KR20130136153A

KR20130136153A - 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130136153A
Application number: KR20120059757A
Authority: KR
Inventors: 김귀식; 김현관; 김충옥; 조미경; 신상엽
Original assignee: 제주대학교 산학협력단; 조미경; 신상엽
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-12-12
Also published as: KR101383646B1

Abstract

본 발명은 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 현무암 석분슬러지 80∼100중량%, 제주점토 10∼20중량%, 유리분말 50∼100중량%, 탄산칼슘 5∼10중량%로 배합한 소지재료를 물과 함께 혼합하여 성형체로 성형한 후, 상기 성형체를 소성발포 및 건조하여 제작하거나, 현무암 석분슬러지 100중량%와 탄화규소(SiC) 0.5∼1.0중량%로 배합하고 물유리 20중량%를 넣어 혼합한 소지재료를 성형체로 성형한 후, 상기 성형체를 소성발포 및 건조하여 제작함으로써, 환경오염을 유발할 수 있는 현무암 석분슬러지를 효율적으로 이용하여 저가의 경량골재를 만들 수 있는 효과가 있다.

Description

현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재 및 그 제조방법{LIGHTWEIGHT AGGREGATE MADE FROM WASTE STONE SLUDGE OF BASALT}

본 발명은 현무암 석분슬러지를 이용하여 토목 건축자재 등의 다양한 용도로 사용할 수 있는 경량골재 및 상기 경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

제주도에 널리 산재되어 있는 암석은 주로 현무암으로 석재가공 공장에서 원석을 채석하여 판석, 경계석 등으로 절단 및 연마한 후 도로 포장재나 건축재로 주로 이용하고 있다. 현무암은 염기성화산암에 속하고 암석학적으로 단단한 종류의 암석으로 SiO₂ 함유량이 47∼52% 범위이고, 크고 작은 기공을 포함하는 다공질이 많으며 주로 회색 및 흑색의 색상을 나타낸다.

현무암 석재 제품의 생산과정은 석산에서 채석된 5ton 크기 이상의 원석을 다이아몬드 톱이 장착된 절단기를 이용하여 제품 크기에 맞도록 절단하고, 중간 톱과 작은 톱, 연삭기 등을 이용하여 가공하는 재단과정을 거친 후 형태가 완성되면, 연마작업 및 모따기 과정을 거쳐 석제품이 완성된다.

석재 가공과정에서 원석의 약 50% 이상이 폐석 및 석분슬러지로 발생하여 산업폐기물이 된다. 특히, 석분슬러지는 매립지 확보가 어려워서 야적되어 있는 상태가 대부분으로 분진으로 인한 대기, 토양 및 지하수오염 등의 환경문제를 유발시킨다.

석재가공과정에서 발생하는 석분슬러지는 그 입도가 75㎛ 이하가 65%, 75∼250㎛가 34%일 정도로 미세하여, 석분슬러지만을 시멘트 등의 바인더로 고정하는 것이 어려우므로 현무암 폐 석분슬러지의 재활용에 관한 연구는 석분슬러지를 소성하여 제품을 제조하는 기술이 연구되고 있다.

그 중 석분슬러지를 소성 발포하여 만든 다공질 경량 발포자재는 녹화, 단열, 원예, 수질정화, 건축, 토목 등 많은 용도로서 활용할 수 있으므로 순환형 사회구축에 있어서도 꼭 필요한 고부가가치를 가진 상품으로 간주되고 있다.

다공질 경량 발포골재를 제조하기 위해서는 중요한 인자는 시료의 성질과 소성방법이므로, 먼저 시료의 화학조성이 발포범위에 있는지를 파악해야한다. 일반적으로 Riley의 발포조성범위 SiO₂ 60∼70%, Al₂O₃ 15∼25%, Fe₂O₃ 5∼10%, CaO+MgO 0∼6%, Na₂O+K₂O 3∼4%를 지표로 하여, 이를 SiO₂-Al₂O₃-Flux의 3성분계 좌표로 표시하여 발포범위를 판단한다.

한편, 다른 중요한 발포인자는 소성방법이다. 소성방법은 발포온도, 발포온도까지 도달하는 승온속도 및 온도 유지시간이 중요하다. Imani 등은 소성방법을 급열법 혹은 준급열법과 서열법으로 구분하였다. 급열법은 노내 온도가 소정의 온도에 도달했을 때 시료를 투입하고 그 온도에서 약 10분간 유지한 후 냉각하는 것이고, 준급열법은 승온속도를 10∼25℃/min로 가열하여 소정의 온도에서 약 10분간 유지한 후 냉각하는 것이며, 서열법은 승온속도를 10℃/min 이하로 하여 소정의 온도에서 약 10분간 유지한 후 냉각하는 것이다. 따라서 경량 발포골재를 제조하기 위해서는 소지재료들의 화학성분을 파악하여 시료를 조성해야 하고, 적절한 소성방법을 선정하여야 한다.

본 출원과 유사한 목적의 연구로서는 현무암 폐석분슬러지를 소지재료로 하여 인공다포체를 제조한 대한민국 특허 제10-0952225호가 있으나, 본 출원과는 소지재료의 종류, 시료의 조성 및 소성방법 등이 다르다.

한국 등록특허 제10-0952225호

본 발명은 석재 가공과정에서 발생하는 현무암 폐석분슬러지의 재활용 방안에 관한 것으로 석분슬러지를 주재료로 점결제 및 발포제를 혼합한 후 성형건조하고 하고 소성발포하여 제조한 경량골재 및 상기 경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재를 제조하기 위한 방법으로서, 현무암 석분슬러지 80∼100중량%, 제주점토 10∼20중량%, 유리분말 50∼100중량%, 탄산칼슘 5∼10중량%로 배합하여 시료를 만드는 단계; 상기 시료에 함수율이 10∼15중량%이 되도록 물을 첨가하는 단계; 20MPa의 가압력에 의해 일정한 형상으로 성형하는 단계; 상기 성형체를 건조하는 단계; 및 급열법으로 발포하는 단계를 포함하여 경량골재를 제조하는 것을 특징으로 하고 있다.

한편, 경량골재를 제조하는 다른 방법으로서, 현무암 석분슬러지 100중량%와 탄화규소(SiC) 0.5∼1.0중량%로 배합하는 단계; 물유리 20중량%를 넣어 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 20MPa의 압력으로 가압하여 일정한 형상의 성형체로 성형하는 단계; 상기 성형체를 건조하는 단계; 및 급열 혹은 서열법으로 발포하는 단계를 포함하여 경량골재를 제조하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재는 현무암 인조석을 제조할 때 골재로 사용함으로서 무게가 가벼운 건축 및 토목자재를 제작할 수 있다. 이 외에도 다음과 같은 환경에 이롭고 경제적인 성과를 달성할 수 있다.

즉, 환경공해를 유발할 수 있는 폐석 및 석분슬러지의 폐기비용 절감할 수 있는 효과가 있다. 인공적으로 만든 경량 인조석은 자연석 현무암의 질감에 큰 차이가 없으므로 자연석의 대체품으로 충분한 효과가 있다.

앞으로 제주도에서 환경파괴 등의 이유로 석산의 확보가 어렵게 되므로 수입 물량이 많아 질 것이나, 현무암 석분슬러지를 이용하여 현무암 자연석으로 만든 골재에 버금가는 제품을 생산할 수 있게 되므로 수입대체의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재의 제조방법 순서도
도 2은 제주점토의 배합비에 따른 경량 발포골재의 비중과 흡수율 그래프
도 3은 제주점토의 배합비에 따른 경량 발포골재 사진
도 4는 유리분말 50wt% 일 때의 경량 발포골재의 비중과 흡수율 그래프
도 5는 유리분말 100wt% 일 때의 경량 발포골재의 비중과 흡수율 그래프
도 6은 유리분말 50wt% 일 때의 경량 발포골재의 사진
도 7은 유리말 100wt% 일 때의 경량 발포골재의 사진
도 8은 탄산칼슘 배합비에 따른 경량 발포골재의 비중과 흡수율
도 9는 탄산칼슘의 배합비에 따른 경량 발포골재의 사진
도 10은 탄화규소(SiC)의 첨가량에 따른 경량 발포골재의 사진

이하, 본 발명에 따른 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

경량골재의 제조는 발포소성에 의해 가능하다. 그 기구는 소지재료의 가열에 의해 적당한 점성을 가진 용융액이 생성하고, 공존하는 가스발생 물질로부터 가스가 발생하여 용융액이 가스와 함께 팽창하여 다포체가 형성되어 급랭에 의해 고정된다.

따라서 경량골재를 제조하기 위해서는 원료의 화학성분의 파악이 필요하다. 일반적으로 Riley의 발포조성범위 SiO₂ 60∼70%, Al₂O₃ 15∼25%, Fe₂O₃ 5∼10%, CaO+MgO 0∼6%, Na₂O+K₂O 3∼4%를 지표로 하여, 이를 SiO₂-Al₂O₃-Flux의 3성분계 좌표로 표시하여 발포범위를 판단한다.

아래의 표 1에 현무암 석분슬러지와 제주 점토의 화학성분을 나타내었다. 현무암 석분슬러지와 제주점토의 화학성분을 Riley의 발포조성범위를 나타내는 SiO₂-Al₂O₃-Flux의 3성분계 좌표에 표시하여 보면, 점토의 경우 발포조성범위 내에 위치하므로 소성하면 발포가 되지만, 석분슬러지는 발포조성범위 밖에 위치하므로 현무암 석분슬러지만을 가지고 발포골재를 제조할 수 없다.

화학성분	현무암석분슬러지	제주점토
SiO₂	50.61	62.26
Al₂O₃	14.35	15.55
TiO₂	2.07	1.21
Fe₂O₃	11.91	6.88
MnO	0.15	0.08
MgO	7.59	0.97
CaO	8.78	0.51
Na₂O	2.77	0.91
K₂O	0.71	1.87
P₂O₅	0.28	0.08
LOI	0.56	9.33

따라서, Al₂O₃에 대한 SiO₂의 상대적인 비율이 높게 하고 가스발생을 많게 하는 발포제를 사용하여, 소성시 생성되는 용융액의 양을 증가시켜서 성형체 내부에서 발생하는 가스가 외부로 방출되는 것을 막아 발포가 되도록 하였다.

SiO₂의 비율을 높게 하기 위해 유리분말을, 성형성을 양호하게 하는 점결제로서 제주점토를, 그리고 발포제로서 탄산칼슘(CaCO₃)을 선택하였다. 이들 소지재료를 혼합하기 위해서 분말형태가 아닌 제주점토와 유리는 볼밀장치를 이용하여 입도 300mesh 이하의 분말로 만들었다.

경량골재를 제조하는 순서는 도 1에서 나타낸 것처럼 소지재료의 혼합, 성형, 건조 및 소성발포이다. 아래의 표 2에 소지재료들의 배합비를 나타낸다. B100 시험편은 현무암 석분슬러지 100중량%를 말하며, BC91은 현무암 석분슬러지 90중량%와 제주점토 10중량%가 혼합된 시험편임을 나타낸다. 현무암 석분슬러지와 제주점토의 혼합물을 100중량%로 정한 후 이를 기준으로 유리분말과 탄산칼슘(CaCO₃)을 첨가하였다.

시험편	석분슬러지	제주점토	유리분말	탄산칼슘
B100	100%	0%	100%	5%
BC91	90%	10%	50%, 100%	0%, 5%, 10%
BC82	80%	20%	100%	5%

성형은 소지재료를 혼합한 후 함수율 10중량%가 되도록 물을 가하여 폐석분 성형기를 이용하여 성형하였다. 10중량%의 함수율은 재료를 손으로 쥐었을 때 재료의 형상이 유지되는 정도로써, 함수율이 15중량%를 넘어갈 경우 가압과정에서 문제가 생기고, 함수율 10중량% 이하에서는 재료 사이의 결합이 제대로 이루어지지 않았다.

성형에 이용한 석분 성형기는 유압식으로 작동하며, 20MPa의 가압력으로 성형하였고, 성형체의 건조는 전기로를 이용하여 100℃에서 12시간하였다. 소성방법은 급열법으로 소성온도는 1100℃, 1150℃ 및 1200℃에서, 유지시간은 15분으로 행하였다.

도 2에 점토의 첨가량에 따른 경량골재의 비중 및 흡수율을 나타내었다. 모든 배합비에서 물에 뜨는 경량골재를 제조할 수 있었지만 BC91 시험편의 경우가 가장 우수하였다. 현무암 석분슬러지 100중량%인 B100 시험편의 경우 BC91 시험편보다 비중이 크고, 반대로 BC82 시험편보다 작다. 이는 도 3에 나타낸 점토의 첨가량에 따른 발포골재의 단면을 통해서도 알 수 있다. BC91 시험편의 경우가 다른 시험편에 비하여 기공의 크기가 더 큼을 알 수 있고, B100, BC82 순으로 기공의 크기가 감소함을 확인할 수 있다.

다음으로, 유리분말의 첨가량이 발포골재의 제조에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 현무암 석분슬러지 90중량%, 제주점토 10중량%, 탄산칼슘(CaCO₃)을 5중량%로 고정하고, 유리분말의 양을 배합물의 50중량%와 100중량%의 경우에 대하여 소성온도 1,100, 1150 및 1200℃로, 유지시간을 15분간 급열법으로 소성을 하였다.

도 4와 5에 유리분말의 첨가량에 따른 발포골재의 비중 및 흡수율을 나타내고, 도 6과 7에 발포골재의 형상을 나타내었다. 유리분말 첨가량이 100중량%, 소성온도 1,150℃에서 가장 우수한 결과를 나타내었고, 동일한 소성온도일지라도 유리분말의 첨가량이 많음에 따라 시험편의 표면에 더 많은 용융상이 형성되어짐을 알 수 있다.

그리고, 탄산칼슘의 첨가량이 발포골재의 제조에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 현무암 석분슬러지 90중량%, 제주점토 10중량%, 유리분말 100중량%로 고정하고 탄산칼슘(CaCO₃)을 5중량%와 10중량% 첨가한 경우 소성온도 1,150℃, 유지시간 15분간, 급열법으로 소성을 하여 발포골재를 제조하였다.

도 8에 탄산칼슘 첨가량에 따른 비중과 흡수율을, 도 9에 탄산칼슘의 첨가량에 따른 경량 발포골재 형상 및 단면을 나타내었다. 탄산칼슘의 첨가량이 증가함에 따라 과다한 용융상이 형성하여 소성 수축력을 증가시키므로 치밀화되어 흡수율은 감소하게 된다. 그러나 소성 수축력의 증가로 인하여 압축강도는 증가될 것이라 판단되어진다.

한편, 발포공정의 개선을 위하여 본 발명에서 검토한 발포방법을 아래의 표 3에 나타낸다.

방법	주 재료	SiO₂보충제	발포조제	결합제	성형	소성방법	결 과
1	석분슬러지	유리분말	탄산칼슘	제주점토	물	급열법	발포
2	석분슬러지	유리분말	탄화규소	제주점토	물	급열법	과다발포
3	석분슬러지	물유리	탄산칼슘			서열법	소성
4	석분슬러지	물유리	탄화규소			서열법	발포

방법 1에 대하여는 앞 절에서 설명한 것처럼 발포골재를 제조할 수 있지만 복잡한 제조공정을 거쳐야 된다. 소지재료들을 혼합하기 위해서 모든 재료들이 분말이어야 하므로, 제주점토를 분쇄하여 분말을 만들고, 또 유리를 분쇄한 후 분말로 만들어서 이들 및 석분슬러지와 탄산칼슘을 볼밀장치로 균일하게 혼합하여야 한다. 그리고 성형을 한 후 성형체를 급열하는데, 이는 1,150℃의 고온에서 가마의 문을 열고 성형물을 투입하여야 하므로 방화복을 착용하고 작업을 하여야 하는 어려움이 많았다.

따라서 이 방법을 현장에서 적용하기에는 약간의 어려움이 있으므로 SiO₂의 보충과 결합제로서 물유리를 사용하고 서열법으로 소성을 하였다.

상기한 표 4의 방법 2에서 나타낸 바와 같이, 방법 1에서 발포제를 탄산칼슘 대신 탄화규소로 대체하여 발포한 결과 슬럼프 및 발포가 과다하게 발생하여 압축강도 등에 문제가 있었다. 그러나 발포조제로서 탄화규소가 탄산칼슘보다 발포성능이 우수함을 알 수 있었다.

방법 3에서 SiO₂의 보충과 결합제로서 물유리를 사용하고, 발포제로서 탄산칼슘을 사용하여 일반소성을 한 경우 발포가 되지 않았다. 방법 4에서 발포제로 탄화규소(SiC)를 사용하여 석분슬러지와 물유리와 혼합 성형한 후 서열법으로 소성하여 발포골재를 제조할 수 있었다. 이에 방법 4를 기준으로 하여 발포골재를 제조하는 것으로 하였다.

석분슬러지 1400g을 100중량%로 하여 물유리 20중량%, 탄화규소 0.5중량%를 배합한 경우와 탄화규소 1.0중량%를 혼합한 경우에 대하여 경량 발포골재를 제조하는 것으로 하였다. 소지재료의 혼합은 석분슬러지와 탄화규소를 볼밀장치로 1시간 30분 정도 혼합한 후 물유리를 첨가하였다. 물유리를 20중량%를 첨가한 경우가 성형성이 가장 우수하였다.

20MPa의 압력으로 가압 성형한 후 100℃에서 3시간 동안 건조하고, 승온속도 5℃/min의 서열법으로 1,150℃의 소성온도에서 15분간을 유지하여 소성발포를 하였다.

이렇게 제작한 탄화규소를 0.5중량%와 1.0중량%를 배합한 경우의 발포골재를 도 10에 나타내었다. 질감은 자연석과 유사하며, 색감은 자연석보다 양호하다. 탄화규소를 0.5wt.% 배합한 경우의 압축강도는 평균 35MPa, 비중은 평균 1.84, 흡수율은 3.4%이었으며, 탄화규소를 1.0wt.% 배합한 경우의 압축강도는 평균 29MPa, 비중은 평균 1.83g/㎤, 흡수율은 평균 5.7%이었다.

이상과 같이 본 발명에 따른 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재 및 그 제조방법에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims

현무암 석분슬러지 80∼100중량%, 제주점토 10∼20중량%, 유리분말 50∼100중량%, 탄산칼슘 5∼10중량%로 배합한 소지재료를 물과 함께 혼합하여 성형체로 성형한 후, 상기 성형체를 소성발포 및 건조하여 제작한 것을 특징으로 하는 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재.
제1항에 있어서,
물과 함께 혼합된 상기 소지재료의 함수율은 10∼15중량%인 것을 특징으로 하는 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재.
제1항에 있어서,
물과 함께 혼합된 상기 소지재료는 승온속도를 5℃/min 이상으로 하고, 1,100∼1,200℃의 소성온도에서 10∼20분간을 유지한 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재.
현무암 석분슬러지 100중량%와 탄화규소(SiC) 0.1∼1.5중량%로 배합하고 물유리 10∼30중량%를 넣어 혼합한 소지재료를 성형체로 성형한 후, 상기 성형체를 소성발포 및 건조하여 제작한 것을 특징으로 하는 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재.
제4항에 있어서,
물유리를 넣은 상기 소지재료의 성형은 가압성형인 것을 특징으로 하고, 승온속도를 5℃/min 이상으로 하며, 1,100∼1,200℃의 소성온도에서 10∼20분간을 유지한 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 현무암 석분슬러지를 이용한 경량골재.
볼밀장치를 이용하여 석분슬러지와 유리분말 및 탄산칼슘을 배합하여 소지재료를 만드는 단계;
상기 소지재료에 물을 첨가하는 단계;
물이 첨가된 상기 소지재료를 성형하여 성형체를 만드는 단계;
상기 성형에 의해 일정한 형상으로 된 성형체를 건조하여 소성하는 단계; 및
건조된 상기 성형체를 고온발포하는 단계;
를 포함하여, 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항의 경량골재를 제조하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 현무암 석분슬러지 80∼100중량%, 제주점토 10∼20중량%, 유리분말 50∼100중량% 및 탄산칼슘 5∼10중량%로 배합하여 소지재료를 만드는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 소지재료에 10∼15중량%의 함수율로 물을 첨가하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
제6항에 있어서,
물과 함께 혼합된 상기 소지재료는 승온속도를 5℃/min 이상으로 하고, 1,100∼1,200℃의 소성온도에서 10∼20분간을 유지한 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
볼밀장치를 이용하여 석분슬러지와 탄화규소(SiC)를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계;
상기 혼합물에 물유리를 첨가하여 소지재료를 만드는 단계;
물유리가 첨가된 상기 소지재료를 성형하여 성형체를 만드는 단계;
상기 성형에 의해 일정한 형상으로 된 성형체를 건조하여 소성하는 단계; 및
건조된 상기 성형체를 고온발포하는 단계;
를 포함하여, 제4항 또는 제5항의 경량골재를 제조하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 현무암 석분슬러지 100중량%와 탄화규소(SiC) 0.1∼1.5중량% 및 물유리 10∼30중량%로 배합하여 소지재료를 만드는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.
제10항에 있어서,
물유리를 넣은 상기 소지재료의 성형은 가압성형인 것을 특징으로 하고, 승온속도를 5℃/min 이상으로 하며, 1,100∼1,200℃의 소성온도에서 10∼20분간을 유지한 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조방법.