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KR101835795B1 - 열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물 - Google Patents

열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물 Download PDF

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KR101835795B1
KR101835795B1 KR1020160082887A KR20160082887A KR101835795B1 KR 101835795 B1 KR101835795 B1 KR 101835795B1 KR 1020160082887 A KR1020160082887 A KR 1020160082887A KR 20160082887 A KR20160082887 A KR 20160082887A KR 101835795 B1 KR101835795 B1 KR 101835795B1
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(주)신성프라스틱
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Abstract

본 발명은 열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 관로 채움, 구조물 뒷채움, 땅꺼짐이나 싱크홀 채움, 공동이나 폐광 등의 채움재로 활용될 수 있으며 열병합발전소에서 발생되어 수경성이 있는 플라이애시를 기본물질로 하고 재료의 배합비를 조절하여 강도 및 응결시간, 단위중량의 조절이 용이한 무다짐 방식의 유동화 채움재 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물은 제 1플라이애시 30 내지 80중량%와, 시멘트 및 고로 슬래그 중에서 선택된 어느 하나의 강도조절제 1 내지 40중량%와, 무수석고 및 반수석고 및 제 2플라이애시 중에서 선택된 어느 하나의 응결조절제 1 내지 30중량%와, 기포제 및 골재 중에서 선택된 어느 하나의 단위중량조절재 1 내지 50중량%를 함유하고, 상기 제 1플라이애시는 미분탄에 석회석을 첨가하여 연소시키는 열병합발전소에서 발생된 것이다.

Description

열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물{flowable fills using fly ash of cogeneration plant}
본 발명은 열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 관로 채움, 구조물 뒷채움, 땅꺼짐이나 싱크홀 채움, 공동이나 폐광 등의 채움재로 활용될 수 있으며 열병합발전소에서 발생되어 수경성이 있는 플라이애시를 기본물질로 하고 재료의 배합비를 조절하여 강도 및 응결시간, 단위중량의 조절이 용이한 유동화 채움재 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 토목공사의 굴착복구 공사에서는 관로 또는 지하 매설물을 설치한 후에 다시 토사를 되메우는 작업을 하는데, 굴착 보수 공사를 수행할 때의 교통 소통의 어려움, 공사장 주위의 민원, 공사 후에 발생하는 하자로 인하여 굴착 복구 공사 방법이 표준화되어 있다.
현재 국내에서는 굴착 복구공사 수행 시 교통흐름과 인근 주민의 불편을 최소로 하기 위해서 신속하게 공사를 완료하는 공정상의 특징 때문에 양질의 공사를 실시하기 어려운 상황이다. 부족한 공사시간으로 인해 관의 기초 및 토사의 다짐이 불충분한 경우가 발생하고 토사의 특성상 추가 침하가 발생하기 때문에 재포장 후에 굴착했던 부위를 따라 균열이 발생하는 경우가 발생하게 된다.
일반적으로 되메우기를 할 때는 모래나 현장의 굴착토사를 이용하여 다짐을 하여야 하나 현장이 협소하여 기계나 인력다짐을 할 수 없을 경우가 많다. 또한 다짐을 하더라도 5% 이상의 침하가 발생하며 후속작업으로 채우기 작업을 수행하여야 하는 번거로움이 있다.
관로 채움시에는 모래 채움을 많이 하지만, 모래는 지하수 흐름이 있을 경우 세굴의 영향으로 유실되어 함몰이나 땅 꺼짐 현상이 일어나게 된다. 관로공사는 도로를 점용하기 때문에 가급적 신속히 공사를 완료함과 동시에 침하 및 지하수로 인한 채움재의 유실이 일어나지 않는 채움재가 요구된다.
흙이나 모래 등으로 되메우기나 채움을 할 경우 침하가 발생하며 세굴의 영향으로 함몰될 가능성이 있다. 또한 강도나 응결시간, 단위중량을 인위적으로 조절할 수가 없는 단점이 있다.
구조물 뒷채움이나 토압경감을 위하여 채움재의 단위중량이 낮도록 조절하여야 하고, 관로 부설시에는 단위중량이 높고 슬럼프가 낮은 채움재가 필요하다. 또한 용도에 따라 재굴착이 필요할 경우 인력이나 장비로 굴착이 가능하도록 강도를 낮게 하거나 굴착이 필요 없을 경우에는 강도를 높게 조절하는 등의 기능을 가진 채움재가 필요하다.
이와 같이 용도에 따라 재료의 배합비를 조절하여 강도 및 응결시간, 단위중량의 조절이 용이한 유동화 채움재의 필요성이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제 10-1146339호: 무다짐 무진동 기능성 유동화 채움재
본 발명은 관로 채움, 구조물 뒷채움, 땅꺼짐이나 싱크홀 채움, 공동이나 폐광 등의 채움재로 활용될 수 있으며 열병합발전소에서 발생되어 수경성이 있는 플라이애시를 기본물질로 하고 재료의 배합비를 조절하여 강도 및 응결시간, 단위중량의 조절이 용이한 무다짐 방식의 유동화 채움재 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물은 제 1플라이애시 30 내지 80중량%와, 시멘트 및 고로 슬래그 중에서 선택된 어느 하나의 강도조절제 1 내지 40중량%와, 무수석고 및 반수석고 및 제 2플라이애시 중에서 선택된 어느 하나의 응결조절제 1 내지 30중량%와, 기포제 및 골재 중에서 선택된 어느 하나의 단위중량조절재 1 내지 50중량%를 함유하고, 상기 제 1플라이애시는 미분탄에 석회석을 첨가하여 연소시키는 열병합발전소에서 발생된 것이다.
상기 제 1플라이애시는 분말도 3000 내지 5000㎠/g, 산화칼슘(CaO)함량 20 내지 50중량%로서 수경성을 갖는다.
상기 유동화 채움재 조성물은 각 재료의 함량을 조절하여 강도 0.3~3Mpa, 응결시간 30분~6시간, 단위중량 0.3~2.5t/m3로 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 열병합발전소에서 발생되어 수경성이 있는 플라이애시를 기본물질로 하고 재료의 배합비를 조절하여 강도 및 응결시간, 단위중량의 조절이 용이하다.
그리고 본 발명의 유동화 채움재 조성물은 기존의 토사나 시멘트 채움에 비하여 응결시간이 빨라 공사시간이 단축되며 굴착여부에 따라 강도 조절이 용이하여 공사비 절감에도 유리하다. 또한, 단위중량을 인위적으로 조절가능하기 때문에 토압경감이 필요한 곳에 신속히 무다짐으로 시공이 간편하다.
따라서 본 발명의 유동화 채움재 조성물은 관로 채움, 구조물 뒷채움, 땅꺼짐이나 싱크홀 채움, 공동이나 폐광 등의 채움재로 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 이용한 유동화 채움재 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 유동화 채움재 조성물은 제 1플라이애시, 강도조절제, 응결조절제, 단위중량조절재를 함유한다. 가령, 제 1플라이애시 30 내지 80중량%와, 강도조절제 1 내지 40중량%와, 응결조절제 1 내지 30중량%와, 단위중량조절재 1 내지 50중량%를 함유할 수 있다.
제 1플라이애시는 석탄 연소시 부산물로 발생되는 석탄재를 의미한다. 제 1플라이애시는 석탄연소과정에서 집진시설에 포집된 비산재이다. 바람직하게 본 발명은 유연탄을 분말화시킨 미분탄에 석회석을 첨가하여 연소시키는 열병합발전소에서 발생된 플라이애시를 제 1플라이애시로 이용한다. 따라서 본 명세서에서 제 1플라이애시는 미분탄에 석회석을 첨가하여 연소시키는 열병합발전소의 집진시설에서 포집된 석탄재를 의미한다.
국내에서 발생되는 석탄재는 크게 2종류로 분류될 수 있다. 첫째는 일반 화력발전소처럼 연소온도가 1100~1300℃의 높은 온도에서 역청탄을 원탄으로 사용하여 발생되는 F급 석탄재이고, 둘째는 열병합 발전소에서 발생되는 것으로서 유동층 연소보일러 시스템을 이용하여 연소온도 900℃ 이하에서 역청탄, 갈탄을 원탄으로 사용하고, 원탄에 석회석 분말을 첨가하여 연소시 생성되는 C급 석탄재이다.
일반 화력발전소에서 발생하는 F급 석탄재와 같이 순수 역청탄만을 연소하여 발생하는 석탄회의 경우에는 산화칼슘(CaO) 함량이 1~5중량% 이하이고, 역청탄이 미분상태에서 고온 직화 연소되기 때문에 중공 구형의 입자를 갖는 석탄재로 생성된다. 반면, 열병합 발전소에서 생성되는 C급 석탄재와 같은 경우에는 낮은 온도에서 연소되기 때문에 불규칙한 입자이고 대부분 결정질로 구성되어 있으며, 원탄에 석회석 분말을 첨가하여 연소시키므로 산화칼슘(CaO)의 함량이 20중량% 이상으로 매우 높다는 특징을 갖는다. 하기 표 1에 열병합발전소에서 생성된 플라이애시와 화력발전소에서 생성된 플라이애시의 화학조성을 나타내었다.

항목		 함량(wt%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3
열병합발전소 플라이애시 31.6 16.0 5.66 32.7 3.52 1.08 1.34 6.24
화력발전소
플라이애시		 62.8 21.1 5.95 3.60 1.13 0.98 1.80 0.59
하기 표 1에 나타난 바와 같이 일반 화력발전소에서 발생하는 플라이애시는 SiO2함량이 높으나 CaO함량이 낮아서 강도반응을 위한 알칼리성분이 부족한 잠재수경성을 나타내지만, 열병합발전소에서 발생한 플라이애시는 포졸란물질과 CaO 함량이 높아 알칼리 자극제가 함유되어 있으므로 스스로 굳은 수경성을 나타내는 특징이 있다.
이와 같이 미분탄에 석회석을 첨가하여 연소시키는 열병합발전소의 집진시설에서 포집된 석탄재인 제 1플라이애시는 분말도 3,000 ~5,000㎠/g, CaO 함량이 20중량% 이상, 가령 20 내지 50중량%인 것이 바람직하다.
상기의 제1플라이애시는 미분말 형태로서 수분과 접촉시에 수화반응을 일으켜 스스로 굳는 수경성을 나타내는 특징이 있으므로 유동화 채움재 조성물의 주재료로 이용한다. 제1플라이애시는 열병합발전소에서 발생하는 산업부산물로서 유동화 채움재 조성물로 사용할 경우 재료비를 절약하는 한편, 산업부산물을 유용한 재료로 재활용하는 효과가 있다.
강도조절제로 시멘트 및 슬래그 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. 슬래그로 고로 슬래그 분말을 이용할 수 있다. 강도조절제는 유동화 채움재 조성물의 압축강도 조절을 위한 것으로서, 압축강도를 0.3~3Mpa로 조절할 수 있도록 강도조절제는 1~40중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 강도조절체의 함량이 1중량% 미만이면 유동화 채움재 조성물의 강도가 약해져서 채움재의 기능을 발휘하지 못하는 단점이 있고, 40중량%를 초과하면 강도가 필요 이상으로 높아지며 시공비가 상승하는 단점이 있다.
응결조절제로 무수석고 및 반수석고 및 제 2플라이애시 중에서 선택된 어느 하나를 이용한다. 응결조절제는 유동화 채움재 조성물의 응결시간을 조절하기 위한 것으로서, 응결조절제는 1~30중량%를 첨가하는 것이 바람직하다.
제 2플라이애시는 화력발전소의 집진시설에서 포집된 석탄재를 의미한다. 이러한 제 2플라이애시는 상술한 제 1플라이애시와 다른 특성을 갖는다. 제 2플라이애시는 SiO2함량은 높으나 CaO함량이 낮아서 강도반응을 위한 알칼리성분이 부족한 잠재수경성을 갖는다.
응결조절제로 무수석고나 반수석고를 사용하면 응결시간을 단축할 수 있다. 그리고 응결시간을 늘릴 필요가 있을 경우에는 장기강도 발현성이 있는 제 2플라이애시를 응결조절제로 사용한다.
단위중량조절재는 유동화 채움재 조성물의 단위체적당의 중량 조절을 위해 사용된다. 단위중량 조절을 위해 단위중량조절재는 1 내지 50중량%가 함유되는 것이 바람직하다. 단위중량조절재로 기포제 및 골재 중에서 선택된 어느 하나를 이용한다. 기포제로 통상적인 콘크리트용 기포제를 사용할 수 있다. 그리고 골재로 모래나 자갈과 같은 천연골재 또는 슬래그 골재를 이용할 수 있다.
단위중량을 줄여 토압을 경감하기 위해서는 기포제를 단위중량조절재로 첨가하는 것이 바람직하고, 관로 포설시에는 슬럼프가 낮고 단위중량이 높은 것을 사용하는 것이 유리하므로 이때는 단위중량조절재로서 골재를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 pH조절제로서 황산반토가 추가될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 제 1플라이애시 30 내지 80중량%와, 시멘트 및 고로 슬래그 중에서 선택된 어느 하나의 강도조절제 1 내지 40중량%와, 무수석고 및 반수석고 및 제 2플라이애시 중에서 선택된 어느 하나의 응결조절제 1 내지 30중량%와, 기포제 및 골재 중에서 선택된 어느 하나의 단위중량조절재 1 내지 50중량%를 혼합하여 유동화 채움재 조성물을 제조할 수 있다.
본 발명의 유동화 채움재 조성물은 각 재료의 함량을 조절하여 강도 0.3~3Mpa, 응결시간 30분~6시간, 단위중량 0.3~2.5t/m3로 조절이 가능하다. 또한, 본 발명은 강도조절제의 종류, 응결조절제의 종류, 단위중량조절재의 종류에 따라 강도, 응결시간, 단위중량의 조절이 용이하다.
본 발명의 유동화 채움재 조성물은 물과 적당한 비율(슬럼프 100~230mm 범위)로 혼합하여 관로 채움, 구조물 뒷채움, 땅 꺼짐이나 싱크홀 채움, 공동이나 폐광 등의 채움재로 활용된다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 유동화 채움재 조성물의 제조방법에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
산화칼슘 함량이 32.7wt%인 제 1플라이애시와, 강도조절제로서 시멘트(포틀랜드시멘트, 쌍용양회)와 슬래그 분말(고로슬래그 분말, 대한시멘트, 분말도 4000~6000cm2/g), 응결조절제로서 산화칼슘 함량이 3.60wt%인 제 2플라이애시, 단위중량조절재로서 슬래그 골재(페로니켈슬래그, 이노샌드, 입자크기 5~10mm)를 혼합하여 유동화 채움재 조성물을 제조하였다.
제 1플라이애시로 열병합발전소에서 발생된 비산재(한화에너지, 분말도 3000~4500cm2/g)를 이용하였고, 제 2플라이애시로 화력발전소에서 발생된 비산재(하동화력발전소, 분말도 3000~4500cm2/g)를 이용하였다.
하기 표2와 같이 제1플라이애시를 주원료로 하여, 강도조절재로 시멘트 또는 슬래그분말, 응결조절재로 제2플라이애시, 단위중량조절재로 슬래그 골재의 혼합비를 조절하여 유동화 채움재 조성물을 제조한 후 1.2배(부피기준)의 물을 혼합한 다음 양생하였다. 양생 7일 후 일축압축강도는 KS F 2405 시험방법, 응결시간은 KS L ISO 9597 시험방법, 단위중량은 전자저울을 이용하여 측정하였다.
각 재료의 조성에 따른 유동화 채움재 조성물과 그에 따른 실험결과 값을 하기 표 2에 나타내었다.

제1플라이애시
(wt%)		 강도조절제 응결조절제 단위중량조절재 결과
시멘트
(wt%)		 슬래그분말(wt%) 제2플라이애시(wt%) 슬래그
골재(wt%)		 압축강도
(MPa)		 응결시간 단위중량
(t/m3)



강도조절



 65 5 - 10 20 0.525
60 10 - 10 20 0.797
50 20 - 10 20 1.86
40 30 - 10 20 2.82
65 - 5 10 20 0.75
60 - 10 10 20 1.47
50 - 20 10 20 3.01
40 - 30 10 20 3.75

응결시간
 50 10 - 20 20 30분
45 10 - 25 20 1시간
40 10 - 30 20 3시간

단위중량
 65 10 - 10 15 1.84
55 10 - 10 25 1.97
40 10 - 10 40 2.05
상기 표 2를 참조하면, 강도조절제의 함량이 높을수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 강도조절제를 동일한 함량으로 사용하는 경우 시멘트보다 슬래그 분말을 첨가하는 것이 압축강도가 더 높게 나타났다. 유동화 채움재를 시공한 후에 굴착할 필요가 없는 현장에서 압축강도를 2.1Mpa 이상으로 할 경우 시멘트 첨가량은 약 30%, 슬래그 분말 첨가량은 약 20%인 것으로 나타났다.
그리고 응결조절제의 함량이 증가할수록 응결시간은 지연되는 것으로 나타났다. 유동화 채움재 조성물의 응결시간은 보통 30분에서 3시간 정도이며, 응결조절제의 함량을 조절하여 응결시간을 30분에서 3시간으로 조절 가능함을 확인하였다.
그리고 단위중량조절재의 함량이 증가할수록 단위중량을 커지는 것으로 나타났다. 관로를 부설할 경우 부력의 영향으로 관이 떠오르는 현상이 발생할 수 있으므로 슬럼프가 낮고 단위중량을 높게 조절할 필요가 있다. 이 경우 단위중량조절재의 첨가량을 늘려 단위중량을 증가시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 유동화 채움재 조성물은 기존의 토사나 시멘트 채움에 비하여 응결시간이 빨라 공사시간이 단축되며 굴착여부에 따라 강도 조절이 용이하여 공사비 절감에도 유리하다. 또한, 단위중량을 인위적으로 조절가능하기 때문에 토압경감이 필요한 곳에 신속히 무다짐으로 시공이 간편하다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (3)

  1. 제 1플라이애시 30 내지 80중량%와, 시멘트 및 고로 슬래그 중에서 선택된 어느 하나의 강도조절제 1 내지 40중량%와, 무수석고 및 반수석고 및 제 2플라이애시 중에서 선택된 어느 하나의 응결조절제 1 내지 30중량%와, 기포제 및 슬래그 골재 중에서 선택된 어느 하나의 단위중량조절재 1 내지 50중량%를 함유하고,
    상기 응결조절제는 응결시간을 단축시에는 상기 무수석고 또는 상기 반수석고가 선택되고, 응결시간을 늘릴시에는 상기 제 2플라이애시가 선택되며,
    상기 단위중량조절재는 단위중량을 줄일시에는 상기 기포제가 선택되고, 단위중량을 늘릴시에는 상기 슬래그 골재가 선택되며,
    상기 제 1플라이애시는 미분탄에 석회석을 첨가하여 연소시키는 열병합발전소에서 발생되어 분말도 3000 내지 5000㎠/g, 산화칼슘(CaO)함량 20 내지 50중량%로서 수경성을 가지고,
    상기 제 2플라이애시는 역청탄을 연소시키는 화력발전소에서 발생되어 분말도 3000~4500cm2/g, 산화칼슘(CaO)함량 3.60중량%인 것을 특징으로 하는 유동화 채움재 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유동화 채움재 조성물은 각 재료의 함량을 조절하여 강도 0.3~3Mpa, 응결시간 30분~6시간, 단위중량 0.3~2.5t/m3로 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 유동화 채움재 조성물.
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