KR960004376B1 - 슬래그를 이용한 건자재 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

슬래그를 이용한 건자재 제조방법
본 발명은 건축용 자재로 널리 사용될 수 있는 광택면을 가진 타일상의 건자재를 염기도가 높은 슬래그를 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.
제철제강 공정에서는 다량의 슬래그가 발생되는데, 이중 고로에서 발생되는 슬래그는 시멘트 부원료 및 슬래그 보드등의 건자재원료, 파쇄골재, 규산질 비료 등에 거의 전량이 활용된다. 그러나 전로 슬래그, 래들슬래그등 제강슬래그는 유리 CaO등과 같이 수화 팽창할 수 있는 물질을 함유하고 있으므로 고로 슬래그와 같은 용도로 활용되지 못하고 유가지금을 제거한 후에 복토재등에 활용되며, 그 활용 비율은 50% 미만이다.
건축용 내외장재로 점토층을 1차 소성하고 유약을 발라 2차 소성하여 얻어진 세라믹 타일이 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 세라믹 타일은 소성공정이 필요하여 제조 에너지가 많이드는 단점을 가지고 있다. 근래 이 소성조작이 없이 타일상의 광택면을 가진 건축재를 제조하는 것이 시도되고 있다.
즉, 포오틀란트 시멘트 또는 알루미나 시멘트등 수경성 물질을 이용하는 것으로서 광택도를 높이기 위해 감수제 및 벤토나이트, 몬모릴로나이트등의 초미분 물질을 첨가하고 천연 골재, 고로 수쇄 슬래그, 조개껍질등의 골재 및 수분과 혼합한 후 평활한 면을 가진 유리, 아크릴등의 성형틀에서 양생하여 광택면을 가진 타일모양의 건자재를 제조하고 있다.
본 발명은 염기도가 높은 슬래그를 주원료로 하여 광택면을 가진 타일모양의 건자재를 제조하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 CaO와 MgO 함량의 합이 Al2O3와 SiO2함량의 합에 비해 중량비로 2.5~5.0배인 슬래그를 준비하는 단계; 1.0~8.0mm의 입도를 갖는 입자의 함량이 30~45중량%이고, 그리고 0.1mm 이하의 입도를 갖는 입자의 함량이 15~35중량%가 되도록 상기 슬래그를 분쇄 및 입도 분리하는 단계; 상기와 같이 분쇄된 슬래그중의 잔류철분이 1.0중량% 미만이 되도록 탈철선광하는 단계; 상기와 같이 탈철선광된 슬래그를 2Kg/cm2의 압력 및 2시간의 오토클레이브 처리후 중량 증가율이 1.0중량% 미만이 되도록 수화처리하는 단계; 상기와 같이 수화처리된 슬래그 60-80중량%와 나프타린 설폰산 나트륨을 0.2~4.0중량%혼합한 포오틀란트 시멘트 20-40중량%를 물과 함께 혼련하는 단계; 상기와 같이 혼련된 혼련물을 성형틀에 장입하여 성형한 후 성형틀내에서 12-48시간 동안 양생하는 단계; 및 탈형후 72시간 이상 공기중에서 양생하는 단계를 포함하여 구성되는 슬래그를 이용한 건자재 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용되는 슬래그는 그 구성성분중 CaO와 MgO 함량의 합이 Al2O3와 SiO2함량의 합에 비해 중량비로 2.5~5.0배가 되도록 선정해야 하는데, 그 이유는 그 비가 2.5배 미만인 경우에는 유리 CaO나 유리 MgO 또는 준안정상태의 칼슘 실리케이트 화합물이 거의 존재하지 않으므로 수화시킨 슬래그에 초미분 수화물의 양이 부족하여 양생후 제품은 충분한 광택면을 갖지 못하며, 그 비가 5.0배를 초과하는 경우에는 유리 CaO, 유리 MgO 등의 양이 너무 많아 이 슬래그를 수화 전처리하면 초미분량이 너무 많아지므로 혼련시 많은 수분이 필요하여 기공이 많아지는 원인이 되며 따라서 제품 표면이 거칠고 강도가 저하하기 때문이다.
상기 슬래그는 최대 입자의 크기가 8mm이하가 되도록 분쇄하여야 하는데 최대입자의 크기가 8mm를 초과하면 타일상의 얇은 판재를 제조시 최밀충진이 어렵고 시멘트와 골재가 골고루 분포되지 못하므로 강도가 낮다.
상기 슬래그의 분쇄후 입경 1.0mm~8.0mm의 입자함량이 30-45중량%, 0.1mm 이하의 입도를 갖는 슬래그의 함량이 15-35중량%가 되도록 입도분리하여야 하는데, 그 이유는 입도가 1.0~8.0mm인 입자의 함량이 45중량%를 초과하는 경우에는 미립부의 함량이 상대적으로 너무 적어 온련시 점결성이 적고 경화체의 강도가 낮아지며, 그 함량이 30중량% 미만인 경우에는 전체적인 입도구성에 미분부의 함량이 너무 많으므로 최밀충진이 어려워 강도가 낮고 표면조도가 거칠어지기 때문이다.
또한, 입도가 0.1mm 이하인 입자의 함량이 15중량%미만일 경우에는 미분부의 함량이 적어 최밀충진이 어려우므로 광택이 나지 않으며, 0.1mm 이하의 입자의 함량이 35중량%를 초과하는 경우에는 미분부와 함량이 너무 많아 혼련 필요수분량이 많아지며, 따라서 가공이 많고 조도가 거친 구조를 이루게 된다.
상기와 같이 분쇄된 슬래그 중의 잔류철분이 1.0중량% 미만이 되도록 탄탈철선광하여야 하는데, 그 이유는 잔류철분의 양이 1.0중량%이상인 경우에는 양생중 이 철분이 산화하여 팽창하므로 완성 제품의 표면이 거칠어지거나 붉은 색의 녹얼룩이 생기기 때문이다.
본 발명에서 이용되는 슬래그는 높은 염기도를 갖기 때문에 유리 CaO, 유리 MgO 등을 함유하게 되는데, 이들은 양생시 Ca(OH)2,Mg(OH)2등으로 변하면서 팽창하므로 수화전처리를 통해 미리 수화시켜야 한다.
이때, 수화전처리는 2mm/cm2의 압력 및 2시간의 오토클레이브 처리후 중량 증가율이 1.0중량% 미만이 되도록 해야하며, 그 증가율이 1.0중량%를 초과할 정도로 미수화된 CaO, MgO가 존재하면 양생시 또는 양생 후 시간이 지나면 표면에 크랙(crack)이 형성되면 심하면 박락이 일어나기도 한다. 수화 전처리는 오토클레이브처리 방법, 수증기중에서 에이징(aging)하는 방법, 수숭에 방치하는 방법등이 있으며 오토클레이브 처리로는 3시간 정도로도 유리 CaO, MgO를 거의 수화시킬 수 있으나 에너지가 많이 소모되는 단점이 있고 수중에 방치하는 방법은 시간이 오래걸리는(7일 이상) 단점이 있다.
공장등의 폐열을 이용할 수 있다면 끊는 물 또는 수증기 분위기하에서 24시간 정도 에이징하는 방법을 사용하는 것이 보다 경제적이다.
본 명세서에서는 상기와 같이 처리된 슬래그 60-80중량%와 포오틀란트 시멘트20-40중량%를 물과함께 혼련하여 혼련물을 만들게 되는데, 이때 슬래그의 함량이 60중량% 미만(시멘트 함량이 40중량% 초과)인 경우에는 재료의 강도는 높아지지만 광택도가 낮아지며 슬래그 함량이 80중량%를 초과하는 경우 (시멘트 함량이 20중량% 미만인 경우)에는 강도도 저하할 뿐만 아니라 광택도도 낮아진다.
그리고 이때 사용되는 시멘트 고성능 감수제인 나프타린 설폰산 나트륨은 0.2-4.0중량% 함유하여야 하는데, 그 이유는 나프탈린 설폰산 나트륨의 함량이 0.2중량%미만인 경우에는 초미분의 2차 응집을 효과적으로 제거하지 못하며, 감수효과가 적어 강도가 낮을 뿐만 아니라 치밀한 표면을 형성하지 못하므로 광택도가 낮게 되고, 시멘트에 대한 나프탈린 설폰산 나트륨의 함량이 4.0중량%를 초과하는 경우에는 시멘트의 수화지연 효과가 일어나므로 조기에 강도를 발현할 수 없기 때문이다.
상기와 같이 혼련된 혼련물은 성형틀에 주입되어 성형된 다음, 이 성형틀내에서 12-48시간 동안 양생하게 되는데, 성형틀내에서의 양생시간이 12시간 미만인 경우에는 충분한 경화가 일어나지 않으므로 탈형후 표면에 흠집이 생겨 광택도가 낮아지며, 성형틀내에서의 양생시간이 48시간을 초과하면 성형틀의 해체가 어렵고 따라서 모서리등에 흠집이 생기게 된다.
상기와 같이 성형틀내에서의 양생이 끝나면 성형틀을 해체한 다음, 성형체를 공기중에서 72시간 이상 양생하게 되는데, 양생시간이 72시간 보다 짧으면 충분한 강도를 나타내지 못한다.
상기 성형틀로는 최소한 1면에 알루미나, SiC, 지르코니아, 뮬라이트등의 경도가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 성형틀의 경도가 비커스경도(Vicker's hardness)로 7GPa 미만인 것을 사용하는 경우 반복 사용에 의한 성형틀의 열화가 심하여 성형틀 표면의 조도가 커지므로 우수한 광택면이 있는 경화체를 얻기 어렵다.
또한, 성형틀의 평균조다가 0.2㎛를 초과할 정도로 표면이 거칠면 이 성형틀에서 성형된 경화체는 광택도가 나쁘게 된다.
따라서, 성형틀은 최소한 1면 이상이 비커스 경도 7GPa 이상이며, 평균표면조도(surface roughness) 0.2㎛ 이하인 세라믹 소결체로 제작되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 작용에 대하여 설명한다.
시멘트와 골재로 이루어진 경화체의 골재-수화물 간의 결합구조는 그다지 치밀하지 못하며 더우기 혼련시 필요한 수분량이 시멘트의 수화에 사용된 수분량보다 많으므로 이 잉여 수분이 증발할때 수분이 차지하고 있던 부분이 기포로 남게 되므로 보통 경화체의 표면은 광택을 갖지 못한다.
최근 계면활성 작용 및 다가 이온용출 억제작용이 있는 고성능 감수제를 첨가하므로 혼련 수분량을 대폭줄여 시공체 표면의 기공 생성량을 줄일 수 있게 되었으며 벤토나이트, 몬모릴나이트 등의 초미분 물질을 첨가하여 골재-수화물 간의 결합구조내에 존재하는 간격을 메꾸어 주므로 경화체를 더욱 치밀하게 만드는 기술에 의해 광택면을 갖는 경화체를 제조할 수 있게 되었다.
본 발명에서는 유리 CaO, 유리 MgO를 다량 함유하여 불안정하므로 거의 경제적 가치가 없는 제강 슬래그를 강제 수화시키면 슬래그로부터 수화되어 용출되는 Ca(OH)2,Mg(OH)2등이 매우 미세한 입도를 갖는다는 점에 착안하여 초미분을 첨가시키지 않고 슬래그의 수화전처리 조건, 염기도, 입도 및 시멘트와의 첨가비등만을 조절하여 광택면을 갖는 경화체를 제조하였다. 즉, 슬래그 조립의 양, 슬래그 미립의 양, 슬래그로부터 수화되어 용출한 초미분 Ca(OH)2,Mg(OH)2의 양 및 시멘트 수화물의 양을 조절하여 양생시키므로서 매끈한(조도가 낮은 표면을 갖는) 성형틀과 접촉한 경화체면에 최밀충진 구조를 갖게 한다.
이때 경화체내의 각 원료들의 충진은 성형틀의 표면위에서 이루어지므로 성형틀 표면의 조도가 여기 접촉한 경화체의 조도를 결정하게 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
[실시예 1]
여러가지 조성을 갖는 슬래그를 분쇄하고 자력 선광에 의해 탈철한 후 체가름하고 끊는 물에서 수화전처리하여 표 1과 같은 특성을 갖는 슬래그를 제조하였다.
이 슬래그와 포오틀란트 시멘트 및 나프탈린 설폰산 나트륨을 표 1과 같이 배합하여 이 조성물들을 플로우(flow)치 200정도로 수분을 조절하여 혼련하였다. 이 혼련물을 비이커스경도 20GPa및 표면평균조도 0.05㎛인 알루미나 소결체의 재질을 갖는 15×60×200mm크기의 성형틀에 부어 넣고 진동 성형한 후 하기 표 1과 같은 시간 동안 양생하고탈형하여 다시 공기 중에서 양생하였다. 이때 성형틀 내부에는 탈형을 용이하게 하기 위해 그리이스를 얇게 도포하였다.
상기와 같이 양생이 끝난 경화체에 대하여 압축강도 및 평균표면 조도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
* : 2Kg/cm2, 2시간의 오토클레이브 처리후의 중량 증가율(%)
* : 표면조도 측정기(surface roughness tester)로 측정
** : 양생한 시편을 25℃ 수중에서 7일간 유지시킨후 균열 발생 유무 측정
(○ : 시편표면에 길이 5mm이상의 균열 발생 안됨,
△ : 표면 또는 모서리에 10개/100cm2이상의 흠집생성,
× : 시편표면에 길이 5mm 이상의 균열 발생)
상기 표 2에 나타난 바와같이, 본 발명에 따라 제조된 발명예(1-5)는 높은 압축강도 및 광택도가 좋은 표면을 갖게 됨을 알 수 있다.
비교예(a) 및 (b)는 CaO와 MgO 함량의 합이 Al2O3와 SiO2함량의 합에 비해 본 발명 범위보다 적거나 많은 것으로서 생성되는 초미분 Ca(OH)2Mg(OH)2의 양이 너무 적거나 많아지므로 표면조도가 크다.
비교예(c)는 최대입경의 크기가 본 발명 범위에 비해 큰 것이고, 비교예(d)는 입경 1mm이상분의 함량이 너무 적은 것이며, 비교예(e)는 입경 0.1mm 이하분의 함량이 본 발명 범위보다 적고 입경 1mm 이상의 함량이 너무 많은 것이며, 비교예(f)는 입경 0.1mm 이하분의 함량이 본 발명 범위보다 많은 것이다. 이들은 모두 경화체의 충진율이 입도구성의 불균형으로 인해 낮으므로 강도가 낮고 표면조도가 크다.
비교예(g)는 탈철을 충분히 하지 못하여 잔류철분이 많은 것으로 양생시 이 잔류 철분이 산화에 의해 표면이 거칠어지며 얼룩이 생긴다. 비교예(h)는 수화전 처리를 충분리 하지 못하여 유리 CaO, MgO가 상당량 잔류하고 있는 것으로 양생이 끝난 경화체를 수중에 방치하면 유리 CaO, MgO의 수화 팽창에 의해 균열이 심하게 생성된다.
비교예(i)는 슬래그의 함량이 본 발명 범위보다 적고 시멘트의 함량이 본 발명 범위보다 많은 것으로 강도는 높으나 표면조도가 크다. 비교예(j)는 슬래그의 함량이 본 발명 범위보다 많고 시멘트의 함량이 본 발명 범위보다 적은 것으로 경화체의 강도를 나타낼 충분한 양의 시멘트 수화물이 형성되지 못하므로 강도가 낮다.
비교예(k 및 l)은 시멘트에 고성능 감수제로서 첨가되는 나프타린 설폰산 나트륨의 함량의 본 발명 범위보다 적거나 많은 것으로, 비교예(l)은 감수제의 양이 과다하여 시멘트의 수화를 지연시키므로 강도가 낮다.
비교예(m)은 성형틀 내에서의 양생시간이 본 발명 범위보다 적은 것으로 아직 충분한 강도가 발현되어 있지 않으므로 탈형시 모서리에 흠집이 생기며 탈형 후에도 공기중 먼지 등이 부착되고 표면이 거칠어진다. 비교예(n)은 성형틀내에서의 양생시간이 너무 길어 성형틀과 경화체가 견고히 밀착되어 있으므로 탈형작업이 힘들고 탈형시에 경화체의 표면에 흠집이 생기기 쉽다. 비교예(o)는 양생시간이 부족하여 강도가 낮다.
비교예(p)는 골재로서 (CaO+MgO)/(Al2O3+SiO2)비가 1.0인 고로 슬래그를 사용한 것으로 표면조도가 매우 크다 . 비교예(q)는 비교예(p)의 시멘트 일부를 벤토나이트+CaCl2+Na2CO3로 대체한 것으로서, 강도도 높고 표면조도도 작지만, 그 효과는 본 발명예(1-5)에 비해 미약하다.
[실시예 2]
상기 실시예 1의 발명예 1과 같은 조성 및 제조방법으로 시편을 제조할 때 성형틀의 종류를 하기표 3과 같이 변화시켜, 제조하고, 이때 성형틀의 내구성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
* : 시편의 평균조도가 2.5㎛이상이 될때까지의 성형틀 사용횟수
** : 첫회 사용시 시편표면의 평균조도가 3.0㎛임.
상기 표 3에서 나타난 바와같이 발명예(1-1),(1-2)및 (1-3)은 발명예(1)의 조성 및 제조 방법에 의해 시편을 제조할때 본 발명 범위내의 각각의 다른 종류의 성형틀을 사용한 것으로, 성형틀은 30회 이상의 내용성을 나타낸다. 한편, 비교예(1-A), (1-B), (1-C)및 (1-D)는 본 발명 범위의 다른 재질(경도가 7GPa 미만인)의 성형틀을 사용한 것으로 10회 이하의 낮은 내용성을 갖는다. 그리고 비교예(1-E)는 성형틀의 표면 평균 조도가 큰 것으로, 여기에서 성형된 경화체는 평균조도가 3.0㎛정도로 매우크다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 슬래그를 이용하여 표면 광택이 유려하며 높은 강도를 가지는 건자재를 제공하므로서 건물 내외장재로 사용가능하며 폐기물 활용측면에서도 높은 부가가치를 갖는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

  1. CaO와 MgO 함량의 합이 Al2O3와 SiO2함량의 합에 비해 중량비로 2.5~5.0배인 슬래그를 준비하는 단계; 1.0~8.0mm의 입도를 갖는 입자의 함량이 30-45중량%이고 그리고 0.1mm 이하의 입도를 갖는 압자의 함량이 15-35중량%가 되도록 상기 슬래그를 분쇄 및 입도조정하는 단계; 상기와 같이 분쇄된 슬래그중 잔류철분이 1.0중량% 미만이 되도록 탈철선광하는 단계; 상기와 같이 탈철선광된 슬래그를 2Kg/cm2의 압력 및 2시간의 오토클레이브 처리후 중량 증가율이 1.0중량% 미만이 되도록 수화처리하는 단계; 상기와 같이 수화처리된 슬래그 60-80중량%와 나프타린 설폰산 나트륨을 0.2~4.0중량% 혼합한 포오틀란트 시멘트20-40중량%를 물과 함께 혼련하는 단계; 상기와 같이 혼련된 혼련물을 성형틀에서 12-48시간 동안 성형한 후 성형틀내에서 탈형하여 72시간 이상 공기중에서 양생하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 건자재 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 성형틀이, 최소한 1면 이상이 비커스경도 7GPa 이상이고, 평균표면조도 0.2㎛이하인 세라믹소결체로 제작됨을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 건자재 제조방법.
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