KR20140141995A - 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물 - Google Patents

석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물 Download PDF

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KR20140141995A
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류금성
고경택
안기홍
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한국건설기술연구원
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Abstract

바텀애시(Bottom Ash) 및 플라이애시(Fly Ash)로 이루어진 석탄회(Coal Ash)를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물로서, 화력발전소에 매립되어 있는 습식 바텀애시 중에서 5㎜ 이상 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거함으로써 자력을 띤 바텀애시의 부식에 따른 팽창압으로 인해 발생되는 콘크리트의 균열을 방지할 수 있고, 또한, 자석을 이용하여 자력을 띤 5㎜ 이상 크기를 제거한 바텀애시를 콘크리트의 굵은골재로 사용하고, 결합재(Binder)로서 시멘트를 사용하지 않고도 적정비의 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써 활성화에 의해 중합반응을 유도하여 강도 및 작업성을 확보할 수 있는, 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물이 제공된다.

Description

석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물 {CEMENTLESS CONCRETE COMPOSITION WITH LIGHTWEIGHT AGGREGATE USING COAL ASH}
본 발명은 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 바텀애시(Bottom Ash) 및 플라이애시(Fly Ash)로 이루어진 석탄회(Coal Ash)를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에 있어서 바텀애시를 굵은골재로 사용하고 플라이애시를 결합재로 사용하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
세계적으로 지구온난화 방지를 위하여 다양한 형태의 노력을 가하고 있고, 전 세계적으로 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.
또한, 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트 1 톤을 생산하는 데 이산화탄소를 약 0.9톤을 배출할 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이므로 이에 대한 방법 및 대체 물질이 제시가 시급히 요구되고 있다. 예를 들면, 국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로서, 약 5,400만 톤의 이산화탄소를 배출하고 있다. 이에 대한 타개책의 일환으로 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
특히, 국내외적으로 고로슬래그, 플라이애시 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용되고 있으나, 이런 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는 데 한계가 있다. 예를 들면, 국외에서는 중합반응에 의한 알칼리 활성화 시멘트(또는 콘크리트)에 관한 기술은 개념적으로 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 가지도록 하는 메커니즘으로 이론이 정립되었지만, 제조상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않았다.
한편, 시멘트를 전혀 사용하지 않고 석탄회만을 사용하여 콘크리트를 제조하는 종래의 기술로서, 60℃ 이상의 고온양생 과정을 통해 석탄회의 유리(Glassy) 피막을 파괴하여 반응을 유도하여 30MPa 이상을 확보할 수 있는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 고온양생으로 인한 에너지 소비와 이산화탄소 배출 문제가 발생하였다.
또한, 종래의 기술로서, 메타카올린을 사용하는 경우가 있으나, 카올린을 700~800℃로 소성하여 메타카올린을 사용하기 때문에 이 과정에서 이산화탄소를 배출하고 가격도 고가이어서 실용화하는데 문제점이 있었다.
또한, 종래의 기술로서, 고로슬래그를 단독으로 사용하고 고알칼리성을 가진 액상 NaOH, KOH 등의 알칼리 활성화제를 사용하여 무시멘트 콘크리트를 제조하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법에 의한 콘크리트는 상온에서도 50MPa 정도의 압축강도가 발현되나, 급격한 유동성 저하 및 초기 급결현상 등으로 작업성을 확보하기 어렵고, 수축 등이 크게 발생하는 등 실용화하는데 문제가 되고 있다.
한편, 골재(Aggregate)는 시멘트 콘크리트나 아스팔트 혼합물을 만들기 위해 이용되는 자갈, 쇄석, 모래 등과 같은 입상의 재료를 지칭하는 것으로, 다양한 형태와 크기를 가지며 비중에 따라 경량골재, 일반골재, 중골재로 구분된다. 이중에서 경량골재는 모래나 자갈보다 가벼운 골재로서, 경량 콘크리트 등의 재료로 사용되는 것을 말한다.
구체적으로, 이러한 골재는 초기에 석탄재와 화산 분출물의 하나인 화산력이 쓰였지만 20세기 초부터 각종 인공골재를 비롯해서 팽창 슬래그(Slag) 등이 제조되어 그 사용량은 해를 거듭할수록 증가하고 있다. 특히, 2차 세계대전 이후에 천연의 모래나 자갈도 부족하고 갑자기 일어난 건축붐으로 인공경량골재(Lightweight aggregate)의 생산이 촉진되어 그 수요가 많이 증가하였다.
국내의 경우, 건축토목용 골재의 부족 현상은 해가 갈수록 심화되고 있기 때문에 그 해결책이 시급한 실정이다. 또한, 국내의 각종 골재는 그 수요에 비해 실제 허가량이 적기 때문에 불법으로 채취되는 경우가 많고, 이에 따라 자연훼손의 주범이 되고 있으며, 특히, 천연경량골재는 국내에 원료 생산지가 드물고, 부존자원도 부족하기 때문에 국내에서는 생산하기 어려운 단점이 있다.
이러한 인공경량골재는 경량특성, 단열성, 흡음성, 내열성, 가공성, 경제성, 친환경성 등 복잡한 각각의 산업분야에서 요구되어지는 광범위한 기능을 갖는 소재로서, 내력구조용 및 비 내력구조용 인공경량골재, 그리고 고기능성의 환경소재 등의 광범위한 분야로 적용하고 있다.
또한, 이러한 인공경량골재는 주로 팽창혈암, 팽창점토 등의 천연 원료를 이용하였지만, 최근에는 플라이애시(Fly Ash)와 각종 슬러지를 이용한 인공경량골재가 생산되고 있으며, 특히, 각종 폐기물을 이용한 인공경량골재에 대한 연구 및 상업화가 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 플라이애시나 바텀애시(Bottom Ash)를 이용한 경량골재 제조기술은 오래전부터 연구되어 경량골재로 상용화되어 시판되고 있다.
구체적으로, 화력발전소에서 발생되는 석탄회 중에서 플라이애시(비산재)는 시멘트 원료 및 콘크리트 혼화재로 등으로 대부분 소비되고 있으나, 석탄회 발생량 중 15~25% 정도를 차지하는 바텀애시(바닥재)는 대부분 매립 처분되어 막대한 처리비용에 따른 경제적 손실과 매립지 증가에 따른 국토의 효율적 활용을 저해하는 요인으로 작용한다. 이에 따라 바텀애시를 시멘트와 함께 또는 대체재로 사용하는 무시멘트 모르타르 또는 콘크리트에 대한 연구가 진행되고 있다.
예를 들면, 시멘트를 전혀 사용하지 않고 바텀애시와 화학성분이 비슷한 플라이애시만을 사용하여 콘크리트를 제조하는 종래의 기술로서, 60℃ 이상의 고온양생 과정을 통해 석탄회의 유리 피막을 파괴하여 반응을 유도함으로써 20MPa 이상을 확보할 수 있는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 중합반응에 의한 것으로 강도를 높이는데 한계가 있는 문제가 발생하였다.
한편, 화력발전소에서 발생하는 플라이애시와 제철소의 부산물인 고로슬래그는 시멘트 원료, 콘크리트용 혼화재료 등으로 50% 정도가 활용되고 있지만, 나머지는 해안 및 육상 매립에 의해 처리되고 있어 매립지확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라 매립 시 발생되는 침출수와 미세 분말로 구성된 석탄회의 분진 침출에 의해 많은 환경문제를 유발하고 있다. 특히, 석탄 화력발전소에서 부산물로 발생하는 석탄회는 집진하는 장소에 따라 플라이애시와 바텀애시로 구분되는데, 플라이애시는 연소과정에서 생성된 석탄회 중에서 미세한 크기의 입자로 연소가스와 함께 연소로를 통과하여 배출되며 총 석탄회 발생량의 80 내지 85%를 차지하고, 바텀애시는 연소로 내에서 보일러 하부로 낙하하여 고형화된 물질을 분쇄기를 사용하여 25mm 이하의 입도로 분쇄시킨 것으로 총 석탄회 발생량의 15 내지 20% 정도가 발생되는데, 상기 플라이애시의 경우, 그 재활용방안이 다각도로 연구 및 사용되고 있지만, 상기 바텀애시의 경우 아직까지 그 재활용방안에 대한 연구 및 사용이 미비한 실정이다.
이러한 바텀애시는 석탄회의 일종으로 국내에서는 전체 석탄회 발생량의 약 20중량%를 차지한다. 바텀애시는 화력발전소의 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중에 의해 보일러 바닥으로 떨어지며, 입경은 1~2.5mm정도이다. 보일러 하부에 모인 바텀애시는 그라인더(Grinder)로 분쇄된 후, 트랜스퍼 탱크(Transfer Tank)에 보내지고, 재활용되지 않는 플라이애시 및 물과 함께 고압 펌프의 작동에 의해 회처리장으로 보내진 후, 매립 처리되고 있다.
통상적으로, 콘크리트는 천연 포졸란(pozzolan) 재료, 실리카흄(silica fume), 플라이애시(Fly Ash), 고로슬래그 미분말 등을 시멘트 혼합재로 사용하여 제조하고 있다.
이러한 시멘트 혼합재는 상대적으로 고가인 시멘트의 사용량을 줄이면서, 콘크리트의 강도 발현, 화학 저항성 증대, 동결융해 저항성 증대, 콘크리트의 수화열 저감을 통한 수화열에 의한 콘크리트 균열 방지 등의 내구성 향상 작용을 하여 콘크리트의 성능 향상에 기여하는 바가 크기 때문에 그 수요가 점차 늘어나고 있는 추세이다.
또한, 이러한 시멘트 혼합재와 관련된 기술 축적에 의해 시멘트 혼합재의 시멘트 치환량을 기존의 10% 내외에서 최근에는 30% 이상까지 확대하고 있기 때문에 이러한 시멘트 혼합재에 대한 수요가 더욱 증대되고 있다. 특히, 플라이애시는 단가가 매우 낮기 때문에 시멘트 혼합재로 널리 사용되고 있으며, 석탄을 열원으로 사용하는 화력발전소, 열병합발전소, 제지공장 등에서 폐부산물로 생성되고 있다. 통상적으로, 레미콘을 제조할 때 화력발전소에서 생성된 플라이애시는 정제하여 사용하고 있다. 즉, 이러한 플라이애시의 경우, 한국산업규격인 KSL 5405에서 그 규격을 엄격히 규정하고 있어, 발전소에서 배출되는 플라이애시를 정제 처리한 후에 사용하고 있다.
한편, 도 1은 5㎜ 이상 크기의 바텀애시를 굵은골재로 사용한 경우, 철근에 부식이 발생한 것을 나타내는 사진이고, 도 2는 도 1에 도시된 철근의 부식에 의해 콘크리트에 균열이 발생한 것을 나타내는 사진이다.
화력발전소에서 매립되어 있는 습식 석탄회는 석탄회 발생량중 약 25% 정도를 차지하는 바텀애시와 동절기에 사용되지 않는 플라이애시가 혼합된 것이다. 기본적으로, 전체 바텀애시 중에서 5㎜ 이상 크기의 자력을 띤 바텀애시는 약 3~30%를 차지하며, 자력을 띤 5㎜ 이상 크기의 바텀애시(10)를 굵은골재로 직접 사용하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 철근(20)이 부식되고, 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 균열(30)을 발생시킬 수 있다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이 이러한 철근(20)의 부식은 녹을 발생시키며, 이에 따라 콘크리트 표면이 오염되고, 부식이 점차 진행됨에 따라 팽창압으로 인해 골재의 부피가 최대 4배 이상 팽창하면서 콘크리트에 균열(30)을 발생시키고, 결국 콘크리트의 내구수명을 저하시키는 주요 원인이 된다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-873872호(출원일: 2008년 7월 31일), 발명의 명칭: "석분슬러지와 바텀애시를 혼합한 인공경량골재의 제조방법" 대한민국 공개특허번호 제2012-120665호(공개일: 2012년 11월 2일), 발명의 명칭: "바텀애시를 포함하는 결합재" 대한민국 등록특허번호 제10-1043932호(출원일: 2009년 8월 17일), 발명의 명칭: "바텀애쉬를 포함하는 비소성 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 조성물" 대한민국 공개특허번호 제2013-48482호(공개일: 2013년 5월 10일), 발명의 명칭: "바텀애시를 포함하는 콘크리트용 결합재 조성물" 대한민국 등록특허번호 제10-945141호(출원일: 2009년 8월 25일), 발명의 명칭: "경량 시멘트 복합체 및 그 제조방법" 대한민국 공개특허번호 제2012-117108호(공개일: 2012년 10월 24일), 발명의 명칭: "바텀애시를 포함하는 결합재" 대한민국 등록특허번호 제10-1121724호(출원일: 2009년 9월 2일), 발명의 명칭: "고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물 및 무시멘트 콘크리트의 제조방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 석탄회를 사용하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에서 화력발전소에 매립되어 있는 습식 바텀애시 중에서 5㎜ 이상 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거함으로써 자력을 띤 바텀애시의 부식에 따른 팽창압으로 인해 발생되는 콘크리트의 균열을 방지할 수 있는, 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 자석을 이용하여 자력을 띤 5㎜ 이상 크기를 제거한 바텀애시를 콘크리트의 굵은골재로 사용하고, 결합재(Binder)로서 시멘트를 사용하지 않고도 적정비의 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써 활성화에 의해 중합반응을 유도하여 강도 및 작업성을 확보할 수 있는, 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물은, 굵은골재, 결합재, 잔골재 및 배합수를 포함하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 굵은골재는 자력을 띠고 있는 5mm 이상 크기를 제거한 바텀애시(Bottom Ash)이고; 그리고 상기 결합재는 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 포함하며, 이들의 비율은 플라이애시 50~70중량%, 고로슬래그 미분말 25~35중량%, 규산나트륨 3~8중량% 및 알칼리성 무기질재료 2~7중량%인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 바텀애시는, 화력발전소에서 발생되어 매립되어 있는 40㎜ 이하 크기의 바텀애시 중에서 자석을 이용하여 자력을 띠고 있는 5mm 이상 크기의 바텀애시는 제거한 것으로, 콘크리트의 굵은골재의 대체재로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 자석은 700G(가우스) 이상의 자력의 크기로 5mm~40mm 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 결합재는, 시멘트를 사용하지 않고도 강도 및 작업성을 확보하도록 상기 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써 활성화에 의해 중합반응을 유도하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 3,300~8,200㎠/g일 수 있다.
여기서, 상기 규산나트륨의 SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3~3.4일 수 있다.
여기서, 상기 알칼리성 무기질재료는 NaOH, KOH 또는 Ca(OH)2일 수 있다.
본 발명에 따르면, 석탄회를 사용하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에서 화력발전소에 매립되어 있는 습식 바텀애시 중에서 5㎜ 이상 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거함으로써 자력을 띤 바텀애시의 부식에 따른 팽창압으로 인해 발생되는 콘크리트의 균열을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자석을 이용하여 자력을 띤 5㎜ 이상 크기를 제거한 바텀애시를 콘크리트의 굵은골재로 사용하고, 결합재(Binder)로서 시멘트를 사용하지 않고도 적정비의 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써 활성화에 의해 중합반응을 유도하여 강도 및 작업성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 콘크리트 제조에 있어 시멘트를 전혀 사용하지 않고 고온양생이 필요하지 않기 때문에 콘크리트 제조 시 다량의 CO2 가스의 발생을 줄일 수 있고 이에 따라 환경오염을 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 산업 부산물인 고로슬래그가 재활용되므로 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라, 매립 시 발생되는 침출수에 의해 발생하는 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있다.
도 1은 5㎜ 이상 크기의 바텀애시를 굵은골재로 사용한 경우, 철근에 부식이 발생한 것을 나타내는 사진이다.
도 2는 도 1에 도시된 철근의 부식에 의해 콘크리트에 균열이 발생한 것을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물 제조방법의 동작흐름도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 자력 크기에 따른 바텀애시의 선별 결과를 예시하는 도면들이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 자력 크기에 따른 크기가 5㎜ 이상 크기의 바텀애시의 선별 결과를 예시하는 도면들이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 바텀애시를 사용한 콘크리트의 부식 발생량을 예시하는 도면들이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 배합강도에 따른 압축강도 시험결과를 예시하는 도면들이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 바텀애시 치환율에 따른 압축강도 시험결과를 예시하는 도면들이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물(100)은, 잔골재 및 배합수를 포함하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물로서, 상기 굵은골재는 자력을 띠고 있는 5mm 이상 크기를 제거한 바텀애시(Bottom Ash)이고, 그리고 상기 결합재는 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 포함하며, 이들의 비율은 플라이애시 50~70중량%, 고로슬래그 미분말 25~35중량%, 규산나트륨 3~8중량% 및 알칼리성 무기질재료 2~7중량%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물(100)은, 화력발전소에서 발생되어 매립되어 있는 40㎜ 이하 크기의 바텀애시 중에서 자력을 띤 5㎜ 이상 크기의 바텀애시는 자석을 이용하여 제거하고, 콘크리트의 굵은골재 대체재로 사용할 수 있다. 이때, 상기 자석은 700G(가우스) 이상의 자력의 크기로 5mm~40mm 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 결합재(Binder)로서 시멘트를 사용하지 않고 적정비의 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써, 활성화에 의해 중합반응을 유도하여 강도 및 작업성을 확보할 수 있고, 이에 따라 시멘트가 완전히 대체된 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 3,300~8,200㎠/g일 수 있고, 여기서, 상기 알칼리성 무기질재료는 NaOH, KOH 또는 Ca(OH)2일 수 있다. 또한, 상기 규산나트륨의 SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3~3.4일 수 있다. 이러한 규산나트륨 등에 의해 건조수축, 내구성이 매우 우수하여 시멘트를 사용한 일반 콘크리트를 대체하여 콘크리트 구조물에 충분히 적용할 수 있다.
즉, 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 화력발전소에서 생산되는 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 알칼리성 무기질 재료 및 규산나트륨으로 구성된 결합재를 적용하고, 적정비율의 배합수를 적용하여 작업성이 우수하고 친환경적인 인공경량 무시멘트 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물(100)은, 친환경적이며, 압축강도가 18MPa~60MPa의 강도가 발현될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물(100)은, 콘크리트 제조에 있어 시멘트를 전혀 사용하지 않고 고온양생이 필요하지 않기 때문에 콘크리트 제조시에 다량의 CO2 가스의 발생을 줄일 수 있고 이에 따라 환경오염을 줄일 수 있다. 또한, 산업 부산물인 고로슬래그가 재활용되므로 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라, 매립 시 발생되는 침출수에 의해 발생하는 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있다.
한편, 도 4는 자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물을 제조하기 위해서, 자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치(200)는, 콘베이어 벨트(210), 자석 롤러(220), 비자성체 취합부(230) 및 자성체 취합부(240)를 포함한다.
자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치(200)는, 콘베이어 벨트(210)에 자석 롤러(220)가 결합되어 있다. 화력발전소에서 발생되어 매립되어 있는 40㎜ 이하 크기의 바텀애시로서, 자력을 띠지 않은 바텀애시인 비자성체(310), 및 자력을 띤 바텀애시인 자성체(320)가 상기 콘베이어 벨트(210)를 따라 공급된다. 이때, 상기 자석 롤러(220)에 의해 자력을 띤 바텀애시는 자성체 취합부(240)로 취합되고, 자력을 띠지 않은 바텀애시는 비자성체 취합부(230)로 취합된다. 후속적으로, 상기 자성체 취합부(240)에 취합된 자력을 띤 바텀애시 중에서 5㎜~40㎜ 크기의 바텀애시는 제거된다.
결국, 석탄회 중에서 5㎜ 미만 크기의 바텀애시 및 자력을 띠지 않은 바텀애시가 본 발명의 실시예에 따른 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물의 굵은골재로 사용될 수 있고, 또한 석탄회 중에서 플라이애시는 결합재로 사용될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물 제조방법의 동작흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물 제조방법은, 굵은골재, 결합재, 잔골재 및 배합수를 포함하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물의 제조방법으로서, 먼저, 도 4에 도시된 자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치를 사용하여 자력을 띤 5mm 이상 크기의 바텀애시를 제거한다(S110). 즉, 자력을 띤 바텀애시를 분류한 후 5㎜~40㎜ 크기의 바텀애시를 제거한다. 이때, 상기 자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치는 상기 자석을 이용하여 700G(가우스) 이상의 자력의 크기로 5mm~40mm 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거하게 된다.
다음으로, 굵은골재(Coarse Aggregate)로 사용할 바텀애시를 준비한다(S120). 즉, 상기 바텀애시는 화력발전소에서 발생되어 매립되어 있는 40㎜ 이하 크기의 바텀애시 중에서 자석을 이용하여 자력을 띠고 있는 5mm~40㎜ 크기의 바텀애시는 제거한 것으로, 콘크리트의 굵은골재 대체재로 사용될 수 있다.
다음으로, 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 알칼리성 무기질재료 및 규산나트륨으로 이루어진 결합재(Binder)를 준비한다(S130). 이때, 상기 결합재의 비율은 플라이애시 50~70중량%, 고로슬래그 미분말 25~35중량%, 규산나트륨 3~8중량% 및 알칼리성 무기질재료 2~7중량%일 수 있고, 상기 결합재는, 시멘트를 사용하지 않고도 강도 및 작업성을 확보하도록 상기 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써 활성화에 의해 중합반응을 유도하게 된다.
다음으로, 배합비에 따라 바텀애시, 잔골재, 결합재 및 배합수를 넣고 배합한다(S140). 이때, 상기 배합비는 구현하고자 하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트의 압축강도에 따라 달라질 수 있다.
다음으로, 교반 및 양생을 통해 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물을 형성한다(S150). 이에 따라 상기 인공경량골재 무시멘트 콘크리트는 18MPa~60MPa의 압축강도가 발현되게 된다.
한편, 도 6a 및 도 6b는 각각 자력 크기에 따른 바텀애시의 선별 결과를 예시하는 도면들이고, 도 7a 및 도 7b는 각각 자력 크기에 따른 크기가 5㎜ 이상 크기의 바텀애시의 선별 결과를 예시하는 도면들이며, 도 8a 및 도 8b는 각각 바텀애시를 사용한 콘크리트의 부식 발생량을 예시하는 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 자력 크기에 따른 바텀애시의 선별 결과를 예시하는 도면들로서, 예를 들면, 바텀애시 500g의 샘플을 가지고 자력을 5가지로 나누어 바텀애시 내의 자력 크기에 따라 자력이 띠는 바텀애시를 선별한 결과를 나타낸다. 그 결과에 따르면, 자력이 클수록 바텀애시 내의 자력을 띠는 바텀애시는 많이 검출되었고, 자력이 700G를 이상에서는 5㎜ 미만 미분말 형태의 바텀애시가 많이 검출되었다.
도 7a 및 도 7b는 각각 자력 크기에 따른 크기가 5㎜ 이상 크기의 바텀애시의 선별 결과를 예시하는 도면들로서, 전술한 도 6a에서 자력을 가진 바텀애시 중 크기가 5㎜ 이상 크기의 바텀애시를 선별한 결과를 나타낸다. 그 결과에 따르면, 자력을 가진 5㎜ 이상 크기의 바텀애시는 자력 700가우스 이상에서 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
도 8a 및 도 8b는 각각 바텀애시를 사용한 콘크리트의 부식 발생량을 예시하는 도면들로서, 바텀애시를 가지고 자력을 5가지로 나누어 바텀애시 내의 자력 크기에 따라 자력을 띠는 바텀애시를 제거한 바텀애시를 굵은골재로 사용하여 콘크리트를 제작한 후 갈바닉 전위차를 이용한 부식촉진시험을 실시한 결과를 나타낸다. 이때, 콘크리트 설계강도는 28MPa로 하였다. 그 결과에 따르면, 자력이 700G(가우스), 900G, 1500G에서 자력을 띤 바텀애시를 제거한 바텀애시를 사용한 콘크리트에서는 철근부식에 의한 흔적은 발생되지 않았다. 반면에, 500G 및 200G에서는 각각 2곳, 7곳에서 부식이 발생되었다. 특히, 200G에서는 부식에 의한 팽창압으로 인해 콘크리트에 균열이 발생되었다.
결국, 전술한 자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치는 700G(가우스) 이상의 자력의 크기로 5mm~40mm 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
[실험예]
도 9a 및 도 9b는 각각 배합강도에 따른 압축강도 시험결과를 예시하는 도면들이고, 도 10a 및 도 10b는 각각 바텀애시 치환율에 따른 압축강도 시험결과를 예시하는 도면들이다.
본 발명의 실시예에 따른 바텀애시를 일반 콘크리트에 사용되는 굵은골재의 대체재로서의 활용 여부를 파악하기 위해 콘크리트 배합강도, 바텀애시 치환율에 대해 압축강도 실험을 수행하였다. 이때, 시공성을 확보하기 위해 슬럼프를 12ㅁ3㎝에 맞추기 위해 폴리카본산계 고성능 감수제를 적절히 사용하였다.
도 9a 및 도 9b는 콘크리트 설계기준강도 25MPa, 35MPa, 45MPa 3가지에 대해 일반 굵은골재와 바텀애시를 대체재로 사용한 것에 대해 28일 압축강도를 측정한 결과이다. 그 결과에 따르면, 일반골재와 바텀애시를 대체한 경우에 압축강도에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
또한, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 바텀애시 치환율에 따른 압축강도 변화를 콘크리트 배합강도 35 MPa의 조건에서 굵은골재의 대체재로 사용한 바텀애시의 대체비율만을 배합변수로 하여 그 대체비율이 각각 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%, 5가지에 따른 압축강도 실험을 실시하였다. 그 결과에 따르면, 도 10b에 도시된 바와 같이, 바텀애시 치환율을 달리한 경우에도 압축강도에는 큰 영향은 없는 것으로 분석되었다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에서 화력발전소에 매립되어 있는 습식 바텀애시 중에서 5㎜ 이상 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거함으로써 자력을 띤 바텀애시의 부식에 따른 팽창압으로 인해 발생되는 콘크리트의 균열을 방지할 수 있다.
또한, 자석을 이용하여 자력을 띤 5㎜ 이상 크기를 제거한 바텀애시를 콘크리트의 굵은골재로 사용하고, 결합재(Binder)로서 시멘트를 사용하지 않고도 적정비의 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써 활성화에 의해 중합반응을 유도하여 강도 및 작업성을 확보할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 인공경량골재 무시멘트 콘크리트
200: 자력을 띤 바텀애시 골재 제거장치
210: 콘베이어 벨트
220: 자석 롤러
230: 비자성체 취합부
240: 자성체 취합부
310: 비자성체(자력을 띠지 않은 바텀애시)
320: 자성체(자력을 띤 바텀애시)

Claims (7)

  1. 굵은골재, 결합재, 잔골재 및 배합수를 포함하는 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물에 있어서,
    상기 굵은골재는 자력을 띠고 있는 5mm 이상 크기를 제거한 바텀애시(Bottom Ash)이고; 그리고
    상기 결합재는 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 포함하며, 이들의 비율은 플라이애시 50~70중량%, 고로슬래그 미분말 25~35중량%, 규산나트륨 3~8중량% 및 알칼리성 무기질재료 2~7중량%인 것을 특징으로 하는 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바텀애시는, 화력발전소에서 발생되어 매립되어 있는 40㎜ 이하 크기의 바텀애시 중에서 자석을 이용하여 자력을 띠고 있는 5mm 이상 크기의 바텀애시는 제거한 것으로, 콘크리트의 굵은골재의 대체재로 사용되는 것을 특징으로 하는 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자석은 700G(가우스) 이상의 자력의 크기로 5mm~40mm 크기의 자력을 띤 바텀애시를 제거하는 것을 특징으로 하는 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결합재는, 시멘트를 사용하지 않고도 강도 및 작업성을 확보하도록 상기 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 규산나트륨 및 알칼리성 무기질재료를 혼합함으로써 활성화에 의해 중합반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 3,300~8,200㎠/g인 것을 특징으로 하는 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 규산나트륨의 SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3~3.4인 것을 특징으로 하는 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 알칼리성 무기질재료는 NaOH, KOH 또는 Ca(OH)2인 것을 특징으로 하는 석탄회를 사용한 인공경량골재 무시멘트 콘크리트 조성물.
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