WO2024054101A1 - 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 - Google Patents

폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 Download PDF

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표석훈
바시스타프라밧
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울산과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a method for activating waste concrete, a cement substitute manufactured thereby, a method for manufacturing a cement composition using waste concrete, and a cement composition using waste concrete manufactured thereby. More specifically, it relates to waste concrete that is difficult to recycle. It relates to a method for activating waste concrete so that fine powder can be used as a cement substitute, a cement substitute manufactured thereby, a method for manufacturing a cement composition using waste concrete, and a cement composition using waste concrete manufactured thereby.
  • fine powder (WCP) with a size of less than 1 mm produced in the above-described recycled aggregate production process is small in size and cannot be used as the above-described recycled aggregate. Additionally, it is not generally utilized as an industrial by-product without chemical reactivity and is landfilled. .
  • the present invention was conceived to solve the above problems, and is an environmentally friendly waste concrete activation method that can reduce landfill industrial by-products by recycling discarded waste concrete, a cement substitute manufactured thereby, and cement using waste concrete.
  • the purpose is to provide a composition manufacturing method and a cement composition using waste concrete produced thereby.
  • the present invention provides a method for activating waste concrete that allows waste concrete to be used as a cement substitute, a cement substitute manufactured thereby, a method for manufacturing a cement composition using waste concrete, and a cement composition using waste concrete manufactured thereby. For the purpose.
  • the present invention aims to provide a method for activating waste concrete that can minimize carbon dioxide emissions, a cement substitute manufactured thereby, a method for manufacturing a cement composition using waste concrete, and a cement composition using waste concrete manufactured thereby. do.
  • the present invention provides a method for activating waste concrete to produce a cement substitute that minimizes the decrease in compressive strength, a cement substitute manufactured thereby, a method for manufacturing a cement composition using waste concrete, and a method for manufacturing a cement composition using waste concrete manufactured thereby.
  • the purpose is to provide a cement composition.
  • the present invention aimed at solving the above problems, has the following configuration and characteristics.
  • the particle size of the waste concrete powder may be less than 1 mm.
  • the heat treatment temperature may be 500°C or higher.
  • the heat treatment temperature may be 500°C to 700°C.
  • the heat treatment temperature may be 600°C to 700°C.
  • the predetermined time may be 1 to 4 hours.
  • the predetermined time may be 2 to 3 hours.
  • a pulverizing step (S30) of pulverizing the cooled waste concrete powder may be further included.
  • the particle size of the waste concrete powder pulverized in the step (S30) may be 200 micrometers or less.
  • the waste concrete powder pulverized in the step (S30) may include 5 to 15% by weight of the first powder with a particle size of 1.5 to 2.5 micrometers and 85 to 95% by weight of the second powder with a particle size of 40 to 70 micrometers. there is.
  • the mixing step (S40) may be a step of mixing 5 to 70% by weight of the cement substitute and 30 to 95% by weight of the cement.
  • the mixing step (S40) may be a step of mixing 5 to 60% by weight of the cement substitute and 40 to 95% by weight of the cement.
  • It includes a cement composition using waste concrete manufactured by a method for manufacturing a cement composition using waste concrete.
  • the present invention having the above configuration and features has the effect of reducing landfill industrial by-products by recycling discarded waste concrete.
  • the present invention has the effect of allowing waste concrete to be used as a cement substitute.
  • the present invention has the effect of minimizing carbon dioxide emissions.
  • the present invention has the effect of minimizing the decrease in compressive strength.
  • FIG. 1 is a schematic flowchart illustrating a method for activating waste concrete according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing thermogravity (TG) according to heat treatment temperature.
  • Figure 3 is a graph showing undecomposed weight (DTG) according to heat treatment temperature.
  • Figure 4 is an XRD graph of unheat-treated waste concrete powder and heat-treated waste concrete powder.
  • Figure 5 is a graph to explain the particle size of pulverized waste concrete powder and other materials.
  • Figure 6 is a schematic flowchart illustrating a method for manufacturing a cement composition using waste concrete according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a graph showing the compressive strength of the products in Table 3.
  • Figure 8 is a life cycle analysis (life cycle evaluation) graph of a cement composition using conventional cement and waste concrete.
  • Figure 9 is a diagram to explain the system boundary and main definitions based on the WCP-based binder.
  • Figure 10 is a flowchart for explaining the calculation of carbon dioxide emissions generated during the production of one barrel of cement (C100, BMW20, BMW30, and BMW40).
  • FIG. 1 is a schematic flowchart illustrating a method for activating waste concrete according to an embodiment of the present invention.
  • the waste concrete activation method (cement substitute manufacturing method) according to an embodiment of the present invention is for recycling discarded waste concrete fine powder, and will hereinafter be referred to as ‘the present method’ for convenience of explanation.
  • the present method (a waste concrete activation method according to an embodiment of the present invention) includes a heat treatment step (S10) and a cooling step (S20).
  • the heat treatment step (S10) is a step of maintaining the waste concrete powder at a heat treatment temperature of 450°C or higher for a predetermined period of time.
  • the above-mentioned waste concrete is generally recycled as recycled aggregate by going through a crushing process and sifting out lumps with large particle sizes (for example, 1 to 30 mm).
  • waste concrete (corresponding to ‘WCP’ in Table 1 below) is a composition table obtained through XRF analysis of general conventional cement (corresponding to ‘OPC’ in Table 1 below).
  • waste concrete like conventional cement, has silicon dioxide and calcium oxide as its main ingredients, so it has the potential to be used as a cement replacement material.
  • waste concrete powder for example, the mortar part of waste concrete
  • a particle size smaller than 1 mm is too small to be used as recycled aggregate, and at the same time, it has no chemical reactivity (hydration reaction), so it cannot be utilized and is landfilled. It is being discarded.
  • waste concrete powder (WCP) is generated during the crushing process and has a particle size of less than 1 mm.
  • the method may include a pulverizing step (S30) of pulverizing the powder to increase the surface area. Since the particle size of the waste concrete powder is smaller than 1 mm, the process of the pulverizing step (S30) The time and energy required to perform can be minimized.
  • the waste concrete powder is maintained at a heat treatment temperature of 450°C or higher for a predetermined period of time (example, 1 to 4 hours) to decompose organic components, especially components such as calcium hydroxide.
  • a predetermined period of time example, 1 to 4 hours
  • the heat treatment step (S10) described above may be performed by a device such as an electric furnace.
  • the above-mentioned predetermined time may be about 1 to 4 hours. If the predetermined time is less than 1 hour, the amount of detection of the reactive phase (dicalcium silicate, etc.) is small, and if it exceeds 4 hours, the increase in detection of dicalcium silicate, etc. is small. On the other hand, there is a problem that the amount of energy required to maintain high temperature is excessively increased.
  • Waste concrete powder generally contains quartz, hydroxide cement paste, and waste asphalt as main ingredients.
  • the heat treatment step (S20) is a process to activate the waste concrete powder and minimize carbon in the waste asphalt component.
  • the predetermined time is more than 2 hours, a change in the properties of the powder (formation of Belite (dicalcium silicate, Ca2SiO4)) is induced. At the same time, the carbon content of waste asphalt can be effectively reduced.
  • the predetermined time exceeds 3 hours, the degree of activation of the waste concrete powder and the degree to which the carbon of the waste asphalt component is reduced is insignificant, but the amount of energy used to maintain the high temperature increases excessively, which is undesirable.
  • Figure 2 is a graph showing thermogravity (TG) according to heat treatment temperature.
  • Figure 3 is a graph showing undecomposed weight (DTG) according to heat treatment temperature.
  • Figure 4 is an XRD graph of unheat-treated waste concrete powder and heat-treated waste concrete powder.
  • the above heat treatment temperature is preferably 500°C or higher, which has the advantage of effectively decomposing components such as organic components of waste concrete powder in the heat treatment step (S10).
  • the heat treatment temperature may be 500°C to 700°C.
  • the peak of calcite (corresponding to '2' in Figure 4), which is the main raw material of calcium carbonate, decreases as the heat treatment temperature increases. Calcite is not detected at 750°C, and calcium oxide ( Figure 4) decreases as the heat treatment temperature increases. It can be confirmed that (equivalent to '4' in 4) is detected.
  • the heat treatment temperature is 500°C to 700°C, so that a reactive phase such as dicalcium silicate can be generated while minimizing carbon dioxide emissions.
  • the heat treatment temperature may be more preferably 600°C to 700°C.
  • the cooling step (S20) is a step of air cooling the heated waste concrete powder.
  • the waste concrete powder can be air cooled by evenly disposing it on a steel plate.
  • the heated waste concrete powder may be air-cooled in an atmosphere at room temperature (eg, 25° C.).
  • this method minimizes energy consumption in cooling the waste concrete powder, including the cooling step (S20), and can improve the mixing properties of cement by air cooling to room temperature.
  • the method may include a grinding step (S30) of pulverizing the cooled waste concrete powder (composition corresponding to a cement substitute in this manufacturing method described later) after the cooling step (S20).
  • the above grinding step (S30) can be performed by a ball milling machine used in various fields.
  • the present method can increase the specific surface area of the cooled waste concrete powder (a cement substitute described later) and improve the reactivity by including the grinding step (S30).
  • Figure 5 is a graph to explain the particle size of pulverized waste concrete powder and other materials.
  • the pulverized waste concrete powder (pulverized cement substitute) formed by pulverizing the cooled waste concrete powder in the pulverizing step (S30) may have a particle size of 100 micrometers or less.
  • sand' is the cooled waste concrete powder (cement substitute) that has not gone through the heat treatment step (S10) and the grinding step (S30), and the cooled waste concrete powder is mixed with aggregate to form concrete.
  • cement substitute cement substitute
  • the cooled waste concrete powder is mixed with aggregate to form concrete.
  • it can be used as general conventional concrete ('conventional concrete' in Figure 5).
  • this method includes a grinding step (S30) to grind the cooled waste concrete powder so that the particle size of the crushed waste concrete powder (corresponding to 'Milled WCP' in Figure 5) is 100 micrometers or less.
  • S30 a grinding step to grind the cooled waste concrete powder so that the particle size of the crushed waste concrete powder (corresponding to 'Milled WCP' in Figure 5) is 100 micrometers or less.
  • the specific surface area of the powder is increased to improve reactivity (hydration reaction), and when mixed with aggregate, it can be used as high-performance concrete ('High performance concrete' in Figure 5), improving durability. It has the advantage of improving strength.
  • the waste concrete powder pulverized in step (S30) contains 5 to 15% by weight of a first powder with a particle size of 1.5 to 2.5 micrometers and a first powder with a particle size of 40 to 70 micrometers. 2It may contain 85 to 95% by weight of powder.
  • the particle size of the pulverized waste concrete powder is similar to that of the conventional cement (for example, Portland cement), so that it can have mechanical properties and chemical reactivity similar to conventional cement, and miscibility with conventional cement.
  • the conventional cement for example, Portland cement
  • Table 2 below shows pulverized waste concrete powder (pulverized cement substitute described later) produced by this method (corresponding to 'activated WCP' in Table 2 below) and general waste concrete powder that is not heat treated and cooled by this method.
  • This is a table showing the consumption (consumption amount) of calcium oxide (WCP) (corresponding to 'inactive WCP' in Table 2 below).
  • Table 1 below was obtained by the known Chappel Test.
  • the Chapelle test indicates the reaction between the reactive silica and lime in the material.
  • the principle of the method is based on the reaction of lime and reactive silica. Milligrams (mg) of CaO per gram of WCP were used to define free lime consumption. Lime utilization in this reaction is measured for a certain mass ratio of lime through WCP, where the ratio of WCP to lime is 2:1. Calculation of free lime consumption was performed according to Equation 1 below.
  • 'm1' refers to the weight of WCP (g)
  • 'm2' refers to the weight of WCP and CaO (g)
  • 'm3' refers to the weight of CaO in the blank test (g)
  • 'v1' refers to the weight of CaO in the blank test (g).
  • 'v2' refers to the consumption of 0.1 M HCL in milliliters by the sample solution
  • 'v2' refers to the consumption of 0.1 M HCL in milliliters by the conjugate
  • 'Fc' refers to the correction factor of the standard solution HCl 0.1 M.
  • Consumption of lime (or calcium) can indicate the reactivity of the material, see Table 2 above, for the crushed waste concrete powder produced by the method (corresponding to 'activated WCP' in Table 2 below).
  • the average calcium consumption (consumption index) of general waste concrete powder (WCP) (corresponding to 'inactive WCP' in Table 2 below) is 920, while the average calcium consumption (consumption index) of the cement substitute manufactured by this method is 1140.4. It can be seen that the activation degree has improved further.
  • this substitute a cement substitute (hereinafter referred to as ‘this substitute’) according to an embodiment of the present invention will be described.
  • This replacement material is manufactured by the above-described method and includes the same or corresponding technical features as the above-described method, so the same reference numerals are used for the same or similar configurations as the configurations examined above, and overlapping descriptions are briefly provided. Or decide to omit it.
  • the substitute material manufactured by this method exhibits a reactive phase through the heat treatment step (S10).
  • the heat treatment temperature is more preferably 500°C or higher, and even more preferably 500°C to 700°C. And, it may be more preferable that the temperature is 600°C to 700°C.
  • the predetermined time may be 1 to 4 hours. It may be more preferable that the predetermined time is 2 to 3 hours.
  • This substitute may be ground to a particle size of 200 micrometers or less.
  • This substitute may include 5 to 15% by weight of the first powder having a particle size of 1.5 to 2.5 micrometers and 85 to 95% by weight of the second powder having a particle size of 40 to 70 micrometers.
  • Figure 6 is a schematic flowchart illustrating a method for manufacturing a cement composition using waste concrete according to an embodiment of the present invention.
  • this manufacturing method uses the above-described substitute material, includes the above-described method, and includes technical features that are the same as or correspond to the above-described method, so the same reference numerals are used for the same or similar configurations as the configurations examined previously. will be used, and overlapping explanations will be simplified or omitted.
  • the present manufacturing method includes the above-described method and mixing step (S40).
  • the present method includes a heat treatment step (S10) and a cooling step (S20).
  • the mixing step (S40) is a step of mixing conventional cement (eg, Portland cement) and the cement substitute.
  • conventional cement eg, Portland cement
  • the mixing step (S40) may be performed after the cooling step (S20) described above.
  • the method may include a grinding step (S30) performed after the cooling step (S20).
  • the mixing step (S40) described above may be performed after the pulverizing step (S30).
  • the cement substitute may be waste concrete powder cooled after the cooling step (S20) or pulverized after the grinding step (S30).
  • the particle size of the waste concrete powder may be less than 1 mm.
  • the heat treatment temperature may be 500°C to 700°C.
  • the heat treatment temperature may be more preferably 600°C to 700°C.
  • the predetermined time may be 1 to 4 hours, and it may be more preferable that the predetermined time is 2 to 3 hours.
  • the particle size of the cement substitute ground in step (S30) may be 100 micrometers or less.
  • the cement substitute may include 5 to 15% by weight of a first powder with a particle size of 1.5 to 2.5 micrometers and 85 to 95% by weight of a second powder with a particle size of 40 to 70 micrometers.
  • the mixing step (S40) of this manufacturing method may be a step of mixing 5 to 70% by weight of the cement substitute and 30 to 95% by weight of the cement.
  • Table 3 below shows the ingredient ratio of each product name.
  • AW includes deactivated WCP (waste concrete powder before heat treatment step (S10)) and conventional cement (Portland cement).
  • AW10 is a mixture of 10% by weight of deactivated WCP and 90% by weight of conventional cement
  • AW80 is a mixture of 80% by weight of deactivated WCP and 20% by weight of conventional cement.
  • MW includes milled WCP (waste concrete powder that omitted the heat treatment step (S10) and simply went through the grinding step (S30)) and cement (Portland cement).
  • MW10 is a mixture of 10% by weight of milled WCP and 90% by weight of cement
  • MW80 is a mixture of 80% by weight of milled WCP and 20% by weight of cement.
  • BMWCP is a mixture (this composition described later) of WCP (cement substitute prepared by the present method including the grinding step (S30)) and cement (Portland cement) milled after heat treatment.
  • BMW10 is a mixture of 10% by weight of WCP milled after heat treatment and 90% by weight of cement
  • BMW80 is a mixture of 80% by weight of WCP milled after heat treatment and 20% by weight of cement.
  • Figure 7 is a graph showing the compressive strength of the products in Table 3.
  • the compressive strength of the AW product and the MW product decreases significantly as the content of WCP and milled WCP increases, respectively, whereas the BMW manufactured by this manufacturing method It can be seen that the compressive strength of the product decreases to a small extent compared to AW products and MW products even when the content of cement substitutes increases.
  • the mixing step (S40) of this manufacturing method may be 5 to 70% by weight of the cement substitute and 30 to 95% by weight of the cement.
  • the mixing step (S4) may be a step of mixing 5 to 60% by weight of the cement substitute and 40 to 95% by weight of cement.
  • the mixing step (S4) may be a step of mixing 5 to 50% by weight of the cement substitute and 50 to 95% by weight of cement. This has the advantage of minimizing the degree of decrease in compressive strength.
  • this manufacturing method has the advantage of activating waste concrete powder, which is difficult to recycle, and producing a cement composition with less decrease in compressive strength compared to conventional cement.
  • Figure 8 is a life cycle analysis (life cycle evaluation) graph of a cement composition using conventional cement and waste concrete.
  • the mixing step (S40) may be a step of mixing 5 to 60% by weight of the cement substitute and 40 to 95% by weight of the cement.
  • the impact assessment of the life cycle assessment (fabricated binder (C100 in Figure 8), BW20, BW30, BW40) was performed using SimaPro 9.3.0.3 software, and the evaluation was conducted using Ecoinvent-3.
  • the library and IMPACT world + Midpoint V1.01 evaluation method were used. SimaPro 9.3.0.3 software, Ecoinvent-3 library, and IMPACT world + Midpoint V1.01 evaluation methods are known, so detailed descriptions will be omitted.
  • a data set for cement (type 1) production was used in the study.
  • the data set includes activities from cradle to gate, including all upstream activities in cement production and ending with cement production in the plant.
  • the dataset for cement production has been modeled for global use.
  • Figure 9 shows the system boundaries and key definitions based on the WCP-based binder. The boundary of the system in the study is limited to the production of WCP-based binders and the system does not include use or impacts during its lifetime.
  • Table 4 shows the inventory collected during the experiment.
  • Input data for grinding and heat treatment are calculated based on the power consumed by the ball mill and furnace during the experiment. The power consumed during the WCP activation process was used in the case of Korea.
  • Electricity consumption data was calculated based on 2018 statistics (EA World 11 Energy Statistics and Balances OECD Library). Grid losses are based on 2018 data (also IEA World Energy Statistics and Balance).
  • Output data were collected based on the combustion of organic matter during heat treatment of WCP in a furnace.
  • Air emissions data based on organic compounds were obtained from the Ecoinvent database. The amount of total organic compounds was calculated based on the total WCP weight loss.
  • the mixing step (S40) may be a step of mixing 5 to 60% by weight of the cement substitute and 40 to 95% by weight of the cement.
  • the potential climate change index of BMW20, BMW30, and BMW40 was reduced by 15.8%, 23.7%, and 32.6%, respectively, compared to C100.
  • BMW20, BMW30, and BMW40 each consumed 9.3%, 14.5%, and 19.7% less energy than the C100. Additionally, the BMW40 consumed 39.8% less mineral resources than the C100.
  • the mixing step (S40) involves mixing 10 to 60% by weight of the cement substitute and 40 to 90% by weight of the cement, there is an advantage in that a cement composition using more environmentally friendly waste concrete can be manufactured.
  • the mixing step (S40) may be a step of mixing 30 to 60% by weight of the cement substitute and 40 to 70% by weight of cement. This has the advantage of being able to manufacture a cement composition using waste concrete that is environmentally friendly and at the same time can minimize the decrease in compressive strength.
  • the mixing step (S40) may be a step of mixing 30 to 50% by weight of the cement substitute and 50 to 70% by weight of cement.
  • this composition a cement composition using waste concrete according to an embodiment of the present invention
  • This composition is manufactured by the above-described production method, and includes the same or corresponding technical features as the above-described production method. Therefore, the same reference numerals are used for the same or similar components as the components examined above, and overlapping descriptions are used. shall be simplified or omitted.
  • the cement substitute mixed with cement in this composition is waste concrete powder heat-treated in the heat treatment step (S10) and cooled in the cooling step (S20), and the heat treatment temperature in the heat treatment step (S10) may be 500°C to 700°C. , more preferably 600°C to 700°C.
  • the predetermined time in the heat treatment step (S10) may be 1 to 4 hours, and preferably 2 to 3 hours.
  • the cement substitute may be ground to have a particle size of 100 micrometers or less.
  • the present composition may include 5 to 70% by weight of the cement substitute and 30 to 95% by weight of the cement.
  • the composition may include 5 to 60% by weight of the cement substitute and 40 to 95% by weight of the cement.
  • it may contain 30 to 60% by weight of cement substitute and 40 to 70% by weight of cement.

Abstract

본 발명은 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재활용이 어려운 폐콘크리트 미분말을 시멘트 대체재로서 사용되도록 하는 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 폐콘크리트 분말을 450℃ 이상의 열처리 온도에서 소정 시간 유지하는 열처리 단계(S10); 및 가열된 폐콘크리트 분말을 공랭시키는 냉각 단계(S20);를 포함한다.

Description

폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물
본 발명은 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재활용이 어려운 폐콘크리트 미분말을 시멘트 대체재로서 사용되도록 하는 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물에 관한 것이다.
건설 산업은 지속 가능성 측면에서 큰 우려에 직면해 있다. 환경 보호는 이 산업의 주요한 관심사이다.
현재 전 세계 일반 포틀랜드 시멘트(opc) 총 생산량은 40억 톤 이상이며 이는 전체 지구 온난화의 6% 이상을 차지한다. 시멘트 클링커를 생산하기 위한 석회석의 소성은 이러한 배출의 주요 원인이다(약 95%).
지구 온난화의 인위적 영향을 조절하는 동시에 산업 잔류물의 처리를 피하려면 CO2 배출량이 적은 대체 시멘트 결합제의 사용이 필요하다. 또한 건설 및 철거(C&D) 폐기물은 전 세계적으로 발생하는 폐기물의 절반을 차지한다.
인프라 개발에 대한 수요가 증가함에 따라 이 양은 2025년까지 연간 22억 톤의 폐기물로 증가할 것으로 예상된다.
이러한 점에서 발생하는 C&D 폐기물의 활용이 시급한 실정이다. 최근에는 상기한 폐콘크리트를 재활용하기 위한 노력이 선행되고 있는데, 폐콘크리트를 파쇄 하여 1~30mm 크기를 갖는 덩어리를 체로 걸러 큰 크기를 갖는 덩어리를 재생골재로 사용하고 있다(등록특허 제10-0498773호(이하 종래기술)참조).
그러나 상기한 재생골재 생산 과정에서 생산되는 크기가 1mm 미만인 미분말(WCP)은 크기가 작아 상기한 재생골재로도 사용되지 못하며, 또한 화학적 반응성이 없는 산업부산물로 일반적으로 활용되지 못하고 매립되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 폐기되는 폐콘크리트를 재활용하여 매립되는 산업부산물을 감소시킬 수 있는 환경 친화적인 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 폐콘크리트를 시멘트 대체재로 활용할 수 있도록 하는 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 이산화탄소 배출을 최소화 할 수 있는 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 압축강도 저하를 최소화 하는 시멘트 대체재를 제조할 수 있도록 하는 폐콘크리트 활성화 방법, 이에 의해 제조된 시멘트 대체재, 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법, 및 이에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 목적으로 하는 본 발명은 다음의 구성 및 특징을 갖는다.
폐콘크리트 분말을 450℃ 이상의 열처리 온도에서 소정 시간 유지하는 열처리 단계(S10); 및 가열된 폐콘크리트 분말을 공랭시키는 냉각 단계(S20);를 포함한다.
또한 상기 열처리 단계(S10)에서, 상기 폐콘크리트 분말의 입도는 1mm 미만일 수 있다.
또한 상기 열처리 온도는 500℃ 이상일 수 있다.
또한 상기 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃일 수 있다.
또한 상기 열처리 온도는 600℃ 내지 700℃일 수 있다.
또한 상기 소정 시간은, 1 ~ 4 시간일 수 있다.
또한 상기 소정 시간은 2 ~ 3시간일 수 있다.
또한 상기 냉각 단계(S20) 이후에, 냉각된 폐콘크리트 분말을 분쇄하는 분쇄단계(S30);를 더 포함할 수 있다.
또한 기 (S30) 단계에서 분쇄된 폐콘크리트 분말의 입도는 200 마이크로미터 이하일 수 있다.
또한 상기 (S30) 단계에서 분쇄된 폐콘크리트 분말은 입도가 1.5 ~ 2.5 마이크로미터인 제1분말 5~15 중량% 및 입도가 40 ~ 70 마이크로미터인 제2분말 85~95 중량%를 포함할 수 있다.
폐콘크리트 활성화 방법에 의해 제조된 시멘트 대체재를 포함한다.
또한 폐콘크리트 분말을 450℃ 이상의 열처리 온도에서 소정 시간 유지하는 열처리 단계(S10); 가열된 폐콘크리트 분말을 공랭시켜 시멘트 대체재로 제조하는 단계(S20); 및 시멘트와 상기 시멘트 대체재를 혼합하는 혼합 단계(S40);를 포함한다.
또한 상기 혼합 단계(S40)는, 상기 시멘트 대체재 5 ~ 70 중량% 및 상기 시멘트 30 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다.
또한 상기 혼합 단계(S40)는, 상기 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다.
폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물을 포함한다.
또한 상기 시멘트 대체재 5 ~ 70 중량% 및 상기 시멘트 30 ~ 95 중량%를 포함할 수 있다.
또한 상기 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 95 중량%를 포함할 수 있다.
상기 구성 및 특징을 갖는 본 발명은 폐기되는 폐콘크리트를 재활용하여 매립되는 산업부산물을 감소시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 폐콘크리트를 시멘트 대체재로 활용할 수 있다는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 이산화탄소 배출을 최소화 할 수 있다는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 압축강도 저하를 최소화 할 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 활성화 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 2는 열처리 온도에 따른 열중량(TG)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 열처리 온도에 따른 미분열 중량(DTG)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 미열처리된 폐콘크리트 분말과 열처리된 폐콘크리트 분말의 XRD 그래프이다.
도 5는 분쇄된 폐콘크리트 분말과 다른 물질들의 입자 크기를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 7은 표 3의 제품들의 압축강도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 종래의 시멘트와 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물의 라이프 사이클 분석(수명 주기 평가) 그래프이다.
도 9는 WCP 기반 바인더를 기반으로 하는 시스템 경계 및 주요 정의를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 1통의 시멘트(C100, BMW20, BMW30 및 BMW40)를 생산하는 동안 발생되는 이산화탄소 발생량 계산을 설명하기 위한 순서도를 설명하기 위한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결" 되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 활성화 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 활성화 방법(시멘트 대체재 제조 방법)은 폐기되는 폐콘크리트 미분말을 재활용하기 위한 것으로서, 이하에서는 설명의 편의상 ‘본 방법’이라 칭하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 방법(본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 활성화 방법)은 열처리 단계(S10), 및 냉각 단계(S20)를 포함한다.
열처리 단계(S10)는 폐콘크리트 분말을 450℃ 이상의 열처리 온도에서 소정 시간 유지하는 단계이다.
상기한 폐콘크리트는 일반적으로 파쇄 과정을 거쳐 입도가 큰(예시적으로 1 ~ 30mm) 덩어리를 체로 걸러 재생골재로 재활용된다.
한편, 아래 표 1을 참조하면, 폐콘크리트(아래 표 1에서 ‘WCP’에 해당)는 일반적인 종래의 시멘트(아래 표 1에서 ‘OPC’에 해당)의 XRF 분석으로 얻어진 성분 표이다.
[표 1]
Figure PCTKR2023095053-appb-img-000001
위 표 1을 참조하면, 폐콘크리트는 일반적인 종래의 시멘트와 같이 이산화규소와 산화칼슘을 주 성분으로 하고 있어 시멘트 대체 재료로 활용될 수 있는 가능성을 갖고 있다.
그러나 상기한 파쇄 가정에서 입도가 1mm 보다 작은 폐콘크리트 분말(예시적으로 폐콘크리트의 모르타르 부분)은 재생골재로 사용하기엔 크기가 너무 작으며, 동시에 화학적 반응성(수화반응)이 없어 활용되지 못하고 매립되어 폐기되고 있다.
상기한 열처리 단계(S10)에서 폐콘크리트 분말(Waste Concrete Powder, WCP)은 상기 파쇄 과정 등에서 발생한 것으로 입도가 1mm 보다 작은 것이다.
후술하는 설명에서 보다 자세히 설명하겠지만, 본 방법은 분말을 분쇄하여 표면적을 증가시키는 분쇄 단계(S30)를 포함할 수 있는데, 상기한 폐콘크리트 분말의 입도가 1mm 보다 작기 때문에 분쇄 단계(S30)의 공정을 수행하기 위한 시간과 소요되는 에너지를 최소화 할 수 있다.
상기한 열처리 단계(S10)는 상기한 폐콘크리트 분말을 450℃ 이상의 열처리 온도에서 소정 시간(예시적으로 1~4시간) 유지하여 유기성분을 분해하고, 특히 수산화칼슘(Calcium Hydroxide)과 같은 성분을 분해하여 수화반응을 하는 규산이칼슘(dicalcium silicate) 등으로 분해하여 폐콘크리트 분말을 활성화하기 위한 공정이다.
예시적으로 상기한 열처리 단계(S10)는 전기로와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
상기한 소정 시간은 약 1 ~ 4시간일 수 있는데, 소정 시간이 1시간 미만일 경우 반응성 상(규산이칼슘 등)의 검출량이 적으며, 4시간을 초과할 경우 규산이칼슘 등의 검출 증가량은 적은데 반해 고온을 유지하는데 소요되는 에너지의 양이 지나치게 증대되는 문제점이 있다.
상기한 소정 시간은 2 ~ 3 시간인 것이 바람직하다. 폐콘크리트 분말을 일반적으로 석영, 수산화 시멘트 페이스트, 폐아스팔트를 주 성분으로 하고 있다. 열처리 단계(S20)는 상기한 폐콘크리트 분말을 활성화 하고 폐아스팔트 성분의 탄소를 최소화하기 위한 공정인데 소정 시간이 2시간 이상일 때 분말의 성상변화((Belite (dicalcium silicate, Ca2SiO4) 형성)를 유도할 수 있는 동시에 폐아스팔트의 탄소랑을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
더하여 소정 시간이 3시간을 초과할 경우 폐콘크리트 분말의 활성화 정도와 폐아스팔트 성분의 탄소가 저감되는 정도는 미미한데 반해 고온을 유지하는데 소요되는 에너지 사용량이 지나치게 증대되어 바람직하지 못하다.
도 2는 열처리 온도에 따른 열중량(TG)을 나타낸 그래프이다. 도 3은 열처리 온도에 따른 미분열 중량(DTG)을 나타낸 그래프이다. 도 4는 미열처리된 폐콘크리트 분말과 열처리된 폐콘크리트 분말의 XRD 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 미열처리된 폐콘크리트 분말(도 4에서 ‘RAW WCP’와 열처리 온도를 달리하여 열처리 단계(S10)를 거친 열처리된 폐콘크리트 분말의 중량과 검출 성분을 확인할 수 있다. 도 2 내지 도 4는 각 열처리 온도에서 폐콘크리트 분말을 약 2시간 유지하여 얻어진 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면 폐콘크리트 분말은 열처리 온도를 높게 함에 따라 분해되는 성분이 증대되어 열중량이 감소되는 추세를 보인다.
따라서 상기한 열처리 온도는 500℃ 이상인 것이 바람직하며, 이를 통해 열처리 단계(S10)에서 폐콘크리트 분말의 유기성분과 같은 성분들을 효과적으로 분해할 수 있다는 이점이 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기한 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃일 수 있다. 도 4를 참조하면, 탄산칼슘이 주 원료인 방해석(calcite)(도 4에서 ‘2’에 해당)의 피크가 열처리 온도가 증대될수록 감소되는데, 750℃에서 방해석이 검출되지 않으며, 산화칼슘(도 4에서 ‘4’에 해당)이 검출되는 것을 확인할 수 있다.
이는 700℃를 초과하는 온도에서 폐콘크리트 분말을 열처리 하는 경우 탄산칼슘이 산화칼슘과 이산화탄소로 분해되기 때문이며 이는 많은 양의 이산화탄소를 배출을 의미한다.
따라서 본 방법은 열처리 온도가 500℃ 내지 700℃이어서 규산이칼슘과 같은 반응성 상을 생성하는 동시에 이산화탄소 배출량을 최소화 할 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 상기한 열처리 온도는 600℃ 내지 700℃인 것이 보다 바람직할 수 있다.
도 4에서 angle 2 theta가 30 ~ 35 범위에서 반응성 상인 규산이칼슘의 검출량이 650℃에서 550℃보다 큰 것을 확인할 수 있어, 열처리 온도가 600℃ 내지 700℃일 때 폐콘크리트 분말을 보다 활성화 시킬 수 있으며, 동시에 이산화탄소 배출량을 적게 할 수 있다는 이점이 있다.
도 1을 참조하면, 냉각 단계(S20)는 가열된 폐콘크리트 분말을 공랭시키는 단계이다. 예시적으로 냉각 단계(S20)는 폐콘크리트 분말을 철판에 고르게 배치하여 공랭(공냉)시킬 수 있다. 예시적으로 가열된 폐콘크리트 분말은 상온(예시적으로 25℃)의 분위기에서 공랭될 수 있다.
이와 같이, 본 방법은 냉각 단계(S20)를 포함하여 폐콘크리트 분말을 냉각 하는데 에너지 소모를 최소화 하며, 상온으로 공랭하여 시멘트의 혼합성을 개선할 수 있다,
도 1을 참조하면, 본 방법은 냉각 단계(S20) 이후에 냉각된 폐콘크리트 분말(후술하는 본 제조 방법에서 시멘트 대체재와 상응하는 구성)을 분쇄하는 분쇄 단계(S30)를 포함할 수 있다.
상기한 분쇄 단계(S30)는 다양한 분야에서 사용되는 볼 밀링(Ball Milling) 머신에 의해 수행될 수 있다.
이와 같이, 본 방법은 분쇄 단계(S30)를 포함함여 냉각된 폐콘크리트 분말(후술하는 시멘트 대체재)의 비표면적을 증대시며 반응성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 분쇄된 폐콘크리트 분말과 다른 물질들의 입자 크기를 설명하기 위한 그래프이다.
한편, 상기 분쇄 단계(S30)에서 냉각된 폐콘크리트 분말이 분쇄되어 형성되는 분쇄된 폐콘크리트 분말(분쇄된 시멘트 대체재)은 그 입도가 100 마이크로미터 이하일 수 있다.
도 5에서 ‘WCP, sand’는 열처리 단계(S10) 및 분쇄 단계(S30)를 거치지 않은 상기한 냉각된 폐콘크리트 분말(시멘트 대체재)로서, 상기한 냉각된 폐콘크리트 분말이 골재와 함께 혼합되어 콘크리트로 사용될 경우 일반적인 재래식 콘크리트(도 5의 ‘conventional concrete’)로서 사용될 수 있다.
그러나 상술한 바와 같이, 본 방법은 분쇄 단계(S30)를 포함하여 냉각된 폐콘크리트 분말을 분쇄하여 분쇄된 폐콘크리트 분말(도 5의 ‘Milled WCP’에 해당)의 입도를 100 마이크로미터 이하가 되도록 할 수 있으며, 이를 통해 분말의 비표면적을 증대시켜 반응성(수화반응)을 향상시키고, 골재와 혼합되어 사용됨에 따라 고성능 콘크리트(도 5의 ‘High performance concrete’)로서 사용될 수 있기 때문에 내구성을 향상시키고 강도를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
한편, (S30) 단계에서 분쇄된 폐콘크리트 분말은 입도가 1.5 ~ 2.5 마이크로미터인 제1분말 입도가 1.5 ~ 2.5 마이크로미터인 제1분말 5~15 중량% 및 입도가 40 ~ 70 마이크로미터인 제2분말 85~95 중량%를 포함할 수 있다.
따라서 분쇄된 폐콘크리트 분말의 입도가 상기한 종래의 시멘트(예시적으로 포틀랜드 시멘트)의 입도와 유사하여 종래의 시멘트와 유사한 기계적 성질과 화학적 반응성 및 종래의 시멘트와의 혼합성을 갖도록 할 수 있다.
아래 표 2는 본 방법에 의해 제조된 분쇄된 폐콘크리트 분말(후술하는 분쇄된 시멘트 대체재)(아래 표 2에서 ‘활성화된 WCP’에 해당)과 본 방법에 의해 열처리 및 냉각되지 않는 일반적인 폐콘크리트 분말(WCP)(아래 표 2의 ‘비활성 WCP’에 해당)의 산화칼슘의 소비량(소모량)을 나타낸 표이다. 아래 표 1은 공지된 샤펠 테스트(Chappelle Test)에 의해 얻어진 것이다.
아래 표 2에서 ‘활성화된 WCP’와 ‘비활성 WCP’는 각각 위 표 1과 같이 29.12%의 CaO를 함유하고 있다.
[표 2]
Figure PCTKR2023095053-appb-img-000002
Chapelle 테스트는 재료의 반응성 실리카와 석회 사이의 반응을 나타낸다. 이 방법의 원리는 석회와 반응성 실리카의 반응을 기반으로 합니다. WCP 1g당 CaO 밀리그램(mg)으로 유리석회 소비량을 정의하는 데 사용되었다. 이 반응에서 석회 이용은 WCP를 통해 석회의 특정 질량 비율에 대해 측정되며 WCP와 석회의 비율은 2:1이다. 유리석회 소비량 계산은 하기 수학식 1에 따라 수행하였다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2023095053-appb-img-000003
여기에서 ‘m1’은 WCP 중량(g)을 의미하고, ‘m2’는 WCP 및 CaO의 중량(g)을 나타내며, ‘m3’는 공시험에서 CaO의 중량(g)을 의미하고, ‘v1’는 샘플 용액에 의한 0.1M HCL 소비량(밀리리터)을 의미하고, ‘v2’는 공액에 의한 0.1M HCL 소비량(밀리리터)을 의미하고, ‘Fc’는 표준 용액 HCl 0.1 M의 보정 계수를 의미한다.
석회(또는 칼슘)의 소모(소비)는 물질의 반응성을 나타낼 수 있는데, 위 표 2를 참조하면, 본 방법에 의해 제조된 분쇄된 폐콘크리트 분말(아래 표 2에서 ‘활성화된 WCP’에 해당)의 평균 칼슘 소모량(소모지수) 1140.4인데 반해 일반적인 폐콘크리트 분말(WCP)(아래 표 2의 ‘비활성 WCP’에 해당)의 평균 칼슘 소모량(소모지수)은 920으로, 본 방법에 의해 제조된 시멘트 대체재의 활성화도가 보다 향상된 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 대체재(이하 ‘본 대체재’이라 함)에 대해 설명한다. 본 대체재는 상술한 본 방법에 의해 제조되는 것으로, 상술한 본 방법과 동일하거나 상응하는 기술적 특징을 포함하므로, 앞서 살핀 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
상술하였듯이 본 방법에 의해 제조되는 본 대체재는 열처리 단계(S10)에 의해 반응성 상이 나타나는데, 상기 열처리 단계(S10)에서 열처리 온도는 500℃ 이상인 것이 보다 바람직하고, 500℃ 내지 700℃인 것이 보다 더 바람직하고, 600℃ 내지 700℃인 것이 보다 더 바람직할 수 있다.
또한 열처리 단계(S10)에서 상기 소정 시간은 1~4시간일 수 있다. 상기 소정시간은 2~3시간인 것이 보다 바람직할 수 있다.
본 대체재는 입도가 200 마이크로미터 이하가 되도록 분쇄된 것일 수 있다.
본 대체재는 입도가 1.5 ~ 2.5 마이크로미터인 제1분말 5~15 중량% 및 입도가 40 ~ 70 마이크로미터인 제2분말 85~95 중량%를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법(이하 ‘본 제조 방법’이라 함)에 대해 설명한다. 본 제조 방법은 상기한 본 대체재를 이용하고, 상기한 본 방법을 포함하는 것으로서, 상술한 본 방법과 동일하거나 상응하는 기술적 특징을 포함하므로, 앞서 살핀 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 본 제조 방법은 상기한 본 방법 및 혼합 단계(S40)를 포함한다.
상기한 본 방법은 상술한 바와 같이, 열처리 단계(S10), 및 냉각 단계(S20)를 포함한다.
혼합 단계(S40)는 종래의 시멘트(예시적으로 포틀랜드 시멘트)와 상기 시멘트 대체재를 혼합하는 단계이다.
혼합 단계(S40)는 상기한 냉각 단계(S20) 이후에 수행될 수 있다.
또한 상술한 바와 같이, 본 방법은 냉각 단계(S20) 이후에 수행되는 분쇄 단계(S30)를 포함할 수 있다.
상기한 혼합 단계(S40)는 분쇄 단계(S30) 이후에 수행될 수 있다.
혼합 단계(S40)에서 시멘트 대체재는 냉각 단계(S20) 이후에 냉각된 폐콘크리트 분말 또는 분쇄 단계(S30) 이후에 분쇄된 것일 수 있다.
상기 열처리 단계(S10)에서, 상기 폐콘크리트 분말의 입도는 1mm 미만일 수 있다.
상기 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃일 수 있다. 상기 열처리 온도는 600℃ 내지 700℃인 것이 보다 바람직할 수 있다.
상기 소정 시간은 1 ~ 4시간일 수 있고, 상기 소정 시간은 2 ~ 3시간인 것이 보다 바람직할 수 있다.
상기 (S30) 단계에서 분쇄된 상기 시멘트 대체재의 입도는 100 마이크로미터 이하일 수 있다.
상기 시멘트 대체재는 입도가 1.5 ~ 2.5 마이크로미터인 제1분말 5~15 중량% 및 입도가 40 ~ 70 마이크로미터인 제2분말 85~95 중량%를 포함할 수 있다.
한편, 본 제조 방법의 혼합 단계(S40)는 상기 시멘트 대체재 5 ~ 70 중량% 및 상기 시멘트 30 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다.
아래 표 3은 각 제품명의 성분비를 나타낸 것이다.
[표 3]
Figure PCTKR2023095053-appb-img-000004
위 표 3에서 C100은 시멘트 100 중량%를 포함하는 것이다. 위 표 3에서 AW(AWCP)는 비활성화된 WCP(열처리 단계(S10) 이전에 폐콘크리트 분말)와 종래의 시멘트(포틀랜드 시멘트)가 포함된 것이다.
AW10은 비활성화된 WCP가 10 중량%, 종래의 시멘트가 90 중량% 혼합된 것이며, AW80은 비활성화된 WCP가 80 중량%와 종래의 시멘트 20 중량%가 혼합된 것이다.
또한 위 표 3에서 MW(MWCP)는 밀링된 WCP(열처리 단계(S10)를 생략하고 단순히 분쇄 단계(S30)만 거친 폐콘크리트 분말)와 시멘트(포틀랜드 시멘트)가 포함된 것이다.
MW10은 밀링된 WCP 10 중량%와 시멘트 90 중량%가 혼합된 것이고, MW80은 밀링된 WCP 80 중량%와 시멘트 20 중량%가 혼합된 것이다.
또한 위 표 3에서 BMWCP는 열처리 후 밀링된 WCP(분쇄 단계(S30)를 포함하는 본 방법에 의해 제조된 시멘트 대체재)와 시멘트(포틀랜드 시멘트)의 혼합물(후술하는 본 조성물)이다.
BMW10은 열처리 후 밀링된 WCP 10 중량%와 시멘트 90 중량%가 혼합된 것이고, BMW80은 열처리후 밀링된 WCP 80 중량%와 시멘트 20 중량%가 혼합된 것이다.
도 7은 표 3의 제품들의 압축강도를 나타내는 그래프이다.
도 7 및 위 표 3을 참조하면, C100 제품과 비교해서 AW제품과 MW제품은 각각 WCP와 밀링된 WCP의 함량이 증가될수록 압축강도가 저하되는 정도가 뚜렷한 반면, 본 제조 방법에 의해 제조되는 BMW 제품은 시멘트 대체재의 함량이 증가되어도 AW제품 및 MW제품과 비교하여 압축강도가 저하되는 정도가 적은 것을 확인할 수 있다.
상술하였듯이 본 제조 방법의 혼합 단계(S40)는 상기 시멘트 대체재 5 ~ 70 중량% 및 상기 시멘트 30 ~ 95 중량%일 수 있다.
바람직하게 혼합 단계(S4)는 상기 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 시멘트 40 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다.
보다 바람직하게 혼합 단계(S4)는 상기 시멘트 대체재 5 ~ 50 중량% 및 시멘트 50 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다. 이를 통해 압축강도의 저하되는 정도를 보다 최소화 할 수 있다는 이점이 있다.
즉, 본 제조 방법은 재활용이 어려운 폐콘크리트 분말을 활성화 하며 종래의 시멘트와 비교하여 압축강도의 저하가 적은 시멘트 조성물을 제조할 수 있다는 이점이 있다.
도 8은 종래의 시멘트와 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물의 라이프 사이클 분석(수명 주기 평가) 그래프이다.
상기 혼합 단계(S40)는 상기 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다.
도 8을 참조하면, 수명 주기 평가(LCA)(제작된 바인더(도 8의 C100), BW20, BW30, BW40))의 영향 평가는 SimaPro 9.3.0.3 소프트웨어를 사용하여 수행되었고, 평가는 Ecoinvent-3 라이브러리와 IMPACT world + Midpoint V1.01 평가 방법이 사용되었다. SimaPro 9.3.0.3 소프트웨어와 Ecoinvent-3 라이브러리와 IMPACT world + Midpoint V1.01 평가 방법은 공지된 것으로 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
시멘트(유형 1) 생산을 위한 데이터 세트가 연구에 사용되었다. 데이터 세트에는 시멘트 생산의 모든 업스트림 활동을 포함하여 공장에서 시멘트 생산으로 끝나는 크래들에서 게이트까지의 활동이 포함된다. 시멘트 생산을 위한 데이터 세트는 전 세계적으로 사용하도록 모델링되었다. 도 9는 WCP 기반 바인더를 기반으로 하는 시스템 경계 및 주요 정의를 보여준다. 연구에서 시스템의 경계는 WCP 기반 바인더의 생산으로 제한되며 시스템은 수명 동안의 사용이나 영향을 포함하지 않는다.
생산 과정에서 발생하는 각 공정은 재료뿐만 아니라 필요한 에너지와 운송으로 구성된다. 아래 표 4는 실험 과정에서 수집된 인벤토리를 보여준다. 분쇄 및 열처리에 대한 입력 데이터는 실험 중 볼밀과 로에서 소비된 전력을 기준으로 계산된다. WCP 활성화 과정에서 소비되는 전력은 한국의 경우를 사용했다. 전력 소비 데이터는 2018년 통계(EA World 11 Energy Statistics and Balances OECD Library)를 기반으로 계산되었다. 그리드 손실은 2018년 데이터(또한 IEA 세계 에너지 통계 및 밸런스)를 기반으로 한다. 출력 데이터는 용광로에서 WCP를 열처리하는 동안 유기물의 연소를 기반으로 수집되었다. 유기 화합물을 기반으로 한 대기 중 배출 데이터는 Ecoinvent 데이터베이스에서 얻었다. 총 유기화합물의 양은 총 WCP 중량 감소를 기준으로 계산하였다.
[표 4]
Figure PCTKR2023095053-appb-img-000005
상술하였듯이, 상기 혼합 단계(S40)는 상기 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다.
위 표 3 및 도 8을 참조하면, 모든 수준에서 활성화된 WCP를 시멘트에 적용하면 환경 영향이 크게 감소했다. C100의 경우 시멘트 1톤을 생산하는 데 863kg의 이산화탄소가 배출되었다. 시멘트 공장에서 시장으로의 무거운 수송과 시장에서 실험실로의 가벼운 수송으로 인한 이산화탄소 배출량도 추가되었다. BMWCP를 20% 적용하면 CO2 배출량이 726kg/ton으로 감소했으며 이는 C100에 비해 17.24% 감소한 것이다. 유사하게, BMW30과 BMW40의 제조는 C100에 비해 CO2 배출량을 각각 26.95% 및 37.57% 더 감소시켰다. 시멘트를 소성 점토 및 석회석으로 대체하는 작업을 했으며 IMPACT 2002 방법을 통해 탄소 배출량 감소를 결정했다. 도 10은 4가지 다른 바인더 혼합물, 즉 C100, BMW20, BMW30 및 BMW40의 순서도 결과를 보여준다. 흐름도(순서도)는 IMPACT world + midpoint V1.01 평가 방법을 활용한 활성화된 WCP의 기후 변화 지표 모델링을 기반으로 한다.
위 표 3 및 도 8을 참조하면, BMW20, BMW30, BMW40 각각은 잠재적 기후 변화 지수가 C100 보다 각각 15.8%, 23,7%, 32,6% 감소되었다.
또한 BMW20, BMW30, BMW40 각각은 C100 보다 각각 9.3%, 14.5%, 19.7% 에너지 소비량이 적었다. 또한 BMW40은 C100보다 광물 자원 소비를 39.8% 적게 하였다.
혼합 단계(S40)는 상기 시멘트 대체재 10 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 90 중량%를 단계이기 때문에 보다 환경 친화적인 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물을 제조할 수 있다는 이점이 있다.
상기 혼합 단계(S40)는 상기 시멘트 대체재 30 ~ 60 중량% 와 시멘트 40~70 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다. 이를 통해 환경 친화적이며 동시에 압축강도 저하를 최소화 할 수 있는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물을 제조할 수 있다는 이점이 있다.
보다 바람직하게는 상기 혼합 단계(S40) 상기 시멘트 대체재 30 ~ 50 중량% 와 시멘트 50~70 중량%를 혼합하는 단계일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 (이하 ‘본 조성물’이라 함)에 대해 설명한다. 본 조성물은 상기한 본 제조 방법에 의해 제조된 것으로서, 상술한 본 제조 방법과 동일하거나 상응하는 기술적 특징을 포함하므로, 앞서 살핀 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본 조성물에서 시멘트와 혼합되는 시멘트 대체재는 폐콘크리트 분말이 열처리 단계(S10)에서 열처리되고 냉각 단계(S20)에서 냉각된 것으로, 상기 열처리 단계(S10)에서 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃일 수 있으며, 보다 바람직하게는 600℃ 내지 700℃일 수 있다.
열처리 단계(S10)에서 소정 시간은 1 ~ 4시간일 수 있고, 바람직하게는 2~3시간일 수 있다.
상기 시멘트 대체재는 분쇄되어 100 마이크로미터 이하의 입도를 가질 수 있다.
상기 본 조성물은 시멘트 대체재 5 ~ 70 중량% 및 상기 시멘트 30 ~ 95 중량%를 포함할 수 있다.
바람직하게 본 조성물은 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 95 중량%를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게 시멘트 대체재 30 ~ 60 중량% 와 시멘트 40~70 중량%를 포함할 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명한 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (26)

  1. 폐콘크리트 분말을 450℃ 이상의 열처리 온도에서 소정 시간 유지하는 열처리 단계(S10); 및
    가열된 폐콘크리트 분말을 공랭시키는 냉각 단계(S20);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리 단계(S10)에서, 상기 폐콘크리트 분말의 입도는 1mm 미만인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리 온도는 500℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정 시간은, 1 ~ 4 시간인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 소정 시간은 2 ~ 3시간인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 단계(S20) 이후에,
    냉각된 폐콘크리트 분말을 분쇄하는 분쇄단계(S30);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  8. 청구항 8에 있어서,
    상기 (S30) 단계에서 분쇄된 폐콘크리트 분말의 입도는 200 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 활성화 방법.
  9. 청구항 1에 기재된 폐콘크리트 활성화 방법에 의해 제조된 시멘트 대체재.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃인 것을 특징으로 하는 시멘트 대체재.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 소정 시간은 2 ~ 3시간인 것을 특징으로 하는 시멘트 대체재.
  12. 청구항 9에 있어서,
    입도가 200 마이크로미터 이하이도록 분쇄된 것을 특징으로 하는 시멘트 대체재.
  13. 폐콘크리트 분말을 450℃ 이상의 열처리 온도에서 소정 시간 유지하는 열처리 단계(S10);
    가열된 폐콘크리트 분말을 공랭시켜 시멘트 대체재로 제조하는 단계(S20); 및
    시멘트와 상기 시멘트 대체재를 혼합하는 혼합 단계(S40);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 열처리 단계(S10)에서, 상기 폐콘크리트 분말의 입도는 1mm 미만인 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물 제조 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 소정 시간은 1 ~ 4시간인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 냉각 단계(S20) 이후에,
    상기 시멘트 대체재를 분쇄하는 단계(S30);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 (S30) 단계에서 분쇄된 상기 시멘트 대체재의 입도는 200 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 혼합 단계(S40)는,
    상기 시멘트 대체재 5 ~ 70 중량% 및 상기 시멘트 30 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 혼합 단계(S40)는,
    상기 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 95 중량%를 혼합하는 단계인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법.
  21. 청구항 13에 기재된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물 제조 방법에 의해 제조된 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 열처리 온도는 500℃ 내지 700℃인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 소정 시간은 1 ~ 4시간인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물.
  24. 청구항 21에 있어서,
    상기 시멘트 대체재는 분쇄되어 200 마이크로미터 이하의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물.
  25. 청구항 21에 있어서,
    상기 시멘트 대체재 5 ~ 70 중량% 및 상기 시멘트 30 ~ 95 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 시멘트 대체재 5 ~ 60 중량% 및 상기 시멘트 40 ~ 95 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트를 활용한 시멘트 조성물.
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