KR20100088154A - 포졸란의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모르타르 및 콘크리트 제조에 사용되는 F형 및/또는 C형 비산회와 같은 비산회를 포함하는 포졸란의 제조 방법으로서, 상기 포졸란을 분쇄 장치에서 분쇄에 의해 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 최종 생성물의 분말도로 고에너지 기계 가공 처리하며, 상기 포졸란 입자는 조대 스코리아 입자 형태의 비세노스피어가 붕괴될 때 기계적 충격을 받아 세노스피어 분쇄된 입자의 표면이 활성화되는 것을 특징으로 하는 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 비산회(fly ash) 형태로 포졸란을 제조하는 방법에 관한 것이다.
비산회는 콘크리트, 모르타르 및 시멘트를 포함하는 다른 혼합물에 유용하다. 비산회는 석탄 화력 발전소의 부산물이며 매년 대량으로 전세계적으로 생산된다.
본 발명의 방법은 석탄 연소 공정의 파라미터 및 석탄 화학 조성의 변화로 인한 비산회 품질의 변동을 제거한다. 본 발명에 따른 포졸란, 즉, 비산회의 가공은 콘크리트의 성능을 상당히 향상시키며, 표준 포틀랜드 시멘트(Portland cement)의 보다 높은 수준의 대체를 제공하며, 이는 상당한 경제적 및 환경적 이점을 유도한다.
비산회는 일반적으로 세노스피어 입자 형태로 유리 같은 비결정형 성분을 약 85% 함유한다. ASTM C 618에 따르면, 비산회는 두가지 부류, C형 및 F형이 있다. 상기 F형 비산회는 전형적으로 실리카, 알루미나, 철 산화물을 70 중량% 이상 함유하는 반면, C형은 전형적으로 70% 및 50% 함유한다. F형은 역청탄 연소의 부산물로서 생성된다. C형 비산회는 칼슘 함량이 보다 높으며, 아역청탄 연소의 부산물로서 생성된다.
미국 탄각 협회(American Coal Ash Association)에 따르면, 2006년에 대략 7천 3백만 톤의 석탄재가 미국에서 비산회의 형태로 생산되었으며, 약 45%만이 다른 산업 용도로 사용되었던 반면에 나머지 부분은 대부분 쓰레기 매립지에서 폐기물로서 침착된다. 현재, 미국에서 콘크리트 중 포틀랜드 시멘트의 대체율은 단지 약 10 퍼센트이다.
포괄적인 연구가, 포틀랜드 시멘트가 비산회에 의해 50% 이상의 수준으로 대체된 고부피 비산회 콘크리트는 비산회가 없는 포틀랜드 시멘트 콘크리트와 비교하여 보다 높은 장기 강도 향상, 보다 낮은 물 및 기체 투과도, 높은 염화 이온 저항성 등을 나타냄을 증명하였다.
동시에, 고부피의 비산회 콘크리트는 상당한 결점을 가진다. 한 결점은 0∼28일 동안 특히 시멘트에 대한 물의 비율이 0.50 초과인 경우에 강도 향상이 매우 느리고 설정 시간이 너무 길다는 것이다. 이러한 부정적인 영향은 포틀랜드 시멘트 대체로 사용되는 비산회 수준을 평균 15∼20% 감소시킨다.
심각한 문제가 또한 비산회 품질 안정성과 관련되어 있다. 일반적으로, 사용되는 석탄의 화학 조성 변화 및 보일러의 빈번히 변하는 작동 파라미터는 유사결정상, 소위 스코리아(scoria)의 형성을 유발시키며, 이는 비산회 반응성, 소위 포졸란 활성을 감소시킨다.
고부피의 비산회 콘크리트 성능 향상에 몇몇 노력이 있었다(예를 들어, 문헌[Malhotra, Concrete International J., Vol. 21, No 5, May 1999, 페이지 61-66]). Malhotra에 따르면, 이러한 콘크리트의 강도 향상은 결합제 함유물, 즉, 시멘트 및 미세충전제를 상당히 증가시키고 물의 양을 상당히 감소시켜 향상시킬 수 있었으나, 이러한 접근은 콘크리트 혼합물의 허용가능한 일관성을 유지하기 위해 감수 혼합물(water reducing admixture)의 투여량을 증가시키는 것을 필요로 하며, 이는 콘크리트의 비용을 급격히 증가시킨다.
비산회를 분쇄하는 것과 관련한 수많은 방법이 분쇄(이는 입도가 약 11 마이크론인 비산회 입자의 양을 증가시킴) 및 산화칼슘의 동시 투여로써 포졸란 활성을 향상시키기 위해 개발되었다. 이러한 방법은 미국 특허 6,818,058호, 6,038,987호, 5,714,002호, 5,714,003호, 5,383,521호 및 5,121,795호에 기술되어 있다. 언급되고 공지된 모든 방법은 콘크리트 성분으로서 비산회 성능을 상당히 향상시키거나 비산회 특성 변동을 방지하고 최종 생성물의 일정 품질을 확보할 수 없었다.
본 발명은 상기 문제들을 해결한다.
따라서, 본 발명은 모르타르 및 콘크리트 제조에 사용되는 비산회, 예컨대 F형 및/또는 C형 비산회의 제조 방법으로서, 상기 포졸란을 분쇄 장치에서 분쇄에 의해 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 최종 생성물의 분말도(fineness)로 고에너지 기계 가공 처리하며, 상기 포졸란 입자는 조대 스코리아 입자 형태의 비(非)세노스피어가 붕괴될 때 기계적 충격을 받아 세노스피어 분쇄된 입자의 표면이 활성화되는 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 상이한 유형의 분쇄 장치, 예컨대 매질 밀링 장치, 예를 들어 교반, 원심분리, 텀블링 볼 또는 비매질 밀링 장치, 예를 들어 주된 전단 기계적 충격이 가공 처리되는 입자에 적용되고 공기 분급이 병용되는 제트, 임팩트, 롤러를 사용하여 실현시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따라, 포졸란은 예비분급하여 45 마이크론 체 상의 보유율이 90% 이상인 분획을 분리하고 과대 입자를 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도로 분쇄하여 28일 후 포졸란 지수 ASTM C 618에 따른 강도 75% 이상을 달성한다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시양태에 따라, 포졸란을 예비분급하여 45 마이크론 체 상의 보유율이 95% 이상인 분획을 분리하고 과대 입자를 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도로 분쇄하였다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시양태에 따라, 포졸란을 예비분급하여 45 마이크론 체 상의 보유율이 99% 이상인 분획을 분리하고 과대 입자를 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도로 분쇄하였다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시양태에 따라, 상기 예비분급 후에 포졸란을 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도로 상호분쇄(intergrinding)하였다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시양태에 따라, 포졸란을 분쇄하여, 최종 생성물이 하기 입도 분포를 갖도록 하였다.
≤ 5 마이크론 15∼25%,
≤ 10 마이클론 30∼40%,
≤ 30 마이크론 90∼95.
본 발명에 따라 처리된 포졸란은 포틀랜드 시멘트를 첨가하여 추가로 처리할 수 있다. 본 발명의 한 바람직한 실시양태에 따라, 포틀랜드 시멘트는 상기 포졸란 가공 중 또는 후에 10 중량% 이하의 양으로 상기 포졸란에 첨가한다.
또한, 감수제, 설정 시간 조절제 및/또는 강도 촉진 혼합물을 분말 형태로 상기 포졸란 가공 중 또는 후에 상기 포졸란에 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 주된 장점은 상기 제안된 비산회 가공이 비산 특성 상의 석탄 변화 및 보일러 조건의 영향을 최소화시킨다는 점이다. 또다른 장점은 콘크리트 중 포틀랜드 시멘트의 대체 증가 가능성이며, 이는 포틀랜드 시멘트 생산과 관련된 에너지 소비 및 그린 가스(green gas) 방출을 상당히 감소시킨다.
실시예
표 1 및 2에 나타낸 입도 분포(PSD) 및 화학 조성을 갖는 ASTM C에 따른 F형 비산회를 본 발명에 따라 시험하였다.
| 화학 조성 | |
| 화합물 | 비산회 |
| CaO | 15.0% |
| SiO2 | 49.4% |
| Al2O3 | 19.6% |
| Fe2O3 | 5.2% |
| SO3 | 0.8% |
| Na2O | 0.3% |
| K2O | 1.2% |
| 입도 분포 | |
| 파라미터 | 비산회 |
| 중간 입도(μm) | 15.2 |
| 최대 입도(μm) | 120 |
| 325 메쉬(45 μm) 상의 유지율, % | 22 |
하기 표 3은 본 발명에 따라 가공 및 비가공된 보충 시멘트질 물질(SCM) 및 포틀랜드 시멘트(ASTM C 150에 따른 유형 1)의 50/50 중량 배합물의 ASTM C 109에 따른 강도 향상을 나타낸다.
| 압축 강도 향상, MPa (psi) | ||||
| SCM 유형 | 경화 시간, 일 | |||
| 1 | 3 | 7 | 28 | |
| 1. 분급 후 미가 공된 스코리아 (95%가 45 마이 크론 보다 큼) |
2.5 (364) | 4.3 (630) | 5.8(842) | 9.0(1315) |
| 2. 분급 후 가공 된 스코리아 (95%가 30 마이 크론보다 미세 함) |
6.6 (962) | 14.3 (2079) | 20.1 (2903) | 28.7(4158) |
| 3. 가공된 스코 리아를 갖는 가 공된 비산회 (최 종 생성물 95%가 30 마이크론보다 미세함) |
8.8 (1269) | 19.1 (2769) | 27.0(3911) | 35.2(5108) |
| 4. I형 시멘트와 고로슬래그의 50/50 배합물 (블레인 4000 cm2/g) |
25∼28 MPa | 30∼38 MPa | ||
수득한 시험 결과는 본 발명이 포졸란 활성이 0인 완전 불활성의 조대 분획의 비산회를 반응성 부분으로 변형시킨다는 것을 나타내며, 이는 강도에 상당한 기여를 한다. 본 발명에 따라 가공된 비산회 50% 및 포틀랜드 50%를 함유하는 배합 시멘트는 28일 경화 시간에서 35∼40 Mpa인 I형 시멘트에서 경험한 평균 강도와 비슷한 강도를 증명하였으며, 이의 50/50 배합물은 고로 슬래그(blast furnace slag) 품질이 높은 것으로 증명되었다.
높은 내구성 등과 같은 상당한 성능 이점 이외에, 본 발명은 또한 일반적으로 쓰레기 매립되는 낮은 활성의 재를 콘크리트 생산에 이용가능하도록 만드는 데 환경적으로 큰 영향을 미친다.
본 발명의 몇몇 실시양태가 상기 기술되어 있다. 그러나, 본 발명은 상기 기술된 실시양태에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위 내에서 변할 수 있다.
Claims (8)
- 모르타르 및 콘크리트 제조에 사용되는 F형 및/또는 C형 비산회와 같은 비산회를 포함하는 포졸란의 제조 방법으로서, 상기 포졸란을 분쇄 장치에서 분쇄에 의해 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 최종 생성물의 분말도(fineness)로 고에너지 기계 가공 처리하며, 상기 포졸란 입자는 조대 스코리아 입자 형태의 비(非)세노스피어가 붕괴될 때 기계적 충격을 받아 세노스피어 분쇄된 입자의 표면이 활성화되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포졸란을 예비분급하여 45 마이크론 체 상의 보유율이 90% 이상인 분획을 분리하고 과대 입자를 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도(fineness)로 분쇄하여 28일 후 포졸란 지수 ASTM C 618에 따른 강도 75% 이상을 달성하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포졸란을 예비분급하여 45 마이크론 체 상의 보유율이 95% 이상인 분획을 분리하고 과대 입자를 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포졸란을 예비분급하여 45 마이크론 체 상의 보유율이 99% 이상인 분획을 분리하고 과대 입자를 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비분급 후 포졸란을 30 마이크론 체 상의 보유율이 5% 미만인 분말도로 상호분쇄(intergrinding)하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포졸란을 분쇄하여 최종 생성물이 하기 입도 분포를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 방법:
≤ 5 마이크론 15∼25%,
≤ 10 마이크론 30∼40%,
≤ 30 마이크론 90∼95%. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 포틀랜드 시멘트를 상기 포졸란 가공 중 또는 후에 10 중량% 이하의 양으로 상기 포졸란에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 감수제, 설정 시간 조절제 및/또는 강도 촉진 혼합물을 분말 형태로 상기 포졸란 가공 중 또는 후에 상기 포졸란에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
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