KR100591060B1 - 경량골재 조성물 및 이를 이용한 경량골재 제조방법 - Google Patents
경량골재 조성물 및 이를 이용한 경량골재 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 경량골재 조성물 및 이를 이용한 경량골재 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 경량골재는 유기성 슬러지 100중량부에 대하여, 주 점결제로서 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%인 플라이애쉬 4~100중량부 및 보조 점결제 2~20중량부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 매립 및 해양투기 등에 의해 무분별하게 처리되었던 유기성 슬러지와 활용이 미흡한 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%인 플라이애쉬 등의 무기성 폐기물을 이용하여 비중이 낮고 흡수 특성 및 강도 특성이 탁월한 고부가성 경량골재를 제조할 수 있다.
경량골재. 유기성 슬러지. 플라이애쉬. 폐광미. 석분슬러지. 성형체.
Description
본 발명은 경량골재 조성물 및 이를 이용한 경량골재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하폐수 종말처리장에서 발생하는 폐기물인 유기성 슬러지를 다량 함유한 경량골재 조성물 및 이를 이용한 경량골재 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 유기성 슬러지 특히, 하수슬러지는 하수를 처리하는 과정에서 하수에 포함되어 있는 입자상, 콜로이드상, 용존상의 오염물질을 제거할 때 발생되는 고형상의 2차 환경오염 물질로서, 현재 전국 290여개 하수종말처리장에서 연간 120여만톤의 엄청난 양이 발생하고 있고, 수자원의 보호를 위해 하수관 정비 및 하수처리시설의 추가 설치가 지속적으로 이루어지고 있어 그 발생량이 날로 증가되고 있는 추세이다.
종래에 유기성 슬러지는 일정한 매립지에 매립하여 처리되어 왔다. 이 경우 유기성 슬러지의 자체 수분함량이 높아 매립작업이 원활하지 못하고, 지반다짐에 문제점을 유발시키고 있으며, 침출수 및 악취를 발생시키기 때문에 매립장의 확보 가 매우 어려웠다. 이러한 이유로 2003년 7월 1일부터 함수율이 높은 상태에서의 직매립은 전면 금지되었다.
상기와 같이 유기성 슬러지의 직매립을 금지한 취지가 유기성 슬러지의 재활용과 중간처리로 전환하려는 것임에도 불구하고, 현재 상기 유기성 슬러지의 처리는 처리비가 저렴한 해양투기로 전환되고 있다. 우리나라의 경우 동해상 2개소와 서해상 1개소의 공해상에 살포하고 있다. 그러나 조만간에 런던덤핑방지협약과 관련된 96의정서가 발효되면 해양투기도 금지될 상황에 놓여있어 이의 효율적인 처리방안 마련이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이러한 직매립과 해양투기에 대한 문제의 극복방안으로 유기성 슬러지의 처리방법으로 소각, 건조 및 유기비료화가 제시되었다.
상기 소각방법은 국내에서 90년대초에 소규모 처리용량으로 출발했으며, 대부분 유동상 및 회전상식으로 소각방법이 고찰되어 있다. 그러나 유기성 슬러지는 수분함량이 약 70%이상으로 높고 적은 유기물함량으로 저위발열량이 낮아 초기에 설치된 처리시설은 운전상에 많은 에너지를 요구하므로 처리비용이 매우 높다는 문제점이 있었다.
또한 상기 소각방법 및 건조방법을 연계한 건조-소각 연계 시스템이 제안되어, 건조단계에서 도시에서 발생하는 폐목 등을 에너지원으로 사용하게 됨에 따라 처리비를 상기 소각방법만을 이용하는 경우에 비해 절반 가까이 절감하는 효과를 거두었다. 그럼에도 불구하고, 소각방법 또는 건조-소각 연계 방법에 의할 경우 소각후에 남는 소각재의 처리가 문제되었다. 구체적으로 소각재는 중금속 및 다이옥 신을 함유하고 있기 때문에 특별처리가 요구되며, 이러한 특별처리에는 고가의 설비 및 시간과 노력이 필요하다.
또한 농업용으로 유기성 슬러지의 자원화에 대하여 많은 검토는 되고 있으나, 상술한 바와 같이 유기성 슬러지가 상당량의 유해성 물질을 함유하고 있기 때문에 이용에 많은 한계를 가지고 있다.
한편, 건축물의 사하중 경감, 단열성 및 방음성을 향상시키기 위한 경량콘크리트가 폭넓게 사용되고 있으며, 상기 경량콘크리트에 활용되는 인공경량골재에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 인공경량골재로 제조 가능한 원료는 팽창점토, 세일(shale), 슬레이트(slate) 등이 있으며, 이러한 원료들의 화학조성은 소성시 팽창이 용이한 범위내에 있다. 그러나, 국내에서 상기 팽창이 용이한 조건을 만족하는 원료인 팽창점토는 전국에 산재해 있는 점토와 달리 충남 예산의 일부 지역, 세일로는 강원 및 충북의 일부지역에 부존하나, 부존량이 적을 뿐 아니라 동일한 광구에서도 화학성분의 변화가 심하여 실제로 상업화하기는 매우 어려운 실정이다. 더욱이, 원료채취에 한계가 있어 비팽창성 요업원료에 유기 또는 무기물의 발포제를 첨가하는 방안이 강구되기도 하였고 팽창에 적합한 화학적 조성을 인위적으로 배합하여 제조하는 것을 시도하였으나 경제성이 맞지 않아 쉽게 시도되지 못하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 처리 및 재활용이 어려운 유기성 슬러지를 이용한 경량골재 조성물 및 이를 이용하여 물성이 뛰어난 경량골재 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 미연소 탄소에 의한 강열감량이 커서 활용율이 매우 낮은 플라이애쉬, 유기물이 소량 또는 다량 포함되어 있는 점토, 폐광미 및 석분슬러지 등의 활용이 미흡한 무기성 폐자원을 이용하여 제조비용을 최소화하면서도 물성이 뛰어난 경량골재 조성물 및 이를 이용한 경량골재 제조방법을 제공함에 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 경량골재 조성물은 유기성 슬러지 100중량부에 대하여, 주 점결제로서 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%인 플라이애쉬 4~100중량부 및 보조 점결제 2~20중량부로 이루어진 것다.
또한 본 발명의 경량골재 조성물에 있어서, 상기 조성물의 건조중량에 대하여, 폐석고 0.1~8중량부가 더 포함된 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 경량골재 조성물에 있어서, 상기 보조 점결제가 점토, 폐광미 및 석분슬러지에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 경량골재 제조방법은 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 의한 조성물을 균질하게 혼합, 건조하여 함수율 20~40중량%인 페이스트를 제조하는 페이스트 제조단계; 상기 페이스트로 일정형상을 가진 성형체를 제조하는 성형체 제조단계; 상기 성형체를 함수율 20중량%이하로 건조하는 성형체 건조단계; 상기 성형체를 킬른(kiln) 내에 투입, 1,180~1,300℃의 온도에서 발포소성하여 골재를 제조하는 발포소성단계; 및 상기 골재를 냉각하는 냉각단계; 를 포함하여 이루어진 다.
또한 본 발명의 경량골재 제조방법에 있어서, 상기 제조방법이 상기 성형체 건조단계 이전 또는 이후에, 상기 성형체를 폐석고로 코팅하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 경량골재 제조방법에 있어서, 상기 성형체 제조단계가, 상기 페이스트를 압출성형하여 각형 또는 원주(圓柱)형의 1차 성형체를 제조하고, 상기 1차 성형체를 회전하는 드럼에 투입하여 폐석고로 코팅하면서 동시에 구형의 2차 성형체를 제조하는 방법으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 경량골재 제조방법에 있어서, 상기 발포소성단계가, 예열대 부분인 600℃까지는 10~30℃/min로 승온하고, 승온대 부분인 600℃부터 발포를 시작하는 온도까지는 30~100℃/min로 승온하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 경량골재 제조방법에 있어서, 상기 냉각단계가, 상기 골재를 냉각속도 50~200℃/min로 냉각하여 200~300℃의 온도에서 대기중으로 방출하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 경량골재 조성물을 상세히 설명한다.
상기 경량골재 조성물은 유기성 슬러지, 주 점결제로서 플라이애쉬, 보조 점결제 및 발포제로서 폐석고로 이루어진다.
상기 유기성 슬러지는 하수 슬러지, 정수 슬러지, 염색 슬러지, 제지 슬러지, 제당 슬러지 및 피혁슬러지로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하나, 기타의 유기성 슬러지를 이용하여도 무방하다.
상기 점결제로 이용되는 플라이애쉬는 성형성 확보, 함수율 저감 및 강도발현 등을 위한 조성으로서, 화력발전소나 열병합발전소 등에서 석탄의 연소 후 발생되는 플라이애쉬 중 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%로 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
물론 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10중량% 미만인 경우에도 당연히 사용할 수 있다. 다만, 이러한 플라이애쉬는 현재 콘크리트 혼화재료 등으로 재활용되기 때문에 그 활용율이 매우 높아 고가에 판매되고 있어 경량골재의 재료로 이용할 경우 제조비용을 상승시키는 요인이 된다.
이와 달리 상기 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%로 높은 플라이애쉬는 콘크리트 혼화재료로 활용시, 콘크리트의 연행 공기포를 흡착하여 공기량을 감소시키는 영향이 크기 때문에 현재 활용이 극히 미미한 실정이다. 이러한 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%로 높은 플라이애쉬를 본 발명과 같이 경량골재의 제조에 이용할 경우, 오히려 경량골재의 소성시 탄소가 산화되어 탄산가스로 되어 발포에 매우 유리한 작용을 하며, 탄소의 연소에 의해 킬른 내 분위기를 발포에 유리한 조건인 환원분위기로 조성시킬 뿐만 아니라 소성 에너지를 현저히 절감할 수 있는 장점이 있다. 더욱이, 상술한 바와 같이 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10중량% 미만인 것에 비해 현저하게 그 이용율이 떨어지기 때문에, 활용도가 떨어지는 재료를 재활용할 수 있다는 측면에서 더욱 의미가 있으며, 부가적으로 재료의 확보가 용이하고, 비용이 현저하게 저렴하다는 장점도 있다.
상기 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%인 플라이애쉬의 함량이 유 기성 슬러지 100중량부에 대하여 4중량부 미만인 경우, 비중이 낮아지는 장점은 있으나, 흡수율이 높아지고 강도가 현저히 떨어지는 단점이 있다. 반대로 100중량부 초과인 경우, 무기물 양이 증가되어 비중이 높아지기 때문에 경량골재로서의 효용성이 떨어진다.
상기 보조 점결제는 플라이애쉬와 유사하게 점결력을 향상시켜 성형성을 확보하고, 함수율 저감 및 강도발현 등을 위하여 혼입하는데, 점토, 폐광미 및 석분슬러지에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 조성된다.
일반적으로 세라믹 원료로 사용되는 점토는 유기물이 함유되지 아니한 점토이다. 그러나 본 발명에서 보조 점결제로 사용되는 점토는 전국 각지에 산재해 있어 확보가 용이한 유기물이 소량 또는 다량 함유되어 있는 점토는 물론, 건설잔토 등을 이용하여도 큰 문제가 없으며, 오히려 재료의 확보 및 비용절감을 위해서 유리하다. 또한 상기 점토는 분쇄할 필요없이 일반 소성점토벽돌 제조공정과 동일한 방식으로 이용이 가능하다. 또한 석분슬러지는 원석을 채석할 때와 가공하는 과정에서 발생되는 것으로서, 침전 후 탈수케익 상태의 것을 그대로 사용하여도 무방하다. 즉, 이들 점토 및 석분슬러지는 SiO2 60~70중량%, Al2O3 15~25중량%를 함유하고 있는 것이면 이용가능하다.
상기 폐광미는 광산 부산물로서, 유용광물을 분리, 선별하기 위하여 파쇄 또는 분쇄 및 선별처리하는 과정에서 미립화된 물질로서 비표면적 2,000㎠/g 이상이고, SiO2 60~70중량%, Al2O3, CaO 및 Fe2O3 5~15중량%를 함유하고 있으면 이용가능하 다.
상기 보조점결제의 혼입량이 상기 유기성 슬러지 100중량부에 대하여 2중량부 미만인 경우, 점결력이 낮아 성형성이 떨어진다. 반대로 20중량부를 초과하는 경우, 상대적으로 상기 유기성 슬러지의 함유량이 줄어들기 때문에 발포 및 소결이 제대로 이루어지지 않는다.
본 발명에서 발포제 및 표면 코팅제로 사용되는 폐석고는 탈황공정 및 인산, 불산, 붕소, 티타늄 제조 과정시에 대량으로 생성되는 것으로서, CaSO4 성분이 70중량% 이상 함유하고 있으면 이용가능하다.
물론 상기 폐석고를 혼입하지 않아도 발포는 이루어지지만, 이를 첨가함으로써 발포를 더욱 활발히 유도할 수 있으며, 그에 따라 골재의 경량화에 유리하다. 상기 폐석고를 상기 조성물의 건조중량에 대하여 8중량부를 초과하여 혼입하는 경우, 발포가 과도하게 이루어지기 때문에 표면에 균열이 생겨 흡수율이 현저하게 높아지게 되는 문제가 있다. 상기 폐석고의 경우 분해온도가 높아 골재 제조온도와 유사하여 바람직한 발포제로서 효과가 높지만 SO3 발생에 대비한 처리시설이 요구된다.
이하, 본 발명에 의한 경량골재 제조방법을 구체적으로 설명한다.
상기 조성물을 균질하게 혼합, 건조하여 페이스트를 제조한다. 상기 페이스트의 전체 함수율이 40중량%를 초과하거나, 20중량% 미만인 경우에는 성형 자체가 불가능하기 때문에 전체 함수율을 20~40중량%로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람 직하게는 20~30중량%로 하는 것이다. 상기 페이스트의 함수율에 절대적인 역할을 하는 것은 유기성 슬러지 및 석분 슬러지이다. 예를 들어 탈수케익 상태의 유기성 슬러지 또는/및 석분 슬러지를 이용하는 경우, 상기 조성물을 이루는 기타의 성분들은 수분함량이 낮은 것을 이용함으로써 전체 함수량을 조절할 수 있다. 즉, 탈수케익 상태의 유기성 슬러지 또는/및 석분 슬러지와, 함수율이 낮은 플라이애쉬, 점토 및 폐광미 등을 혼합하여 강하게 응집되어 있는 상태의 큰 덩어리를 만들고, 이를 작은 알갱이 형태로 해쇄한 후 건조함으로써 함수율이 20~40중량%인 페이스트를 용이하게 제조할 수 있다. 또한 점토 및 폐광미는 자연상태에서 일부 건조한 후 약간의 수분을 함유한 상태의 것을 이용할 수 있고, 폐석고의 경우에도 수분을 함유한 상태로 이용할 수 있다. 또한 상기 조성물을 균질하게 혼합, 건조한 후에 전체 함수율이 40중량%를 초과하는 경우에는 미리 혼합, 건조된 상기 조성물 분말을 투입하여 전체 함수율을 40중량% 이하로 조정할 수도 있다. 또한 상기 조성물을 컨베이어에 투입할 때, 일괄적으로 하지 않고 순차적으로 각각 투입하여 순환형 압축 롤러식 혼합기 및 스크류 등을 통해 균질한 혼합물을 얻는 것이 바람직하다.
이와 같이 제조된 페이스트로 일정형상을 가진 성형체를 형성한다. 구체적으로는 상기 페이스트를 압출성형하여 각형 또는 원주(圓柱)형의 1차 성형체를 제조하고, 상기 1차 성형체를 회전하는 드럼에 투입하여 구형의 2차 성형체를 제조한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 1차 성형체는 압출성형기의 스크류 등을 통해 압축된 시료가 소정 구경의 구멍이 뚫린 금형에 의해 압출되면서 적당한 크기로 절단하여 형성된다. 이 때, 페이스트의 점도에 따라 배출속도가 달라지고, 절단속도에 따라 1차 성형체의 모양 및 크기가 달라지는데, 그 직경이 2~10mm가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성된 1차 성형체를 구형의 2차 성형체로 제조하기 위하여 회전하는 드럼에 투입한다. 그러나 드럼에서 회전시 1차 성형체끼리 달라붙는 현상이 발생하여 원하는 형상 및 크기를 가진 골재를 얻을 수 없다. 따라서 이를 방지하기 위하여 1차 성형체의 표면을 폐석고로 코팅한 후 회전하는 드럼에 투입하여 구형의 2차 성형체를 제조하거나, 또는 1차 성형체를 바로 회전하는 드럼에 투입한 후, 폐석고 미분말을 도포하여 코팅함과 동시에 굴리면서 구형으로 성형할 수도 있다. 이때 사용하는 폐석고는 경량골재 조성물을 이루는 폐석고와 달리, 건조된 상태의 분말을 이용하는 것이 바람직하며, 이러한 폐석고 미분말을 상기 1차 성형체의 표면에 50~200㎛의 두께로 도포함으로써 코팅하는 것이 바람직하다. 상기 코팅층의 두께를 50㎛ 미만으로 할 경우 상기의 목적을 달성할 수 없으며, 200㎛ 를 초과하여 코팅한 경우 소성시 성형체 내부로 열이 제대로 전달되지 못하기 때문에 상기 성형체의 중심부 온도가 소결에 필요한 온도에 다다르지 못한 채 냉각 배출될 우려가 있으며, 이 때문에 소성온도가 높아져야 하는 단점이 있다.
또한 상기 폐석고에 의한 코팅은 상술한 바와 같이, 1차 성형체끼리 달라붙는 현상을 방지하기 위한 것 이외에도 후술하는 소성공정에서의 융착을 방지하는 효과도 있다.
또한 회전하는 드럼 내부에서 5~15분간 굴림동작에 의해 내부 조직이 치밀하게 된다.
상기의 2차 성형체를 200℃ 이하의 온도에서 함수율 20중량% 이하, 보다 바 람직하게는 10중량%이하로 건조한 후, 킬른(kiln) 내에 투입하여 발포 소성한다. 건조온도가 200℃ 초과인 경우 성형체 내부의 유기물이 연소할 우려가 있으며, 또한 함수율이 20중량%를 초과하는 경우에는 발포 소성시 성형체 내부의 수증기가 급열에 의해 외부로 빠져나오면서 표면에 균열을 발생시키기 때문이다.
또한 성형체의 투입량은 킬른의 생산성과 직결될 뿐만 아니라 인공경량골재를 제조하는 경우 로내의 분위기와도 깊은 관계가 있다. 골재는 킬른내 전체의 분위기에도 영향을 받지만 특히 인접한 부근의 분위기에 직접적으로 영향을 받기 때문에 성형체의 투입량이 적으면 산소를 공급받을 기회가 많아지므로 산화분위기에서 소결될 우려가 있고, 원료의 투입량이 많으면 킬른내에서 골재에 묻혀 있을 확율이 높아서 산소를 공급받을 기회가 적어지므로 자연히 환원분위기가 형성되어 발포에 유리한 조건이 되나 킬른 내에서 묻혀 있는 골재의 경우 열을 제대로 받지 못하여 불완전하게 소결될 수 있다. 따라서 킬른내에서 원료의 투입량은 노내 체적의 8~12%를 투입하는 것이 바람직하다.
상기 발포 소성은 소성대 구간인 1,180~1,300℃의 온도에서 수분간, 바람직하게는 5~15분간 수행한다. 소성온도를 1,180℃이하로 할 경우 소결 및 발포가 제대로 이루어지지 않아 골재가 높은 흡수율 및 비중값을 보이며, 반대로 1,300℃이상으로 하면 과소결, 과발포 및 부분 용융현상을 보여 골재로서의 가치가 낮아지며, 연료비 등의 비용 상승의 문제점도 있다.
한편, 인공 경량골재는 열로 인한 분해와 팽창, 재결정화를 이용한 소재이므로 골재 내부에서의 열 흐름을 적정한 온도와 시간을 부여하여 제어할 필요가 있 다. 적정한 제어가 되지 아니할 경우, 골재 중심부의 온도가 소결에 필요한 온도에 다다르지 못한 채 냉각 배출되거나, 급격한 온도 상승으로 인한 가스 분해로 불규칙하고 큰 기공이 형성되어 강도 등 골재의 품질이 나빠지게 되는 것이다.
본 발명에서는 소성대 구간까지 승온함에 있어서, 급격한 온도상승으로 유기물이 다격히 연소되어 불규칙하고 큰 기공이 형성되는 것을 방지하기 위한 예열대 구간과, 급열을 통해 소성역역으로의 신속한 진입으로 골재 내부의 가스 이탈을 방지하기 위한 승온대 구간을 마련하고 있다. 이를 통해 최고 온도에서 다량의 가스 발생을 억제하는 효과와 재결정화에 필요한 시간을 제공하는 등 골재의 품질을 최적화 할 수 있다.
구체적으로는 예열대 부분인 600℃까지는 비교적 서서히 10~30℃/min로 승온하고, 승온대인 600℃부터 발포를 시작하는 온도까지는 30~100℃/min의 승온속도로 승온하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 킬른이 로터리 킬른(rotary kiln)인 경우, 회전속도와 킬른 내부의 구배를 조정함으로써 승온속도를 조절할 수 있으며, 특히 급열이 필요한 승온대 구간의 길이와 직경을 좁게 하여 예열대 구간에서 소성대 구간으로 신속히 진입하게 할 수 있으며, 또한 터널식 킬른(tunnel kiln)인 경우, 레일 위의 스플로게이트 호일의 온전속도를 조정함으로써 승온속도를 조절할 수 있다.
상기 소성대 구간에서는 최고온도 도달 후 일정시간 유지시킴으로서 경량골재 내부에 균일한 기공분포와 안정된 소결조직 형성을 유도하여 강도의 형성을 꾀하는데, 5~15분간 유지시키는 것이 바람직하다. 그러나 유지온도와 시간을 변화시 킴으로써 발포의 정도를 조절하여 경량골재의 비중과 흡수율을 조절할 수 있다.
마지막으로 상기 골재를 냉각하는데, 골재의 강도는 소결 후 냉각속도에 따라 달라진다. 일반적으로 냉각속도가 느릴수록 골재의 불규칙한 응력을 제거하여 안정적인 내부 소결발포 조직을 형성케 하고, 소결안정화 진행과 생성된 유리상의 재결정화가 유도되어 골재 내부의 강도가 증가하는 경향이 있다. 그러나 생산성 측면에서 고려해 볼때, 킬른에서 배출된 상태의 골재는 매우 뜨겁기 때문에 급냉을 통해 온도를 저하시켜야 컨베이어 이송, 체가름을 통한 선별, 싸일로 저장 등 후속공정을 연계할 수 있으므로 공냉식 냉각기를 별도로 설치하여 급냉을 하는 것이 바람직하며, 이 열을 회수하여 건조기 등에 재사용하는 것이 경제성면에서도 유리하다. 이를 감안하여 50~200℃/min로 냉각하여 200~300℃의 온도에서 대기중으로 방출하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
하기의 모든 실시예에 사용된 유기성 슬러지, 플라이애쉬, 점토, 석분슬러지 및 폐광미의 성분과 물성치를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
구체적으로 유기성 슬러지의 수분, 유기물 및 무기물의 함량은 하기의 표 1과 같다.
또한, 유기성 슬러지를 600℃에서 하소한 후 무기물에 대한 화학조성은 하기의 표 2와 같다.
또한, 플라이애쉬, 점토, 석분슬러지, 폐광미 및 폐석고의 화학조성은 하기의 표 3과 같다.
<실시예 1>
탈수 케익상태의 하수 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 50중량부 및 점토 5중량부로 이루어진 조성물을 혼합, 건조하여 함수율 20~30중량%인 페이스트를 제조하였다.
상기 페이스트를 압출성형기로 직경 8mm인 원주형 1차 성형체를 제조한 후, 상기 1차 성형체를 회전하는 드럼형 성형기에 투입하여 코팅제인 폐석고 미분말을 도포하면서 8분간 굴려서 구형의 2차 성형체를 제조하였다. 이 때 코팅된 폐석고의 두께는 150㎛로 하였다. 상기와 같이 코팅된 2차 성형체를 200℃ 이하의 온도에서 함수율 10% 이하로 건조한 후, 건조된 성형체를 킬른에 투입하여 예열대 구간인 600℃까지는 15℃/min의 승온속도로 진입시키고, 승온대 구간인 600℃부터 60℃/min의 승온속도로 진입시켜 1,220~1,250℃의 온도에서 10분간 소성한 후, 150℃/min의 속도로 냉각하여 250℃의 온도에서 대기중으로 방출하여 경량골재를 제조하 였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.46이고, 흡수율은 11.4%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 15.6ton으로 나타났다.
<실시예 2>
탈수 케익상태의 하수 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 4중량부, 점토 5중량부 및 상기 재료의 건조중량에 대하여 폐석고 5중량부를 혼입한 조성물을 조성한다는 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 0.53이고, 흡수율은 12.9%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 3.6ton으로 나타났다.
<실시예 3>
탈수 케익상태의 하수 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 50중량부, 점토 5중량부 및 상기 재료의 건조중량에 대하여 폐석고 5중량부를 첨가한 조성물을 조성한다는 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.23이고, 흡수율은 13.3%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 14.8ton으로 나타났다.
<실시예 4>
탈수 케익상태의 하수 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 100중량부 및 점토 5중량부에 상기 재료의 건조중량에 대하여 폐석고 5중량부를 첨가한 조성물을 조성한다는 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.57이고, 흡수율은 14.6%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 16.5ton으로 나타났다.
<비교예 1>
상기 실시예에서 얻어진 경량골재의 품질 특성 정도를 파악하기 위하여 독일(Liaipor 社), 스페인(Arita 社), 일본(Mesalite 社)에서 수입한 경량골재의 품질시험을 실시하였다. 그 결과를 하기의 표 4에 나타내었다.
상기 실시예 2 내지 실시예 4를 비교하여 보면, 플라이애쉬의 혼입량이 증가함에 따라 비중 및 흡수율 측면에서는 불리하고, 강도는 높아지는 경향을 보인다. 그러나 전체적으로 봤을 때, 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 상기의 실시예에 의해 제조된 경량골재가 수입산 경량골재에 비하여 흡수율 및 강도면에서 월등히 우수함을 확인할 수 있었다.
또한 상기 실시예 1 및 실시예 3을 비교하여 보면, 폐석고를 혼입한 경우 비중이 낮아지는 반면, 흡수율과 강도는 높아지는 경향이 있다. 따라서 필요에 따라 폐석고의 혼입 여부를 선택할 수 있는 것이다.
<비교예 2>
탈수 케익상태의 하수 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 1중량부를 혼 입한다는 점을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 0.73이고, 흡수율은 23%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 1.8ton으로 나타났다.
이와 같이 플라이애쉬의 혼입량이 감소함에 따라 골재의 물성이 현저히 저하됨을 알수있다.
<비교예 3>
탈수 케익상태의 하수 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 110중량부를 혼입한다는 점을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.83이고, 흡수율은 16%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 9.8ton으로 나타났다.
이와 같이 플라이애쉬의 혼입량이 증가함에 따라 상대적으로 유기물 양은 감소하고, 무기물 양은 증가하여 골재 내부의 소결이 제대로 이루어지지 못하여 골재의 비중이 높아지고 강도는 저하하는 단점을 보임을 알 수 있다.
<비교예 4>
재료의 건조중량에 대하여 폐석고 10중량부를 혼입한다는 점을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 0.52이고, 흡수율은 23.2%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 2.5ton으로 나타났다.
폐석고의 혼입량이 10중량부로 증가함에 따라 발포가 과도하게 이루어져 표면에 일부 균열이 발생하여 흡수율이 현저히 높아지고 강도 또한 저하됨을 확인할 수 있었다.
<실시예 5>
탈수 케익상태의 염색 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 10중량부, 점토 3중량부, 석분슬러지 8중량부 및 상기 재료의 건조중량에 대하여 폐석고 3중량부를 혼합, 건조하여 함수율 25~35중량%인 페이스트를 제조하였다.
상기 페이스트를 압출성형기로 직경 5mm인 원주형 1차 성형체를 제조한 후, 상기 1차 성형체를 회전하는 드럼형 성형기에 투입하여 코팅제인 폐석고 미분말을 도포하면서 8분간 굴려서 구형의 2차 성형체를 제조하였다. 이 때 코팅된 폐석고의 두께는 200㎛로 하였다. 상기와 같이 코팅된 2차 성형체를 100℃ 이하의 온도에서 함수율 15% 이하로 건조한 후, 건조된 성형체를 킬른에 투입하여 예열대 구간인 600℃까지는 20℃/min의 승온속도로 진입시키고, 승온대 구간인 600℃부터 30℃/min의 승온속도로 진입시켜 1,250~1,280℃의 온도에서 10분간 소성한 후, 50℃/min의 속도로 냉각하여 300℃의 온도에서 대기중으로 방출하여 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 0.76이고, 흡수율은 13.6%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 4.2ton으로 나타났다.
<비교예 5>
1차 성형체를 폐석고로 코팅하지 않았다는 점을 제외하고, 상기 실시예 5와 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
이 경우 배출된 골재는 골재와 골재간에 심한 융착 현상이 발생하여 큰 덩어리 형태로 되어 골재로서의 이용이 불가능하였으며, 품질시험 역시 불가능하였다.
<실시예 6>
탈수 케익상태의 제지 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 40중량부, 점토 10중량부, 폐광미 7중량부 및 상기 재료의 건조중량에 대하여 폐석고 5중량부를 혼합, 건조하여 함수율 20~30중량%인 페이스트를 제조하였다.
상기 페이스트를 압출성형기로 직경 10mm인 원주형 1차 성형체를 제조한 후, 상기 1차 성형체를 회전하는 드럼형 성형기에 투입하여 코팅제인 폐석고 미분말을 도포하면서 10분간 굴려서 구형의 2차 성형체를 제조하였다. 이 때 코팅된 폐석고의 두께는 200㎛로 하였다. 상기와 같이 코팅된 2차 성형체를 150℃ 이하의 온도에서 함수율 10% 이하로 건조한 후, 건조된 성형체를 킬른에 투입하여 예열대 구간인 600℃까지는 30℃/min의 승온속도로 진입시키고, 승온대 구간인 600℃부터 60℃/min의 승온속도로 진입시켜 1,250~1,280℃의 온도에서 10분간 소성한 후, 100℃/min의 속도로 냉각하여 200℃의 온도에서 대기중으로 방출하여 경량골재를 제조하 였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.15이고, 흡수율은 11.5%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 10.6ton으로 나타났다.
<비교예 6>
성형체를 제조한 후, 건조하지 않고 바로 킬른 내에 투입하였다는 점을 제외하고, 상기 실시예 6과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다. 이때 성형체의 함수율은 28.8% 였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재는 표면에 균열이 심하게 발생하였고 일부 쪼개진 형상의 골재가 배출됨을 확인할 수 있었다. 이는 킬른에 투입시 성형체 내부의 수증기가 급열에 의해 외부로 빠져나오면서 표면에 균열을 발생시키기 때문이다.
<실시예 7>
탈수 케익상태의 하수 슬러지 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 10중량부, 점토 5중량부 및 상기 재료의 건조중량에 대하여 폐석고 3중량부로 이루어진 조성물을 혼합, 건조하여 함수율 20~30중량%인 페이스트를 제조하였다.
상기 페이스트를 압출성형기로 직경 8mm인 원주형 1차 성형체를 제조한 후, 상기 1차 성형체를 회전하는 드럼형 성형기에 투입하여 코팅제인 폐석고 미분말을 도포하면서 8분간 굴려서 구형의 2차 성형체를 제조하였다. 이 때 코팅된 폐석고의 두께는 100㎛로 하였다. 상기와 같이 코팅된 2차 성형체를 200℃ 이하의 온도에서 함수율 20% 이하로 건조한 후, 건조된 성형체를 킬른에 투입하여 예열대 구간인 600℃까지는 15℃/min의 승온속도로 진입시키고, 승온대 구간인 600℃부터 70℃/min의 승온속도로 진입시켜 소성온도 1,230~1,270℃의 온도에서 10분간 소성한 후, 200℃/min의 속도로 냉각하여 250℃의 온도에서 대기중으로 방출하여 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 0.63이고, 흡수율은 12.4%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 4.3ton으로 나타났다.
<비교예 7>
소성온도를 1,120~1,150℃ 로 한 점을 제외하고, 상기 실시예 7과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.8이고, 흡수율은 23.2%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 2.1ton으로 나타났다.
이와 같이 1,180℃ 이하에서는 소결 및 발포가 충분히 이루어지지 않아 골재의 품질이 저하됨을 알 수 있다.
<비교예 8>
소성온도를 1,300~1,350℃ 로 한 점을 제외하고, 상기 실시예 7과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.17이고, 흡수율은 18.2%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 5.2ton으로 나타났다.
이와같이 소성온도를 1,300℃이상으로 하면 과소결 및 부분 용융현상을 보여 골재로서의 가치가 낮아지며, 특히 연료비 등의 비용 상승의 문제점도 있었다.
<비교예 9>
킬른에 투입하여 예열대 구간인 600℃까지는 35℃/min의 승온속도로 진입시키고, 승온대 구간인 600℃부터 110℃/min의 승온속도로 진입시켜 1,230~1,270℃의 온도에서 5분간 소성한 점을 제외하고, 상기 실시예 7과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 얻어진 경량골재를 시험한 결과 비중은 1.72이고, 흡수율은 22%이며, 10% 세립치 파쇄시험 결과 1.9ton으로 나타났다.
이와 같이 예열온도 및 승온속도를 급하게 하고 소성시간을 단축시킬 경우 골재내부로 열이 제대로 전달되지 못하여 불완전 소결이 일어남을 알 수 있었다.
<비교예 10>
킬른에 투입하여 예열대 구간인 600℃까지는 5℃/min의 승온속도로 진입시키고, 승온대 구간인 600℃부터 25℃/min의 승온속도로 진입시켜 1,230~1,270℃의 온도에서 20분간 소성한 점을 제외하고, 상기 실시예 7과 동일한 조건 및 순서로 경량골재를 제조하였다.
상기와 같이 승온속도를 늦추고 소성시간을 늘린 경우 골재끼리 심한 융착현 상을 보여 골재의 제조가 불가능하였고 생산성 면에서도 매우 불리 함을 알 수 있었다.
<실험예 1>
상기 실시예1 내지 7과 같이 제조된 골재의 용출특성을 EPA법(EPT)과 한국폐기물 공정 시험법(KSLT)에 따라 측정하였다.
상기의 실험 결과를 하기의 표 5에 나타내었다. 여기서 단위는 ppm이고, ND(Not Detected)는 시험결과 검출되지 않았다는 것을 표시한다.
상기 표 5와 같이 대부분의 중금속은 검출되지 않았으며, 소량 검출된 양도 허용치 범위 이내의 것으로서 환경에 미치는 영향은 매우 미미한 것으로 나타났다.
<실험예 2>
본 발명에 의한 경량골재를 비구조용 경량콘크리트에 활용성을 평가하기 위하여, 실시예 2에 의해 제조된 경량골재를 하기의 표 6과 같이 경량콘크리트 공시체를 제작하여 단위용적중량 및 압축강도 시험을 실시하였으며, 그 결과를 표 6에 나타내었다.
표 6에서 W/C는 시멘트(C)에 대한 혼합수(W)의 중량비를 나타낸 것이고, 경량골재는 비중 0.53, 조립율 4.6로서 최대치수가 6mm인 것을 사용하였다. 표 6에 나타난 것과 같이, 본 발명에 의한 경량골재를 혼입한 콘크리트는 단위용적중량이 약 600kg/㎥ 정도이며, 28일 압축강도는 3.8~5.1MPa로서 기존 비구조용 경량제품인 ALC(autoclaved lightweight concrete)블록과 유사한 특성을 보여 비구조용 경량콘크리트로서 활용이 가능함을 알 수 있다.
<실험예 3>
본 발명에 의한 경량골재를 구조용 경량콘크리트에 활용성을 평가하기 위하여, 실시예 3에 의해 제조된 경량골재를 하기의 표 7과 같이 경량콘크리트 공시체를 제작하여 단위용적중량 및 압축강도 시험을 실시하였으며, 그 결과를 표 7에 나타내었다.
표 7에서 W/C는 시멘트(C)에 대한 혼합수(W)의 중량비를 나타낸 것이고, S는 잔골재(강모래, 비중 2.56, 조립율 2.57)를 나타내며, G는 경량골재(비중 1.15, 조립율 5.6)로서 최대치수가 10mm인 것을 사용하였다. 표 7에 나타난 것과 같이, 본 발명에 의한 경량골재를 혼입한 콘크리트는 단위용적중량이 약 2,000kg/㎥ 이하로 구조용 경량콘크리트의 범위 내에 들어가며, 7일 및 28일의 압축강도에서 매우 우수한 강도를 발현함을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에 의한 경량골재는 구조용 경량콘크리트에 적용이 가능한 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면 기존의 매립 및 해양투기 등에 의해 무분별하게 처리되었 던 유기성 슬러지 및 미연소 탄소에 의한 강열감량이 커서 활용율이 매우 낮은 플라이애쉬를 이용하여 비중이 낮고 흡수 특성 및 강도 특성이 탁월한 고부가성 경량골재를 제조할 수 있다. 특히, 각종 유해물질을 소결 및 일부 용융 고정화함으로써 유기성 슬러지의 친환경적, 경제적 재활용이 가능한 효과가 있다.
또한 부재료로서 점토, 석분 슬러지, 폐광미 및 폐석고 등 무기성 폐기물을 이용하기 때문에 경량골재의 제조비용이 현저하게 감소된다.
또한 경량골재용 조성물에 발포제로서 폐석고가 함유되어 있기 때문에 발포가 활발하여 물성이 좋다.
또한 발포소성을 1,180~1,300℃의 온도에서 5~15분간 수행함으로서, 충분한 소결 및 발포가 일어나고 이에 따라 골재의 흡수율 및 비중이 낮게 된다.
또한, 상기와 같은 재료로 구성된 조성물로 성형체를 형성하고, 상기 성형체의 표면에 폐석고를 코팅함으로써, 성형체끼리 달라붙거나 또는 소성시 융착하는 것을 방지할 수 있어 골재의 제조에 완전성을 기할 수 있다.
또한, 승온속도를 비교적 빠르게 함으로써 골재 외부에 산화피막이 형성되는 것을 저지할 수 있어 경량화에 유리하며, 냉각속도의 조절로 제조공정을 지속적으로 연계시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명 되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (8)
- 하수 슬러지, 정수 슬러지, 염색 슬러지, 제당 슬러지 및 피혁 슬러지로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 유기성 슬러지 100중량부에 대하여, 주 점결제로서 미연소 탄소에 의한 강열감량이 10~20중량%인 플라이애쉬 4~100중량부 및 보조 점결제 2~20중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 경량골재 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 조성물의 건조중량에 대하여, 폐석고 0.1~8중량부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 상기 경량골재 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 보조 점결제가 점토, 폐광미 및 석분슬러지에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 상기 경량골재 조성물.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 의한 조성물을 균질하게 혼합, 건조하여 함수율 20~40중량%인 페이스트를 제조하는 페이스트 제조단계;상기 페이스트로 일정형상을 가진 성형체를 제조하는 성형체 제조단계;상기 성형체를 함수율 20중량%이하로 건조하는 성형체 건조단계;상기 성형체를 킬른(kiln) 내에 투입, 1,180~1,300℃의 온도에서 발포소성하여 골재를 제조하는 발포소성단계; 및상기 골재를 냉각하는 냉각단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량골재 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제조방법이 상기 성형체 건조단계 이전 또는 이후에, 상기 성형체를 폐석고로 코팅하는 것을 특징으로 하는 상기 경량골재 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 성형체 제조단계가,상기 페이스트를 압출성형하여 각형 또는 원주(圓柱)형의 1차 성형체를 제조하고, 상기 1차 성형체를 회전하는 드럼에 투입하여 폐석고로 코팅하면서 동시에 구형의 2차 성형체를 제조하는 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 경량골재 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 발포소성단계가,예열대 부분인 600℃까지는 10~30℃/min로 승온하고, 승온대 부분인 600℃부터 발포를 시작하는 온도까지는 30~100℃/min로 승온하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 경량골재 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 냉각단계가,상기 골재를 냉각속도 50~200℃/min로 냉각하여 200~300℃의 온도에서 대기중으로 방출하는 것을 특징으로 하는 상기 경량골재 제조방법.
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