KR100515117B1

KR100515117B1 - 단열 시멘트 조성물

Info

Publication number: KR100515117B1
Application number: KR10-2003-0027424A
Authority: KR
Inventors: 박의신; 권평곤
Original assignee: 박의신; 권평곤
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2005-09-15
Also published as: KR20040093527A

Abstract

본 발명은 포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬 및 맥반석 분말을 함유하며, 이들 중에 함유되어 있는 이산화규소 대 알루미나의 중량비 2.5:1 ∼ 3.5:1을 만족하는 단열 시멘트 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단열 시멘트 조성물 시멘트 조성물에 있어서, 포틀랜드 시멘트 30∼40중량%, 플라이애쉬 40∼50중량% 및 맥반석 분말 20∼30중량%의 비율로 혼합 조성되어지되 이들 중에 함유되어 있는 이산화규소 대 알루미나의 중량비 2.5:1∼3.5:1을 만족하는 구성으로 이루어진다. 이처럼 구성된 본 발명에 따른 조성물은 기존시멘트 대비 약 20~30%의 열손실 방지에 의한 에너지 절감효과가 있어 건축공사에 유용하고, 또한 시멘트 독성이 없어 하천, 해양어초 및 상수도원 공사에 유용하다.

Description

단열 시멘트 조성물{Insulating cement composition}

본 발명은 시멘트 조성물에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 원적외선 방출효과, 유해물질의 흡착효과 등의 매우 유용한 효과를 갖는 맥반석과 폐기물인 플라이애쉬를 이용한 친환경적인 단열 시멘트 조성물에 관한 것이다.

국내에너지의 97.5%를 수입하는 가운데 건축물 부분에서 25%이상을 소비하고 있고 일반적인 건축물의 열손실이 외벽을 통하여 약30%이상 일어난점을 고려하면 에너지 절약을 위해서 가정 시급한 문제는 외피를 통한 열손실을 최소화하는 것이 시급한 실정이다. 경제적 측면에서 전체건축물이 외피 단열보강에 따른 에너지를 10% 절감하는 경우(97년 건물외피의 표준단열 설계기술개발) 건축물 총에너지 소비량 81억 3,000만달러 가운데 최소 약2억 달러이상을 절감할 수 있게 된다.

건축물에서 일반적으로 사용되는 단열재는 시멘트 구조물 사이에 충전하는 무기단열재와 유기단열재이다. 암면, 유리면, 질석, 퍼라이트, 규조토 등과 같은 무기 단열재는 열에 강한 반면 흡수성이 큰 단점이 있고, 폴리스티렌, 경질우레탄폼, 발포폴리에틸렌, 우레탄폼 등과 같은 무기 단열재는 흡수율이 적은 장점이 있는 반면에 열에 약한 단점이 있다.

한편, 포틀랜드 시멘트는 외부온도와 내부수화열에 의한 크랙 및 시멘트의 특유독성관계와 황산염에 약하고 단열이 되지 않는 문제점이 있다.

플라이에쉬 함유 시멘트는 장기강도증진 수화열의 감소, 작업성과 펌프성증대, 황산염 및 알카리성 팽창에 대한 저항성증진, 브리핑의의 감소와 내구성향상, 콘크리트의 수밀성 향상 등의 장점이 있으나 초기 강도에 약하다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 기존의 시멘트에 비해 인체에 안전하고 단열성능이 우수하며 크랙방지성능이 우수한 새로운 시멘트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명자의 연구에서 포틀랜드 시멘트에 맥반석 분말 및 플라이애쉬를 적정비율로 혼합하게 되면 상기한 목적에 부합하는 시멘트를 제공할 수 있다는 사실을 알게되어 본 발명을 완성하게 된 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 단열 시멘트 조성물은 시멘트 조성물에 있어서, 포틀랜드 시멘트 30∼40중량%, 플라이애쉬 40∼50중량% 및 맥반석 분말 20∼30중량%의 비율로 혼합 조성되어지되 이들 중에 함유되어 있는 이산화규소 대 알루미나의 중량비 2.5:1∼3.5:1을 만족하는 구성으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 구성에는 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬 및 맥반석 분말로 혼합 조성된 시멘트 조성물의 전체 중량에 대하여 분말 상의 백반 1∼10 중량%가 더 첨가될 수 있다.

또한, 전술한 구성에는 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬 및 맥반석 분말로 혼합 조성된 시멘트 조성물의 전체 중량에 대하여 분말 상의 석고 3∼10 중량%가 더 첨가될 수 있다.

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이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

시멘트가 단열성을 갖기 위한 일반 요건은 열전도율, 흡수율, 수증기 투과율이 낮을 것이다. 또한 시멘트의 다른 요건으로는 가벼우며 기계적 강도가 우수할 것, 내구성, 내열성, 내식성에 우수하고 냄새가 없을 것, 경제적이고 시공이 용이할 것, 품질의 편차가 적을 것 등이 있다.

본 발명에 따라 포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬 및 맥반석분말을 함유하고, 이들 중에 함유되어 있는 이산화규소(SiO₂) 대 알루미나(Al₂O₃)의 중량비 2.5:1∼3.5:1을 만족하는 단열 시멘트 조성물은 상기한 요건에 부합하는 특성을 갖는다.

맥반석의 주성분은 이산화규소 약 63중량%, 알루미나 약 17중량%인 알루미노 실리케이트(Alumino silicate)질 무기화합물이며, 원적외선 방출효과 및 유해물질 흡착효과가 있는 물질로서 잘 알려져 있다. 그러나 맥반석은 시멘트에 사용하는 것이 부적합한 것으로 알려져 있는데 이는 맥반석의 큰 흡수성 때문이다.

그러나, 본 발명에 따라 맥반석을 포틀랜드 시멘트 및 플라이애쉬에 배합하되, 이산화규소(SiO₂) 대 알루미나(Al₂O₃)의 중량비 2.5:1∼3.5:1을 만족하도록 하면, 낮은 열전도율, 흡수율 및 수증기 투과율을 달성할 수 있고, 내열성 및 내식성이 우수하고 냄새가 없는 친환경적인 단열 시멘트 조성물을 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 단열 시멘트 조성물에서 이산화규소의 비율이 상기한 범위의 상한을 초과하는 경우에는 흡수율 및 수증기 투과율이 너무 커서 시멘트로서 부적합하게 되고, 이산화규소의 비율이 상기한 범위의 상한을 초과하는 경우에는 열전도율이 크고, 단열성 및 내식성이 불량하여 단열시멘트로서 부적합하게 된다.

통상적으로 포틀랜드 시멘트는 이산화규소의 함량이 약 20중량%이고, 알루미나의 함량은 약 6중량%이며, 플라이애쉬는 이산화규소의 함량이 약 50중량%이고, 알루미나의 함량은 약 23중량%이며, 맥반석 분말은 이산화규소의 함량이 약 63중량%이고, 알루미나의 함량은 약 17중량%이다.

상기한 조건에 부합하는 본 발명 시멘트의 유동성 및 경제성 등을 고려할 때, 상기한 3성분의 배합비율은 포틀랜드 시멘트 30∼40중량%, 플라이애쉬 40∼50중량% 및 맥반석 분말 20∼30중량%의 비율로 혼합 조성된다.

폐자재인 플라이애쉬는 포졸란계를 대표하는 혼화재로서 포졸란 물질은 시멘트와 혼합하면 장기강도증가와 수밀, 건조수축의 감소를 가져오는 특성이 있어서, 플라이애쉬 함유 시멘트는 저발열성 및 저가격의 건설용 재료로서 댐구조물과 같은 매스(mass) 콘크리트에 널리 사용되고 있다.플라이애쉬(fly ash)란 화력발전소등에서 미분탄을 로(爐) 내의 뜨거운 기류속에 고속으로 주입하여 150∼200℃의 고온에서 부유 상태로 순간적으로 연소시키고 남은 미분체 부산물로서 집진기에 포집되는 재를 말한다. 플라이애쉬의 발생비율은 원탄의 약 15~45%정도이다. 국내의 경우 특정폐기물로 년간 300만ton정도 나오고 있으나 약 18%정도가 재활용되고 나머지는 폐기물로 처리되고 있는 실정이다.종래 플라이애쉬 함유 시멘트의 경우 플라이애쉬의 함량은 겨우 3∼5중량% 정도에 불과하다. 본 발명의 조성물에서 이러한 플라이애쉬의 함량은 40∼50중량%가 적당하다.

본 발명의 시멘트 조성물에 플라이애쉬를 최대 50중량% 이상으로 사용하고자 하는 경우 초기강도 저하 등의 문제를 일으킬 수 있으나, 이러한 초기강도 저하의 문제는 백반을 첨가하는 것에 의해 해결할 수 있다.

백반은 명반(明礬)이라고도 하는 것으로서, 칼륨백반, 암모늄백반, 암모늄-철백반 ·루비듐-코발트백반 등이 있다. 백반은 이질동상이기 때문에 혼성결정을 잘 만들며, 한 백반의 결정 위에 다른 백반의 결정을 성장시킬 수도 있다. 플라이애쉬는 자경성이 없기 때문에 시멘트에 플라이애쉬를 대량 첨가하게 되면 강도가 크게 저하되어 시멘트로 사용할 수 없게 되나, 백반을 본 조성물에 1∼10중량%의 양으로 배합하게 되면 경화가 촉진되고 초기강도가 크게 향상된다. 본빌명의 단열 시멘트 조성물중 백반의 함량이 1중량% 보다 적은 경우에는 시멘트의 강도가 부적합하게 되고, 10중량% 초과하는 경우에는 추가 배합에 따른 더 이상의 강도 향상을 기대하기 어렵게 된다.

또한, 본 조성물에는 포틀랜드 시멘트를 단독으로 사용할 수 있는 것이지만, 포틀랜드 시멘트와 조강 시멘트를 병용할 수도 있는 것이다. 후자의 경우 포틀랜드 시멘트 20∼25중량% 및 조강시멘트 10∼15중량%의 비율이 적당하다.

또한, 본 조성물에는 원할 경우 응결촉진을 위하여 이수석고 및 무수석고와 같은 분말 상의 석고를 함유시킬 수도 있다. 본 조성물 중 분말 상의 석고의 바람직한 함량은 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬 및 맥반석 분말로 혼합 조성된 시멘트 조성물의 전체 중량에 대하여 3∼10 중량%가 적당하다.

또한, 본 조성물에는 원할 경우 강도를 향상시키기 위하여 카본을 함유시킬 수도 있다. 본 조성물 중 카본블랙의 바람직한 함량은 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬 및 맥반석 분말로 혼합 조성된 시멘트 조성물의 전체 중량에 대하여 0.1∼1 중량%가 적당하다.

본 조성물에는 상기한 성분들 이외에 상도와 응결 향상을 위해 무기 안료를 첨가할 수도 있고, 단열성 향상을 위해 실리카 비드도 첨가할 수 있으며, 시멘트에 통상적으로 배합되는 고강재나 조강재 등의 기타 첨가제들도 함유시킬 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 하기 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명이 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1 내지 3]

믹서기에 이산화규소 함량이 20.2중량%이고 알루미나 함량이 5.8중량%인 포틀랜드 시멘트, 이산화규소 함량이 49.66중량%이고 알루미나 함량이 22.88중량%인 플라이애쉬 및 이산화규소 함량이 63.64중량%이고 알루미나 함량이 17.02중량%인 맥반석 분말을 하기 표 1 에 제시된 바와 같은 함량으로 투입하고, 또한 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬 및 맥반석 분말로 혼합 조성된 시멘트 조성물의 전체 중량에 대하여 백반, 조강시멘트와 기타 첨가재(고강재 및 조강재) 각각을 하기 표 1에 제시된 바와 같은 함량으로 투입한 후 잘 혼합하여 시멘트 조성물을 제조하였다.제조된 시멘트를 사용한 미장 모르타르를 성형체에서 성형하여 제작한 크기 30㎜×30㎜×3㎜의 시편을 대상으로 원적외선 방사율과 방사에너지(FT-IR)를 측정하였으며, 또한 단열특성을 확인하기 위하여 상기 조성물들과 국내 포틀랜드 시멘트를 사용한 미장 모르타르를 성형체에서 성형하여 제작한 크기 160㎜×80㎜×20㎜의 시편을 대상으로 밀도 및 열전도율(Kemthem QTM-D3)을 측정하였다. 상기한 측정결과들은 하기 표 2 및 표 3에 제시된다.

구분	시멘트 조성 (중량%)
	주성분				부성분
	포틀랜드 시멘트	플라이애쉬	맥반석분말	SiO₂/Al₂O₃	백반	조강시멘트	기타(고강재 및 조강재)
실시 예 1	35	40	25	2.8/1	3	15	2
실시 예 2	32	45	23	2.82/1	3	15	2
실시 예 3	30	50	20	3.06/1	3	15	2

구분	원적외선(5∼20㎛)방사율	원적외선 방사에너지(W/㎡)
실시 예 1	0.9	3.63 ×10²
실시 예 2	0.89	3.60 ×10²
실시 예 3	0.82	3.07 ×10²

구분	콘크리트 밀도(㎏/㎡)	콘크리트 열전도율
국내 포틀랜드 시멘트	2,800	1.40
실시 예 1	3,900	0.60
실시 예 2	3,600	0.68
실시 예 3	3,400	0.73

상기한 실험결과로부터 명백하게 되는 바와 같이 본 발명에 따르는 비율로 맥반석과 플라이애쉬를 사용하게 되면 단열특성이 우수하여 기존시멘트 대비 약 20~30%의 열손실 방지에 의한 에너지 절감효과가 있는 시멘트제품을 얻을 수 있고, 산업폐기물인 플라이애쉬의 효율적인 재사용이 가능하고, 포틀랜드 시멘트의 단점인 수화열로 인한 크랙 발생의 문제점 보완으로 논크랙(Non Crack) 시멘트제품의 생산이 가능하게 되며, 뿐만아니라 화학적 저항의 우수와 장기강도 증진, 시멘트독을 제거함으로써 상수도원 및 공동체내의 인체에 무해한 제품생산 가능, 원적외선 방출 등의 효과, 아파트 및 주택의 건설에 무해하고 시공이 빠른공정으로 건설단가는 줄일 수 있는 등의 효과를 달성할 수 있게 되므로, 본 시멘트 조성물은 건축, 도로, 터널, 항만, 인공어초, 그라우팅, 토목, 건설자재 및 2차 콘크리트 제품으로 매우 유용한 것이다. 특히 하천, 해양어초 및 상수도원 공사시 무해한 제품을 생산할 수 있게 된다.

Claims

시멘트 조성물에 있어서,

포틀랜드 시멘트 30∼40중량%, 플라이애쉬 40∼50중량% 및 맥반석 분말 20∼30중량%의 비율로 혼합 조성되어지되 이들 중에 함유되어 있는 이산화규소 대 알루미나의 중량비 2.5:1∼3.5:1을 만족하는 것을 특징으로 하는 맥반석 함유 단열 시멘트 조성물.
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제 1 항에 있어서, 상기 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬 및 맥반석 분말로 혼합 조성된 시멘트 조성물의 전체 중량에 대하여 분말 상의 백반 1∼10 중량%가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 맥반석 함유 단열 시멘트 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬 및 맥반석 분말로 혼합 조성된 시멘트 조성물의 전체 중량에 대하여 분말 상의 석고 3∼10 중량%가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 맥반석 함유 단열 시멘트 조성물.
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