KR20160108882A

KR20160108882A - 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물

Info

Publication number: KR20160108882A
Application number: KR1020150032226A
Authority: KR
Inventors: 김준수
Original assignee: 김준수
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-09-21
Also published as: KR101679396B1

Abstract

본 발명은 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바텀애시 10~30중량%와, 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 탈황석고 10~30중량%와, 포틀랜드 시멘트 2~10중량%와, 플라이애시 20~40중량% 및 자극제 2~10중량%를 혼합하여 조성되는 것을 특징으로 하는 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물에 관한 것이다.

Description

산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물{THE ARTIFICIAL SOIL COMPOSITION FOR RECOVERING AN QUARRY MINING}

우리나라 토석채취장은 대체로 소규모이거나 영세한 곳이 많으며, 사업장이 방치되거나 중단되는 등의 상황이 발생하고 있다. 이로 인해 토석 채취장이 자연경관을 훼손시키고 부실한 복구로 인해 사회문제로 대두되고 있다. 따라서, 토석 채취장은 사업시행 후 완벽한 복구가 중요하므로 시(군)에서 복구현장의 주기적인 관리가 필요하며, 복구설계서 승인 기준대로 이행하고 있는지에 대한 지속적인 모니터링이 필요한 실정이다. 특히, 토석채취 후 평지로 된 곳이나 지하채굴로 인하여 발생된 호수 등을 매립하게 될 경우 그 비용이 막대하고 완벽한 복구가 이루어지지 않는 등 타용도 전환이 필요하며, 산지 능선부로부터 수직에 가까운 절취로 채석 잔벽이 먼 곳에서도 가시 되어 위협적이고 불량한 경관을 보이는 등 사회적 문제를 야기하고 있다.

이러한 문제들을 해결하고자 일부 지자체에서는 폐기물관리법에 규정된 방법에 따라 재활용대상 폐기물에 일반 토사류나 건설 폐재류를 재활용한 토사류를 부피기준으로 50% 이상 혼합하여 복구하도록 허용하고 있다.

또한, 환경부의 '건설폐기물 처리기준 및 방법 등에 관한 업무처리 지침(환경부 예규 제323호, 2008.5.30)'에 따르면 건설폐재류는 폐콘크리트, 폐아스팔트콘크리트, 폐벽돌, 폐블럭, 폐기와, 건설폐토석을 말하고 건설폐재류와 일반건설폐기물은 분리하여 보관, 수집, 운반되어야 한다고 규정하고 있다.

그리고, 건설폐재류를 성토재, 보조기층재, 도로기층재 또는 복토재로 재활용하고자 하는 경우 최대직경 100㎜ 이하, 이물질 1%(부피기준)이하가 되어야 한다고 규정하고 있다. 그러나, 경기위축과 영세한 재활용업체 난립으로 발생원에서부터 선별이 제대로 되지 않고 폐기물관리법 상 매립이 금지된 폐목재, 폐합성수지, 각종 도시쓰레기 등으로 혼합된 불법 건설폐재류와 재활용대상 폐기물이 무분별하게 복구용으로 혼합 매립되어 주변토양은 물론이고 지하수나 인근의 농경지와 하천까지 오염시켜 각종 민원이 끊기지 않고 있는 실정이다.

특히, 발생량, 발생장소 및 폐기물이 발생되는 계절 및 지역이 편중되어 폭주하는 등 일정하지 않고 안정적 확보가 어려워 유효한 이용을 곤란하게 하는 원인이 되고 있으며, 일반토사류는 각 지자체에서 2차적인 환경파괴 및 이로 인한 민원문제로 토취장 허가를 극구 반려하고 있어 막대한 양의 부족한 토사를 조달하기에는 실로 역부족인 상태이다. 이로 인해 무단 방치된 폐석산들이 각종 위험에 노출되어 있어 대책이 절실하다.

종래에는 토석 채취 종료지의 채움재로 흙, 골재, 파쇄석 및 시멘트(콘크리트)를 사용하여 복구하는 것이 일반적이었다.

흙 및 골재, 파쇄석의 경우 다른곳의 생태계를 인위적으로 파괴하여 운반될 수 밖에 없는 구조로 되어 있고, 시멘트의 경우 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트 1톤을 생산하는데 이산화탄소를 약 0,9톤 배출할 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이므로, 지금까지의 이러한 시멘트 산업에 대한 대체방법이나 대체 물질의 제시가 시급이 요구되고 있다.

국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로 이산화탄소를 약 5,400만톤 배출하고 있다.

시멘트를 대체할 제품으로는 국내외적으로 고로슬래그, 메타카올린 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용하고 있으나, 이러한 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는데 한계가 있다.

한편, 산업부산물 중 플라이애시와 바텀애시의 비중은 80%:20%이며, 플라이애시의 경우 시멘트대체제 등으로 사용되고 있으나, 바텀애시의 경우 해양배출이 2014년 1월 1일부로 금지되어 마땅한 사용처를 찾지 못하여 대부분 자체매립장에 야적 또는 매립되고 있으며, 이마저도 수용량 임계치에 다다르고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1065824호(폐 채석장 복원용 복토재의 제조방법)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 압축강도 및 시공성이 향상되고 토사채취를 위해 다른 지역의 환경파괴를 근절시키며, 낮은 비용으로 토석채취 종료지역을 복원시킬 수 있는 석산 채움재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 바텀애시 10~30중량%와, 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 탈황석고 10~30중량%와, 포틀랜드 시멘트 2~10중량%와, 플라이애시 20~40중량% 및 자극제 2~10중량%를 혼합하여 조성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 석산 채움재 조성물 100중량부에 대하여 바잘트섬유 2~10중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 고로슬래그 미분말은 전로슬래그 더스트로 치환 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 자극제는 물유리 또는 수산화칼륨인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 석산 채움재 조성물은 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트소비를 절감할 수 있고, 압축강도 및 시공성이 향상되고 토사채취를 위해 다른 지역의 환경파괴를 근절시키며, 낮은 비용으로 토석채취 종료지역을 복원시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물을 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 2는 전로슬래그 더스트의 입도분석결과.

이하, 본 발명에 따른 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 석산 채움재 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바텀애시 10~30중량%와, 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 탈황석고 10~30중량%와, 포틀랜드 시멘트 2~10중량%와, 플라이애시 20~40중량% 및 자극제 2~10중량%를 혼합하여 조성되는 것을 특징으로 하는 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물에 관한 것이다.

먼저, 상기 바텀애시는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물인 것으로, 산화칼슘(CaO) 함량이 50%이상이며, 산화칼슘 함량이 높은 구조체로 사용되는 콘크리트에 사용할 수 없다. 상기 바텀애시의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 10~30중량%인 것이 바람직한데, 이는 10중량% 미만인 경우 탈황석고와 함께 초기 수화반응을 유도할 수 없는 문제점이 있고, 30중량%를 초과할 경우 팽창효과가 크고 단위수량이 증대된다는 문제점이 있다.

다음으로, 상기 고로슬래그 미분말은 제철공장 선철 제조 시 발생되는 산업부산물로 철광석의 불순물이 섞인 암질 산화알미늄(Al₂O₃)과 화합된 고온에서 용융된 부유물질로서, 상기 고로슬래그 미분말은 분말도 3,000~10,000cm²/g의 분포를 나타내는데, 통상적으로 4,000cm²/g, 8,000cm²/g, 10,000cm²/g 3종류로 분쇄분급하여 사용하는데, 고분말도의 분말이 반응성이 더 좋으나, 분말도가 클수록 에너지 소비가 기하급수적으로 많아져 고가로 된다.

이러한 고로슬래그 미분말의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 20~50 중량%인 것이 바람직한데, 이는 상기 함량이 20 중량% 미만인 경우에는 고화재의 강도발현이 강도 발현이 저하되는 문제가 있고, 상기 함량이 50 중량%를 초과하면 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려움이 있으며, 경제성이 낮아진다.

다음으로, 상기 탈황석고는 가압유동층 보일러에서 배기가스의 탈황 과정에서 발생되는 부산 석고로 산화칼슘(CaO)의 함량이 50%이상이고 황산화물 함량이 10%이상인 것으로, 고함수 토양에서 초기 수분탈수와 강알칼리 자극제로 사용된다.

상기 탈황석고는 전체 조성물 중량에 대하여 10~30중량%인 것이 바람직한데, 만약 10중량% 미만으로 함유될 경우 유동성 향상의 효과가 미미하여 자극의 효과가 약하다는 문제점이 있고, 30중량%를 초과할 경우 급속한 초기반응으로 작업성이 저하된다는 문제점이 있다.

다음으로, 상기 포틀랜드시멘트는 슬러지 중의 수분과 만나 유동성을 잃고 굳어지면서 응결되고 경화되어 강도를 발현하는 물질로서, 전체 조성물 중량에 대하여 2~10중량%가 바람직하다. 만약, 2중량% 미만인 경우 강도발현이 저하되는 문제점이 있고, 10중량%를 초과하면 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려운 문제점이 있다.

다음으로, 상기 플라이애시는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물로서, 산화칼슘(CaO)의 함량이 40% 이상이며, 산화칼슘 함량이 높아 구조체로 사용되는 콘크리트에 사용할 수 없다. 상기 플라이 애쉬의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 20~40 중량%인 것이 바람직한데, 이는 상기 함량이 20 중량% 미만인 경우에는 탈황석고와 함께 초기 수화반응을 유도할 수 없다는 문제가 있고, 상기 함량이 40 중량%를 초과하면 팽창효과가 크고 단위수량이 증대된다는 문제가 발생한다.

본 발명에서는 포졸란 물질로 바텀애시와 플라이애시를 사용하는데, 이러한 포졸란 물질은 자체로는 수경성이 없지만, 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 플라이애쉬에 포함된 이산화규소(SiO2)가 반응하여 수화물을 생성한다. 이렇게 하여 생긴 에트린가이트(Ettringitte)라 불리우는 규산칼슘수화물(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·3H₂O)은 경화체의 조직을 보다 치밀하게 만들어 준다.

다음으로, 상기 자극제는 상기 탈황석고에 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체를 제조하기 위한 것으로, 전체 조성물 중량에 대하여 2~10중량%인 것이 좋다.

만약, 상기 자극제가 2중량% 미만인 경우 소량이어서 자극제로서의 역할을 수행할 수 없고, 10중량%를 초과하게 되면 급속한 초기반응으로 작업성이 저하된다는 문제가 발생하게 된다.

상기 자극제로는 물유리 또는 수산화칼륨을 사용할 수 있다. 상기 물유리는 이산화규소와 알칼리를 융해한 규산알칼리염의 수용액을 말하며, 대표적으로 규산나트륨 수용액(2SiO₂·Na₂O·xH₂O) 및 규산칼리 수용액 등이 있다. 이러한 물유리는 바텀애쉬 분말의 활성화를 유도할 뿐만 아니라, 물에 잘 녹는 성질을 가져 바텀애쉬 미분말의 경화시간을 단축시킬 수도 있다. 상기 수산화칼륨(KOH) 또한 상기 물유리와 같이 경화유도제로 사용할 수 있으며, 물유리에 비해 비용이 고가이므로 수산화나트륨(NaOH)를 사용하거나 상기 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH)을 혼합한 혼합 수용액을 사용할 수도 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 석산 채움재 조성물은 전체 조성물 100중량부에 대하여 바잘트섬유 2~10중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.

바잘트섬유라 함은 천연 현무암을 섬유화한 것으로 인장강도가 우수하고, 저밀도, 저열팽창성, 내열성, 화학적 안정성, 자기윤활성, 탄성, 흡음성의 특징을 갖고 있으며, 화재에 강하고 인장도를 향상시킬 수 있다. 상기 바잘트섬유가 전체 조성물 100중량부에 대하여 2중량부 미만으로 혼합되면 그 양이 소량이어서 내열성, 강도 향상과 같이 바잘트섬유를 혼합하였을 때 나타날 수 있는 효과를 기대할 수 없으며, 10중량부를 초과할 경우 과도한 뭉침현상이 발생하는 문제점이 있다.

한편, 본 발명은 석산 채움재 조성물을 구성하는 상기 고로슬래그 미분말을 전로슬래그 더스트로 대체할 수 있다.

전로슬래그 더스트라 함은 제강 전로슬래그 파쇄 시 전기집진에 의해 발생하는 초미립 형태의 분진을 말한다. 제강 전로슬래그란 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생하는 슬래그이며, 전로에서는 용융선철에 산소를 불어넣어 불필요한 성분을 산화, 연소시키고 생성된 산화물은 생석회, 석회석 등의 부원료와 결합하여 슬래그를 생성하게 된다.

하기의 표 1은 포항 및 광양에서 채취한 전로슬래그 샘플의 화학성분을 나타내는 표이다.

(%)

	CaO	SiO₂	Al₂O₃	MgO	FeO	Fe₂O₃	Total Fe	free-CaO	C/S
포항	41	13	6.1	7.8	15	7.5	18	1.4	3.1
광양	34	11	6.1	6.8	24	8.0	25	1.7	3.0

상기의 표 1과 같이 산화칼슘(CaO)과 이산화규소(SiO₂)를 주성분으로 하는 전로슬래그는 CaO와 Ca₂SiO₅를 생성하고, Ca₂SiO₅는 냉각과정을 통해 1,250℃이하가 되면 유리석회(free CaO)를 석출하게 된다.

다음으로, 하기의 표2는 전로슬래그 더스트의 화학성분을 나타내는 표이고, 표 3은 전로슬래그 더스트의 중금속 용출실험 결과이다.

산화칼슘 (CaO)	이산화규소 (SiO₂)	산화제2철 (Fe₂O₃)	삼산화황 (SO₃)	산화알루미늄 (Al₂O₃)	산화마그네슘 (MgO)	산화망간 (MnO)
60.7	16.4	12.2	5.1	2.6	2.1	0.5

납	구리	비소	수은	카드뮴	6가크롬	시안
불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출

상기와 같이 이루어지는 전로슬래그 더스트는 다량의 산화칼슘을 함유하고 있어 수화반응으로 인한 체적팽창을 유도할 수 있고, 수화반응시 발생되는 수화열에 의한 자체건조가 가능하다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 전로슬래그 더스트의 평균 입경은 5~10㎛로 초미립자의 형태로서 침투성이 우수하여 초미립자 지반주입재로서의 고침투 특성이 있으며, 유리석회(free CaO) 성분을 다량 함유함에 따라 비정질 물질의 자극제로서 사용할 수 있으므로 상기 고로슬래그 미분말을 전로슬래그 더스트로 대체할 수도 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 고로슬래그 미분말에 배연탈황 과정에서 발생되는 탈황석고에 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체 제조가 가능하며, 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트소비를 절감할 수 있고, 압축강도 및 시공성이 향상되고 토사채취를 위해 다른 지역의 환경파괴를 근절시키며, 낮은 비용으로 토석채취 종료지역을 복원시킬 수 있는 장점이 있다.

실시예.

바텀애시 10중량%와, 고로슬래그 미분말 40중량%와, 탈황석고 20중량%와, 포틀랜드 시멘트 5중량%와, 플라이애시 20중량% 및 물유리 5중량%를 혼합하여 본 발명에 따른 산업부산물을 이용한 석산 채움재 조성물을 조성하였다.

Claims

바텀애시 10~30중량%와, 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 탈황석고 10~30중량%와, 포틀랜드 시멘트 2~10중량%와, 플라이애시 20~40중량% 및 자극제 2~10중량%를 혼합하여 조성되는 것을 특징으로 하는 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물.
제1항에 있어서, 상기 석산 채움재 조성물 100중량부에 대하여 바잘트섬유 2~10중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물.
제1항에 있어서, 상기 고로슬래그 미분말은 전로슬래그 더스트로 치환 가능한 것을 특징으로 하는 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극제는 물유리 또는 수산화칼륨인 것을 특징으로 하는 산업 부산물을 이용한 석산 채움재 조성물.