KR20220057088A - 석탄가스화 용융 슬래그 미분말의 시멘트 대체용 혼화재로서의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄가스화 용융 슬래그(Coal Gasification Slag, CGS) 미분말 및 석고를 유효성분으로 포함하는 시멘트 대체용 혼화재 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 시멘트 대체용 혼화재 조성물은 유효성분으로 CGS 및 석고를 포함함으로써 초기재령에서 콘크리트의 강도를 효과적으로 증대시킬 수 있는바, 콘크리트 산업분야에서 고부가가치형 소재로서 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 혼화재는 산업부산물을 활용하여 상대적으로 고가인 시멘트량을 일부 대체하는 것이기 때문에 경제성은 물론 자원 재활용에 기여한다.
Description
본 발명은 석탄가스화 용융 슬래그(Coal Gasification Slag, CGS) 미분말 및 석고를 유효성분으로 포함하는 시멘트 대체용 혼화재 조성물에 관한 것이다.
석탄화력발전은 국내 총 발전량 중 약 42% 가량을 차지하고있는 주 발전원이다. 그러나 석탄화력발전에서는 발전과정에서 질소산화물, 황산화물, 미세먼지 등 환경오염물질이 배출된다. 전 세계적으로 미세먼지 및 환경오염물질 배출저감에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며 석탄화력발전 또한 환경오염물질 배출에 대한 개선이 필요한 실정이다. 그러나 석탄화력발전은 원자력발전의 뒤를 잇는 경제성 높은 발전원으로 발전량의 비중을 무작정 줄이는 것은 현실적으로 불가능한 상황이다.
한편 석탄화력발전과 동일하게 석탄을 원료로 사용하지만 미세먼지, 황산화물, 질소산화물 등 환경오염물질의 배출저감 효과가 뛰어난 발전방식인 석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, 이하 ‘IGCC‘라 약칭함)이 주목받기 시작하였다. IGCC는 석탄을 공기 중에서 직접 연소시키는 기존 방식과 달리 석탄을 고온·고압의 증기에서 찐 합성가스를 활용하여 전력을 생산하는 방법으로 공해물질을 기존 석탄화력 대비 황산화물 90 % 이상, 질소산화물 75 % 이상, 이산화탄소를 25 % 이상 줄일 수 있기 때문에 친환경 발전기술로 주목받고 있다.
그러나 IGCC는 발전과정에서 석탄가스화 용융 슬래그(Coal Gasification Slag, 이하 ‘CGS’라 약칭함)라는 부산물을 발생시키는데 이는 현재 폐기물로 분류되어 매립되고 있으며 이에 대한 재활용방안이 필요한 실정이다. 또한 국내에서는 2025년까지 IGCC 플랜트를 추가 도입할 계획을 가지고 있어 IGCC에서 발생하는 CGS의 궁극적인 재활용방안의 마련이 요구되고 있다. 따라서 CGS의 재활용 방안으로 건설재료로서 사용성에 대한 검토가 필요하다.
이러한 배경 하에, 본 발명자는 CGS의 시멘트 대체용 혼화재로서 사용가능성을 조사하기 위해, CGS의 치환율을 다양하게 변화시키고, 또한, 석고 혼입 유/무를 변경하여 재령(material age)에 따른 콘크리트의 강도를 측정하였다. 그 결과, 시멘트의 20%를 CGS로 치환하고 여기에 석고를 혼입하는 경우 콘크리트의 강도가 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 ‘OPC’라 약칭함) 보다 증대되는 것을 나타난바, 본 발명의 CGS가 고로슬래그 미분말(Blast Furnace Slag, 이하 ‘BFS’라 약칭함)과 같이 고부가가치형 소재로서 유용하게 사용될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 시멘트를 대체하면서 콘크리트의 강도를 증진시킬 수 있는 혼화재 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 시멘트 대체용 혼화재 조성물을 특정 비율로 치환함으로써 콘크리트의 강도를 효과적으로 증진시킬 수 있는 콘크리트용 결합재 조성물을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,
본 발명은 석탄가스화 용융 슬래그(Coal Gasification Slag, CGS) 미분말 및 석고를 유효성분으로 포함하는 시멘트 대체용 혼화재 조성물을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 조성물은 석탄가스화 용융 슬래그 미분말 80~95중량% 및 석고 5~20중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 석탄가스화 용융 슬래그 미분말은 이산화규소(SiO2) 40~45중량%, 산화칼슘(CaO) 20~25중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 20~25중량%, 산화마그네슘(MgO) 2~5중량%, 삼산화황(SO3) 0.1~0.5중량% 및 산화철(Fe2O3) 5~10중량%로 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 석탄가스화 용융 슬래그 미분말은 밀도가 2.3 ~ 3.0g/㎤ 이면서 분말도가 3,000 ~ 4,000㎠/g일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 시멘트 대체용 혼화재 조성물을 10~30중량%로 치환하여 조성되는 콘크리트용 결합재 조성물을 제공한다.
본 발명의 시멘트 대체용 혼화재 조성물은 유효성분으로 CGS 및 석고를 포함함으로써 초기재령에서 콘크리트의 강도를 효과적으로 증대시킬 수 있는바, 콘크리트 산업분야에서 고부가가치형 소재로서 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 혼화재는 산업부산물을 활용하여 상대적으로 고가인 시멘트량을 일부 대체하는 것이기 때문에 경제성은 물론 자원 재활용에 기여한다.
도 1은 원사상태의 CGS 와 BFS를 보여주는 사진이다.
도 2는 미분말상태의 CGS 와 BFS를 보여주는 사진이다.
도 3은 재령에 따른 CGS 치환 콘크리트의 압축강도를 그래프로 나타낸 것이다(a: 석고 미혼입 타입, b: 석고 혼입 타입).
도 4는 재령에 따른 BFS 치환 콘크리트의 압축강도를 그래프로 나타낸 것이다(a: 석고 미혼입 타입, b: 석고 혼입 타입).
도 5는 석고 미혼입 타입, CGS 또는 BFS 20% 치환 콘크리트의 재령 7일차 SEM 분석 이미지 사진이다(a: CGS, b: BFS).
도 6은 석고 혼입 타입, CGS 또는 BFS 20% 치환 콘크리트의 재령 7일차 SEM 분석 이미지 사진이다(a: CGS, b: BFS).
도 2는 미분말상태의 CGS 와 BFS를 보여주는 사진이다.
도 3은 재령에 따른 CGS 치환 콘크리트의 압축강도를 그래프로 나타낸 것이다(a: 석고 미혼입 타입, b: 석고 혼입 타입).
도 4는 재령에 따른 BFS 치환 콘크리트의 압축강도를 그래프로 나타낸 것이다(a: 석고 미혼입 타입, b: 석고 혼입 타입).
도 5는 석고 미혼입 타입, CGS 또는 BFS 20% 치환 콘크리트의 재령 7일차 SEM 분석 이미지 사진이다(a: CGS, b: BFS).
도 6은 석고 혼입 타입, CGS 또는 BFS 20% 치환 콘크리트의 재령 7일차 SEM 분석 이미지 사진이다(a: CGS, b: BFS).
본 발명은 석탄가스화 용융 슬래그(Coal Gasification Slag, CGS) 미분말 및 석고를 유효성분으로 포함하는 시멘트 대체용 혼화재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서 용어, "석탄가스화 용융 슬래그"란 석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)에서 생산되는 산업부산물로서, 자세하게는 IGCC에서도 연소과정 중 석탄회가 고온(약 1 400℃)에서 용융되면서 슬래그 형태의 부산물이 배출되는데, 이것을 물로 급랭하여 고체 입자로 생성되는 것이 석탄가스화 용융 슬래그이다. 하기에서 석탄가스화 용융 슬래그는 간략하게 ‘CGS’로 약칭된다.
상기 석탄가스화 용융 슬래그(CGS)는 유리질의 구형의 형태를 연속입자분포를 가지며, 일반적으로 색도는 검고, 입도는 세립분말∼조립괴상 형태이며, 결정질이 거의 형성되지 않으며 비정질상의 모래와 유사한 입상을 나타낸다(도 1 참조). CGS의 특성은 원탄 종류에 따라 화학조성이 달라지지만 주성분은 SiO2-Al2O3-CaO로 이루어진다.
본 발명의 일구체예에서, 석탄가스화 용융 슬래그(CGS)는 이산화규소(SiO2) 40~45중량%, 산화칼슘(CaO) 20~25중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 20~25중량%, 산화마그네슘(MgO) 2~5중량%, 삼산화황(SO3) 0.1~0.5중량% 및 산화철(Fe2O3) 5~10중량%를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 석탄가스화 용융 슬래그(CGS)를 분말화하여 사용하였으며, 본 발명의 석탄가스화 용융 슬래그(CGS) 미분말은 밀도가 2.3 ~ 3.0g/㎤ 이면서 분말도가 3,000 ~ 4,000㎠/g이다.
본 발명에 따른 시멘트 대체용 혼화재 조성물은 석탄가스화 용융 슬래그(CGS) 미분말 이외에 석고를 유효성분 포함할 수 있으며, 상기 석고는 수화생성물(에트린자이트) 생성에서 SO42- 이온의 공급원이 되어 석탄가스화 용융 슬래그(CGS) 미분말의 자극재 역할을 한다.
본 발명의 일구체예에서, 상기 조성물은 석탄가스화 용융 슬래그 미분말 80~95중량% 및 석고 5~20중량%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 시멘트 대체용 혼화재 조성물을 유효성분으로 포함하는 콘크리트용 결합재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서 용어, "결합재(binder)"란 물과 반응하여 콘크리트 강도발현에 기여하는 물질을 생성하는 것의 총칭으로서, 시멘트와 각종 혼화재를 합한 분체를 의미한다. 본 발명에 따른 혼화재 조성물은 일종의 콘크리트용 혼화재로서 결합재에 일 구성성분으로 포함될 수 있다.
본 발명의 시멘트 대체용 혼화재 조성물은 전체 결합재에 대해 10~30중량%로 치환하여 사용하는 것이 바람직한데, 이는 경제적인 배합과 석탄가스화 용융 슬래그(CGS) 미분말의 초기재령 및 장기재령에서 강도를 개선하기 위함이다. 본 발명에 따른 혼화재 치환량이 10중량% 미만이면 CGS 미분말의 혼입량이 지나치게 작아져 CGS 미분말의 특성과 장점을 충분히 얻을 수 없기 때문에 비경제적인 배합이 되고, 본 발명에 따른 혼화재 치환량이 30중량% 초과이면 초기강도는 물론 28일 이후 장기강도도 저하하는 문제점이 발생한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
석탄가스화 용융 슬래그 미분말의 혼화재로 사용에 따른 성능 확인
본 실험에서는 혼화재로서 석탄가스화 용융 슬래그(Coal Gasification Slag, CGS) 미분말 사용에 따른 콘크리트의 성능을 확인하였다. 한편, 종래 콘크리트 혼화재로 많이 사용되고 있는 고로슬래그(Blast Furnace Slag, BFS) 미분말을 양성대조군으로 하여 성능을 비교하였다. 본 실험에서 사용한 석탄가스화 용융 슬래그(CGS)는 한국서부발전(주)으로부터 수득하였다.
<1-1> 실험계획
본 연구의 실험계획은 하기 표 1과 같다. W/B(%)는 50%로 하였으며, 혼화재는 석탄가스화 용융 슬래그(CGS) 미분말 및 고로슬래그(BFS) 미분말을 사용하였으며, 고로슬래그와 석탄가스화 용융 슬래그는 원사상태의 수쇄슬래그를 직접 미분쇄하여 2중량%의 석고를 혼합하였다. 성능확인을 위해서는 압축강도 및 전자주사현미경(SEM)을 측정하였다.
하기 표 1과 같이, 일반 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)만을 이용하거나, 혼화재를 석탄가스화 용융 슬래그(CGS) 미분말 또는 고로슬래그(BFS) 미분말로 하여 각각 10%, 20%, 40% 치환하고, 여기에 석고를 혼입하거나 혼입하지 않으면서 모르타르 시험체를 제조하였다.
| 실험요인 | 실험수준 | ||
| 배합사항 | W/B(%) | 50 | |
| 사용 혼화재 | CGS, BFS | ||
| 혼화재 치환율(%) | 10, 20, 40 | ||
| 석고 혼입율(%) | 2 | ||
| 분말도(cm2/g) | CGS | 3600 | |
| BFS | 4200 | ||
| 측정사항 | 경화 콘크리트 특성 | 압축강도 측정 | |
<1-2> 사용재료
본 실험에서는 원사상태의 석탄가스화 용융 슬래그 미분말(CGS) 및 고로슬래그 미분말(BFS)을 파쇄하여 미분말화시켜 사용하였다.
도 1은 원사상태의 CGS와 BFS를 육안과 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 도 1에서 나타낸 바와 같이 CGS는 색이 매우 검고 유리질의 형태를 띄고 있으며, BFS는 밝은 회색을 띄고 있으며 동일하게 유리질의 형상이 보인다. 또한 수쇄 슬래그 상태에서 급냉 과정을 거쳐 1차 파쇄를 진행하여 나오기 때문에 1차 파쇄기의 성능에 따라 원사상태일 때 입자크기는 차이가 날 수 있다.
도 2는 미분말화시킨 CGS와 BFS의 사진이다. 도 1과 비슷한 경향으로 CGS는 암갈색을 띄는 분체이며, BFS는 밝은 회색을 띄는 분체로 나타났다.
한편, 하기 표 2에서는 CGS의 물리·화학적 성질을 나타내었으며, 표 3에서는 BFS의 물리·화학적 성질을 나타내었다. 밀도와 전체적인 화학구성성분이 유사한 경향임을 알 수 있다.
| 구분 | 밀도 (g/cm3) |
분말도 (cm2/g) |
강열 감량 (%) |
화학적 조성(%) | |||||
| CGS | 2.78 | 3 600 | 0.52 | SiO2 | CaO | Al2O3 | MgO | SO3 | Fe2O3 |
| 42.9 | 20.9 | 22.8 | 2.2 | 0.3 | 7.6 | ||||
| 구분 | 밀도 (g/cm3) |
분말도 (cm2/g) |
화학적 조성(%) | |||||
| BFS | 2.78 | 4 200 | SiO2 | CaO | Al2O3 | MgO | SO3 | Fe2O3 |
| 35.6 | 44.5 | 14.0 | 3.45 | <2% | 0.49 | |||
<1-3> 혼화재의 종류별 재령에 따른 콘크리트 압축강도
본 실험에서는 혼화재의 종류(CGS, BFS) 및 치환율(10%, 20%, 40%)을 달리하며, 석고 미혼입/또는 혼입하여 제조되는 콘크리트의 재령(0-91일)에 따른 압축강도를 확인하였다.
그 결과 도 3 및 4에서 나타낸 바와 같이, 석고 미혼입 타입 실험체들은 초기강도가 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)가 가장 높게 나왔으며, BFS 치환 실험체는 56일 재령에서 OPC의 강도보다 높게 발현되었고, CGS를 치환한 실험체는 재령 91일에서도 OPC보다 낮은 강도값을 나타내었다. 한편, 석고 혼입 타입 실험체의 경우 BFS 치환 실험체가 재령 7일에서 OPC보다 높게 강도발현이 되었고, CGS 치환 실험체는 20% 치환 실험체에서 재령 28일에서 OPC의 강도를 상회하는 강도가 발현되었다.
<1-4> 혼화재의 종류별 재령에 따른 콘크리트의 수화물변화 성상
본 실험에서는 CGS 또는 BFS 혼화재(20% 치환)에 석고 미혼입/또는 혼입하여 제조되는 콘크리트의 재령 7일차에 수화물변화 성상을 광학현미경으로 관찰하였다.
그 결과 도 5 및 6에서 나타낸 바와 같이, 치환율과 혼화재, 재령이 같은 샘플에서 석고 혼입의 유무에 의한 초기수화물인 에트링자이트의 생성이 변하였으며, 석고 혼입 타입에서 에트링자이트가 활발하게 생성된 것을 확인할 수 있었다.
에트링자이트는 초기수화물로 팽창성을 가지고 있으나 재령의 경과에 따라 점차 모노설페이트화되어 경화체 내부 조직을 수밀하게 만들어주는 역할을 하며, 이는 곧 재령의 경과에 따른 강도발현율의 증가로 나타날 것으로 판단된다.
따라서 석고가 혼입되었을 때 초기재령에서 에트링자이트의 생성이 매우 활발하게 진행된다. 다량 생성된 에트링자이트는 수화지연효과를 발생시켜 매스콘크리트에 적용 가능성도 크다고 판단되며, 모노설페이트로 변화하였을 때 압축강도향상의 효과로 이어진다고 사료된다.
결론적으로, 압축강도 측정결과 CGS치환 콘크리트에 석고 혼입 시 모든 실험체에서 미혼입타입보다 강도증진의 효과를 보였으나 치환율 40%에서는 그 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 치환율이 적은 10, 20 % 의 실험체에서는 강도발현이 상당부분 진행된 것을 보아 석고혼입이 CGS 치환 콘크리트의 강도발현에 좋은 영향을 미치는 것으로 판단된다.
또한, 강도증진에 있어 지대한 영향을 미치는 초기 수화생성물의 유의미한 발생량 차이를 확인하였으며, 이로 인해 초기강도 또한 증가하며, 장기강도에는 큰 영향을 미쳐 강도증진에 있어 확실한 효과를 나타낼 수 있다고 판단된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle
CGS: Coal Gasification Slag
BFS: Blast Furnace Slag
OPC: Ordinary Portland Cement
CGS: Coal Gasification Slag
BFS: Blast Furnace Slag
OPC: Ordinary Portland Cement
Claims (5)
- 석탄가스화 용융 슬래그(Coal Gasification Slag, CGS) 미분말 및 석고를 유효성분으로 포함하는 시멘트 대체용 혼화재 조성물.
- 제1항에 있어서,
석탄가스화 용융 슬래그 미분말 80~95중량% 및 석고 5~20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시멘트 대체용 혼화재 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 석탄가스화 용융 슬래그 미분말은 이산화규소(SiO2) 40~45중량%, 산화칼슘(CaO) 20~25중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 20~25중량%, 산화마그네슘(MgO) 2~5중량%, 삼산화황(SO3) 0.1~0.5중량% 및 산화철(Fe2O3) 5~10중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 대체용 혼화재 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 석탄가스화 용융 슬래그 미분말은 밀도가 2.3 ~ 3.0g/㎤ 이면서 분말도가 3,000 ~ 4,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 시멘트 대체용 혼화재 조성물. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 시멘트 대체용 혼화재 조성물을 10~30중량%로 치환하여 조성하는 것을 특징을 하는 콘크리트용 결합재 조성물.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200141952A KR20220057088A (ko) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 석탄가스화 용융 슬래그 미분말의 시멘트 대체용 혼화재로서의 용도 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220057088A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100667631B1 (ko) | 2005-11-29 | 2007-01-12 | 주식회사 인트켐 | 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제 및 콘크리트 조성물 |
| KR20090012556A (ko) | 2007-07-30 | 2009-02-04 | 주식회사 대원바텍 | 고강도 콘크리트 분말 혼화재 조성물 |
-
2020
- 2020-10-29 KR KR1020200141952A patent/KR20220057088A/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100667631B1 (ko) | 2005-11-29 | 2007-01-12 | 주식회사 인트켐 | 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제 및 콘크리트 조성물 |
| KR20090012556A (ko) | 2007-07-30 | 2009-02-04 | 주식회사 대원바텍 | 고강도 콘크리트 분말 혼화재 조성물 |
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