[논문]석탄 바닥재와 점토를 이용한 인공경량골재 제조

김강덕; 강승구

석탄 바닥재와 점토를 이용한 인공경량골재 제조
Manufacturing artificial lightweight aggregates using coal bottom ash and clay 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.17 no.6, 2007년, pp.277 - 282

초록
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화력발전소에서 발생하는 석탄 바닥재(bottom ash)와 점토를 혼합하여 성형 후, 소성하여 인공경량골재를 제조하고, 소성온도와 조성 변화에 따른 물성을 분석하였다. 바닥재는 입경이 4.75mm 이상인 입자가 13wt% 정도로 거친 분말로 압출성형을 위하여 미분쇄 공정이 필요하였다. 또한 바닥재는 미연탄소(C)를 다량 함유하고 있어 소결 시 C의 산화반응과 이에 따른 가스발생으로 소결체의 경량화를 유도하였다. 점토에 바닥재 첨가량이 증가할수록 소성 지수가 감소하였고 이에 따라 성형체의 성형성이 저하되었으나 바닥재 첨가량이 40wt% 까지의 성형체는 소성 지수 및 소성 한계값이 각각 약 10과 22로서 압출성형이 가능하였다. 바닥재가 $30{\sim}50wt%$ 첨가되고 $1150{\sim}1200^{\circ}C$ 범위에서 소결된 골재는 부피비중 $1.3{\sim}1.5$, 흡수율 $14{\sim}16%$를 나타냈고 따라서 고층빌딩이나 교량 등의 골재대체재로써의 가능성이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The artificial lightweight aggregate (ALA) was manufactured using coal bottom ashes produced from a thermoelectric power plant with clay and, the sintering temperature and batch composition dependence upon physical properties of ALA were studied. The bottom ash (BA) had 13wt% coarse particle (>4.75mm) and showed very irregular shape so should be crushed to fine particles to be formed with clay by extrusion process. Also the bottom ash contained a many unburned carbon which generates the gas by oxidation and lighten a aggregate during a sintering process. Plastic index of green bodies decreased with increasing bottom ash content but the extrusion forming process was possible for the green body containing BA up to 40wt% whose plastic index and plastic limit were around 10 and 22 respectively. The ALA containing $30{\sim}40wt%$ BA sintered at $1100{\sim}1200^{\circ}C$ showed a volume specific density of $1.3{\sim}1.5$ and water absorption of $13{\sim}15%$ and could be appled for high-rise building and super-long bridge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화력발전소에서 발생하는 바닥재의 물리화학적 특성을 분석하여 골재생산 시 점토 대체로의가 능성을 고찰하였다. 바닥재를 점토에 30-50 wt% 범위로 첨가한 뒤 성형체의 소성 지수(Plasticity index)분석을 통하여 압출성형 가능성을 분석하였다.
바닥재를 점토에 30-50 wt% 범위로 첨가한 뒤 성형체의 소성 지수(Plasticity index)분석을 통하여 압출성형 가능성을 분석하였다. 최종적으로 소결된 인공경량골재의 흡수율과 부피비중을 평가하여 제조된 경량골재의 경량 콘크리트에 적용 가능 여부를 확인하였다.

제안 방법

1의 Flow chart로 나타내었다. 각 원료의 화학조성 분석을 위하여 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용하였다. 원료의 결정상 분석과 열적특성을 분석하기 위하여 각각 XRD(RINT-8100H/PC, Rigaku, Japan)와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch Co.
고찰하였다. 바닥재를 점토에 30-50 wt% 범위로 첨가한 뒤 성형체의 소성 지수(Plasticity index)분석을 통하여 압출성형 가능성을 분석하였다. 최종적으로 소결된 인공경량골재의 흡수율과 부피비중을 평가하여 제조된 경량골재의 경량 콘크리트에 적용 가능 여부를 확인하였다.
75 mm 크기의 입자가 약 45 wt%를 형성하고 있어 크기의 관점만으로 볼 때 인공모래로 활용하는 것이 유리하다고 판단되므로 관련 연구가 많이 진행되고 있으나[3, 4], 다공성 슬래그와 소수성 미연탄으로 이루어져 있는 바닥재의 특성으로 인하여 전처리 없이 모래로 적용하는 것에는 한계가 있다. 본 연구에서는 바닥재가 점토와 균일하게 혼합될 수 있도록 100 nm 이하로 미분쇄하여 사용하였다.
각 원료의 화학조성 분석을 위하여 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용하였다. 원료의 결정상 분석과 열적특성을 분석하기 위하여 각각 XRD(RINT-8100H/PC, Rigaku, Japan)와 TG/DTA(STA 409 C/CD, Netzsch Co., Germany)*, 소성체 절단면의 미세구조를 관찰하기 위하여 광힉■현미경 (DCS-105, Sometech Vision, Korea)을 사용하였다. 바닥재의 입도는 KS F 2502의 실험방법으로 분석하였고 바닥재 첨가량 증가에 따른 성형성변화를 관찰하기 위호忡 소지의 소성 지수를 KS F 2303 실험방법으로 측정하였다.
각 원료의 입도를 균일하게 제어하기 위해 Pin milli-이용흐}여 100 pm 이하로 분쇄하였다. 적점토에 바닥재를 30-50 wt% 범위로 첨가하여 혼합 후, 압출 성형기를 이용하여 직경 7 mm, 길이 10 mm인 실린더 형태의 성형체를 제조하였다. 인공골재의 배합비를 Table 1에 나타내었다.
인공골재의 배합비를 Table 1에 나타내었다. 제조된 성형체를 열풍건조기에서 110℃에서 4内간 동안 건조 후, 전기로에서 1100~1200℃₅] 온도로 10분 동안 직화 소성하여 인공골재를 제조하였다. 인공골재의 제조공정을 Fig.

대상 데이터

2는 바닥재와 점토의 결정상을 XRD로 분석한 결과이다. 바닥재의 주 결정상은 quartz(SiC)2)와 mullite (3Al2O3-2SiO2)S. 이루어져 있다.
본 연구에 사용된 석탄 바닥재는 I 화력발전소에서 발생한 석탄 바닥재(Bottom ash, B/A)를 사용하였고, 점토(Clay)는 점토벽돌 제조에 쓰이는 원료를 사용하였다. 각 원료의 입도를 균일하게 제어하기 위해 Pin milli-이용흐}여 100 pm 이하로 분쇄하였다.

이론/모형

바닥재의 입도는 KS F 2502의 실험방법으로 분석하였고 바닥재 첨가량 증가에 따른 성형성변화를 관찰하기 위호忡 소지의 소성 지수를 KS F 2303 실험방법으로 측정하였다. 또한 소성체의 온도변화에 따른 비중 및 흡수율 측정은 KS F 2503의 실험방법을 사용하였다.
, Germany)*, 소성체 절단면의 미세구조를 관찰하기 위하여 광힉■현미경 (DCS-105, Sometech Vision, Korea)을 사용하였다. 바닥재의 입도는 KS F 2502의 실험방법으로 분석하였고 바닥재 첨가량 증가에 따른 성형성변화를 관찰하기 위호忡 소지의 소성 지수를 KS F 2303 실험방법으로 측정하였다. 또한 소성체의 온도변화에 따른 비중 및 흡수율 측정은 KS F 2503의 실험방법을 사용하였다.

성능/효과

4는 바닥재 첨가량 증가에 따른 원료의 소성 지수를 분석한 결과이다. (a)는 원료의 소성 한계와 액성한 계를 측정한 결과로서 점토의 경우 소성 한계는 22인데, 바닥재를 첨가하면 약간씩 증가하는 경향을 보여 BA50 시편의 경우 소성 한계가 25로 나타났다. 액성 한계의 경우, 점토시편에서는 39였으나 바닥재 첨가에 따라 감소하는 경향을 보여 BA50 시편은 29를 나타냈다.
필요하였다. 바닥재 20 wt% 첨가 시 소성지수가 12를 나타내어 압출성형을 통한 세라믹 제품의 가능하며, 40 wt% 까지 첨가 시 성형성이 낮아지긴 하지만 원료의 입도제어를 통하여 압출성형을 통한 시편제조가 가능하였다. 그러나 50 wt% 이상 첨가되면 성형성이 떨어져 물성이 저하되므로 고온소성이 필요하였다.
이루어져 있다. 바닥재의 mullite 결정상은 석탄의 열처리 시 SiQ와 AI2O₃의 결합으로 형성된 것으로 판단되며, 점토는 주 결정상이 quaNz(SiC)2)와 albite(NaAlSi3O8)S- 존재하는 것을 관찰할 수 있다.
5의 경량골재가 형성된다고 하였다[11-13]. 본 실험에 사용된 바닥재는 C의 양이 18wt%로 발포제를 충분히 포함하고 있으므로, 골재 표면에 액상을 형성하는 융제성분의 양이 충분하다면 물에 뜰 정도의 경량골재도 제조가 가능할 것으로 판단된다.
Baine 점토의 압출성형을 위한 허용 조건으로 소성 한계는 15~35, 소성 지수는 10-35 범위 값이라고 보고하였다[1 이. 본 실험에 사용된 점토는 소성 한계가 22이고 소성 지수가 17을 나타내어 압출 성형 최적조건에 적합하지만, 바닥재 첨가량이 증가되면 소성 지수는 감소하였다. 본 실험에서 바닥재 첨가량이 40wt%까지는 압출성형이 가능한 허용조건의 경계부근에 위치하였다.
6(b)에 제조된 인공경량골재의 소성온도에 따른 흡수율 결과를 나타내었다. 비교적 저온인 1100℃에서 소결된 시편의 흡수율을 보면 BA30 및 BA40 시편은 12-13 % 정도인 반면 BA50은 20 %로 매우 높은 값을 보인다. 이것은 BA5O의 성형성이 좋지 않아 성형체 표면에 미세한 균열이 존재하므로 흡수율이 크게 나타나는 것으로 생각된다.
그러나 50 wt% 이상 첨가되면 성형성이 떨어져 물성이 저하되므로 고온소성이 필요하였다. 점토에 바닥재를 30-50 wt% 첨가하여 1150~1200℃ 전기로 소성 시, 부피비중이 1.3~ 1.5, 흡수율이 14~16%를 갖는 인공경량골재 제조가 가능하였고 따라서 바닥재가 포함된 인공경량골재는 초고층 빌딩이나, 교량에 사용되는 일반 골재를 대체할 수 있는 재료임을 확인 하였다.

참고문헌 (14)

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