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KR100945152B1 - 비폭성 무진동 파쇄제 - Google Patents

비폭성 무진동 파쇄제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비폭성 무진동 파쇄제에 관한 것으로, 수화반응을 일으키는 산화칼슘(CaO) 분말 70∼90 중량%과 분말 형태로 이루어지며, CaCO3, SiO2, Fe2O3, Al2O3, MgO, SO3를 포함하는 첨가제 10∼30 중량%를 혼합하여 구성되는 비폭성 무진동 파쇄제를 제공한다.
본 발명에 의할 경우, 비폭성 무진동 파쇄제의 수화반응시 발생되는 팽창압이 기존 파쇄제에 비해 현저히 증가하여 천연 암반 뿐 아니라 고강도 콘크리트로 구성된 구조물도 용이하게 파쇄하는 것이 가능한 바 적용성 및 시공성, 경제성이 개선될 수 있다.

Description

비폭성 무진동 파쇄제 {Non-Explosive Demolition mortar}
본 발명은 비폭성 무진동 파쇄제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화칼슘의 수화반응시 발생되는 팽창력을 이용하여 구조물을 파쇄하는 비폭성 무진동 파쇄제에 관한 것이다.
인공 및 천연 구조물 등을 사전 계획된 대로 형상화 하거나 처리하는 기술은 다양하게 발전되어 왔다. 이와 동시에, 건설, 건축, 토목 공사 등에서 목적물을 파괴 및 파쇄하는 기술 또한 발전하여 왔다. 특히 밀집된 구조물의 특정 부위를 파쇄하거나, 밀집된 구조물 사이에서 특정 구조물을 파쇄하기 위하여 정교하고 정밀한 파괴 및 파쇄 공법들이 연구되고 있다.
이러한 파괴 및 파쇄 공법으로서, 구조물 내측에 폭발성 제품을 주입하여 가스나 열에 의한 순간적인 팽창압을 이용하는 발파 공법, 콘크리트나 암반을 절단할 수 있는 특수한 와이어를 이용하는 DWS(Diamond wire saw) 공법 등이 제안되었으나, 발파 공법의 경우 소음 및 진동이 심하고 밀집된 지역에서 공사가 불가한 단점이 있었고, DWS 공법의 경우 와이어 마모로 인해 교체 빈도가 잦고 공사비가 많이 소요되는 문제점이 있으며, 절단시 발생하는 슬러지가 환경 오염원이 되어 처리시 설이 추가로 필요한 실정이다.
최근에는, 구조물에 천공을 형성하고 천공 내측에 파쇄제를 투입하여 산화칼슘의 수화반응시 발생되는 팽창압을 이용하여 구조물을 파괴 및 파쇄하는 공법이 연구되고 있다. 다만, 이에 의할 경우 산화칼슘의 수화반응시 천공 내벽을 따라 충분한 팽창압이 가해지지 않고 천공 상측으로 분출되는 경우가 발생하였다. 또한, 고강도 콘크리트로 구성된 구조물에 적용하는 경우, 수화반응시 파쇄제의 팽창압이 부족하여 이러한 공법을 적용하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 고강도의 재료로 구성된 구조물이더라도 충분한 팽창압을 제공하여 구조물을 파쇄 및 파괴할 수 있는 파쇄제를 제공하기 위함이다.
본 발명의 목적은, 수화반응을 일으키는 산화칼슘(CaO) 분말 70∼90 중량%과 분말 형태로 이루어지며, CaCO3, SiO2, Fe2O3, Al2O3, MgO, SO3를 포함하는 첨가제 10∼30 중량%를 혼합하여 구성되는 비폭성 무진동 파쇄제에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 첨가제는 전체 중량 대비 CaCO3 1∼10 중량%, SiO2 2∼10 중량%, Fe2O3 2∼6 중량%, Al2O3 1∼5 중량%, MgO 1∼5 중량%, SO3 0.5∼5 중량%를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 첨가제는 상기 산화칼슘의 수화반응을 촉진시키는 알칼리금속 산화물을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 알칼리금속 산화물은 Na2O 또는 K2O로 구성될 수 있고, 구체적으로 상기 알칼리금속 산화물은 전체 중량 대비 Na2O 0.01∼1 중량% 및 K2O 0.01∼1 중량%로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 첨가제는 MnO, P2O5 및 TiO2를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직 하다. 이때, MnO, P2O5 및 TiO2는 각각 전체 중량 대비 0.01∼1 중량%가 포함되도록 구성될 수 있다.
또는, 상기한 본 발명의 목적은 산화칼슘(CaO) 70∼90 중량%; CaCO3 1∼10 중량%; SiO2 2∼10 중량%; Fe2O3 2∼6 중량%; Al2O3 1∼5 중량%; MgO 1∼5 중량%; SO3 0.5∼5 중량%; Na2O 0.01∼1 중량%; K2O 0.01∼1 중량%; MnO 0.01∼1 중량%; P2O5 0.01∼1 중량%; 및 TiO2 0.01∼1 중량%를 혼합하여 구성되는 분말 형태의 비폭성 무진동 파쇄제에 의해 달성되는 것도 가능하다.
본 발명에 의할 경우, 파쇄제의 수화반응시 발생되는 팽창압이 현저히 증가하여 천연 암반 뿐 아니라 고강도 콘크리트로 구성된 구조물도 용이하게 파쇄하는 것이 가능한 바 적용성 및 시공성, 경제성 개선될 수 있다.
이하에서는 도면 및 표를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비폭성 무진동 파쇄제에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제를 제조하는 단계를 도시한 순서도이다.
본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제는 물에 대한 반응성이 좋은 산화칼 슘(CaO)을 주성분으로 사용할 수 있다. 산화칼슘(CaO)은 일반적으로 생석회라 불리는 것으로, 액체 또는 기체상태의 수분과 결합하여 수화반응을 일으킨다. 이때, 산화칼슘(CaO)가 물과 반응하는 경우 비중이 3.4에서 2.24로 크게 변화하면서 1.5∼2.0 배의 부피 팽창이 발생할 수 있다.
이러한 산화칼슘(CaO)은 석회석 또는 탄산칼슘을 약 900℃로 가열하여 얻어질 수 있고, 1000℃∼1500℃의 범위 내에서 석회석을 소성하는 경우 초기에 유효한 수화 반응성 및 우수한 팽창압 발현특성을 갖는 산화칼슘(CaO)을 획득하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 1400℃ 전후의 온도로 8∼10시간 가열하여 산화칼슘(CaO)를 생산할 수 있다.
본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제의 주성분인 산화칼슘(CaO)을 획득한 이후에는 이외의 첨가물을 추가적으로 더 첨가할 수 있다. 본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제는 산화칼슘(CaO)의 수화반응시 반응특성을 이용하고 있고, 산화칼슘(CaO)는 수분이 존재하는 경우 다른 금속과도 반응이 발생할 수 있는 바, 소정의 첨가제를 추가하여 비폭성 무진동 파쇄제의 반응특성을 개선하는 것이 가능하다.
상기 첨가제는 산화알루미늄(Al2O3) 및 삼산화황(SO3)을 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제에는 CaO-Al2O3-SO3 계의 물질 미리 배합된 상태로 존재할 수 있다.
CaO-Al2O3-SO3 계의 물질은 수화반응시 에트링가이트(Ettringite)란 물질을 생성한다. 상기 에트링가이트는 산화칼슘만이 수화반응할 때에 비해, 팽창이 폭발 적으로 발생하는 바 팽창효과를 극대화 시킬 수 있다. 따라서, 본 발명과 같이 비폭성 무진동 파쇄제에 CaO-Al2O3-SO3 물질을 미리 배합하는 경우, 수화반응이 일어나면서 에트링가이트의 결정이 보다 조밀하게 코팅되어 덮이게 되는데 이러한 코팅은 자체 팽창을 일으키는 토포케미칼(topochemical) 반응의 성질을 띄면서, 팽창압을 현저하게 증가시키는 것이 가능하다.
다만, 전술한 에트링가이트는 폭발적인 팽창물질이므로 수화반응시 천공홀 상측으로 솟아오르는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제는 이를 제어할 수 있는 첨가물을 추가적으로 포함하여 혼합되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 실시예에 따른 비폭성 무진동 파쇄제는 이산화규소(SiO2), 산화철(Fe2O3), 탄산칼슘(CaCO3) 및 산화마그네슘(MgO) 등의 첨가물을 추가적으로 더 포함하여 혼합되는 것이 바람직하다.
이 경우, 비폭성 무진동 파쇄제는 잠재수경성과 포졸란 반응성을 발연하여 파쇄제의 급격한 반응속도를 지연시킬 수 있을 뿐 아니라, 수경성을 발휘하여 팽창압에 의해 파쇄제가 상부로 유출되지 않고 대상 구조물에 유효한 팽창압을 장시간 발현할 수 있는 특성을 갖는다. (도 2참조)
나아가, 본 실시예에 따른 비폭성 무진동 파쇄제는 추가적으로 소정의 알칼리금속 산화물을 첨가물로서 추가하여 혼합 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 산화 나트륨(Na2O) 및 산화칼륨(K2O)를 추가하여 비폭성 무진동 파쇄제를 형 성하였으며, 이 경우 비폭성 무진동 파쇄제의 팽창압이 증가하는 것을 실험을 통해 발견하였다.
또한, 이외에도 기타의 중금속 산화물 또는 오산화인(P2O5)을 비폭성 무진동 파쇄제에 추가적으로 첨가하는 경우, 팽창압의 강도가 더욱 증가하고 증가하는 것을 실험을 통해 발견하였다. 따라서, 본 실시예에서는 산화망간(MnO), 산화티타늄(TiO2) 및 오산화인(P2O5)을 추가적으로 첨가하여 비폭성 무진동 파쇄제를 형성하였다.
전술한 구성 성분들을 혼합하여 구성된, 본 실시예에 따른 비폭성 무진동 파쇄제의 성분비는 아래의 표와 같다.
구성성분 중량%
CaO 70∼90 중량%
CaCO3 1∼10 중량%
SiO2 2∼10 중량%
Fe2O3 2∼6 중량%
Al2O3 1∼5 중량%
MgO 1∼5 중량%
SO3 0.5∼5 중량%
Na2O 0.01∼1 중량%
K2O 0.01∼1 중량%
MnO 0.01∼1 중량%
P2O5 0.01∼1 중량%
TiO2 0.01∼1 중량%
상기와 같은 성분비는 반복적인 실험을 통하여 상용 가능한 범위의 비폭성 무진동 파쇄제를 형성할 수 있는 구성 성분비를 도출한 것이다.
상기와 같이 적정한 비율로 첨가물을 혼합한 후, 이를 분쇄하는 작업을 수행한다. 이때 비폭성 무진동 파쇄제를 구성하는 각각의 구성성분이 수화반응시 충분하게 반응할 수 있도록, 미세분말의 형태로 가공되는 것이 바람직하다.
이처럼, 미세분말의 형태로 가공된 비폭성 무진동 파쇄제는 약 1000℃의 온도에서 2∼3 시간동안 2차 열처리가 이루지면서 완성될 수 있다.
이하에서는 전술한 바와 같이 제조된 비폭성 무진동 파쇄제를 이용하여 구조물을 파쇄하는 실험 결과에 대하여 설명하도록 한다.
이상과 같이 제조된 비폭성 무진동 파쇄제는 물과 함께 모르타르 형태로 혼합된다. 그리고, 파쇄하고자 하는 구조물에 소정 간격으로 천공을 형성한 후, 물과 혼합된 모르타르 형태의 비폭성 무진동 파쇄제를 주입한다.
천공에 주입된 비폭성 무진동 파쇄제 혼합물은 수화반응에 의해 천공 내벽을 따라 팽창압을 가하면서 구조물을 파쇄할 수 있다. 이 경우, 천공의 구경이 클수록 구조물에 가해지는 팽창압이 증가하나, 실험 결과 천공의 구경이 100mm이상인 경우에는 천공의 내벽으로 가해지는 팽창압에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 본 실시예에서는 팽창압의 크기 및 경제성을 고려하여 50mm∼75mm의 범위로 천공을 형성하고 비폭성 무진동 파쇄제 혼합물을 주입하였다.
도 2는 본 실시예에 따른 비폭성 무진동 파쇄제를 이용하여 실험을 한 결과, 시간에 따라 구조물에 가해지는 팽창압의 크기를 도시한 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 비폭성 무진동 파쇄제는 수화반응이 시작된 후 장시간 동안 지속적으로 팽창압이 증가한다. 수화반응이 시작된 1시간 이후부터 12시간에 인접하는 구간까지는 상대적으로 가파르게 팽창압이 증가한 후, 이후에는 수화반응이 종료될 때까지 완만하게 팽창압이 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 비폭성 무진동 파쇄제는 종래에 비하여 현저히 증가된 팽창압을 보이게 된다. 종래의 경우, 팽창압의 300kg/cm2을 초과하지 못하는 것이 대부분이었다. 다만, 본 실시예의 경우 수화반응이 시작된 후 12시간이 지난 이후부터 400kg/cm2에 근사한 팽창압을 갖고, 이후에도 수화반응이 종료될 때까지 지속적으로 증가하여 600kg/cm2 에 이르는 팽창압을 갖게 된다.
따라서, 천연 암석의 파괴에만 국한되었던 종래의 파쇄제에 비하여, 고강도 콘크리트 등을 이용한 인공 구조물에도 비폭성 무진동 파쇄제를 적용한 구조물의 해체가 가능하다. 일 예로서, 도 3은 교각의 기초로 사용되는 고강도 콘크리트를 이용하여 실험한 모습을 나타낸 사진이다.
도 3a는 천공상에 비폭성 무진동 파쇄제를 주입한지 12시간이 경과한 후의 사진, 도 3b는 천공상에 비폭성 무진동 파쇄제를 주입한지 18시간이 경과한 후의 사진, 도 3c는 천공상에 비폭성 무진동 파쇄제를 주입한지 24시간이 경과한 후의 사진이며, 도 3d는 도 3c의 균열의 모습을 확대한 사진이다.
본 실험에 사용된 구조물은 고강도 콘크리트로 구성된 것으로서, 500kg/cm2 이상의 팽창압이 가해지는 경우에 한해 구조물이 파쇄되도록 설계된 것이다. 따라서, 본 실험의 결과를 통해 본 실시예에 의한 비폭성 무진동 파쇄제의 팽창압이 종래에 비해 현저하게 개선되었음을 알 수 있다.
이와 같은, 비폭성 무진동 파쇄제는 소음 및 진동이 적으면서 안전하게 구조물의 해체작업을 진행하는 것이 가능하다. 또한 다양한 첨가제를 이용하여 수화반응시 발생하는 팽창압을 개선하여, 고강도의 인공구조물에 대한 해체작업에도 적용가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제를 제조하는 단계를 도시한 순서도,
도 2는 비폭성 무진동 파쇄제의 수화반응에 따른 시간별 팽창압의 크기를 도시한 그래프이고,
도 3은 본 발명에 따른 비폭성 무진동 파쇄제를 이용하여 구조물을 파쇄하는 실험 결과를 촬영한 사진이다.

Claims (9)

  1. 산화칼슘(CaO) 분말 70∼90 중량%과
    분말 형태로 이루어지며, Al2O3, SO3, SiO2 및 Fe2O3를 포함하는 첨가제 10∼30 중량%를 혼합하여 구성되며,
    상기 첨가제는 MnO, P2O5 및 TiO2를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비폭성 무진동 파쇄제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 첨가제는 CaCO3 및 MgO를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비폭성 무진동 파쇄제.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 첨가제는 전체 중량 대비 CaCO3 1∼10 중량%, SiO2 2∼10 중량%, Fe2O3 2∼6 중량%, Al2O3 1∼5 중량%, MgO 1∼5 중량%, SO3 0.5∼5 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비폭성 무진동 파쇄제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 첨가제는 알칼리금속 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비폭성 무진동 파쇄제.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 알칼리금속 산화물은 Na2O 또는 K2O로 구성되는 것을 특징으로 하는 비폭성 무진동 파쇄제.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 알칼리금속 산화물은 전체 중량 대비 Na2O 0.01∼1 중량% 및 K2O 0.01∼1 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비폭성 무진동 파쇄제.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 MnO, P2O5 및 TiO2는 각각 전체 중량 대비 0.01∼1 중량%가 포함되는 것을 특징으로 하는 비폭성 무진동 파쇄제.
  9. 산화칼슘(CaO) 70∼90 중량%; CaCO3 1∼10 중량%; SiO2 2∼10 중량%; Fe2O3 2∼6 중량%; Al2O3 1∼5 중량%; MgO 1∼5 중량%; SO3 0.5∼5 중량%; Na2O 0.01∼1 중 량%; K2O 0.01∼1 중량%; MnO 0.01∼1 중량%; P2O5 0.01∼1 중량%; 및 TiO2 0.01∼1 중량%를 혼합하여 구성되는 분말 형태의 비폭성 무진동 파쇄제.
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