KR100983104B1 - 다공성 소일 블록 - Google Patents

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강수만
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박상우
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Abstract

공극률 향상에 따른 생태적인 안정성과 강도 향상에 따른 구조적인 안정성을 동시에 확보할 수 있는 다공성 소일 블록을 제공한다. 본 발명에 따른 다공성 소일 블록은 골재, 골재들 사이를 채우는 소일 결합제, 및 소일 결합제에 균일하게 혼합된 표면 다공성 천연 섬유를 포함한다. 소일 결합제는 고로슬래그 시멘트 38중량% 내지 52중량%, 고로슬래그 미분말 30중량% 내지 40중량%, 소일 8중량% 내지 26중량%, 무수석고 4중량% 내지 8중량%를 포함할 수 있다. 표면 다공성 천연 섬유는 소일 결합제에 대해 0.1체적% 내지 2체적%로 함유될 수 있으며, 마 섬유, 펄프 섬유, 및 바나나 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

Description

다공성 소일 블록 {POROUS SOIL BLOCK}
본 발명은 하천 호안 및 옹벽 등에 사용되는 다공성 소일 블록에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조적인 안정성과 생태적인 안정성을 동시에 확보할 수 있으며, 건식 시스템 생산 방식에 적합한 다공성 소일 블록에 관한 것이다.
다공성 소일 블록의 제조 방법으로 습식 시스템 생산 방식과 건식 시스템 생산 방식이 있다. 습식 시스템 생산 방식은 슬럼프를 가지는 콘크리트를 사용하는 방식으로서 다양한 모양을 손쉽게 제작할 수 있고 강도가 높은 장점이 있다. 그러나 몰드 하나당 제품 한개만을 생산할 수 있으므로 생산성이 낮고 단가가 높은 단점이 있다.
건식 시스템 생산 방식은 슬럼프가 없는 콘크리트를 사용하는 방식으로서 몰드 한개로 수많은 제품을 생산할 수 있으므로 단가가 저렴한 장점을 가지고 있어 국내에서 많이 적용되고 있다.
그러나 건식 시스템 생산 방식으로 제조되는 다공성 소일 블록의 경우, 제품 배합시 재료 분리 방지와 성형성을 높이기 위해 다량의 배합수를 첨가하게 되는데, 이때 제품 성형시 진동 다짐으로 인해 소일 결합제가 흘려내려 공극이 막히는 현상이 발생하게 된다. 따라서 소일 블록의 공극에서 식물이 자라도록 하는 생태 블록의 역할을 충분히 수행할 수 없다. 한편, 배합수가 충분하지 않으면 배합이 충분히 이루어지지 않으므로 재료 분리가 일어나고 성형성이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 충분한 배합수를 사용하여 재료의 분리를 방지하고 성형성을 향상시킴과 동시에 진동 다짐시 소일 결합제의 흘러내림을 방지하여 충분한 공극률과 높은 강도를 확보할 수 있는 다공성 소일 블록을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 다공성 소일 블록은 골재, 골재들 사이를 채우는 소일 결합제, 및 소일 결합제에 균일하게 혼합된 표면 다공성 천연 섬유를 포함한다.
소일 결합제는 소일, 고로슬래그 미분말, 및 고로슬래그 시멘트를 포함할 수 있다. 소일은 점토, 황토, 사질토, 및 카올린 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
소일 결합제는 소일 결합제의 전체 중량에 대해 고로슬래그 시멘트 38중량% 내지 52중량%, 고로슬래그 미분말 30중량% 내지 40중량%, 소일 8중량% 내지 26중량%, 무수석고 4중량% 내지 8중량%를 포함할 수 있다.
표면 다공성 천연 섬유는 소일 결합제에 대해 0.1체적% 내지 2체적%로 함유될 수 있다. 표면 다공성 천연 섬유는 마 섬유, 펄프 섬유, 및 바나나 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 표면 다공성 천연 섬유는 1mm 내지 50mm의 길이 및 0.03mm 내지 5mm의 두께 또는 직경을 가질 수 있다.
다공성 소일 블록은 건식 시스템 방식으로 제조될 수 있다.
본 발명의 다공성 소일 블록은 표면 다공성 자연 섬유를 포함하므로 건식 시스템 생산 방식의 배합 효과를 증대시켜 재료 분리를 억제하고 성형성을 향상시킬 수 있다. 또한, 자연 섬유로 인해 진동 다짐으로 인한 공극 막힘 현상을 억제할 수 있으므로 식물의 생육에 적합한 공극률을 확보할 수 있으며, 호안 블록 및 옹벽 블록에서 요구하는 강도 특성도 만족할 수 있다. 즉, 본 발명의 다공성 소일 블록은 생태적인 안정성과 더불어 구조적인 안정성을 동시에 확보할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 다공성 소일 블록은 골재, 골재 사이를 채우는 소일 결합제, 및 소일 결합제에 균일하게 혼합된 표면 다공성 자연 섬유를 포함한다. 골재는 굵은 골재와 잔 골재를 포함할 수 있다. 본 발명의 다공성 소일 블록은 건식 시스템 생산 방식으로 제조된다.
소일 결합제는 pH 저감 효과가 우수하여 식물의 생육 환경을 개선할 수 있도록 소일(흙)과 고로슬래그 미분말, 및 고로슬래그 시멘트를 포함한다.
소일은 주변에서 쉽게 채취할 수 있는 토양으로서 유기물을 함유하거나 반응성을 가진 것은 제외한다. 소일은 점토, 황토, 사질토, 및 카올린(고령토) 중 적어도 하나를 포함한다. 이 중 사질토와 카올린은 다공성 소일 블록의 강도 향상에 유리하고, 점토 및 황토는 흙의 질감을 내는데 유리하게 작용한다.
고로슬래그 미분말과 고로슬래그 시멘트는 다공성 소일 블록 내에서 시멘트의 강 알칼리 성분(pH 약 12 내지 13)을 중성화시키는 작용을 한다.
종래의 콘크리트 생태 블록의 경우, 시멘트의 강 알칼리 성분으로 인해 식물의 생장에 어려움이 있으므로 이를 중성화하려는 노력이 지속되고 있다. 중성화를 위해서는 시멘트의 사용량을 줄이거나 시멘트를 전혀 사용하지 않아야 하지만, 이 경우 생태 블록의 결합력이 없어지거나 결합력이 약해지므로 적정한 강도를 구현할 수 없다.
본 발명의 다공성 소일 블록은 일반 시멘트 대신 고로슬래그 미분말과 고로슬래그 시멘트를 사용하므로 중성화 효과와 함께 결합력을 강화시키는 효과도 얻을 수 있다. 고로슬래그 미분말과 고로슬래그 시멘트는 유사 포졸란 재료로서 다공성 소일 블록의 결합력을 높이며, 그 결과 다공성 소일 블록의 강도와 성능을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 다공성 소일 블록은 pH 6 내지 8을 유지하며, 식물의 생육을 극대화시킬 수 있다.
구체적으로, 소일 결합제는 소일 결합제 전체 중량에 대해 고로슬래그 시멘트 38중량% 내지 52중량%, 고로슬래그 미분말 30중량% 내지 40중량%, 소일 8중량% 내지 26중량%, 및 무수석고 4중량% 내지 8중량%를 포함할 수 있다.
소일의 혼입량이 26중량%를 초과하거나, 고로슬래그 미분말의 혼입량이 40중량%를 초과하면 소일 결합제의 pH가 더 낮아져 식물의 생육 조건에는 유리하지만 다공성 소일 블록의 강도가 약해지므로 바람직하지 않다.
자연 섬유는 표면 다공성과 더불어 표면 친수성을 가지는 천연 소재 섬유로 이루어지며, 마 섬유, 펄프 섬유, 및 바나나 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 자연 섬유는 그 표면에 형성된 미세 기공을 통해 적정 양의 배합수를 흡수하여 진동 다짐시 소일 결합제의 흘러내림을 방지하는 역할을 한다. 또한, 자연 섬유는 배합을 원활하게 하여 재료 분리를 방지하고 성형성을 높이는 역할을 한다.
자연 섬유는 소일 결합제에 대해 0.1체적% 내지 2체적%로 포함될 수 있다.
자연 섬유의 혼입량이 소일 결합제에 대해 0.1체적% 미만이면 자연 섬유가 배합수를 흡수하는 효과가 적어지므로 진동 다짐시 소일 결합제의 흘러내림을 방지하는 효과가 미비해진다. 따라서 소일 블록의 공극률이 낮아지므로 생태 블록으로서의 기능성이 저하된다.
한편, 자연 섬유의 혼입량이 소일 결합제에 대해 2체적%를 초과하면 자연 섬유가 초기에 많은 양의 배합수를 흡수하게 되므로 배합이 충분히 이루어지지 않게 된다. 따라서 소일 블록의 재료 분리가 발생하고 성형성이 낮아진다.
자연 섬유는 원형 또는 직사각형 등 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 소정의 길이로 절단된 것을 사용한다. 자연 섬유의 길이는 1mm 내지 50mm일 수 있고, 자연 섬유의 두께 또는 직경은 0.03mm 내지 5mm일 수 있다.
자연 섬유의 길이가 1mm 미만이거나 두께 또는 직경이 0.03mm 미만이면, 자연 섬유의 수분 흡수량이 감소하므로 소일 결합제의 흘러내림이 발생할 수 있다. 한편, 자연 섬유의 길이가 50mm를 초과하거나 두께 또는 직경이 5mm를 초과하면, 자연 섬유가 소일 결합제 내부에서 고르게 퍼지지 못하여 자연 섬유가 뭉치는 현상이 발생할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 다공성 소일 블록에서 자연 섬유는 건식 시스템 생산 방식의 배합 효과를 증대시켜 재료 분리를 억제하고 성형성을 향상시키는 기능을 한다. 이와 동시에 자연 섬유는 진동 다짐으로 인한 공극 막힘 현상을 억제하여 식물의 생육에 적합한 공극률을 확보하도록 하고, 호안 블록 및 옹벽 블록에서 요구하는 강도를 구현하도록 한다.
통상의 다공성 소일 블록에서는 공극률이 증가하면 강도가 약해져 구조적인 안정성이 저하된다. 그러나 본 발명의 다공성 소일 블록에서는 배합수를 흡수하는 효과를 가진 표면 다공성 자연 섬유를 사용함에 따라, 공극률을 높이면서도 골재와 골재 사이의 계면을 두껍게 하는 효과가 있어 압축 강도 및 휨 강도를 향상시킬 수 있다. 표면 다공성 자연 섬유는 다공성 소일 블록이 경화된 후 다시 원래의 체적으로 돌아간다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실시예로 한정되지 않는다.
[실시예]
섬유 보강재 사용으로 인한 효과를 분석하기 위하여 표면 다공성 자연 섬유인 마 섬유, 친수성 합성 섬유인 폴리비닐알코올 섬유, 및 일반 합성 섬유인 폴리프로필렌 섬유를 준비하였다. 이들 섬유 보강재의 물리적 특성을 표 1에 나타내었다.
Figure 112010026475830-pat00001
표 2는 섬유 보강재 사용 유무 및 섬유 보강재의 종류에 따른 성능 실험을 위한 배합표이다.
Figure 112010026475830-pat00002
표 2에서 물/소일 결합제(%)는 소일 결합제 양에 따른 물(배합수)의 양을 백분율로 나타낸 것이며, 골재/소일 결합제(kg/kg)는 소일 결합제 1kg에 대한 골재의 중량 비율을 나타낸다. 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 6 모두에서 섬유 보강재의 함유량은 섬유 보강재를 제외한 나머지 성분들(소일 결합제, 물, 유동화제, 및 굵은 골재) 전체 체적의 0.1%이다.
일반 콘크리트는 pH 12 내지 13의 강한 알칼리성이므로 이 조건에서는 식물이 생육하지 못한다. 본 실시예의 다공성 소일 블록은 pH 저감 효과가 있는 소일 결합제를 사용하므로 식물이 생육할 수 있는 조건을 갖출 수 있다.
섬유 보강재의 종류에 따른 pH 저감 효과를 분석하기 위하여 KSM 0011 방법에 준하여 pH 실험을 실시하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
Figure 112010026475830-pat00003
표 3을 참고하면, 섬유 보강재 사용 유무 및 섬유 보강재의 종류에 관계없이 pH 값에는 큰 변화가 없으며, 실시예 1, 2, 및 비교예 1 내지 6 모두에서 일반 콘크리트보다 낮은 9.3 내지 9.4의 pH 값을 나타내고 있으므로 식물의 생육에 좋은 환경을 제공하고 있음을 확인할 수 있다.
다음으로, 공극률 실험 결과에 대해 설명한다.
다공성 소일 블록에서 공극은 식물의 생육을 활성화하는 기본 조건이므로 매우 중요한 요소이다. 공극률 실험은 일본 콘크리트 공업협회 에코콘크리트 연구위원회의 다공성 콘크리트의 공극률 시험방법(안) 중 용적법에 준하여 실시하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
Figure 112010026475830-pat00004
표 4를 참고하면, 실시예 1 및 비교예 1 내지 3 모두에서 하천 호안용 블록의 기준 공극률인 20% 조건을 만족하고, 실시예 2 및 비교예 4 내지 6 모두에서 옹벽용 블록의 기준 공극률인 12% 조건을 만족하고 있다. 그러나 마 섬유를 사용한 실시예 1이 호안용 블록에서 평균 31.1의 가장 높은 공극률을 확보하고 있으며, 실시예 2가 옹벽용 블록에서 평균 19.3의 가장 높은 공극률을 확보하고 있음을 알 수 있다.
전술한 결과는 마 섬유의 형상비가 커서 섬유 보강의 효과를 극대화할 수 있으며, 자연 섬유로서 그 표면이 다공성으로 이루어져 있기 때문에 수분의 흡착 효과가 비교예들의 섬유보다 크므로 소일 결합제의 흘러내림을 방지하는 효과가 가장 크기 때문이다. 여기서, 형상비란 섬유의 길이/지름을 의미한다.
한편, 공극률이 큰 다공성 소일 블록은 강도 저하가 우려될 수 있다. 식생을 주요 목적으로 하는 소일 블록의 경우, 강도보다는 공극률을 향상시켜 생태계 복원에 초점을 맞추기도 하나, 공극률 증가로 인한 생태적인 안정성과 더불어 강도 향상에 의한 구조적인 안정성도 갖추는 것이 바람직하다.
KS F 2405 기준에 따라 압축 강도 실험을 실시하였으며, 그 결과를 표 5에 나타내었다. 그리고 JCI SF-4 기준에 따라 휨 강도 실험을 실시하였으며, 그 결과를 표 6에 나타내었다.
Figure 112010026475830-pat00005
Figure 112010026475830-pat00006
표 5와 표 6을 참고하면, 호안용 블록에서 실시예 1의 압축 강도 및 휨 강도가 비교예 1 내지 3의 압축 강도 및 휨 강도보다 높고, 옹벽용 블록에서 실시예 2의 압축 강도 및 휨 강도가 비교예 4 내지 6의 압축 강도 및 휨 강도보다 높은 결과를 확인할 수 있다.
전술한 결과는 자연 섬유가 골재와 골재 사이의 계면을 두껍고 강하게 만드는 효과와 더불어 표면 다공성으로 인해 폴리비닐알코올 섬유 및 폴리프로필렌 섬유보다 흡착 효과가 뛰어나기 때문이다.
한편, 자연 섬유의 경우 알칼리 환경의 영향을 받을 수 있다. ASTM C1260 기준에 따라 알칼리-골재 반응 실험을 실시하였다. 이 실험은 NaOH 용액의 침지 기간에 따른 압축 강도 변화를 측정하는 실험으로서 그 결과를 표 7에 나타내었다.
Figure 112010026475830-pat00007
표 7을 참고하면, 섬유 보강재의 종류에 관계없이 섬유 보강재의 첨가는 알칼리 저항성에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다. 이는 실시예와 비교예 모두에서 섬유 보강재가 섬유 보강재를 제외한 나머지 성분들 전체 체적의 0.1%로 혼입되었기 때문이다.

Claims (9)

  1. 골재, 상기 골재들 사이를 채우는 소일 결합제, 및 상기 소일 결합제에 균일하게 혼합된 표면 다공성 천연 섬유를 포함하고,
    상기 소일 결합제는 소일, 고로슬래그 미분말, 및 고로슬래그 시멘트를 포함하며,
    상기 소일 결합제는 소일 결합제의 전체 중량에 대해 고로슬래그 시멘트 38중량% 내지 52중량%, 고로슬래그 미분말 30중량% 내지 40중량%, 소일 8중량% 내지 26중량%, 및 무수석고 4중량% 내지 8중량%를 포함하는 다공성 소일 블록.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소일은 점토, 황토, 사질토, 및 카올린 중 적어도 하나를 포함하는 다공성 소일 블록.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 표면 다공성 천연 섬유는 상기 소일 결합제에 대해 0.1체적% 내지 2체적%로 함유되는 다공성 소일 블록.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 표면 다공성 천연 섬유는 마 섬유, 펄프 섬유, 및 바나나 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 다공성 소일 블록.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 표면 다공성 천연 섬유는 1mm 내지 50mm의 길이를 가지는 다공성 소일 블록.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 표면 다공성 천연 섬유는 0.03mm 내지 5mm의 두께 또는 직경을 가지는 다공성 소일 블록.
  9. 제1항, 제3항, 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 소일 블록은 건식 시스템 방식으로 제조된 것인 다공성 소일 블록.
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