KR101616273B1

KR101616273B1 - 바텀 애쉬를 주원료로 하는 친환경 투수성 블록 조성물

Info

Publication number: KR101616273B1
Application number: KR1020150139283A
Authority: KR
Inventors: 이재일; 김동현
Original assignee: (주) 로드바이오
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2016-04-28

Abstract

본 발명은 석탄이 화력발전소 보일러 내에서 연소될 때 보일러의 하부로 낙하되는 괴상 또는 입지의 입경이 큰 회 성분인 바텀애쉬를 활용한 친환경 투수성 블록 조성물에 대한 것으로서, 직경 0.22mm인 바텀애쉬 10∼20 중량%, 직경 315mm 바텀애쉬 60∼80 중량%, 포틀랜트시멘트 1230 중량 %, AE감수제 0.10∼0.80 중량%, 실리카 0.5∼2.2 중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다. 매립되어지는 화력발전소 석탄회의 일종인 바텀애쉬를 원료로 사용함으로서 환경 측면에서의 효과와 천연골재 고갈에 대한 대체물로의 효과를 얻고, 또한 기존 제품과 유사하거나 더 높은 압축강도를 나타내는 블록을 제공 할 수 있는 효과가 얻어지며, 투수성이 우수한 투수성 콘크리트 제품을 생산하여 도로 포장용 투수성 블록 등 다양한 용도에 용이하게 적용할 수 있다.

Description

바텀 애쉬를 주원료로 하는 친환경 투수성 블록 조성물 {Bottom ash to the main material for a eco-friendly composition permeable block}

본 발명은 석탄을 사용하는 화력 화력발전소에서 부산물로 발생하는 바텀애쉬(Bottom ash)를 입도별로 구분하여 이를 원료로 하는 투수성 보도블록 제조방법으로 블록 자체에 빗물이 투수되어 저장되는 구조로 제작된 제품으로 지구 온난화로 인한 집중 폭우에 대비하여 빗물이 우수관으로 흘러가는 것을 최소화하고 우수를 노반으로 침투시키는 구조로 빗물을 지중으로 환원하여 생태계 보호 및 우수로 인한 도시형 홍수를 방지하며 또한 가뭄시에 블록에 저장된 빗물의 증발로 인하여 도로의 습도를 조절하여 주는 기능을 가지고 있다.

석탄 화력발전소에서 석탄이 연소한 후 남는 물질을 석탄회라고 하며 석탄회는 연소 후 포집되는 장소에 따라 플라이 애쉬(fly ash), 바텀애쉬(bottom ash) 및 신더애쉬(cinder ash)로 구분되는데, 국내 10개 화력발전소에서 2015년도 연간 전체 석탄회 발생 예상량은 936만톤이며, 이중 바텀애쉬의 발생량의 187만 톤으로 예상되고 있다.

석탄회의 재활용은 경제적 효과 이외에도 환경보존, 에너지 절감 및 온실가스 방출저감 등의 효과를 기대할 수 있는 지속적으로 발전이 기대되는 건설기술의 핵심요소 중의 하나로 유럽연합에서는 석탄회 재활용률이 86%에 이르며, 일본은 81%이나 우리나라는 2015년 재활용율이 39% 정도에 지나지 않는 등 재활용율이 선진국에 비하여 저조한 실정이다, 특히, 바텀애쉬(Bottom ash)는 고온(1600)에서 연소되어 유해물질이 없고, KS규격기준의 일반골재에 비해 밀도가 낮고 흡수율이 높은 등의 장점을 가지고 있으며, 전체 석탄회 발생량의 약 10∼20% 정도를 점유하고 있으나, 플라이 애쉬나 신더애쉬에 비하여 재활용도가 높지 않아 화력발전소 근처의 매립장에 폐기되고 있어 재활용이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 이에 한국 기술표준원에서 2006년부터 석탄재를 건설 골재 대용으로 사용하기 위한 연구를 시작, 우선 콘크리트 제품에 모래나 자갈 대신 바텀애쉬를 대체사용할 수 있도록 함으로써 자원낭비를 최소화하고 화력발전소의 매립문제를 원천적으로 해소하는데 기여하고자 하고 있다. 다만, 바텀애쉬 골재는 기존의 모래나 자갈보다 가볍고, 흡수율이 높아 등의 장점이 있으나, 강도 등 물리적 성질이 다소 떨어지는 문제점이 있기 때문에, KS규격에서는 안전성을 고려하여 콘크리트 제조공장에서 만들어지는 제품(예, 경계블록,호안블록 등)에만 적용하도록 사용 용도를 명확히 규정하였으며, 하중을 받는 중요한 구조물 등의 레미콘용 골재로 사용하기 위해서는 안전성 검증 등 추가 연구가 더 필요하며, 이들에 대한 규격제정는 다소 시일이 걸릴 것으로 전망하고 있고 이에 따라 바텀애쉬를 이용한 블록 조성물 등에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

예를 들면, 국내공개특허 제10-2011-00067호에는 바텀애쉬를 이용한 도로 포장용 투수성 조성물이 개시되어 있다. 보다 상세하게는 결합재로서 무시멘트 알카리 합성 결합재와 슬래그 시멘트, 바텀애쉬, 폐석고, 황토 및 유동화제를 포함하는 바텀애쉬를 이용한 도로 포장용 투수성 조성물로, 바텀애쉬 100중량부에 대하여 결합재 22 ∼ 63중량부, 폐석고 0.4 ∼ 0.6중량부, 황토 0.15 ∼ 0.25중량부, 유동화제 0.15 ∼ 0.25중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 제시되어있다.

또한 국내 등록특허 제10-0592781호에는 포트랜드 시멘트 15 ∼ 25 중량%, CSA계 시멘트 15 중량%, 브레인 입도가 4000 ∼ 5000㎠/g인 미분말 플라이 애쉬(브레인입도가 4000 ∼ 5000㎠/g) 2 ∼ 10 중량%, 고로 슬래그(브레인입도가 4000 ∼5000㎠ /g) 2 ∼10 중량% 및 굵은골재로서 입경이 5 ∼ 20인 바텀애쉬 60 ∼80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 조성물이 개시되어 있으며, 상기의 투수성 콘크리트 조성물은 일반 천연골재나 인조 쇄석 골재에 비하여 비중이 상대적으로 작고 다공성인 바텀애쉬를 굵은골재로서 사용하고 일반 포트랜드 시멘트 이외에 CSA계 시멘트, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 결합재로서 첨가하여 콘크리트 조성물을 제조함으로써 환경문제 또는 추가적 공정의 필요성 없이 강도, 내구성, 동결융해성 및 투수성이 우수한 투수성 콘크리트를 생산하여 도로 포장용 투수성 블록, 식생블록, 배수조절용 하천바닥, 어초 등 다양한 용도에 용이하게 적용할 수 있게 제시하고 있다. 또한 국내등록특허 제10-1222212호는 콘크리트 혼합물 1㎤의 단위 중량을 기준으로, 무분급 바텀애쉬 65~85 중량% 및 시멘트 15~35 중량%을 포함하고, 상기 시멘트는 고분자 수지유화제가 물 중량 대비 1~30 중량%로 첨가된 혼합수에 물/시멘트의 혼합비가 40~60 중량%로 습식 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 '바텀애쉬를 주골재로 이용한 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법'에 관한 기술이 개시되어 있으며, 국내등록특허 제10-1134221호에는 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물에 관한 것으로서, 포틀랜드 시멘트 12~34 중량%와 재활용 골재 34~52 중량%와 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 천연골재 8~27 중량%와 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 천연골재 16~28 중량%와 입도 2,500~3,000㎠/g인 플라이애쉬 미분말 3~8 중량%와 입도 4,000~6,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 3~8 중량%와 폴리카르본산계 유동화제 0.5~1.5 중량%와 AE감수제 0.5~0.8 중량% 및 수지에멀젼 0.5~0.8 중량%를 함유하는 것을 특징으로 콘크리트 블록 조성물에 관한 기술이 개시되어 있다. 국내등록특허 제10-1384610호에는 석탄 화력발전소에서 부산물로 발생하는 바텀 애쉬(bottom ash)를 입도 별로 구분하고 이를 다른 세라믹 조성물과 혼합한 바텀 애쉬(bottom ash)를 이용한 세라믹 투수 블록 조성물과 이를 이용한 다공성 세라믹 투수 블록 및 그 제조방법에 관한 기술이 개시되어 있다.

본 발명은 바텀애쉬를 이용한 다양한 제조방법이 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

1.국내공개특허 제10-2011-00067호 1.국내 등록특허 제10-0592781호 1.국내등록특허 제10-1222212호 1.국내등록특허 제10-1134221호 1.국내등록특허 제10-1384610호 1.국내등록특허 제10-1038796호 1.국내등록특허 제10-0447739호

본 발명은 지구 온난화로 인한 집중 폭우에 대비하여 빗물이 우수관으로 흘러가는 것을 최소화하고 우수를 노반으로 침투시키는 구조로 빗물을 지중으로 환원하여 생태계 보호 및 우수로 인한 도시형 홍수방지를 목적으로 하는 블록 자체에 빗물이 투수되는 구조로 제작된 바텀애쉬(bottom ash)를 이용한 투수성 블록 제조방법으로 석탄재 중 재활용이 제대로 이루어지고 있지 않은 바텀애쉬를 활용함으로써 매립장에 전량 매립하고 있는 바텀애쉬를 재활용함에 도움을 주고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 바텀애쉬가 갖는 투수블록의 특성을 이용한 것이다.

투수블럭의 특성은 습도조절 및 소음 경감, 주변 수목 보호 기능을 가지고 있으며 노면의 표면온도를 3-5 저감하여 노면온도의 상승 억제하는 쾌적성을 가지고 있고 도시 홍수 감소 및 도시하천 유량감소 방지하여 도시를 안전하게 하며, 지하수의 갈수 현상을 방지하여 자연생태 보존에 도움을 주는 친환경적인 건설자재이다.

상기와 같은 투수블럭은 틈새 투수블록과 자체 투수블럭이 있는데 틈새 투수블록은 블록과 블록사이에 형성된 줄눈 틈새로 빗물을 투수시키는 블록을 말하며, 블록 형상에 따라 블록을 서로 연결했을 경우에 빗물이 들어갈 틈새가 형성되는 틈새 형성블록과 블록 옆면에 빗물이 빠질 수 있는 틈새가 미리 가공되어 있는 틈새 확대블록으로 구분된다. 틈새 투수블록 선정 시에는 줄눈재의 유실로 인한 하이힐 빠짐 등에 대한 대책을 고려하여 선정한다. 블록을 서로 연결했을 경우에 빗물이 들어갈 틈새가 형성되는 블록을 말한다. 자체 투수블록은 블록 자체가 투수성을 갖는 블록으로 비가 오면 빗물을 스펀지처럼 흡수하여 하부로 투수시키는 형태로 이루어진 다.

바텀애쉬를 이용한 본 발명의 투수성 블록 조성물은 바텀애쉬 60∼80 중량%, 포틀랜트시멘트 12∼30 중량%, 폴리옥시에틸렌알킬 아릴에테르 0.12 ∼0.21 중량%, 실리카 0.5 ∼2.2 중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 직경이 0.22mm인 바텀애쉬 60∼80 중량%와 포틀랜트시멘트 10∼20 중량 %, 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르 0.12∼0.21 중량%, 실리카 1.12∼2.20 중량% 및 색분 0.5 - 2.0중량%를 함유하는 블록 조성물로 이루어진 상단부와 직경 3.15mm인 바텀애쉬 60∼80 중량%, 포틀랜트시멘트 12∼25 중량%, 알킬아릴 설폰산염 0.12∼0.21 중량%, 실리카 0.2∼1.5 중량%를 함유하는 하단부로 구성되며, 상기의 블록은 상단부와 하단부의 두께비율이 10 ∼ 20 : 80 ∼ 90으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 바텀애쉬를 이용한 친환경 투수성 조성물은 바텀애쉬 자체에 공극이 형성되어 있어 미세먼지 등의 침착에 의해 골재 사이 사이에 형성되는 공극이 막힘에도 우수한 투수성을 유지하게 되는 효과가 있는 투수성 블록 조성물을 제고하는 것이다.

도 1은 본 발명 실시예 1에 따른 블록의 개념을 보이는 사진.

본 발명에 사용되는 바텀애쉬는 통상 사용되는 천연골재의 대체재로 사용함으로써 자원고갈 문제를 해결하면서 투수성을 향상시킬 수 있다. 상기 바텀애쉬는 석탄 화력발전소의 보일러 저부의 호퍼에서 배출된 분립상 또는 괴상의 비정질 무기질 성분으로 자체적인 기공이 형성되어 있어 통기성이 우수하고, 보온 보냉성이 우수하며 수명이 반영구적이어서 최근 들어, 보강토 블럭, 호안블럭, 방음패널, 보도블럭, 경계석, 주차블럭 등 콘크리트 2차 제품으로 그 사용 용도가 다양하게 개발되고 있다. 표 1은 본 발명에서 사용되는 바텀애쉬의 성분분석표이고, 표 2는 본 발명에서 사용되는 바텀애쉬의 물리적 특성을 나타내었다.

성 분	SiO2	Al2O3	Fe2O	CaO	K2O	MgO
함유율(%)	5060	2025	812	38	34	13

구 분	진비중	흡수율(%)	단위용적중량(/)	공극율(%)	안전성(%)
특성	2.02.5	310	9501,100	4555	89

본 발명의 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물은 바텀애쉬 60∼80 중량%, 포틀랜트시멘트 12∼30 중량 %, 감수제로 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르 또는 알킬아릴 설폰산염 0.10∼0.80 중량% 및 실리카 0.5∼1.9 중량%를 함유한다.

바텀애쉬를 이용하고 있는 콘트리트 조성물은 인장강도나 압축강도가 포틀란트 시멘트에 비하여 약하므로 이를 보완하기 위하여 본 발명에서는 입자의 크기가 0.1㎛정도로 시멘트 입자보다 수백배 적은 실리카폼을 0.5∼1.9 중량% 첨가하고 있다. 실리카폼은 SiO₂가 주류를 이루고 있으며, 정확한 화학식은 실리콘의 종류에 따라 다소 차이가 있으나 일반적으로 통칭하여 실리카 폼이라 한다. 시멘트가 실리카 폼을 함유할 경우, 최종적으로 수화된 시멘트풀은 조직이 더 치밀해지고 공극율이 줄어 침투성이 감소하여 강도와 내구성이 향상되는 효과가 있다. 또한 실리카퓸은 골재와 시멘트풀 사이의 부착을 증가시키는데, 이것은 강도에 관한 중요한 지표가 된다. 표면적이 크기 때문에 시멘트보다 더 많은 물과 결합하게 되므로 유효 물-시멘트비는 더 낮아지게 된다. 따라서 실리카퓸이 사용될 때는 작업성을 유지하기 위해서 본 발명에서는 고성능 감수제인 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르 또는 알킬아릴 설폰산염 0.10∼0.80 중량%가 첨가된다.

본 발명의 조성물로 제조되는 블록은 상단부와 하단부 구분되는 콘크리트 블록으로 상단부의 조성은 직경 0.22mm인 바텀애쉬 60∼80 중량%와 포틀랜트시멘트 10∼20 중량 %, 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르 0.09∼0.21 중량%, 실리카 0.9∼2.2 중량% 및 색분 0.5∼2.0 중량%를 함유하며, 하단부의 조성은 직경 3.15mm 바텀애쉬 60∼80 중량%, 포틀랜트시멘트 12∼25 중량 %, 알킬아릴 설폰산염 0.06∼0.15 중량% 및 실리카 0.2∼1.5 중량%를 함유하며, 상단부의 직경 두께비는 20%이며, 하단부의 직경 두께비는 80%로 구성된다.

[실시예]

본 발명에 따른 제조방법은 상기 조성물을 형틀에 넣고, 진동기로 2분∼5분 동안 진동시켜 다진 후에 형틀에서 빼내어 상온에서는 28일 동안 자연 양생시키거나, 85℃ 이하의 온도 범위에서 6시간 동안 스팀 양생시키는 것을 특징으로 한다.

규격별로 선별한 바텀애쉬, 포틀랜트시멘트, 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르, 실리카를 준비하고 각각 일정량으로 혼합한 혼합물을 준비하고, 물/혼합물 비가 약 3/10이 되도록 하여 투수성 조성물의 시편을 제조하였다.

투수성 조성물의 시편에 대하여 KS F 2405에 따라 압축강도(28일 양생강도)를 측정하였고, 투수계수의 측정은 KS F 2322에 의한 방법으로 투수계수를 측정하였다.

표 3은 본 발명에 따른 투수성 조성물의 상세한 배합비율과 양생된 시편의 압축강도 및 투수계수의 측정결과표이다.

실시예 1은 상단은 10mm이고 하단은 50mm로서 전제 두께는 60mm로서 인도용 보도블럭으로서 하단을 먼저 조성한 다음 상단을 하단 위에 조성하는 것을 특징으로 한다.

실시예 2는 상단은 10mm이고 하단은 70mm로서 전제 두께는 80mm로서 차량용 보도 블럭으로서 하단을 먼저 조성한 다음 상단을 하단 위에 조성하는 것을 특징으로 한다.

구분		배합비(중량부)						W/C	압축 강도 (/)	투수계수 (/sec)
		포틀랜트시멘트	감수제	실리카	바텀애쉬(100중량부)
					0.21 (mm)	1.12 (mm)	3.15 (mm)
실시예1	상단	20	3	2	10	90	0	0.3	248	10.510
	하단	20	3	1	0	30	70
실시예1-1	상단	20	3	2	10	90	0	0.3	248	10.510
	하단	20	3	1	0	30	70
실시예2	상단	20	3	1	30	70	0	0.3	300	10.210
	하단	20	3	1	0	30	70

상기 바텀애쉬 100중량부에 대하여 실시예 1과 실시예 2의 압축강도에서 시험에서 실시예 2가 20mm 더 두꺼운 관계로 압축강도는 50정도 높게 나와서 차량보도로서 사용이 가능하고 투수계수는 별 차이가 없는 것으로서 나타났다.

본 발명에서 사용되는 상기 감수제인 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르 또는 알킬아릴 설폰산염는 상기 배합비 100중량부에 대하여 3중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 상기 실리카는 상기 배합비 100중량부에 대하여 12중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.

실시예 1-1은 상부 층에 150mesh 이하(0.104㎜)인 모래를 비벼놓고 투수시험 결과 동일한 투수율을 보임으로서 먼지 등의 물질에 틈새가 막히면 그 기능이 떨어지는 경우에 비하여 본 발명품은 반 영구적인 투수효과가 가능하다는 것을 보여준다.

10 : 상단부 20 : 하단부

Claims

블록의 상단부 조성은 직경이 0.22mm인 바텀애쉬 60∼80 중량%와 포틀랜트시멘트 10∼20 중량%, 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르 0.09∼0.21 중량%, 실리카 0.9∼2.2 중량% 및 색분 0.5- 2.0중량%를 함유하며, 블록의 하단부 조성은 직경이 3.15mm인 바텀애쉬 60∼80 중량%, 포틀랜트시멘트 15∼30 중량%, 알킬아릴 설폰산염 0.12∼0.21 중량% 및 실리카 0.2∼1.5 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록 조성물.
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블록의 상단부 조성은 직경이 0.22mm인 바텀애쉬 60∼80 중량%와 포틀랜트시멘트 10∼20 중량%, 폴리옥시에틸렌알킬 아릴 에테르 0.09∼0.21 중량%, 실리카 0.9∼2.2 중량%및 색분 0.5∼2.0중량%를 함유하며, 블록의 하단부 조성은 직경이 3.15mm인 바텀애쉬 60∼80 중량%, 포틀랜트시멘트 15∼30 중량%, 알킬아릴 설폰산염 0.12∼0.21 중량% 및 실리카 0.2∼1.5 중량%를 함유하며, 상기 불록 상단부의 직경과 상기 블록 하단부의 직경 두께비는 10∼20 : 80∼90인 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록.
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