KR100855686B1 - 무시멘트 알카리 활성 결합재 - Google Patents

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이강석
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Abstract

본 발명은 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린 등 산업부산물에 알카리성 무기질 재료를 적정 첨가한 무시멘트 알카리 활성 결합재에 관한 것으로, 종래 포틀랜드 시멘트의 문제점인 이산화탄소의 방출을 획기적으로 줄일 수 있어 친환경적일 뿐만 아니라 그 특성도 우수한 무시멘트 알카리 활성 결합재를 제시하고 있다.
무시멘트, 알카리 활성 결합재, 이산화탄소

Description

무시멘트 알카리 활성 결합재{ALKALI-ACTIVATED BINDER WITH NO CEMENT}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재들을 보여주는 사진들이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재들을 이용한 모르터의 유동성을 보여주는 그래프들이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르터의 나트륨계 대 원재료의 중량비에 따른 28일 압축 강도 및 재령별 압축강도 발현을 보여주는 그래프들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르터의 건조수축 변형률 거동을 보여주는 그래프들이다.
본 발명은 무시멘트 알카리 활성 결합재에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린 등 산업부산물에 규산나트륨, 분말형의 수산 화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 알카리성 무기질 재료를 적정 첨가한 무시멘트 알카리 활성 결합재에 관한 것이다.
일반적으로 건설산업에 이용되는 모르터 및 콘크리트는 결합재, 물 및 골재로 구성되는데 이때 이용되는 결합재는 일반적으로 포틀랜드 시멘트이다. 상기 포틀랜드 시멘트는 그 생산 과정에서 막대한 에너지가 소비되며, 이에 따라 발생하는 이산화탄소의 발생은 전 세계 온실가스 방출량의 7%에 해당된다.
상기 포틀랜드 시멘트는 주성분이 실리카, 알루미나 및 석회를 함유하는 원료를 적당한 비율로 혼합하고, 그 일부가 용융되어 소결된 클링커에 적당량의 석고를 첨가하여 분쇄시켜 분말로 한 것이다. 따라서 이러한 시멘트의 클링커 제조를 위해서는 약 1450℃의 고온 상태에서 용융시켜야만 하기 때문에 대량의 에너지(유 약 30 내지 35ℓ/톤)를 소비하게 된다. 뿐만 아니라 시멘트 1톤을 제조하는 데에는 약 700 내지 870Kg의 이산화탄소를 배출되는 것으로 알려져 있다.
포틀랜드 시멘트 1톤의 생산에서 수반되는 약 0.8톤의 이산화탄소 방출량을 줄이기 위해 세계적으로 콘크리트 제조 업체들은 시멘트 사용량을 줄이기 위한 노력을 경주하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린 등 산업부산물에 알카리성 무 기 재료를 적정 첨가하여 무시멘트 알카리 활성 결합재를 제조함으로써 종래의 시멘트의 문제점인 이산화탄소의 방출을 획기적으로 줄일 수 있어 친환경적일 뿐만 아니라 그 특성도 우수한 무시멘트 알카리 활성 결합재를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린 중 어느 하나 이상을 포함하는 원재료; 및 나트륨계를 포함하는 알카리성 무기질 재료;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 알카리성 무기질 재료가 규산나트륨, 분말형의 수산화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 나트륨계가 Na 또는 Na2O인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 액상형의 수산화나트륨이 8 내지 16M인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.038 내지 0.14인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 원재료가 고로슬래그인 경우, 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.038 내지 0.088인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 원재료가 플라이애쉬인 경우, 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.114 내지 0.14인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 알카리성 무기질 재료에 규산칼륨, 황산칼슘 및 규산2칼슘 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 원재료 중에 포함되어 있는 알루미나 또는 실리카는 상기 알카리성 무기질 재료에 포함되어 있는 나트륨계와의 융해 및 합성에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재에 의해서도 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재는 원재료(Source material)와 알카리성 무기질 재료(Alkali mineral material)가 혼합되어 있다.
이때, 상기 원재료는 고로슬래그(Blast-Furnace Slag), 플라이애쉬(Fly Ash) 및 메타카올린(Mata-Kaolin) 중 어느 하나 이상을 포함하고 있고, 상기 알카리성 무기질 재료는 규산나트륨, 분말형의 수산화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨 중 어느 하나 이상을 포함하고 있다.
이때, 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재는 상기 알카리성 무기질 재료를 구성하는 성분 중 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.038 내지 0.14의 범위 내에 있으며, 이러한 나트륨계 대 원재료의 중량비는 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재의 유동성, 강도 및 건조수축 등의 역학적 성질을 결정한다.
이때, 상기 나트륨계는 Na 또는 Na2O 등을 포함한다. 또한 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비에서 상기 나트륨계의 중량은 모두 Na2O의 중량으로 환산한 것을 이용하였다. 즉, 상기 알칼리성 무기질 재료인 규산나트륨, 분말형의 수산화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨에는 상기 나트륨계는 Na 또는 Na2O 등으로 존재할 수 있는데 이를 Na2O의 중량으로 계산하여 변환하였다. 따라서, 본 발명에서는 나트륨계의 중량은 Na2O으로 존재하는 경우에는 그 중량을 그대로 이용하였고, 다른 형태로 존재하는 나트륨계의 중량은 Na2O의 중량으로 변환시킨 값을 이용하였다.
따라서, 필요한 강도의 무시멘트 알카리 활성 결합재를 얻기 위해서는 상기 원재료와 알카리성 무기질 재료를 혼합할 때 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비를 적절히 조절할 수 있도록 상기 알카리성 무기질 재료의 중량을 결정하여 혼합한다.
이때, 상기 원재료가 고로슬래그인 경우에는 상기 나트륨계 대 원재료의 중 량비가 0.038 내지 0.088의 범위 내에 들도록 상기 알카리성 무기질 재료들의 양을 조절한다.
또한, 상기 원재료가 플라이애쉬 또는 메타카올린인 경우에는 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.088 내지 0.14의 범위에 들도록 상기 알카리성 무기질 재료들의 양을 조절한다.
상기 무시멘트 알카리 활성 결합재에 혼합되는 알카리성 무기질 재료들에 상기 액상형의 수산화나트륨이 포함된 경우에는 8 내지 16M인 수산화나트륨 용액을 사용한다.
본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재는 하기의 화학식 1에서 보여 주고 있는 바와 같이 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린 중 어느 하나 이상의 원재료와 규산나트륨, 분말형의 수산화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 알카리성 무기질 재료가 혼합되어 있는데, 상기 무시멘트 알카리 활성 결합재에 포함되는 원재료들 중 알루미나 또는 실리카와 알카리 무기질 재료들 중 나트륨 또는 칼륨이 융해 및 합성하여 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재가 경화된다.
Figure 112007047726434-pat00001
(이때, 상기 NaOH 또는 KOH 중 어느 하나 이상을 선택하여 혼합할 수 있다.)
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재들을 보여주는 사진들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면, 도 1a는 원재료가 고로슬래그이고, 알카리성 무기질 재료는 규산나트륨, 수산화 나트륨 및 황산 칼슘이 혼합된 무시멘트 알카리 활성 결합재를 보여주고 있는 사진이고, 도 1b는 원재료가 플라이애쉬이고, 알카리성 무기질 재료는 규산나트륨, 수산화 나트륨 및 황산 칼슘이 혼합된 무시멘트 알카리 활성 결합재를 보여주고 있는 사진이다.
이때, 상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 무시멘트 알카리 활성 결합재는 나트륨계 대 원재료의 중량비에 따라 비중이 2.2 내지 2.9이고, 비표면적은 4000g/cm2이 된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재들을 이용한 모르터의 유동성을 보여주는 그래프들이다.
이때, 이후 "GGBS"는 상기 고로슬래그를 일정한 크기의 분말로 미분쇄한 것으로 고로슬래그 미분말(Ground Granulated Blast Furance Slag)을 의미한다.
이때, 이후 모르터는 물-무시멘트 알카리 활성 결합재 비(W/B)는 50%이고, 모래-원재료 중량비(S/B)는 3.0이고, 골재의 최대 직경은 5mm이하의 조건으로 제조된 모르터를 의미한다.
도 2a를 참조하여 설명하면, 원재료는 고로스래그 또는 플라이애쉬를 이용하고, 알카리성 무기질 재료는 규산나트륨, 분말형의 수산화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨 중 어느 하나 이상을 이용하여 제조된 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용하여 모르터를 제조하고 상기 모르터의 유동성을 나트륨계 대 원재료의 중량비에 따라 측정한 결과를 그래프로 도시하고 있다.
도 2a에 도시된 그래프에 따르면, 나트륨계 대 원재료의 중량비가 약 0.015일 때, 원재료가 각각 고로스래그 및 플라이애쉬인 경우 초기 유동값이 각각 약 170mm 및 180mm이고, 나트륨계 대 원재료의 중량비가 약 0.06일 때, 원재료가 각각 고로스래그 및 플라이애쉬인 경우 초기 유동값이 각각 약 200mm 및 180mm이다.
그리고 나트륨계 대 원재료의 중량비가 약 0.17까지 증가하는 동안 원재료가 고로슬래그인 경우에는 초기 유동값이 감소하다가 일정 중량비(약, 0.11)부터는 초기 유동성이 매우 떨어졌다. 원재료가 플라이애쉬인 경우에는 초기 유동값이 점차적으로 증가하다 일정 중량비(약, 0.08)부터는 일정한 초기 유동값을 유지하는 것을 알 수 있다.
그리고 원재료가 플라이애쉬인 경우에는 나트륨계 대 원재료의 중량비에 관계없이 종래 포틀랜드 시멘트의 초기 유동값보다 초기 유동값이 높고, 원재료가 고로슬래그인 경우에는 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.06 이하일 때 종래 포틀랜드 시멘트의 초기 유동값보다 초기 유동값이 높은 것을 알 수 있다.
도 2b에 도시된 그래프에 따르면, 나트륨계 대 원재료(이때, 원재료는 고로 슬래그 및 플라이애쉬)의 중량비가 각각 0.015 및 0.035일 때, SiO2 대 나트륨계의 중량비의 변화에 따른 초기 유동값은 수산화나트륨의 양에 영향을 받는 것으로 나타난다.
즉, 전체적으로 나트륨계의 양에 영향을 주는 수산화나트륨의 양이 적을수록 초기 유동값은 높아지는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르트는 현장에서 적용될 수 있을 정도 이상의 초기 유동성을 확보하고 있음을 보여주고 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르터의 나트륨계 대 원재료의 중량비에 따른 28일 압축 강도 및 재령별 압축강도 발현을 보여주는 그래프들이다.
도 3a를 참조하여 설명하면, 나트륨계 대 원재료(이때, 원재료는 고로슬래그)의 중량비가 증가함에 따라 28일 압축 강도 역시 점진적으로 증가하는데, 원재료가 고로슬래그인 경우에는 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.03795, 즉 약 0.038에서도 약 20MPa의 압축 강도를 보이고 있다.
도 3b를 참조하여 설명하면, 나트륨계 대 원재료(이때, 원재료는 플라이애쉬)의 중량비가 증가함에 따라 28일 압축 강도가 증가하는 경향을 보이는데 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.08855 미만, 즉 약 0.088 미만에서는 28일 압축 강도가 1MPa이하이고 0.088 이상일 때 압축 강도가 4MPa 이상인 것으로 나타내고 있다.
도 3c를 참조하여 설명하면, 원재료가 고로슬래그일 때, 나트륨계 대 원재료 의 중량비에 따른 재령별 압축강도는 나트륨계 대 원재료의 중량비가 약 0.038인 경우에서 종래 포틀랜드 시멘트의 압축 강도에 비해 다소 낮은 반면 중량비가 0.06325 이상, 즉 약 0.063 이상에서는 오히려 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르터에서 압축 강도가 더 높은 것을 보여주고 있다. 뿐만 아니라 종래의 포틀랜드 시멘트를 사용한 모르터에 비해 장기강도 발현이 우수한 것을 보여주고 있다.
도 3d를 참조하여 설명하면, 원재료가 플라이 애쉬일 때, 나트륨계 대 원재료의 중량비에 따른 재령별 압축강도는 56일 이후 압축강도 발현이 매우 우수하며, 나트륨계 대 원재료의 중량비가 낮은 경우에는 압축강도가 낮은 반면 중량비가 0.11385 즉, 약 0.114인 경우 압축강도가 16MPa(91일 강도)이고, 0.13915 즉, 약 0.14인 경우 압축강도가 18MPa(91일 강도) 이상임으로 종래 포틀랜드 시멘트의 압축 강도와 비교하여도 낮지 않아 건설현장에서 충분히 이용될 수 있는 수준인 것을 보여 주고 있다.
따라서, 상기 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한 내용을 종합하면 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재는 원재료가 고로슬래그인 경우 나트륨계 대 원재료의 중량비가 약 0.038 이상이면 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르터의 압축 강도가 20MPa 이상으로 현장에서 원하는 모르터의 압축 강도를 얻을 수 있고, 원재료가 플라이애쉬인 경우에는 나트륨계 대 원재료의 중량비가 약 0.114 이상이면 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르터의 압축 강도가 16MPa 이상으로 건설현장에서 이용되는 구조용 모르터의 압축강도(20 내지 30MPa 수준)과 비교하여 조금 낮거나 높음으로 건설현장에 충분히 사용될 수 있을 것이라 판단된다.
이때, 나트륨계 대 원재료의 중량비가 높을수록 알카리성 무기질 재료의 양이 증가함으로 원재료가 고로슬래그인 경우에는 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.088 이하인 것이 바람직하다. 또한, 원재료가 플라이애쉬인 경우에도 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.14 이하인 것이 바람직하다. 이는 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비가 높을수록 초기 유동성이 감소할 뿐만 아니라 상기 나트륨계와 같은 알카리성 무기질 재료의 가격이 높음으로 그 양이 증가할수록 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재의 가격이 상승하기 때문이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 무시멘트 알카리 활성 결합재를 이용한 모르터의 건조수축 변형률 거동을 보여주는 그래프들이다.
도 4a를 참조하여 설명하면, 원재료가 고로슬래그인 알카리 활성 모르터의 건조수축 변형률은 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.139 이하, 즉, 약 0.14 이하일 때 재령 14일 이후 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 모르터의 건조수축 변형률보다 적게 있음을 알 수 있다. 이때, 고로슬래그를 사용한 알카리 활성 모르터의 극한 건조수축 변형률은 약 -900×10-6 이하이다.
도 4b를 참조하여 설명하면, 원재료가 플라이애쉬인 알카리 활성 모르터의 건조수축 변형률은 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.114 이하일 때 재령 14일 이후 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 모르터의 건조수축 변형률보다 적게 있으며, 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.139 즉, 약 0.14와 0.164일 때에도 보통 포틀랜드 시멘트 모르터의 건조수축과 거의 비슷한 수준인 것을 알 수 있다. 이때, 플라이애쉬를 사용한 알카리 활성 모르터의 극한 건조수축 변형률도 약 -900×10-6 이하이다.
따라서, 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재는 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린 중 어느 하나 이상을 포함하는 원재료 및 규산나트륨, 분말형의 수산화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 알카리성 무기질 재료를 포함하고, 상기 원재료 및 알카리성 무기질 재료의 혼합물인 무시멘트 알카리 활성 결합재는 상기 알카리성 무기질 재료를 구성하는 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.038 내지 0.14인 것이 바람직하다.
이때, 상기 원재료가 고로슬래그인 경우, 초기 유동성 및 압축 강도 등을 감안하여 건설현장에서 적용될 수 있는 무시멘트 알카리 활성 결합재는 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.038 내지 0.088인 것이 바람직하며, 상기 원재료가 플라이애쉬인 경우, 초기 유동성 및 압축 강도 등을 감안하여 건설현장에서 적용될 수 있는 무시멘트 알카리 활성 결합재는 상기 나트륨계 대 원재료의 중량비가 0.114 내지 0.14인 것이 바람직하다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양 한 변경과 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재는 높은 초기 강도와 장기 강도 발현이 우수하고, 수화반응 열이 낮고, 내약품성이 높고, 동결융해 저항성이 높고, 내화성능이 우수하며 비탄성 변형이 낮은 등의 특징을 가지고 있어 일반 건축물, 해양 구조물 및 내화 구조물에 이용될 수 있을 뿐만 아니라 벽돌, 블록 및 도로 경계석 등의 콘크리트 2차제품에도 이용될 수 있기 때문에 건축 산업 전분야에서 광범위하게 효율적으로 활용될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 무시멘트 알카리 활성 결합재는 종래의 보통 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 결합재로 산업폐기물의 처리를 해결할 수 있어 환경 부하를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 결합재 제소할 때 에너지를 절약하고, 이산화탄소를 방출하지 않아 친환경적이라는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 고로슬래그 ; 및
    나트륨계를 포함하는 알카리성 무기질 재료;를 포함하는데,
    상기 알카리성 무기질 재료는 규산나트륨 및 액상형의 물유리 중 어느 하나 이상이고,
    상기 알카리성 무기질 재료에 포함된 나트륨계 대 고로슬래그의 중량비가 0.038 내지 0.088로서, 상기 나트륨계의 중량은 Na20로 환산된 값인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재.
  2. 플라이애쉬; 및
    나트륨계를 포함하는 알카리성 무기질 재료;를 포함하는데,
    상기 알카리성 무기질 재료는 규산나트륨, 분말형의 수산화나트륨, 액상형의 물유리 및 액상형의 수산화나트륨 중 어느 하나 이상이고,
    상기 알카리성 무기질 재료에 포함된 나트륨계 대 플라이애쉬의 중량비는 0.114 내지 0.14로서, 상기 나트륨계의 중량은 Na20로 환산된 값인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 나트륨계는 Na 또는 Na2O인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 액상형의 수산화나트륨은 8 내지 16M인 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 알카리성 무기질 재료에 규산칼륨, 황산칼슘 및 규산2칼슘 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 고로슬래그 또는 플라이애쉬 중에 포함되어 있는 알루미나 또는 실리카는 상기 알카리성 무기질 재료에 포함되어 있는 나트륨계와의 융해 및 합성에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성 결합재.
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