현재 대부분의 기포 콘크리트 제품은 수화 건축 자재 및 시멘트계 건축 자재 범주에 속하며, 경화 원리는 광미 벽돌과 본질적으로 동일합니다. 기포 콘크리트는 규산질 및 석회질 재료를 주원료로 하고, 발포제 및 기타 첨가제를 첨가한 후 물과 혼합, 주조, 예비 경화, 절단, 오토클레이브 경화 과정을 거쳐 제조되는 경량 미세 다공성 규산염 인공석입니다. 이는 단열, 내화, 방음 및 시공 편의성을 겸비한 신형 경량 벽체 자재입니다. 기포 콘크리트 생산에 사용되는 모래는 일반적으로 SiO₂의 질량 분율이 70% 이상이고, 석영의 질량 분율이 40% 이상이어야 합니다.

5.7.1 철광석 광미로부터의 기포 콘크리트 제조

철 광미는 기포 콘크리트 생산에 사용될 수 있습니다. 주요 원료로는 철 광미, 수냉 슬래그, 시멘트 외에도 발포제(알루미늄 분말), 발포 안정제 및 조절제가 사용됩니다. 기포 콘크리트 생산에 사용되는 철 광미의 요구 사항은 다음과 같습니다: SiO₂ > 65%, 유리 SiO₂ > 40%, Na₂O < 1.5%–2%, K₂O < 3%–3.5%, Fe₂O₃ < 18%, 소각손실 < 5%, 점토 함량 < 10%. 철 광미 내 SiO₂의 일부는 ‘자유 SiO₂’로 알려진 석영 형태로 존재하며, 이는 오토클레이브 경화 조건 하에서 가용 산화칼슘과 반응합니다. SiO₂의 또 다른 부분은 장석이나 기타 광물 성분에 포함되어 있는데, 이러한 결합된 SiO₂는 가용 산화칼슘과의 반응에 효과적으로 참여할 수 없습니다. 따라서 철 광미의 SiO₂ 함량 요건은 주로 석영 분획을 의미합니다. 석영 함량을 직접 측정할 수는 없지만, 석영 함량이 총 SiO₂ 함량과 일정한 관계를 가지고 있으므로 철 광미의 대략적인 석영 함량을 추정할 수 있습니다. 예를 들어, 철 광미의 SiO₂ 함량이 75%일 때, 약 40%가 순수한 석영에 해당합니다.

철광석 광미(tailings)를 이용하여 기포 콘크리트는 물론 기포 콘크리트 블록, 바닥 슬래브, 지붕 패널, 벽 패널, 단열 블록 및 기타 자재를 생산하는 기술이 산업 현장에서 성공적으로 적용되어 왔다. 안강 슬래그 벽돌 공장은 다구산 선광소에서 나온 광미에 시멘트, 석회 및 기타 원료를 혼합하여 기포 콘크리트를 생산하고 있다. 이 제품은 경량이며 단열성이 우수합니다. 이 공장의 연간 발포 콘크리트 생산량은 100,000m³이며, 연간 약 30,000톤의 광미 소비량을 기록하고 있습니다. 원료의 비율은 광미 66%, 생석회 25%, 시멘트 8%, 석고 1%, 알루미늄 분말 0.08%–0.12%입니다. 생산 공정은 그림 5-10에 나와 있다.

2013년 8월 13일, 산시성 다이셴현에 위치한 밍리 철광산의 새로운 산업 전환 프로젝트인 ‘광미 모래를 이용한 표준 벽돌 및 기포 콘크리트 블록 시범 생산’이 1억 8천만 위안의 투자로 가동을 시작했다. 이 시설은 연간 120만 m³의 광미 모래를 처리할 수 있으며, 150~200개의 일자리를 창출하고, 연간 1억 2,000만 개의 철광 미광 모래 표준 벽돌과 30만 m³의 미광 모래 기포 콘크리트 블록을 생산하며, 생산액은 1억 위안 이상, 세후 이익은 3,000만 위안을 초과할 것으로 전망됩니다.

왕옌(Wang Yan) 등은 우한철강공사(Wuhan Iron and Steel Corporation)의 청차오(Chengchao) 철광산에서 나온 광미(tailings)를 이용한 기포 콘크리트 제조에 대한 실험 연구를 수행했다. 광미의 성분 분석 결과, SiO₂ 함량은 약 50%로 주로 장석 형태로 존재했으며, 석영 함량은 10% 미만이었고, 약 10%의 석고 유사 광물이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 이 광미의 SiO₂ 및 석영 함량은 낮고 석고 함량은 높았기 때문에, 규산질 물질 함량을 높이기 위해 시멘트(425# 일반 포틀랜드 시멘트)를 첨가하고, 석회질 물질로는 석회(가용 CaO 85%)를 사용하기로 결정했다. 광미의 석고 함량이 높았기 때문에, 기포 콘크리트 제조 시 별도의 석고를 추가할 필요가 없었다. 철광미로 기포 콘크리트를 생산하기 위한 원료는 철광미, 석회, 시멘트 및 알루미늄 분말이다. 제조 공정 흐름도는 그림 5-11에 제시되어 있다. 실험적 검증 결과, 최적의 원료 배합 비율은 실리카질 재료 11%–20% 추가, 실리카질 재료와 석회질 재료의 비율 3:7, 알루미늄 분말 첨가량 0.08%로 나타났다. 이를 통해 평균 압축 강도 약 3.5 MPa, 최소 2.8 MPa의 600등급 기포 콘크리트를 생산할 수 있으며, 이는 국가 표준 요건을 충족한다.

그림 5-10 기포 콘크리트 블록 생산 공정 흐름도

우한과학기술대학교의 한천(Han Chen) 연구팀은 후베이성 황시시 진산디안의 철광 잔재물을 주원료로 한 기포 콘크리트 제조에 대한 실험 연구를 수행했다. 사용된 철 광미의 SiO₂ 함량이 낮았기 때문에(35.43%), SiO₂ 함량이 98%인 석영 분말을 고규소 재료로 첨가했다. 그 밖의 원료로는 석회(시중에서 구할 수 있는 생석회를 200메쉬(0.074 mm) 체에 남는 잔류물이 15% 미만이 되도록 분쇄한 것), 시멘트(시판용 32.5 등급 시멘트), 발포제(알루미늄 분말, 분석용 순도), 및 조절제(석고, 수산화나트륨)가 포함되었다.

그림 5-11 청차오 철광산 광미로부터 기포 콘크리트를 제조하는 공정 흐름도

기포 콘크리트의 제조 공정은 다음과 같습니다: 철 광미, 생석회, 시멘트, 석고 및 기타 원료를 일정 비율로 계량하여 균일하게 혼합합니다. 물과 첨가제를 넣고 혼합물을 5분 동안 교반합니다. 알루미늄 분말을 소량의 물에 용해시킨 후 첨가합니다. 균일하게 혼합한 후, 슬러리를 10cm × 10cm × 10cm 크기의 3단 몰드에 부어 건조 오븐에 넣고 70°C에서 2시간 동안 예비 경화시킵니다. 예경화 후, 블록을 절단하고 탈형한 뒤 오토클레이브에 넣어 1.2 MPa의 포화 증기 압력 하에서 6시간 동안 오토클레이브 경화를 실시합니다. 오토클레이브 경화 후, 완제품은 건조 오븐에 넣어 105°C에서 정중량이 될 때까지 건조한 뒤, 성능 시험 및 현미경 분석을 실시한다. 구체적인 공정 흐름은 그림 5-12에 나와 있다.

결과에 따르면, 광미 : 석영 분말 : 석회 : 시멘트 : 석고 = 50 : 20 : 18 : 10 : 2의 질량비 조건에서, 알루미늄 분말 함량이 0.1%이고 수산화나트륨 함량이 0.4%인 상태에서, 광미의 입도 분포를 0.074 mm를 통과하는 입자가 95.35%가 되도록 분쇄한 후 제조한 발포 콘크리트의 밀도는 637 kg/m³, 압축 강도는 4.31 MPa로 나타났다. 이러한 수치는 국가 표준에 명시된 A3.5, B07 등급의 기포 콘크리트 제품 요건을 충족한다. 오토클레이브 처리된 기포 콘크리트 블록 (GB11968—2006). XRD 및 SEM 분석 결과, 이 제품에는 다량의 토버모라이트와 C-S-H 겔이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 수화 생성물들은 서로 겹쳐져 치밀한 구조를 형성하며, 이는 제품의 강도를 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.

그림 5-12 진산디안 철광석 광미로부터 기포 콘크리트 블록을 제조하는 공정 흐름도

광둥성 건축자재연구소는 지역 내 황철광 농축 공장의 광미(tailings)를 이용하여 오토클레이브 발포 콘크리트 블록을 생산하는 것의 타당성을 조사했다. 연구진은 광미를 원료로 오토클레이브 발포 콘크리트 블록을 생산하기 위한 최적의 배합 비율과 최적의 오토클레이브 처리 조건을 도출해냈다. 이렇게 제조된 광미 기반 오토클레이브 발포 콘크리트 제품의 평균 밀도는 716 kg/m³, 평균 압축 강도는 5.20 MPa로, 해당 표준에 명시된 A5.0, B07 등급 오토클레이브 발포 콘크리트 블록의 요구 사항을 충족했다. 오토클레이브 처리된 기포 콘크리트 블록 (GB/T 11968—2006).

5.7.2 금 광미로부터의 기포 콘크리트 제조

칭다오 공과대학의 샤 롱화(Xia Ronghua) 연구팀은 산둥성 내 한 금광에서 생산된 자연 입도 분포를 가진 금 광미로 기포 콘크리트를 제조했다. 최적의 배합 비율은 광미 63%, 석회 25%, 시멘트 10%, 석고 2%로 확인되었으며, 최적 혼화제 투여량은 40 g/m³, 최적 물-고체 비율은 0.58이었다. 광미의 최적 입도 분급은 0.074 mm 체에서 1.75% 잔류물이었다. 최적의 오토클레이브 처리 조건은 가열 시간 3시간, 항온 시간 8시간, 최대 오토클레이브 온도 205°C, 냉각 시간 2.5시간이었다. 제조된 광미 기포 콘크리트의 평균 밀도는 697.8 kg/m³, 평균 탈형 압축 강도는 6.32 MPa로, A5.0, B07 등급 기포 콘크리트 제품의 요구 사항을 충족하였다.

산동 자오자오 금광은 1,700만 위안 이상을 투자하여 연간 생산량 30만 m³ 규모의 기포 콘크리트 생산 라인을 구축했습니다. 이 생산 라인은 국내 최첨단 기포 콘크리트 블록 절단기와 첨단 오토클레이브를 채택하고 있으며, 컴퓨터 제어 배합 시스템을 갖추고 있습니다. 이 제품은 첨단 시멘트-석회-모래 발포 콘크리트 블록 기술을 적용하며, 광미, 시멘트, 석회, 인산석고, 알루미늄 분말을 주원료로 사용합니다. 이러한 원료들은 고온·고압 조건 하에서 자동으로 배합, 혼합, 주입, 성형, 절단 및 양생 과정을 거칩니다. 이렇게 생산된 기포 콘크리트 블록은 경량이며, 단열·방음·방수·난연·무방사성 특성을 갖추고 시공이 용이하여, 민간 및 공공 건축물에서 선호되는 건축 자재입니다.

푸젠사범대학, 푸젠성 개질 플라스틱 기술 개발 기지, 푸젠 완치 비금속 재료 유한공사가 공동으로 수행한 “세라믹 광미 및 금 광미를 활용한 기포 콘크리트 블록 생산” 프로젝트가 푸젠성 건설국이 주관한 심사를 성공적으로 통과했다. 이 프로젝트는 완치(Wanqi)사의 3대 주력 제품을 종합적으로 활용하여, 생산 과정에서 발생하는 금 광미, 세라믹 광미(폐슬래그), 저급 석회석 등의 산업 폐기물을 이용해 경량 기포 콘크리트 블록을 생산함으로써, 혁신성이 뛰어난 광업 순환 경제 단지를 구축하였다. 이 프로젝트의 계획된 총 규모는 연간 50만 m³의 기포 콘크리트 블록 생산이며, 3단계에 걸쳐 시행될 예정이다. 연간 100,000 m³의 기포 콘크리트 블록을 생산하는 첫 번째 생산 라인은 2007년 초에 가동을 시작했으며, 총 투자액은 1,182만 7,900위안으로, 이 중 건설 투자액은 988만 3,700위안이었습니다. m³당 200위안의 판매 가격을 기준으로 할 때, 연평균 생산액은 2,000만 위안에 달할 수 있으며, 연평균 총이익은 3,259,500위안, 납세액은 1,075,600위안, 순이익은 2,183,900위안으로, 경제적으로 전망이 밝습니다.

광범위한 조사 및 평가를 거친 후, 산동 진저우 광업 그룹 유한공사는 종합 광미 활용 프로젝트에 3,000만 위안 이상을 투자했다. 이 프로젝트에는 광미 힙 리칭 생산 라인, 15만 m³ 규모의 기포 콘크리트 블록 생산 라인, 그리고 6,000만 개 규모의 오토클레이브 벽돌 생산 라인이 포함됩니다. 먼저, 헐리싱 기술을 사용하여 광미에서 금과 은을 회수한 다음, 회수된 광미를 이용해 기포 콘크리트 블록과 오토클레이브 벽돌을 생산함으로써 연간 15만 톤의 광미를 활용하고 연간 수익을 1,300만 위안 증가시킵니다. 기포 콘크리트 블록 생산에 사용되는 주요 원료의 질량 비율은 m(광미) : m(시멘트) : m(생석회) : m(석고) : m(알루미늄 분말) = 68 : 8 : 22 : 2 : 0.07이며, 물 대 고형분 비율은 0.6입니다. 제품 양생에는 고온·고압 포화 증기를 매체로 사용합니다. 오토클레이브 처리 조건은 다음과 같습니다: 진공: 0~-0.06 MPa, 0.5시간; 가열 및 가압: -0.06~1.3 MPa, 1.5시간; 항온·항압: 1.3 MPa에서 8.0시간; 냉각 및 감압: 1.3~0 MPa에서 1.5시간. 생산된 기포 콘크리트 블록의 성능은 다음에서 규정한 품질 요건을 충족합니다. 오토클레이브 처리된 기포 콘크리트 블록 (GB 11968—2006). 2008년, 산동 진저우 광업 그룹 유한공사가 금 광미로 기포 콘크리트 블록과 오토클레이브 연료를 생산하는 프로젝트가 “산동성 순환 경제 10대 시범 프로젝트”로 선정되었다.”

산둥성에 위치한 칭다오 솽다 신건축자재 유한공사는 첨단 장비와 기술을 도입해 총 투자액 1,600만 위안 이상의 금 광미 자원 활용 프로젝트를 구축했다. 1단계는 주로 기포 콘크리트 블록을 생산하며, 이미 시범 생산에 들어갔습니다. 연간 50만 m³의 기포 콘크리트 블록(표준 벽돌 1,736만 개에 해당)을 생산할 수 있으며, 22만 톤의 금 광미 처리 능력을 갖추고 있습니다. 2단계는 패널 제품 생산을 위해 마련되어 있다.

산둥성 라이저우 개발건설총공사가 건설 및 투자한 연간 생산량 10만 m³ 규모의 기포 콘크리트 블록 생산 라인은 2004년 6월 시범 가동에 들어갔으며, 금 광미 모래를 사용하여 기포 콘크리트를 성공적으로 생산했다. 이 블록 제품은 해당 회사가 수행하는 개발 프로젝트에 적용되고 있다.

5.7.3 납-아연 광미로부터의 기포 콘크리트 생산

일부 납-아연 광미는 실리콘 함량이 높은 규질 재료로 사용될 수 있으며, 기포 콘크리트 생산 시 플라이애시와 모래를 대체할 수 있다. 리팡셴(Li Fangxian) 등은 고규소 함량의 납-아연 광미(저장 수창 금광 유한공사 제공)를 사용하여 기포 콘크리트 제조 시 강모래를 대체하는 연구를 수행했다. 이 연구에 따르면, 납-아연 광미(SiO₂ 질량 분율 >62%)를 사용하여 기포 콘크리트를 생산하는 최적의 공정은 주입 온도 40–45°C, 시멘트 : 혼합 석회 : 납-아연 광미 : 알루미늄 분말 : 혼합제 : 소다회 = 1.0 : 1.5 : 3.06 : 0.005 : 0.005 : 0.0047 또는 1.0 : 1.0 : 2.0 : 0.0036 : 0.0036 : 0.0034이며, 벤토나이트 함량은 2%이다. 제조된 기포 콘크리트의 압축 강도와 내동결성은 B06 등급 인증 제품의 요구 사항을 충족하며, 열전도율과 건조 수축률 값은 국가 표준을 충족합니다. Zhao Junping 등은 산업용 탈황 고규소 납-아연 광미(tailings)를 사용하여 기포 콘크리트를 생산했으며, 이 기포 콘크리트의 강도, 내한성 및 안정성은 국가 표준을 충족했고, 자연 발생 방사성 핵종은 포함되어 있지 않았다.

거의 1년간의 연구 개발 끝에, 푸젠성 화동 비철금속 지질탐사국 산하 광미회사는 2013년 3월, 납·아연 광미를 원료로 사용하여 시멘트 타일, 고압증기소성 규산염 벽돌, 기포 콘크리트 등 3종류의 고압증기소성 제품을 성공적으로 생산해 냈다. 이 제품들의 성능 지표는 국가 기준을 충족했으며, 특허 1건을 출원했다.

5.7.4 저규소 구리 광미로부터의 기포 콘크리트 제조

Qian Jiawei 등은 저규소 구리 광미로 기포 콘크리트를 생산하는 것에 대한 실험 연구를 수행했다. 사용된 구리 광미는 허베이성 청더시의 쇼왕펀 구리 광산에서 채취된 것이었다. 원광미는 0.074 mm 체를 통과하는 입도 98.9%가 되도록 분쇄되었다. 구리 광미에는 약 44%의 SiO₂(질량 분율, 이하 동일)가 포함되어 있었으나 석영 형태의 SiO₂는 극히 미미하여, 발포 콘크리트 원료의 SiO₂ 함량에 대한 일반적인 요건을 충족하지 못했기 때문에 (발포 콘크리트용 모래는 일반적으로 SiO₂ >70% 및 석영 >40%를 요구함)를 충족하지 못했기 때문에, 규산질 재료의 일부를 공급하기 위해 SiO₂ 함량이 80% 이상인 규사 모래를 선정하였다. 석회 및 시멘트(P·O 42.5 시멘트)를 석회질 재료로 사용했으며, 발포제는 친수성 알루미늄 분말, 조절제는 천연 석고를 사용했다. 구리 광미로부터 기포 콘크리트를 제조하는 공정 흐름도는 그림 5-13에 나와 있다. 공정 조건은 55°C의 온수로 교반(슬러리 주입 온도 약 44°C)하고, 45°C에서 항온 양생하는 것이었다.

실험 연구를 통해 기포 콘크리트 제조에 적합한 최적 배합 비율은 다음과 같이 결정되었다: 구리 광미 32%, 실리카 모래 34%, 석회 20%, 시멘트 8%, 천연 석고 6%, 알루미늄 분말 0.057%이며, 물-고형분 비율은 0.53으로 확인되었다. 시험 결과, 상기 최적 배합 비율에 따라 제조된 기포 콘크리트 시편(100 mm × 100 mm × 100 mm)은 평균 밀도 619.1 kg/m³, 평균 압축 강도 4.5 MPa를 나타내어, 이는 다음 규정에 명시된 A3.5, B06 등급의 적격 기포 콘크리트 제품 요건을 충족하는 것으로 나타났습니다. 오토클레이브 처리된 기포 콘크리트 블록 (GB 11968—2006).