KR20160146116A

KR20160146116A - 인공경량골재의 제조방법

Info

Publication number: KR20160146116A
Application number: KR1020150082786A
Authority: KR
Inventors: 이기강; 이재훈
Original assignee: 경기대학교 산학협력단
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-12-21
Also published as: KR101740599B1

Abstract

본 발명은 세라믹 산화물 원료로 구성된 재료를 성형하고 분급한 후에 규석, 석회석 및 백운석으로 구성된 코팅재를 사용하여 코팅하되, 성형체의 입도에 따라 다른 범위의 입도를 가진 코팅재로 코팅하고 다른 범위의 온도에서 소성시켜 균일발포골재를 제조하는 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

인공경량골재의 제조방법{Method of Preparing Artificial Light-Weight Aggregates}

본 발명은 인공경량골재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세라믹 산화물 원료로 구성된 재료를 성형하고 분급한 후에 규석, 석회석 및 백운석으로 구성된 코팅재를 사용하여 코팅하되, 성형체의 입도에 따라 다른 범위의 입도를 가진 코팅재로 코팅하고 다른 범위의 온도에서 소성시켜 균일발포골재를 제조하는 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

화력 발전소에서 배출되는 석탄회는 성상에 따라 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되는데, 한국에서 연간 비산재는 684만톤, 그리고 바닥재는 151만톤이 발생되고 있다(Y. D. Jo, "Electric Industry and Environmental Effect" pp. 343-352 in Korea Electric Association, Electricity Almanac, Seoul, 2009). 비산재는 입도가 미세하고 조성이 우수하여 대부분 재활용되고 있으나. 이중 탄소 함량이 많고 입도가 커서 재활용되지 못하는 것을 잔사회(reject ash)라고 하는데, 이는 거의 매립에 의해 처리되고 있는 실정이다(K. D. Kim, "A Study on Application and Fabrication of Functional Ceramics for Constructing Materials using Ecofriendly Waste Recycling Process", pp. 25-35, Ph. D. Thesis, Kyonggi University, Suwon, 2010.). 최근 들어 한국에서 화력발전소 석탄회를 친환경적으로 처리하여 안정한 인공경량골재를 생산하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이러한 연구결과가 경제적인 경쟁력을 갖추게 되면 환경 보전 효과 및 건설, 환경 분야 등에 고기능성 인공경량골재를 저렴하게 공급할 수 있다는 장점이 있다(S. D. Kang, "A study on manufacturing of autoclave lightweight concrete with fine sludge of crusined sand", J. Kor. Institute of Mineral and Energy Resources Engineer, 35 (1998) 264; K. D. Kim and S. G. Kang, "Manufacturing artificial lightweight aggregates using coal bottom ash and clay", J. Kor. Crystal Growth and Crystal Technology, 17 (2007) 277; J. H. Lee, J. H. Shim, J. H. Kim, S. P. Kang, S. J. Choi and M. H. Kim, "A study on the strength properties of concrete containing bottom ash as a part of fine aggregate", J. Architectural).

일반적으로 인공경량골재를 제조할 때, 소성온도로 가열된 로에 직접 골재 성형체를 넣는 방식의 직화법을 사용하며, 이로부터 제조된 골재의 단면 구조는 내부에는 검은 색의 소위 블랙코어(black core)가 존재하고 이를 둘러싸고 있는 붉은 색의 외피(shell)로 구성되는 것이 전형적인 형태이다. 그런데 블랙코어 메카니즘에 의해 발포된 인공골재는 블랙코어 내의 기공과 외피에 존재하는 기공의 크기가 서로 달라 시편 전체적으로 기공 크기 분포가 균일하지 않다는 단점이 있다. 더구나 블랙코어 부분이 과도하게 발달하면 골재 표면에 크랙(crack)을 발생시키면서 블랙코어 부분이 외부로 드러날 수 있어 골재 형상 불균일 및 강도 저하를 초래할 수 있다(C. R. Austin, J. L. Nunes and J. D. Sullivan, "Basic Factors Involved in Bloating of Clays", Am. Ins. Min. and Metal. Eng., Technical Publication, 1486, 1-11 (1942); W. E. Brownell, "Black Coring in Structural Clay Products", J. Am. Ceram. Soc., 40 [6] 179-87 (1957); C. M. Riley, "Relation of Chemical Properties to the Bloating of Clays", J. Am. Ceram. Soc., 34 [4] 121-28 (1951).).

최근 M. A. Kang et al.은 잔사회를 원료로 하고, 탄소 산화온도 부근부터 골재를 서서히 가열하는 소위 승온법을 사용하여 인공경량골재를 제조함으로써 블랙코어를 형성시키지 않고 균일한 기공 크기 및 분포를 갖는 발포골재(균일발포골재(homogeneously-bloated aggregates)라 칭함)를 제조할 수 있다고 발표하였다(M. A. Kang, S. G. Kang, G. G. Lee and Y. T. Kim, "Fabrication of Artificial Light-weight Aggregates of Uniform Bloating Properties Using a Temperature-raising Sintering Method", J. Kor. Ceram. Soc., 49 [2] 161-166 (2012).) 그런데 승온법에 의한 균일발포골재(homogeneously-bloated aggregates)는 블랙코어 메카니즘에 의해 제조된 골재에 비해 다소 높은 소결온도가 필요하며, 따라서 시편 표면에 액상 생성량이 그만큼 많아지게 되고, 이로 인해 골재끼리 달라붙는 소위 융착현상이 일어나기 쉽다.

통상 인공경량골재는 로타리 킬른을 이용하여 제조하게 되는데, 골재간 융착현상은 로타리 킬른 내에서 골재 괴를 형성시킴으로써 대량생산을 어렵게 하는 원인이 되고, 심하면 킬른이 막혀서 가동이 중단될 수도 있다. 따라서, 골재표면에 액상이 많이 발생하는 조성의 경우 융착 문제를 해결하는 것이 매우 중요하나, 아직까지 이에 대한 해결책을 제시하고 있는 문헌은 개시되지 않고 있다.

또한, 인공경량골재에 관한 연구는 주로 발포에 의한 경량화에 관한 것으로, 발포 거동은 탄소의 산화반응에 의한 철분의 환원작용으로 발생하는 가스가 소지의 팽창을 유도하여 경량화하는 것이다. Lee(K.G.Lee, "Bloating mechanism for coal ash with iron oxide", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 24 (2014) 77)는 잔사회, 저회 및 준설토에 철분을 첨가하여 인공경량골재를 제조하였는데 FeO 용융상이 골재 표면을 깨고나오는 현상으로 발포가스를 포집하는데 제한된다고 하였으며, Kang 등(S.H.Kang, K.G.Lee, Y.T.Kim, S.G.Kang, "Effects of chemicophysical properties of carbon on bloating characteristics of artificial lightweight aggregates using coal ash", Advances in Sintering Science and Technology Ⅱ., 232 (2011) 35)은 석탄회를 재활용하여 인공경량골재를 제조함에 있어 C의 종류 및 함량이 발포가스의 생성에 미치는 영향을 분석하였는데 적은 함량의 탄소를 첨가한 경우 가스 생성에 필요한 양이 충분하지 못하며, 높은 함량의 탄소를 첨가한 경우 표면 치밀화를 방해하여 경량화가 힘들다고 하였다. 또 Tsai 등(Chen-ChiuTsai et al, "Effect of SiO₂-Al₂O₃-flux ratio change on the bloating characteristics of lightweight aggregate material produced from recycled sewage sludge", J. Hazardous Materials B134 (2006) 87)은 슬러지를 재활용한 인공경량골재의 SiO₂-Al₂O₃-flux비 변화에 따른 발포 특성을 규명하고자 하였으나 사용 원료의 조성이 매우 다양해서 제조한 골재 특성의 예측이 어렵다고 하였다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 인공경량골재의 제조방법에 있어서, 세라믹 산화물 원료로 이루어진 재료에 규석, 석회석 및 백운석으로 구성된 코팅재를 사용하여 코팅하고 승온법으로 균일발포골재를 제조할 경우, 소성과정에서 발생하는 골재간의 융착현상을 방지할 수 있음을 확인하고, 또한, 골재 내 경량화에 필요한 발포가스를 포집하기 위해 슬래그, 준설토 또는 산성백토 등과 같은 저온의 융점을 갖는 원료로 골재의 표면을 코팅하는 경우, 인공경량골재의 발포 특성을 향상되고, 별도의 첨가제와 융제의 첨가 없이 경량골재를 성형하는 것이 가능한 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 주된 목적은 인공경량골재의 제조공정 중에 소성과정에서 발생하는 골재간의 융착현상을 방지할 수 있는 인공경량골재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 인공경량골재의 발포 특성을 향상되고, 별도의 첨가제와 융제의 첨가 없이 경량골재를 성형하는 것이 가능한 인공경량골재의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료를 성형하여 성형체를 제조하는 단계; (b) 상기 성형된 성형체의 입자크기를 10mm를 기준으로 분급시키고, 상기 성형체에 규석(SiO₂), 석회석(CaCO₃) 및 백운석(CaCO₃·MgCO₃)을 포함하는 코팅재를 첨가하여 코팅시키되, 10mm 미만의 성형체는 0.15~0.8mm 입도의 코팅재로 코팅하고, 10mm 이상의 성형체는 0.3~1.0mm 입도의 코팅재로 코팅하는 단계; 및 (c) 상기 코팅재가 코팅된 성형체를 소성하는 단계를 포함하는 인공경량골재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 인공경량골재의 제조방법은 인공경량골재의 제조공정 중에 소성과정에서 발생하는 골재간의 융착현상을 방지할 수 있고, 균일한 인공경량골재를 제조할 수 있다. 또한, 발포 특성이 향상된 인공경량골재를 별도의 첨가제와 융제의 첨가 없이 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 인공경량골재의 제조방법을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 성형골재, 분급, 코팅 및 소성후의 인공경량골재를 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 코팅 전과 후의 인공경량골재의 미세구조를 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 코팅 전과 후의 인공경량골재의 비중 및 흡수율을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 코팅 전과 후의 인공경량골재를 관찰한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 10mm 미만의 인공경량골재의 소성 후의 미세구조를 관찰한 사진이다.
도 7는 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 10mm 미만의 인공경량골재의 소성 후의 비중, 흡수율 및 단위용적 질량을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 10mm 이상의 인공경량골재의 소성 후의 미세구조를 관찰한 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 10mm 이상의 인공경량골재의 소성 후의 비중, 흡수율 및 단위용적 질량을 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따라 조립기에서 성형된 성형골재의 10mm 미만의 인공경량골재의 소성 후의 미세구조를 관찰한 사진이다.
도 11는 본 발명의 실시예 2에 따라 조립기에서 성형된 10mm 미만의 인공경량골재의 소성 후의 비중, 흡수율 및 단위용적 질량을 측정한 그래프이다.
도 12은 본 발명의 실시예 2에 따라 조립기에서 성형된 성형골재의 10mm 이상의 인공경량골재의 소성 후의 미세구조를 관찰한 사진이다.
도 13는 본 발명의 실시예 2에 따라 조립기에서 성형된 10mm 이상의 인공경량골재의 소성 후의 비중, 흡수율 및 단위용적 질량을 측정한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따라 표면 개질을 실시한 인공경량골재를 나타낸 사진이다.
도 15는 본 발명의 비교예에 따른 인공경량골재를 나타낸 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시예 3에 따라 소결 스케쥴을 나타낸 그래프이다.
도 17은 저융점 코팅재의 물리적 성질((a) 비중 및 (b) 흡수율)을 나타낸 그래프이다.
도 18은 저융점 코팅재의 미세구조((a) 표면 및 (b) 단면)를 나타낸 광학 이미지 사진이다.
도 19는 저융점 코팅재의 코팅유무에 따른 저회 인공경량골재의 부피비중 및 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 20은 2단 소성법으로 소성한 온도와 각 원료의 코팅에 따른 저회 인공경량골재의 부피비중 및 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 21은 직화 소성한 인공경량골재의 광학 이미지 사진이다.
도 22는 2단 소성한 인공경량골재의 광학 이미지 사진이다.
도 23은 본 발명의 인공경량골재의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

본 발명에서는 인공경량골재의 제조방법에 있어서, 세라믹 산화물 원료로 이루어진 재료에 규석, 석회석 및 백운석으로 구성된 코팅재를 사용하여 코팅하고 로타리킬른으로 인공경량골재를 제조할 경우, 소성과정에서 발생하는 골재간의 융착현상을 방지할 수 있음을 확인하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료를 성형하여 성형체를 제조하는 단계; (b) 상기 성형된 성형체의 입자크기를 10mm를 기준으로 분급시키고, 상기 성형체에 규석(SiO₂), 석회석(CaCO₃) 및 백운석(CaCO₃·MgCO₃)을 포함하는 코팅재를 첨가하여 코팅시키되, 10mm 미만의 성형체는 0.15~0.8mm 입도의 코팅재로 코팅하고, 10mm 이상의 성형체는 0.3~1.0mm 입도의 코팅재로 코팅하는 단계; 및 (c) 상기 코팅재가 코팅된 성형체를 소성하는 단계를 포함하는 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 도 1에 도시한 바와 같이, 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료로 이루어진 성형체에 세라믹 코팅재가 코팅되어 소결된 인공경량골재를 개시하며, 본 발명에 따른 인공경량골재는 세라믹 산화물 원료로 이루어진 재료를 이용하되, (a) 세라믹 산화물 원료의 성형능력을 향상시키기 위해 일정 직경을 갖는 구형의 성형체를 제조하는 단계, (b) 상기 성형된 성형체의 입자크기를 10mm를 기준으로 분급시키는 단계, (c) 성형체에 일정 함량의 세라믹 코팅재를 함께 조립기(pelletizer)에 넣어 소성하는 단계, (d) 코팅된 성형체 재료를 예열된 로타리킬른에 투입하는 단계, 및 (e) 소성 완료된 재료를 상기 소성로로부터 배출시키는 단계를 포함하는 승온 소성법을 이용하여 제조될 수 있다.

본 발명에 있어서, 인공경량골재를 제조할 때의 높은 소결온도로 인하여 시편 표면에 액상 생성량이 그만큼 많아지게 되고, 이로 인해 골재끼리 달라붙어 로타리 킬른 내에서 골재 괴를 형성하는 융착현상을 방지하기 위하여, 성형체의 입도 크기에 따라 다른 범위의 입도 크기를 가진 코팅재로 코팅하며, 소성 온도 또한 달리하여 발포시키는 것에 특징이 있다.

본 발명에 있어서, 또한 상기 (b) 단계 후에 성형체의 표면을 저융점 코팅재로 표면 개질하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 그 공정순서도는 도 23과 같다.

순환자원인 저회와 준설토를 재활용하는 인공경량골재의 경량화에 필요한 발포가스의 포집을 위해 저융점 원료로 표면 개질을 하는 것을 특징으로 한다.

인공경량골재는 발포에 의하여 경량화가 일어나는 것으로 발포기구는 발포가스의 발생과 발생된 가스를 포집해줄 수 있는 표면의 형성이다. 발포가스는 골재의 소성 시 골재 내부에 포함된 유기물질이 외부 껍질에 막혀 환원분위기에 의해 생성된다. 환원분위기에 의한 반응식은 아래와 같다.

3Fe₂O₃ --> 2FeO·Fe₂O₃+1/2O₂----------------------(1)

3Fe₂O₃+C --> 2Fe₃O₄₊CO ----------------------(2)

Fe₃O₄+C --> 3FeO+CO ----------------------(3)

FeO_(s)--> FeO_(l)----------------------(4)

식 (1)~(3)의 반응은 환원분위기에 의해 발생한 산소와 골재의 Fe₂O₃와 C와 반응하여 CO가스 배출에 의해 골재의 경량화가 일어난다고 한다(K.G.Lee, "Bloating mechanism for coal ash with iron oxide", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 24 (2014) 77).

또한 발생된 발포가스를 포집할 수 있는 표면의 형성은 저융점 화합물에서 일어나는 거동인 점성거동과 표면 기공이 치밀화에 의해 작아지는 표면치밀화로 정의한다. 점성거동의 경우 발포에 의한 부피팽창률을 크게 할 수 있는 장점으로 초경량골재 제조가 가능하다. 발포가스의 형성과 함께 이를 포집할 수 있는 유리질이 형성되기 위해서는 저온의 융점을 갖는 원료들이 첨가되어서 표면을 형성해야 한다(S.H.Kang, K.G.Lee, "Bloating mechanism of artificial lightweight aggregate for recycling the waste glass", J. Korean Ceram. Soc., 47 (2010) 445).

상기 세라믹 산화물 원료는 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 것으로, 자연토, 저회, 준설토, 석탄회, 잔사회(reject ash), 석탄비산재, 석탄저회, 제강 더스트, 제강 슬래그, 용융 슬래그, 소각 슬래그, 폐촉매 슬래그, 하수오니, 슬러지 소각재, 종이재 및 적니로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 실리카 및 알루미나를 주성분으로 포함하는 원료라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 세라믹 산화물 원료는 실리카 및 알루미나 뿐 아니라 산화철(FeO), 삼산화이철(Fe₂O₃), 오산화이인(P₂O₅), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na₂O), 산화망간(MnO) 등을 주요 성분으로 하여 구성된 원료일 수 있다.

성형하는 공정에서 토련기(extruder) 또는 조립기(pelletizer)를 이용하여 4~15mm의 구형인 성형체를 제조할 수 있다.

또한, 상기 코팅재는 상기 성형체에 대하여 1~10중량%, 바람직하게는 2~8중량%를 코팅할 수 있다. 10중량% 이상을 코팅하면 코팅층이 벗겨지거나 골재의 무게가 증가하여 경량골재 규격을 만족시키지 못한다.

상기 10mm 미만의 성형체의 소성온도는 1120~1180℃이고, 10mm 이상의 성형체의 소성온도는 1160~1200℃일 수 있다.

코팅을 거친 인공경량골재는 다시 분급 단계를 거침으로써 재사용될 수 있다. 10mm 미만의 입도를 가진 성형체의 경우, 1mm 초과의 입자, 0.15~1.0mm의 입자 및 0.15mm 미만의 입자는 각각 골재, 코팅재로 재사용, 석탄회 및 준설토로 재사용될 수 있다. 10mm 이상의 입도를 가진 성형체의 경우, 1mm 초과의 입자, 0.3~1.0mm의 입자 및 0.3mm 미만의 입자는 각각 골재, 코팅재로 재사용, 석탄회 및 준설토로 재사용될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 인공경량골재의 제조방법은 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료를 이용하여 균일발포골재를 제조함에 있어서, 규석(SiO₂), 석회석(CaCO₃) 및 백운석(CaCO₃·MgCO₃)을 포함하는 코팅재로 코팅할 때, 성형체의 입도에 따라 코팅재의 입도 및 소성 온도를 달리함으로써 소성과정에서 발생하는 골재간의 융착현상을 방지할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

[실시예]

실시예 1

본 실시예에 사용된 석탄 저회, 비산회 및 준설토는 한국내 'Y' 화력발전소에서 발생된 것으로, 그 화학조성(단위: wt%)을 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)로 분석하여 하기 표 1에 나타내었다. 석탄 저회, 비산회와 준설토를 혼합하고 토련기(extruder, VANHO, 450-1 Haksan. Ri Chilgok-Gun, Korea)를 이용하여 10±1mm의 구형 성형체를 제조하였다.

성형된 골재를 10.0mm를 기준으로 10.0mm 이하/이상으로 분급하였다. 그리고 나서 성형된 골재에 규석(SiO₂), 석회석(CaCO₃) 및 백운석(CaCO₃·MgCO₃)을 혼합한 코팅재를 골재의 무게 대비 5wt%로 코팅하였다. 조립기(Pelletizer)에 성형체와 코팅재를 함께 넣어 40rpm, 기울기 50°로 약 5분간 회전시켜 수행하였다. 코팅이 완결된 골재 성형체는 이후 105℃에서 24시간 동안 건조한 뒤 소성하였다. 본 실시예에서 사용된 골재 소결방법은 직화소성법과 2단 소성법으로서, 성형체를 미리 예열된 전기소성로에 투입하고, 해당 온도에서 10분간 유지한 뒤 배출하였다. 또한 2단 소성법의 경우 로타리 킬른 소성 조건과 유사하게 하기 위해 도 16의 소결스케줄에 따라 수행하였다. 또한 실시예에 대량 생산조건에 대한 적용성을 평가하기 위해 로타리 킬른에서 소성을 진행하였다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 성형골재, 분급, 코팅 및 소성후의 인공경량골재를 관찰한 사진을 도 2에 도시하였다. 또한, 본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 코팅 전과 후의 인공경량골재의 미세구조를 관찰한 사진을 도 3에 나타내었으며, 인공경량골재의 융착상태를 관찰한 사진을 도 5에 나타내었다.

본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 10mm 미만의 인공경량골재의 소성 후 외부/내부의 미세구조를 관찰하였으며(도 6), 성형골재의 10mm 이상의 인공경량골재의 소성 후 외부/내부의 미세구조도 관찰하였다(도 8).

도 2 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 성형 골재는 코팅 및 소성 과정을 거친 후에도 골재간 융착이 발생하지 않았으며, 도 10, 도 12 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 균일한 구조의 인공경량 골재를 얻을 수 있었다.

실시예 2

실시예 1에서 토련기 대신에 조립기(pelletizer, WOONG BI MACHINERY CO., LTD.)를 이용하여 성형한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 성형골재, 분급, 코팅 및 소성후의 인공경량골재를 관찰한 사진을 도 2에 도시하였다. 본 발명의 실시예 2에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 10mm 미만의 인공경량골재의 소성 후 외부/내부의 미세구조를 관찰하였으며(도 10), 성형골재의 10mm 이상의 인공경량골재의 소성 후 외부/내부의 미세구조도 관찰하였다(도 12).

도 2 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 성형 골재는 코팅 및 소성 과정을 거친 후에도 골재간 융착이 발생하지 않았으며, 도 5, 도 6 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 균일한 구조의 인공경량 골재를 얻을 수 있었다.

실시예 3

본 실험에 사용된 원료는 저회(Bottom Ash) 및 준설토(Dredge Soil), 플라즈마 용융 장치에서 발생하는 슬래그(Slag), 산성백토(Acid Clay)(동해화학(주), 한국)를 사용하였다. 석탄회는 국내 Y 화력발전소에서 유연탄을 연소한 후 배출된 저회를 사용하였고, 준설토는 발전소 건설시 발생한 것을 사용하였다. 각 원료는 100㎛ 이하로 분쇄하여 사용하였다. 분쇄 원료의 화학적인 조성은 XRF(ZSR- 100e, Rigaku, Japan)를 통해 분석하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

각 원료는 핀밀(pin mill)을 이용하여 100㎛ 이하로 분쇄하여 각각의 혼합비율에 따라 혼합과정을 거쳐 약 10mm의 구형으로 인공경량골재를 성형하였다. 표면 개질을 위한 다양한 원료의 표면 용융거동을 알아보기 위해 저회와 슬래그, 준설토, 산성백토를 각각 100%조성으로 시편을 제조하여 특성을 파악해 보았다. 이 결과를 바탕으로 인공경량골재를 제조하기 위한 조성은 내화도가 높아 낮은 온도에서 발포가 잘 되지 않은 저회와 저회는 가소성이 없으므로 가소성 점결제인 준설토를 70:30으로 배합하여 약 10mm의 구형으로 인공경량골재를 성형하였으며 별도의 첨가제는 사용하지 않았다. 성형된 골재에 각각 Slag와 준설토, 산성백토를 약 5wt.%가량 코팅한 뒤 건조기를 사용하여 105℃에서 24시간 동안 건조 하였다. 소성 방법으로는 발포 가스가 생성되어 골재 외부로 배출되는 속도와 표면 치밀화 및 표면 유리화 속도를 조절하기 위해 직화 소성법과 2단 소성법을 선정하였다. 직화 소성의 경우 소성 온도는 1000℃부터 1200℃까지 각 100℃ 간격으로 하였으며 각 온도마다 투입 후 최고 온도에서 10분간 유지 후 배출시켜 발포 가스의 배출시간을 최소화 할 수 있도록 하였다. 2단 소성의 경우 발포 가스가 골재 외부로 배출할 수 있는 충분한 시간을 주기 위한 방법으로 1차적으로 900℃에서 소성하여 가스의 배출을 유도한 후 1150℃에서 2차 소성하여 표면의 유리화를 통해 가스의 포집을 유도하였다. 2단 소성법의 스케줄은 (a)900℃에서 7분 + 1150℃에서 3분, (b)900℃에서 10.5분+1150℃에서 4.5분, (c)900℃에서 14분+1150℃에서 6분으로 진행하였으며, 소결스케줄 그래프는 도 16에 나타내었다. 소성 후 각 시편은 KS L 3114규격에 의한 방법으로 부피비중 및 흡수율을 측정하였으며, 미세구조 분석을 위해 각 코팅원료, 온도, 소성방법에 따라 골재의 파단면을 Camscope(DSC-105, Sometech, Korea)를 통해 관찰하였다.

원료의 표면 용융거동 확인

각 원료의 표면거동을 확인하기 위해 저온에서 유리질의 형성이 가능한 원료인 비정질의 슬래그, 준설토, 산성백토(Acid clay)를 이용하여 각 원료를 100%의 조성으로 인공경량골재를 제조하였으며, 저회의 표면거동 확인을 위해 동일한 방법으로 인공경량골재를 제조하였다. 제조한 인공경량골재의 소성은 600℃에서 1200℃까지 100℃ 간격으로 10분 직화 소성법을 이용하여 물성을 파악하였다.

도 17에 온도와 원료에 따른 비중(bulk specific gravity) 및 흡수율(water absorption)을 나타내었다. 슬래그 100%로 제조된 시편은 700℃부터 소결이 진행되어 900℃ 이상에서는 표면이 유리화가 되어 개기공이 없어져 흡수율이 거의 0이 된다. 산성백토의 경우 비중 값이 1000~1100℃ 사이에서 급격히 낮아지는 것을 볼 수 있으며 흡수율 값과 비교하면 700℃부터 점차적으로 감소하여 약 4%까지 감소하는 것으로 보아 낮은 온도에서부터 유리질의 형성이 가능한 것으로 생각되며, 1100℃에서 흡수율이 증가하는 것은 도 18의 광학 이미지에서 볼 수 있듯이 표면이 갈라지면서 나타나는 것으로 판단된다 . 또한 준설토는 약 1000℃에서부터 비중이 낮아지는 경향을 보이며, 1100~1200℃ 사이의 흡수율 값이 낮아지는 것은 표면에 유리질이 형성되었다는 증거로 볼 수 있다. 저회 100%로 제조 된 시편의 경우 1100℃ 이상에서 비중이 감소하는 경향을 보이나 높은 내화도로 인해 발포가 잘 되지 않는다고 판단되고 산성백토와 마찬가지로 표면이 깨지면서 1200℃에서부터 흡수율이 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 도 18에서 시편의 표면 이미지를 보면 슬래그는 900℃에서부터 유리질이 형성되며 표면을 감싸는 것을 확인 할 수 있으며 산성백토는 700℃부터 점차적으로 유리질이 생겨 표면을 감싸는 것을 표면과 단면 이미지로 확인 할 수 있다. 준설토의 경우 약 1000℃부터 블랙코어(black core)가 형성되고 1100~1200℃ 사이에 유리질이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

표면개질한 인공경량골재의 물성(직화소성)

도 17에서 저회 100%로 제조한 골재의 표면거동을 확인한 결과 1200℃가 되어서야 표면이 유리화되면서 발포가 일어났다. 반면 슬래그와 준설토, 산성백토의 경우 저회에 비해 비교적 낮은 온도에서 표면에 유리질 형성이 가능한 것을 알 수 있었다. 따라서 가소성이 낮아 성형이 잘 이뤄지지 않는 저회에 가소성 점결제인 준설토를 30wt% 첨가하여 시편을 제조하였으며, 저회보다 낮은 온도에서 유리질 형성이 가능한 융제 역할을 하는 원료 물질인 슬래그, 준설토, 산성백토를 코팅하여 시편을 제조하였다.

도 19는 코팅재의 유무에 따른 저회 인공경량골재의 부피비중 및 흡수율 그림이다. 코팅하지 않은 골재의 발포거동은 도 17에서 저회 100%의 발포거동과 유사하며, 1100℃까지는 표면의 치밀화가 일어나지 않아 발포가 안 일어나 부피비중이 1.6 이상이 없으며, 1200℃에서 표면이 유리화되어 발포가 일어나 부피비중이 1.2까지 경량화되었다.

반면에 코팅된 골재는 코팅재의 종류와 상관없이 모두 1000℃부터 발포가 일어나 부피비중이 1.3~1.4사이의 값을 가져 KS F 2534의 경량골재 규격을 만족시켰다. 이는 도 20의 단면사진에서 보듯이 코팅하지 않은 골재는 1200℃가 되어야 블랙코어(black core)와 큰 기공들이 관찰되는 것에 반해 코팅된 골재들은 1000℃부터 기공들이 존재하여 발포된 것을 확인 할 수 있었다.

또한 도 19(b)에서 코팅하지 않은 골재와 코팅한 골재들의 흡수율이 부피비중과 반대의 경향을 나타냈으며, 이는 골재 표면에 코팅재가 치밀하게 코팅되지 않았기 때문이고(도 21), 도 17(b)의 흡수율과 다른 경향을 보여준 이유는 직화 소성으로 최고온도에서 10분이라는 짧은 시간 열처리를 하였으므로 코팅하지 않은 골재가 가장 표면에서 열을 많이 받아 코팅된 골재보다 소결진행이 더 일어난 이유로 생각된다.

인공경량골재의 생산라인에서 소성은 로타리 킬른에서 행해진다. 그러므로 인공경량골재는 로타리 킬른 내부를 저온에서 고온으로 이동하면서 소성되므로 앞 절의 직화 소성법으로는 발포거동 예측은 가능하나 발포가스의 포집거동을 설명하기는 부족하여 본 실험에서는 2단 소성법을 고안하여 발포기구를 규명하고자 하였다.

도 19의 직화 소성에서 보듯이 1000℃부터 코팅된 시편은 표면 치밀화를 보이므로 1단 소성 온도를 900℃로 선정하였으며, 코팅하지 않은 골재가 1100℃에서 1200℃ 사이에서 발포되었으므로 2단 소성의 최고온도를 1150℃로 설정하였으며, 각기 소성시간을 10분(a), 15분(b), 20분(c)으로 조절하였다(도 16)

도 20에서 2단 소성법으로 소성한 온도와 각 원료의 코팅에 따른 저회 인공경량골재의 부피비중 및 흡수율을 나타내었다. 2단 소성법을 통해 소성한 경우에는 900℃에서 7분과 1150℃에서 3분 소성한 시편의 경우 코팅한 시편이 코팅하지 않은 시편에 비해 0.3~0.4정도의 비중 저하를 확인할 수 있으며, 모든 온도 구간에서 코팅한 시편이 코팅하지 않은 시편에 비해 낮은 비중 값을 나타내었다. 2단 소성법을 통한 소성을 직화소성과 비교한 결과, 인공경량골재의 제조에 있어 발포가스의 포집이 발포가스의 양보다 경량화에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있으며 이는 표면 치밀화 및 유리화가 발포에 중요한 것을 의미한다. 슬래그 코팅을 한 골재의 경우, 900℃에서 발포가스의 배출과 동시에 유리화가 진행되므로 (a)의 경우에는 발포가 되었으나 (b), (c)의 경우에는 소결이 진행되어 부피비중이 커지는 것으로 사료된다.

도 21은 각 원료를 코팅하여 2단 소성한 시편의 광학 이미지로 코팅하지 않은 시편에 비해 융점이 낮은 원료의 코팅을 통해 시편 내부에 많은 기공의 발생을 확인할 수 있었다.

그 결과 직화 소성법과 동일하게 비중이 낮아지는 경향을 확인하였고, 2단 소성법에 의해 발포가스의 포집거동을 규명할 수 있었다. 따라서 실제 대량 생산의 조건인 로타리 킬른에서 행해지는 발포거동의 예측이 가능하다고 판단된다.

본 발명의 실시예 3에 따라 제조한 성형골재를 관찰하여 도 14에 나타내었다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 성형 골재는 코팅 및 소성 과정을 거친 후에도 골재간 융착이 발생하지 않았다.

비교예

실시예 1에서 코팅을 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

본 발명의 비교예에 따라 제조한 성형골재를 관찰하여 도 15에 나타내었다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 성형 골재는 골재간 융착이 발생하였다.

[시험예]

* 비중: KS L 3114에 따라 측정하였다.

* 흡수율: KS L 3114에 따라 측정하였다.

* 단위용적 질량: KS F 2505에 따라 측정하였다.

본 발명의 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 성형골재의 코팅 전과 후의 인공경량골재의 비중 및 흡수율을 측정한 그래프를 도 4에 도시하였으며, 실시예 1에 따라 토련기에서 성형된 10mm 미만 및 이상의 인공경량골재의 소성 후의 비중, 흡수율 및 단위용적 질량을 측정한 그래프(도 7 및 도 9)와 본 발명의 실시예 2에 따라 조립기에서 성형된 10mm 미만 및 이상의 인공경량골재의 소성 후의 비중, 흡수율 및 단위용적 질량을 측정한 그래프(도 11 및 도 13)를 도시하였다.

본 발명의 실시예에 의하여 제조된 인공경량골재는 코팅하지 않은 경우와 유사한 수치로서 1.6이하의 비중, 15% 이하의 흡수율, 80% 이하의 단위용적 질량을 가지며, 이는 KS 규격에 부합되는 것으로 나타났다.

높은 내화도로 발포가 일어나지 않는 저회에 준설토 30wt% 첨가 후 저융점 원료의 코팅을 통해 낮은 온도에서 발포가 가능하였다. 융점이 낮은 원료인 슬래그, 준설토, 산성백토의 표면 코팅 결과 비교적 낮은 온도범위인 1100℃에서 소성방법에 관계없이 코팅하지 않은 시편에 비해 약 0.3~0.4의 비중 값을 감소시킬 수 있다. 발포가스의 생성 및 배출 속도와 표면 치밀화 및 유리화의 속도를 조절하기 위해 직화 소성법과 2단 소성법을 진행한 결과 인공경량골재의 경량화에는 발포가스의 포집이 발포가스의 양보다 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 직화 소성법과 2단 소성법을 진행한 결과 동일하게 비중이 낮아지는 경향을 확인하여 실제 현장에서 사용되어지는 대량 생산의 조건에서 같은 결과의 가능성을 나타냈다고 할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.

Claims

다음 단계를 포함하는, 인공경량골재의 제조방법:
(a) 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료를 성형하여 성형체를 제조하는 단계;
(b) 상기 성형된 성형체의 입자크기를 10mm를 기준으로 분급시키고, 상기 성형체에 규석(SiO₂), 석회석(CaCO₃) 및 백운석(CaCO₃·MgCO₃)을 포함하는 코팅재를 첨가하여 코팅시키되, 10mm 미만의 성형체는 0.15~0.8mm 입도의 코팅재로 코팅하고, 10mm 이상의 성형체는 0.3~1.0mm 입도의 코팅재로 코팅하는 단계; 및
(c) 상기 코팅재가 코팅된 성형체를 소성하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 분급 후에 성형체의 표면을 저융점 코팅재로 표면 개질하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 저융점 코팅재는 슬래그, 준설토 및 산성백토로 구성된 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 산화물 원료는 자연토, 저회, 준설토, 석탄회, 잔사회(reject ash), 석탄비산재, 석탄저회, 제강 더스트, 제강 슬래그, 용융 슬래그, 소각 슬래그, 폐촉매 슬래그, 하수오니, 슬러지 소각재, 종이재 및 적니로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 토련기 또는 조립기를 이용하여 성형하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 성형체는 4~15mm의 구형인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 코팅재는 상기 성형체에 대하여 1~10중량%를 코팅하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 10mm 미만의 성형체의 소성온도는 1120~1180℃이고, 10mm 이상의 성형체의 소성온도는 1160~1200℃인 것을 특징으로 하는 인공경량골재의 제조방법.