KR20210126848A - 고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물 - Google Patents

고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 전로슬래그 더스트 10~40중량%와, 플라이 애쉬 10~20중량%와, 천연무수석고 5~10중량%와, 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50중량%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40중량%인 탈황부산물 2~5중량%와, 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되는 혼합물 100중량부에 대하여 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 탄소섬유 스크랩 1~3중량부와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 산화칼슘(CaO)과, 삼산화황(SO3)과, 산화알루미늄(AL2O3)을 포함하는 강도보강제 1~5중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물을 개시한다.

Description

고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물{blast furnace slag powder reaction accelerator and concrete composition using the same}
본 발명은 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 전로슬래그 더스트 10~40중량%와, 플라이 애쉬 10~20중량%와, 천연무수석고 5~10중량%와, 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50중량%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40중량%인 탈황부산물 2~5중량%와, 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되는 혼합물 100중량부에 대하여 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 탄소섬유 스크랩 1~3중량부와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 산화칼슘(CaO)과, 삼산화황(SO3)과, 산화알루미늄(AL2O3)을 포함하는 강도보강제 1~5중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물에 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 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 탄소섬유 스크랩을 활용하므로 자원의 재활용을 통해 제조단가를 절감할 수 있으며, 휨강도와 인장강도를 향상시킬 수 있고, 탄산부식 및 미생물의 번식이 발생되지 않아 원활하게 알칼리화되면서 산성화를 방지할 수 있는 고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 전로슬래그 더스트 10~40중량%와, 플라이 애쉬 10~20중량%와, 천연무수석고 5~10중량%와, 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50중량%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40중량%인 탈황부산물 2~5중량%와, 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되는 혼합물 100중량부에 대하여 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 탄소섬유 스크랩 1~3중량부와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 산화칼슘(CaO)과, 삼산화황(SO3)과, 산화알루미늄(AL2O3)을 포함하는 강도보강제 1~5중량부가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 탄소섬유 스크랩은 수증기로 10~15분 스팀처리한 후 건조시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 강도보강제는 산화칼슘(CaO) 54.04중량%와, 삼산화황(SO3) 32.03중량%와, 산화알루미늄(AL2O3) 13.2중량%와, 산화마그네슘(MGO) 0.273중량%와, 이산화규소(SiO2) 0.17중량%와, 산화철(Fe2O3) 0.0628중량%와, 산화스트론튬(SrO) 0.0242중량%가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 폐기성 자원인 탄소섬유 스크랩을 강도증진을 위한 고급자원으로 재활용하여 환경오염을 방지할 수 있고 경제적인 이익을 추구할 수 있다.
또한, 본 발명은 고강도 고탄성의 탄소섬유 스크랩과 산화칼슘(CaO)과, 삼산화황(SO3)과, 산화알루미늄(AL2O3)을 원료로 하는 강도보강제가 혼합되어 휨강도와 인장강도가 현저히 향상되며, 탄산부식 및 미생물의 번식이 발생되지 않아 원활하게 알칼리화되면서 산성화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 탄소섬유 스크랩의 스팀처리전 사진.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 스팀처리 후 건조된 상태의 탄소섬유 스크랩을 촬영한 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 휨강도와 인장강도가 향상되며, 탄산부식 및 미생물의 번식이 발생되지 않아 원활하게 알칼리화되면서 산성화를 방지할 수 있는 지반 채움재를 개시한다.
본 발명은 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 전로슬래그 더스트 10~40중량%와, 플라이 애쉬 10~20중량%와, 천연무수석고 5~10중량%와, 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50중량%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40중량%인 탈황부산물 2~5중량%와, 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되는 혼합물 100중량부에 대하여 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 탄소섬유 스크랩 1~3중량부와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 산화칼슘(CaO)과, 삼산화황(SO3)과, 산화알루미늄(AL2O3)을 원료로 하여 제조되는 강도보강제 1~5중량부가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
고로슬래그 미분말은 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 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 분진으로서, 다량의 산화칼슘을 함유하고 있어 수화반응으로 인한 체적팽창을 유도할 수 있고, 수화반응시 발생되는 수화열에 의한 자체건조가 가능하다. 또한, 전로슬래그 더스트의 평균 입경은 5~10㎛로 초미립자의 형태로서 침투성이 우수하여 초미립자 지반주입재로서의 고침투 특성이 있어서, 유리석회(free CaO) 성분을 다량 함유함에 따라 비정질물질의 자극제로서 사용할 수 있다. 상기 전로슬래그 더스트는 전체 조성물 중량에 대하여 5~40중량%인 것이 바람직한데, 전로슬래그 더스트는 분말도가 측정이 안될정도로 미립자로써, 재료로 사용될 경우 물과 접촉하는 표면적이 넓어 물을 상당히 흡수하여 자연함수비가 높은 곳(뻘, 점토등)에 가수를 하지않고 분말로 사용 시 물을 흡수하는 용도로 사용되면 상당한 효과를 볼 수 있으나, 시멘트밀크액으로 사용 될 경우 물시멘트비가 높아야 교반이 되므로 강도발현에 좋지 않은 영향이 미칠 수 있다.
플라이 애쉬는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물로서, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70중량% 이상인 F급 플라이 애쉬와, 제철소의 소결공정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 20중량% 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 5중량% 미만인 경우에는 탈황부산물과 함께 초기수화반응을 유도할 수 없다는 문제가 있고, 10중량%를 초과하면 팽창효과가 크고 단위수량이 증대 된다는 문제가 발생한다. 또한, 상기 C급 플라이 애쉬가 5중량% 미만인 경우에는 초기강도 조절이 어렵다는 문제가 있고, 10중량%를 초과하면 응결지연 현상이 발생된다는 문제가 있다. 상기 플라이 애쉬는 포졸란 물질로 사용되는데, 이러한 포졸란 물질은 자체로는 수경성이 없지만 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 플라이애쉬에 포함된 이산화규소(SiO2)가 반응하여 수화물을 생성하며, 이렇게 하여 생긴 에트린가이트(Ettringitte)라 불리우는 규산칼슘수화물(3CaO*?*Al2O3*?*3CaSO4*?*3H2O)은 경화체의 조직을 보다 치밀하게 만들어 준다.
상기 천연무수석고는 초기 강도증진, 경화시 건조수축에 의한 균열저감, 에트링자이트 생성을 위해 혼합되는 것으로, 전체 조성물 중량에 대하여 5~10중량%가 혼합된다. 천연무수석고의 양이 5중량% 미만인 경우 초기 강도증진효과가 미비하게 되고, 10중량%를 초과하는 경우 후기 과팽창에 의한 강도저하 및 팽창파괴의 위험이 있을 수 있다.
상기 탈황부산물은 가압유동층 보일러에서 배기가스의 탈황 과정에서 발생되는 부산물로서, 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50중량%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40중량%인 것으로, 고함수 토양에서 초기 수분탈수와 강알칼리 자극제로 사용되는 물질이다. 상기 탈황부산물의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 2-5중량%인 것이 바람직한데, 상기 함량이 2중량% 미만인 경우에는 유동성 향상의 효과가 미미하여 자극의 효과가 약하다는 문제가 있고, 상기 함량이 5중량%를 초과하면 급속한 초기반응으로 작업성이 저하된다는 문제가 발생한다.
상기 자극제는 황산염 자극 및 포졸란 반응을 유도하여 다량의 수화생성물을 생성시켜 치밀한 구조의 경화체가 되도록 하는 것으로, 물유리 또는 수산화칼륨을 사용할 수 있다. 이러한 자극제는 전체 조성물 중량에 대하여 1~5중량%가 혼합되는데, 1중량% 미만으로 혼합되면 소량이어서 자극제로서의 역할을 수행할 수 없고, 5중량%를 초과할 경우 급속한 초기반응으로 작업성이 저하되는 문제점이 발생된다.
다음으로, 탄소섬유는 합성고분자로 강화되어 있는 섬유로서, 내열성 및 내충격성이 뛰어남은 물론 화학약품에 강한 장점이 있다.
탄소섬유 스크랩은 상기의 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 폐기물로서, 이와 같이 버려지는 탄소섬유 스크랩을 수거한 다음 분쇄기를 이용하여 소정크기로 절단한 후 메쉬망에 통과시켜 균일한 분쇄문만을 선별한다. 여기에서, 절단하는 길이는 원하는 물성에 따라 달라질 수 있지만 2~5mm의 크기로 고르게 분쇄하는 것이 바람직한데, 길이가 너무 짧으면 인장강도와 휨강도의 향상 효과를 기대하기 어려우며 분진의 발생으로 인해 작업환경이 나빠지는 문제점이 있고, 길이가 너무 길면 조성물 간의 혼합이 균일하게 이루어지기 어려우므로 바람직하지 않다.
이와 같은 탄소섬유 스크랩은 상기 혼합물 100중량부에 대하여 1~3중량부가 혼합되는데,
1중량부 미만으로 혼합되는 경우 성분함량 미달로 인해 인장강도와 휨강도의 향상효과를 기대할 수 없으며,
3중량부를 초과하는 경우 000의 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 스크랩은 상기 혼합물과 함께 교반기를 통해 혼합교반될 수 있다. 교반기를 통해 혼합교반하는 경우 탄소섬유 스크랩이 충분히 교반되면서 혼합물과 원활하게 교반될 수 있도록 10~20분간 교반하는 것이 좋으며, 회전속도는 50~100rpm인 것이 바람직하다. 또한, 혼합교반후 기포를 제거할 수 있도록 충격다짐과 진동판을 이용한 진동다짐을 실시할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 탄소섬유 스크랩은 수증기로 10~15분 스팀처리한 후 건조시킨 것을 사용한다.
다음으로, 상기 강도보강제는 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물을 원료로 하여 제조되는 것으로, 그 화학성분은 하기의 표 1과 같다.
(중량%)
CaO SO3 AL2O3 MGO SiO2 Fe2O3) SrO
54.04 32.03 13.2 0.273 0.17 0.0628 0.0242
상기 강도보강제는 00000하는 효과를 제공하는 것으로, 혼합물 100중량부에 대하여 1~5중량부가 혼합되는데, 1중량부 미만으로 혼합되는 경우 성분함량 미달로 인해 인장강도와 휨강도의 향상효과를 기대할 수 없으며, 5중량부를 초과하는 경우 000의 문제점이 있다.
한편, 상기 강도보강제는 000의 방법으로 제조될 수 있다.
실시예.
고로슬래그 미분말 45중량%와, 전로슬래그 더스트 30중량%와, 플라이 애쉬 15중량%와, 천연무수석고 5중량%와, 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50중량%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40중량%인 탈황부산물 2중량%와, 자극제 3중량%;를 혼합하여 혼합물을 조성하였다.
다음으로, 상기 혼합물 100중량부에 대하여 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 탄소섬유 스크랩 1.5중량부와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 부산물을 원료로 하는 강도보강제 3중량부를 혼합하여 본 발명에 실시예에 따른 강도를 향상시킨 지반 채움재를 조성하였다.
여기에서, 상기 탄소섬유 스크랩은 분쇄기를 이용하여 3mm로 절단된 것을 사용하였으며, 강도보강제는 산화칼슘(CaO) 54.04중량%와, 삼산화황(SO3) 32.03중량%와, 산화알루미늄(AL2O3) 13.2중량%와, 산화마그네슘(MGO) 0.273중량%와, 이산화규소(SiO2) 0.17중량%와, 산화철(Fe2O3) 0.0628중량%와, 산화스트론튬(SrO) 0.0242중량%를 혼합하여 조성하였다.

Claims (3)

  1. 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 20~50중량%와, 전로슬래그 더스트 10~40중량%와, 플라이 애쉬 10~20중량%와, 천연무수석고 5~10중량%와, 제강공정에서 발생하는 폐기물 중 탈황과정에서 발생되고 산화칼슘(CaO)의 함량이 40~50중량%이고 삼산화황(SO3)의 함량이 20~40중량%인 탈황부산물 2~5중량%와, 자극제 1~5중량%;를 혼합하여 제조되는 혼합물 100중량부에 대하여 탄소섬유 가공품의 제작시 발생되는 탄소섬유 스크랩 1~3중량부와, 알루미늄 제강공정에서 발생되는 산화칼슘(CaO)과, 삼산화황(SO3)과, 산화알루미늄(AL2O3)을 포함하는 강도보강제 1~5중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유 스크랩은 수증기로 10~15분 스팀처리한 후 건조시킨 것을 특징으로 하는 고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 강도보강제는 산화칼슘(CaO) 54.04중량%와, 삼산화황(SO3) 32.03중량%와, 산화알루미늄(AL2O3) 13.2중량%와, 산화마그네슘(MGO) 0.273중량%와, 이산화규소(SiO2) 0.17중량%와, 산화철(Fe2O3) 0.0628중량%와, 산화스트론튬(SrO) 0.0242중량%가 혼합되는 것을 특징으로 하는 고로슬래그미분말 반응촉진제 및 이를 이용한 콘크리트 조성물.
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