KR20190048989A - 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재 - Google Patents

자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순환 유동층 보일러 바텀애시의 자체 발열 기능에 의해 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 콘크리트 및 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건을 갖추고 사용이 가능한 속경성 무기 결합재 조성물에 관한 것으로서, 순환 유동층 보일러(Circulating Fludized Bed Combustion) 바텀애시 100중량부에 대하여 시멘트 3∼10,000중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재{Rapid hardening inorganic binder using Self-heating circulating fluidized bed boiler bottom ash}
본 발명은 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재로서, 보다 상세하게는 순환 유동층 보일러 바텀애시의 자체 발열 기능에 의해 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 콘크리트 및 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건을 갖추고 사용이 가능한 속경성 무기 결합재 조성물에 관한 것이다.
우리나라와 같은 동절기간이 긴 지역에서 시공된 콘크리트 구조물은 소정의 강도와 내구성을 기대하기가 어렵기 때문에 한중콘크리트의 시공방법에 의한 시공이 불가피하다. 국내의 국토교통부 시방서에 의하면 한중콘크리트는 하루 평균 기온이 4℃ 이하인 날로 규정하고 있으며 기온이 0℃ 이하인 경우 물공사 중단을 실시하도록 지방자치단체와 토지주택공사의 경우 조치하고 있다. 지방단체인 경우 31∼160일이고 토지주택공사의 경우 20∼120일에 이르고 있어 공사중단에 따른 막대한 손실을 초래하고 있는 실정이다. 콘크리트의 동해를 방지하기 위해서는 먼저 강도나 내구성 등의 요구 성능을 만족시켜야 하며 굳지 않은 상태의 시공성과 경화 시의 수화반응이 충실히 이루어지도록 하지 않으면 안 된다. 특히 콘크리트에 있어서 가장 중요한 것은 시멘트가 초기에 충분한 수화반응을 할 수 있도록 적절한 수화 온도 조건이 유지되어야 한다. 시멘트의 수화는 낮은 온도에서는 그 반응이 지연되거나 정지되어 요구 성능을 얻지 못하게 된다. 또한 콘크리트가 초기 동해를 입었을 경우 물의 결빙으로 인해 용적팽창에 의한 균열이 발생하여 영구적으로 강도 발현이 어렵게 된다. 이로 인해 동절기에는 건설공사가 제대로 수행되지 못하고 있는 실정이며 만약 동절기에도 낮은 온도에 구애받지 않고 공사가 이루어 질 수 있다면 레미콘사 및 지반 고화 전문 건설사의 동절기 겨울공사 중단에 따른 막대한 손실을 보상할 수 있고 고용증대 효과 측면에 있어서도 매우 효과적이라 할 수 있다.
현재 우리나라에서 사용되고 있는 한중 콘크리트 규준들의 많은 부분들이 외국의 규준을 근거로 만들어졌으나 국내의 각 학회나 시방서에 따라 약간씩 다른 내용으로 되어 있어 정확하고 통일된 규준의 마련이 필요하며, 현장에서 적용이 쉽게 되고 활성화될 수 있는 방안의 수립이 필요하다. 외국의 경우 방한제의 활용에 의해 효과적인 한중콘크리트를 개발이 활발히 진행되고 있으나 국내에서는 이에 대한 개발은 매우 미진한 실정이며 단지 선진국에서 방한제의 수입을 통해 일부 레미콘사에 공급하고 있다.
또한 콘크리트의 초기 동해를 방지하기 위해 일반적으로 사용되는 방법으로 물 및 골재를 가열하여 사용되는 방법이 있으나 실제 대부분의 레미콘 공장에서 물 및 골재를 가열하여 레미콘을 생산할 수 있는 설비가 제대로 갖추지 못하고 있는 실정이다.
또한 속경성 시멘트를 이용하여 초기강도 발현과 동해방지를 막을 수 있는 방법이 있으나 1종 보통시멘트에 비해 속경성 시멘트의 가격이 4∼20배 정도의 가격이 높아 긴급 보수공사 외에는 사용이 어려운 단점을 가지고 있다.
한편, 속경성 시멘트와 관련하여 특허문헌 0001 내지 0005가 제시된 바 있다.
특허문헌 0001은 강도 증진 및 동해 방지용인 콘크리트 배합 조성물 및 콘크리트 배합방법에 관한 것으로서, 염화나트륨 15.5중량% 내지 21.5중량%, 염화암모늄 11.5중량% 내지 17.5중량%, 염화칼슘 32.5중량% 내지 51중량%, 염화마그네슘 1.5중량% 내지 7.5중량%, 소다회 11.5중량% 내지 17.5중량%, 계면활성제 4.5중량% 내지 10.5중량%, 프로필렌 글리콜 4.5중량% 내지 10.5중량%로 포함된 강도 증진 및 동해 방지용인 콘크리트 배합 조성물이 개시되어 있다.
특허문헌 0002는 자기발열 슬래그를 포함한 시멘트 조성물, 이를 포함한 한중 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조물의 시공방법에 관한 것으로서, C3A(3CaOㅇAl2O3)을 주요광물로 포함하며, Al2O3를 20 중량% 이상 함유하는 제강공정의 정련과정에서 발생되는 자기발열 슬래그, 시멘트 및 석고를 포함하는 조성물이 개시되어 있다.
특허문헌 0003은 발열 콘크리트용 내한촉진제 조성물에 관한 것으로서, 조기강도를 발현할 수 있는 발열 콘크리트용 내한촉진제 조성물은 방동성을 부여하기 위하여 첨가되고, 질산칼슘, 아질산칼슘 및 아질산리튬을 포함하는 제1 혼화제; 콘크리트의 응결시간 및 발열시간을 조절하기 위해 첨가되고, 포타슘포메이트(PF), 포타슘아세테이트(PA), 칼슘포메이트(CF), 질산칼륨, 주석산 및 리튬카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 제2 혼화제; 및 상기 제1 혼화제 및 제2 혼화제를 혼합하기 위하여 사용되는 배합수를 포함하는 조성물이 개시되어 있다.
특허문헌 0004는 초속경성 시멘트 조성물에 관한 것으로서, 칼슘설포알루미네이트 60∼85%를 포함하는 아윈계 클링커를 분쇄한 분말 40∼60중량%, 무수석고와 반수석고가 혼합된 석고 분말 15∼30중량%, 보통 포틀랜드 시멘트 20∼40중량%, 소석회 1∼4중량%를 포함하는 초속경성 시멘트 조성물이 개시되어 있다.
특허문헌 0005는 고내구성 초속경 혼합시멘트 조성물에 관한 것으로서, 클린커(clinker) 90∼95%중량부, 이수석고 5.0∼10.0%중량부로한 조강형 시멘트를 29.3∼43.1%중량부, 실록산계 실리콘 0.5∼1.0%중량부, 칼슘설포알루미네이트 (3CaO.3Al2O3.CaSO4) 32.5∼33.5%중량부, C12A7 2.0∼9.5%중량부, 무수석고 19.0∼21.0%중량부, 소석회 2.0∼4.0%중량부, 유동화제 0.3∼0.5%중량부, 경화촉진제 0.1∼0.5%중량부, 응결지연제 0.5∼0.7%중량부로 조성된 실란 및 실록산계 실리콘을 이용한 고내구성 초속경 혼합시멘트 조성물이 개시되어 있다.
한편, 화력발전소 미분탄 보일러(Pulverized Combustion)에서 배출되는 석탄 연소 부산물 중 약 80%를 차지하고 있는 플라이애시의 경우 약 1,350℃의 고온에서 연소될 때 유리질(비결정질) 성분이 생성되어 포졸란 반응성을 나타내기 때문에 시멘트 및 콘크리트 원료로 무난히 활용되고 있으며, 부산물 발생량의 약 20% 수준인 바텀애시 또한 미분탄 연소시 노벽 등에 부착되어 있다가 자체 무게에 의해 보일러 바닥에 떨어진 석탄재를 의미하는 것으로 약 1,350℃의 고온에서 용융되어 유리질을 다량 함유한 다공질 물질이다.
미분탄 보일러 바텀애시는 입경이 콘크리트용 잔골재 및 굵은골재의 입경과 유사하며 KS F 2534;2009 구조용 경량골재에 포함되어 있어 구조용 경량골재로서 사용할 수 있을 정도의 경량성과 견경성을 가지고 있는 것으로 평가되고 있어 이를 골재로서 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한 최근에는 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 초미립자 형태로 미분쇄하여 물리적으로 활성화시킨 후 수산화나트륨 등의 화학약품으로 바텀애시의 유리질 피막을 파괴시켜 지오폴리머 중합반응을 유도하여 강도를 발현시키는 연구가 활발히 진행 중이다.
이와 관련되어 특허문헌 0006(바텀애시를 포함하는 결합재), 특허문헌 0007(바텀애시를 포함하는 결합재에 의한 무시멘트 콘크리트) 및 특허문헌 0008에서는 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 미분쇄하여 지오폴리머 중합반응을 유도하는 기술이 제시되어 있다. 또한 특허문헌 0009(바텀애시를 포함하는 콘크리트용 결합재 조성물)에서는 바텀애시를 진동밀로 6,000∼8,000cm2/g으로 미분쇄하여 입자 표면을 활성화 처리하여 시멘트 혼합재로의 사용 가능성을 제시하였다.
상기 특허들은 모두 화력발전소 미분탄 보일러 바텀애시를 활용하고자 한 것이다.
한편, 중·소형 열병합 발전소 순환 유동층 보일러(Circulating Fludized Bed Combustion)에서 배출되는 바텀애시는 연소 온도가 약 850℃로 낮아 유리질이 전혀 형성되지 못하여 포졸란 반응을 일으킬 순 없지만 순환 유동층 보일러 플라이애시에 비해 CaO 및 SO3 함량이 더 높아 발열이 가능하고 시멘트의 수화반응을 촉진시킬 수 있는 탁월한 조성을 가지고 있음에도 불구하고 관련 KS 기준 등이 정립되지 못하고 현장 사용 경험이 부족하였기 때문에 콘크리트용이나 지반용 결합재로서 활용되지 못하고 있다. 또한 골재로서의 활용 방안도 미분탄 보일러 버텀애시에 비해 입경이 고운 모래크기로 매우 작고 다공성이 없어 경량골재로서도 활용이 곤란하여 전량 매립 처리되고 있는 실정이다. 더욱이, 열병합 발전소 순환 유동층 보일러 플라이애시나 화력 발전소 미분탄 보일러 바텀애시에 관한 연구자료는 최근 일부 보고되고 있으나, 순환 유동층 보일러 바텀애시에 관한 연구 자료는 현재까지 보고 보고된바가 없다.
KR 10-1456041 B1 (2014.10.23) KR 10-1561003 B1 (2015.10.08) KR 10-1729216 B1 (2017.04.17) KR 10-0880930 B1 (2009.01.21) KR 10-1418238 B1 (2014.07.04) KR 10-1339332 B1 (2013.12.03) KR 10-1410056 B1 (2014.06.13) KR 10-1366293 B1 (2014.02.14) KR 10-1312562 B1 (2013.09.23)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 순환 유동층 보일러 바텀애시가 높은 수화열을 발생시킴과 동시에 시멘트의 수화반응을 촉진시켜 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 콘크리트 및 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건을 갖추고 사용이 가능한 속경성 무기 결합재를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
순환 유동층 보일러(Circulating Fludized Bed Combustion) 바텀애시 100중량부에 대하여 시멘트 3∼10,000중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재를 제공한다..
특히, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연소하는 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되고, CaO 15∼65중량%, SO3 2∼35중량%가 함유된 것을 특징으로 한다. 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 1:1 중량부 혼합시 10분 이내에 30℃ 이상 수화열 발생이 가능한 순환 유동층 보일러 바텀애시인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트, 준조강 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), C12A7, 알루미나 시멘트, 초속경 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 비표면적 3,500cm2/g 이상의 슬래그 미분말 10∼10,000 중량부가 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 순환 유동층 보일러 플라이애시 5∼1,000중량부가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연소하는 순환 유동층 보일러 상부 집진설비에서 배출되고, CaO 10∼55중량%, SO3 1∼25중량%가 함유된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 물과 1:1 중량부 혼합시 10분 이내에 25℃ 이상 수화열 발생이 가능한 순환 유동층 보일러 플라이애시인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 염화물계 방한제 0.5∼500중량부가 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염화물계 방한제는 염소 성분이 1중량% 이상 함유된 소각 및 연소 잔재물, 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재는 순환 유동층 보일러 바텀애시가 물과 반응시 수화열 발생하여 기온이 낮은 겨울철 공사나 긴급한 공사의 콘크리트 및 연약 지반 고화 처리 공사시 최소한의 양생 조건을 갖추고 사용할 수 있는 장점이 있어 초기강도 향상과 초기 동해를 방지할 수 있는 효과가 있다.
따라서 동절기에 겨울공사 중단에 따른 막대한 손실을 보상할 수 있고 고용증대 효과 측면에 있어서도 매우 효과적이라 할 수 있다.
이하, 본 발명의 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의한 속경성 무기 결합재는 순환 유동층 보일러(Circulating Fludized Bed Combustion) 바텀애시 100중량부에 대하여 시멘트 3∼10,000중량부를 포함한다.
상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연소하는 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되는 바텀애시이다.
순환 유동층 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. 특히, 순환 유동층 보일러 바텀애시는 약 850℃의 온도에서 연소되어 유리질 성분이 없기 때문에 포졸란 반응을 일으킬 수는 없지만 상부에서 집진되는 플라이애시에 비해 CaO 및 CaSO4 성분이 더 높게 함유되어 있다. 따라서 순환 유동층 보일러 바텀애시의 생석회 성분에 의해 물과 반응시 자체 발열할 수 있는 특징을 가지고 있어 겨울철 콘크리트의 초기 동해 방지를 위해 별도의 물과 골재를 별도로 가열할 필요가 없이 초기 동해를 방지할 수 있는 보온 양생이 가능하다. 또한 순환 유동층 보일러 바텀애시의 무수석고 성분은 시멘트와 반응하여 에트링가이트를 생성하면서 시멘트를 급결시킬 수 있는 기능을 수행할 수 있다.
특히, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 물과 1:1 중량부로 혼합시 10분 이내에 30℃ 이상 수화열 발생이 가능한 것이 바람직하다. 발열온도가 30℃ 미만일 경우 겨울철 낮은 온도에서 초기 동해를 방지할 수 있는 효과가 부족하다. 따라서, 반드시 원료 입고 전 물과 1:1 중량부 혼합시 10분 이내에 30℃ 이상 수화열 발생이 가능한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 30℃ 이상 수화열 발생이 가능한 순환 유동층 보일러 바텀애시는 동절기 영하 온도 환경하에서 수화반응으로 재료 자체가 발열하기 때문에, 응결경화의 초기에 동해를 방지하고 초기 강도를 증진시킬 수 있다.
또한 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 CaO 15∼65중량%, SO3 2∼35중량%가 함유된 것이 바람직하다. CaO 함량이 15중량% 미만이면 CaCO3, CaSO4의 화합물 형태로 존재하는 CaO 함량 약 5중량% 정도를 제외하면 순수 CaO 그 자체 형태로 존재하는 양이 부족하다. 순수 CaO는 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 Ca(OH)2이 될 때 반응식 1은 아래와 같으며 이때 체적이 약 1.99배 팽창한다.
[반응식 1]
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6kcal mol-1
따라서 순수 CaO 성분은 물과 반응하여 발열에 의한 온도상승으로 시멘트의 수화반응 촉진, 경화체의 체적 수축을 보상하는 역할도 동시에 발휘하게 된다. 반대로 CaO 함량이 65중량% 초과이면 순수 CaO 형태로 존재하는 양이 과도하여 수분을 과도하게 흡수하고 발열 및 팽창이 과도하게 발생하여 균열을 야기시킬 수 있다.
또한 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 SO3 함량이 2∼35중량%이 바람직하다. SO3 함량이 2중량% 미만이면 바텀애시 내 무수석고 성분이 부족하여 시멘트 구성성분 중 C3A 성분과 반응하여 속경성 팽창광물인 에트링가이트를 생성시킬 수 있는 효과가 부족하고, 35중량% 초과이면 반응하지 못한 잉여량의 석고 성분이 다량 존재하여 오히려 강도가 감소한다. 따라서 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 반드시 원료 입고 전 화학적 정량 분석을 실시하여 발열온도가 30℃ 이상, CaO 함량이 15∼65중량%, SO3 함량이 2∼30중량%인 것을 사용해야 한다.
그리고, 상기 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트, 준조강 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), C12A7, 알루미나 시멘트, 초속경 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다. 또한, 상기 시멘트는 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여, 3∼10,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 3중량부 미만일 경우 강도 발현이 되지 못하며 10,000중량부를 초과할 경우 강도는 크게 증가하나 상대적으로 바텀애시 함량이 감소하여 발열 효과가 크게 저하된다.
또한, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여, 비표면적 3,500cm2/g 이상의 슬래그 미분말을 10∼10,000 중량부 더 포함하며, 상기 슬래그 미분말은 전로 슬래그 미분말, 전기로 산화슬래그 미분말, 고로슬래그 미분말, 전기로 환원슬래그 미분말, 동 슬래그 미분말, 제강공정 정련슬래그 미분말, 스테인레스 정련슬래그 미분말, 연 슬래그 미분말, 페로니켈 슬래그 미분말, KR 슬래그 미분말, 탈황 슬래그 미분말로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 슬래그는 모두 제철, 제강 및 비철금속 제조 공정 부산물로 배출되는 것으로 비표면적 3,500cm2/g 이상의 미분말 형태로 분쇄되어 미세공극 충진 및 잠재수경성 발휘가 가능하여 강도 및 내구성을 더욱 증진시킬 수 있다. 상기 슬래그 미분말은 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여, 10∼10,000중량부 혼합되는 것이 바람직한데, 10중량부 미만일 경우 강도 및 내구성 증진 효과가 발현되지 못하며 10,000중량부를 초과할 경우 오히려 강도가 크게 저하될 수 있다.
또한, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 순환 유동층 보일러 플라이애시 5∼1,000중량부를 더 포함하며, 상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연소하는 순환 유동층 보일러 상부 집진설비에서 배출되며 물과 1:1 중량부 혼합시 10분 이내에 25℃ 이상 수화열 발생이 가능하고 CaO 10∼55중량%, SO3 1∼25중량%인 것이 바람직하다.
상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여, 5∼1,000중량부 혼합되는 것이 바람직하다. 5중량부 미만일 경우 자체 발열 효과가 발휘되지 못하고 1,000중량부 초과일 경우 발열이 과도하여 팽창 균열이 발생될 수 있고 수분을 과도하게 흡수하여 유동성이 크게 저하될 수 있다.
또한, 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 염화물계 방한제를 0.5∼500중량부 더 포함하는 것이 좋다.
상기 염화물계 방한제는 염소 성분이 1중량% 이상 함유된 소각 및 연소 잔재물, 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다. 상기 염소 성분이 1중량% 이상 함유된 소각 및 연소 잔재물은 폐비닐, 폐합성수지, 폐목재, 폐장판, 폐가구 및 염소 함유 슬러지 등을 단독 또는 혼소하는 과정 중에 발생되는 것으로 자체적으로 염소가 다량 함유되어 있는 물질이기 때문에 동결방지 기능을 가지고 있다. 상기 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨은 시중에서 유통되는 일반적인 제품을 사용하는 것이 바람직하다. 염소이온(Cl-)은 시멘트의 수화반응을 촉진하는 특성을 가지고 있어 동절기에 초기강도를 요구하거나 동결을 방지하는데 효과적이다.
상기 염화물계 방한제는 상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여, 0.5∼500중량부 혼합되는 것이 바람직하다. 0.5중량부 미만일 경우 동결방지 기능과 시멘트 수화반응 촉진 효과가 미흡하며, 500중량%를 초과할 경우 시멘트 수화생성물 Ca(OH)2와 반응하여 CaO, CaCl2ㅇ2H2O, Mg2(OH)3Clㅇ4H2O의 결정물을 생성 후 용적을 팽창시킬 수 있는 염해가 발생할 수 있으며 너무나 급격하게 경화되어 작업성 확보가 어렵게 된다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예가 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.
[실시예 1∼5 및 비교예 1의 조성물]
1종 시멘트, 순환 유동층 보일러 바텀애시, 비표면적 4,250cm2/g인 고로슬래그 미분말, 순환 유동층 보일러 플라이애시 및 경화 촉진제를 표 2과 같은 배합비율로 배합하여 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 무기 결합재 조성물을 얻었다.
순환 유동층 보일러 바텀애시는 표 1과 같이 CaO 및 SO3가 함유된 3종의 순환 유동층 보일러 바텀애시를 사용하였고, 각 순환 유동층 보일러 바텀애시를 물과 1:1의 중량비로 혼합한 다음 60초 경과후 온도를 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타냈다.
그리고 순환 유동층 보일러 플라이애시는 CaO 43.1중량%, SO3 17.4중량% 함유되어 있고, 물과 1:1의 중량비로 혼합한 다음 60초 후 온도측정결과 46℃를 나타냈다. 경화촉진제로서 CaCl2를 사용하였다.
순환 유동층 보일러 바텀애시의 CaO 및 SO3 함유량 및 발열온도
종류 CaO(중량%) SO3(중량%) 발열온도(℃)

순환 유동층 보일러 바텀애시 1

13.7

1.4

24

순환 유동층 보일러 바텀애시 2

36.1

12.2

38

순환 유동층 보일러 바텀애시 3

49.1

26.4

57

배합비율(중량%)
비교예1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
1종 시멘트 100 80 80 80 60 60
순환유동층
보일러 바텀애시1
- 20 - - - -
순환유동층
보일러 바텀애시2
- - 20 - 20 20
순환유동층
보일러 바텀애시3
- - - 20 20 20
고로슬래그
미분말
- - - - 20 10
순환유동층
보일러 플라이애시
- - - - - 8
경화촉진재 - - - - - 2
[저온 환경하에서 압축강도 특성 평가]
실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 무기결합재 조성물이 저온 환경하에서 우수한 강도를 발현할 수 있는지를 알아보기 위한 기초시험으로 KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험 방법) 규정에 따라 모르타르를 각각 제작한 후 -2℃의 온도에서 양생한 후 재령일에 따른 압축강도를 평가하였다. 이후 그 결과를 하기 표 3에 각각 나타내었다.
정확한 실험을 위하여 모든 온도 조건은 항온항습기를 이용하여 시험일 24시간 전에 재료 및 측정 용기를 보관하여 동일자에 비교 평가하였다. 본 시험은 3회 이상 비교 평가하여 평균값을 나타낸 결과이다.
-2℃ 조건에서 양생된 모르타르의 압축강도 평가 시험결과

압축강도(MPa)
3일 7일 28일
비교예 1 5.6 14.5 29.8
실시예 1 6.3 15.5 32.6
실시예 2 7.2 16.7 34.2
실시예 3 8.4 18.7 35.1
실시예 4 8.7 19.7 38.1
실시예 5 12.5 27.8 41.9
1종 시멘트인 비교예 1에 비하여 실시예 1 내지 5의 일축압축강도는 모두 높은 강도를 발현하는 것으로 나타내었다. 특히, 1종 시멘트에 물과 1:1 중량부 혼합시 10분 이내에 30℃ 미만, CaO함량이 15중량% 미만이고 SO3 함량이 2중량% 미만인 순환 유동층 보일러 바텀애시를 포함하는 실시예 1에 비하여 실시예 2∼5의 일축압축강도가 모두 높게 나타났다.
실시예 2에 사용한 바텀애시에 비해 발열온도, CaO 및 SO3 함량이 더 높은 실시예 3의 경우 더 높은 강도를 발현함을 확인할 수 있었고 실시예 3의 경우 1종 시멘트만을 사용한 비교예 1에 비하여 3일 재령에서 거의 1.5배 가까운 초기강도를 발현하였으며, 28일 재령에서도 약 11% 더 높은 강도를 발현하였다. 따라서 순환 유동층 보일러의 바텀애시의 발열온도, CaO 및 SO3 함량이 더 높을 경우 강도 발현 효과가 더욱 우수한 것으로 나타났다.
실시예 3에 고로슬래그 미분말을 더 포함한 실시예 4는 3일, 7일은 실시예 3과 비슷한 경향을 나타내었으나 28일 재령에서는 실시예 3에 비해 더 높은 강도를 발현하였다. 이는 바텀애시의 SO3 성분과 고로슬래그 미분말과 반응하여 에트링가이트를 생성함으로써 강도가 더욱 증진된 것으로 판단되었다. 실시예 3에 고로슬래그 미분말, 염화칼슘 및 순환 유동층 보일러 플라이애시가 더 포함된 실시예 5는 비교예 1에 비하여 3일 재령에서 2배 이상의 강도를 발현하였을 뿐만 아니라 28일 재령에서도 약 28% 더 높은 강도가 발현됨을 확인할 수 있었다. 이와 같이 본 발명의 무기결합재는 영하 2℃의 낮은 온도 조건에서도 순환 유동층 보일러 바텀애시의 발열에 의한 초기 양생 촉진 효과 및 시멘트 수화반응 촉진효과로 인해 동절기 공사에 초기강도 확보 및 초기 동해 방지에 매우 효과적인 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.
또한 재활용이 미흡한 순환자원을 활용함으로서 천연자원과 에너지를 대량 소비하여 제조되는 시멘트의 사용량 절감에 따른 비용절감과 환경보호의 효과를 기대할 수 있다.

Claims (10)

  1. 순환 유동층 보일러(Circulating Fludized Bed Combustion) 바텀애시 100중량부에 대하여 시멘트 3∼10,000중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연소하는 순환 유동층 보일러 하부에서 배출되고, CaO 15∼65중량%, SO3 2∼35중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 순환 유동층 보일러 바텀애시는 1:1 중량부 혼합시 10분 이내에 30℃ 이상 수화열 발생이 가능한 순환 유동층 보일러 바텀애시인 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트, 준조강 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, CSA(Calcium Sulfur Aluminate), C12A7, 알루미나 시멘트, 초속경 시멘트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 비표면적 3,500cm2/g 이상의 슬래그 미분말 10∼10,000 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 순환 유동층 보일러 플라이애시 5∼1,000중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 석탄, 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 연소하는 순환 유동층 보일러 상부 집진설비에서 배출되고, CaO 10∼55중량%, SO3 1∼25중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 순환 유동층 보일러 플라이애시는 물과 1:1 중량부 혼합시 10분 이내에 25℃ 이상 수화열 발생이 가능한 순환 유동층 보일러 플라이애시인 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 순환 유동층 보일러 바텀애시 100중량부에 대하여 염화물계 방한제 0.5∼500중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 염화물계 방한제는 염소 성분이 1중량% 이상 함유된 소각 및 연소 잔재물, 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 자기발열 순환 유동층 보일러 바텀애시를 활용한 속경성 무기 결합재.
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