KR100940343B1

KR100940343B1 - 친환경 흙 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR100940343B1
Application number: KR20090091566A
Authority: KR
Inventors: 김달환
Original assignee: 주식회사 우일 이알에스
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2010-02-04

Abstract

고유의 경화 촉진용 알카리 자극제와 고로 슬래그 미분말을 현장 발생토와 배합하여 단 시간 내에 경화할 수 있는 친환경 흙 콘크리트 조성물이 제공된다. 상기 친환경 흙 콘크리트 조성물은 60 ~ 80 중량 %의 현장 발생토 및 20 ~ 40 중량%의 고로 슬래그 분말을 함유하고, 상기 고로 슬래그 분말 100 중량 %에 대하여 56 ~ 76 중량%의 하이드로 겔 배합수가 첨가된다.

흙 콘크리트 조성물, 하이드로 겔 배합수

Description

친환경 흙 콘크리트 조성물{Environmental friendly soil concrete composition}

본 발명은 흙 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친환경 흙 콘트리트 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 시행되어져 온 산책로 및 자전거 도로 조성용 공법을 살펴보면, 포틀랜드 시멘트와 굵은 골재와 잔 골재를 적절히 배합한 콘크리트 포장, 포틀랜드 시멘트와 흙을 이용한 흙-시멘트법에 기초한 포장, 포틀랜드 시멘트와 굵은 골재 중 단립도를 이용한 투수성 포장, 폐 타이어 칩 또는 폴리우레탄 칩 등을 활용한 탄성 포장 등이 있다. 상기 포장 구조체는 다음과 같은 장단점이 있다.

포틀랜트 시멘트 콘크리트는 압축 강도가 높고, 흡수율이 낮아 내구성이 좋으나, pH가 14인 알카리성 구조체로서 우수에 의한 알카리 용출시 주변 생물의 생장을 저해하는 특성이 있으며, 함유하고 있는 크롬 이온이 장기간 노출됨에 따라 육가크롬으로 전환되어 일정 시간이 경과 후 외부로 용출되어 심각한 토양 오염, 수질 오염을 유발한다.

흙-시멘트 법에 의한 흙 포장 구조는 표면의 색상이 비교적 황토색에 가까워 친근함을 주지만, 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비해 강도가 낮고 흡수율이 높아 강우 강도가 큰 경우에는 패임 현상이 발생하며, 겨울에는 동결 융해에 의한 파손 현상이 잦다. 또한 알카리 용출과 육가 크롬의 용출에 의한 환경 오염은 거의 동일하다.

투수성 시멘트 콘크리트 구조체는 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비해 지상과 지중을 차단하지 않고, 연결하는 장점이 있으나 시간이 경과할수록 미세 먼지에 의해 공극이 막히는 단점이 있으며, 알카리 용출과 육가 크롬 용출에 의한 폐해는 동일하게 나타난다.

탄성 포장은 폐 타이어 칩 또는 폴리우레탄 칩 등을 이용한 공법으로서, 일반 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않는다는 점에서 각광을 받았으나, 접착제의 유해성으로 인해 주변 식물이 고사하고, 들뜸 현상이 발생되어 균열, 탈리, 유실되는 사례가 빈번하게 발생되고 있다.

이외에도 포틀랜드 시멘트를 이용한 구조체를 제조 보급함에 있어 많은 사회 단체와 지역 주민들의 반발이 빈번하게 발생하는데, 이는 시멘트의 제조 공정부터 사용 후 폐기까지 이루어지는 전 과정에 걸쳐 각종 유해 물질들이 발생하기 때문이다. 따라서 포틀랜드 시멘트를 이용한 포장 구조가 갖는 문제점을 극복하고 장점을 살리기 위해 많은 기술이 개발되어 적용되고 있으나 큰 실효성이 있지 못하다.

또한, 하천에서 재취되는 모래, 자갈이나 산지(임야)에서 생산되는 석산 골재의 남용으로 말미암아 하천, 임야의 자연 생태계가 파괴되고, 고귀한 천연 자원이 훼손되고 있다. 그 이유는 현장에서 발생되는 현장 발생 토사, 건설 폐기물 처 리장에서 발생되는 폐 토석, 준설토와 같은 재활용 자재는 공히 입도가 불규칙하고 이물질이나 독성 물질이 함유되어 있어, 강도와 내구성이 필요한 콘크리트 재료로서는 부적합한 재료이기 때문이다. 그러나, 천연 자원과 자연 생태계의 보호 및 보전을 위해서는 현장 발생 토사의 재활용과 시멘트의 사용을 최소화시키기 위한 신 기술의 개발이 시급하다.

따라서, 건설 재료로는 부적합하다고 인식되어 온 현장 발생토를 재활용하여 친환경적인 흙 콘크리트 조성물을 제조하기 위해서는 고로 슬래그 미분말을 무기 결합재로 사용하고, 고로 슬래그 미분말이 수시간 내에 양호한 수경성을 나타내도록 강력한 알카리 자극제를 개발하여 소정의 압축 강도와 내구성을 갖도록 함은 물론, 시인성이나 도로 경관을 위한 안료는 중금속을 함유하는 인공 안료가 아닌 천연 황토의 경제적인 사용법을 개발하고, 현장 설치시에는 기후 조건에 따라 각종 유해 물질이 환경 오염을 유발하지 않아야 한다는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 각종 구조물을 조성하는데 있어서, 고유의 경화 촉진용 알카리 자극제와 고로 슬래그 미분말을 현장 발생토와 배합하여 단 시간 내에 경화할 수 있는 친환경 흙 콘크리트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 친환경 흙 콘크리트 조성물은 60 ~ 80 중량 %의 현장 발생토 및 20 ~ 40 중량%의 고로 슬래그 분말을 함유하고, 상기 고로 슬래그 분말 100 중량 %에 대하여 56 ~ 76 중량%의 하이드로 겔 배합수가 첨가되는 것을 특징으로 한다.

기존의 고로 슬래그는 독립 수경성이 현저히 낮아 시멘트와 일정 비율로 혼합하는 조건에서 사용 가능하였으며, 일반적인 알카리 자극제에 의해서는 경화 시간이 12시간 이상 경과하여야 경화되는 특성을 나타냈다. 그러나 본 발명의 하이드로 겔 배합수에 의해 고로 슬래그 미분말은 3시간 내에 경화되는 특성이 있음에 따라 범용적인 사용이 가능하게 됨으로써 산업 부산물의 재 자원화 효과 및 시멘트 사용량을 감소함에 따라 소성시 발생하는 CO₂의 저감 효과를 창출하게 되며, 육가 크롬의 용출을 최소화시킬 수 있다.

현장 발생 토사를 유용한 골재로 사용함에 따라 폐기물 처리 비용 절감과 운 송에 의한 환경 오염 저감 및 유류 소비를 절감하는 효과를 창출할 뿐만 아니라 골재화가 가능한 저순위 돌로마이크 폐석, 건설 폐기물 중간 처리후 순환 골재 및 선별 토사 등을 다양하게 이용함에 따라 천연 자원의 절약 효과를 창출한다.

산업 부산물 중 자원화가 까다로운 레드 머드 슬러지를 건조, 정제하는데 발생하는 비용을 절감할 수 있어 저비용 고부가 가치 창출이 가능하다.

시공 4 시간후 통행이 가능할 정도의 조기 강도 확보가 가능하며, 3일후 10 Mpa 이상의 압축 강도를 확보할 수 있게 되므로, 시민 편의 요구를 조기에 달성할 수 있다.

조성된 흙 콘크리트 조성물을 해체할 경우, 특별한 처리 공정없이 자연 회귀시킬 수 있는 무공해성 제품으로 환경 오염을 유발하지 않는 효과가 있다. 이를 바탕으로 하는 친환경 흙 콘크리트 구조물을 설치함에 있어 주변 환경에 미치는 악 영향을 최소화함으로 인해 이를 이용하는 인간과 자연 생태계 모두를 이롭게 하는 효과를 창출한다.

본 발명의 실시예에 따른 친환경 흙 콘크리트 조성물을 이하에 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 친환경 흙 콘크리트 조성물은 60 ~ 80 중량 %의 현장 발생토 및 20 ~ 40 중량%의 고로 슬래그 분말을 함유하고, 상기 고로 슬래그 분말 100 중량 %에 대하여 56 ~ 76 중량%의 하이드로 겔 배합수가 첨가된다.

상기 현장 발생토를 60 ~ 80 중량%로 한정하는 이유는, 상기 한정 범위를 벗어나는 경우에는 고비용이 투입되거나 경화 시간이 지연되어 압축 강도가 현저히 낮아지기 때문이다.

현장 유용토(발생토)의 토질이 점질토나 실트질토 등으로 이루어지는 경우에는 건설 폐기물 중 순환 골재 등을 첨가하면 단기간 내에 고강도를 발현시킬 수 있으며, 현장 토사가 부적합 판정된 갯벌이나 준설토 등 부식토로만 이루어지는 경우에는 인근 건설 폐기물 중간 처리장에서 발생하는 선별 토사나 비금속 광산에서 환경 오염성이 적고 순도가 낮아 이용되지 않고 버려지는 돌로마이트 폐석재 등을 첨가하면 천연 자원을 훼손하지 않고 충분히 시공이 가능하다. 상기 현장 발생토의 입도는 0.08 ~ 5 mm 까지 분포하는 것이 바람직하며, 부득이 고강도를 발현시키기 위한 경우에는 중량 10 ~ 40%의 40 mm 이하의 굵은 골재가 사용될 수 있다.

상기 현장 발생토는 60 ~ 90 중량 %의 토사 및 10 ~ 40 중량%의 골재를 함유하는 것이 바람직하다.

고로 슬래그는 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만들 때 생기는 슬래그로서 철 이외의 불순물이 모인 것이며, 선철 1톤당 500 ~ 1,000kg이 나온다. 보온재 및 방음재로 사용되는 슬래그 울, 특수 비료, 고로 시멘트, 고로 벽돌의 원료 등 광범위하게 사용된다.

무기 결합재로는 포틀랜드 시멘트가 아닌 고로 슬래그 미분말의 사용을 기본으로 하여 환경 오염 유발 요인을 사전에 예방한다.

상기 고로 슬래그 미분말을 20 ~ 40 중량 %로 한정하는 이유는, 상기 한정 범위를 벗어나는 경우 경화 시간이 지연되어 압축 강도가 현저히 낮아지거나 고비용이 투입되기 때문이다. 다만, 토질에 따라 부득이한 경우에는 고로 슬래그 미분말 중량 대비 10 ~ 30 %의 범위 내에서 포틀랜드 시멘트가 추가로 첨가될 수 있다.

알루미나(Al₂O₃), 이산화티타늄(TiO₂) 등과 같은 세라믹이 풍부한 부산물 알카리토 금속 화합물인 레드 머드를 고로 슬래그가 수화하는데 필요한 Na 이온 공급 및 조성물의 질감을 표현하기 위한 소재로 사용하고자 하였으며, 사용되는 고로 슬래그 미 분말의 성분은 아래 표 1과 같다.

아이템 타입	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	MgO	Na₂O	K₂O	P₂O₅	Ti₂O	SO₃	LOI	Blaine(g/cm²)	비중
고로 슬래그 미분말	34.75	14.5	41.71	0.48	6.87	0.14	0.44	0.03	0.62	0.13	0.23	4,000	2.91

고로 슬래그 미분말은 일반적인 조건에서는 단기 수경성이 없으며, 잠재적인 수경성을 갖는 것으로 널리 알려져 있다. 따라서, 자극제가 존재하는 범위 내에서만 수화 반응이 진행되는데, 이는 고로 슬래그의 입자 표면에는 Ca² ⁺의 용출에 따른 치밀한 부정형 산성 피막이 형성되어 물의 침투와 내부 이온의 용출을 억제하게 되기 때문이다.

본 발명에서는 이와 같은 점에 착안하여 화학 이론에 바탕한 산과 염기의 결합 조건에 따라 고로 슬래그 미분말의 특성을 이용하여 입자 표면에 산성 피막이 알카리와 만나도록 환경을 조성하므로 인해 고로 슬래그의 수경성을 확인할 수 있었으며, 이때의 강도는 알카리 환경 조건에 따라 다소 차이는 있으나, 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 품질과 유사한 수준임을 알 수 있었으며, NaOH 10% 용액을 알카리 자극제로 사용할 경우, 그 결과는 표 2와 같다. 표 2는 알카리 자극제(NaOH 10%) 배합수를 이용한 표준사 적용 배합 설계 및 결과를 나타낸다.

구분	알카리자극제배합수/고로슬래그미분말(wt%)	고로 슬래그 미분말(%)	표준사(%)	계(%)	경화시간(시간)	3일 압축 강도(Mpa)
배합 1	60	45.0	55.0	100	15.4	6.7
배합 2	55	40.0	60.0	100	16.2	7.2
배합 3	50	35.0	65.0	100	16.6	9.4
배합 4	45	30.0	70.0	100	17.3	7.3
배합 5	40	25.0	75.0	100	17.8	5.2

표 2의 결과에서 알 수 있듯이 알카리 자극제(NaOH 10%) 배합수와 고로 슬래그를 표준사에 적용하여 표준 배합을 실시한 결과, 경화 시간은 15 시간 이상 소요됨을 알 수 있으며, 3일 후 압축 강도는 현저히 낮게 나타나므로 독립 구조체로 활용하기엔 다소 어려움이 따른다. 따라서, 일반적인 알카리 자극제 보다 더욱 강력한 효능을 갖는 경화 촉진용 하이드로 겔 배합수가 필요하다.

또한, 특허 등록번호 10-0769080에서는 레드 머드는 보크사이트 원료 광물에서 베이어법(알루미나가 다량 존재하는 원료 광물에 수산화나트륨(NaOH)을 가하여 수산화알루미늄을 추출하는 방법)에 의해 수산화알루미늄을 추출하고 남은 슬러지를 의미하는 것으로, 5 ~ 20 μm의 크기를 갖는 미분체이며, 약 30%의 수분 함량을 가지는 슬러지 형태(반죽 형태)로 산출되어 진다. 그러나, 상기 베이어법, 즉 'Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O'는 고 농도의 수산화나트륨(NaOH)을 사용함으로써 레드 머드를 수소 이온 농도(pH) 12 이상의 강 알카리성으로 산출시키게 된다. 따라서, 레드 머드 슬러지에 남은 수산화나트륨(NaOH)은 백화 현상 및 크랙을 발생시키게 되고, 이로 인해 건축물의 미관과 구조적 강도 면에서 약 영향을 미치게 되는 것이다. 그러므로, 레드 머드 슬러지를 보다 고 부가 가치의 재료로 활용하기 위해서는 반드시 정제해 주어야 하는데, 이를 위해서 지금까지는 염산 및 황산에 의한 전처리 방법을 주로 사용하였으며, 이는 유독 가스가 발생함으로 인해 공해를 유발하게 되어 실제 산업 현장에서는 적용하기 곤란한 것이었다."라고 기재되어 있다.

그러나, 레드 머드 슬러지는 고로 슬래그 미분말이 수화 반응에 필요로 하는 구성 성분을 소량이나마 모두 갖고 있는 재료로서, 일반적으로 고로 슬래그가 고 강도를 발현하기 위해서는 초기에 물과 반응하여 산성 피막이 형성되는 것을 지속적으로 파괴하고, Na 이온이 내부까지 전달되어 수화 반응이 원활하게 이루어지도록 Na 이온을 다량 방출한다. 이러한 특성에 착안하여 기존의 시멘트가 아닌 고로 슬래그 미분말에 활용시 상기 특허 등록번호 10-0769080에 기재된 문제점을 보다 간편하게 해소하고 고부가 가치 재료를 갖는 황토색 천연 안료 재료로 활용할 수 있게 된다.

본 발명에서는 고로 슬래그 미분말의 독립 수경성을 발현시키기 위한 알카리 자극제로서 경화 촉진용 하이드로 겔 배합수를 사용한다. 본 발명에서는 경화 촉진용 하이드로 겔 배합수로서 상기 고로 슬래그 분말 100 중량 %에 대하여 56 ~ 76 중량%의 하이드로 겔 배합수가 첨가된다.

경화 촉진용 하이드로 겔은 개질 규산염 촉매와 액상 규산나트륨, 물 등이 일정 비율로 혼합된 액상으로서 망상 구조로 분자가 서로 얽히면서 3시간 이내에 겔을 형성하며, 겔화되기 전에 고로 슬래그와 혼합하여 반응시키면, 고로 슬래그 미분말의 Ca 이온과 결합하여 잠재 수경성을 촉발시키는 촉매제로서 급결 기능 및 고로 슬래그의 강성을 유지하는 기능을 구현하게 된다. 이와 같은 하이드로 겔 배합수를 고로 슬래그 미분말과 골재 또는 토사 등과 혼합시키면 고 강도의 구조체를 성형할 수 있으며, 경화 시간으로 초결 2시간, 종결 3시간이다.

이때에 토사의 종류별로 적용되는 하이드로 겔 배합수와 고로 슬래그 미분말의 중량비(HGW/BFS)는 표 3과 같다. 표 3은 고로 슬래그 경화 촉진용 하이드로 겔 배합수의 토사 종류별 적용 비율이다.

토질	하이드로 겔 배합수/고로슬래그 중량비 (HGW/BFS)(wt%)
잔골재(강사, 해사, 샌드밀, 쇄석석분)	56 ~ 64
SW(입도분포가 양호한 모래질 흙)	60 ~ 68
SP(입도 분포가 불량한 모래질 흙)	60 ~ 68
SM(실트질이 혼입된 모래질 흙)	60 ~ 76
SC(모래질이 혼입된 점토질 흙)	60 ~ 76

표 3의 고로 슬래그 중량 대비 하이드로 겔 배합수(HGW/BFS) 중량비는 시멘트 콘크리트에서 흔히 표기하는 물 시멘트 비와 같은 범위이다.

기존의 고로 슬래그 미분말이 경화하는데에는 12 ~ 24 시간 소요되는 경화 특성을 3 시간 내에 경화할 수 있도록 수경 반응 조건을 제공할 수 있는 고유의 알카리 자극제인 하이드로 겔 배합수를 개발하여 3일 압축 강도 100 kgf/cm² 이상을 발현할 수 있게 된다.

하이드로 겔 배합수의 배합 재료 및 비율은 표 4와 같다. 표 4는 경화 촉진용 하이드로 겔 배합수의 구성을 나타낸다.

재료명	개질 규산염촉매	D.B.E	물	액상규산나트륨	NaOH	레드머드	비고
혼합비	1	0.01 ~ 0.2	5 ~ 8	0.01~ 0.5	0.01 ~ 0.8	0.01 ~ 3

표 4에 의하면, 이염기 에스테르(Dibasic ester, 이하 'D.B.E'라 함) 및 물의 함량은 개질 규산염 촉매의 중량의 0.01 ~ 0.2배 및 5 ~ 8배를 혼합하는 것을 기본으로 성분으로 함유하고, 규산나트륨(액상), NaOH, 및 레드 머드의 함량을 각각 개질 규산염 촉매의 중량의 0.01 ~ 0.5배, 0.01 ~ 0.8배, 및 0.01 ~ 3배 범위에서 추가적으로 함유될 수 있다.

개질 규산염 촉매는 규산나트륨을 주 원료로 하여 티타늄 전극을 이용해 전기적 이온화 방식으로 제조되는 고유의 규산염 기반 촉매이다. 이를 고로 슬래그 미 분말과 물, 골재 등으로 구성되는 혼합물과 교반시킬 때에는 강력한 초속경 성향을 나타낸다.

여기서, 주 알카리 자극제인 개질 규산염 촉매는 티타늄 전극을 이용한 전기적 이온화 방식으로 산소 분자기를 생산하는 기술이다. 개질 규산염 촉매는 SiO₂: Na₂O의 혼합비와 알카리에 대한 실리카 중량비(SiO₂: Na₂O)에 따라 다양한 물리 화학적 특성을 보이며, 그 기능으로는 수화, 탈수 작용과 금속 이온 반응, 표면 장력 반응, 침전 반응 등이 대표적이다.

물에 용해된 개질 규산염 촉매는 많은 이온과 친수성을 갖는 강한 극성 분자이며 가연성이나 부식성과 같은 위험 요소가 없고, 독성 물질과 혼합할 때 유해한 중간 생성물을 발생시키지 않는다. 특히, 개질 규산염 촉매는 물과 고로 슬래그, 골재 등으로 구성되는 혼합물과 교반시키면 초속경을 나타내는 특징이 있고 강도 발현 효과가 큰 주재료이다. 또한 경화를 촉진시키는 보조 알카리 자극제로서 토질에 따라 선택적으로 사용되는 D.B.E는 무색의 액체로서 화학적인 안정성을 갖고 유해한 중합 반응을 보이지 않는 재료이다.

D.B.E는 무색의 액체로서 구조식은 CH₃OOC(CH₂)-COOCH₃, n = 2, 3, 4이며, 화학적 안정성을 갖고, 유해한 중합 반응을 일으키지 않는 알카리 자극제의 일종이다.

물의 함량이 토질 종류에 따라 상기 개질 규산염 촉매 함량의 5 ~ 8 배의 범위에서 변화하는 것은 토질에 따라 애터버그 한계와 자연 함수비, 최적 함수비가 다르기 때문이다. 기본적으로 토목 공학적 관점에서 볼때, 흔히 마사토라 하는 사질토는 모래질로 구성된 흙을 말하며, 자연 함수비는 약 5% 정도이며, 최적 함수비는 11 ~ 15%이다. 실트질토는 모래 입자보다 작으며, 점성이 거의 없고, 잘 부스러지는 특성이 있으며, 자연 함수비는 약 7% 정도이며, 최적 함수비는 13 ~ 18%이다. 흔히 황토라고 하는 점토질토는 모래질이 현저히 적으며, 실트질이 일부 혼입되어 있고, 점성이 크므로 자연 함수비는 약 15% 정도이며, 최적 함수비는 20 ~ 30%이다. 따라서, 토질의 종류에 따라 물의 사용량이 변화하게 된다.

규산나트륨(액상) 및 NaOH는 보조적인 알카리 자극제로서 토질, 함수비에 따라 적정량 사용한다. NaOH는 물에 용해시킬 때에 열이 발생하며 배합수의 온도가 30 ℃를 초과하지 않도록 해야 한다.

액상 규산나트륨은 조성에 따라 메타규산나트륨(Na₂SiO₃), 그 수화물인 오쏘규산나트륨(Na₄SiO₄), 이규산나트륨(Na₂Si₂O₅) 등 여러 가지가 있으나, 보통은 메타규산나트륨을 말한다. 수화물도 있으나, 무수물은 석영과 탄산나트륨의 혼합물을 1,000 ℃로 가열 융해하여 고체화시켜서 만든다. 다음 반응식 1과 같이 메타규산나트륨(Na₂SiO₃)은 물에 잘 녹으며, 수용액은 가수 분해하여 알카리성이 된다.

2Na₂SiO₃ + H₂O → Na₂Si₂O₅ + 2NaOH

한편, 규산나트륨의 진한 수용액을 물 유리라고도 한다.

또한, 수산화나트륨(NaOH)은 조해성이 매우 높은 화학 재료로서 공기 중의 이산화탄소를 흡수하거나 수중의 이산화탄소를 흡수하여 탄산나트륨(Na₂CO₃)으로 변하며, 이때 많은 열이 발생되고, 수산화나트륨은 고체 결정 상태이므로 화학 반응시에는 주로 물에 녹여 수용액을 만들어 사용하는데, 이때 많은 열을 발생시키므로 주의해야 한다. 만들어진 수용액을 산성 용액과 반응킬 때에도 많은 열을 발생시키 므로 묽게 하여 사용해야 한다.

레드 머드는 보크사이트계 점토 광물로서 알루미나를 다량 함유하고 있다. 상기 레드 머드는 산업 부산물로서 알루미나를 추출하는데 활용된 NaOH가 소량 함유되어 있으며, 미량의 알루미나, 철 등의 성분이 고로 슬래그가 수화 반응 시 형성하는 에트링자이트의 생성을 돕는 역할을 한다. 상기 레드 머드의 미립자의 크기는 0.08 mm 이하이지만 알루미나, 철 등 고로 슬래그의 압축 강도 증진에 필요한 성분을 다량 포함하고 있으므로 고로 슬래그 양 대비 5 ~ 20 %의 범위에서 사용하면 산업 부산물인 레드 머드를 소성하지 않은 슬러지 상태로 유용한 자원으로 재활용이 가능하다. 또한 색상은 붉은색이지만, 첨가 비율에 따라 토사 및 골재와 혼합하여 구조물 성형시 진한 황토색으로 나타나므로 시민들의 시각적 이미지를 친근하게 해준다.

즉, 레드 머드는 알카리 토금속 화합물의 특성을 갖는 점토로서, 보크사이트계 점토 광물에 해당한다. 보크사이트는 철반석이라고도 하며, 수산화 알루미늄 광물이 모인 집합체이다. 두상 또는 토상 등 여러 형태를 하며 색은, 회색, 적색, 갈색, 황색 등 다양한 빛을 띤다. 남 프랑스, 그리스, 인도 등에서 산출된다.

상기와 같은 성분으로 이루어진 하이드로 겔 배합수의 제조 과정을 요약하면, 하이드로 겔 배합 수량은 적합한 고로 슬래그 대비 하이드로 겔 배합수 비율로 결정되며, 이염기 에스테르(Dibasic ester, 이하 'D.B.E'라 함)를 개질 규산염 촉매의 중량의 0.01 ~ 0.2배, 물을 5 ~ 8배 혼합하는 것을 기본 성분으로 하며, 발생토의 토질이나 설계 강도, 요구 색상을 고려한 배합 조건에 따라 규산나트륨(액상)을 개질 규산염 촉매의 중량의 0.01 ~ 0.5배, NaOH를 0.01 ~ 0.8배, 및 레드 머드를 0.01 ~ 3배 선택적으로 추가 적용하여 계량, 교반한다.

상기 하이드로 겔 배합수를 이용하여 친환경 흙 콘크리트 조성물를 제조하는 과정은 다음과 같다.

배합 설계에 부합하는 현장 발생토, 고로 슬래그 미분말, 골재 등을 계량하여 충분히 혼합하고, 상기한 하이드로 겔 배합수를 투입하고 3분 이상 혼합하여 소정의 반죽질기와 강도를 발현하는 굳지 않은 상태의 친환경 흙 콘크리트 조성물을 제조한다.

실시예 1

구분	하이드로겔 배합수/ 고로 슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그 미분말(wt%)	골재 (wt%)	압축강도(MPa)
구분	하이드로겔 배합수/ 고로 슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그 미분말(wt%)	골재 (wt%)	3일	7일	28일
1 안	56.0	40	60	15.2	17.6	25.1
2 안	58.0	35	65	13.9	16.2	24.0
3 안	60.0	30	70	12.7	15.4	22.3
4 안	62.0	25	75	12.0	14.9	20.4
5 안	64.0	20	80	11.1	13.4	18.9

표 5는 일반 콘크리트용 골재와 하이드로 겔 배합수를 사용한 배합 설계 및 평가를 나타낸다. 골재는 일반적인 콘크리트용 골재를 활용한 것으로, 압축 강도는 표 5에 나타난 바와 같으며, 강도와 흡수율은 포틀랜드 시멘트보다 우수하다.

실시예 2

구분	하이드로 겔 배합수/고로슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그미분말(wt%)	포틀랜드 시멘트(wt%)	골재(wt%)	압축강도(MPa)
구분	하이드로 겔 배합수/고로슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그미분말(wt%)	포틀랜드 시멘트(wt%)	골재(wt%)	3일	7일	28일
1안	56.0	28.0	12.0	60	17.0	19.1	26.2
2안	58.0	24.5	10.5	65	15.1	17.5	25.1
3안	60.0	21.0	9.0	70	13.7	17.1	24.2
4안	62.0	17.5	7.5	75	13.5	15.9	22.4
5안	64.0	14.0	6.0	80	13.0	15.1	20.8

표 6은 일반 콘크리트용 골재, 포틀랜드 시멘트와 하이드로 겔 배합수를 사용한 배합 설계 및 평가를 나타낸다. 압축 강도는 표 6에 나타난 바와 같으며, 일반적인 콘크리트용 골재를 사용한 표 5의 경우에 비해 압축 강도가 1 ~ 2가 높다. 실시예 2의 경우에, 고로 슬래그 미분말과 포틀랜드 시멘트의 함량비가 7:3인 것으로 기재되어 있지만, 본 발명에서는 고로 슬래그 미분말과 포틀랜드 시멘트의 함량비가 7:3 ~ 9:1일 수 있다.

실시예 3

구분	하이드로 겔 배합수/고로 슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그미분말(wt%)	선별 토사 (wt%)	압축강도(MPa)
구분	하이드로 겔 배합수/고로 슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그미분말(wt%)	SP, SW	3일	7일	28일
1 안	60.0	20	80	10.0	13.8	18.9
2 안	62.0	25	75	10.8	15.5	20.4
3 안	64.0	30	70	11.5	15.8	21.3
4 안	66.0	35	65	12.3	16.2	21.7
5 안	68.0	40	60	12.8	16.4	22.5

표 7은 재활용 선별 토사(SP, SW) 및 하이드로 겔 배합수를 사용한 배합 설계 및 평가를 나타낸다. 표 7의 배합 설계는 친환경 흙 콘크리트용 배합으로 일반적인 콘크리트용 골재를 배제하고, 건설 폐기물 처리장에서 발생하는 선별 토사를 적용한 것이다. SP, SW로 분류되는 선별 토사는 골재와 비교하면 잔 골재에 해당하는 입도이지만 콘크리트 구조물을 철거, 이동, 및 분쇄하는 과정에서 발생하는 흙으로서, 유기 질산과 콘크리트 미분, 목편 등의 잡다한 이물질이 함유된 것으로서 일반 잔 골재 또는 흙에 비하여 매우 열악한 조건을 갖는 토사이다. 여기서, S는 모래질 입지를 많이 함유한 흙을 나타내고, P는 입도 불량, W는 입도 양호를 나타낸다.

실시예 4

구분	하이드로겔배합수/ 고로 슬래그 미분말(wt%)	고로슬래그미분말(wt%)	선별토사 및 재활용골재		압축강도(MPa)
구분	하이드로겔배합수/ 고로 슬래그 미분말(wt%)	고로슬래그미분말(wt%)	SP, SW	38mm이하	3 일	7 일	28 일
1 안	60.0	20	48	32	13.1	16.9	24.8
2 안	62.0	25	45	30	14.8	18.5	25.4
3 안	64.0	30	42	28	13.9	17.4	25.9
4 안	66.0	35	39	26	13.3	16.6	24.4
5 안	68.0	40	36	24	12.8	16.2	23.1

표 8은 선별 토사(SP, SW) 및 하이드로 겔 배합수를 사용한 배합 설명 및 평가를 나타낸다. 표 7의 배합 설계에서 설계 강도값을 높게 요구하는 경우 표 8과 같이 골재를 일정 비율로 추가하여 배합하면 요구 강도값을 만족시킬 수 있다. 이때 사용하는 골재는 돌로마이트 광산과 같이 비금속 광산의 버려지는 저 순위 쇄석이나, 건설 폐기물 중간 처리장에서 생산되는 순환 골재를 대상으로 한다. 실시예 4의 경우에, 현장 발생토로 선별 토사 및 38 mm 이하의 골재가 사용되었으며, 38 mm 이하의 골재의 함량이 선별 토사 함량의 40%가 사용되었지만, 본 발명에서는 10~40%의 골재가 사용될 수 있다.

실시예 5

구분	하이드로 겔 배합수/ 고로 슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그 미분말(wt%)	선별 토사	압축 강도(MPa)
구분	하이드로 겔 배합수/ 고로 슬래그 미분말(wt%)	고로 슬래그 미분말(wt%)	SC, SM	3일	7일	28일
1 안	60.0	20	80	10.0	12.7	18.7
2 안	64.0	25	75	10.4	13.1	19.2
3 안	68.0	30	70	10.9	13.6	19.9
4 안	72.0	35	65	11.2	13.8	20.3
5 안	76.0	40	60	10.8	13.4	20.1

표 9는 재활용 선별 토사(SC, SM) 및 하이드로 겔 배합수를 사용한 배합 설명 및 평가를 나타낸다. 표 9의 배합 설계는 친환경 흙 콘크리트용 배합으로 일반적인 콘크리트용 골재를 배제하고, 건설 폐기물 처리장에서 발생하는 재활용 선별 토사를 적용한 것이다. SC, SM으로 분류되는 선별 토사는 골재와 비교하면 잔 골재에 해당하는 입도이지만 콘크리트 구조물을 철거, 이동, 분쇄하는 과정에서 발생하는 흙으로서, 유기 질산과 콘크리트 미분, 목편 등의 잡다한 이물질이 함유된 것으로서 일반 잔 골재 또는 흙에 비하여 매우 열악한 조건을 갖는 토사이다. 여기서, S는 모래질 입자를 많이 함유한 흙을 나타내고, C는 점토질 입자가 많은 흙, M은 실트질 입자가 많은 흙을 나타낸다.

실시예 6

구분	하이드로 겔배합수/ 고로 슬래그미분말(wt%)	고로 슬래그미분말(wt%)	선별토사 및 재활용골재		압축강도(MPa)
구분	하이드로 겔배합수/ 고로 슬래그미분말(wt%)	고로 슬래그미분말(wt%)	SC, SM	38mm이하	3 일	7 일	28 일
1 안	60.0	20	48	32	12.9	16.6	25.0
2 안	62.0	25	45	30	13.2	17.9	21.8
3 안	64.0	30	42	28	13.5	17.3	22.9
4 안	66.0	35	39	26	12.8	15.7	22.4
5 안	68.0	40	36	24	12.5	14.9	21.3

표 10은 선별 토사(SC, SM) 및 하이드로 겔 배합수를 사용한 배합 설명 및 평가를 나타낸다. 표 9의 배합 설계에서 설계 강도값을 높게 요구하는 경우 표 10과 같이 골재를 일정 비율로 추가하여 배합하면 요구 강도값을 만족시킬 수 있다. 이때 사용하는 골재는 돌로마이트 광산과 같이 비금속 광산의 버려지는 저 순위 쇄석이나, 건설 폐기물 중간 처리장에서 생산되는 순환 골재를 대상으로 한다.

상기 배합 설계 시험 결과는 경화 촉진용 하이드로 겔 배합수를 알카리 자극제로 활용하는 것으로 고로 슬래그의 수경성을 촉발시켜 3 시간 이내에 경화되도록 하는 특성이 있다. 고로 슬래그 미분말과 경화 촉진용 하이드로 겔 배합수를 이용한 친환경 흙 콘크리트 제조에 활용되는 골재는 일반적인 잔 골재와 굵은 골재를 비롯하여 폐 자원 중 돌로마이트 폐광석과 폐기물 처리장에서 발생하는 저순위 폐광석과 건설 폐기물 중간 처리장에서 발생하는 선별 토사들을 대상으로 토목 공학적 분류 방법인 통일 분류법에 따라 분류되는 SC, SM에 해당하는 토사를 대상으로 배합 실험을 진행하였으며, 이를 표준사 적용 배합 설계와 각각 비교 검토하였다.

검토 결과, 일반 콘크리트용 잔 골재와 하이드로 겔 배합수를 사용한 경우에는 잔 골재 사용량이 증가할수록 압축 강도가 저하하는 반면(표 5), 선별 토사와 하이드로 겔 배합수를 사용하는 경우에는 고로 슬래그 미분말 사용량이 증가할수록 압축 강도가 증가하고(표 7 및 표 9), 선별 토사 및 재활용 골재와 하이드로 겔 배합수를 사용한 경우에는 재활용 골재 사용량이 증가할수록 압축 강도가 증가(표 8 및 표 10)하는 경향을 나타내고 있으며, 중요한 사실은 일반 콘크리트용 잔 골재와 하이드로 겔 배합수를 사용한 경우, 고로 슬래그 미분말을 무기 결합재로 사용했음에도 불구하고 하이드로 겔 배합수의 역할로 말미암아 일반 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우보다 우수한 결과를 보인다. 선별 토사와 하이드로 겔 배합수를 사용하는 경우에도 28일 압축 강도가 18 ~ 22 MPa, 선별 토사 및 재활용 골재와 하이드로 겔 배합수로 사용할 경우에는 28일 압축 강도가 21.3 ~ 25 MPa를 나타내어 결국 일반 포틀랜드 시멘트를 무기 결합재로 사용한 경우보다도 성능이 우수한 친환경 흙 콘크리트를 제조할 수 있고, 유용토의 토질 변화에 따라 다양한 배합 설계를 통해 기존의 공법에 비해 폐 자원을 최대한 재 활용할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

본 발명은 하이드로 겔 배합수, 고로 슬래그 미분말, 현장 발생토 또는 재활용 폐토석을 혼합한 친환경 흙 콘크리트 조성물은 각종 보도, 산책로, 자전거 도로, 탐방 도로, 주차장, 기계화 경작로, 건축 내외장재, 조형 시설물 등 건설 산업 분야에서 자연 친화적이고 경제적인 공법으로 적용성이 광범위하다.

Claims

60 ~ 80 중량 %의 현장 발생토 및 20 ~ 40 중량%의 고로 슬래그 분말을 함유하고, 상기 현장 발생토는 60 ~ 90 중량 %의 토사 및 10 ~ 40 중량%의 골재를 함유하고, 상기 고로 슬래그 분말 100 중량 %에 대하여 56 ~ 76 중량%의 하이드로 겔 배합수가 첨가되고, 상기 하이드로 겔 배합수는 개질 규산염 촉매, 이 염기 에스테르, 및 물로 이루어지고, 상기 이 염기 에스테르 및 상기 물의 함량은 각각 상기 개질 규산염 촉매의 중량의 0.01 ~ 0.2배 및 5 ~ 8배인 친환경 흙 콘크리트 조성물.
삭제
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제1 항에 있어서, 상기 하이드로 겔 배합수는 액상 규산 나트륨, NaOH, 및 레드 머드 중의 적어도 하나를 더 함유하고, 상기 액상 규산 나트륨, 상기 NaOH, 및 상기 레드 머드의 함량은 각각 상기 개질 규산염 촉매의 중량의 0.01 ~ 0.5배, 0.01 ~ 0.8배, 및 0.01 ~ 3.0배인 친환경 흙 콘크리트 조성물.
제4 항에 있어서, 상기 액상 규산나트륨은 메타 규산나트륨(Na₂SiO₃), 오쏘 규산나트륨(Na₄SiO₄), 및 이규산나트륨(Na₂Si₂O₅)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 친환경 흙 콘크리트 조성물.
제1 항에 있어서, 상기 고로 슬래그 미분말의 중량 대비 10 ~ 30 %의 범위의 포틀랜드 시멘트를 더 포함하는 친환경 흙 콘크리트 조성물.