KR20160047101A - 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로수쇄 슬래그에 석유 코크스 연소재와 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 부산물로 발생되는 황산나트륨을 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체할 수 있는 결합재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물은 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, CaO 함량이 61~85중량%인 석유 코크스 연소재 10~500중량부와, Na2O 함량이 10~50중량%이고 SO3 함량이 10~50중량%인 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 부산물로 발생되는 황산나트륨 0.1~50중량부를 포함하며, 비표면적이 3,000~8,000cm2/g인 것을 특징으로 한다.

Description

순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물{BINDER COMPOSITION}
본 발명은 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고로수쇄 슬래그에 석유 코크스 연소재와 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 부산물로 발생되는 황산나트륨을 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체할 수 있는 결합재 조성물에 관한 것이다.
온실가스의 55%를 차지하는 CO2의 배출량 중 약 8%는 시멘트 제조 분야에서 배출되는 것으로 집계되고 있다. 1종 보통시멘트는 고온(약 1,450)상태에서 용융과정을 거쳐 생산되기 때문에 대량의 에너지를 소비하게 되는데 1톤의 시멘트를 제조하는 경우 석회석은 약 1.13톤, 클링커의 소성에 필요한 유연탄은 130kg 정도가 소비된다. 이에 따른 이산화탄소의 배출량은 석회석의 하소 단계에서 약 0.50톤, 화석 연료의 연소를 통한 소성 공정에서 약 0.40톤으로서 결국 1톤의 시멘트를 생산할 때마다 약 0.9톤의 이산화탄소를 배출하게 된다. 따라서 향후 온실가스 감축은 시멘트 업계의 가장 큰 현안으로 등장할 것이다.
따라서 시멘트의 사용량을 최소활 할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이며, 향후 시멘트 업계는 시멘트 클링커 생산량을 50% 이상 감축해야할 것으로 예견된다. 그러나 세계의 시멘트 수요량은 향후 21세기 초반까지 매년 2.5~5.8% 정도의 증가가 예상되고 있어 교토의정서의 준수와 시멘트 수요의 증가를 동시에 충족시키기 위해서는 이산화탄소의 배출이 적거나 거의 없는 시멘트의 개발이 필요하다. 이에 대한 대응방안으로 시멘트의 양을 최소할 하고 다양한 산업부산물을 이용하여 시멘트와 동등 수준의 성능 발휘가 가능한 결합재를 제조할 수 있다면 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 예상된다.
한편, 정제 석유 제품에 대한 수요 증가와 잠재 성장 지속성, 원유의 점진적 품질저하로 보다 많은 페트로 코크스 원료화의 필요성이 대두됨에 따라 연료와 에너지원으로서의 생산량 및 소비량의 증가로 인한 석유 코크스를 연소한 후 발생되는 석유 코크스 연소재의 활용방안에 대한 연구가 필요한 실정이다.
또한, 제철소에서는 다양한 부산물이 발생되는데 고로 슬래그, 제강 슬래그의 경우 콘크리트 혼화재, 도로 기층재 등으로 재활용이 원활하지만 그 이외에 발생하는 산업부산물은 현재까지는 그 활용도가 매우 미흡하여 대부분 위탁 처리되고 있는 실정이다.
최근 포틀랜트 시멘트의 사용을 줄이기 위해 알칼리 활성화 슬래그를 이용한 기술이 최근 제안되고 있다. 이러한 기술은 고로수재 슬래그 및 플라이애시 등 활성화 될 수 있는 비정질 물질을 NaOH, KOH, Na2CO3, Na2SiO3 같은 강알칼리 약품으로 자극하여 일반 시멘트와 같은 특성을 발휘하며, 수밀성과 내열성이 높은 결합재를 만들 수 있다는 연구들이 보고되고 있다. 그러나 이러한 알칼리 활성화 슬래그는 자극제로 사용되는 약품이 너무 고가이기에 경제성이 취약하고, 그 강도발현 메카니즘의 특성상 탄산화 되기 쉬워 내구성이 취약하며, 또한 자극제의 pH가 13을 초과할 정도로 자극성이 강한 강알칼리를 띠고 있기 때문에 대기 중에 노출되면 쉽게 용해되는 조해성이 큰 원료들로서, 분체로서의 취급이 곤란하기 때문에 액상화하여 사용해야하는 문제를 가지고 있다.
따라서 주원료를 석회석, 점토, 철광석으로 하며 연료로 석탄을 사용하여 고온에서 열분해하여 제조되는 즉, 천연자원 및 자연훼손이 심각한 제품이며, 제조과정에서 다량의 CO2 가스를 배출하는 제품인 시멘트의 사용량을 최소화 하면서 환경 친화적이며, 내구성이 우수하고, 알칼리 금속염의 용출이 없는 친환경 결합재의 개발이 반드시 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발전소 및 제철소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시켜 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있는 결합재 조성물을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물은 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, CaO 함량이 61~85중량%인 석유 코크스 연소재 10~500중량부와, Na2O 함량이 10~50중량%이고 SO3 함량이 10~50중량%인 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 부산물로 발생되는 황산나트륨 0.1~50중량부를 포함하며, 비표면적이 3,000~8,000cm2/g인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 자극제를 0.5~200중량부 더 포함하며, 상기 자극제는 탈황 슬래그, KR 슬래그, KR 분진, 폐수산화칼슘 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하고, 상기 자극제는 제철소에서 탈황공정 부산물로 발생하는 CaO 함량이 35~75중량%, SO3 함량이 0.5~40중량%인 것이 바람직하다.
또한 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 저알칼리 플라이애시를 0.5~100중량부 더 포함하며, 상기 저알칼리 플라이애시는 SiO2 함량이 45~80중량%이고 CaO 함량이 0.1~10중량%이며 SO3 함량이 0.1~3중량%이고, 상기 저알칼리 플라이애시는 별도의 탈황설비를 보유한 화력발전소에서 배출되는 것이 바람직하다.
또한 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 고알칼리 플라이애시를 0.5~100중량부 더 포함하며, 상기 고알칼리 플라이애시는 SiO2 함량이 10~45중량%이고 CaO 함량이 10~55중량%이며 SO3 함량이 3~15중량%이고, 로내 탈황설비를 보유한 화력 또는 열병합 발전소에서 배출되는 것이 바람직하다.
또한 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 시멘트를 0.5~100중량부 더 포함하며, 상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시멘트, 초조강 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 발전소 및 제철소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있는 결합재 조성물을 제공할 수 있다.
또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 결합재에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의한 순환자원을 자극제로 이용한 결합재는 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, CaO 함량이 61~85중량%인 석유 코크스 연소재 10~500중량부와, Na2O 함량이 10~50중량%이고 SO3 함량이 10~50중량%인 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 부산물로 발생되는 황산나트륨 0.1~50중량부를 포함하며, 비표면적이 3,000~8,000cm2/g이다. 제조방법은 상기의 물질을 각각 미분쇄하여 혼합할 수도 있고 혼합 후 일괄 미분쇄하여 제조할 수 있다.
고로수쇄 슬래그는 제철 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 부산물이다. 고로수쇄 슬래그는 물과 접촉하면 비결정질 피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로수쇄 슬래그를 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위해서는 비결정질 피막이 파괴되어야 한다.
상기 석유 코크스 연소재는 석유 코크스만을 연료로 하거나 석유 코크스와 석탄을 혼합하여 연료로 하는 가압 유동층 보일러에서 석회석과 혼소하여 로내 탈황공정 중 발생한다. 석유 코크스를 연료로 사용하는 순환유동층 보일러의 탈황공정은 연소실 내에 석회석을 주입하여 연료와 함께 연소시켜 연소가스 중의 인산화황과 석회석이 로내에서 반응하여 연소가스 중의 황은 제거되고 무수석고가 생성되며, 황과 반응하지 않은 석회석은 탈탄산되어 생석회 성분으로 전이되어 배출된다. 결국, 석유 코크스 연소재는 CaO 및 CaSO4 성분으로 구성되어 있으며 pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 고로수쇄 슬래그와 같이 활용될 경우 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.
통상의 고로수쇄 슬래그에 물을 투입하게 되면, 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca2 +, Al3 + 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 석유 코크스 연소재 혼입 후 물을 투입하게 되면, 석유 코크스 연소재가 함유하고 있는 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)2로 변환되어 생성된 OH-와 탈황 과정 중 생성된 SO4 2 -성분이 고로수쇄 슬래그의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca2 +, Al3 + 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO2-H2O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다.
상기 석유 코크스 연소재는 CaO 함량이 61~85중량%이 바람직하다. 61중량% 미만이면 CaCO3, CaSO4의 화합물 형태로 존재하는 CaO 함량 약 40중량% 정도를 제외하면 순수 CaO 그 자체 형태로 존재하는 CaO 함량이 부족하다. 즉, 순수 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)2로 변환되어 생성된 OH- 이온량이 부족하기 때문에 고로수쇄 슬래그의 비결정질 피막을 단시간 내에 파괴하기가 어려워 초기 강도가 크게 저하된다. 또한 탈황공정 부산물에 존재하는 순수 CaO는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 Ca(OH)2이 될 때 반응식은 아래와 같으며 이때 체적이 약 1.99배 팽창한다.
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6kcal mol-1
따라서 순수 CaO 성분은 물과 반응하여 수산화칼슘으로 전이 후 고로수쇄 슬래그의 알칼리 자극제 역할도 수행하지만 발열에 의한 온도상승으로 고로 수재 슬래그의 수화반응 촉진, 경화체의 체적 수축을 보상하는 효과와 중성화 방지 역할등도 동시에 발휘하게 된다. 반대로 CaO 함량이 85중량% 초과이면 순수 CaO 형태로 존재하는 CaO 함량이 과도하여 수분을 과도하게 흡수하고 발열 및 팽창이 과도하게 발생하여 균열을 야기시킬 수 있다. 따라서 석유 코크스 연소재 중에서 반드시 원료 입고 전 화학적 정량 분석을 실시하여 CaO 함량이 61~85중량%인 것을 사용해야 한다.
상기 석유 코크스 연소재는 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 10~500중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 10중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 500중량부 초과일 경우 상대적으로 순수 CaO 성분이 많아져 발열 및 팽창이 과도하게 일어날 수 있다.
상기 황산나트륨은 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 발생하는 산업부산물로서 특히 제철소에서 발생되는 황산나트륨은 소결 펠렛을 만드는 공정에서 중탄산나트륨과 탈황가스가 반응하여 Na2CO3 및 Na2SO4 등의 강알칼리의 탈황부산물 및 더스트가 혼재되어 있으며 국내에서는 약 25만톤/년 정도의 많은 양이 발생한다. 상기 황산나트륨은 물과 반응시 Na+ 및 SO4 2 -로 용해되어 높은 pH를 유지시킴과 더불어 황산염 자극을 유도하므로 고로수쇄 슬래그의 수화반응을 촉진하게 된다. 따라서 제철 또는 유리 제조 공정 중에 부산물로 발생하는 황산나트륨은 고로수쇄 슬래그의 알칼리 및 황산염 복합 자극제로서 효과적으로 활용할 수 있다.
상기 황산나트륨은 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여 석유 코크스 연소재0.1~50중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.1중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 50중량부 초과일 경우 물과 반응시 급결이 일어날 수 있어 유동성 저하를 야기하며 작업성이 확보되지 못할 뿐만 아니라 오히려 28일 강도가 저하된다.
또한, 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 자극제를 0.5~200중량부 더 포함하며, 상기 자극제는 제철소에서 탈황공정 부산물로 발생하는 CaO 함량이 35~75중량%, SO3 함량이 0.5~40중량%인 탈황 슬래그, KR 슬래그, KR 분진, 폐수산화칼슘 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이들은 모두 제철소에서 탈황공정 중 발생되는 부산물이며 pH 11.5 이상의 강알칼리성 물질이다. 탈황슬래그는 제선 공정 후 제강 공정으로 이어지기 전, 용선 예비처리 등을 통해 쇳물 중 황 성분 등의 불순물을 제거하는 과정에서 부산물로 발생하며, KR 슬래그 및 KR 분진은 KR(Kanvara Reactor) 탈황방법에 의한 공정에서 발생하는 부산물이고 폐수산화칼슘 또한 탈황공정 중 집진된 분진 형태로 발생하며 Ca(OH)2가 주성분이다.
상기 자극제는 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 0.5~200중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 자극제가 0.5중량부 미만으로 혼합하게 되면 알칼리 및 황산염 복합 자극이 충분치 못하여 소정의 강도를 발현하지 못하고, 200중량부를 초과하면 상대적으로 반응할 고로수쇄 슬래그의 양이 적어지는 결과가 되어 충분한 수화물을 만들지 못하여 소정의 강도가 충분히 발현되지 않는다.
또한, 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 저알칼리 플라이애시를 0.5~100중량부 더 포함하며, 상기 저알칼리 플라이애시는 SiO2 함량이 45~80중량%이며 CaO 함량이 0.1~10중량%, SO3 함량이 0.1~3중량%이며 별도의 탈황설비를 보유한 화력발전소에서 배출되는 것이 바람직하다. 통상 콘크리트 혼화재료로 활용되는 저알칼리 플라이애시는 별도의 탈황장치를 가진 대규모 석탄 화력발전소에서 발생하는 것으로 주성분이 비결정질의 SiO2 이고 CaO 성분은 거의 없는 특징을 가지고 있어 상기 석유 코크스 연소재 및 자극제의 CaO로부터 전이된 Ca(OH)2의 자극에 의해 포졸란 반응을 하여 지속적으로 장기강도를 향상시킨다.
저알칼리 플라이애시는 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 0.5~100중량부를 포함하는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만이면 그 효과가 미비하고 100중량부를 초과할 경우 상대적으로 Ca(OH)2의 양이 적게 되어 더 이상 강도 증진이 되지 않는다.
또한, 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 고알칼리 플라이애시를 0.5~100중량부 더 포함하며, 상기 고알칼리 플라이애시는 SiO2 함량이 10~45중량%이며 CaO 함량이 10~55중량%, SO3 함량이 3~15중량%이며 로내 탈황설비를 보유한 화력 또는 열병합 발전소에서 배출되는 것이 바람직하다. 상기 고알칼리 플라이애시는 로내 탈황설비를 보유한 화력 또는 열병합 발전소에서 배출되는데 석회석이 석탄과 혼합 연소하기 때문에 석회석의 탈탄산 및 탈황 과정에서 CaO 성분과 SO3 함량이 높은 pH 11.5 이상의 고알칼리 물질로 배출된다. 이렇게 발생된 플라이애시는 국내 KS 5405 규준인 SiO2 45% 이상과 SO3 함량 5% 이하의 범위를 만족하지 못할 뿐만 아니라 미국 ASTM의 C급 플라이애시 규준인 SiO2+Al2O3+Fe2O3의 양이 50% 이상과 SO3 함량 5% 이하의 범위를 만족할 수 없기 때문에 재활용에 어려움을 겪고 있다.
고알칼리 플라이애시는 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여 0.5~100중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 100중량부 초과일 경우 상대적으로 고로수쇄 슬래그 및 저알칼리 플라이애시의 양이 상대적으로 감소하여 잠재수경성 및 포졸란 반응이 저하되고 상대적으로 CaO 성분이 많아져 물을 다량 흡수하여 유동성이 저하될 수 있다.
또한 초기강도를 증진시키기 위해 상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 시멘트를 0.5~100중량부 더 포함하며, 상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시멘트, 초조강 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 시멘트는 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여 0.5~100중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 0.5중량부 미만일 경우 그 효과가 발휘되지 못하고 100중량부 초과일 경우 상대적으로 초기강도는 상승되나 육가 크롬 등 유해성분이 용출될 수 있고 경제성 또한 부족하다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.
비교예
해성점토 1m3 기준으로 1종 시멘트 400kg, 벤토나이트 20kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크주입재를 제조하여 해성점토 1m3와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.
실시예 1
상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,130cm2/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 비표면적이 3,860cm2/g이며 CaO 함량이 68.6중량%, SO3 함량이 24.8중량%인 석유 코크스 연소재 50중량부, 비표면적이 4,230cm2/g이며 제철소 소결공정에서 발생하는 Na2O 함량이 24.5중량%이고 SO3 함량이 18.9중량%인 황산나트륨 10중량부를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.
이를 해성점토 1m3 기준으로 상기 결합재 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크주입재를 제조하여 해성점토 1m3와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.
실시예 2
상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,130cm2/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 비표면적이 3,860cm2/g이며 CaO 함량이 68.6중량%, SO3 함량이 24.8중량%인 석유 코크스 연소재 30중량부, 비표면적이 4,230cm2/g이며 제철소 소결공정에서 발생하는 Na2O 함량이 24.5중량%이고 SO3 함량이 18.9중량%인 황산나트륨 5중량부, 비표면적이 5,060cm2/g이며 제철소 용선 예비처리 탈황공정에서 발생하는 CaO 함량이 58.6중량%, SO3 함량이 13.2중량%인 탈황슬래그를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.
이를 해성점토 1m3 기준으로 상기 결합재 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크주입재를 제조하여 해성점토 1m3와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.
실시예 3
상기 비교예의 1종 시멘트를 대신하여 비표면적이 4,130cm2/g인 고로수쇄 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 비표면적이 3,860cm2/g이며 CaO 함량이 68.6중량%, SO3 함량이 24.8중량%인 석유 코크스 연소재 50중량부, 비표면적이 4,230cm2/g이며 제철소 소결공정에서 발생하는 Na2O 함량이 24.5중량%이고 SO3 함량이 18.9중량%인 황산나트륨 10중량부, 비표면적이 3,350cm2/g이며 SiO2 함량이 63.2중량%, CaO 함량이 3.1중량%, SO3 함량이 0.3중량%인 저알칼리 플라이애시 10중량부, 비표면적이 3,750cm2/g이며 SiO2 함량이 21.6중량%, CaO 함량이 48.5중량%, SO3 함량이 11.2중량%인 고알칼리 플라이애시 20중량부를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.
이를 해성점토 1m3 기준으로 상기 결합재 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크주입재를 제조하여 해성점토 1m3와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.
공시체의 시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 투수계수는 KS F 2322 변수위투수시험법에 따라 실시하고 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.
실험 방법 비고
투수계수 KS F 2322 변수위 투수시험방법
압축강도 KS F 2343 일축압축강도시험방법
중금속 용출 폐기물공정시험기준 중금속 용출시험방법
(1) 투수계수
7일 동안 20에서 양생한 공시체의 투수계수 시험성과를 표 2에 나타내었다. 표 2에서 알 수 있는바와 같이 모든 공시체에서 불투수층을 구성하여 만족할 만한 결과를 도출하였으며, 비교예보다 본 발명 실시예의 투수계수가 낮은 것을 알 수 있으며, 이는 비교예의 1종 시멘트와 벤토나이트를 사용한 경우 수화반응시 발생하는 체적수축과 공시체에 함유된 수분이 증발 또는 수화 되면서 상대적으로 투수계수가 크고, 본 발명에 따른 결합재의 경우 석유 코크스 연소재 및 황산나트륨의 수분 흡수 작용에 의해 단위수량의 저감 및 구속된 상태에서 팽창을 일으켜 화학적 프리스트레스 작용에 의해 조직이 치밀해져 상대적으로 낮은 투수성능을 보이는 것으로 판단된다.
구분 투수계수(/sec) 압축강도 3일
(kgf/cm2)		 압축강도 7일
(kgf/cm2)		 압축강도 28일
(kgf/cm2)
비교예 4.32 × 10-6 6.3 15.3 28.2
실시예1 5.61 × 10-7 7.8 15.8 29.5
실시예2 4.83 × 10-7 8.6 21.2 32.6
실시예3 4.15 × 10-7 11.2 25.1 38.2
(2) 일축압축강도의 변화
표 2에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2 와 실시예 3의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 고로수쇄 슬래그와 석유 코크스 연소재, 황산나트륨을 사용한 실시예 1은 1종 시멘트를 사용한 비교예 1과 거의 동등한 강도를 발현하였으며, 자극제가 더 포함된 실시예 2와 저알칼리 플라이애시 및 고알칼리 플라이애시가 더 포함된 실시예 3은 모든 재령에서 1종 시멘트에 비해 더욱 높은 강도를 발현함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 결합재가 1종 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.
(3) 중금속 용출 실험
KSLT
6가크롬 구리 수은 카드뮴 납 비소
허용기준 1.5 3.0 0.005 0.3 3.0 1.5
비교예 1 0.873 0.231 불검출 0.051 0.345 0.234
실시예 1 불검출 0.018 불검출 0.008 불검출 불검출
실시예 2 불검출 0.008 불검출 불검출 불검출 불검출
실시예 3 불검출 0.012 불검출 불검출 불검출 0.056
상기 표 3의 중금속 용출실험결과를 보면 비교예의 경우 허용기준치에는 만족하는 것으로 나타나지만 6가 크롬의 경우 기준치의 50%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시예는 모두 6가 크롬이 불검출되었다.
따라서 본 발명의 결합재는 발전소 및 제철소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 고로수쇄 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 건설공사에서 가장 널리 사용되는 1종 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있다. 또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있다.

Claims (5)

  1. 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여,
    CaO 함량이 61~85중량%인 석유 코크스 연소재 10~500중량부와,
    Na2O 함량이 10~50중량%이고 SO3 함량이 10~50중량%인 제철소 소결공정 또는 유리 제조 공정에서 부산물로 발생되는 황산나트륨 0.1~50중량부를 포함하며,
    비표면적이 3,000~8,000cm2/g인 것을 특징으로 하는 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 자극제를 0.5~200중량부 더 포함하며,
    상기 자극제는 탈황 슬래그, KR 슬래그, KR 분진, 폐수산화칼슘 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하고,
    상기 자극제는 제철소에서 탈황공정 부산물로 발생하는 CaO 함량이 35~75중량%, SO3 함량이 0.5~40중량%인 것을 특징으로 하는 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 저알칼리 플라이애시를 0.5~100중량부 더 포함하며,
    상기 저알칼리 플라이애시는 SiO2 함량이 45~80중량%이고 CaO 함량이 0.1~10중량%이며 SO3 함량이 0.1~3중량%이고,
    상기 저알칼리 플라이애시는 별도의 탈황설비를 보유한 화력발전소에서 배출되는 것을 특징으로 하는 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 고알칼리 플라이애시를 0.5~100중량부 더 포함하며,
    상기 고알칼리 플라이애시는 SiO2 함량이 10~45중량%이고 CaO 함량이 10~55중량%이며 SO3 함량이 3~15중량%이고,
    로내 탈황설비를 보유한 화력 또는 열병합 발전소에서 배출되는 것을 특징으로 하는 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고로수쇄 슬래그 100중량부에 대하여, 시멘트를 0.5~100중량부 더 포함하며,
    상기 시멘트는 1종 시멘트, 3종 시멘트, 초조강 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환자원을 자극제로 이용한 결합재 조성물.
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