KR100538374B1

KR100538374B1 - 속경성 고화재의 제조방법 및 이를 이용한 흙의 고화방법

Info

Publication number: KR100538374B1
Application number: KR10-2003-0006425A
Authority: KR
Inventors: 정주동
Original assignee: 칭 다오 피티엘 켐 리미티드
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2005-12-21
Also published as: KR20040069871A

Abstract

본 발명은 토목, 건축분야에 사용되는 흙을 고화시키거나, 경량기포콘크리트용 속경성 시멘트 고화재는 물론 폐기물의 고화 또는 안정화 처리를 위한 고화재의 제조방법에 관한 것으로서, 저품위 복크사이트, 석회석 및 석고(탈황석고)를 3∼5 : 3∼4 : 1∼2의 중량비로 혼합하고 로타리 킬른에서 소성하여 칼슘설포알루미네이트, 디칼슘실리케이트 및 철과 마그네슘 함유 규산염이 7∼8 : 1∼2 : 0.5∼1의 중량비로 조성된 크링커를 제조하는 제1공정과, 상기 제1공정에 의한 상기 크링커 100 중량부 당 무수 석고 0.5∼10 중량부, 스테아르산 아연 0.3∼3.0 중량부 및 비닐계 중합체 0.3∼3.0 중량부를 첨가하고 고속으로 미분쇄하는 제2공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고화재는 여러 가지 토양뿐만 아니라 제강분진, 상하수 슬러지, 석회슬러지 등과 같은 분말성 유해 폐기물의 고화 및 안정화 처리를 함에 있어 속경성과 고강도의 고화체로 고화시킬 수 있다.

Description

속경성 고화재의 제조방법 및 이를 이용한 흙의 고화방법{PREPARING METHOD OF SOLIDIFIER AND SOLIDIFICATION OF SOIL THEREOF}

본 발명은 토목, 건축분야에 사용되는 흙을 고화시키거나, 경량기포콘크리트용 속경성 시멘트 고화재는 물론 폐기물의 고화 또는 안정화 처리를 위한 속경성 고화재의 제조방법 및 이를 이용한 흙의 고화방법에 관한 것이다.

특히, 저품위 복크사이트, 석회석 및 석고(탈황석고)를 3∼5 : 3∼4 : 1∼2의 중량비로 혼합하고 로타리 킬른에 장입하여 1200∼1300℃에서 약 2시간 동안 소성한 후 냉각하여, 칼슘설포알루미네이트(4CaO·3Al₂O₃·SO₃, 일명 kleinite), 디칼슘실리케이트(2CaO·SiO₂) 및 철과 마그네슘 함유 규산염이 7∼8 : 1∼2 : 0.5∼1의 중량비로 조성된 크링커를 제조하는 제1공정과, 상기 제1공정에 의한 상기 크링커 100 중량부 당 무수 석고 0.5∼10 중량부, 지방산 금속염(스테아르산 아연 등) 0.3∼3.0 중량부 및 비닐계 중합체 0.3∼3.0 중량부를 첨가하고 고속으로 미분쇄하여 혼합하는 제2공정으로 이루어진 속경성 고화재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조방법에 의한 속경성 고화재는 여러 가지 종류의 토양에 대한 고화와 제강분진, 상하수의 슬러지, 석회슬러지 등과 같은 분말성 유해 폐기물을 고화시키거나 안정화시키거나 또는 속경성과 초기강도 증가를 필요로 하는 현장 타설 온돌용 경량기포콘크리트의 몰탈 소재 등에 이용된다.

본 발명과 관련된 종래 기술로서, 대한민국 공개특허공보 제2002-037993호, 동 제95-018395호에는 주로 포트랜드 시멘트에 CaCl₂, MgCl₂, NaCl, KCl, Na₂CO₃, Na₂SO₄, MgSO₄, CaSO₄ 등의 알칼리 금속염과 성능개선을 위한 감수제, 조강재, 증점제 등을 첨가 혼합한 재료를 사용한 흙의 고화방법 등이 개시되어 있으며, 대한민국 공개특허공보 제1998-043021호, 동 공개특허공보 제2000-073533호에서는 CSA계 시멘트와 칼슘페로알루미네이트계 속경성 시멘트를 이용한 토양의 고화에 관한 것이 개시되어 있다.경량기포콘크리트용 재료로는 동 특허공보 제2001-028978호에서와 같이 대부분 포트랜드 시멘트를 사용하고 첨가 혼화재로 모래, 후라이애쉬를 사용하거나, 동 공개특허공보 제2001-007841호에서와 같이 화학 기포제 대신에 스티로폼 분말이나 폐지 또는 합성섬유를 사용하거나, 동 공개특허공보 제2000-026182호에서와 같이 기포제로 지방산 알콜이나 에틸렌옥사이드 공중합체를 사용하는 방법 등이 개시되어 있다.그러나 이들 방법들은 양생지연 등으로 인한 소포와 비중 조정이 어려워 사용에 제한을 받고 있다. 더욱이, 속경성 시멘트의 사용에 관해서는 상기한 공개특허공보 제1998-043021호가 있으나 재료에 대한 화학성분이나 구성 화합물에 대한 구체적인 제조방법과 그 조성물에 관한 상세한 자료는 기술되어 있지 않으며, 막연히 명칭상의 CSA계 시멘트를 사용한다고만 개시되어 있다.

한편, 미국 특허 제5,820,302호, 동 제5,472,475호에서는 고화재로서 포트랜드 시멘트 외에 칼슘실리케이트, 나트륨 메타실리케이트 등의 알칼리 금속 규산염을 사용하며, 동 특허 제6,076997호, 동 제5,860,770호에서는 아크릴산, 단량체 수지, 지방족 모노하이드릭산, 시트르산, 지방산, 지방산 알콜 등의 유기물 바인더를 사용하고 있다.일본국 공개특허공보 제2001-097759호에서는 일반 포트랜드 시멘트, 칼슘알루미네이트 시멘트, 쓰레기 소각회에 각종 유기물 첨가제를 혼합한 토양의 고화 및 안정화재 제조기술들을, 동 공개특허공보 제2001-097759호에서는 속경성 시멘트, 석고, 폴리알킬렌글리콜, 폴리카르복실산 고분자 화합물을 이용한 고화를, 동 공개특허공보 제2000-192403호에서는 MgCl₂, AlCl₃, CaCl₂, NaCl, 시멘트로 이루어진 고화재를, 동 공개특허공보 제1996-333573호에서는 폴리아크릴아마이드, 수성고분자, 알칼리 금속염을, 동 공개특허공보 제1995-291694호에서는 셀룰로오스 에테르, 아세틸렌글리콜, 폴리옥시에틸렌을 이용한 고화재가 개시되어 있다.

상기한 공지기술들을 살펴보면, 수경성 점결제로는 일반적으로 포트랜드 시멘트, 칼슘알루미네이트 시멘트, 칼슘페로알루미네이트를 사용하며 무기 첨가물로서는 MgCl₂, CaCl₂, NaCl, AlCl₃, Na₂CO₃, CaCO₃, CaSO₄ 등의 각종 알칼리 금속염을, 그리고 유기 첨가제로는 카르복실산, 아크릴산, 폴리옥시에틸렌 등을 사용하여 이들을 적량 혼합한 것을 토양에 혼합하여 고화시키는 공법과 기포콘크리트 제조에는 주로 포트랜드 시멘트에 기포제 및 여러 가지 혼화재를 병용하는 방법을 채택하고 있다.그러나 공지기술들은 상술한 바와 같은 단점으로 인하여 사용상 어려움을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 종래의 토양 고화재로 사용되는 포트랜드시멘트나 속경성 시멘트(칼슘설포알루미네이트, 칼슘알루미네이트, 칼슘페로알루미네이트)보다 더욱 경화속도가 빠른 속경성과 초기 강도를 나타내며, 가격이 저렴한 속경성 고화재의 제조공정과 그 조성물의 배합비를 결정하여 제조생산 할 수 있는 속경성 고화재의 제조방법을 제공하는 것이다.본 발명의 다른 목적은 상기 속경성 고화재의 제조방법에 의해 제조된 속경성 고화재를 사용하여 종래의 흙 고화재나 폐기물 고화/안정화재와 비교하여 속경성이고, 압축강도 등이 우수하고, 중금속 등의 용출을 효과적으로 억제하며, 흙 고화재, 폐기물의 고화/안정화재 등으로 사용할 수 있는 흙의 고화방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 속경성 고화재의 제조방법은 저품위 복크사이트, 석회석 및 석고(탈황석고)를 3∼5 : 3∼4 : 1∼2의 중량비로 혼합하고 로타리 킬른에서 소성하여 칼슘설포알루미네이트(4CaO·3Al₂O₃·SO₃), 디칼슘실리케이트(2CaO·SiO₂) 및 철과 마그네슘 함유 규산염이 7∼8 : 1∼2 : 0.5∼1의 중량비로 조성된 크링커를 제조하는 제1공정과, 상기 제1공정에 의한 상기 크링커 100 중량부 당 무수 석고 0.5∼10 중량부, 스테아르산 아연 0.3∼3.0 중량부 및 비닐계 중합체 0.3∼3.0 중량부를 첨가하고 고속으로 미분쇄하는 제2공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.또, 본 발명에 따른 속경성 고화재의 제조방법에 있어서, 소성은 1200∼1300℃에서 2시간 동안 소성시키는 것을 특징으로 한다.또, 본 발명에 따른 속경성 고화재의 제조방법에 있어서, 미분쇄는 롤밀 또는 볼밀로 분쇄하여 브래인 분말도가 4000∼6000㎠/g이 되는 것을 특징으로 한다.또, 본 발명에 따른 속경성 고화재의 제조방법에 있어서, 상기 비닐계 중합체는 폴리비닐알콜 또는 폴리비닐아세테이트인 것을 특징으로 한다.또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 흙의 고화방법은 흙 100 중량부 당 상기 속경성 고화재의 제조방법으로 제조된 속경성 고화재 5∼20 중량부를 첨가하고 고화한 후에 고화체가 150∼300㎏/㎠ 범위의 압축강도를 갖는 것을 특징으로 한다.또, 본 발명에 따른 흙의 고화방법에 있어서, 상기 흙은 석회 슬러지이고, 상기 속경성 고화재는 10∼20 중량부를 첨가하며, 압출하여 고화한 후에 고화체가 150∼250㎏/㎠ 범위의 압축강도를 갖는 것을 특징으로 한다.또, 본 발명에 따른 흙의 고화방법에 있어서, 상기 흙은 지름 5 mm이하의 분말상 흙이고, 속경성 고화재는 5∼10 중량부를 첨가하며, 시멘트 10∼20 중량부와 물/고체 비율이 15∼20%가 되도록 물을 더 첨가하여 전압 다짐하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 속경성 고화재의 제조방법을 구체적으로 설명하면, 제 1공정으로서 우선 저품위 복크사이트, 석회석 및 석고(탈황석고)를 3∼5 : 3∼4 : 1∼2의 중량비로 혼합하고 로타리 킬른에 장입하여 1200∼1300℃에서 약 2시간 동안 소성한 후 냉각하여 크링커를 제조한다.표 1은 칼슘설포알루미네이트, 디칼슘실리케이트 및 철과 마그네슘 함유 규산염이 함유된 크링커 분말의 화학성분을 나타낸 것으로서 본 발명의 크링커 화합물의 조성을 정량적으로 나타내고 있다.

표 1. 본 발명 크링커의 화학성분

이후, 상기 제1공정에 의한 상기 크링커 100 중량부 당 무수 석고 0.5∼10 중량부를 첨가하고 브레인 분말도가 4000∼6000 ㎠/g 되게 롤밀 또는 볼밀 등으로 고속에서 건식으로 교반하여 미분쇄한 다음, 여기에 스테아르산 아연 등의 지방산 금속염 0.3∼3.0 중량부 및 수용성 폴리비닐알콜 혹은 폴리비닐아세테이트 등의 비닐계 중합체 0.3∼3.0 중량부를 첨가하고 혼합하여 속경성 고화재를 제조한다.이들 혼합물의 혼합온도는 0∼40℃가 바람직한데 이는 0℃ 이하에서 결빙되기 때문이며, 열대지방처럼 40℃ 이상의 온도에서 혼합작업을 할 수 있지만 일반적으로 40℃ 이하에서 작업하기 때문이다.본 발명의 속경성 고화재는 토양 및 각종 폐기물을 고화시키거나 안정화시키며, 현장 타설 온돌용 경량기포콘크리트 몰탈 등의 모재로 사용할 수 있다.본 발명에서 흙이라 함은 일반 흙과 함께 제강분진, 슬러지, 경량기포콘크리트용 몰탈 등을 포함한 광의의 흙으로 정의한다.

본 발명의 속경성 고화재 제조에 있어서, 칼슘설포알루미네이트(4CaO·3Al₂O₃·SO₃), 디칼슘실리케이트(2CaO·SiO₂) 및 철과 마그네슘 함유 규산염이 7∼8 : 1∼2 : 0.5∼1의 중량비로 조성된 크링커의 100 중량부 당 무수 석고 0.5∼10 중량부를 첨가하고 브레인 분말도가 4000∼6000 ㎠/g 되게 롤밀 또는 볼밀 등으로 건식에 의해 미분쇄하였는데 그 이유는 이들의 잠재 수경성과 미립의 치밀성으로 고화처리 대상인 흙의 강도를 향상시키기 위한 것이다.무수 석고를 0.5 중량부 이상으로 첨가한 이유는 시멘트 본연의 특성, 예컨대 일정한 물리적 강도를 발휘할 수 있도록 하기 위함이며, 10 중량부 이하로 첨가한 이유는 10 중량부 이상에서는 고화재로서의 굴곡강도가 저하되기 때문이다.여기에 스테아르산 아연 등의 지방산 금속염 0.3∼3.0 중량부 및 수용성 폴리비닐알콜 혹은 폴리비닐아세테이트 등의 비닐계 중합체 0.3∼3.0 중량부를 첨가하고 혼합하여 속경성 고화재를 제조하게 되는데, 지방산 금속염과 비닐계 중합체의 첨가량이 각각 0.3 중량부 이하에서는 고화재로서의 응결력을 발휘하지 못하며 3.0 중량부 이상에서는 응결력은 향상되나 비경제적이기 때문에 각각 제한하였다.

본 발명의 속경성 고화재는 흙의 종류에 따라 첨가량을 달리 할 수 있는데, 변성화강암이 풍화하여 조성된 마사토 및 이와 유사한 흙(표 2 참조)의 경우에는, 이를 모재로 하고 여기에 포트랜드 시멘트와 본 발명의 속경성 고화재를 첨가하고 전압 다짐하여 양생하는 것이 바람직하다.

표 2. 흙 시료의 물리적 특성

양생된 흙 고화체는 표 3에서와 같이 본 발명의 속경성 고화재의 첨가량에 따라 KS F 2330 (다져진 흙시멘트 혼합물의 축임과 말림 시험방법)에 의해 시험한 물리적 특성을 나타낸다.이 시험 결과에서 흙 고화체의 압축강도가 151∼300㎏/㎠ 임을 알 수 있다.

한편, 폐기물의 고화 및 안정화 효과를 확인하기 위하여, 석회 슬러지를 시료로 선정하여 그 고화 정도 및 안정화효과를 검토하였다.

표 4는 석회 슬러지의 화학조성을 나타내었으며, 이를 모재로 하고 이 슬러지에 본 발명의 속경성 고화재의 첨가량을 변화시켜 그 고화 효과(압축강도) 및 안정화 효과(염소분 용출)를 시험하였다. 그 결과 표 5에서와 같이 압축강도가 150∼200㎏/㎠ 이었고 중금속도 용출되지 않았다.

다음 실시 예는 본 발명을 상세히 예증하여 줄 것이나 본 발명의 범위가 이에 국한된다는 것은 아니다.

실시 예 1

저품위 복크사이트, 석회석 및 석고(탈황석고)를 3 : 3 : 1의 중량비로 혼합하여 로타리 킬른에 장입하여 1200∼1300℃에서 2시간 동안 소성한 후, 냉각시켜 칼슘설포알루미네이트(4CaO·3Al₂O₃·SO₃), 디칼슘실리케이트(2CaO·SiO₂), 철 및 마그네슘 함유 규산염이 7 : 1 : 0.5 중량비로 조성된 크링커를 제조(제1공정)하고 그 얻어진 크링커 100 중량부 당 무수 석고 0.5 중량부, 스테아르산 아연 0.3 중량부 및 폴리비닐알콜 0.3 중량부를 첨가하고 롤밀로 혼합하여 브래인 분말도가 4000∼6000㎠/g이 되도록 미분쇄(제2공정)하여 속경성 고화재를 제조하였다.

실시 예 2

저품위 복크사이트, 석회석 및 석고(탈황석고)를 5 : 4 : 2의 중량비로 혼합하여 로타리 킬른에 장입하여 1200∼1300℃에서 2시간 동안 소성한 후 냉각하여 칼슘설포알루미네이트(4CaO·3Al₂O₃·SO₃), 디칼슘실리케이트(2CaO·SiO₂), 철 및 마그네슘 함유 규산염이 8 : 2 : 1의 중량비로 조성된 크링커(제1공정)를 제조하고, 그 얻어진 크링커 100 중량부 당 무수 석고 10 중량부, 스테아르산 아연 3.0 중량부, 폴리비닐아세테이트 3.0 중량부를 첨가하고 롤밀로 혼합하여 브래인 분말도 4000∼6000㎠/g되게 미분쇄(제2공정)하여 속경성 고화재를 제조하였다.

실시 예 3 : 흙의 고화

변성화강암이 풍화하여 조성된 마사토와 유사한 흙(표 2 참조)을 입도 약 5 ㎜이하로 되게 분쇄하고 이를 모재로 하였다. 이 모재 100 중량부에 대하여 포트랜드 시멘트 10∼20 중량부, 본 발명의 속경성 고화재 10∼25 중량부를 첨가하고 물/고체 비율이 15∼20% 되게 조정하여 혼합한 후 전압다짐하여 양생하였다.

양생된 흙 고화체는 표 3에서와 같이 본 발명의 고화재의 첨가량에 따라 KS F 2330 (다져진 흙시멘트 혼합물의 축임과 말림 시험방법)에 의거 생성된 흙 고화체의 압축강도 및 습윤건조 손실율(12사이클 이후 미국포트랜드시멘트협회 제안 범위인 14%이내이어야 함.)의 시험결과이며, 흙 고화체의 압축강도가 150∼300㎏/㎠ 이었다.

표 3. 본 발명의 속경성 고화재 첨가량에 따른 흙 고화체의 물성

본 발명의 속경성 고화재의 첨가량(중량부)	압축강도(㎏/㎠)		습윤건조(손실율 %)
본 발명의 속경성 고화재의 첨가량(중량부)	3일	28일	습윤건조(손실율 %)
10	60	151	2.8
15	95	226	2.2
20	116	271	1.9
25	129	300	1.6
*	50	130	5.0

삭제

* : 본 발명의 속경성 고화재 대신 포트랜드 시멘트 20% 첨가

실시 예 4 : 폐기물의 고화 및 안정화 처리(석회 슬러지)

표 4에 표시된 화학성분의 석회 슬러지를 모재로 하고 이 슬러지에 본 발명의 속경성 고화재의 첨가량을 변화시켜 그 고화 효과(압축강도) 및 안정화 효과(염소분 용출)를 시험하였다.

표 4. 석회 슬러지의 화학성분

모재 100 중량부에 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 속경성 고화재 5∼20 중량부를 첨가하여 압출하고 고화시켰다.고화된 석회 슬러지 고화체는 표 5에서 보는 바와 같이 본 발명의 속경성 고화재의 첨가량에 따라 상기 규격 KS F 2330에 의한 압축강도가 150∼250㎏/㎠ 이었고 중금속도 용출되지 않았다.

표 5. 본 발명의 속경성 고화재 첨가량에 따른 고화 및 안정화 효과

* : 포트랜드 시멘트 20 중량부 첨가한 경우

본 발명의 속경성 고화재의 첨가량(중량부)	압축강도(㎏/㎠)		Cl^-용출량(㎎/ℓ)
본 발명의 속경성 고화재의 첨가량(중량부)	7일	28일	Cl^-용출량(㎎/ℓ)
*	50	130	-
5	70	150	<10
10	100	180	"
15	120	210	"
20	150	250	"

삭제

본 발명의 속경성 고화재는 폐자원을 활용함으로써 비교적 생산원가가 저렴할 뿐만 아니라, 흙 고화재로 사용할 경우 적은 양으로 고강도의 흙 포장 도로의 시공이 가능하고, 폐기물의 고화 및 안정화재로 사용할 경우에는 고함수율 폐기물 처리에 효과적이며, 중금속 이온 등의 유해물질 용출을 최대한 억제할 수 있다.

Claims

저품위 복크사이트, 석회석 및 석고(탈황석고)를 3∼5 : 3∼4 : 1∼2의 중량비로 혼합하고 로타리 킬른에서 소성하여 칼슘설포알루미네이트(4CaO·3Al₂O₃·SO₃), 디칼슘실리케이트(2CaO·SiO₂) 및 철과 마그네슘 함유 규산염이 7∼8 : 1∼2 : 0.5∼1의 중량비로 조성된 크링커를 제조하는 제1공정과,

상기 제1공정에 의한 상기 크링커 100 중량부 당 무수 석고 0.5∼10 중량부, 스테아르산 아연 0.3∼3.0 중량부 및 비닐계 중합체 0.3∼3.0 중량부를 첨가하고 고속으로 미분쇄하는 제2공정

으로 이루어진 것을 특징으로 하는 속경성 고화재의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 소성은 1200∼1300℃에서 2시간 동안 소성시키는 것을 특징으로 하는 속경성 고화재의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 미분쇄는 롤밀 또는 볼밀로 분쇄하여 브래인 분말도가 4000∼6000㎠/g이 되는 것을 특징으로 하는 속경성 고화재의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 비닐계 중합체는 폴리비닐알콜 또는 폴리비닐아세테이트인 것을 특징으로 하는 속경성 고화재의 제조방법.
흙 100 중량부 당 특허청구범위 제1항 기재의 방법으로 제조된 속경성 고화재 5∼20 중량부를 첨가하고 고화한 후에 고화체가 150∼300㎏/㎠ 범위의 압축강도를 갖는 것을 특징으로 하는 흙의 고화방법.
제5항에 있어서,

상기 흙은 석회 슬러지이고, 상기 속경성 고화재는 10∼20 중량부를 첨가하며, 압출하여 고화한 후에 고화체가 150∼250㎏/㎠ 범위의 압축강도를 갖는 것을 특징으로 하는 흙의 고화방법.
제5항에 있어서,

상기 흙은 지름 5 mm이하의 분말상 흙이고, 속경성 고화재는 5∼10 중량부를 첨가하며, 시멘트 10∼20 중량부와 물/고체 비율이 15∼20%가 되도록 물을 더 첨가하여 전압 다짐하는 것을 특징으로 하는 흙의 고화방법.