KR20030071419A

KR20030071419A - 팽창점토를 이용한 초경량 골재 제조방법

Info

Publication number: KR20030071419A
Application number: KR1020020011106A
Authority: KR
Inventors: 이무성; 박희열; 위영미; 문경주; 김강수
Original assignee: 주식회사 네오이엔비; 이무성
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-03

Abstract

본 발명은 팽창점토를 이용한 비구조용 초경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 팽창점토 100중량%에 대하여 유기성 슬러지 100∼500중량%, 팽창 퍼라이트 및 팽창 버미큘라이트 5∼20중량%, 산화철(Fe₂O₃) 및 폐유리 분말 2∼10중량%를 혼합하여 균질한 페이스트를 제조하고, 이 페이스트를 직경 2∼8mm로 압출시킨 다음 직경과 동일한 치수로 길이방향으로 절단하여 회전 드럼에서 완전 구형으로 성형하고, 이를 건조시킨 후 다시 폐유에 함침하는 공정을 거친 다음, 900∼1,050℃인 로에 투입하여 고온 소성영역으로 이송되면서 5~15분간 가열하고 계속하여 1,050∼1,250℃에서 10∼25분간 가열하여 소성하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따라 제조된 경량골재는 비중이 0.4∼0.72이고, 흡수율이 16%이하이며, 재령 28일 기준 압축강도가 150㎏/㎠ 이상이어서 비구조용 초경량골재로서의 충분한 물성 발현이 가능하다.

Description

팽창점토를 이용한 초경량 골재 제조방법{Manufacturing Method of super lightweight aggregate using expanded clay}

본 발명은 팽창점토를 이용한 비구조용 초경량골재의 제조방법에 관한 기술이다.

인공경량골재는 건축물의 사하중을 경감하고, 단열성 및 방음성을 향상시킬 수 있는 고부가성 건설재료이며, 일반적으로 인공경량골재로 제조 가능한 원료는 팽창점토, 세일(shale), 슬레이트(slate) 등이 있으며, 이러한 원료들의 화학조성은 소성 시 팽창이 용이한 범위 내에 있어야 한다.

그러나, 국내에서 상기 팽창이 용이한 조건을 만족하는 원료로, 팽창점토는 예산, 당진, 해남의 일부지역에, 그리고 세일은 강원 및 충북의 일부지역에 부존하나, 동일한 광구에서도 화학성분의 변화가 심하여 실제로 이들만으로는 비중이 1.0이하인 초경량골재의 제조에는 한계가 있어 상업화하기는 매우 어려운 실정이다.한편, 비팽창성 요업원료에 유기 또는 무기물의 발포제를 첨가하는 방안이 강구되기도 하였고, 팽창에 적합한 화학적 조성을 인위적으로 배합하여 제조하는 것이 제안되기도 하였으나, 초경량골재 제조 시 품질의 불균질성으로 인하여 상업화에 성공하지 못하고 있는 것이 현실이었다.

국내에서도 인공경량골재에 대한 특허가 출원된바 있으나, 이는 대한민국 등록특허번호 10-0186278과 같이 비중이 1.1~1.5인 구조용 경량골재에 관한 것들이고, 대한민국 등록특허번호 10-0230179와 같은 점토와 장석 그리고 알루미나를 혼합하여서 되는 비중이 1.0이하인 경량 건축재는 점토만을 1차 소성한 후 이를 장석과 알루미나와 혼합하여 분쇄한 다음 다시 이를 성형하여 2차 소성하는 복잡한 공정을 가지며, 압축강도도 40~95㎏/㎠에 불과하여 비구조용 골재로써의 충분한 압축강도를 갖지 못하는 문제점을 내포하고 있었다.

한편 국내에서는 비중이 0.5∼0.7이고 압축강도가 150㎏/㎠ 이상인 비구조용 경량골재의 수요가 계속 증가하고 있으나, 이러한 특성을 가지는 제품의 생산이 사실상 불가능하여 유럽산 수입골재를 사용하고 있는 실정이다.

본 발명은 비구조용 골재의 초경량화 및 높은 압축강도를 달성하기 위하여 점결제로서 팽창점토를 주재료하고 이의 발포를 극대화하기 위해 여러 가지 기능성 물질을 첨가하여 순간적으로 용융·발포를 일으킬 수 있도록 하기 때문에 기존의 소성 경량골재에 비하여 비중을 현저하게 낮추는 한편 압축강도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 팽창점토 100중량%에 대하여 유기성 슬러지 100∼500중량%, 팽창 퍼라이트 및 팽창 버미큘라이트 5∼20중량%, 산화철(Fe₂O₃) 및 폐유리 분말 2∼10중량%를 혼합하여 균질하게 혼합된 페이스트를 제조하고, 이 페이스트를 직경 2∼8mm 직경으로 압출하여, 직경과 동일한 길이로 절단하고 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형한 다음 건조시키고, 이를 폐유에 함침시키는 공정을 거친 후, 900∼1,050℃ 상태의 로터리 킬른과 같은 로에 투입하여 고온 소성지역으로 이송하면서 5~15분간 가열하고 계속하여 1,050∼1,250℃의 온도에서 10∼25분간 가열하여 소성하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 초경량화를 위한 원료의 조성이 기존방식에 비하여 크게 개선되어 제조비용을 절감하면서도 균질한 혼합과 원할한 성형이 가능하며, 낮은 비중과 높은 압축강도를 가지는 비구조용 초경량 인공골재를 제조할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 경량골재와 수입산 경량골재를 혼입한 콘크리트의 압축강도를 나타낸 그림.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비구조용 초경량골재의 제조방법은, 팽창점토 100중량%에 대하여 유기성 슬러지 100∼500중량%, 팽창 퍼라이트 및 팽창 버미큘라이트 5∼20중량%, 산화철(Fe₂O₃) 및 폐유리 분말 2∼10중량%를 혼합하여 균질하게 혼합된 페이스트를 제조하고, 이 페이스트를 직경 2∼8mm 로 압출시키고, 직경과 동일한 길이로 절단하여 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형한 다음, 이를 건조시키고, 건조된 성형체를 다시 폐유에 함침하는 공정을 거친 후 온도가 900∼1,050℃ 상태인 로타리 킬른과 같은 로에 투입하여 고온 소성지역으로 이송되면서 5~15분간 가열하고 계속하여 1,050∼1,250℃의 온도에서 10∼25분간 소성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 조성물을 상세히 설명한다.

상기 원료 혼합물 중, 팽창점토는 SiO₂60∼70중량%, Al₂O₃15∼25중량%, Fe₂O₃5∼10중량%, CaO 및 MgO 0∼5중량%, K₂O 2∼4중량%, Na₂O 0.5∼4중량%를 함유하고 있는 물질로서 국내에서는 충남 예산일대에 대규모로 매장되어 있으며 유기성 슬러지와 균질한 혼합을 위해 50mesh(300㎛) 이하로 분쇄하여 사용한다.

유기성 슬러지는 그 첨가량이 적을 시에는 수분함량이 80∼90중량%인 탈수케익 상태 그대로 사용할 수도 있고, 첨가량이 많을 경우에는 수분함량을 30∼60중량%로 건조하여 사용하거나, 완전 건조 후 분쇄하여 수분함량이 80∼90중량%인 탈수케이크 상태와 혼합하여 전체 수분함량을 30∼60중량%가 되도록 하여 사용할 수도 있다. 이는 골재의 성형시 수분을 첨가하지 않기 위함인데 이에 따라 유기성 슬러지의 혼입량을 많게 함으로써 발포를 극대화시킬 수 있고, 유기성 슬러지의 건조비용을 최소화할 수 있다. 그리고 유기성 슬러지는 고온의 소성과정에서 CO₂가스를 발생하여 골재 내부의 발포를 조장하는 역할을 한다.

본 발명에서 사용되는 팽창 퍼라이트 및 버미큐라이트는 자체 비중이 매우 낮아 골재의 비중을 저감시키고, 슬러지 내의 수분을 다량 흡수함으로써 슬러지의 수분을 저감시키며 페이스트의 질기를 조절하여 슬러지의 건조비용을 절감시킬 수있고, 또 소성 시 높은 내화성을 발휘하여 골재의 조직을 견고히 할 수 있으며, 사용량은 팽창점토에 대하여 5∼20중량%가 적합하다.

본 발명에서 사용되는 산화철은 발포제로서 유기성 물질의 분해에 의한 발포가 900∼1,050℃에서 이루어진다면 산화철은 1,200℃ 가량의 고온에서 적절한 발포를 일으킬 수 있는 물질로서 발포분해온도가 1,390℃로 매우 고온이지만 O₂가 부족한 환원분위기에서는 분해온도가 낮아져서 융제의 역할을 한다. 산화철은 Fe₂O₃또는 Fe₃O₄의 형태로 사용이 가능하며 95% 이상의 순도를 가지고, 평균 입경 150㎛ 이하인 것을 사용한다.

본 발명에서 사용되는 폐유리 분말은 골재 내부의 액상 형성제로서 유기성 슬러지의 유기성분 소결에 의한 빈 공간을 폐유리가 녹으면서 채워 들어가 최종적으로 구형의 폐기공을 형성하므로 비중 및 흡수율을 저하시키면서 골재의 강도를 증진시키는 역할을 한다. 폐유리는 평균 50mesh(300㎛) 이하로 분쇄하여 사용하고, 사용량은 팽창점토에 대하여 2∼10중량%로 한다.

이하, 본 발명의 제조방법을 상세히 기술하면 다음과 같다.

본 발명에서는 강한 점성을 가지는 유기성 물질과 분체형 무기성 물질과의 혼합이 잘 이루어져야 균일한 품질의 골재 제조가 가능하므로 압축 롤러식 혼합기에 의해 균질한 페이스트를 제조한 후 직경 2∼8mm로 압출시키고, 직경과 동일한 길이로 절단하여 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형한 다음, 이를 건조한 후 다시 폐유에 함침하여 전체 무게 중 폐유의 무게가 10~20%가 되도록 한 뒤 로터리킬른과 같은 로에 투입하는데 이때 투입온도는 900∼1,050℃가 바람직하다. 900℃이하에서 투입될 경우 골재외부에 두꺼운 산화피막이 형성되어 경량화에 불리하며 1,050℃ 이상에서 투입될 경우 골재 외부의 유기물의 급격한 소결 및 점토의 불완전한 소결로 인해 골재 내부에 순간적인 발포를 조성하기가 어렵다. 그리고 함침 공정에 의하여 골재에 침투된 폐유는 고온의 소성단계에서 골재 내부의 발포기작을 촉진하는 역할을 하게된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 구체적인 제조방법 및 효과에 대하여 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예가 본 발명의 권리를 한정하는 것은 아니다.

실시예에서 경량골재의 원료로 사용되는 팽창점토, 유기성 슬러지, 팽창 퍼라이트, 팽창 버미큐라이트 및 폐유리의 성분과 물성치는 다음과 같다.

팽창점토의 평균입경은 215㎛이며, 화학조성은 표 1에 나타난 바와 같다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	강열감량
65.67	16.99	5.98	0.17	0.89	2.19	0.20	7.91

유기성 슬러지의 수분 및 고형물, 강열감량, 유기물 함량은 표 2와 같으며, 화학조성은 표 3에 나타난 바와 같다.

종류	함수율(중량%)	고형물(중량%)	강열감량(중량%)	유기물(중량%)
하수슬러지	79	21	40	38
염색폐수슬러지	84	16	48	41
제지폐수슬러지	77	23	45	42

종류	SiO₂(%)	Al₂O₃(%)	Fe₂O₃(%)	CaO(%)	MgO(%)	K₂O(%)	SO₃(%)	P₂O₅(%)
하수슬러지	41.82	22.32	12.61	8.03	2.53	1.86	5.4	5.43
염색폐수슬러지	36.47	27.38	5.45	14.89	6.53	0.98	4.8	3.5
제지폐수슬러지	37.05	22.85	1.30	26.89	5.53	0.98	3.1	2.3

팽창 퍼라이트는 비중이 0.2이고 공극율은 89%이며 화학조성은 표 4에 나타난 바와 같다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O
75	13.1	1.5	1.9	0.3	4.8	3.4

팽창 버미큐라이트는 비중이 0.19이고 공극율은 91.5%이며 화학조성은 표 5에 나타난 바와 같다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O
40.2	17.1	5.8	3.5	27.3	5.4	0.7

폐유리 분말은 평균입경이 300㎛이고 화학조성은 표 6에 나타난 바와 같다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	SO₃
70.68	1.00	0.12	9.90	3.90	0.30	13.80	0.30

(실시예 1)

팽창점토 100중량%에 대하여, 탈수 케익 상태의 제지 슬러지 100중량%, 완전 건조된 제지 슬러지 20중량%, 팽창 퍼라이트 12중량%, 산화철(Fe₂O₃) 및 폐유리 분말 6중량%를 혼합하여 균질하게 혼합된 페이스트를 제조하고, 이를 직경 2∼8mm 직경으로 압출시킨 다음, 직경과 동일한 크기로 길이방향으로 절단하여 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형하여 건조하고, 이를 폐유에 함침하여 건진 다음, 940℃인 로타리 킬른에 투입하여 고온 소성지역으로 이송하면서 약 10분간 가열하고 계속하여 1,050∼1,250℃의 온도에서 13분간 소성하였다.

이렇게 제조된 인공경량골재를 시험한 결과 비중은 0.72이고, 흡수율은 10.8%이며 10%세립치의 파쇄하중은 4.3ton이 되었다.

(실시예 2)

팽창점토 100중량%에 대하여 탈수 케익 상태의 염색 폐수 슬러지 150중량%, 완전건조상태의 염색 폐수 슬러지 60중량%, 팽창 버미큘라이트 10중량%, 산화철(Fe₂O₃) 3중량%, 폐유리 분말 3중량%를 혼합하여 균질하게 혼합된 페이스트를 제조하고, 이를 직경 2∼8mm 직경으로 압출시킨 다음, 직경과 동일한 크기로 길이방향으로 절단하여 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형하여 건조하고, 이를 폐유에 함침하여 건진 다음, 940℃인 로타리 킬른에 투입하여 고온 소성지역으로 이송하면서 약 10분간 가열하고 계속하여 1,050∼1,250℃의 온도에서 13분간 소성하였다.

이렇게 제조된 경량골재를 시험한 결과 비중은 0.43이고, 흡수율은 12.9%이며 10% 세립치의 파쇄하중은 2.3ton이 되었다.

(실시예 3)

팽창점토 100중량%에 대하여 함수율 40% 상태로 건조된 하수 슬러지 190중량%, 팽창 퍼라이트 8중량%, 산화철(Fe₂O₃) 5중량%를 균질하게 혼합하여 페이스트를 제조하고, 이를 직경 2∼8mm 직경으로 압출시킨 다음, 직경과 동일한 크기로 길이방향으로 절단하여 회전 드럼에서 굴려 완전 구형으로 성형하여 건조하고, 이를 폐유에 함침하여 건진 다음, 940℃인 로타리 킬른에 투입하여 고온 소성지역으로 이송하면서 약 10분간 가열하고 계속하여 1,050∼1,250℃의 온도에서 13분간 소성하였다.

이렇게 제조된 경량골재를 시험한 결과 비중은 0.53이고, 흡수율은 12.9%이며 10% 세립치의 파쇄하중은 3.3ton이 되었다.

(비교예 1)

상기 실시예에서 얻어진 경량골재의 품질특성 정도를 파악하기 위하여 독일, 스페인, 일본에서 수입한 비구조용 경량골재의 품질시험을 실시하였다.

구분	비중	흡수율(%)	10% 세립치 파쇄하중(ton)
독일산	0.52	24.4	2.1
스페인산	0.58	25.8	2.6
일본산	0.56	18.8	3.2

표 7에서 알 수 있듯이 본 발명에 의한 상기의 실시예에 의해 제조된 경량골재는 수입산 경량골재에 비하여 흡수율 및 강도 면에서 품질이 우수함이 확인된다.

(비교예 2)

본 발명에 의해 제조된 경량골재의 경량콘크리트 제품으로의 활용성을 평가하기 위하여, 수입산 골재와 본 발명에 의해 제조된 비중이 동일한 골재를 선택하여 입도를 동일하게 조성한 후 표 8과 같이 동일한 배합비로 경량콘크리트 공시체를 제작하여 압축강도 시험을 실시하였으며 그 결과를 표 8과 도 1에 나타내었다.

구분	골재최대치수(㎜)	W/C(%)	증점재첨가량(%)	W(㎏/㎥)	중량배합(kg/m³)	압축강도(kgf/㎠)
					C	S	G	3일	7일	28일
비교예(스페인산)	6	50	시멘트중량의0.3%	185	370	780	208	98	122	165
본발명(실시예 2)								107	138	182

표 8에서 W/C는 시멘트(C)에 대한 혼합수(W)의 중량비를 나타내고, S는 잔골재(강모래, 비중 2.41, 조립율 2.87)를 나타내며 G는 경량골재(비중 0.56, 조립율 4.9)로서 최대치수가 6mm인 것을 사용하였다.

표 8 및 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명으로 제조된 경량골재를 혼입한 콘크리트는 초기재령인 3일 및 7일의 압축강도에서 수입산 경량골재를 함유한 콘크리트에 비하여 각각 10%, 13% 증가하였고 28일 재령의 압축강도도 수입산 경량골재를 혼입한 콘크리트에 비해 높은 강도를 발현하였다.

따라서 본 발명에 의한 경량골재는 수입산 경량골재에 비하여 우수한 물성 발현이 가능하므로, 비구조용 콘크리트 및 경량 콘크리트 2차 제품으로서의 대량 활용이 기대된다. 더욱이 현재 국내에서는 비구조용 경량골재의 생산이 없어 외국에서 고가의 가격에 수입하여 사용하고 있는 실정을 감안하면 향후 본 발명에 의한 저가의 제품 공급에 의하여 수입 대체효과가 매우 클 것이다.

본 발명에 의한 경량골재는 실시예와 비교예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 비중이 매우 낮고 흡수 특성 및 강도 특성이 우수하므로 비구조용 경량 건축자재로서 경량콘크리트 제품(패널, 블록 등), 경량콘크리트(옥상누름 콘크리트, 데크플레이트 콘크리트 등), 하중저감재(옥상녹화용, 지하주차장 옥상, 옹벽 뒤채움재) 및 골프장, 잔디 구장, 테니스장용 잔디 조성 및 배수를 위한 용도 등에 폭넓게 이용될 수 있으며, 현재 수입에 의존하고 있는 비구조용 경량골재에 대한 수입대체 효과가 가능하다.

Claims

팽창점토 100중량%에 대하여, 유기성 슬러지 100∼500중량%, 팽창 퍼라이트 및 팽창 버미큘라이트 5∼20중량%, 산화철(Fe₂O₃) 및 폐유리 분말 2∼10중량%를 균질하게 혼합하여 페이스트를 제조하고, 이 페이스트를 일정 크기로 성형하여 건조시킨 다음 다시 폐유에 함침하는 공정을 거친 후, 이를 900∼1,050℃의 로에 투입하여 고온 소성영역으로 이송하면서 5~15분간 가열하고 계속하여 1,050∼1,250℃의 온도에서 10∼25분간 가열하여 소성시키는 것을 특징으로 하는 비구조용 초경량 골재 제조방법.
제1항에 있어서, 유기성 슬러지는 하수 슬러지, 정수 슬러지, 염색 슬러지, 제당 슬러지, 제지 슬러지, 피혁 슬러지 중에서 하나를 선택하거나, 2이상을 혼합한 것으로 하는 비구조용 초경량 골재 제조방법.
제1항에 있어서, 유기성 슬러지는 탈수 케익 상태의 것으로 하거나, 건조하여 함수율을 낮춘 것으로 하거나, 또는 탈수 케익 상태의 것과 완전 건조시켜 분쇄한 것을 혼합한 것으로 하는 비구조용 초경량 골재 제조방법.