KR20140106215A

KR20140106215A - 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20140106215A
Application number: KR20130020479A
Authority: KR
Inventors: 황규홍; 김민철; 이행련
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-09-03
Also published as: KR101451501B1

Abstract

본 발명은 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 높은 강도를 갖지만 내수성이 약해 활용이 제한되고 있는 마그네시아 시멘트의 내수성을 향상시켜 바텀애쉬 등 낮은 품질의 골재 사용에 따른 콘크리트의 강도 저하 특성을 개선하기 위한 것으로, 마그네시아시멘트의 경화유도제로 염화마그네슘(MgCl₂)의 사용을 줄이는 대신 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)의 사용량을 늘림으로써 내수성을 향상시키도록 한 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또한 석탄화력 발전소나 소각로에서 배출되는 바텀애쉬(바닥재)가 경량이지만 입도가 불균질하고 특히 미립분이 많아 골재로 활용하기가 어려운 점을 감안하여 강도가 높은 마그네시아시멘트를 인공골재의 성형에 적용하되, 경화유도제로 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)의 적용으로 내수성을 향상시킴과 동시에 흡수율을 개선하여 도로 기층포장용 골재에 활용함으로써, 현재 천연골재의 고갈에 따른 건설자재의 부족에 대처할 수 있을 뿐만 아니라, 폐기물 매립에 따른 환경오염의 방지와 폐기물을 재활용함으로써 국토의 손실과 자원의 낭비를 해소할 수 있는 효과가 있다.

Description

무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법{COMPOSITION OF ARTIFICIAL AGGREGATE AND MAKING METHOD USING INORGANIC SLUDGE PARTICLE}

본 발명은 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 매립처리되고 있는 폐콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 등 1mm 이하의 무기질 미립자를 열처리 없이 상온 경화시켜 인공골재로 제조하기 위해, 강도가 높은 마그네시아시멘트와 상기 무기질 미립자를 경화유도제로 상온경화시켜 내수성이 향상된 순환골재 수준의 도로기층 포장용 인공골재로 활용하도록 한 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 석탄 화력발전소에서 부산물로 발생되는 바텀애쉬(바닥재)는 연소로 내에서 소결에 의해 입자가 형성된 상태에서 보일러 하부로 낙하되어 고형화된 물질을 매립지까지 이송하기 위하여 분쇄기를 사용하여 25mm이하의 입도로 분쇄시킨 것이다. 이와 같이 분쇄기에 의해 파쇄된 바텀애쉬는 1∼10mm 정도의 입경 범위로 구성되며, 총 석탄회 발생량의 10∼15% 정도가 발생하지만 재활용이 어려워 석탄회 처리장(회사장)에서 주로 매립 처리되고 있다. 과거 국토의 이용률이 높았던 시기에는 상기 파쇄된 바텀애쉬의 회 처리가 다소 용이하였으나, 최근 높은 경제 성장률로 인한 급격한 공장부지의 증가와 토지비의 상승으로 발전소 설비 면적의 3∼4배를 필요로 하는 처리장(회사장)을 구하기가 상대적으로 어려워지고 있는 것이 현실이다.

따라서, 재활용률이 약 90%를 넘는 플라이애쉬의 경우와 같이 바텀애쉬의 활용방안에 대해서도 연구소나 학계에서 꾸준한 연구를 수행할 필요성이 제기되고 있다. 이러한 바텀애쉬를 골재로 사용한 예는 입도분리를 통해 자연산 및 인공골재의 일부를 대체하거나(한국 공개특허공보 공개번호 10-1997-074706호), 열병합 발전소의 바텀애쉬를 경량건자재의 제조에 일부 사용한 것(한국 공개특허공개 공개번호 10-1997-061815호)과, 플라이애쉬, 석고, 탄산칼슘 및 석회 등과 혼합하여 고압으로 압출하여 벽돌제품을 생산(미국 등록특허 등록번호 5,358,760)하는 등의 예가 있었다.

그러나 대부분의 바텀애쉬는 1mm 이하의 미립분이 20∼40% 이상이 되는 등 골재로써의 품질이 낮아 발전소 주변의 노반 성토재로써 소량 사용되는 외에는 거의 대부분이 발전소 주변 처리장(회사장)에 단순 폐기 매립되거나, 내륙 또는 해안 매립지에 천연골재와 혼합하여 매립되는 실정에 있다. 따라서 회 처리장 용지확보의 어려움은 물론이고, 환경오염의 문제를 야기하는 바텀애쉬나 폐콘크리트 슬러지 등에 대한 처리가 문제로 되고 있다.

또한 일반적인 콘크리트는 시멘트, 골재(조골재, 세골재), 물 및 혼화재를 사용하여 표준 시방서의 배합에 따라 제조한다. 이러한 콘크리트에서 사용되는 골재는 천연의 골재를 분급하여 사용하는데, 천연골재의 국내 생산이 감소함에 따라 석산골재와 같이 주로 암석을 분쇄하여 사용하지만 석산골재도 환경훼손이라는 점에서 그 개발이 점차 어려워지고 있는 실정에 있다.

본 출원인도 이러한 천연골재의 부족 문제를 해결하기 위하여 바텀애쉬를 사용한 고강도 콘크리트 조성물에 관한 방안을 특허출원하여 특허등록(등록번호 제10-1222212호)된바 있다. 상기 특허등록된 공보에 제시된 기술은 콘크리트 혼합물 1㎥의 단위중량 중 바텀애쉬를 전처리 없이 65∼85중량% 사용하고, 일반 포틀랜드시멘트를 15∼35중량% 사용하는 것을 기본 조성으로 하되, 물/시멘트 비가 40∼60%의 범위에서 습식혼합할때 바텀애쉬 내의 미립자가 응집되어 강도가 향상되도록 하기 위하여, 수성 에멀젼 유화제를 보조결합제로 첨가하는 바텀애쉬 콘크리트 조성물에 대한 것이다.

상기 공보에 개시된 바와 같은 바텀애쉬를 사용한 콘크리트 조성물의 경우, 매립처리되기 전의 바텀애쉬를 미리 분급하여 입도분포를 조정하는 경우 품질은 높지 않지만 그 실효성이 있다. 그러나 분급처리하는 경우 활용이 더 어려운 1mm 이하의 슬러지 미립자가 30% 이상 발생하므로 매립량은 줄겠지만 미립자가 많아 연약 지반화 되는 등의 문제가 있다.

한국 등록특허공보 제10-0860542호 한국 등록특허공보 제10-1187409호

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 점차 고갈되어 가고 있는 천연 또는 석산 골재를 대체하는 방안의 일환으로써, 폐콘크리트 처리 과정에서 발생하는 슬러지나 석탄화력 발전소에서 석탄을 연소시킨 후 발생하는 회분 중 노벽이나 과열기 및 예열기 등에 부착되어 자중에 의해 보일러 바닥에 떨어지는 바텀애쉬(bottom ash) 슬러지 등을 매립처리하는 대신에, 경화유도체에 의해 마그네시아시멘트와 함께 경화시켜 인공골재로 재활용하도록 하되, 특히 바텀애쉬를 콘크리트 배합용 인공골재로 만들어 발전소 주변에 폐기, 매립되어 있는 자원을 재활용하고, 천연골재의 사용을 경감시킬 수 있는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

즉 본 발명은 폐콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 슬러지를 분급처리하여 재활용하는 과정에서 남는 미립자 슬러지를 고가의 열처리 대신 상온에서 시멘트 결합시켜 인공골재(굵은 골재 또는 잔골재)로 재활용하기 위한 것으로, 저비용으로 종래의 순환골재와 동일하거나 보다 품질이 좋은 골재 제품을 생산할 수 있는 바텀애쉬 등 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 매립되어 있는 바텀애쉬를 도로기층 포장용 골재로 대량 사용하여 환경문제가 심화되고 있는 매립지 문제를 해결함으로써 화력발전에 의한 전기 생산이 원활하게 이루어지도록 한 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 강도는 높으나 내수성이 약한 마그네시아시멘트의 내수성을 향상시키도록 경화유도체로 사용되는 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂) 중에서 상기 염화마그네슘(MgCl₂)의 일부를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 대체하여 사용하도록 한 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

즉 무기질 슬러지 미립자를 시멘트 결합시킬 때 일반 포틀랜드시멘트로는 요구되는 골재강도(800∼1500㎏/㎠)의 달성이 어려우므로 고강도가 가능한 마그네시아시멘트를 적용하되, 그 내수성이 낮은 문제를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP) 등 인삼염 첨가물을 이용하여 향상시켜 인공골재의 경화시간을 단축시킬 수 있는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물은, 50∼80중량%의 무기질 슬러지 미립자, 20∼50중량%의 마그네시아시멘트를 기본 조성으로 하되, 물/시멘트 비가 40∼90%의 범위에서 습식혼합할 때 상기 슬러지 내의 무기질 미립자가 응집되어 강도가 향상되도록 하기 위해, 경화유도체로써 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)를 4~6:1로 한 마그네시아시멘트를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 상기 무기질 미립자는 폐콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 슬러지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 50∼80중량% 함유하는 것이 바람직하며, 상기 인공골재 조성물은 메타카올린, 플라이애쉬, 실리카 흄 중의 하나 이상을 마그네시아시멘트 중량비의 0∼25중량%로 치환하여 시멘트 사용량을 저감시키도록 하는 것이 바람직하다.

또, 마그네시아시멘트의 내수성 향상을 위해 염화마그네슘(MgCl₂)의 40∼60%를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하여 사용하는 것이 바람직하다.

또, 무기질 슬러지 미립자와 혼련하여 인공골재를 형성하는 마그네시아시멘트에 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂) 및 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 혼합하여 인공골재를 형성하거나, 무기질 슬러지 미립자와 혼련하여 인공골재를 형성하는 마그네시아시멘트에 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)를 먼저 혼합하여 골재를 형성하고, 상기 골재를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)과 혼합하여 인공골재를 형성하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재의 제조방법에 있어서, 무기질 슬러지 미립자를 포함하는 인공골재 조성물을 구형의 형상으로 성형하기 위해, 일정 각도로 기울어진 과립기 내에 혼합수를 미립으로 분사하여, 상기 회전용기 내의 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트가 혼련되어 눈덩어리가 뭉쳐지듯이 구형 입자로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 무기질 슬러지 미립자를 포함하는 인공골재 조성물을 구형의 형상으로 성형하기 위해, 상기 인공골재를 성형할 때 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트및 혼합수가 습식혼합되어 형성된 페이스트를 압출한 후, 상기 압출에 의한 압출물을 절단하고, 절단된 다수의 압출물을 회전용기에서 계속 회전시켜 구형으로 성형하는 것이 바람직하다.

또, 공업용 간수(MgCl₂)의 40∼60%를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하여 사용할 때, 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트의 혼련 단계에서 치환하여 사용하지 않고, 상기 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트를 혼련하여 골재를 성형하는 단계에서는 슬럼프의 강도를 높이기 위해 상기 공업용 간수(MgCl₂)만 사용하여 골재의 강도를 높이고 흡수율을 낮춘 다음, 성형된 상기 골재를 바로 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)이 혼합된 수용액에 떨어뜨려 상기 골재의 표면부터 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 흡수시켜 강도와 내수성을 동시에 향상시킨 인공골재를 성형하는 것이 바람직하다.

본 발명의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 의하면, 석탄화력 발전소의 회 처리장에 약 1000만톤 이상이 매립되어 있는 바텀애쉬를 슬러지로 사용하여 인공골재를 대량 생산함으로써 폐기물을 재활용하는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 따른 바텀애쉬 슬러지를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조 방법에 의하면, 바텀애쉬 미립자를 사용함으로써 고갈되어 가는 천연 골재를 대체할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명에 따른 바텀애쉬 슬러지를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조 방법에 의하면, MgCl₂/MAP(NH₄H₂PO₄)비율을 제어함으로써, 인공골재의 물성을 향상시킬 수 있으며, 혼화재 첨가에 의해 인공골재 수요자의 요구에 따르는 색감 및 물성을 갖는 인공골재 제품을 공급할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명에 따른 바텀애쉬 슬러지를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조 방법에 의하면, 물에 미리 경화유도제로 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)를 혼합하여 일차 제조된 골재에 침적시킴으로써 치밀화와 동시에 압축강도를 향상시키고 인공골재의 응고시간을 단축시킬 수 있는 효과도 있다.

도 1은 세골재로 분급된 바텀애쉬의 입도분포 그래프
도 2는 본 발명에 따른 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물을 혼련하여 제조하는 과립기의 정면도 및 측면도

이하, 본 발명에 따른 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명은 석탄화력 발전소 회 처리장에 매립되어 있는 바텀애쉬 슬러지나 이를 성토재 등으로 재활용하기 위해 분급처리할 때 발생하는 미립자 슬러지를 인공골재용 원료로 사용할 때, 바텀애쉬 슬러지와 마그네시아시멘트에 공업용 간수(MgCl₂)를 섞은 혼합수를 혼합하여 제조한 후, 이를 인산염 처리하여 내수성을 향상시키는 방법으로 인공골재를 조성물을 구성하도록 한다.

이러한 본 발명의 인공골재에 사용된 바텀애쉬 등의 슬러지 및 혼화재의 물리적 특성을 요약하면 다음의 표 1과 같다. 매립되어 있는 바텀애쉬의 입도분포를 첨부한 도 1에 도시하였는데, 일반 자연사(모래)에 비해 특히 1mm 이하의 미립분이 너무 많아 그대로는 일반 콘크리트로 사용이 어려워 이러한 과한 미립분을 고려한 특별한 활용설계가 필요함을 알 수 있다.

인공골재용 슬러지 및 혼화재의 물리적 성질.

성분명	비중 (g/㎤)	흡수율(%)	분말도 (㎠/g)
석산골재	2.57	1.43	-
바텀애쉬	2.03	8.12	-
폐콘크리트슬러지	2.57	-	-
플라이애시	2.65	-	4,830
메타카올린	2.83	-	5,580
실리카흄	2.16	-	200,000

다음의 표 2는 바텀애쉬와 석산골재의 화학성분을 나타낸 것으로 화학성분상에 골재나 콘크리트에 유해한 성분이 포함되어 있지 않으며, 플라이애쉬의 경우와 매우 유사한 결과를 나타내었다. 이는 바텀애쉬의 주성분이 5∼7% 함유된 미연탄분과 함께 플라이애쉬와 마찬가지로 주로 Al₂O₃ 와 SiO₂로 이루어져 있음을 나타낸다.

콘크리트용 골재 및 혼화재의 화학 성분

성분명	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	SO₃	불순물
석산골재	55.90	17.31	8.72	6.80	4.83	5.01	-	3.30
바텀애쉬	48.20	22.90	14.77	7.63	1.60	0.35	0.50	6.50
폐콘크리트 슬러지	27.63	22.5	0.62	42.53	6.5	-	0.6	34.5
플라이애쉬	57.47	24.16	7.58	4.32	1.21	1.21	3.16	-
활성고령토	32.26	16.57	4.11	0.63	5.47	-	0.53	-

즉, 본 발명자들이 물리, 화학적 분석을 통해 바텀애쉬를 평가하여 본 결과, 성분면에서 건설재료로 활용하는데 무리가 없는 것이 확인되었다. 다만 그림 1에서 볼 수 있듯이 일반 자연사(모래)에 비해 특히 1mm 이하의 미립분이 너무 많아 이를 고려한 활용설계가 필요함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 처리장(회사장)에 매립되어 있는 바텀애쉬 슬러지나 폐콘크리트 슬러지 등의 미립 슬러지를 사용하여 상온에서 구형으로 경화시킴으로써 이를 범용 콘크리트의 인공골재로 사용하는 것이 경제성 면에서 제일 활용가능성이 크다고 판단하였다.

먼저 다음의 표 3과 같이 240Kgf/㎠ 기준의 압축강도를 갖는 일반 시멘트 모르타르 공시체를 제조하여 바텀애쉬가 천연모래를 어느 정도로 대체 가능한지를 검토하고자 하였다. 경화유도제의 강도발현을 위한 수경성 주결합재로는 밀도 3.15(kg/㎥)의 1종 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며 물/시멘트비(W/C)는 슬럼프 12㎝를 기준으로 40∼60% 범위로 조절하였다. 혼화재로는 모르타르의 유동성을 확보하기 위하여 (주)금륜의 나프탈렌계 고성능 감수제를 사용하였다.

이로부터 바텀애쉬의 경우 천연모래에 비해서는 강도가 많이 저하되고, 특히 바텀애쉬를 분급처리하여 1mm 이하의 미분만을 사용할 경우 강도발현을 기대할 수 없어 인공골재로써의 강도 특성을 발휘할 수 없었다.

바텀애쉬 모르타르 공시체의 강도 비교

NO	바텀애쉬(kg)	시멘트 (kg)	물 (kg)	C/(S+a)	W/C (%)	압축강도 7일(kg/㎠)	비 고
3-1	1246	350	246	0.281	45%	166.9	P.C.,　강모래
3-2	1246	350	246	0.281	70%	84.6	P.C.,　분급 바텀애쉬
3-3	1235	350	210	0.283	90%	60.5	P.C., 1mm 이하의 바텀애쉬
3-4	1247	350	176	0.281	80%	281.5	M.C., 1mm 이하의 바텀애쉬
3-5	1245	350	140	0.281	90%	212.7	M.C./MAP,　1mm 이하의 바텀애쉬

반면 경소 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)을 4~6:1로 사용하는 마그네시아시멘트를 사용하는 경우 높은 강도를 보여주어 골재나 콘크리트로써의 사용 가능성을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 마그네시아시멘트로 결합되는 콘크리트는 물에 담글 경우 3일 정도 지나면 형체를 잃어 이의 내수성을 개선하지 않으면 실제로는 사용이 어렵다. 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂) 대신 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 경화유도제로 사용하는 경우 내수성은 향상되나 슬럼프가 낮아져 물/시멘트비가 높아지고 강도가 약간 저하되는 문제가 있다. 따라서 염화마그네슘(MgCl₂)과 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 40∼60% 범위로 섞어 사용하면 표 3의 3-4번 시편에서 보듯이 내수성이 개선되었으면서도 강도가 높아 인공골재로 사용하기에 충분한 특성을 발휘하는 것으로 나타났다. 그 결과 바텀애쉬에 마그네시아시멘트를 최소 25% 첨가할 때 21MPa 이상의 강도를 나타내었다.

따라서 본 발명의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재의 조성물은 폐콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 슬러지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 50∼80중량% 함유한 무기질 슬러지 미립자, 20∼50중량%의 마그네시아시멘트를 기본 조성으로 인공골재를 구성하되, 물/시멘트 비가 40∼90%의 범위에서 습식혼합할 때 상기 슬러지 내의 무기질 미립자가 응집되어 강도가 향상되도록 하기 위해서, 경화유도체로써 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)을 4~6:1로 함께 혼합한 마그네시아시멘트를 사용하게 된다.

이러한 본 발명의 인공골재 조성물은 메타카올린, 플라이애쉬, 실리카 흄 중의 하나 이상을 마그네시아시멘트 중량비의 0∼25중량%로 치환하여 사용함으로써, 인공골재의 색감을 조절하고 강도를 향상시키면서 시멘트 사용량도 저감시키도록 한다.

또한 내수성이 약한 특징이 있는 마그네시아시멘트의 내수성의 향상을 위해 염화마그네슘(MgCl₂)의 40∼60%를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하여 사용하는 것이 바람직하며, 상기 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하여 사용할 때에는 무기질 슬러지 미립자와 혼련하여 인공골재를 형성하는 마그네시아시멘트에 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂) 및 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 혼합하여 인공골재를 형성하거나, 무기질 슬러지 미립자와 혼련하여 인공골재를 형성하는 마그네시아시멘트에 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)를 먼저 혼합하여 골재를 형성하고, 상기 골재를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)과 혼합하여 인공골재를 형성할 수도 있다.

다음은 상기한 바와 같이 조성되는 인공골재 조성물을 제조하는 제조방법을 설명하도록 한다.

폐콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 슬러지 중에서 선택되는 하나 이상의 무기질 슬러지 미립자를 포함하는 인공골재 조성물을 구형의 형상으로 성형하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같이, 일정 각도로 기울어져 회전하는 과립기(3)의 회전용기(1) 내에 콘크리트 강화제와 물이 혼합된 혼합수를 미립으로 분사하여, 상기 회전용기(1) 내의 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트가 혼련되어 눈덩어리가 뭉쳐지듯이 구형 입자(2)로 형성되도록 함으로써 본 발명의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재를 제조하도록 한다. 즉 마그네시아시멘트와 함께 혼합수를 분사하여 습해진 폐콘크리 슬러지나 바텀애쉬 슬러지 미립자에 회전 운동을 가하여 전동에 의한 치밀한 구형 입자로 성형하여 인공골재를 제조하게 된다.

다른 방법으로 폐콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 슬러지 중에서 선택되는 하나 이상의 무기질 슬러지 미립자를 포함하는 인공골재 조성물을 구형의 형상으로 성형하기 위해, 상기 인공골재를 성형할 때 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트및 혼합수가 습식혼합되어 형성된 페이스트를 압출한 후, 상기 압출에 의한 압출물을 절단하고, 절단된 다수의 압출물을 회전용기에서 계속 회전시켜 구형으로 성형하여 인공골재를 제조하게 된다.

한편, 상기한 인공골재의 제조방법에 있어서, 내수성을 향상을 위해 공업용 간수(MgCl₂)의 40∼60%를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하여 사용할 때, 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트의 혼련 단계에서 치환하여 사용하지 않는 방법도 있다. 즉 상기 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트를 혼련하여 골재를 성형하는 단계에서는 슬럼프의 강도를 높이기 위해 상기 공업용 간수(MgCl₂)만 사용하여 골재의 강도를 높이고 흡수율을 낮춘 다음, 성형된 상기 골재를 바로 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)이 혼합된 수용액에 떨어뜨려 상기 골재의 표면부터 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 흡수시켜 강도와 내수성을 동시에 향상시킨 인공골재를 제조할 수도 있다.

이하 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 상세히 설명하도록 한다.

비교예 1

일반 모르타르의 성형은 일반 세골재(강모래)와 포틀랜드 시멘트를 먼저 상기한 표 3의 조성에 맞게 칭량하여 건식으로 혼합한 다음, 물/시멘트비 40%에 맞춰 물을 첨가한 다음 습식으로 혼련한 후 공시체를 제조하였다. 양생은 공기 중에서 24시간 행하였으며 탈형 후 온도가 조절된 저수조에 담가 7일 후 압축강도를 측정하였다. 이를 시편 3-1로 하여 다른 시험의 기준으로 하였다.

비교예 2

분급처리를 하지 않은 매립되어 있는 바텀애쉬 자체를 통상 세골재로 사용하는 강모래 전부의 중량%로 치환한 공시체를 제조하였다(시편 3-2). 이 경우 일반 강모래를 사용한 공시체(시편 3-1)에 비해 강도가 51% 정도로 크게 저하됨을 알 수 있다. 이는 바텀애쉬가 미분을 많이 함유하여 시멘트 결합이 충분하지 못하기 때문이다.

비교예 3

분급처리된 바텀애쉬의 경우 매립 성토재 등의 재활용처가 있기 때문에 분급처리에 의해 발생하는 1mm 이하의 바텀애쉬 슬러지를 세골재로 사용하여 공시체를 제작하였다. 이 경우 시편 3-3에서 보듯이 강도가 크게 감소하여 성형체로써 사용할 수 없는 정도이었다. 이는 미분의 바텀애쉬 슬러지의 표면적이 너무 커서 일반 포틀랜드시멘트로는 경화시키기가 어렵기 때문으로 생각된다.

실시예 1

바텀애쉬 슬러지 모르타르의 강도 저하를 마그네시아시멘트의 적용으로 상쇄시켜 보고자 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)을 5:1로 사용하는 마그네시아시멘트를 경화유도제(고화제)로 사용하여 보았을 때, 시편 3-4에서 보듯이 일반 모르타르의 강도 이상으로 증진시킬 수 있었다. 그러나 이 모르타르 공시체를 물에 담그는 경우 3일 정도 지나면 형체를 잃어 모르타르나 골재, 콘크리트 등으로는 사용하기가 어려웠지만 특별히 내수성이 필요치 않은 골재로써는 사용할 수 있다.

실시예 2

경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)와 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)를 5:1로 사용하는 마그네시아시멘트의 내수성을 향상시키기 위하여 상기 염화마그네슘((MgCl₂) 대신 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 사용하면 내수성은 향상되지만, 슬럼프가 낮아 물이 많이 필요하여 강도가 낮아지므로 염화마그네슘(MgCl₂)의 50%를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하면 시편 3-5에서 보듯이 강도의 큰 저하없이 내수성이 향상되어 7일 수중처리 후에도 강도저하가 일어나지 않았다.

실시예 3

마그네시아시멘트의 내수성을 향상시키기 위하여 염화마그네슘((MgCl₂)을 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하는 경우 낮은 슬럼프 때문에 혼합수가 많이 사용되고, 그에 따라 흡수율이 30%를 넘는 인공골재가 얻어지므로 먼저 산화마그네슘(MgO)과 염화마그네슘((MgCl₂) 만으로 인공골재를 먼저 성형하여 흡수율 7% 이하의 구형골재로 성형한 다음, 이를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP) 수용액에 떨어뜨려 구형골재 표면으로부터 내부로 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)이 침투되어 물속에서도 붕괴되지 않는 인공골재를 제조하였다.

실시예 4

메타카올린 혼화재를 병용하는 경우 5∼10%의 혼입량으로도 강도를 크게 증가시킬 수 있었으며, 상기 매타카올린의 황토색에 의해 인공골재의 색감을 검은 색에서 황토색으로 색감을 조절할 수 있다.

실시예 5

상기 실시예 3에서 제조된 인공골재를 강모래 대신 사용하여 레미콘 공시체를 제조하는 경우 210㎏/㎠ 이상의 고강도 콘크리트를 제조할 수 있어 건축용으로는 부족하지만, 호안블록이나 보도블록 등의 사용에는 큰 무리가 없음을 알 수 있다.

본 발명의 콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물은 상기한 비교예 1 내지 3과 비교되는 실시예 1 내지 5의 인공골재 시편에서 알 수 있듯이, 일반 순환골재를 사용한 콘크리트와 비교하여 그 성능의 차이가 크게 없고, 단위 부피당의 무게가 자연산 골재보다 가벼우므로 도로포장재나, 바이오블록, 건물의 바닥재 콘크리트 등으로 사용하면 상대적인 하중의 경감을 얻을 수 있는 이점이 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 회전용기 2 : 구형 입자
3 : 과립기

Claims

50∼80중량%의 무기질 슬러지 미립자, 20∼50중량%의 마그네시아시멘트를 기본 조성으로 하되, 물/시멘트 비가 40∼90%의 범위에서 습식혼합할 때 상기 슬러지 내의 무기질 미립자가 응집되어 강도가 향상되도록 하기 위해, 경화유도체로써 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)를 4~6:1로 한 마그네시아시멘트를 사용하는 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 무기질 미립자는 폐콘크리트 슬러지나 바텀애쉬 슬러지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 50∼80중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물.
제1항에 있어서,
상기 인공골재 조성물은 메타카올린, 플라이애쉬, 실리카 흄 중의 하나 이상을 마그네시아시멘트 중량비의 0∼25중량%로 치환하여 시멘트 사용량을 저감시키도록 한 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물.
제1항에 있어서,
마그네시아시멘트의 내수성 향상을 위해 염화마그네슘(MgCl₂)의 40∼60%를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하여 사용하는 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물.
제4항에 있어서,
무기질 슬러지 미립자와 혼련하여 인공골재를 형성하는 마그네시아시멘트에 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂) 및 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 혼합하여 인공골재를 형성한 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물.
제4항에 있어서,
무기질 슬러지 미립자와 혼련하여 인공골재를 형성하는 마그네시아시멘트에 경소(輕燒) 산화마그네슘(MgO)과 공업용 간수인 염화마그네슘(MgCl₂)를 먼저 혼합하여 골재를 형성하고, 상기 골재를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)과 혼합하여 인공골재를 형성한 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재 조성물.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재의 제조방법에 있어서,
무기질 슬러지 미립자를 포함하는 인공골재 조성물을 구형의 형상으로 성형하기 위해, 일정 각도로 기울어진 과립기 내에 혼합수를 미립으로 분사하여, 상기 회전용기 내의 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트가 혼련되어 눈덩어리가 뭉쳐지듯이 구형 입자로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재의 제조방법에 있어서,
무기질 슬러지 미립자를 포함하는 인공골재 조성물을 구형의 형상으로 성형하기 위해, 상기 인공골재를 성형할 때 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트및 혼합수가 습식혼합되어 형성된 페이스트를 압출한 후, 상기 압출에 의한 압출물을 절단하고, 절단된 다수의 압출물을 회전용기에서 계속 회전시켜 구형으로 성형하는 것을 특징으로 하는 무기질 미립자를 이용한 인공골재의 제조방법.
상기 제6항의 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재의 제조방법에 있어서,
공업용 간수(MgCl₂)의 40∼60%를 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)으로 치환하여 사용할 때, 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트의 혼련 단계에서 치환하여 사용하지 않고, 상기 무기질 슬러지 미립자와 마그네시아시멘트를 혼련하여 골재를 성형하는 단계에서는 슬럼프의 강도를 높이기 위해 상기 공업용 간수(MgCl₂)만 사용하여 골재의 강도를 높이고 흡수율을 낮춘 다음, 성형된 상기 골재를 바로 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)이 혼합된 수용액에 떨어뜨려 상기 골재의 표면부터 암모늄인산염(NH₄H₂PO₄:MAP)을 흡수시켜 강도와 내수성을 동시에 향상시킨 인공골재를 성형하는 것을 특징으로 하는 무기질 슬러지 미립자를 이용한 인공골재의 제조방법.