KR20090067855A

KR20090067855A - 블랙코어 형성이 최적화되어 경량화된 인공골재의제조방법

Info

Publication number: KR20090067855A
Application number: KR1020070135658A
Authority: KR
Inventors: 위영민; 이기강; 김유택; 강승구; 김정환
Original assignee: 경기대학교 산학협력단
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25
Also published as: KR100921649B1

Abstract

본 발명은 블랙코어 형성이 최적화되어 경량화된 인공골재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 골재의 표면적과 부피의 상관관계인 유효표면지수(ESI)에 따라 적합한 발포제를 사용하여 블랙코어의 생성을 최적화하여 경량화 하는 것을 특징으로 하는 인공골재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 따르면, 인공골재 제조 시, 인공골재의 입도에 따른 유효표면지수에 따라 적절한 발포제를 사용하여 인공골재 내부에 블랙코어의 형성을 최적화시킬 수 있어, 일반적으로 블랙코어의 형성이 어려워 경량화가 안되는 세골재에서도 블랙코어를 형성시켜, 골재의 입도에 구애받지 않고, 블랙코어가 형성되어 경량화된 골재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

유효표면지수(ESI), 인공경량골재, 발포제, 블랙코어

Description

블랙코어 형성이 최적화되어 경량화된 인공골재의 제조방법{Method for Manufacturing Artificial Aggregate Having Lightweight and Optimized Blackcore Formation}

일반적인 골재의 발포 메카니즘은 도 1과 같으며 화학식으로 표현하면 다음과 같다.

C+O₂ → CO₂ …………………………………………………………………(1)

CO₂+C →2CO …………………………………………………………………(2)

3Fe₂O₃+CO → 2Fe₃O₄+CO₂ …………………………………………………(3)

3Fe₂O₃ → 2Fe₃O₄+½O₂ ………………………………………………………(4)

(1)식은 저온에서의 산화과정으로 소지내부의 탄소가 표면에서 산화되는 과정을 보여주는 화학식이다. 온도가 상승하여 800℃ 이상이 되면, 소지의 표면이 치밀해지고 소지표면의 치밀화로 소지내부에는 산소공급이 원활하지 못하여 (1)의 반응이 이루어지지 못하게 되며, (2)의 반응이 소지내부에서 이루어지게 된다. (2)반응이 이루어짐에 따라 소지 내부에서는 CO분압이 높아지게 되는데, 높은 CO분압으로 인하여 소지 내부에 존재하는 Fe₂O₃가 환원되어 (3),(4)의 반응이 일어나게 된다. 이 때, 골재내부가 검게 발색하게 되는데, 이것을 블랙코어라고 부른다(C. M. Riley, J et al ., Am . Ceram . Soc . 34: 121-128, 1951).

골재의 블랙코어형성은 블랙코어형성 메커니즘에 따라 골재의 표면적과 발포제의 종류에 따라서 영향을 받게 된다. 골재의 표면적은 골재의 입형에 따라서 달라지고 세골재로 갈수록 커지게 된다. 표면적이 커지면 소지표면의 치밀화가 어렵게 되어 (2)의 반응이 일어나기 힘들게 된다. 이러한 것을 정량적으로 나타내기 위해서 부피와 표면적의 관계를 정량화하여 하나의 지수로 나타낼 필요가 있게 되었다. 그리하여 유효표면지수(Effective Surface Index, ESI)를 정의하여 비표면적과 부피와의 관계를 정의하였다. ESI는 다음과 같은 식으로 정의할 수 있다.

입자가 구형일 때, 입도에 따른 ESI의 변화를 도 2에 나타내었다. 입도가 작 아질수록 ESI는 커지는 것으로 나타났으며, ESI가 커짐에 따라 골재의 블랙코어형성은 어려워지는 것으로 나타났다. 그리고 발포제의 종류에 따른 골재의 블랙코어형성은 발화온도가 낮은 등유계열을 발포제로 사용하였을 때보다, 발화온도가 높은 탄소계열을 발포제로 사용했을 때 블랙코어의 형성이 더 낮은 온도와 작은 입도에서 더 양호하게 이루어지는 것을 발견하였다.

이에 본 발명자들은 골재의 표면적과 부피의 상관관계를 하나의 지수로 정의하고, 인공골재의 제조시 상기 지수를 이용하여 그에 따른 적절한 발포제를 선택하여 사용함으로써, 제조된 인공골재 내부에 블랙코어의 형성이 최적화되어 경량화가 잘 되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 블랙코어의 형성이 최적화되어 경량화된 인공골재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 발포제를 사용하여 블랙코어가 형성되어 경량화된 인공골재를 제조하는 방법에 있어서, 유효표면지수(ESI) 수치가 0.4< ESI <0.8 일 때는, 발화온도가 180~200℃인 발포제를 이용하고, 유효표면지수(ESI) 수치가 0.8< ESI <2.0 일 때는, 발화온도가 400~600℃인 발포제를 이용하는 것을 특징으로 하는, 블랙코어가 형성되어 경량화된 인공골재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 따르면, 인공골재 제조시, 인공골재의 유효표면지수에 따라 적절한 발포제를 사용하여 인공골재 내부에 블랙코어의 형성을 최적화시킬 수 있어, 일반적으로 블랙코어의 형성이 어려운 세골재에서도 블랙코어를 형성시켜 골재의 입도에 구애받지 않고, 블랙코어가 형성되어 경량화 된 인공골재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서는 골재의 입도별 상대 면적을 나타내기 위하여, 유효표면지수(Effective Surface Index, ESI)라는 개념을 사용하였는데, 이 때, ESI=S/V이고, 여기서, S = 골재의 표면적, V = 골재의 부피를 나타낸다. 골재의 모양을 완전한 구로 가정하였을때, 이 식을 정리하면,

이며, 여기서, r은 골재의 반지름이다. 골재의 직경과 ESI값의 관계는 도 2에 나타낸 바와 같다.

또한, 골재의 발포 메커니즘에 따르면 블랙코어의 생성여부는 골재의 경량화와 밀접한 관계를 갖는다. 골재의 발포가 진행됨에 따라 블랙코어의 형성이 진행되는데, 이 때, 블랙코어의 면적을 전체 골재의 단면적과 비교하여 나타낸 수치로서, CI(Core Index), 즉, 블랙코어의 면적을 전체면적으로 나눔으로써 블랙코어의 상대적인 면적을 나타낼 수 있다.

제조하고자 하는 인공골재의 유효표면지수(ESI)가 0.4 <ESI< 0.8인 경우, 즉, 인공골재의 입도가 7mm를 초과하는 골재이면, 발화온도가 약 180~200℃인 등유, 경유, 콩기름, 폐유, 중유, 폐PVC, 인조대리석분진 및 신너로 구성된 군에서 선택되는 오일계 발포제를 사용하고, 0.8 <ESI< 2.0인 경우, 즉, 인공골재의 입도가 7mm 미만인 골재이면, 발화온도가 약 400~600℃인 석탄, 연탄, 경석, 석탄회, 비정질 탄소, 흑연 및 벙커C분진으로 구성된 군에서 선택되는 탄소계 발포제를 사용하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 블랙코어가 형성되어 경량화된 인공골재는 적용소재에 따라서 팽창성 혈암(expand shale), 팽창성 점토(expand clay)와 슬래그(slag), 석탄회(fly ash), 슬러지(sludge) 등의 기초소재에 발포제를 혼합하여 분쇄(crushing)한 다음, 성형과정(pelletizing)을 거쳐 건조한 후 일정온도(1100-1250℃)로 급속소성하여 팽창(발포)되는 메카니즘으로 제조된다.

본 발명에서는 적점토, 석분슬러지 및 발포제를 사용하여 인공골재를 제조하였고, 이 때, 발포제로서 등유 또는 비정질 탄소를 사용하였다. 상기 인공골재의 입도는 3~9mm로 제조하였고, 상기 첨가된 발포제의 양은 적점토와 석분슬러지 100중량부를 기준으로, 2~6중량부를 첨가시켜, 1075~1200℃ 온도로 급속소결시켰다.

이 때, 첨가된 발포제의 양이 2중량부 미만이면, 제조된 인공골재에서 발포가 잘 일어나지 않아 골재의 경량화가 미흡하고, 6중량부를 초과하게 되면, 골재의 표면 치밀화를 방해하여 골재의 발포가 어려운 단점이 있다.

본 발명에 사용된 석분슬러지는 장석계열의 광물이 다량 함유되어 있어 소지내부에 액상을 형성하여, 소지의 치밀화를 촉진시켜 소지의 표면을 닫히게 한다. 이 때, 발포제로서 첨가해준 등유 또는 비정질 탄소가 연소되면, 내부에 CO분위기가 형성되고, 그 분위기로 인하여 소지에 존재하는 Fe₂O₃ 성분이 Fe₃O₄로 환원되며 O₂가스를 형성하게 된다. 이러한 가스들로 인하여 골재는 팽창하게 되고, 그로 인해 폐기공이 형성되어 골재의 비중을 낮추는 역할을 한다.

골재의 입도에 따른 영향은 발포제의 종류와는 상관없이 골재의 입도가 작아 질수록 발포는 더 어려워지는 것으로 나타나는데, 이는 골재의 입도가 작아질수록 골재의 표면적이 증가하여 상대적으로 연소되는 속도가 증가하여 생기기 때문이다.

또한, 발포제의 종류에 따라서는 등유를 사용하였을 때보다 비정질 탄소를 사용하였을 때 더 작은 입도에서 발포가 이루어졌는데, 이는 등유와 비정질 탄소의 연소속도 차이로 인하여 발생하는 것이다. 비정질 탄소의 첨가량이 증가할수록 경량화가 어렵고, 등유의 첨가량이 증가할수록 연소되는 발포제의 양이 증가하여 비중이 더 쉽게 낮아져 경량화에 유리하다. 이는 비정질 탄소를 발포제로 사용한 골재는 발포제의 첨가량이 증가할수록 탄소의 첨가량이 증가하여 소결이 어려워 생성되는 가스가 소지내부에 포집되지 못하여 생기는 현상이다.

본 발명의 인공골재의 제조방법에 따르면, 제조하고자 하는 인공골재의 입도를 이용하여 표면적과 부피를 계산하고, 이들의 상관관계를 나타내는 유효표면지수에 따라 인공골재 제조시에 적절한 발포제를 이용함으로써, 제조된 인공골재 내부에 블랙코어의 형성을 최적화시켜 경량화가 잘 일어나고, 블랙코어의 형성이 어려워 발포가 안되는 세골재 내부에도 블랙코어 형성이 가능하여 경량화가 잘 일어난다는 효과가 있다.

이하, 실시예와 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자 에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에서는 적점토를 이용하여 인공골재를 제조하였으나, 백토, 황토,사양토 및 중점토 등이 제한 없이 사용될 수 있고, 또한, 본 발명에서는 석분슬러지를 이용하여 인공골재를 제조하였으나, EAF Dust, 적리, 석탄회, 쓰레기소각재, 하수슬러지, 폐유리 및 광미 등이 제한 없이 사용될 수 있다.

특히, 본 발명에서는 발포제로서 발화점이 180~200℃로 낮은 등유와 발화점이 400~600℃로 높은 비정질 탄소를 사용하여 인공골재를 제조하였으나, 등유, 경유, 콩기름, 폐유, 중유, 폐PVC, 인조대리석분진 및 신너 등의 발화점이 낮은 오일계 발포제와 석탄, 연탄, 경석, 석탄회, 비정질 탄소, 흑연 및 벙커C분진 등의 발화점이 높은 탄소계 발포제가 제한 없이 사용될 수 있다.

실시예 1: 본 발명에 따른 인공골재의 성분

본 실시예에서는 적점토와 석분슬러지를 원료로 하여 인공골재를 제조하였다. 상기 적점토는 충청남도에 있는 C사에서 일반 적벽돌 제조시 사용되는 점토이고, Si와 Al을 주성분으로 하는 석분 슬러지는 부순 모래의 제조시 발생하는 슬러지로 쇄석의 제조시 건조중량의 약 20~30% 발생한다. 본 실시예에 사용된 원료의 조성을 [표 1]에 나타내었다.

[표 1]

	적점토( Clay )	석분슬러지( Stone Sludge , SS )
SiO ₂	64.8	66.7
Al ₂ O ₃	17.7	14.9
Fe ₂ O ₃	7.2	2.3
CaO	0.2	2.0
MgO	0.7	1.1
Na ₂ O	0.2	3.8
K ₂ O	1.8	5.2
TiO ₂	1.0	0.3
P ₂ O ₅	0.1	0.1
Ig - Loss	6.3	3.6

실시예 2: 골재의 입도와 발포제의 종류가 골재의 발포에 미치는 영향

적점토와 석분슬러지를 100℃에서 24h 건조한 후, pin mill을 이용하여 180㎛ 이하의 크기로 분쇄하여 사용하였다. 골재의 입도와 발포제의 종류가 골재의 발포에 미치는 영향을 알아보기 위하여 본 실시예에서는 적점토와 석분슬러지 및 발포제를 각각 60:40:2, 60:40:4, 60:40:6로 혼합하고, 골재의 입도를 3, 4, 5, 6, 7, 9㎜로 하여 성형한 다음, 100℃에서 24h 건조하여 1075~1200℃의 온도에서 15분간 튜브로에 장입하여 급속소결한 후, 공기 중에 급냉하는 단계를 거쳐 인공골재를 제조하였다.

실시예 3: 인공골재의 물성

(1) 비중

실시예 2에서 제조된 인공골재의 비중을 KSF 2503를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, 등유와 비정질 탄소를 발포제로 사용한 골재들 모두 비중은 입도가 커질수록 비중이 낮아지기 시작하는 온도가 낮아지는 것을 관 찰할 수 있었다. 이것은 골재의 입도가 작아질수록 골재의 발포가 어려워 생기는 현상이며, Riley 등에 의하여 개시된 골재의 발포 메커니즘(C. M. Riley et al ., J. Am . Ceram. Soc . 34:121~128,1951)에 따르면, 골재의 발포는 닫힌 표면의 소지에 내부가스가 발생하여 내부에 폐기공을 생성하여 생기는 것이다.

도 3(a)~(c)에 나타난 바와 같이, 비정질 탄소를 발포제로 사용한 골재는 5mm 이상의 골재에서 등유보다 높은 온도에서 발포가 이루어지지만, 4㎜이하의 입도를 가진 골재에도 온도범위 내에 비중하강이 이루어지는 것으로 나타났다.

그러나, 도 3(d)~(f)에 나타난 바와 같이, 발포제로 등유를 사용한 입도가 7㎜이상의 골재에서는 비교적 낮은 온도에서 비중의 하강이 이루어졌으나, 5~6㎜의 입도를 지닌 골재에서는 발포온도가 입도가 작아짐에 따라 높아지다가, 입도가 4㎜이하의 골재에서는 전 온도 범위에 걸쳐 눈에 띄는 급격한 비중 하강이 전혀 이루어지지 않았다.

이는 등유의 발화점이 비정질 탄소에 비하여 상대적으로 낮아서 생기는 현상으로, 입도가 큰 골재의 경우 유효표면적이 작아 골재내부의 등유가 모두 연소하기 전에 소지가 닫히지만, 골재의 직경이 작아질수록 표면적이 넓어져 골재가 열을 더 쉽게 흡수하고 내부의 등유를 더 빠른 속도로 연소시켜 소지의 표면이 닫히기 전에 모두 소비하여 3~4㎜의 골재에서는 비중 저하를 관찰하기 힘들게 된 것으로 판단된다.

이와 비교하여 비정질 탄소의 경우도 마찬가지로 골재의 입도가 작아짐에 따라 골재의 비중이 낮아지는 온도가 높아지는 것을 볼 수 있었지만, 비정질 탄소의 연소속도가 비교적 느려서 3~4㎜의 골재에서도 비중의 하강을 관찰할 수 있었다.

또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 탄소의 첨가량이 증가할수록 골재의 비중 하강이 점차 줄어드는 것을 관찰할 수 있었는데, 이것은 비정질 탄소의 첨가량이 증가할수록 소지의 치밀화가 어렵게 되어 소지 내부의 가스들이 폐기공을 형성하지 않고 밖으로 빠져나가기 때문에 생기는 현상으로 사료된다.

(2) 흡수율

상기 인공골재 제조 시, 발포제로서 탄소와 등유를 사용하였을 때 흡수율차이를 KSF 2503를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 발포제로서 탄소를 사용하였을 때보다 등유를 사용하였을 때 흡수율이 모든 온도와 입도에서 월등하게 낮은 것을 볼 수 있는데, 이것은 비정질 탄소를 발포제로 사용할 경우 소지의 소결이 어려워 더 많은 열린 기공을 형성하기 때문이다.

(3) 인공골재에 형성된 블랙코어의 상대면적과 관련한 실험온도

상기 제조된 인공골재의 절단면을 Cam Scope (Sometech DCS 105, Korea)를 이용하여 관찰하였고, 본 발명에서 제조된 인공골재의 ESI 수치를 아래 [표 2]에 나타내었다.

[표 2] 본 발명에서 제조된 인공골재의 ESI수치

골재의 입도	3mm	4mm	5mm	6mm	7mm	9mm
골재의 반지름(r)	1.5	2	2.5	3	3.5	4.5
ESI=3/r	2	1.5	1.2	1	0.8	0.6

골재내부의 환원에 의해 생성된 블랙코어의 상대적 면적(CI)을 측정하여 블랙코어의 상대면적이 0.2 이상이 되는, 발포제로서 탄소와 등유를 사용한 경우의 실험온도를 그래프로 나타내었다.

그 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 측정결과 7㎜이상의 입도에서는 등유를 사용한 골재가 더 낮은 온도에서 블랙코어가 생성되기 시작하는 것으로 나타났고, 작은 입도로 갈수록 비정질 탄소를 사용한 골재가 블랙코어생성에 더 유리한 것으로 나타났다.

블랙코어의 형성은 일반적으로 비중의 하강을 수반하게 되는데 등유와 비정질 탄소를 사용한 골재의 비중의 하강은 블랙코어 형성을 기준으로 ±25℃이내에 관찰되어 둘의 상관관계를 설명하여 준다.

하지만 블랙코어의 형성이 반드시 비중하강으로 나타나는 것은 아니며, 이것은 1200℃에서 발포제로서 비정질탄소를 4~6중량부 첨가한 인공골재들은 블랙코어가 잘 발달했음에도 불구하고 비중의 하강이 크지 않았는데 이것은 소지의 표면이 닫히기 위해서는 먼저 소결이 이루어져야 하지만 첨가된 비정질 탄소의 양이 증가할수록 연소되어 생기는 소지내부의 기공에 의해 폐기공을 형성하지 못하여 생기는 현상으로 사료된다.

(4) 단면 형상

1200℃에서 소결하여 실시예 2에서 제조된 인공골재의 단면을 Cam Scope (Sometech DCS 105, Korea)를 이용하여 관찰하였다. 그 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, 비정질 탄소를 발포제로 사용한 골재 중 1200℃에서 3~4㎜의 골재에서 비중하강과 동시에 블랙코어가 관찰되었는데, 이것은 3~4㎜ 골재의 비중하강원인이 블랙코어 형성에 의한 폐기공의 생성이라는 것을 보여주는 것이다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

도 1은 인공골재의 블랙코어 형성에 의한 발포 메커니즘을 도식화한 것이다.

도 2는 골재의 직경에 따른 ESI의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 발포제로 비정질 탄소와 등유를 사용하였을 때의 골재의 비중을 나타낸 그래프이다.

도 4는 골재의 입도가 9mm인 경우, 골재의 비중을 나타낸 그래프이다.

도 5는 발포제로 비정질 탄소와 등유를 사용하였을 때의 흡수율을 나타낸 그래프이다.

도 6은 블랙코어의 상대면적이 0.2 이상이 되는, 발포제로서 탄소와 등유를 사용한 경우의 실험온도 그래프이다.

도 7은 발포제로 비정질 탄소와 등유를 사용하고, 1200℃에서 소결된 다양한 입도의 크기를 갖는 골재의 단면이미지를 나타낸 것이다.

Claims

발포제를 사용하여 블랙코어가 형성되어 경량화된 인공골재를 제조하는 방법에 있어서,

유효표면지수(ESI) 수치가 0.4<ESI<0.8일 때는, 발화온도가 180~200℃인 발포제를 사용하고, 유효표면지수(ESI) 수치가 0.8<ESI<2.0일 때는, 발화온도가 400~600℃인 발포제를 사용하는 것을 특징으로 하는, 블랙코어가 형성되어 경량화 된 인공골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 발화온도가 180~200℃인 발포제는 등유, 경유, 콩기름, 폐유, 중유, 폐PVC, 인조대리석분진 및 신너로 구성된 군에서 선택되는 오일계 발포제인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 발화온도가 400~600℃인 발포제는 석탄, 연탄, 경석, 석탄회, 비정질 탄소, 흑연 및 벙커C분진으로 구성된 군에서 선택되는 탄소계 발포제인 것을 특징으로 하는 방법.