KR19980046660A - 콘크리트 구조용 인공경량 골재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 규사 분말, 탄질 세일, 카리 장석, 점토 및 산화철로 이루어진 각 원료를 분쇄하고, 분쇄된 혼합물을 건식 상태 또는 습식 상태로 혼합한다음, 이 원료 혼합물에 바인더로서 칼슘 리그노 설포네이트 수용액 또는 물을 분사하여 구상 성형화한 다음, 내화 분말을 코팅하고, 건조, 예열, 소결시키는 공정으로 이루어진 비중이 1.0-1.5이고, 흡수율이 13% 이내이며, 파쇄하중이 100kgf/㎠ 이상인 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라 얻어진 콘크리트 구조용 인공 경량 골재는 비중 및 흡수율이 작고, 파쇄하중의 효과가 클뿐만 아니라, 콘크리트 타설시 시멘트 슬러리와 골재가 분리되지 않아서 건축 소재로서 유용하다.

Description

콘크리트 구조용 인공경량 골재의 제조방법

규사 분말, 탄질 세일, 카리 장석, 점토 및 산화철로 이루어진 각 원료를 분쇄하고, 분쇄된 혼합물을 건식 상태 또는 습식 상태로 혼합한 다음, 이 원료 혼합물에 바인더로서 칼슘 리그노 설포네이트 수용액 또는 물을 분사하여 구상 성형한 다음, 내화 분말을 코팅하고, 건조, 예열, 소결시키는 공정으로 이루어진 비중이 1.0-1.5이고, 흡수율이 13% 이내이며, 파쇄하중이 100kgf/㎠ 이상인 콘크리트 구조용 인공경량 골재의 제조방법에 관한 것이다.

인공경량 골재는 단열, 원예용으로의 비구조용과 시멘트 콘크리트 구조용 구조로 사용되는 구조용이 있다.

비구조용은 골재 내부의 기공이 가지는 단열성과 흡수성을 이용한 것으로서 기공이 매우 발달되어 있어야 하며 골재를 구성하는 소지 자체가 팽창성이 좋아야 한다. 비중은 대부분 1.0 이하가 보통이다.

인공적으로 제조되는 것 이외에 부석 등 화산암계 자연석 등이 비구조용 골재에 속한다.

한편, 구조용 인공경량 골재는 자연 환경 파괴로 인한 천연 골재 채취 조건의 악화로 점차 개발 분위기가 고조되고 있는 산업 소재로서 비구조용 골재와 같이 기공은 발달되어 있으나 골재 자체의 강도가 세고 비중도 비구조용에 비해 다소 높은 것이 특징이다. 골재의 자체 강도는 골재 비중이 높을수록 커지는 경향이 있다. 그러나, 비중이 1.0 이하라 할지라도 골재의 자체 강도가 높으면 구조용 골재로서도 사용 가능하다. 물론 이 때 알칼리 골재 반응 등의 콘크리트 물성에 해로운 반응이 없으며 콘크리트 혼합성에 지장이 없어야 함을 전제로 한다.

인공경량 골재를 사용한 구조용 경량 콘크리트의 비중은 기건(氣乾) 상태에서 1.8 이하이어야 하므로 인공경량 골재는 비중이 작고 자체의 파괴 강도가 높은 것이 좋다. 물론 콘크리트 타설시 시멘트 슬러리와 골재가 분리되지 말아야 하며 슬럼프의 현저한 감소 등 콘크리트 작업성에 지장을 주어서는 안된다.

비중이 작을수록 시멘트와의 분리 현상이 일어날 위험성은 커진다. 분리가 되면 시멘트 슬러리 상부에 골재가 모이게 되어 콘크리트 표면에 심한 요철 모양이 생기며 골재의 분포 상태가 국부적으로 다르므로 균열이 발생할 수 있는 가능성이 매우 높다.

이러한 인공 경량 골재는 팽창 세일 또는 팽창 점토 등 팽창성 원료를 사용하여 제조되고 있다. 이들 팽창 세일과 팽창 점토를 조립 또는 비조립 상태로 건조, 소성시킨 인공경량 골재는 그 자체의 단열성 및 경량성이 우수하여 크게 각광받고 있는 건축 소재로 알려져 있다. 그러나 우리나라의 경우에는 원료 입지 조건이 나빠 상업적 생산이 어려운 실정이다. 또한, 화력 발전소의 부산물인 플라이 애쉬를 고부가가치화하는 방안으로 인공 경량 골재의 원료로 적용하려는 연구가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다.

이와 같이 인공 경량 골재의 원료인 팽창 세일과 팽창 검토는 성분 조성 범위가 결정의 종류가 일반적으로 정해져 있으며, 특히 성분 조성의 범위는 C.M.Riley가 지적한 범위내에 있고(Relation of Chemical Properties to the Bloating Clay, Journal of Ceramic Society, 34(4), 121-128 pp (1951)), 결정의 종류는 클로라이트(Chlorite), 할로이사이트(Halloysite), 일라이트(illite)로 정해져 있다. 이러한 결정들은 인공 경량 골재가 갖춰야 할 성분들이 이미 격장내에 화학적으로 결합되어 있기 때문에 팽창이 용이하므로 인공 경량 골재의 원료로서 당연히 갖춰야 할 결정상이다.

이에 따라 종래에 국내외적으로 다양한 종류의 원료를 출발물질로 하는 인공 경량 골재 및 그 제조방법에 제안된 바 있다. 그 대표적인 몇가지를 예로 들면, 대한민국 특허공고 제92-6804호: 혈암과 플라이 애쉬를 주원료로 하고 물을 바인더로 하며, 발포제로서 돌로마이트와 칼사이트 성분이 함유된 탄산염광물 분말을 사용하는 인공 경량 골재의 제조방법, 대한민국 특허공고 제90-7837호: 점토와 같이 소성 경화 가능한 점착성 물질에, 저열량탄을 합하거나 연탄재를 혼합한 후, 물을 바인더로 하여 제조한 소성 경량 골재, 대한민국 특허공고 제87-1014호: 제지 슬러리를 이용한 인공 경량 골재, 일본국 특허공고 소62-25620호: 플라이 애쉬를 주원료로 하고 물을 바인더로 하는 인공 경량 골재, 일본국 특허공고 소43-16553호: 불팽창성 광물 원료와 환원성이 풍부한 탄소 가루를 이용한 인공 경량 골재에 관한 것들이 개시되어 있다.

상기의 인공 경량 골재들은 각종 용도에 맞게 자유로이 비중을 조절하 수 있으나, 일반적으로 흡수율(20% 이상)이 높아 시공성 및 시공 후 건조 수축율로 인한 압축 강도의 저하가 문제점으로 지적되고 있다.

본 발명에서는 콘크리트 타설시 시멘트 슬러리와 골재가 분리되는 현상을 감소시키기 위하여 골재 형상을 구형으로 하였으며 비중을 1.0-1.5 범위로 설정하였고, 또한 인공 경량 골재의 원료로서 사용되는 플라이 애쉬 대신에 규석 광산에서 부산물로 대량 발생되는 규사 미분을 사용하였고, 또한 상기에 언급된 Riley 범위에 속할 수 있도록 인공 경량 골재의 원료로서 주원료인 규사 분말과 탄질 세일, 카리 장석, 점토 및 산화철을 혼합한 원료 혼합물을 사용하여 Riley 범위에 들기 위한 원료의 결정 종류 등에 상관이 없이 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조용 원료 혼합물을 얻을 수 있으며, 또한 이 혼합물에 바인더로서 칼슘 리그노 설포네이트 수용액을 도포하고, 내화 분말을 코팅한 다음, 건조, 예열, 소결함으로서 비중이 낮고, 흡수율이 적으며, 파쇄하중이 큰 콘크리트 구조용 인공 경량 골재를 제조할 수 있어서 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은 규사 분물 50-55중량%, 탄질 세일 10-20중량%, 카리 장석 10-20중량%, 점토 10-20중량% 및 산화철 5-10중량%로 이루어진 골재 원료 혼합물을 평균 600 메쉬로 분쇄하고, 분쇄된 혼합물에 혼합물의 전체 중량에 대하여 칼슘 리그노 설포네이트 1-2중량%가 물 15-25중량%에 용해된 수용액을 분사하여 골재 원료 혼합물을 구상 성형시키고, 성형된 골재 성형체에 내화 분말로 코팅하고 건조시킨 다음, 850℃의 온도에서 10-45분간 예열하고, 1150℃-1250℃의 온도에서 5분-30분간 소성시키는 것으로 이루어진 비중이 1.0-1.5이고, 흡수율이 13%이내이며, 파쇄하중이 100kgf/㎠인 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 규사 분말 50-55중량%, 탄질 세일 10-20중량%, 카리 장석 10-20중량%, 점토 10-20중량% 및 산화철 5-10중량%로 이루어진 골재 원료 혼합물을 평균 600 메쉬로 분쇄하고, 분쇄된 혼합물에 혼합물의 전체 중량에 대하여 칼슘 리그노 설포네이트 1-2중량%가 물 12-20중량%에 용해된 수용액을 첨가하여 퍼그 밀에서 균일하게 혼합한 다음, 혼합물의 전체 건조 중량에 대해 물 3-5중량%를 분사하여 골재 원료 혼합물을 구상 성형시키고, 성형된 골재 성형체에 내화 분말로 코팅하고 건조시킨 다음, 850℃의 온도에서 10-45분간 예열하고, 1150℃-1250℃의 온도에서 5분-30분간 소성시키는 것으로 이루어진 비중이 1.0-1.5이고, 흡수율이 13%이내이며, 파쇄하중이 100kgf/㎠인 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 규사 분말 50-55중량%, 탄질 세일 10-20중량%, 카리 장석 10-20중량%, 점토 10-20중량% 및 산화철 5-10중량%로 이루어진 콘크리트 구조용 인공 경량 골재 조성물을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 콘크리트 구조용 인공경량 골재를 제조하는 공정도.

본 발명은 규사 분말, 탄질 세일, 카리 장석, 점토, 및 산화철로 이루어진 각 원료를 분쇄하고, 분쇄된 혼합물을 건식 상태 또는 습식 상태로 혼합한 다음, 이 원료 혼합물에 바인더로서 칼슘 리그노 설포네이트 수용액 또는 물을 분사하여 구상 성형화한 다음, 내화 분말을 코팅하고, 건조, 예열, 소결시키는 공정으로 이루어진다.

본 발명의 제조방법을 수행하는데 사용되는 원료 혼합물은 규사 분말 50-55중량%, 탄질 세일 10-20중량%, 카리 장석 10-20중량%, 점토 10-20중량% 및 산화철 5-10중량%로 구성되어 있다.

이러한 원료 혼합물은 C. M. Riley가 지적한 범위내에 속한다. 즉 원료의 결정 종류에 상관이 없이 그 범위에 속하지 않는 성분 조성은 부족한 성분의 보충으로 범위내로 이동될 수 있다. 예를 들면 SiO₂가 부족한 경우 규사 미분 등을 투입하고 Al₂O₃가 부족한 경우 수산화 알루미늄 등을 첨가하면 적정 범위로 이동된다. 요약하면 성분 조성상으로 적정 범위에 들면 인공 경량 골재가 제조될 수 있으며, 원료의 결정 종류 등은 큰 상관이 없다. 다만, 성분이 화학적으로 이미 결합되어 있는 형태인 결정상의 경우가 물리적으로 혼합되어 있는 성분 조성상의 경우보다 동일한 조성에서 소성이 원활하다는 점은 있다.

한편, 인공 경량 골재의 원료가 갖춰야 할 조건은 다음과 같다.

1) 고온에서 용융하고 용융된 액상의 점도가 분해 생성된 가스를 포집할 수 있을 정도로 적당한 점도를 가져야 한다.

2) 용융과 동시에 가스가 존재해야 한다.

원료의 용융점과 점도 등은 원료 성분과 밀접하기 때문에 전술한 바와 같이 Riley 범위내에 속한 조성이 팽창에 있어서 양호한 것으로 보고된 바 있다. 따라서, 본 발명의 규사 분말 조성물은 이러한 원료 조건을 충분히 만족하도록 선택된 것이므로 골재의 팽창성이 양호하다.

상기 원료 중에서 규사 분말은 주원료로 사용된다. 이러한 규사 분말은 지구의 지각을 구성하는 성분 중 대부분을 차지하는 실리카(SiO₂)가 주성분이며 규사 광산 등에서 유리 및 시멘트, 타 요업 제품의 원료를 채광 및 선광한 후 부산물로 대량 발생한다.

시멘트 콘크리트 구조체 내에서 실리카는 골재의 주성분으로서 물 및 시멘트의 산화칼슘(CaO)과 반응하여 칼슘 실리케이트 수화물을 형성하여 콘크리트를 굳게 하는 중요한 역할을 한다. 그러므로 콘크리트 구조용 골재에서 SiO₂는 필수적인 성분이다.

그러나 이러한 인공 경량 골재에서 SiO₂의 양이 많아지면 팽창성이 저하된다. 이것은 SiO₂의 고융점 및 고점성 때문으로 이 때는 알칼리류 금속 산화물을 첨가해야 하는데 이 물질들의 금속 이온이 SiO₂와 반응, 저융점 및 저점성으로 전환되나, 알칼리 금속은 SiO₂의 견고한 입체적 망목 구조의 -Si-O- 결합에서 산소와 결합하여 망목 구조를 붕괴시켜 결국 저융점, 저점도화되어 팽창성이 양호하게 된다. 알칼리 금속 산화물에는 K₂O, Na₂O , CaO, MgO 등이 해당된다.

규사 미분의 사용량은 원료 혼합물 전체 중량읜 50-55중량%이다. 50중량% 이하의 경우 규사 미분 활용의 의의가 적어지고 55중량% 이상의 경우는 골재의 비중이 높아진다.

다른 원료로서 탄질 세일은 본 발명에서 Al₂O₃및 탄소 공급원으로 사용된다. 탄질 세일은 시멘트, 연탄 등의 원료로 대규모로 채광되고 있다. 이 탄질 세일의 사용량은 원료 혼합물의 전체 중량에 대해 10-20중량%이다. 탄질 세일이 10중량%이하 이면 발포 상태가 미비하고 20% 이상의 경우에는 과발포가 일어나 골재의 품질을 저해한다.

본 발명에서는 알칼리 금속 산화물로서 카리 장석을 사용한다. 카리 장석은 알칼리 금속 산화물의 공급원 이외에도 알루미나 성분의 공급원으로서 사용되고 있다. 카리 장석은 소다 장석과 회장석에 비해 석영의 용융점 저하와 골재 강도면에서 유리하다. 소다 장석은 석영 용융점 저하 측면에서 다른 장석에 비해 가장 유용하나 경량 골재의 제조시 강도가 약하며 회장석은 자체 용융점이 높으므로 석영의 용융점 저하 효과가 작다.

이러한 카리 장석은 규사 미분처럼 광산에서 유리 원료 등을 정제시 부산물로 다량 버려지는 폐자재이다. 카리 장석은 원료 혼합물 전체 중량에 대해 10-20중량%로 사용하는 것이 융제로서 작용하는데 효과적이다. 10중량% 이하의 경우는 골재의 강도가 약해지고 20중량% 이상의 경우는 융제 효과가 강하여 킬른내에서의 작업성이 떨어진다.

점토는 골재의 성구용 바인더로도 사용된다. 점토내에는 황화합물이 함유되어 있으며 이 황화합물은 골재 팽창에 있어 특히 중요한 역할을 한다. 즉 황(S)이 연소되어 생성된 SO₂혹은 SO₃는 열로 인한 가스 분자 운동이 CO 또는 CO₂와 같은 탄소 화합물 보다 느리므로 팽창 전까지 골재 밖으로 유출되어 없어지는 가스의 양이 적어서 팽창이 탄소 경우 보다 우수하다. 단, 황화합물의 환경오염 문제로 인한 대기상의 배출 규제 문제가 뒤따르며 아울러 설비 부식의 주된 원인이 되므로 황화합물이 다량 함유된 점토는 사용하지 못한다. S화합물이 배출될 경우 소석회, 석회석 등을 이용한 탈황 시설을 갖춰야 한다.

본 발명에서 점토의 사용량은 10-20중량%이다. 점토가 10% 이하인 경우에는 소성전 성형체의 강도가 약해지고 20% 이상의 경우에는 본 발명의 규사 미분의 활용 의의가 감소하므로 경제성이 없다.

또다른 원료로서 산화철은 융제 및 발포 가스 공급원 역할을 한다. 산화제이철(Fe₂O₃)이 환원되면서 산화 제일철(FeO)이 생성되는데 이 때 FeO는 환원 분위기에서 다른 금속 산화물과 반응하여 저융점 화합물을 생성시키므로 융제로 작용하고 소성이 끝난 골재의 비중은 FeO의 양이 많을수록 낮아진다. 철 원자와 결합하고 있는 기체는 산소 혹은 황이 주인데 전자의 경우 미연소 탄소와 결합하여 CO 혹은 CO₂로 휘발되며, 후자의 경우는 킬른 내부의 산소와 결합하여 SO₂혹은 SO₃로 휘발된다.

골재 내부에서 발생된 S 산화물은 골재 표면으로 확산되는 도중에 CaO 등과 결합하여 석고(CaSO₄) 형태로 골재 표면에 잔존하기도 한다.

산화철은 사용량은 5-10중량%이다. 5중량% 이하의 경우 발포력 저하로 골재 비중이 높아지고 10중량% 이상 사용할 때는 과도한 융제 역할과 발포로 인하여 골재의 품질이 저하된다.

본 발명에서 골재 형상을 구형으로 한 것은 구형의 표면적이 동일한 체적의 여러 모양 중에서 가장 작으므로 시멘트 슬러리 내부의 점성으로 말미암은 부력에 가장 잘 대응할 수 있는 형태이기 때문이다. 부력에 접한 면적이 작을수록 그 물체가 받는 부력은 작아지게 되므로 구형일수록 분리가 되는 경향은 작아진다.

본 발명에 따른 인공 경량 골재의 제조방법은 도 1에 도시한 바와 같이 상기 원료의 혼합물을 평균 600 메쉬로 분쇄하고, 분쇄된 혼합물에 혼합물의 전체 중량에 대하여 칼슘 리그노 설포네이트 1-2중량%가 물 15-25중량%에 용해된 수용액을 분사하여 골재 원료 혼합물을 구상 성형시키고, 성형된 골재 성형체에 내화 분말로 코팅하고 건조시킨 다음, 850℃의 온도에서 10-45분간 예열하고, 1150℃-1250℃의 온도에서 5분-30분간 소성시키는 것으로 이루어진다. 소성 후에 체질 과정은 원하는 굵기의 골재를 사용 목적에 따라 선택하도록 분류하는 과정이며, 25㎜ 이상의 골재는 다시 분쇄하여 잔 골재로 만들 수 있다.

이하, 본 발명의 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법을 구체적으로 기술하면 다음과 같다.

본 발명의 제조방법에서 제 1 단계는 모든 원료를 평균 600 메쉬 정도로 분쇄하는 공정이다.

상기에 언급된 바와 같이 성분상으로 혼합된 원료 혼합물은 미분쇄되어야 한다. 그 이유는 소성 후 골재의 품질이 양호해지기 때문이다.

분쇄 입도는 평균 325 메쉬 이하가 적당하며 특히 평균 600 메쉬 정도가 적당하다. 입도가 작아지면 균일한 소결이 이루어지기 쉬우나 입도가 클 경우는 광물 입자 사이의 소결을 위해 시간과 에너지 소요량이 늘어난다. 즉 입도가 작을수록 빠른 시간 안에 소결이 이루어진다. 아울러 입도가 크면 표면 소결 시간이 늦어지므로 그 동안 분해 가스가 골재 밖으로 유출되어 없어지게 되므로 발포가 어렵게 된다.

따라서, 입도가 크면 가스 발생원 양이 많아야 되거나, 입자 사이를 강한 압력으로 다져서 입자 사이의 공극을 좁혀주어야 한다.

가스 발생원으로는 주로 벙커 C유 혹은 탄소 분말이 있으며 특히 탄소 분말의 경우는 플라이 애쉬 혹은 제지 소각회, 탄질 세일 등에 포함되어 있는 형태를 취할 수 있다.

인공 경량 골재는 소성시 골재 내부가 환원 분위기로 되어야 소결이 이루어지며 그렇지 않을 경우는 내부 소결이 부족하여 강도 저하의 주원인이 된다. 가스의 종류는 CO₂혹은 CO가 있다. 특히 CO의 경우는 강한 환원성 기체이므로 이 가스를 유도시키는 것이 좋다. 그러나, 인체에 대단히 해로운 기체이므로 최종적으로는 CO₂로 산화시켜 배출해야 한다.

경량 골재의 소결 팽창시 대부분은 수축 후 팽창되므로 최종 제품의 비중이 예상보다 상당히 높게 될 수 있다. 즉, 수축 도중에 제품화되면 그것의 비중은 커지게 된다. 이것은 인공 경량 골재 제조시 상당히 중요한 포인트로 작용한다. 소성로의 온도 및 골재가 체류되는 시간 등의 면밀한 조정과 상기 내용에서도 이미 언급된 바와 같이 원료의 세립화, 가압 성형(extruder), 가스 발생원 양의 조절 등의 여러 인자들이 제품 비중의 적절한 저하를 위하여 필요하다.

본 발명에서는 상기 인자들 중에서 원료 입도의 세립화에 중점을 둔 것이다. 전술한 바대로 소성시 미립 원료의 효과는 소결 물성의 향상(골재 비중 저하 및 높은 파괴 강도 등)에 매우 큰 영향을 미친다.

원료 입자 크기가 작으면 구상 성형시 팬 그래뉼레이터를 사용한 방식을 채택해도 큰 무리가 없다. 그러나 입자 크기가 크면 이 성형 방법은 문제점이 있다. 다시 말하면 팬 그래뉼레이터은 물 혹은 바인더 용액의 스프레이와 팬의 회전으로 원료 입자들을 응집시켜 구상 성형하는 방법인데 힘이 그다지 가해지지 않으므로 성형체의 강도가 작다. 따라서 이 성형체를 로타리 킬른에 투입하면 파괴되어 분화될 위험이 크다. 분화되면 킬른 내부에 융착이 발생되어 생산 작업성에 중대한 문제가 야기될 수 있다. 그러므로 팬 그래뉼레이터 성형 방법을 사용하기 위해서는 원료 입도가 작아야 바인더 수용액의 표면 장력으로 인한 입자 결합력이 강하게 된다.

분쇄 수단은 볼 밀(Ball Mill) 등의 밀을 사용한다. 평균 600 메쉬(약 23 미크론) 크기는 골재 소성시 일어나는 재결정화가 골재가 킬른내에 체류하는 시간 동안 충분하게 잘 이루어지도록 하기 위함이다. 전술한 바와 같이 재결정화 작용은 골재의 강도 등 물성에 큰 영향을 끼치는데 예를들면 원료 입자들 사이의 고온 소결 반응으로 매우 작은 입경의 새로운 결정이 생성되면 골재 조직이 치밀해지는데 치밀도가 클수록 세라믹의 강도가 커지며 기타 물성 역시 양호해진다는 것은 명백한 사실이다. 이러한 치밀도는 원료의 입도가 작을수록 높아진다.

제 2 단계는 원료를 일정한 양으로 계량, 혼합하는 단계이다. 본 발명에서 원료는 건식 상태 또는 습식 상태로 혼합할 수 있다. 건식 상태의 혼합은 원료를 분쇄하여 그대로 혼합하는 것이며 습식 상태의 혼합은 혼합물 전체 중량의 12-20중량%의 물에 1-2중량%의 바인더 분말을 용해시킨 수용액을 넣어 균일하게 혼합시킨다. 이 습식 상태의 혼합에서는 퍼그 밀(Pug Mill)을 사용한다.

성구용 바인더(Binder)로는 칼슘 리그노 설포네이트를 사용한다. 일반적으로 인공 경량 골재의 성구용 바인더에는 펄프 폐액 혹은 설탕 폐액을 사용하며, 펄프 폐액의 주성분은 리그닌이며 몰라세스(Mollases)라고도 하며, 설탕 폐액의 주성분은 당분이다. 본 발명에서는 소수성인 리그닌에 친수성인 황산을 가한 후 Ca 혹은 Na로 안정화시킨 물질로서 물에 용해되어 다음과 같이 해리된다.

RSO₃Me → RSO₃ ^-+ Me+ (Me = Ca 혹은 Na, R = 리그닌)

상기식에서 결합제 구실을 하는 것은 표면에 흡착된 RSO₃ ^-이온에서 분자쇄 길이가 긴 R 즉 리그닌 분자들이 서로 엉켜 결합력이 발생하기 때문이다. 이때 R은 입자 표면에 흡착되어 있으며 SO₃ ^-은 물분자를 향한 방향으로 배열되어 있다. 따라서 이들 이온이 흡착된 입자들 사이의 척력이 발생되어 결합시키고자 하는 광물 입자들을 잘 분산시킬 수 있으며 또 결합제의 근본 기능인 표면 적심(wetting) 작용도 원활히 할 수 있는 장점이 있다.

한편, 설탕 폐액은 사탕수수에서 설탕 원료를 추출하고 남은 흑색의 고점성 액체로 사료 혹은 비료 등에 결합제로 사용되나, 본 발명에서는 이전에 언급한 바와 같이 칼슘 리그노 설포네이트를 사용하나, Na형 리그노 설포네이트는 골재 소결시 융착 등의 문제를 야기시키므로 사용할 수 없다.

제 3 단계는 상기의 혼합된 원료를 구상으로 성형하는 공정이다. 구상 성형 설비는 팬 그래뉼레이터, 드럼 등이 사용되고 단독 또는 두가지를 모두 병용하여 성구하는데 성구 강도의 증강을 위해서는 두가지 병행하여 사용함이 좋다. 팬 그래뉼레이터 방법은 접시형의 판이 돌아가면서 원료와 바인더 수용액을 일정한 양으로 적하시켜 입자들을 응집 구상화하는 장치이다.

상구시에 제 2 단계의 혼합 과정에서 원료 혼합물이 건식 상태로 혼합된 경우에는 칼슘 리그노 설포네이트를 원료 혼합물의 전체 중량에 대해 1-2중량%를 물 15-25중량%에 용해시킨 수용액을 원료 혼합물에 스프레이를 사용하여 도포한다.

또한 원료 혼합물이 퍼그 밀로 사전에 혼합한 습한 상태일 경우는 원료 전체의 건조 중량에 대한 3-5중량%의 물만을 스프레이한다.

팬 그래뉼레이터 방법은 접시형 판의 rpm과 경사, DIP의 높이 등으로 입도를 조절한다. 이 방법의 단점은 성구 강도가 약하고 원료가 건식인 경우가 많으므로 먼지가 다량 발생하는 점이다. 그러므로 팬 그래뉼레이터 후에 드럼으로 재차 회전시켜 성구 강도의 증강을 도모한다. 드럼은 후술한 골재 융착 방지를 위한 내화 분말 코팅용으로 사용하기도 한다. 그러나, 본 발명에 있어서는 설비 단순화를 위하여 팬 그래뉼레이터만을 사용한다.

본 발명의 제조방법에서 제 4 단계는 구상으로 성형된 골재의 표면에 내화 분말로 코팅을 하는 공정이다. 코팅의 목적은 골재가 킬른 내부에서 융착되는 것을 방지하기 위해서이다. 코팅제로는 대부분 내화 점토, 플라이 애쉬, 규사 미분 등이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 규사 미분을 사용하여 팬 그래뉼레이터로 코팅한다. 이 때 규사 미분의 코팅 두께는 50㎛이다. 이 경우가 가장 바람직하며 이 때 열전달이 용이하여 소결되기 쉽고 킬른내에서 골재 융착이 발생하지 않는다.

본 발명의 제조방법에서 제 5 단계는 건조, 예열, 소성 단계는 상기 성구체를 로타리 킬른 내부에서 건조시키면서 850℃에서 10-45분, 바람직하게는 20-30분 동안 예열 후 1250℃ 이하, 바람직하게는 1200℃에서 30분 이내, 바람직하게는 10분간 소성하는 공정이다. 이 공정 중 특히 예열 공정은 제조 원가 등 경제면에서 뿐만 아니라 골재의 품질면에서 중요하다. 즉 인공 경량 골재는 열로 인한 분해와 팽창, 재결정화를 이용한 소재이므로 골재 내부에서의 열 흐름을 적정한 온도와 시간을 부여하여 제어할 필요가 있다. 예열 공정이 없으면 골재 중심부의 온도가 소결에 필요한 온도에 다다르지 못한 채 냉각 배출될 위험성이 있으며 또 급격한 온도 상승으로 인한 가스 분해로 불규칙하고 큰 기공이 형성되어 강도 등 골재의 품질에 악영향을 줄 가능성이 높아진다. 적절한 예열 효과는 최고 온도에서 다량의 가스 발생을 억제하는 효과와 재결정화에 필요한 시간의 제공 등의 효과가 있다.

한편, 성구체의 강도를 더욱 더 보강시키기 우해서는 성구에 필요한 바인더 수용액 또는 물의 양의 80% 가량을 퍼그 밀(Pug Mill) 등으로 혼련 후 팬 그래뉼레이터하는 방법을 채태할 수 있다.

상기 내용 중 성구에 필요한 바인더 수용액 또는 물의 양은 원료의 종류에 따라 다소 차이가 있지만 골재 원료 혼합물에 대해 대개 15-25중량%의 수준이다.

수용액 또는 물의 양은 적으면 적을수록 골재 제조 원가 측면에서 유리하다. 왜냐하면 성형체가 소결 전 건조되어야 하는데 물같은 액상 물질이 많을수록 건조에 필요한 연료 비용이 많이 소요되기 때문이다.

입도가 작으면 작을수록 성구에 필요한 바인더 수용액 또는 물의 양은 적어지게 되므로 건조 비용도 적어지게 되고 또 소성시 소요되는 연료의 양도 높은 소결 특성으로 인해 적게 된다. 따라서 원료 입도의 세립은 건조 및 소성 비용의 절감으로 인한 경제적 효과도 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하고자 하나, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

다음 실시예에서 인공 경량 골재의 원료로서 사용된 규사 미분, 탄질 세일, 카리 장석, 점토 및 산화철의 성분과 물성치는 다음과 같다.

1) 규사 미분

규사는 경기도 가평 지역 광산에서 부산되는 것으로 규사를 유리용 입도 및 성분으로 정제한 후 버려지는 산물을 원료로 사용하였다. 이 산물의 평균적인 물리화학적 조성은 다음 표 1에 제시된다.

[표 1]

성분 조성

2) 탄질 세일

탄질 세일은 강원도 영월 근방의 노천 광산에서 채광된 것으로 평균적인 물리화학적 성상은 다음 표 2에 제시된다.

[표 2]

성분 조성

3) 카리 장석

카리 장석은 충북 옥천 부근 광산에서 채광된 것을 사용하였다. 장석 역시 규사와 마찬가지로 유리 원료 등으로 정제한 후 버려지는 산물을 사용하였으며 물리화학적 성상은 다음 표 3에 제시된다.

[표 3]

성분 조성

4) 점토

점토는 충남 예산 지방에서 채취된 고령토 계열로서 결정상이 할로이사이트가 카올리나이트 보다 많고 가소성을 보유하기 위해 논 혹은 밭에서 오랜 시간동안 숙성된 것을 사용하였다. 물리화학적 성상은 다음 표 4에 제시된다.

[표 4]

성분 조성

5) 산화철

본 발명에서 사용한 산화철은 무기 안료용으로 제조된 것을 사용하였으며 이외에도 제철소 등에서 부산되는 철 산화물(일종의 녹)을 분쇄하여 사용하기도 한다. 이 산화철은 순도가 99% 이상이고 평균 입경이 5 미크론 이하인 것을 사용한다.

실시예 1

규사 미분 50중량%, 탄질 세일 10중량%, 카리 장석 15중량%, 점토 15중량% 및 산화철 10중량%를 분쇄기에서 각각 평균 600 메쉬로 분쇄한 후 혼합하고 팬 그래뉼레이터에서 전체 중량에 대해 칼슘 리그닌 설포네이트 1.5중량%를 물 23중량%에 용해시킨 수용액을 스프레이로 분사하면서 구상 성형한 후에 규사 미분으로 50㎛ 두께로 코팅하였다. 성형체를 건조시킨 다음, 로타리 킬른에서 850℃에서 30분 동안 체류시키고, 1200℃에서 10분간 유지하고, 냉각 배출하였다.

얻어진 골재(입경 12㎜)를 시험한 결과, 비중은 1.2이고, 흡수율은 12%이며, 파쇄하중은 100kgf/㎠이다.

실시예 2

규사 미분 55중량%, 탄질 세일 10중량%, 카리 장석 10중량%, 점토 15중량% 및 산화철 10중량%를 분쇄기에서 각각 평균 600 메쉬로 분쇄한 후 혼합하고 팬 그래뉼레이터에서 전체 중량에 대해 칼슘 리그닌 설포네이트 2중량%를 물 23중량%에 용해시킨 수용액을 스프레이로 분사하면서 구상 성형한 후에 규사 미분으로 50㎛ 두께로 코팅하였다. 성형체를 건조시킨 다음, 로타리 킬른에서 850℃에서 30분 동안 체류시키고, 1200℃에서 10분간 유지하고, 냉각 배출하였다.

얻어진 골재(입경 12㎜)를 시험한 결과, 비중은 1.3이고, 흡수율은 13%이며, 파쇄하중은 100kgf/㎠이다.

실시예 3

규사 미분 50중량%, 탄질 세일 10중량%, 카리 장석 15중량%, 점토 15중량% 및 산화철 10중량%를 분쇄기에서 각각 평균 600 메쉬로 분쇄한 후 혼합하고 퍼그 밀에서 혼합물 원료 전체 중량에 대해 칼슘 리그닌 설포네이트 1.5중량%를 물 16중량%에 용해시킨 수용액을 넣고 균일하게 혼합한 후 이 혼합물의 전체 중량에 대해 물 4중량%를 스프레이로 분사하면서 팬 그래뉼레이터에서 구상 성형한 후에 규사 미분으로 50㎛ 두께로 코팅하였다. 성형체를 건조시킨 다음, 로타리 킬른에서 850℃에서 30분 동안 체류시키고, 1200℃에서 10분간 유지하고, 냉각 배출하였다.

얻어진 골재(입경 12㎜)를 시험한 결과, 비중은 1.2이고, 흡수율은 11%이며, 파쇄하중은 115kgf/㎠이다.

비교예 1

규사 미분, 탄질 세일, 카리 장석, 점토 및 산화철을 분쇄하지 않고 원료 그대로를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 하여 골재를 제조하였다.

얻어진 골재(입경 12㎜)를 시험한 결과, 비중은 1.7이고, 흡수율은 14%이며, 파쇄하중은 60kgf/㎠이다.

비교예 2

규사 미분, 탄질 세일, 카리 장석, 점토 및 산화철을 분쇄하지 않고 원료 그대로를 사용한 것을 제외하고 실시예 2과 동일하게 하여 골재를 제조하였다.

얻어진 골재(입경 12㎜)를 시험한 결과, 비중은 0.9이고, 흡수율은 16%이며, 파쇄하중은 58kgf/㎠이다.

본 발명의 콘크리트 구조용 인공 경량 골재는 규사 광산에서 폐기되는 규사 미분 및 카리 장석 등을 원료로서 사용하므로 환경 오염의 방지 및 폐자재의 재활용 면에서 효과가 크며, 또한 이들 원료로부터 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 인공 경량 골재는 비중 및 흡수율이 작고, 파쇄하중의 효과가 크며 콘크리트 타설시 시멘트 슬러리와 골재가 분리되지 않아서 콘크리트 구조용 건축 소재로서 유용하다.

Claims (5)

1. 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법에 있어서, 규사 분물 50-55중량%, 탄질 세일 10-20중량%, 카리 장석 10-20중량%, 점토 10-20중량% 및 산화철 5-10중량%로 이루어진 골재 원료 혼합물을 평균 600 메쉬로 분쇄하고, 분쇄된 혼합물에 혼합물의 전체 중량에 대하여 칼슘 리그노 설포네이트 1-2중량%가 물 15-25중량%에 용해된 수용액을 분사하여 골재 원료 혼합물을 구상 성형시키고, 성형된 골재 성형체에 내화 분말로 코팅하고 건조시킨 다음, 850℃의 온도에서 10-45분간 예열하고, 1150℃-1250℃의 온도에서 5분-30분간 소성시키는 것으로 이루어진 비중이 1.0-1.5이고, 흡수율이 13%이내이며, 파쇄하중이 100kgf/㎠인 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 내화 분말이 내화 점토, 플라이 애쉬 및 규사 미분 중에서 선택되는 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법.
3. 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법에 있어서, 규사 분말 50-55중량%, 탄질 세일 10-20중량%, 카리 장석 10-20중량%, 점토 10-20중량% 및 산화철 5-10중량%로 이루어진 골재 원료 혼합물을 평균 600 메쉬로 분쇄하고, 분쇄된 혼합물에 혼합물의 전체 중량에 대하여 칼슘 리그노 설포네이트 1-2중량%가 물 12-20중량%에 용해된 수용액을 첨가하여 퍼그 밀에서 균일하게 혼합한 다음, 혼합물의 전체 건조 중량에 대해 물 3-5중량%를 분사하여 골재 원료 혼합물을 구상 성형시키고, 성형된 골재 성형체에 내화 분말로 코팅하고 건조시킨 다음, 850℃의 온도에서 10-45분간 예열하고, 1150℃-1250℃의 온도에서 5분-30분간 소성시키는 것으로 이루어진 비중이 1.0-1.5이고, 흡수율이 13%이내이며, 파쇄하중이 100kgf/㎠인 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 내화 분말이 내화 점토, 플라이 애쉬 및 규사 미분 중에서 선택되는 콘크리트 구조용 인공 경량 골재의 제조방법.
5. 인공 경량 골재용 조성물에 있어서, 규사 분말 50-55중량%, 탄질 세일 10-20중량%, 카리 장석 10-20중량%, 점토 10-20중량% 및 산화철 5-10중량%로 이루어진 콘크리트 구조용 인공 경량 골재 조성물.