폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 클링커 제조방법

폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 제조방법 및 그 제품{Manufacture Method of Portland Cement clinker Using Waste Concrete powder and that product}

본 발명은 폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 제조방법 및 그 제품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐콘크리트 재생골재 생산 공정중의 하나인 가열 분쇄시 배출되는 분진을 집진하여 출발원료로 사용할 수 있도록 한 것으로 천연자원의 절약과 공정상의 분진에 의한 환경오염을 줄일 수 있도록 함은 물론 이로 인해 생산된 제품의 품질향상과 신뢰성을 높일 수 있도록 한 것이다.

주지하다시피 포틀랜드 시멘트의 주요 구성성분은 SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , CaO, Fe ₂ O ₃ 로 출발원료는 CaO원인 석회질 원료는 대부분 석회석으로 주요성분은 CaCO ₃ 이며 시멘트 원료의 약 90%정도를 차지한다.

또한 점토질 원료는 대표적인 물질이 점토이나 천연원료로서 양적인 부족과 단가상승으로 인해 Shale(경석), 폐주물사, 고로슬래그 등의 폐부산물이 대용으로 사용되며, 주로 SiO ₂ 및 Al ₂ O ₃ 원으로 사용된다.

또한 산화철원료로는 점토질 원료에 Fe ₂ O ₃ 성분이 다량 포함되어 있을 경우 사용하지 않아도 되지만 그렇지 않을 경우는 철광석 또는 전로 슬래그등을 사용한다. 이러한 시멘트 원료는 시멘트 배합 계수인 규산율(SM), 철율(IM), 석회포화도(LSD)을 이용하여 조건 및 특성에 부합되는 배합을 설정하게 된다. 이때 보통 포틀랜드 시멘트 클링커의 경우는 규산율 2.4∼2.8, 철율 1.5∼1.7, 석회포화도 0.88∼0.95의 범위를 갖는다. 이런 비율로 원료를 배합혼합하여 분쇄한 후 소성로에서 클링커를 만들고, 제조 후 석고와 함께 혼합, 분쇄하는 공정을 거쳐 시멘트가 제조된다. 이와 같이 보통 시멘트 클링커는 여러 가지 원료물질을 이용하여 제조되는 소재로서 분쇄 및 소성이 용이하고 성분에 대한 변동율이 적으며 가격이 상대적으로 저렴한 원료를 사용하여야 한다.

한편 종래의 건설폐기물중의 폐콘크리트를 이용하여 재생골재를 생산하는 방법은 여러 가지가 사용되고 있다. 주로 분쇄기를 이용하여 분쇄를 한 후, 소정의 크기에 맞는 재생골재를 생산하고 있다. 또 다른 재생골재 생산공정의 하나인 가열분쇄는 시멘트 페이스트의 열화에 의한 폐콘크리트의 분쇄성을 향상시켜 보다 양질의 재생골재를 생산할 수 있는 공정으로서 약 500℃의 온도로 일정 크기의 폐골재를 열처리 한 후 분쇄하는 것이다. 그러나 이런 분쇄공정에서 발생되는 분진은 환경에 좋지 않은 영향을 줄 것으로 보며, 미분말에 대한 자원화가 절실히 요구되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 보통 포틀랜드 시멘트 클링커 제조시에 사용되는 원료물질의 대체재로 일반폐기물인 건설폐기물중의 폐콘크리트를 가열 분쇄하여 재생골재를 생산할 때 발생된 미분말을 KS규격에 맞는 보통 포틀랜드 시멘트 제조시 원료물질로 사용할 수 있도록 함을 제1목적으로 한 것이고, 제2목적은 공정상의 분진에 의한 환경오염을 저감할 수 있도록 한 것이며, 제3목적은 원료가 분말 상태로 배출되어 나오기 때문에 피 분쇄성도 용이하도록 한 것이고, 제4목적은 이에 따른 천연자원의 절약과 원료의 단가도 저감시킬 수 있도록 한 것이며, 제5목적은 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있도록 한 폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 제조방법 및 그 제 품을 제공한다.

이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 포틀랜드 시멘트를 제조하는 방법에 있어서, 산화규소, 산화알루미늄, 산화철, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화칼륨을 건조한 후 분쇄하여 원료를 준비하는 단계; 상기 원료에 석회석, 경석, 전로슬래그, 플라이애쉬, 폐콘크리트 미분말을 상호 혼합하는 단계; 상기 혼합 후 건조하여 소성로에서 800~1000℃에서 1~2시간 탈 탄산 시키는 단계; 이후 1450℃ 이상의 온도에서 1~2시간 소성하는 단계;가 포함됨을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 제조방법을 제공한다.

이하에서는 이러한 목적 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명 폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트의 X선

회절분석 그래프.

본 발명에 적용된 폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 제조방법 및 그 제품을 도 1 을 참고로 설명하기로 하겠다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 본 발명은 폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 클링커를 제조하는 방법으로서, 출발원료로서 SiO ₂ 및 Al ₂ O ₃ 원으로 폐콘크리트 미분말을 사용한 것이다. 사용된 출발원료의 화학조성을 표1에 나타내었다. CaO원으로는 석회석을 사용하였으며, SiO ₂ 및 Al ₂ O ₃ 원으로는 Fly ash 및 Shale을 이용하였고, Fe ₂ O ₃ 원으로는 전로슬래그를 사용하였다. 폐콘크리는 미분말의 경우, 각각 SiO ₂ 59.77중량%, Al ₂ O ₃ 10.12중량%를 함유한다. 원료 배합은 Shale의 대체원료로서 미분말의 활용성을 위해 Shale에 대해 미분말을 0, 25, 75, 100중량%로 대체하여 1.50∼7.74의 중량비로 첨가한다. 또한 혼합비는 표2와 같이 하였으며, 클링커 합성을 위한 계수는 LSD0.91, SM 2.60, IM 1.60으로 하여 배합을 하였다. 또한 실제 시멘트 공정에서 사용되는 연료에서 배출되어 나오는 화학성분의 시멘트 킬른내 유입으로 인한 원료보정을 위해 Fly ash를 0.7중량%로 고정하여 배합비에 첨가하였다. 각각의 배합물을 1450℃의 소성온도로 1시간이상 유지하여 공냉시킨다. 제조된 클링커에 석고를 첨가 분쇄하여 시멘트를 제조한다.

상기한 시멘트의 제조공정은 원료의 건조, 분쇄, 배합, 혼합, 소성, 냉각, 석고와 분쇄혼합, 포장, 수송의 주요공정으로 이루어진다.

본 발명 구성을 보다 상세히 설며하면, 산화규소, 산화알루미늄, 산화철, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화칼륨을 건조한 후 분쇄하여 원료를 준비하는 단계; 상기 원료에 석회석, 경석, 전로슬래그, 플라이애쉬, 폐콘크리트 미분말을 상호 혼합하는 단계; 상기 혼합 후 건조하여 소성로에서 800~1000℃에서 1~2시간 탈 탄산 시키는 단계; 이후 1450℃ 이상의 온도에서 1~2시간 소성하는 단계;가 포함됨을 주요 구성으로 한다.

본 발명에서는 상기 산화규소 및 산화알루미늄의 출발원료로서 폐콘크리트 미분말을 1.50~7,74중량%가 포함됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명 상기 산화칼슘에는 석회석이 포함됨을 특징으로 한다.

그리고 상기 미분말에 산화규소 59.77중량%, 산화알루미늄 10.12중량%가 포함된다.

본 발명은 더 나아가서 상기 원료의 배합은 경석의 대체원료로서 미분말의 활용성을 위해 경석에 대해 미분말을 0, 25, 75, 100중량%로 대체하여 1.50~7.74의중량비로 첨가할 수 있다.

또한 본 발명 상기 플라이애쉬는 시멘트 공정에서 사용되는 원료에서 배출되어 나오는 화학성분의 시멘트 킬른내 유입으로 인한 원료보정을 위해 0.6~0.8중량%로 고정하여 배합비에 첨가함을 특징으로 한다.

마지막으로 본 발명은 상기 소성단계로 얻어진 물질에 석고를 더 혼합 분쇄하여 이루어지도록 함에 그 특징이 있다.

한편 본 발명은 상기의 포틀랜드 시멘트를 적용함에 있어 다양하게 변형할 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.

그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명 폐콘크리트 미분말을 이용한 포틀랜드 시멘트 제조방법 및 그 제품의 작용을 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

아래 표1과 같은 화학성분을 가지는 원료물질을 건조한 후 분쇄하여 원료를 준비한다. 이후 준비된 원료를 표2와 같은 배합으로 충분히 혼합을 한다. 혼합 후 건조하여 소성로에서 900℃에서 1시간 탈 탄산 시킨 후, 1450℃의 온도에서 1시간동안 유지시킨다. 1시간 후 시료를 로에서 꺼내어 공냉을 시킨다. 주요 생성상을 알아보기 위해 합성된 클링커를 분쇄하여 X선 회절분석을 실시한 결과 도 1 과 같이 나타났다. 이때 주요 구성광물은 벨라이트(belite : 2CaO·SiO ₂ ), 알라이트(Alite : 3CaO·SiO ₂ ), 알루미네이트(Aluminate : 3CaO·Al ₂ O ₃ ), 페라이트(Ferrite : 4CaO·Al ₂ O ₃ ·Fe ₂ O ₃ )이었으며, 이는 보통 포틀랜드 시멘트 클링커의 구성광물과 일치하는 것으로 나타났다. 또한 합성된 클링커의 화학분석 및 이론적인 계산을 통한 광물의 양을 표3에 나타내었다. 표3에서와 같이 본 발명에 의한 클링커는 보통 포틀랜드 시멘트의 화학조성 범위 영역내에 포함되어 있는 것으로 나타났다. 소성성 분석을 통한 합성정도를 알아본 결과, 표4에서와 같이 그 소성성 지수인 BI가 49.3∼51.4로 소성이 잘 이루어진 것으로 타났다.

[표 1 ]

[표 2 ]

[표 3 ]

[표 4 ]

상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트 클링커 제조시에 사용되는 원료물질의 대체재로 일반폐기물인 건설폐기물중의 폐콘크리트를 가열 분쇄하여 재생골재를 생산할 때 발생된 미분말을 KS규격에 맞는 보통 포틀랜드 시멘트 제조시 원료물질로 사용할 수 있도록 한 것이고, 공정상의 분진에 의한 환경오염을 저감할 수 있도록 한 것이며, 원료가 분말 상태로 배출되어 나오기 때문에 피 분쇄성도 용이하도록 한 것이고, 이에 따른 천연자원의 절약과 원료의 단가도 저감시킬 수 있도록 한 것이며, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.