KR960011329B1 - 플라이 애쉬와 점토를 이용한 경량 골재의 제조 방법 및 경량 골재 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

플라이 애쉬와 점토를 이용한 경량 골재의 제조 방법 및 경량 골재

제1도는 본 발명의 경량 골재를 제조하는 전체 공정도.

제2도는 골재를 1320℃에서 소결한 경우, 플라이 애쉬를 대체한 점토의 양에 따른 골재의 비중 변화를 나타내는 그래프.

제3도는 골재를 1280℃에서 소결한 경우, 플라이 애쉬를 대체한 점토의 양에 따른 골재의 비중 변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 플라이 애쉬(fly ash : 탄회) 및 점토를 사용하여 경량 골재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 경량 골재에 관한 것이다.

더욱 구체적으로, 본 발명은 플라이 애쉬와 점토를 혼합하여 더욱 우수한 물성의 경량 골재를 제조하는 한편, 첨가재로서 흄드 실리카(fumed silica)와 파유리를 첨가함으로써 낮은 소결 온도에서 낮은 비중의 경량 골재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해서 제조된 경량 골재에 관한 것이다.

플라이 애쉬란 화력 발전소 등에서 미분탄을 로 내의 뜨거운 기류 속에 고속으로 주입하여 1500±200℃의 고온에서 부유 상태로 순간적으로 연소시키고 남은 미분체 부산물로서 집진기에 포집되는 재를 말한다. 이때 플라이 애쉬는 원탄의 약 15~45% 정도의 비율로 발생한다. 플라이 애쉬는 연소 온도, 탄종, 분쇄도, 로 내의 고온부에서의 체류 시간 등에 따라 여러 가지 화학적-물리적 성질의 변화가 있을 수 있다. 연소시 유기물은 연료로서 연소되는 반면 무기물은 재로 남아 있게 되며, 보일러 내에 분산되는 도중에 무거운 입자는 하부에 떨어지고 가벼운 입자는 흩어져 날아다니다가 집진기에 의해서 포집된다. 입자가 무거워서 하부로 낙하되는 재를 바텀 애쉬(bottom ash)라고 부르며, 분산되어 날아다니다가 집진기에 의해서 포집되는 재를 플라이 애쉬라고 부른다. 플라이 애쉬의 발생 비율은 전체 회 발생량의 70~90%를 차지하고, 바텀 애쉬는 그 나머지인 10~30%를 차지한다. 종래에는 이러한 경로에 의하여 발생하는 플라이 애쉬는 환경적인 문제를 일으키는 산업폐기물로 간주되었었지만 그 동안의 많은 연구와 기술 개발에 의하여 산업적으로 이용가능한 재료로 전환되어 가고 있다.

오늘날 석탄 소비국들을 석탄 소비량이 급증함에 따라 과거 석탄 화력 발전소에서 불필요한 존재로 여겨지던 석탄재를 제3의 자원으로서 유효하게 이용하는데 지대한 관심을 가지고 있으며, 대부분 국가적 차원에서 이용기술의 개발 및 보급을 장려하고 있다. 석탄은 전 세계의 매장 자원 중 가장 장기적인 채굴이 가능하고, 지역적으로도 넓게 분포되어 있는 연료 자원으로서의 안정적 특징으로 인하여 석탄 발전이 차지하는 비중은 세게적으로 높아 가고 있으며, 우라나라의 경우에도 전력 수급 계획상 유연탄 발전이 전체 설비 용량의 30%를 차지하고 있다. 앞으로 화력 발전은 유연탄을 이용한 석탄 화력이 주종을 이룰 전망이며, 따라서, 석탄 화력 발전으로 인하여 발생되는 플라이 애쉬의 처리 및 이용 문제는 더욱 해결이 시급해진 것으로 예상된다.

일시적으로 석탄을 주원료로 사용하던 화력 발전소가 연료를 기름으로 바꾸면서 플라이 애쉬의 발생량이 급격히 감소되었으나, 1978년 오일 쇼크 이후 석유계 연료를 석탄으로 전환하면서 플라이 애쉬의 발생량이 세계적으로 증가하는 추세이며, 세계 각국에서는 콘크리트를 재료로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되어지고 있다.

국내의 경우, 연간 플라이 애쉬의 발생량은 1981년 70만톤 정도에서 1987년 141만톤, 1992년에는 200만톤을 넘어 섰으며, 1996년에는 약 400만톤, 2000년에는 500만톤 정도가 될 것으로 예상되며 해마다 증가하고 있는 추세에 있다. 이에 따라, 회처리장 확보가 어려워지고 회처리장 건설 비용 및 발생된 회의 처리 비용도 증가되고, 매립, 폐기시 환경 오염 문제가 발생하고 있다. 구미 및 일본에서는 30년 이상 계속적인 석탄회 이용 기술의 연구 개발로 시멘트, 콘크리트 분야, 건축 자재 분야, 토목 분야, 농업-수산 분야 등 각종 산업 분야에서 발생량의 40% 이상을 재활용하고 있으나, 국내의 경우 플라이 애쉬에 대한 유효 이용율은 약 15%로 매우 미약한 편이다. 국내 이용 현황을 살펴 보면 발전소 인근의 시멘트 공장에서 시멘트 원료로 극히 적은 양이 소비되는 외에 일부 레미콘 회사에서 원료비를 줄일 목적으로 혼화 재료로서 사용하고 있으나 저조한 실정이다. 또한 플라이 애쉬 자원의 활용을 위해서는 필수적이라 할 수 있는 플라이 애쉬 자체의 품질이나 플라이 애쉬를 이용한 콘크리트 및 골재의 성질 또는 구조물에 적용한 응용 실적 등에 대한 기초적인 자료도 마련하지 못한 상태라고 해도 과언이 아니다. 따라서 폐기 처리할 경우에도 상당한 경비가 소요되고 있을 뿐만 아니라 국내에서 발생되는 플라이 애쉬의 대부분이 유효 적절하게 이용되지 못하고 있기 때문에 산업 폐기물의 유효 이용 및 자원 절약이라는 관점에서 큰 손실이라고 할 수 있다.

경량 골재란 일반 자갈이나 쇄석보다 가벼운 골재를 일컫는 말로서 최근 건설 분야에서의 응용을 위해 많은 연구가 진행되고 있으며, 사용되는 재료로는 무기물과 유기물 등 다양하게 실험되고 있지만 무기 광물만이 경쟁력이 강화되고 있다. 경량 골재를 분류하는 방법에는 여러 가지가 있지만 일반적으로 원료 물질을 기준으로 분류하고 있다. 특히, 인공 경량 골재로는 산업체에서 발생되는 부산물을 이용하거나 또는 하소, 팽창, 소결 등의 공정을 통해 제조되고 있다. 사용되는 원료로는 점토, 혈암(頁岩), 점판암, 퍼얼라이트, 질석(蛭石), 용광로광재(slag) 및 플라이 애쉬 등이 있다. 이 중 점토 계열의 재료를 사용하는 인공 경량 골재의 경우 고온에서의 하소 내지는 소결 공정을 통해 원료를 팽창시켜 골재를 얻고 있기 때문에 제조 경비가 상당히 많이 들어가는 단점을 가지고 있다.

경량 골재를 제조하는 방법으로서 가장 널리 이용되어 온 방법은 소결을 통한 제조 방법이다. 소결에 의한 골재의 제조는 일찍부터 시도되어 발전되어 왔으나, 제조에 따른 경비가 많이 든다는 결점 때문에 경쟁력이 상실되었으며, 최근에는 다수의 골재 제조 시설이 가동되지 않고 있는 실정이다. 따라서 골재 제조에 있어서 소결 온도를 낮추는 것이 절대적으로 요구된다.

소결 단계를 거치는 경우 골재의 결합은 주로 플라이 애쉬의 주성분인 유리상의 SiO₂용융에 의해 이루어진다. 사용되는 수분의 양은 사용된 분말의 중량을 기준으로 25~30%가 적절하다. 소결은 900~1350℃의 온도에서 10분~3시간 동안 수행된다. 현대 경량 골재의 제조를 위해 사용되는 소결 온도는 플라이 애쉬를 주원료로 하는 경우, 1200℃ 이상[Lytag process, The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete Vol. 3, No. 4, pp. 273-282, (1981)]이며, 팽창성 점토를 주원료로 하는 경우에도 1150~1200℃이상이다. 따라서 소결시켜 제조한 경량 골재는 고온에서의 소결이 필수 요건이므로 그 제조 단가가 높아지고, 천연 골재와의 경쟁에서 많이 뒤져 있는 상태이다. 그러므로 실제 상품화를 위해서는 고온에서의 높은 연료비 문제를 해결할 수 있도록 소결 온도를 낮추고 소결 시간을 단축시키는 것이 필요하다.

본 발명의 목적은 플라이 애쉬 및 점토를 이용하여 경량 골재를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 첨가제로서 흄드 실리카, 파유리를 첨가함으로써 낮은 소결 온도에서 0.7~0.9의 비중을 갖는 경량 골재를 제공함에 있다.

본 발명에 또다른 목적은 발포제로서 종래에 사용되어 오던 CaSO₄대신에 CaCO₃를 사용함으로써 SO₃공해가스 발생 문제를 제거한 개선된 경량 골재의 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 본 발명의 목적 및 다른 잇점들은 이하의 본 발명에 대한 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 경량 골재의 제조 방법은, 플라이 애쉬 50~60중량%, 점토 20~40중량%, 장석 20~30중량%의 혼합물과 이러한 혼합물의 전체 중량에 대한 5~10중량%의 발포제를 혼합하는 공정과, 상기 혼합물을 조립기에 연속 공급하면서 사용된 분말 재료의 25~30중량%의 물을 분사하여 구형 골재를 성형하는 공정과, 이 구형 골재를 1280℃ 이하의 온도에서 1시간 동안 소결하는 공정으로 이루어진다.

플라이 애쉬에는 주 성인 유리상과 석영, 멀라이트, 적철석 등의 결정상이 일부 존재하고 있다. 플라이 애쉬는 유리상의 영향으로 비교적 낮은 온도에서 소결이 가능하다는 장점이 있는 반면, 온도가 상승함에 따라, 점성 유동(viscous flow)에 의한 급격한 수축이 발생하며 고온에서 액상이 과다하게 형성되어 쉽게 점결(caking) 현상이 발생하므로 팽창에 의한 경량 골재의 제조는 쉽지 않은 것으로 보고되어 있다. 따라서 플라이 애쉬를 이용하여 이미 상품화되어 있는 경량 골재의 종류로는 증기 양생 방법을 이용하여 제조된 골재와, 소결을 통해 액상 생성을 억제하면서 제조한 높은 비중과 고 강도의 골재가 있으며, 이들은 구조를 경량 골재로 사용되고 있다. 플라이 애쉬를 이용하여 골재를 제조하는 경우, 3%의 알칼리를 첨가할 때 1280℃ 이상의 온도에서 팽창 현상이 발생하지만 액상의 과다 생성되어 점결 현상이 발생하므로 실제 생산에는 문제가 따른다. 또한, 1280℃ 전후의 온도에서 팽창이 발생하지만 골재의 비중이 매우 커지는데 그 이유는 골재가 원래의 형태를 유지하지 못하고 크게 수축한 후 발포되기 때문이라고 여겨진다. 따라서, 비중을 낮추기 위해서는 골재의 골격을 유지시켜 수축을 방지할 필요가 있다.

점토질 광물은 약 980℃ 근처에서 발열 반응을 하며 멀라이트로 전이된다. 전이된 멀라이트는 온도가 상승함에 따라 크기가 더 성장하며, 실리카 유리질 내에 존재하게 된다. 또한, 1250℃에서는 유리상이 홍연석(cristobalite)으로 전이된다. 1200℃까지는 원래 점토의 내부에서 반응이 발생하며, 그 이상의 온도에서는 입자들 사이의 소결과 기공율의 감소가 일어난다.

점토로 제조된 골재의 경우, 1320℃의 고온에서도 장석이 10%로 첨가될 때까지는 전혀 발포 현상이 없으며, 그 이상 첨가되면 골재가 팽창되기 시작한다. 또한 발포제인 CaSO₄의 첨가량이 증가함에 따라 골재의 비중이 감소하며, 장석의 양이 증가함에 따라 발포제로서의 효과가 더욱 크게 나타난다. 장석의 양이 40%인 경우, 팽창 현상은 더욱 두드러지며, 이 때 골재의 비중은 0.95~1.0 사이의 값을 가진다. 장석의 함량이 50% 이상인 골재의 1320℃에서 소결시킬 때 비록 비중의 감소는 크지만 플라이 애쉬와 같이 원래의 형상을 유지하지 못하게 된다는 문제가 따른다.

점토로 제작된 골재의 장점은 팽창시에도 골재의 형상을 유지하고 있다는 것을 들 수 있다. 결점은 플라이 애쉬에 비하여 소결 온도, 즉 팽창 현상이 발생하는 온도가 높고 이러한 현상을 발생시키는데 필요한 알칼리의 양이 많기 때문에 골재의 제조 비용을 크게 상승시킬 수 있다는 것이다.

골재의 팽창을 위해서는 충분한 유리상의 형성이 필요하지만 유리상이 지나치게 많이 생기는 경우에는 골재사이의 점결이 발생하고 또한 골재 자체의 형태가 손상되는 문제가 있었다. 앞에서 설명한 바와 같이, 플라이 애쉬는 비교적 낮은 온도와 낮은 알칼리 함량에서 유리상의 형성이 가능하여 팽창이 손쉽고 구형의 골재로 성형하기 쉽지만, 골재의 수축이 매우 크고, 점결 현상이 발생하며, 골재의 형태를 유지하지 못한다는 결점을 가지고 있다. 이와 같은 플라이 애쉬와 점토의 장점을 살리기 위해 풍분한 유리상을 제공할 수 있고, 소결시 비용 감소에 기여할 수 있는 충분한 미연탄소분을 함유한 플라이 애쉬와 점토를 혼합하여 낮은 소결온도와 낮은 비중이 경량 골재를 제조한다.

본 발명에서는 소결 온도를 낮추기 위해 점토와 플라이 애쉬 이외에 흄드 실리카, 파유리, Fe₂O₃, CaCO₃등의 첨가물을 사용한다. 특히 흄드 실리카와 파유리의 첨가를 통해 골재의 물성이 크게 향상된다. 흄드 실리카는 10~30중량%의 양으로, 파유리는 10~20중량%의 양으로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 첨가물을 첨가함으로써 1100℃ 이하의 온도에서 소결한 골재의 강도는 상기 첨가물을 첨가하지 않은 골재의 강도의 3배 이상으로 커진다. 상기한 첨가물을 첨가하지 않은 골재의 비중이 1.1~1.2인 반면에 본 발명에 따르면 0.7~0.9의 비중을 갖는 골재를 제조할 수 있고, 발포제로서 CaCO₃를 사용할 수 있다. 1100℃ 이상의 온도에서 제조되는 골재의 경우 팽창 현상을 발생시키기 위해 종래에 사용되어 오던 물질은 CaSO₄이며, 이 물질은 분해시 공해물질인 SO₃가스를 발생시키는 문제점을 안고 있다. 그러나, 본 발명세너는 소결 온도를 1100℃ 이하로 낮춤으로써 CaCO₃를 발포제로서 사용할 수 있으므로, 종래 기술의 SO₃가스 발생의 문제를 해결하였다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 경량 골재 제조 방법의 개략 공정도이다.

본 발명에 따른 경량 골재의 제조 방법의 제1단계는 원료 분말로 사용되는 플라이 애쉬, 점토, 장석 및 발포제를 소정량씩 칭량하여 혼합하는 단계이다.

플라이 애쉬는 석탄을 사용하는 화력 발전소에서 발생하는 통상의 플라이 애쉬를 사용할 수 있으며, 그 성분은 다음 실시예 1에 기재된 표 1과 같다. 통상 사용되는 플라이 애쉬는 성분에 따른 분류상F 급에 속하는 플라이 애쉬이며, 비중은 1.9~2.2, 평균 입경은 약 8.86㎛이다. 본 발명의 정량 골재 제조 방법에서는 플라이 애쉬를 혼합 원료(플라이 애쉬+점토+장석)의 중량을 기준으로 50~60중량%의 양으로 사용한다.

종래에 경량 골재 제조에 사용되어온 점토는 고온에서 자발적으로 팽창하는 팽창성(expanded) 점토로서, 이것은 특정 지역에서만 구입이 가능하였다. 그러나, 본 발명에서는 국내에서 손쉽게 구입할 수 있는 점토를 사용할 수 있다. 점토의 함량은 사용되는 플라이 애쉬의 양에 다라서 혼합 원료(플라이 애쉬+점토+장석)의 중량을 기준으로 20~40중량%의 양으로 사용할 수 있다.

제2도는 1320℃에서 1.6%의 CaSO₄를 첨가하여 소결시 플라이 애쉬에 첨가된 점토의 양에 따른 골재의 비중변화를 나타낸 것이다. 이 그래프에 따르면, 골재에 점토가 30% 함유되었을 때의 비중이 최소가 됨을 알 수 있다.

제3도는 1280℃에서 6.25%의 CaSO₄를 첨가하여 소결시킨 것을 제외하고는 제2도의 조건과 동일한 조건하에 제조한 골재의 비중 변화로서, 제2도에서와 같이 점토가 30% 함유되었을 때 비중이 최소가 되는 결과를 나타낸다.

본 발명의 경량 골재의 제조 방법에 있어서 제2단계는 골재 성형 단계이다. 이 경량 골재 성형에 사용될 수 있는 장치로는 건조한 분말 상태의 원료에 수분을 첨가하여 구형의 입자로 만드는 팬 조립기(pan pelletizer)를 사용할 수 있다.

조립기와 팬을 일정한 속도로 회전시키면서, 이 팬 내로 분말을 연속적으로 공급한다. 여기에 수분이 분사되어 분말을 응집시켜 구형의 골재로 성장하게 된다. 이 때, 조립에 사용되는 면적의 팬 면적의 70% 정도이다.

골재의 핵은 수분이 분사되는 지역에서 형성된다. 생성된 핵은 회전을 반복하며 투입되는 원료 분말에 의해 눈굴리기(snowballing) 원리에 따라 성장한다. 따라서, 성형 과정은 팬의 크기, 회전 속도, 경사 각도, 팬의 높이, 원료 투입 위치, 수분 분사 위치, 스크레이퍼(scraper) 위치 등에 위해서 큰 영향을 받는다.

본 발명의 방법에 사용되는 조립기에 있어서, 일반적으로 균일한 입자 크기를 얻기 위한 팬의 높이는 지름의 1/5이 가장 바람직하다. 그러나, 본 발명에서는 골재의 넓은 입도 분포를 얻기 위하여 팬의 높이를 지름의 1/3, 예컨대 직경 45㎝, 높이 15㎝의 팬을 사용하였다.

팬의 경사 각도는 경사 각도가 클수록 형성되는 골재의 크기는 작아지며, 경사 각도를 45~55。로 변화시켰을 때 50% 정도의 크기 감소가 발생한다.

팬의 회전 속도가 빨라지면 골재의 크기는 커진다. 이것은 회전 속도가 커지면 작은(가벼운) 골재가 아래로 굴러 내려오지 못하게 되고, 큰 골재만이 계속 성장하게 되기 때문이다. 골재가 팬 벽에서 굴러내려오지 않는 임계 속도는 다음 식으로 표시된다.

Vc=42.3(sinβd/Dd)^1/2

식 중, Vc는 팬의 임계 회전 속도이고, βd는 팬의 경사 각도이고, Dd는 팬의 직경(m)이다.

팬의 회전 속도는 임계 속도의 0.6~0.75배 사이가 바람직하다. 본 발명에서는 팬의 회전 속도를 20~25rpm으로 하였다.

처리량이 증가할 때, 골재의 평균 크기는 감소하며, 동시에 입도 분포는 넓어진다. 또한, 수분 함량이 증가할 때, 골재의 평균 크기는 선형적으로 증가한다.

원료와 수분의 공급 위치는 장치의 형태 및 크기 등에 따라 시행착오법(try and error)을 통해 적절한 위치를 찾게 된다. 단, 충분한 수분의 공급을 받은 골재가 건조한 분말이 공급되는 위치를 지나면서 점차 성장해 나아가는 과정이 반복되므로, 분말과 수분이 공급되는 위치가 지나치게 인접한 경우에는 눈굴리기식 방법에 의한 골재의 성장에 비하여 골재들 사이의 응집에 의한 성장이 지배적으로 발생하게 된다.

본 발명에 따르면 플라이 애쉬와 점토를 혼합한 원료를 소결함으로써 각각의 원료를 소결하는 경우 보다 더 낮은 비중의 골재를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서 제조되는 골재는 매우 둥근 형태를 가지고 있으므로, 콘크리트 제조시 모래의 양을 감소시켜 주고, 비빔시 작업성을 향상시켜 준다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 1

비중이 1.9~2.2이고, 평균 입경이 8.86㎛인 F급 플라이 애쉬를 국내의 보령 화력 발전소와 서천 화력 발전소로부터 입수하였다. 이들 플라이 애쉬의 종별 구성 성분은 다음 표 1에 요약하였다. 점토로서는 국내에서 구입이 용이한 점토를 사용하였다.

플라이 애쉬 50중량%, 점토 30중량%, 장석 20중량%, CaSO₄6.25중량%를 혼합한 후, 20~25rpm으로 회전하고 있는 조립기의 팬(직경 : 45㎝, 높이15㎝)내에 이 혼합물을 연속 공급하고, 여기에 물을 분사하여 골재로 성장시켰다. 성형된 골재를 1280℃에서 1시간 동안 소결시켰다. 체질하여 비중이 0.85인 골재를 얻었다.

*KS 규격은 경량 골재에 대한 규정은 아니며, 콘크리트 혼화재로 사용할 때 성분에 대한 규정이다.

실시예 2

플라이 애쉬50중량%, 점토 30중량% 및 장석 20중량%의 제1혼합물에 흄드 실리카 : 파유리 : CaCO의 중량비가 50 : 25 : 25인 혼합물을 상기 제1혼합물의 중량을 기준으로 20중량%의 양으로 첨가한 것과 1050℃에서 소결시킨 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법에 따라서 골재를 제조하였다. 이 실시예에서 얻어진 골재의 비중은 0.7~0.8이었다.

Claims (2)

1. (A) a) 플라이 애쉬 50~60중량%, 점토 20~40중량%, 장석 20~30중량%의 혼합물과, b)상기 혼합물 a)의 중량을 기준으로 10~30중량%의 흄드 실리카 및 10~20중량%의 파유리 및 c) 발포제로서 상기 혼합물 a)의 전체 중량에 대하여 5~10중량%의 CaCO₃를 혼합하는 공정, (b) 상기 혼합물을 조립기에 연속, 공급하면서 사용된 분말 재료의 25~30중량%의 물을 분사하여 구형 골재를 성형하는 공정, (c) 이 구형 골재를 1100℃ 이하의 온도에서 1시간 동안 소결하는 공정과의 결합을 특징으로 하는 플라이 애쉬 및 점토 함유 경량 골재의 제조 방법.
2. 제1항에 기재된 방법으로 제조된 비중 0.7~0.8의 경량 골재.