KR100994833B1 - 폐주물사를 활용한 폴리머콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐주물사를 불포화폴리에스테르 수지에 충진하여 기존의 폴리머 콘크리트에 비해 제조 단가가 저렴하면서도 그에 상응하는 물리, 화학적 성능을 가지는 폴리머 콘크리트 조성물을 제공하고, 맨홀, 경계석, 방음벽(판), 욕조, 세면기, 흄관, 토목.건축재 등의 다양한 용도로 활용될 수 있는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 굵은골재 40~50중량부, 폐주물사 15~25중량부, 불포화폴리에스테르 수지 조성물 7~10중량부, 수축저감제 2~3중량부, 탄산칼슘분말 5~15중량부, 규석분말 5~15중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

폐주물사를 활용한 폴리머콘크리트 조성물{omitted}

본 발명은 굵은골재, 폐주물사, 불포화폴리에스테르수지 조성물, 수축저감제, 탄산칼슘분말, 규석분말을 포함하여 구성되는 폐주물사를 활용한 폴리머콘크리트 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 건축·토목용 등으로 사용하는 콘크리트의 주요 조성물은 시멘트, 물, 골재 그리고 필요에 따라 혼화재 등을 사용하여 혼합하는 것으로 현장에 타설하는 것으로 프리캐스트화 할 경우에는 물과 시멘트비에 변화를 주어 혼합한 후에 진동·가압 및 원심력 등에 의한 성형방법에 의해 성형하며 양생시키는 방법으로 제품화한다.

이러한 일반 콘크리트는 철근의 부식 및 중성화, 염해 등에 의해 내구성 저하가 나타나며, 이러한 현상을 예방하기 위해 철근의 표면에 에폭시 수지, 우레탄, 실리콘, 불포화 폴리에스테르 계열 등의 화학 수지로 코팅하거나 페인트 등으로 도장하는 방법이 사용되고 있으나, 내구성, 경제성 및 접착 특성에 문제점이 제기되고 있다. 즉, 건설재료로써 대표적으로 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트 콘크리트는 경제성 및 구조특성상의 장점을 가지고 있으나 결합재가 시멘트 수화물이기 때문에 늦은 경화, 작은 인장강도, 큰 건조수축, 내약품성 취약 등의 단점을 가지고 있다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 콘크리트 제조시에 사용하는 결합재로서 시멘트를 전혀 사용하지 않고 열경화성 또는 열가소성 수지와 같은 액상 수지를 사용하여 골재를 결합시킨 폴리머 콘크리트(Polymer Concrete) 등의 폴리머 복합 재료를 사용한다. 즉, 시멘트 대신에 유기 합성 고분자인 열 경화성 수지 혹은 열 가소성 수지를 결합재로 이용한 폴리머 콘크리트 및 모르타르 등의 폴리머 복합 재료는 경화 시간이 대체로 빠르고, 휨 강도, 압축 강도 및 인장 강도 등의 강도 특성 또한 매우 우수하면서, 내약품성, 동결 융해에 대한 저항성, 내마모성, 방수성 등의 성질도 시멘트 콘크리트 및 모르타르 같은 보통 시멘트 제품에 비해 월등히 우수한 장점을 가지고 있어, 방식 라이닝, 보수 재료, 블록맨홀, 흄관, 하수관, 기계기초, 인조 대리석 등에 고기능성 신소재로서 널리 이용되고 있다.

현재까지 개발된 폴리머 콘크리트는 한국특허등록 제394465호에 골재, 충진재 및 결합재 조성물을 포함하는 폴리머 복합 재료에 있어서, 상기 결합재 조성물이 전체 결합재 조성물 중량에 대하여 1 내지 50 중량%의 폐 발포 폴리스티렌, 반응성 용제로서 45 내지 94 중량%의 스티렌 모노머 또는 메틸메타크릴레이트, 가교제로서 4 내지 50 중량%의 트리메틸로프로판 트리메타크릴레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 복합 재료가 제시된 바 있는데, 상기 결합재 조성물 함유 폴리머 복합 재료는 폐기물로 다량 발생되고 있는 폐 발포 폴리스티렌을 이용하기 때문에 고분자 합성 수지를 결합재 성분으로 하는 종래의 폴리머 복합 재료에 비해 제조 원가가 훨씬 저렴하고, 폐기물을 재활용한다는 측면에서 2차 오염을 방지하는 뛰어난 환경 보호 효과를 제공하며, 이를 사용하여 제조한 경화된 복합 재료 또한 휨 강도, 압축 강도 등 물리적 성능면에서 기존의 복합 재료에 상응하는 우수한 성능을 발휘하는 특징이 있다.

또한, 한국공개특허 특1997-0026979호에는 폐주물사를 골재로 하여 포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트, 금속 산화물, 마그네슘 화합물, 간수, 인산화합물, 암모늄염과 열경화성 고분자 수지 페놀, 요소, 멜라닌, 아크릴 및 염료, 안료를 선택적으로 구성하여 조성물을 제조하는 방법이 제시되어 있는데, 상기 조성물을 이용하여 경화체 조성시 금속산화물과 금속산화물 경화체를 첨가하여 가용성 규산이 수용되면서 금속 산화물과 화학반응하여 금속 규산염으로 유도하고 경화제로 결합함으로 인하여 규산의 표면 표출이 없고 장기 강도가 좋고 조성된 경화체는 조직이 치밀하여 투수, 흡수성이 없어 내수, 방수 효능이 우수하며 공해성이 없으므로 환경보호에 기여하며, 특히 시멘트 제품으로 구성할 수 없는 다양한 색상을 도출하므로 토목, 건축자재를 제조시 연마된 물체와 같이 표면이 깨끗하고 다양한 색채의 제품을 만들 수 있고, 점차적으로 천연 강모래의 부족으로 인한 골재난 해소에 일익을 할 수 있는 장점이 있다.

그러나 현재 사용되고 있는 폴리머 콘크리트 및 모르타르 등의 폴리머 복합 재료는 상기한 바와 같은 여러 가지 장점에도 불구하고 결합재로서 유기 합성 고분자를 사용하므로 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트나 모르타르 제품에 비해 상대적으로 고가의 제조 비용이 투입되어야 하고 그 사용 범위와 대중화에 큰 제약을 받고 있다.

한편, 주물산업은 산업기계, 항만, 선박, 자동차부품, 금속공작기계 등 국가적 차원에서 계속 지원발전이 필요로 하는 분야이므로 국가의 기간산업으로 계속하여 중단 없이 발전되고 있으며, 주물산업의 제련, 생산과정에서 발생하는 각종의 폐주물사는 제련과정에서 폐수처리제의 성분인 여러 가지의 화공약품이 첨가되고 또 다량의 산화철, 산화아연, 실리카 산화칼슘 및 약간의 유황 등을 포함하고 있을 뿐만 아니라 유해물질로 납, 카드뮴, 크롬, 구리 등이 미소량 함유되어 있다.

그러나, 각 업체에서의 폐주물사를 재생 처리하기 위한 기술력 부족과 초기 투자비의 과다 및 주물공장에서의 재활용 주물사의 기피현상을 이유로 폐주물사를 재생 처리하여 사용하지 않고 있고, 또한, 폐주물사를 콘크리트 성분으로 재활용할 경우에도 폐주물사의 가용성 규산이 표출되어 부식현상이 발생하여 제품의 오염 및 강도저하로 이용가치가 없고, 매립에 의존하거나 또는 방치하는 경우 폐주물사의 결합제인 규산소다 성분이 그대로 잔류하고 있고, 강알칼리(pH 12.5)로 인해 환경훼손이 우려되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 폴리머 콘크리트의 문제점을 해결하고, 현재 환경 폐기물로 발생되고 있는 폐주물사의 새로운 재활용 방안을 제시함과 동시에, 폐주물사를 불포화폴리에스테르 수지에 충진하여 기존의 폴리머 콘크리트에 비해 제조 단가가 저렴하면서도 그에 상응하는 물리, 화학적 성능을 가지는 신규한 폴리머 콘크리트 조성물을 제공하고, 맨홀, 경계석, 방음벽(판), 욕조, 세면기, 흄관, 토목.건축재 등의 다양한 용도로 활용될 수 있는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.

본 발명은 굵은골재 40~50중량부, 폐주물사 15~25중량부, 불포화폴리에스테르 수지 조성물 7~10중량부, 수축저감제 2~3중량부, 탄산칼슘분말 5~15중량부, 규석분말 5~15중량부를 포함하여 구성되는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한 상기 굵은골재는 순수실리키를 제외한, SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm, 비중 2.43~2.62, 흡수율 0.6~1.2%, 함수율 1% 이하인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 폐주물사는 조쇄 및 중쇄처리하는 1차분쇄단계, 1차분쇄단계를 거친 폐주물사를 수분함량이 1차 분쇄된 폐주물사 중량대비 1 중량% 이하가 되도록 하는 건조단계; 건조된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 1차 분리하는 1차분리단계; 1차분리단계를 거친 폐주물사를 더욱 잘게 분쇄하는 2차분쇄단계; 2차분쇄된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 2차 분리하는 2차분리단계; 1,2차 분리단계에서 금속편류가 제거된 폐주물사를 입자별로 분리하는 입자분리단계;에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 폐주물사는 입자크기 20∼200 메쉬, SiO₂ 함량 93~95%, 함수율 1% 이하인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 불포화폴리에스테르 수지 조성물은 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 경화제 1~10중량%로 이루어진 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 경화제는 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide)인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 수축저감제는 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌 수지인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 탄산칼슘분말은 입도 #325체 통과 60~70%, CaCO₃ 함량 90%이상, 함수율 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 규석분말은 SiO₂함량 90% 이상, 분말도 3,000~3,500 ㎠/g인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

본 발명에 따른 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물은 폐주물사를 재활용하여 불포화폴리에스테르 수지에 충진하여 기존의 폴리머 콘크리트에 비해 제조 단가가 저렴하면서도 우수한 물리, 화학적 성능을 가지며, 맨홀, 경계석, 방음벽(판), 욕조, 세면기, 흄관, 토목.건축재 등의 다양한 용도로 활용할 수 있는 특유한 효과가 있다.

본 발명은 굵은골재 40~50중량부, 폐주물사 15~25중량부, 불포화폴리에스테르 수지 조성물 7~10중량부, 수축저감제 2~3중량부, 탄산칼슘분말 5~15중량부, 규석분말 5~15중량부를 포함하여 구성되는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한 상기 굵은골재는 순수실리카를 제외한, SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm, 비중 2.43~2.62, 흡수율 0.6~1.2%, 함수율 1% 이하인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 폐주물사는 조쇄 및 중쇄처리하는 1차분쇄단계, 1차분쇄단계를 거친 폐주물사를 수분함량이 1차 분쇄된 폐주물사 중량대비 1 중량% 이하가 되도록 하는 건조단계; 건조된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 1차 분리하는 1차분리단계; 1차분리단계를 거친 폐주물사를 더욱 잘게 분쇄하는 2차분쇄단계; 2차분쇄된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 2차 분리하는 2차분리단계; 1,2차 분리단계에서 금속편류가 제거된 폐주물사를 입자별로 분리하는 입자분리단계;에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 폐주물사는 입자크기 20∼200 메쉬, SiO₂ 함량 93~95%, 함수율 1% 이하인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 불포화폴리에스테르 수지 조성물은 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 경화제 1~10중량%로 이루어진 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 경화제는 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide)인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 수축저감제는 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌 수지인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 탄산칼슘분말은 입도 #325체 통과 60~70%, CaCO₃ 함량 90%이상, 함수율 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 규석분말은 SiO₂함량 90% 이상, 분말도 3,000~3,500 ㎠/g인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머콘크리트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 통해 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 사용하는 굵은 골재는 순수실리카를 제외한, SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm, 비중 2.43~2.62, 흡수율 0.6~1.2%, 함수율 1% 이하인 것을 사용하고, 일반적으로 콘크리트에 사용되는 강자갈 등 어느 것이나 제한이 없으며, 사용량은 본 발명의 폴리머 콘크리트 총 조성물에 대하여 40~50중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 40중량부 미만의 경우에는 폴리머 수지의 소요량이 증가하는 문제가 있으며, 50중량부 초과의 경우에는 폐주물사, 탄산칼슘 및 규석분말의 충전율이 감소하여 강도가 저하하는 문제가 있기 때문이다.

한편, 쇠를 녹여 필요한 형상을 제조하는 주물공정에서 필수적인 형틀(MOLD)은 주물용탕의 온도 1,650℃에 대한 내열성과 주물용탕의 압력에 견딜 수 있는 강도 및 용탕에서 발생하는 가스가 용이하게 빠져나갈 수 있는 통기성등을 충족하기 위해 규소(SiO₂) 함량이 95%이상, 20~200메시의 입도를 가지는 규사(Silica Sand, 주물사)를 규산소다 점결재(Sodium Silicate, Na2OㆍnSiO2ㆍxH2O)로 점결하여 주물형틀을 제작하고, 용융금속이 주입되는 주물형틀은 높은 온도에 의하여 각 주물사의 표면에 점결제가 탄화 경화되어 부착되고, 이와 같이 탄화 경화된 점결제가 부착된 폐주물사를 별도의 처리없이 재활용하게 되면 물성저하의 원인이 되므로 이미 사용된 주물형틀을 진동기를 사용하여 폐주물사를 마찰시켜 즉, 마찰 스크라이빙(scrubbing)하여 주물사입자 표면으로부터 불순물을 분리 제거하는 방법이 시도되고 있지만, 이는 고가의 기계장치를 이용해야 하고 이 방법 역시 완전한 제거가 어려웠다.

또한, 폐주물사는 벽돌, 블록 및 미장용 시멘트의 골재로 적합한 골재이지만 시멘트와 혼련시 폐주물사의 과산화나트륨으로 인하여 강도저하 및 과산화나트륨이 시멘트 경화 후 표면으로 표출되는 백화현상 때문에 사용이 기피되고 있었다.

따라서, 폐주물사는 별도의 전처리를 거쳐 점결제를 제거한 후 사용하게 되는데, 그 전처리는, 조쇄 및 중쇄처리하는 1차분쇄단계, 1차분쇄단계를 거친 폐주물사를 수분함량이 1차 분쇄된 폐주물사 중량대비 1 중량% 이하가 되도록 하는 건조단계; 건조된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 1차 분리하는 1차분리단계; 1차분리단계를 거친 폐주물사를 더욱 잘게 분쇄하는 2차분쇄단계; 2차분쇄된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 2차 분리하는 2차분리단계; 1,2차 분리단계에서 금속편류가 제거된 폐주물사를 입자별로 분리하는 입자분리단계;를 거쳐 사용하게 되며, 상기 전처리를 거친 폐주물사는 입자크기 20∼200 메쉬, SiO₂ 함량 93~95%, 함수율 1% 이하인 것이 되며, 전처리 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 1차분쇄단계

1차 분쇄는 조쇄 및 중쇄로서, 조쇄는 초벌로 굵직굵직하게 깨는 것을 말하고, 중쇄는 두번째로 잘게 부스는 것을 말한다. 조쇄 및 중쇄는 조크러셔(Jaw Crusher), 롤크러셔(Roll Crusher) 또는 콘크러셔(Con Crusher)를 이용한다.

2. 건조단계

1차분쇄단계를 거친 폐주물사를 수분함량이 1차 분쇄된 폐주물사 중량대비 1% 이하가 되도록 건조하는 건조단계로서, 건조 방법으로는 자연건조, 열풍건조 등 다양한 방법을 사용할 수 있다. 이때, 건조 시간을 단축하고, 효율을 상승시키기 위해 로터리킬른(Rotary Kiln)을 이용하여 건조시키는 것이 바람직하다.

수분함량이 1차 분쇄된 폐주물사 중량대비 1% 이하가 되도록 하는 이유는 폐주물사에 수분이 함유되어 있을 때 자력에 의한 금속편류가 분리되는 비율이 낮고, 수분이 1% 이하일때 자력에 의한 금속편류가 분리율이 높기 때문이다.

3. 1차 분리단계

자석밸트를 이용해 건조된 폐주물사에서 금속편류를 1차 분리한다.

4. 2차 분쇄단계

1차분리단계를 거친 폐주물사를 분쇄하는 2차 분쇄단계로서, 1차 분리된 폐주물사를 더욱 잘게 부수는 과정으로 롤 밀(Roll Mill) 등을 이용하며, 이 과정에서 폐주물사 입자간에 서로 부딪히게 되어 폐주물사 표면에 부착된 여러형태의 점결제가 서로 마모 분리된다.

5. 2차 분리단계

드럼자석을 이용해 2차 분쇄된 폐주물사에서 금속편류를 2차 분리하는 2차분리단계로서 조쇄 및 중쇄 과정을 거쳐 비교적 굵은 입자의 폐주물사에서 1차적으로 금속편류가 제거된 후 이를 다시 분쇄한 후 드럼자석을 이용해 금속편류를 2차 분리하하게 된다.

6. 입자분리단계

1,2차 분리단계에서 금속편류가 제거된 폐주물사를 입자별로 분리하는 단계로서, 입자별 분리는 공지되어 있는 다단분급기, 입자분리기 등을 사용한다.

상기 폐주물사 사용량은 15~25중량부 사용하는 것이 바람직한데, 15중량부 미만의 경우에는 굵은골재와의 결합력 등 물리적 특성이 취약하게 되고, 25중량부 초과의 경우에는 폴리머수지의 소요량이 증가하는 문제가 있기 때문이다.

불포화 폴리에스테르 수지, 즉 UPR은 폴리머결합재의 한종류로서 열경화수지에 속하며 불포화 다가산을 반드시 함유하고 여기에 포화 다가산과 다가 알코올을 병용하여, 탈수 축합반응에 의해 만들어지는 고분자인 불포화 Alkyd Binder를 반응성 비닐 모노머에 희석시킨 액상수지를 총칭하는데, 품질에 따라 다르지만 0.5~10Pa.s의 점도를 가지며, 비중은 1.1~1.5이고 무색투명하지만 착색될 수 있다. 또한 뛰어난 경화성과 양호한 성형성 및 작업성을 가지고 있지만 저온에서는 점도가 급격히 떨어져 작업이 거의 불가능한 단점이 있다. 다음 그림은 불포화폴리에스테르의 분자구조식을 나타낸 것이다.

가장 전통적인 불포화 폴리에스테르 수지는 1몰의 MAn과 2몰의 PAn, 그리고 3몰의 PG를 Polycondensation 반응을 시켜 얻은 Binder와 반응성 Vinyl monomer로 SM을 사용하여 55:45의 혼합비로 희석하여 제조한다. 그리고, 가교 경화후의 물성은 산의 종류와 글리콜의 종류 그리고 그 사용량에 따라 변화한다.

불포화폴리에스테르 수지는 Packed Column, Steam-jacket 및 water Total Condenser 등이 설치된 가열교반 Reactor에서 질소 공급하에서 가열 Polyesterification 반응을 하여 제조하는데, 일반적으로 PAn (Ortho-)을 사용한 Conventional type의 경우 1 스테이지 반응을 하고 반응시간 10~14시간에 반응온도는 150℃~250℃에서 요구 분자량에 따라 공정시간이 다르게 합성하고, IPA를 사용했을 경우 일반적으로 안정적인 이중결합의 분포를 위하여 반응시간 22~32시간, 180~230℃에서 2 스테이지 반응으로 불포화 폴리에스테르 Binder를 제조한 후, 반응성 모노머로 희석하여 제조하며, 가장 일반적인 UPR로서 1.0-2.0 몰의 PAn, 1.0몰의 MAn, 그리고 2.8-2.1 몰의 PG로 합성하여 35~45%의 SM으로 구성되어 있다.

본 발명에서는 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 경화제 1~10중량%로 이루어진 불포화폴리에스테르 수지 조성물을 사용한다.

상기 스티렌 모노머 반응성희석제 함량이 40중량% 미만인 경우에는 강도는 강해지나 불포화 폴리에스터 수지의 수축으로 균열이 발생되고, 45중량%를 초과하는 경우 과량의 희석제로 인하여 강도가 저하되며, 상기 불포화 폴리에스테르의 점도 0.5~10 Poise(25℃) 범위를 벗어나는 경우 0.5poise 미만이면 혼합골재와 혼합시 비중차이로 인한 재료분리 현상이 발생하고, 10poise를 넘으면 골재와 혼화성이 떨어져 균일한 품질을 구현하기 어려우며, 고점도의 혼합재료로 인해 작업성이 저하된다. 또한, 상기 불포화 폴리에스테르는 겔화시간 20~50분 범위를 벗어나 20분 미만이면 시공성이 떨어지고, 50분을 초과하면 겔화시간이 길어져 역시 작업성이 저하된다.

상기 경화제는 열경화성 수지인 불포화 폴리에스테르 수지의 축합중합반응을 시발시키는 촉매역할을 하는 것으로서 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide)를 사용하며, 본 발명의 폴리머 콘크리트 총 조성물에 대하여 1~10중량부를 사용하는데, 1중량부 미만의 경우에는 경화 시간이 늦어져서 연속작업공정으로 이루어지는 후속공정작업과의 손실시간이 길어져 비능률적이며, 10중량부를 넘는 경우에는 지나치게 빨리 경화되어 생산공정에 필요한 최소시간이 부족한 문제가 있게 된다.

상기 불포화폴리에스테르 수지조성물의 사용량은 7~10중량부가 바람직한데, 7중량부 미만이면 접착력이 저하되고, 폴리머 콘크리트의 배합작업이 어려우며, 10중량부를 초과하면 수지의 뭉침으로 인한 분리, 수축, 휨 등이 커지고 수지와 골재의 혼합에서의 작업성이 저하되며 고가의 수지를 필요 이상 사용하게 됨에 따라 과도한 경제적 비용을 지출하게 된다.

상기 수축저감제는 폴리머 콘크리트의 경화 과정에서 발생하는 중합반응에 의해 경화되는 과정에서 체적 수축이 발생하기 때문에 과대한 체적 수축으로 인한 폴리머 콘크리트의 균열을 억제하고 치수 안정성 유지 및 한도 이상의 수축을 제어하기 위하여 사용하는 것으로서 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌(polystrene) 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 폴리머 콘크리트 총 조성물에 대하여 2~3중량부 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 2중량부 미만의 경우에는 열경화성 수지의 과대한 체적수축이 발생할 문제가 있고, 3중량부 초과의 경우에는 강도 저하의 문제가 있기 때문이다.

탄산칼슘은 불포화폴리에스테르 수지의 감량, 점성의 증진, 강도 및 내구성 등의 개선을 위해 사용되는 불활성 물질로서 중질 탄산칼슘(CaCO₃)을 사용하는데, 입도 #325체 통과 60~70%, CaCO₃ 함량 90%이상, 함수율 0.1% 이하인 것을 사용하고, 그 사용량은 폴리머 콘크리트 총 조성물에 대하여 5~15중량부로 사용하는 것이 바람직하며, 5중량부 미만의 경우에는 점도의 감소로 인하여 경화시간이 오래 걸리고 폴리머 콘크리트의 부착력이 떨어지며, 15중량부 초과의 경우에는 폴리머콘크리트의 점성이 너무 강해져 폴리머콘크리트의 경화시간이 현저하게 짧아지므로, 작업성이 저하되고, 충분한 충전 및 유동 특성을 가지지 못한다.

규석(실리카)은 지구 지각의 60% 이상을 차지하고 있는 광물로 경도가 큰 비금속 광물 중 하나이다. 규석은 Siloxane bond(Si-O-Si)를 가진 백색의 결정체로써 건축 재료로부터 첨단산업용 전자 칩까지 다양하게 이용된다. 국내에도 제주도를 제외한 전국에 산재해 있으며 강원도, 경기도에 주로 많은 량이 분포되어 있다. 대부분 고품위 규석은 그동안 활용 및 수출로 고갈되고, 중저 품위(규암)가 대부분으로 매장량은 약 11억 톤에 달하고 있다.

국내에서는 고품위 규석 원광 확보가 어려워, 현재는 중국, 인도 등 아세아 지역에서 수입하여 선별, 파쇄, 분쇄 및 기능성 부여 후 이용하고 있으며, 최근에는 규석 및 규사관련 업체가 100여 곳이 넘고, 연간 광물로 수입되는 량은 매년 8%정도 증가하여 300억 원대에 이르고 있으며 실리카 관련 수입제품은 연간 약 수천억 원대에 이르고 있다.

규석 관련 분체 업계 기술 현황은 jaw crusher를 이용하여 단순 중쇄, 조쇄 과정을 거쳐서 시멘트 부원료, 유리용 및 건축용 등으로 많이 이용하여 오고 있으며, 부가가치화 목적으로 hammer mill, ball mill, jet mill등의 장치로 파쇄, 분쇄 과정을 거쳐 인조 모래를 생산하여 인조 석판, pile 및 충전제 등으로 이용하고 있다. 생산되고 있는 제품은 용도에 따라 품위와 입도 차이가 있지만, 품위는 원광(원석)에 따라 다르고, 입도는 -325mesh(43㎛)정도의 규석 분말을 생산하고 있고, 규석 초미립 분말도 사용되고 있다.

본 발명에서 사용되는 규석분말은 SiO₂함량 90% 이상, 분말도 3,000~3,500 ㎠/g인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 규석분말의 분말도는 조성물내의 반응을 극대화 하기 위하여 분말도가 높을수록 유리하나 분말도가 과도하게 높으면 강도저하의 원인이 되므로 상기 범위의 분말도가 적합하다.

상기 규석분말은 5~15중량부 사용하는 것이 바람직한데,5중량부 미만으로 혼합되면 강도가 저하되며, 15중량부를 초과하여 혼합되면 강도는 강해지나 인장력 및 압축강도가 저하된다.

실시예

다음 표 1과 같은 조성과 함량으로 굵은골재, 폐주물사, 불포화폴리에스테르 수지 조성물, 수축저감제, 탄산칼슘분말, 규석분말을 교반기가 부착된 혼합기에 투입하여 분당 200 ∼ 800 회전수로 15분간 교반하여 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 제조하여 공시체 시험편을 제조하고 24시간 동안 양생한 후, 휨강도 (KS F 2408 : 콘크리트의 휨강도 시험방법) 및 압축강도(KS F 2405 : 콘크리트의 압축강도 시험방법)를 측정하였다.

비교예

실시예 1~4와 동일한 굵은골재를 사용하고, 배합비는 초속경 시멘트 100중량부에 굵은골재 300중량부, 물 52중량부를 균일하게 배합하여 24시간 동안 양생한 후, 상기 실시예 1~4의 방법과 동일하게 휨강도와 압축강도를 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

배합비(단위 : 중량부)

재료	실시예
굵은골재	46
폐주물사	22
UPR	8
폴리스티렌	2
탄산칼슘분말	11
규석분말	11

휨강도 및 압축강도

물성	실시예	비교예
휨강도(MPa)	32.5	12.0
압축강도(MPa)	160.0	31.5

표 2와 같이, 휨강도 및 압축강도 시험 결과 본 발명의 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물은 기존의 콘크리트 보다 휨강도에서 2배 이상, 압축강도에서 5배 이상 우수한 결과를 나타내었다.

Claims (9)

1. 순수실리카를 제외한, SiO₂ 함량 90% 이상, 입도 5~10mm, 비중 2.43~2.62, 흡수율 0.6~1.2%, 함수율 1% 이하의 굵은골재 40~50중량부와; SiO₂ 함량 93~95%, 입자크기 20∼200 메쉬, 함수율 1% 이하의 폐주물사 15~25중량부와; 불포화폴리에스테르 수지 조성물 7~10중량부와; 수축저감제 2~3중량부와; 탄산칼슘분말 5~15중량부와; SiO₂함량 90% 이상, 분말도 3,000~3,500 ㎠/g의 규석분말 5~15중량부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 폐주물사는 조쇄 및 중쇄처리하는 1차분쇄단계, 1차분쇄단계를 거친 폐주물사를 수분함량이 1차 분쇄된 폐주물사 중량대비 1 중량% 이하가 되도록 하는 건조단계; 건조된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 1차 분리하는 1차분리단계; 1차분리단계를 거친 폐주물사를 더욱 잘게 분쇄하는 2차분쇄단계; 2차분쇄된 폐주물사를 자석밸트를 이용하여 금속편류를 2차 분리하는 2차분리단계; 1,2차 분리단계에서 금속편류가 제거된 폐주물사를 입자별로 분리하는 입자분리단계;에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 불포화폴리에스테르 수지 조성물은 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 경화제 1~10중량%로 이루어진 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 경화제는 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide)인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 수축저감제는 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌 수지인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 탄산칼슘분말은 입도 #325체 통과 60~70%, CaCO₃ 함량 90%이상, 함수율 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 폐주물사를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물
   
9. 삭제