KR20200126654A - 중석 광미를 이용한 수열합성 기능성 블록 및 이의 제조방법 - Google Patents

중석 광미를 이용한 수열합성 기능성 블록 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 버려지는 중석 광미와 시멘트 및 모래의 비율을 최적화하고 수열합성하는 방법으로 기능성 블록을 제조하였다. 본 발명의 방법으로 제조된 기능성 블록은 보조 및 차도용 콘크리트 인터로킹 블록으로 사용 가능한 휨강도를 가져 상용화가 가능하므로 폐기되는 중석 광미를 재활용할 수 있는 장점이 있다.

Description

중석 광미를 이용한 수열합성 기능성 블록 및 이의 제조방법{Autoclaved Functional Block Using Tungsten Tailing And Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 중석 광미를 이용한 수열합성 기능성 블록 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
포틀랜드 시멘트(OPC), 생석회, 규사(결정성이 양호한 석영), 물등을 원료로 하여 수열합성을 실시하면 규산질 원료와 석회질 원료의 비율에 따라 생성되는 수화물에 의해 콘크리트의 특성이 결정된다. 수열합성에 의해 생성된 수화물은 토버모라이트 겔로서 처리온도가 오르고 또 시간이 경과함에 따라 차츰 결정은 성장하고, 동시에 구조적으로 규칙성이 증가해 결함이 적어지게 된다. 토버모라이족 수화물의 단위층 표면에는 SiO4 사슬이 배열되어 있으며, SiO4 사면체의 비어 있는 2개의 정점에는 OH- 이온과 불포화 O2- 이온이 존재해 Ca2+ 이온 등이 강하게 결합하고, 혹은 단위층 사이에 강한 결합력이 작용한다. 또 이러한 수화물은 층상구조를 갖기 때문에 평면적인 확대는 극단적으로 작게 제한되지 않으나, 그 두께는 토버모라이트 겔에서 2∼3층, CSH(I)에서 수층, 결정성 토버모라이트 겔에서도 매우 얇아 콜로이드 범주에 들어간다. 그 때문에 토버모라이트 겔의 비표면적은 수백 m2/g의 큰 값을 갖게 되어 큰 응집력을 갖고, 또 골재 이외의 표면에도 강하게 부착하게 되어 기계적 강도가 향상되는 특징이 있다.
규산질 원료는 규석 또는 규사가 주로 사용되며 이산화규소(SiO2) 함유량이 높은 것이 필요하다. 이산화규소와 압축강도와의 사이에 직접적 관계는 없지만 순도가 낮으면 확실히 제품의 강도가 저하된다는 보고가 있다. 규석은 수열반응을 하는 동안 시멘트 등의 결합재와 반응하여 새로운 광물을 형성하며, 반응은 일정 시간 내에 완료되어야 하므로 그 반응성은 분말도 증가에 따라 증대될 수 있다. 규석의 품질은 이산화규소 함량으로 판정되며 이산화규소가 95 % 이상인 경우 아주 유용한 것으로 분류되며, 이산화규소가 85 내지 95 %인 경우 유용한 것으로 분류되며, 이산화규소가 75 내지 85 %인 경우 사용은 가능하나 품질이 저하되는 것으로 분류되며, 이산화규소가 75 % 이하인 경우 사용이 불가한 것으로 분류된다.
중석 광미는 중석을 생산하고 남은 찌꺼기로서 중석 광산부근에 광범위하게 쌓여 방치되어 있는 실정이다. 버려지는 광미를 재활용하여 건축자재 또는 콘크리트 고형화물를 제조하여 이를 상용화하기 위한 연구개발이 진행 중이다.
그 예로서, 한국출원특허 제10-2015-0187285호에는 미분 광미를 수중양생하여 콘크리트 블록을 제조한 바 있으며, 한국출원특허 제10-2008-0100658호에는 광미, 모래 및 굵은 골재를 배합한 후 이를 경화시켜 콘크리트 고형화물을 제조한 바 있으며, 한국출원특허 제10-2015-0140881호에는 광미와 유기결합제를 혼합하고 경화시켜 석재블럭을 제조한 바 있다.
상기 중석 광미는 이산화규소의 함량이 40 내지 60%에 불과하다. 따라서 종래의 기준에 의하면 상기 중석 광미는 수열합성법을 이용헌 콘크리트 제조의 원재료로서 고려된바 없다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
한국출원특허 제10-2015-0187285호 한국출원특허 제10-2008-0100658호 한국출원특허 제10-2015-0140881호
본 발명은 기능성 블록의 제조를 위한 콘크리트용 원재료로서 사용이 불가능한 중석 광미에 대하여 시멘트와 모래의 비율을 최적화하는 배합설계를 통해 제조한 중석 광미를 이용한 기능성 블록 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 중석 광미를 분쇄하여 평균 지름이 12 내지 14 ㎛인 미세 중석 광미 분말을 제조하는 제 1 단계; 상기 미세 중석 광미 분말 25 내지 35 중량 % 및 모래 65 내지 75 중량%를 혼합하여 중석 광미 혼합물 100 중량%를 제조하는 제 2 단계; 시멘트 100 중량부에 대하여 물 70 내지 80 중량부 및 상기 중석 광미 혼합물 360 내지 440 중량부를 첨가하고 혼합하여 중석 광미 모르타르를 제조하는 제 3 단계; 상기 중석 광미 모르타르를 양생하는 제 4 단계; 및 상기 양생된 광미 모르타르를 수열합성하는 제 5 단계;를 포함하는 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법을 이용하여 제조한 것으로서 시멘트 100 중량부에 대하여 모래 280 중량부 및 중석광미 120 중량부를 포함하며 휨강도가 5.5 내지 13 MPa인 것을 특징으로 하는 기능성 블록을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 기능성블록을 제공한다.
상기 중석 광미를 이용한 기능성 블록은 중석 광미를 분쇄하여 평균 지름이 12 내지 14 ㎛인 미세 중석 광미 분말을 제조한 후, 상기 미세 중석 광미 분말 25 내지 35 중량 % 및 모래 65 내지 75 중량%를 혼합하여 중석 광미 혼합물 100 중량%를 제조하고, 시멘트 100 중량부에 대하여 물 70 내지 80 중량부 및 상기 중석 광미 혼합물 360 내지 440 중량부를 첨가하여 혼합하여 이를 양생하고 수열합성하는 방법으로 제조한다.
상기 양생은 20 내지 25 ℃, 습도 85 내지 95 %의 분위기에서 22 내지 26시간동안 수행하며 상기 수열합성은 오토클레이브를 이용하여 120 내지 180 ℃ 온도 조건에서 6시간동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기의 제조방법으로 제조된 기능성 블록은 시멘트 100 중량부에 대하여 모래 280 중량부 및 중석광미 120 중량부를 포함하며 휨강도가 5.5 내지 13 MPa이어서 보차도용 콘크리트 인터로킹 블록으로 사용 가능하다.
본 발명은 버려지는 중석 광미와 시멘트 및 모래의 비율을 최적화하고 수열합성하는 방법으로 콘크리트 기능성 블록을 제조하였다. 본 발명의 방법으로 제조된 기능성 블록은 보차도용 콘크리트 인터로킹 블록으로 사용 가능한 휨강도를 가져 상용화가 가능하므로 폐기되는 중석 광미를 재활용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 중석 광미를 이용한 기능성 블록 제조용 콘크리트의 제조방법에 대한 순서도를 보여준다.
도 2는 본 발명의 중석 광미에 대한 결정상 분석결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 시간별로 분쇄하여 서로 다른 평균 입자 직경을 가지는 저비소 중석 광미 분쇄물 및 고비소 중석 광미 분쇄물의 입도분포 곡선을 보여준다.
도 4는 본 발명의 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 광미 함유량 및 수열합성 온도에 따른 압축강도비의 변화를 보여준다.
도 5는 본 발명의 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 광미 함유량 및 수열합성 온도에 따른 휨강도비의 변화를 보여준다.
도 6은 본 발명의 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 수열합성 온도에 따른 미세구조 관찰 결과를 보여준다.
본 발명은 중석 광미를 이용한 기능성블록의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 중석 광미를 분쇄하여 평균 지름이 12 내지 14 ㎛인 미세 중석 광미 분말을 제조하는 제 1 단계; 상기 미세 중석 광미 분말 25 내지 35 중량 % 및 모래 65 내지 75 중량%를 혼합하여 중석 광미 혼합물 100 중량%를 제조하는 제 2 단계; 시멘트 100 중량부에 대하여 물 70 내지 80 중량부 및 상기 중석 광미 혼합물 360 내지 440 중량부를 첨가하고 혼합하여 중석 광미 모르타르를 제조하는 제 3 단계; 상기 중석 광미 모르타르를 양생하는 제 4 단계; 및 상기 양생된 광미 모르타르를 수열합성하는 제 5 단계;를 포함한다.
상기 중석 광미는 중석 광산에 중석의 생산과정에서 발생하는 광물 찌꺼기를 의미한다. 상기 중석 광미는 맹독성인 비소를 포함한다. 상기 비소의 포함정도에 따라 고비소 광미와 저비소 광미로 구분되며 상기 비소의 용출여부에 따라 재활용 여부가 결정된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에서 사용한 중석 광미는 비소의 용출이 없어 재활용이 가능하다.
본 발명의 중석 광미는 이산화규소(SiO2)가 45 내지 60%로 포함되어 있으며 비소(As2O3)가 0.01 내지 0.07%로 포함된 것을 특징으로 한다. 상기 이산화규소는 수열합성을 통한 수화물의 생성에 중요한 역할을 한다. 상기 수화물은 콘크리트의 의 압축강도와 휨강도를 결정하게 되며 상기 수화물의 합성은 이산화규소와 산화칼슘의 비율과 수열합성의 방법에 따라 결정된다. 상기 이산화규소가 45% 미만으로 포함되거나 60 %를 초과하여 포함되면 이산화규소와 산화칼슘의 비율이 부적절하여 수화물의 합성이 저하되므로 이를 보전하기 위해 수열합성의 온도를 더 상승시켜야 하는 단점이 있다.
본 발명의 중석 광미는 분쇄기를 이용하여 평균 지름이 12 내지 14㎛이 되도록 제조할 수 있다. 상기 분쇄된 미세 중석 광미 분말은 비표면적이 2.5 내지 3.5m2/g이어서 반응성이 향상된 장점이 있다. 다만, 상기 분쇄를 더 실시하여 상기 미세 중석 광미 분말의 평균지름이 12 ㎛ 미만으로 되면 분말의 균일도가 저하되어 일정한 반응성을 가지기 어렵다. 또한 상기 평균 지름이 12㎛미만이면 모르타르 제조과정에서 뭉침이 발생하여 모르타르의 작업성이 저하되며 상기 평균지름이 14 ㎛를 초과하면 비표면적의 향상으로 인한 반응성이 저하되어 압축강도 및 휨강도가 저하되는 단점이 있다.
상기 제조된 미세 중석 광미 분말은 모래와 혼합되어 중석 광미 혼합물로 제조된다. 상기 모래는 일반적으로 이산화규소의 함량이 가장 높고 석영의 상태로 포함되어 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 중석 광미 혼합물은 상기 미세 중석 광미 분말 25 내지 35중량% 및 모래 65 내지 75중량%를 혼합하여 제조한다. 상기 미세 중석 광미 분말이 25중량% 미만으로 사용되거나 35중량%를 초과하여 사용하면 수열합성으로 제조된 콘크리트의 압축강도 및 휨강도가 최고치에 달하지 않는다. 바람직하게는 상기 중석 광미 혼합물은 상기 미세 중석 광미 분말 30중량% 및 모래 70중량%를 혼합하여 제조한다.
상기 중석 광미 혼합물은 시멘트 및 물과 혼합되어 중석 광미 모르타르로 제조된다. 상기 모르타르는 원하는 모양으로 성형되고 경화되어 건축용 블록으로 제조될 수 있고 외벽이나 내벽의 틈새를 메우는 등의 다양한 용도로서 사용될 수 있다. 따라서 상기 모르타르는 원하는 형상으로 성형이 가능한 우수한 작업성을 가져야 한다.
상기 작업성은 플로우(㎜)로 정의될 수 있다. 상기 플로우는 모르타르의 유동정도를 의미하며 플로우 값이 클수록 유동성이 높아 작업성이 우수한 것으로 평가된다. 다만 플로우 값이 너무 높으면 모르타르가 흘러내려 원하는 형상을 유지하기 어려울 수 있으며 경화시간이 더 소요되는 단점이 있다.
본 발명의 중석 광미 모르타르는 시멘트 100 중량부에 대하여 물 70 내지 80중량부 및 상기 중석 광미 혼합물 360 내지 440중량부를 첨가하고 혼합하여 제조한다. 상기 중석 광미 혼합물에 포함된 중석 미세 광미 분말은 비표면적이 넓어 중석 광미 모르타르의 작업성을 결정할 수 있다. 상기 중석 광미 혼합물이 360중량부 미만으로 첨가되면 상기 중석 미세 광미 분말에 의한 모르타르의 유동성 감소효과가 미미하여 플로우값이 너무 높아 질 수 있으며 상기 중석 광미 혼합물이 440중량부를 초과하여 사용되면 모르타르의 플루우 값이 너무 감소하여 작업성이 저하 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시멘트 100중량부에 대하여 물 70 내지 80중량부 및 상기 중석 광미 혼합물 360 내지 440중량부를 첨가하고 혼합하여 제조한 중석 광미 모르타르는 130 내지 145㎜의 플로우 값을 가져 작업성이 우수하다.
상기 제조된 중석 광미 모르타르는 원하는 형상으로 성형된 후 양생하여 경화시킨다. 상기 양생은 20 내지 25℃, 습도 85 내지 95%의 분위기에서 22 내지 26시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 양생은 23℃, 습도 90%의 분위기에서 24시간 동안 수행한다. 상기 양생시간은 상기 중석 광미 모르타르의 우동성과 관련이 있으므로 상기 양생조건을 벗어나면 양생정도가 부족하여 수열합성에 의한 수화물의 생성이 영향을 받을 수 도 있다.
상기 양생된 중석 광미 모르타르는 오토클레이브를 이용하여 120 내지 180℃ 온도 조건에서 6시간 동안 수열합성 된다. 상기 수령합성에 의해 상기 중석 광미 모르타르에는 압축강도와 휨강도를 향상시키는 다양한 수화물들이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양생된 중석 광미 모르타르가 120℃ 온도 조건에서 6시간 동안 수열합성 되면 대표적인 시멘트 수화물인 C-S-H 겔이 관찰되며 20℃ 온도 조건에서 6시간 동안 수열합성 되면 C-S-H 겔에 더하여 토버모라이트 겔도 관찰된다. 상기 C-S-H 겔은 콘크리트의 강도를 향상시키는 주된 수화물이다. 특히, 상기 토버모라이트 겔은 수백 m2/g의 비표면적값을 가져 강한 응집력을 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 토버모라이트 겔이 생성된 콘크리트는 구성성분 사이에 강한 부착력이 형성되어 높은 기계적 강도를 가지는 특징이 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 수열합성방법은 상기 C-S-H 겔과 더불어 토버모라이트 겔까지 형성되는 180℃ 온도 조건에서 6시간 동안 수행하는 것이다.
상기의 방법으로 제조한 중석광미를 포함하는 콘크리트는 블록의 형상으로 양생되고 수열합성되어 즉시 상용화가 가능한 압축강도와 휨강도를 가지는 기능성 블록으로 제조될 수 있다.
보도 또는 차도용 콘크리트 인터로킹 블록(interlocking block)은 보도 또는 차도를 포장하는 콘크리트제의 조합블록으로서 5MPa을 휨강도를 가지면 상용화가 가능하다. 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 중석 광미를 이용한 기능성 블록은 휨강도가 5.5 내지 13MPa 수준이다. 따라서 본 발명의 기능성 블록은 즉시 상용화가 가능하다. 본 발명의 기능성 블록은 시멘트 100중량부에 대하여 모래 280중량부 및 중석광미 120중량부를 포함한다. 본 발명은 실시예를 통해 상기 중석 광미가 비소등 유해한 중금속을 용출하지 않는다는 것이 확인하였으므로 기능성 블록으로 제조한 후 상용화 되어도 전혀 문제가 되지 않는다.
하기에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
1. 실험방법
1.1 광미, OPC, 모래의 특성 분석 및 전처리
본 발명에서는 중석 광미를 사용한 기능성 블록을 제조하고 그 특성을 분석하였다. 이를 위하여 출발원료로서 저비소 중석 광미, 고비소 중석 광미, OPC(ordinary portland cement) 및 모래를 사용하였다.
먼저 저비소 중석 광미(W) 및 고비소 중석 광미(WAs)를 입수하여 물리·화학적 특성 평가를 실시하였다. 중석 광미의 특성 평가는 습식 화학분석기(OPTIMA5300DV, PERKIN-ELMER社, USA)를 이용한 화학성분 분석 및 유해물질 용출량 평가(환경부 고시 폐기물공정시험방법), 입도분석기(LA-950V2, HORIBA社, JAPAN) 및 비표면적 분석기(ASAP2420, MICROMERITICS社, USA)를 이용한 입도특성 분석, X-선 회절분석기(D5005D, ZIEMENS社, GERMANY)을 이용한 결정상 분석을 실시하였다.
아울러 중석 광미의 입도 특성에 따른 기능성 블록 제조 및 특성 평가를 위해 진동밀(WTVM, 웅비기계社, KOREA)을 이용하여 중석 광미를 분쇄하였다. 배치식 진동밀을 이용하여 중석 광미를 분쇄하였으며, 분쇄 시간을 각각 15분, 30분 및 60분으로 제어하여 분쇄 시간에 따른 중석 광미의 입도 특성을 평가하였다. 입도 특성 평가 방법으로는 비표면적분석기(ASAP2420, MICROMERITICS社, USA) 및 입도분석기(LA-950V2, HORIBA社, JAPAN)를 이용하여 시료의 비표면적, 평균 입경 등을 분석·평가하였다.
입도 제어를 완료한 중석 광미를 사용하여 기능성 블록 제조 실험을 실시하였다. 기능성 블록의 주요 원료로 1종 보통 포틀랜드시멘트(OPC), 모래(합천 강모래 6호사) 및 2종의 중석 광미(저비소 및 고비소 광미)를 사용하였다. OPC의 주성분을 분석한 결과, CaO 62.12%, SiO2 21.82%이었으며, 모래의 성분을 분석한 결과, SiO2 91.00%이었다.
1.2 광미를 이용한 기능성 블럭 제조
광미를 이용한 기능성 블록 제조를 위한 중석 광미의 최적 혼합비율 도출을 위해 배합설계를 실시하였다. 기능성 블록의 제조를 위한 재료의 배합은 물-시멘트 혼합비(water-cement ratio, %)를 75%로 하였으며, 모래-시멘트 혼합비(sand-cement ratio, %)를 400%로 하였다. 광미를 이용한 기능성 블록 제조는 상기 모래-시멘트 혼합비는 유지하되, 상기 모래를 광미로 대체하는 방법으로 수행하였다.
하기 표 1은 본 발명의 모래-시멘트 혼합비와 모래가 광미로 대체된 배합조건을 보여준다.
구분 물-시멘트 혼합비(75%) 모래-시멘트 혼합비(400%)
시멘트(OPC) 물 시멘트(OPC) 모래 중석광미 모래-광미 대체율
배합조건 1 100% 75% 100% 400% 0% 0%(Ref.)
배합조건 2 100% 75% 100% 360% 40% 10%
배합조건 3 100% 75% 100% 320% 80% 20%
배합조건 4 100% 75% 100% 280% 120% 30%
배합조건 5 100% 75% 100% 240% 160% 40%
배합조건 6 100% 75% 100% 200% 200% 50%
시멘트 모르타르 혼합 시 물-시멘트비(Water/Cement ratio)는 75%로, 모래-시멘트비(Sand/Cement ratio)를 400%로 고정한 후 “시멘트의 강도 시험 방법(KS L ISO 679)”에 준하여 시멘트 모르타르를 혼합하였다. 아울러 중석 광미는 모래를 치환하여 사용하였으며, 치환률은 혼합 모래(모래 또는 모래와 중석 광미 혼합물) 전체 중량 대비 0%, 10%, 20%, 30%, 40% 및 50%로 고정하였다.
혼합을 마친 모르타르를 2×2×2(inch) 크기의 시편으로 제조하였으며, 23℃, 90%R.H.로 제어된 항온항습기에서 24시간동안 양생한 후, 오토클레이브(J-AT3, JISICO社, KOREA)를 이용하여 수열합성하였다. 수열합성은 수열합성 온도를 60℃, 120℃ 및 180℃로 제어하였으며, 각 목표온도까지의 승온 속도는 분당 2℃로 고정하였다. 아울러 목표 온도 도달 후 6시간 동안 온도를 유지하여 수열합성 반응이 충분히 이루어지도록 하였다. 수열합성이 종료된 시편은 “수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법(KS L 5105)”에 따라 압축강도를 측정하였다.
1.3 광미를 이용한 기능성 블록의 특성 평가
각 수열합성 조건별 가장 양호한 압축강도 특성을 발현하는 배합비를 선정하여 중석 광미 혼합에 따른 모르타르의 작업성 평가 실험을 실시하였다. 모르타르의 작업성 평가는 “수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법(KS L 5105)”에 준하여 플로우 실험을 수행하였다. 플로우 실험이 완료된 모르타르를 이용하여 40×40×160 (mm) 크기의 시편을 제조하였으며, 상기의 양생 및 수열합성 과정을 거쳐 기능성 블록을 제조하였다.
제조한 기능성 블록의 물리특성 평가를 위해 “보차도용 콘크리트 인터로킹 블록(KS F 4419)”의 시험방법에 준하여 휨강도 및 흡수율을 측정하였다. KS F 4419 규격에 따라 흡수율 시험은 20℃로 제어된 항온 수조에 시편을 24시간동안 침지시킨 후, 물에서 꺼내어 젖은 헝겊으로 표면을 닦아 내고 시편의 표건 질량을 측정하였다. 이후 105℃로 제어된 건조기(J-300M, JISICO社, KOREA) 안에서 24시간 동안 시편을 건조시킨 후 절건 질량을 측정하였으며, 아래의 수학식 1에 따라 흡수율을 계산하였다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 상기 m0는 시험체의 표건 질량(g)을 의미하며 상기 m1은 시험체의 절건 질량(g)을 의미한다.
기능성 블록의 물리특성 평가를 완료한 후, 기능성 블록의 결정상 분석 및 미세구조 관찰을 실시하였다. 결정상 분석은 X-선 회절분석기(D5005D, ZIEMENS社, GERMANY)를 이용하였으며, 주사전자현미경(SM300, TOPCON社, JAPAN)을 이용하여 미세구조 관찰을 실시하였다.
2. 실험결과
2.1 중석 광미의 원료특성 평가 결과
2.1.1 중석 광미의 물리화학적 특성
중석 광미를 사용한 기능성 블록 제조 및 특성 평가를 위해 저비소 광미 및 고비소 광미를 입수하여 물리·화학적 특성 평가를 실시하였다. 중석 광미의 비중은 2.90g/cm3 수준으로써, 모래의 비중(2.65g/cm3)보다 약간 높은 것으로 나타났다. 저비소 광미의 주성분은 SiO2 58.50%, Fe2O3 12.00%이었으며 비소(As2O3)가 0.01% 검출되었다. 고비소 광미의 주성분은 SiO2 47.70%, Fe2O3 12.00%이었으며 비소(As2O3)가 0.07% 검출되었다 아울러 소량의 Cr2O3 및 As2O3가 검출된 것으로 확인 되었다. 하기 표 2는 저비소 광미와 고비소 광미의 화학성분 및 비중을 보여준다.
구 분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O LOI Cr2O3 As2O3 Density
(g/cm3)
저비소 광미 58.5% 8.85% 12.0% 9.76% 2.37% 1.63% 3.28% <0.01% 0.01% 2.90
고비소 광미 47.7% 7.60% 12.0% 9.89% 19.1% 1.43% 4.00% 0.01% 0.07% 2.91
2.1.2 중석 광미의 중금속 용출 특성
중석 광미의 유해물질 용출량을 평가하기 위해 “폐기물공정시험방법(환경부 고시)”에 따라 중금속 용출시험을 실시하였다. 중금속 용출시험 결과 비소(As), 6가 크롬(Cr6+) 및 구리(Cu) 등의 중금속이 용출되지 않는 것으로 나타났다. 따라서 중석 광미를 사용하여 기능성 블록 제조 시 강우 등에 따른 중금속 용출은 나타나지 않을 것으로 판단된다.
2.1.3 중석 광미의 결정특성
중석 광미의 결정상을 분석하기 위해 X-선 회절분석기를 이용하였다. X-선 회절 분석 결과 중석 광미의 주결정상은 Quartz(SiO2)로 나타났으며, 일부 석회석(CaCO3) 피크도 검출되었다(도 2 참조). 특히 Quartz의 결정성이 상당히 강하게 나타난 것을 확인할 수 있으며, 이는 기능성 블록 제조 시 모래 대체재로써 중석 광미를 충분히 사용가능할 것이라 판단되었다.
2.1.4 중석 광미의 분쇄특성
중석 광미의 입도 특성에 따른 기능성 블록 제조 및 특성 평가를 위해 진동밀을 이용하여 중석 광미를 분쇄하였다. 분쇄 시간에 따른 중석 광미의 특성을 분석하기 위해 진동밀의 분쇄 시간을 0분, 15분, 30분 및 60분으로 제어한 후, 입도 분석기를 이용하여 평균 입경을 측정하였다. 상기 측정 결과는 표 3 및 도 3에 나타내었다.
저비소 광미 고비소 광미
분쇄시간 0분 15분 30분 60분 0분 15분 30분 60분
중간지름(Median size, ㎛) 39.04 21.10 12.47 9.36 36.63 14.36 10.86 8.43
평균지름(Mean size, ㎛) 52.04 30.15 13.96 10.35 51.06 16.73 12.19 9.26
입도 분석기를 이용한 입도분포 측정 결과를 살펴보면, 분쇄하지 않은 저비소 광미 및 고비소 광미의 평균 입경은 각각 52.04㎛ 및 51.06㎛ 수준으로 나타났다. 분쇄하지 않은 중석 광미의 외관을 관찰해보면, 크기가 작은 입자들부터 입자들이 뭉쳐져 큰 입자로 구성된 입자들까지 다양하게 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 중석 광미를 분쇄하지 않고 사용하고자 할 경우, 뭉쳐진 입자들을 분산시키기 위한 해쇄 과정이 필요할 것으로 판단되었다.
분쇄 시간이 15분, 30분 및 60분으로 증가함에 따라 저비소 광미의 평균 입경은 30.15㎛, 13.96㎛ 및 10.35㎛으로 감소하였으며 고비소 광미 역시 16.73㎛, 12.19㎛ 및 9.26㎛로 감소하는 것이 확인되었다. 즉, 분쇄 시간이 증가함에 따라 평균입경은 감소하였으며, 30분 이상 분쇄하였을 경우 평균 입경 감소폭이 낮아지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 입도분포 곡선을 살펴보면 분쇄시간이 증가함에 따라 중석 광미의 입도분포가 균일해지고 있는 것을 확인할 수 있었다(도 3 참조).
다음으로 비표면적 측정기를 이용하여 진동밀 분쇄 시간에 따른 저비소 광미(W)의 비표면적(BET)을 측정하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 분쇄하지 않은 저비소 광미의 비표면적은 1.28m2/g으로 나타났으며, 분쇄시간이 증가함에 따라 1.58m2/g, 2.58m2/g 및 3.45m2/g으로 향상되는 것이 측정되었다. 즉, 입도분포 측정결과와 마찬가지로 분쇄 시간이 증가함에 따라 중석 광미의 입경은 작아지고 있으며 비표면적은 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
0분 15분 30분 60분
비표면적(m2/g) 1.28 1.58 2.58 3.45
2.2 광미를 이용한 기능성 블록의 물리적 특성 결과
2.2.1 압축강도
압축강도의 측정을 위하여 상기의 방법으로 2x2x2 inches 크기의 시편을 제조하고 항온항습기에서 양생을 거친 후 오토클레이브를 통해 수열합성하였다. 상기 수열합성은 합성시간은 6시간으로 고정하고 합성온도를 각각 60, 120, 및 180℃로 변화시켜 수행하였다. 수열합성이 종료된 시편은 만능재료시험기(UTM, Universal Testing Machine)를 이용하여 압축강도를 측정하였다. 상기 수열합성된 기능성 블록 및 압축강도 측정 결과는 하기 표 5와 같다.
광미 종류 광미 평균입자크기 모래-광미 치환율 수열합성온도 압축강도
비교예1 - - 0% 60℃ 8.9MPa
비교예2 - - 0% 120℃ 16.5MPa
비교예3 - - 0% 180℃ 16.7MPa
실시예1 저비소 광미 52.04㎛ 10% 60℃ 9.0MPa
실시예2 저비소 광미 30.15㎛ 10% 60℃ 9.3MPa
실시예3 저비소 광미 13.96㎛ 10% 60℃ 12.2MPa
실시예4 저비소 광미 10.35㎛ 10% 60℃ 17.2MPa
실시예5 저비소 광미 52.04㎛ 20% 60℃ 7.2MPa
실시예6 저비소 광미 30.15㎛ 20% 60℃ 15.7MPa
실시예7 저비소 광미 13.96㎛ 20% 60℃ 17.4MPa
실시예8 저비소 광미 10.35㎛ 20% 60℃ 22.4MPa
실시예9 저비소 광미 52.04㎛ 30% 60℃ 10.1MPa
실시예10 저비소 광미 30.15㎛ 30% 60℃ 19.4MPa
실시예11 저비소 광미 13.96㎛ 30% 60℃ 23.6MPa
실시예12 저비소 광미 10.35㎛ 30% 60℃ 23.6MPa
실시예13 저비소 광미 52.04㎛ 40% 60℃ 10.7MPa
실시예14 저비소 광미 30.15㎛ 40% 60℃ 21.2MPa
실시예15 저비소 광미 13.96㎛ 40% 60℃ 21.7MPa
실시예16 저비소 광미 10.35㎛ 40% 60℃ 19.5MPa
실시예17 저비소 광미 52.04㎛ 50% 60℃ 6.9MPa
실시예18 저비소 광미 30.15㎛ 50% 60℃ 16.3MPa
실시예19 저비소 광미 13.96㎛ 50% 60℃ 14.9MPa
실시예20 저비소 광미 10.35㎛ 50% 60℃ 13.5MPa
실시예21 저비소 광미 52.04㎛ 10% 120℃ 10.0MPa
실시예22 저비소 광미 30.15㎛ 10% 120℃ 20.0MPa
실시예23 저비소 광미 13.96㎛ 10% 120℃ 20.3MPa
실시예24 저비소 광미 10.35㎛ 10% 120℃ 24.2MPa
실시예25 저비소 광미 52.04㎛ 20% 120℃ 16.9MPa
실시예26 저비소 광미 30.15㎛ 20% 120℃ 19.2MPa
실시예27 저비소 광미 13.96㎛ 20% 120℃ 21.3MPa
실시예28 저비소 광미 10.35㎛ 20% 120℃ 22.4MPa
실시예29 저비소 광미 52.04㎛ 30% 120℃ 18.5MPa
실시예30 저비소 광미 30.15㎛ 30% 120℃ 22.8MPa
실시예31 저비소 광미 13.96㎛ 30% 120℃ 35.0MPa
실시예32 저비소 광미 10.35㎛ 30% 120℃ 41.0MPa
실시예33 저비소 광미 52.04㎛ 40% 120℃ 17.8MPa
실시예34 저비소 광미 30.15㎛ 40% 120℃ 28.3MPa
실시예35 저비소 광미 13.96㎛ 40% 120℃ 37.1MPa
실시예36 저비소 광미 10.35㎛ 40% 120℃ 34.7MPa
실시예37 저비소 광미 52.04㎛ 50% 120℃ 11.2MPa
실시예38 저비소 광미 30.15㎛ 50% 120℃ 26.1MPa
실시예39 저비소 광미 13.96㎛ 50% 120℃ 27.4MPa
실시예40 저비소 광미 10.35㎛ 50% 120℃ 28.6MPa
실시예41 저비소 광미 52.04㎛ 10% 180℃ 15.7MPa
실시예42 저비소 광미 30.15㎛ 10% 180℃ 20.6MPa
실시예43 저비소 광미 13.96㎛ 10% 180℃ 25.2MPa
실시예44 저비소 광미 10.35㎛ 10% 180℃ 34.4MPa
실시예45 저비소 광미 52.04㎛ 20% 180℃ 15.6MPa
실시예46 저비소 광미 30.15㎛ 20% 180℃ 31.4MPa
실시예47 저비소 광미 13.96㎛ 20% 180℃ 24.0MPa
실시예48 저비소 광미 10.35㎛ 20% 180℃ 45.3MPa
실시예49 저비소 광미 52.04㎛ 30% 180℃ 17.8MPa
실시예50 저비소 광미 30.15㎛ 30% 180℃ 37.7MPa
실시예51 저비소 광미 13.96㎛ 30% 180℃ 45.2MPa
실시예52 저비소 광미 10.35㎛ 30% 180℃ 55.2MPa
실시예53 저비소 광미 52.04㎛ 40% 180℃ 25.8MPa
실시예54 저비소 광미 30.15㎛ 40% 180℃ 36.5MPa
실시예55 저비소 광미 13.96㎛ 40% 180℃ 41.6MPa
실시예56 저비소 광미 10.35㎛ 40% 180℃ 52.2MPa
실시예57 저비소 광미 52.04㎛ 50% 180℃ 19.3MPa
실시예58 저비소 광미 30.15㎛ 50% 180℃ 36.4MPa
실시예59 저비소 광미 13.96㎛ 50% 180℃ 43.9MPa
실시예60 저비소 광미 10.35㎛ 50% 180℃ 55.1MPa
실시예61 고비소 광미 52.04㎛ 10% 60℃ 8.0MPa
실시예62 고비소 광미 30.15㎛ 10% 60℃ 12.9MPa
실시예63 고비소 광미 13.96㎛ 10% 60℃ 13.5MPa
실시예64 고비소 광미 10.35㎛ 10% 60℃ 15.6MPa
실시예65 고비소 광미 52.04㎛ 20% 60℃ 12.4MPa
실시예66 고비소 광미 30.15㎛ 20% 60℃ 17.2MPa
실시예67 고비소 광미 13.96㎛ 20% 60℃ 22.3MPa
실시예68 고비소 광미 10.35㎛ 20% 60℃ 19.9MPa
실시예69 고비소 광미 52.04㎛ 30% 60℃ 17.3MPa
실시예70 고비소 광미 30.15㎛ 30% 60℃ 21.5MPa
실시예71 고비소 광미 13.96㎛ 30% 60℃ 23.0MPa
실시예72 고비소 광미 10.35㎛ 30% 60℃ 22.2MPa
실시예73 고비소 광미 52.04㎛ 40% 60℃ 9.7MPa
실시예74 고비소 광미 30.15㎛ 40% 60℃ 14.2MPa
실시예75 고비소 광미 13.96㎛ 40% 60℃ 17.4MPa
실시예76 고비소 광미 10.35㎛ 40% 60℃ 17.5MPa
실시예77 고비소 광미 52.04㎛ 50% 60℃ 12.4MPa
실시예78 고비소 광미 30.15㎛ 50% 60℃ 12.4MPa
실시예79 고비소 광미 13.96㎛ 50% 60℃ 10.8MPa
실시예80 고비소 광미 10.35㎛ 50% 60℃ 13.6MPa
실시예81 고비소 광미 52.04㎛ 10% 120℃ 15.0MPa
실시예82 고비소 광미 30.15㎛ 10% 120℃ 20.0MPa
실시예83 고비소 광미 13.96㎛ 10% 120℃ 22.7MPa
실시예84 고비소 광미 10.35㎛ 10% 120℃ 23.4MPa
실시예85 고비소 광미 52.04㎛ 20% 120℃ 17.7MPa
실시예86 고비소 광미 30.15㎛ 20% 120℃ 19.9MPa
실시예87 고비소 광미 13.96㎛ 20% 120℃ 33.8MPa
실시예88 고비소 광미 10.35㎛ 20% 120℃ 34.9MPa
실시예89 고비소 광미 52.04㎛ 30% 120℃ 22.5MPa
실시예90 고비소 광미 30.15㎛ 30% 120℃ 29.8MPa
실시예91 고비소 광미 13.96㎛ 30% 120℃ 36.3MPa
실시예92 고비소 광미 10.35㎛ 30% 120℃ 40.8MPa
실시예93 고비소 광미 52.04㎛ 40% 120℃ 21.1MPa
실시예94 고비소 광미 30.15㎛ 40% 120℃ 28.9MPa
실시예95 고비소 광미 13.96㎛ 40% 120℃ 30.9MPa
실시예96 고비소 광미 10.35㎛ 40% 120℃ 34.8MPa
실시예97 고비소 광미 52.04㎛ 50% 120℃ 20.4MPa
실시예98 고비소 광미 30.15㎛ 50% 120℃ 24.1MPa
실시예99 고비소 광미 13.96㎛ 50% 120℃ 22.6MPa
실시예100 고비소 광미 10.35㎛ 50% 120℃ 29.7MPa
실시예101 고비소 광미 52.04㎛ 10% 180℃ 20.0MPa
실시예102 고비소 광미 30.15㎛ 10% 180℃ 30.1MPa
실시예103 고비소 광미 13.96㎛ 10% 180℃ 30.9MPa
실시예104 고비소 광미 10.35㎛ 10% 180℃ 35.2MPa
실시예105 고비소 광미 52.04㎛ 20% 180℃ 25.3MPa
실시예106 고비소 광미 30.15㎛ 20% 180℃ 44.4MPa
실시예107 고비소 광미 13.96㎛ 20% 180℃ 39.7MPa
실시예108 고비소 광미 10.35㎛ 20% 180℃ 50.0MPa
실시예109 고비소 광미 52.04㎛ 30% 180℃ 23.0MPa
실시예110 고비소 광미 30.15㎛ 30% 180℃ 47.0MPa
실시예111 고비소 광미 13.96㎛ 30% 180℃ 40.9MPa
실시예112 고비소 광미 10.35㎛ 30% 180℃ 54.5MPa
실시예113 고비소 광미 52.04㎛ 40% 180℃ 30.2MPa
실시예114 고비소 광미 30.15㎛ 40% 180℃ 43.8MPa
실시예115 고비소 광미 13.96㎛ 40% 180℃ 44.1MPa
실시예116 고비소 광미 10.35㎛ 40% 180℃ 45.3MPa
실시예117 고비소 광미 52.04㎛ 50% 180℃ 29.8MPa
실시예118 고비소 광미 30.15㎛ 50% 180℃ 36.4MPa
실시예119 고비소 광미 13.96㎛ 50% 180℃ 35.2MPa
실시예120 고비소 광미 10.35㎛ 50% 180℃ 36.0MPa
수열합성 온도 60℃에서 6시간 동안 수열합성한 시편의 중석 광미 혼합량에 따른 압축강도 특성을 살펴보면, 중석 광미 혼합량이 증가함에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 중석 광미를 50% 이상 혼합할 경우 시편의 압축강도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 분쇄 시간이 증가함에 따라 중석 광미 혼합 시편의 압축강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 중석 광미의 분쇄시간이 60분으로 증가할 경우, 압축강도는 더 이상 증가하지 않거나 감소하는 경향을 나타내었다.
중석 광미를 혼합하지 않은 시편(비교예1)의 압축강도는 8.9MPa로 나타났다. 아울러 저비소 광미 및 고비소 광미를 30분 분쇄한 시료를 30% 혼합할 경우 가장 높은 압축강도값(23.6MPa, 23.0MPa)을 나타내었다. 이는 비교예1 시편의 압축강도보다 약 265% 수준 향상된 값으로써, 30분 분쇄한 중석 광미를 30% 혼합하여 기능성 블록을 제조할 경우 상당히 양호한 물리 특성을 발현할 것으로 사료되었다.
제조방법에 따른 시편의 압축강도 변화를 확인하기 위하여 압축강도비를 산출하고 이를 비교하였다(도 4 참조). 상기 압축강도비는 하기 수학식 2에 따라 산출하였다.
Figure pat00002
상기 수학식 2의 CS0는 중석 광미 미혼합 시편의 압축강도(MPa)를 의미하며 CS1은 중석 광미 혼합 시편의 압축강도(MPa)를 의미한다.
수열합성 온도 60℃에서 6시간 동안 수열합성한 시편의 압축강도비 산출 결과를 살펴보면, 저비소 광미 및 고비소 광미의 혼합량이 증가할수록 압축강도 또한 증가하는 것으로 분석되었다. 그러나 중석 광미의 혼합량이 40%를 초과할 경우 압축강도비는 오히려 감소하였다. 따라서 중석 광미를 사용한 기능성 블록 제조 시, 중석 광미의 적정 혼합량은 약 30% 수준인 것으로 판단되었다. 아울러 분쇄하지 않은 저비소 광미의 경우, 모든 배합조건에서 비교예1 시편과 유사한 압축강도값이 발현되었다.
수열합성 온도 120℃에서 6시간 동안 수열합성한 시편의 압축강도 측정결과를 살펴보면, 중석 광미를 혼합하지 않은 시편(비교예2)의 압축강도는 16.5MPa로 나타났다. 아울러 저비소 광미(W)를 60분 분쇄하여 30% 혼합할 경우 가장 높은 압축강도값(41.0MPa)을 나타내었다. 중석 광미 혼합량에 따른 압축강도 특성은 60℃-6시간 조건과 유사한 경향을 나타내었다. 즉, 중석 광미를 30∼40% 혼합할 경우 압축강도는 증가하였으며, 50% 이상 혼합할 경우 압축강도가 감소하였다. 아울러 대부분의 혼합조건에서 중석 광미의 분쇄 시간이 증가함에 따라 시편의 압축강도 또한 증가하는 것으로 나타났다.
상기 수학식 2를 이용하여 수열합성 온도 120℃에서 6시간 동안 수열합성한 시편의 압축강도비를 산출하고 이를 비교분석하였다(도 4 참조). 압축강도비 분석 결과를 살펴보면, 저비소 광미 및 고비소 광미의 분쇄시간이 증가함에 따라 압축강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 아울러 중석 광미의 혼합량이 증가할 경우 압축강도도 증가하였으며, 중석 광미를 50% 이상 혼합할 경우 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 30분 이상 분쇄한 중석광미를 30∼40% 혼합하여 기능성 블록을 제조할 경우 가장 양호한 물리특성을 발현할 것으로 사료되었다.
수열합성 온도 180℃에서 6시간 동안 수열합성한 시편의 압축강도 측정결과를 살펴보면, 중석 광미 혼합량이 증가함에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 60℃ 및 120℃ 조건과 마찬가지로, 중석 광미를 50% 이상 혼합할 경우 시편의 압축강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 아울러 분쇄 시간이 증가함에 따라 압축강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 중석 광미를 혼합하지 않은 시편(비교예3)의 압축강도는 16.7MPa로 나타났으며, 저비소 광미 및 고비소 광미를 60분 분쇄하여 30% 혼합한 시편의 압축강도는 각각 55.2MPa 및 54.5MPa로 나타났다. 이는 비교예 3 및 6 압축강도와 비교하여 약 300% 이상 향상된 수준으로써 상당히 양호한 결과를 도출할 수 있었다.
상기 수학식 2를 이용하여 수열합성 온도 180℃에서 6시간 동안 수열합성한 시편의 압축강도비를 산출하고 이를 비교분석하였다(도 4 참조). 도 3에서와 같이 중석 광미의 분쇄시간이 증가함에 따라 압축강도 또한 증가하는 것으로 분석되었다. 아울러 저비소 광미 및 고비소 광미의 혼합량이 30%까지 증가할 경우 압축강도 또한 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 중석 광미를 40% 이상 혼합할 경우 압축강도는 동등 수준을 유지(저비소 광미)하거나, 오히려 감소(고비소 광미)하는 경향을 나타내었다. 따라서 중석 광미를 사용하여 180℃-6시간 조건으로 기능성 블록을 제조할 경우, 30분 이상 분쇄한 중석 광미를 30% 혼합하는 것이 적절할 것으로 판단되었다.
2.2.2 플로우, 휨감도 및 흡수율
상기 압축강도 측정 결과에 따르면, 기능성 블록 제조를 위한 최적 배합 조건은 중석 광미를 30% 혼합하는 것이라 판단되었다. 따라서 30% 혼합 조건을 최적 배합으로 선정하여 모르타르 플로우, 휨강도 및 흡수율 측정 실험을 실시하였다.
먼저 상기 플로우의 측정은 30분 분쇄한 중석 광미를 30% 혼합하여 모르타르를 제조하고 이를 이용하여 측정하였다.
상기 휨강도의 측정은 중석 광미를 30% 혼합한 모르타르를 40×40×160mm 크기의 시편으로 제조한 후 상기의 방법에 따라 양생 및 수열합성을 실시하였다. 수열합성된 블록은 만능재료시험기(UTM, Universal Testing Maching)를 이용하여 휨강도 측정 실험을 실시하였다. 휨강도 측정 실험은 3-point bending test로 수행하였다.
휨강도의 산출은 하기 수학식3에 따라 수행되었다.
Figure pat00003
상기 수학식3의 상기 P는 시험기가 나타낸 최대 파괴 하중(N)을 의미하며, 상기 l은 지점 간 거리(mm)를 의미하며, 상기 b는 지점 간에 직각 방향의 평균 너비(mm)를 의미하며, 상기 d는 블록의 평균 두께(mm)를 의미한다.
상기 흡수율의측정은 중석 광미를 30% 혼합한 시편 수열합성이 완료된 블록에 대하여 수행하였다. 흡수율 실험은 20℃로 제어된 항온 수조에 블록 시편을 24시간 동안 침지시킨 후, 물에서 꺼내어 젖은 헝겊으로 표면을 닦아 내고 시편의 표건 질량을 측정하였다. 이후 105℃로 제어된 건조기 안에서 24시간 동안 블록 시편을 건조시킨 후 절건 질량을 측정하였다.
하기 표 6은 실시예에 대한 상기 플로우, 휨강도, 및 흡수율 측정결과를 보여준다. 상기 플로우는 수열합성을 수행하기 전에 작업성을 측정하기 위한 것이므로 수열합성을 하지 않았다.
광미종류 광미 평균입자크기 수열합성온도 플로우 휨강도 흡수율
비교예1 - - 60℃ 140㎜ 5.1MPa 8.5%
비교예2 - - 120℃ 140㎜ 5.4MPa 8.1%
비교예3 - - 180℃ 140㎜ 6.4MPa 8.1%
실시예9 저비소 광미 52.04㎛ 60℃ 144㎜ 4.9MPa 8.6%
실시예10 저비소 광미 30.15㎛ 60℃ 141㎜ 5.3MPa 8.7%
실시예11 저비소 광미 13.96㎛ 60℃ 133㎜ 5.2MPa 9.0%
실시예12 저비소 광미 10.35㎛ 60℃ 132㎜ 5.8MPa 9.7%
실시예29 저비소 광미 52.04㎛ 120℃ - 5.7MPa 8.4%
실시예30 저비소 광미 30.15㎛ 120℃ - 7.1MPa 8.7%
실시예31 저비소 광미 13.96㎛ 120℃ - 7.8MPa 8.5%
실시예32 저비소 광미 10.35㎛ 120℃ - 7.9MPa 8.2%
실시예49 저비소 광미 52.04㎛ 180℃ - 7.5MPa 8.0%
실시예50 저비소 광미 30.15㎛ 180℃ - 10.2MPa 8.0%
실시예51 저비소 광미 13.96㎛ 180℃ - 10.4MPa 7.6%
실시예52 저비소 광미 10.35㎛ 180℃ - 10.9MPa 6.9%
실시예69 고비소 광미 52.04㎛ 60℃ 144㎜ 4.3MPa 9.0%
실시예70 고비소 광미 30.15㎛ 60℃ 141㎜ 4.3MPa 9.2%
실시예71 고비소 광미 13.96㎛ 60℃ 133㎜ 4.4MPa 9.6%
실시예72 고비소 광미 10.35㎛ 60℃ 132㎜ 4.6MPa 10.1%
실시예89 고비소 광미 52.04㎛ 120℃ - 6.8MPa 8.9%
실시예90 고비소 광미 30.15㎛ 120℃ - 7.6MPa 8.9%
실시예91 고비소 광미 13.96㎛ 120℃ - 8.7MPa 8.7%
실시예92 고비소 광미 10.35㎛ 120℃ - 8.6MPa 8.3%
실시예109 고비소 광미 52.04㎛ 180℃ - 8.8MPa 8.3%
실시예110 고비소 광미 30.15㎛ 180℃ - 10.6MPa 7.7%
실시예111 고비소 광미 13.96㎛ 180℃ - 12.2MPa 7.1%
실시예112 고비소 광미 10.35㎛ 180℃ - 11.8MPa 7.4%
플로우 측정결과를 살펴보면, 중석 광미를 혼합하지 않은 모르타르(비교예 1 내지 3)는 140mm으로 측정되었으며, 분쇄하지 않은 중석 광미를 혼합한 경우 비교예와 유사하게 나타났다. 아울러 중석 광미의 분쇄 시간이 증가함에 따라 플로우는 소폭 감소하였는데, 이는 중석 광미의 비표면적 증가에 따른 것이라 판단되었다. 비교와 달리, 분쇄한 중석 광미를 사용하여 모르타르를 혼합한 실시예의 경우 모르타르의 점성이 증가하는 것이 확인되었다. 따라서 점성 증가에 따른 작업성 확보가 가능할 것이라 사료되었다.
중석 광미를 혼합하지 않은 비교예 1 내지 3 블록의 수열합성 온도별 휨강도는 각각 5.1MPa, 5.4MPa 및 6.4MPa로 나타났다. 이는 “보차도용 콘크리트 인터로킹 블록” 중 보통 블록으로 사용이 가능한 수치이다. 그러나 고비소 광미, 분쇄하지 않은 저비소 광미를 60℃ 조건으로 수열합성(실시예9, 69 내지 72)할 경우 상기 “보차도용 콘크리트 인터로킹 블록”의 기준치를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 중석 광미를 60℃ 조건의 수열합성보다는 120℃ 및 180℃ 조건으로 수열합성하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다.
수열합성 온도에 따른 휨강도비를 산출하여 온도에 따른 휨강도비의 변화를 분석하였다(도 5 참조). 도 5에서 같이 휨강도비는 압축강도 특성과 유사한 경향을 나타내었다. 즉, 수열합성 온도가 증가함에 따라 휨강도는 증가하는 경향을 나타내었다. 아울러 분쇄 시간이 증가함에 따라 휨강도 특성이 증가하였으나 중석 광미의 분쇄시간이 30분을 초과할 경우 30분 분쇄 블록과 유사 또는 동등 이하의 휨강도 특성을 나타내었다.
2.2.3 결정상
기능성 블록의 결정상 분석 및 미세구조 관찰을 실시하였다. 결정상 분석은 X-선 회절분석기를 이용하였으며, 주사전자현미경을 이용하여 미세구조 관찰을 실시하였다. 수열합성 온도별 결정상 분석 결과, 60℃로 수열합성한 블록의 주결정은 Quartz 및 Aluminium silicate(Al2O3·SiO2)로 나타났다. 아울러 대표적인 시멘트 수화물인 Ca(OH)2 피크도 일부 검출되었다. 60℃ 블록의 주결정인 Quartz는 블록 제조 시 혼합한 모래 및 중석 광미에 의해 검출된 것으로 사료되었다. 120℃로 수열합성한 블록의 주결정 또한 Quartz 및 Aluminium silicate로써, 60℃로 수열합성한 블록과 유사한 결과를 나타내었다. 즉, 60℃ 및 120℃로 수열합성을 실시할 경우 블록의 특성 향상을 위한 토버모라이트족 결정 생성이 이루어지지 않은 것으로 판단되었다. 마지막으로 180℃로 수열합성한 블록의 경우, Quartz 및 Aluminum silicate 결정이 검출되었으나 일부 토버모라이트 결정 또한 검출되었다.
도 6은 수열합성 온도별 미세구조 관찰 결과를 보여준다. 60℃ 및 120℃로 수열합성한 블록의 경우 대표적인 시멘트 수화물인 C-S-H gel 및 Ca(OH)2 결정을 확인할 수 있었다. 아울러 180℃로 수열합성한 블록의 경우 C-S-H gel 및 Ca(OH)2 결정뿐만 아니라 토버모라이트가 생성된 것을 확인할 수 있었다.
3. 결론
기능성 블록 제조 시 중석 광미를 활용하기 위해 중석 광미의 입도특성, 혼합비율 및 수열합성을 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 저비소 광미의 주성분은 SiO2 58.50%, Fe2O3 12.00%이었으며, 고비소 광미는 SiO2 47.70%, Fe2O3 12.00% 등으로 나타났다. 아울러 비중은 2.90g/cm3으로써 블록의 잔골재로 사용되는 모래보다 약간 높은 수준이었다.
2. 중석 광미는 소량의 Cr2O3 및 As2O3가 검출되었으며, 폐기물공정시험방법에 따른 중금속 용출시험 결과 비소(As), 6가 크롬(Cr6+) 등의 중금속이 용출되지 않는 것으로 나타났다.
3. 중석 광미의 입도에 따른 기능성 블록의 특성 평가를 위해 진동밀을 이용하여 중석 광미를 분쇄하였다. 분쇄 시간이 0분, 15분, 30분 및 60분으로 증가함에 따라 저비소 광미 및 고비소 광미의 평균 입경은 각각 52.04㎛, 30.15㎛, 13.96㎛, 10.35㎛ 및 51.06㎛, 16.73㎛, 12.19㎛, 9.26㎛로 감소하는 경향을 보였다.
4. 기능성 블록 제조를 위한 중석 광미의 최적 혼합비율 도출을 위해 W/C는 75%로, S/C를 400%로 고정하여 시멘트 모르타르를 제조하였다. 아울러 중석 광미는 혼합 모래 중량 대비 0∼50%로 치환하였으며, 60℃, 120℃, 180℃-6시간 유지 조건으로 수열합성을 실시하였다.
5. 수열합성 온도별 압축강도는 일부 배합을 제외한 모든 시편에서 수열합성 온도가 증가함에 따라 압축강도가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 아울러 모든 수열합성 조건에서 중석 광미의 혼합량이 증가할 경우 압축강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 중석 광미를 60분 분쇄하여 30% 혼합한 시편의 압축강도는 비교예의 압축강도와 비교하여 약 300% 이상 향상되는 결과를 도출할 수 있었다. 그러나 중석 광미를 50% 이상 혼합할 경우 시편의 압축강도가 감소하는 것으로 확인되었다.
6. 중석 광미를 혼합한 블록의 휨강도 측정 결과 일부 배합(고비소 광미, 분쇄하지 않은 저비소 광미를 60℃ 조건으로 수열합성)을 제외한 모든 배합조건에서 “보차도용 콘크리트 인터로킹 블록” 중 보통 블록의 기준치를 크게 상회하는 것으로 나타났다.
7. 비교예의 수열합성 온도(60℃, 120℃, 180℃)에 따른 흡수율은 각각 8.5%, 8.1% 및 8.1%로 나타났다. 아울러 60분 분쇄 고비소 광미를 사용한 60℃ 블록의 흡수율을 제외한 모든 배합조건에서 보통 블록의 규격 기준치인 10% 이하를 만족하는 것으로 나타났다.
8. 중석 광미를 사용한 기능성 블록의 결정상 분석 결과, 60℃ 및 120℃로 수열합성한 블록의 주결정은 Quartz 및 Aluminum silicate로 나타났다. 아울러 60℃ 및 120℃ 조건에서 토버모라이트 피크는 검출되지 않았으나, 180℃ 조건으로 제조한 블록은 토버모라이트 결정이 일부 검출되었다.
9. 중석 광미를 사용한 기능성 블록의 미세구조 관찰 결과, 모든 수열합성 조건에서 대표적인 시멘트 수화물인 C-S-H gel 및 Ca(OH)2 결정을 관찰할 수 있었다. 아울러 180℃로 수열합성한 블록의 경우 C-S-H gel 및 Ca(OH)2 결정뿐만 아니라 토버모라이트가 생성된 것을 확인할 수 있었다.
상기의 결과들로부터 중석 광미를 사용하여 기능성 블록을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다. 아울러 중석 광미 사용에 따라 광미의 유용 자원화 및 환경보호가 가능하다는 것을 추정할 수 있었다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (8)

  1. 중석 광미를 분쇄하여 평균 지름이 12 내지 14㎛인 미세 중석 광미 분말을 제조하는 제 1 단계;
    상기 미세 중석 광미 분말 25 내지 35중량% 및 모래 65 내지 75중량%를 혼합하여 중석 광미 혼합물 100중량%를 제조하는 제 2 단계;
    시멘트 100중량부에 대하여 물 70 내지 80중량부 및 상기 중석 광미 혼합물 360 내지 440중량부를 첨가하고 혼합하여 중석 광미 모르타르를 제조하는 제 3 단계;
    상기 중석 광미 모르타르를 양생하는 제 4 단계; 및
    상기 양생된 중석 광미 모르타르를 수열합성하는 제 5 단계;
    를 포함하는 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중석 광미는 이산화규소(SiO2)가 45 내지 60%로 포함되어 있으며 비소(As2O3)가 0.01 내지 0.07%로 포함된 것을 특징으로 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 중석 광미 분말의 비표면적은 2.5 내지 3.5m2/g인 것을 특징으로 하는 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중석 광미 모르타르는 플로우가 130 내지 145㎜인 것을 특징으로 하는 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 양생은 20 내지 25℃, 습도 85 내지 95%의 분위기에서 22 내지 26시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 수열합성은 오토클레이브를 이용하여 120 내지 180℃ 온도 조건에서 6시간동안 수행하는 것을 특징으로 하는 중석 광미를 이용한 기능성 블록의 제조방법.
  7. 시멘트 100 중량부에 대하여 모래 280중량부 및 중석광미 120중량부를 포함하며 휨강도가 5.5 내지 13MPa인 것을 특징으로 하는 기능성 블록.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기능성 블록은 중석 광미를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법을 이용하여 제조한 것을 특징으로 하는 기능성 블록.
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