WO2010110563A2 - 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재 제조방법 - Google Patents

촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재 제조방법 Download PDF

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WO2010110563A2
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carbonation reaction
carbon dioxide
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이종찬
전찬수
진보경
심종우
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한국건설기술연구원
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B2111/20—Resistance against chemical, physical or biological attack
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    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing recycled aggregate using accelerated carbonation reaction, and more particularly, to be manufactured by using accelerated carbonation reaction, which has a greatly reduced absorption rate and enhanced density, which is suitable for quality standards of recycled aggregate.
  • accelerated carbonation reaction which has a greatly reduced absorption rate and enhanced density, which is suitable for quality standards of recycled aggregate.
  • alkaline recycled aggregates which have low pH
  • alkali aggregate reactions and dry shrinkage of concrete can be minimized
  • recycled aggregates using accelerated carbonation reactions can minimize the effects of soil, water environment and ecosystem. It relates to a manufacturing method.
  • recycled aggregates are produced through the crushing and sorting stages of the lumps of construction wastes.
  • the aggregates for road bases used in the construction of roads undergo two or more crushing processes, and the recycled aggregates for concrete are 3 Produced to meet standard particle size distribution after more than one shredding process.
  • the recycled aggregate produced through such a crushing process the crushed residue of cement or mortar is attached to the surface of the aggregate, such as high strength gravel, or the cement or mortar crushed residue is mixed. Therefore, the conventional recycled aggregate has a disadvantage of low density and high water absorption, and due to these disadvantages, the conventional recycled aggregate is not suitable for the quality standards of the recycled aggregate.
  • the recycled aggregate having high absorption rate is used for concrete as concrete, it is pointed out as a problem that the dry shrinkage is higher than that of concrete using natural aggregate.
  • the conventional recycled aggregate has strong alkalinity with a pH greater than 10, which causes the recycled aggregate to be If exposed to groundwater or rainwater, strong alkaline elution may occur, causing environmental pollution or adversely affecting the ecosystem.
  • 1 is a graph showing the viability of fish according to the general pH, as shown in Figure 1, when the pH exceeds 10, the fish is not able to live. Therefore, the pH of the circulating aggregate should be 10 or less, so that adverse effects on the environment can be reduced.
  • alkali aggregate reaction may occur due to an excessive amount of alkali when used in the manufacture of concrete, and cracks, pop-outs, etc. due to expansion of the aggregate may occur. Performance degradation may occur.
  • Carbon dioxide reacts with calcium hydroxide [Ca (OH) 2 ] in cement, the main component of concrete, to produce calcium carbonate, which neutralizes highly alkaline cements with a pH above 10 and at the same time densifies pores.
  • Ca (OH) 2 calcium hydroxide
  • As a technology used for the production of recycled aggregates of carbon dioxide there is a technology for neutralizing recycled washing water by dissolving carbon dioxide in the recycled aggregate washing water (Korean Patent Registration No. 805,322), but the cost of neutralizing recycled washing water is high, Since it is neutralized in an indirect manner, there is a limit that the neutralization effect of the recycled aggregates is not high enough to produce recycled aggregates that meet the quality standards of the recycled aggregates.
  • the present invention was developed to solve the problems of the prior art as described above, specifically, by lowering the pH of the strongly alkaline circulating aggregates, it can suppress the alkali aggregate reaction, and minimize the impact of soil, water environment and ecosystem It is an object of the present invention to provide a method for producing recycled aggregates.
  • the present invention the cost of neutralizing the recycled wash water is generated, the neutralization efficiency of the recycled aggregates by the indirect method is reduced, solve the problem of the prior art that it was difficult to produce the recycled aggregates meet the quality standards of the recycled aggregates It is an object of the present invention to provide a method for producing circulating aggregates at low cost by neutralizing circulating aggregates directly with carbon dioxide, reducing absorption and increasing density to meet the quality standards of circulating aggregates and having low production costs.
  • crushed and separated to produce any one or a mixture of two or more of the circular coarse aggregate for concrete of 5 ⁇ 25mm size, the circulating aggregate of 0.01 ⁇ 5mm size, or circulating aggregate of 0.01 ⁇ 40mm size It has a manufacturing process for promoting carbonation of carbon dioxide and circulating aggregate in a closed chamber having an inlet for injecting the aggregate and an outlet for treating and discharging the aggregate, and carbonizing carbon dioxide and circulating aggregate in the air of the circulating aggregate.
  • Dry accelerated carbonation method to maintain the moisture content of the recycled aggregate at 1.0 ⁇ 3.0% during carbonation reaction, when the carbon dioxide and the recycled aggregate are carbonated in the air in the chamber, water is sprayed into the chamber or carbonated water in which carbon dioxide is dissolved is recycled aggregate in the chamber Spray to keep the moisture content of circulating aggregate at 3.1 ⁇ 6%
  • a method of producing recycled aggregates is provided.
  • Circulating coarse aggregate for concrete of 5 to 25mm size produced through the method of manufacturing circulating aggregate of the present invention has a water absorption rate lowered by 7% or more, and the dry density is increased by 10%, and concrete circulating fine aggregates of 0.01 ⁇ 5mm size have high absorption rate.
  • Lower than 6% and increase the cutting density by more than 10%, circulating aggregates of 0.01 ⁇ 40mm size is lower than the absorption rate 10% and increase the cutting density by more than 20%, using the recycled aggregate manufacturing method of the present invention is excellent Can produce quality recycled aggregates.
  • the eco-friendly circulation to minimize the effect of soil, water environment and ecosystem by exhibiting the pH reduction effect by the carbonation reaction of Ca (OH) 2 showing strong alkalinity Production of aggregates is possible.
  • the void of cement which is a major factor of density reduction, is filled by the reaction product of calcium carbonate (CaCO 3 ), thereby exhibiting the effect of reducing the absorption rate of circulating aggregate,
  • CaCO 3 calcium carbonate
  • the quality of recycled aggregates is excellent overall, and it is possible to produce recycled aggregates that meet the quality standards of recycled aggregates.
  • the dry shrinkage is suppressed to exhibit a dry shrinkage similar to that of ordinary concrete using natural aggregates instead of recycled aggregates, and additional alkali of mortar attached to or contained in the recycled aggregate
  • additional alkali of mortar attached to or contained in the recycled aggregate By the amount, the effect of reducing the possibility of the alkali aggregate reaction causing expansion and cracking is exerted. Therefore, it is possible to improve the overall quality of the concrete and to minimize the soil, water environment and ecosystem impacts.
  • the present invention exhibits an effect of reducing carbon dioxide in the atmosphere due to the storage of carbon dioxide, and in the present invention, since the accelerated carbonation reaction of circulating aggregate is performed by high temperature and high concentration of carbon dioxide gas, the drying effect of circulating aggregate is remarkably increased. It is effective.
  • 1 is a graph showing the viability of fish according to the general pH.
  • 2 and 3 is a particle size distribution graph showing an example of the particle size distribution of the circulation aggregate for the road substrate.
  • 4 and 5 is a particle size distribution graph showing an example of the particle size distribution of the circulation aggregate for the road auxiliary layer.
  • 6 and 7 are graphs of particle size distribution of circulating coarse aggregate of the present invention, respectively.
  • Figure 9 is a schematic diagram of the mechanism of carbonation of mortar attached to the circulating aggregate of the present invention.
  • the circulating aggregate is put in a closed chamber, and the carbon dioxide is supplied at a concentration of 3% or more in the chamber to provide a pressure of 1 to 10 atm and a temperature of -10 to 100 ° C.
  • This is a method of producing circulating aggregates by carbonation reaction for 1 to 30 minutes.
  • carbon dioxide is introduced after inputting circulating aggregate produced through a crushing and separation screening process.
  • the present invention provides a method for producing dry recycled aggregates in which the moisture content of the recycled aggregates is maintained at 1.0 to 3.0% when the recycled aggregates are exposed to carbon dioxide and carbonated by a carbonation reaction, and the carbonated water in which water is sprayed or carbon dioxide is dissolved in the chamber.
  • Semi-wet circulating aggregate manufacturing method to maintain the moisture content of circulating aggregate at 3.1 ⁇ 6% during the carbonation reaction by spraying the circulating aggregate in the inside and carbonizing reaction by putting circulating aggregate in the chamber filled with carbonated water in which carbon dioxide is dissolved
  • the moisture content of the recycled aggregate is maintained at 6% or more can be divided into a wet circulating aggregate manufacturing method.
  • the recycled aggregate manufactured by the dry, semi-wet and wet recycled aggregate manufacturing method has a 5 ⁇ 25mm sized circular coarse aggregate for concrete, the absorption rate of which is lowered by more than 7%, the dry density is increased by 10%, and 0.01 ⁇ 5mm size.
  • the absorption rate is lowered by more than 6% and the dry density is increased by more than 10%
  • the recycled aggregate of 0.01 ⁇ 40mm size is reduced by more than 10% and the dry density is increased by more than 20%. Circulating aggregates can be obtained.
  • a circulating aggregate for concrete of 0.01 to 5 mm in size having a water absorption of 5.1 to 10%, a dry density of 2.1 to 2.19 g / cm 3, and a pH of 11 to 12.5 is reacted with carbon dioxide in a closed reaction chamber.
  • the absorption rate is lowered to 2.0 to 5.0% and the dry density is 2.2 to 3.8 g / cm 3.
  • circulating aggregates for high density neutral concrete are produced with a pH of 7.5 to 10.
  • the absorption rate is 2.0 High density neutralized recycled aggregates of size 0.01 ⁇ 40mm with 5.9%, dry density of 2.1 ⁇ 3.9g / cm3 and pH lowered to 7.5 ⁇ 10 are produced.
  • the carbon dioxide is applied to the recycled aggregate for concrete containing or containing cement or mortar component to carbonize the recycled aggregate, thereby increasing the absorption rate of the recycled aggregate and lowering the density of the cement, which is a reaction product. It is filled with calcium carbonate. Accordingly, it is possible to reduce the absorption rate of the recycled aggregates and to increase the density, thereby producing a recycled aggregate that meets the quality standards of the recycled aggregates.
  • the recycled aggregate of the present invention when using the recycled aggregate of the present invention in concrete, it is possible to reduce the dry shrinkage of the concrete.
  • the pH of the recycled aggregate which was strongly alkaline, is lowered to 10 or less, when the recycled aggregate of the present invention is used in concrete, it is possible to suppress the alkali aggregate reaction, and to influence the soil, water environment and ecosystem. Can be minimized.
  • the dry density of the recycled aggregate means “density when the recycled aggregate is in the dry state", "the dry state” means the absolute dry state.
  • “promoted carbonation” of circulating aggregate means that the circulating aggregate is directly neutralized by carbon dioxide. Circulating aggregate is used for road base, road auxiliary layer, concrete, asphalt concrete, frostbite prevention layer and barrier layer, roadbed, roadbed, backfill, backfill, fill, cover, cover of landfill Can be used.
  • the size (particle diameter) of the recycled aggregate is 0.01mm or more and 40mm or less
  • the size of the recycled coarse aggregate for concrete is 5-25mm
  • the size of the recycled aggregate for concrete is 0.01-5mm.
  • the particle size distribution of circulating aggregate is used for road base, road auxiliary base, and concrete.
  • the particle size range of circulating aggregate for road base is summarized as the ratio of passage of aggregate passing through sieve of various sizes.
  • Part 2 summarizes the particle size ranges of the circular aggregate for road auxiliary layers.
  • 2 to 5 show examples of the particle size distribution of the road aggregate circulating aggregates (FIGS. 2 and 3) and an example of the particle size distribution of the road aggregate base circulating aggregates (FIGS. 4 and 5), respectively.
  • 2 to 5 inside the closed short circuit corresponds to the particle size range of the circulating aggregate, respectively.
  • RB-1, RB-2 means circulating aggregate for road substrates
  • RB'1 and RB'2 mean circulating aggregate for road auxiliary layers, respectively.
  • Circulating aggregate for concrete is divided into circulating coarse aggregate and circulating fine aggregate.
  • circulating coarse aggregate means aggregate having a particle diameter of 5 mm or more and 25 mm or less
  • circulating fine aggregate means aggregate that is 0.01 mm or more and 5 mm or less. Examples of specific particle size distribution of such concrete aggregate aggregates are shown in Tables 3, 4, 6, 7 and 8 below. 6 to 8 corresponds to the particle size range of the circulating coarse aggregate and the circulating fine aggregate, respectively.
  • Table 3 is a table showing the particle size range of circulating coarse aggregate for concrete
  • Table 4 is a table showing the particle size range of circulating coarse aggregate for concrete
  • Figure 6 and Figure 7 is a particle size distribution curve of the circulating coarse aggregate for concrete
  • respectively 8 is the particle size distribution curve of the circulating fine aggregate for concrete.
  • the size of a typical aggregate for road substrate circulating aggregate is 0.01mm or more and 40mm or less, and is generally produced through two or more crushing steps, and examples of the range of absorption, density, and mortar adhesion or containment are shown in Table 5 below.
  • Ordinary circulating coarse aggregate for concrete is 5 to 25mm in size
  • circulating fine aggregate for concrete is 0.01 to 5mm in size
  • Absorption rate and density criteria specified in the concrete recycling aggregate quality standards are shown in Table 7 (absorption rate and density criteria specified in the recycled aggregate aggregate quality standards for concrete), and the absorption and density of general recycled aggregates for concrete are inadequate. .
  • the density and the absorption rate do not meet the criteria because cement or waste mortar is attached to the aggregate or mixed in the form of lumps or fine powders.
  • the voids of mortar are carbonated by mortar by carbonation as follows. It is filled with the reaction product calcium carbonate, thereby reducing the absorption rate and at the same time it is possible to increase the density.
  • the present invention lowers the pH by reducing the calcium hydroxide of the cement component, which is a cause of having strong alkali, by reacting with carbon dioxide in the present invention.
  • [Scheme 1] to [Scheme 3] shows the accelerated carbonation reaction to produce CaCO 3 and H 2 O by supplying carbon dioxide and water to the circulating aggregate.
  • Ca (OH) 2 contained in the recycled aggregate had a molecular weight of 73.92 and a specific gravity of 2.24 with a volume ratio of 33, and the resulting CaCO 3 had a molecular weight of 100 and a specific gravity of 2.71 with a volume ratio of 36.9.
  • the effect of filling the voids by expanding% is even greater.
  • 9 is a schematic diagram of the mortar carbonation mechanism attached to the circulating aggregate of the present invention which may be referred to in connection with this reaction.
  • the dry shrinkage rate of average concrete is 10.3 ⁇ 10 -4 at 13 weeks of age due to the higher absorption rate of recycled aggregates than natural aggregates. It appears to increase from 10 ⁇ 4 .
  • the recycled aggregates prepared according to the present invention are manufactured to meet the quality standards for recycled aggregates for concrete, and the recycled aggregates of the present invention have reduced absorption and increased density, and thus, when used for concrete to produce recycled aggregate concrete,
  • the dry shrinkage rate of recycled aggregate concrete is similar to that of ordinary concrete.
  • the alkali amount (Na 2 O eq ) of the used cement is added to 0.55 to 0.9% of the alkali content of the recycled fine aggregate, and 0.113% of the alkali amount of the recycled fine aggregate and 0.014% of the coarse aggregate aggregate amount are added to the total aggregate.
  • the probability of causing an alkali aggregate reaction increases.
  • the recycled aggregates used for concrete are manufactured according to the present invention to meet the recycled aggregate quality standards, alkali aggregate reactions do not occur.
  • Ca (OH) 2 contained in the mortar attached or contained in the circulating aggregate is a component showing alkalinity
  • the pH is changed according to its neutralization ratio.
  • the Ca (OH) 2 of the mortar adhering to or contained in the circulating aggregate is neutralized by 70% or more, the pH of the circulating aggregate is lowered to 10 or less.
  • Table 8 is a table showing the quality of the recycled aggregate for concrete produced by accelerated carbonation reaction
  • Table 9 is a table showing the pH value according to the neutralization ratio of Ca (OH) 2 of mortar attached or contained in the recycled aggregate to be.
  • the recycled aggregate for concrete of the present invention produced using the accelerated carbonation reaction is reduced as the absorption rate and density increases, as shown in Table 8 (quality of the recycled aggregate for concrete produced by the accelerated carbonation reaction), It meets aggregate quality standards and reduces the pH to less than 10, which is suitable for fish survival, reducing the adverse effects of ecosystems.
  • the concentration of pressure, temperature and CO 2 is high, but if it exceeds the critical point, the carbonation promotion is rather hindered. Therefore, in the range of carbonation promotion conditions, the temperature is maintained within -10 ⁇ 100 °C under a pressure condition of 1 to 10 atm, the CO 2 concentration is preferably 3% or more, by artificially creating the promotion conditions in this range It is preferable to complete the carbonation reaction of circulating aggregate within 1 to 30 minutes.
  • the recycled aggregate is carbonated using carbon dioxide in the air to maintain the moisture content of the recycled aggregate at 1.0 to 3.0% during carbonation reaction.
  • Dry accelerated carbonation method when carbonizing recycled aggregates by carbon dioxide in the air in the chamber, the water content of the recycled aggregates in the carbonization reaction is sprayed with water or carbonated water with carbon dioxide dissolved in the recycled aggregates in the chamber.
  • a high pressure hermetic chamber is used in which the accelerated carbonation reaction of circulating aggregate is performed.
  • the chamber has an inlet for inputting circulating aggregate, an outlet for discharging circulating aggregate, a stirring device for inducing a accelerated carbonation reaction of circulating aggregate and crushing circulating aggregate, and CO. injecting a second gas into the chamber and is provided with a heater for maintaining the temperature in the CO 2 gas inlet and outlet, and a chamber for re-emission.
  • the shape of the chamber may be a variety of forms, such as tower, box, horizontal, circular, inlet in the direction of gravity for the input and discharge of the circulating aggregate, the outlet is located in the lower portion of the chamber.
  • the stirring device may be configured to have a configuration in which the stirring and crushing of the circulating aggregate, such as screw type, rod type, propeller type, etc., and the CO 2 gas inlet and outlet are positions capable of smoothly injecting CO 2 into the upper and side portions. Or it can be located in multiple directions. In addition, it is located in the direction of the stirring and the reverse direction of the circulating aggregate to be in direct contact with the circulating aggregate, and may further include a filter device for preventing the inflow of dust.
  • a nozzle method of injecting carbonated water which is a carbon dioxide saturated aqueous solution, in the form of a spray or steam, or a method of injecting carbon dioxide gas into the air and injecting water in the form of a spray or steam Can be adopted.
  • CO 2 can be directly dissolved in water containing circulating aggregate to induce carbonation reaction in water.
  • the heater that serves to maintain the temperature in the chamber may be either electric or gas.
  • a dehydration device for removing excess water on the aggregate may be installed in the discharge direction to discharge the recycled aggregate after dehydration.
  • Recycled aggregates vary in quality depending on the type of construction waste and equipment retained in the production of recycled aggregates from the intermediate processing company that produces them.
  • one company in the metropolitan area, the eastern region, and the southern region is selected.
  • Recycled aggregates produced by a total of three companies were used, which are represented as a, b, and c in the table below (that is, in the tables below, a means circulating aggregate produced in the metropolitan area, and b is circulated aggregate produced in the southern region).
  • C means eastern producing circular aggregates).
  • the construction wastes input for the production of recycled aggregates are construction wastes, and the recycled aggregates used in this example were produced through three stages of crushing.
  • the change of pH according to the degree of neutralization was not compared with that of stirring.
  • the stirring device used in the present embodiment used that four 45 degree inclined wings are connected to the end of the stirring rod, the circulating aggregate was evenly stirred by rotating the stirring device at a speed of 50rpm inside the pressure chamber.
  • the quality of the recycled aggregate before the accelerated carbonation reaction is shown in Table 10 (quality table of the recycled aggregate put into the stirrer). After standing in the constant temperature and humidity room of the circulating aggregate, the circulating aggregate was settled for 5 minutes at a temperature of 20 ° C., a pressure of 3 atm, and a carbon dioxide concentration of 100% by a dry accelerated carbonation method, followed by stirring.
  • Table 11 shows the state before neutralization by the accelerated carbonation reaction, the neutralized state by the accelerated carbonation reaction without stirring the circulating aggregate, and the neutralization by the accelerated carbonation reaction while the recycled aggregate was stirred.
  • PH measurement results are summarized. As can be seen from Table 11, the result was that the pH is lowered when stirring, it was confirmed that the stirring in the chamber during the accelerated carbonation reaction is effective to achieve the object of the present invention.
  • the neutralization effect was insignificant. However, in the case of the circulating aggregate having a size of 0.01 to 40 mm, the neutralization effect was best when the carbon dioxide was neutralized at 100% of 3 atm for more than 5 minutes.
  • Table 12 below is a table summarizing the circulating aggregate quality of the state before performing the accelerated carbonation reaction according to Example 2 above.
  • a, b, and c are the same as in Table 10 and Table 11 above, a means metropolitan producing circulating aggregate, b means southern producing circulating aggregate, and c represents eastern producing circulating aggregate. it means.
  • Table 13 and Table 14 below are the table showing the quality change of the recycled aggregates after the accelerated carbonation reaction according to the present invention
  • Table 13 is for the circulating aggregates of 0.01 ⁇ 40mm
  • Table 14 is the cyclic thick of 5 ⁇ 25mm It is for aggregate and circulating fine aggregate of 0.01 ⁇ 5mm.
  • a means circulating aggregate in the metropolitan area
  • b means circulating aggregate in the southern part
  • c means circulating aggregate in the eastern part.
  • the change in pH according to the neutralization reaction for each chamber temperature was compared.
  • the test aggregate was a recycled aggregate of 40 mm or less, and the same recycled aggregate as that used in Example 1 was used.
  • Neutralization conditions were based on 100% carbon dioxide concentration while stirring at 3 atmospheres for 5 minutes under the dry circulation aggregate manufacturing method, and the reaction degree under these neutralization conditions was compared.
  • the temperature is lower than -10 °C, carbon dioxide and water is frozen, the reactivity is low, the neutralization reaction is not made, and when the temperature is higher than 100 °C, the aggregate is dried, the moisture for the reaction does not remain in the aggregate, the reactivity was low.
  • Table 15 below shows the results of the neutralization reaction with temperature.
  • Dry accelerated carbonation method for reacting with carbon dioxide in air in the chamber according to the neutralization reaction by carbonation of circulating aggregate semi-wet accelerated carbonation method for reacting carbon dioxide in surface wet state by spraying water on the surface, and carbon dioxide
  • the change of pH was measured about the wet accelerated carbonation method in which circulating aggregate is made to react with dissolved carbonated water.
  • the internal temperature was 20 °C and the neutralization reaction time was 5 minutes.
  • the carbon dioxide concentration in the dry and semi-wet chambers was 100% and maintained at 3 atmospheres.
  • the wet carbonated water production conditions were 1 atm and 100% carbon dioxide.
  • the pH change was measured by stirring and dissolving in water containing circulating aggregate.
  • Table 16 and Table 17 are the water content of the recycled aggregate (Table 16) measured before the reaction for comparison according to the carbonation method, respectively, and the neutralization pH measurement of the recycled aggregate according to the carbonation method (Table 17).
  • Table 16 and Table 17 the pH is contained between 8 to 9, it can be seen that the method of producing circulating aggregate of the present invention is a useful invention for reducing the pH of the circulating aggregate.

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Abstract

본 발명은, 촉진탄산화 반응을 이용하여 제조되어, 크게 저감된 흡수율과 증진된 밀도를 가지고 있어 순환골재의 품질기준에 적합하며, 강알카리성인 종래의 순환골재와 달리 낮은 pH를 가지고 있어 콘크리트용으로 사용될 때, 알칼리 골재반응 및 건조수축을 현상을 최소화시킬 수 있게 되며, 토양, 수질 환경 및 생태계 영향을 최소화할 수 있게 되는 순환골재를 제조하는 방법에 대한 것이다.

Description

촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재 제조방법
본 발명은 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 촉진탄산화 반응을 이용하여 제조되어, 크게 저감된 흡수율과 증진된 밀도를 가지고 있어 순환골재의 품질기준에 적합하며, 강알카리성인 종래의 순환골재와 달리 낮은 pH를 가지고 있어 콘크리트의 알칼리 골재반응 및 건조수축을 현상을 최소화시킬 수 있게 되며, 토양, 수질 환경 및 생태계 영향을 최소화할 수 있게 되는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재 제조방법에 관한 것이다.
건설폐기물의 매립량을 감소시키고 천연자원의 소비를 억제하기 위하여, 재활용이 가능한 건설폐기물의 재활용이 장려되고 있다. 특히, 건설폐기물 중 80% 이상을 차지하는 폐콘크리트, 폐아스팔트 콘크리트, 폐벽돌, 폐블록, 폐타일 등 무기성 건설폐재류를 파쇄하여 물리적, 화학적 처리과정을 거쳐 순환골재로 재활용하도록 제도화되고 있으며, 순환골재의 품질기준을 제정하여, 이에 적합한 순환골재를 사용하도록 장려하고 있다.
일반적으로 순환골재는, 건설폐재류 덩어리의 파쇄 단계 및 선별 단계를 여러 차례 거쳐 생산되는데, 특히 도로의 건설에 사용되는 도로기층용 순환골재는 2회 이상의 파쇄과정을 거치고, 콘크리트용 순환골재는 3회 이상의 파쇄과정을 거쳐 표준 입도 분포에 적합하도록 생산된다. 그런데 이러한 파쇄과정을 거쳐 생산된 순환골재는, 강도가 높은 자갈 등의 골재의 표면에 시멘트 또는 모르타르의 파쇄 잔분이 부착되어 있거나, 시멘트 또는 모르타르 파쇄 잔분이 혼합되어 있다. 따라서 종래의 순환골재는, 밀도가 낮고 흡수율은 높다는 단점이 있으며, 이러한 단점으로 인하여 종래의 순환골재는 순환골재의 품질기준에 부적합하게 된다. 또한 흡수율이 높은 순환골재를 콘크리트용으로서 콘크리트에 사용할 경우에는, 천연골재를 사용한 콘크리트보다 건조수축이 높게 되는 것이 문제점으로 지적되고 있다.
특히, 종래의 콘크리트용 순환골재의 경우, 골재 표면에 시멘트 또는 모르타르가 부착되어 있기 때문에, 아래와 같은 문제점이 발생하게 된다.
(1)콘크리트의 워커빌리티(workability)의 저하;
(2)콘크리트의 슬럼프 및 공기량의 경시변화가 증대;
(3)콘크리트의 압축, 인장, 휨, 전단, 피로 등의 강도 특성 저하;
(4)콘크리트의 탄성계수 저하;
(5) 콘크리트의 건조수축 및 크리프 증가;
(6) 콘크리트의 동결융해 저항성, 중성화 저항성, 염해 저항성, 화학저항성 등의 내구성 저하;
(7) 콘크리트의 균열발생 가능성 증가.
따라서 종래의 콘크리트용 순환골재를 사용하는 경우, 콘크리트의 물리적ㅇ역학적 특성의 저하를 초래하게 된다.
또한, 폐콘크리트의 주성분인 시멘트의 특성(특히, 산화칼슘과 물의 반응에 의해 생성된 수산화칼슘)으로 인하여, 종래의 순환골재는 pH가 10을 초과하는 강알카리성을 가지고 있고, 이로 인하여 순환골재가 해안이나 지하수 또는 우수 등에 노출되는 경우, 강알카리성의 용출수가 발생하여 환경오염을 야기하거나 생태계의 악영향을 줄 수 있다. 도 1은 일반적인 pH에 따른 물고기의 생존가능성을 나타내는 그래프도인데, 도 1에 도시된 것처럼, pH가 10을 초과하는 경우, 물고기가 살지 못하는 것으로 되어 있다. 따라서, 순환골재의 pH를 10이하가 되도록 해야, 환경에 미치는 악영향을 감소시킬 수 있다.
또한, 종래의 콘크리트용 순환골재는 강알카리성을 띄고 있기 때문에, 콘크리트의 제조에 사용될 때, 알카리량의 과다로 인한 알칼리 골재반응이 발생할 가능성이 있으며, 골재의 팽창에 의한 균열발생, 팝-아웃 등 성능저하 현상이 발생할 수 있다.
이산화탄소는 콘크리트 주성분인 시멘트의 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 반응하여 탄산칼슘을 생성하여, pH 10을 초과하는 고알카리성인 시멘트를 중성화하고 동시에 공극을 치밀화시키는 효과를 갖고 있는데, 최근 이산화탄소 배출이 지구온난화 등의 주요 원인으로 지목되고 있어 이를 저감하는 노력이 요구되고 있다. 현재 이산화탄소를 순환골재의 생산에 이용한 기술로서, 순환골재 세척수에 이산화탄소를 용해시켜 재활용 세척수를 중성화시키는 기술(대한민국 특허등록 제805,322호)이 있으나, 재활용 세척수를 중성화시키는 비용이 많이 발생하고, 순환골재를 간접적인 방식으로 중성화시키는 것이기 때문에, 순환골재의 중성화 효과가 높지 않아 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산하기에 부족하다는 한계가 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 강알카리성을 띄는 순환골재의 pH를 저하시켜, 알칼리 골재반응을 억제하고, 토양, 수질 환경 및 생태계 영향을 최소화할 수 있는 순환골재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 재활용 세척수의 중성화시키는 비용이 많이 발생하고, 간접적인 방법에 의함으로써 순환골재의 중성화 효율이 떨어지며, 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산하기 어려웠던 종래 기술의 문제를 해결하여 저렴한 비용으로 직접적으로 순환골재를 탄산가스에 의해 중성화시켜, 흡수율이 저감되고 밀도가 증진되어 순환골재의 품질기준에 적합하며 생산비용도 저렴한 순환골재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 순환골재를 제조함에 있어서, 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여 압력 1~10기압, 온도 -10~100℃에서 1~30분간 탄산화 반응을 촉진시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환골재의 제조방법이 제공된다.
구체적으로 본 발명에서는, 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환 굵은골재, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재, 또는 0.01~40mm 크기의 순환골재 중 어느 하나이거나 이들 중 둘 이상의 혼합물을 생산하는 파쇄 및 분리 선별 공정에서 생산되고 상기 골재를 투입하는 투입구와 처리 후 배출하는 배출구를 구비한 폐쇄된 챔버 내에서 이산화탄소와 순환골재를 촉진탄산화 시키는 제조공정을 가지는데, 순환골재의 공기 중의 이산화탄소와 순환골재를 탄산화시켜 탄산화반응시 순환골재의 함수율이 1.0~3.0%로 유지되도록 하는 건식 촉진탄산화 방법, 챔버 내의 공기 중에 이산화탄소와 순환골재가 탄산화할 때 챔버 내에 물을 분무하거나 이산화탄소가 녹아있는 탄산수를 챔버 내의 순환골재에 분무하여 탄산화반응시 순환골재의 함수율이 3.1~6%로 유지되도록 하는 반습식 촉진탄산화 방법, 또는 이산화탄소가 녹아있는 탄산수를 채운 챔버 내에 순환골재를 투입하여 수중에서 탄산화시켜 탄산화반응시 순환골재의 함수율이 6% 이상이 유지되도록 하는 습식 촉진탄산화 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 순환골재의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 순환골재 제조방법을 통해 생산된 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재는 흡수율이 7%이상 낮아지고 절건밀도가 10%이상 상승되며, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재는 흡수율이 6%이상 낮아지고 절건밀도가 10%이상 상승되며, 0.01~40mm크기의 순환골재는 흡수율이 10%이상 낮아지고 절건밀도가 20%이상 상승되므로, 본 발명의 순환골재 제조방법을 이용하게 되면 우수한 품질의 순환골재를 생산할 수 있다.
본 발명에 의하면, 촉진탄산화 반응에 의하여 순환골재를 중성화시키게 되는데, 강알카리성을 나타내는 Ca(OH)2의 탄산화 반응에 의한 pH 저감효과가 발휘되어 토양, 수질환경 및 생태계 영향을 최소화하는 친환경적인 순환골재의 생산이 가능하다.
또한 본 발명에서는, 촉진탄산화 반응 과정에서, 밀도 저하의 주요 요인인 시멘트의 공극을 반응생성물인 탄산칼슘(CaCO3)에 의해 충전시키게 되며, 그에 따라 순환골재의 흡수율 저감의 효과가 발휘되며, 순환골재의 밀도 및 단위용적질량이 높아져 순환골재의 품질이 전반적으로 우수해지고 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에 따른 순환골재를 콘크리트에 사용시, 순환골재가 아닌 천연골재를 사용한 보통 콘크리트의 건조 수축률과 유사한 건조 수축률을 나타낼 정도로 건조수축이 억제되며, 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르의 추가적인 알카리량에 의해 팽창 및 균열을 유발하는 알칼리 골재 반응의 가능성을 저하시키게 되는 등의 효과를 발휘하게 된다. 따라서 콘크리트의 전체적인 품질을 향상시킬 수 있게 되며, 토양, 수질 환경 및 생태계 영향을 최소화할 수 있게 된다.
더 나아가, 본 발명에 의해 순환골재의 흡수율 저감 및 밀도의 증대, 그리고 그로 인한 콘크리트의 품질 향상의 결과로, 건설폐기물의 재활용이 활성화되어 자원이 절약되고, 양질의 저렴한 골재를 공급할 수 있게 되어 골재수급이 원활해지며, 건설폐기물 중간처리업체의 생산능력 및 기술의 향상으로 경제 활성화와 민간분야 신규 일자리 창출 효과가 기대된다.
또한, 본 발명은, 이산화탄소의 저장에 의한 대기 중의 이산화탄소 저감효과를 발휘하게 되며, 본 발명에서는 고온, 고농도의 이산화탄소 가스에 의하여 순환골재의 촉진탄산화 반응을 수행하므로, 순환골재의 건조효과가 현저하게 발휘되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 pH에 따른 물고기의 생존가능성을 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3은 각각 도로기층용 순환골재의 입도분포의 예를 보여주는 입도분포 그래프이다.
도 4 및 도 5는 각각 도로보조기층용 순환골재의 입도분포의 예를 보여주는 입도분포 그래프이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 순환 굵은골재의 입도분포 그래프이다.
도 8은 본 발명의 순환 잔골재의 입도분포 그래프이다.
도 9는 본 발명의 순환골재에 부착된 모르타르의 탄산화 메카니즘의 개략도이다.
본 발명에서는 촉진탄산화 반응을 이용하여 순환골재를 제조하는 방법으로서, 순환골재를 폐쇄된 챔버에 투입하고, 상기 챔버 내에 농도 3% 이상의 이산화탄소를 공급하여 압력 1~10기압, 온도 -10~100℃에서 1~30분간 탄산화 반응을 시켜 순환골재를 생산하는 방법이다.
구체적으로, 본 발명에 의하면, 콘크리트에 혼합되어 사용되기에 적합한 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재, 또는 0.01~40mm 크기의 순환골재 중 어느 하나이거나 또는 이들 중에서 둘이상의 골재를 혼합한 순환골재를 생산하게 되는데, 본 발명의 방법에서는, 골재 투입구와 골재 배출구를 구비한 챔버 내에서, 파쇄 및 분리 선별 공정을 통해 생산된 순환골재를 투입한 후 이산화탄소를 이용하여 순환골재를 촉진탄산화시켜서 위와 같은 순환골재를 생산하게 된다.
본 발명은 이산화탄소에 순환골재를 노출시켜 탄산화반응에 의하여 탄산화시킬 때 순환골재의 함수율이 1.0~3.0%로 유지되도록 하는 건식 순환골재 제조방법과, 챔버 내에 물을 분무하거나 이산화탄소가 녹아있는 탄산수를 챔버 내의 순환골재에 분무하여 탄산화반응시 순환골재의 함수율이 3.1~6%로 유지되도록 하는 반습식 순환골재 제조방법과, 이산화탄소가 녹아있는 탄산수를 채운 챔버 내에 순환골재를 투입하여 수중에서 탄산화시켜 탄산화반응시 순환골재의 함수율이 6% 이상이 유지되도록 하는 습식 순환골재 제조방법으로 구분될 수 있다. 상기 건식, 반습식 및 습식 순환골재 제조방법에 의해 제조된 순환골재는 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재의 경우 흡수율이 7%이상 낮아지고 절건밀도가 10%이상 상승되며, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재의 경우 흡수율이 6%이상 낮아지고 절건밀도가 10%이상 상승되며, 0.01~40mm크기의 순환골재는 흡수율이 10%이상 낮아지고, 절건밀도가 20%이상 상승되어 우수한 품질의 순환골재를 얻을 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 의하면, 흡수율이 3.1~8%이고 절건밀도가 2.2~2.49g/㎤이며 pH가 11~12.5인 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재를, 폐쇄된 반응 챔버 내에서 이산화탄소와 반응시키는 촉진탄산화 반응을 이용하여 순환 굵은골재에 부착되거나 함유된 시멘트 또는 모르타르에 포함된 Ca(OH)2을 70% 이상 중성화시킴으로써, 순환 굵은골재의 흡수율이 1.5~3.0%로 하강하고, 절건밀도가 2.5~4.0g/㎤으로 상승되며, pH가 7.5~10으로 낮아진 고밀도 중성화된 콘크리트용 순환 굵은골재가 만들어진다. 또한 본 발명에 의하면, 흡수율이 5.1~10%이고 절건밀도가 2.1~2.19g/㎤이며 pH가 11~12.5인 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를, 폐쇄된 반응 챔버 내에서 이산화탄소와 반응시키는 촉진탄산화 반응을 이용하여 순환 잔골재에 부착되거나 함유된 시멘트 또는 모르타르에 포함된 Ca(OH)2을 70% 이상 중성화시킴으로써, 흡수율이 2.0~5.0%으로 하강하고 절건밀도가 2.2~3.8g/㎤으로 상승되며 pH가 7.5~10으로 낮아진 고밀도 중성 콘크리트용 순환 잔골재가 만들어진다.
또한 본 발명에 의하면, 폐쇄된 반응 챔버 내에서 이산화탄소와 반응시키는 촉진탄산화 반응을 이용하여 순환골재에 부착되거나 함유된 시멘트 또는 모르타르에 포함된 Ca(OH)2을 70% 이상 중성화시킴으로써, 흡수율이 2.0~5.9%이고 절건밀도가 2.1~3.9g/㎤이며 pH가 7.5~10으로 낮아진 0.01~40mm 크기의 고밀도 중성화된 순환골재가 만들어진다.
본 발명에서는 이산화탄소를 시멘트 또는 모르타르 성분이 부착 또는 함유된 콘크리트용 순환골재에 적용하여 순환골재를 탄산화시킴으로써, 순환골재의 흡수율을 증대시키게 되고 밀도를 저하시키게 되는 주요한 요인인 시멘트의 공극을 반응생성물인 탄산칼슘에 의해 충전시키게 된다. 그에 따라 순환골재의 흡수율을 저감시킬 수 있게 되며 밀도 역시 증진시키게 되어, 순환골재의 품질기준에 적합한 순환골재를 생산할 수 있게 된다.
따라서 이러한 본 발명의 순환골재를 콘크리트에 사용할 경우, 콘크리트의 건조수축을 저감시킬 수 있게 된다. 특히, 본 발명에 의하면, 강알카리성이었던 순환골재의 pH가 10 이하로 낮아지게 되므로, 본 발명의 순환골재를 콘크리트에 사용할 때, 알칼리골재 반응을 억제할 수 있게 되고, 토양, 수질환경 및 생태계 영향을 최소화할 수 있게 된다.
앞서 설명한 본 발명의 구성에서, 순환골재의 절건밀도는 순환골재가 "절건상태일 때의 밀도"를 의미하는데, "절건상태"는 절대건조상태를 의미한다. 또한 본 발명에서 순환골재의 "촉진탄산화"는 직접적으로 순환골재를 탄산가스에 의해 중성화시키는 것을 의미한다. 순환골재는 도로기층용, 도로보조기층용, 콘크리트용, 아스팔트 콘크리트용, 동상방지층 및 차단층용, 노상용, 노체용, 되메우기용, 뒷채움용, 성토용, 복토용, 매립시설의 복토용의 다양한 용도로 사용이 가능하다. 통상적으로 순환골재의 크기(입경)는 0.01mm 이상 40mm이하이며, 콘크리트용 순환 굵은골재의 크기는 5~25mm이고, 콘크리트용 순환 잔골재의 크기는 0.01~5mm이다.
순환골재의 입도분포를 명시한 용도는 도로기층용, 도로보조기층용, 콘크리트용이 있는데, 표 1에는 도로기층용 순환골재의 입도범위가 다양한 크기의 체를 통과한 골재의 통과비율로서 정리되어 있고, 표 2에는 도로보조기층용 순환골재의 입도범위가 정리되어 있다. 도 2 내지 도 5에는 각각 도로기층용 순환골재의 입도분포의 예(도 2, 도 3)와 도로보조기층용 순환골재의 입도분포의 예(도 4, 도 5)가 입도분포 곡선으로 도시되어 있는데, 도 2 내지 도 5의 폐합선 내부가 각각 순환골재의 입도범위에 해당한다. 아래의 표 1와 표 2에서 RB-1, RB-2는 각각 도로기층용 순환골재를 의미하고, RB'1 및 RB'2는 각각 도로보조기층용 순환골재를 의미한다.
표 1
체크기구분별통과량(%) 50mm 40mm 25mm 20mm 5mm 2.5mm 0.4mm 0.08mm
RB-1 100 95 60 30 20 10 0
100 90 65 50 30 10
RB-2 100 80 60 30 20 10 0
100 95 90 65 50 30 10
표 2
체크기구분별통과량(%) 75mm 50mm 40mm 20mm 5mm 2.5mm 0.4mm 0.08mm
RB'1 100 70 50 30 20 5 2
100 100 90 65 55 25 10
RB'2 100 80 55 30 20 5 2
100 100 100 70 55 30 10
콘크리트용 순환골재는 순환 굵은골재와 순환 잔골재로 구분하며, 통상순환 굵은골재는 입경이 5mm이상 25mm이하인 골재를 의미하고, 순환 잔골재는 0.01mm 이상 5mm이하인 골재를 의미한다. 이러한 콘크리트 순환골재의 구체적인 입도분포의 예는 아래의 표 3, 표 4, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 6 내지 도 8의 폐합선 내부가 각각 순환 굵은골재 및 순환 잔골재의 입도범위에 해당한다. 표 3은 콘크리트용 순환 굵은골재의 입도범위를 보여주는 표이며, 표 4는 콘크리트용 순환 잔골재의 입도범위를 보여주는 표이고, 도 6와 도 7은 각각 콘크리트용 순환 굵은골재의 입도분포곡선이며, 도 8은 콘크리트용 순환 잔골재의 입도분포곡선이다.
표 3
체크기 구분별 통과량(%) 40mm 25mm 20mm 15mm 10mm 5mm 2.5mm
굵은골재(25mm이하0.01mm이상) 100 95 25 0 0
100 60 10 5
굵은골재(20mm이하0.01mm이상) 100 90 20 0 0
100 100 55 10 5
표 4
체크기구분별 통과량(%) 10mm 5mm 2.5m 1.2mm 0.6mm 0.3mm 0.15mm
잔골재(5mm이하0.01mm이상) 100 90 80 50 25 10 2
100 100 100 90 65 35 15
통상의 도로기층용 순환골재의 크기는 0.01mm 이상 40mm 이하의 골재로서, 일반적으로 2단계 이상의 파쇄단계를 거쳐 생산되며 흡수율, 밀도 및 모르타르 부착 또는 함유랑의 범위 예는 아래의 표 5와 같다.
표 5
구분 흡수율 절건밀도(g/cm3) pH 모르타르부착 또는 함유량(wt%) 파쇄회수
도로기층용 순환골재(40mm이하0.01mm이상) 6.1~10% 2.0-~2.09 11이상 20~30% 2회 이상
통상의 콘크리트용 순환 굵은골재는 크기가 5~25mm이며, 통상의 콘크리트용 순환 잔골재는 크기가 0.01~5mm인데, 일반적으로 3단계 이상의 파쇄과정을 거치게 되며, 흡수율 및 절건밀도, pH 및 모르타르 부착 또는 함유량의 범위는 아래의 표 6(콘크리트용 순환골재의 현황 예)과 같다.
표 6
구분 흡수율 절건밀도(g/cm3) pH 모르타르 부착 또는 함유량(wt%) 파쇄회수
콘크리트용 순환 굵은골재(25mm이하 5mm 이상) 3.1~8% 2.2~2.49 11이상 10~15% 3회 이상
콘크리트용 순환잔골재(5mm이하0.01mm 이상) 5.1~10% 2.1~2.19 11이상 15~20% 3회 이상
콘크리트용 순환골재의 품질기준에 명시된 흡수율 및 밀도 기준은 아래의 표 7(콘크리트용 순환골재 품질기준에 명시된 흡수율 및 밀도 기준)와 같으며, 일반적인 콘크리트용 순환골재의 흡수율 및 밀도는 이에 부적합한 상태이다.
표 7
구분 흡수율 절건밀도(g/cm3)
콘크리트용 순환 굵은골재(25mm이하 5mm 이상) 3% 이하 2.5 이상
콘크리트용 순환잔골재(5mm이하 0.01mm 이상) 5% 이하 2.2 이상
통상 순환골재에는, 시멘트 또는 폐모르타르가 골재에 부착되어 있거나 덩어리 형태 또는 미분 형태로 혼합되기 때문에 밀도 및 흡수율이 기준에 부적합하게 되는데, 본 발명에서는 다음과 같이 모르타르를 이산화탄소에 의하여 탄산화시킴으로써 모르타르의 공극을 반응생성물인 탄산칼슘으로 충전시키게 되며, 그에 따라 흡수율을 저감시킴과 동시에 밀도를 증진시킬 수 있게 된다. 아울러 순환골재가 강알카리성을 갖는 원인인 시멘트 성분의 수산화칼슘을, 본 발명에서는 이산화탄소와 반응시켜 저감시킴으로써 pH를 낮추게 된다. 즉, 순환골재에 탄산화 반응을 위한 이산화탄소와 수분을 함께 공급하면, 순환골재의 표면에 부착되어 있거나 덩어리 또는 잔분의 형태로 혼합된 폐모르타르의 공극에 수분이 모세관현상에 의하여 침투하게 되고, 공극내 표면에 수분이 흡수되어 Ca(OH)2가 Ca2+와 2OH-로 분해되고, 이산화탄소가 용해된 탄산수(H2CO3)는 2H+와 CO3 2-로 분해되어, 분해된 Ca2+와 CO3 2-가 결합하여 CaCO3를, 2H+와 2OH-가 결합하여 H2O를 생성하고 공극 표면에 누적되어, 결국 공극을 충전하게 된다. 구체적으로 하기 반응식에 의해 순환골재의 촉진탄산화 반응을 이해할 수 있다.
[반응식1]
Ca(OH)2 →Ca2++ 2OH-
[반응식2]
CO2 + H2O → H2CO3 → 2H++ CO3 2-
[반응식3]
Ca2+ + 2OH- + 2H++ CO3 2- → CaCO3+ 2H2O
상기 [반응식1] 내지 [반응식3]은 순환골재에 이산화탄소와 물을 함께 공급하여 CaCO3와 H2O를 생성하는 촉진탄산화반응을 나타낸다. 순환골재에 포함되어 있던 Ca(OH)2는 분자량이 73.92, 비중이 2.24로 부피비가 33이며, 생성된 CaCO3는 분자량이 100, 비중이 2.71로 부피비가 36.9로서, 탄산화 반응시 부피가 약 12% 팽창하여 공극을 충전하는 효과가 더욱 커진다. 도 9는 이러한 반응과 관련하여 참조할 수 있는 본 발명의 순환골재에 부착된 모르타르의 탄산화 메카니즘의 개략도이다.
특히, 콘크리트에 종래의 순환골재를 사용한 순환골재 콘크리트의 경우, 천연골재보다 높은 순환골재의 흡수율 때문에 건조수축이 재령 13주에서 평균 10.3×10-4로 천연골재를 사용한 보통콘크리트의 건조수축률 6.9×10-4보다 증가하는 것으로 나타난다.
그러나 본 발명에 따라 제조한 순환골재는 콘크리트용 순환골재 품질기준에 적합하게 제조되고, 이러한 본 발명의 순환골재는 흡수율이 저감되고 밀도가 증가되므로, 콘크리트에 사용하여 순환골재 콘크리트를 제조하였을 때, 순환골재 콘크리트의 건조수축률은 보통콘크리트와 유사하게 된다.
또한 종래의 순환골재를 콘크리트에 사용하는 경우, 사용 시멘트의 알칼리량(Na2Oeq) 0.55~0.9%에 순환 잔골재의 알칼리량 0.113%나 순환 굵은골재 알칼리량 0.014%가 추가되어, 골재의 전체 알칼리량이 높아지게 되므로 알칼리 골재반응을 일으킬 가능성이 높아지게 된다. 그러나 콘크리트에 사용하는 순환골재를 본 발명에 의해 제조하여 순환골재 품질기준에 적합하게 만들 경우, 알칼리골재 반응이 발생하지 않게 된다.
순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함된 Ca(OH)2는 알칼리성을 나타내는 성분이므로, 그 중성화 비율에 따라 pH가 변하게 된다. 본 발명에서는, 탄산화 반응에 의해 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르의 Ca(OH)2가 70% 이상 중성화되므로, 순환골재의 pH가 10 이하로 저하된다.
아래의 표 8은 촉진탄산화 반응에 의하여 생산된 콘크리트용 순환골재의 품질을 나타낸 표이고, 표 9는 순환골재에 부착 또는 함유된 모르타르의 Ca(OH)2의 중성화 비율에 따른 pH 값을 보여주는 표이다.
표 8
구분 흡수율 절건밀도(g/cm3) pH
처리 전 처리후(콘크리트용 순환골재 품질기준에 적합) 처리 전 처리후(콘크리트용 순환골재 품질기준에 적합) 처리전 처리후
콘크리트용 굵은골재(25mm이하 5mm 이상) 3.1~8% 3%이하 2.2~2.49 2.5이상 11이상 10이하
콘크리트용 잔골재(5mm이하 0.01mm 이상) 5.1~10% 5%이하 2.1~2.19 2.2이상 11이상 10이하
표 9
구 분 Ca(OH)2의 중성화 비율(%)
100 85 70 55
pH 8 9 10 11
이와 같이, 촉진탄산화 반응을 이용하여 생산한 본 발명의 콘크리트용 순환골재는 위의 표 8(촉진탄산화 반응에 의하여 생산된 콘크리트용 순환골재의 품질)과 같이 흡수율이 저감되고 밀도가 증가하므로, 순환골재 품질기준에 적합하게 되며, pH도 어류의 생존에 적합한 10 이하로 감소하여 생태계의 악영향을 줄이게 된다.
한편, 상기한 탄산화에 의한 순환골재의 생산을 위해서는, 탄산화를 촉진시키기 위한 조건이 필요하다. 탄산화를 촉진하기 위해서는 압력, 온도 및 CO2의 농도가 높은 것이 바람직하지만, 임계점을 넘을 경우 오히려 탄산화 촉진에 방해가 된다. 따라서, 탄산화 촉진 조건의 범위로는, 1~10기압의 압력조건에서 온도는 -10~100℃ 이내로 유지하고, CO2농도는 3% 이상이 바람직하며, 이러한 범위의 촉진조건을 인위적으로 조성하여 순환골재의 탄산화반응을 1~30분 이내에 종료하는 것이 바람직하다.
상기한 촉진탄산화 반응을 이용하여 순환골재를 제조하기 위한 촉진탄산화 방법으로는, 순환골재를 공기 중의 이산화탄소를 이용하여 순환골재를 탄산화시켜 탄산화 반응시 순환골재의 함수율이 1.0~3.0%로 유지되도록 하는 건식 촉진탄산화 방법, 챔버 내에서 공기 중의 이산환탄소에 의해 순환골재를 탄산화시킬 때 챔버 내에 물을 분무하거나 이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 챔버 내의 순환골재에 분무하여 탄산화 반응시 순환골재의 함수율이 3.1~6%로 유지되도록 하는 반습식 촉진탄산화방법, 및 이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 채운 챔버 내에 순환골재를 투입하여 수중에서 탄산화시킴으로써 순환골재의 함수율이 6% 이상이 되도록 하는 습식 촉진탄산화 방법이 있다. 본 발명에서는 이러한 방법 중의 어느 것을 촉진탄산화 방법으로 사용해도 무방하다.
순환골재의 촉진탄산화 반응이 이루어지는 고압 밀폐형 챔버가 사용되는데, 상기 챔버에는 순환골재를 투입하는 투입구, 순환골재를 배출하는 배출구, 순환골재의 촉진탄산화 반응을 유도하고 순환골재를 파쇄하는 교반장치, CO2 가스를 챔버 내로 주입하고 다시 배출하는 CO2 가스 주입 및 배출구, 그리고 챔버 내의 온도 유지를 위한 히터가 설치된다.
구체적으로, 챔버의 형태는 타워식, 박스형, 수평형, 원형 등 다양한 형태가 가능하며, 순환골재의 투입 및 배출을 위해 중력방향으로 투입구는 챔버의 상부에, 배출구는 챔버의 하부에 위치한다. 교반장치는 스크류식, 봉식, 프로펠러식 등으로 순환골재의 교반 및 파쇄가 이루어지는 구성을 가지는 것으로 다양하게 구성될 수 있으며, CO2 가스 주입 및 배출구는 CO2의 원활한 주입이 가능한 위치로서 상부, 측면부 또는 다방향에 위치 가능하다. 또한, 순환골재의 교반시의 방향과 그의 역방향에 위치하여 순환골재와 접촉이 직접적으로 이루어지도록 위치하며, 먼지가 유입되는 것을 막기 위한 필터장치가 더 포함될 수 있다.
반습식 촉진탄산화 방법에 있어서는, 이산화탄소가 포화되어 있는 수용액인 탄산수를 스프레이형식이나 스팀형식으로 주입하는 노즐방식을 채택하거나, 공기 중에 이산화탄소가스를 주입해두고 물을 스프레이형식이나 스팀형식으로 주입하는 방식을 채택할 수 있다.
습식 촉진탄산화 방법에 있어서는 순환골재가 담긴 수중에 CO2를 직접 용해시켜 수중에서 탄산화반응을 유도하도록 할 수 있다. 또한, 챔버 내 온도를 유지시켜주는 역할을 하는 히터는 전기식 또는 가스식이 모두 가능하다.
한편, 반습식 및 습식 촉진탄산화 방법에 있어서는, 순환골재의 촉진탄산화 반응이 완료된 후 골재에 묻은 잉여수를 제거하기 위한 탈수장치를 배출방향에 설치하여 탈수 후 순환골재를 배출하도록 구성할 수도 있다.
이하 본 발명의 구성을 아래의 실시예를 통해 상세히 설명하지만, 본 발명이 아래의 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
순환골재는 생산하는 중간처리업체에서 순환골재 생산시 투입되는 건설폐기물의 종류 및 보유장비 등에 따라 그 품질이 다양하게 나타나므로 다음의 실시예에서는, 수도권, 동부권 및 남부권의 각 1개업체씩을 선정하여 총 3개업체에서 생산한 순환골재를 사용하였으며, 이를 아래의 표에서는 각각 a, b 및 c로 표시하였다(즉, 아래의 표들에서 a는 수도권 생산 순환골재를 의미하고, b는 남부권 생산 순환골재를 의미하며, c는 동부권 생산 순환골재를 의미한다). 3개업체 모두에서, 순환골재 생산을 위해 투입한 건설폐기물은 건설폐재류이며, 본 실시예에서 사용된 순환골재는 3단계의 파쇄과정을 거쳐 생산된 것이다.
(실시예1. 탄산화 반응시 교반 여부에 따른 중성화 반응)
촉진탄산화 반응시 교반을 수행하지 않는 경우와, 교반을 수행하는 경우의 중성화 정도에 따른 pH의 변화를 비교하였다. 본 실시예에서 사용된 교반장치는 교반봉의 끝에 4개의 45도 경사날개가 연결되어 있는 것을 사용하였으며, 교반장치를 압력 챔버 내부에서 50rpm의 속도로 회전시켜 순환골재가 골고루 교반되도록 하였다. 촉진탄산화 반응 처리 전의 순환골재의 품질은 아래의 표 10(교반장치에 투입된 순환골재의 품질표)과 같으며, 0.01~40mm 이하 크기의 순환골재를 24시간 동안, 온도 20℃및 상대습도 60%의 항온항습실에서 사전 정치한 후, 정치한 순환골재를 건식 촉진탄산화 방법에 의해 온도 20℃, 압력 3기압, 및 이산화탄소 농도 100%에서 5분 동안 순환골재를 고정시킨 후 교반하였다. 표 11에는 촉진탄산화 반응에 의한 중성화를 하기 전의 상태와, 순환골재를 교반하지 않은 채 촉진탄산화 반응에 의한 중성화를 진행한 상태와, 순환골재를 교반하면서 촉진탄산화 반응에 의한 중성화를 진행한 경우에 대한 pH 측정결과가 정리되어 있다. 표 11에서 알 수 있듯이, 교반을 하는 경우에 pH가 낮아지는 결과를 얻게 되었으며, 촉진탄산화 반응시 챔버 내에서 교반하는 것이 본 발명의 목적을 달성하는데 효과적임이 확인되었다.
표 10
흡수율(%) 절건밀도 (g/cm2) pH
a b c a b c a b c
0.01mm이상40mm이하 크기의 순환골재 8.9 9.1 8.6 2.12 2.05 2.14 11.3 11.7 11.6
표 11
pH
중성화 전 순환골재를 교반하지 않는 경우 순환골재를 교반한 경우
a b c a b c a b c
0.01mm이상40mm이하 크기의 순환골재 11.3 11.7 11.6 11.1 11.2 10.9 9.1 9.0 8.9
(실시예2 -촉진탄산화 반응 전 후의 순환골재별 흡수율, 밀도 및 pH의 변화)
0.01~40mm 크기의 순환골재, 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재, 및 0.01~5mm크기의 콘크리트용 순환 잔골재를 각각 건식 촉진탄산화 방법으로 20℃의 동일한 온도조건에서 챔버 내 조건을 각각 1, 3 및 10기압, 이산화탄소 3, 10 및 100%, 반응시간 1, 5 및 30분으로 다양하게 변화시킨 조건에서 중성화시킨 후, 각각의 경우에 대해 순환골재의 밀도, 흡수율 및 pH의 변화를 측정하였다.
챔버 내에서 이산화탄소를 1기압에서 중성화시키는 경우, 중성화 효과는 미미하였으나, 0.01~40mm 크기의 순환골재의 경우에는 3기압 이산화탄소 100%에서 5분 이상 중성화할 경우 가장 좋은 중성화 효과를 나타냈다.
5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재와 0.01~5mm크기의 콘크리트용 순환 잔골재의 경우에는 3기압에서 이산화탄소 100%의 환경에서 5분 이상 중성화 하는 경우, 10기압에서 이산화탄소 10%를 제공하고 30분간 반응시킨 경우에 우수한 품질의 순환골재를 얻을 수 있었다.
아래의 표 12는 위 실시예 2에서, 본 발명에 따른 촉진탄산화 반응을 수행하기 전 상태의 순환골재 품질을 정리한 표이다. 아래의 표 12에서 a, b, c는 위의 표 10 및 표 11의 경우와 마찬가지로, a는 수도권 생산 순환골재를 의미하며, b는 남부권 생산 순환골재를 의미하고, c는 동부권 생산 순환골재를 의미한다.
표 12
흡수율(%) 절건밀도 (g/cm2) pH
a b c a b c a b c
0.01mm이상 40mm 이하 순환골재 8.9 9.1 8.6 2.12 2.05 2.14 11.3 11.7 11.6
5mm이상 25mm이하 순환 굵은골재 3.8 3.6 4.0 2.29 2.35 2.32 11.1 10.9 11.2
0.01mm이상5mm이하 순환 잔골재 6.2 6.1 6.2 2.16 2.17 2.16 11.3 11.4 11.6
아래의 표 13 및 표 14는 각각 본 발명에 따른 촉진탄산화 반응을 거친 순환골재의 품질 변화를 보여주는 표인데, 표 13은 0.01~40mm의 순환골재에 대한 것이고, 표 14는 5~25mm의 순환 굵은골재와 0.01~5mm의 순환 잔골재에 대한 것이다. 표 13 및 표 14에서도 a는 수도권 생산 순환골재를 의미하며, b는 남부권 생산 순환골재를 의미하고, c는 동부권 생산 순환골재를 의미한다.
표 13
Figure PCTKR2010001745-appb-T000001
표 14
Figure PCTKR2010001745-appb-T000002
(실시예3 - 온도에 따른 촉진 탄산화 반응)
챔버 온도별 중성화 반응에 따른 pH의 변화를 비교하였다. 시험용 골재는 40mm이하의 순환골재로서 실시예1에서 사용한 순환골재와 동일한 순환골재를 사용하였다.
중성화조건은 건식 순환골재 제조방법 하에서 3기압에서 5분 동안 교반하면서 이산화탄소 농도 100%기준으로 하였으며, 이러한 중성화조건에서의 반응 정도를 비교하였다. -10℃보다 온도가 낮은 경우에는 이산화탄소 및 수분이 동결하여 반응성이 낮아 중성화 반응이 이루어지지 않으며, 100℃보다 높은 경우에는 골재가 건조하여 반응을 위한 수분이 골재에 남아있지 않아 반응성이 낮아졌다. 아래의 표 15는 온도에 따른 중성화 반응의 결과이다.
표 15
pH
중성화 전 중성화 후
-15℃ 20℃ 110℃
a b c a b c a b c a b c
0.01mm이상40mm이하 11.3 11.7 11.6 11.3 11.5 11.6 9.0 8.8 9.1 10.6 11.0 10.8
(실시예4 - 촉진탄산화 반응 방식에 따른 순환골재의 중성화)
순환골재의 탄산화에 의한 중성화반응 방식에 따라 챔버 내 기중상태의 이산화탄소와 반응시키는 건식 촉진탄산화 방법, 표면에 수분을 스프레이로 살수하여 표면습윤상태에서 이산화탄소를 반응시키는 반습식 촉진탄산화 방법, 및 이산화탄소를 용해한 탄산수에 순환골재를 반응시키는 습식 촉진탄산화 방법에 대하여 각각 pH의 변화를 측정하였다. 내부 온도는 20℃, 중성화반응시간 5분으로서 동일한 조건에서 건식 및 반습식의 챔버내 이산화탄소 농도는 100%로 3기압을 유지하였고, 습식방식의 탄산수 생성조건은 1기압, 농도 100%의 이산화탄소를 순환골재가 담긴 물에 용해하며 교반하여 pH변화를 측정하였다. 아래의 표 16 및 표 17은 각각 탄산화 방식에 따른 비교를 위하여 반응전 측정한 순환골재의 함수율(표 16)과, 탄산화 방식에 따른 순환골재의 중성화 pH 측정치(표 17)이다. 표 16 및 표 17에서 알 수 있듯이, pH가 8~9사이에 모두 포함되어 있어, 본 발명의 순환골재 제조방법이 순환골재의 pH를 감소시키는데 유용한 발명이라는 것을 알 수 있다.
표 16
골재의 함수율(%)
건식(일반조건) 반습식(표면습윤) 습식(포수)
a b c a b c a b c
0.01mm이상40mm이하 1.3 1.1 0.9 4.3 3.5 4.5 6.5 8.7 8.3
표 17
pH
중성화 전 중성화 후
중성화 전 건식 반습식(표면습윤) 습식(포수)
a b c a b c a b c a b c
0.01mm이상40mm이하순환골재 11.3 11.7 11.6 9.5 9.2 9.6 8.8 8.6 8.8 9.3 9.5 9.6

Claims (8)

  1. 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재 또는 0.01~40mm 크기의 순환골재 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물을, 폐쇄된 챔버 내에 투입한 후, 골재를 교반하면서 -10~100℃의 온도, 2~7기압의 압력 하에서 농도 60~100%의 이산화탄소를 공급하며 5~30분간 이산화탄소와 골재가 직접 접촉하여 탄산화 반응을 일으켜서 골재의 함수율이 1~3%로 유지되도록 하는 건식 촉진탄산화 반응에 의하여, 골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함되어 있던 Ca(OH)2를 70% 이상 CaCO3로 중성화시켜, pH가 7.5~10인 순환골재를 제조하게 되는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
  2. 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재, 또는 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재와 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재가 혼합되어 있는 혼합 순환골재 중의 어느 하나를, 폐쇄된 챔버 내에 투입한 후, 골재를 교반하면서 -10~100℃의 온도, 8~10기압의 압력 하에서 농도 5~25%의 이산화탄소를 공급하며 25~30분간 이산화탄소와 골재가 직접 접촉하여 탄산화 반응을 일으켜서 골재의 함수율이 1~3%로 유지되도록 하는 건식 촉진탄산화 반응에 의하여, 골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함되어 있던 Ca(OH)2를 70% 이상 CaCO3로 중성화시켜, pH가 7.5~10인 순환골재를 제조하게 되는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
  3. 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재를, 폐쇄된 챔버 내에 투입한 후, 골재를 교반하면서 -10~100℃의 온도, 8~10기압의 압력 하에서 농도 5~25%의 이산화탄소를 공급하며 25~30분간 이산화탄소와 골재가 직접 접촉하여 탄산화 반응을 일으켜서 골재의 함수율이 1~3%로 유지되도록 하는 건식 촉진탄산화 반응에 의하여, 골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함되어 있던 Ca(OH)2를 70% 이상 CaCO3로 중성화시켜, pH가 7.5~10인 순환골재를 제조하게 되는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
  4. 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재 또는 0.01~40mm 크기의 순환골재 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물을, 폐쇄된 챔버 내에 투입한 후, 골재를 교반하면서 -10~100℃의 온도, 1~10기압의 압력 하에서 농도 3~100%의 이산화탄소를 공급하며 1~30분간 골재가 이산화탄소에 의하여 탄산화 반응을 일으키도록 하되, 챔버 내에 물을 분무하거나 이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 챔버 내의 순환골재에 분무하여 탄산화 반응시 골재의 함수율이 3.1~6%로 유지되도록 하는 반습식 촉진탄산화 반응에 의하여, 골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함되어 있던 Ca(OH)2를 70% 이상 CaCO3로 중성화시켜, pH가 7.5~10인 순환골재를 제조하게 되는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
  5. 5~25mm크기의 콘크리트용 순환 굵은골재, 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재 또는 0.01~40mm 크기의 순환골재 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물을, 폐쇄된 챔버 내에 투입한 후, 골재를 교반하면서 -10~100℃의 온도, 1~10기압의 압력 하에서 농도 3~100%의 이산화탄소를 공급하며 1~30분간 골재가 이산화탄소에 의하여 탄산화 반응을 일으키도록 하되, 이산화탄소가 녹아 있는 탄산수를 채운 챔버 내에 골재를 투입하여 수중에서 탄산화 반응을 시켜 탄산화 반응시 골재의 함수율이 6~10%로 유지되도록 하는 습식 촉진탄산화 반응에 의하여, 골재에 부착 또는 함유된 모르타르에 포함되어 있던 Ca(OH)2를 70% 이상 CaCO3로 중성화시켜, pH가 7.5~10인 순환골재를 제조하게 되는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
  6. 제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 순환골재 제조방법에 의해 제조된 5~25mm 크기의 콘크리트용 순환굵은 골재는 흡수율1.5~3%와 절건 밀도 2.5g/㎤~4.0 g/㎤을 만족하는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 순환골재 제조방법에 의해 제조된 0.01~5mm 크기의 콘크리트용 순환 잔골재는 흡수율 2~5% 및 절건 밀도 2.2g/㎤~3.8 g/㎤을 만족하는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 순환골재 제조방법에 의해 제조된 0.01~40mm 크기의 순환골재는 흡수율 2~5.9% 및 절건 밀도 2.1g/㎤~3.9 g/㎤을 만족하는 것을 특징으로 하는 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재의 제조방법.
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