KR20090075003A

KR20090075003A - 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물 및 그의제조방법

Info

Publication number: KR20090075003A
Application number: KR1020080000745A
Authority: KR
Inventors: 김용식; 도정희; 이한미; 최현용
Original assignee: 김용식; 도정희; 최현용; 이한미
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2008-01-03
Publication date: 2009-07-08

Abstract

본 발명은 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)를 이용한 속경성 시멘트 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag) 20~66중량%, 석고 10~50중량%, 시멘트 20~60중량%, 소다회 0.5~5중량%, 응결조정제 0.1~5중량%, 분산제 0.1~1중량%로 이루어지는 본 발명의 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물은 자원 재활용 및 중금속에 의한 토양 오염의 우려가 없는 환경 친화적인 재료이다.

미니밀슬래그, 시멘트, 알루민산칼슘, 속경성 시멘트

Description

미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물 및 그의 제조방법{Rapid harding cement composition used Mini Mill Slag and the manufacturing method of it}

본 발명은 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미니밀 슬래그를 주성분으로 포함으로써 획기적인 압축강도와 자원 재활용으로 인한 환경오염 방지, 비용절감 효과를 갖는 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

종래에는 속경성시멘트 제조시 알루미나 시멘트 또는 CSA광물을 이용하여 속경성 시멘트의 원료로 사용하여 왔으나 알루미나 시멘트는 고온용융방식에 의해 제조되므로 일반시멘트의 10배 이상의 고가이며 CSA광물 또한 고가이며 국내에서 생산되지 않으며 전량 수입에 의존하여 사용되는 재료이다.

특히, 알루미나 시멘트 또는 CSA(Calcium Sulfo Aluminate)광물을 원료로 사용하는 속경성 시멘트는 10℃이하의 동절기에 시공이 불가능한데 반해 본 발명에 따른 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물은 동절기공사 및 혹한 지방의 공사가 가능하다는 특징이 있다.

제강 슬래그는 그 공정에 따라 예비처리 슬래그, 전로 슬래그 및 2차 정련 슬래그로 분류될 수가 있다. 이들은 각 공정의 정련 과정에서 발생되는 부산물들로써, 여러 가지 고유의 특성을 가지고 있다. 따라서 해외 각 제철소들은 폐기물로 분류되어 있는 이들 슬래그들의 매립을 최소화하고, 슬래그들이 갖는 각각의 특성을 이용하여 슬래그를 재활용할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 많은 연구를 하고 있다. 우리나라의 제철소의 경우에도 고로 슬래그를 타 분야, 즉 도로용, 토목용 골재 및 시멘트 원료 등으로 전량 재활용하고 있으며, 전로 슬래그의 경우도 조선소 선박의 녹 제거용 원료 등으로 일부 사용하고 있다. 그러나 이는 제강 슬래그의 일부분일 뿐이며 아직도 상당량은 매립에 의존하고 있어서, 제강 슬래그를 재활용할 수 있는 방법에 대한 개발이 시급한 실정이다. 특히, 제강 슬래그 중에서 아래의 표 1의 조성을 갖는 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)는 고 염기도 및 고 Al₂O₃를 다량 함유하고 있어, 전로 매용제로써 우수한 정련능력을 가지고 있고, 도 1의 엑스선회절 패턴도(XRD Pattern Diagram)에 도시된 바와 같이 주 조성광물이 C₁₂A₇ 및 C₃A로, 이를 재활용할 경우 환경오염 방지, 비용절감, 작업장 환경 개선 등의 효과가 있으므로 제강 슬래그 중에서 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)의 재활용 방법에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다.

CaO	Al₂O₃	Fe₂O₃	SiO₂
30∼55%	25~47%	0.1~1.5%	1~5%

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 미니밀 슬래그를 이용하여 획기적인 압축강도와 자원 재활용으로 인한 환경오염 방지 및 비용절감 효과를 갖는 속경성 시멘트 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)를 이용한 속경성 시멘트 조성물은 산화철을 제거한 것으로서 C₁₂A₇(12CaO 7Al₂O₃)광물상을 포함하는 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)를 주성분으로 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트는 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag) 20~66중량%, 석고 10~50중량%, 시멘트 20~60중량%, 소다회 0.5~5중량%, 응결조정제 0.1~5중량%, 분산제 0.1~1중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)는 20중량% 미만인 경우 응결시간이 길어지는 문제가 있고, 66중량%를 초과하는 경우 응결시간 조절이 어렵게 되는 문제가 있으므로 20~66중량% 범위인 것이 바람직하다.

상기 석고는 10중량% 미만이면 강도저하의 문제가 있고, 50중량%를 초과하면 제조비용 증가의 문제가 있으므로 10~50중량% 범위인 것이 바람직하다.

상기 시멘트는 포틀랜트 시멘트가 바람직하며 20중량% 미만이면 응결시간 이 짧아지는 문제가 있고, 60중량%를 초과하면 응결시간이 길어지는 문제가 있으므로 20~60중량% 범위인 것이 바람직하다.

상기 소다회(soda ash)는 0.5중량% 미만이거나 5중량%를 초과하면 응결조절 및 강도에 영향을 주므로 0.5~5중량% 범위인 것이 바람직하다.

상기 응결조정제는 0.1중량% 미만이면 가사시간이 짧아지는 문제가 있고, 5중량%를 초과하면 가사시간이 길어지는 문제가 있으므로 0.1~5중량% 범위인 것이 바람직하다.

상기 분산제는 0.1중량% 미만이면 플로우가 감소되고 1중량%를 초과하면 비용증가의 문제가 있으므로 0.1~1중량% 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)는 1500℃ 고온에서 발생되어 유해성분이 함유되어 있지 않고 고 염기도 및 고 Al₂O₃를 다량 함유하고 있어, 전로 매용제로써 우수한 정련능력을 가지고 있어, 도 1의 엑스선회절 패턴도(XRD Pattern Diagram)에 도시된 바와 같이 주 조성광물이 알루민산칼슘 중 C₁₂A₇및 C₃A광물로 속경성 시멘트 원료로 재활용할 경우 고가의 광물을 사용하지 않게 되어 비용절감, 환경오염 방지, 작업장 환경 개선 등의 효과가 있으므로 제강 슬래그 중에서 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)를 사용하는 것이 바람직하다.

특히 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)를 속경성 시멘트 원료로 사용하는 경우, 불용성의 시멘트 수화광물에 의해 경화되므로 강도도 높고 시간이 지날수록 더욱 안정화되어 영구적인 시멘트 역할을 하게 되며, 반응시 생성되는 에트린자이트 및 모노설페이트(Monosulfate)는 팽창성이 있어 경화체의 건조 수축을 보상해주며 함유된 황산이온이 산화크롬과 같은 중금속이온과 치환이 가능하므로 시멘트 중의 6가 크롬(Cr⁺⁶)의 오염을 방지하는 친환경적인 재료라고 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)를 전용 야적장에 운반하여 공기 중에서 서냉시키고, 냉각된 슬래그를 조크러셔오 50mm이하의 크기로 파쇄한 후, 해머밀을 이용하여 3mm이하의 크기로 분쇄하였다. 분쇄된 슬래그를 내부에 메시 구멍이 3mm인 체를 가진 진동선별기에서 체분리하여 3mm 이하의 슬래그분말을 얻고, 이를 자력선별기로 이송하여 산화철과 같은 자착물을 분리제거 하였다.

본 발명의 석고는 에트린자이트(3CaO Al₂O₃ 3CaSO₄ 32H₂O)나 모노설페이트(3CaO Al₂O₃ CaSO₄ 12H₂O) 수화물의 생성을 증진하기 위한 것으로 대표적인 것으로는 무수석고, 부산석고 즉, 인산석고 및 화학석고를 활용할 수 있고 제조비용절감을 위해서는 부산석고가 바람직하고, 강도 발현을 양호하게 하기 위해서는 무수석고 사용 이 바람직하다.

본 발명의 속경성 시멘트의 사용가능시간(작업가능시간)은 수분에서 수시간까지 조절이 가능하며 응결조정제를 첨가함으로써 행해진다. 응결조정제는 통상붕산나트륨 등의 무기염이나 시트르산, 타르타르산, 글루코산, 카르복시산, 구연산 등의 유기산 또는 그 염을 바람직하게 사용할 수 있다.

본 발명의 소다회(soda ash)는 응결조정 역할도 하지만 경화체의 초기 강도 등의 물성개선을 위하여 사용한다.

본 발명의 분산제는 분말의 분산성을 증진시키고 광물질 입자들의 응집을 방지하며 감수제 역할을 하며 리그닌, 멜라민, 나프탈렌설폰산염 및 폴리카르본산계의 유동화제를 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 강도증진 및 부피증량을 위하여 모래나 골재를 첨가하여 모르타르 및 콘크리트로 사용할 수 있다.

또한 상기 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)는 분말도 4000~9000㎠/g, 석고는 분말도 3000~8000㎠/g, 시멘트는 분말도 3000~9000㎠/g인 것이 바람직하다. 왜냐하면 미니밀 슬래그의 분말도가 4000㎠/g 미만이면 급결특성 및 강도가 저하되는 문제가 있고 9000㎠/g 초과하면 분쇄비용이 증가하는 문제가 있기 때문이고, 석고의 분말도가 3000㎠/g 미만이면 물성 및 품질저하의 문제가 있고, 8000㎠/g 초과하면 분쇄비용이 증가하는 문제가 있기 때문이며, 시멘트의 분말도가 3000㎠/g 미만이면 물성 및 품질저하의 문제가 있고, 9000㎠/g 초과하면 분쇄비용이 증가하는 문제가 있기 때문이다.

또한 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag) 대체용으로 결정질의 알루민산칼슘(Calcium Aluminate)을 사용할 수 있다. 이때 알루민산칼슘은 CaO/Al₂O₃의 몰비가 2.0~3.0인 것이 바람직하다. CaO/Al₂O₃의 몰비가 2.0 미만이거나 3.0 초과하면 물성 및 품질저하의 문제가 있기 때문이다.

본 발명의 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)를 이용한 속경성 시멘트 조성물의 제조방법은 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)와 석고를 혼합하여 분쇄한 후 분말도가 4000~8000㎠/g 되게 하는 것을 특징으로 한다. 분말도가 4000㎠/g 미만이면 물성 및 품질저하의 문제가 있고, 8000㎠/g 초과하면 혼합분쇄비용이 증가하는 문제가 있기 때문이다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물은 혼련 후 재령 3시간의 경화체의 압축강도로 200kgf/㎠ 이상을 발현함으로써 공사가 종료되고 나서 3시간 후에 실용강도에 달하기 때문에 조기에 통상의 상태로 개방하는 것이 가능하게 되는 긴급공사에 적합한 재료로서, 동절기 공사 및 한랭지역에서도 시공을 가능케 하는 효과가 있는 특수한 재료로서, 미니밀 슬래그를 속경성 시멘트 조성물의 원료로 재활용할 경우에 기존의 고가의 광물을 사용하지 않게 되어 자원재활용에 따른 비용절감, 중금속에 의한 토양과 지하수 오염의 우려가 없 게 되는 환경오염 방지, 작업장 환경 개선 등의 효과를 갖게 된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명의 권리범위는 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

하기 실시예에 따른 본 발명의 속경성 시멘트 조성물의 각 구성성분은 다음과 같다.

-미니밀 슬래그(Mini Mill Slag) 분말도 : 4,900㎠/g(실시예1-1), 6000㎠/g(실시예1-2) 사용

-무수석고 분말도 : 4,500㎠/g 사용, 6000㎠/g 사용

-시멘트 분말도 : 3,500㎠/g 사용

-소다회 : 경회사용

-기타첨가제 : 응결조정제(붕산 및 함수구연산) 및 분산제(Melment F10) 사용

<실시예 1>

압축강도의 측정

미니밀 슬래그(이하, 'MS'라 한다), 무수석고, 시멘트, 응결조정제 및 분산제로 이루어진 속경성 시멘트 조성물 100g과 표준사 모래 245g을 물 47g으로 반죽한 모르타르에 함수구연산 1g을 넣고 혼련한 후 혼합 믹서하였다.

상기 속경성 시멘트 조성물은 MS 35g, 무수석고 24.7g을 넣고 시멘트는 37g을 첨가하고 소다회 2g, 붕산 0.6g, 분산제(멜라민계 유동화제로 BASF사의 Melment F10)0.7g을 혼합하여 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물을 제조하였다.

비교예로는 기존의 CSA(Calcium Sulfo Aluminate)를 사용하여 제조된 속경성 시멘트로 하였다.

이렇게 제조된 본 발명의 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물(실시예)과 기존의 CSA를 사용한 속경성 시멘트 조성물(비교예)에 압축강도를 측정하기 위하여 표준사 245g을 섞어 혼합 제조하여 각각 5℃(동절기 시험 조건) 및 20℃(하절기 시험조건) 조건에서 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

*실시예1-1은 미니밀 슬래그 분말도 4900㎠/g을 사용하였으며, 실시예1-2는 미니밀 슬래그 분말도 6000㎠/g을 사용하였음.

상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 가사시간에 있어서는 커다란 차이가 없었으나, 본 발명에 따른 속경성 시멘트를 일정 온도에서 압축강도를 측정하였을 때 기존의 비교예로서의 속경성 시멘트에 비하여 압축강도가 우수함을 알 수 있었다.

<실시예 2>

길이변화율의 측정

상기의 실시예 1의 본 발명의 미니밀 슬래그를 이용하여 제조한 속경성 시멘트 조성물(실시예)과 기존의 CSA를 이용한 속경성 시멘트 조성물(비교예)을 이용하여 시험체를 제작한 후 시험체의 길이 변화율을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 미니밀 슬래그를 사용하지 않은 기존의 속경성 시멘트에 비해 본 발명에 따른 미니밀 슬래그를 이용한 속경성시멘트가 길이변화율이 증가하는 경향이 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트는 무수축 속경성 시멘트로서 우수함을 알 수 있었다.

<실시예 3>

경화체의 중금속 용출 시험

상기 실시예 1에서와 같이 제조된 본 발명의 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물의 환경적 영향분석을 위해 경화체를 3일간 수조에 침지하여 용출수 중의 중금속 함량을 분석하였다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.

시험항목		결과
용출시험	Pb(mg/l)	검출안됨
	Cd(mg/l)	검출안됨
	Cr⁶⁺(mg/l)	검출안됨
	Mg(mg/l)	검출안됨
	As(mg/l)	검출안됨
	Cu(mg/l)	검출안됨
	Zn(mg/l)	검출안됨

상기 표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 용출수내의 중금속 검출은 없었으며, 에트린자이트의 황산이온이 산화크롬의 중금속 이온과 치환되어 6가 크롬의 용출이 없어 시멘트를 사용함으로서 발생하는 문제가 없음을 알 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)의 XRD 패턴도이다.

Claims

산화철을 제거한 것으로서 C₁₂A₇(12CaO 7Al₂O₃) 광물상을 포함하는 미니밀 슬래그를 주성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물.
미니밀 슬래그, 석고, 소다회, 응결조정제, 분산제 및 시멘트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물.
제2항에 있어서,

상기 미니밀 슬래그(Mini Mill Slag)는 20~66중량%, 석고는 10~50중량%, 시멘트는 20~60중량%, 소다회 0.5~5중량%, 응결조정제는 0.1~5중량%, 분산제는 0.1~1중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 미니밀 슬래그는 분말도 4000~9000㎠/g, 석고는 분말도 3000~8000㎠/g, 시멘트는 분말도 3000~9000㎠/g인 것을 특징으로 하는 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물.
제2항 또는 제3항에 있어서,

미니밀 슬래그 대신 결정질의 알루민산칼슘을 사용하며 CaO/Al₂O₃의 몰비가 2.0~3.0인 것을 특징으로 하는 속경성 시멘트 조성물.
속경성 시멘트 조성물의 제조방법에 있어서,

미니밀 슬래그와 석고를 혼합하여 분쇄한 후 분말도가 4000~8000㎠/g 되게 하는 것을 특징으로 하는 미니밀 슬래그를 이용한 속경성 시멘트 조성물의 제조방법.