KR20210126847A - 초기강도 향상하기 위한 분쇄조제 조성물과 이를 활용한 고로슬래시멘트 결합재 조성물 - Google Patents

초기강도 향상하기 위한 분쇄조제 조성물과 이를 활용한 고로슬래시멘트 결합재 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50 중량%와; 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생되는 전로슬래그 더스트 20~40중량%와; 플라이 애쉬 10~20중량%와; 천연무수석고 5~10중량%와; 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40%인 탈황부산물 2~5 중량%; 및 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되며, 전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시킴으로써 강도가 우수하고 치밀한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고로슬래시멘트 결합재 조성물을 개시한다.

Description

초기강도 향상하기 위한 분쇄조제 조성물과 이를 활용한 고로슬래시멘트 결합재 조성물{the grinding aid composition for improving the initial strength and the blast furnace slag cement binding material composition utilizing the same}
본 발명은 초기강도 향상하기 위한 분쇄조제 조성물과 이를 활용한 고로슬래시멘트 결합재 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50 중량%와; 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생되는 전로슬래그 더스트 20~40중량%와; 플라이 애쉬 10~20중량%와; 천연무수석고 5~10중량%와; 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40%인 탈황부산물 2~5 중량%; 및 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되며, 전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 더욱 활발하게 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시킴으로써 강도가 우수하고 치밀한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 산업 부산물을 이용한 지반 채움재에 관한 것이다.
일반적으로 연약지반 등 지반을 개량하기 위한 심층혼합공법(SCW:Soil Cement Wall, DCM : Deep Cement Mixing, DSP : Deep Soil Mixing Pile, DSM : Deep Soil Mixing 등)은 연약지반을 심층까지 천공하고 원지반과 고화재를 혼합하여 지반을 개량한다. 이 때, 고화재는 일반적으로 시멘트와 벤토나이트를 혼합하여 사용되어 왔다.
이 중 시멘트의 경우 수화하면서 수축을 하는 특성 때문에 차수 목적을 위하여 벤토나이트를 사용하는데 벤토나이트는 국내에 천연자원으로 부존하지 않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 재료이며 염분과 접촉하면 그 팽윤도가 현저히 떨어져 차수성이 크게 저하되는 문제점이 있다.
또한 시멘트의 경우 주원료인 석회석을 채광하여 1,450℃의 고온에서 소성하여 제조되기 때문에 석회석의 탈탄산 과정에서 온실가스의 주원인인 다량의 CO2 가스가 발생하여 대기환경에 치명적인 해를 준다. 또한 시멘트의경우 pH가 12 이상에 달할 정도로 강한 알칼리이기 때문에 토양에 사용하였을 경우 바람직하지 않다.
한편, 철강산업의 부산물인 고로 슬래그는 고로 공정에서 선철을 제조할 경우 선철 1톤당 약 330kg의 부산물로 발생되고, 1400~2500℃의 고온용융 상태로 고로에서 배출된다.
이러한 고로 슬래그는 약 1% 정도의 유황이 주로 황화칼슘(CaS) 형태로 존재하고 있는데 이것은 물과 접촉시 황화 이온을 생성, 초기에는 연황색을 띠며 약한 온천 냄새와 함께 유해물질을 발생시켜 사용효율이 제한되는 문제점을 갖게 되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허 제10-2012-0045707호에 "유용미생물과 고로 슬래그를 이용한 친환경 건축자재 제조방법"이 개시되어 있다.
상기의 제조방법은 고로 슬래그를 수거하는 공정과; 상기 수거된 고로 슬래그를 100℃ 이상 온도의 열풍을 발생하는 원통형의 회전체인 건조기 내부를 통과시켜 함수율 4.0%이하가 되도록 일정시간 동안 건조하는 공정과; 상기 건조된 고로 슬래그를 미분쇄기에 넣고 입도 50 내지 250 mesh가 되도록 분쇄하는 공정과; 상기 분쇄된 분말 고로 슬래그에 물과 유용미생물 원액을 중량대비 1:400 내지 1:1000으로 희석한 액을 혼합하는 공정을 포함함으로써, 사용효율 및 활용범위가 극히 제한되던 고로 슬래그와 유용미생물을 일련적인 공정을 통해서 친환경 건축자재로 재활용할 수 있게 한다.
그러나, 선행특허는 산업부산물인 고로 슬래그를 이용하기 위해 별도로 유용미생물을 배양해야 한다는 문제점이 있으며, 또한, 이러한 유용미생물로 인해 건축자재의 강도를 저하시킬 수 있고, 이러한 유용미생물로 인한 예상치 못한 환경오염이 발생할 수도 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 위하여 발명된 것으로, 고로슬래그와, 플라이 애쉬 및 전로슬래그 더스트 등의 산업 부산물을 사용함으로써, 제조단가가 저렴하면서도 품질이 우수한 지반 채움재를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생하는 전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시킴으로써 강도가 우수하고 치밀한 구조를 갖는 지반 채움재를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50 중량%와; 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생되는 전로슬래그 더스트 20~40중량%와; 플라이 애쉬 10~20중량%와; 천연무수석고 5~10중량%와; 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40%인 탈황부산물 2~5 중량%; 및 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되며, 전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 더욱 활발하게 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시킴으로써 강도가 우수하고 치밀한 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 플라이 애쉬는, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 F급 플라이 애쉬와, 제철소의 소결공정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 20% 이상인 C급 플라이 애쉬인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 전로슬래그 더스트는 CaO 함량이 60% 이상이고, SiO2 함량이 15% 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 지반 채움재 조성물 100중량부에 대하여 바잘트섬유 2~10중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 고로슬래그와, 플라이 애쉬 및 전로슬래그 더스트 등의 산업 부산물을 주원료로 하여 제조되는 바, 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트의 소비를 절감할 수 있으므로 환경 친화적이고 제조단가를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생하는 전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조를 이루도록 하여 강도와 품질이 우수한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산업 부산물을 이용한 지반 채움재를 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 2는 전로슬래그 더스트의 입도분석결과.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 산업 부산물을 이용한 지반 채움재에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 고로슬래그 미분말과, 전로슬래그 더스트와, 플라이 애쉬와, 천연무수석고와, 탈황부산물 및 자극제를 혼합하여 제조되며, 전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시킴으로써 강도가 우수하고 치밀한 구조를 갖는 지반 채움재에 관한 것이다.
고로슬래그 미분말이라 함은 제철공장 선철 제조 시 발생되는 산업부산물로 철광석의 불순물이 섞인 암질 산화알미늄(Al2O3)과 화합된 고온에서 용융된 부유물질로서, 에트링자이트 생성을 도우며 중금속의 고정화, 안정화에 기여한다. 고로슬래그 미분말은 분말도3,000~10,000cm2/g의 분포를 나타내는데, 통상적으로 4,000cm2/g, 8,000cm2/g, 10,000cm2/g 3종류로 분쇄 분급하여 사용하며, 고분말도의 분말이 반응성이 더 좋으나, 분말도가 클수록 에너지 소비가 기하급수적으로 많아져 고가로 된다.
이러한 고로슬래그 미분말의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 20~50중량%인 것이 바람직한데, 20중량% 이하인 경우 압축강도가 저하될 염려가 있고, 50중량%를 초과하는 경우 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려움이 있고 경제성이 낮아지며, 타 재료의 사용량이 줄어들어 전체적인 조화가 무너지게 된다.
전로슬래그 더스트는 제강 전로슬래그 파쇄시 전기집진에 의해 발생하는 초미립 형태의 분진을 말한다. 제강 전로슬래그라 함은 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생하는 슬래그이며, 전로에서는 용융선철에 산소를 불어넣어 불필요한 성분을 산화, 연소시키고, 생성된 산화물은 생석회, 석회석 등의 부원료와 결합하여 슬래그를 생성하게 된다.
하기의 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 전로슬래그 샘플의 화학성분을 나타내는 표로서, 상기 샘플은 포항 및 광양에서 채취하였다.
(%)
CaO SiO2 Al2O3 MgO FeO Fe2O3 Total Fe free-CaO C/S
포항 41 13 6.1 7.8 15 7.5 18 1.4 3.1
광양 34 11 6.1 6.8 24 8.0 25 1.7 3.0
상기의 표 1과 같이 산화칼슘(CaO)과 이산화규소(SiO2)를 주성분으로 하는 전로슬래그는 CaO와 Ca2SiO5 를 생성하고, Ca2SiO5는 냉각과정을 통해 1,250℃이하가 되면 유리석회(free CaO)를 석출한다.
다음으로, 하기의 표2는 전로슬래그 더스트의 화학성분을 나타내는 표이고, 표 3은 전로슬래그 더스트의 중금속 용출실험 결과이다.
산화칼슘
(CaO)		 이산화규소
(SiO2)		 산화제2철
(Fe2O3)		 삼산화황
(SO3)		 산화알루미늄
(Al2O3)		 산화마그네슘
(MgO)		 산화망간
(MnO)
60.7 16.4 12.2 5.1 2.6 2.1 0.5
납 구리 비소 수은 카드뮴 6가크롬 시안
불검출 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출
상기와 같이 이루어지는 전로슬래그 더스트는 다량의 산화칼슘을 함유하고 있어 수화반응으로 인한 체적팽창을 유도할 수 있고, 수화반응시 발생되는 수화열에 의한 자체건조가 가능하다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 전로슬래그 더스트의 평균 입경은 5~10㎛로 초미립자의 형태로서 침투성이 우수하여 초미립자 지반주입재로서의 고침투 특성이 있어서, 유리석회(free CaO) 성분을 다량 함유함에 따라 비정질 물질의 자극제로서 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 플라이 애쉬는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물로서, 본 발명에서는 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 F급 플라이 애쉬와, 제철소의 소결공정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 20% 이상인 C급 플라이 애쉬를 사용한다.
상기 플라이 애쉬는 전체 조성물 중량에 대하여 10~20중량%인 것이 바람직하며, 상기 F급 플라이 애쉬 5~10중량%가 혼합되고, C급 플라이 애쉬 5~10중량%가 혼합된다.
상기 F급 플라이 애쉬가 5 중량% 미만인 경우에는 탈황부산물과 함께 초기수화반응을 유도할 수 없다는 문제가 있고, 10 중량%를 초과하면 팽창효과가 크고 단위수량이 증대 된다는 문제가 발생한다.
또한, 상기 C급 플라이 애쉬가 5중량% 미만인 경우에는 초기강도 조절이 어렵다는 문제가 있고, 10 중량%를 초과하면 응결지연 현상이 발생된다는 문제가 있다.
본 발명에서는 포졸란 물질로 플라이 애시를 사용하는데, 이러한 포졸란 물질은 자체로는 수경성이 없지만, 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 플라이애쉬에 포함된 이산화규소(SiO2)가 반응하여 수화물을 생성한다. 이렇게 하여 생긴 에트린가이트(Ettringitte)라 불리우는 규산칼슘수화물(3CaO`Al2O3`3CaSO4`3H2O)은 경화체의 조직을 보다 치밀하게 만들어 준다.
다음으로, 상기 천연무수석고는 초기 강도증진, 경화시 건조수축에 의한 균열저감, 에트링자이트 생성을 위해 혼합되는 것으로, 전체 조성물 중량에 대하여 5~10중량%가 혼합되는 것이 바람직하다. 천연무수석고의 양이 5중량% 미만인 경우 초기 강도증진효과가 미비하게 되고, 10중량%를 초과하는 경우 후기 과팽창에 의한 강도저하 및 팽창파괴의 위험이 있을 수 있다.
다음으로, 상기 탈황부산물은 가압유동층 보일러에서 배기가스의 탈황 과정에서 발생되는 부산물로서, 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40%인 것으로, 고함수 토양에서 초기 수분탈수와 강알칼리 자극제로 사용되는 물질이다.
상기 탈황부산물의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 2-5 중량%인 것이 바람직한데, 상기 함량이 2 중량% 미만인 경우에는 유동성 향상의 효과가 미미하여 자극의 효과가 약하다는 문제가 있고, 상기 함량이 5 중량%를 초과하면 급속한 초기반응으로 작업성이 저하된다는 문제가 발생한다.
상기 자극제는 상기 탈황부산물에 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체를 제조하기 위한 것으로, 전체 조성물 중량에 대하여 1~5중량%인 것이 바람직하다. 상기 자극제가 1중량% 미만인 경우 소량이어서 자극제로서의 역할을 수행할 수 없고, 5중량%를 초과하게 되면 급속한 초기반응으로 작업성이 저하된다는 문제가 발생하게 된다.
본 발명에서 상기 자극제로는 물유리 또는 수산화칼륨을 사용할 수 있는데, 상기 물유리는 이산화규소와 알칼리를 융해한 규산알칼리염의 수용액으로서, 대표적으로 규산나트륨 수용액(2SiO2`Ox`H2O) 및 규산칼리 수용액 등이 있다. 이러한 물유리는 플라이 애쉬 분말의 활성화를 유도할 뿐만 아니라, 물에 잘 녹는 성질을 가져 플라이 애쉬 미분말의 경화시간을 단축시킬 수도 있다.
상기 수산화칼륨(KOH) 또한 상기 물유리와 같이 경화유도제로 사용할 수 있으며, 물유리에 비해 비용이 고가이므로 수산화나트륨(NaOH)를 사용하거나 상기 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH)을 혼합한 혼합 수용액을 사용할 수도 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 지반 채움재 100중량부에 대하여 바잘트섬유 2~10중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.
바잘트섬유라 함은 천연 현무암을 섬유화한 것으로 인장강도가 우수하고, 저밀도, 저열팽창성, 내열성, 화학적 안정성, 자기윤활성, 탄성, 흡음성의 특징을 갖고 있으며, 화재에 강하고 인장도를 향상시키는 특성이 있다.
본 발명에서 상기 바잘트섬유가 전체 조성물 100중량부에 대하여 2중량부 미만으로 혼합되면 그 양이 소량이어서 내열성, 강도 향상과 같이 바잘트섬유를 혼합하였을 때 나타날 수 있는 효과를 기대할 수 없고, 10중량부를 초과할 경우 과도한 뭉침현상이 발생하는 문제점이 있으므로, 상기의 범위 내에서 혼합되는 것이 좋다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 고로슬래그와, 플라이 애쉬 및 전로슬래그 더스트 등의 산업 부산물을 주원료로 하여 제조되는 바, 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트의 소비를 절감할 수 있으므로 환경 친화적이고 제조단가를 줄일 수 있고, 고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생하는 전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조를 이루도록 하여 강도와 품질이 우수한 장점이 있다.
실시예.
고로슬래그 50중량%와, 전로슬래그 더스트 30중량%와, F급 플라이 애쉬 5중량%와, C급 플라이 애쉬 5중량%와, 천연무수석고 5중량%와, 탈황부산물 3중량% 및 물유리 2중량%를 혼합하여 본 발명에 따른 산업 부산물을 이용한 지반 채움재를 조성하였다.

Claims (4)

  1. 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50 중량%와;
    고로에서 제조된 선철을 전로에서 정련할 때 발생되는 전로슬래그 더스트 20~40중량%와;
    플라이 애쉬 10~20중량%와;
    천연무수석고 5~10중량%와;
    제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40%인 탈황부산물 2~5 중량%; 및
    자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되며,
    전로슬래그 더스트의 알칼리 자극효과를 통한 고로슬래그 및 플라이 애쉬의 활성도가 증진되어 황산염 자극에 의한 포졸란 반응과 잠재수경성 반응을 더욱 활발하게 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시킴으로써 강도가 우수하고 치밀한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고로슬래시멘트 결합재 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라이 애쉬는, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 F급 플라이 애쉬와, 제철소의 소결공정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 20% 이상인 C급 플라이 애쉬인 것을 특징으로 하는 고로슬래시멘트 결합재 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전로슬래그 더스트는 CaO 함량이 60% 이상이고, SiO2 함량이 15% 이상인 것을 특징으로 하는 고로슬래시멘트 결합재 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지반 채움재 조성물 100중량부에 대하여 바잘트섬유 2~10중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 고로슬래시멘트 결합재 조성물.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114890703A (zh) * 2022-04-08 2022-08-12 江苏融达新材料股份有限公司 一种炉底渣加矿渣生产s75矿渣粉的工艺

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