KR930009663B1 - 플라이애쉬(Fly Ash)를 이용한 건축용 조적재의 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

플라이애쉬(Fly Ash)를 이용한 건축용 조적재의 제조방법

본 발명은 화력발전소에서 폐기물로 발생되는 석탄회의 일종인 플라이애쉬를 골재원으로 하고 여기에 화학첨가제 만을 사용하여 제조한 것으로서, 압축강도등 품질성능이 뛰어난 건축용 조적재의 제조방법에 관한 것이다.

종래에 산업폐기물을 이용한 벽동 제조방법 중 이미 알려진것으로는 연탄재를 주원료로 한 벽돌 제조방법이 국내 특허공보 80-1106호에 알려져 있으나, 주원료원인 연탄재가 연소등 사용조건에 따라 성분이 일정하지 않으므로서 균일한 성능을 기대하기 어렵고, 특히 연탄재의 단점인 흡수성과 특수성에 대한 보완처리가 미흡하여. 물의 침투시 강도가 저하되는 결점을 가지고 있다.

이외에도 석탄회를 주원료로하고 시멘트와 방동경화제를 첨가하여 성형한 경량시멘트벽돌 제조방법이 국내 특허공보 79-1483(79.10.23)호에 알려져 있으며, 국내 특허공보 84-817(84.6,15)호에 시멘트와 칼슘실리케이트에 석회분말을 흡착시켜 일부 경화시킨 다음 이를 규산염 용액에 침지하여 양생하는 것을 특징으로 하는 내수성 경량벽돌 제조방법이 알려져 있다.

그러나 이들 방법은 기존 연탄재 벽돌의 단점인 내구성을 보완하려고 하였으나, 실지 시험 결과 표면에서 1-2mm 정도 두께의 치밀한 경화부분 만을 형성하여 방수보호막을 형성해주었을 뿐 내부는 여전히 흡수성이 크므로서 질적인 문제점을 해결하였다고 볼 수 없다.

또한 국내 특허공보 86-1754(86.10.21)호에는 플라이애쉬와 버텀애쉬에 포틀랜트시멘트와 규조토, 마그네시아시멘트를 응결제로 혼합하여 성형한 후 증기로 양생시키는 것을 특징으로 하는 석탄재 벽돌 제조방법도 알려져 있으나, 이와 같은 제조방법은 모두 석탁회에 시멘트를 일부 또는 다량 사용하여 제조하고 있어, 시멘트 대신에 화학첨가제 만을 사용하여 건축용 조적재를 제조하는 본 발명의 제조방법과는 현저한 차이가 있다.

특히 성능면에서도 일반 시멘트 조적재에 비해 경량, 시공성, 단열, 차음, 흡수율, 압축강도등이 우수하며, 실용화를 위해 제조공정을 간소화하고, 값싼원료 만을 사용함으로서 원료비를 절감한 점등이 본 발명의 특징이라고 할 수 있다.

본 발명에 사용되는 플라이애쉬 (Fly Ash)는 현재 국내 화력발전소에서 플라이애쉬 (Fly Ash)와 버텀애쉬 (Bottom Ash)를 포함하여 연간 약 200만톤이 발생되며, 1996년 이후에는 그 발생량이 증가되여 약 400만톤이 배출될 것으로 예상하고 있다.

이러한 석탄회는 현재 일반 산업폐기물로 분류되고 있으며, 처리시 자가매립장을 통해 매립을 하거나 용역을 통해 처리하고 있지만 처리시 저역주민의 반발과 처리장의 부지확보, 관리상의 어려움, 매립후 부지의 활용 등에 따라 비용이 연간 약 50-70억원이 소요되고 있으나, 이용율은 저조하여 1986년도에 5.29%, 1987년도 11.23%, 1988년도에 11.43%이며, 1990년도에는 약 4-5%에 지나지 않고 있다. 이중 이용율의 대부분이 버텀애쉬(Bottom Ash)로서 경량골재나 토목용으로 사용되고 있으며, 플라이애쉬는 일부 한정적으로 사용되고 있어 이용율이 매우 경미한 실정이다.

이와 같은 공해문제와 현재의 극심한 골재난을 해결하기 위하여 산업폐기물인 플라이애쉬를 활용할 수 있는 방안을 연구한 결과 플라이애쉬에 시멘트 및 모래 대신 화학첨가제 만을 사용하므로서 종래의 시멘트 벽돌이나 기타벽돌에 비하여 품질성능이 우수한 조적재를 발명하게 되었다.

본 발명에 사용되는 플라이애쉬의 물리적 특성은 미분쇄된 석탄을 연소하고, 남은재를 집진장치에 의해 포집한 것으로 비중은 대개 1.9-2.3 정도이고, 입자모양과 입도는 구형의 200-250Mesh이다(제 1 도면 참조).

플라이애쉬의 화학적 주성분은 SiO₂,Al₂0₃,Fe₂0₃등으로 구성되고 있고, 약간의 미연소된 탄소와 산화칼슘(CaO) 및 석고(CaSO₄)가 일부 함유되어 있다.

본 발명에서 사용되는 화학첨가제는 2가지 종류로 나누어 볼 수 있다.

우선 제 1 화학첨가제는 나트륨실리케이트의 혼합물에 양이온계면활성제(Anion Type Surface Active Agent)를 혼합한 용액으로 하고, 제 2 화학첨가제는 2수염 상태의 수산화칼슘(Calcium Hydroxide ; Ca(OH)₂2H₂O을 물에 분산시킨 용액으로 한다.

화학첨가제의 성분별 조성관계와 특성을 보면 다음과 같다. 제 1 화학첨가제에 사용되는 나트륨실리케이트의 화학적 조성물은 무수염 상태인 메타 규산나트륨(Na₂SiO₃), 2규산나트륨(Na₂Si₂O₅), 오르토규산나트륨(Na₄SiO₄)가 피로규산나트륨(Na₆Si₂O₇) 및 수화염 상태의 나트륨 실리케이트[Na₂SiO₃nH₂O(n=5, 6, 7, 8, 9), Na₂Si₂O₇7H₂O, Na₃HSiO₄5H₂O]가 30-35% 함유되어 있는 혼합물로 비중은 1.27 정도이며, 화학적 조성은 Na₂O의 함량이 7-8%, SiO₂의 함량이 23-26%인 나트륨실리케이트(Sodium Silicate)혼합물을 사용하고, 계면활성제는 양이온계면활성제인 알킬벤젠황산염 (Alky Benzen Sulfonate)을 사용하고 있다.

제 2화학첨가제는 2수염 상태의 수산화칼슘(Calcium Hydroxide : Ca(OH)₂2H₂O)으로 입도는 300mesh 이상의 것을 사용한다.

본 발명에 사용되는 화학첨가제의 제조방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 제 1 화학첨가제의 제조방법은 나트륨실리케이트 혼합물 1에 대해 2%로 희석제조한 양이온계면 활성제를 2 또는 3의 비율로 혼합하여 제조한다.

이때 계면활성제가 함유된 용액과 나트륨실리케이트 혼합물과의 비중차에 의해 희석이 잘되지 않을 수 있으므로 진탕을 하여야 한다. 제 2 화학첨가제는 수산화칼슘(Ca(OH)₂2H₂O)을 물에 대한 중량비로 20%를 넣고 고르게 분산시켜 제조한다. 본 발명에 사용하고 있는 플라이애쉬와 화학첨가제와의 반응을 보면, 우선 제 1 화학첨가제 중 나트륨실리케이트가 플라이애쉬의 주요성분인 SiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃와 250℃에서 열분해시 생성된 SiO₂와 결합하여 불용해성의 (SiO₂-SiO₂·Al₂O₃·Fe₂O₂)n을 형성하게 되며, 반응식은 아래와 같다.

플라이애쉬(SiO₂·Al₂O₃·Fe₂O₃)+SiO₂+나트륨실리케이트혼합물

이때 나트륨실리케이트와 플라이애쉬의 경화반응은 10시간이면 최종강도를 얻을 수 있다.

양이온계면활성제는 제 1 화학첨가제에 소량 첨가되어 플라이애쉬와 나트륨실리케이트흔합물과의 비중차에 의해 발생되는 골재분리 현상을 억제시키며, 고분자의 나트륨실리케이트 혼합물이 플라이애쉬와 골고루 분산시키는 작용을 한다.

제 2 화학첨가제인 20% 수산화칼슘분산용액은 나트륨실리케이트 혼합물과 플라이애쉬와 결합을 촉진함으로서 초기강도를 증진시켜 짧은시간에 탈형을 용이하게 하는 작용을 한다.

본 발명에서 플라이애쉬를 이용한 건축용 조적재의 제조방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선 나트륨실리케이트와 계면활성제로 되어 있는 제 1 화학첨가제를 플라이애쉬 중량비에 대해 35-50%를 넣고, 교반기에 의해 교반속도를 60RPM하여 정교반 및 역교반을 1분 간격으로 5-7회 실시한후 수산화칼슘 분산액인 제 2 화학첨가제를 플라이애쉬 중량비에 대해 5%를 서서히 첨가하면서 교반속도를 80RPM으로 하여 정교반 및 역교반을 각각 10회 실시한 후 20kg/㎠의 압축과 다짐방법에 의해 성형하고, 성형기에서 5-6시간 경과후 탈형하여 양생온도가 1분당 10℃씩 상승하게 한다. 최종온도 250℃에서 10시간 정도 충분히 양생을 한 후 양생기 속에서 1분당 10℃씩 서서히 낮추면서 상온이 될때까지 냉각시킨다.

이때 완전히 양생된 조적재는 순환되는 수조에서 수온을 40℃로 하여 10시간 담가두었다가 깨끗한 물로 세척 후 공기 중에서 건조시킨다.

본 발명에 의해 제조한 건축용 조적재의 각종 성능시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

현재 시멘트벽돌의 압축강도는 50kg/㎠ 이상이 시판되고 있어, 본 발명으로 제조한 건축용 조적재의 압축강도는 이보다 더 우수할 수 있으며(표 2 참조), 기타 내수성, 내해성, 내화학성, 동결융해 저항성, 열전도율, 단열효과, 차음성에 대한 조사 결과 시멘트 벽돌에 비해 우수한 결과를 얻을 수 있었다(표 1 참조).

또한 모든 원료가 무기물로 구성되어 있어 화재시 불에 탈 염려가 없고, 인체에 유해한 가스도 발생시키지 않아 방화재료로서 사용이 가능하다. 특히 시멘트와 모래를 사용하지 않는 조적재로써 시멘트 제품에 비해 무게가 1/2-l/3 정도 밖에 되지 않는 경량화한 제품으로 시공성이 용이하고, 제조시 공정이 간단하여, 산업폐기물인 플라이애쉬와 시멘트 보다 가격이 저렴한 나트륨실리케이트를 주원료로 사용하므로 시멘트벽돌 및 기타벽돌 보다 저렴한 가격으로 제품을 생산할 수 있다.

[실시예 1]

나트륨실리케이트와 계면활성제의 배합비가 1 : 3인 제 1 화학첨가제를 플라이애쉬 중량비에 대해 35%를 넣고, 이후의 공정은 상기 기술된 제조방법에 따라 교반, 혼합 후 190×90×57mm의 성형틀에서 20kg/㎠의 압력을 가하고 250℃에서 10시간 양생을 하여, 시험한 결과 압축강도가 110kg/㎠였다.

[실시예 2]

나트륨실리케이트와 계면활성제의 배합비가 1 : 3인 제 1 화학첨가제를 플라이애쉬 중량비에 대해 50%를 넣고, 이후의 공정은 상기 기술된 제조방법에 따라 교반, 혼합 후 190×90×57mm의 성형틀에서 다짐을 하고, 250℃에서 10시간 양생을 하여, 시험한 결과 압축강도가 76kg/㎠이었다.

[실시예 3]

나트륨실리케이트와 계면활성제의 배합비가 1 : 2인 제 1 화학첨가제를 플라이애쉬 중량비에 대해 35%를 넣고, 이후의 공정은 상기 기술된 제조방법에 따라 교반, 혼합 후 190×90×57mm의 성형틀에서 다짐을 하고, 250℃에서 10시간 양생을 하여, 시험한 결과 압축강도가 150kg/㎠였다.

[실시예 4]

나트륨실리케이트와 계면활성제의 배합비가 1 : 2인 제 1화학첨가제를 플라이애쉬 중량비에 대해 50%를 넣고, 이후의 공정은 상기 기술된 제조방법에 따라 교반, 혼합한 후 190×90×57mm의 성형틀에서 다짐을 하고, 250℃에서 10시간 양생을 하여, 시험한 결과 압축강도가 83kg/㎠였다.

[표 1]

● : 높음 ▲ : 보통 ■ : 낮음

[표 2]

* 실시예 1, 2, 3, 4는 양생시간을 포함한 24시간 후의 강도임.

* 주택공사의 "건설공사표준시방서"상에 시멘트벽돌의 압축강도는 5층이하인 경우 50㎏/㎠ 이상임.

5층 이상인 경우 80㎏/㎠ 이상임.

Claims (7)

1. 플라이애쉬를 골재원으로 하고 나트륨실리케이트 혼합물과 계면활성제인 알킬벤젠술폰산염으로 이루어진 제 1 화학첨가제와 2수염 상태의 수산화칼슘 분산액으로 이루어진 제 2 화학 첨가제를 혼합하여 제조하는 건축용 조적재의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서 화학첨가제 제조시 제 1 화학첨가제는 나트륨실리케이트 혼합물 1과 2%로 희석제조한 양이온계면활성제를 2 또는 3의 비율로 혼합한 용액이고, 제 2 화학첨가제는 2수염상태의 수산화칼슘을 20%용액으로 분산시킨 화학첨가제의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서 건축용 조적재의 제조시 플라이애쉬와 화학첨가제의 혼합비율을 플라이애쉬 중량비에 대해 제 1 화학첨가제는 35-50%를 첨가하고, 제 2 화학첨가제는 플라이애쉬 중량비에 대해 5%를 첨가하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 플라이애쉬와 제 1 화학첨가제 및 제 2 화학첨가제를 사용하여 건축용 조적재를 제조할 때 교반하는 공정과 양생 온도조건.
5. 제 4 항에 있어서, 플라이애쉬와 제 1 화학첨가제의 교반시 교반속도를 60RPM으로 하여 정교반 및 역교반을 1분간격으로 5-7회 실시하는 것을 특징으로 하는 교반공정.
6. 제 4 항에 있어서 제 2 화학첨가제를 가하고, 교반속도를 80RPM으로 하여 정교반 및 역교반을 각각 10회 실시하는 것을 특징으로 하는 교반공정.
7. 제 4 항에 있어서 플라이애쉬에 제 1 화학첨가제 및 제 2 화학첨가제를 가하여 교반된 것을 성형후 양생기의 온도가 10℃씩 상승하게 조절하여 250℃에서 10시간 양생하는 것을 특징으로 하는 양생 온도조건.