KR102301241B1 - 하수슬러지 비산재가 포함된 연약지반용 친환경 고화재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 탈황석고, IGCC 슬래그, 하수슬러지 비산재, 플라이애시, 순환유동층애시를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 비산재가 포함된 연약지반용 친환경 고화재 조성물에 관한 것이다.

Description

하수슬러지 비산재가 포함된 연약지반용 친환경 고화재 조성물{Eco-friendly solidifying material composition for soft ground containing Sewage sludge fly ash}
본 발명은 하수슬러지 비산재가 포함된 연약지반용 친환경 고화재 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 연약지반 개량공사에는 표층 및 심층의 자연상태 토사에 고화재를 투입 혼합하여 고화시킴으로써 연약한 지반을 개량하는 연약지반 고결공법이 많이 이용되고 있으며, 여기에 사용되는 고화재로는 보통 포틀랜드 시멘트나 슬래그시멘트 또는 이들 시멘트에 포졸란 물질을 추가 혼합한 시멘트계 고화재가 주로 사용되고 있다.
통상 고화재는 시멘트 또는 고로수쇄슬래그, 플라이애시 등을 주원료로 사용하고 있다. 하지만, 상기 나열된 재료들은 토질 내에 존재하는 유기물질로 인해 수화물이 효과적으로 생성되지 않는 단점이 있다. 이러한 이유 때문에 소정의 강도발현에 장시간이 요구되고 연약지반보강에 비효율적이다.
상기 문제점들을 최소화하기 위해 석고-석회계 재료를 적용한 조성물이 적용되어 있지만, 상대적으로 비싼 원료가격과 반응에 따른 알칼리화로 암모니아, 황화수소 등 발생 가스에 의한 부작용이 발생된다.
한편, 기존 지반보강용 고화재의 주원료인 생석회와 시멘트는 석회석을 주원료로 하는 제품으로 1톤을 생산하기 위해 이산화탄소를 약 0.9톤 가량 배출하며, 이는 온실가스 증가로 나타나 최근의 환경정책에도 역행하는 결과를 낳고 있는 문제점이 있다.
따라서, 토질의 종류, 지하수위, 주변환경 등 다양한 지반조건에 따라 친환경성 재료가 필요하며 친환경 재료를 이용한 설계, 시공품질을 만족시킬 수 있는 친환경성 재료의 개발이 필요하다.
대한민국 특허등록 제1444071호
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 시멘트 사용을 제어하여 친환경적이면서도 조강성, 작업성, 균열저항성 등이 확보될 수 있는 고화재 조성물을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하수슬러지 비산재를 포함하는 연약지반용 친환경 고화재 조성물(이하 "본 발명의 조성물"이라함)은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 탈황석고, IGCC 슬래그, 하수슬러지 비산재, 플라이애시, 순환유동층애시를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 황산알루미늄이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 고로슬래그 미분말에는 고로 수쇄슬래그 미분말과 고로 서냉슬래그 미분말이 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 폴리아크릴아마이드가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 폴리황산펜토산나트륨이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 조성물은 연약지반 개량시 지반 및 지하수 오염의 문제를 제어할 수 있어 친환경적인 장점이 있다.
또한 산업부산물을 다량으로 사용하여 경제성이 있음과 동시에 강도, 작업성, 내구성 등 물성이 우수한 장점이 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 조성물은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 탈황석고, IGCC 슬래그, 하수슬러지 비산재, 플라이애시, 순환유동층애시를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 조성물에는 칼슘설포알루미네이트계 시멘트(CSA)가 더 첨가될 수 있는데, 칼슘설포알루미네이트계 시멘트(CSA)는 시멘트의 속경성, 팽창성, 무수축성이 요구되는 곳에 사용되는 시멘트인 바, 본 발명의 조성물에 고로슬래그 미분말이 첨가됨에 따라 동절기 등에 압축강도가 저하되는 경우가 있는데 이러한 문제를 해결하기 위해 칼슘설포알루미네이트계 시멘트(CSA)가 사용되어 온도영향을 덜 받도록 하기 위함이다.
상기 고로슬래그는 선철의 원료가 되는 철광석과 석회석 중 철 이외의 성분이 용해되어 밀도차에 의해 용선과 분리ㅇ부유된 부산물이다. 고로에서 배출되는 슬래그는 약 1,500℃ 내외의 고온의 용융상태에서 상온으로 냉각하는 방법에 따라 수쇄슬래그와 서냉슬래그로 구분된다.
상기 고로 수쇄슬래그는 배출된 고온·용융상태의 슬래그에 고압의 냉각수를 다량 방출하여 급랭시킨 슬래그이다, 냉각속도가 빠르기 때문에 결정질 조직이 형성되지 못하고 유리질이 90% 이상을 차지하는 비정질상을 형성한다.
상기 고로 수쇄슬래그는 화학조성이 일반 시멘트와 유사하고 시멘트의 수화반응에서 생성된 Ca(OH)2와 반응하여 잠재수경성을 나타내기 때문에 시멘트 및 콘크리트 혼화재료로 널리 사용되는 것이다. 즉 고로 수쇄슬래그의 첨가에 의해 잠재수경성이 발현되므로 압축강도면에서 유리한 장점이 있다.
상기 고로 서냉슬래그는 고로에서 배출된 용융상태의 슬래그를 가압수의 공정을 거치지 않고 바로 야적장에 적재되어 결정질상태가 되는 고로슬래그이다. 결정질의 구조이므로 수경성이 없기 때문에 압축강도 발현성에 기여하지 못하며, 용도로는 성토용 골재, 도로용 매립재 등으로 매우 제한적으로 일부 사용되고 있다.
상기 고로 서냉슬래그의 경우 물과는 수화반응을 하지 않으나, 탄산화 양생하는 것에 의해 고로 서냉슬래그의 주요성분인 Melilite, α-Wollastonite가 반응을 하여 경화체의 치밀화가 유도된다. 즉 밀실한 경화체를 형성되도록 하는 것이다.
이에 본 발명에서는 바람직하게 고로슬래그 미분말을 첨가하되, 고로 수쇄슬래그 미분말의 첨가에 의해 압축강도가 발현되도록 함과 동시에 고로 서냉슬래그 미분말이 첨가되도록 하여 중성화를 억제하고 작업성을 향상시키도록 하는 것이 타당하다.
상기 무수석고 및 탈황석고는 에트린자이트 생성 등으로 인하여 조직을 치밀화 시켜 조기강도 및 수축저감효과가 발현되도록 하는 것이다.
상기 하수슬러지 비산재는 하수슬러지 소각과정에서 발생되는 산업부산물로서 시멘트 및 콘크리트의 응결 및 경화현상을 촉진시키는 염소이온 및 알칼리 이온이 함유되어 조기강도가 발현되도록 하는 것이다.
또한 상기 하수슬러지 비산재는 상기에서 본 바와 같이 초기강도가 발현됨과 동시에 볼베어링 작용을 하여 워커빌리티(workability)에서 우수한 특성을 발휘할 수 있게 된다. 즉 상기 하수슬러지 비산재는 초기강도가 발현되도록 함에 따라 수반될 수 있는 작업성저하가 볼베어링 작용에 의해 보완될 수 있도록 하는 것이다.
상기 순환유동층애시는 화력발전소의 순환유동층 연소방식의 보일러에서 발생되고 있으며, 순환유동층 보일러내에 탈황을 목적으로 석회석을 투입하면 로내의 온도에 의해 열분해가 일어나고 CaO 입자주변에 SO2 가스가 집중되면서 표면에서 황산화 반응이 일어나게 되며 CaSO4가 생성된다. 순환유동층애시의 특성으로는 CaO 및 SO3의 함유로 초기압축강도 증진효과 및 건조수축을 감소시키는 효과가 발현된다.
상기 IGCC 슬래그는 석탄가스화기 복합발전소에서 철강슬래그의 수재슬래그 생산공정과 유사하게 물로 급랭하여 발생된다. IGCC 슬래그는 고로슬래그와 제조방식 및 화학성분이 유사하며, 색상은 석탄을 연소하여 전력을 발생하기 때문에 플라이애시와 유사한 진회색 형상을 지니고 있다.
이러한 IGCC 슬래그가 첨가되는 이유는 플라이애시에 비해 IGCC 슬래그가 CaO 및 SO3를 다량 함유하고 있는 바, 플라이애시의 경우 초기강도가 낮은 문제가 있으며 이의 활성화를 위해 다량의 화학적 활성화제의 첨가가 필요한데 플라이애시의 이러한 점에 대한 대체제가 되는 것이며, 고로슬래그에 비해 Al2O3 등이 다량으로 함유되어 내구성(에트린자이트 생성) 등에서 고로슬래그를 보완하게 되는 것이다.
또한 본 발명에서는 상기 조성들 외에도 황산알루미늄이 더 포함되는 예가 제시된다.
본 발명의 조성물에는 상기에서 본 바와 같이 고로슬래그 및 플라이애시가 첨가되는데 고로슬래그 및 플라이애시의 경우 수화반응을 이어가기 위해서는 피막을 파괴할 수 있는 자극제의 혼입이 반드시 요구된다. 이를 위해 황산알루미늄이 첨가되도록 하는 것이다.
이러한 황산알루미늄의 첨가에 의해 피막이 파괴되고, 표면으로부터 용해반응이 일어나면 내부에 불용성 물질이 석출되어 경화되기 시작한다. 이러한 경화를 촉진시키기 위하여 증기양생을 실시할 경우 C-S-H gel이 급격히 생성됨과 더불어 Ca2 +이온이 급격히 소비되어 pH가 약알칼리 상태로 변화하는 것으로 판단된다.
한편 상기 조성들의 반응과정에서 칼슘이온, 나트륨이온 등 각종 이온이 용출되는데 이러한 이온은 상기 조성들의 표면에 흡착되어 존재할 수 있다. 어떠한 입자 표면에 흡착된 이러한 이온은 입자간 응집을 유발하게 되며 입자간 응집에 의해 분산성이 저하되는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 상기 황산알루미늄이 첨가되도록 하는 것인데 황산알루미늄에 있어 Al이 매개체가 되어 각종 이온들은 황산 등과 화학적으로 결합되도록 함으로써 입자에 이온이 흡착되는 것을 제어토록 하여 분산성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
한편 본 발명에서는 상기에서 본 바와 같이 하수슬러지 비산재 등의 첨가로 산화칼슘(CaO) 및 삼산화황(SO3) 함량이 비교적 높아져 초기강도를 증진토록 하는데 초기강도의 증진에 따라 수축에 의한 균열문제가 야기될 수 있으며, 황산이온 등이 에트린자이트 생성과정 등에서 반응에 관여하지 않은 잔유물로서 페이스트에 존재할 수 있는데 이러한 황산이온 등의 존재는 황산화세균 등이 증식에 의해 열화를 야기 시킬 수 있는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 상기 조성외에도 폴리황산펜토산나트륨가 더 배합되도록 하는 예를 제시하고 있다.
상기 폴리황산펜토산나트륨은 보습에 의해 페이스트에서 모세관현상에 의해 수분이 증발하는 것을 방지함으로써 균열저항성을 향상시키도록 하는 것이다.
또한 상기 폴리황산펜토산나트륨은 상기에서 언급한 바와 같이 황산이온의 존재 등에 의해 산화세균, 황산화세균이 증식하는 경우 페이스트의 열화를 야기시킬 수 있는 문제가 있는데 상기 폴리황산펜토산나트륨은 상기 산화세균, 황산화세균 등의 증식을 억제토록 하여 열화를 방지토록 함으로써 내구성을 우수하게 하는 것이다.
한편 본 발명의 조성물에는 하수슬러지 비산재의 첨가에 따라 하수슬러지 비산재에 포함되는 중금속이 용출되는 문제가 있을 수 있다. 이에 본 발명에서는 폴리아크릴아마이드가 포함되도록 하여 중금속을 안정화시켜 중금속의 용출을 억제하여 환경오염의 유발을 제어토록 하는 것이다.
바람직하게 본 발명의 조성물은 시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 미분말 50 내지 150중량부, 플라이애시 10 내지 100중량부, 무수석고 1 내지 10중량부, 탈황석고 1 내지 10중량부, IGCC 슬래그 10 내지 100중량부, 하수슬러지 비산재 1 내지 10중량부, 순환유동층애시 10 내지 100중량부, 황산알루미늄 1 내지 3중량부, 폴리황산펜토산나트륨 1 내지 3중량부, 폴리아크릴아마이드 0.1 내지 1중량부가 배합되는 것이 타당하다.
이하 실험예에 의해 본 발명의 실시예를 설명한다.
배합비
OPC SP FA IGCC CFBC GP-1 GP-2 SFA AV P
비교예1 40 46 6 10 10 1.5 1.5 - 1.0 -
실시예1 40 30 5 10 10 1.5 1.5 1.0 1.0 -
실시예2 40 30 5 10 10 1.5 1.5 1.0 1.0 -
실시예3 40 30 4 10 10 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0
* OPC: 1종 보통 포틀랜드 시멘트* SP: 고로슬래그 미분말
* FA: 플라이애시
* IGCC: IGCC 슬래그
* CFBC: 순환유동층애시* GP-1: 천연무수석고
* GP-2: 탈황석고
* SFA: 하수슬러지 비산재
* AV: 활성화제(비교예, 실시예 1에서 활성화제는 수산화나트륨이 사용되었고, 실시예 2 및 실시예 3에서는 황산알루미늄이 사용됨)
* P: 폴리황산펜토산나트륨 및 폴리아크릴아마이드가 중량비로 8:2인 혼합물
< 작업성 및 압축강도 시험(KS F 4042)>
구분 유동성(mm) 압축강도(kg/cm2
직후 30분 7일 28일
비교예1 180 160 20.1 41.7
실시예1 180 165 24.3 42.6
실시예2 190 175 24.0 43.8
실시예3 190 170 24.2 46.3
우선 비교예 1과 실시예 1의 대비시 작업성면에서 유사한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다. 이는 실시예 1에서 하수슬러지 비산재가 더 첨가됨에 기인한 것으로 판단되는데, 이하에서 설명하는 바와 같이 하수슬러지 비산재의 첨가에 의해 초기강도가 발현됨을 알 수 있는데 일반적으로 초기강도가 발현됨에 따라 작업성이 저하되는 반면 하수슬러지 비산재는 초기강도가 발현되도록 함에 따라 수반될 수 있는 작업성저하가 볼베어링 작용에 의해 보완될 수 있음을 알 수 있다.
또한 실시예 2의 경우가 실시예 1의 경우보다 작업성에서 우수한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데 이는 실시예 1의 경우 활성화제로 수산화나트륨을 첨가한 반면 실시예 2의 경우 황산알루미늄을 첨가함에 기인한 것으로 이는 황산알루미늄이 입자에 용출되는 이온의 흡착을 제어함에 따른 것으로 판단된다.
한편 초기강도면에서 비교예 보다 실시예들이 높은 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데 이는 하수슬러지 비산재의 첨가에 기인한 것으로 판단된다. 또한 실시예 3의 경우가 실시예 1 및 실시예 2의 경우보다 28일 강도가 높은 것을 알 수 있는데 이는 폴리황산펜토산나트륨의 첨가에 따른 건조수축균열 저감효과에 기인한 것으로 판단된다.
<투수계수 시험(KS F 2322: 변수위 투수 시험방법)>
상기 시료들에 대해 재령 7일간 양생한 공시체의 투수계수 시험을 진행하였으며, 그 결과가 하기 표 3에 도시되고 있다.
구분 투수계수(㎝/sec)
비교예 5.10 × 10-7
실시예 1 5.37 × 10-7
실시예 2 5.33 × 10-7
실시예 3 2.01 × 10-8
실시예 3의 경우가 실시예 2보다 투수계수가 감소되는 것을 알 수 있는데 이는 실시예 3에서 폴리황산펜토산나트륨이 더 첨가됨에 따라 균열저항성을 향상시킴에 기인한 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (5)

  1. 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 탈황석고, IGCC 슬래그, 하수슬러지 비산재, 플라이애시, 순환유동층애시, 폴리황산펜토산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 비산재를 포함하는 연약지반용 친환경 고화재 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    황산알루미늄이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 비산재를 포함하는 연약지반용 친환경 고화재 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고로슬래그 미분말에는 고로 수쇄슬래그 미분말과 고로 서냉슬래그 미분말이 포함되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 비산재를 포함하는 연약지반용 친환경 고화재 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    폴리아크릴아마이드가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지 비산재를 포함하는 연약지반용 친환경 고화재 조성물.
  5. 삭제
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