KR102133152B1 - 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

[기술분야/해결과제]
본 발명은 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기존의 고화제는 시멘트를 주원료로 하여 다량 투입하기 때문에 경화가 느리고 고화시 수화열이 발생하여 체적변화에 따른 균열이 발생하고 6가 크롬과 같은 중금속이 용출되어 토양 및 지하수를 오염시키는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
[해결수단]
본 발명에 의한 연약지반 토목용 고화제는, 그 밖의 분진(폐기물 분류번호: 51-05-99)과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며, 연약지반의 종류와 함수량에 따라 혼합비율을 다르게 구성하는 연약지반 토목용 고화제에 있어서, 고로슬래그를 급냉시켜 미분말로 분쇄하며, 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 30 중량%를 가지며, 2.7 내지 3.2%의 산화 마그네슘(MgO), 1.0 내지 1.4%의 삼산화 황(SO3), 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하고, 1.58 내지 1.64%의 염기도, 2.90 내지 2.94g/㎠의 밀도, 4,000㎠/gr 이상의 비표면적, 97 내지 105%의 플로값 비를 갖는 고로슬래그 미분말; 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과 수화 반응 및 포졸란 반응을 하는 그 밖의 분진; 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 내지 8 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 4,000㎠/gr 이상의 분말도를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과의 수화 반응 및 포졸란 반응을 통해 C-S-H를 형성하는 생석회(CaCO2); 및 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 3,500 내지 5,000㎠/gr의 분말도를 가지며, 상기 생석회(CaCO2)와 반응하여 에트링가이트(ettringite)를 생성하는 무수석고(CaSO4);로 구성되며, 상기 그 밖의 분진과 상기 고로슬래그 미분말을 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 70:30, 75:25, 80:20, 85:15, 90:10, 95:05 중에서 하나의 혼합비율로 혼합하고 현장 토사를 혼합하여 사용된다.
[기대효과]
본 발명에 따르면, 산업폐기물인 비산재(그 밖의 분진)와 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하여 연약지반의 고화 및 압축강도를 높이고 경화속도를 빠르게 향상시킬 수 있으며, 중금속에 의한 오염 문제를 해결할 수 있다.

Description

비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법{firming agent for civil enqineering of soft ground using blast furnace slag and fly ash and method for manufacturing thereof}
본 발명은 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제(firming agent) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시멘트를 사용하지 않고 산업폐기물인 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하여 연약지반의 경화 및 고화를 촉진시키고 고화강도를 높일 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 해안습지나 뻘, 하천, 호수, 항만 등의 간척지나 준설매립지와 같이 습기가 많은 지역은 대체로 지반이 연약하므로, 이 지역을 개발하여 건축물을 축조하기 위해서는 지반 전체를 견고하게 하여 지반의 침하를 방지하고 지지력을 강화시켜야 한다. 이를 위해 종래에는 고화제를 사용하여 연약지반을 응결 경화시켰다.
고화제(firming agent)는 액상의 물질을 굳어지게 하기 위한 첨가물질로, 연약지반 및 슬러지 등을 고형화시키는 사용된다. 고화제는 연약지반 및 슬러지와 반응하여 물리적, 화학적으로 안정된 경화체를 형성하여 지반을 강화시키고 유해폐기물을 고형화시켜 연약지반 및 슬러지에 함유된 중금속 등이 용출되지 않도록 하여 토양이나 지하수의 오염을 차단하는 역할을 한다.
종래에는 시멘트 또는 석회를 주원료 하는 고화제가 개발되어 연약지반 및 슬러지의 강도를 개선하는데 널리 활용되고 있다. 하지만, 고화제의 주원료인 시멘트는 고온에서 소성하여 제조되므로 경제적인 비용이 가중될 뿐만 아니라 육가크롬(Hexavalent chrome) 등과 같은 중금속이 잔존하고 있기 때문에, 시공 후 시멘트로부터 중금속이 용출되어 주변 토양이나 지하수 등을 오염시키는 문제가 있다. 그리고, 고화제의 주원료인 석회는 토양을 강알칼리성으로 변화시키기 때문에 식물의 성장을 저해시키는 문제가 있다.
또한, 함수비가 높고 유기물이나 중금속 화합물이 다량 함유되어 있는 토양의 경우에는, 시멘트가 수화과정에서 액상 중의 칼슘 2가 이온과 신속하게 결합되어 고화에 기여하지 않는 석회염을 생성하고, 이 석회염이 시멘트 입자의 표면을 치밀하게 피복하여 수화반응의 지연 또는 정지시킴으로써, 고화 저해현상이 발생된다. 이 고화저해 현상이 발생되면 다량의 시멘트를 사용한다 하더라도 목표로 하는 강도를 발현시키기 어렵게 된다.
이러한 이유로 인하여 연약지반 보강용 고화제는, 첫째 연약지반을 응결 경화시키고, 둘째 시멘트에 함유되어 있는 6가 크롬이 용출되지 않도록 하고, 셋째, 함수비가 높고 유기물이나 중금속 화합물이 다량 함유되어 있는 토양의 경우에도 시멘트의 고화 저해현상이 발생되지 않도록 하여야 한다.
종래에 널리 사용되고 있는 고화제는, 시멘트에 슬래그와 무수석고를 혼합한 고화제('제1 고화제'라 칭함)과, 시멘트에 플라이애시(fly ash) 및 무수석고를 혼합한 고화제('제2 고화제'라 칭함)과, 시멘트에 CSA계 혼합재를 혼합한 고화제('제3 고화제'라 칭함) 등이 있다.
종래의 제1 및 제2 고화제는 모두 저렴한 가격으로 재료를 쉽게 구할 수 있고, 재료들의 배합비에 따라 연약지반을 고강도로 경화시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 제1 및 제2 고화제는 경화에 소요되는 시간이 길고, 수축현상이 커서 그라우팅의 고화제로 사용하기에 다소 부적합하며, 흙 포장용으로 사용하면 크랙발생의 위험이 있다. 뿐만 아니라, 시멘트 등에 함유된 중금속이 용출되지 않도록 이를 고정화하는 효과가 약하다는 문제점이 있다.
그리고, 종래의 시멘트에 CSA계 혼화재를 혼합한 고화제는 타 혼합물에 비하여 응결에 소요되는 시간이 짧아 작업성과 시공성이 향상되는 장점이 있으나, CSA계 혼화재의 가격이 고가이어서 전체 비용이 상승되는 문제가 있다. 그리고 이 혼합물 역시 수축 현상이 커서 지반용 고화제로 사용하기에는 다소 문제가 있으며, 시멘트에 함유된 중금속이 용출되지 않도록 고정화하는 효과가 약하다는 문제점이 있다. 또한, 함수비가 높은 점토 또는 유기물을 함유하고 있는 연약지반은 점토와 유기물이 시멘트의 수화반응을 방해하여 고화의 진행이 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 다양한 고화제들이 개발되었지만, 이들 대부분이 시멘트를 주원료로 하여 다량 투입하기 때문에 경화가 느리고 고화시 수화열이 발생하여 체적변화를 일으킴으로써 균열(crack)이 발생하는 문제점이 여전히 존재하고 있다.
대한민국 등록특허 제10-0921334호(등록일자: 2009.10.05.) 대한민국 등록특허 제10-1194871호(등록일자: 2012.10.19.)
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 산업폐기물인 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하여 연약지반을 경화 및 고화시키는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 연약지반의 경화 및 고화를 촉진시키고 고화강도를 높여서 빠르게 안정화시킬 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고함수율로 고화가 어려운 연악지반, 해안습지, 뻘 등의 지반을 환경 오염 없이 친환경적으로 강화시킬 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 시멘트를 전혀 사용하지 않음으로 6가 크롬과 같은 중금속의 용출을 감소시켜 토양 및 지하수의 오염을 최소화시킬 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말의 주원료에 활성제로 생석회(CaCO2)나 액상소석회를 첨가하여 토양의 함수비(含水比)를 저감하여 수밀성을 향상시키고 경화속도 및 강도를 향상시킬 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 경화재 또는 조강제로 무수석고 또는 탈황석고를 추가로 첨가하여 생석회(CaCO2)와 반응으로 에트링가이트(ettringite)를 생성하여 토양의 간극을 채워서 함수비를 저감하여 수밀성을 향상시키고 경화속도 및 강도를 향상시킬 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 자연상태의 흙(황토, 마사토) 또는 현장 토사를 혼합하여 사용함으로써, 주변 환경과 자연스럽게 어울리어 친환경적 생태조성이 가능하고 주변 일체화를 구현할 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 친환경 비소성 무기결합재를 이용하여 강화반응을 유도함으로써, 다량의 수화생성물 생성에 의해 고내구성을 갖는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 현장 토사와 건식안료를 사용하여 연약지반의 질감 및 색상을 유지하거나 변경이 가능한 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 토질개량제를 사용하여 시공 후 식생이 가능하고 원지반토의 물성을 개량할 수 있는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 의한 연약지반 토목용 고화제는, 그 밖의 분진(폐기물 분류번호: 51-05-99)과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며, 연약지반의 종류와 함수량에 따라 혼합비율을 다르게 구성하는 연약지반 토목용 고화제에 있어서, 고로슬래그를 급냉시켜 미분말로 분쇄하며, 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 30 중량%를 가지며, 2.7 내지 3.2%의 산화 마그네슘(MgO), 1.0 내지 1.4%의 삼산화 황(SO3), 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하고, 1.58 내지 1.64%의 염기도, 2.90 내지 2.94g/㎠의 밀도, 4,000㎠/gr 이상의 비표면적, 97 내지 105%의 플로값 비를 갖는 고로슬래그 미분말; 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과 수화 반응 및 포졸란 반응을 하는 그 밖의 분진; 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 내지 8 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 4,000㎠/gr 이상의 분말도를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과의 수화 반응 및 포졸란 반응을 통해 C-S-H를 형성하는 생석회(CaCO2); 및 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 3,500 내지 5,000㎠/gr의 분말도를 가지며, 상기 생석회(CaCO2)와 반응하여 에트링가이트(ettringite)를 생성하는 무수석고(CaSO4);로 구성되며, 상기 그 밖의 분진과 상기 고로슬래그 미분말을 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 70:30, 75:25, 80:20, 85:15, 90:10, 95:05 중에서 하나의 혼합비율로 혼합하고 현장 토사를 혼합하여 사용하여 구성될 수 있다.
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상기 연약지반 토목용 고화제는, 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 4 중량%를 가지며, 상기 생석회(CaCO2)와 반응하여 연약지반의 경화 및 고화를 촉진시키는 알루민산 칼슘;을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 연약지반 토목용 고화제는, 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 8 중량%를 가지며, AlO 함량이 35 내지 45중량%, 분말도가 4,000 내지 7,500㎠/g을 가지며, 연약지반의 경화 및 고화를 촉진시키는 칼슘설포알루미네이트;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 연약지반 토목용 고화제는, 상기 생석회(CaCO2)의 발열 반응이나 점성에 대하여 유동성을 향상시키고, 토양과 고화제의 혼합성 및 유동성을 증진시키는 유동화제;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 연약지반 토목용 고화제는, 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 3 중량%를 가지며, 황색 산화철 또는 산화크롬으로 구성되어 연약지반의 색상을 변색시키는 건식안료;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 연약지반 토목용 고화제는, 상기 연약지반이 경작지 또는 건물의 조경공간으로 조성될 경우 식물의 생장을 돕도록 개량토질에 양분을 공급하는 토질개량제;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 연약지반 토목용 고화제는, 상기 고로슬래그 미분말로 콘크리트용 고로슬래그 미분말을 사용하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 연약지반 토목용 고화제는 폐토사, 폐콘크리트, 폐아스팔트콘크리트, 폐벽돌, 폐석재, 비금속광물 자재류를 포함하는 건설폐기물을 혼합하여 사용할 수 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 의한 연약지반 토목용 고화제 제조 방법은, 그 밖의 분진(폐기물 분류번호: 51-05-99)과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며, 연약지반의 종류와 함수량에 따라 혼합비율을 다르게 구성하는 연약지반 토목용 고화제 제조 방법에 있어서, (a) 고로슬래그를 급냉시켜 미분말로 분쇄하며, 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 30 중량%를 가지며, 2.7 내지 3.2%의 산화 마그네슘(MgO), 1.0 내지 1.4%의 삼산화 황(SO3), 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하고, 1.58 내지 1.64%의 염기도, 2.90 내지 2.94g/㎠의 밀도, 4,000㎠/gr 이상의 비표면적, 97 내지 105%의 플로값 비를 갖는 고로슬래그 미분말을 제조하는 단계; (b) 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과 수화 반응 및 포졸란 반응을 하는 그 밖의 분진을 제조하는 단계; (c) 상기 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 70:30, 75:25, 80:20, 85:15, 90:10, 95:05 중에서 하나의 혼합비율로 혼합하는 단계; (d) 상기 (c)단계의 혼합물에 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 내지 8 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 4,000㎠/gr 이상의 분말도를 갖는 생석회(CaCO2)를 혼합하는 단계; (e) 상기 (d)단계의 혼합물에 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 3,500 내지 5,000㎠/gr의 분말도를 가지는 무수석고(CaSO4)를 혼합하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계의 혼합물에 현장 토사를 혼합하는 단계;로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 산업폐기물인 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하여 연약지반의 고화강도를 높이고 경화속도를 빠르게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명의 고화제는 시멘트를 사용하지 않음으로써, 육가크롬(Hexavalent chrome) 등과 같은 중금속이 용출되어 주변 토양이나 지하수 등을 오염시키는 문제가 없어 친환경적이다.
또한, 본 발명의 고화제는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말의 주원료에 활성제로 생석회(CaCO2)나 액상소석회를 첨가하여 토양의 함수비를 저감하여 수밀성을 향상시키고 경화속도 및 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고화제는 경화재 또는 조강제로 무수석고 또는 탈황석고를 추가로 첨가하여 생석회(CaCO2)와 반응으로 에트링가이트(ettringite)를 생성하여 토양의 간극을 채워서 함수비를 저감하여 수밀성을 향상시키고 경화속도 및 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고화제는 유동성과 토양의 혼합성이 우수하여 자연상태의 흙(황토, 마사토) 또는 현장 토사와 혼합하여 사용이 가능하다. 이로 인해, 주변 환경과 자연스럽게 어울리어 친환경적 생태조성이 가능하고 주변 일체화를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고화제는 친환경 비소성 무기결합재를 이용하여 강화반응을 유도함으로써, 다량의 수화생성물 생성에 의해 고내구성을 갖는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고화제는 현장 토사와 건식안료를 사용하여 연약지반의 질감 및 색상을 유지하거나 변경이 가능하다. 그리고, 토질개량제를 사용하여 시공 후 식생이 가능하고 원지반토의 물성을 개량할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고화제는 열전도율이 낮아 쾌적한 자연환경 분위기 조성이 가능하고, 저 알칼리재료의 특성으로 주변 식생환경과 자연 친화력이 높다.
또한, 본 발명의 고화제는 기존의 고화제에 비해 경화속도가 빠르고 고화강도가 높기 때문에 안전성, 내구성, 시공성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명의 고화제는 유해물질 용출이 거의 없어 친환경적이고 시멘트 대비 적은 양의 고화제를 사용하여도 기존 대비 동등 이상의 강도 발현이 가능하여 저비용 고효율을 달성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 비산재 또는 그 밖의 분진을 이용하여 고화제를 제조함으로써, 해양투기 및 매립에 의한 2차적인 환경오염을 방지하고 토사를 대체하는 자원 재활용의 효과가 있다.
본 발명은 CaO가 다량 함유된 순환자원을 이용하여 제조한 친환경 제품으로 기존의 이산화탄소가 다량 발생되는 포틀랜드 시멘트 및 생석회계 고화제보다 친환경적이며, 고흡수성 및 내부발열을 유도하여 건조 및 양생공정이 생량 또는 단축될 수 있는 저에너지 고효율 제품이다.
본 발명은 고함수율로 고화가 어려운 연악지반, 해안습지, 뻘 등의 지반을 환경 오염 없이 친환경적으로 강화시킬 수 있고, 하수슬러지, 준설 슬러지, 음식물 슬러지 등 다양한 고함수 유·무기성 슬러지의 고화에 적용이 가능하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 콘크리트용 고로슬래그 미분말에 대한 시험성적서이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 발명의 설명 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
실시예
본 발명의 연약지반 토목용 고화제(firming agent)는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하고, 활성화제로 생석회(CaCO2), 경화재로 무수석고 또는 탈황석고를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 비산재(fly ash)는 화력발전소에서 석탄을 연소했을 때 나오는 부산물로서 산업폐기물로 분류된다. 본 발명에서 사용한 비산재는 사업장폐기물 소각시설 비산재(폐기물 분류번호: 51-08-02)를 포함한다. 그리고 상기 그 밖의 분진은 제철, 제강 공정시 발생하거나 슬러지 폐기물을 소각할 때 발생하는 것으로 산업폐기물로 분류되어 있다(폐기물 분류번호: 51-05-99).
상기 고로슬래그(blast furnace slag) 미분말은 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만들 때 생기는 철 이외의 불순물이 모인 고로슬래그를 급냉시켜 미분말화로 분쇄한 것이다.
본 발명의 연약지반 토목용 고화제는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며, 그 혼합비율은 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 다르게 구성될 수 있다.
예를 들어, 비산재 및/또는 그 밖의 분진 대 고로슬래그 미분말의 혼합비율은, 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 70:30, 75:25, 80:20, 85:15, 90:10, 95:05 등의 혼합비율로 구성될 수 있다.
본 발명의 고화제는 토층성분 중의 물질이 고화제와 수화 반응을 통해 수산화칼슘으로 변환되고 다시 탄산화 반응, 포졸란(Pozzolan)반응, 에트링가이트(ettringite; 석회설포알루미네이트, 3CaOAl2O33CaSO432H2O) 반응을 거쳐 토양을 강하게 결집시킨다. 즉, 상기 고화제는 내포된 강산성 분말과 강알카리성 분말의 반응에 의해 강한 발열이 발생되어 연약지반에 포함된 수분을 수증기로 증발시켜 안정화시키고 고화시키는 기능을 갖는다.
여기서, 포졸란(Pozzolan)이란 활성이 큰 부정형(amorphous)의 실리카(silica, SIO2)를 가지는 미세한 분말이며, 그 자체로는 수경성이 없으나 수분 존재하에 Ca(OH)와 반응하여 C-S-H(calcium silicate hydrate) 결합을 형성할 수 있는 물질을 말한다.
본 발명의 고화제는 표면적을 크게 하기 위하여 200 내지 300메쉬 이하의 미세분말로 균질화시켜서 제조될 수 있다. 상기 고화제는 분말의 입자가 작을수록 고화제의 표면적이 증가하여 수분흡수 기능이 향상되는 기능을 갖는다.
본 발명의 고화제는 연약지반의 흙이나 점토, 뻘 등과 혼합되어 탄산화 반응, 포졸란반응, 에토링가이드 반응을 통해 경화속도와 압축강도를 높이고 수밀성을 향상시킴으로써 토양을 강하게 결집시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 고화제의 구성요소에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 소각재(cinder)는 소각시설에서 쓰레기가 연소된 뒤 소각로 바닥과 집진장치 등에서 배출되는 재로서 소각회(燒却灰)라고도 한다. 바닥재(bottom ash)와 비산재(fly ash)로 나뉜다. 바닥재는 도시쓰레기 중 불연(不然)성분과 미처 타지 못한 일부 가연(可燃)성분이 소각로 안의 화격자 아래 놓인 잔류물 호퍼로 떨어진 것을 말하고, 비산재는 소각로에서 발생하여 건식 스크러버와 여과식 집진장치에서 걸러진 재를 말하는데, 집진재 또는 플라이애시(fly ash)라고도 한다.
상기 비산재에는 납·카드뮴·아연 등의 중금속과 다이옥신이 들어 있다. 특히 비산재는 마이크로 또는 그 이하 크기의 입자상물질이므로 조심해서 다루지 않으면 날아가 작업자와 주변환경에 해를 끼치게 된다. 전기집진기와 백필터(bag filter)는 보통 99% 이상의 입자상물질 제거효율을 가지므로 진공컨베이어를 이용하여 오염방지시설로부터 제거한 뒤 밀폐용기를 이용하여 최종처분지로 수송해야 한다.
상기 비산재는 다공성이면서 경량이고 흡수성과 가스흡착성이 강한 물질로서, 알루미나(AL2O3), 실리카(SiO2)가 주성분이며, 입자가 둥근 속이빈 구형으로 형성되어 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 포졸란(pozzoian) 반응을 발생시키면서 슬럼프를 개선하여 지반안정에 필요한 소요성능을 발현시키고, 장기강도를 강화시킬 뿐만 아니라 연약지반을 안정화시킨다.
상기 비산재는 포졸란 반응에 의한 연약지반 및 슬러지에 함유된 수분을 낮출 수는 없지만, 생석회(CaCO2)가 연약지반 및 슬러지의 수분과 접하면 수화시 발열반응에 의해 소석회되며 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 화합물을 만들어 C-S-H(calcium-silicate-hydrate)를 형성하게 된다.
상기 그 밖의 분진은, 비산재를 포함하는 알카리성 분진과, 제철의 제련 공정을 거치면서 발생하는 제철 분진과, 제강 공정상에서 발생하는 제강 분진과, 제지를 생산한 후 슬러지 상태의 폐기물로 소각된 제지 분진과, 하수슬러지의 소각시 발생하는 연소재와 분진을 포함하는 하수슬러지 소각 분진과, 염색슬러지 소각 분진 등을 포함하는 분진 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 그 밖의 분진은 상기 비산재와 마찬가지로, 고로슬래그 미분말과의 수화반응 및 포졸란 반응을 통해 강도발현의 역할과 연약지반의 안정화 효과를 갖는다.
상기 비산재 및/또는 그 밖의 분진은 고화제 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%로 혼합될 수 있다. 이때, 70 중량% 미만에서는 실리카(SiO2)의 부족으로 포졸란 반응의 활성화가 저하되어 연약지반 및 슬러지의 수분을 흡수한 생석회(소석회로 됨)와 완전히 반응되지 않아 불용성의 화합물을 생성할 수 없으며, 반대로 95 중량% 이상이면 과도한 바이더 작용으로 수화반응이나 포졸란 반응의 촉진효과가 지연되어 연약지반의 안정에 필요한 소요성능이 오히여 저하되는 문제가 발생하게 된다.
따라서 본 발명의 비산재 및/또는 그 밖의 분진은 고화제 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%로 혼합될 수 있다.
본 발명의 고화제는 상기 비산재 및/또는 그 밖의 분진을 혼합하여 사용할 경우 볼베이링 작용을 하여 워커빌리티(workability) 및 장기강도 증진, 건조수축 감소, 수밀성 향상, 수화열 감소 등 여러 측면에서 우수한 특성을 발휘할 수 있다.
본 발명은 비산재 또는 그 밖의 분진을 이용하여 고화제를 제조함으로써, 해양투기 및 매립에 의한 2차적인 환경오염을 방지하고 토사를 대체하는 자원 재활용의 효과가 있다.
계속해서, 본 발명의 연약지반 토목용 고화제는 상기 비산재 및/또는 그 밖의 분진 외에 고로슬래그(blast furnace slag) 미분말을 주원료로 혼합하여 사용하고 있다.
일반적으로, 고로슬래그는 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만들 때 생기는 슬래그[鑛滓]로서 철 이외의 불순물이 모인 것이며, 선철 1t당 500∼1,000kg이 나온다. 상기 고로슬래그는 SiO2가 주원료인 철광석을 용광로(고로)에 녹이면 비중이 큰 철은 가라앉고 슬래그는 뜨게 되는데, 이 슬래그를 식힌 후 부셔서 사용한다. 상기 고로슬래그는 CaO, SiO2, Al2O3, MgO 등을 주성분으로 93~98%를 차지하고 소량의 MnO, FeO, TiO2, R2O, S가 섞여 있다. CaO/SiO2의 무게비가 1이상의 것을 염기성슬래그, 1이하의 것을 산성슬래그로 분류한다.
상기 고로슬래그는 서냉을 시킬 경우 일반 암석과 유사한 특성을 발휘하여 분쇄 후 반 성토재로서 활용이 가능하지만, 고로슬래그 미분말을 급냉시켜 미분말화로 분쇄할 경우 더욱 부가성이 높은 시멘트 대체재로 활용이 가능하다.
따라서 본 발명의 고화제는 미분말화 한 고로슬래그(이하, '고로슬래그 미분말'이라고 함)를 사용하여 구성하였다. 예를 들어, 본 발명의 고로슬래그 미분말은 콘크리트용 고로슬래그 미분말을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 콘크리트용 고로슬래그 미분말에 대한 시험성적서이다. 시험성적서의 시험방법 및 시험결과는 다음과 같다.
가) 시험방법
(1) KS F 2563 : 2009
(2) KS F 2563 : 2009(준용)
(3) KS L 5110 : 2001
(4) KS L 5106 : 2009
(5) KS F 2563 : 2009
나) 시험결과
Figure 112020038370816-pat00001
상기 고로슬래그 미분말은, 2.9%의 산화 마그네슘(MgO), 1.2%의 삼산화 황(SO3), 0.005%의 염화물 이온이 포함되어 있고, 1.61%의 염기도, 2.92g/㎠의 밀도, 4,210㎠/gr의 비표면적, 101%의 플로값 비를 갖는다.
상기 고로슬래그 미분말은 2.7 내지 3.2%의 산화 마그네슘(MgO)을 포함하고, 1.0 내지 1.4%의 삼산화 황(SO3), 0.003% 내지 0.007의 염화물 이온을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 1.58 내지 1.64%의 염기도와, 2.90 내지 2.94g/㎠의 밀도와, 4,000㎠/gr 이상의 비표면적, 97 내지 105%의 플로값 비를 가질 수 있다.
여기서, 상기 고로슬래그 미분말의 비표면적은 4,000㎠/gr 이상을 갖는 것이 바람직하며, 비표면적이 4,000㎠/gr 이하의 경우에는 강도증진의 효과가 떨어지고 잠재수경성의 속도가 크게 저하된다.
상기 고로슬래그 미분말의 활성화 지수는 재령 7일에 76%, 재령 28일에 90%, 재령 91일에 109%를 나타내고 있다.
상기 고로슬래그 미분말에는 CaO가 다량으로 함유되어있기 때문에(고로슬래그의 40% 이상), 상온에서 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)2로 변환되어 생성된 OH-와 SO2- 성분이 고로슬래그 미분말의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca2+, Al3+ 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO2-H2O계 수화물 및 에트링가이트 등을 생성하게 됨으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 고화제의 작업성을 개선하고 잠재수경성 반응에 의한 장기강도 증진 및 공극 충전의 효과가 있고, 에트링가이트(ettringite; 석회설포알루미네이트, 3CaOAl2O33CaSO432H2O)의 생성을 도우며, 중금속의 고정화, 안정화에 기여한다.
본 발명의 고로슬래그 미분말은 고화제 전체 100 중량%를 기준으로 5 내지 30 중량%로 구성될 수 있다. 이때, 상기 고로슬래그 미분말의 사용량을 5중량% 미만으로 구성될 경우 수화반응이나 포졸란 반응이 충분하지 않아 조기강도 발현이 저하되고 압축강도가 저하하는 문제를 초래하고, 30중량% 이상으로 사용하는 경우 수화반응이나 포졸란 반응의 촉진효과가 지연되어 조기강도 발현이 저하된다.
상기 고로슬래그 미분말과 비산재(그 밖의 분진)는 포졸란 반응 물질인 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 다량 함유하고 있으며, 수화 반응에서 에트링가이트(ettringite)를 효과적으로 생성하는 삼산화유황(SO3)도 다량 함유하고 있기 때문에 수화 반응이나 포졸란 반응을 지속적으로 촉진하여 고화된 지반의 안정된 강도를 유지시킬 수 있다.
본 발명의 고화제는 비산재(그 밖의 분진)와 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하고 생석회(quick lime; CaCO2)나 액상소석회를 활성화제로 첨가하여 구성될 수 있다. 상기 생석회(CaO)나 액상소석회를 추가할 경우, 토양의 함수비(含水比)가 저감되고 수밀성이 향상되며 경화속도 및 압축강도를 높일 수 있는 효과를 발휘한다.
상기 생석회(CaCO2)는 상기 고로슬래그 미분말과 화학적으로 반응하여 강도가 우수한 경화체를 형성시킨다. 예를 들어, 상기 생석회(CaCO2)는 상기 고로슬래그 미분말의 수화 반응에 필요한 알카리성을 부여하는 자극제로서, 연약지반에 포함되어 있는 수분을 흡수하여 상기 고로슬래그 미분말과의 포졸란 반응에 의한 수화반응의 가속화에 따라 초기 압축강도를 증가시키고 지반을 안정화시키게 된다.
상기 생석회(CaCO2)는 순도 90% 이상이며 분말도 4,000㎠/gr 이상으로 이루어질 수 있다. 그 이유는 상기 생석회(CaCO2)는 물과 접하면 수화시 발열반응에 의한 수분감소와 팽창에 의한 슬러지의 공기 연행으로 양생을 원활하게 수행하기 때문이다.
상기 생석회(CaCO2)(또는 소석회)는 무수석고(CaSO4)와 반응하여 에트링가이트(ettringite)를 생성하므로, 상기 생석회(CaCO2)의 사용량은 상기 무수석고(CaSO4)의 양에 의해 결정될 수 있다.
상기 생석회(CaCO2)는 포졸란 반응의 촉진 및 활성화에 영향을 주어 조성물의 물성을 개선시키고, 장기적으로 탄산칼슘을 발생시킴으로써, 알루민산 칼슘과 탄산칼슘의 반응을 통해 토립자를 응집고결시키도록 상기 고로슬래그 미분말과 비산재에 혼합된다. 상기 생석회(CaCO2)는 상기 고로슬래그 미분말 및 비산재와 혼합되어 수분을 갖는 토립자와 혼합될 경우, 수분에 의해 수화하여 수산화칼슘으로 변하면서 수분을 고화시키고, 수경성을 갖는 실리케이트(Silicate)나 알루미네이트(Aluminate)를 생성하여 포졸란 반응을 발생시킬 뿐만 아니라 CSH겔(calcium silicate hydrate gel)을 생성하여 연약지반의 함수율을 저하시킨다.
상기 생석회(CaCO2)는 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 내지 8 중량%를 가질 수 있다. 이때, 상기 생석회(CaCO2)가 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 중량% 미만으로 혼합될 경우 함량부족으로 포졸란 반응을 원활하게 유도하지 못할 뿐만아니라 상기 고로슬래그 미분말 및 비산재를 충분히 응집하지 못하고, 8 중량%를 초과할 경우 포졸란 반응에 과도한 영향을 미쳐서 충분한 고화를 방해하여 고화시간이 오래 걸기게 된다.
또한, 본 발명의 고화제는 비산재 및/또는 그 밖의 분진, 고로슬래그 미분말, 생석회(CaCO2)에 알루민산 칼슘을 혼합하여 구성될 수 있다. 상기 알루민산 칼슘은 형식적으로 알루민산의 염으로 여겨지는 조성 CaAl2O4, Ca3Al2O6 등의 화합물로서 산에 용해된다. 상기 알루민산 칼슘은 응집작용을 발생시키는 역할을 하며, 상기 생석회(CaCO2)와 반응하면서 조성물에 급결성 또는 팽창성을 제공하고 토립자를 응집 고결함으로써 연약지반의 경화 및 고화를 촉진시키고, 고화된 연약지반의 강도를 강화 및 안정화시킨다.
상기 알루민산 칼슘은 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 4 중량%로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 알루민산 칼슘이 2 중량% 미만으로 혼합될 경우 원하는 응집고결 작용을 기대할 수 없고, 4 중량%를 초과할 경우 제조원가를 상승시키고 안정화를 오히려 방해하게 된다.
또한, 본 발명에 의한 고화제는 경화촉진 역할을 하는 경화제로, AlO 함량이 35 내지 45중량%, 분말도가 4,000 내지 7,500㎠/g인 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfur Aluminate)를 사용하여 구성될 수 있다. 상기 칼슘설포알루미네이트는 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 8 중량%로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 칼슘설포알루미네이트가 2 중량% 미만으로 혼합될 경우 경화촉진 부족으로 고화제의 성능발현이 어렵고, 8 중량%를 초과할 경우 초기 급결로 인해 포졸란반응물질의 반응 저하를 초래하여 물리성능 확보를 어렵게 한다.
또한, 본 발명에 의한 고화제는 생석회(CaCO2)의 발열 반응이나 점성에 대하여 유동성을 향상시키고, 토양과 고화제의 혼합성 및 유동성을 증진시키기 위하여 유동화제를 추가로 혼합할 수 있다. 상기 유동화제는 본 발명의 고화제의 기본적인 성질이 변하지 않는 범위 내에서 소량 투입되며, 나프탈린 설폰산계 화합물, 폴라카르본산계 화합물 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 고화제는 비산재 및/또는 그 밖의 분진, 고로슬래그 미분말, 생석회(CaCO2)에 경화재(또는 조강제)로 무수석고(anhydrous gypsum) 또는 탈황석고를 추가로 첨가하여 구성될 수 있다. 이때, 무수석고 또는 탈황석고를 추가로 첨가하면, 생석회(CaCO2)와 반응으로 에트링가이트(ettringite; 석회설포알루미네이트, 3CaOAl2O33CaSO432H2O)를 생성하여 토양의 간극을 채워서 함수비를 저감하여 수밀성을 향상시키고 경화속도 및 압축강도를 향상시킬 수 있다.
상기 비산재 및/또는 그 밖의 분진, 고로슬래그 미분말, 생석회(CaCO2)는 입자표면에 치밀한 불투수성 피막인 유리질 피막이 형성되어 있어 자체적으로 반응성(수경성)이 없다. 따라서 자극제로 무수석고를 첨가하여 초기강도 향상 및 잠재 수경성에 의한 장기강도 활성화를 촉진한다.
상기 경화재로 사용된 무수석고 또는 탈황석고는 일정한 분말도를 갖게 되므로 반응성이 증대되고, 생석회(CaCO2) 및 물과의 반응으로 에트링가이트(ettringite)의 생성을 촉진하게 된다. 이때, 에트링가이트(ettringite)가 수화 반응을 일으키면서 감수 효과 및 미세입자의 공극 충진으로 조직이 치밀화되어 초기강도를 증가시키고 수화를 촉진시켜 고착시키게 된다.
상기 무수석고(CaSO4)는 성분 조성이 용이하고 불순물이 적은 화학석고로서, Ⅱ형 무수석고를 사용하여 구성될 수 있다.
상기 무수석고(CaSO4)는 상기 생석회(CaCO2)(또는 소석회)와 반응하여 에트링가이트(ettringite)를 생성하므로, 상기 무수석고(CaSO4)의 사용량은 상기 생석회(CaCO2)의 양에 의해 결정될 수 있다.
상기 무수석고(CaSO4)는 순도 90% 이상이고, 3,500 내지 5,000㎠/gr의 분말도를 가지며, 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%로 구성될 수 있다. 이는 상기 무수석고(CaSO4)가 5 중량% 미만이면 응결시간이 늦어지기 때문에 주입된 고화재가 간극수에 희석될 위험성이 높고, 반대로 15 중량%를 초과할 경우에는 고화제가 급격하게 경화되는 문제점이 있다. 그리고, 상기 무수석고(CaSO4)의 순도가 90% 미만일 경우에는 초기강도 및 장기강도가 저하되는 문제가 발생한다.
상기 탈황석고는 석유 정제과정이나 열병합발전소 및 화력발전소에서 부수적으로 생성되는 것으로 탈황과정을 거쳐 생산되며, 상기 무수석고의 대용으로 사용이 가능하다. 따라서 상기 탈황석고는 상기 무수석고(CaSO4)와 마찬가지로, 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 탈황석고의 사용량이 5 중량% 미만일 경우 에트링자이트의 생성이 저하되고 황산염에 의한 고로슬래그 미분말의 초기 수화촉진에 대한 자극 효과도 떨어지며, 15 중량%를 초과하는 경우에는 초기 급속한 반응으로 유동성 및 작업서이 저하되는 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 고화제에 포함된 비산재 및/또는 그 밖의 분진, 고로슬래그 미분말, 생석회(CaCO2), 무수석고 또는 탈황석고는 연약지반과의 교반시 포졸란 반응을 발생시켜 경화반응 진행에 도움을 준다.
또한, 본 발명에 의한 고화제는 경작지 또는 건물의 조경공간으로 연약지반이 활용될 경우 식물의 생장을 돕도록 개량토질에 양분을 공급하는 토질개량제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 토질개량제는 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 10 중량%로 혼합되는 소성 칼슘과, 포졸란 화산토에 의해 수득되어 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 6 내지 8 중량%로 혼합되는 규산질 미네랄을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 고화제는 연약지반의 색상을 변색시키는 건식안료를 추가로 포함할 수 있다. 상기 건식안료는 무기안료에 주로 사용되는 황색 산화철 또는 산화크롬으로 구성될 수 있으며, 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 3 중량%로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 건식안료가 2 중량% 미만으로 혼합될 경우 색상발현이 어렵고, 3 중량%를 초과할 경우 경제성이 저하된다.
또한, 본 발명에 의한 고화제는 연약지반, 불량토 지반을 개량하기 위해 건설폐기물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 건설폐기물은 폐토사, 폐콘크리트, 폐아스팔트콘크리트, 폐벽돌, 폐기와, 폐석재, 기타 비금속광물 자재류 등을 포함한다.
한편, 유해물질이 함유된 산업폐기물은 본 발명의 고화제 및 석회 등으로 안정하게 고형화 처리를 하고 2차 환경오염을 원천적으로 봉쇄하여 연약지반의 성토재로 재사용한다.
또한, 본 발명에 의한 고화제는 자연상태의 흙(황토, 마사토 등) 또는 현장토사를 원재로 하여, 친환경 비소성 무기결합재를 이용하여 강화반응을 유도함으로써 다량의 수화생성물이 생성되어 고내구성을 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 고화제는 크랙 방지를 위해 소량의 첨가물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 크랙방지용 특수보강재를 사용하여 내구 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 고화제는 포졸란(pozzoian) 반응성으로 인하여 수화생성물인 Ca(OH)2가 비산재의 가용성 실리카 및 알루미나와 반응하여 규산석회 및 알루인산심석회 등의 수화물을 생성하므로 장기간에 걸쳐 강도가 증가하여 60일이 지나면 일반 콘크리트 보다 높은 강도를 보인다. 그리고, 유동성 개선으로 인한 사용 물양의 감소로 인해 적은 물양으로도 동일한 슬럼프(slump)를 유지하므로서 블리딩 현상 감소 및 내구성 향상 효과가 있다. 또한, 수화에 의해 생성되는 수산화칼슘이 포졸란 반응으로 소비되고 불용성염으로 변화하기 때문에 내산성이 향상되고, 연약지반의 조직을 치밀하게 하여 수밀성을 높이기 때문에 황산염의 침식 저항에도 강하다.
한편, 본 발명의 고화제는 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 의한 고화체에 비하여 우수한 강도발현을 나타낸다. 이는 본 발명의 고화제를 구성하는 비산재 및/또는 그 밖의 분진, 고로슬래그 미분말, 활성화제(생석회(CaCO2)), 경화재(무수석고 또는 탈황석고)가 이상적인 혼합비로 구성되어 주입시부터 시작하여 장기 재령기간까지 상호 유기적으로 작용하기 때문이다. 이에 대한 압축강도는 아래의 표 1과 같다.
Figure 112020038370816-pat00002
본 발명에 의한 고화제는 토양을 오염시키는 건설폐기물의 발생량을 감소시킬 수 있다. 이는 상기한 바와 같이 강도발현이 우수하므로 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 대하여 60%정도의 사용량만으로도 동일한 강도발현을 나타내기 때문이다. 따라서 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 비하여 최대 40%정도 사용량을 절감할 수 있고 시공비를 절감할 수 있다.
본 발명의 고화제는 우수한 주입특성을 가진다. 이는 활성화제의 생석회(CaCO2), 경화재(무수석고 또는 탈황석고)의 적절한 함량으로 인해 분산 및 교반성능이 향상되었기 때문이다.
따라서 현장에서 지반에 주입하여 간극수와 혼합되어 슬러리로 될 때, 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트를 사용할 때보다 간극수와의 혼합비가 낮아도 상관이 없으므로 강도발현에 유리하다. 이에 대한 분산 및 교반성능은 아래의 표 2와 같다.
Figure 112020038370816-pat00003
본 발명의 고화제는 환경오염을 일으키는 수용성 6가크롬의 용출농도가 거의 검출되지 않았다. 이는 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하고 시멘트를 사용하지 않음으로써, 6가크롬의 함유량이 낮기 때문이다. 따라서 지반에 대한 환경오염을 최소화 함으로써, 건축 및 토목공사로 인한 환경오염을 줄일 수 있다. 이에 대한 6가크롬 용출농도는 아래의 표 3과 같다.
Figure 112020038370816-pat00004
본 발명에 의한 고화제는 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 의한 고화체에 비하여 치밀한 구조를 가지므로 동일한 강도에서도 투수계수가 낮아 우수한 차수성을 발휘한다. 그리고 본 발명에 의한 고화제는 천연해수를 5배로 농축시킨 인공해수에 양생시킨 후 무구속 상태의 모르터바 팽창율 시험결과, 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트에 비해 팽창율이 낮아 해수에 대한 우수한 안정성을 발휘한다.
그리고 본 발명의 고화재는 폐기물 등을 고화처리할 때 포틀랜드시멘트와 슬래그시멘트를 사용할 때보다 카드뮴(Cd), 6가크롬(Cr), 납(Pb), 비소(As), 구리(Cu), 수은(Hg) 등과 같은 유해물질의 용출량이 감소된다. 따라서 환경오염을 줄일 수 있다. 이에 대한 유해물질의 용출량은 아래의 표 4와 같다.
Figure 112020038370816-pat00005
본 발명에 의한 고화제는 무해한 원료를 사용하기 때문에 환경면에서 안전하게 시공할 수 있으며, 산업폐기물을 원료로 하기 때문에 재활용 차원에서 사회적, 경제적인 상승 효과가 크다. 그리고, 종래의 화학응고재 혼합설비가 필요없고 포크레인 등의 범용 중기로 작업이 가능하고, 고화 후 토양의 기능을 가지므로 식생이 가능하며, 고화시간이 빠르고 초기에 개량토로서 유효하게 적용할 수 있다.
연약지반 토목용 고화제 제조 방법의 예
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 고로슬래그 미분말을 제조한다(단계 S110).
이때, 상기 고로슬래그 미분말은 2.7 내지 3.2%의 산화 마그네슘(MgO), 1.0 내지 1.4%의 삼산화 황(SO3), 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하고, 1.58 내지 1.64%의 염기도, 2.90 내지 2.94g/㎠의 밀도, 4,000㎠/gr 이상의 비표면적, 97 내지 105%의 플로값 비를 갖도록 제조한다.
그 다음, 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 상기 고로슬래그 미분말을 혼합한다(단계 S120). 이때, 비산재 및/또는 그 밖의 분진 대 고로슬래그 미분말의 혼합비율은 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 70:30, 75:25, 80:20, 85:15, 90:10, 95:05 등으로 구성될 수 있다.
그 다음, 상기 비산재 또는 분진과 상기 고로슬래그 미분말의 혼합물에 생석회(CaCO2)를 혼합한다(단계 S130).
여기서, 상기 생석회(CaCO2)는 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 내지 8 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 4,000㎠/gr 이상의 분말도를 갖는다.
마지막으로, 상기 비산재 또는 분진과 상기 고로슬래그 미분말 및 상기 생석회(CaCO2)의 혼합물에 무수석고(CaSO4) 또는 탈황석고를 혼합한다(단계 S140).
여기서, 상기 무수석고(CaSO4) 또는 탈황석고는 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 3,500 내지 5,000㎠/gr의 분말도를 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법은, 산업폐기물인 비산재(그 밖의 분진)와 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하여 연약지반의 고화 및 압축강도를 높이고 경화속도를 빠르게 향상시킬 수 있으며, 시멘트를 전혀 사용하지 않음으로 육가크롬(Hexavalent chrome) 등과 같은 중금속이 용출되어 주변 토양이나 지하수 등을 오염시키는 문제를 발생하지 않음으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명에 의한 비산재 및/또는 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 이용한 연약지반 토목용 고화제 및 그 제조 방법은, 해안습지나 뻘, 하천, 호수, 항만 인접지역 또는 준설매립지와 같이 습기가 많은 지역의 연약지반을 응결 경화시는데 사용될 수 있고, 그 밖에 전원주택지, 하천제방길, 농로, 임도, 공원, 아파트 등의 연약 지반을 응결 경화시는데 사용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 그 밖의 분진(폐기물 분류번호: 51-05-99)과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며, 연약지반의 종류와 함수량에 따라 혼합비율을 다르게 구성하는 연약지반 토목용 고화제에 있어서,
    고로슬래그를 급냉시켜 미분말로 분쇄하며, 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 30 중량%를 가지며, 2.7 내지 3.2%의 산화 마그네슘(MgO), 1.0 내지 1.4%의 삼산화 황(SO3), 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하고, 1.58 내지 1.64%의 염기도, 2.90 내지 2.94g/㎠의 밀도, 4,000㎠/gr 이상의 비표면적, 97 내지 105%의 플로값 비를 갖는 고로슬래그 미분말;
    상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과 수화 반응 및 포졸란 반응을 하는 그 밖의 분진;
    상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 내지 8 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 4,000㎠/gr 이상의 분말도를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과의 수화 반응 및 포졸란 반응을 통해 C-S-H를 형성하는 생석회(CaCO2); 및
    상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 3,500 내지 5,000㎠/gr의 분말도를 가지며, 상기 생석회(CaCO2)와 반응하여 에트링가이트(ettringite)를 생성하는 무수석고(CaSO4);로 구성되며,
    상기 그 밖의 분진과 상기 고로슬래그 미분말을 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 70:30, 75:25, 80:20, 85:15, 90:10, 95:05 중에서 하나의 혼합비율로 혼합하고 현장 토사를 혼합하여 사용하는,
    연약지반 토목용 고화제.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연약지반 토목용 고화제는,
    상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 4 중량%를 가지며, 상기 생석회(CaCO2)와 반응하여 연약지반의 경화 및 고화를 촉진시키는 알루민산 칼슘;
    상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 8 중량%를 가지며, Al2O3 함량이 35 내지 45중량%, 분말도가 4,000 내지 7,500㎠/g을 가지며, 연약지반의 경화 및 고화를 촉진시키는 칼슘설포알루미네이트; 및
    상기 생석회(CaCO2)의 발열 반응이나 점성에 대하여 유동성을 향상시키고, 토양과 고화제의 혼합성 및 유동성을 증진시키는 유동화제;
    를 더 포함하는 연약지반 토목용 고화제.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연약지반 토목용 고화제는,
    상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 2 내지 3 중량%를 가지며, 황색 산화철 또는 산화크롬으로 구성되어 연약지반의 색상을 변색시키는 건식안료; 및
    상기 연약지반이 경작지 또는 건물의 조경공간으로 조성될 경우 식물의 생장을 돕도록 개량토질에 양분을 공급하는 토질개량제;를 더 포함하며,
    상기 고로슬래그 미분말로 콘크리트용 고로슬래그 미분말을 사용하는,
    연약지반 토목용 고화제.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연약지반 토목용 고화제는,
    폐토사, 폐콘크리트, 폐아스팔트콘크리트, 폐벽돌, 폐석재, 비금속광물 자재류를 포함하는 건설폐기물을 혼합하여 사용하는
    연약지반 토목용 고화제.
  5. 그 밖의 분진(폐기물 분류번호: 51-05-99)과 고로슬래그 미분말을 주원료로 사용하며, 연약지반의 종류와 함수량에 따라 혼합비율을 다르게 구성하는 연약지반 토목용 고화제 제조 방법에 있어서,
    (a) 고로슬래그를 급냉시켜 미분말로 분쇄하며, 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 30 중량%를 가지며, 2.7 내지 3.2%의 산화 마그네슘(MgO), 1.0 내지 1.4%의 삼산화 황(SO3), 이산화규소(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하고, 1.58 내지 1.64%의 염기도, 2.90 내지 2.94g/㎠의 밀도, 4,000㎠/gr 이상의 비표면적, 97 내지 105%의 플로값 비를 갖는 고로슬래그 미분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%를 가지며, 상기 고로슬래그 미분말과 수화 반응 및 포졸란 반응을 하는 그 밖의 분진을 제조하는 단계;
    (c) 상기 그 밖의 분진과 고로슬래그 미분말을 연약지반의 종류와 함수량에 따라 또는 소비자의 요구에 따라 70:30, 75:25, 80:20, 85:15, 90:10, 95:05 중에서 하나의 혼합비율로 혼합하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계의 혼합물에 고화제 전체 100 중량%에 대하여 4 내지 8 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 4,000㎠/gr 이상의 분말도를 갖는 생석회(CaCO2)를 혼합하는 단계;
    (e) 상기 (d)단계의 혼합물에 상기 고화제 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 15 중량%를 가지고, 90% 이상의 순도와 3,500 내지 5,000㎠/gr의 분말도를 가지는 무수석고(CaSO4)를 혼합하는 단계; 및
    (f) 상기 (e)단계의 혼합물에 현장 토사를 혼합하는 단계;
    로 구성된 연약지반 토목용 고화제 제조 방법.
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