KR100840335B1 - 황토볼을 이용한 해양구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 황토볼을 이용한 해양구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트 100 중량부에 대해 황토볼 550~580 중량부, 모래 75~90 중량부, 고강도 혼합제 13~18 중량부, 유동화제 1~3 중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물에 관한 것이다.

상기의 구성을 갖는 본 발명은 시멘트, 모래, 황토볼을 주성분으로 하고 여기에 고강도 혼합제 및 유동화제를 적절히 혼합하여 다공질의 해양구조물를 제조함으로써, 황토볼을 이용하여 해양구조물의 기계적 강도를 향상시키기 때문에 해조류가 뿌리를 잘 내릴 수 있고 그리고 황토를 펠릿 형태로 제조한 황토볼을 골재 대용으로 사용하기 때문에 일반 다공성 해양구조물에 비해 표면적의 증가와 다공질에 의한 입자간 공극이 더 많아져 공극율이 24~25 부피%로 매우 클 뿐만 아니라 투수성이 높아 해수소통의 기능과 해조류의 포자를 잘 부착 및 정착시켜주는 장점이 있다.

해양구조물, 포틀렌트시멘트, 고로슬래그 시멘트, 황토볼, 모래, 고강도 혼합제, 유동화제, 구형

Description

황토볼을 이용한 해양구조물{Marine structure using Loess ball}

본 발명은 황토볼을 이용한 해양구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 황토를 구 형상의 펠릿 형태로 제조하여 골재 대용으로 사용하는 황토볼과 시멘트, 고강도 혼합제, 모래 등으로 이루어진 조성물을 사용함으로써, 일반 다공성 해양구조물에 비해 투수성이 높고 표면적이 넓어 공극율이 크게 향상되기 때문에 풍부하게 해조류를 부착할 수 있는 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물에 관한 것이다.

일반적으로 황토는 석영, 장석, 탄산염광물, 운모 등 25종 이상의 필수 미네랄이 풍부하게 함유된 흙으로서, 동식물의 성장에 꼭 필요한 원적외선을 다량 방사하며 세포의 생리작용을 활발히 하고 열에너지를 발생시켜 유해물질을 방출하는 광전효과가 우수한 것이 특징이다.

또한 황토 1g속에는 약 2억~2억5천마리의 미생물이 살고 있으며 다양한 효소 들이 복합적으로 순환작용을 일으킬 뿐만 아니라 이러한 미생물들은 체내 독소인 과산화지질을 중화 내지 희석시켜 산화력, 분해력을 강하게 발산시키는 디페놀 옥시다아제(Diphenol Oxydase)효소, 식물의 성장을 촉진시키는 사카라제(Saccharase)효소, 단백질속의 질소가 무기화할 때 단백질을 아미노산으로 가수분해시켜 정화작용을 촉진시키는 프로테아제(Protease)효소 등이 함유되어 있다. 이에 따라 근래에는 이러한 황토를 건축재료와 요업원료 외에 물고기 양식에 있어 어병의 예방과 치료용 등으로 그 사용분야가 점차 확대되고 있다.

이와 같이 다양한 분야에 활용되고 있는 황토를 이용하여 해양구조물를 제조하는 방법들이 다양하게 연구 개발되어 아래의 내용들과 같은 특허로서 제안되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제1999-14477호(1999.02.25 공개)에 황토, 점토, 도석, 카오린, 납석을 혼합한 후 성형하고 소성가공하여 높은 경도로 인해 흡수율이 5~8%인 단위어초를 제조하여 이를 각각 볼트와 너트로 체결하여 구성된 황토를 주재료한 해양구조물 및 그 제조방법이 제안되고 있지만 상기와 같은 해양구조물는 소성가공에 따른 표면적의 저하로 흡수율이 떨어짐에 따라 해조류가 뿌리를 잘 내릴 수 없는 문제점이 있다.

그리고 대한민국 등록특허공보 제10-314592호(2001.11.15 공고)에 황토 90 중량%와 폐각류 10 중량%를 경화제 20 중량%로 혼합한 황토 혼합물을 프레스 성형하여 자연건조시킨 해양구조물와 어구를 제안하고 있지만 상기와 같은 해양구조물는 단순히 황토와 폐각류를 경화제로 혼합하여 성형하고 건조시킴에 따라 해중에 투입된 해양구조물가 시간이 지남에 따라 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 시멘트, 모래, 황토볼을 주성분으로 하고 여기에 고강도 혼합제와 유동화제를 적절히 혼합하여 다공질의 해양구조물을 제조함으로써, 황토볼에 고강도 혼합제 등을 이용하여 해양구조물의 기계적 강도를 향상시키기 때문에 해조류가 뿌리를 잘 내릴 수 있고 그리고 황토볼에서 나오는 풍부한 미네랄 성분으로 인해 해조류가 잘 성장하여 해조류 주변에 서식하고 있는 생물들이 모일 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물을 제공함에 그 목적이 있다.

그리고 본 발명은 황토를 펠릿 형태로 제조한 황토볼을 골재 대용으로 사용함으로써, 일반 다공성 해양구조물에 비해 입자간 공극이 증가하여 공극율이 23~25 부피%로 향상되고, 투수성이 높아 해류소통의 기능과 해조류의 포자를 잘 부착 및 정착시켜주는 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물을 제공함에 또 하나의 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 시멘트 100 중량부에 대해 황토볼 550~580 중량부, 모래 75~90 중량부, 고강도 혼합제 13~18 중량부, 유동화제 1~3 중량부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 황토볼을 이용한 해양구조물에서 상기 시멘트는 포틀렌트시멘트와 고로슬래그 시멘트 중에서 1종 또는 2종을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 황토볼을 이용한 해양구조물에서 상기 황토볼은 직경의 크기에 따라 13mm 황토볼 260~270 중량부와 25mm 황토볼 290~310 중량부를 각각 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 황토볼을 이용한 해양구조물에서 상기 고강도 혼합제는 칼슘설포알루미네이트계 광물 또는 알루미나계 광물을 선택 사용하고, 강도를 증진시키는 무기 혼합제는 실리카 미분말, 슬래그 미분말, 탄산칼슘 미분말, 플라이 애쉬 미분말, 점토계 미분말 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 황토볼을 이용한 해양구조물에서 상기 유동화제는 폴리알킬아릴설폰산염의 축합물, 나프탈렌설폰산염의 축합물, 리그닌설폰산염의 축합물, 폴리카르복실산염 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기의 구성을 갖는 본 발명은 시멘트, 모래, 황토볼을 주성분으로 하고 여기에 고강도 혼합제 및 유동화제를 적절히 혼합하여 다공질의 해양구조물을 제조함으로써, 황토볼을 이용한 해양구조물의 기계적 강도를 향상시키며, 또한 황토를 펠릿 형태로 제조한 황토볼을 골재 대용으로 사용하기 때문에 일반 다공성 해양구조물에 비해 입자간 공극의 증가로 공극율이 23~25 부피%로 매우 클 뿐만 아니라 투수성이 높아 배수의 기능과 해조류의 포자를 잘 부착 및 정착시켜주는 장점이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은 시멘트 100 중량부에 대해 황토볼 550~580 중량부, 모래 75~90 중량부, 고강도 혼합제 13~18 중량부, 유동화제 1~3 중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 특징은 통상적인 콘크리트 해양구조물이 시멘트, 모래, 골재 등을 적절히 배합하여 제조함으로써, 콘크리트의 물리적 특성인 기계적 강도가 높아진다는 점에 착안하여 본 발명은 황토를 펠릿 형태로 만든 황토볼을 골재 대용품으로 사용하여 배합함으로서, 콘크리트와 같은 높은 기계적 강도를 가지면서 일반 다공성 해양구조물에 비해 입자간 공극의 증가로 공극율이 23~25 부피%로 향상되고 그리고 투수성이 높아 해류소통의 기능과 해조류의 포자를 잘 부착 및 정착시키는 것이 특징이다.

본 발명에서 황토볼이란 황토를 구 형상의 펠릿 형태로 만들어 콘크리트 해양구조물를 제조할 때 골재로 사용하는 자갈이나 고로슬래그 대신에 황토볼을 사용하여 제조하는 것으로서, 본 발명에 사용하는 황토볼은 펠릿을 800~900로 소성시켜 제조하는 것이 특징이다.

상기에서 시멘트는 모래와 황토볼을 수화작용에 의해 경화시키는 경화제 역할을 한다. 시멘트의 배합비는 100 중량부가 바람직하다. 시멘트의 사용량이 상기 범위 미만일 경우에는 시멘트의 배합량 부족으로 인해 모래와 황토볼을 충분히 경화시키지 못해 해양구조물의 기계적 강도가 저하될 우려가 있고, 그리고 시멘트의 사용량이 상기 범위를 초과할 경우에는 그에 따른 기계적 강도의 상승이 미약하여 경제적이지 못하다. 그리고 상기 시멘트는 포틀렌트시멘트와 고로슬래그 시멘트 중에서 1종 또는 2종을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기에서 황토볼은 황토의 미세한 콜로이드 입자로 인하여 다공질의 특성을 가지고 있는 펠릿의 구조와 협력을 이루어 주위의 미세한 부유물질을 용이하게 흡착하는 성질을 가지고 있으며 이는 수온 상승과 영양염류로 문제시 되고 있는 녹조, 적조를 일부분 예방하는 대에도 큰 역할을 한다. 그리고 수중의 유기물 부착이 용이하여 이를 먹이로 하는 동물성 플랑크톤을 모이게 함으로써, 상위 먹이사슬로 이어져 해중 생태 활성의 증가와 어류의 군집 효과를 높이는데에 큰 도움이 되고 있다.

따라서, 상기와 같은 황토볼을 제조하는 과정을 보면, 숙성된 황토를 성형틀에 투입하여 펠릿으로 성형시킨다. 이때 성형품의 형상은 구형 형태의 상부 및 하부프레임과 이 상부 및 하부 프레임의 각 모서리에 일체형으로 결합된 수직프레임으로 이루어진 구형의 구조인 것이 바람직하지만, 반드시 상기의 구형 구조에만 한정하는 것이 아니고, 수요자나 제조자의 필요에 따라서 그 구조가 적절히 변형되어 질 수 있다.

그리고 성형틀을 해체한 후 성형품을 그늘에서 2~3일간 1차 건조시킨 후 양지에서 자연적인 햇볕을 이용하여 3~4일간 2차 건조시키고, 그리고 상기 성형품을 소성가마에 적재하여 800~900의 온도로 4~6시간 소성시켜 제조한다.

상기에서 건조 및 소성조건이 상기의 조건 미만일 경우에는 성형품이 충분히 건조 및 소성되지 아니하여 기계적 강도가 저하될 우려가 있고, 건조 및 소성조건이 상기의 조건을 초과할 경우에는 기계적 강도는 향상될 수 있지만 성형품에 균열현상 또는 비틀림과 같은 변형이 발생될 우려가 있다.

상기와 같이 제조된 황토볼은 입도의 크기가 표준체 10mm를 통과하고 표준체 25mm에 남는 정도의 입도 크기로서, 상기 황토볼의 직경의 크기는 13mm 황토볼 260~270 중량부와 25mm 황토볼 290~310 중량부를 각각 배합시키는 것이 바람직하다. 상기 황토볼의 배합비가 상기에서 정한 범위 미만일 경우에는 황토볼의 배합량 부족으로 인해 해양구조물의 기계적 강도가 저하될 우려가 있고, 황토볼의 배합비가 상기에서 정한 범위를 초과할 경우에는 상대적으로 모래의 배합량이 부족하여 황토볼와 황토볼 사이의 접촉면적의 감소로 해양구조물의 기계적 강도가 저하될 우려가 있다.

본 발명에 사용하는 모래는 시멘트의 수화작용에 의해 황토볼이 경화될 경우에 황토볼 입자간의 접촉면적을 넓혀주기 때문에 기계적 강도를 항상시키는 역할을 한다. 상기 모래의 배합비는 75~90 중량부인 것이 바람직하다. 모래의 배합비가 75 중량부 미만이 될 경우에는 황토볼에 비해 상대적으로 모래의 배합량이 부족하여 황토볼 입자간의 접촉면적을 충분히 넓혀주지 못해 기계적 강도가 저하될 우려가 있고, 모래의 배합비가 90 중량부를 초과할 경우에는 황토볼과 황토볼 사이의 공극을 막아 공극율을 낮추어 해류소통의 기능을 저하시킬 우려가 있다.

그리고 본 발명에 사용하는 고강도 혼합제는 해중에서 황토볼의 분리방지 및 해양구조물의 형태 유지를 위해 기계적 강도를 향상시키기 위하여 첨가하는 것으로서, 황토볼의 응결 및 경화를 촉진시켜 건조 및 경화로 인한 수축을 방지할 뿐만 아니라 고강도 특성을 발현하기 위하여 칼슘설포알루미네이트 (Calcium sulfo aluminate)계 광물 또는 알루미나계 광물 등이 사용되는 것이 바람직하며, 재료의 충전율 및 반응성을 향상시켜 포졸란 효과를 통하여 강도를 증진시킬 수 있는 무기 혼합제는 실리카 미분말, 슬래그 미분말, 탄산칼슘 미분말, 플라이애쉬 미분말, 점토계 미분말로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용되는 것이 바람직하다.

상기 고강도 혼합제의 배합비는 13~18 중량부인 것이 바람직하다. 혼합제의 배합비가 13 중량부 미만이 될 경우에는 혼합제의 사용량 부족으로 해양구조물의 기계적 강도의 저하로 해양구조물이 분리될 우려가 있고, 혼합제의 배합비가 18 중량부를 초과할 경우에는 혼합제의 사용량 과다에 따른 해양구조물의 기계적 강도 상승이 미약하여 경제적이지 못하다.

상기 유동화제는 물의 양을 감소시켜 유동성을 높이기 위한 역할을 한다. 상 기 유동화제의 배합비는 1~3 중량부인 것이 바람직하다. 유동화제의 배합비가 1 중량부 미만이 될 경우에는 유동화제의 사용량 부족으로 흐름성이 적어 배합에 어려움이 있고, 유동화제의 배합비가 3 중량부 초과될 경우에는 유동화제의 사용량 과다로 배합물의 점성이 떨어질 우려가 있다. 그리고 상기 유동화제로는 폴리알킬아릴설폰산염의 축합물, 나프탈렌설폰산염의 축합물, 리그닌설폰산염의 축합물 및 폴리카르복실산염 중에서 1종 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 사용형태는 액체 또는 분체의 어느 것이어도 좋다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하지만 본 발명은 실시예에 의해 한정하는 것은 아니다.

1. 황토볼의 제조

숙성된 황토 200kg를 혼합하고 이를 직경의 크기에 따라 13mm 성형틀 및 25mm 성형틀에 각각 투입하여 구 형상의 펠릿으로 성형한 후 성형틀을 해체하고 성형된 성형품을 그늘에서 13mm 구 형상 펠릿은 2일간 1차 건조시키고, 25mm 구 형상 펠릿은 3일간 건조시킨다. 그리고 양지에서 자연적인 햇볕을 이용하여 13mm 구 형상 펠릿을 3일간 2차 건조시키고 그리고 25mm 구 형상 펠릿은 4일간 2차 건조시킨다. 2차 건조된 상기 성형품을 소성가마에 적재하여 850±5℃의 온도로 5시간±10분간 소성시킨 후 서서히 자연 냉각시켜 황토볼을 제조하였다.

2. 해양구조물의 공시체 제조

(실시예 1)

포틀랜트시멘트 20kg에 13mm 황토볼 52kg, 25mm 황토볼 60kg, 모래 16kg, 고강도 혼합제 2.8kg, 유동화제 0.3kg 및 물 6.5ℓ를 혼합한 혼합물을 몰드(φ10x20cm)에 2/3 채우고 봉 다짐을 10회 실시하였으며, 이를 2회 반복하여 공시체를 제조하였다. 또한 공시체는 제작 24시간 후 탈형하여 측정 재령까지 상온에서 양생을 실시하였다.

(실시예 2)

포틀랜트시멘트 20kg에 13mm 황토볼 54kg, 25mm 황토볼 62kg, 모래 16kg, 고강도 혼합제 3.2kg, 유동화제 0.6kg 및 물 6.5ℓ를 혼합한 혼합물을 상기 실시예 1과 같이 제조하하여 양생하였다.

(비교예 1)

포틀랜트시멘트 20kg에 13mm 황토볼 50kg, 25mm 황토볼 57kg, 모래 13kg, 고강도 혼합제 1.8kg, 유동화제 0.1kg 및 물 6.5ℓ를 혼합한 혼합물을 상기 실시예 1과 같이 제조하하여 양생하였다.

(비교예 2)

포틀랜트시멘트 20kg에 13mm 황토볼 60kg, 25mm 황토볼 50kg, 모래 20kg, 고 강도 혼합제 4kg 및 물 6.5ℓ를 혼합한 혼합물을 상기 실시예 1과 같이 제조하하여 양생하였다.

상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에 사용된 고강도 혼합제는 삼성하우징의 '칼슘설포알루미네이트계 광물 즉, SH-70S'를 사용하였고, 그리고 유동화제로는 이건실업의 '나프탈렌설폰산염의 축합물'을 사용하였다.

3. 해양구조물 공시체의 측정방법

시험예 1 : 압축강도의 측정

양생 재령일로 각각 3, 7, 28일 경과한 각 실시예 1~2 및 비교예 1~2의 공시체의 압축강도(MPa)를 KS F2405에 따른 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 아래 [표 1]에 나타내었다.

시험예 2 : 공극율의 분석

실시예 1∼2 및 비교예 1~2에 의한 각 공시체의 공극율을 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry)을 이용하여 진공압 50㎛Hg, 진공시간 5분, 수은 주입압력 0.49psia 조건에서 분석한 결과를 아래 [표 1]에 나타내었다. 공극율의 분석을 통하여 본 발명의 해양구조물이 수밀성 개선에 효과가 있는지 뒷받침할 수 있다

4. 측정결과

[표 1]

구 분	압축강도(kg/㎠)			공극율(부피%)
	3일	7일	28일
실시예 1	300	380	430	24.4
실시예 2	298	372	420	24.0
비교예 1	250	300	350	18.6
비교예 2	258	312	362	18.0

상기 [표 1]에 나타난 바와 같이 시멘트, 황토볼, 모래, 고강도 혼합제 및 유동화제를 적절히 혼합한 실시예 1 및 2는 압축강도와 공극율이 매우 높게 측정되었다.

그리고 비교예 1 및 2는 주성분인 시멘트, 황토볼, 모래에 고강도 혼합제의 혼합량이 소량 또는 과량 혼합되거나 유동화제가 소량 또는 첨가되지 않음에 따라 압축강도와 공극율의 측정치가 실시예 1 및 2에 비해 현저히 떨어지는 것으로 나타났다.

따라서 비교예 1 및 2의 경우에는 조성성분이 적절하게 혼합되지 않거나 유동화제가 소량 또는 첨가되지 않음에 따라 실시예 1 및 2에 비해서 압축강도와 표면증가에 따른 공극율이 뒤떨어진 것을 알 수 있었다.

상기에서 설명 드린 바와 같이 본 발명은 상기의 실시예를 통해 기계적 물성의 우수성이 입증되었지만 본 발명은 상기의 실시예에 의해서만 반드시 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않은 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.

본 발명은 해양구조물의 기계적 강도를 높이기 위하여 그간 골재로 사용하던 자갈 대신에 황토를 구 형상의 펠릿 형태로 가공하여 소성한 황토볼을 사용함으로써, 황토의 미세한 콜로이드 입자로 인하여 주위의 부유물질을 용이하게 흡착할 수 있으며, 수온 상승과 영양염류로 문제시 되고 있는 녹조, 적조를 일부분 예방하는 대에도 큰역할을 한다. 그리고 수중의 유기물 부착이 용이함에 따라 이를 먹이로 하는 동물성 플랑크톤을 모이게 함으로써, 상위 먹이사슬로 이어져 해중 생태 활성의 증가와 어류의 군집 효과를 높이는데 큰 장점이 되고있다.

Claims (4)

1. 시멘트 100 중량부에 대해 황토볼 550~580 중량부, 모래 75~90 중량부, 고강도 혼합제 13~18 중량부, 유동화제 1~3 중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 황토볼은 13mm 황토볼 260~270 중량부와 25mm 황토볼 290~310 중량부를 각각 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 고강도 혼합제는 칼슘설포알루미네이트계 광물 또는 알루미나계 광물을 선택 사용하고, 그리고 강도를 증진시키는 무기 혼합제는 실리카 미분말, 슬래그 미분말, 탄산칼슘 미분말, 플라이애쉬 미분말, 점토계 미분말 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 유동화제는 폴리알킬아릴설폰산염의 축합물, 나프탈렌설폰산염의 축합물, 리그닌설폰산염의 축합물, 폴리카르복실산염 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 황토볼을 이용한 해양구조물.