KR101425829B1 - 친환경고화재를 활용한 방초토 조성물 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친환경 고화재를 활용하여 보도에 잡초가 성장하지 못하도록 하는 방초토 조성물 및 이를 이용한 방초토 시공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저수지 및 하천 등을 준설한 준설토 및 현장토사를 이용하고, 결합재로서 시멘트를 전혀 사용하지 않은 친환경 고화재를 혼합하여 갓길의 보행자 안전 보행 및 교통사고를 예방하기 위한 목적으로 잡초가 발생 및 성장하지 않도록 하는 흙 콘크리트 형태의 방초토 조성물 및 이를 이용한 방초토 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 친환경 방초토 조성물은 입자크기가 40mm 이하인 토사 100중량부에 대하여, 고화재 10~35중량부를 포함하며, 상기 고화재는, 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~60%인 로내탈황방식 석탄연소 소각로에서 발생하는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 150~250중량부 및 페트롤코우크스 탈황석고 20~40중량부를 포함한다.

Description

친환경고화재를 활용한 방초토 조성물 및 이를 이용한 시공방법{ENVIRONMENT-FRENDLY SOIL AGENT FOR PREVENTING FROM GROWING WEEDS AND CONSTRUCTING METHOD BY THE SAME}

본 발명은 친환경 고화재를 활용하여 보도에 잡초가 성장하지 못하도록 하는 방초토 조성물 및 이를 이용한 방초토 시공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저수지 및 하천 등을 준설한 준설토 및 현장토사를 이용하고, 결합재로서 시멘트를 전혀 사용하지 않은 친환경 고화재를 혼합하여 갓길의 보행자 안전 보행 및 교통사고를 예방하기 위한 목적으로 잡초가 발생 및 성장하지 않도록 하는 흙 콘크리트 형태의 방초토 조성물 및 이를 이용한 방초토 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 도심지의 도로는 차도와 보도로 구분되고 로측은 경계블록을 설치하여 자동차의 진입방지와 보행자의 안전을 위한 구조로 되어 있다. 그러나 농로 또는 도심지를 제외한 시골의 포장도로의 경우에는 차도와 인도의 구분이 명확하지 않고 포장도로와 인접한 인도 즉, 비포장면과 비포장 농로 등에는 잡초가 무성하게 밀생하여 차량의 주행에 많은 방해를 받으며, 보행자의 안전도 위협받는 현실이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여는 정기적인 잡초의 예취, 제초제의 살포 등의 방초수단이 동원되나, 노반에 잡초의 종자나 뿌리가 남아있는 한 잡초의 근원적인 제거 또는 번식을 완전히 할 수 없게 만드는 것은 불가능하다.

한편 모든 농로 및 비포장 인도를 시멘트 콘크리트나 시멘트 콘크리트 블록 등으로 포장하는 방법을 생각할 수도 있으나, 잘 알려져 있듯이 시멘트의 경우 중금속 성분 및 기타 유해물질 등으로 인하여 주변 식생에 좋지 않은 영향을 미치며, 지나친 강성 때문에 보행감이 좋지 않은 단점이 있다.

또한 현장의 흙과 시멘트 또는 고화재를 혼합하여 도로를 구성하는 방법도 많이 개발되고 있다. 대한민국 등록특허 제10-0374122호에서는 포틀랜트시멘트 100중량부에 고로슬래그분말 20내지 200중량부, 석고 5내지 40중량부, 석회 5내지 30중량부로 이루어진 고화재에 소량의 계면활성제와 공기연행제를 첨가하는 기술을 제안하였으며, 대한민국 등록특허 제10-0762975호에서는 고로슬래그시멘트와 플라이애시시멘트의 혼합시멘트 또는 포틀랜트시멘트 90~95중량%와 알루미늄 설페이트와 소듐카보네이트로 이루어지는 무기염 5~10중량%로 이루어지는 흙포장도로용 고화재 기술을 제안하였다. 또한 대한민국 등록특허 10-0880602에서는 방초토 조성물중 시멘트결합재로서 보통포틀랜트시멘트 35~60중량%, 알루미나시멘트 또는 CSA 15~25.5 중량% 및 석고 5~15중량%에 소량의 촉진제, 지연제, 소포제 및 유동화제를 첨가하는 기술을 제안하고 있으나, 이러한 기술은 모두 시멘트계 고화재로서 시멘트 콘크리트 중의 골재를 흙으로 대체한 것이기 때문에 시멘트 콘크리트의 환경적 폐해를 그대로 가지고 있다고 할 수 있다.

그 외에도 다수 제안된 기존의 흙 고화재 또는 황토포장재에 사용되는 재료의 경우 대부분이 보통 포틀랜트 시멘트 만을 단독으로 사용하거나 시멘트를 주원료로 플라이애시나 석고, 석회 또는 CSA 등을 첨가하여 사용하고 있는데 이러한 시멘트는 제조과정에서 다량의 CO₂ 가스를 배출하는 사업이며, 시멘트는 주 원료를 석회석, 점토, 철광석으로 하며 연료로 석탄을 사용하여 고온에서 열분해하여 제조되는 즉, 천연자원 및 자연훼손이 심각한 제품이기 때문에 친환경적이라 말할 수 없다. 그리고 부원료로 사용되고 있는 석고는 국내에 부존하지않는 광물로서 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 물질이며, 알루미나시멘트 및 CSA 등도 시멘트 소성과정에서 알루미나성분 등 화학성분을 조정하여 생산하는 매우 고가의 특수시멘트로서 이들을 시공에 채택할 경우 경제적이지 못한 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 저수지나 수로의 준설토 또는 현장의 토사를 활용하고 결합재로 시멘트를 전혀 사용하지 않은 친환경 고화재를 혼합한 흙콘크리트형태의 방초토를 제조하여, 비포장 농로 및 포장도로 갓길의 비포장면에 잡초가 자라는 것을 차단하여 안전한 보행 및 교통사고를 방지하는 방초토 조성물 및 이를 이용한 방초토 시공방법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 친환경 방초토 조성물은 입자크기가 40mm 이하인 토사 100중량부에 대하여, 고화재 10~35중량부를 포함하며, 상기 고화재는, 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~60%인 로내탈황방식 석탄연소 소각로에서 발생하는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 150~250중량부 및 페트롤코우크스 탈황석고 20~40중량부를 포함한다.

또한 상기 고화재는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 수산화칼슘(CaOH₂)함량이 50중량% 이상이며 제철소의 탈황 및 탈인공정에서 발생되는 부산물 20~40중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 방초토 시공방법은 1) 농로 및 갓길을 방초토로 시공하기 위한 현장의 잡초 및 수목을 제거하는 단계; 2) 잡초 및 수목을 제거한 시공부지를 일정한 깊이로 파내어 정지하는 단계; 3) 현장토사 및 인근의 준설토와 고화재를 이용하여 방초토 조성물을 제조하는 단계; 및 4) 조성된 상기 방초토 조성물을 일정한 포설두께 및 배수 구배를 고려하여 포설하는 단계;를 포함한다.

또한 상기 4)단계 후에, 5) 상기 4)단계에 의해 형성된 포장체의 수축 및 팽창에 의한 파손을 방지하기 위하여 줄눈을 시공하는 단계;가 더 부가되는 것이 바람직하다.

상기 고화재는, 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~60%인 로내탈황방식 석탄연소 소각로에서 발생하는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 150~250중량부 및 페트롤코우크스 탈황석고 20~40중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 고화재는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 수산화칼슘(CaOH₂)함량이 50중량% 이상이며 제철소의 탈황 및 탈인공정에서 발생되는 부산물 20~40중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 저수지나 수로의 준설토 또는 현장의 토사를 활용하고 결합재로 시멘트를 전혀 사용하지 않은 친환경 고화재를 혼합한 흙 콘크리트형태의 방초토를 제조하여, 비포장 농로 및 포장도로 갓길의 비포장면에 잡초가 자라는 것을 차단하여 안전한 보행 및 교통사고를 방지하는 방초토 조성물을 제공하는 효과가 있다.

따라서 석회석, 점토, 철광석을 주원료로 하고, 석탄연로에 의한 고온에서 용융하여 제조되는 포틀랜트 시멘트를 전혀 사용하지 않기 때문에 친환경적인 시공이 가능하다.

이하, 본 발명에 의한 친환경고화재를 활용한 방초토 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 친환경고화재를 활용한 방초토 조성물은 방초토 시공대상 현장의 토사나 인근의 저수지 또는 하천의 준설토와, 결합재로서 시멘트를 전혀 사용하지 않은 친환경 고화재를 혼합한 흙 콘크리트형태의 방초토를 제조하여, 비포장 농로 및 포장도로 갓길의 비포장면에 잡초가 자라는 것을 차단하여 안전한 보행 및 교통사고를 방지하는 방초토 조성물을 제공한다.

보다 구체적으로 설명하면, 친환경고화재를 활용한 방초토 조성물은 토사 100중량부에 대하여, 시멘트를 포함하지 않은 친환경 고화재 10~35중량부를 포함한다.

또한 상기 고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~60%인 로내탈황방식 석탄연소 소각로에서 발생하는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 150~250중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 20~40중량부 및 수산화칼슘(CaOH₂)함량이 50중량% 이상이며 제철소의 탈황 및 탈인공정에서 발생되는 부산물 20~40중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 농로 및 갓길을 방초토로 시공하기위한 현장의 잡초 및 수목을 제거하는 단계와, 잡초 및 수목을 제거한 시공부지를 일정한 깊이로 파내어 정지하는 단계와, 현장토사 및 인근의 준설토와 친환경 고화재를 이용하여 방초토 조성물을 제조하는 단계와, 조성된 조성물을 일정한 포설두께 및 배수 구배를 고려하여 각종 장비를 이용하여 포설하는 단계와, 포장체의 수축 및 팽창에 의한 파손을 방지하기 위하여 줄눈을 시공하는 단계로 구성된다.

상기 준설토 및 현장토사의 경우 40mm 이상의 입도를 가진 원료를 선별하여 제거하는 공정이 필요하다. 이 선별공정은 첫째, 40mm 정도의 크기를 가진 진동 망체를 이용하여 40mm 이상의 골재를 선별하여야 한다. 입자크기가 40mm를 초과하는 경우에는, 방초토를 조성하였을 경우 너무 큰 입자로 인해 포장체의 마감이 어렵기 때문이다.

또한 상기 친환경고화재를 활용한 방초토 조성물은 토사 100중량부에 대하여, 시멘트를 포함하지 않은 친환경 고화재 10~35중량부를 포함한다.

또한 상기 친환경고화재는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~60%인 로내탈황방식 석탄연소 소각로에서 발생하는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그미분말 150~250중량부, 페트롤코우크스 탈황석고 20~40중량부 및 수산화칼슘(CaOH₂)함량이 50중량% 이상이며 제철소의 탈황 및 탈인공정에서 발생되는 부산물 20~40중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

일반적인 석탄연소 발전소의 대규모 PC보일러의 경우 연료로 사용하는 석탄의 황 성분 때문에 별도의 탈황설비를 갖춰 운전하기 때문에 발생되는 소각재의 경우 주성분이 SiO₂ 이지만 상기 로내탈황방식 석탄연소 소각로에서 발생하는 고칼슘 소각잔재는 중소규모 열병합발전소에서 주로 발생하는 소각잔재로서, 별도의 탈황설비를 구비하지 않고 석탄과 석회석을 혼소하여 석탄의 황성분과 공기중의 산소가 결합하여 생성된 아황산가스를 석회석의 탈탄산된 CaO와 반응시키는 로내탈황공정을 거치기 때문에 석탄연소 소각재에 상대적으로 CaO함량이 높은 특성을 가지고 있다.

로내탈황방식 고칼슘 소각잔재에 다량 함유된 산화칼슘은 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.

CaO+ H₂O->Ca(OH)₂+15.6kcal mol^-1

통상 대규모 PC 보일러 석탄연소 플라이애시 등의 소각잔재는 SiO₂가 주성분이며 유리화율이 높아 포졸란반응성을 가지고 있기 때문에 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재는 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다. 그러나 이러한 흡수 발열 및 팽창의 화학적 반응은 시멘트의 단점인 수축을 보상하고, 토립자의 수분을 조기에 흡수하여 지반을 신속히 안정시키는 효과가 있다.

따라서 본 발명은 통상적으로 콘크리트 혼화재료로 활용할 수 없는 로내탈황방식 고칼슘 소각잔재를 이용하는 것이다.

또한 상기 고로슬래그 미분말은 유사한 공정을 거쳐 생산되는 전로슬래그 미분말, 제강슬래그 미분말, 스테인리스슬래그 미분말 및 동제련슬래그 미분말 등과 비교하여 시험하였을 때 강도발현이 탁월하였다.

이러한 고로슬래그 미분말은 CaO가 주성분이나 물과 접촉하면 산화피막이 형성되어 스스로 수화반응을 하지 않기 때문에 고로슬래그미분말을 잠재수경성물질이라 한다. 잠재수경성이 발휘되기 위하여는 산화피막이 파괴되어야 하는데 이를 자극하는 물질이 바로 CaO가 주성분인 로내탈황방식 고칼슘소각재, 페트롤 코우크스 탈황석고 및 제철소 탈황 탈인 공정 부산물인 CH 이다.

또한 상기 페트롤 코우크스 탈황석고는 반응초기에 에트린가이트를 다량 생성해주는 물질로서 소각로에서 폐기물로 발생하기 때문에 동등한 성능을 발휘하는 무수석고나 소성에 의한 탈수과정을 거쳐야하는 인산석고 등에 비해서 경제성이 월등하다.

또한 제철소의 탈황 탈인 공정부산물은 입자상물질로서 이 역시 주성분이 CaO로 구성되어 있다.

상기 슬래그 미분말과 황산염 자극제 화학반응에 따른 초기 재령에서의 강도발현은 다량의 에트링가이트(ettringite)를 골격으로 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다. 또한 C-S-H겔은 에트링가이트를 감싸며 재령이 경과함에 따라 생성량이 지속적으로 증가하고 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 강도를 발현을 한다.

이와 같이 본 발명의 친환경고화재는 보통 포틀랜트 시멘트를 전혀 사용하지 않은 것으로서 비정질물질인 Free CaO 가 다량 함유된 발열성 소각잔재와 고로슬래그미분말을 원료로 사용하는 것이다. 고로슬래그 및 발열성 소각잔재 등은 시멘트와 달리 자체적으로 물과 수화되지 않지만, 수산화물 또는 황산염과 같은 자극제의 첨가에 의한 수화반응 유도의 경화특성을 갖고 있으며, 이러한 수화특성은 비결정질 입자의 불규칙적 3차원 쇄상결합이 절단되면서 망상 구조체 내부에 함유된 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, Al^{3 +} 등의 수식이온들이 용출되어 시멘트와 같은 경화특성을 지니게 되는 것이다. 본 발명에 적용될 친환경 고화재의 성분 구성을 살펴보면 SiO₂, Al₂O₃, CaO가 전체의 80%이상으로 대부분을 차지하고 있고, 나머지 Fe₂O₃, MgO 등의 성분들로 구성되어 있다.

이러한 성분들은 흙 속의 간극수 또는 배합수와 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘알류미네이트 수화물(CAH) 등의 새로운 수화물 및 포졸란 물질을 장기적으로 서서히 생성하게 되어 강도를 발현시키게 된다. 또한 약 50% 가까운 높은 CaO는 간극수의 소화와 함께 포틀랜다이트(Ca(OH)₂)를 생성하게 되고 자경효과에 의한 초기 강도를 결정짓게 되며 포틀랜다이트에서 방출되는 Ca2+이온은 대상토의 포함되어 있는 규산염(SiO₂)이나 알루민산염(Al₂O₃)과 반응하여 역시 칼슘실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘알루미네이트 수화물(CAH) 등을 생성하게 된다. 이러한 반응은 결국 시멘트를 사용하지 않아도 시멘트와 본질적으로 동일한 수화 메커니즘을 갖게 되는 것이다.

또한 이러한 친환경고화재는 상기 토사 100중량부에 대하여 10~35중량부 포함되는 것이 바람직한데, 10중량부 이하이면 강도발현이 너무 적어 안정적인 방초토로서의 역할이 어렵고, 35중량부 이상이면 농로나 갓길의 사람통행이나 우마차의 통행에 필요한 이상의 너무 높은 강도를 발휘하여 효율적이지 않다.

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

실시예

먼저, 본 발명에 따른 입자크기가 40mm 이하의 점토와 마사토가 혼합된 토사 100중량부에 대하여, 친환경 고화재 25중량부를 포함한 방초토 조성물에 상기 토사 100중량부에 대하여 30중량부의 물을 추가하고 강제식 믹서로 균일하게 혼합하여 방초토 조성물을 제조하였다. 여기서 친환경 고화재는 산화칼슘 함량이 48%인 로내탈황방식 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 고로슬래그 미분말 200중량부, 페트롤 코우크스 탈황석고 30중량부 및 수산화칼슘(CaOH₂)함량이 50중량% 이상이며 제철소의 탈황 및 탈인공정에서 발생되는 부산물 30중량부를 균일하게 혼합하여 제조하였다.

다음으로 방초토 조성물의 사용가능시간을 측정하기 위하여 혼합후 10분, 30분, 60분의 플로우를 측정하였으며, 방초토 조성물의 압축강도는 7일, 28일 압축강도를 측정하기 위하여 이를 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 몰드에 투입하여 6개의 공시체를 제작하고 항온항습기에서 상대습도 90%, 온도는 섭씨 20도의 환경에서 양생하였다.

비교예

먼저, 입자크기가 40mm 이하의 점토와 마사토가 혼합된 토사 100중량부에 대하여, 1종 보통 포틀랜트 시멘트 25중량부를 포함한 방초토 조성물에 상기 토사 100중량부에 대하여 30중량부의 물을 추가하고 강제식 믹서로 균일하게 혼합하여 방초토 조성물를 제조하였다.

다음으로 방초토 조성물의 사용가능시간을 측정하기 위하여 혼합후 10분, 30분, 60분의 플로우를 측정하였으며, 방초토 조성물의 압축강도는 7일, 28일 압축강도를 측정하기 위하여 이를 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 몰드에 투입하여 6개의 공시체를 제작하고 항온항습기에서 상대습도 90%, 온도는 섭씨 20도의 환경에서 양생하였다.

방초토의 성능시험방법 및 결과

아래 표 1에 나타낸 바와 같이 플로우 시험은 KS F 2594, 압축강도시험은 KS F 2343방법에 의해 실시하였다.

실험	방법	비고
슬럼프 플로우	KS F 2594	슬럼프 플로우 시험방법
압축강도	KS F 2343	일축압축강도시험방법

(1) 플로우의 경시변화

방초토의 가사시간을 측정하기 위하여 혼합후 10분, 30분, 60분의 플로우를 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 표2에서 알 수 있는바와 같이 실시예와 비교예 모두 충분한 플로우의 발현으로 만족할 만한 유동성을 나타냈으며, 플로우 경시변화역시 비교예 및 실시예 모두 혼합후 30분 까지 방초토를 시공하는데 필요한 충분한 유동성을 유지하는 것으로 나타났다.

구분	플로우(mm) 경시변화			일축압축강도(kgf/cm2)
	10분	30분	60분	7일	28일
실시예	630	590	360	170	275
비교예	600	550	380	135	220

(2) 일축압축강도의 변화

표2에 실시예 및 비교예에 일축압축강도를 나타내었다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 양생 7일에, 실시예는 170 kgf/cm², 비교예는 135 kgf/cm² 로 나타나 본 발명에 따른 친환경고화재가 보통 포틀랜드시멘트에 비하여 초기 강도가 높게 발현되는 결과를 보였다. 또한 28일 강도의 결과를 보면 시멘트의 경우 220 kgf/cm²이라는 강도를 보이지만 본말명의 조성물인 실시예에서는 275 kgf/cm² 의 비교적 고강도를 나타내었다.

따라서 이러한 강도를 가지는 방초토 조성물이 시공될 경우 충분한 목적이 달성될 수 있으며, 포틀랜트 시멘트를 전혀 사용하지 않은 친환경적인 공사를 가능케 할 것이다.

Claims (6)

1. 입자크기가 40mm 이하인 토사 100중량부에 대하여, 고화재 10~35중량부를 포함하며,
   상기 고화재는,
   잠재수경성 물질인 고로슬래그미분말과,
   상기 고로슬래그미분말의 산화피막을 파괴하여 상기 고로슬래그미분말의 잠재수경성을 발휘하게 하는 페트롤 코우크스 탈황석고를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 방초토 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고화재는,
   산화칼슘(CaO) 함량이 20%~60%인 로내탈황방식 석탄연소 소각로에서 발생하는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 상기 고로슬래그미분말 150~250중량부 및 상기 페트롤코우크스 탈황석고 20~40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 방초토 조성물.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 고화재는 고칼슘 소각잔재 100중량부에 대하여, 수산화칼슘(CaOH₂)함량이 50중량% 이상이며 제철소의 탈황 및 탈인공정에서 발생되는 부산물 20~40중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 방초토 조성물.
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