KR20170104701A - 연약지반 개량용 결합재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연약지반 개량 공사시 일반적으로 사용되는 보통포틀랜드 시멘트의 사용량을 최소화할 수 있으며, 고로슬래그와 스테인레스 정련슬래그, 순환유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 활용한 환경 친화적인 건설재료개발로 자원순환을 극대화할 뿐만 아니라, 보통포틀랜드 시멘트와 동등 이상 성능을 발현할 수 있는 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연약지반 개량용 결합재 조성물은 고로 슬래그 100중량부에 대하여, 스테인레스 정련슬래그 5~500중량부와, 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재 5~500중량부를 포함한다.

Description

연약지반 개량용 결합재 조성물{BINDER COMPOSITION AGENT}

본 발명은 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연약지반 개량 공사시 일반적으로 사용되는 보통포틀랜드 시멘트의 사용량을 최소화할 수 있으며, 고로슬래그와 스테인레스 정련슬래그, 순환유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재를 활용한 환경 친화적인 건설재료개발로 자원순환을 극대화할 뿐만 아니라, 보통포틀랜드 시멘트와 동등 이상 성능을 발현할 수 있는 연약지반 개량용 결합재 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 연약지반 개량용 재료로 보통포틀랜드 시멘트가 사용되는데, 보통포틀랜드 시멘트는 토질의 영향을 많이 받으며, 특히 유기질이 많은 토질에서는 시멘트의 응결 지연현상이 나타나는 경우가 있으며, 지반의 강알칼리 및 6가 크롬에 의한 환경오염을 유발할 수 있고 수화반응 진행 시 과도한 체적 수축이 발생하는 문제점을 내포하고 있다. 이를 해결하기 위해 과다한 양의 시멘트를 사용하게되면 경제적인 손실과 토양오염에 대한 우려가 있다.

특히 시멘트는 6가 크롬을 함유할 수밖에 없는데 그 이유는 시멘트 킬른의 온도가 낮은 로의 앞부분에는 내화 점토질 벽돌이 사용되며, 온도가 높고 클링커의 마찰에 의한 마모와 반용융 상태의 클링커와 화학반응이 이루어지는 부분에는 마그네시아와 크롬이 함유된 마그-크롬질 벽돌이 사용되고 있다. 이 과정에서 마그-크롬질 내화벽돌에 함유된 크롬이 클링커가 생성되는 과정 중에 함유되는 것으로 알려지고 있다.

또한, 온실가스의 55%를 차지하는 CO₂의 배출량 중 약 8%는 시멘트 제조 분야에서 배출되는 것으로 집계되고 있다. 보통포틀랜드 시멘트는 고온(1,450℃)상태에서 용융시켜야만 생산할 수 있기에 대량의 에너지를 소비할 뿐만 아니라 1톤의 시멘트를 제조하는 경우 약 0.9톤의 이산화탄소가 배출됨으로 국제적으로 탄소배출에 대한 규제에 대한 대응을 위해서도 그 사용량 저감 방안이 모색되고 있다.

한편, 에너지원(源)으로 큰 비중을 차지하는 석유와 석탄은 머지않은 장래에 고갈될 것으로 예상되고 있으며, 인간의 생활과 산업활동에서 발생되는 각종 폐기물 발생량 증가에 따른 처리문제를 해결하기 위하여 세계 각국에서는 천연자원인 화석연료의 대체연료로 일반폐기물 중에서 가연성 고형폐기물의 이용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel)는 RDF(Refuse Derived Fuel), RPF(Refuse Plastic Fuel),TDF(Tire Derived Feul) 등 생활폐기물과 산업폐기물에서 발생되는 가연성 고형폐기물을 사용하여 제조한 대체연료이다. 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel)는 우드칩(WCF. Wood Chip Fuel), 목재 펠릿(Wood pellet), 팜커널껌질(PKS, Palm Kernel Shell) 및 폐지류, 폐목재류와 식물성잔재물과 같은 가연성 고형폐기물을 연료화 한 것으로 고갈되어가는 화석연료를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 폐기물 처리에 소모되는 비용과 부지의 문제점을 해결 할 수 있는 환경 친화적인 대체연료이다.

특히, 팜 열매껍질인 팜커널껍질은 열량이 4,500 ~4,700Kcal/kg을 가지고 있어 석탄의 복합원료로써 활용이 가능하며, 석탄에 비하여 재의 성분이 적기 때문에 쉽게 발화하는 성질을 갖고 있어 석탄의 복합 연료로써 활용되고 있으나 팜커널껍질을 연소한 후 발생되는 연소재에 대한 연구는 전무한 실정이다. 또한, 정제 석유 제품에 대한 수요 증가와 잠재 성장 지속성, 원유의 점진적 품질저하로 보다 많은 석유 코크스 연료화의 필요성이 대두됨에 따라 연료와 에너지원으로서의 생산량 및 소비량의 증가로 인한 석유 코크스를 연소한 후 발생되는 연소재의 활용방안에 대한 연구가 필요한 실정이다.

최근 보통포틀랜드 시멘트의 사용을 줄이기 위해 알칼리 활성화 슬래그를 이용한 기술이 최근 제안되고 있다. 이러한 기술은 고로수재 슬래그 및 플라이애시 등 활성화 될 수 있는 비정질 물질을 NaOH, KOH, Na₂CO₃, Na₂SiO₃ 같은 강알칼리 약품으로 자극하여 일반 시멘트와 같은 특성을 발휘하며, 수밀성과 내열성이 높은 결합재를 만들 수 있다는 연구들이 보고되고 있다. 그러나 이러한 알칼리 활성화 슬래그는 자극제로 사용되는 약품이 너무 고가이기에 경제성이 취약하고, 그 강도발현 메카니즘의 특성상 탄산화 되기 쉬워 내구성이 취약하며, 또한 자극제의 pH가 13을 초과할 정도로 자극성이 강한 강알칼리를 띠고 있기 때문에 대기 중에 노출되면 쉽게 용해되는 조해성이 큰 원료들로서, 분체로서의 취급이 곤란하기 때문에 액상화하여 사용해야하는 문제를 가지고 있다.

따라서 주원료를 석회석, 점토, 철광석으로 하며 연료로 석탄을 사용하여 고온에서 열분해하여 제조되는 즉, 천연자원 및 자연훼손이 심각한 제품이며, 제조과정에서 천연자원 고갈 및 다량의 CO₂ 가스를 배출하는 제품인 보통포틀랜드 시멘트의 사용량을 최소화 하면서 내구성이 우수하고, 알칼리 금속염의 용출이 없는 친환경 결합재의 개발이 반드시 필요하다. 아울러 대체연료를 이용한 보일러에서 발생되는 연소재를 이용한 결합재 개발은 국제적 환경규제에 대한 적극적인 대응방안이 될 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발전소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 고로 슬래그의 활성도를 증진시켜 연약지반 개량용으로 주로 사용되는 보통포틀랜드 시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있는 연약지반 개량용 결합재 조성물을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 고로 슬래그 100중량부에 대하여, 스테인레스 정련슬래그 5~500중량부와, 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재 5~500중량부를 포함한다.

또한 상기 고칼슘 연소재는 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF,Biomass-Solid Refuse Fuel), 석유 코크스, 석탄 코크스 및 석탄으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 석회석과 혼소하는 순환 유동층 보일러의 노내 탈황 공정에서 생성되며, CaO함량이 5~70중량%이고, SO₃함량이 1~35중량%인 것이 바람직하다.

또한 강도 증진을 위해서 보통포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 및 플라이애시 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 강도 증진제를 더 포함하며, 상기 강도 증진제는 상기 고로슬래그 100중량부에 대하여 5~300중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 발전소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 고로 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 연약지반 개량용으로 주로 사용되는 보통포틀랜드 시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 연약 지반 개량용 결합재 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 연약지반 개량용 결합재 조성물은 고로 슬래그 100중량부에 대하여, 스테인레스 정련슬래그 5~500중량부, 순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재 5~500중량부를 포함한다.

또한 상기 고칼슘 연소재는 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel) , 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel), 석유 코크스, 석탄 코크스 및 석탄으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 석회석과 혼소하는 순환 유동층 보일러의 노내 탈황 공정에서 생성되며, CaO함량이 5~70중량%, SO₃함량이 1~35중량%인 것이 바람직하다.

또한 상기 결합재의 강도 증진을 위해서 보통포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 및 플라이애시 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 강도 증진제를 더 포함하며, 상기 강도 증진제는 상기 고로슬래그 100중량부에 대하여 5~300중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고로 슬래그는 제철소의 고로 공정에서 부산물로 발생하는 고온 용융상태의 슬래그를 물로 급냉 처리한 산업부산물로 그 용도 및 방법이 석탄재와 매우 유사하며, 특히 미분말화한 고로 슬래그의 경우 시멘트, 콘크리트 분야에의 활용이 보편화 되어 있다.

상기 스테인레스 정련슬래그는 스테인레스 제조공정 중 정련로에서 발생되는 산업부산물인 슬래그로 건식방식으로 급냉하여 얻어지며 고로슬래그에 비해 수경성이 약하여 초기강도 발현이 어려워 콘크리트 결합재로는 활용이 불가능하나 초기강도에 비해 장기강도가 중요시되는 연약지반 경화용 결합재에는 매우 적합한 물질이다.

상기 스테인레스 정련슬래그는 비표면적 3,000~8,000cm²/g이 바람직한데 3,000cm²/g 미만일 경우 활성도가 저하되어 강도 발현이 어렵고 8,000cm²/g 초과일 경우 비표면적 상승에 따라 강도는 크게 증가하나 초미립분을 얻기 위한 분쇄, 집진 공정에서 생산량이 크게 저하된다.

상기 스테인레스 정련슬래그는 고로 슬래그 100중량부에 대하여 5~500중량부를 포함되는 것이 바람직하다. 5중량부 미만이면 그 효과가 미비하고, 500중량부를 초과하면 자극제와 반응하지 못한 잉여량이 존재하여 오히려 강도가 저하될 우려가 있다.

상기 고로슬래그와 스테인레스 정련슬래그는 그 자체는 물과 접촉하면 수화되지 않지만 수산화물 혹은 황산염과 같은 자극제를 첨가하면 수화 반응하여 경화되는 특성이 있다. 수산화칼슘과 같은 강알칼리성 물질이나 황산염 등의 자극제가 존재하면 고로슬래그의 불규칙적 3차원 쇄상결합이 절단되면서 망상구조체 내부에 포위되어 있던 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, Al^{3 +} 등 수식이온들이 용출되어 슬래그의 수화반응을 촉진하는데 이런 작용을 발휘하는 물질을 일반적으로 자극제라고 한다.

본 발명은 이러한 작용에 착안하여 지구 환경에 잠재적으로 각종 오염 발생원을 많이 내포하고 있는 가연성 폐기물을 고형연료화하여 활용 후 발생되는 부산물인 고칼슘 연소재를 슬래그의 자극제로 이용할 수 있다.

특히, 고칼슘 연소재를 자극제로 사용하여 촉진되는 슬래그의 경화 반응은 연약지반의 안정화 및 2차 환경오염을 예방할 수 있다.

상기 고칼슘 연소재는 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF, Biomass-Solid Refuse Fuel), 석유 코크스, 석탄 코크스 및 유연탄으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 석회석과 혼소하는 순환 유동층 보일러의 노내 탈황 공정에서 생성되는 석회석의 탈탄산 및 탈황 작용에 의해 생석회와 무수석고 성분을 함유한 산업부산물이다.

또한 고칼슘 연소재는 일반 미분탄 연소 공정에서 발생하는 석탄 플라이애시와는 달리 CaO 및 SO₃ 함량이 높아 잠재수경성을 가진 슬래그와 같이 활용될 경우 알칼리 및 황산염 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있다.

CaO함량이 5~70중량%, SO₃함량이 1~35중량%인 것이 바람직한데, 칼슘 옥사이드(Calcium oxide) 함량이 5중량% 미만이거나 설페이트 옥사이드(Sulfate oxide) 함량이 1중량% 미만일 경우에는 그 효과가 제대로 발휘되지 못한다.

상기의 고칼슘 연소재는 슬래그의 산성피막을 알칼리 및 황산염 복합 자극에 의해 단시간 내에 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화초기에 에트린가이트를 다량 생성해주고 재령이 경과함에 따라 칼슘실리케이트 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 자극제 및 결합재의 동시 역할을 하는 물질이다.

통상의 슬래그에 물을 투입하게 되면, 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca^{2 +}, Al^{3 +} 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 고칼슘 연소재를 혼입 후 물을 투입하게 되면, 고칼슘 연소재가 함유하고 있는 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca(OH)₂로 변환되어 생성된 OH^-와 탈황 과정 중 생성된 SO₄ ^2-성분이 슬래그의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca^{2 +}, Al^{3 +} 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO₂-H₂O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다.

상기 고칼슘 연소재는 고로 슬래그 100중량부에 대하여 5~500중량부를 포함되는 것이 바람직하다. 5중량부 미만이면 강도발현 효과가 미비하고, 500중량부를 초과하면 상대적으로 순수 CaO 성분이 많아져 발열 및 팽창이 과도하게 일어날 수 있다.

또한, 상기 연약지반 개량용 결합재의 강도 증진을 위해서 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 및 플라이애시 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 강도 증진제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 강도 증진제는 일반 시중에서 유통되는 KS 제품을 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 강도 증진제는 상기 고로 슬래그 100중량부에 대하여, 5~300중량부를 더 포함하는 것이 바람직한데 5중량부 미만일 경우 그 효과가 제대로 발휘하지 못하고 300중량부를 초과할 경우 경제성이 저하된다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니된다.

비교예

해성점토 1m³ 기준으로 보통 포틀랜드 시멘트 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 연약 지반 개량용 결합재 밀크액을 제조하여 이를 해성점토 1m³와 균질하게 혼합하였고, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

실시예 1

비표면적이 3,420cm²/g인 고로 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 비표면적이 4,320cm²/g인 스테인레스 정련슬래그 250중량부, 비표면적이 3,860cm²/g이며 CaO 함량이 14.9중량%, SO₃ 함량이 2.7중량%인 고칼슘 연소재 30중량부를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.

이를 해성점토 1m³ 기준으로 상기 결합재 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 토양 안정재를 제조하였다. 이를 해성점토 1m³와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.

실시예 2

비표면적이 3,420cm²/g인 고로 슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 비표면적이 4,320cm²/g인 스테인레스 정련슬래그 250중량부, 비표면적이 3,860cm²/g이며 CaO 함량이 14.9중량%, SO₃ 함량이 2.7중량%인 고칼슘 연소재 30중량부, 보통포틀랜드 시멘트 20중량부를 균질하게 혼합하여 결합재를 제조하였다.

이를 해성점토 1m³ 기준으로 상기 결합재 400kg, 물 410kg를 강제식 믹서로 충분히 혼합하여 밀크주입재를 제조하여 해성점토 1m³와 균질하게 혼합하여, Ø10cm×20cm 크기의 공시체 9개를 제작하여 이를 20℃에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다. 투수계수는 7일 재령에서 압축강도 측정 전에 실시하였다.

공시체의 시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도시험은 KS F 2343 일축압축강도 시험방법에 의해 실시하였다. 중금속 용출시험은 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여 실시하였다.

실험	방법	비고
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법
중금속 용출	폐기물공정시험기준	중금속 용출시험방법

(1) 일축압축강도

표 2에 비교예 및 실시예 1, 실시예 2 의 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 고로 슬래그와 스테인레스 정련슬래그, 고칼슘연소재를 사용한 실시예 1은 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 비교예 1과 거의 동등한 강도를 발현하였으며, 시멘트가 더 포함된 실시예 2는 모든 재령에서 보통 포틀랜드 시멘트만을 사용한 비교예에 비해 더욱 높은 강도를 발현함을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 결합재가 보통 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 가능함을 알 수 있었다.

구분	압축강도 3일(MPa)	압축강도 7일(MPa)	압축강도 28일(MPa)
비교예	0.61	1.51	2.93
실시예1	0.60	1.48	3.02
실시예2	0.84	1.72	3.32

(2) 중금속 용출 실험

	6가크롬 (㎎/ℓ)	구리 (㎎/ℓ)	수은 (㎎/ℓ)	카드뮴 (㎎/ℓ)	납 (㎎/ℓ)	비소 (㎎/ℓ)
허용기준	1.5	3.0	0.005	0.3	3.0	1.5
비교예 1	0.552	0.231	불검출	불검출	0.165	불검출
실시예 1	불검출	0.018	불검출	0.008	불검출	불검출
실시예 2	0.021	0.006	불검출	불검출	불검출	불검출

상기 표 3의 중금속 용출실험결과를 보면 비교예의 경우 허용기준치에는 만족하는 것으로 나타나지만 6가 크롬의 경우 기준치의 30%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시예는 모두 6가 크롬이 불검출되거나 극히 소량이다.

따라서 본 발명의 결합재는 발전소 등에서 대량 발생되는 산업부산물을 자극제로 활용하여 잠재수경성을 가진 슬래그의 활성도를 증진시킴으로써 지반공사에서 가장 널리 사용되는 보통시멘트를 대체하거나 그 사용량을 최소화할 수 있다. 또한 시멘트 사용량 절감에 따른 생산원가 절감은 물론 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 토양오염 등의 환경문제를 동시에 해결할 수 있다.

Claims (3)

1. 고로 슬래그 100중량부에 대하여,
   스테인레스 정련슬래그 5~500중량부와,
   순환 유동층 보일러에서 배출되는 고칼슘 연소재 5~500중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량용 결합재 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고칼슘 연소재는 일반고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel), 바이오고형연료(BIO-SRF,Biomass-Solid Refuse Fuel), 석유 코크스, 석탄 코크스 및 석탄으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 석회석과 혼소하는 순환 유동층 보일러의 노내 탈황 공정에서 생성되며, CaO함량이 5~70중량%이고, SO₃함량이 1~35중량%인 것을 특징으로 하는 연약지반 개량용 결합재 조성물.
   
3. 제1항에 있어서,
   강도 증진을 위해서 보통포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 및 플라이애시 중 선택된 어느 하나 이상의 혼합물로 이루어진 강도 증진제를 더 포함하며,
   상기 강도 증진제는 상기 고로슬래그 100중량부에 대하여 5~300중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량용 결합재 조성물.