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문제 정의
- 본 실험에서는 KS시험방법에 의거하여 골재의 물성을 측정하였으며 외국에서 시판되고 있는 골재와 비교하기 위하여 독일 Liapor사 골재를 일부 입수하여 직접 물성을 측정, 비교하였다
- PSA는 화학성분상으로 인공경량골재의 발포기준에 부적합할 뿐만 아니라 성형성이 불량하여 단독으로는 제조가 곤란하여 적절한 부원료의 첨가가 필수적이다. 본 실험에서는 부원료로 점토, 플라이애쉬 등을 첨가하여 성형성, 소결성을 개선하고자 하였으며 경량화를 위하여 산화철(FeA) 및 제지슬러지를 첨가하였다.
- 본고에서는 인공경량골재의 제조기술 중 핵심이라고 할 수 있는 성형 및 소성공정의 제조조건을 확립하고 이에 의해 제조된 골재의 물성을 평가하여 PSA의 인공경량골 재 적용 가능성을 살펴보았다.
제안 방법
- PSA의 적절 처리 방안으로 제시된 인공경량골재 제조를 위해 PSA를 주원료로 하고 점토 플라이애쉬, 제지슬러지를 부원료로 첨가하여 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 배합비를 선정함에 있어서 고려되어야 할 사항은 원료의 화학성분, 성형성, 경제성, 작업성 등이다. 경량골재의 원료로 적합한 화학적 조성범위에 대해서는 이미 Riley C. M에 의해 제시된 바 있으며 점토계 광물의 발포에 적합한 화학조성범위를 $ 기준으로 이에 근접한 조성이 되도록 조합하였다.
- 일반적으로 산소의 농도가 작아지면 금속의 산화수가 작아져 골재가 용융하기 쉬운상태로 되고 Fe疝의 분해가 촉진되어 발포에 유리한 조건이 된다. 그러나 이러한 환원 분위기 상태는 골재의 점성을 급격하게 낮춰서 융착현상을 일으킬 우려가 있어 본 실험에서는 환원 분위기에서 소성하지 않고 과량의 공기를 투입하여 산화피막을 형성시킴과 동시에 골재내부에서의 환원분위기 조성에 의한 발포를 유도하였다. 본 실험에서 가스의 양은 Flow-meter를 설치하여 직접측정이 가능하였으나 버너의 송풍기를 통해서 유입되는 공기의 양은 직접 측정이 불가능하였다.
- 본 실험에서 가스의 양은 Flow-meter를 설치하여 직접측정이 가능하였으나 버너의 송풍기를 통해서 유입되는 공기의 양은 직접 측정이 불가능하였다. 따라서 공기와 프로판 가스의 혼합가스를 포집하여 Gas-chromatography를 이용하여 공기와 Propane 가스의 혼합비를 구하여 공기의 양을 간접적으로 측정하였다.
- 본 실험의 배합은 PSA와 점토를 50 : 50을 기본으로 성형 조건 실험을 실시하였다. 성형시의 함수율은 매우 중요하며 본 장비에서는 원료 투입량이 1.
-
2.3 성형
성형방법에는 여러 가지 방법이 있으나 인공경량골재의 경우 대량생산이 가능하고 입도의 조절이 간편한 방법을 선택해야 한다 인공경량골재 제조시 성형방법에는 압출성형, 혼합성형, 드럼성형, 디스크 성형 등의 여러 형태가 있으나 少 본 실험에서는 디스크 성형 방식의 성형기를 사용하였다.
- 5에 나타내었다. 회전하는 로터리 킬른에서 가동 중에 노 내부의 온도를 측정하기는 곤란하였으므로 노가정지된 상태에서 공기, 가스량을 고정한 후 각각의 조건에서 충분한 시간동안 유지하여 노 내부의 온도가 평형상태가 되도록 한 후 R-type thermocouple을 이용하여 노내각 부위의 온도를 측정하였다. 가스가 증가하면 노내의 온도가 높아지고 공기량이 일정량 이상이면 온도가 저하한다.
대상 데이터
- PSA는 P사 전주공장의 슬러지 소각로에서 배출되는 것을 건조상태로 수집하여 전처리 공정 없이 사용하였다. 점토는 익산지역의 적벽돌 제조업체인 日사의 점토를 사용하였으며 타원료와의 균일한 혼합을 위하여 건조기에 1일간 건조 후 분쇄기를 이용하여 100 mesh(150 ㈣) 이하로 분쇄하여 사용하였다.
- PSA는 P사 전주공장의 슬러지 소각로에서 배출되는 것을 건조상태로 수집하여 전처리 공정 없이 사용하였다. 점토는 익산지역의 적벽돌 제조업체인 日사의 점토를 사용하였으며 타원료와의 균일한 혼합을 위하여 건조기에 1일간 건조 후 분쇄기를 이용하여 100 mesh(150 ㈣) 이하로 분쇄하여 사용하였다. 제지슬러지는 P사 장항공장 슬러지를 사용하였으며 건조시 강하게 응집되는 현상이 있어 건조기에서 1일간 건조한 후 분쇄기를 이용하여 50 mesh (300 ㈣) 이하로 분쇄하여 사용하였다 플라이애쉬는 보령화력발전소에서 배출되는 비정제 플라이애쉬를 사용하였으며 산화철은 건축용 안료로 이용되는 것을 사용하였다
- 점토는 익산지역의 적벽돌 제조업체인 日사의 점토를 사용하였으며 타원료와의 균일한 혼합을 위하여 건조기에 1일간 건조 후 분쇄기를 이용하여 100 mesh(150 ㈣) 이하로 분쇄하여 사용하였다. 제지슬러지는 P사 장항공장 슬러지를 사용하였으며 건조시 강하게 응집되는 현상이 있어 건조기에서 1일간 건조한 후 분쇄기를 이용하여 50 mesh (300 ㈣) 이하로 분쇄하여 사용하였다 플라이애쉬는 보령화력발전소에서 배출되는 비정제 플라이애쉬를 사용하였으며 산화철은 건축용 안료로 이용되는 것을 사용하였다
이론/모형
- 본 실험에서는 LPG를 열원으로 이용한 직화식로터리 킬른을 사용하였으며 장비의 사양과 구성은 Table 2와 같다. 인공경량골재 제조시에 직화식으로 하는 것이 유리한 이유는 공기/가스비를 조절하여 노내의 분위기를 제어할 수 있으므로 골재의 표면에 산화피막을 형성시켜 융착현상을 방지할 수 있기 때문이다 4).
- 제조된 골재의 물성은 비중, 흡수율, 파쇄시험을 KS 규격에 의거하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) PSA는 단독으로는 인공경량골재의 원료로 부적합하여 점토 플라이애쉬, 제지슬러지 등의 부원료의 첨가가 필요하였으며 실험 결과 적정배합비는 PSA 30-50%, 점토 30-50%, 플라이애쉬 0-40%, 제지슬러지 0~10 %, 산화철 2〜3%이었다
- 2) 디스크 방식으로 성형할 경우에 적정함 수율은 25%이었으며 골재의 입도는 디스크의 기울기와 RPM으로 조절이 가능하며 골재의 입도를 작게 하기 위해서는 기울기를 높이고 RPM을 빠르게 하면 가능하다.
- 3) 코팅제의 종류 및 첨가량에 따라 저비중의 비구조체 용인공경량골재의 제조가 가능하였으며 PSA의 특성상 절건 비중 0.8 이하의 초경량 골재를 제조하기 위해서는 코팅을 하는 것이 필수적이며 코팅제의 종류에 따라 제조 가능한 골재의 최저절건비중은 A1A 2% 코팅일 때 0.59, 플라이애쉬 2% 코팅일 때 0.81, 코팅하지 않은 경우 0.91 이었다.
- 4) 구조체용 골재의 특성은 동일한 배합비 및 온도에서도 노내의 분위기 및 열이력에 따라 매우 다른 양상을 보이나 대략적으로 1180-1250 °C가 적정 소성발포온도이었 다. 융착현상을 방지하기 위해서는 산화피막을 형성시키는 것이 유리하나 너무 두껍게 되면 경량화에 불리할 뿐만 아니라 표면 균열이 깊게 되어 비중 상승, 강도 저하 및 흡수율 상승의 요인이 된다.
- 5) PSA를 주원료로 한 골재의 물성은 절건 비중이 0.6〜 1.4로 비교적 넓은 범위의 골재 제조가 가능하였으며 10 % 세립치 파쇄강도 5〜15 ton, 흡수율 10〜20 %로 비구조용 및 구조용 인공경량 골재로 적합하였으며, 외국제품에 비해서도 거의 동등한 물성을 나타내었다
- AhOa를 2 % 코팅하였을 때 융착현상을 효과적으로 피할 수 있었으며 충분히 발포하여 절건비 중 0.6〜 1.0인 골재의 제조가 가능하였다. Fig.
- Fig. 5와 Fig. 6을 종합하여 보면 보편적인 실험조건인 Air No. 4-Gas flow 110 litei^nin, Air No. 3-Gas 90 liteMnin, Air No. 2-Gas 70 lita/rrin 일 때 노내의 최고 온도는 1200〜1250 °C이고 이 범위에서의 당량비는 2.0〜 3.0이었다. 이 결과는 화학양론적인 공기/가스비에 비하여 공기가 매우 과량으로 유입되는 조건에서 골재를 제조하고 있다는 것을 알 수 있었으며 본 실험에서의 원료가 융착현상이 발생하기 용이한 원료임에도 융착하지 않고 제조되는 것은 과량의 공기가 투입되기 때문에 골재 표면 에 두꺼운 산화피막이 형성되어 융착현상이 방지되는 것으로 생각되었다.
- 0인 골재의 제조가 가능하였다. Fig. 8은 독일 Liapor사 골재와 본 실험 골재의 내부 미세 구조를 비교한 것으로 모두 기공이 잘 발달해 있으며 기공의 크기가 본 실험 골재는 1 0~300例로 Liapor사 제품에 비해 약간 크며 Liapor사 제품의 표면에 얇은 층이 형성된 반면 본 실험 제품은 층이 발견되지 않은 것을 알 수 있었다. 기공의 크기는 적정 열처리온도가 높을수록 커지므로 본 실험 골재는 약간 높은 온도에서 열처리되었다고 볼 수 있다.
- M의 발포에 적합한 화학조성 범위를 나타낸 것으로 PSA 단독으로는 발포가 곤란한 조성이므로 점토 등의 부원료를 첨가하여 경량 골재화 적용 범위 내로 포함될 수 있도록 하였다 3). PSA와 점토의 배합비를 50 : 50으로 하였을 때 경량 골재화 적용 범위 내에 포함되어 소성에 따른 발포가 예상되었다.
- 9 %이었다. 만일 이보다 물 분사량이 많을 경우에는 성형골재끼리 달라붙는 응집 현상이 발생하였으며 물 분사 량보다 원료의 투입량이 많을 경우에는 분말형태로 배출되거나 매우 약한 강도의 골재가 성형되었다. 디스크 성형에 있어서 입도의 조절은 디스크의 기울기나 회전 속도 를 조절함으로 가능하지만 세심한 주의를 기울이지 않으면 원하는 입도를 얻을 수 없었다.
- 05 kg/mi血으로 투입해야 하는 것을 나타내고 있다. 본 실험 결과 노의 경사가 2.5-3.50일 때가 가장 적정하였으며 이때 노 내부 용적의 8%를 채우기 위하여 원료의 투입량은 2~4 kg/min으로 하였다.
- 디스크 성형에 있어서 입도의 조절은 디스크의 기울기나 회전 속도 를 조절함으로 가능하지만 세심한 주의를 기울이지 않으면 원하는 입도를 얻을 수 없었다. 본 실험에서는 각각의 입도를 얻기 위하여 Table 6과 같이 성형 변수를 조정하여 입경이 3〜20mni인 골재를 제조할 수 있었는데 디스크의 기울기 및 회전 속도에 따른 성형골재의 입도 결과를 Fig. 3에 나타내었다 회전 속도를 빠르게 할수록 또한 기울기를 크게 할수록 골재의 크기가 작아지는 것을 알 수 있다.
- 소성은 성형골재를 소결과 동시에 팽창시키는 공정으로 인공경량골재 제조공정에서 가장 중요한 공정이다. 소성온도는 산화 또는 환원분위기에 따라 변하며 골재의 융착을 방지하고 적정하게 팽창되는 온도를 유지해야 하며, 노내의 분위기는 공기/가스 비율, 노내 원료의 양, 원료내의 유기성 혼입물의 양 등에 의해 결정됨을 확인할 수 있었다
- 슬러지를 10〜20 % 첨가하였을 경우 슬러지내의 융제성분에 의하여 과량의 액상이 발생하여 강도가 증가하고 흡수율이 낮아지는 효과가 있었다.
- 0이었다. 이 결과는 화학양론적인 공기/가스비에 비하여 공기가 매우 과량으로 유입되는 조건에서 골재를 제조하고 있다는 것을 알 수 있었으며 본 실험에서의 원료가 융착현상이 발생하기 용이한 원료임에도 융착하지 않고 제조되는 것은 과량의 공기가 투입되기 때문에 골재 표면 에 두꺼운 산화피막이 형성되어 융착현상이 방지되는 것으로 생각되었다.
- 12는 구조체용 인공경량골재의 단면 SEM사진으로 기공의 형태가 용융발포에 의한 것이 아니고 입자 사이의 공극이 소결에 의해 기공으로 남은 형태인 것으로 판단된다. 절건 비중이 다소 높은 1.3〜 1.4인 골재가 제조되었으나 점토의 함량을 60, 산화철을 3 %로 첨가하고 체류시간을 5분 이하로 소성대로 더욱 신속히 진입시킨 결과 절건 비중 0.9인 골재의 제조가 가능하였다.
- 플라이애쉬 코팅량은 2〜4 %, 소성온도는 1190-1300 °C, 체류시간은 7〜14 min으로 하였다. 플라이애쉬의 코팅 효과를 살펴보기 위하여 배합은 PSA : 점토 : 산화철 : B/C Oil = 50 : 50 : 2 : 1로 하였으며 플라이애쉬로 코팅한 골재의 경우 적절한 소성조건에서 절건 비중이 L0〜 1.2인 범위에서 우수한 물성의 골재 제조가 가능하였으며 이때 파쇄강도는 1 0~15 ton, 흡수율은 12〜15 %로 Liapor사의 골재에 비해 거의 동등의 물성을 나타내었다. 그러나 코팅 효과는 AlA 에 비하여 매우 저하되며 절건비중().
후속연구
- 모든 배합에서 AhO於iQ의 비가 큰 것을 알 수 있다. 일반적으로 AbO於iQ의 비가 크면 소지의 용융온도가 높고 점성이 크지만“ 본 실험의 배합에서는 융제로 작용하는 알칼리토류인 CaO, MgO의 양이 많기 때문에 소지의 용융점과 점성을 낮추는 역할을 할 것으로 기대된다.
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