KR20180073865A

KR20180073865A - 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법

Info

Publication number: KR20180073865A
Application number: KR1020160177356A
Authority: KR
Inventors: 박원준; 김득모; 류화성; 신상헌
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-07-03

Abstract

본 발명은 폐콘크리트에서 발생한 pH 11 내지 13의 강알칼리성의 순환골재를 규불화수소산이 혼합되어 중성화조에 저장된 수용액에 침전시켜 pH 6.5 내지 10 사이로 중성화하여 pH 저감 및 규불화수소산과 반응으로 순환골재 표면에서 수산화칼슘을 박리하여 개질시키면서 지속적으로 용출되는 알칼리성 물질을 억제하여 흡수율 저감을 구현함은 물론 중성화조의 수용액을 초음파 진동으로 중성화조에서 화학반응 및 진동에 의한 물리적 골재 표면박리를 동시 수행하면서 순환골재의 표면을 개질하여 모르타르용 골재로 사용할 수 있도록 함으로써, 재활용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 초음파 진동은 가장 보편적으로 사용되는 20~40KHz 단일 주파수를 이용하므로 강력한 캐비테이션으로 높은 세정효과를 기대함과 아울러 에너지 효율이 좋아 경제성을 향상시킬 수 있는 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법에 관한 것이다.

Description

규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법{Surface modification method of recycled aggregate using hydrous hydrofluoric acid and ultrasonic vibration}

본 발명은 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 폐콘크리트에서 발생한 pH 11 내지 13의 강알칼리성의 순환골재를 규불화수소산이 혼합되어 중성화조에 저장된 수용액에 침전시켜 pH 6.5 내지 10 사이로 중성화하여 pH 저감 및 규불화수소산과 반응으로 순환골재 표면에서 수산화칼슘을 박리하여 개질시키면서 지속적으로 용출되는 알칼리성 물질을 억제하여 흡수율 저감을 구현함은 물론 중성화조의 수용액을 초음파로 진동시켜 중성화조에서 화학반응 및 진동에 의한 물리적 골재 표면박리를 동시 수행하면서 순환골재의 표면을 개질하여 모르타르용 골재로 사용할 수 있도록 하는 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법에 관한 것이다.

일반적으로 국내 전체폐기물의 약 50% 이상으로 연간 6천만톤에 달하는 건설폐기물의 재활용을 위해 건설폐기물 중 80% 이상을 차지하는 건설폐재류를 파쇄하여 물리적·화학적 처리과정을 거쳐 순환골재로 재활용하도록 건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률에 규정되어 있다.

상기 순환골재는 건설폐기물 중 폐콘크리트 및 폐아스팔트를 분쇄하고 이물질을 분리 선별하여 순환골재의 품질 기준에 맞는 품질을 확보한 골재이나, 폐콘크리트를 원골재로 사용함으로써 골재 자체의 pH는 알칼리가 더 강한 특성이 있다.

최초 콘크리트를 제조할 때의 pH는 12.5 정도이며, 콘크리트가 경화한 후에도 이러한 수치는 지속적으로 유지하고 있으며, 이러한 알칼리성은 콘크리트의 수밀성을 증대하고 철근 등을 보호할 수 있는 피막 등을 형성하여 장기적으로 안정한 콘크리트를 유지하는데 많은 역할을 하고 있다.

상기 콘크리트는, 시멘트의 수화반응에 의한 결합체로서 강도를 발현하게 되고, 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘은 pH 12.5 정도의 강알칼리성을 나타내므로 결과적으로 수화물 전체의 pH가 결정되는데, 도 1은 용매 pH에 따른 콘크리트 중의 알칼리이온의 침출 특성을 나타낸 그래프이다. 알칼리이온의 침출은 수산화 이온의 침출만이 아니라 알칼리 메탈 이온의 침출이 동시에 수반되고, 각각의 이온은 용매의 pH 농도에 따라 상이하게 침출되며, 실제 알칼리이온의 주체인 수산화 이온은 도 1과 같이 pH 12.5 이상이 되었을 때 침출하는 것으로 나타나고 있다.

따라서, 상기 순환골재에 부착된 강알칼리의 미분말에 의한 골재의 pH 상승은 식물 및 동물의 생육에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있음은 물론 강알칼리 미분말이 부착된 순환골재를 콘크리트에 적용할 경우, 콘크리트 타설 후, 콘크리트 내부 팽창을 유도하여 구조물의 균열을 발생시키는 알칼리 골재 반응의 주원인이 되고 있다.

상기의 문제점을 인식하여 순환골재를 중성화시키는 방안으로, 대한민국 등록특허공보 제10-1069160호에 드라이아이스를 통한 순환골재·건설폐토석 pH 저감 장치가 등록된 바 있고, 대한민국 등록특허공보 제10-0973825호에 중성화 촉진제 및 회수식 탄산수를 이용한 중성화 촉진 성능을 가진 이산화탄소 가스에 의한 순환골재의 중성화 장치가 등록된 바 있다.

선 등록된 특허는, 순환골재의 중성화를 위해 사용되는 이산화탄소를 사용하는 방법에서 그 원료는 드라이아이스와 연소가스 내의 이산화탄소 등을 기중 혹은 수중에 분사하여 골재 표면과 접촉시킴으로 중성화하고 표면에 탄산칼슘을 석출시키는 방법이나, 이산화탄소의 원료인 드라이아이스의 별도 구매와 보관이 어려우며, 연소가스 방식은 하절기나 춘추절기에 불필요한 연소과정을 거쳐야 되므로 비경제적인 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1069160호 대한민국 등록특허공보 제10-0973825호

이에 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 폐콘크리트에서 발생한 pH 11 내지 13의 강알칼리성의 순환골재를 규불화수소산이 혼합되어 중성화조에 저장된 수용액에 침전시켜 pH 6.5 내지 10 사이로 중성화하여 pH 저감 및 규불화수소산과 반응으로 순환골재 표면에서 수산화칼슘을 박리하여 개질시키면서 지속적으로 용출되는 알칼리성 물질을 억제하므로 흡수율 저감을 구현할 수 있는 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 중성화조의 수용액을 초음파로 진동시켜 중성화조에서 화학반응 및 진동에 의한 물리적 골재 표면박리를 동시 수행함으로써, 순환골재의 표면을 개질하여 모르타르용 골재로 사용할 수 있도록 하는 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법을 제공함에 있다.

본 발명 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법은,

폐콘크리트를 파분쇄한 순환골재 중 입경이 5mm 이하의 순환골재를 선별하는 선별단계와;

선별된 상기 순환골재에 혼합된 철재의 이물질을 자력으로 분리하는 1차이물질분리단계와;

상기 철재의 이물질이 분리된 순환골재를 증류수가 저장된 저장조에 침수하여 목재 및 스티로폼과 같이 비중이 낮은 이물질을 제거하는 2차이물질분리단계와;

상기 1,2차이물질분리단계에 의해 철재 및 비중이 낮은 이물질이 분리된 순환골재를 규불화수소산이 혼합되어 저장된 중성화조에 투입하고, 초음파 진동으로 세정하여 순환골재의 표면을 개질하는 중성화단계와;

상기 중성화조 하부에 형성되어 상기 초음파 진동으로 순환골재에서 탈리되는 모르타르와 같은 침전물이 침전되도록 하고, 침전물을 제거하는 침전단계와;

상기 중성화단계에서 침전물이 탈리된 초음파 개질 순환골재를 세척 및 배출하는 세척배출단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 중성화조의 pH를 측정하여 pH 10 이상이면 규불화수소산을 공급하여 pH 6.5 내지 10 을 유지하도록 하는 원료공급단계를 더 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 규불화수소산은 상기 중성화조에 저장되는 증류수 100 중량%에 2.7~4 중량%로 혼입된다.

본 발명에 의하면, 폐콘크리트에서 발생한 pH 11 내지 13의 강알칼리성의 순환골재를 규불화수소산이 혼합되어 중성화조에 저장된 수용액에 침전시켜 pH 6.5 내지 10 사이로 중성화하여 pH 저감 및 규불화수소산과 반응으로 순환골재 표면에서 수산화칼슘을 박리하여 개질시키면서 지속적으로 용출되는 알칼리성 물질을 억제하여 흡수율 저감을 구현함으로써, 고품질의 순환골재를 확보할 수 있는 이점을 가질 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에 의하면, 중성화조의 수용액을 초음파 진동으로 중성화조에서 화학반응 및 진동에 의한 물리적 골재 표면박리를 동시 수행하면서 순환골재의 표면을 개질하여 모르타르용 골재로 사용할 수 있도록 함으로써, 재활용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 인산석고, 인산비료 등의 처리 및 제조과정에서 발생되거나 생산되는 부산물인 강산성의 규불화수소산을 사용하여 아세트산이나 인산 등의 고가의 재료를 사용할 때보다 원가를 절감하여 경제성을 향상시키면서 중성화조의 수용액은 중성화되어 생태계에 악영향을 주지 않음으로 친환경적인 이점을 가질 수 있는 것이다.

도 1은 용매 pH에 따른 콘크리트 중의 알칼리이온의 침출 특성을 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 흐름도
도 3은 본 발명의 개략도
도 4a는 본 발명에 적용된 수용액 진동의 주파수에 따른 캐비테이션(cavitation)을 나타낸 것이고,
도 4b는 본 발명에 적용된 수용액 진동의 주파수에 따른 캐비테이션 강도와 밀도를 나타낸 그래프이며,
도 4c는 본 발명에 적용된 수용액 진동의 주파수에 따른 파티클 제거능력을 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명이 적용된 세정 Bath의 다변화를 나타낸 도면
도 6은 본 발명 초음파 개질 순환골재의 pH 측정사진
도 7은 본 발명 증류수 pH에 따라 투입되는 규불화수소산 측정사진
도 8은 본 발명 초음파 개질 순환골재가 적용된 시험체 사진
도 9는 본 발명 시험체의 플로우 측정시험 사진
도 10은 본 발명 시험체의 휨강도 측정시험 사진
도 11은 본 발명 시험체의 압축강도 측정시험 사진
도 12는 본 발명 시험체의 SEM 측정시험 사진
도 13 내지 도 15는 본 발명 일반 잔골재, 순환골재, 초음파 개질 순환골재를 이용한 모르타르의 양생별 SEM 분석사진
도 16은 본 발명 시험체의 TG/DTA 측정시험 사진
도 17은 본 발명 일반 잔골재, 순환골재, 초음파 개질 순환골재를 이용한 모르타르의 TG/DTA 분석도
도 18은 본 발명 시험체의 MIP 측정시험 사진
도 19 내지 도 21은 본 발명 일반 잔골재, 순환골재, 초음파 개질 순환골재를 이용한 모르타르의 미세공극분포 및 누적공극분포도
도 22는 본 발명 일반 잔골재, 순환골재, 초음파 개질 순환골재를 이용한 모르타르의 XRD 분설결과 그래프

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 순환골재 표면개질 방법의 작동과정을 설명한다. 도 2는 본 발명의 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 개략도이다.

먼저, 폐콘크리트를 파분쇄한 순환골재 중 입경이 5mm 이하의 순환골재(10)를 선별부(100)에서 선별하는데, 상기 선별부(100)는 간격이 5mm 를 유지하는 철망을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 선별부(100)에서 선별된 순환골재(10)가 컨베이어 벨트(C)에 의해 2차이물질분리부(300)로 공급될 때, 상기 컨베이어 벨트(C)의 단부에서 순환골재(10)에 포함된 철재의 이물질을 1차이물질분리부(200)에서 자력으로 분리하고, 1차이물질분리부(200)에서 철재의 이물질이 분리된 순환골재(10)는 컨베이어 벨트(C)에 의해 2차이물질분리부(300)로 공급된다.

상기 2차이물질분리부(300)는 증류수가 저장된 수조형태로 컨베이어 벨트(C)에 의해 공급되는 순환골재(10)가 증류수가 저장된 저장조에 투입되어 침전됨과 동시에 목재와 스티로폼과 같은 비중이 낮은 이물질은 부유되고, 부유된 이물질을 수거하여 처리한다.

상기의 과정으로 1,2차이물질분리부(200)(300)에 의해 철재 및 비중이 낮은 부유 이물질이 분리된 순환골재(10)가 컨베이어 벨트(C)에 의해 이동되면서 증류수 100 중량%에 규불화수소산 2.7~4 중량%가 혼합되는 수용액이 저장된 중성화부(400)의 중성화조(410)로 투입된다.

상기 중성화조(410)로 투입되는 순환골재(10)는 중성화조(410)에 증류수와 함께 혼합된 규불화수소산과 순환골재(10) 표면에 부착된 모르타르 또는 페이스트 내 수산화칼슘이 아래와 같은 화학적 반응을 일으킨다.

H₂SiF₆+ 3Ca(OH)₂ → 2H⁺ + Si² ⁺ + 6F^- + 3Ca² ⁺ + 6OH^- + 2H⁺ + Si² ⁺ + 6F^- + 3Ca²⁺ + 6OH^- → 3CaF₂ + SiO₂ + 4H₂O

상기 수산화칼슘이 규불화수소산과 반응하면서 무기미분체인 CaF₂, SiO₂ 가 생성되는 화학반응을 수반하고, 이와 같은 반응이 순환골재에 부착된 시멘트경화체 표면으로부터 내부로 점차 진행되고, 시멘트 매트릭스가 더욱 치밀하게 진행된다.

또한, 상기 중성화조(410)에 저장된 수용액을 진동부(420)에서 발생하는 초음파로 진동시키면서 화학적 반응과 함께 순환골재(10)의 표면 개질이 이루어지므로 OH^- 의 저감에 따른 pH 저감이 나타남은 물론 단시간 효율적 반응 및 화학반응 속도 증대로 작업시간을 단축시킬 수 있는 것이다.

여기서, 표 1은 주파수에 따른 용도를 나타낸 표이다.

항목	28KHz 단주파	40KHz 단주파	다주파(40~90 KHz)
세척원리	캐비테이션	캐비테이션	캐비테이션
입자가속도	1500G	2500G	2500~5000G
충격력	수백기압	수십기압	수십기압
정재파(비균일성)	매우강력	강력	약함
파동의 특징	회절강함	회절강함	회절강함
제거가능 입자	3㎛ 이상	2㎛ 이상	105㎛ 이상
용도	일반 세척용	일반 세척용	정밀 세척용

도 4a는 주파수에 따른 캐비테이션(cavitation)을 나타낸 것이고, 도 4b는 주파수에 따른 캐비테이션 강도와 밀도를 나타낸 그래프이고, 도 4c는 주파수에 따른 파티클 제거능력을 나타낸 그래프로서, 다주파일 경우는, 피세척물(순환골재)에 대한 세정액의 표면장력이 낮아짐에 따라 캐비테이션 강도는 낮아져 피세정물에 대한 손상을 줄일 수 있으므로 높은 캐비테이션 밀도를 형성시켜 정밀세척에 유리하며, 단주파일 경우는, 표면장력이 상대적으로 큰 알칼리의 경우 캐비테이션의 강도가 높아 정밀세척에는 불리하지만 거친 세척에 유리하다.

따라서, 피세정물(순환골재)의 상태 및 공정에 따른 주파수 선정은 매우 중요하므로, 본 발명에서는 저주파 단주파 방식을 실험에 적용하였다.

상기 저수파 단주파 방식이란, 20~40KHz 의 단일주파수 초음파를 이용하는 것으로 가장 널리 사용되는 방식으로, 강력한 캐비테이션 강도를 얻게 되어 거친 세정효과를 기대할 수 있고, 에너지 효율이 매우 좋은 특징이 있어, 금속가공물, 도금전, 일반부품, 기타 비정밀 세정에 활용되며 순환골재도 여기에 해당된다고 볼 수 있다.

상기 저주파 단주파 방식은 정재파 현상이 야기될 수 있는데, 여기서, 정재파 현상이란, 파형이 정지하고 있는 것과 같은 에너지 분포를 가지는 현상으로 단주파 방식에서 나타나는 문제로, 이는 도 5a 도 5b와 같이, 다중 주파수 방식 사용 또는 세정 Bath 의 배열 및 위치조정의 다변화로 다양한 순환골재 성상에 따라 확대적용하여 해결할 수 있다.

본 발명에서의 초음파 진동 주파수를 40KHz 로 하는 단주파 방식을 실험에 적용하고, 수용액은 약 알칼리 환경으로 상온에서 실험을 진행하는데, pH 측정은 도 6과 같이 순환골재를 증류수 및 규불화수소산 수용액 침지 전·후 교반시간에 따라 각 3회 측정하였으며, 그 평균값을 기록한 것이다.

표 2는, 폐콘크리트를 원골재로 하는 순환골재에 대하여 증류수에 침지 시 교반시간에 따라 pH 를 측정한 결과표이다.

구분	교반시간에 따른 pH					비고
구분	0분	1분	3분	5분	7분	비고
1	10.42	10.82	10.83	11.12	11.21	2회 이상 측정 평균
2	10.36	10.78	10.81	11.09	11.18
3	10.45	10.83	10.86	11.15	11.26
4	10.57	10.85	10.87	11.18	11.24

표 2와 같이 본 실험에 선정된 순환골재는 증류수에 침지 후, 초음파 교반 시 5분을 기점으로 하여 약 11 정도의 pH 가 나타났으며, 교반 시간에 따라 pH 가 증가하는 것으로 나타났다.

표 3은, 상기 증류수에 순환골재 및 규불화수소산 6g을 혼입하고, 초음파 진동에 의한 교반을 실시하면서 pH를 츨정하였으며, 시험결과는 아래와 같다.

구분	교반 전 pH	규불화수소산 혼입 후 교반시간에 따른 pH					비고
구분	교반 전 pH	0분	1분	3분	5분	7분	비고
6g 혼입	10.64	4.18	5.08	7.09	7.68	8.12	2회 이상 측정 평균
	10.53	4.20	5.24	7.02	7.54	7.98
	10.58	4.12	5.15	6.89	7.62	8.59
	10.61	4.34	5.02	7.05	7.71	8.34

상기 순환골재를 증류수에 투입 후, 규불화수소산을 6g 혼입한 경우의 특성을 평가한 결과, 비용출된 순환골재에 대하여 규불화수소산 투입 직후 pH는 4.0 이하의 산성영역을 나타내었으며, 이 시험체의 pH가 중성이 되는 교반 시간을 3분이고, 7분의 교반에서의 pH는 약 8 정도임을 알 수 있다.

상기 초츰파 진동으로 규불화수소산과 수산화칼슘이 화학반응하면서 순환골재에서 탈리되는 모르타르와 같은 침전물(510)이 자중으로 하강하여 침전조(500)에 침전되며, 침전조(500)로부터 배출하는 과정을 통상의 방법으로 반복하면서 사용할 수 있고, 상기 중성화조(410)에 저장된 수용액의 pH 를 측정하여 pH 10 이상이면, 도 7과 같이, 제어부의 제어에 따라 원료공급부(600)에서 규불화수소산을 공급하여 수용액이 pH 6.5 내지 10 을 유지하면서 순환골재를 세척할 수 있도록 한다.

상기의 과정으로 중성화조(410)에 의해 pH 및 흡수율이 저감된 초음파 개질 순환골재(10')를 세척배출부(700)에서 세척 및 배출하면 된다.

상기의 과정으로 세척된 규불화수소산으로 개질된 초음파 개질 순환골재와 일반 잔골재 및 순환골재가 각각 투입된 시험체를 40×40×160 mm로 도 8과 같이, 제작하여 각 골재의 흡수율을 측정하는데, 이는 KS F 2504에 준하여 실시하였으며, 그 결과는 표 4와 같다.

구분	흡수율	표며건조 포화 상태의 밀도	절대건조 상태의 밀도	비고
일반 잔골재	6.2	2,207 kg/㎥	2,070 kg/㎥	2회 이상 측정 평균
순환골재	9.65	2,094 kg/㎥	1,892 kg/㎥
초음파 개질 순환골재	8.67	2,043 kg/㎥	1,866 kg/㎥

표 4와 같이 일반 잔골재와 비교하여 순환골재 및 초음파 개질 순환골재의 흡수율이 높은 것으로, 나타났으며, 개질을 통하여 순환골재의 흡수율을 저감시킬 수 있는 것으로 판단된다.

또한, 상기 각 시험체의 플로우 및 응결 시험은 KS F 2402에 준하여 도 9와 같이, 실시하였으며, 그 결과는 표 5와 같다.

구분	플로우(mm)	초결(분)	종결(분)	비고
일반 잔골재	185	280	500	2회 이상 측정
순환골재	135	230	450
초음파 개질 순환골재	140	220	450

표 5와 같이 순환골재는 일반 잔골재에 비하여 상대적으로 플로우가 작았으며, 초음파 개질 순환골재의 플로우는 순환골재의 경우보다 플로우가 큰 것으로 확인되고, 순환골재 입형 및 높은 흡수율로 인하여 낮은 플로우가 나타나며, 개질을 통하여 골재 성능이 향상되는 것으로 판단된다. 모르타르 응결에서는 상대적인 차이가 있으나 모든 수준에서 초결 및 종결은 규정범위를 만족하는 것으로 나타났다.

상기 시험체의 휨강도 시험은 KS F 2436에 준하여 도 10과 같이, 실시하였으며, 그 결과는 표 6과 같다.

구분	휨강도(MPa)			비고
구분	3일	7일	28일	비고
일반 잔골재	3.21	4.28	6.45	3회 측정
순환골재	2.84	3.91	6.05
초음파 개질 순환골재	2.91	4.21	6.32

표 6과 같이 모든 시험체는 양생기간의 증가에 따라 휨강도가 증가하였으며, 골재 종류에 따라 차이가 크기 않은 것으로 나타났다.

상기 시험체의 압축강도 시험은 KS F 2405에 준하여 도 11과 같이, 실시하였으며, 그 결과는 표 7과 같다.

구분	휨강도(MPa)			비고
구분	3일	7일	28일	비고
일반 잔골재	14.21	19.41	23.84	3회 측정
순환골재	12.21	12.64	17.72
초음파 개질 순환골재	11.84	15.34	18.65

표 7과 같이 일반 잔골재와 비교하여 순환골재 시험체의 강도가 낮은 것으로 나타났으며, 순환골재를 개질한 경우, 일반 잔골재의 강도값에 도달하지는 못하였으나, 개질 전 순환골재 시험체 보다 강도값이 향상됨을 알 수 있다. 개질을 통하여 골재의 흡수율이 낮아져 강도발현에 유리한 것으로 판단된다. 잔골재의 특성상 골재의 함수율을 제거하는 것은 매우 어려우나, 이를 감안하더라도 개질을 통한 골재품질의 향상과 모르타르 압축강도의 관계가 분명하게 나타남을 알 수 있다.

상기 시험체의 화학분석시험은 SEM, TG/DTA, MIP, XRD 이다.

상기 시험체에서 분석시료를 채취 후, 도 12와 같이, SEM(주사전자현미경)/EDS 분석을 실시한 결과를 도 13 내지 도 15에 나타내었다.

일반골재를 사용한 시료는 3일 재령에서 비교적 간격이 있는 수화조직을 보이고 있으나 재령이 지남에 따라 치밀한 구조의 수화물 조직들을 보이고 있다. 3일 재령에서의 순환골재와 초음파 개질 순환골재는 일반골재를 사용한 것에 비하여 에트링가이트 수화물의 간격이 넓고 수화물 주위로 겔상의 수화물들이 존재하는 것으로 나타났다. 7일 재령에서의 순환골재와 초음파 개질 순환골재에서는 일반골재를 사용한 것에 비하여 수화물의 밀도가 낮으며 육각관상의 수산화칼슘 결정이 관찰되었다. 28일 재령에서의 일반골재를 사용한 경우에는 수화물의 발달로 조직을 치밀하게 채우고 있는 것으로 나타났다. 순환골재를 사용한 경우에는 비교적 초기 재령에서 비어있던 수화물 사이의 간격을 작은 수화물들이 채워나가고 있는 것을 관찰할 수 있었다.

순환골재와 초음파 개질골재에 나타나는 주요 수화물은 CSH, 에트링가이트, 수화물칼슘이 관찰되었다. 침상형 수화물인 에트링가이트의 밀도는 순환골재에 비하여 초음파 개질 순환골재가 높은 것으로 관찰되었다.

상기 시험체에서 분석시료를 채취 후, 도 16과 같이, TG/DTA(수화물 탈수온도) 분석을 실시한 결과를 도 17 및 표 8에 나타내었으며, 이는 DTA 상에서 100℃ 까지는 경화체 내의 물리적 결합수가 증발하였으며, 이후 140~180℃ 사이에서 C3A 에트링가이트가, 270~330℃ 사이에서 에트링가이트와 알루미네이트계 수화물이, 570℃ 부근에서 알루미네이트계 수화물의 물리적 탈수가 발생하는 것으로 나타났다. 3일 재령에서 수환화칼슘의 함유량은 일반골재>순환골재>초음파 개질 순환골재의 순으로 나타났으며, 규불화수소산을 이용한 순환골재의 초음파 개질은 내부의 수산화칼슘량을 저감하는데 유효한 것으로 판단된다. 탄산칼슘의 함유량은 개질순활골재>순환골재>일반골재의 순으로 나타나 탄산칼슘의 저감에는 초음파 개질의 효율이 저감되는 것으로 나타났다.

구분	Ca(OH)₂ 함유율(%)	CaCO₃ 함유율(%)	비고
일반 잔골재(3일)	2.94	7.95	시료의 열분해 구간은 크게 두 가지로 나타나며, Ca(OH)₂ 는 450~550℃ 의 구간과 CaCO₃ 는 550~850℃ 의 구간으로 구분된다.
일반 잔골재(7일)	3.26	4.41
일반 잔골재(28일)	3.44	5.91
순환골재(3일)	3.60	10.20
순환골재(7일)	3.86	8.50
순환골재(28일)	3.16	8.33
초음파 개질 순환골재(3일)	2.94	10.69
초음파 개질 순환골재(7일)	3.93	7.43
초음파 개질 순환골재(28일)	2.61	9.15

상기 시험체에서 분석시료를 채취 후, 도 18과 같이, MIP(수은압입법에 의한 기공율) 분석을 실시한 결과를 도 19 내지 도 21 및 표 9에 나타내었으며, 전공극률(%)은 초음파 개질 순환골재>일반골재>순환골재 순으로 나타남을 알 수 있다.

상기 시험체에서 분석시료를 채취 후, XRD(X선 회전분석법) 분석을 실시한 결과를 도 22에 나타내었다.

3일 재령에서 순환골재를 사용한 경우 일반 골재를 사용한 것에 비교하였을 때, 에트링가이트 피크는 낮으며, 모노설페이트 피크는 높게 나타났으며, 수산화칼슘 피크와 CSH는 높은 것으로 나타났으며, 초음파 초음파 개질 순환골재는 순환골재와 비교하였을 때, 에트링가이트와 모노설페이트가 낮게 나타났으며, 수산화칼슘의 피크는 낮으며, CSH가 높은 것으로 나타났다.

7일 재령에서 순환골재를 사용한 경우 일반 골재를 사용한 것과 비교하였을 때, 에트링가이트 피크와 모노설페이트가 낮은 것으로 나타났고, 수산화칼슘 피크와 CSH는 높은 것으로 나타났다. 초음파 개질 순환골재는 순환골재와 비교하였을 때, 에트링가이트와 모노설페이트는 유사한 피크가 나타났으며,수산화칼슘과 CSH는 유사한 것으로 나타났다.

28일 재령에서는 순환골재를 사용한 경우 일반 골재를 사용한 것과 비교하였을 때, 에트링가이트와 모노설페이트가 낮게 나타났으며, 수산화칼슘 피크와 CSH가 높게 나타났다. 초음파 개질 순환골재는 순환골재와 비교하였을 때, 에트링 가이트와 모노설페이트는 높은 것으로 나타났고, 수산화칼슘는 순환골재와 유사한 피크가 나타났으며, CSH는 높게 나타났다.

이를 종합하여 볼 때, 순환골재를 사용할 경우 C3A의 수화반응을 지연시키고 수산화칼슘과 CSH 수화물의 생성량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 순환골재 내부의 수산화칼슘이 탄산화되면서 생성된 탄산칼슘에 의한 C3A의 수화지연 효과로 에트링가이트의 생성량이 감소되나 순환골재 내부의 수산화칼슘에 의해 CSH 수화물이 증가하기 때문인 것으로 판단되고, 초음파 개질 순환골재의 경우 규불화수소산에 의해 순환골재 표면의 수산화칼슘이 칼슘실리케이트로 개질되면서 전체 수산화칼슘의 양이 감소하며, CSH의 피크가 증가한 것으로 판단된다. 초음파 개질 순환골재 내의 규불화수소산과 반응하지 못한 탄산칼슘에 의한 C3A의 수화지연은 존재하나 28일 재령에서 순환골재에 비하여 에트링가이트의 모노설페이트 전환량이 높은 것으로 판단된다. 초음파 개질 순환골재는 순환골재를 사용한 것에 비하여 초기 CSH의 수화를 촉진하며, C3A의 수화 지연을 저감하는 효과가 있는 것으로 판단된다.

이상과 같이 본 발명은, 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 청구범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100: 선별부 200: 1차이물질여과부
300: 2차이물질여과부 400: 중성화부
500: 침전부 600: 원료공급부
700: 세척배출부

Claims

폐콘크리트를 파분쇄한 순환골재 중 입경이 5mm 이하의 순환골재를 선별하는 선별단계와;
선별된 상기 순환골재에 혼합된 철재의 이물질을 자력으로 분리하는 1차이물질분리단계와;
상기 철재의 이물질이 분리된 순환골재를 증류수가 저장된 저장조에 침수하여 목재 및 스티로폼과 같이 비중이 낮은 이물질을 제거하는 2차이물질분리단계와;
상기 1,2차이물질분리단계에 의해 철재 및 비중이 낮은 이물질이 분리된 순환골재를 규불화수소산이 혼합되어 저장된 중성화조에 투입하고, 초음파 진동으로 세정하여 순환골재의 표면을 개질하는 중성화단계와;
상기 중성화조 하부에 형성되어 상기 초음파 진동으로 순환골재에서 탈리되는 모르타르와 같은 침전물이 침전되도록 하고, 침전물을 제거하는 침전단계와;
상기 중성화단계에서 침전물이 탈리된 초음파 개질 순환골재를 세척 및 배출하는 세척배출단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 중성화조의 pH를 측정하여 pH 10 이상이면 규불화수소산을 공급하여 pH 6.5 내지 10 을 유지하도록 하는 원료공급단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 규불화수소산은 상기 중성화조에 저장되는 증류수 100 중량%에 2.7~4 중량%로 혼입되는 것을 특징으로 하는 규불화수소산과 초음파진동을 활용한 순환골재 표면개질 방법.