 이를 각종산업분야에 이용하여 최근에는 재활용률이 60%이상 되고 있으나 국내의 경우 재활용률이 아직까지는 선진국에 미치지 못하고 있어 이의 효과적인 처리가 중요한 문제로 대두되고 있다. 현재 석탄회 재활용 기술분야로는 시멘트, 레미콘 분야이외에 골재분야, 건축재료분야, 토목분야, 농업수산분야 등에 이용되고 있다. 이중 골재 및 건축재료분야의 경우 석탄회를 대량으로 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 건설재료인 골재의 경우 천연골재의 고갈과 쇄석채취에 따른 환경문제의 부각으로 인하여 향후 골재 수급이 점차 어려워지고 국내 자연골재 자원의 수급상 골재이용 가능 부존량의 감소, 골재 채취원의 원거리화, 교통체증 및 유통비용 상승으로 공급 상 문제점이 있으며, 쇄석 및 바다골재의 점유 비중이 증가할 전망이다. 또한 건설구조물이 대형화, 고급화 되어감에 따라 구조부재의 경량화가 중요한 문제로 되어 석영이나 점토질의 고급재료를 사용하여 고비용의 인공경량골재가 제조되었으며 국내에서도 석탄회, 제지슬러지 및 슬래그 등을 이용한 콘크리트 혼화재와 인공경량 골재에 대한 다수의 연구가 수행되었으나, 고온 소성으로 인한 생산단가의 상승, 상대적으로 낮은 강도, 품질관리의 어려움 및 생산된 골재를 이용한 상품개발의 부진 등으로 인하여 선진외국과 비교하여 사용량이 저조한 실정이다. 따라서 석탄회의 대량처리 및 천연골재를 대체할 건설재료로서 경제성이 고려된 석탄회를 이용한 비소성 인공골재의 개발이 시급하다고 할 수 있다.
이에 본 발명자는 석탄회 중 국내에서 주로 재활용되는 플라이애쉬(연소로에서 공중에 부유하는 애쉬를 집진기로 수집한것) 뿐만 아니라 통상적으로 미가공한상태로 이용되거나 매립되는 바닥애쉬(연소로의 바닥에 누적된 애쉬를 수집한 것)에 시멘트, 점결재, 결합재, 금속산화물 및 물을 일정 조성비율로 혼합하여 비소성으로 고형화시켜 인공골재를 생산하는 방법 및 상기 인공골재를 용도에 맞도록 일정크기로 파쇄하여 각종 프리캐스트 콘크리트, 시멘트 제품생산에 이용하는 방법을 개발하게 되었다.
본 발명의 목적은 석탄회를 이용한 인공골재를 생산하기 위해 비소성 방법에 의한 석탄회 고형화를 위한 시멘트, 결합재, 점결재 및 금속산화물과 같은 첨가물 및 그 조성비율을 제공함으로서 환경친화적이고, 경제적인 석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 석탄회를 이용한 인공골재를 다양한 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품을 제조하기 위해 기존의 플랜트설비를 이용할 수 있어 실용적인 석탄회를 이용한 인공골재, 그 생산방법 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품을 제공하는 것이다.
도1은 석탄회중 플라이애쉬 및 바닥애쉬의 생성과정을 도시한 구성도이다.
도2a 및 도2b는 고형화되기 전 및 후의 석탄회 중 플라이애쉬를 이용한 인공골재의 SEM(전자현미경)촬영 사진이다.
도3a,도3b,도3c 및 도3d는 종래 및 본 발명의 구체예로서 인공골재의 생산공정 순서를 개략적으로 도시한 순서도이다.
본 발명은 석탄회를 비소성 방법에 의해 고형화시키키 위해 플라이애쉬 및 바닥애쉬에 시멘트, 결합재, 점결재 및 금속산화물을 일정 조성비율로 첨가하는 방법 및 상기와 같은 방법으로 제작된 인공골재를 각종 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품을 제작하는 방법을 제공하는 것으로서 이하 도2 내지 도3을 기준으로 그 구체예를 상세히 설명한다.
이에 먼저 석탄회를 비소성 방법으로 고형화 시키는 방법 및 이를 이용하여 프래캐스트 콘크리트 또는 시멘트제품을 제조하는 방법을 나누어 설명한다.
[석탄회를 비소성방법으로 고형화시키는 방법]
상기 석탄회를 비소성 방법으로 고형화시키는 방법은,
석탄회에 시멘트를 혼합기를 이용하여 건비빔하는 단계; 상기 시멘트가 혼합된 석탄회에, 결합재인 수산화나트륨, 점결재인 물유리 및 금속산화물인 이산화망간을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 양생하는 단계를 포함하며, 비소성에 의하여 골재를 생산하는 것을 특징으로 한다.
석탄회는 유연탄 및 무연탄을 화력발전소의 연소실에서 연소되면서 발생하는 일종의 재(ach)이다. 상기 석탄회 중에 도1과 같이 연소실 하부에서 채취되는 바닥애쉬(bottom-ash, 도1의 크랭카애쉬 및 cinder애쉬)와 연소실에서 생성되어 공기 유동을 따라 이동하여 집진기에서 채취되는 플라이애쉬(fly-ash)가 있다. 통상 플라이애쉬가 입도의 균일성 및 미연탄소분의 함량문제 등으로 인해 주로 콘크리트 혼화제, 도로포장, 혼합시멘트 제조와 같은 건설자재로서 이용되며, 바닥애쉬는 통상 일정장소에 매립된다.
본 발명에서는 석탄회로서 플라이애쉬 및 바닥애쉬가 모두를 이용할 수 있어 폐기물 이용측면에서 그 활용범위가 넓다는 장점이 있으며, 상기 플라이애쉬 또는 바닥애쉬는 일반적으로 포졸란 활성을 보유한 포졸란 재료(Pozzolana)로 알려지고 있는데 포졸란이란 규산질 혹은 규산 알루미나질로서 그 자체로는 경화성이 아주 미약하지만 다만 미세한 분말인 경우 상온에서 수분의 존재 하에 알칼리 및 알칼리토류의 수산화물과 화학반응을 하여 그 자체가 경화하거나 혹은 경화성 화합물을 형성하는데 도움을 주는 물질을 일컬으며, KS규격(KS L 5508)에서는 천연 포졸란, 소성(하소)포졸란, 인공 포졸란으로 분류하고 있고 상기 석탄회는 Slag, 소성점토 등과 함께 인공포졸란으로 분류되고 있다. 본 발명에서 상기 석탄회는 상기 포졸란 재료로서 인공골재의 물성(강도, 흡수율, 동결융해저항성 등과 같은 내구성)을 발휘하는 주된 조성물로서 이용되고, 이하 인공골재의 다른 조성물의 조성비율은 석탄회 100중량부를 기준으로 설명하며, 본 발명에서는 후술되듯이 플라이애쉬 단독으로 이용되는 경우 및 플라이애쉬와 바닥애쉬가 혼합되어 이용되며, 이하 석탄회는 플라이애쉬를 기준으로 설명한다.
시멘트는 통상의 포틀랜트를 이용하는데, 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 인공골재가 일정한 초기강도를 발현하도록 하는 역할 및 포졸란반응에 이용되는 수화물인 Ca(OH)2를 공급하기 위한 것이다. 이러한 시멘트는 상기 석탄회 100중량부에 대하여 5-10 중량부로 첨가되는데 10중량부로 첨가하는 것이 경제적인 강도발현을 위해 바람직하다. 이는 다른 첨가물과의 조성비율과 비교하여 초기강도발현을 위한 최적의 조성비율을 실험을 통하여 확보된 비율이며, 그 실험내용은 후술한다.
결합재는 알카리성분인 수산화나트륨(NaOH)이 이용되며, 상기 결합재를 첨가하는 이유는 플라이애쉬에 알칼리성분의 화학물질을 첨가하여 플라이애쉬의 수착능력을 향상시켜 포졸란반응의 주된 결합인자로서 시멘트첨가에 의해 공급되는 Ca(OH)2의 반응성을 증가시키고 플라이애쉬의 용해속도를 향상시키는 위한 것이다. 다시 말하면 플라이애쉬의 포졸란 반응속도를 향상을 통한 시멘트 수화작용을 향상시키기 위한 것이다. (플라이애쉬는 대체로 비정질의 상으로 되어있고, 알칼리 성분에 의해 이러한 비정질의 상이 에칭(etching), 즉 포졸란 물질이 OH-이온에 의해 SiO2혹은 Al2O3조직이 공격받아 OH-이온들은 Si 혹은 망상구조원자에 달라붙으며 이들과 산소원자간의 결합을 끊게되고, 이러한 반응의 반복으로 실리케이트 또는 다른 산소음이온들이 구조에서 떨어져 나가면서 인공골재의 고형화를 위한 시멘트 및 물의 수화반응이 촉진되는 것이다.)
이때 결합재의 알칼리성분의 농도가 증가할수록 두 단계에 의하여 용해된 칼슘의 농도를 감소시키므로 적절한 결합재의 조성비율이 중요한데 본 발명에서는 석탄회 100중량부에 대하여 5-15중량부로 첨가되며, 경제적인 강도발현을 위해 10 중량부가 바람직하며, 이는 다른 첨가물과의 조성비율과 비교하여 인공골재의 강도발현을 위한 최적의 조성비율을 실험을 통하여 확보된 비율이며, 그 실험내용은 후술한다.
점결재는 물유리가 이용된다. 상기 물유리의 역할은 도2a와 같이 고형화전의 전자현미경에 의한 SEM촬영에 의해 구형의 플라이애쉬 입자를, 도2b와 같이 고형화 후의 전자현미경에 의한 SEM촬영에 의해 확인할 수 있듯이 크고 작은 구형의 플라이애쉬 입자가 서로 물리적으로 결합되도록 하기 위한 것이다. 이러한 점결재는 상기 석탄회 100중량부에 대하여 5-25 중량부로 첨가되는데 15중량부로 첨가하는 것이 경제적인 강도발현을 위해 바람직하다. 이는 다른 첨가물과의 조성비율과 비교하여 강도발현을 위한 최적의 조성비율을 실험을 통하여 확보된 비율이며, 그 실험내용은 후술하며 벤토나이트가 이용될 수도 있다.
금속산화물은 이산화망간(MnO2)이 이용된다. 상기 이산화망간의 역할은 플라이애쉬를 수산화나트륨과 같은 알칼리성분과 혼합할 경우 제올라이트성분의 물질이 생성되는데 제올라이트는 결정 구조적으로 각 원자의 결합이 느슨하여, 그 사이를 채우고 있는 수분을 건조할 경우에도 골격은 그대로 유지하고 있으므로 다른 물질과 결합할 수 있다. 따라서 이런 성질을 이용하여 본 발명의 조성물로서 이산화망간과 같은 금속산화물이 추가로 혼합될 경우 더욱 단단한 강도의 고형물이 제조될 수 있기 때문이다. 이러한 금속산화물은 상기 석탄회 100중량부에 대하여 5-10 중량부로 첨가되는데 5중량부로 첨가하는 것이 경제적인 강도발현을 위해 바람직하다. 이는 다른 첨가물과의 조성비율과 비교하여 강도발현을 위한 최적의 조성비율을 실험을 통하여 확보된 비율이며, 그 실험내용은 후술하며, Fe2O, ZnO 및 Al2O₃가 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이 플라이애쉬와 같은 석탄회에 일정 조성비율의 시멘트, 결합재인 수산화나트륨, 점결재인 물유리, 금속산화물인 이산화망간을 혼합함으로서 제조된 혼합물에서, 플라이애쉬를 결합재인 수산화나트륨과 같은 알칼리성분과 혼합할 경우 제올라이트성분의 물질을 생성하는데, 제올라이트는 공업용 흡착제로 사용하는 물질로써 액체나 기체에 존재하는 불순물과 결합하는 성질을 이용하여 액체나 기체에서 불순물을 제거하는 목적으로 사용되는바, 본 발명에서도 인공공재에 포함될 수 있는 불순물을 제거하기 위해 적절한 온도에 의한 양생방법이 중요하며, 흡착을 일으키는 양은 일반적으로 온도가 올라가면 흡착량이 줄어드는 것이 보통이다. 따라서 인공골재의 생산에 있어 적절한 양생온도가 존재함을 알 수 있어 본 발명에서도 인공골재의 최적의 강도발현을 위해 기건양생보다 수중양생과 건조로에서의 항온 양생하는 방법을 채택하고 있고, 그 양생온도는 46도에서 50도를 유지하는 것이 바람직하다. 이는 종래의 높은 온도에 의한 소성가공방법에 비하여 상온에서 인공골재를 생산할 수 있다는 특징이 있다.
상술한 조성물들로 생산된 인공골재의 경우 물성 상 천연골재 및 소성골재에비하여 상대적으로 흡수율이 높을 수 있는데, 인공골재가 흡수율이 높아질 경우 골재내부에 흡수된 수분에 의하여 동결융해저항성에도 악영향을 미치게된다. 따라서 본 발명에서는 인공골재의 흡수율을 감소시키기 위하여 인공골재의 표면을 폴리머를 이용하여 코팅하는 방법을 이용하는 바, 이로서 생산된 인공골재는 골재의 공극에 존재하는 폴리머입자의 영향으로 인공골재의 미세 균열의 성장과 전파가 억제되며 균열저항성이 개선되어 강도발현에 유리한 장점이 있다.
[석탄회를 이용한 인공골재에 의한 프래캐스트 콘크리트 또는 시멘트제품을 제조하는 방법]
석탄회를 이용한 인공골재에 의한 프래캐스트 콘크리트 또는 시멘트제품을 제조하기 위한 제조설비에 있어, 본 발명에서 개발된 비소성방법에 의한 석탄회 고형화기술의 장점중의 하나는 기존 프리캐스트 생산업체에 재활용기술의 용이한 이전을 들 수 있다. 기존의 석탄회 재활용 기술을 적용하여 제품을 생산하기 위해서는 고온소성 및 고분자를 활용하는 것으로 인하여 기존공장을 이용하지 못하고 새로운 공장을 건설하거나 기존공장의 대대적인 개조가 필요하였다. 그러나 본 발명에서 개발된 석탄회 고형화기술을 바탕으로 한 인공골재 및 프리캐스트 제품 제조공정은 기존의 제조공정과 큰 차이점이 없어 기존 업체에 바로 이전 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이점은 다른 기술과는 달리 재활용 기술을 실용화하는데 있어 초기투자비용의 감소를 의미하며 이는 제품의 생산단가의 감소로 이어질 수 있다.
도3a 내지 도3d는 기존의 프리캐스트 제품, 고온소성에 의한 인공골재, 고분자결합에 의한 인공골재, 본 발명에서 개발된 비소성방법에 의한 석탄회 고형화 제품 및 인공골재 제조공정을 비교한 것이다. 즉 비소성방법에 의한 석탄회 고형화 제품공정은 기존의 프리캐스트 제품의 제조공정과 거의 유사함을 알 수 있다. 다만 인공골재의 제조시 파쇄, 체가름 공정만을 추가하면 된다. 그러나 고온소성 인공골재 제조공정은 기존의 프리캐스트 제품의 제조공정과는 달리 소성공정이 추가되기 때문에 기존공장에 소성로를 설치하는 것은 불가능하므로 새로 공장을 건설할 수밖에 없다. 또한 고분자결합 인공골재 제조공정은 성형공정에서 회전식 원통형의 성형기를 사용해야 한다. 기존의 프리캐스트 제품의 공장에서 가장 큰 부피와 중요성을 차지하는 것이 성형기임을 고려할 때 현실적으로 공장을 개조하기에는 어려움이 따른다. 비소성 석탄회 고형화 제품 제조공정은 기존의 프리캐스트제품 제조공정만이 같은 것이 아니라 압축 또는 압축파쇄에 의하여 제품을 성형하기 때문에 기존의 공장에서 사용하고 있는 성형기를 이용하므로 현장에 적용하는데 별 어려움이 없다.
석탄회를 이용한 인공골재에 의한 프래캐스트 콘크리트 또는 시멘트제품을 제조하는 방법은 크게 두가지로 나누어 볼 수 있는데,
첫째, 본 발명의 석탄회를 이용한 인공골재를 최종적으로 제작(양생작업이 완료된 상태)하여 일정한 입도로 체가름 한 상태에서 벽돌, 중공블록 및 칼라블록을 제작시 조골재 또는 세골재로 이용하는 방법 및
둘째 처음부터 특정 몰드에 본 발명의 인공골재를 구성하는 조성물 즉, 석탄회, 시멘트, 결합재, 점결재 및 금속산화물을 혼합하여 충진시킨 후 양생함으로서 벽돌, 중공블록 및 칼라블록을 제작하는 방법이 있다.
이때 양자 모두 흡수율의 저감을 위해 폴리머와 같은 침투제를 사용할 수도 있다.
상기와 같은 두가지 방법에 의하여 제작된 프리캐스트 시멘트/콘크리트 제품은 기존의 제품과 비교하여 품질(기건비중, 압축강도, 휨인장강도, 흡수율 및 동결융해시험)에서 거의 대등한 가질 수 있음을 실험을 통하여 확인할 수 있다.
< 비소성에 의한 플라이애쉬 고형화 실험결과 >
석탄회, 시멘트를 혼합기를 이용하여 2분간 건비빔 후 결합재, 점결재, 물을 첨가하여 3분간 혼합하였다. 혼합물은 성형을 위해 5×5×5 ㎤ 몰드에서 24시간 양생 후 탈형하여 공기 중 상온에서 7일간 양생시켜 그 배합비에 따른 강도특성 및 안정성을 분석하였다.
석탄회의 경우 일반 콘크리트와 달리 양생방법에 대한 기준이 없기 때문에 양생방법에 따른 압축강도 변화특성을 확인하기 위하여 표 5의 양생변수에 따라 7일 동안 양생한 후 압축강도를 측정하였다. 또한 위의 실험결과를 바탕으로 금속산화물을 첨가하여 위와 같은 방법으로 공시체를 제작 후 압축강도를 측정하였다. 실험에 이용된 배합표 및 양생방법은 표 5와 같다. 본 실험의 목적에 부합되게 실험배합비에서 재료의 함량을 제한하였다. 시멘트의 경우 함량이 증가할수록 강도가 증진되는 것을 예상할 수 있으나 시멘트에 의한 석탄회의 고형화가 아니므로 초기강도증진을 목적으로 시멘트량을 10중량부로 제한하였다. 또한 점결재의 경우 소량으로 사용한다면 입자들을 효과적으로 결합시키지 못하며, 다량으로 사용된다면 점결재에 의한 인공골재에 제조단가 상승 및 석탄회의 압축강도를 측정하려는 본래의 목적과는 상이하게 점결재 사이에 단지 플라이애쉬 입자가 섞여 있게 되어 오히려 플라이애쉬가 물유리에 첨가재로 들어있는 점결재의 강도를 측정하는 결과가 되기 때문에 점결재의 함량을 15중량부로 제한하였다.
1. 실험재료
본 실험에서 주원료로 사용되는 석탄회는 보령화력 발전소에서 발생되는 것을 사용하였으며 CaO 함량이 6% 미만이고 LOI(Loss On Ignition)가 최대 12% 미만인 F급이며 석탄회내 각 화학성분량이 경량골재로서 적용가능한 KS 규격을 만족하는 것을 사용하였다(표1참조). 시멘트는 KS F 5201에 규정된 S사의 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였으며 석탄회 고형화를 위하여 소량의 결합재, 점결재, 금속산화물을 이용하였다.
비중 분말도(㎠/g) 습분(%) 강열감량(%) 단위수량비(%) 압축강도비
2.34 3,700 0.13 3.07 99 95
SiO2(%) Al2O3(%) Fe2O3(%) CaO(%) MgO(%) SO3(%)
57.09 24.66 10.5 2.58 1.37 0.94
[표 1] 플라이애쉬 물리·화학적 성분
2. 첨가물 함량에 따른 강도변화
가. 결합재의 함량에 따른 변화
플라이애쉬와 Ca(OH)2의 반응성을 증가시키고 플라이애쉬에서 실리카의 용해속도를 증가시키기 위하여 첨가제로써 결합재를 사용하였다. 배합에 따른 압축강도의 변화를 측정하여 결합재가 플라이애쉬 혼합물의 압축강도에 미치는 영향을 살펴보았다(표2참조). 결합재의 함량에 따른 강도변화는 아래 그림 1에서 나타난 바와 같이 결합재의 함량이 5중량부에서보다 10중량부에서 3∼9㎏/㎠정도의 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 15중량부에서는 오히려 압축강도가 5㎏/㎠ 정도 떨어지는 현상을 보이고 있다. 따라서 결합재의 적절한 혼합비는 10중량부인 것을 알 수 있었다.
(단위 : fly-ash함량에 대한 백분율)
공시체번호 fly-ash 시멘트 결합재 점결재 7일압축강도(㎏/㎠)
C2-N1-S2 100 10 5 10 24.7
C2-N2-S2 10 29.8
C2-N3-S2 15 26.7
[표 2] 결합재의 함량변화에 따른 배합표
나. 점결재의 함량에 따른 변화
도2a 및 도2b와 같이 고형물의 SEM촬영결과 분석에서와 같이 점결재가 플라이애쉬 고형물을 효과적으로 결합함을 알 수 있었다. 이러한 점결재 적절한 함량을 실험적으로 파악하기 위하여 점결재함량에 따른 압축강도 변화를 측정하였다(표3참조).
그림 1에서 보는 바와 같이 점결재의 함량이 증가할수록 압축강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 점결재의 함량이 5중량부에서 10중량부로 증가할 때 3∼20㎏/㎠(50∼200%)정도의 강도증진을 확인 할 수 있었으며 10중량부에서 15중량부로 증가할 때 5∼10㎏/㎠(20∼30%)정도의 강도가 증가하였다. 따라서 점결재의 적정함량은 15중량부임을 알 수 있었다. 또한 강도에 가장 많은 영향을 미치는 첨가물은 점결재로 혼합비가 5중량부에서 10중량부로 증가할 때 강도증진효과는 50∼200%임을 확인 할 수 있었다.
(단위 : 플라이애쉬 함량에 대한 백분율)
공시체번호 fly-ash 시멘트 결합재 점결재 7일압축강도(㎏/㎠)
C2-N2-S1 100 10 10 5 18.6
C2-N2-S2 10 29.8
C2-N2-S3 15 39.4
[표 3] 점결재의 함량변화에 따른 배합표
다. 양생방법 변화에 따른 강도변화
압축강도시험에서 최대압축강도가 발휘되는 것으로 나타난 배합비(C2-N2-S3)를 가지고, 표 5의 양생조건에 따라 7일간 양생한 후, 압축강도를 측정하였다. 압축강도측정결과는 그림 2와 같다. 실험 결과를 살펴보면 수중(46℃)과 건조로(50℃)에서 양생한 실험체의 압축강도가 200㎏/㎠정도로 기건양생을 한 공시체의 압축강도 50㎏/㎠보다 150㎏/㎠(300%)정도의 강도증진효과를 보여주고 있다. 이는 결합재가 50℃에서 플라이애쉬 고형물에 영향을 미치고 또한 점결재도 50℃정도에서 플라이애쉬 고형물의 강도증진에 효과적인 성능을 나타내기 때문으로 판단된다.
그림 3은 수중양생과 건조로에서의 항온 양생을 한 두 실험체의 압축강도 비교로 항온양생한 경우에서 70㎏/㎠(35%)정도의 강도증진효과를 나타내고 있다. 그림 3에서 C-2와 C-4사이에서는 압축강도의 증가가 미비한 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 제품제조공정상의 적절한 항온양생시간인 C-2의 양생방법을 채택하였다.
라. 금속산화물의 함량에 따른 강도변화
금속산화물을 첨가한 결과 최대 70㎏/㎠정도의 강도증진효과를 확인할 수 있었다. 그림 4는 금속산화물첨가에 따른 강도변화를 나타내고 있다. 실험결과 표4와 같이 금속산화물첨가량이 5중량부에서의 강도가 10중량부 에서보다 30㎏/㎠정도 높게 나오고 있다. 따라서 적절한 금속산화물의 함량이 5중량부임을 알 수 있었다. 가장 높은 압축강도를 보인 공시체번호 C2-N2-S3-M1의 경우 압축강도가 347㎏/㎠임을 확인할 수 있었다. 이는 결합재의 10%와 반응하는 가장 적절한 금속산화물 함량이 5중량부임을 나타내는 결과라고 할 수 있다.
(단위 : fly-ash함량에 대한 백분율)
공시체번호 fly-ash 시멘트 결합재 점결재 금속산화물 7일압축강도(㎏/㎠)
C1-N2-S2-M1 100 5 10 10 5 310
C1-N2-S2-M2 10 295
C1-N2-S3-M1 15 5 324
C1-N2-S3-M2 10 316
C2-N2-S2-M1 100 10 10 10 5 331
C2-N2-S2-M2 10 307
C2-N2-S3-M1 15 5 347
C2-N2-S3-M2 10 318
[표 4] 금속산화물 첨가량에 따른 압축강도변화
(단위 : fly-ash 함량에 대한 백분율)
공시체번호 시멘트(%) 결합재(%) 점결재(%) 금속산화물(%) 7일 압축강도(㎏/㎠)
C1-N1-S1 5 5 5 10.8
C1-N1-S2 10 13.2
C1-N1-S3 15 22.1
C1-N2-S1 10 5 14.5
C1-N2-S2 10 25.2
C1-N2-S3 15 29.5
C1-N3-S1 15 5 12.5
C1-N3-S2 10 19.4
C1-N3-S3 15 24.1
C2-N1-S1 10 5 5 15.6
C2-N1-S2 10 24.7
C2-N1-S3 15 30.4
C2-N2-S1 10 5 18.6
C2-N2-S2 10 29.8
C2-N2-S3 15 39.4
C2-N3-S1 15 5 16.2
C2-N3-S2 10 26.7
C2-N3-S3 15 32.4
C1-N2-S2-M1 5 10 10 5 310
C1-N2-S2-M2 10 295
C1-N2-S3-M1 15 5 324
C1-N2-S3-M2 10 316
C2-N2-S2-M1 10 10 10 5 331
C2-N2-S2-M2 10 307
C2-N2-S3-M1 15 5 347
C2-N2-S3-M2 10 318
양생방법실험변수(배합비:C2-N2-S3)
공시체종류 양생방법
A 15℃의 수중에서 96시간 양생후 공기중(약 18℃)에서 72시간 양생
A-1 46℃의 수온에서 24시간 양생후 공기중 양생
A-2 46℃의 수온에서 48시간 양생후 공기중 양생
A-3 46℃의 수온에서 72시간 양생후 공기중 양생
A-4 46℃의 수온에서 96시간 양생후 공기중 양생
B 탈형 후 18℃의 실내에서 7일간 양생
C-1 50℃로 유지한 건조로에서 12시간동안 양생후 공기중 양생
C-2 50℃로 유지한 건조로에서 24시간동안 양생후 공기중 양생
C-3 50℃로 유지한 건조로에서 48시간동안 양생후 공기중 양생
C-4 50℃로 유지한 건조로에서 72시간동안 양생후 공기중 양생
[표 5] 석탄회 고형화실험 배합표 및 양생조건에 따른 압축강도변화
< 비소성에 의한 바닥애쉬 고형화 실험결과 >
1. 사용재료
실험에 사용된 재료는 보령화력 발전소에서 발생되는 유연탄 플라이애쉬, 바닥애쉬를 사용하였으며(표6참조) 첨가제로는 점결재, 결합재, 일반 포틀랜트 시멘트, 금속산화물을 이용하였다. 실험에 사용된 바닥애쉬의 화학적인 성질은 다음과 같다. 시멘트는 KS F 5201에 규정된 S사의 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였다.
비중 LOI SiO2(%) Al2O3(%) Fe2O3(%) CaO(%) MgO(%) SO3(%) Na2O(%) TiO2(%)
bottom- ash 1.98 13.4 50.29 24.08 3.81 3.05 1.28 - 1.37 0.84
[표 6] 바닥애쉬의 물리, 화학적 성질
2. 실험방법
위에서 언급된 실험 재료를 플라이애쉬, 바닥애쉬의 배합비, 점결재 및 결합재의 비율을 바탕으로 배합비를 결정한 뒤 기준 공시체를 제작하였다. 석탄회, 시멘트를 혼합기를 이용하여 2분간 건비빔후 결합재, 점결재, 물을 첨가하여 3분간 혼합하였다. 혼합물은 성형을 위해 5×5×5 ㎤ 몰드에서 24시간 양생 후 탈형하였다. 실험에 이용된 배합비와 양생변수는 표 7과 같다. 플라이애쉬 혼합물의 결과를 바탕으로 1차 실험을 진행하였으며 1차 실험결과에서 배합비를 확장하여 실험을 진행할 필요성이 있으므로 2차 실험을 진행하여 바닥애쉬의 압축강도를 측정하였다.
그림 5 및 그림 6을 살펴보면 바닥애쉬를 혼합한 경우에는 위의 플라이애쉬 고형물과는 조금 다른 결과를 나타내고 있다. 플라이애쉬 고형물과 비교해서 최대압축강도를 발현하는 배합비를 살펴보면 점결재와 결합재의 배합비율이 각각 15%로 증가한 것을 알 수 있다. 그러나 같은 양의 혼합물을 제조할 경우 바닥애쉬 배합물의경우 플라이애쉬 함량을 기준으로 점결재와 결합재를 배합하므로 전체적인 배합량은 작다고 할 수 있다. 또한 압축강도가 거의 비슷함을 알 수 있었다. 플라이애쉬 혼합물의 경우 최대압축강도가 347㎏/㎠이며 바닥애쉬 혼합물의 최대압축강도는 371㎏/㎠로 약 10% 강도 증가가 있었다. 바닥애쉬 혼합물의 최적혼합비는 그림에서 보는 바와 같이 B2-N3- G2 이상을 혼합할 경우 강도증진효과도 미약할 뿐만 아니라 B2-N3-G4, B2-N4- G4 의 경우 오히려 압축강도가 떨어짐을 확인 할 수 있었다. 따라서 최적배합비는 B2-N3-G2 이라고 할 수 있다.
공시체번호 fly-ash : bottom-ash 결합재(%) 점결재(%)
1차 실험
B1-N1-G1 5:5 5 10
B1-N1-G2 15
B1-N2-G1 10 10
B1-N2-G2 15
B2-N1-G1 6:4 5 10
B2-N1-G2 15
B2-N2-G1 10 10
B2-N2-G2 15
B2-N3-G2 15 15
2차 실험
B2-N3-G2 6:4 15 15
B2-N3-G3 15 20
B2-N3-G4 25
B2-N4-G3 20 20
B2-N4-G4 25
단위 : fly-ash함량에 대한 백분율
양생방법
공기중 양생 성형후 24시간 후에 탈형하여 50℃ 건조로에 24시간 건조후 공기중 양생
수중양생 성형후 24시간 후에 탈형하여 수중양생
수중 건조양생 성형후 24시간후에 탈형하여 50℃ 수조에서 6일간 수중양생
시멘트 함량은 fly-ash의 10%로 고정
금속산화물의 함량은 fly-ash의 5%로 고정
[표 7] 바닥애쉬 고형화 배합비 결정에 사용된 배합표
본 발명의 석탄회를 비소성방법으로 고형화하여 석탄회 인공골재의 물성실험결과 비중은 1.55∼1.66이며, 흡수율을 7% 대로 나타났다. 인공골재의 중금속 용출량 실험결과 한국폐기물공정시험법상의 KSLT(Korean Standard Leaching Test)및 미국 환경보호기관 EPA의 환경유해물질규제를 위한 TCLP(Toxicity Characteristics Leaching Procedure)의 기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다. 또한 인공골재를 굵은 골재로 사용하여 콘크리트를 제작한 결과 28일 압축강도가 272kg/cm2∼297kg/cm2으로 콘크리트 제조 시 굵은 골재로서의 사용가능성을 확인할 수 있으며,
프리캐스트제품의 경우 플라이애쉬 경화체를 제외한 모든 제품들이 KS규정을 만족하였다. 또한 기존의 콘크리트제품의 벽돌이나 블록보다 우수한 성능을 나타내고 있다. 마지막으로 개발된 인공골재 및 프리캐스트 제품의 내구성측정을 위해 동결융해저항성 실험을 실시한 결과, 인공골재를 굵은 골재로 사용하여 제작한 콘크리트의 동결융해 실험에 의하면 공기량 3%정도의 시편에서 300cycle 이상에도 기준이하의 동탄성계수의 저하가 나타나지 않아 동경융해 저항성이 확보되었다.
플라이애쉬와 바닥애쉬경화체의 동경융해 저항성 실험결과 50cycle 이상이 경과되는 동안 동탄성계수의 기준이하 저하 및 균열이나 박리가 발생하지 않았다.
개발된 인공골재는 기존의 고온소성에 비하여 품질부분은 비슷하면서도 제조단가는 매우 낮았다. 또한 석탄회 프리캐스트제품은 기존의 콘크리트제품보다 우수한 성능을 가지고 제조단가도 비슷하여 충분한 경쟁력을 가지고 있으며, 제품제조공정의 최적화로 기존의 프리캐스트제품 제조 공장에 본 연구에서 개발된 기술을추가적인 설비 투자 없이 도입할 수 있다.

Claims (9)

  1. 석탄회 100중량부;
    상기 석탄회 100중량부에 대하여 시멘트 5-10중량부;
    상기 석탄회 100중량부에 대하여 결합재인 수산화나트륨 5-20중량부;
    상기 석탄회 100중량부에 대하여 점결재인 물유리 5-25중량부; 및
    상기 석탄회 100중량부에 대하여 금속산화물인 이산화망간 5-10중량부;
    를 포함하는 조성물로서 비소성에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 인공골재.
  2. 제1항에서, 상기 석탄회는 석탄이 연소된 후 생성되는 플라이애쉬인 것을 특징을 하는 석탄회를 이용한 인공골재.
  3. 제1항에서, 상기 석탄회는 석탄이 연소된 후 생성되는 플라이애쉬 와 바닥애수를 혼합하되, 플라이애쉬가 석탄회 100중량부중 적어도 50 중량부 이상이며, 시멘트, 결합재인 수산화나트륨, 점결재인 물유리 및 금속산화물인 이산화망간은 석탄회 중 플라이애쉬에 대한 조성비율로 첨가되는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 인공골재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서, 상기 인공골재에 폴리머와 같은 침투재가 추가로 더 포함되는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 인공골재.
  5. 석탄회에 시멘트를 혼합기를 이용하여 건비빔하는 단계;
    상기 시멘트가 혼합된 석탄회에, 결합재인 수산화나트륨, 점결재인 물유리 및 금속산화물인 이산화망간을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합물을 양생하는 단계;
    를 포함하며, 비소성에 의하여 골재를 생산하는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 인공골재 제작방법.
  6. 제5항에서, 상기 혼합물은 석탄회 100중량부; 상기 석탄회 100중량부에 대하여 시멘트 5-10중량부; 상기 석탄회 100중량부에 대하여 결합재인 수산화나트륨 5-20중량부; 상기 석탄회 100중량부에 대하여 점결재인 물유리 5-25중량부; 및 상기 석탄회 100중량부에 대하여 금속산화물인 이산화망간 5-10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 인공골재 제작방법.
  7. 제5항에서, 상기 석탄회는 석탄이 연소된 후 생성되는 플라이애쉬인 것을 특징을 하는 석탄회를 이용한 인공골재.
  8. 제5항에서, 상기 석탄회는 석탄이 연소된 후 생성되는 플라이애쉬 와 바닥애쉬를 혼합하되, 플라이애쉬가 석탄회 100중량부중 적어도 50 중량부 이상이며, 시멘트, 결합재인 수산화나트륨, 점결재인 물유리 및 금속산화물인 이산화망간은 석탄회 중 플라이애쉬에 대한 조성비율로 첨가되는 것을 특징으로 하는 석탄회를 이용한 인공골재.
  9. 제5항 내지 제8중 어느 한 항의 방법으로 생산된 벽돌, 중공블록, 인터로킹블록, 투수콘크리트블록과 같은 프리캐스트 콘크리트 또는 시멘트 제품.
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