KR20130111105A - 무기성 폐자원을 활용한 인공경량골재의 제조방법 - Google Patents

무기성 폐자원을 활용한 인공경량골재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인공경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 잔사회 및 저회 중 1종 이상을 포함하는 석탄회; 준설토, 유기질토, 무기질토 및 침전토 중 1종 이상을 포함하는 점결제를 혼합하여 인공경량골재 조성물을 제조하는 단계 및 상기 성형체를 소성하는 단계를 포함하는 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 석탄회를 이용하여 균질한 성형체를 제공하고, 성형체의 소성시 발포성 및 발포균질화를 보다 향상시키고, 화력 발전소 등의 폐자원에 대한 재활용도를 높일 수 있다.

Description

무기성 폐자원을 활용한 인공경량골재의 제조방법{Method for Manufacturing Artificial Lightweight Aggregate using Inorganic waste resources}
본 발명은 무기성 폐자원을 활용한 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.
구조물의 축조를 위해 주요 재료로 사용되고 있는 골재는 경제 발전의 가속화와 더불어 수요량이 증가 되고 있다. 하지만, 하천의 환경보존, 댐 건설 및 자원비축 등 채취 곤란의 이유와 천연자원의 고갈 등으로 생산이 급속히 감소 되고 있으며, 이와 반면에 산업 발전에 따라 산업폐기물은 매년 양적으로 급속히 증가 되고 있어 이들 폐기물을 재활용하기 위한 기술개발이 요구되고 있으며, 최근에서 골재의 제조에 적용하는 방안이 제시되고 있다.
특히, 산업폐기물 중 무기성 폐기물로는 화력발전소에서 발생되는 석탄회를 예를 들 수 있고, 상기 석탄회는 미분탄을 보일러에서 연소할 때 연소잔재로서 발생된다. 미분탄은 뜨거운 공기기류 속에 고속으로 노내로 주입되어 석탄에 함유된 광물질의 용융점 이상인 1,500 ± 200 ℃ 온도범위에서 부유상태로 순간적으로 연소된다. 그 결과 석탄회는 연소온도뿐만 아니라, 탄종, 분쇄도, 노내 고온부에서의 체류시간 등에 따라 여러 가지 화학적, 물리적 변화를 받게 된다. 이렇게 생성된 석탄회는 대부분이 아주 미세한 분말형태로 배연가스와 함께 연소로 밖으로 운반되어 전기집기에서 포집되는데 이러한 회를 비회(fly ash)와 연소로 바닥이나 벽에 누적된 회를 수집한 잔사회(Cinder ash), 그리고 연소로 내에서 소결에 의해 입자가 형성된 상태에서 보일러 하부로 낙하여 고형화된 물질을 분쇄기를 사용하여 일정 이하로 분쇄시킨 저회(bottom ash)가 있다. 이들 중 비회는 대부분 콘크리트 혼화재로 사용되고 있으나, 잔사회와 저회의 경우, 물리, 화학적 성질이 토건재료로 사용하기에는 어려움이 따르며, 일부 도로용 노반골재, 채움재, 충전재로 사용되고 있으나, 거의 대부분은 단순 폐기 매립되고 있는 실정이다.
이러한 석탄회를 재활용하기 위해서, 석탄 비산재 (플라이애시), 점토, 석분오니를 사용하는 방법 (출원번호 : 10-2008-0138178), 석분, EAF더스트, 점토와 알루미늄 페드로스, 적니, 하수오니 소각재 등으로 조성물에 사용한 경량골재의 제조방법(출원번호 : 10-2002-0085890), 및 하수슬러지, 정수슬러지, 염색슬러지, 제당슬러지 등과 주점결제인 플라이애시, 보조점결제인 점토, 폐광미를 사용한 경량골재용 조성물의 제조방법 (출원번호 : 10-2004-0063372) 등과 같이 석탄회를 콘크리트용 골재와 혼화재로 재활용하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 석탄회 발생량의 10~15 % 차지하고 있는 저회와 비회 중 혼화재 사용이 불가능한 잔사회와 저회에 대한 재활용 방법은 매우 미흡한 실정이다.
또한, 건설시 폐기물로 처리되고 있는 준설토 또한 매년 계속적으로 증가하고 있지만 이 또한 재활용하는 방안이 전무하고, 폐기물 관리법상 준설토는 일반폐기물로 지정되어 있으며, 강, 호수, 해상 등에서 발생하는 준설토는 오염 정도에 따라 소량이 재활용되고 있지만, 대부분 매립 및 해양 투기에 의해 처리되고 있다. 현재 약 80 %는 투기장에 투기하고 있으며, 10 % 정도의 오염 준설토는 해양에 투기되고 있어, 이들 폐기물을 재활용하기 위한 방법적 검토가 충분히 이루어져야 한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 무기성 폐자원인 석탄회 (잔사회 및 저회), 및 점결제를 첨가하여 제조한 성형체의 소성시 발포성 및 발포균질화를 향상시킬 수 있는 인공경량골재의 제조방법 및 이로 제조된 인공경량골재을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양상은,
잔사회 및 저회 중 1종 이상을 포함하는 석탄회; 및 준설토, 유기질토, 무기질토 및 침전토 중 1종 이상을 포함하는 점결제를 혼합하여 인공경량골재 조성물을 제조하는 단계;
상기 조성물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
상기 성형체를 소성하는 단계를 포함하는 인공경량골재의 제조방법 및 이로 제조된 인공경량골재에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양상은, 상기 방법으로 제조된 인공경량골재에 관한 것이다.
본 발명에 의한 인공경량골재의 제조방법은 화력발전소에서 회수된 석탄회 중 잔사회 및 저회, 준설토를 활용하여 밀도 및 수분 흡수율이 우수하고, 균일한 물성을 가진 인공경량골재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 화력발전소의 부산물 중 재활용이 어려운 석탄회 중 잔사회 및 저회, 준설토를 효과적으로 재활용할 수 있기에 폐기물의 자원재활용면에서 우수한 효과를 가져오는 동시에 환경보호를 실현할 수 있는 이점을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 인공경량골재의 제조방법을 제공하는 것으로, 상기 제조방법은 무기성 폐기물을 전량으로 구성하여 균일한 물성의 건축자재로써 그 적용성이 우수한 인공경량골재를 제공할 수 있다.
상기 제조방법은 인공경량골재 조성물을 제조하는 단계, 성형체를 제조하는 단계 및 소성하는 단계를 포함한다.
상기 인공경량골재 조성물을 제조하는 단계는 석탄회 및 점결제를 혼합하여 인공경량골재 조성물을 제조한다. 상기 석탄회는 잔사회 및 저회 중 1종 이상을 포함한다. 바람직하게는 상기 석탄회는 잔사회 및 저회의 혼합물이며, 상기 잔사회 대 저회의 혼합비는 1:0.01 내지 1:5(w/w)이며, 바람직하게는 1:0.1 내지 1:1(w/w)이다. 상기 혼합비가 상기 범위 내로 포함되면 우수한 밀도 및 수분 흡수율을 가진 성형체를 제공할 수 있다.
상기 잔사회 및 저회는 화력발전소에서 나오는 부산물이거나 또는 무기성 폐자원에서 회수된 것을 이용할 수 있고, 보다 구체적으로 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, TiO2, P2O5, MnO, ZrO2 및 기타 성분으로 이루어져 있으며, 바람직하게는 상기 SiO2 100 중량부에 대해 Al2O3 10 내지 60 중량부, Fe2O3 1 내지 20 중량부, CaO 1 내지 20 중량부, MgO 0.01 내지 10 중량부, Na2O 0.01 내지 10 중량부, K2O 0.01 내지 10 중량부, TiO2 0.01 내지 10 중량부, P2O5 0.01 내지 5 량부, MnO 0.01 내지 5 중량부, ZrO2 0.01 내지 5 중량부로 구성될 수 있다. 특히, 상기 잔사회 및 저회는 SiO2가 다량 함유되어 있어 성형체의 소성시 유리질이 형성되고, 소성시 융제 역할을 할 수 있는 CaO 등과 같은 알카리 성분들이 포함되어 있기에 발포 온도의 제어가 가능하다. 또한, 소성시 골재 내부 공극의 균질한 형성과 치밀한 표피층의 형성에 기여한다.
상기 석탄회는 건조기 등을 통해 건조되고, 버티컬 롤밀, 볼밀, 제트 밀 등으로 일정 크기 이하, 바람직하게는 300 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 200 ㎛ 이하의 입도로 분쇄될 수 있다. 또한, 상기 분쇄된 석탄회는 선별장치에서 유해물질을 분리한 이후 이용될 수 있다.
상기 석탄회는 조성물 전체 100 중량부에 대해 10 내지 90 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게는 50 내지 80 중량부이다. 상기 함량이 10 중량부 미만이면 석탄회의 함량이 상대적으로 낮아져 석탄회의 재활용 측면에서 효과적이지 않으며, 90 중량부를 초과하면 석탄회의 낮은 가소성에 의해 균질한 성형체의 제조가 어려우며, 점결제의 함량이 상대적으로 낮아져 소성골재의 기계적 강도가 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
상기 점결제는 경량골재 강도 향상 및 원활한 성형을 제공하기 위한 것으로, 준설토, 유기질토, 무기질토 및 침전토 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 준설토이다. 상기 준설토는 강, 호수, 해상 등의 건설 현장, 준설 작업 등에서 회수된 폐기물이다. 또한, 상기 점결제는 규산염 광물(카올린나이트, 벤토나이트 등) 등과 같은 점토류를 더 포함할 수 있다.
상기 점결제는 큰 자갈을 분리하는 선별장치를 통해 선별 작업을 실시하는 것이 바람직하며, 필요에 따라 세척과정을 거쳐 염분 등과 같은 불순물 제거하고, 건조기 등을 통해 건조과정을 거친 다음, 버티컬 롤로 밀, 볼밀, 제트 밀 등을 이용하여 일정 크기 이하, 바람직하게는 300 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 200 ㎛ 이하의 입도로 분쇄될 수 있다.
상기 점결제는 인공경량골재 조성물 전체 100 중량부에 대해 5 내지 90 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게는 30 내지 80 중량부이다. 상기 점결제의 함량이 5 중량부 미만이면 가소성 저하에 의해서 성형체 제조에 어려움이 있으며 점결제의 함량 저하에 따른 소성골재의 기계적 강도가 낮아질 수 있고, 90 중량부를 초과하면 석탄회 비율의 감소에 따른 자원재활용 측면에서 효과적이지 못하여 바람직하지 않다.
상기 석탄회 대 점결제의 혼합비는 1:0.01 내지 1:9(w/w)이며, 바람직하게는 1:0.4 내지 1:4이다. 상기 혼합비가 상기 범위 내로 포함되면 석탄회의 낮은 가소성에 의한 성형체의 기공 생성을 낮추어 성형체의 강도가 저하되는 것을 방지할 뿐만 아니라 균질한 성형체를 형성시킬 수 있다.
상기 인공경량골재의 조성물은 골재의 미세공극의 구조 개선을 통해 흡수율 및 밀도 등의 경량골재의 성능을 향상시키기 위해서 물성조절제를 더 포함할 수 있으며, 상기 물성조절제는 CaO, CaSO4, MgO, Na2SiO 및 Fe2O3 중 1종 이상의 성분을 포함하는 무기성 폐기물이며, 바람직하게는 폐석고이다.
상기 물성조절제는 인공경량골재 조성물 전체 100 중량부에 대해 0.3 내지 10 중량부로 첨가되어 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.3 내지 5 중량부, 더 바람직하게는 0.3 내지 3 중량부가 첨가된다. 상기 물성조절제의 함량이 0.3 중량부 미만이면 성형체의 미세공극의 개선효과를 얻을 수 없고, 10 중량부를 초과하면 골재외부(shell)에 다량의 열린공극의 형성과 소성골재 내부의 불균일한 거대 기공형성으로 높은 흡수율과 밀도 저하에 따른 기계적 강도의 저하가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 인공경량골재 조성물을 제조하는 단계는 구성성분을 밀 또는 교반기 등을 이용하여 10 분 내지 2 시간 동안 건식 혼합하거나 또는 습식 혼합하여 균일한 혼합체를 제조한다.
상기 성형체를 제조하는 단계는 상기 인공경량골재 조성물을 본 기술 분야에서 적용가능한 성형기를 이용하여 원하는 형상으로 성형한다.
상기 소성하는 단계는 상기 성형체를 발포성 및 발포 균질이 원활히 이루어지는 1,050 내지 1,200 ℃의 온도에서 5분 내지 1시간, 바람직하게는 5분 내지 30분 동안 소성한다. 상기 소성 이후에 소결체는 냉각기를 통과시키면서 약 400 내지 500 ℃의 온도로 서서히 냉각시키고, 다시 상온으로 자연 냉각시킨다. 예를 들어, 로터리 킬른, 박스로, 튜브로, 마이크로웨이브 소결로 등을 이용할 수 있다. 특히, 로터리킬른의 이용시 성형체를 1 내지 4 m/min의 속도로 이동시키면서 소성할 수 있다.
본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 경량골재를 제공하는 것으로, 상기 경량골재는 밀도 2.0 g/cm3이하, 흡수율 30 % 이하, 바람직하게는 25 % 이하이고, 우수한 기계적 강도를 나타낼 수 있다.
이하 본 발명을 하기의 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것은 아니다.
[ 실시예 1 내지 3]
표 1 및 표 2에 제시한 바와 같이, 석탄회 중 잔사회, 저회 및 점결제를 조합하여 펠렛타이저를 이용하여 원형으로 성형하였다. 상기와 같이 성형된 성형체를 충분히 건조할 수 있도록 200℃이하의 온도에서 함수율 10%이하로 건조한 후, 소성 온도 1,050℃, 1,100℃, 1,150℃, 1,200℃에서 10분 소성한 후, 250℃ 온도에서 대기중으로 방출하여 경량골재를 제조하였다. 상기 제조된 경량골재는 밀도 및 흡수율(KS F 2533 구조용 경량굵은골재의 밀도 및 흡수율 시험방법)을 측정하여 표 3에 제시하였다.
구분
(중량%)		 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 MnO ZrO2 감량
잔사회 57.2 23.3 6.9 4.7 1.2 0.7 1.1 1.2 0.2 0.1 0.1 3.0
저회 55.8 23.8 7.3 6.6 2.1 0.7 0.9 1.2 0.72 0.1 0.1 0.3
준설토 67.2 14.6 5.1 0.7 1.0 2.3 2.7 0.8 0.1 0.1 - 4.8
폐석고 1.2 0.7 0.3 36.0 0.7 0.1 0.1 0.03 0.1 - - 4.7
구분
(중량 %)		 실시예
1 2 3
잔사회 50 35 20
저회 20 15 10
준설토 30 50 70
구분 실시예
1 2 3
소성 온도(℃) 1050 1100 1150 1050 1100 1150 1050 1100 1150
밀도(g/cm3) 1.7 1.44 1.17 1.8 1.45 1.14 1.5 1.39 1.08
흡수율(%) 15.2 18.1 19.8 16.4 17.3 20.8 18.1 19.7 24.5
[ 실시예 4 내지 6]
표 4에 제시한 바와 같이 구성성분을 구성하고, 폐석고를 외첨으로 포함하고, 1,100℃에서 10 분간 소성 한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량골재를 제조하였다. 상기 제조된 경량골재는 밀도 및 흡수율(KS F 2533 구조용 경량굵은골재의 밀도 및 흡수율 시험방법)을 측정하여 표 5에 제시하였다. 또한, 제조된 경량골재 외부 균열 제어 효과를 표 6에 나타내었다.
구분
(중량%)		 실시예
4 5 6
잔사회 50 50 50
저회 20 20 20
준설토 30 30 30
폐석고 2 5 10
구분 실시예
4 5 6
소성온도(℃) 1100 1100 1100
밀도(g/cm3) 1.48 1.44 1.41
흡수율(%) 22.8 26.1 27.5
실시예 1 실시예 4 실시예 5 실시예 6
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
표 1, 표 3, 표 5 및 표 6을 살펴보면, 본 발명에서 이용한 잔사회, 저회, 준설토의 경우, 유리질을 형성할 수 있는 실리카(Silica) 성분 및 융제(flux) 성분인 알칼리류 성분이 함유되어 있고, 물성조절제인 폐석고는 알칼리류 성분이 다량 함유되어 있기에 본 발명에 이용한 무기성 폐기물들은 발포 온도의 제어에 필요한 성분을 포함하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 무기성 폐기물인 잔사회, 저회, 준설토, 폐석고 등을 혼합하여 경량골재를 제조할 경우에 건축자재로써 적용성이 우수한 물성을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있고, 특히, 폐석고의 투입시 내부공극의 균일한 발포와 소성골재 표피의 치밀화가 잘 이루어져 경량골재 외부 균열 제어 효과가 우수한 것을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 잔사회 및 저회 중 1종 이상을 포함하는 석탄회; 및 준설토, 유기질토, 무기질토 및 침전토 중 1종 이상을 포함하는 점결제를 혼합하여 인공경량골재 조성물을 제조하는 단계;
    상기 조성물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 석탄회는 인공경량골재 조성물의 전체 100 중량부에 대해 10 내지 90 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 점결제는 인공경량골재 조성물의 전체 100 중량부에 대해 5 내지 90 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 석탄회 대 점결제의 혼합비는 1:0.01 내지 1:9(w/w)인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인공경량골재의 조성물은 물성조절제를 더 포함하고, 상기 물성조절제는 조성물의 전체 100 중량부에 대해 0.3 내지 15 중량부로 첨가하여 포함되는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물성조절제는 CaO, CaSO4, MgO, Na2O, Fe2O3 , 및 K2O 중 1종 이상을 포함하는 무기성 폐기물인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 물성조절제는 폐석고인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소성하는 단계는 1,050 내지 1,200 ℃의 소성 온도에서 5분 내지 1 시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법.
  9. 제1항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 인공경량골재.
  10. 잔사회 및 저회 중 1종 이상을 포함하는 석탄회; 및 준설토, 유기질토, 무기질토 및 침전토 중 1종 이상을 포함하는 점결제로 제조되고, 밀도가 2.0 g/cm3 이하이고, 흡수율이 30 % 이하인 것을 특징으로 하는 인공경량골재.
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KR20190099765A (ko) 2018-02-20 2019-08-28 주식회사 네오그린 무시멘트 결합재를 이용한 비소성 인공경량골재 조성물 및 그 제조방법

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