KR20200083082A - 무기계 재생재료를 이용한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법 - Google Patents

무기계 재생재료를 이용한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법에 관한 것으로 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌, 폐천장재 등과 같은 건설폐기물을 무기계 재생재료로서 이용하여 저탄소형 수경성 결합재를 제조할 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)를 각각 미분말로 분쇄하고 단계; 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말을 혼합하는 단계; 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말 혼합 시 CaO와 Fe2O3의 조성을 조절하기 위하여 석회석과 전기로슬래그를 혼합하는 단계; 전체 원료가 설정된 조성에 도달하였는지 여부를 판단하는 단계; 설정된 조성에 도달한 전체 원료를 소성하여 클링커를 만드는 단계; 클링커를 미세하게 분말화하는 단계;를 포함한다.

Description

무기계 재생재료를 이용한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법{IX DESIGN AND MANUFACTURING METHOD FOR LOW CARBON TYPE CEMENT BINDER USING INORGANIC RECYCLE MATERIALS}
본 발명은 수경성 결합재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌, 폐천장재 등과 같은 건설폐기물을 무기계 재생재료로서 이용하여 저탄소형 수경성 결합재를 제조할 수 있도록 한 무기계 재생재료를 이용한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법에 관한 것이다.
최근 건설산업은 산업경제 발전에 있어 사회간접자본의 형성이라는 차원에서 그 영향이 매우 크며 더불어 사회와 환경적인 측면에서도 지속가능한 산업이 되기 위해 노력하고 있다. 하지만, 이러한 노력에도 불구하고 건설산업은 폐기물 발생량의 증가 및 처리방안에 대한 사회적 문제와 재료의 생산 과정에서 배출되는 온실가스에 의한 지구환경 오염 및 자원고갈에 대한 환경적 문제에 직면하고 있다.
또한 시멘트산업도 건설산업에 기초소재를 공급하는 중추이지만 시멘트 제조시 고온의 소성이 필요하고 소성시의 원료 및 연료로부터 발생하는 이산화탄소는 새로운 환경문제로 대두되고 있다. 특히 시멘트 제조시 발생하는 이산화탄소는 기후변화 협약의 채택과 더불어 이슈의 중심에서 논의되며 처리해야할 시급한 문제로 인식된다. 이산화탄소 저감을 위한 기술 개발도 고로슬래그 및 플라이애시 등의 혼합시멘트의 사용에 따른 감소대책으로 일관하고 있다.
따라서 폐콘크리트분말이나 무기계 재생재료를 재활용하여 저탄소형 수경성 결합재의 원료로서 활용할 수 있다면 환경에 가장 친화적인 조건이 되는데도 불구하고 그러지 못하고 있는 실정이다.
한국공개특허공보 제2018-0082127호(2018.07.18.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌, 폐천장재 등과 같은 건설폐기물을 무기계 재생재료로서 이용하여 저탄소형 수경성 결합재를 제조할 수 있도록 한 무기계 재생재료를 이용한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법은, (1) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)를 각각 미분말로 분쇄하고 단계; (2) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말을 혼합하는 단계; (3) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말 혼합 시 CaO와 Fe2O3의 조성을 조절하기 위하여 석회석과 전기로슬래그를 혼합하는 단계; (4) 전체 원료가 설정된 조성에 도달하였는지 여부를 판단하여, 맞는다면 다음의 (5) 단계로 넘어가고, 아니라면 (2) 단계로 되돌아가는 단계; (5) 설정된 조성에 도달한 전체 원료를 소성하여 클링커를 만드는 단계; (6) 클링커를 미세하게 분말화하는 단계;를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, (4) 단계에서 SiO2 성분이 설정된 조성의 함량에 비해 부족하다면 (2) 단계로 되돌아가 폐시멘트블럭과 폐점토벽돌 미분말을 조절물질로 추가 혼합하여 SiO2 함량을 높이는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, (4) 단계에서 CaO 성분이 설정된 조성의 함량에 비해 부족하다면 (2) 단계로 되돌아가 폐천장재(Textile) 미분말을 조절물질로 추가 혼합하여 CaO 함량을 높이는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, (5) 단계에서 유동성 및 강도 증가를 위해 클링커 100중량%에 대하여 이수석고 4중량%를 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, (3) 단계에서 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 미분말이 혼합된 무기계 재생원료 15~30중량%, 석회석 70~80중량%, 전기로슬래그 1~5중량%를 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, (2) 단계에서 상기 재생원료는 폐콘크리트 1~20중량%, 폐시멘트블럭 1~20중량%, 폐점토벽돌 20~60중량% 및 폐천장재 1~50중량%의 미분말을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 저탄소형 수경성 결합재는 전술된 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 저탄소형 수경성 결합재는, 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)를 분쇄한 미분말을 혼합하여 만든 무기계 재생원료 15~30중량%, 석회석 70~80중량%, 전기로슬래그 1~5중량%를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 재생원료는 폐콘크리트 1~20중량%, 폐시멘트블럭 1~20중량%, 폐점토벽돌 20~60중량% 및 폐천장재 1~50중량%의 미분말을 혼합한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 재생원료에서 폐시멘트블럭과 폐점토벽돌 미분말은 SiO2 함량을 조절하기 위한 조절물질로 혼합된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 재생원료에서 폐천장재(Textile) 미분말은 CaO 함량을 조절하기 위한 조절물질로 혼합된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법은 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌, 폐천장재 등과 같은 건설폐기물을 무기계 재생재료로서 이용하여 친환경적인 저탄소형 수경성 결합재의 제조하는 것을 가능케 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법 흐름도
도 2는 소성시간에 대한 저탄소형 수경성 결합재의 온도 그래프
도 3은 클링커의 Free CaO contents 그래프
도 4는 재생 클링커의 Blain fineness 그래프
도 5a 및 도 5b는 plain 클링커의 구성광물과 XRD 분설 결과 그래프 및 이미지
도 6a 및 도 6b는 LCHCB 클링커의 XRD 분설 결과 그래프 및 이미지
도 7a 및 도 7b는 Plain 시멘트와 LCHCB 시멘트의 3일 재령 XRD 패턴 그래프
도 8a 및 도 8b는 저탄소형 수경성 결합재의 7일 재령 XRD 패턴 그래프
도 9a는 micro conduction calorimeter를 사용한 LCHCB의 72시간 재령 Hydration rate 그래프
도 9b는 micro conduction calorimeter를 사용한 LCHCB의 72시간 재령 Hydration heat 그래프
도 10은 재령 3일과 7일 차 LCHCB의 SEM 분석결과 이미지
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법은 (1) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)를 각각 미분말로 분쇄하고 단계; (2) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말을 혼합하는 단계; (3) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말 혼합 시 CaO와 Fe2O3의 조성을 조절하기 위하여 석회석과 전기로슬래그를 혼합하는 단계; (4) 전체 원료가 설정된 조성에 도달하였는지 여부를 판단하여, 맞는다면 다음의 (5) 단계로 넘어가고, 아니라면 (2) 단계로 되돌아가는 단계; (5) 설정된 조성에 도달한 전체 원료를 소성하여 클링커를 만드는 단계; (6) 클링커를 미세하게 분말화하는 단계;들을 순차적으로 진행하여 건설폐기물인 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌, 폐천장재로부터 보통포틀랜드시멘트와 유사한 수준의 친환경적인 저탄소형 수경성 결합재를 제조하는 것이 가능해진다.
(1) 단계 진행시 수집하여 사용되는 폐콘크리트 미분말은 폐콘크리트로부터 도로공사용과 콘크리트 제품제조용 순환골재 생산의 각 분쇄공정에서 발생하는데 폐콘크리트로부터 분리되어 나온 미분말의 경우 굵은 골재와 모르타르를 완벽하게 분리하기 어렵고 다시 모르타르에서 잔골재와 시멘트를 분리하기에는 어려움이 따른다. 따라서 폐콘크리트 미분말의 다량 치환은 어렵고 시멘트 제조시 일부 첨가원료로서 제한하여 사용이 가능하다.
상기 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌의 경우 SiO2 원료를 대체하는데 사용된다. 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌은 SiO2의 비율이 높아 다량 활용은 어려우며 배합비율을 조정하기 위한 용도로 활용할 수 있다. 또한, 폐천장재는 저탄소형 수경성 결합재 제조에 있어 CaO를 대체하는 용도로 활용된다.
(2) 단계 진행시 상기 재생원료는 폐콘크리트 1~20중량%, 폐시멘트블럭 1~20중량%, 폐점토벽돌 20~60중량% 및 폐천장재 1~50중량%의 미분말을 혼합하는 것이 바람직하다.
(3) 단계에서 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 미분말이 혼합된 무기계 재생원료 15~30중량%에, 석회석 70~80중량%, 전기로슬래그 1~5중량%를 혼합하는데 이는 현실적으로 무기계 재생원료만으로 포틀랜드시멘트 수준의 조성을 맞추기 어려운 관계로 CaO와 Fe2O3의 조성을 조절하기 위한 목적으로 석회석과 전기로슬래그를 사용하지 않을 수 없기 때문이다.
(4) 단계에서 SiO2 성분이 설정된 조성의 함량에 비해 부족하다면 (2) 단계로 되돌아가 폐시멘트블럭과 폐점토벽돌 미분말을 조절물질로 추가 혼합하여 SiO2 함량을 높일 수 있다. 마찬가지로 (4) 단계에서 CaO 성분이 설정된 조성의 함량에 비해 부족하다면 (2) 단계로 되돌아가 폐천장재(Textile) 미분말을 조절물질로 추가 혼합하여 CaO 함량을 높일 수 있다. 이때 SiO2 성분과 CaO 성분이 과도해지기 쉬운데 그렇게 되지 않도록 주의를 기울여야 한다.
(5) 단계에서 저탄소형 수경성 결합재의 유동성 및 강도 증가를 위해 클링커에 이수석고를 첨가할 수 있는데 클링커 100중량%에 대하여 이수석고 4중량% 정도가 적당하다.
무기계 재생원료를 이용하여 저탄소형 수경성 결합재 제조에 있어 보통포틀랜드시멘트의 원료비율을 맞추기 어렵기 때문에 주원료인 석회석과 전기로슬래그의 활용은 필수적이다.
일반적으로 보통포틀랜드시멘트의 제조과정에서 시멘트의 원재료를 조합하고 소성하여 클링커를 제조하기 위한 화합물의 예측은 보그식을 이용한다. 국내 시멘트 관련 KS L 5201에는 이와 관련한 내용과 기준이 명시되어있다. 기준에 따르면 시멘트의 화학성분 가운데 Al2O3/Fe2O3에 따라 아래와 같이 예측된다. 보그식에 의해 계산되는 시멘트 내 각 광물의 전형적인 수치는 대략 C3S가 55%, C2S가 10%, C3A가 10%, C4AF가 10%로 구성되어 있다.
(1) C 3 S = 4.071CaO - 7.600SiO 2 -6.718Al 2 O 3 - 1.430Fe 2 O 3 -2.852SO 3
(2) C 2 S = 2.867SiO 2 -0.7544C 3 S
(3) C 3 A = 2.650Al 2 O 3 -1.692Fe 2 O 3
(4) C 4 AF = 3.043Fe 2 O 3
석회포화도(Lime Saturation Factor, 이하 LSF)는 클링커의 정상적인 소성 및 냉각시 산성성분인 SiO2, Al2O3, Fe2O3 성분들과 결합 가능한 최대 CaO의 량으로 표시된다. 또한 클링커 소성도의 가늠으로서 유리석회(이하 Free CaO)를 확인하며 소성반응의 정도를 확인한다. LSF가 낮을 경우 로터리킬른 내에서 소성은 잘 이루어지나 C3S의 감소로 초기강도가 감소된다. 반대로, LSF가 높을 시에는 소성온도를 높이거나 소성시간을 길게 하더라도 소성이 어렵고 항상 Free CaO가 남을 수 있다. 하지만, C3S 증가로 인해 초기강도가 증가하고, C3S량이 많은 시멘트를 제조하기 위해서는 LSF가 높아야 된다.
규산율(Silica Modulus, 이하 SM)은 클링커를 소성하는 킬른 내의 혼합물 거동과 클링커 품질에 영향을 미친다. SM이 높아지면 원료혼합물의 소성이 어려워지며 소성과정에서 고온의 열이 필요하다. 철률(Iron Modulus, 이하 IM)은 Al2O3와 Fe2O3의 양적인 관계를 표시하는 비율로서, IM이 낮은 원료혼합물은 낮은 소성온도에도 클링커의 생성이 용이하다. 또한, IM이 낮으면 시멘트의 C3A가 작고 C4AF가 많아져 초기강도가 낮아지지만 수화열이 작고 화학저항성이 크게 된다.
LSF의 적정범위로는 91.0~95.0이며, 좋은 품질의 클링커 내 Free CaO는 1.0% 이하이다. SM의 적정범위는 2.3~2.8이다. 또한, IM의 적정범위는 1.6~2.0이다.
(5) LSF = CaO/(2.8SiO 2 +1.18Al 2 O 3 +0.65Fe 2 O 3 )
(6)SM = SiO 2 /(Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 )
(7) IM = Al 2 O 3 /Fe 2 O 3
<실험예>
저탄소형 수경성 시멘트 결합재를 제조하기 위한 무기계 재생원료는 폐콘크리트미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌, 폐천장재이며 화학적 성분은 표 1과 같다.
Chemical compositions (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3
Limestone 8.44 1.70 1.18 46.74 2.16 0.22 0.55 0.25
Converter slag 14.90 2.74 38.40 31.80 6.99 0.06 0.05 0.11
Cement paste 18.20 3.86 2.63 47.70 2.44 0.25 0.78 -
Waste recycle
Powder		 Concrete 47.80 8.73 2.39 17.40 3.96 1.34 2.31 0.45
Cement block 43.36 7.85 6.70 27.97 - - 3.37 1.15
Clay brick 66.67 16.57 8.53 2.51 - - 3.12 0.00
Textile 6.14 0.00 1.06 45.64 - - 0.13 20.05
또한, 조합된 시멘트페이스트 분말을 사용하였고 CaO를 보충하기 위한 것이다. 일반적으로 시멘트계 무기계 재생원료는 SiO2 함량이 높은데 이는 시멘트를 모래와 같이 사용하기 때문이다. 일반적으로 건설폐기물 처리시설에서 발생하는 콘크리트미분말의 CaO 함량은 13.7~17.4%의 범위이고 SiO2가 현저하게 높아 보통포틀랜드시멘트를 제조하기에는 불리한 점이 많다. 또한, 폐시멘트블럭이나 폐점토벽돌의 분말도 SiO2 성분이 많기 때문에 다량으로 사용하는 데는 불리한 점이 있다. 이는 재생원료로 사용하더라도 시멘트와 모래 등을 구분하여 분리하기 어렵기 때문에 일반적으로 같이 분쇄하여 재활용하는 것이 대부분이다.
저탄소형 수경성 시멘트 클링커 제조를 위해 원료로 사용되는 Plain 및 LCHCB의 화학적 조성은 표 2와 같다.
Chemical compositions (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3
Plain 16.62 3.51 2.40 47.54 2.39 0.25 0.74 0.04
LCHCB 15.38 2.90 2.43 43.82 2.19 0.32 1.19 3.20
Plain 배합은 석회석과 시멘트페이스트를 기본으로 약 83.9%, 16.1%를 혼합하여 보통포틀랜드시멘트에 근접하게 조합하였다. LCHCB의 배합은 폐콘크리트미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 성분을 조합하여 다시 석회석과 전기로슬래그를 혼합하여 조합하였다. 석회석과 전기로슬래그의 혼입 없이는 CaO와 Fe2O3의 조성을 맞추기 어렵기 때문에 조성비율에 적합하도록 혼입량을 조절하였다. 폐콘크리트미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 조합원료 배합비율은 약 2%, 11%, 49%, 39%이고 이 조합원료의 석회석과 전기로슬래그, 조합원료의 비율은 약 73.2%, 2.2%, 24.6%이다.
보통포틀랜드시멘트를 기준으로 배합을 만족하는 C3S와 C2S 등의 값을 얻기 위해서는 CaO를 포함하는 무기계 재생원료나 천연자원인 석회석의 비율을 높여야 한다. 석회석의 대체재로의 폐천장재는 석회석과 비교 했을 때 유사한 수준의 CaO을 함유하고 있음에도 SO3가 포함되어 있어 C3S를 만족하는 예측값을 얻기 어렵다. 재생원료의 화학조성을 분석하여 조합한 Plain의 LSF는 약 91.0, SM이 2.81, IM이 1.46이고, LCHCB의 LSF는 약 91.1, SM이 2.88, IM이 1.19이며 표 3과 같다.
Clinker mineral composition Clinker modulus
C3S C2S C3A C4AF LSF SM IM
Plain 53.72 23.09 7.01 9.73 91.0 2.81 1.46
LCHCB 56.62 22.11 5.25 10.88 91.1 2.88 1.19
재생원료의 분쇄는 진동밀을 이용하여 조합원료를 45㎛ 전후로 분쇄하였고 90㎛ 체를 이용하여 잔량 없이 통과하는 것을 확인하였다. 분쇄된 조합원료는 증류수와 혼합하여 10mm의 구의 형태로 제작한 후 건조하였다. 건조된 시료는 1450℃에서 약 30분간 소성하였고 소성을 위한 온도곡선은 도 2와 같다. 소성된 클링커는 에폭시수지에 함침하여 내부를 그라인딩 한 후 편광현미경을 이용하여 클링커의 구성광물 상과 XRD를 이용하여 상태를 확인하였다. 또한 Free CaO를 정량하여 확인하였고 측정은 ASTM C 114(Standard test methods for chemical analysis of hydraulic cement)를 응용한 분석방법을 이용하였다. 또한 제조된 클링커 양부판정을 위해 제조된 클링커를 분쇄하여 이수석고 4%를 혼입하여 저탄소형 수경성 시멘트 결합재를 제조하고 수화특성과 XRD, 미세구조를 확인하였다. 수화특성은 미소수화열 분석기를, 미세구조는 SEM를 이용하였다. 수화특성 분석은 물시멘트비를 50%로 일정하게 하여 각각의 미소수화열을 측정하였다.
재생원료를 사용하여 제조한 시멘트 클링커의 Free CaO 측정값을 분석한 결과는 도 3과 같다. Free CaO는 Plain 시험체가 0.51, LCHCB가 0.78로 Plain 시험체가 낮았다. 1450℃에서 소성한 클링커의 Free CaO는 일반 보통포틀랜드시멘트의 클링커 품질관리기준인 1.0% 이하에 부합하는 결과이다. 무기계 재생원료를 혼입하여 제조한 시멘트 클링커가 보통포틀랜드시멘트 클링커와 유사한 값을 보여 충분히 시멘트 클링커로의 사용이 가능하다. 또한 무기계 재생원료 혼입율이 증가함에 따라 Free CaO 값이 높아지는 것을 확인할 수가 있었다. 이는 무기계 재생원료의 혼입에 따라 C3S의 생성이 잘 이루어지지 않았기 때문이고 소성성에 영향을 미쳤다. 이는 무기계 재생원료 중 SiO2가 높은 비율로 존재하기 때문이며 Quartz 결정 형태로 다량 함유된 SiO2가 CaO와의 반응성이 떨어지는 결과로부터 기인한다.
시멘트페이스트와 석회석을 조합하여 소성한 Plain 클링커의 구성광물과 XRD 분석결과는 도 5a 및 도 5b와 같고, 무기계 재생원료를 조합하여 제조한 LCHCB 클링커의 구성광물과 XRD 분석결과는 도 6a 및 도 6b와 같다. 제조된 클링커는 시멘트의 주요 화합물인 C3S, C2S의 클링커 광물상이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 이와 같은 결과는 XRD 패턴 분석을 통해서도 확인할 수 있었고 Plain 시험체의 XRD 피크가 조금 더 명확하게 나타난 것을 알 수 있었다. 분석결과 C3S의 피크는 34.4°, C2S의 피크는 32.1°, C3A의 피크는 33.1°에서 나타났다. Plain 및 LCHCB 클링커 모두 보통 포틀랜드시멘트와 동일한 클링커 광물인 C3S, C2S, C3A를 확인 할 수 있었다.
시멘트페이스트와 석회석을 조합하여 소성한 시멘트와 무기계 재생원료를 조합하여 소성한 LCHCB 시멘트의 3일 재령 XRD 결과는 도 7a 및 도 7b와 같다. 또한 7일 재령의 XRD 결과는 도 8a 및 도 8b와 같다. 3일 재령의 XRD 그래프로 에트린자이트와 모노설페이트의 생성을 확인할 수 있었다. 에트린자이트의 XRD 피크값은 9.1°, 모노설페이트의 피크값은 32.1°이다. 7일 재령에서는 에트린자이트와 모노설페이트의 피크가 높아져 결정이 많이 생성된 것을 알 수 있었다. 이는 수화가 진행되는 과정으로 수화반응에 의해 에트린자이트와 모노설페이트 같은 수화생성물의 증가와 시멘트의 강도발현을 확인 할 수 있다. 또한 재생재료나 구성성분에 상관없이 3일보다 7일에서 피크가 더욱 명확하게 나타났다.
1차 피크는 11.2 J/g·h, 2차 피크는 8.4 J/g·h로 측정되었다. 2차 피크는 약 13시간30분 전후이며 혼입율의 증가에 따라 약간은 길어지는 것을 확인 할 수 있었다. 이 시기는 낮은 밀도의 C-S-H가 생성되는 시기로 에트린자이트가 모노설페이트로 변화하는 과정이 느리게 진행됨을 알 수 있다. 누적수화열량은 Plain이 약 243 J/g, LCHCB가 약 192 J/g을 나타냈다. 재생원료를 혼입하지 않은 Plain이 높게 나타났다.
에트린자이트보다는 모노설페이트로 변화되는 형태가 관찰되는 것이 일반적이다. 시멘트계 재생원료 미분말을 혼입하여 제조한 시멘트는 보통포틀랜드시멘트와 유사하지만 혼입시 CaO 및 SiO2의 혼합비율 조정이 어렵기 때문에 저열시멘트에 근접한 비율로 조절이 이루어지고 제조되는 클링커 및 시멘트도 저열시멘트의 특징을 가진다.
이와 같은 실험을 통해 폐콘크리트미분말, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌은 SiO2 성분이 높아 다량 사용하기에는 불리하지만 석회석 등과의 조합을 통해 수경성 시멘트 결합재로의 활용이 가능하다는 점을 확인할 수 있었다.
또한, 무기계 재생원료를 사용하여 제조한 클링커의 Free CaO는 Plain 시험체가 0.51, LCHCB가 0.78로 보통포틀랜드시멘트와 유사하였으며, 무기계 재생원료를 혼입하여 제조한 시멘트는 재생원료의 혼입에 따라 수화속도 및 수화열은 다소 낮아지는 특성을 보였다.
이처럼 폐콘크리트미분말, 폐시멘트블록, 폐점토벽돌, 폐천장재를 사용하여 제조한 시멘트는 저탄소형 재료로의 활용이 충분히 가능함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (11)

  1. 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법으로서,
    (1) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)를 각각 미분말로 분쇄하고 단계;
    (2) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말을 혼합하는 단계;
    (3) 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)의 미분말 혼합 시 CaO와 Fe2O3의 조성을 조절하기 위하여 석회석과 전기로슬래그를 혼합하는 단계;
    (4) 전체 원료가 설정된 조성에 도달하였는지 여부를 판단하여, 맞는다면 다음의 (5) 단계로 넘어가고, 아니라면 (2) 단계로 되돌아가는 단계;
    (5) 설정된 조성에 도달한 전체 원료를 소성하여 클링커를 만드는 단계;
    (6) 클링커를 미세하게 분말화하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (4) 단계에서 SiO2 성분이 설정된 조성의 함량에 비해 부족하다면 (2) 단계로 되돌아가 폐시멘트블럭과 폐점토벽돌 미분말을 조절물질로 추가 혼합하여 SiO2 함량을 높이는 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    (4) 단계에서 CaO 성분이 설정된 조성의 함량에 비해 부족하다면 (2) 단계로 되돌아가 폐천장재(Textile) 미분말을 조절물질로 추가 혼합하여 CaO 함량을 높이는 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    (5) 단계에서 유동성 및 강도 증가를 위해 클링커 100중량%에 대하여 이수석고 4중량%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (3) 단계에서 폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재의 미분말이 혼합된 무기계 재생원료 15~30중량%, 석회석 70~80중량%, 전기로슬래그 1~5중량%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    (2) 단계에서 상기 재생원료는 폐콘크리트 1~20중량%, 폐시멘트블럭 1~20중량%, 폐점토벽돌 20~60중량% 및 폐천장재 1~50중량%의 미분말을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 저탄소형 수경성 결합재의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재.
  8. 저탄소형 수경성 결합재의 조성물로서,
    폐콘크리트, 폐시멘트블럭, 폐점토벽돌 및 폐천장재(Textile)를 분쇄한 미분말을 혼합하여 만든 무기계 재생원료 15~30중량%, 석회석 70~80중량%, 전기로슬래그 1~5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 재생원료는 폐콘크리트 1~20중량%, 폐시멘트블럭 1~20중량%, 폐점토벽돌 20~60중량% 및 폐천장재 1~50중량%의 미분말을 혼합한 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 조성물.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 재생원료에서 폐시멘트블럭과 폐점토벽돌 미분말은 SiO2 함량을 조절하기 위한 조절물질로 혼합된 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 조성물.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 재생원료에서 폐천장재(Textile) 미분말은 CaO 함량을 조절하기 위한 조절물질로 혼합된 것을 특징으로 하는 저탄소형 수경성 결합재의 조성물.
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