KR20170036584A - Lightweight geopolymer using fly ash highly containing unburned carbon contents and red mud and manufacturing method for the same - Google Patents

Lightweight geopolymer using fly ash highly containing unburned carbon contents and red mud and manufacturing method for the same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a hardened lightweight geopolymer and a method for manufacturing the same, provided with fly ash of high unburned carbon content, red mud, geopolymer slurry including an alkali activator polymerizing with the fly ash of high unburned carbon content and the red mud, and foam bubbles formed by a foaming agent. The fly ash of high unburned carbon content contains 6% to 21% of porous unburned carbon, the alkali activator is formed by mixing of sodium hydroxide and sodium silicate aqueous solutions at a weight ratio of 1 : 1 and polymerizes with the fly ash of high unburned carbon content and the red mud, and the foaming agent is configured as an animal surfactant-based foaming agent. According to the present invention, the fly ash of high unburned carbon content that has not been usable as a cement and concrete admixture can be used in geopolymer binder manufacturing, and thus thermal power plant byproducts can be disposed of at reduced costs and environmental problems related thereto can be dealt with. In addition, a decrease in volume and an increase in density attributable to microbubbles of bubbles, which occur during lightweight hardened body manufacturing, can be prevented by the use of the red mud while a high-pressure foaming technique is used that is suitable for the hardened body using the fly ash of high unburned carbon content. The present invention leads to better dry shrinkage effects than those of existing lightweight cement concrete. It is capable of reducing costs for the disposal of the red mud, which is an industrial byproduct, dealing with environmental problems related thereto, and reducing carbon dioxide during cement manufacturing.

Description

레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체 및 그 제조 방법{LIGHTWEIGHT GEOPOLYMER USING FLY ASH HIGHLY CONTAINING UNBURNED CARBON CONTENTS AND RED MUD AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lightweight geopolymer cured product obtained by using red mud and unburned carbon high fly ash and a method of manufacturing the lightweight geopolymer cured product using the red mud and unburned carbon high fly ash,

본 발명은 경량 지오폴리머 경화제 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화력발전소 부산물인 미연소탄소 고함량 플라이애쉬에 알루미늄 제련소 부산물인 레드머드를 첨가하고 발포기술을 이용하여 고압발포된 기포가 소멸하는 것을 방지하고 경량 콘크리트의 체적감소 문제를 해결할 수 있는 경량 지오폴리머 경화체 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a lightweight geopolymer curing agent and a method for producing the same. More particularly, the present invention relates to a lightweight geopolymer curing agent and a method for producing the same. More particularly, And to solve the problem of the volume reduction of the lightweight concrete, and a method of manufacturing the lightweight geopolymer cured body.

최근, 기존의 탄소 의존형 경제 패러다임에서 벗어나서, 저탄소 녹색성장과 저탄소 사회 구현을 위한 여러 가지 방안이 모색되고 있으며, 여러 세부적인 시행 사항 중 하나로, 석탄 화력발전소에 대한 규제도 따를 전망이며, 이는 화력발전소의 SOx 및 NOx 발생 저감을 위해 버너 교체 및 보일러 연소 온도 저감 등을 골자로 할 것으로 보인다. 이러한 석탄 화력 발전 방식의 변화는 플라이애쉬의 품질에 직접적인 영향을 미치게 되며, 기존의 플라이애쉬에 비하여 미연소탄소 함유량이 높은 플라이애쉬(이하 미연소탄소 고함량 플라이애쉬)를 대량 배출할 것으로 예상된다.In recent years, various measures have been sought to realize low carbon green growth and low carbon society, which are moving away from the existing carbon-dependent economic paradigm. One of the detailed measures is the regulation on coal-fired power plants, And the burner replacement and the boiler combustion temperature reduction to reduce SO x and NO x emissions. This change in coal-fired power generation method directly affects the quality of fly ash, and it is expected that a large amount of fly ash having a high unburned carbon content (hereinafter referred to as "unburned carbon high fly ash") is expected to be discharged compared with the conventional fly ash .

현재, 플라이애쉬 재활용은 약 65%가 시멘트 및 콘크리트 혼화제로 사용되고 있으나, 미연소탄소 고함량 플라이애쉬의 경우 강도 저하 등의 이유로 시멘트 콘크리트 혼화제로 사용이 불가하다. 따라서 미연소탄소 고함량의 플라이애쉬는 대부분 매립되는 실정이며, 이러한 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 활용할 수 있는 방법이 절실한 상황이다. At present, about 65% of fly ash recycled is used as cement and concrete admixture, but it can not be used as a cement concrete admixture because of low strength of unburned carbon high fly ash. Therefore, most of the unburned carbon high fly ash is landfilled, and a method for utilizing such unburned carbon high fly ash is urgently required.

또한, 최근 시멘트 소비가 지속적으로 증가하고 있으며, 세계적으로 시멘트의 제조량은 해마다 약 3% 증가하고 있으며, 국내 대부분의 건설현장에서도 포틀랜드 시멘트를 사용하고 있다. 포틀랜드 시멘트 제작 시 다량의 이산화탄소가 배출되며, 전 세계에서 배출되는 총 이산화탄소량의 약 5%를 차지한다. 이산화탄소는 지구온난화의 주 원인 중 하나이며, 전 세계적으로 이산화탄소 발생량 감소를 위한 노력을 기울이고 있다.Recently, cement consumption has been continuously increasing, cement production has increased by about 3% every year in the world, and Portland cement is used in most construction sites in Korea. Portland cement produces a large amount of carbon dioxide, which accounts for about 5% of the world's total carbon dioxide emissions. Carbon dioxide is one of the main causes of global warming and is making efforts to reduce carbon dioxide emissions worldwide.

이러한 노력 중 하나가 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 바인더를 찾는 것이며, 1970년대부터 활발하게 연구되고 있는 지오폴리머(geopolymer)도 이 중 하나이다.One of these efforts is to find binders that can replace Portland cement, and geopolymers that have been actively researched since the 1970s.

지오폴리머는 비결정 알루미노 규산염(amorphous aluminosilicate) 물질에 수용성 알칼리 활성화제(alkali activator)를 혼합하여, 중합반응(geopolymerization)을 유도하고 분자들이 재배열 되면서 강도를 발현한다.Geopolymers mix amorphous aluminosilicate materials with water-soluble alkali activators to induce polymerization (geopolymerization) and re-align the molecules to develop strength.

지오폴리머 제품의 강도는 바인더(binder)의 종류, 사전양생 유무, 양생조건, 알칼리 활성화제 종류 등에 큰 영향을 받는다. The strength of the geopolymer product is greatly influenced by the type of binder, the presence of the precured curing, the curing condition, and the kind of alkali activator.

지오폴리머에 관한 기술개발은 메타카올린(metacaolin), 미연소탄소 저??량 플라이애쉬, 고로슬래그 등을 위주로 이루어져 왔다.Technological developments in geopolymers have been mainly focused on metakaolin, unburned carbon low fly ash, and blast furnace slag.

한편, 레드머드는 보오크사이트를 원료로 하여 Bayer 공정(수산화나트륨을 용해하여 알루미나분을 추출)을 통해 알루미나를 채취하고 발생하는 잔류물이다. 이 공정을 통해 수산화 알루미늄 1톤을 생산하는데 약 2톤의 레드머드가 발생하며, 전 세계적으로 연간 약 1.2억톤 정도 발생되고 있다.On the other hand, Redmud is a residue that is produced by taking alumina through the Bayer process (sodium hydroxide is dissolved and alumina fraction is extracted) using the bauxite as a raw material. Through this process, about 2 tons of red mud are produced to produce 1 ton of aluminum hydroxide, and about 120 million tons are generated annually around the world.

레드머드는 보오크사이트 정련 과정에서 강염기성의 수산화나트륨을 사용하여 발생하므로, pH 10-13 정도의 강염기성을 띄는 슬러리 형태의 물질로 배출되고 있기 때문에 2001년 이후 육상 직매립이 제한되고 있다. 현재 우리나라에서는 알루미늄 제련을 시작한 1993년 이후 점차 레드머드 발생량이 증가하여 연간 약 20만톤 이상이 발생되고 있으나 재활용율은 15% 이하로 재활용율이 낮은 산업부산물이다. 이와 같이 낮은 재활용률과 유해성으로 인하여 레드머드를 적재하는데 있어 많은 문제가 발생하고 있으며, 레드머드의 궁극적인 처리 없이는 레드머드로 인한 환경재난이 언제 발생할지 모르는 상황이다.Since red mud is generated by using strong basic sodium hydroxide in the refining process of bauxite, landfill landfill is limited since 2001 because it is discharged as a slurry type material with strong basicity of about 10-13. In Korea, since 1993, when aluminum smelting began, the amount of red mud increased gradually, resulting in an annual production of about 200,000 tons. However, the recycling rate is less than 15%, which is an industrial by-product with a low recycling rate. Due to this low recycling rate and harmfulness, there are many problems in loading red mud, and without the ultimate treatment of red mud, we do not know when an environmental disaster will happen due to red mud.

따라서, 산업발전으로 인해 해마다 증가하는 부산물 발생을 해결하기 위한 경제적이고 효율적인 재활용 기술개발이 시급한 실정이다. Therefore, it is imperative to develop economical and efficient recycling technology to solve the increase of by-products every year due to industrial development.

한국특허 10-1337759(무기결합재 조성물)Korean Patent No. 10-1337759 (inorganic binder composition)

본 발명은 상기와 같은 산업부산물 재활용상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 시멘트 바인더를 사용하지 않고, 점차 발생량이 증가하는 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 지오폴리머 바인더로 재활용하는 경량 지오폴리머 경화체를 제공하는 것이다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method of recycling an unburned carbon high fly ash which is gradually increased in amount without using a cement binder To provide a lightweight geopolymer cured body.

또한, 본 발명의 다른 목적은 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 사용한 경화체에 적합한 고압발포기술을 이용하면서도 경량성 경화체를 제작시 발생하는 단점인 기포의 소포로 인한 체적감소 및 밀도증가를 방지할 수 있고 건조수축율이 낮은 경량 지오폴리머 경화체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for producing a lightweight cured product which can prevent the volume reduction and the density increase due to the bubble of the bubble, And has a low shrinkage of drying, and a process for producing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 경량 지오폴리머 경화체는 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와, 레드머드와, 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬 및 상기 레드머드와 중합반응하는 알칼리 활성화제를 포함하는 지오폴리머 슬러리와, 발포제에 의해 형성되는 발포거품을 구비하며, 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬는 다공질성 미연소탄소를 6 내지 21% 함유하고, 상기 레드머드는 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와 건비빔되며, 상기 알칼리 활성화제는 수산화나트륨 수용액과 규산나트륨수용액을 중량비 1 : 1로 혼합하여 형성되며 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬 및 상기 레드머드와 중합반응하며, 상기 발포제는 동물성 계면활성제계 발포제인 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, the lightweight geopolymer cured product according to the present invention comprises a unburned carbon high-content fly ash, a red mud, an unburned carbon high-content fly ash, and an alkali activator polymerizing with the red mud And a foaming foam formed by a foaming agent, wherein the unburned carbon high content fly ash contains 6 to 21% of the porous unburned carbon, and the red mud contains the unburned carbon high fly ash And the alkali activator is formed by mixing an aqueous solution of sodium hydroxide and an aqueous solution of sodium silicate in a weight ratio of 1: 1 and is polymerized with the unburned carbon high content fly ash and the red mud, and the foaming agent is an animal surfactant Based foaming agent.

여기서, 상기 발포거품은 동물성 계면활성제계 발포제를 0.7MPa로 발포하여 형성되며, 고압발포후의 부피가 상기 지오폴리머 슬러리의 부피에 대하여 0.5 : 1의 부피비를 갖는 것을 특징으로 한다. Here, the foaming foam is formed by foaming an animal surfactant foaming agent at 0.7 MPa, and the volume after high-pressure foaming has a volume ratio of 0.5: 1 with respect to the volume of the geopolymer slurry.

여기서, 상기 지오폴리머 슬러리에 함유된 실리콘과 알루미늄의 몰비(Si/Al 몰비)는 0.98 내지 1.59의 범위인 것을 특징으로 한다. Here, the molar ratio (Si / Al molar ratio) of silicon to aluminum contained in the geopolymer slurry is in the range of 0.98 to 1.59.

여기서, 상기 레드머드는 상기 지오폴리머 슬러리에 대하여 10 ~ 40 중량%인 것을 특징으로 한다. The red mud is 10 to 40% by weight of the geopolymer slurry.

여기서, 상기 계면활성제계 발포제의 농도는 0.5 ~ 2.0%인 것을 특징으로 한다. Here, the concentration of the surfactant-based foaming agent is 0.5 to 2.0%.

또한, 본 발명에 의한 경량 지오폴리머 경화체의 제조방법은, 다공질성 미연소탄소를 6 내지 21% 함유하는 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와, 레드머드를 혼합한 후 건비빔하는 단계와, 수산화나트륨과 규산나트륨을 중량비 1 : 1로 혼합한 알칼리 활성화제를 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와 상기 레드머드의 혼합물에 첨가하여 중합반응시켜 지오폴리머 슬러리를 제조하는 단계와, 동물성 계면활성제계 발포제를 0.7MPa로 발포하여 형성된 발포거품을 상기 지오폴리머 슬러리에 혼합하는 단계와, 상기 발포거품을 포함하는 상기 지오폴리머 슬러리를 상온에서 24시간 사전경화시킨 후 건조로에서 48시간 양생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for producing a lightweight geopolymer cured product according to the present invention comprises the steps of mixing a unburned carbon high fly ash containing 6 to 21% of a porous unburned carbon with a red mud followed by dry beaming, And sodium silicate in a weight ratio of 1: 1 is added to the mixture of the unburned carbon high-content flyash and the red mud to cause a polymerization reaction to prepare a geopolymer slurry, and an animal surfactant- Mixing the foamed foam formed by foaming at 0.7 MPa with the geopolymer slurry; and pre-curing the geopolymer slurry containing the foamed foam at room temperature for 24 hours and then curing in a drying oven for 48 hours .

상술한 구성을 가지는 본 발명의 경량 지오폴리머 경화체 및 그 제조 방법에 의하면, 시멘트 및 콘크리트 혼화제로 사용할 수 없었던 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 지오폴리머 바인더의 제조에 활용할 수 있으므로 화력발전소의 부산물 처리에 소요되는 비용을 절감하고 그로 인한 환경문제를 개선할 수 있다. According to the lightweight geopolymer cured product of the present invention having the above-mentioned constitution and the method for producing the same, it is possible to utilize the unburned carbon high fly ash which can not be used as cement and concrete admixture in the production of the geopolymer binder, It is possible to reduce the cost and improve the environmental problem.

또한, 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 사용한 경화체에 적합한 고압발포기술을 이용하면서도 경량성 경화체를 제작시 발생하는 단점인 기포의 소포로 인한 체적감소 및 밀도증가를 상기 레드머드의 활용에 의해 방지할 수 있고 기존의 경량 시멘트 콘크리트에 비하여 건조 수축 면에서 우수한 효과를 얻을 수 있다.In addition, while utilizing a high-pressure foaming technique suitable for a cured product using a high unburned carbon content fly ash, it is possible to prevent the volume reduction and the density increase due to bubble vesicle, which is a disadvantage that occurs when a lightweight cured product is produced, And it is possible to obtain excellent effect on the drying shrinkage surface as compared with the conventional lightweight cement concrete.

또한, 산업부산물인 레드머드의 처리에 소요되는 비용을 절감하고 그로 인한 환경문제를 개선할 수 있으며, 시멘트 제조 시 발생하는 이산화탄소를 경감시킬 수 있다.In addition, it is possible to reduce the cost of processing the industrial by-product Red Mud, thereby to improve the environmental problems, and to alleviate the carbon dioxide generated in the production of cement.

도 1은 플라이애쉬의 입도분포곡선를 나타내는 도면이고,
도 2는 플라이애쉬의 SEM 사진을 나타내는 도면이며,
도 3은 본 발명의 알칼리 활성화제의 중합반응을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명에 의한 경량 지오폴리머 경화체의 제조방법을 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 지오폴리머 슬러리의 Si/Al(몰비)에 따른 지오폴리머 조성물의 압축강도를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 레드머드 농도에 따른 지오폴리머 조성물의 압축강도를 나타내는 도면이고,
도 7은 본 발명의 레드머드 함량에 따른 경량 지오폴리머 조성물의 압축강도 및 밀도를 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 레드머드 함량에 따른 경량 지오폴리머 조성물의 체적 변화를 나타내는 도면이고,
도 9는 본 발명의 발포제 농도에 따른 경량 지오폴리머 조성물의 압축강도 및 밀도를 나타내는 도면이다.
1 is a view showing a particle size distribution curve of fly ash,
2 is a SEM photograph of the fly ash,
3 is a view for explaining the polymerization reaction of the alkali activating agent of the present invention,
4 is a view showing a method for producing a lightweight geopolymer cured product according to the present invention,
5 is a graph showing the compressive strength of the geopolymer composition according to Si / Al (molar ratio) of the geopolymer slurry of the present invention,
6 is a graph showing the compressive strength of the geopolymer composition according to the red mud concentration of the present invention,
7 is a graph showing the compressive strength and density of the lightweight geopolymer composition according to the red mud content of the present invention,
8 is a diagram showing the volume change of the lightweight geopolymer composition according to the red mud content of the present invention,
9 is a graph showing the compressive strength and density of a lightweight geopolymer composition according to the blowing agent concentration of the present invention.

이하에서는, 본 발명에 의한 경량 지오폴리머 경화체 및 그 제조 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 실시예로써 상세하게 설명한다. Hereinafter, a lightweight geopolymer cured product and a method of producing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 경량 지오폴리머 경화체는 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와, 레드머드와, 알칼리 활성화제를 포함하는 지오폴리머 슬러리를 포함하며, 상기 지오폴리머 슬러리에는 별도로 형성된 고압발포된 발포거품이 혼합된다.The lightweight geopolymer cured product according to the present invention comprises a geopolymer slurry comprising unburned carbon high content fly ash, red mud and an alkali activator, wherein the geopolymer slurry is mixed with separately formed high pressure foamed foamed foam .

지오폴리머는 알루미노 규산염 광물과 알칼리 활성화제 반응에 의해 삼차원적인 구조의 물질인 폴리시알레이트(polysialate, Si-O-Al), 폴리시알레이트 실록소(polysialate-siloxo, Si-O-Al-O-Si-O), 폴리시알레이트 다이실록소(polysialate-disiloxo, Si-O-Al-O-Si-O-Si-O)의 결합을 갖는다. The geopolymer is formed by reaction of an aluminosilicate mineral with an alkali activator to form a three-dimensional structure of polysialate (Si-O-Al), polysialate-siloxo (Si-O-Al-O -Si-O, and polysialate-disiloxo (Si-O-Al-O-Si-O-Si-O).

상기 지오폴리머는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 두 개의 단계로 나눌 수 있으며, 순차적으로 일어나는 것이 아니라 거의 동시에 발생한다. 1) 알루미노 규산염 광물의 용해 및 재배열이 발생, 2) 용해된 알루미노 규산염 광물이 고알칼리 용액 상태에서 중합 반응하여 경화된다.As shown in Fig. 3, the geopolymer can be divided into two steps, which occur substantially simultaneously, not sequentially. 1) the dissolution and rearrangement of aluminosilicate minerals; and 2) the dissolved aluminosilicate minerals are cured by polymerization in a highly alkaline solution.

상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬는 화력발전소에서 유연탄을 미분탄형 연소기에서 연소하고 발생하는 부산물로써, 도1의 입도분포곡선으로부터 구한 평균입경(D50)이 12μm정도 이며 도2에서 보는 바와 같이 입자의 크기가 20μm 이하의 구형의 비결정질 알루미노 규산염, 유리질(cenosphere) 등으로 구성되어 있다. The unburned carbon high-content fly ash is a by-product produced by burning bituminous coal in a coal-fired power plant at a coal-fired power plant. The average particle size (D 50 ) Amorphous aluminosilicate having a size of 20 탆 or less and a cenosphere.

본 발명의 상기 지오폴리머 슬러리에 있어서, 상기 플라이애쉬는 입자크기가 50μm 정도의 다공질성 미연소탄소가 다량 포함되어 있는 것을 예로 한다. 또한, 상기 플라이애쉬는 미연소탄소를 6% ~ 21% 정도로 다량 포함하고 있어 ASTM C618 기준에 의해 시멘트 콘크리트 혼화제로 사용할 수 없는 플라이애쉬를 대상으로 한다. In the geopolymer slurry of the present invention, it is exemplified that the fly ash contains a large amount of porous unburned carbon having a particle size of about 50 탆. Also, the fly ash contains fly ash in an amount of about 6% to 21%, which is a fly ash that can not be used as a cement concrete admixture according to the ASTM C618 standard.

상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬의 화학적 성분은 [표 1]과 같다.The chemical composition of the unburned carbon high fly ash is shown in Table 1.

화학chemistry
성분ingredient
SiOSiO 22 AlAl 22 OO 33 FeFe 22 OO 33 CaOCaO NaNa 22 OO KK 22 OO SOSO 33 MgOMgO PP 22 OO 55 TiOTiO 22 L.O.IL.O.I
중량%weight% 42.05 42.05 20.06 20.06 7.27 7.27 4.73 4.73 1.52 1.52 1.13 1.13 0.53 0.53 1.17 1.17 0.60 0.60 1.27 1.27 19.20 19.20

또한, 상기 알칼리 활성화제는 중합반응에 사용하기 24시간 이전에 수산화나트륨(NaOH)을 적정한 몰농도로 제작하여 규산나트륨(sodium silicate, 9∼10% Na2O, 28∼30 SiO2)과 중량비 1:1로 혼합하여 충분한 냉각을 거친 후 사용한다.In addition, the alkali activator can be prepared by preparing sodium hydroxide (NaOH) at a proper molar concentration 24 hours prior to use in the polymerization reaction, adding sodium silicate (9-10% Na 2 O, 28-30 SiO 2 ) Mix 1: 1 and use after sufficient cooling.

본 실시예에 있어서, 상기 경량 지오폴리머 경화체에 기포를 형성하기 위해서 계면활성제계 발포제를 고압으로 발포하여 거품을 지오폴리머 슬러리에 혼합하는 선발포(pre-foaming)방식을 사용한다.In this embodiment, in order to form bubbles in the lightweight geopolymer cured product, a pre-foaming method is used in which the surfactant-based foaming agent is foamed at a high pressure and the foam is mixed with the geopolymer slurry.

본 발명에서 사용하는 계면활성제계 발포제는 동물성 발포제이며, 발포압은 거품 배출시 0.7MPa로 한다.The surfactant type foaming agent used in the present invention is an animal foaming agent, and the foaming pressure is 0.7 MPa when the foam is discharged.

일반적으로 선발포 방식은 작업의 편의와 경화체 내에 기포 분포가 상대적으로 양호하다는 이유로 사용되고 있으나, 시멘트 콘크리트와 지오폴리머 같은 경화체에 선발포 방식을 이용해 경량화 하는 경우 소포의 확률이 높아지는 단점이 있다. 상기와 같은 단점을 보완하기 위해 제품제작 시에는 고압증기양생을 사용하고, 현장에서는 소포로 인한 체적 감소량 만큼의 추가물량을 투입하고 있다.In general, the selection method is used because of convenience of work and distribution of bubbles in the cured body relatively. However, when the curing concrete such as cement concrete and geopolymer is lightened by using the preliminary foaming method, the probability of the vesicle increases. In order to overcome such disadvantages, high-pressure steam curing is used in the manufacture of the product, and an additional amount of the volume reduced by the volume of the parasites is applied in the field.

본 발명에서는 소포로 인한 체적감소와 밀도 증가를 방지하기 위해 레드머드를 첨가하여 이러한 단점을 보완한다.In the present invention, red mud is added to compensate for these drawbacks in order to prevent volume reduction and density increase due to vesicles.

레드머드의 주 성분은 표 2에 나타낸 바와 같이 제이산화철(Fe2O3)을 주성분으로 하여 붉은 색을 띄며 pH가 10.97로 강염기성 물질이다.As shown in Table 2, red mud is mainly composed of ferric oxide (Fe 2 O 3 ) and has a pH of 10.97 and is a strongly basic substance.

화학chemistry
성분ingredient
SiOSiO 22 AlAl 22 OO 33 FeFe 22 OO 33 CaOCaO NaNa 22 OO KK 22 OO SOSO 33 MgOMgO PP 22 OO 55 TiOTiO 22 L.O.IL.O.I
중량%weight% 18.318.3 21.621.6 29.4529.45 2.762.76 12.0212.02 0.030.03 -- -- 0.130.13 6.266.26 9.19.1

또한 상기 레드머드의 첨가는 알칼리 활성화제를 넣기 전 플라이애쉬와 레드머드를 건비빔하여 사용하는 것으로 한다.In addition, the addition of the red mud is performed by dry-blasting the fly ash and red mud before adding the alkali activating agent.

한편, 도 4는 본 발명에 의한 상기 경량 지오폴리머 경화체의 제조방법을 나타내는 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 경량 지오폴리머 경화체의 제조방법은, 우선 지오폴리머 슬러리를 제조한다. 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와, 상기 레드머드를 혼합한 후 건비빔한 후, 상기 알칼리 활성화제를 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와 상기 레드머드의 혼합물에 첨가하여 중합반응시켜 상기 지오폴리머 슬러리를 제조한다. On the other hand, FIG. 4 is a view showing a method of producing the lightweight geopolymer cured product according to the present invention. As shown in Fig. 4, in the method for producing a lightweight geopolymer cured product of the present invention, a geopolymer slurry is first prepared. Mixing the unburned carbon high-content fly ash with the red mud followed by dry-blending, adding the alkali activator to the mixture of the unburned carbon high-content fly ash and the red mud to cause a polymerization reaction, To prepare a slurry.

그런 다음, 상기 지오폴리머 슬러리에 동물성 계면활성제계 발포제를 0.7MPa로 발포하여 상기 슬러리 내에 발포거품을 형성한다. Then, an animal surfactant based foaming agent is foamed at 0.7 MPa in the above-mentioned geopolymer slurry to form a foamed foam in the slurry.

그런 다음, 상기 발포거품을 포함하는 상기 지오폴리머 슬러리를 상온에서 사전경화시킨 후 건조로에서 48시간 양생시켜 상기 경량지오폴리머 경화체를 완성한다. Then, the above-mentioned geopolymer slurry containing the foamed foam is pre-cured at room temperature and then cured in a drying oven for 48 hours to complete the lightweight geopolymer cured product.

상기 경량 지오폴리머 경화체를 제조하기 위한 상기 지오폴리머 슬러리에 있어서 국내에서 발생하는 미연소탄소 고함량 플라이애쉬, 수산화나트륨, 규산나트륨, 레드머드 및 물의 배합비율을 [표 3] 내지 [표 6]에 나타낸 바와 같이 변화시켜가면서 지오폴리머 제조 실험을 수행하였다.The blending ratios of the unburned carbon high fly ash, sodium hydroxide, sodium silicate, red mud, and water generated in the geopolymer slurry for producing the lightweight geopolymer cured product are shown in [Table 3] to [Table 6] The preparation of the geopolymer was carried out while varying as shown.

상술한 바와 같이, 플라이애쉬는 화력발전소의 부산물로써 공정에 사용되는 석탄의 종류, 연소기 온도, 환경에 따라 발전소, 발생날짜 등에 따라 각기 다른 화학적 조성을 가지며, 레드머드 또한 보오크사이트(광물)로부터 알루미늄을 추출하고 발생하는 부산물로써 사용된 보오크사이트의 순도, 공정과정의 pH 등에 따라 제련소, 발생날짜 등에 따라 각기 다른 화학적 조성을 갖는다. As described above, fly ash is a by-product of thermal power plants and has different chemical composition depending on the type of coal used in the process, the temperature of the burner, the environment, the power plant, and the date of occurrence. Red mud also contains aluminum And the purity of the bauxite used as a by-product, and the pH of the process, etc., and have different chemical compositions depending on the smelter, the date of occurrence, and the like.

이에 따라 플라이애쉬와 레드머드와 수산화나트륨(NaOH)과 규산나트륨(Na2SiO3)의 혼합물인 상기 지오폴리머 슬러리는 중량비가 일정하더라도 사용된 재료(원료)의 순도 혹은 화학적 조성에 따라 모두 다른 강도와 특성을 갖게 된다. The fly ash and red mud and sodium hydroxide in accordance with (NaOH) and sodium silicate (Na 2 SiO 3) mixture of the geo-polymer slurry are all different intensity, depending on purity or chemical composition of the material (raw material) used, even if the weight ratio is constant in And characteristics.

구분division 슬러리의 Si/Al(몰비)에 따른 지오폴리머 조성물 및 배합비율(중량 %)Geopolymer composition and blending ratio (% by weight) according to Si / Al (molar ratio) 플라이애쉬(중량 %)Fly ash (wt%) 레드머드(중량 %)Red mud (% by weight) Si/Al(몰비)Si / Al (molar ratio) 실시예1Example 1 9090 1010 0.980.98 실시예2Example 2 9090 1010 1.081.08 실시예3Example 3 9090 1010 1.191.19 실시예4Example 4 9090 1010 1.321.32 실시예5Example 5 9090 1010 1.451.45 실시예6Example 6 9090 1010 1.591.59

표 3은 슬러리의 Si/Al(몰비)에 따른 지오폴리머 제품의 강도를 파악하기 위해 본 발명에 따른 레드머드를 혼합한 플라이애쉬 지오폴리머 조성물의 실시 예이다. 플라이애쉬와 레드머드의 중량비를 90 : 10으로 고정하고 알칼리 활성화제의 농도를 변화시켜 지오폴리머 슬러리를 제작하였고, 50ㅧ50ㅧ50mm 큐브몰드에 주입하여, 상온(T=23.0ㅁ3.0 ㅀC, RH=50ㅁ10%)에서 24시간 사전경화를 거쳐, 60ㅀC 건조로에서 48시간 양생시켜 3일 강도를 측정하였다. Table 3 is an example of a fly ash geopolymer composition in which the red mud according to the present invention is mixed to grasp the strength of the geopolymer product according to the Si / Al (molar ratio) of the slurry. The weight ratio of fly ash and red mud was fixed at 90:10 and the concentration of the alkali activator was changed to prepare a geopolymer slurry. The slurry was injected into a 50 ㅧ 50 ㅧ 50 mm cube mold, and the temperature was changed to room temperature (T = 23.0 3.0 3.0 ㅀ C, RH = 50 ㅁ 10%) for 24 hours and cured in a 60 ㅀ C drying furnace for 48 hours.

측정 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 지오폴리머 슬러리에 함유되어 있는 실리콘/알루미늄(Si/Al)의 몰비가 0.98부터 점차 증가하기 시작하여 1.32 ~ 1.59의 범위에서 급격한 강도 증진효과가 있었으며, 약 1.45에서 29.6MPa로 가장 큰 강도를 나타냄을 알 수 있다. As a result of the measurement, the molar ratio of silicon / aluminum (Si / Al) contained in the geopolymer slurry gradually increased from 0.98 as shown in FIG. 5, and the effect of increasing the strength was remarkably in the range of 1.32 to 1.59. It can be seen that the maximum strength is 1.45 to 29.6 MPa.

구분division 레드머드 농도에 따른 지오폴리머 조성물 및 배합비율The composition of the geopolymer and the mixing ratio 플라이애쉬Fly ash
(중량 %)(weight %)
레드머드(중량 %)Red mud (% by weight) Si/Al(몰비)Si / Al (molar ratio)
실시예1Example 1 100100 00 1.521.52 실시예2Example 2 9090 1010 1.451.45 실시예3Example 3 8080 2020 1.381.38 실시예4Example 4 6060 4040 1.361.36

표 4는 레드머드 함량에 따른 지오폴리머 제품의 강도를 파악하기 위해 본 발명에 따른 레드머드를 서로 다른 중량비로 혼합한 플라이애쉬 지오폴리머 조성물의 실시예이다. Table 4 is an example of a fly ash geopolymer composition in which the red mud according to the present invention is mixed at different weight ratios in order to grasp the strength of the geopolymer product according to the red mud content.

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 가장 큰 강도를 보인 실시예 5와 동일한 몰농도의 알칼리 활성화제를 동일한 량으로 배합하고, 상기와 동일한 방식으로 양생하여 3일 강도를 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. As shown in Table 3, the same amount of the alkali activating agent having the same molar concentration as in Example 5 showing the highest strength was blended, cured in the same manner as described above, and the strength was measured for 3 days. Respectively.

도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 레드머드의 함량 0%(Si/Al 몰비 약 1.5)에서 최대강도를 나타냈으며 레드머드 함량이 높아질수록 Si/Al 몰비가 감소하여 강도 또한 33.8MPa에서 레드머드 함량 40%시 15.6MPa로 약 55% 감소하였다.As shown in FIG. 6, the maximum intensity of the red mud content was 0% (Si / Al molar ratio is about 1.5). As the red mud content was increased, the Si / Al molar ratio decreased and the red mud content 40 And decreased by about 55% at 15.6 MPa.

구분division 레드머드 함량에 따른 경량 지오폴리머 조성물 및 배합비율Lightweight Geopolymer Composition and Mixing Ratio According to Red Mud Content 플라이애쉬
(중량 %)
Fly ash
(weight %)
레드머드(중량 %)Red mud (% by weight) 발포제 농도
(중량 %)
Blowing agent concentration
(weight %)
실시예1Example 1 100100 00 2.02.0 실시예2Example 2 9090 1010 2.02.0 실시예3Example 3 8080 2020 2.02.0 실시예4Example 4 6060 4040 2.02.0

표 5는 상기 레드머드의 함량에 따른 경량 지오폴리머 제품의 강도를 파악하기 위해 상기 레드머드를 서로 다른 중량비로 혼합한 것을 나타낸 실시예이다. Table 5 shows an example in which the red muds were mixed at different weight ratios in order to grasp the strength of the lightweight geopolymer product according to the content of the red mud.

여기서, 상기 발포제 농도는 2.0%로, 상기 지오폴리머 슬러리와 고압발포된 발포거품의 비율은 1 : 0.5의 부피비로 고정하였으며, 실험 과정은 상술한 실험예의 내용과 같으며, 그 결과를 도 7에 나타낸다. Here, the concentration of the foaming agent was 2.0%, and the ratio of the above-mentioned geopolymer slurry to the high-pressure foamed foaming foam was fixed at a volume ratio of 1: 0.5. The experimental procedure was the same as the above- .

도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 레드머드가 첨가되지 않은 경량 지오폴리머 조성물의 경우 약 33%의 체적 감소를 보이는데 반해, 상기 레드머드가 첨가된 경우 상기 레드머드의 함량에 따라 약 2%(레드머드 함량 40%)에서 3%(레드머드 함량 10%)로 매우 낮은 체적 감소를 보였다. As shown in FIG. 7, in the case of the lightweight geopolymer composition to which the red mud is not added, the volume reduction is about 33%, whereas when the red mud is added, about 2% (40%) and 3% (10% red mud content).

또한, 고압 발포 거품을 혼합한 경우, 레드머드 함량이 증가함에 따라 강도는 17.1 MPa(레드머드 함량 0%)에서 0.4 MPa(레드머드 함량 40%)로 감소하였고, 밀도는 1.51 g/cm3(레드머드 함량 0%)에서 1.05 g/cm3(레드머드 함량 40%)로 감소하였다. 상기 레드머드 함량이 과도할 경우 압축강도의 저하가 크므로 그 사용이 부적절하지만, 약 10%의 레드머드 혼합으로도 체적감소는 방지할 수 있기 때문에 상기 경량 지오폴리머 경화체에 요구되는 강도에 따라 상기 레드머드의 혼합량을 조절하여 사용할 수 있다. Also, when the high-pressure foamed foam was mixed, the strength decreased from 17.1 MPa (Redmud content 0%) to 0.4 MPa (Redmud content 40%) and the density decreased to 1.51 g / cm 3 Red mud content of 0%) to 1.05 g / cm 3 (Red mud content of 40%). If the red mud content is excessive, the use of the red mud is inadequate because of the large decrease in compressive strength. However, since volume reduction can be prevented even with mixing of about 10% of red mud, Red mud can be used by adjusting the amount of mixture.

구분division 발포제 농도에 따른 경량 지오폴리머 조성물 및 배합비율The lightweight geopolymer composition and blending ratio 플라이애쉬Fly ash
(중량 %)(weight %)
레드머드Red Mud
(중량 %)(weight %)
발포제 농도Blowing agent concentration
(중량 %)(weight %)
실시예1Example 1 9090 1010 0.00.0 실시예2Example 2 9090 1010 0.50.5 실시예3Example 3 9090 1010 1.01.0 실시예4Example 4 9090 1010 2.02.0

표 6은 발포제 농도에 따른 경량 지오폴리머 제품의 강도를 파악하기 위해 본 발명에 따른 발포제 농도를 달리하여 생성한 고압 발포 거품을 혼합한 경량 플라이애쉬 지오폴리머 조성물의 실시예이다. Table 6 shows an example of a lightweight fly ash geopolymer composition in which high-pressure foamed foam produced by varying the concentration of the foaming agent according to the present invention is mixed to determine the strength of the lightweight geopolymer product according to the concentration of the foaming agent.

실험과정은 상술한 실험의 내용과 같으므로 중복된 설명은 생략한다. 상기 발포제 농도에 따른 압축강도는 도 9에 나타낸 바와 같이 발포제 농도가 0%에서 0.5%, 1.0%로 증가함에 따라 감소하였다가 2.0%에서 약 50% 증가한 12.4 MPa로 측정되었다. 밀도 또한 비슷한 양상을 띄었으나 2.0%에서 약 6% 증가한 1.41 g/cm3으로 측정되었다.The experimental procedure is the same as that of the experiment described above, so duplicate explanation is omitted. The compressive strength according to the concentration of the foaming agent decreased as the foaming agent concentration increased from 0% to 0.5% and 1.0% as shown in FIG. 9, and then to 12.4 MPa which was increased by about 50% from 2.0%. The density was also similar, but increased from 2.0% to about 1.41 g / cm 3 by about 6%.

본 발명에 따른 레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체는 기존의 선발포방식의 단점인 체적감소와 밀도 증가를 보완하였으며, 다량 발생하는 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와 레드머드의 재활용률을 높이는데 기여할 수 있다. 또한 생산 시 이산화탄소를 다량 발생시키는 시멘트의 대체제로써 활용이 가능하여 경량기포블록, 슬라브 바닥재 등에 이용될 수 있다.The lightweight geopolymer cured product using the red mud and the unburned carbon high fly ash according to the present invention complements the volume reduction and the density increase which are disadvantages of the conventional selective foaming method, and the high unburned carbon high fly ash and red This can contribute to increasing the recycling rate of the mud. In addition, it can be used as a substitute for cement that generates a large amount of carbon dioxide during production, and can be used for lightweight foam blocks, slabs, and the like.

또한, 레드머드 함량이 높은 경량성 지오폴리머의 경우 강도가 낮은 대신 유동성이 좋아 저강도 고유동화재(CLSM, controlled low strength material)에 이용될 수 있다.In addition, lightweight geopolymers with high red mud content can be used for controlled low strength materials (CLSM) because of their low fluidity instead of low strength.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.Although several embodiments of the present invention have been shown and described, those skilled in the art will appreciate that various modifications may be made without departing from the principles and spirit of the invention . The scope of the invention will be determined by the appended claims and their equivalents.

Claims (6)

미연소탄소 고함량 플라이애쉬와, 레드머드와, 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬 및 상기 레드머드와 중합반응하는 알칼리 활성화제를 포함하는 지오폴리머 슬러리와,
발포제에 의해 형성되는 발포거품을 구비하며,
상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬는 다공질성 미연소탄소를 6 내지 21% 함유하고,
상기 레드머드는 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와 건비빔되며,
상기 알칼리 활성화제는 수산화나트륨 수용액과 규산나트륨수용액을 중량비 1 : 1로 혼합하여 형성되며 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬 및 상기 레드머드와 중합반응하며,
상기 발포제는 동물성 계면활성제계 발포제인 것을 특징으로 하는 레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체.
A geopolymer slurry comprising unburned carbon high fly ash, red mud, an unburned carbon high fly ash, and an alkali activator polymerized with the red mud,
And a foaming foam formed by the foaming agent,
The unburned carbon high-content fly ash contains 6 to 21% of the porous unburned carbon,
The red mud is gun beam-beamed with the unburned carbon high-content fly ash,
The alkali activator is formed by mixing an aqueous solution of sodium hydroxide and an aqueous solution of sodium silicate in a weight ratio of 1: 1, and is polymerized with the unburned carbon high-content fly ash and the red mud,
Wherein the foaming agent is an animal surfactant-based foaming agent, and a lightweight geopolymer cured body using red mud and unburned carbon high fly ash.
제 1 항에 있어서,
상기 발포거품은 동물성 계면활성제계 발포제를 0.7MPa로 발포하여 형성되며, 고압발포후의 부피가 상기 지오폴리머 슬러리의 부피에 대하여 0.5 : 1의 부피비를 갖는 것을 특징으로 하는 레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체.
The method according to claim 1,
Wherein the foaming foam is formed by foaming an animal surfactant foaming agent at 0.7 MPa and a volume after high-pressure foaming has a volume ratio of 0.5: 1 with respect to the volume of the geopolymer slurry. Lightweight geopolymer cured with fly ash.
제 1 항에 있어서,
상기 지오폴리머 슬러리에 함유된 실리콘과 알루미늄의 몰비(Si/Al 몰비)는 0.98 내지 1.59의 범위인 것을 특징으로 하는 레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체.
The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of silicon to aluminum contained in the geopolymer slurry (Si / Al molar ratio) is in the range of 0.98 to 1.59, and a lightweight geopolymer cured body using red mud and unburned carbon high fly ash.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레드머드는 상기 지오폴리머 슬러리에 대하여 10 ~ 40 중량%인 것을 특징으로 하는 레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the red mud is 10 to 40 wt% based on the geopolymer slurry, and the lightweight geopolymer cured body using the red mud and the unburned carbon high fly ash.
제 4 항에 있어서,
상기 계면활성제계 발포제의 농도는 0.5 ~ 2.0%인 것을 특징으로 하는 레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체.
5. The method of claim 4,
Wherein the concentration of the surfactant-based foaming agent is 0.5 to 2.0%. The lightweight geopolymer cured product is obtained by using red mud and high unburned carbon content fly ash.
다공질성 미연소탄소를 6 내지 21% 함유하는 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와, 레드머드를 혼합한 후 건비빔하는 단계와,
수산화나트륨수용액과 규산나트륨 수용액을 중량비 1 : 1로 혼합한 알칼리 활성화제를 상기 미연소탄소 고함량 플라이애쉬와 상기 레드머드의 혼합물에 첨가하여 중합반응시켜 지오폴리머 슬러리를 제조하는 단계와,
동물성 계면활성제계 발포제를 0.7MPa로 발포하여 형성된 발포거품을 상기 지오폴리머 슬러리에 혼합하는 단계와,
상기 발포거품을 포함하는 상기 지오폴리머 슬러리를 상온에서 24시간 사전경화시킨 후 건조로에서 48시간 양생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레드머드와 미연소탄소 고함량 플라이애쉬를 이용한 경량 지오폴리머 경화체의 제조 방법.
Mixing the unburned carbon high-content flyash containing 6 to 21% of the porous unburned carbon with the red mud followed by dry bombarding,
Adding an alkali activator in a weight ratio of 1: 1 by weight of an aqueous sodium hydroxide solution and an aqueous sodium silicate solution to a mixture of the unburned carbon high-content flyash and the red mud to cause a polymerization reaction to prepare a geopolymer slurry;
Mixing the foaming foam formed by foaming an animal surfactant-based foaming agent with 0.7 MPa into the above-mentioned geopolymer slurry,
And curing the geopolymer slurry containing the foaming foam at a room temperature for 24 hours and then curing in a drying oven for 48 hours, characterized by comprising the step of curing the lightweight geopolymer cured product using red mud and unburned carbon high fly ash Gt;
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