KR20030063954A - 해성이토 이용의 벽돌류(벽돌, 보도블럭, 기와) 제조방법 - Google Patents

Abstract

해안도시지역에서 건물을 신축하는 등 건설행위를 하기 위해 지반을 굴착하면 굴착 토사가 폐토사로서 산출되는데 그 대부분이 해성이토(뻘)인 경우가 많다. 그리하여 "벽돌류(벽돌,보도블럭,기와등)을 제조하는데 있어서 건설폐토사인 해성이토를 주원료로 하여 벽돌류를 제조하는 방법"을 제안하였다. 이러한 기술이 개발되므로써 버리는 자원 또는 오염원으로써의 해성이토를 건설 자재로 활용하게되어 자원재활용은 물론 쾌적한 환경조건이 조성되는 효과가 있을 것이다.

Description

해성이토 이용의 벽돌류(벽돌, 보도블럭, 기와) 제조방법{Method for Manufacturing of Fire-Goods(Brick, Footpath-block, Tile)Utilized with Sea Clay}

본 발명은 소성에 의하여 벽돌, 보도블록, 기와를 얻는 제조공정에서 건설폐기물인 해성이토(海成泥土 또는 海成粘土)를 원료로 이용하는 벽돌류 제조방법에 관한 것이다.

해성이토란 강하류의 유속이 완만한 곳에 퇴적되어 그 입자가 매우 미세한 흙(점토42%전후, 실트50%전후, 모래2∼3%, 유기질3∼5%)이면서 바다의 염분이 보통의 흙보다 많이 포함(울산지방의 경우 0.2∼0.3%전후)되어있는 경우를 말한다. 이러한 해성이토는 해안지방의 건설공사시 지반을 굴착할 때 건설폐토사로써 산출되는 것이 보통이다. 이와 같은 해성이토는 그 성분 중 염분과 유기질 때문에 성토용이나 객토용으로 원활하게 사용되지 못하고 다량의 양질의 토사와 섞어서 성토용이나 객토용으로 사용되고 있는 실정이다. 그런데 지방에 따라서는(예를 들면 울산지방)해성이토가 일반폐기물로 분류되어 폐기물 매립장에 매립하도록 되어 있어서 비용문제 때문에 불법투기까지 성행하고 있는 실정이다.

해성이토가 아닌 갯벌흙을 주원료로 하여 건축자재를 제조하는 방법은 특허 공고공보 제70-96호에 제시되어 있다. 이 발명은 다음과 같은 공정으로 이루어져 있다.

(1)간조시 노출되는 갯벌흙을 채취하여 자연 건조시키고 나서 분쇄하여 분말화 한다.

(2)폐품 수집된 나일론 또는 비닐 등을 선별 세척하여 오물을 제거한 다음 이를 융해부에 넣어 약250℃로 가열 융해시키고, 여기에 상기 분말로 된 갯벌흙을 적당한 비율로 배합하여 잘 교반한다.

(3)교반된 원료를 소기의 건축자재 형에 넣고 30∼50분간 압형 냉각하여 완전 제품을 얻는다.

해성이토는 울산, 부산, 포항, 인천, 군산, 목포 등 해안지방의 지반을 굴착하면 얻을 수 있다. 이 해성이토는 오랜 세월 동안 퇴적되어 온 지층에서 얻어지는 점토이므로 갯벌 흙에 비하여 염분과 함수량이 적고 유기물 성분이 비교적 적게 포함되어 있는 특징이 있다. 이와 같은 해성이토는 건물기초 시공, 건물지하층 시공 또는 교량기초 시공등 건설공사시 대량으로 산출된다. 그러나 불쾌한 냄새나 약간의 유기물 성분 때문에 불법투기까지 성행되고 있는 실정이었다. 그리하여 울산광역시에서는 해양투기까지 생각하여 보았으나 이 또한 비용문제, 해양오염문제가 대두되어 이러지도 저러지도 못하는 실정이었다. 그리하여 울산시와 울산대학교가 공동으로 여러 가지 처리방법을 찾던 중 소성(벽돌을 굽는 절차)처리하면 유기물을비롯한 불순물은 산화되어 버리고 남는 것은 건설자재로 활용한다는 방법을 고안하게 된 것이다.

본 발명의 목적은 위와 같이 그대로 버려지고 있는 해성이토를 이용하여 다공성, 경량화된 미려한 색조의 상품성 있는 벽돌, 보도블록, 기와 등의 벽돌류를 제조하기 위한 데 있는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 점토를 원료로 하여 분쇄, 계량, 혼련, 성형, 건조, 소성 등 일련의 공정을 거쳐 벽돌, 기와, 보도블록을 제조하는 벽돌류 제조방법에 있어서 해성이토를 주원료로 하여 상기 분쇄공정을 거치지 않고 제조한 것이다. 대상지반의 해성이토가 가지는 특성을 알기 위하여 토질시험 결과를 항목별로 간략히 설명한다.

1)입도 시험

해성이토는 미세한 세립의 토사를 말하는 것으로, 그 구체적인 입도의 평균분포를 보면 모래 2%, 실트 56%, 점토 42%로 분류되는데, 심도에 따라 하기 표 1에서 보는 바와 같이 95% 이상이 200메시를 통과하는 세립분으로 구성되어 있다.

[표 1]

입도 시험 결과

2)비중

해성이토의 비중은 흙 속의 구성광물에 따라 차이가 있기는 하지만 하기 표 2에서 보는 바와 같이 전 심도의 비중이 2.61∼2.67의 범위를 보인다. 자연상태의 흙이 잦는 보통 비중인 2.65∼2.75보다 낮다.

[표 2]

비중시험 결과

3)습윤 단위중량

해성이토의 습윤 단위중량 γ_t를 압밀시험에 의하여 측정한 결과, 1.55∼1.73 으로 비교적 낮은 값을 보였다.

[표 3]

습윤단위중량시험 결과

4)함수비

해성이토의 함수비는 110℃이 건조로에 의해 습윤토 중에서 제거되는 부분을 나타내는 것으로, 그 시험결과는 하기의 표 4와 같다.

[표 4]

함수비시험 결과

5)연경도

해성이토의 연경도는 하기 표 5에서 보는 바와 같이 액성한계가 53.7∼75.9 % 범위의 비교적 높고, 소성지수도 17.7 ∼ 29.4 %로 큰 범위를 나타내고 있으며, 흙의 팽창성에 대한 활성도( A = PI / (점토의 % ) )가 0.22∼0.30의 비활성이다. 이 해성이토의 퇴적이력을 추정해 보면 담수나 해저에 퇴적되었다 염류로 용해되어 빠져나간 상태로 보인다.

[표 5]

연경도시험 결과

6)pH 및 염화물 함유량

해성이토의 pH시험은 시료 Ww/Ws = 2∼3 로 증류수를 섞어 30분∼3시간 동안 용출시킨후 pH meter로 측정하였다. 염화물 함유량은 KSF 2515(골재중의 염화물 함유량 시험방법)에 따라 시험하였다. 염소이온은 주로 염화칼슘, 염화마그네슘 및 염화나트륨 등의 염화물이 용해된 것이고, 염소이온량의 약 1.6배가 진염화물량으로 된다. 그 시험결과는 이하의 표 6과 같다.

[표 6]

pH 및 염소이온 함유량의 시험 결과

7)유기물함유량

해성이토의 유기물함유량 시험방법은, 흙을 자연건조 후 분쇄하여 건조로와 데시케이터 속에서 각각 건조시킨다. 그런 후에 도가니에 넣어 700∼800℃로 1∼2시간 가열하고 나서 데시케이터 속에서 식힌 후 도가니의 중량을 재는 강열감량법을 사용하였다. 그 시험결과는 이하의 표 7과 같다.

[표 7]

유기물 함유량시험 결과

이와 같은 특성과 성분을 가진 해성이토를 채취하여 계량한 후 혼련기에 넣어 혼련한다.

이렇게 혼련된 원료는 성형기로 들어가 일정한 형태로 성형된 후 자연 건조시키거나 소성로의 여열 또는 증기를 이용한 건조로에서 건조시킨다. 벽돌, 기와, 보도블록의 형태로 성형되어 건조된 성형물은 800∼1,300℃의 가마에서 소성시킨다. 소성과정에서 해성이토 내에 함유하고 있던 유기물성분이 산화하여 다공성을 갖게 되며 중량이 감소하여 경량화가 이루어진다. 소성된 벽돌류는 소성온도나 방법에 따라 적색 또는 암적색 또는 황토색을 띈다.

상기와 같은 과정을 거쳐서 제조된 sample의 제조과정상 특징은 다음과 같다.

[표 8] 해성이토만 사용하는 경우 제조과정의 기술적 특징

여기서 우리가 흔히 주로 보는 일반점토를 주원료하는 벽돌은 산화소성된 것이 대부분이며 해성이토를 주원료로 하는 경우에는 사진2에서 보듯이 암적색이 된다 이 색깔은 일반벽돌보다는 진하고 어두운 색깔이 됨을 알 수 있었다. 그런데 벽돌류의 용도에 따라서는 좀더 밝은 색조를 필요로 하는 경우도 있을 수 있다.

그리하여 백색고령토 일명 카오린을 일정비율(여기서는 1:1, 즉 50%)섞어서 제조해 보았더니 상당히 밝은 색조를 띄운 sample을 얻을 수 있었다.

[표 9] 백색 고령토를 적정비율(50%) 섞어서 사용하는 경우

그런데 벽돌류의 제조공정 중에서 소성과정에서 변형이 일어나거나 건조과정에서 변형이 발생하는 경우가 있는데 이 것은 주원료의 입도가 고르지 못할 경우발생한다고 한다. 즉 주원료의 입도가 점토질, 실트질, 가는모래질이 알맞게 뒤섞여 있어야 하는데 그렇지 못할 경우 발생한다고 한다. 이와 같은 단점을 개선하기 위해서는 다른 곳에서 산출되는 원료와 섞어서 사용하는 것이 좋다. 즉 벽돌류의 주원료로서 일반점토를 사용하든 해성이토를 사용하든 이것은 천연물이기 때문에 한 장소에 나오는 것만으로는 벽돌류 주원료로서의 고른 입토를 잦기 어렵고 다른 장소에서 나오는 것과 적절히 섞어서 사용해야 한다는 것이다. 따라서 본 발명에서의 주원료인 해성이토도 한 장소에서 나온 것을 사용하여 요행이 소성변형이나 건조변형이 없으면 좋겠지만 일어나는 경우에는 다른 장소에서 나오는 것과 적정비율 섞거나 일반점토와 적정비율 섞는 경우를 고려해야한다.

[표 10] 해성이토에 일반점토를 적정비율(50%) 섞어서 사용하는 경우

이와 같이 다른 재료와 섞어보는 과정에서 울산 석유화학공단에서 배출되는 부산물로서 그 처리방법에 골머리를 앓고 있는 폐석고(gypsum)를 적정비율 섞어서 제조하여 보았다

[표 11] 폐석고를 적정비율(50%) 섞어서 사용하는 경우

이렇게 폐석고를 섞어서 제조하여 보았더니 색상이 상당히 미려한 벽돌류를얻을 수 있었다.

그런데 지금까지 제조된 것은 실험실 수준에서 제조된 것이다. 즉 실험실의 전기로에서 소성하는 경우 일반벽돌 크기가 들어가 들어가기에는 전기로 내부용량이 부족하기 때문에 큰 단추 크기 정도 밖에는 제조할 수 없었다. 그리하여 실제 벽돌 공장에서 일반벽돌 사이즈(190×90×57 규격)로 제조하여 보았다. 이렇게 되면 실제 제조공정에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있고 제조된 벽돌은 K·S규격에서 요구하는 실험 즉 흡수율, 강도 실험을 할 수 있다. 이러한 과정을 거쳐서 제조된 벽돌에 대한 여러 실험 결과는 다음표, 사진과 같다.

사진13 해성이토 100% 사용하여 제조한 벽돌

사진14 해성이토, 일반점토 50% 사용하여 제조한 벽돌

사진15 해성이토 90%, 폐석고 10% 사용하여 제조한 벽돌

[표 12] 해성이토 100% 사용하여 제조한 벽돌에 대한 흡수율, 강도

[표 13] 해성이토 50%, 일반점토 50% 사용하여 제조한 벽돌에 대한 흡수율,강도

[표 14] 해성이토 90%, 폐석고 10% 사용하여 제조한 벽돌에 대한 흡수율, 강도

그리고 해성이토에 일반점토 혹은 백색고령토 혹은 폐석고(gypsum)를 섞는경우에는 그 비율을 가변적으로 다양하게 조절하도록 한다. 그 이유는 대부분의 재료가 자연물이기 때문에 섞는 비율을 일정하게 정하기 어렵고 원하는 색깔이나 성형성에 따라 적절하게 조절해야 할 필요가 있기 때문이다. 이때 울산지방에서 출토되는 해성이토 뿐만 아니라 전국 어디서 산출되는 해성이토라도 해성이토의 기본특징 즉 유기물과 염분을 일반토사 보다 많이 포함하고 있다면 적용이 가능하다. 즉 위에서 설명된 해성이토에서 그 특질을 한정하는 요소로 삼을 수 있는 것은 점토와 유기물의 성분비, 그리고 그에 따른 비중이다. 또한 염소이온함유량도 해성이토를 특정하는데 필요한 요소이다. 그러나 본 발명에서 성분과 비율을 한정하는 것은 위와 같이 조사한 지역의 토질시험에 따른 것이며, 그 유사범위 내에서 해성이토로 판명될 수 있는 것이라면 본 발명의 기술사상을 해하지 않는 범위 내에서 기술적 범위에 포함시킬 수 있다.

본 발명의 결과로서 산출된 제품은 일반 벽돌류와 거의 같은 성능이기 때문에 제품으로서의 활용범위는 일반 벽돌류(벽돌, 기와, 보도블록)의 활용 범위와 같다. 그렇다면 본 발명의 효과는 아무래도 원료획득 과정에서 찾아보는 것이 타당할 것이다. 즉 지반 굴착이 이루어짐으로 해서 굴착토로서 해성이토가 출토되는 모든 공사장에 활용할 수 있을 것이다. 주지하다시피 해성이토는 유기물과 염분을 포함하고 있기 때문에 일반 성토재나 객토재로서의 사용이 거의 불가능하고 지역에 따라서는 일반 폐기물로 분류되어 있는 실정이다. 이러한 폐기물을 벽돌류 제조의 주원료로 사용하는 것은 그 자체로서 활용범위가 매우 넓다고 할 수 있다.

본 발명의 원료획득 과정으로서의 효과를 정확히 알기 위해서는 우리 나라의 건설 폐토사 발생 현황을 알 필요가 있다. 일반적으로 폐토사가 발생되는 것은 굴착토량이 수요량을 초과하여 발생되거나 혹은 굴착된 토사의 품질이 불량한 경우에 발생될 수 있다.

환경부의 통계자료에 의하면 건설 폐기물 발생량은 '94년도에 11,840톤/일, '95년도 12,675톤/일, '96년도 28,425톤/일, '97년도 47,777톤/일로 매년 급속히 증가하는 경향을 보이고 있다. 지금 우리가 다루고자 하는 문제는 이러한 건설 폐기물 중 최근 활용에 관심이 고조되고 있는 건설 폐토사에 대한 것이다. 환경부 통계자료에 따르면 98년 기준으로 전국적으로 재활용되지 못하는 건설 폐토사의 비율은 전체 폐토사의 약 80% 즉 13,676,800 ㎥/년에 이르고 있다. 이 중 해성이토가 차지하는 비중을 5%정도만 보더라도 683,840㎥/년(1,709,600 t/년)이 되는 것이다. 그런데 우리 나라의 내화벽돌(2종 190×90×57으로 환산한)소요량을 내화벽돌 업계에서는 대략 12억개/년으로 잡고 있다. 이것을 무게로 환산하며 12억×2kg/년 즉 24,000,000t/년이 되고 점토의 부피로 환산하면 9,600,000㎥/년이 된다. 그런데 이 량은 우리 나라 전체의 건설폐토사로서의 해성이토 산출량의 약 14배 정도이다. 즉 우리 나라에서 발생되는 건설폐기물로서의 해성이토를 주원료로 사용하여 벽돌류(벽돌)을 제조할 경우 전체 소요량의 약 7%정도를 충달할 것으로 추측된다. 또한 이렇게 건설폐토사로서 벽돌류를 제조하게 되면 다른 분야 기술보다 경제적이고 환경친화적이기 때문에 이 방면으로의 기술 파급효과가 매우 클 것으로 생각된다. 또한 벽돌류 제조시 지금까지는 비교적 순수한 재료인 일반점토만을 이용하였으나 유기물이나 염분이 섞인 비순수 재료를 원료로 하는 기술이 활성화되어 이 분야의 기술 발전에도 많은 도움이 될 것이다. 그리고 해성이토 폐토사는 지역에 따라서는 일반 폐기물로도 분류되기 때문에 그 처리 방법은 매우 한정적이었다. 즉 일반 폐기물 매립장에 매립하거나 양질의 토사와 섞어서 성토재나 농토 객토재로 사용하는 것뿐이었다. 일반 폐기물 매립장에 매립하는 것은 자체 비용도 많이 들뿐 아니라 궁극적으로는 폐기물 매립장 용량을 확대해야 하는 간접적인 사회적 비용도 감안해야 하는 것이다. 그리고 성토재나 농토 객토재로 사용하기 위해서는 양질의 토사와 섞어야 하는데 해성이토 자체가 연약한 뻘 상태일뿐 아니라 염분 성분 때문에 양질의 토사가 상당히 많이 섞여야 그 효과가 기대된다. 따라서 이 방법 역시 현실적이지 못하고 비용 또한 과다하게 소요되는 것이다. 이러한 실정에서 해성이토는 정상적인 처리를 거의 못하고 애물단지화 하여 심지어는 불법투기까지 벌어지고 있는 실정이다. 상황이 이러하기 때문에 국가적으로도 체계적인 처리 방법의 개발이 꼭 필요한 시점이었다.

해성이토 폐토사로서 벽돌류를 제조하게 되면 그 원가가 싸기 때문에 자연히 일반 점토로 만든 벽돌류보다 경쟁력이 생긴다. 또한 특허로서 지정 받게 되면 그 경쟁력은 더욱 커진다. 이렇게 되면 일반 벽돌류 제조 원료인 일반점토의 수요가 줄게되어 일반 점토 채취원인 山野의 황폐화를 막을수 있다는 간접적인 효과도 있다. 경제적 파급효과를 한마디로 요약하면 버리는데 비용이 드는 건설 폐토사를 자원으로 재활용하여 다시 건설현장에 유용한 자재로 활용하는데 있다.

Claims (2)

1. 점토를 원료로 하여 분쇄, 계량, 혼련, 성형, 건조, 소성 등 일련의 공정을 거쳐 벽돌, 기와, 보도블록을 제조하는 벽돌류 제조방법에 있어서, 주원료로서 해성이토지반지역 굴착시 산출되는 건설폐토사인 해성이토를 사용하여 제조한 것을 특징으로 하는 건설폐토사 재활용 방법
2. 위(청구항 1)과정중 색깔의 조절이나 성형성의 향상을 위해 일반점토 혹은 백색고령토 등을 적정비율 섞어서 제조하는 방법, 또는 위(청구항 1)과정중 폐기물 재활용 측면에서 공업부산물 혹은 공업폐기물(예를 들면 폐석고 : gypsum)을 적정비율 섞어서 제조하는 방법