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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 절건밀도 1.5 g/cm3 이하, 흡수율 10 % 이하인 양질의 구조용 인공경량골재를 제조를 목적으로 주원료로 쓰이는 폐석분 및 바텀애시에 적합한 융제를 도출하기 위하여 융제 종류및 첨가량에 따른 소성온도와 밀도 및 흡수율을 분석하고자 한다.
- 로서 순도 95 % 이상의 시약급 제품을 사용하였다. 또한, 화학제품과 병행하여 인공경량골재의 경제성 및 품질향상을 위하여 산업부산물을 융제로 활용하고자 다음과 같이 선정하였다. 먼저, 유리연마 슬래그(이하 : GS)는 판유리 공장의 면취 과정 중 발생하는 것으로 년간 약 500000∼700000 ton 발생하고 있으나 단순 매립10)되고 있다.
- 본 연구에서는 폐석분 및 바텀애시를 활용한 인공경량골재의 밀도 및 흡수율 개선을 위하여 다양한 종류의 융제에 대하여 검토하였는데, 그 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- R/F 내의 온도 측정은 R/F의 튜브 회전을 정지시킨 상태에서 충분한 시간동안 유지하여 온도가 안정화된 후 측정하였다. 또한, 본 연구에 사용된 R/F 튜브대의 길이가 1 m로 길지 않기 때문에 소성시간을 확보하기 위하여 R/F내 소성 튜브의 경사각을 0.
- 또한 시리즈 Ⅱ는 시리즈 Ⅰ에서 선정된 융제와 병행하여 산업부산물을 융제로 활용하기 위하여 유리연마 슬러지, 전기로 산화슬래그, 고로슬래그 미분말에 대하여 검토하였다. 첨가율은 원료별 화학조성에 근거하여, 10, 20, 30 %의 3수준으로 실험계획 하였다.
- 또한, 본 연구에 사용된 R/F 튜브대의 길이가 1 m로 길지 않기 때문에 소성시간을 확보하기 위하여 R/F내 소성 튜브의 경사각을 0.9 °로 낮게 설정하고 회전속도는 4 rpm으로 느리게 설정하여 일정하게 소성하였다.
- 먼저, 시리즈 Ⅰ에서는 시약급 화학제품에 대하여 분석하였다. 폐석분과 바텀애시의 혼합비율은 사전 실험을 통해 밀도 및 흡수율이 가장 낮게 형성된 80 : 20으로 결정하였고, 융제 종류에 따라 각각의 첨가율은 이론적 고찰을 통해 Na2SO4, Na2CO3, CaSO4, CaCO3의 첨가율은 5, 10, 15, 20 %로 변화시켰고, NaOH는 1, 3, 5%, Fe2O3는 0.
- 먼저, 융제 종류에 따른 소성특성으로는 Na2CO3 : 850 ℃, Na2SO4 : 1,100 ℃, CaSO4 : 1,150 ℃, CaCO3 : 1,200 ℃, NaOH : 1,200 ℃, Fe2O3 : 1,150 ℃의 소성온도에서 경량골재의 표면에 융착이 발생되는 것으로 나타나 각 융제에 따라 소성온도 범위를 다르게 적용하였다. 이때 제조된 인공경량골재의 품질판단 기준으로 구조용 사용을 위하여 밀도 1.
- 이때 소성온도는 시리즈 Ⅰ의 결과를 근거로 1,050∼1,200℃의 25℃간격으로 하였고, 소성시간은 15분으로 고정하였다. 실험사항으로는 절건밀도 및 흡수율을 측정하였다.
- : 1,150 ℃의 소성온도에서 경량골재의 표면에 융착이 발생되는 것으로 나타나 각 융제에 따라 소성온도 범위를 다르게 적용하였다. 이때 제조된 인공경량골재의 품질판단 기준으로 구조용 사용을 위하여 밀도 1.5 g/cm3 이하, 흡수율 10 % 이하로 결정하였다.
- 제조된성형체는 다시 건조로에서 105 ± 5 ℃로 24시간 이상 건조 후, 소성로에서 실험계획에 따라 계획된 온도와 시간으로 소성하여 경량골재를 제조하였다.
- 또한 시리즈 Ⅱ는 시리즈 Ⅰ에서 선정된 융제와 병행하여 산업부산물을 융제로 활용하기 위하여 유리연마 슬러지, 전기로 산화슬래그, 고로슬래그 미분말에 대하여 검토하였다. 첨가율은 원료별 화학조성에 근거하여, 10, 20, 30 %의 3수준으로 실험계획 하였다. 이때 소성온도는 시리즈 Ⅰ의 결과를 근거로 1,050∼1,200℃의 25℃간격으로 하였고, 소성시간은 15분으로 고정하였다.
- 먼저, 시리즈 Ⅰ에서는 시약급 화학제품에 대하여 분석하였다. 폐석분과 바텀애시의 혼합비율은 사전 실험을 통해 밀도 및 흡수율이 가장 낮게 형성된 80 : 20으로 결정하였고, 융제 종류에 따라 각각의 첨가율은 이론적 고찰을 통해 Na2SO4, Na2CO3, CaSO4, CaCO3의 첨가율은 5, 10, 15, 20 %로 변화시켰고, NaOH는 1, 3, 5%, Fe2O3는 0.5, 1.0, 1.5 %로 변화시켰다. 이때 소성시간은 15분으로 고정하였고 각 융제 종류에 따라서 소성 상태를 관찰하였으며 소성온도는 융제 종류에 따라 융착온도가 다르게 나타남에 따라 소성온도 범위를 Table 2와 같이 다르게 적용하였다.
대상 데이터
- Fe2O3를 사용하기에는 어려움이 많아 비교적 Fe를 많이 함유하고 있는 산업부산물인 전기로 산화슬래그(이하 : SS)와 고로슬래그 미분말(이하 : BS)을 선정하였다. 본 연구에 사용된 SS는 포항산 P사의 것을 사용하였고, BS은 충남 당진산 S사의 3종을 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 Rotary tube furnace(이하 : R/F)는 Fig 2와 같다. R/F를 이용한 소성은 건조로에서 건조시킨 성형체를 R/F로 투입하고, 소성시간은 15 분으로 목표 소성온도에 따라 융착 현상이 발생하기 전까지 소성하였다.
- 를 사용하기에는 어려움이 많아 비교적 Fe를 많이 함유하고 있는 산업부산물인 전기로 산화슬래그(이하 : SS)와 고로슬래그 미분말(이하 : BS)을 선정하였다. 본 연구에 사용된 SS는 포항산 P사의 것을 사용하였고, BS은 충남 당진산 S사의 3종을 사용하였다. 이때, 화학조성은 Table 1과 같다.
- 본 연구에 사용된 재료로서 먼저 주원료인 폐석분(이하 : SB)은 경기도 양주산 S사의 것을 사용하였고, 바텀애시(이하 : BA)는 충남 당진 화력발전소의 매립 전(前)의 것을 사용하였다.
- 융제 종류로서 기존에 연구되었던 화학제품에서 발포성능이 우수하여 기공 형성에 유리한 재료를 선정7)10)하였는데, Na2SO4, Na2CO3, CaSO4, CaCO3, NaOH, Fe2O3로서 순도 95 % 이상의 시약급 제품을 사용하였다. 또한, 화학제품과 병행하여 인공경량골재의 경제성 및 품질향상을 위하여 산업부산물을 융제로 활용하고자 다음과 같이 선정하였다.
이론/모형
- 제조된 경량골재의 밀도 및 흡수율은 KS F 2533에 의거하여 식(1)∼(2)에 따라 흡수율 및 밀도를 측정하였다.
성능/효과
- (1) 융제 종류 및 첨가량에 따른 경량골재의 특성으로, Na2CO3 및 CaSO4는 낮은 소성온도에서 제조가 가능하지만 흡수율이 20 % 이상으로 나타나 구조용 경량골재의 융제로는 부적합 하였다. Na2SO4의 경우에는 절건밀도가 1.
- (2) 산업부산물의 융제 활용에 관한 검토로서, 유리연마슬러지는 1 150 ℃에서는 융착이 발생하였고 절건밀도 1.45∼1.55 g/cm3 및 흡수율 9∼12 %로 흡수율이 다소 높게 나타났다.
- 와 유사한 경향으로 첨가율 및 소성온도가 높을수록 절건밀도가 증가하고, 흡수율이 20 % 이상으로 높게 형성되어 구조용 경량골재의 융제로는 부적합 것으로 분석되었다. CaCO3의 경우에는 소성온도가 1 200 ℃일 때, 흡수율이 약 10 %까지 저감되었지만 밀도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 60 g/cm3로 높아짐에 따라 경량골재의 융제로 사용하기에는 부적절한 것으로 판단된다. Fe2O3는 첨가율 및 소성온도가 증가함에 따라 흡수율은 5 % 이하로 크게 낮출 수 있었지만, 절건 밀도는 증가하였다.
- Fe2O3의 첨가에 따른 경량골재의 소성 특성으로는 전반적으로 낮은 Al2O3의 화학성분비로 인하여 높은 소성온도에서 발포되는 것으로 나타났으며, 첨가율 및 소성온도가 증가함에 따라 흡수율은 5 % 이하로 크게 낮출 수 있었지만, 이는 내부 공극이 감소한 결과로 절건 밀도는 크게 증가하였다.
- Na2CO3의 경우 낮은 소성온도에서 융착이 발생되어 경량골재 생산비용을 절감할수는 있겠지만 모든 첨가율에서 흡수율이 20 % 이상으로 나타나 본 연구에 사용된 경량골재에 융제로 활용하기에 부적합한 것으로 나타났다. Na2SO4의 경우에는 절건밀도가 1.
- Na2SO4의 경우에는 절건밀도가 1.35∼1.50 g/cm3, 흡수율 10∼11 %로 나타나 양호한 물성을 나타내었고, CaCO3는 소성온도가 1 200 ℃일 때, 흡수율이 약 10 %까지 저감되었지만, 밀도가 증가하는 것으로 나타났다.
- SS를 첨가함에 따라 소성온도가 증가할수록 절건밀도와 흡수율은 낮아지는 것으로 나타나 전반적으로 밀도 1.35∼1.65 g/cm3, 흡수율 8∼10 %의 범위로 나타났다.
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SS를 첨가함에 따라 전반적으로 소성온도가 증가할수록 절건밀도와 흡수율은 낮아지는 것으로 나타났다
. 이는 노내 분위기 상 산소의 공급이 충분하여 산화 분위기에 가깝기 때문에 경량골재 입자 표면에 일정 두께의 산화피막이 생성되어 흡수율 저감이 가능한 것으로 분석된다. - 시리즈 Ⅰ에 대하여 종합적으로 분석한 결과, 제조된 경량골재의 밀도, 흡수율 및 소성온도를 고려할 때, Na2SO4를 첨가하는 것이 경량골재를 제조할 때, 가장 안정된 물성이 발휘되는 것으로 판단된다.
- 이상을 종합하면, 주원료를 폐석분과 바텀애시를 사용하는 인공경량골재 제조시 Na2SO4 및 전기로 산화슬래그를 사용 원료의 화학조성에 따라 융제로 적정량 활용함으로서 절건밀도 1.5 g/cm3 이하, 흡수율 10 % 이하의 고품질 경량골재 제조가 가능한 것으로 나타났다.
- 특히, 산화슬래그 10 %, 소성온도 1 150 ℃에서 산화피막이 얇고 내부 융액의 점성과 발포량이 적절하였기 때문에 Fig 12와 같은 절건밀도 1.46 g/cm3, 흡수율 8.5 %로 낮은 절건밀도와 낮은 흡수율을 갖는 양질의 인공경량골재를 제조할 수 있었다.
후속연구
- 각 원료별 소성특성으로, 유리연마슬러지 첨가에 따라서는 1 150 ℃에서는 융착이 발생하였고 전반적으로 절건밀도 1.45∼1.55 g/cm3, 흡수율 9∼12 %로 다소 높게 나타났으나 유리연마 슬러지의 사용량 및 소성온도 조정으로 경량골재의 밀도 저감이 가능할 것으로 판단되어 추가적인 검토가 필요한 것으로 판단된다.
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