KR100515090B1 - 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물을 이용한 시멘트 팽창재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트 모르터 균열의 원인이 되는 시멘트 건조수축을 보상하여 시멘트 모르터의 균열 발생을 저감시키기 위하여 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물을 주성분으로 하고 일정량의 과소 석회 및 기타 첨가물로 구성된 시멘트 모르터용 팽창재 조성물에 관한 것으로서

본 발명에 의한 팽창재는 시멘트 모르터에 일정량 혼합되어 사용하고, 시멘트 모르터 타설 후 일정기간 습윤 양생에 의하여 수화초기의 팽창을 유도함으로서 수축에 의한 균열을 저감시키며, 이러한 특성을 이용하여 공동주택 온돌바닥용 미장 모르터의 균열저감용 팽창재로 사용할 수 있다.

Description

제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물을 이용한 시멘트 팽창재 조성물 {Cement-Expansive Composite using Abandoned Refractory Materials comprising magnesia from an Iron Mill }

본 발명은 공동주택 온돌용 바닥 모르터의 균열저감용 팽창재에 관한 것이다. 보다 상세하게는 시멘트 모르터의 건조수축에 의해 발생하는 균열을 방지 또는 저감하기 위한 시멘트 모르터용 팽창재에 관한 것이다.

80년대에 들어 정부의 공동주택 대량공급 정책 및 그에 따른 고충화에 의해 축열층으로 콩자갈과 현장에서 배합하는 건비빔 모르터를 쓰는 기존의 노동집약적 온수온돌 시공법은 골재 부족 및 인건비 상승 등 심각한 생산성 저하를 가져왔다.

이에 대한 해결책으로 콘크리트 슬라브 위에 단열층(경량기포콘크리트)과 온수배관 및 마감모르터(메탈라스 보강)를 시공하는 온돌구조가 일반화되었고, 특히 단열층과 마감모르터에 기계화 시공이 도입되어 생산성이 향상되었다. 그러나 이러한 기계화 시공법은 품질 측면에서 물시멘트비의 증가에 따른 과다한 건조수축 균열, 타설장비의 성능저하, 외부환경(온도, 습도, 바람)에 의한 소성수축 균열발생 등으로 바닥마감재의 들뜸, 변색을 초래하여 고질적인 하자보수비 투입 및 시공업체의 대외신뢰도 저하를 가져오고 있다.

이에 따라 건설업계에서는 이러한 균열의 저하를 위해 다양한 노력을 해왔으며, 특히 최근 일부 업체에서는 팽창성 혼화제를 자체 개발하여 균열을 근본적으로 저감시키려는 시도를 하고 있으나 콘크리트와 달리 모르터는 타설 두께가 얇아 외부환경에 민감하고, 모르터 특성 및 과량의 물 시멘트 비, 경제성 등으로 인해 그 성능에 한계가 있어 균열 문제가 쉽게 해결되지 않고 있다.

이를 해결하기 위한 방법으로는 종래의 공동주택 온돌 미장 모르터의 균열을 방지하기 위한 재료는 크게 두가지로 사용되어 왔는데 첫째는 물리적인 방법에 의한 시도로서 와이어 메쉬(와이어 라스,Wire Laths) 나 메탈 라스(Metal Laths), 섬유 보강재 등이 사용되었으나 그 사용효과의 미미함으로 인하여 현재에는 이러한 물리적 방법은 거의 사용하지 않고 있다.

한편, 물리적인 방법과 대비하여 재료의 화학반응을 이용한 시도도 끊임없이 이루어져 왔으며 현재에도 이러한 화학적인 방법으로 시멘트 모르터의 균열저감을 위한 노력이 이루어지고 있다. 화학적인 방법의 대표적인 메카니즘은 크게 두 가지로 구분되는데, 첫째는 팽창성 광물인 에트링자이트 생성에 의한 건조수축 보상 메카니즘과 에트링자이트 생성과 더불어 생석회의 팽창반응을 이용한 메카니즘으로 구분된다, 에트링자이트 생성 메카니즘의 대표적인 재료로는 아우인 또는 시에스에이(CSA)라 불리는 칼슘설포 알루미네이트 클링커와 무수석고의 혼합사용이 있으며, 생석회의 팽창메카니즘의 대표적인 재료는 과소 생석회를 사용하는 석회-석고계 재료가 사용되고 있다.

이들 각각의 재료의 특성을 검토해보면 다음과 같다.

가) 석회-석고 계 팽창재

석회-석고 계 팽창재는 온돌미장 모르터의 균열방지용으로 국내에서 최초로 사용한 것은 충남 서산의 현대정유공장에서 원유의 탈황공정에서 나오는 부산물을 이용한 것으로서 저렴한 가격으로 팽창성능을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 정유공장의 탈황공정의 공정 이상이나 공정개선 혹은 탈황공정에 사용되는 석회석(또는 백운석)의 품위에 따라 품질의 편차가 크고 또 팽창특성의 지속적인 유지 측면에서도 문제가 있어 경제성과 성능을 조화시키는 개선이 필요한 실정이다. 현재 사용되고 있는 석회-석고 계 팽창재는 원유공장의 탈황 부산물이 주종을 이루고 있으며 기타 일부 업체에서 각각의 재료배합에 의한 제품을 판매하고 있다. 또한 혼화재로서의 판매뿐 아니라 일부 시멘트회사에서는 공장배합 모르터 또는 시멘트에 혼합한 상태로서 이용이 되고 있다.

나) 아우인계(CSA) 팽창재

팽창재로서 그라우트용 시멘트 등의 정밀한 성능 발현이 필요한 곳에 많이 사용되고 있으나 가격은 석회-석고계 팽창재 보다 비싼 편이며, 온돌 미장 모르터용으로는 품질의 불안정한 이유로 인하여 범용적으로 사용되고 있지는 않다. 아우인계(CSA) 팽창재의 개발을 위해서는 CSA가 그 조성에 따라 조강성, 속경성, 팽창성을 나타내는 바 온돌미장 모르터용으로 적절한 기준을 찾는 것이 중요하며 한편 경제성을 확보하는 것이 주요한 개발 포인트가 되고 있다.

3) 소성수축 균열

소성수축 균열은 온돌미장 모르터 시공 직후에서 하루 이틀 사이에 발생하는 균열로 기후 요인에 의해 타설된 모르터가 응결되기 전에 급격히 물을 잃으면서 발생하는 균열이다. 그런데 원인은 정확히 밝혀지지 않고 있으나 최근 들어 건조기(봄, 가을)에 타설하는 온돌미장 모르터에서 소성수축 균열의 발생이 눈에 띄게 증가하고 있는데, 이는 작업성을 심각히 저해할 뿐만 아니라 시공 품질 차원에서 감리측과 많은 마찰을 일으키고 있다. 또한 하자보수비를 증가시키는 동시에 양생된 모르터의 일체성 부족으로 건조수축 균열을 많이 유발시키는 것으로 나타나 이에 대책이 시급한 실정이지만 현재로서는 이에 대한 뚜렷한 대책이 없는 실정이다.

상기 종래 기술의 문제점의 해결방안으로 본 발명인에 의해 공고된 대한민국 공개특허공보 특 2001 - 0016267호에서는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 종래의 팽창재의 제조 방법과는 달리, 국내에서 유휴자원으로 대량 매장되어 있는 명반석을 주원료로 하고, 에트링자이트를 생성하기 위해 550℃∼650℃로 하소한 명반석과 무수석고 등을 사용하였으며, 온돌미장 모르터의 초기 소성수축을 제어하기 위하여 보습 특성이 강한 셀루로오스 화합물과 소성수축의 가장 중요한 요인인 시멘트 겔 내의 자유수의 이동을 원활히 하기 위하여 스테아린산 염을 사용한 바 있다. 그러나 국내 유휴자원인 명반석을 활용한 면에서는 유휴자원의 활용이라는 측면에서 매우 유용한 특허이나 명반석의 하소 비용 등에 의한 원가 상승으로 인하여 팽창재 제조비용이 경제적이지 못한 단점을 내포하고 있다.

본 발명자는 이와 같은 종래의 팽창재 제조 및 팽창재 물성의 안정화를 개선하기 위해 연구를 계속한 결과, 포항 제철소의 내화물의 성분이 팽창특성이 있는 것을 발견하였고 이들 내화물의 폐기물 내에도 시멘트 수화 시 물과 반응하여 팽창하는 성분이 충분히 함유되어있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다. 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물은 마그네시아 성분이 충분히 함유되어 있는 마그네시아질 내화물로서 마그네시아는 다음의 반응식 1과 같이 반응하여 팽창을 유도하게 된다.

반응식 1

MgO + H₂O = Mg(OH)₂

구체적으로는, 시멘트 모르터에 혼합되어 시멘트 수화 시 물과 반응하여 수산화 마그네슘을 형성하면서 부피 팽창이 일어나고 이때 부피 팽창에 의하여 시멘트의 건조수축을 저감시키게 됨을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 제철소 용광로 내부의 내화물로 사용되는 마그네시아질 내화물의 주성분이 마그네시아로 구성되어 있으며 일정기간 제철소 용광로에서 사용된 후 폐기되어도 마그네시아 함량의 변화가 없고, 물과 반응에 의하여 팽창되는 성질이 바뀌지 않음을 확인하고, 이들 폐 마그네시아 내화물을 이용하여 시멘트 모르터의 건조수축을 보상하여 균열 발생을 저감시킬 수 있는 시멘트용 팽창재 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적에 따라서, 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물과 과소 생석회를 사용하여 시멘트 모르터의 건조수축에 의한 균열을 저감할 수 있는 시멘트 팽창재가 제공된다.

본 발명에 따른 팽창재는 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물에 함유되어 있는 마그네시아와 과소 생석회로 구성되어 시멘트 모르터의 건조수축을 보상하여 공동주택 온돌바닥 미장 모르터의 균열을 저감시키는 균열방지용 팽창재로 사용될 수 있다.

본 발명의 팽창재 구성원료는 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물과 과소 생석회를 사용하였으며 폐 내화물의 EDX 분석결과 및 전자현미경 관찰 결과, 입도 분포는 도 1, 도 2 및 도 3과 같으며, 또한 과소 생석회의 EDX 분석 결과 및 수화온도 특성은 도 4 및 도 5에 나타내었으며, 순도는 생석회 함량 기준으로 85 wt％ 이상인 것을 사용하였다. 도 1의 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물의 EDX 분석결과를 보면 불순물로 일부 실리카 성분과 칼슘 이온이 존재하나 전체적으로 마그네슘 이온이 대량으로 존재하고 있음을 확인할 수 있으며, 이온 분석결과에 의한 산화마그네슘의 함량은 56중량%로 나타남을 확인할 수 있다. 도 2의 전자현미경 관찰 결과, 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물은 침상의 결정이 다량 생성되어 있는 것을 볼 수 있는데, 이들 침상의 결정이 시멘트 수화물 내에서 수축을 방지하고 강도를 증진시키는 역할을 하게 된다. 도 3의 입도분석 결과를 보면 일반적으로 보통 시멘트는 100 마이크론 이하의 입도를 갖고 있는 것에 비하여 본 발명의 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물은 약 20% 정도가 100 마이크론 이상의 입도를 가지고 있음을 알 수 있는데 이는 팽창재의 입도를 시멘트 보다 약간 크게 하여 시멘트 수화보다 약간 지연되어 팽창반응이 진행되게 됨으로써 시멘트 수화 수축 시에 팽창에 의한 수축 보상이 이루어지도록 안배한 것이다. 도 4의 과소 생석회의 EDX 분석 결과를 보면 과소 생석회에는 일부 불순물로 소량의 다른 이온들이 존재하나 이는 원광석 중에 함유되어 있는 불순물이라 판단되며, 주성분인 칼슘이온이 다량 함유되어 있음을 알 수 있다. 또한 도 5의 과소 생석회의 수화열 실험 결과 과소 생석회는 일반 생석회 보다 수화열이 낮으나, 수화열의 지속시간이 길게 나타난다. 이는 과소 생석회를 시멘트 중에 혼합하여 사용할 경우 일반 생석회보다 일정시간 동안 지속적으로 수화가 진행될 수 있음을 의미한다. 생석회는 물과 반응하여 팽창하는 특성이 있는데 이러한 특성을 이용하여 시멘트 수축을 보상하는 재료로 사용될 수 있다.

또 다른 본 발명의 목적에 따라서, 시멘트용 팽창재의 조성물은,

제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물을 도 3의 입도 분포가 되도록 분쇄한 것과 상기의 특성을 갖는 과소 생석회를 혼합하는 것으로서, 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물 75 내지 85 wt％와 과소 생석회 15내지 25 wt％의 범위로 약 30분간 혼합하는 것으로 이루어진다.

이하 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예

제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물 원료 약 100 kg을 도 3의 입도분포가 되도록 볼밀에서 약 60분간 분쇄하였다. 분쇄한 폐내화물 82 kg과 순도 85％ 이상인 과소 생석회 18 kg을 약 30분간 혼합기에서 혼합하여 시멘트용 팽창재를 제조하였다.

시험예 1: 시멘트 길이변화율 시험

제조예에서 제조된 팽창재의 팽창수축 특성을 확인하기 위하여 시멘트 모르터 팽창시험을 하였다.

시멘트 440 kg, 모래(평균입도 범위 : 잔골재율 = 2.95 이상) 1,440 kg, 본 발명의 팽창재 40 kg, 물 300 kg의 배합비로 약 3분간 혼합하였다. 혼합 후 본 발명의 팽창재가 함유된 시멘트 모르터의 특성을 표 2에 나타내었다.

표 2. 팽창재 함유 시멘트 모르터의 특성

본 발명의 팽창재와 본 발명자의 선 출원 팽창재의 특성을 비교한 결과 응결시간은 본 발명의 팽창재가 조금 빠른 것으로 나타났으며 압축강도 역시 약간 높은 것으로 나타났다. 이는 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물에 함유된 마그네시아의 영향으로 응결시간이 빠르게 나타난 것으로 판단되며, 따라서 기존에 사용되고 있는 팽창재보다는 작업완료시간의 단축으로 인하여 공정비가 절감되는 효과를 기대할 수 있겠다.

길이변화율 특성을 보면 기존의 팽창재를 사용한 모르터 보다 수축율이 적게 나타나고 있으며, 따라서 시멘트 모르터의 건조수축에 의한 균열 저감효과는 더욱 수할 것으로 판단된다.

본 발명에 따른 팽창재는, 제철소 용광로의 페마그네시아 내화물을 원료로 사용하는 것으로서 마그네시아의 팽창특성을 이용한 시멘트 모르터 균열방지용 팽창재로서, 시멘트 모르터의 수화과정에서 발생하는 건조수축을 보상함으로서 필연적으로 발생하는 시멘트 모르터의 균열을 저감할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 팽창재는 공동주택 온돌 마감용 미장 모르터의 균열을 저감함으로서 균열보수비용을 절감할 뿐 아니라, 균열 발생이 적으므로 인하여 공동주택 공사시의 시공기간을 단축시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 팽창재의 팽창특성을 활용한다면 무수축 그라우트 모르터의 수축방지용, 셀프-콤팩팅(Self-Compacting) 콘크리트에의 적용이 가능할 것이다.

도 1 은 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물의 EDX 분석결과이다.

도 2 는 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물의 전자현미경 분석결과이다.

도 3 은 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물의 입도 분석결과이다.

도 4 은 과소 생석회의 EDX 분석 결과이다.

도 5 는 과소 생석회와 일반 생석회의 수화온도 특성을 시험한 결과이다.

Claims (2)

1. 제철소 용광로 유래의 마그네시아질 폐내화물 75 내지 85 wt％와 과소 생석회 15 내지 25 wt％로 구성된 시멘트 모르터 균열저감용 팽창재 조성물,
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