KR20230068474A - 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블록의 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주재료인 유동층상 연소 비산재 및 부재료인 포틀랜드 시멘트 1종, 탄산칼슘 그리고 첨가제로서 기포제 및 유동화제 그리고 혼화제를 포함하는 원료로 하는 경량블럭의 조성물과 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 매립이 요구되는 산업폐기물이었던 순환유동층연소 비산재를 산업부산물로 전환하여 이를 건축자재의 주재료로 전환 사용함으로써 석회석, 점토, 모래 등 천연자원의 사용량을 줄이는 효과가 있는 동시에 환경을 보존하는 효과를 동시에 거둘 수 있을 것으로 예상된다.
본 발명은 매립이 요구되는 산업폐기물이었던 순환유동층연소 비산재를 산업부산물로 전환하여 이를 건축자재의 주재료로 전환 사용함으로써 석회석, 점토, 모래 등 천연자원의 사용량을 줄이는 효과가 있는 동시에 환경을 보존하는 효과를 동시에 거둘 수 있을 것으로 예상된다.
Description
본 발명은 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블럭의 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 주재료인 유동층상 보일러 비산재 및 부재료인 포틀랜드 시멘트 1종, 탄산칼슘 그리고 첨가제로서 기포제와 혼화제를 주 원료로하는 경량블럭의 조성물과 그 제조방법에 관한 것이다.
산업부산물을 최대로 사용함으로써 얻게 되는 가장 큰 장점은 석회석, 점토, 모래 등 천연자원 사용량이 줄게 되는 것이다.
그러나 유동층상 보일러(Circulating fluidized bedcombustion, CFBC) 비산재(fly-ash)는 발전소에서 로내탈황(in-furnace desulfurization) 연소공정에서 석회석(limestone)과 반응하여 발생하는데, 로내 탈황 때문에 다량의 CaO화합물 성분이 함유되어 있어서 KS규격(KS L 5405)에 부합하지 못하여 콘크리트 혼화제나 시멘트의 원료로 사용되지 못하고 전량 매립되고 있는 실정이다.
콘크리트에 사용시 미반응 석회(Free-CaO) 성분이 팽창, 균열 등 문제를 유발하기 때문에 대체에너지원이 개발되거나 채굴되기 전까지는 발생량 증가가 지속될 것이라 예상이 되며, 값싼 재료로서의 활용에 국한하여 토목 및 건축분야에서 채움재 및 혼화제 용도의 매우 한정적으로 사용되고 있는 실정이다.
현재 건축재로서 광범위하게 사용되는 일반 콘크리트 블럭의 경우 대부분 시멘트와 모래, 골재 등 천연재료를 사용하여 제조되며, 조적용 혹은 벽체 심재용도로 사용되는데, 높은 비중으로 인한 시공성이 떨어지는 문제도 있으나 무엇보다 가장 큰 단점으로서 시공 후 시간이 경과함에 따라 자중력으로 인한 건물의 피로도 증가 영향으로 건축물의 수명을 단축시키는 한 원인이 되고 있다. 따라서 역학적 특성과 경량성이 우수한 건축재 제품도 있지만, 종래 시멘트 벽돌의 경우 단열성, 경량성의 성능 확보에 한계를 갖고 있다. 이에 우수한 경량성, 소정의 압축강도와 단열성을 그리고 경제성과 친환경성을 확보할 수 있는 진보된 제조기술이 요구된다.
또한, 불안정한 잔골재(규사) 수급으로 인한 불가피한 제품 가격 상승을 초래하며, 국토교통부 골재수급기본계획에 따르면, 천연자원인 골재의 보존량이 지속적으로 감소함과 더불어 환경규제 및 주민들의 반대로 인해서 골재 채취에 어려움이 있는 상황이다.
따라서, 일반 콘크리트 블록(ALC 블록)을 제조하기 위해 필요한 원재료인 규사가 고갈되어가는 상황에서, 재료 단가 상승으로 인한 제품 가격 상승이 불가피한 상황이다.
또한, 일반 콘크리트 블록(ALC블록) 내부의 공기층이 전체 부피의 약 80%를 차지하여 자체 수분흡수량이 상당하여 보관 및 시공시 완전 건조하지 않고 마감하면 곰팡이가 발생하게 되어 철저한 보관 및 습도관리가 필수적으로 요구되는 문제점이 있다.
등록특허 제10-1828393호에서는 화력발전소에서 나오는 석탄재를 이용하여 경량벽돌 제조방법을 제시하고 있으나, 본 발명에서의 조성물과 성분 및 함량에 차이가 있다.
등록특허 제10-0568932호에서는 시멘트 95~99중량% 외 기포제 등 조성물에 의한 경량콘크리트 제조방법을 제시하고 있으나, 본 발명에서의 조성물과 성분 및 함량에 차이가 있다.
등록특허 제10-1247288호에서는 규석을 미분말화하여 규석의 분말도를 조정함으로써 경량기콘크리트의 제조방법을 제시하고 있으나, 본 발명에서의 조성물과 성분 및 함량에 차이가 있다.
등록특허 제10-1952269호에서는 순환유동층보일러 애시를 이용하여 경량기콘크리트 블록의 제조방법을 제시하고 있으나, 본 발명에서의 조성물과 성분 및 함량에 차이가 있다.
종래의 일반 석탄재(플라이애시)와 달리 본 발명자는 본 발명의 유동층상 보일러 비산재의 물리적 특성에 따른 높은 분말도 및 자기경화성 등의 장점을 최대한 활용하고자 연구하던 중 소량의 시멘트와 탄산칼슘 그리고 최소한의 혼화제 및 첨가제의 조성물로 구성된 결합재를 사용해도 건축재로서 우수한 물성의 경량블럭을 제조할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
이에 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 재활용이 어려워 매립이 요구되는 산업폐기물인 유동층상 보일러 비산재를 건축소재분야의 주재료로 전환 사용함으로써 석회석, 점토, 모래 등 천연자원의 사용량을 줄이는 동시에 환경을 보존하려는 목적이 있다.
이를 위해 본 발명에서는 유동층상 보일러 비산재를 포함하는 조성물 및 그 제조방법을 제시하고 그 성능을 실험을 통하여 확인하였다.
그 결과, 본 발명의 경량블록에 대하여 압축강도를 측정하였고 유동층상 보일러 비산재를 주재료로서 활용이 가능하다는 것을 검증하였다
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 유동층상 보일러 비산재를 이용함으로서 염가의 다양한 용도와 형태로 변경되는 건축자재로의 응용사용이 가능하게 하려는데 있다.
본 발명의 조성물관련, 유동층상 보일러 비산재 50~90중량%, 시멘트 10~50중량%, 탄산칼슘 1~20중량%로 이루어지는 100중량부의 결합재에 대하여 혼합수(w/b) 35~60중량부 그리고 외할로 유동화제 0.1~2.0중량부, 외할로 기포제 0.05~0.8중량부, 외할로 파이바 0.06~0.3중량부의 조성비를 갖는 것을 특징으로 하여 출발원료를 준비하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 한다.
다음으로 상기한 조성물을 이용한 그 제조방법으로서,
(a) 출발원료를 준비하는 1단계;
(b) 준비된 출발원료를 먼저 혼합한 후, 알루미늄 분말을 첨가. 혼합하여 슬러리를 제조하는 2단계;
(c) 제조된 슬러리를 몰더에 장입하는 3단계;
(d) 몰더에 장입된 슬러리가 기포반응을 종료하고, 경화되는 4단계;
(e) 경화된 성형체를 탈형하여 소요의 사이즈로 컷팅 및 제품화하는 5단계;로 하여 제공되는 경량블럭 조성물의 제조방법을 제공한다.
종래 매립이 요구되었던 유동층상 보일러 비산재를 경량블럭 제조의 주된 조성재료로 사용함으로써 석회석, 점토, 모래, 골재 등 천연자원의 사용량을 줄이는 효과가 있는 동시에 환경을 보존하는 효과를 동시에 거둘 수 있다.
본 발명은 순환유동층상연소 비산재를 다량으로 이용한 경량건축재 조성물 및 이를 이용한 경량블럭의 제조방법에 관한 것이며, 경량블록의 제조시 순환유동층상연소 비산재의 물리화학적 특성인 자기경화성(self-hardening)을 최대한 그리고 다량을 이용함으로써, 결합재로서 활용 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 경량블록 조성물 및 그 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 경량블록용 실험을 위하여 공시체에 슬러리를 장입한 후 기포반응으로 부풀어 오른 성형물을 보여준다.
도 3은 본 발명의 경량블록용 공시체를 탈형한 후 성형물의 모습을 보여준다.
도 4는 본 발명의 경량블록용 공시체를 측정하는 모습이다.
도 5는 몰드에서 탈형하여 경량블록 형태로 컷팅하는 모습을 보여준다. 도 6은 컷팅한 후 경량블록 모습이다.
도 7은 소요의 사이즈로 컷팅을 완료한 경량블록 모습이다.
도 2는 본 발명의 경량블록용 실험을 위하여 공시체에 슬러리를 장입한 후 기포반응으로 부풀어 오른 성형물을 보여준다.
도 3은 본 발명의 경량블록용 공시체를 탈형한 후 성형물의 모습을 보여준다.
도 4는 본 발명의 경량블록용 공시체를 측정하는 모습이다.
도 5는 몰드에서 탈형하여 경량블록 형태로 컷팅하는 모습을 보여준다. 도 6은 컷팅한 후 경량블록 모습이다.
도 7은 소요의 사이즈로 컷팅을 완료한 경량블록 모습이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명의 조성물 관련, 유동층상 보일러 비산재 50~90중량%, 시멘트 10~50중량%, 탄산칼슘 1~20중량%로 이루어진 100중량부의 결합재에 대하여 혼합수(w/b) 35~60중량부 그리고 외할로 유동화제 0.1~2.0중량부, 외할로 기포제 0.05~0.8중량부, 외할로 파이바 0.06~0.3중량부의 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는 경량블록용 조성물을 제공한다.
다음으로 본 발명의 제조방법 관련, (a) 출발원료를 준비하는 1단계; (b) 준비된 출발원료를 기포제를 제외하고 1차 혼합하고, 알루미늄 분말을 첨가. 혼합한 슬러리를 제조하는 2단계; (c) 제조된 슬러리를 몰더에 장입하는 3단계; (d) 몰더에 장입된 슬러리가 기포반응을 종료하고, 경화되는 4단계; (e) 몰더에서 경화된 성형체를 탈형하여 소요의 사이즈로 컷팅 및 제품화하는 5단계로 하여 제공되는 경량블럭 조성물의 제조방법을 제공한다.
[조성물을 준비하는 단계]
유동층상 보일러 비산재: 삼척그린파워산 비산재를 사용하였고, 본 발명의 실험에서는 조성비에 따른 투입량 범위는 50~70%에서 사용 가능하며, 50% 이하 사용시 재활용 효과 및 경제성 면에서 효과가 저감되고, 70% 이상 증가할 경우 시멘트 사용량을 줄이게 되어 강도가 떨어지고 경화 시간 증가 등으로 효율성이 감소한다. 따라서 본 실험에서는 최적 투입 배합비를 70%로 고정하여, 경제성과 실용성을 달성하고자 하였다.
유동층상 보일러 비산재는 미분(微粉)의 형태로서 별도의 고분말화하는 공정을 생략할 수 있다. 그러나 타 일반 플라이애쉬에 비교하여 월등히 높은 배합수가 소요된다. 배합수의 기준 이하시에는 점성 과다로 작업성 저하 및 기포효과가 억제되어 비중도가 높아지게 되고, 기준 이상시에는 점도가 묽어서 Backing(표면 가라앉음 현상) 발생 가능성이 높기 때문에 적정 점도력을 유지하고 작업성을 담보하는 적절한 배합수비가 중요하다.
시멘트: 포틀랜드 시멘트 1종을 사용하였고, 가장 값싼 결합재로서 부재료로 사용하였다.
탄산칼슘 : 탄산칼슘(CaCO3)은 광물재료, 일반적으로 알려진 침전/제조 공정에 따라 제조된 침강성 탄산칼슘(Precipitated Calcium Carbonate : PCC), 천연 탄산칼슘, 방해석, 석회석, 대리석 등 단순 분쇄가공한 중질 탄산칼슘(Ground Calcium Carbonate : GCC) 중에서 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한, 상기 언급한 탄산칼슘의 종류 외에도 폐기물 소각시설, 발전소, 하수 처리시설에서 배출되는 이산화탄소(CO2)와 산화칼슘(CaO) 또는 산업부산물의 반응인 광물탄산화 반응을 통해 만들어진 이산화탄소(CO2) 포집물을 더 사용할 수 있다.
유동화제: 폴리카르본산계열(polycarboxylate: PC) 감수제를 사용하였고, 슬러리의 재료 분포성 및 작업성을 용이하게 한다. 또한 혼수량의 최적화 및 배합재를 균질 분산에 의한 강도 향상에 기여하고 교반 워거빌리티를 확보한다. 유동화제를 혼입량 이하 사용할 경우 물량을 늘려야 하는 문제가 있고, 혼입량 이상 사용할 경우 블리딩 등 층 분리 현상으로 기포성능이 불량하게 된다.
파이바: 나일론 섬유를 사용하였고, 균열과 휨 및 인장강도를 개선시키고 수축균열을 억제하기 위하여 첨가한다.
기포제: 알루미늄 분말(안정성 및 발포성능 면에서 일반적으로 실용화)을 사용하였고, 기포제는 경화체의 경량성, 단열성 등 특징을 짓는 중요한 기능성 첨가제이나, 매우 값비싼 재료이다. 소요 물성 목적에 따라 범위 내에서 조절하여 사용할 수 있다. 범위 이상으로 혼입할 경우 너무 빠르게 기포가 발생하며, 경화체 내부에 씽크홀(기포가 뭉쳐서 하나의 콘 홀 발생) 현상 등으로 불량하게 된다.
물/온도: 상수도수를 사용하였고, 물 온도는 18~22℃ 범위내에서 사용하는 것이 기포 슬러리를 제어하는데 가장 안정적이다. 18℃ 보다 낮으면 기포반응이 약하거나 억제되고, 22℃ 이상이면 과반응으로 Green Cake 불량화 및 성형체 내부의 기포함몰 등 불량화 되기 때문에 배합수 온도가 매우 중요하다.
물결합재비: 범위의 그 이하에서는 된비빔이 되어 작업성이 떨어지고, 그 이상에서는 작업성은 좋으나 기포력이 약하게 되고, 강도가 저감된다..
믹싱 시간: 총 교반시간은 3~5분 범위의 교반시간이 바람직하다. 3분 미만시 균질한 슬러리를 확보하기 어려우며, 5분 이상의 시간은 혼합의 균질성은 확보하겠으나, 수화열 발생으로 인하여 슬러리 온도가 급격히 상승함으로써 기포 제어 범위를 벗어나게 된다. 단, 대량 혼합기를 사용한 제조의 경우 작업성을 고려하여 교반시간을 조절한다. 기포제를 제외한 1차 교반단계 종료 후 기포제를 투입하는 시간을 포함하여 약 1분 이내에 2차 교반을 종료하고, 총4분 이내에 1, 2차 교반을 완료한다. 기포제를 혼입하는 방식은 분말상태 이거나 물에 희석한 상태 이거나 각각 가능하다.
단, 분말 혼입의 경우 슬러리 표위에 뜨게 되어 교반시 회전날개에 부착되는 문제를 해결하기 위해서는 물에 희석된 기포제를 액상으로 제조 및 혼입하여 교반하는 것이 바람직하다.
<실시예 1> 경량 경화체 및 경량 블록의 제조 실험
실험방법: 실험장소는 실내에서 하였다. 본 발명의 실험의 목적은 경량블럭의 압축강도의 요구 성능이 발휘되는지 시험하는 것이며, KS기준에는 각 재령별 압축강도, 열전도율 등을 규정하고 있으나, 본 실험에서는 일반적인 경량성의 기본 물성에 압축강도를 구현하는 특징을 확인하는 것이 중요하기 때문에 28일 재령의 압축강도에 한정하여 실험하였다. 시험체 측정 방법은 자가측정 하였다.
하기의 [표 1]은 본 발명의 제조에 사용된 경량 경화체 조성물의 혼합비율이다. 결합재의 비산재 배합율을 60%, 시멘트의 배합비율을 30%, 탄산칼슘의 배합비율을 10%, 첨가제로 파이바, 알루미늄 기포제, 유동화제로 조성되는 주원료에 물을 혼합하여 알루미늄 분말을 제외하고 약 3분간 1차 비빔을 하였다. 1차 비빔 후 알루미늄 분말을 첨가하여 30초간 2차 비빔을 수행하여, 비빔을 4분내에 완료하였다. 비빔이 완료된 슬러리를 [도2]의 사진과 같이 공시체 Ø100 몰드 3개에 각각 넣고 기포를 완성하여 24시간 상온에 방치한 후 탈형 및 침전하여 표준양생을 실시하였다.
경량기포콘크리트의 압축강도 KS 기준을 [표 3]에 표기하였다, KS 기준에 따르면 일반적으로 저비중(0.35~0.40)/압축강도 3~4㎫, 중비중(0.50~0.60)/압축강도 5~7㎫, 고비중(0.70~0.80)/압축강도 8~11㎫로 나누어 구분한다. 비중의 차이는 공극의 차이를 의미하는 것으로서 압축강도에 비례한다. 예를들어 0.8의 제품을 만족하게 된다면 다른 제품군도 충분히 제조가 가능함을 의미한다.
본 실험에서는 [표 2]에서 보는바와 같이 0.8 비중 기준으로 고정하여 실시하였고, 측정한 결과에 의하면 평균 압축강도는 7.17MPa을 나타내었다. 이는 KS 기준에 근접한 수준으로 기존 경량블록과 비교하여 동등 이상의 효과를 나타낸다.
| [단위 : g] | ||||||||
| 구분 | 결합재(B) | 첨가제 | 혼합수 (22℃) |
비고 | ||||
| 재료 | 비산재 | 시멘트 | 탄산칼슘 | 유동화제 | 기포제 | 파이바 | ||
| 투입량 | 600 | 300 | 100 | 14 | 0.63 | 1.2 | 410 | |
| 조성비 | 60% | 30% | 10% | 0.14%(/B) | 0.063%(/B) | 0.12%(/B) | 41%(W/B) | |
| 구 분 | 비 중 | MPa | 재령(일) | |
| 실시예 | 1 | 0.82 | 6.61 | 28 |
| 2 | 7.50 | |||
| 3 | 7.42 | |||
| 평균 | 7.17 | |||
| 구분 | 절건비중 | 압축강도(MPa) |
| 0.5품 | 0.45 이상 0.55 미만 | 2.9 이상 |
| 0.6품 | 0.55 이상 0.65 미만 | 4.9 이상 |
| 0.7품 | 0.65 이상 0.75 미만 | 6.9 이상 |
Claims (6)
- 유동층상 보일러 비산재 50~90중량%, 시멘트 10~50중량%, 탄산칼슘 1~20중량%로 이루어진 100중량부의 결합재에 대하여 혼합수(w/b) 35~60중량부 그리고 외할로 유동화제 0.1~2.0중량부, 외할로 기포제 0.05~0.8중량부, 외할로 파이바 0.06~0.3중량부의 조성비를 갖는 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블럭의 조성물.
- 청구항 1 의 유동층상 보일러 비산재는 약 6,000~7,000cm2/g의 브레인인 것을 특징으로 하는 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블럭의 조성물.
- (a) 청구항 1의 조성물을 물과 혼합하여 슬러리를 제조하는 1차 비빔단계;
(b) 1차 비빔단계의 슬러리에 알루미늄 분말을 첨가하여 혼합하는 2차 비빔 단계;
(c) 2차 비빔단계의 혼합물을 몰더에 장입 후 경화가 완성되는 3단계;
(d) 3차 경화단계가 완성된 후 소요의 사이즈로 컷팅을 하여 제공되는 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블럭의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 (a)단계에서 1차 비빔은 3~5분동안 실시되는 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블록의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 (b)단계에서 2차 비빔은 1분미만으로 실시되는 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블록의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 (c)단계에서 경화 시간은 1~3시간동안 실시되는 유동층상 보일러 비산재를 이용한 경량블록의 제조방법.
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