KR102030627B1 - 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법 - Google Patents

페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업현장에서 부생하는 페로니켈슬래그와 토석 채취시 발생하는 발파암을 동시에 혼합, 분쇄하여 골재의 일부를 대체하도록 함으로써 제조원가를 낮출 뿐만 아니라 콘크리트 구조체로서의 충분한 압축강도와 슬럼프를 유지할 수 있도록 개량된 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법에 관한 것이다.

Description

페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법{A method of manufacturing concrete agent using ferronickel slag and granulated rock mixture}
본 발명은 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업현장에서 부생하는 페로니켈슬래그와 토석 채취시 발생하는 발파암을 동시에 혼합, 분쇄하여 골재의 일부를 대체하도록 함으로써 제조원가를 낮출 뿐만 아니라 콘크리트 구조체로서의 충분한 압축강도와 슬럼프를 유지할 수 있도록 개량된 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 콘크리트(Concrete)라 함은 시멘트에 자갈과 같은 굵은 골재와 모래와 같은 잔골재를 섞고 물을 가해 반죽한 것 또는 그것을 굳힌 것을 의미한다.
이러한 콘크리트에 요구되는 규격은 콘크리트 표준 시방서에 잘 나타나 있는데, 이를 살펴보면 콘크리트는 시멘트, 물, 잔골재, 굵은골재 및 혼화재 등으로 구성되어 있다.
이중 잔골재는 상기 콘크리트 표준시방서에 의하면 일정 크기의 스크린(체)를 통과하는 골재의 중량 백분율이 10mm 100%, 5mm 95~100%, 2.5mm 80~100%, 1.2mm 50~85%, 0.6mm 25~60%,0.3mm 10~30%, 0.15mm 2~10%의 입도분포를 만족시키는 골재를 말하는데, 이외에도 콘크리트의 품질을 보증하기 위하여 깨끗하고, 강하며, 내구적이고, 먼지, 흙, 유기불순물, 염분 등의 유해물을 함유해서는 안된다는 조건에 부합하여야 한다.
또한, 그 모양은 입방체 또는 구형에 가까운 형상이어야 하며, 시멘트와의 부착력이 큰 표면조직을 가져야 하며, 지나치게 가벼우면 재료분리가 생길 위험이 있으므로 적당한 소요중량을 가져야 하고, 내마모성이 요구되는 경우도 있다.
이와 같은 잔골재로 사용되는 재료는 강모래를 원칙적으로 사용하였으나 환경보호 측면에서 강모래의 사용량이 점차 감소하는 추세에 있고, 재생모래, 부순모래, 대체모래 등의 사용량이 점차 증가하는 추세에 있다.
그러나, 재생모래의 경우에는 품질이 불안정한 고품질의 콘크리트에 적용하기에는 많은 난점이 있고, 부순모래, 대체모래 등도 품질이 만족스럽지 못하여 사용 증대에 한계가 있어 왔다.
대한민국 등록특허 제10-1372676호(2014.03.04.) '철강 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물'
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 산업현장에서 부생하는 페로니켈슬래그와 토석 채취시 발생하는 발파암을 동시에 혼합, 분쇄하여 골재의 일부를 대체하도록 함으로써 제조원가를 낮출 뿐만 아니라 콘크리트 구조체로서의 충분한 압축강도와 슬럼프를 유지할 수 있도록 개량된 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 페로니켈 슬래그와 발파암을 일정비율로 혼합하는 제1단계와; 상기 제1단계 후 혼합골재를 잘게 파쇄하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 파쇄된 혼합골재를 입자 크기별로 선별하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 선별된 골재를 입도별로 일정비율로 혼합한 선별골재혼합물에 자연사, 굵은골재, 시멘트를 배합하는 제4단계;를 포함하는 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법에 있어서;
상기 제1단계에서, 상기 페로니켈 슬래그와 발파암은 페로니켈 슬래그:발파암을 40-60:40-60중량%의 비율로 혼합되고; 상기 제2단계에서, 혼합골재의 파쇄는 0.1~20mm의 크기로 이루어지며; 상기 제3단계에서, 선별은 10mm, 5mm, 2.5mm, 1.2mm, 0.6mm, 0.3mm, 0.15mm 체눈 크기의 표준체를 각각 통과하게 하여 0.15 내지 10mm 크기의 입도별로 분리하고;
상기 제4단계에서, 상기 선별골재혼합물은 상기 제3단계를 통해 선별된 입도 크기별로 0.15mm 이하 2-5중량%, 0.16-0.3mm 5-10중량%, 0.31-0.6mm 10~20중량%, 0.61-1.2mm 10~25중량%, 1.21-2.5mm 15~20중량%, 2.51-5mm 10~15중량% 및 나머지 5.1-10mm의 입도를 갖는 잔골재로 조성하며;
상기 선별골재혼합물이 조성되면, 자연사 20-25중량%와, 굵은 골재 30-40중량%와, 시멘트 10-15중량% 및 나머지 선별골재혼합물을 균일하게 교반하여 콘크리트 조성물을 만드는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법을 제공한다.
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본 발명에 따르면, 산업현장에서 부생하는 페로니켈 슬래그와 토석 채취시 발생되는 발파암을 파쇄설비로 동시에 혼합, 분쇄하여 사용함으로써 제조원가를 절감시킬 뿐만 아니라, 골재의 품질향상과, 기존 골재 대체에 따른 환경친화적인 효과을 얻고, 산업현장에서 발생되는 부생 슬래그의 재활용에 따른 폐기물 감량, 그에 따른 환경오염 방지에 기여하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 조성물 제조방법을 보인 예시적인 공정 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합골재의 입자를 보인 예시적인 사진이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법은 도 1의 예시와 같이, 페로니켈 슬래그와 발파암을 일정비율로 혼합하는 제1단계와; 상기 제1단계 후 혼합골재를 잘게 파쇄하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 파쇄된 혼합골재를 입자 크기별로 선별하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 선별된 골재를 입도별로 일정비율로 혼합한 선별골재혼합물에 자연사, 굵은골재, 시멘트를 배합하는 제4단계;를 포함한다.
이때, 상기 제1단계에서 사용되는 페로니켈 슬래그는 페로니켈( Ferronickel) 제조공정에서 발생되는 슬래그를 말한다.
여기에서, 페로니켈은 합금철의 일종으로서 제철소의 스테인리스강을 제조하기 위해 사용되는 원료이다.
이러한 페로니켈을 제조하는 과정에서 페로니켈 슬래그가 필수적으로 부산물로 발생하게 되는데, 이는 산업폐기물로 지정된 물질이며, 국내 기준 매년 180만톤씩 발생되고 있다.
하지만, 아직까지 이를 재활용할 수 있는 기술이 없어 지금까지 폐기물로 버려지고 있는데, 그로 인한 환경오염은 물론 폐기용량 한계에 다달아 향후 심각한 문제가 될 수 있다.
그런데, 페로니켈 슬래그는 마그네슘과 페로실리콘 성분이 94% 이상 함유되어 있어 자원재활용 측면에서 실익이 있는 것으로 보고되어 있다.
그리고, 발파암은 파쇄공장 주변의 토사 채취시 발생하는 것을 사용하는데, 이러한 발파암에는 SiO2, Al2O3, CaO 등이 다량 함유되어 있어 재활용시 가치가 매우 높을 것으로 판단된다.
본 발명에서는 이러한 특성을 갖는 폐기물로 분류된 페로니켈 슬래그와 발파암을 수거하여 페로니켈 슬래그:발파암을 40-60:40-60중량%의 비율로 혼합한 후 임팩트 크러셔를 통해 분쇄하고, 분쇄물을 컨베이어로 이송하면서 바이브레이션 스크린을 통해 입자 크기별로 선별하여 사용한다.
이때, 상기 페로니켈 슬래그와 발파암을 상기 비율로 혼합하는 이유는 페로니켈 슬래그에 함유된 Mg 성분이 콘크리트로 수화되는 과정에서 발파암 성분으로부터 용출되는 성분들과 결합하여 Mg(OH)2를 만들도록 하고, 이 Mg(OH)2가 CO2를 고용하여 MgCO3의 침전반응을 유도함으로써 이산화탄소에 의한 콘크리트 중성화를 억제하여 콘크리트의 수명을 연장시키기 위함이며, 그 형상은 도 2의 예시와 같다.
때문에, 상기 혼합비율을 벗어나게 되면 상술한 페로니켈 슬래그와 발파암의 반응 효과를 얻기 어렵거나 미약하고, 지나치면 콘크리트의 에트링자이트와 포졸란 반응 효율을 떨어뜨리므로 상기 범위로 한정해야 한다.
특히, 페로니켈 슬래그(수재)의 주요성분 결정구조가 완화휘석으로 석면을 함유하고 있다는 점에서 산업폐기물로 분리되어 있으나, 실상 페로니켈 슬래그는 사문암과 유사한 MgO, SiO2를 포함하고 있지만 고온에서 용융 생성되어 결정구조가 전혀 상이하여 석면이 함유되어 있지 않은 것으로 확인되었다. 그럼에도 불구하고, 일반인들은 오해하고 있으므로 상기와 같이 발파암을 특정되는 특정성분을 함유시켜 수화반응시 유해성분이 자동적으로 제거되도록 함으로써 재활용시 안전성도 높이도록 한 것이다.
그리고, 상기 제2단계는 페로니켈 슬래그와 발파암이 상기 범위로 혼합된 상태에서 임팩트 크러셔를 이용하여 분쇄하는 단계이고, 상기 제3단계는 분쇄된 분쇄물을 컨베이어로 이송하면서 바이브레이션 스크린을 이용하여 입자별로 선별하는 단계이다.
이때, 분쇄과정은 생산하고자 하는 입자크기별 소요중량이 미달될 경우 분쇄공정을 달리할 수 있으며, 분쇄단계에서 포집된 잔골재는 0.1~20mm의 크기를 갖도록 분쇄하여야 한다.
그리고, 선별과정은 0.15 내지 10mm 크기의 입자를 선별하는 것으로, 10mm, 5mm, 2.5mm, 1.2mm, 0.6mm, 0.3mm, 0.15mm 체눈 크기의 표준체를 각각 통과하게 하여 입도별로 분리하는 과정이다.
이렇게 입도별로 분리하는 이유는 입도별로 함량을 달리하여 선별된 골재들을 재혼합함으로써 콘크리트 구조체를 완성할 때 골재간 교합성, 바인딩성을 강화하고, 내구성과 슬럼프를 강화시키기 위함이다.
이를 위해, 선별된 선별골재들은 입도별로 다음과 같은 비율로 혼합되어 선별골재혼합물을 구성함이 바람직하다.
이러한 선별골재혼합물을 구성하는 것은 제4단계에서 이루어지며, 선별골재혼합물이 구성되며, 이 선별골재혼합물에 자연사, 굵은 골재, 시멘트를 일정비율로 혼합하여 콘크리트 조성물을 완성하게 된다.
여기에서, 상기 선별골재혼합물은 상기 제3단계를 통해 선별된 입도 크기별로 0.15mm 이하 2-5중량%, 0.16-0.3mm 5-10중량%, 0.31-0.6mm 10~20중량%, 0.61-1.2mm 10~25중량%, 1.21-2.5mm 15~20중량%, 2.51-5mm 10~15중량% 및 나머지 5.1-10mm의 입도를 갖는 잔골재로 조성한다.
이때, 이와 같은 중량비율로 선별골재혼합물을 구성하는 이유는 10mm 이상의 큰 입도를 갖는 잔골재의 함량이 많아지면 공극이 커져 콘크리트 구조체의 내구성, 압축강도, 내수성을 저하시키고; 0.15mm 이하의 작은 입도를 갖는 잔골재의 함량이 많아지면 배합성이 떨어지고 양생기간이 길어지며 골재간 결합력이 약화되므로 상기 범위로 한정하여야 한다.
상기와 같은 선별골재혼합물이 완성되면, 자연사 20-25중량%와, 굵은 골재 30-40중량%와, 시멘트 10-15중량% 및 나머지 선별골재혼합물을 균일하게 교반하여 콘크리트 조성물을 만들게 된다.
그리고, 타설할 때는 물과 콘크리트 조성물을 일정비율로 혼합하여 사용한다.
여기에서, 굵은 골재는 상술한 페로니켈 슬래그와 발파암을 제외한 자갈, 쇄석 등을 말하는 것으로 10mm 이하 5mm 이상의 입도를 갖는 것을 말한다.
특히, 본 발명에서는 바인딩 특성과 중성화 방지특성, 압축강도 및 슬럼프 향상 특성을 갖는 선별골재혼합물(페로니켈 슬래그 및 발파암을 함유)을 사용함으로써 종래와 달리 잔골재나 자연사의 사용함량을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 즉, 종래에는 압축강도와 슬럼프 확보를 위해 자연사(잔골재 포함)를 50-60중량%까지 포함시켜야만 했다.
이에 더하여, 본 발명에서는 콘크리트혼화제를 더 포함할 수 있다.
상기 콘크리트혼화제는 통상적으로 알려진 성분이 아닌 본 발명에 의해서만 실시되는 톡특한 성분으로서, 상기 콘크리트 조성물 전체량 대비 규불화아연(ZnSiF6) 3.5중량부와, 리그닌 설페이드 1.5중량부와, 아비에틴산 1.5중량%와, 알루민산삼석회(3CaOㆍAl2O3) 2.5중량%와, 테르페노이드(terpenoids)를 포함하는 초산 셀룰로오스(Cellulose Acetate) 2.5중량%와, 디스테아디모늄 헥토라이트(disteardimonium hectorite) 1.5중량%와, 세레신(Ceresin) 2.5중량%와, 무정형의 나노입자 크기의 질화붕소를 분산시킨 질화규소 4중량%와, 소성된 산화이테르븀 3.5중량%를 더 첨가할 수 있다.
이때, 상기 규불화아연은 시멘트 페이스트의 초기 유동성을 증대시켜 경시변화를 크게 하면서 응결시간과 수화열을 감소시키는 효과를 얻기 위해 첨가된다.
그리고, 상기 리그닌 설페이드는 시멘트에 필요한 배합용 물의 용량을 줄이고 고형화를 촉진시키기 위해 첨가된다.
또한, 상기 아비에틴산은 물과 반응하여 불용성의 칼슘 비누화를 유도하고 이를 통해 강고한 지막을 형성함으로써 수밀성을 강화시켜 동결융해 저항성을 증대시키기 위해 첨가된다.
뿐만 아니라, 상기 알루민산삼석회는 수화반응을 촉진하여 고화 속도를 조절하고, 강도를 증진시키기 위해 첨가된다.
아울러, 상기 초산 셀룰로오스는 셀룰로스 분자 속의 하이드록시기를 아세틸화한 아세트산 에스터로서 성분간 결합력을 강화시켜 내구성을 향상시키고, 테르페노이드는 이물 부착억제력을 향상시키는데, 상기 초산 셀룰로오스와 테르페노이드는 1:0.5의 중량비로 혼합된 것을 사용한다.
또한, 상기 디스테아디모늄 헥토라이트는 코팅 표면의 피막 형성을 통해 수밀성을 높이고, 점도를 조절하기 위해 첨가된다.
그리고, 상기 세레신은 결합안정감을 높이고, 콘크리트 구조체의 유연성을 유도하여 내크랙성을 강화시키기 위해 첨가된다.
뿐만 아니라, 무정형의 나노입자 크기의 질화붕소를 분산시킨 질화규소는 고열 팽창시 열충격을 흡수하여 미소 크랙이 발생하는 것을 억제하며, 내침식성을 강화시키기 위해 첨가된다.
또한, 소성된 산화이테르븀은 희토류 금속으로서 결정립 미세화를 통해 내구성을 증대시키면서 내화학성, 내약품성을 증대시키기 위해 첨가된다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
자연사 22중량%와, 굵은 골재 35중량%와, 시멘트 13중량% 및 나머지 선별골재혼합물을 균일하게 교반하여 콘크리트 조성물을 만든 후 물과 혼합하여 지름 10cm, 높이 20cm의 공시체를 3일, 7일, 28일에 걸쳐 양생하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 하되, 상술한 콘크리트혼화제를 더 첨가하여 공시체를 제조하였다.
[비교예 1]
실시예 1의 선별골재혼합물(페로니켈 슬래그 및 발파암 함유)을 사용하지 않고 시멘트 함량은 그대로 유지한 채 나머지를 모두 자연사로 조성하였다.
[비교예 2]
비교예 1에서 자연사와 굵은 골재의 비율을 1:1의 중량비로 변경하였다.
그런 다음, 공시체의 압축강도, 슬럼프, 공기량을 확인하기 위해 KS F 2403에 의해 공시체를 평가하였으며, 그 결과는 하기한 표 1과 같았다.
구분 슬럼프 공기량 압축강도(MPa)
3일 7일 28일
실시예1 160 8.6 10.4 15.8 27.8
실시예2 165 8.9 11.2 16.4 28.5
비교예1 80 4.2 5.1 12.4 23.5
비교예2 불량 6.5 7.6 13.6 22.8
표 1에서와 같이, 본 발명에 따른 실시예1,2의 경우, 슬럼프값이 양호하여 작업성이 좋았으나, 비교예1,2의 경우에는 슬럼프값이 매우 나쁘고 불량인 경우도 있어 작업성이 좋지 않음을 확인할 수 있었다.
또한, 압축강도에 있어서도 실시예1,2의 경우는 비교예1,2에 비해 매우 우수함을 확인할 수 있었고, 이를 통해 콘크리트 구조체 제조에 충분히 활용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이에 더하여, KS F 2762에서 규정한 방법에 따라 각각 부착강도(양생 4시간 후, 재령28일)를 측정하였고, 그 결과 실시예1,2는 각각 1.75MPa, 1.79MPa로 부착강도가 나타났으나, 비교예1,2는 각각 1.32MPa, 1.47MPa로 나타나 실시예 1,2가 비교예 1,2 대비 우수한 부착강도를 유지함도 확인하였다.
뿐만 아니라, 수밀성 테스트를 위해 염소 이온의 침투 영역을 측정하는 방식으로 진행하였는데, 이를 위해 염화나트륨 용액을 사용하였다.
실시예1,2 및 비교예1,2의 공시체를 염화나트륨 용액에 10일 동안 침적시킨 후 2등분하여 그 단면에 0.1%의 플루오레세인의 나트륨염인 우라닌과 0.1N 질산은 용액을 분무하여 형광을 발하는 부분을 염소 이온 침투 영역으로 인식하고 침투깊이를 측정하였으며, 테스트 결과 실시예1에는 미소한 침투가 발견된 곳이 한 군데 있었고, 실시예2에서는 침투가 발견되지 않았으며, 비교예1,2에서는 10군데 이상에서 상당한 침투가 확인되었다.
이를 통해, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물을 이용할 경우 수밀성도 우수함을 확인할 수 있었다.

Claims (3)

  1. 페로니켈 슬래그와 발파암을 일정비율로 혼합하는 제1단계와; 상기 제1단계 후 혼합골재를 잘게 파쇄하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 파쇄된 혼합골재를 입자 크기별로 선별하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 선별된 골재를 입도별로 일정비율로 혼합한 선별골재혼합물에 자연사, 굵은골재, 시멘트를 배합하는 제4단계;를 포함하는 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법에 있어서;
    상기 제1단계에서, 상기 페로니켈 슬래그와 발파암은 페로니켈 슬래그:발파암을 40-60:40-60중량%의 비율로 혼합되고; 상기 제2단계에서, 혼합골재의 파쇄는 0.1~20mm의 크기로 이루어지며; 상기 제3단계에서, 선별은 10mm, 5mm, 2.5mm, 1.2mm, 0.6mm, 0.3mm, 0.15mm 체눈 크기의 표준체를 각각 통과하게 하여 0.15 내지 10mm 크기의 입도별로 분리하고;
    상기 제4단계에서, 상기 선별골재혼합물은 상기 제3단계를 통해 선별된 입도 크기별로 0.15mm 이하 2-5중량%, 0.16-0.3mm 5-10중량%, 0.31-0.6mm 10~20중량%, 0.61-1.2mm 10~25중량%, 1.21-2.5mm 15~20중량%, 2.51-5mm 10~15중량% 및 나머지 5.1-10mm의 입도를 갖는 잔골재로 조성하며;
    상기 선별골재혼합물이 조성되면, 자연사 20-25중량%와, 굵은 골재 30-40중량%와, 시멘트 10-15중량% 및 나머지 선별골재혼합물을 균일하게 교반하여 콘크리트 조성물을 만드는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그와 발파암 혼합잔골재를 이용한 콘크리트 조성물 제조방법.
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